一种仿人直立行走机器人的结构设计研究
仿人机器人设计及步行控制方法
仿人机器人设计及步行控制方法汇报人：日期:contents •仿人机器人设计概述•仿人机器人结构设计•步行控制方法•控制算法与实现•实验与验证•结论与展望目录01仿人机器人设计概述定义特点定义与特点拓展人类能力科学研究仿人机器人的重要性早期发展自20世纪60年代起，各国开始研制具有人类形态和运动能力的机器人，如美国的“UNIVAC”和日本的“早稻田机器人”。
近期发展随着技术的不断进步，现代仿人机器人的设计和制造能力已经得到了极大的提升，如波士顿动力公司的Atlas机器人和本田公司的ASIMO机器人。
仿人机器人的历史与发展02仿人机器人结构设计整体结构腿部是仿人机器人的重要组成部分，其设计需要考虑到机器人的运动性能和稳定性，包括步长、步高、步频等指标。
腿部设计需要考虑到关节的灵活性、稳定性和耐用性，同时需要与脚部和上半身的设计进行协调。
VS躯干是机器人的核心部分，需要支持机器人的整体结构和动作，同时需要容纳和控制器的位置进行协调。
手臂的设计需要考虑到机器人的动作范围和灵活性，包括手臂的长度、自由度和动作范围等。
头部的设汁需要与机器人的整体结构和功能进行协调，例如可以考虑安装传感器、摄像头等设备以提高机器人的感知和控制能力。
上半身是仿人机器人的重要组成部分，包括躯干、手臂和头部等部分。
上半身设计上半身设计需要考虑到机器人的整体稳定性和动作灵活性，同时需要满足机器人的功能和外观要求。
03步行控制方法地面适应能力静态步行控制也涉及到机器人对不同地面条件的适应能力，包括对不同摩擦系数、表面粗糙度、障碍物等条件的适应。
静态稳定性静态步行控制主要关注的是机器人在静态环境中的稳定性，也就是在没有任何外部干扰的情况下，机器人是否能够在给定的步态下保持稳定。
步态调整根据不同的任务需求和环境条件，机器人需要能够进行自我步态调整，以实现更优的行走性能。
静态步行控制动态步行控制动态稳定性地面跟踪平衡控制步态生成步态规划与优化步态优化步态适应性04控制算法与实现基于模型的控制器设计基于动力学模型的步行控制器利用仿人机器人的动力学模型设计控制器，通过调整输入输出参数实现稳定的步行。
四足步行机器人结构设计分析
四足步行机器人结构设计分析1. 引言1.1 研究背景四足步行机器人是一种模拟动物四肢步行方式设计的机器人，在各种应用领域有着广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，四足步行机器人的结构设计也愈发复杂和精密，因此对其结构设计进行深入研究具有重要意义。
四足步行机器人的研究背景主要包括以下几个方面：四足步行机器人具有在不平整地形环境下运动的能力，可以应用于野外探测、紧急救援等领域；四足步行机器人的结构设计是实现其高效稳定运动的基础，对于提高机器人整体性能至关重要；随着人工智能、机器学习等领域的不断进步，四足步行机器人的智能化和自主化水平也在不断提升，需要不断优化其结构设计。
深入研究四足步行机器人的结构设计对于推动机器人技术的发展、提高机器人的复杂环境适应能力具有重要意义。
通过对四足步行机器人结构设计的分析和研究，可以为未来机器人领域的发展提供更多的思路和方法。
1.2 研究目的1. 分析四足步行机器人结构设计的关键部件，探讨它们在机器人性能中的作用和重要性。
2. 总结四足步行机器人的结构设计原则，包括机械传动系统、传感器系统、智能控制系统等方面的设计要点。
3. 探讨四足步行机器人的结构设计方法，比如模块化设计、优化设计等方法，以提高机器人的稳定性和效率。
4. 通过案例分析不同类型的四足步行机器人，分析其结构设计的优劣之处，提出改进和优化的建议，以及对未来技术发展的展望。
通过对四足步行机器人结构设计的深入研究，希望能够为未来机器人设计和制造提供有益的借鉴和参考，推动机器人技术的进步与发展。
1.3 研究意义四足步行机器人是一种模仿动物四肢运动方式的机器人，具有优良的稳定性和适应性。
其在军事侦察、紧急救援、工业生产等领域具有广阔的应用前景。
四足步行机器人的研究不仅可以提高机器人的运动效率和灵活性，还可以深入挖掘动物运动机制，为生物学研究提供新的思路。
