足式行走机器人课程设计
双足机器人技术设计
双足技术设计1.引言本文档旨在介绍双足技术设计的细节和要点。
双足是一种仿真人类双腿行走的，具备稳定性、灵活性和智能性。
该文档将涵盖双足的硬件设计、动力系统、步态规划、感知与导航等关键方面的设计内容。
2.双足的硬件设计2.1 机械结构设计2.1.1 身体结构设计2.1.2 关节设计2.1.3 材料选择2.2 传感器选择与布置2.2.1 视觉传感器2.2.2 陀螺仪与加速度计2.2.3 压力传感器2.3 控制器设计2.3.1 控制器类型选择2.3.2 控制器布局与组织3.双足的动力系统3.1 动力源设计3.1.1 电源类型选择3.1.2 电源功率计算3.2 动力传输设计3.2.1 电机类型选择3.2.2 齿轮传动设计3.3 动力控制设计3.3.1 速度控制算法3.3.2 力矩控制算法4.双足的步态规划4.1 步态分析4.1.1 单支撑相与双支撑相4.1.2 步长与步频计算4.2 步态规划算法4.2.1 基于倒立摆模型的步态规划4.2.2 模仿学习算法的步态规划5.双足的感知与导航5.1 视觉感知5.1.1 目标检测与跟踪5.1.2 场景理解与地图5.2 位置定位与姿态估计5.2.1 GPS定位5.2.2 惯性测量单元（IMU）定位5.3 路径规划与控制5.3.1 基于地图的路径规划5.3.2 避障算法设计6.附件本文档涉及的附件包括技术图纸、控制算法代码、测试数据等。
附件的详细内容可在实际项目中进行补充。
7.法律名词及注释- 专利权：对新发明的技术、产品或方法享有的独有权利。
- 商标：用于标识和区分商品或服务来源的符号、标记或名称。
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行走的机器人课程设计
行走的机器人课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解机器人的基本构造，掌握其运作原理；2. 学生能够描述行走的机器人所需的动力和控制系统；3. 学生了解机器人编程的基本步骤，能够运用简单的指令控制机器人的行走。
技能目标：1. 学生能够通过小组合作，动手搭建一个简易的行走机器人模型；2. 学生能够通过编程软件，为行走机器人编写简单的行走程序；3. 学生能够运用问题解决策略，调试和优化机器人的行走性能。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对机器人科技的兴趣和好奇心，提高对科技创新的热情；2. 学生在团队合作中，学会相互尊重、沟通与协作，培养集体荣誉感；3. 学生能够认识到科技进步对生活的影响，树立正确的科技价值观和社会责任感。
二、教学内容本课程以《机器人技术》教材为基础，结合课程目标，选择以下教学内容：1. 机器人基本构造与原理：介绍机器人的组成部分，如传感器、驱动器、控制器等，并解析其工作原理；教材章节：第一章《机器人概述》2. 行走机器人的动力与控制系统：讲解行走机器人所需的动力来源，如电机、电池等，以及控制系统的设计；教材章节：第二章《机器人的驱动与控制》3. 机器人编程基础：教授机器人编程的基本步骤，包括编写、编译、调试等，以实现行走功能；教材章节：第三章《机器人编程与控制》4. 行走机器人模型搭建：指导学生分组搭建简易行走机器人模型，并进行组装和调试；教材章节：第四章《机器人模型制作与调试》5. 机器人行走程序编写：引导学生运用编程软件，为行走机器人编写简单的行走程序；教材章节：第五章《机器人行走控制程序设计》6. 行走性能优化与展示：学生通过调试和优化，提高行走机器人的性能，并进行成果展示；教材章节：第六章《机器人行走性能优化与展示》三、教学方法本课程采用多样化的教学方法，结合课本内容，旨在激发学生的学习兴趣和主动性，提高教学效果。
1. 讲授法：在介绍机器人基本构造、原理和编程基础等理论知识时，运用讲授法进行系统讲解，帮助学生建立完整的知识体系。
