3107两足行走机器人—身体及头部结构部分设计.doc

1、 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 28 页1 绪论1.1 引言什么是机器人呢?在国际上，关于机器人的定义很多，出发点各不相同，有的强调工业机器人特征，有的侧重于智能机器人。美国机器人协会认为“机器人是一种用于移动各种材料、零件的工具或专用装置；是通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机” ，显然该定义指的是工业机器人，国际标准化组织(ISO)也有类似的定义。日本工业机器人协会(JIRA)定义机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的且能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。有些定义直接把机器人分为工业机器人和智能机器人两种情况来解释，认为工

2、业机器人是“一种能够执行与人的上肢(手和臂)类似动作的多功能机器” ，智能机器人是“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器” 。我国的蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置” 。尽管定义各不相同，但有共同之处，即认为机器人应具有下列特征:（1）像人或人的上肢，并能模仿人的动作；（2）具有智力或感觉与识别能力；（3）是人造的机械或机械电子装置。当然，随着机器人的进化和其智能的发展，这些定义很难涵盖其本质，有必要修改 1。1.2 机器人的发展及技术1.2.1 机器人的发展20 世纪 40 年代，伴随着遥控操纵器和数控制造技术的出现，关于机器人技术的研究开始出现。60

3、年代美国的 Consolidatedcontry 公司研制出第一台机器人样机，并成立了 Unimation 公司，定型生产了 Unimate 机器人。20 世纪 70 年代以来，工业机器人产业蓬勃兴起，机器人技术逐渐发展为专门学科。1970 年，第一次国际机器人会议在美国举行。经过几十年的发展，数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的机器人已进入了实用化阶段。目前，尽管关于机器人的定义还未统一，但一般认为机器人的发展按照从低级到高级经历了三代。第一代机器人，主要指只能以“示教一再现”方式工作的机器人，其只能依靠人们给定的程序，重复进行各种操本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第

4、 2 页 共 28 页作。目前的各类工业机器人大都属于第一代机器人。第二代机器人是具有一定传感器反馈功能的机器人，其能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人按照己编好的程序做出一定推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智能。当前，对第二代机器人的研究着重于实际应用与普及推广上。第三代机器人是指具有环境感知能力，并能做出自主决策的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维，判断决策，在作业环境中可独立行动。第三代机器人又称为智能机器人，并己成为机器人学科的研究重点，但目前还处于实验室探索阶段。机器人技术己成为当前科技研究和应用的焦点与重心，并逐渐在工农业生产和国

5、防建设等方面发挥巨大作用。可以预见到，机器人将在 21 世纪人类社会生产和生活中扮演更加重要的角色。1.2.2 机器人技术机器人学是一门发展迅速的且具有高度综合性的前沿学科，该学科涉及领域广泛，集中了机械工程、电气与电子工程、计算机工程、自动控制工程、生物科学以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最新成就。机器人充分体现了人和机器的各自特长，它比传统机器具有更大的灵活性和更广泛的应用范围。机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。目前，机器人及其自动化成套装备己成为国内外备受重视的高新技术应用领域，与此同时它正以惊人的速度向海洋、航空、

6、航天、军事、农业、服务、娱乐等各个领域渗透。目前，虽然机器人的能力还是非常有限的，但是它正在迅速发展。随着各学科的发展和社会需要的发展，机器人技术出现了许多新的发展方向和趋势，如网络机器人技术、虚拟机器人技术、协作机器人技术、微型机器人技术和双足步行机器人技术等。人们普遍认为，机器人技术将成为紧随计算机技术及网络技术之后的又一次重大的技术革命，它很可能将世界推向科学技术的新时代 2。1.3 双足机器人的优点及国内外研究概况1.3.1 双足步行机器人的优点机器人是现代科学技术发展的必然产物，因为人们总是设法让机器来代替人的繁重工作，从而发明了各种各样的机器。机器的发展和其它事物一样，遵循着由低级

7、到高级的发展规律，机器发展的最高形式必然是机器人。而机器人发展的最高目标是制造出像人一样可以行走和作业的机器人，也就是拟人机器人。因为它具有良本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 28 页好的环境适应性，并且这种优秀品质在高低不平的路面上以及具有障碍物的空间里更加突出，所以与之相关的问题己经成为研究热点。拟人机器人的研制工作开始于20 世纪 60 年代，短短的几十年时间内，其研制工作进展迅速。步行机器人的研制工作是其中一项重要内容。目前，机器人的移动方式主要包括轮式、履带式、爬行式、蠕动式以及步行等方式。对轮式和履带式移动机器人的研究主要集中在自主运动控制上，如避