四足步行机器人的研究意义主要体现在以下几个方面：1. 提高工作效率：四足步行机器人具有灵活的运动方式和稳定的机械结构，可以适应不同地形和环境，提高工作效率和生产效益。
仿生机器人肌肉机构设计研究
仿生机器人肌肉机构设计研究一、引言随着现代科学技术的不断发展，仿生机器人的研究也越来越受到人们的关注。
仿生机器人指的是模仿生物体形态、结构、功能和行为而开发出的机器人。
其中，仿生机器人肌肉机构的设计研究具有重要意义。
本文将探讨仿生机器人肌肉机构的设计研究。
二、仿生机器人肌肉机构概述仿生机器人肌肉机构是模仿人体肌肉结构设计的机器人的一种。
肌肉是人类运动的重要组成部分，是能够产生收缩力气的机体组织。
仿生机器人肌肉机构的主要结构与肌肉类似，包括肌肉纤维、肌肉腹、肌腱和骨骼等主要部分。
在设计仿生机器人肌肉机构时，需要考虑运动、控制、能量传递等多方面的因素。
三、仿生机器人肌肉机构的设计研究内容1.仿生机器人肌肉机构材料的选择仿生机器人肌肉机构材料的选择直接影响到机器人的强度、重量、刚度和灵活性等方面。
选择合适的材料对于仿生机器人的性能和功能具有重要的影响。
目前，常用的仿生机器人肌肉机构材料主要包括金属、陶瓷、高分子材料等。
2.仿生机器人肌肉机构的设计方法在仿生机器人肌肉机构的设计过程中，常用的设计方法包括有限元分析、拓扑优化设计、参数化设计等。
这些方法可以优化结构形式、提高机器人的性能和效率。
3.仿生机器人肌肉机构的运动控制仿生机器人肌肉机构的运动控制是实现机器人运动的关键。
目前，常用的运动控制方法有分布式控制、自适应控制等。
在运动控制方面，不仅需考虑实现机器人系统运动的目的，也要考虑到机器人肌肉机构的结构、能源消耗等因素。
4.仿生机器人肌肉机构能源系统的设计仿生机器人肌肉机构能源系统的设计对于机器人的实时工作和运动具有至关重要的作用。
目前，能量传递的方式主要包括气压、电压和机械能等。
在设计能源系统时，需要从能量的传递效率和稳定性方面考虑。
5.仿生机器人肌肉机构的应用领域仿生机器人肌肉机构的应用领域包括医疗、教育、军事、家庭服务、娱乐等多个方面。
例如，在医疗方面，仿生机器人肌肉机构可用于替代人体进行手术，减少手术的风险和损伤；在家庭服务方面，仿生机器人肌肉机构可用于为老年人提供生活上的辅助和帮助；在娱乐方面，仿生机器人肌肉机构能够提供更加逼真的体验，满足人们的娱乐需求。
双足仿生机器人设计与制作—机械结构设计
双足仿生机器人设计与制作——机械结构设计摘要随着时代的发展，人们的生活节奏越来越快，对工作的效率更是越来越重视，而且如今的科技也在飞速发展中，所以机器人在未来人类生活中发挥着重要的作用，是我们的好帮手，它可以改善我们生活的质量，提高我们的工作效率，从而推动生产力的提高和整个社会的进步。
目前，国内外对仿生机器人的研究重视程度很高，而在仿生机器人研究领域中，双足仿生机器人是一个重要的研究课题，而且我认为它的研究价值要比轮式机器人或其他足式机器人的高。
本设计为结构简单、成本低廉、可操作性高的小型双足仿生机器人，通过仿人的腿部关节和预先设定的目标来进行自由度的分配，根据设计任务来选择驱动元件，进而通过SOLIDWORKS软件进行机械结构的三维造型设计，并且对机器人的关键零件进行有限元分析。
并且根据D-H参数法来建立运动学方程，从而进行正运动学分析。
最后设计出一个可以实现前进后退、左移右移、踏步、鞠躬、超声波避障等功能的小型双足仿生机器人。
关键词：小型双足仿生机器人；机械结构；三维造型；运动学分析；有限元分析Design and manufacture of biped bionic robot -- mechanical structuredesignAbstractAlong with the development of The Times, the pace of life of people more and more fast, working efficiency is more and more attention, and now also in the rapid development of science and technology, so the