摘 要

最近这几十甚至十几年来，双足行走机器人得到迅猛的发展，无论是其涉及多门学科的学习意义还是现实生活中的服务功能都有待我们去开发;值得一提的是，它的行走方式与我们人类极为相似，这样，便能比其他的机器人做更多较为复杂的工作，也不会显得那么笨拙，有时还能和我们一起共同完成一些特定的任务，所以在未来的生产生活中几乎成为不可或缺的角色。在机器人的众多领域中，双足行走机器人的研究已然成为当今社会的人点问题。本篇文章主要介绍了双足行走机器人的一些基本框架，像自由度的建立，机械运动的理论分析，根据数学理论建立三维模型和一些机械运动的研究等，其详细内容如下：

本篇文章主要针对双足行走机器人的腿部自由度进行分析和说明，首先设计了整体的机器人尺寸，然后按照人体的比例对机器人腿部的尺寸进行设定并设定髋部和踝部的自由度，将这两部分的旋转轴在一点相交，除此之外，还进行了舵机的选择。在Adams的空间直角坐标系中设定了机器人的坐标原点，并具体介绍了其运动学理论分析，为之后的仿真工作奠定了较好的理论基础。探究了其大体的运动过程，大腿经过驱动转过一定的角度后带动身体便可以像人一样向前行走，并对此进行了驱动函数的设定和运动的仿真。然后在 Soildworks中按比例建立了双足行走机器人的各个部件的模型，并成功导入Adams中，在Adams中进行了一些Mark点和转动副、驱动的设定，并对机器人进行了仿真运动。最后，通过干涉检查对所建立的机器模型进行整改，成功录制了仿真动画，另一方面，也证实了之前运动学理论分析的正确，这对后面的机器人运动控制过程有着极大的帮助。

关键词：双足步行机器人；运动学；三维仿真

Abstract

The biped walking robot technology is developing rapidly in recent years, because of its high academic and practical value. It cross multiple disciplines, imitate the way of human’s walking, have better flexibility than other types of robots, and can be more coordinated help mankind to complete the task. Biped robot has become a focus of the field of robotics research. This paper studies some fundamental questions, such as: DOF disposition, kinematics derivation, mathematical modeling, the analysis of simple movement patterns, the robot ideal 3D modeling and so on. The researches include:

The biped robot leg’s DOF is analyzed and completed its disposition, and the robot hip and ankle DOF’s rotating shafts intersect into each intersecting point in the general principle. Then the drive is selected relatively. Through the research of actual human body size, the robot leg bar size and the range of motion of each joint is analyzed and confirmed. The origin of the robot coordinate system is settled and the derivation of robot kinematics is completed, which is a good theoretical basis for the follow-up robot modeling and simulation.There has programmed and simulated for two ideal pattern of walking, the one is the relationship between the height and step when go straight; the other is the limits of angle which the leg help the upper body to rotate (part of the rotation of the waist). At last, the ideal biped robot is modified by the interference detection. Using the data of motion, the kinematics simulation is completed and generates motion animation, which proves the accuracy of kinematics and gets a good foundation for the follow-up biped robot dynamics and motion control.

Key words：Biped walking robot；Kinematics；3D Simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