8、障路径规划等。这两种机器人过分依赖于周围环境，应用范围受限。爬行和蠕动式机器人主要用于管道作业，具有良好的静动态稳定性，但速度较低。常见的步行机器人有双足、四足和六足等情况。自然界事实、仿生学以及力学分析表明:在具有许多优点的步行机器人中，双足步行机器人因其体积相对较小，对非结构性环境具有较好的适应性，避障能力强，移动盲区很小等优良的移动品质，格外引人注目。首先，对于支撑路面，双足步行机器人的要求很低，理论上只需要分散的、孤立的支撑点，就可以通过机器人自行选择最佳的支撑点，获得最佳的移动性能。而轮式移动机器人通常要求连续的、硬质的支撑路面，对于恶劣的支撑路面，它只能被动的适应。其次，在存在障碍

9、物的情况下，双足步行机器人能够跨越与自身腿长相当的障碍物，甚至跳越障碍，而轮式移动机器人仅能滚越尺寸小于轮子半径的障碍物。机器人力学计算表明，足式步行机器人的能耗通常低于轮式和履带式 7。1.3.2 双足步行机器人的步行特点及研究意义世界著名机器人专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授曾经指出“机器人应当具有的最大的特征之一是步行功能” 。一般说来，机器人的步行方式有两种，即静态步行与动态步行。静态步行是指低速步行，不考虑惯性力，机器人在行走过程中只需要满足静力平衡条件，即重心要始终保持在支撑脚区域内:动态步行与之不同，必须考虑惯性力的影响，行走过程中要满足动态平衡，即控制系统的零力矩点(zMP)

10、始终在支撑脚的稳定区域内。动态步行具有速度快效率高等优点。静态步行可以看作动态步行的特例。和轮式、履带式、爬行式、蠕动式等机器人相比，双足步行机器人在具有上述难以取代的优越性的同时，也存在很多的技术难关，稳定步行和高速运动都困难的。双足步行机器人系统存在着高阶、强耦合、多变量及非线性等特性，这些特性使得双足步行机器人的运动学和动力学的精确求解非常困难，而且也没有十分理想的理论或方法来求解逆运动学和动力学解析解，只有外加一些限制条件，如能量消耗最小，峰值力矩最小来求解运动学和动力学的近似解，这往往导致了机器人的规划运动与实际运动有较大的出入。所以，迄今为止双足步行机器人还是以本 科 毕 业 设

11、计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 28 页“静步行”为主，特点是步速较低、步幅较小，其运动性能与人类相比还相距甚远。由于步行机器人的发展受到机构学、材料学、计算机技术、控制技术、微电子技术、通讯技术、传感技术、人工智能、数学方法、仿生学等学科发展程度的制约，还处于实验室研制阶段，距离真正意义上的拟人机器人还有相当的距离 10。在这一领域内还有许多的问题等待我们去解决。双足步行是生物界最难的动作，它的完美实现必然要求机器人在结构设计方面产生巨大的变革和创新，从而有力地推动相关学科的发展。同时，双足步行机器人具有多关节、多驱动、多传感器，而且具有冗余自由度，这给控制研究带来很大困难，

12、也相应的给各种控制策略和优化方法提供了理想的试验平台，因此，对双足步行机器人的研究具有很高的理论价值，引起国内外无数专家学者的瞩目 4。为了促进机器人技术在我国的发展，全国各地尤其是部分高校举办了各种类型的机器人大赛。中国机器人大赛是由中国自动化学会机器人竞赛工作委员会和科技部高技术研究发展中心主办的一个全国性的赛事。其中最为引人瞩目的舞蹈机器人项目就是为了促进双足步行机器人的发展而设立的。由于步行机器人的实现目前还存在很多技术难题，前几届由中国科技大学主办的舞蹈机器人大赛基本上是以轮式机器人为主，还没有出现步行机器人参赛。由此可见，双足步行机器人的发展还有一段很长的路要走。研制双足步行机器人

13、的一项重要内容就是步态规划。所谓的步态，是指在步行过程中，步行本体的身体各部位在时序和空间上的一种协调关系;步态规划就是给出机器人各关节位置与时间的关系，是双足步行机器人研制中的一项关键技术，也是难点之一。步态规划的好坏将直接影响到双足步行机器人的行走稳定性、美观性以及各关节所需驱动力矩的大小等多个方面，已经成为双足步行机器人领域的研究热点。基于上述原因，本课题拟进行双足步行机器人的步态规划研究，研制具有高度稳定性的双足步行机器人平台，为进一步的拟人机器人研制奠定基础。1.3.3 国外研究概况拟人机器人的研究是一个很诱人、难度很大的研究课题。关于这方面的研究日本走在了世界的前列。早稻田大学理工