robot in the future play an important role in human life, is our good helper, it can improve the quality of our life, improve our work efficiency, so as to promote the improvement of productivity and the progress of the society as a whole. At present, the research of bionic robot is highly valued at home and abroad. In the field of bionic robot research, bipedal bionic robot is an important research topic, and I think its research value is higher than that of wheeled robot or other foot robot.This design is a small bipedal bionic robot with simple structure, low cost and high maneuverability. It distributes the degree of freedom by imitating the human leg joints and preset goals, selects the driving elements according to the design task, and then carries out the three-dimensional modeling design of the mechanical structure through SOLIDWORKS software, and carries out the finite element analysis of the key parts of the robot. And according to the D-H parameter method to establish kinematics equations, so as to carry out positive kinematics analysis. Finally, a small bipedal bionic robot is designed, which canrealize forward and backward, left and right, step, bow, ultrasonic obstacle avoidance and other functions.Keywords: Small bionic biped robot; mechanical structure; 3D modeling; kinematics analysis;finite element analysis目录1 绪论 (1)1.1双足仿生机器人的研究意义与目的 (1)1.2国内外对双足仿生机器人研究的现状 (1)2 双足仿生机器人总体方案设计与动力选择 (4)2.1双足仿生机器人的工作原理 (4)2.2结构设计 (4)2.2.1设计目标 (4)2.2.2自由度的分配和计算 (5)2.2.3设计方案分析 (7)2.2.4设计方案的选取 (8)2.3动力源 (8)2.3.1电动机的选择 (9)2.3.2舵机原理 (11)2.3.3舵机选型 (11)2.4总体设计 (12)3 机械结构设计 (12)3.1机器人结构 (12)3.2机器人零件图 (13)3.3机器人装配图 (17)4三维造型设计 (17)4．1关键零件设计与说明 (17)4.1.1机器人的腿部设计 (17)4.1.2机器人的上身设计 (21)4.1.3机器人的手臂设计 (24)4.2机器人的整体三维造型 (25)5运动学分析 (26)5.1正运动学分析 (26)5.1.1 建立机器人的运动学方程 (26)6有限元分析 (29)6.1有限元分析的意义 (29)6.2有限元分析的过程 (29)6.3分析结果 (32)7总结 (33)参考文献 (34)谢辞 ......................................................................................................................... 错误!未定义书签。
