1、各类毕业设计课程定做 Q 号是 1714879127 该论文含配套的图纸(需购买)毕业设计课程定做 Q*Q=17148791271 绪论1.1 引言 机器人是一种典型的机电一体化产品，仿人型机器人是机器人研究领域的热点。研究仿人型机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。双足步行机器人是仿人型机器人的一种。1959 年，世界上诞生了第一台工业机器人，开创了机器人发展的新纪元。随着科学技术的发展，仿人型机器人的研究与应用迅猛发展。世界著名机器人专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能
2、” 。其中双足行走是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生也曾说过这样一句话：“上帝创造人类，两条腿是最美妙的杰作” 。双足步行系统具有非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，既能在平地上行走，也能在非结构性的复杂地面上行走，对环境有很好的适应性。步行功能的具备为扩大机器人的应用领域开辟了无限广阔的前景。研究双足步行机器人的原因和目的，主要有以下几个方面：希望研制出双足步行机构，使它们能在许多结构和非结构环境中行走，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；希望更多得了解和掌握人类得步行特性，并利用这些特性为人类服务，例如：人造假肢。双足步行系统具有丰富的动力学
3、特性，在这方面的研究可以拓宽力学及机器人的研究方向；双足步行机器人可以作为一种智能机器人在人工智能中发挥重要的作用。科幻小说和电影作品中，人们将像人一样行走、思考、行为的机器人作为机器人研究的最高境界。科学工作者也一直将实现类人行为的机器人作为工作的最高目标去追求。步行机器人特别是双足步行机器人的研究是整个类人机器人研究的前奏，是实现类人机器人的必不可少的一个环节。在具有许多优点的步行机器人中，由于双足步行机器人体积较小，所以他们对环境有最好的适应性。这种机器人除结构较简单外，在静、动态稳定步行方面，都是最困难的，但这种困难并不是不能克服。实用的双足步行机器人由两条腿和平台（腰部）组成。腿的作
4、用是为平台提供移动能力，而平台的作用则是提供一个基础，以便安装机械手、CCD 摄像机、机载计算机控制系统和电池等。显然，这种带机械手的双足步行机器人外形上更像人，能非常各类毕业设计课程定做 Q 号是 1714879127 该论文含配套的图纸(需购买)毕业设计课程定做 Q*Q=1714879127灵活地从事较多的工作。但是，对于这种双足步行机器人来说，平台的稳定性对于有效地控制机械手末端操作器的位置和姿态是至关重要的，而两条腿的步态又对平台的稳定性起决定作用。因此，如何规划好腿的步态，协调地控制两条腿的运动以保持平台及整个双足步行机器人的稳定就成为一个主要问题。双足步行机器人可以是很复杂的系统，
5、当然也可以是构造简单的系统。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 年代美国的 ConsolidatedContr01 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哈尔滨工程大学硕十学位论文。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，
6、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-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
7、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各类毕业设计课程定做 Q 号是 1714879127 该论文含配套的
8、图纸(需购买)毕业设计课程定做 Q*Q=1714879127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、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。1.3 双足步行机器人研究概况1.3.1 国外研究现状分析最早系统地研究人类和动物
9、运动原理的是Muybridge，他发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在1877年成功地拍摄了许多四足动物步行和奔跑的连续照片。后来这种采用摄像机的方法又被Demeny用来研究人类的步行运动。从本世纪30年代到50年代，苏联的Bernstein从生物动力学的角度也对人类和动物的步行机理进行深入的研究，并就步行运动作了非常形象化的描述。真正全面、系统地开展两足步行机器人的研究是始于本世纪60年代迄今，不仅形成了两足步行机器人一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态步行的两足步行机器人样机。这一部分，我们主要介绍队60年代到1985年