14、学部 1973 年建立了“人格化机器人”研究室，曾开发出不少拟人机器人系统。例如会演奏钢琴的机器人、双足步行机器人以及电动假肢等。该研究室的带头人高西淳夫教授说:“人格化机器人的一个很大特征就是它具有与人类相近的结构。机器人与人类的共存是我们研究开发的课题之一” 。当今世界，有“机器人王国”之称的日本在双足步行机器人研究领域处于绝对领先地位，本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 28 页具有代表性的研究机构有加藤实验室、日本早稻田大学、日本东京大学、日本东京理工学院、日本机械学院、松下电工、本田公司和索尼公司等。日本早稻田大学的加藤一郎教授于 1968 年率先展开

15、了双足步行机器人的研制工作，并先后研制出场系列样机若干年研制出 P-1 平面自由度步行机器人，该机器人具有六个自由度，每条腿有骼、膝、踩三个关节；关节处使用人造橡胶肌肉，通过充气、排气引起肌肉收缩，肌肉的收缩牵引关节转动从而实现步行。1971 年，研制出 WAP-3 型双足机器人，仍采用人工肌肉，具有 11 个自由度，能在平地、斜坡和阶梯上行走。该机器人重130kg 高 0.9m，实现步幅 15cm，每步 455 的静态步行；同年又研制出 WL-5 双足步行机器人，该机器人采用液压驱动，具有 11 个自由度，下肢作三维运动，上躯体左右摆动以实现双足机器人重心的左右移动。1973 年，在 WAP

16、-5 的基础上配置机械手及人工视觉、听觉等装置组成自主式 WAROT-1。1980 年，推出 WL-9DR(Dynam Refined)双足机器人，该机器人采用预先设计步行方式的程序控制方法，通过对步行运动的分析及重复实验设计步态轨迹，用设计出的步态控制机器人的步行运动，该机器人采用了以单脚支撑期为静态，双脚切换期为动态的准动态步行方案，实现了步幅45cm，每步 95 的准动态步行。1984 年，研制出采用踝关节力矩控制的 WL-10DR 双足机器人，增加了踝关节力矩控制，将一个步行周期分为单脚支撑期和转换期。1986年，又成功研制了 wL- 12(R)双足机器人，该机器人通过躯体运动来补偿下

17、肢的任意运动，实现了步行周期 23 秒，步幅 30cm 的平地动态步行。代表双足步行机器人和拟人机器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司。本田公司从 1986 年至今已经推出了 Pl，PZ，P3 系列机器人，在 PZ 和 P3 中，使用了大量的传感器：陀螺仪(测定上体偏转的角度和角速度)、重力传感器、六维力/力矩传感器和视觉传感器等，利用这些传感器感受机器人的当前状态和外界环境的变化，并基于这些传感器对下肢各关节的运动做出调整，实现动态步行。并且于 2000 年 11 月 20 日，推出了新型双足步行机器人，实现了与人一样自然行走的新姿态控制技术，自律连续移动技术以及可顺畅地与人同步动作的技术

18、等，使其更容易适应人类的生活空间，通过提高双脚步行技术使其更接近人类的步行方式。双脚步行技术方面采用了新开发的技术,双脚步行技术的基础上组合了新的“预测运动控制功能” ，它可以实时预测以后的动作，并且据此事先移动重心来改变步调。以往由于不能进行“预测运动控制” ，当从直行改为转弯时，必须先停止直行动作，然后才可以转弯。索尼公司于 2000 年 11 月 21日推出了人形娱乐型机器人 SDR-3X(Sony DreamRobot 一 3x)。SDR 一 3X：头部 2 个、本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 28 页躯干 2 个、手臂 42 个、下肢和足部 62

19、个，共计 24 个自由度。2001 年 7 月，川田工业公司的航空机械业务部开发出了研究用类人型双足步行机器人。该机器人身高 146.8cm，体重 55kg，关节自由度全身合计 32 个。通过使用具有摇杆(Joystick)的操作部件，可以令该机器人向任何方向自由步行。该产品在脚趾处安装有关节，从而提高了步行的速度，并且能够爬上最高阶差为 25cm 的楼梯。2002年 6 月 12 日，机器人世界杯国际委员会宣布将从 2002 年 6 月 20 日起在日本的福冈与韩国的釜山举行机器人世界杯大赛。从该届起，将增设双足步行机器人的足球赛事。这标志着机器人选手参加的世界杯又向人类走近了一步。该大赛的