仿生机器人的结构设计与运动控制
仿生机器人的结构设计与运动控制近年来，仿生机器人的研究领域越来越受到人们的关注。
仿生机器人是指以自然界生物的生理结构和运动方式为模板，构建出拥有类似生物器官和功能的机器人。
它们具有优秀的机械性能和感知能力，适应度更高、节能环保、生命力更强，更加符合人类对智能机器人的期待。
本文将探讨仿生机器人结构设计和运动控制的相关技术。
一、仿生机器人结构设计1.结构设计原则仿生机器人的结构设计需要遵循以下原则：（1）与生物体的生理结构类似，可以有效提高仿生机器人的适应能力。
（2）采用轻量化设计，使得仿生机器人具有灵活、美观的特点。
（3）采用可重构设计，可以使得仿生机器人的结构适应不同的场景要求。
（4）采用分层设计，使得仿生机器人的各个部分相互独立，有独立的控制逻辑和运动方式。
2.结构分类目前，仿生机器人结构主要分为以下三种类型：（1）骨骼结构型：骨骼结构型仿生机器人的结构类似于生物的骨骼、肌肉、关节等，具有较高的灵活性和自适应能力。
比如人形机器人，其结构就采用了类似于人类的骨骼、肌肉和关节。
（2）软体结构型：软体结构型仿生机器人的结构类似于有机形态的蟹、蛇、章鱼等，能够实现类似于蠕动、爬行等运动方式。
（3）混合结构型：混合结构型仿生机器人结合了骨骼结构型和软体结构型的优点，具有更强的适应性和拟真性。
比如狗形机器人，其结构既采用了骨骼结构型又采用了软体结构型。
二、仿生机器人运动控制1.运动模型仿生机器人的运动模型主要分为以下三种类型：（1）动态模型：动态模型是指仿生机器人在运动过程中的位置、速度和加速度等参数的模型，是仿生机器人物理运动的基础。
（2）控制模型：控制模型是指仿生机器人通过运动控制系统控制运动行为，是仿生机器人实现特定运动行为的关键。
（3）环境模型：环境模型是指仿生机器人对环境感知和适应能力的模型，包括传感器和处理器等方面的技术。
2.运动控制技术（1）腿部运动控制：仿生机器人在运动过程中需要通过腿部进行支撑和移动。
多足仿生步行机器人的机构设计与功能分析
第 ９期
２ ０ １ ３年 ９月
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ＆ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ３ ５
多足仿 生步行机 器人 的机 构设计 与功 能分析
祝 小梅 ， 蔡 勇， 臧 红彬
６ ２ １ ０ １ ０ ） （ 西南科技 大学 制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室 ， 四川 绵阳
ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｓ ｉ ｔ ｓ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｆｃ ｏ ｌ ｉ ｍｂ ｉ ｎ ｇ ， ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｐ ａ ｖ ｅ ｅｎ ｍ ｔ ａ ｎ ｄ ｓ ｗ ｅ ｗｅ ｆｔ ｏ ｈ ｅ ｍ ｕ ｈ ｉ － ｌ ｅ ｇ ｇ ｅ ｄ ｗ ａ ｌ ｋ ｉ ｎ ｇ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｈ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｈ１ ６ ； Ｔ Ｐ ２ ４ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ０ ０ １ — ３ ９ ９ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ — ０ ０ ３ ５ — ０ ４
Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ Ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｍｕ ｌ ｔ ｉ － Ｌ ｅ ｇ ｇ ｅ ｄ Ｗａ ｌ ｋ ｉ ｎ ｇ Ｒｏ ｂ ｏ ｔ
一款全方位立体行走娱乐机器人的构想与设计
一款全方位立体行走娱乐机器人的构想与设计发布时间：2021-06-15T15:41:04.833Z 来源：《基层建设》2021年第6期作者：吴一建指导老师：俞国阳[导读] 摘要：为解决社会中出现的家庭中大人们因工作忙而无法陪伴儿童的问题，从陪伴儿童的角度出发，本文提出了一款娱乐型全方位立体行走机器人。
宁波财经学院浙江宁波 315175 摘要：为解决社会中出现的家庭中大人们因工作忙而无法陪伴儿童的问题，从陪伴儿童的角度出发，本文提出了一款娱乐型全方位立体行走机器人。
通过对该款机器人各功能模块的设计与结合，使得该款机器人可吸附于墙面上，同时它还将拥有人机语音问答、蓝牙控制、超声波避障等功能模块。
所设计的机器人模块设计简单，功能明确，具有一定的趣味性。
在此基础该款机器人的出现能达到陪伴儿童，成为儿童“玩伴”的目的。
关键词：家庭；陪伴儿童；娱乐型全方位立体行走机器人；功能模块；设计与结合一、研发的背景与意义1.1研发背景机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，使得近几年的机器人制造成本变得越来越低廉。
这一现象的出现让原本在普通人看来遥不可及的高科技产品逐渐在人们的日常生活中变得常见了起来。
最早生产机器人的原因是为了让机器人帮助人们将工作变得更加快速与便捷。
但现如今，随着经济的发展与人们生活水平的不断提高，人们开始逐渐希望科技产品能带给我们带来乐趣。
因此，对人们而言，机器人在漫长发展进程中又起到了一个作用，即机器人开始作为娱乐工具出现在人们的生活中。
1.2研发意义玩具机器人作为娱乐机器人的主要分支，主要面向儿童。
作为玩具的一种，其功能之一是给孩子带来乐趣，同时其具有的功能之二便是能让儿童在玩耍中拓展思维，并从中学习。
在生活中，随着生活节奏变快等原因父母们常常因忙于工作而导致陪伴孩子的时间变得越来越少。
因此本文打算设计一款娱乐型全方位立体行走机器人来陪伴孩子玩耍与学习。
调查表明，市面上现存的爬行玩具机器人大多数都是在地上进行爬行的。
人形机器人的设计与运动控制研究
人形机器人的设计与运动控制研究随着科技的不断发展，人形机器人已经逐渐成为现实，而不再仅是科幻电影中的想象。
人形机器人一方面可以作为辅助性工具，协助人类完成一些重复性、危险性高或繁琐的工作；另一方面，也可以作为一种新型的娱乐、教育等形式出现。
本文将结合近年来的研究成果，探讨人形机器人的设计与运动控制方面的问题。
一、人形机器人的结构设计人形机器人的结构设计关系到其能否有效地模拟人类的身体运动能力。
目前，人形机器人的结构多数采用仿人设计，即拥有两只腿和一只或两只手臂。
在这种结构下，人形机器人可以高效地模拟人类的步态和姿态，并且在一些狭窄、复杂场景中可以更加灵活地运动和操作。
但是，人形机器人的仿人设计也带来了一些问题，例如平衡控制、电源供应等。
由于人形机器人的结构与人体基本相同，因此其身体结构相对较大，摆动面积也较广，导致机器人的平衡控制难度较大，需要高精度的传感器和控制算法才能保证其稳定性。
此外，人形机器人的电源供应也是一个问题，由于其硬件复杂，需要耗费大量电能，在没有足够强大的电源时很容易出现运动失灵等问题。
为了解决以上问题，研究人员目前正在探索更加符合机器人自身特点的设计方案。
例如，设计更加紧凑的机身结构，减少机器人本身的重量和空间占用，降低平衡控制和电源供应的压力。
此外，也可以考虑加入更多的传感器和控制器，使得机器人能够更加智能地感知和响应周围环境和任务需求。
这些方案都有望为人形机器人的应用范围和性能提升打下坚实的基础。