课程设计足球机器人行走机构
1绪论1.1选题目的机器人足球系统的研究涉及非常广泛的领域，包括机械电子学、机器人学、传感器信息融合、智能控制、通讯、计算机视觉、计算机图形学、人工智能等等，吸引了世界各国的广大科学研究人员和工程技术人员的积极参与。
现在的足球机器人行走机构错在的控制不稳定，行走不灵活等一些问题，通过对足球机器人行走机构的设计，能提高对大学知识的实际运用，解决足球机器人行走稳定性的问题。
这次课程设计我选择了足球机器人行走装置的设计体现了机械结构设计等方面技术的运用。
设计是一项结合机械设计，控制设计，工业设计等多方面设计技术的综合性的设计题目，通过这项设计，我可以综合大学四年学过的各项课程，提高自己的设计水平，为以后工作打基础。
1.2足球机器人的研究现状1.2.1国外研究现状足球机器人是当前机器人研究的一个热点，涉及机器人学、人工智能、智能控制、计算机视觉等多个领域。
足球机器人系统作为一个典型的多智能体协作系统，为机器人学、多智能体系理论研究和技术应用提供了一个理想的实验平台。
目前，国际上足球机器人已发展为两大系列，一是由国际机器人足联组织的微型机器人世界杯足球赛，另一个是国际人工智能学会组织的机器人世界杯足球赛。
国外机器人足球比较发达的国家主要有美国、韩国、日本等国。
1.2.2国内研究现状我国足球机器人事业起步比较晚，但是充分利用后发优势，发展迅速，有些方面已经接近或者达到国际水平。
我国的科研工作者域1997年才开始涉足机器人足球比赛相关领域的研究与探索，1997年东北大学人工智能域机器人研究所加入FIRA并研制开发出卫星足球机器人系统。
1999年4月，中国机器人足球协会在哈尔滨成立，并正式加入FIRA。
童年10月在哈尔滨工业大学举行首届中国机器人足球比赛。
1999年8月，东北大学作为中国第一支代表队参加了在巴西举办的第四届机器人足球比赛，并取得了较好的成绩。
在RoboCup比赛项目上，清华大学和中国科技大学代表了中国的最高水平。
机械创新设计课程设计
图1.8.5HIT-I、HIT-II机器人
北京理工大学于2002年12月研制出仿人机器人BRI-01，是目前国内最先进的两足步行机器人。机器人高1.6米，重80千克，具有32个自由度，步速1千米/时，步距33厘米；能依照自身的平稳状态和地面高度变化，实现未知路面的稳固行走。
步行是人类最差不多的行为方式，双足机器人具备人类的差不多结构，具有类人的步行能力。双足步行机器人在外形上具有人类特点，适合用于人类生活的环境，为人们提供方便，因此具有宽敞的市场前景。双足机器人与其他多足机器人相比具有体积较小、重量轻、动作灵活、迅速，而且更接近于人类步行的特点，因此它们对环境有最好的适应性，在日常生活中更具有广泛的应用前景。
此次要紧研究目标是二足机器人爬楼梯机构的设计，以及对它的步态的规划。
1.2.二足仿生气器人的概念
现时期，机器人的研究应用领域不断拓宽，其中仿人机器人的研究和应用受到普遍的关机器人的研究应用领域不断拓宽，其中仿人机器人的研究和应用受到普遍的关注，并成为智能机器人领域中最活跃的研究热点之一。仿人二足机器人爬楼梯的设计变营运而生。研究与人类外观特点类似，具有人类智能，灵活性，并能够与人交流，不断适应环境的仿人机器人一直是人类的妄图之一。仿人机器人的研究在专门多方面差不多取得了突破，如关键的机械单元，差不多行走能力，整体运动，动态视觉等，然而离我们理想中的要求还相去甚远，还需要在更为具体的某些行动进行研究，仿人二足机器人爬楼梯设计奖机器人的行动具体到爬楼梯动作上，，能够更加适合人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业，能够在专门多方面拓展人类的能力，如下图
1.7设计范畴