20、目标是“在2050 年之前，制造出能够战胜当时世界冠军队的自律型机器人队伍” ，这一梦想将由双足步行机器人来实现。2005 年 1 月 12 日，由日本产业技术综合研究所的比留川博等人开发出一台取名“H-2”拟人机器人亮相东京。该机器人身高 154cm，体重 58kg。研究人员先请民间艺术家跳舞，用特殊摄像机拍摄后将画面输入电脑，并对手、脚、头、腰等 32 个部位的动作进行解析，然后把有关解析数据输入给机器人，最后利用这些数据来控制机器人手的动作和脚步等，使“HRP-2”可以和人一样动作连贯,翩翩起舞。除了日本之外，美国、英国、法国等也对步行机器人做了大量的基础理论研究和样机研制工作，并取得一

21、定成就。美籍华人郑元芳博士是美国双足步行机器人研究者中一位非常杰出的人物。他基于神经网络研制出两台双足步行机器人，分别命名为 SD-1 和 SD-2，SD-1 具有 4 个自由度，SD-2 具有 8 个自由度，其中SD-2 是美国第一台真正类人的双足步行机器人。他利用 SDR-2 于 1986 年实现了平地上的前进、后退以及左、右侧行；1987 年，又成功地实现了动态步行。1971 年至1986 年间，英国牛津大学的 Witt 等人制造并完善了一个双足步行机器人，该机器人在平地上行走良好，步速达 0.23m/s。前面所述的研究主要是关于主动式步行机器人(靠关节电机驱动)。加拿大的 dMcGee

22、r 主要研究被动式双足步行机器人，即在无任何外界输入的情况下，靠重力和惯性力实现步行运动。1989 年，他建立了平面型的双足步行机构，两腿为直杆机构，没有膝关节，每条腿上各有一个小电机来控制腿的伸缩，无任何主动控制和能量供给，放在斜坡上，可依靠重力实现动态步行。目前，主动和被动式双足步行机器人在研究上很少互相借鉴。1.3.4 国内研究概况国内双足步行机器人的研制工作起步较晚，我国是从 20 世纪 80 年代开始双足步行机器人领域的研究和应用的。1986 年，我国开展了“七五”机器人攻关计划，本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 28 页1987 年，我国的“863

23、”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。目前我国从事机器人研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国进行机器人技术研究的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后取得了一定的成就。自1985 年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果，其中以哈尔滨工业大学和国防科技大学较为成果显著。在自然科学基金和国家“863”计划的支持下，哈尔滨工业大学自 1985 年开始研制双足步行机器人，迄今为止己经完成三个型号的研制工作。1988 年哈工大 HIT-I 型双足步行机器人问世，HIT-I 型双足步行机器人具有 10 个自由度，重 100kg，高 1.2m，关节由直流伺服电

24、机驱动，属于静步态行走。HIT-具有 12 个自由度，该机器人髋关节和腿部结构采用了平行四边形结构。HIT-具有 12 个自由度，踝关节采用两电机交叉结构，同时实现了两个自由度，腿部结构采用了圆筒形结构。HIT-实现了静步态行和动步态步行，能够完成前/后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。1988 年春，国防科技大学成功研制出我国第一台平面型六自由度的双足机器人，能够实现前进、后退和上下楼梯；1989 年，他们又实现了准动态步行。1990 年，进一步实现了实验室环境下的全方位行走；2000 年 2 月 30 日，国防科技大学在自 1986 年开始研制的双足步行机器人的基础上，成功研制出我国

25、第一台拟人机器人“先行者” ，并通过国家“863”项目专家组验收。与该校 1990 年成功研制的双足步行机器人相比，其行走频率从过去的 6秒每步提高到每秒两步；从只能平地静态步行，到能快速自如地动态步行;从只能在己知环境下步行，到可在小偏差、不确定环境下行走，实现了多项关键技术突破。2003 年 1 月取名为 BRH-1 的仿人机器人在北京理工大学通过国家“863”项目组的验收。这个机器人身高 1.58m，体重 76kg，具有 32 个自由度，每小时能够行走 1km，步幅 0.33m。验收专家认为该机器人在系统集成、步态规划和控制系统等方面实现了重大的突破。仿人机器人课题组负责人、北京理工大学

26、教授李科杰认为:目前“BHR-1”仿人机器人己经能够根据自身力觉、平衡觉等感知机器人自身的平衡状态和地面高度的变化，实现在未知地面上的稳定行走和太极拳表演，使中国成为继日本之后，第二个研制出无外接电缆行走，集感知、控制、驱动、电源和机构于一体的高水平仿人机器人国家。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 28 页2 双足机器人的本体结构设计2.1 引言双足步行机器人本体的机械结构是研究机器人的基础，结构的好坏直接影响到机器人后续的研究工作。以双足类人结构特征为基础，各研究结构研制的双足机器人在自由度，驱动方式，重量，高度与结构特征等方面都存在很大的差异。机器人结构的

