仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊彥平

摘 要：隨著人類社會(huì)的發(fā)展，各種各樣的機(jī)器人正漸漸的走進(jìn)我們的視野，有很多的地方都用到了機(jī)器人，在機(jī)器人的領(lǐng)域里越來越多的人開始愛好上了機(jī)器人。能更好的適應(yīng)環(huán)境和地形是仿生機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，很多人的工作可以由各種各樣的機(jī)器人去替代，對(duì)這種類人機(jī)器人的研究一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：仿人二足爬樓梯行走機(jī)構(gòu)；步態(tài)規(guī)劃；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；四桿機(jī)構(gòu)；CATIA

1 二足仿生機(jī)器人的特點(diǎn)

當(dāng)前，人們對(duì)機(jī)器人的研究在不斷深入，尤其是對(duì)類人機(jī)器人的探索和應(yīng)用正在受到極大的關(guān)注，并逐漸成為智能機(jī)器人行列中的主要研究對(duì)象。類人二足機(jī)器人爬樓梯的想法就變得更加現(xiàn)實(shí)，這種機(jī)器人具有人類的基本特性，例如：具有人類的靈活性，可以有思維，與人對(duì)話等，同時(shí)它也可以適應(yīng)不同的環(huán)境，幫助人類完成人們完成不了的任務(wù)，這種類人二足機(jī)器人爬樓梯設(shè)計(jì)獎(jiǎng)機(jī)器人的行動(dòng)具體到爬樓梯動(dòng)作上，可以減輕工人的工作強(qiáng)度，極大地提升工作效率，從而更好地服務(wù)人類。

1.1 設(shè)計(jì)目的

本設(shè)計(jì)主要是利用機(jī)械原理相關(guān)知識(shí)合理設(shè)計(jì)機(jī)械腿的相關(guān)尺寸及機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。

1.2 技術(shù)要求

（1）電機(jī)的選擇和控制原理；（2）運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析和仿真；（3）連桿機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)置；（4）穩(wěn)定性，重心轉(zhuǎn)移。

1.3 應(yīng)解決的主要問題

（1）重心對(duì)于機(jī)器人行走穩(wěn)定性的影響，對(duì)機(jī)體質(zhì)心及其穩(wěn)定性；

（2）二足行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；

（3）兩腿之間運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)配合，以及周期的確定；

（4）運(yùn)動(dòng)學(xué)解析：創(chuàng)建合適的運(yùn)動(dòng)學(xué)的模型，進(jìn)而對(duì)各階段的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的解析和分析。

1.4 技術(shù)路線

（1）收集國(guó)內(nèi)外仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)的相關(guān)資料，分析并消化，總結(jié)出我們自己的方法；

（2）仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)的步態(tài)規(guī)劃，選擇合適的步態(tài)，并穩(wěn)定性分析，行走步態(tài)設(shè)計(jì)；

（3）根據(jù)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的分析，描繪類人二足步行機(jī)器人上樓梯時(shí)的行走過程的機(jī)構(gòu)原理圖；針對(duì)運(yùn)動(dòng)特征設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)構(gòu)，改善運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成設(shè)計(jì)。

（4）根據(jù)腿的二維平面設(shè)計(jì)示意圖進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，并用CATIA軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)行走仿真，動(dòng)態(tài)模擬分析。

2 仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)步行的相關(guān)概念

步態(tài)：通常在二足機(jī)器人步行的運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人的不同關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的一種協(xié)調(diào)關(guān)系在時(shí)序和空間上，以及機(jī)器人相對(duì)不同環(huán)境的一種關(guān)系?？捎刹煌P(guān)節(jié)角運(yùn)動(dòng)軌跡和質(zhì)心軌跡來表達(dá)。

步距：在行進(jìn)的過程中，機(jī)器人的左腳和右腳落地位置間的縱向的距離。

跨高：當(dāng)擺動(dòng)腿在行進(jìn)的過程中腳底離地面的最高的距離，可以作為機(jī)器人跨越樓體高度的大小。

步行周期：對(duì)機(jī)器人在周期性行走過程中，左腳或右腳順序兩次著地時(shí)所用的時(shí)間。在每個(gè)循環(huán)內(nèi)左右腿各向前邁一次，它又分了3個(gè)階段，即雙腳的支撐期、左腳的支撐期和右腳的支撐期。

