创新研修课： 足式机器人足部结构设计
双足仿生机器人行走机构设计
双足仿生机器人行走机构设计
双足仿生机器人行走机构设计一般包括以下几个关键部分：
1. 足底结构：足底结构是机器人与地面接触的部分，需要具备良好的稳定性和抓地力。
一般采用橡胶材料制作，设计有凹凸纹路或者类似动物脚掌的结构，以增加摩擦力和抓地力。
2. 关节设计：双足仿生机器人的每个腿部都需要多个关节来实现自由运动。
关节设计需要考虑到机器人的稳定性和灵活性，一般采用电机驱动的旋转关节或者液压/气动驱动的线性关节。
3. 动力系统：机器人行走需要动力系统提供能量。
一般采用电池或者电源供电，驱动关节的电机需要具备足够的扭矩和速度来实现机器人的行走。
4. 传感器：为了实现机器人的平衡和姿态控制，需要配备各种传感器。
例如，陀螺仪和加速度计可以用来检测机器人的倾斜角度，力传感器可以用来感知地面反作用力，视觉传感器可以用来感知周围环境。
5. 控制系统：双足仿生机器人的行走需要一个高效的控制系统。
控制系统可以根据传感器的反馈信息，实时调整关节的运动，以保持机器人的平衡和稳定。
总体来说，双足仿生机器人行走机构设计需要考虑到稳定性、灵活性、能量效率和控制系统的要求。
具体的设计方案需要根据机器人的应用场景和需求来确定。
仿生足式管道机器人结构设计
仿生足式管道机器人结构设计仿生足式管道机器人的结构设计中，最关键的部分是足部结构。
足部结构采用了类似于生物动物的足部，它由足板、足爪和足肢组成。
足板部分负责承担机器人本体的重量以及在管道内的工作负载，具有一定的刚度和强度。
足爪部分用于在管道内保持机器人的稳定性，并提供牢固的抓握能力。
足肢部分则通过类似于生物的关节连接机构，使得足板和足爪能够以多种方式运动，以适应不同形状和尺寸的管道。
此外，足部还配备了传感器，用于探测管道内的环境信息，以提供机器人运动和姿态的反馈。
除足部结构外，仿生足式管道机器人还包括机器人本体和控制系统。
机器人本体是整个机器人的主体部分，包括电池、电机、传动装置、控制器等。
电池提供机器人所需的电能，电机通过传动装置使得足部能够运动，并由控制器控制运动。
控制系统是机器人的大脑，通过对外部环境的感知和内部状态的判断，实现机器人的自主导航和自主控制。
控制系统一般包括感知单元、决策单元和执行单元。
感知单元通过传感器获取环境信息，决策单元根据感知信息做出决策，执行单元根据决策实施相应的动作。
另外，仿生足式管道机器人还可以配备其他功能模块，如摄像头、激光雷达等。
摄像头可以用于拍摄管道内的图像信息，帮助操作员了解管道内的情况；激光雷达可以用于测量管道的各种参数，如距离、直径等。
这些功能模块可以通过接口和控制系统进行连接，实现机器人与外部设备的互联互通。
总之，仿生足式管道机器人的结构设计主要包括足部结构、机器人本体和控制系统。
足部结构采用类似于生物足部的设计，能够适应不同的管道条件；机器人本体是整个机器人的主体部分，包括电池、电机等；控制系统是机器人的大脑，通过感知、决策和执行实现机器人的自主导航和自主控制。
通过这种结构设计，仿生足式管道机器人能够在复杂的管道环境中进行各种工作，提高工作效率和安全性。
小型舞蹈双足机器人的设计及实现
小型舞蹈双足机器人的设计及实现
导言
随着科技的不断发展，机器人已经成为我们生活中不可或缺的一部分。
在舞蹈领域，
机器人也开始发挥重要的作用，可以通过编程和控制实现各种舞蹈动作。
本文将设计和实
现一个小型舞蹈双足机器人，通过结合机械结构设计、电子控制系统和编程算法，实现机
器人的舞蹈动作。
一、机器人的设计
1. 机械结构设计
机器人的机械结构设计是实现舞蹈动作的基础。
我们设计一种双足机器人，可以在平
稳的地面上进行舞蹈动作。
机器人的双足结构采用轻量、坚固的材料制作，同时保证机器
人的平衡性和稳定性。
双足机器人的关节部分采用柔性材料设计，可以实现多种舞蹈动作。