一直以来移动型机器人的运动方式大体上包括，轮式，履带式，足式等。履带式爬楼梯的装置原理类似于履带装甲运兵车，原理较为简单，技术也比较成熟，而且传动效率比较高，行走重心波动专门小，运动平稳。然而这类装置重量大，运动不够灵活，爬楼梯时在楼梯边缘会造成庞大的压力，对楼梯有一定的损坏，转弯不方便等问题，有专门大的限制。轮组式，轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮式，三轮式，以及四轮式。单轮组式结构稳固性较差，在爬楼梯中需要有人协助才能实现。而双轮组式尽管能实现自主爬楼，但由于其体积庞大且偏重，阻碍了她的适用范畴。步行式，其爬楼梯的执行机构由铰链杆件机构组成。上楼梯时，先将负重抬高，在向前移动，如此重复这过程。步行式爬楼梯装置仿照人类爬楼的动作，符合本组研究课题，因此采纳那个方案。步行式爬楼梯装置爬楼梯时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯，较为便利。然而他对操作的要求专门高，设计研究专门复杂，运动幅度不大，动作缓慢。
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。
双足竞步机器人设计与制作技术报告
双足竞步机器人设计与制作技术报告一、引言二、设计原理1.动力系统2.传感系统3.平衡控制系统平衡是双足机器人最基本的功能之一、平衡控制系统基于双足机器人的运动状态及传感器信息，通过反馈控制算法实现平衡控制，使机器人能够保持稳定的步态。
4.步态控制系统步态控制系统主要通过控制机器人的下肢运动，完成双足的协调步行。
常见的步态控制算法有离散控制、预先编程控制、模型预测控制等。
三、制作过程1.机械结构设计2.电子系统设计电子系统设计主要包括电路设计和控制系统设计。
电路设计需要根据机器人的运行需求进行电源和信号处理电路的设计。
控制系统设计需要根据机器人的传感信息和控制算法，选择合适的控制器和通信模块。
3.程序开发与调试程序开发是制作双足竞步机器人不可或缺的一步。
在程序开发过程中，需要针对平衡控制、步态控制和传感器数据处理等方面进行编程，并进行相应的调试与优化。
四、技术难点与解决方案1.平衡控制技术2.步态规划与控制技术步态控制是双足竞步机器人实现协调步行的关键。
根据机器人的设计和运行需求，选取合适的步态控制算法，并进行动态规划和控制，可以实现优化的步态控制。
3.动力系统设计与电路优化机器人的动力系统设计要考虑电机选择、电机驱动电路和电源供应等多个方面。
同时，还需要对电子电路进行优化，减小功耗和提高效率，以提高机器人的运行时间和性能。
五、总结双足竞步机器人的设计与制作技术包括机械结构设计、电子系统设计、程序开发与调试等多个环节。
通过充分考虑机器人的平衡控制和步态控制等关键技术，可以设计出性能优良的双足竞步机器人。
但是，在设计与制作过程中还需要不断尝试与改进，以逐步优化机器人的性能。
机械创新设计课程设计--仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构设计 ppt课件
*腿部设计：
腿部结构是机器人身体里主要的部分，根据仿 生学的知识，人腿部结构大致为：髋关节，和膝 关节，还有踝关节和脚。本文采用曲柄摇杆机构 实现其直线行走和爬楼梯功能的。两组腿交替的 变换使机身能向前运动，他们每组都支撑机体的 重量，并在负重的状态下使机体的前行，所以适 应的刚性和承载能力是非常重要的，所以对承载 能力有着限制。
课题 ：
仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构设 计
设计说明书：
*设计任务 *机械系统运动方案设计的构想 *执行系统机构设计 *机器人创新点 *主要参考资料 *设计心得
设计任务
*设计背景：