二、人形机器人的运动控制除了结构设计，人形机器人的运动控制也是其性能和应用范围的关键之一。
典型的人形机器人运动控制方法包括关节控制和整体运动控制。
关节控制主要是通过控制每个关节的位置、速度或扭矩来实现身体的运动，而整体运动控制则着重于协调不同关节的运动，使得人形机器人的运动更加自然、流畅。
然而，人形机器人的运动控制依然存在着挑战。
由于机器人的结构与人体相似，其自由度也较高，这就要求严格的高精度控制器和运动规划算法。
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R读者园地eaders'home 2019年第47卷第4期 倪笑宇等 一种仿人直立行走机器人的结构设计研究 80 收稿日期:2018-05-07基金项目:2016年河北省高等学校青年拔尖人才计划项目(BJ2016017);2017年河北省高校新工科研究与实践项目(2017GJXGK033);2017年度河北省大学生创新创业训练计划项目(201710084015)一种仿人直立行走机器人的结构设计研究倪笑宇,马晨园,王占英,耿明超,胡一龙(河北建筑工程学院,张家口075000)摘 要:为了满足人形机器人负载能力强㊁功耗低㊁精度高的要求,设计了一种新型机械结构的直立行走式仿人机器人㊂该结构主要包括并联平行四杆型腿部肢干机构㊁行星轮型偏心机构和不完全齿式转体机构㊂采用直流电动机为驱动元件,提升负载能力,并利用限位开关和复位开关作为步态坐标反馈和步距控制㊂对原理样机调试,结果表明该仿人机器人结构设计合理,运行良好,步态平稳,精度较高㊂关键词:仿人机器人;直立行走;平行四杆机构;偏心机构;直流电机中图分类号:TM381 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2019)04-0080-03Structural Design of a Humanoid Upright Walking RobotNI Xiao⁃yu,MA Chen⁃yuan,WANG Zhan⁃ying,GENG Ming⁃chao,HU Yi⁃long(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou075000,China) Abstract:In order to meet the requirements of humanoid robot for its strong load capacity,low power consumption and high accuracy,a new robot walking robot with upright structure was designed for humanoid robot,The mechanical structure mainly includes parallel four bar type leg stem mechanism,planetary wheel type eccentric mechanism and incomplete tooth type rotation mechanism.The DC motor was used as the driving element,and the limit switch and reset switch are used as the coordinate feedback and step control of the gait.The test of the prototype was carried out,the results showed that the humanoid robot has reasonable structural design,runs well,and has smooth gait and high precision.Key words:humanoid robot,walk upright,parallel four bar linkage,eccentric mechanism,DC motor0 引 