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双足步行机器人运动学模型分析班级学号：105011220姓名：秦丽丽成绩：摘要随着社会进步，出现了各种新的问题，如人口老龄化、各种环境污染的增多及残疾人数量的增大，人们急需一种机器人来解决这些问题。而双足机器人与人类的形状接近，能够很容易适应人类的生活环境；比轮式机器人容易在崎岖的路面上行走；同时，它又是一个多变量、强耦合、非线性、自然不稳定、动力学模型突变和脚与地有限接触的复杂控制系统，对控制科学提出了强烈的挑战，从开始就受到各国学者的重视。由于双足机器人的变量比较多，所以其运动学和动力学模型比较复杂。本论文首先建立了七连杆机构双足步行机器人的简化模型，随后基于齐次坐标变换理论对双足步行机器人进行了正逆运动学建模，目的是确定机器人各个关节与组成机器人各个刚体之间的运动学关系，是进行步态规划的基础；本文采用的是基于广义坐标的建模方法，不但能方便地求解运动轨迹，而且可以直接转化为驱动电机的转角，使控制参数的计算更方便。在已知各连杆的运动学方程后可以简便地求出两足步行机器人各个关节所需要的驱动力矩，作为机器人动力学分析和电机选型的依据。关键词：双足步行机器人、运动学模型、齐次坐标变化、广义坐标目录第一章绪论...........................................................................................................11．1研究双足步行机器人的意义...................................................................11．2国内外双足机器人研究概况及趋势.......................................................21．3双足步行机器人理论研究状况...............................................................41．4课题研究意义及内容安排......................................................................5第二章双足步行机器人的本体结构设计.............................................................62．1引言.........................................................................................................62．2双足步行机器人的结构介绍...................................................................62．3FM-1机器人的本体结构设计.................................................................8第三章双足机器人的运动学建模........................................................................93.1引言...........................................................................................................93.2双足机器人的运动学建模........................................................................9第四章心得体会....................................................................................................14参考文献.................................................................................................................15工业机器人课程论文第1页共15页第一章绪论机器人是作为现代高新技术的重要象征和发展结果，已经广泛应用于国民生产的各个领域，并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化，影响着人们生活的方方面面。虽然机器人的技术现在已日趋成熟，但是有关机器人的定义却众说纷纭，美国机器人工业协会给出的定义是：“机器人是一种可再编程的多功能操作机，通过可变的程序流程，以完成多样化的任务”。我国著名的机器人专家蒋新松给出的定义则相对简洁：“机器人是一种具有拟人功能的机械电子装置”。不管这些定义如何，但他们都包含了机器人的共性：(1)能模仿人的一些动作；(2)具有一定的智力、感觉和识别能力；(3)是人造的机器或机械电子装置。正常人所能完成的基本动作一步行，其实是一种非常复杂的运动，它需要的人全身的骨骼和肌肉进行复杂而巧妙的协调，而人的骨骼系统由206块骨头组成，肌肉系统包括327对肌肉，这是一个很复杂的系统，但是在大脑的指挥下，人不但完成步行，而且还能轻而易举完成其他高难度的动作。对于步行机器人来说，它只需要模仿人在特殊情况下(平地或己知障碍物)完成步行动作，这个条件虽然可以使机器人的骨骼机构大大降低和简化，但也不是说这个系统就不复杂了，其步行动作一样是高度自动化的运动，需要控制机构进行复杂而巧妙地协调各个关节上的动作。本章简要阐明了机器人的发展历史，双足步行机器人的研究背景和研究进展，最后简要说明了本文所做的工作。1．1研究双足步行机器人的意义世界著名机器人学专家、日本早稻田大学的加藤一教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能。这是因为，步行有其它移动方式所无法比拟的优越性。1．1．