27、不同，其控制的方式也有所不同。2.2 两足机器人的结构分析两足步行机器人是对人类自身的模仿，但是人类总共有上肢 52 对，下肢 62 对，背部 112 对，胸部 52 对，腰部 8 对，颈部 16 对，头部 25 对之多的肌肉。从目前的科学发展情况来看，要控制具有 400 个双作用式促进器的多变量系统是不可能的，因此，在设计步行机械时，人们只考虑移动的基本功能。例如，只考虑在平地或者具有已知障碍物的情况下的步行。郑元芳博士从仿生学的角度对类人机器人的腿部自由度配置进行了深入的研究，得出关节扭矩最小条件下两足步行机器人的自由度配置。他认为髋部和踝部设两个自由度，可使机器人在不平地面上站立，骸部再

28、加一个扭转自由度，可改变行走方向，踝关节处加一个旋转自由度可使脚板在不规则表面上落地，这样机器人的腿部需要有 72 个自由度(骸关节 3 个，膝关节 1 个，踝关节 3 个)。但是，无论现在的两足步行机器人还是拟人机器人都还只能在规则路面上行走，所以各研究机构都选择了 62 个自由度(踝关节 3 个，膝关节 1 个，踝关节 2 个)，如:哈尔滨工业大学的 HIT-m、国防科技大的“先行者” 、本田公司的AsIMO 和索尼公司的 SDR 和 QRIO。具有 62 个自由度的机器人的机械结构和控制都特别的复杂。按照在能完成研究目标的情况下，自由度最少的设计原则，在过去的四十年中，为了不同的研究目标

29、，人们设计了许多具有不同自由度的两足步行机器本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 28 页人，按照行走过程中的稳定方式，两足步行机器人一般分为三类:(1) 静态机器人，这类步行机器人的 COM(Censer of Mass)始终处于支撑多边形(单脚支撑期为支撑脚的轮廓线，双脚支撑期为两只脚的外边沿所围成的凸多边形)内，所以只能实现静态行走；(2) 动态机器人，这类步行机器人有踝关节，依靠踝关节来保证它的 ZMP 点(Zero Momeni Censer)始终处于支撑多边形内，所以可以实现静态行走和动态行走；(3) 全动态机器人，这类步行机器人的踝关节没有驱动，甚至

30、没有踝关节所以，支撑多边形在单脚支撑期缩小成一个点，在双脚支撑期缩小为一条线段，所以，这类机器人不能保持静态平衡，只能实现动态行走 8， 9 。自由度数最少的两足步行机器人只有一个自由度，如图 2.1 所示。这类机器人没有躯干，两条腿直接铰链在一起。这类机器人理论上只有一个自由度，实际上，为了防止摆动腿摆动时和地面干涉，这两条腿都必须是可以伸缩的。加上这两个平移自由度，这个机器人实际上有 3 个自由度。它的运动学模型是平面的，没有侧向运动，在径向平面内的运动象一个两脚圆规。在双脚支撑期，没有冗余自由度。这类两足步行机器人不能保持静态平衡，属于完全动态机器人，在仅受重力作用时，可以在斜面上行走。

31、图 2.1 一个自由度的两足步行机器人2.3 双足机器人的自由度配置我们设计了一个双足步行机器人模型，如图 2.2 所示。显著的结构特征就是采用多关节型结构。行走机构能实现平地前后行、爬斜坡等功能。动力源采用舵机直接动，这样不但可以实现结构紧凑、传动精度高以及大大增加关节所能达到的最大角度，而且驱动源全为电机，便于集中控制和程序化控制。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 28 页图 2.2 双足步行机器人模型图 2.2 模仿人类，肩关节三个自由度，前向和侧向自由度，一般不考虑转动的自由度。肘关节两个自由度前向和侧向自由度，腕关节一个自由度。踝关节有两个自由度，前向和侧向自由度:膝关节只有一个前向自由度，髋关节处要模拟人类髋关节行为理论上要求有三个正交的自由度，但在机器人直线前进时只需要正交的前向和侧向自由度，同样不考虑 5， 6 。2.3.1 头部及身体结构规划 在头部装有一个舵机，可实现 Z 轴一个自由度的转动。身体内部空心以降低重心，提高机器人步行的稳定性。头部结构如图 2.3 所示。身体结构如图 2.4，图 2.5所示。图 2.3 头部零件