10、这一时期，在两足步行机器人领域所取得的最重要进展。在60年代和70年代，对步行机器人控制理论的研究产生了3种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这3种控制方法对各种类型的步行机器人都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出来的 ，模型参考控制是由美国的Farnsworth在1975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗鲍宾研究所著名的机器人学专家Vukobratovic博士在1969年至1972年问提出来的。这3种控制方法之间有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况 1。在两足步行机器人
11、的发展史上，Vukobratovic博士是一个非常突出的人物。他在整个70年代就两足步行机器人的理论研究和假肢的设计发表了很多有影响的论文。他提出了用欧拉角描述两足步行系统的通用数学模型；指出了由于步行系统的动态性能和控制性能的特殊性，用一般控制理论不能满意地解决人工实现步行的问题，各类毕业设计课程定做 Q 号是 1714879127 该论文含配套的图纸(需购买)毕业设计课程定做 Q*Q=1714879127并相应地提出了算法控制的概念；研究了类人型两足步行系统在单脚和双脚支撑期机构的特点，并建立了从运动副组合到关节力矩计算等各项运算的KINPAIR算法，分析了类人型两足步行系统的姿态稳定性，
12、并提出了相应的姿态控制算法；对类人型两足步行系统进行了能量分析和频率分析此外，他还与合作者一起为截瘫病人和小儿麻痹症患者设计了一系列半动力型和动力型辅助行走装置 。特别重要的是，他和Stepanenko博士一起在1972年提出了“零力矩点ZMP”的概念ZMP概念的提出对两足步行机器人控制产生了非常重要的影响，为有效地控制两足步行机器人的运动开辟了一条崭新的途径 2。在步态研究方面，苏联的Bessonov和Umnov定义了“最优步态”，Kugushev和Jaro-shevskij定义了自由步态。这两种步态不仅适应于两足而且也适应于多足步行机器人。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常
13、粗糙不平，那么步行机器人在行走时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。在两足步行机器人的稳定性研究方面，美国的Hemami等人曾提出将两足步行系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子(倒摆)，从而可以将两足步行的前进运动解释为使振子直立移动的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑，Hemami等人还曾就两足步行机器人的“降阶模型”问题进行了研究。在步行模式这方面的研究中，日本加藤一郎教授及其合作者1980年提出了“准动态步行的概念 ，这是一种介于静态步行和动态步行之间的步行方式。它既具有静态步
14、行的特点又具有动态步行的特点，其步速要比静态步行快，而实现起来又不象动态步行那样困难。最早采用最优理论来研究类人型两足步行系统是美国的Chow和Jacobson。他们在1971年发表的论文中， 具有约束条件的力学模型和性能最优准则作为两足步行优化问题的核心，而以一种简化模型作为研究对象。但最后，他们仅是以局部耗能最少为基础得出了一个优化结果。前面我们曾指出Vukobratovic也对类人型两足步行系统进行了能量分析，但他仅限于导出各关节及整个步行系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题但在他的研究中，Vukobratovic得出了一个有用的结论，即步行各类毕业设计课程定做
15、Q 号是 1714879127 该论文含配套的图纸(需购买)毕业设计课程定做 Q*Q=1714879127姿态越平滑，类人型两足步行系统所消耗的功率就越少。下面介绍一下样机研制方面的主要情况。早在50年代中期，美国通用电气公司就制造了一台名为“Hardiman”的步行车，但当时的驱动和伺服控制技术显然还不足以使Hardiman进入实用化阶段。1986年至1971年间，牛津大学的Witt等人曾制造和完善了一个两足步行机器人。当时他们的主要目的是为瘫痪者和下肢残疾者设计实用的辅助行走装置。这个机器人在平地上走得非常好，步速为0.28ms，功率消耗约4瓦 。1972年，日本早稻田大学的加藤一郎教授及
16、其合作者设计的Wabot(前身为WL-5)是迄今为止最上象的一个两足步行机器人，它除有两条腿之外，还具有许多其它拟人的特征Wabot首次步行是在1973年，它具有一定的自律性，能完成低速度的静态稳定步行。后来，加藤他们又制造了一系列两足步行机器人，这些机器人一般都是液压驱动的，每条腿上一般具有5个自由度，典型的步长和步行周期分别是15厘米和l5秒，并且它们都能实现静态和准动态步行。特别值得一提的是，这些科学家在1984年成功地使他们研制的WL-lORD两足步行机器人实现了动态步行，步幅为43.18厘米，步速达到1.3步每秒。WL-10RD机器人重84公斤，在其本体上安装了一台Z8002微型计算