言仿人机器人的研制开始于20世纪60年代,虽然只有五十多年的历史,但研究工作发展迅速,特别是近十年,随着各种新技术的快速发展,世界各国在这一领域的研究取得了长足进步[1-2]㊂我国在仿人机器人的研究方面起步较晚,整体技术很大一部分依靠国外引进,但近些年也取得了很多研究成果,从四自由度到六自由度,从步态模拟到交叉足步,机器人的仿生已然成熟[3-6]㊂而本设计在满足机器人基本行动要求的前提下,保持自由度数目不变,减少电机个数,进一步改进结构形式,采用直流电动机驱动,提高自由度利用率与整体强度,提升机器人的实用性㊂1 双足行走步态规划该设计仿人机器人采用单㊁双脚交替支撑的方式步行,整个动作的顺序是机器人左胯 左脚 偏心 右胯 右脚循环执行,如图1所示㊂要实现稳定的步行,必须规划出合理的步态,并能够很好地调节重心㊂目前,比较成熟的步态规划方法[7-9],主要有基于仿生运动学的步态规划方法㊁基于模型的步态规划方法等,本文不再赘述㊂图1 双足偏心行走示意图2 机械结构设计该设计在满足机器人基本步行要求的前提下,改变结构㊁减少电机㊁提升负载㊂该种机器人结构主要包括并联平行四杆型腿部肢干机构㊁行星轮型偏心机构和不完全齿式转体机构㊂2.1 腿部肢干机构设计目前,常见的六自由度仿人机器人其主要驱动件为舵机,同时结合肢干构件组成悬臂梁型旋转副,从脚踝到膝盖共需要两个电机来实现一个小腿(膝盖到腰胯则对应一个大腿)的前后运动[10-11]㊂这种组合普遍应用于小规模表演机器人,灵活性强,可塑性强,但在实用开发方向上有局限性:舵机为高度集成化的驱动件,集电机㊁减速箱㊁硬件电路板于一体, 2019年第47卷第4期 R读者园地eaders 'home 倪笑宇等 一种仿人直立行走机器人的结构设计研究81 精度较高,但体积较小,承受负载能力较差,在机构设计上无法同时满足高负载能力与高精度双重要求,一旦负载加重,极有可能造成舵机内部零件的损毁㊂而要开发具有一定实用价值的机器人,负载能力是首先要考虑的,故以舵机为主要驱动件的运动副不是理想运动副㊂因此,设计一种以直流电动机为驱动件的旋转副,配合限位开关作为复位坐标定位,发挥舵机部分反馈功能,配合平行四杆机构作为肢干构件且搭以行星轮一级减速作为中间传动,在满足基本步行的要求下,弥补了舵机驱动旋转副的不足㊂直流电动机中的涡轮蜗杆减速电机具有断电自锁特性,故可以做到无功耗的状态保持,在项目长期作业中,需要这一特性来开展其他工作㊂同时,避免了电机直接与运动构件相连,故不存在舵机悬臂连接所带来的同轴度偏差,而一级减速输出轴两端固定,可以均衡负载,使得承载能力大大提高㊂该机器人肢干结构为两个并联的平行四杆机构,其中上下两杆为平板状㊂这样设计的目的是为了均衡力矩,将局部力矩转化为均布载荷,提高肢干负载能力,但运动特性与单个平行四杆机构是一致的㊂平行四杆符合人类行走时身体在迈收步中脚掌保持平行的关系,与舵机驱动相比,完成同样的动作却少用一个电机,一方面降低了制造成本和功耗,另一方面用机械结构代替脚踝电机与膝盖电机的配合关系,大大提高了动作吻合度,消除了负载对电机的径向力,减轻了电机的负担,大大增强了机器人的负载能力㊂综上所述,平行四杆在高强度㊁高精度㊁动作灵活性要求较低的环境下拥有其他机构不可比拟的优势㊂平行四杆具有承载能力强㊁上下杆始终保持平行的优良特性,但若想精确控制其上下杆错位位移,的确不同于解决常规错位问题那样简单㊂通常,齿轮齿条配合可以实现两者之间的相对运动,但只限于一个方向,而对于平行四杆中上下杆的相对运动,其在X 及Y 方向均有位移,这不是简单的齿轮齿条所能解决的了㊂有人提出用齿轮齿条结合滑块实现高低副搭配来解决,高副负责X 方向,低副负责Y 方向,如此设计的确解决了问题,但并不是最佳㊂原因是平行四杆机构虽然在运动路线上处于双向,但其路线特征体现的是一个自由度的运动曲线,高低副搭配实则拥有两个自由度,自由度越多,灵活性越强,但其结构复杂,加强筋少,用两个自由度的运动副代替一个自由度的运动副,只能保证正常工作,但在刚度等其他力学性能上却不能满足需要㊂其实,一个自由度的运动路径可能千变万化,但其运动方式却是单调的,把解决这个问题的出发点放在一个自由度的基础上来思考:平行四杆上下杆运动是由两侧摇杆驱动的,而摇杆与下杆仅为一个旋转副,故上下杆相对运动路径为一段圆弧,由此,便设计了行星轮组合,如图2所示㊂只要令太阳轮所在分度圆圆心与双摇杆旋转中心的中点重合即可,行星轮与上杆为一个构件,如此便实现了上下杆的行星运动,主动轮围绕从动轮做行星运动,其运动轨迹与四杆中的曲柄运动轨迹形成一对同心圆,可以实现实时控制的平行运动,且可以随时锁定㊂在受力方面,仅存在一个高副,没有悬臂力矩,故行星轮组合实现平行四杆上下运动最佳㊂图2 