双足机器人的步态设计要符合舞蹈的节奏和韵律，能够实现舞蹈动作的美感和流畅度。
2. 电子控制系统设计
机器人的电子控制系统是实现舞蹈动作的关键。
我们设计一种基于脉冲宽度调制（PWM）的双足机器人控制系统，可以实现机器人的步态控制和舞蹈动作的编程控制。
控制系统采
用微处理器作为核心控制单元，可以实现舞蹈动作的实时控制和优化调整。
控制系统还需
要包括传感器模块，能够实时监测机器人的姿态和环境信息，保证机器人的稳定性和安全性。
3. 编程算法设计
机器人的舞蹈动作是通过编程算法进行控制和实现的。
我们设计一种基于动作规划和
运动控制的编程算法，可以实现机器人舞蹈动作的优化和实时调整。
编程算法需要考虑机
器人的动力学特性和机械结构特点，能够有效控制机器人的步态和姿态，实现各种舞蹈动作。
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。
仿生六足机器人的结构设计及运动分析
仿生六足机器人的结构设计及运动分析一、结构设计1.机体结构：仿生六足机器人的机体结构通常采用轻型材料如碳纤维和铝合金制作，以保证机器人整体重量轻，同时具备足够的强度和刚度。
机体一般采用箱型结构，保证机器人整体稳定。
2.足部结构：仿生六足机器人的足部结构是其中最重要的部分，直接关系到机器人的运动能力和适应性。
足部结构通常由刚性材料制成，具有良好的强度和刚度。
每个足部通常由三个关节驱动，分别是髋关节、膝关节和脚踝关节。
这些关节的设计对机器人的运动能力和足部适应性有着重要影响。
3.关节驱动方式：仿生六足机器人的关节驱动方式通常采用电机驱动和传动装置。
电机驱动可以提供足部的力和扭矩，使机器人能够进行各种运动，传动装置则用来将电机的运动传递到足部关节。
可以采用齿轮传动、连杆传动、带传动等方式，根据实际需求进行合理选择。
二、运动分析1.步态规划：步态规划是确定六足机器人各个足部的步态序列，以实现机器人的稳定行走。
常用的步态有三角步态、扭摆步态和螳臂步态等。
步态规划需要考虑机器人的稳定性和适应性，结合地面情况和环境要求进行合理选择。
2.动力学模拟：动力学模拟是对仿生六足机器人的运动进行分析和仿真，以优化机器人的运动能力和稳定性。
通过建立六足机器人的运动学和动力学模型，可以预测机器人的运动轨迹、步态设计和稳定性评估等。
动力学模拟可以帮助改善机器人的设计和控制策略。
3.控制策略：仿生六足机器人的控制策略采用了分布式控制和自适应控制的方法。
分布式控制通过将机器人的控制任务分配给多个子控制器，使得机器人具备较好的容错性和适应性。
自适应控制方法则通过对机器人的运动进行实时监测和反馈调整，使机器人能够自主学习和适应不同环境和任务。
综上所述，仿生六足机器人的结构设计和运动分析是实现机器人稳定行走和适应环境的重要环节。
正确的结构设计和合理的运动分析可以有效提高机器人的运动能力和稳定性，从而使机器人在实际应用中具备良好的适应性和操作性能。
小型舞蹈双足机器人的设计及实现
小型舞蹈双足机器人的设计及实现一、设计目标小型舞蹈双足机器人的设计目标是实现优雅、灵动的舞蹈动作。
通过机器人的动作表达，让观众感受到机器人的舞蹈艺术，并与观众产生共鸣。
二、系统架构小型舞蹈双足机器人的系统架构主要包括硬件系统和软件系统两部分。
硬件系统：1. 双足机器人的身体结构，由头部、颈部、躯干、双臂和双腿构成。
身体结构要求轻巧、均衡，以便机器人能够完成各种舞蹈动作。
2. 传感器模块，包括陀螺仪、加速度计等，用于检测机器人的姿态和运动状态。
3. 动力系统，由电机、减速器等组成，实现机器人的运动驱动。
软件系统：1. 运动规划算法，通过分析舞蹈动作的细节，确定机器人的运动轨迹和姿态变化。
2. 实时控制系统，通过控制机器人的动力系统，实现舞蹈动作的执行。
3. 编程界面，提供给用户进行编程，实现自定义的舞蹈动作。