1.1 课题背景与研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究及现状 1

1.2.2 国内研究及现状 2

1.3 双足行走机器人腿部结构 2

1.4 本论文研究的主要内容 3

1.5 小结 4

第二章 双足机器人模型的总体规划 5

2.1 双足行走机器人腿部自由度 5

2.2 机器人腿部驱动方式 6

2.2.1 微型伺服舵机的内外部结构 7

2.2.2 微型伺服舵机作原理 7

2.2.3 驱动机构 7

2.2.4 控制系统总体结构设计 9

2.2.5 控制系统结构具体设计 10

2.3 下肢各部位尺寸与运动范围规划 11

2.3.1 静态机器人测量及尺寸确定 11

2.3.2 动态机器人测量及运动范围确定 11

2.4 小结 12

第三章 机器人学基本理论 13

3.1 坐标变换 13

3.1.1 全局参考坐标系 13

3.2 本章小结 15

第四章 双足机器人建模 16

4.1 机器人数据结构的建立 16

4.2 机器人数学模型的建立 16

4.3 正运动学 19

4.3.1 正运动学计算 19

4.4 逆运动学 20

4.4.1 解析法求解逆运动学 21

4.5 本章小结 24

第五章 机器人模型仿真 24

5.1 机器人腿部结构三维建模 24

5.1.1 机器人腿部结构零件尺寸设计 24

5.1.2 机器人腿部结构的组装与约束的确定 25

5.1.3 驱动的添加 26

5.1.4 驱动函数的添加 26

5.1.5 绘图曲线 27

5.1.6 干涉位置 29

5.2 本章小结 30

总结 31

致谢 33

第一章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

机器人是一个多种学科综合的整体，它所涉及的范围非常多，比如机械运动、单片机、传感器的应用、自动化的应用等各方面内容，如今的科技更新速度越来越快，并已经逐步渗入到我们日常生活、学习、工作中的几乎每一个环节，人们不仅把他们用在一些大型工厂里做一些危险性高的工作，还把他们用在医院、游乐场等多种场所。

双足行走机器人是根据人体高度模仿的，它的腿部关节是由刚性构件组成，并用转动副把他们组合起来，机器人的行走是靠髋膝踝关节共同写作完成的，除此之外，我们运用了舵机等装备来模仿人体的能动性，可以为机器人的各种运动提供前进的动力。双足行走机器人和其他类型的机器人相比有很多独到之处：

（1）双足行走机器人灵活性较高，它不但能在平坦的路面上行走，还可以在一些非平坦甚至是有坡度的路面上行走，所以它对周围环境的协调能力较强，行走的范围很大。

（2）我们可以把双足行走机器人的腿部当做一个进行各类活动的底盘，它的占地面积显然是比那些多足的机器人要少的许多，并且它上面的手臂和手的组合可以进行很多人类无法完成的工作，所以也灵活许多。

（3）双足行走机器人模仿的是人类的步行方式，而人类的活动是灵活多变的，所以双足机器人的许多关节配置和性能的选择也有很大的发展空间。主要原因是双足行走机器人是人类的高模仿，当它在一些危险的环境中帮助我们工作时，就免去了对新环境的重新设定，它有着自己对周围环境的自适应性。除此之外，也增加了人类的能力范围。

本次的论文主要针对双足行走机器人的大腿等部位做了详细的分析，包括尺寸的设计、建模、仿真、理论基础等各个方面都做了系统的分析，这也对以后机器人的研究奠定了上层基础。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究及现状

人类科学家对机器人的研究和探索真正开始的时候是在世界上生产出第一台双足行走机器人和某位科学家提出ZMP稳定性理论之后，相关的研究理论 也在不断的推陈出新。于此同时，社会上把机器人的主要类型分为主动控制和被动控制两种。前者更加注重怎样能够把我们人类的生活习惯模仿的更加形象，在这里，大多用一些能力比较强大的驱动器来提高机器人的各方面性能，在医院和服务行业都有所涉及。而被动控制的机器人更加注重于怎样才能提高资源、能源的利用率，这就需要把机器人的整体结构设计的更加精妙，才能让它实现人类一样的行走方式，科学家们对他们的研究还没有彻底弄清，大多都处于实验层面，但是随着地球资源的不断减少，被动控制还是有很好的研究意义。除此之外，也有一些科学家试图集两种驱动方式的长处于一身，提出并且探究欠驱动类型的机器人，这种类型的机器人从一个驱动都没有的被动控制的机器人慢慢增加其难度，也就是添加几个特定的驱动来带动机械关节，变成了半被动控制的机器人。