17、机，用来控制它的步行运动。在80年代初，东京大学的Miura和Shimoyama研制了5种类型的两足步行机器人，它们依次被命名为BIPER-1。所有这些机器人都不能保持静态稳定，但在适当的控制作用下都能实现动态步行。BIPER-1和BIPER-2其能侧行；BIPER-3是一个高跷型机器人，脚与地面以点状接触，它既能侧行，也能前进、后退；BIPER-4的两条腿具有与人完全相同的自由度；而BIPER-5则与BIPER-3相似，但BIPER-5的所有仪器如计算机等，都安装在其本体上。1982年，东京理工学院的Funabashi等人设计了一个名为MEG-2的两足步行机器人，在该机器人的连杆机构上安装有
18、重力和惯性力补偿装置。在1985年的实验中，该机器人实现了高速步行。此外，日本还有很多科学家和技术人员在8O年代也研制了一些两足步行机器人。其中有的采用最优调节器和数字控制理论来控制两足步行机器人的运动，有的用形状记忆合金作为关节驱动器，而有的则是研究轨迹产生算法或试将神经网络理论用于步行机器人运动控制。在1985年以前，样机的研制主要是日本的科学家做出了突各类毕业设计课程定做 Q 号是 1714879127 该论文含配套的图纸(需购买)毕业设计课程定做 Q*Q=1714879127出的贡献。1.3.2 国内研究现状分析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
19、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，1987 年，我国的“863”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。哈尔滨工业大学自 1986 年开始研究双足步行机器人，先研制成功静态步行双足机器人 HIT-I，高 110cm，重 70kg，有 10 个自由度，实现平地上的前进、左右侧行以及上下楼梯的运动，步幅 45cm，步速为 10 秒/步，后来又相继研制成功了 HIT-II和 HIT-III，重 42k
20、g，高 103cm，有 12 个自由度，实现了步长 24cm，步速 2.3 步每秒的步行。目前正在研制的 HI 下 IV 机器人，全身可有 52 个自由度，其在运动速度和平衡性方面都优于前三型行走机器人 37 。国防科技大学在 1988 年春成功地研制了一台平面型 6 自由度的双足机器人 KDW-1，它能前进、后退和上下楼梯，最大步幅为 40cm，步速为 4 步每秒，1989 年又研制出空间型 KDW-II，有 10 个自由度，高 69cm，重 13kg 实现进退、上下台阶的静态稳定步行以及左右的准动态步行。1990 年在 KDW-II 的平台上增加两个垂直关节，发展成 KDW-III，有 1
21、2 个自由度，具备了转弯功能，实现了实验室环境的全方位行走。1995 年实现动态行走，步速 0.8 步每秒，步长为 20cm22cm，最大斜坡角度达 13度。2000 年底在 KDW-III 的基础上研制成功我国首台仿人形机器人“先行者” ，动态步行，可在小偏差、不确定的环境行走，周期达每秒两步，高 1.4m，重 20kg，有头、眼、脖、身躯、双臂、双足，且具备一定的语言功能 813 。上海交通大学于 1999 年研制的仿人形机器人 SFHR，腿部和手臂分别有 12 和 10个自由度，身体上有 2 个自由度。共有 24 个自由度，实现了周期 3.8s，步长 10cm的步行运动。机器人本体上装有
22、 2 个单轴陀螺和一个三轴倾斜计，用于检测机器人的姿态信息，并配备了富士通公司的主动视觉系统，是研究通用机器人学、多传感器集成以及控制算法良好的实验平台。北京理工大学在归国博士黄强教授的带领下，高起点地进行仿人形机器人研究，各类毕业设计课程定做 Q 号是 1714879127 该论文含配套的图纸(需购买)毕业设计课程定做 Q*Q=1714879127于 2002 年 12 月通过验收的仿人形机器人 BHR-l，高 158cm，重 76kg，32 个自由度，步幅 0.33m，步速每小时 1 公里。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，实现未知地面的稳定行走和太极拳表
23、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形机器人国家。此外，清华大学正在研制仿人形机器人 THBIP-I，高 1.7m，重 130kg，32 个自由度，在清华大学 985 计划的支持下，项目也在不断取得进展。南京航空航天大学曾研制了一台 8 自由度空间型双足步行机器人，实现静态步行功能 13,14。本课题源于“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中两足行走机器人。目前，机器人大多以轮子的形式实现行走功能阶段。真正模仿人类用腿走路的机器人还不多，虽有一些六足、四足机器人涌现，但是两足机器人还是凤毛麟角。我们这个课题，探索设计仅靠巧妙的机