三、关键技术小型舞蹈双足机器人的实现需要解决一些关键技术问题：1. 动作分析与规划根据舞蹈动作的特征和要求，分析舞蹈动作的细节，确定机器人的运动轨迹和姿态变化。
2. 运动控制与同步根据运动规划的结果，通过实时控制系统控制机器人的动力系统，实现舞蹈动作的执行。
需要保证机器人的双足运动的同步性，使机器人的舞蹈动作更加协调。
3. 传感器数据融合通过陀螺仪、加速度计等传感器获取机器人的姿态和运动状态数据，并对数据进行融合处理，以提供给运动控制系统进行实时控制。
4. 用户编程界面舞蹈机器人需要提供给用户一个直观、友好的编程界面，使用户可以根据需要自定义舞蹈动作，并将编程结果上传给机器人进行执行。
四、实现方法小型舞蹈双足机器人的实现方法主要包括以下几个步骤：1. 设计机器人的身体结构，包括头部、颈部、躯干、双臂和双腿等。
根据设计目标，选择轻巧、均衡的材料和结构，使机器人能够完成各种舞蹈动作。
2. 设计传感器模块，包括陀螺仪、加速度计等。
选择合适的传感器，安装在机器人的身体各个部位，以检测机器人的姿态和运动状态。
双足机器人课程设计
双足机器人课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生了解双足机器人的基本结构和原理，掌握其关键组成部分及功能；2. 使学生掌握双足机器人的运动控制算法，了解不同行走模式的特点；3. 帮助学生了解双足机器人在现实生活中的应用，提高对人工智能技术的认识。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力，能够针对双足机器人进行简单的设计与调试；2. 提高学生的团队协作能力和沟通能力，学会在小组合作中共同完成任务；3. 培养学生的创新思维，能够提出改进双足机器人性能的设想。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对机器人技术的兴趣，培养其探究精神和学习主动性；2. 培养学生的科学素养，使其认识到科技对社会发展的推动作用，增强社会责任感；3. 培养学生遵守实验操作规范，尊重团队成员，形成良好的道德品质。
课程性质：本课程为实践性较强的课程，旨在通过理论与实际操作相结合的方式，让学生深入了解双足机器人相关知识。
学生特点：学生处于好奇心强、求知欲旺盛的阶段，具有一定的物理、数学和信息技术基础，喜欢动手实践。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，鼓励学生积极参与讨论和实践活动，培养其创新精神和实际操作能力。
将课程目标分解为具体的学习成果，以便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 双足机器人的基本结构：介绍双足机器人的关节、驱动器、传感器等关键组成部分及其功能；教材章节：第一章 双足机器人的结构与原理2. 双足机器人的运动控制算法：讲解双足机器人的运动学、动力学原理，介绍不同行走模式的控制算法；教材章节：第二章 双足机器人的运动控制3. 双足机器人设计与制作：引导学生学习双足机器人的设计与制作方法，包括电路设计、编程调试等；教材章节：第三章 双足机器人的设计与制作4. 双足机器人在现实生活中的应用：介绍双足机器人在医疗、救援、家庭等领域的应用案例；教材章节：第四章 双足机器人的应用与前景5. 双足机器人实践操作：安排学生进行双足机器人的组装、编程和调试，培养实际操作能力；教材章节：第五章 双足机器人实践操作6. 小组讨论与成果展示：组织学生进行小组讨论，分享学习心得，展示实践成果；教材章节：第六章 双足机器人项目实践与评价教学进度安排：课程共计12课时，每课时45分钟。
创新研修课：-足式机器人足部结构设计
机器人足部构型研究报告》姓名：学号：联系电话：电子邮箱：院系及专业：》指导老师：一．足式机器人的优点、足式运动在不平地面和松散地面上的运动速度较高，而能耗较少。
