双足机器人的设计与实现

　机器人现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）２０１４年第１２期

双足机器人的设计与实现

宫赤坤，菅坤杰，温新，张智斌

（上海理工大学机械工程学院，上海２０００９３）

摘要：参照人的运动形式设计双足机器人的结构，运用Ｄ－Ｈ坐标方法对其机构进行分析，并为其设计了具有周期循环性的运动模式。在ＭＡＴＬＡＢ软件中对双足机器人进行动力学计算，将双足机器人的三维实体模型导入到运动分析软件

ＡＤＡＭＳ中，添加约束驱动等，并输入规划好的轨迹进行仿真，再将通过仿真得出的各关节扭矩与动力学分析结果进行比较，以验证动力学计算的正确性，在此基础上实现了双足机器人物理样机的制作。

关键词：双足机器人；Ｄ－Ｈ坐标；动力学；ＡＤＡＭＳ软件

中图分类号：ＴＰ２４２　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１—３１３３（２０１４）１２—００４１—０６

The design and implementation of bipedal robot

ＧｏｎｇＣｈｉｋｕｎ，ＪｉａｎＫｕｎｊｉｅ，ＷｅｎＸｉｎ，ＺｈａｎｇＺｈｉｂｉｎ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍｏｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｂｉｐｅｄｒｏｂｏｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｃａｒｅｆｕｌｌｙａｎｄｔｈｅＤ－Ｈｉｓｕｓｅｄｔｏａｎａ－ｌｙｚｅｔｈｅｒｏｂｏｔ’ｓｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｒｏｂｏｔｈａｓａｃｙｃｌｉｃａｌｍｏｖｅｍｅｎｔｐａｔｔｅｒｎ．ＴｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｉｎＭＡＴＬＡＢ，ａｎｄｔｈｅ３Ｄ－ｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｉｓｐｕｔｉｎｔｏＡＤＡＭＳｗｉｔｈｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｎｄｄｒｉｖｅｎ．Ｔｈｅｍｏｔｏｒｔｏｒｑｕｅｏｆｅａｃｈｊｏｉｎｔａｆｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏ－ｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆｄｙｎａｍｉｃｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｏｎｔｈｉｓｂａｓｅ．Key words：ｂｉｐｅｄａｌｒｏｂｏｔ；Ｄ－Ｈｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ；ｄｙｎａｍｉｃｓ；ＡＤＡＭＳ

０　引言

双足机器人具有仿人的外形和步行方式［１］，是机器人研究中的一个重要领域［２］。双足机器人适合在人类的生活空间提供服务，具有广阔的应用前景，已成为机器人学研究的一个热点［３－５］。本文介绍了一种双足机器人的机械结构设计、行走动力学分析，以及行走仿真与实现等内容。通过对机器人的动力学分析求出每个关节电动机所需输出的扭矩，并在ＡＤＡＭＳ软件中验证扭矩计算的正确性［６－８］。

１　机器人结构设计

由于电动机的扭矩范围是一定的，其所能承受的负载有限，因此，为了减轻电动机的负载，需降低机器人的重量，即对机器人的材料提出要求：能够承受一定的载荷、本身质量较轻并且制作成本合理。经过考虑，选择铝材作为机器人的原材料。双足机器人的结构是以人的双腿为原型，采用双足对称式分布结构，每条腿有５个自由度，包括髋关节处２个自由度（可实现机器人大腿的上下抬起和左右摆动动作，此处需设置两个相互垂直的电动机），膝关节处１个自由度（可实现机器人的屈膝动作，此处需设置一个电动机），踝关节处２个自由度（可实现机器人脚板的上下和左右摆动动作，此处需设置两个相互垂直的电动机），双足机器人结构图如图１所示。该双足机器人的结构尺寸如下：总高为７２０ｍｍ，脚板长为２５０ｍｍ，脚板宽为２００ｍｍ，脚板厚为８ｍｍ，大腿长为３１５ｍｍ，小腿长为３００ｍｍ，从髋关节到膝关节的距离为２２５ｍｍ，从膝关节到踝关节的距离为２２５

ｍｍ。

图１　双足机器人结构图

１４