平行四杆型肢干结构2.2 偏心机构设计偏心机构是所有步行机器人最为重要的转移重心机构,在设计上要充分考虑其负载能力㊁尺寸大小㊁安装位置,且三个指标互相影响㊂首先要选用减速比大的涡轮蜗杆电机;其次要尽量缩小机构尺寸㊂普通舵机机器人一般继续沿用其自身的肢干旋转副,结构简单,但只限于质量较小的表演型机器人,一旦负载加重,超出减速箱负载能力,极有可能造成崩齿;普通减速为正齿轮啮合,构件通过其连接之后会增大偏心力矩,给电机带来额外的负载,这显然不符合压缩偏心机构对负载的要求㊂针对以上两种情况,我们设计了一种以行星轮减速,中间加以防抱死齿轮的偏心机构,如图3所示㊂不完全内齿轮作为太阳轮,电机驱动轮作为行星轮,大大减小了负载力矩㊂普通正齿轮啮合所承受的负载力矩为主动轮分度圆半径加从动轮分度圆直径,径向矢量大,负载力矩大;内齿轮与主动轮相结合则径向矢量为内齿轮分度圆半径减去主动轮分度半径的绝对值,显然差要小于和,故在一定程度上压缩了空间,缩小了负载对偏心电机的力矩㊂图3 行星轮型偏心结构加入防抱死齿轮,负载超过额定载荷时,机构产生打滑,保护内部零件㊂这里真正起到防抱死作用R读者园地eaders 'home 2019年第47卷第4期 倪笑宇等 一种仿人直立行走机器人的结构设计研究82 的是支撑防抱死齿轮的支撑杆,由于材料与机架不同,故其具有一定弹性㊂当负载加重时,电机输出扭矩不足以带动整个机构,其上齿轮开始调节与主动轮及内齿轮的啮合关系,最终被主动轮 挤出”,产生打滑现象,避免了电机内部的抱死,防止烧坏电机㊂2.3 转体机构设计机器人转体结构分为交叉步转体和直接转体㊂对于小型机器人,可以不增设转体机构自由度,直接编写一套交叉步转体程序即可实现㊂然而对于大型机器人或对转体精度有较高要求的机器人,交叉步转体精度差的问题便会放大,故必须增设一个新的转体机构来实现精确转体㊂常规方法为双电机控制,且各自协调,分时运动,可行性高,唯一缺点就是多使用了一个电机㊂我们分析一下转体过程,以向左转为例:左偏心 右肢内旋 偏心归位 右偏心 左体后旋(右肢外旋),走完这一流程,机器人整体以左脚为圆心,整体逆时针旋体,调整前进方向为左前,过程虽然稍微复杂,但对于右肢内旋和左体后旋来说,这两个过程分时且二者在空间上没有任何干涉,运动特征为单调,因此可以用一个电机来实现转体运动,具体结构如图4所示㊂虚线表示分度圆,实线表示齿根圆,其中主动轮为不完全齿,目的是在与其中一个齿轮啮合的同时,与另外一个齿轮脱离;每个从动轮均加以扭簧复位,其上方分布有限位开关,二者相辅相成,当所在从动轮脱离主动轮后,可以使其保持一定程度的静止状态㊂如此设计最大的特点是节省一个电机,方便调试,节约成本,并且将其载荷置中,一定程度地减小了带给偏心机构的压力㊂图4 转体机构图解3 结 语试制仿人步行机器人原理样机,如图5㊁图6所示㊂该原理样机外形结构采用3D 打印完成,质量轻,成本低㊂运行结果表明,该机器人步态平稳㊁结构设计合理㊁负载能力强㊁精度较高㊂ 本文针对仿人步行机器人机械结构设计进行研究,开发出一种新型结构的步行机器人,主要包括行星轮式平行四杆肢干机构㊁行星轮式偏心结构和不完全齿式的转体机构㊂机器人采用涡轮蜗杆直流电动机进行驱动,其驱动能力和承受负载能力远远高于常见的舵机,在大型机器人以及对负载能力要求较高的机器人中具有优势㊂图5 仿人步行机器人原理样机图6 肢干结构实物图参考文献[1] 李允明.国外仿人机器人发展概况[J].机器人,2005,(6):561-568.[2] RUNGE C F,SHUPERT C L,HORAK F B,et al.Ankle and hippostural 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