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擬人步行機器人的設計方案 雙足步行機器人本體的機械結構是研究機器人的基礎 結構的好壞直接影響到機器人后續(xù)的研究工作 以雙足類 人結構特征為基礎 各研究結構研制的雙足機器人在自由 度 驅動方式 重量 高度與結構特征等方面都存在很大 的差異 機器人結構的不同 其控制的方式也有所不同 兩足步行機器人是對人類自身的模仿 但是人類總共 有上肢 52 對 下肢 62 對 背部 112 對 胸部 52 對 腰部 8 對 頸部 16 對 頭部 25 對之多的肌肉 從目前的科學發(fā) 展情況來看 要控制具有 400 個雙作用式促進器的多變量 系統(tǒng)是不可能的 因此 在設計步行機械時 人們只考慮 移動的基本功能 例如 只考慮在平地或者具有已知障礙 物的情況下的步行 鄭元芳博士從仿生學的角度對類人機 器人的腿部自由度配置進行了深入的研究 得出關節(jié)扭矩 最小條件下兩足步行機器人的自由度配置 他認為髖部和 踝部設兩個自由度 可使機器人在不平地面上站立 骸部 再加一個扭轉自由度 可改變行走方向 踝關節(jié)處加一個 旋轉自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地 這樣機器人的 腿部需要有 7 2 個自由度 骸關節(jié) 3 個 膝關節(jié) 1 個 踝 關節(jié) 3 個 但是 無論現(xiàn)在的兩足步行機器人還是擬人機 器人都還只能在規(guī)則路面上行走 所以各研究機構都選擇 了 6 2 個自由度 踝關節(jié) 3 個 膝關節(jié) 1 個 踝關節(jié) 2 個 如 哈爾濱工業(yè)大學的 HIT m 國防科技大的 先行者 本 田公司的 AsIMO 和索尼公司的 SDR 和 QRIO 具有 6 2 個自 由度的機器人的機械結構和控制都特別的復雜 按照在能 完成研究目標的情況下 自由度最少的設計原則 在過去 的四十年中 為了不同的研究目標 人們設計了許多具有 不同自由度的兩足步行機器人 按照行走過程中的穩(wěn)定方 式 兩足步行機器人一般分為三類 1 靜態(tài)機器人 這類步行機器人的 COM Censer of Mass 始終處于支撐多邊形 單腳支撐期為支撐腳的輪廓線 雙腳支撐期為兩只腳的外邊沿所圍成的凸多邊形 內(nèi) 所以 只能實現(xiàn)靜態(tài)行走 2 動態(tài)機器人 這類步行機器人有踝關節(jié) 依靠踝 關節(jié)來保證它的 ZMP 點 Zero Momeni Censer 始終處于支 撐多邊形內(nèi) 所以可以實現(xiàn)靜態(tài)行走和動態(tài)行走 3 全動態(tài)機器人 這類步行機器人的踝關節(jié)沒有驅 動 甚至沒有踝關節(jié)所以 支撐多邊形在單腳支撐期縮小 成一個點 在雙腳支撐期縮小為一條線段 所以 這類機 器人不能保持靜態(tài)平衡 只能實現(xiàn)動態(tài)行走 8 9 自由度數(shù)最少的兩足步行機器人只有一個自由度 如 圖 2 1 所示 這類機器人沒有軀干 兩條腿直接鉸鏈在一 起 這類機器人理論上只有一個自由度 實際上 為了防 止擺動腿擺動時和地面干涉 這兩條腿都必須是可以伸縮 的 加上這兩個平移自由度 這個機器人實際上有 3 個自 由度 它的運動學模型是平面的 沒有側向運動 在徑向 平面內(nèi)的運動象一個兩腳圓規(guī) 在雙腳支撐期 沒有冗余 自由度 這類兩足步行機器人不能保持靜態(tài)平衡 屬于完 全動態(tài)機器人 在僅受重力作用時 可以在斜面上行走 圖 1 一個自由度的兩足步行機器人 雙足機器人的自由度配置 我們設計了一個雙足步行機器人模型 如圖 2 所示 顯著的結構特征就是采用多關節(jié)型結構 行走機構能實現(xiàn) 平地前后行 爬斜坡等功能 動力源采用舵機直接動 這 樣不但可以實現(xiàn)結構緊湊 傳動精度高以及大大增加關節(jié) 所能達到的最大角度 而且驅動源全為電機 便于集中控 制和程序化控制 圖 3 雙足步行機器人模型 圖 3 模仿人類 肩關節(jié)三個自由度 前向和側向自由度 一般不考慮轉動的自由度 肘關節(jié)兩個自由度前向和側向 自由度 腕關節(jié)一個自由度 踝關節(jié)有兩個自由度 前向 和側向自由度 膝關節(jié)只有一個前向自由度 髖關節(jié)處要模 擬人類髖關節(jié)行為理論上要求有三個正交的自由度 但在 機器人直線前進時只需要正交的前向和側向自由度 同樣 不考慮 5 6