24、械装置和简单的控制系统就能实现模拟人类行走的机器人。其分功能有：交替迈腿、摇头、摆大臂、摆小臂。各类毕业设计课程定做 Q 号是 1714879127 该论文含配套的图纸(需购买)毕业设计课程定做 Q*Q=17148791272 双足机器人本体结构设计2.1 引言两足步行机器人是研究两足步行的实验对象，不同的两足步行机器人在自由度、驱动方式、重量、高度、结构特征等方面都存在很大的差异。机器人的结构不同，其控制方式也有所区别。为了对两足步行机器人进行深入的研究，使其实现预定的步行功能，必须对其机构有深入的了解和认识。2.2 双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
25、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 15。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，髋部再加一个扭转自由度，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
26、有 72 个自由度(髋关节 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(髋关节 3 个，膝关节 1 个，踝关节 2 个)，如:哈尔滨工业大学的 HIT-III、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，人们设计了许多具有不同自由度的两足步行机器人，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
27、:（1）静态机器人，这类步行机器人的 COM(Cenier of Mass)始终处于支撑哈尔滨工程大学硕士学位论文多边形(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 点各类毕业设计课程定做 Q 号是 1714879127 该论文含配套的图纸(需购买)毕业设计课程定做 Q*Q=1714879127(Zero Momeni Cenier)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）完全动态机器人，这类步行机器人的踝关节没有驱动，甚至没有踝关节。所以，支撑多边
28、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。下面，我们按照自由度数从少到多的原则，参考曾经成功实现的两足步行机器人模型，分析不同结构的两足步行机器人的特点。为了计算机器人的自由度，我们将采用以下原则：假设机器人固定于一端，考虑单脚支撑机器人开链结构情况下的自由度。同时就机器人双脚支撑闭链结构情况下的冗余自由度进行分析。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。图 2.1 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
29、。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。 图 2.1 一个自由度的两足步行机器人图 2.2 表示的是有四个自由度的两足步行机器人的结构。这类机器人由一个躯干和两条变结构的腿组成。这个机器人的运动学模型也是平面的，没有侧向运动，为了防止侧向倾倒，两只固定在小腿上的脚在和径向面垂直的方向上排列。径向面内的运动包括 5 个连杆(躯干和两条变结构的腿)和 4 个自由度。这类机器人属于完全动态机
30、器人，它可以在水平面上沿直线行走几步，然后就会因为摆动腿着地时的冲击过大而跌倒。各类毕业设计课程定做 Q 号是 1714879127 该论文含配套的图纸(需购买)毕业设计课程定做 Q*Q=1714879127图 2.2 四个自由度的两足步行机器人图 2.3 表示的是具有八个自由度的两足步行机器人。这类机器人由一个躯干和两条腿组成，髋关节和膝关节各有一个前向自由度，踝关节有一个前向自由度和一个侧向旋转自由度。它在侧向面的运动是一个倒立摆模型，像一个只有踝关节一个自由度的刚体，这个侧向关节使它可以侧向平衡。在径向面的运动包括 7 个连杆和6 个关节。这类机器人可以在水平地面和斜坡上行走，并且可以上
31、下楼梯。但是由于只有踝关节处的一个侧向关节，所以对侧向关节驱动电机的性能和控制精度都要求较高，往往会侧向倾倒。图 2.3 八个自由度的两足步行机器人真正实现拟人行走的机器人是具有十二个自由度的两足步行机器人，如图 2.4所示，这类机器人艘关节有 3 个自由度，膝关节有 1 个自由度，踝关节有 2 个自由度。在侧向面内的运动包括 5 个连杆和 4 个自由度，在径向面内的运动包括 7 个连杆和 6 个自由度。由于髋关节有绕竖直轴转动的自由度，所以这类机器人可以转弯。在双足支撑期，这类步行机器人具有 6 个冗余自由度。这类两足机器人属于动态机器人，可以在普通的平整地面(塑料瓷砖、铺砌地面或者草地)上和平整的斜坡上行走，还可以上下楼梯，侧向行走，后退和转弯。并且这类机器人可以方便地在上体增加胳膊和头颈，已经为研究者广泛接受。
