两足行走机器人—行走结构部分设计
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目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 机器人的发展及技术 1
1.3 两足机器人的优点及国内外研究概况 2
1.4 本课题的主要工作 7
2 双足机器人本体结构设计分析 8
2.1 引言 8
2.2 两足机器人的结构分析 8
2.3 机器人设计思路 9
2.4 机器人设计方案 10
2.5 驱动方式的选择 12
3 双足机器人的具体制作 13
3.1 双足机器人的材料选择 13
3.2 双足机器人的零件加工 13
3.3 两足机器人的组装 16
3.4 两足机器人相关数据 19
3.5 两足机器人总体尺寸 19
3.6 舵机具体参数 19
4 课题总结 20
结束语 21
致谢 22
参考文献 23
1 绪论
1.1 引言
目前，机器人已形成一个不同技术层次、应用于多种环境的“庞大”家族，从天上到地下，从陆地到海洋到处都可以看到机器人的身影。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”。步行机器人的研究涉及到多门学科的交叉融合，如仿生学、机构学、控制理论与工程学、电子工程学、计算机科学及传感器信息融合等。仿人形机器人正成为机器人研究中的一个热点，其研究水平，在一定程度上代表了一个国家的高科技发展水平和综合实力。研究仿人形双足步行机器人，除了具有重要的学术意义，还有现实的应用价值。
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Consolidated Control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-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[1]。
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[2]。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、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[3]。
1.3 两足机器人的优点及国内外研究概况
1.3.1 双足机器人的优点
首先，双足步行的移动方式在地面不平整或其它恶劣条件下(如充满障碍物)比其他方式要灵活得多，具有更好的机动性。研究仿人形双足步行机器人，以代替人类在核电站、太空、海底及其它危害人类身心健康的复杂极端环境中工作，将大大拓展人类的活动空间。
其次，双足步行机器人的步行系统是一个内在的不稳定系统，其动力学特性非常复杂，具有多变量、强耦合、非线性和变结构的特点。因此，它是控制理论和控制工程领域的一个极好的研究对象，开展双足步行技术的研究，必然推动控制理论的发展和控制技术的进步。
再次，步行是人类的一种基本活动能力，但有相当数量的人因为疾病或意外事故失去了这种能力，双足步行技术的发展会促进动力型假肢的研制，将有可能解决截瘫病人和小儿麻痹症患者的行走问题，为康复医学做出贡献。对机器人双足动态行走机理的深入研究也使我们更深刻地理解人类活动的内在本质，有助于生物医学工程和体育运动科学的发展。
1.3.2 双足机器人的步态特点及研究意义
步态规划是双足机器人失衡检测与控制的基础及预备性工作，也是双足步行机器人的一项重要内容。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，本课题拟进行双足机器人步行稳定性研究，研制具有高度稳定性的双足步行机器人平台，为进一步的行走机器人失衡检测及控制技术研制奠定基础。
1.3.3 国外研究概况
双足机器人的研制开始于上世纪60年代末，虽然只有四十多年的历史。然而，两足机器人的研究工作进展迅速，国内外许多学者正从事于这一领域的研究，如今已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。
步行的稳定性是两足机器人的难点和关键，南斯拉夫学者MemoirVakobrativitch于1969年提出的ZMP(Zero Moment Point)理论较好地解决了动态步行稳定性判断问题。ZMP点，即零力矩点，是双足机器人所受重力、惯性力及地面反力三者合力矢的延长线与地面的交点。双足机器人一只脚着地时，ZMP点必须落在脚掌的范围内；双脚着地时，则位于两只脚掌形成的凸多边形内。在ZMP点，机器人所受的侧向力和力矩都为零。
1971年，英国人I ...
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