对环境具有很强的适应性，既可以进入相对狭窄的空间，也可以跨越障碍，与其它各种移动方式相比，具有更广阔的应用前景。
1.足式机器人对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，不仅能够在平面行走，而且能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面，它的移动“盲区”很小。
2足式机器人具有广阔的工作空间，由于行走系统占地面积小，活动范围很大，其上配置的机械手具有更大的活动空间，也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。
二．几种足部设计与构型1.足一地接触力行走时，足部所受到的地面的反作用力分为垂直、前后和左右方向。
由于在垂直方向上的反作用力的分力最大，在每个步态的周期转折点处出现极值，在脚￥跟着地时出现一极大值，随着脚部逐渐放平，受力面积也逐渐增大，受力则减小，当脚部完全放平时，受力最小，到脚跟离地，脚趾登地时出现另一个极大值，在整个步行周期中，在垂直方向上受力曲线呈现对称双峰性质，如图1所示。
图1：脚部受力双峰曲线2.平行四边形脚部机构&图2所示是一个用平行四边形机构作为脚趾的脚部机构，此种机构保证了着地时脚部与地面的多点接触，类似人类行走时脚部着地的情况。
平行四边形依靠弹簧C施加作用于地面的扭力矩从而保证A、B两点同时触地，并帮助行走时弹性起步，减少行走中能量得到消耗。
图2：平行四边形脚部机构(图3：典型的足部机构3. LOLA脚部结构几乎所有机器人的脚部都是一个整体，所以很难保证行走时的稳定性。
不易实现行走过程中脚跟着地脚尖离地的行走方式，并且即使行走地面，只是稍微不平，就可能造成脚掌与地面接触不规律，影响仿人机器人的稳定性。
为了缓解上述问题，由德国慕尼黑工业大学研制的仿人机器人LOLA增加了一个脚趾自由度，行走速度有了很大的提高。
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机器人足部构型研究报告
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指导老师：
一．足式机器人的优点
足式运动在不平地面和松散地面上的运动速度较高，而能耗较少。
对环境具有很强的适应性，既可以进入相对狭窄的空间，也可以跨越障碍，与其它各种移动方式相比，具有更广阔的应用前景。
1.足式机器人对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，不仅能够在平面行走，而且能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面，它的移动“盲区”很小。
2足式机器人具有广阔的工作空间，由于行走系统占地面积小，活动范围很大，其上配置的机械手具有更大的活动空间，也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。
二．几种足部设计与构型
1.足一地接触力
行走时，足部所受到的地面的反作用力分为垂直、前后和左右方向。
由于在
垂直方向上的反作用力的分力最大，在每个步态的周期转折点处出现极值，在脚
跟着地时出现一极大值，随着脚部逐渐放平，受力面积也逐渐增大，受力则减小，
当脚部完全放平时，受力最小，到脚跟离地，脚趾登地时出现另一个极大值，在
整个步行周期中，在垂直方向上受力曲线呈现对称双峰性质，如图1所示。
图1：脚部受力双峰曲线
2.平行四边形脚部机构
图2所示是一个用平行四边形机构作为脚趾的脚部机构，此种机构保
证了着地时脚部与地面的多点接触，类似人类行走时脚部着地的情况。
平行四边
形依靠弹簧C施加作用于地面的扭力矩从而保证A、B两点同时触地，并帮助行
走时弹性起步，减少行走中能量得到消耗。
图2：平行四边形脚部机构