步速：作為機(jī)器人步行能力的重要指標(biāo)，是指機(jī)器人按單位時(shí)間內(nèi)相對(duì)步行的環(huán)境所行進(jìn)的距離。

單腳的支撐：機(jī)器人僅擁有一只腳在與地面接觸，它起支撐的作用，而另外的一只腳處于擺動(dòng)的狀態(tài)。

2.1 行進(jìn)過程的設(shè)定

這里所描述的類人二足步行機(jī)器人爬樓梯的行進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)爬樓梯的基本功能，同時(shí)對(duì)機(jī)器人行進(jìn)的環(huán)境應(yīng)有一定的保證，在不影響機(jī)器人基本功能的前提下做出以下的設(shè)定：

（1）機(jī)器人在行進(jìn)的過程中它是處于一種靜力學(xué)平衡的狀態(tài)，即機(jī)器人行進(jìn)方式為靜態(tài)步行；

（2）因?yàn)闃翘莸呐_(tái)階具有良好的水平性，就設(shè)定了機(jī)器人腳底面相對(duì)于臺(tái)階表面始終保持平行的狀態(tài)；

（3）讓機(jī)器人沿著直線行進(jìn)；

（4）機(jī)器人沿直線行進(jìn)的過程中，髖關(guān)節(jié)與地面的距離保持不變；

（5）二足機(jī)器人的左腿與右腿的關(guān)節(jié)具有對(duì)稱性，在討論中只考慮左腿的運(yùn)動(dòng)情況，右腿的情況與左腿類似。

仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)機(jī)械圖如下圖所示：XY平面投影定義的大腿長(zhǎng)為R1，小腿的長(zhǎng)度為R2。

由上圖可以看出，仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)髖關(guān)節(jié)向上旋轉(zhuǎn)了角度的時(shí)候，其中大腿在Y軸方向提升高度，仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)大腿Y方向提升高度。

2.2 步行穩(wěn)定性的判斷依據(jù)

二足機(jī)器人在步行的運(yùn)動(dòng)過程中，左右腳交替的與地面，發(fā)生周期性的作用，交替進(jìn)行不斷前進(jìn)。二足機(jī)器人步態(tài)研究的關(guān)鍵點(diǎn)就在于如何使支撐腳與地面的瞬時(shí)位置固定，使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過程中保持穩(wěn)定步行避免發(fā)生滑倒或翻倒。

2.3 髖關(guān)節(jié)設(shè)定

第一次設(shè)定的軌跡不一定使機(jī)器人穩(wěn)定，故在髖關(guān)節(jié)軌跡的規(guī)劃過程中設(shè)幾個(gè)可調(diào)參數(shù)，根據(jù)調(diào)節(jié)參數(shù)讓機(jī)器人保持穩(wěn)定。

（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)決定了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度，機(jī)構(gòu)越復(fù)雜，涉及的工作和配合越多，制作的精度就不容易保證；

（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)系到運(yùn)動(dòng)的最終狀態(tài)，決定運(yùn)行的姿態(tài)；

（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)可保證機(jī)器人整體功能的運(yùn)轉(zhuǎn)。

腿部的結(jié)構(gòu)是二足機(jī)器人身體里主要的部分，根據(jù)仿生學(xué)的知識(shí)，人腿部結(jié)構(gòu)大致為：髖關(guān)節(jié)，和膝關(guān)節(jié)，還有踝關(guān)節(jié)和腳。本文采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其直線行走和爬樓梯功能的。兩組腿交替的變換使機(jī)身能向前運(yùn)動(dòng)，他們每組都支撐機(jī)體的重量，并在負(fù)重的狀態(tài)下使機(jī)體前行，因此合適的剛性和承載能力是非常重要的，所以對(duì)承載能力有著限制。

3 設(shè)計(jì)小結(jié)

通過這次機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用了機(jī)械原理及其他課程的理論知識(shí)。將理論與實(shí)際結(jié)合在了一起，解決機(jī)械工程有關(guān)的實(shí)際問題，最重要的是從所學(xué)專業(yè)中找到了樂趣。在本次機(jī)械原理的課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練中鞏固學(xué)習(xí)了機(jī)械原理設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、CAD二維制圖軟件和CATIA三維軟件，也學(xué)會(huì)了怎樣從前人設(shè)計(jì)中取得經(jīng)驗(yàn)以及處理數(shù)據(jù)的能力。

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（作者單位：重慶交通大學(xué)）