国外在二足机器人方面研究已经有100多年历史，成果 较多，但大多都结构复杂，造价昂贵，远远超出人们的经济 承受能力。国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利， 但由于收到体积、重量、稳定性级安全问题还没有产品真正 投入实，机构之间连接性 好，制作精度容易保证； 2.机器人稳定性好，四杆机构能循环运动容易现实直 线行走； 3.生产成本低，产品绿色环保。
执行系统机构设计：
*双足机器人步行运动过程分析：
双足机器人的步态规划就是规划机器人的行走步态，水平 地面的基本行走步态有前向步行、侧向步行和转向步行。转向 步行包含了前向步行和侧向步行，是最复杂的步行。图中以左 腿首先作为支撑腿，右腿作为摆动腿为例分解，若右腿首先作 为支撑腿，左腿作为摆动腿只需将图中左右调换即可。
*设计目的：
本设计主要是利用机械原理相关知识合理设计机械腿的 相关尺寸及机构来实现爬楼梯的功能。
机械系统运动方案设计的构想：
*具体方案：
双足机器人步行运动过程中，两只脚交替的与地面，发 生间歇性的相互作用，即交替的出现左脚单支撑，双脚支撑 和右脚单支撑的状态，周期性的不断前进。机器人设计过程 中，腿部采用了四杆机构。腿部结构是机器人身体里主要的 部分，根据仿生学的知识，人腿部结构大致为：髋关节，和 膝关节，还有踝关节和脚。本文采用曲柄摇杆机构实现其直 线行走和爬楼梯功能的。两组腿交替的变换使机身能向前运 动，他们每组都支撑机体的重量，并在负重的状态下使机体 的前行。
双足步行机器人设计及运动控制
参考文献
1、潘存云、高里基.通用工业机器人运动仿真系统IRKSS.机器人. 19949(2) 94-97
2、徐爱钧，彭秀华．Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与μVision2应用实践．电子工业出版社．2004
3、丹尼斯.克拉克、迈克尔.欧文斯．机器人设计与控制．科学出版社．2004
图3-1电路图
舵机控制器以80C51单片机为核心，该控制器中单片机可以产生8个通道的PWM信号，分别由80C51的P1．0～Pl.7端口输出。输出的8路PWM信号通过光耦隔离传送到下一级电路中。方波信号经过光耦传输后，前沿和后沿会发生畸变，因此反相器采用40106反相器对光耦传输过来的信号进行整形，产生标准的PWM方波信号。
根据经验舵机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流，若舵机与单片机控制器共用一个电源，则舵机会对单片机产生较大的干扰。因此，舵机与单片机控制器采用两个电源供电，两者不共地，通过光耦来隔离，并且给舵机供电的电源最好采用输出功率较大的开关电源。该舵机控制器占用单片机的个SCI串口。串口用于接收上位机传送过来的控制命令，以调节每一个通道输出信号的脉冲宽度。MAX232为电平转换器，将上位机的RS232电平转换成TTL电平。
在设计时，首先对双足机器人的结构、系统控制电路和应用软件的功能进行了设计与分析，确定了系统的总体结构和组成。
通过这次设计，使我们巩固了机器人设计制造以及单片机的知识，熟练运用各种制图软件（ProE，AUTOCAD），编程软件（Proteus，Keil）。提高了我们的动手能力以及团队写作能力。为我们的毕业设计打好坚实的基础。
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三、总体方案设计
根据设计要求，我们设计的方案是六足气动机器人，每一个足用两个缸控制，水平杆实现移动，垂直缸实现对身体的支撑，每三个缸一组，分别用一个阀控制，示意图如图1所示。
机器人身体分为两层，A、C缸和上面一层固联，B、D缸和下面一层固联，两层之间用螺栓、螺母和轴承联接，使上下两层可以相对转动以实现转弯，转弯用与下板固联的单杆气缸控制，原理图如图2所示。
[2]吴晓明主编.现代实用气动技术.[M]机械工业出版社.2012.