图3：典型的足部机构
3. LOLA脚部结构
几乎所有机器人的脚部都是一个整体，所以很难保证行走时的稳定性。
不易实现行走过程中脚跟着地脚尖离地的行走方式，并且即使行走地面，只是稍微不平，就可能造成脚掌与地面接触不规律，影响仿人机器人的稳定性。
为了缓解上述问题，由德国慕尼黑工业大学研制的仿人机器人LOLA增加了一个脚趾自由度，行走速度有了很大的提高。
LOLA仿人机器人的脚部结构如图所示，由图可以看出，LOLA机器人的脚部增加了主动趾关节，通过控制脚趾转动的角度，来完成类人的行走方式“脚跟着地一脚尖离地”，并且能更好的适应地面。
图4：Lola的踝关节及脚步机构。
4.脚跟冲击吸收机构
脚跟冲击吸收机构是一个四杆传动机构，机构简图如下
B, C处的铰链固定在脚掌上，脚跟着地受到地面的冲击力时，减震器将动能一部分转换成热能，再通过四杆机构将一部分转换成势能，从而降低了传递到踩关节的力与力矩。
图5：脚跟冲击吸收机构
二．足部构型设计
安装在内盘上的舵机通过控制转动轴，将舵机转过的角度值传递给变形轮的轮毂，以实现用单片机控制舵机角度来控制变形轮的变形与恢复。
当车体在平地运行时，车轮为圆形，通过电动机驱动使机器人前进或停止或后退。
当遇到障碍物或软质地爬坡时，时车轮变形为由三个120度的圆弧组成的三角形，此外轮胎采用质地软的材料，这样可以尽可能大的增大与地面的接触面积，从而达到增大摩擦的
效果。
其次，车轮外圈布满凸出的橡胶颗粒，可以更好的增大摩擦。
图6：整体效果图
图7：变形构造图
三．步态规划
我们在六足的机器人的基础上使其采用四足步态行走，并将足改为轮型，在硬地上用轮型足进行运动，当遇到软地时，将变形为足型进行行走，其足型步态规划参照于六足昆虫的四足态行走。
步态设计是实现步行的关键之一, 为达到较为理想的步行,考虑下列要求: ( 步行平稳、协调,进退自如, 无左右摇晃及前后冲击; ) 机体和关节间没有较大的冲击。
六足昆虫在进行四足步态行走时，任一时刻保证有4条腿处于支撑相，而且是每一侧分别有两条腿处于支撑相，另外一条腿处于摆动相。
假定六条腿中，左边三条腿按顺序分别为
L l 、L 2 、L 3，右边三条腿按顺序分别为R 1 、R 2 、R 3。
典型四足步态的一个运动周期分为三个阶段，每阶段所有腿的组合状态有所差异，分别是：
一、当Rl 、R 2、L l 、L 3处于支撑相时，R3、L 2处于摆动相；
二、当R1、R 3、L 2、L 3处于支撑相时，R2、Ll处于摆动相；
三、当R2、R 3、L 1、L 2处于支撑相时R1、L 3处于摆动相。
如此交替实现六足昆虫的直行前进。
一般情况下仿生六足昆虫机器人是从离散着地点多自由度的腿的结构，采用典型的四足步态就能实现六足机器人的直行。
以下是整体图：
其步态示意图如下：
四：发展展望
1.目前足部设计虽然实现了部分仿生，但脚趾和脚跟的长度和弧度的大小、脚趾的
个数以及怎样实现足弓的功能还需要进一步的研究。
2、柔性铰链设计对不规则路面有较强适应性，但若想实现自然的行走方式“脚跟着地一脚
尖离地”还有段差距
3、仿人机器人在行走时，脚趾与脚跟偏转角度对行走稳定性的影响，如何行走最有利和所
受地面的反作用力最小，有待进一步的研究。
4、传感系统的改进问题。
理想的步行机器人，应该能够根据不同的环境，自动进行步态规
划。
因此机器人的内部也需要安装多种传感器，如：力传感器、陀螺仪来收集信息进行精确控制。
五．参考文献
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【2】竹中透，五味洋，重见聪史，松本隆志. 步行式移动机器人：日本，
【3】马培荪,窦小红,刘臻.全方位四足步行机器人的运动学研究[J].上海交通大学学报,1994,28(2):36-39
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