1双足步行机器人的意义(一)运动方式的优越性移动机器人是机器人学中非常活跃的领域，移动方式有轮式、履带式、步行等方式。轮式、履带式车辆虽好，但当在不平地面上行驶时，它们的能耗大大增加，而在松软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的作用将严重丧失。足式运动系统却可以通过松软地面(如沼泽、沙漠等)以及跨越较大的障碍(如沟、坎等)。地球上近一半的地面不能为传统的轮式或履带式车辆到达，而很多足式动物却可以在这些地面上行走自如。这就给人们一种启示，即足式运动方式具有其它地面推进方式所不具备的独特优越性能。足式运动系统在不平地面和松散地面上的运动速度较高，而能耗较少。实验和观察研究表明，在崎岖不平的坚硬地面上行驶(行走)的平均速度，履带车辆为816公里／小时；轮式车辆为5～8公里／小时；而足式运动的奔跑速度最高可达56公里／小时。在有25．4厘米深的软土地上，履带车辆所需的推进功率为10马力／吨；轮式车辆为15马力／吨，而足式行走机只需7马力／吨。由此可以看出步行是大多数高等动物共同采用的移动方式，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、上下台阶、上下斜坡、甚至在不平整地面上运动，与其它各种移动方式相比，具有更广阔的应用前景。(二)双足机器人的优越性步行机器人包括双足、四足、六足和八足机器人等。与其它足式机器人相比，双足机器人具有更高的灵活性和独特的优势，主要特点如下：1．双足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。工业机器人课程论文第2页共15页2．双足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。3．双足行走是生物界难度最高的步行动作，但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。因此，开展双足机器人研究工作可以有力推进机器人学及其它相关学科的发展。双足机器人能在人类的生活和工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大规模改造。目前，双足步行机器人的应用领域主要是康复医学。从长远来看，双足机器人在无人工厂、核电站、海底开发、宇宙探索、康复医学以及教育、艺术和大众服务行业等领域都有着潜在而广阔的应用前景。(三)双足步行机器人的优越性双足步行机器人不但具有双足移动的特点，还具有其它类人的智能特点，如手臂运动功能、手抓取物体功能、视觉功能、语音功能、自主决策功能等等。因此，是集机构学、机械设计、传感技术、控制理论与技术、计算机技术等多学科技术为一体的综合性技术。双足机器人对机器人的机械结构及驱动装置提出了特殊要求，这将导致传统机械的重大变革，双足机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统，这对机器人的运动学、动力学及控制理论的研究提供了一个非常理想的试验平台，在对其研究的过程中，很可能导致力学及控制领域的新理论、新方法产生。它是智能机器人理论和技术的集中体现，能够带动许多相关学科和技术的交叉发展和进步。因此，双足步行机器人的研制具有十分重大的价值和意义。1．1．2生物科学、仿生工程学的研究需要研究开发双足步行机器人的另一重要意义是为了更好的了解人类和其他动物的行走机理，并为下肢瘫痪者提供较理想的假肢。尽管人类对腿和身体运用自如，但对行走和奔跑的控制机制的理解仍处于初始阶段。探讨动物运动控制机理的一种方法是研究步行机器人。由于动物和机器需要完成相同的任务，它们的控制系统和机械结构必须解决类似的问题。通过研究步行机器人，我们能够更好地分析这些问题，得到真正的答案。再者，动物行走机理的研究和步行机的开发是双向互惠的。一旦对动物行走机理有了正确的理解，可以反过来更有效地指导步行机器人的研究和开发。其典型实例是为残疾人研制假肢或轮椅等步行载体。1．1．3双足机器人的应用场所双足步行机器人能在与人类的生活和工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大规模改造。目前，双足步行机器人的应用领域主要有：1．为残疾人(下肢瘫痪者或截肢者)提供室内和户外行走工具。利用人工假腿、腿椅或步行座椅尽可能使残疾人恢复正常行走功能(平地行走、坡地行走、跨越沟坎、爬越阶梯)，减少对他人的依赖。2．极限环境下代替人工作业，如太空星球表面考察、海底勘探、水下资源的开发和设备维修、沉船的寻找和协助打捞(代替浮游式机器人作为运载工具，以减少推选器对水底的扰动，提高能见度)；核电站内的监视和维护作业(如吸附式步行机对金属壁容器的检修)；高层建筑玻璃的擦洗；管道的探伤和维修(管内爬行式机器人)；遥控救灾、灭火；爆炸物的处置(如探雷、排雷等)；战地侦察、警戒等。3．在教育、艺术和大众服务行业等领域都有着潜在而广阔的应用前景。娱乐机器人、可作为人类同伴的机器人是发展的新方向，这将使双足机器人逐渐走向普通居民中。1．2国内外双足机器人研究概况及趋势双足机器人的研究工作开始于上世纪60年代末，只有三十多年的历史，然而成绩斐然。如今已成为机器人领域主要研究方向之一。1．2．1国外机器人研究状况最早在1968年，英国的Mosher．R试制了一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人，揭工业机器人课程论文第3页共15页开了双足机器人研究的序幕。该机器人只有踝和髋两个关节，操纵者靠力反馈感觉来保持机器人平衡。1968～1969年间，南斯拉夫的M．,Vukobratovic提出了一种重要的研究双足机器人的理论方法，并研制出全世界第一台真正的双足机器人。双足机器人的研制成功，促进了康复机器人的研制。随后，牛津大学的Witt等人也制造了一个双足步行机器人，当时他们的主要目的是为瘫痪者和下肢残疾者设计使用的辅助行走装置。这款机器人在平地上走得很好，步速达0．23米／秒。日本加藤一郎教授于1986年研制出wL一12型双足机器人。该机器人通过躯体运动来补偿下肢的任意运动，在躯体的平衡作用下，实现了步行周期1．3秒，步幅30