指导教师签字
基层教学单位主任签字
燕山大学课程设计评审意见表
指导教师评语：
成绩：
指导教师：
年月日
答辩小组评语：
成绩：
评阅人：
年月日
课程设计总成绩：
答辩小组成员签字：
年月日
一、项目
当今随着气动技术及机器人技术的发展，气动机器人的应用领域也越来越广泛。其工作可靠、体积小、动作灵活等优点使其在一些特殊的应用场合，如壁面爬行机器人的研究方面颇受欢迎，壁面爬行机器人要完成在与水平面成一定角度的各种壁面上移动，它主要完成两个任务：一是吸附，二是移动。本文设计的气动爬行机器人主要研究设计机器人的爬行功能，通过对其机械结构及控制系统设计，实现步距式爬行功能，同时可实现前进、倒退和转向等功能。
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。
2.利用手持有线控制器实现机器人的转向、前进、后退控制、地面行走、自动循迹。电气控制采用PLC控制方式。
3.要求机器人能实现3kg负重状态下按预定轨迹行走要求。注：验收用预定轨迹转弯半径大于等于1m。
4.要求机器人整体平面尺寸不超过 250mm*250mm，自行完成整机设计、选型、加工、集成及调试。
4.2换向阀的选择
实验室提供的换向阀的型号有4V110-M5-B，4V120-M5-B，4V130C-M5-B，4V130E-M5-B，根据控制要求可以选择两位五通双控阀和中位闭气的三位五通双控阀，考虑成本，选择4V120-M5-B两位双控阀。
4.3机械结构设计
结构的三维图如下所示
4.4传感器的选择
燕山大学
课程设计说明书
题目：足式行走机器人课程设计
学院（系）：机械工程学院
年级专业：2013级机控二班
学生姓名：李旭军、刘鹤、
颜天喜、林银福
指导教师：刘劲军
燕山大学课程设计（论文）任务书
院（系）：机械工程学院 基层教学单位：
学 号
130101010369
130101010395
130101010401
根据实验室提供的材料选择SMC的磁性开关D-A93.
五、气动系统和电控系统的设计
5.1气动回路的设计
任何复杂的气动控制回路都是由一些特定功能的基本回路和常用回路组成，但不论它如何复杂，一般都应该包括几个部分，如供气部分、启动部分、控制部分、导气部分和工作部分等。
1、供气部分采用实验室提供的供气气源。
四、元件选择与结构设计
4.1气缸的选择
根据原理图进行气缸的选择，实验室提供的单杆气缸型号有CDJ2D10-15，CDJ2D10-30，CDJ2D10-45，CDJ2D10-60，双杆气缸型号有TN-10*15-S,TN-10*35-S。
水平气缸的活塞杆要承受一定径向力，而且水平缸的行程应选较大的，综合考虑选择双杆气缸TN-10*35-S,行程为35mm。
垂直缸要承受自身重力和外负载，且考虑到行走的平稳，选择双杆缸，考虑到运动的快速性，选择较小行程的型号为TN-10*15-S的气缸。实验台提供的气源压强最大为0.5Mpa，取气缸的机械效率为0.7，则气缸能承受最大的力为
受到尺寸要求和机械结构的限制，左右转弯的角度不宜太大，且转弯不需要特别大的力，选择短行程的单杆气缸CDJ2D10-15。
二、设计要求
1、机器人驱动系统为气动控制系统，将采用气源、电源拖线运行方式。气源压力5bar，电源电压24V。
2、利用手持有线控制器实现机器人的转向、前进、后退控制、地面步态行走。电气控制采用继电器控制方式。禁止采用轮式。
3、要求机器人能实现3kg负重状态下按预定轨迹行走要求。注：验收用预定轨迹转弯半径大于等于1m。
工
作
量
1．完成机器人设计主要零件图和装配图；
2．完成气动回路图和电控系统；
3．完成设计说明书。
4．实物的组装和调试
工作
计划
第12周 机构方案设计论证气动电气系统设计
第13周 选型图纸报告
第14周 机构加工制作
第15周 元件组装答辩
第16周 电气气动系统调试
第17周 功能轨迹调试答辩比赛
参考
资料
[1]吴振顺主编. 气压传动与控制[M]哈尔滨工业大学出版社.2009.
130101010222
学 生
姓 名
李旭军
颜天喜
刘 鹤
林银福
专业（班级）
机控13-2班
设计
题目
足式行走机器人
设计
技术
参数
1.完成所设计机器人的零件图、装配图；
2. 完成元件选型，计算所需成本；
3. 计算机器人参数，验证可行性。
设
计
要
求
1.机器人驱动系统为气动控制系统，将采用气源、电源拖线运行方式。气源压力5bar，电源电压24V。