图 1.1 日本几种典型机器人

Fig.1.1 Several typical robots in Japan

另一方面就是主动控制的机器人，在这个领域，稻田大学、本田公司和索尼公司等都有突破性的进展，他们都研发出了主动控制的双足行走机器人。这些机器人模仿人类的活动更加形象生动，很多的此方面的数字对医学界都做出了杰出的贡献；还有的一些机器人能在粗糙不平坦的路面进行行走，甚至可以让机器人完成爬楼梯等一系列困难的活动，他们能对下一步的动作做预先的感知从而变化身体重心的高度和位置，更加顺利的完成任务；还有一些机器人可以完成跑步，跳跃等难以控制的动作通过对驱动的优化，以达到更好的平衡。

1.2.2 国内研究及现状

我们国家在二十世纪八十年代经国防科技大学研制出了第一台机器人，虽然这台机器人只有六个关节，而且只能做简单的平面运动，但已然成为我国机器行业的领路人。这台机器人身高1.5m ，体重为为3 0kg ，能够在各种复杂的路况中行走，并完成人类的步行动作，同时还具备一些简单的说话功能。至此以后，全国各大高校都纷纷对仿人形机器人做了深度的学习探究，在这些研究中，哈尔滨工业大学、清华大学、北京理工大学研究的机器人成效最为显著，尤其是北京理工大学的机器人，当时已经可以像人一样打一套太极拳，说明当时对机器人的控制水平已经达到了很高的境界。

1.3 双足行走机器人腿部结构

如今的机器人都属于运动型，按行走方式它大体可以分为两种，一种是靠轮子行走，一种是靠脚掌行走。而设计成脚掌形式的运动的机器人其灵感都是现实生活中的动物，所以它们也会被叫做仿生机器人，就如同我们经常看见的四只脚的机器人，六只脚的机器人就是模仿生活中的小狗蜘蛛等生物来设计的。在仿生机器人这个大类中，模仿人类的放人机器人无疑是最困难的一个，因为人类是进化程度最高的一种生物，所以控制起来要比其他类型的机器人不知困难了多少倍，这主要的原因是双脚在协调行走时，会循环单脚撑地，双脚撑地和双脚全部悬空几个状态，它们驱动的方法分别是全部约束，过度约束和欠约束几个形态。除此之外，双足行走机器人的脚部与地面的接触不是固定不变的，它是靠重力和脚与地面的摩擦一起受力，让机器人稳定在地面上。当腿在下落与地面接触的过程中也会受到地面的反作用力，所以它的脚部的设计和控制特别是传感器的应用要做的非常良好才能让机器人稳定运动。所以说，在设计双足行走机器人中，对腿部的设计和控制是全局的重中之重。

双足步行机器人腿部的设计是按照人类腿部结构来设计其自由度的多少的。在对其腿部进行设计的时候，要能让它像人类的大腿一样做各种运动，为了让控制的过程更加简单明了，我们可以在不影响正常行走的前提下把自由度弄的少一些。因为我们人类平时的活动除了行走还可以跳跃，而行走过程还包括转弯运动，所以有些科学家为了将机器人腿部的运动简单些，共设计了六个方向的自由度。到后来为了让机器人有更多的行走方式，添加到十二个方向的自由度。而当今世界各国研究最多的也是这种十二个自由度的机器人。随着社会的进步，现如今有些这方面的专家为了让机器人更接近人类原型一些会添加更多的自由度，例如在机器人腰部或是脚部在添加一个自由度让它更加灵活、适应能力更强的运动。

按照双足行走机器人自由度的数量对机器人各个关节处的转动副和驱动进行设计，这两者的前后是相辅相成的。很多机器人的学者在对机器人进行设计时都会在其关节处添加比较简单的转动副来让机器人进行一系列的操作，这样的好处就是驱动器的添加比较简单，我们机器人关节处常用的驱动器种类很多，包括伺服电机，进步电机，谐波减速电机等等，他们的突出的地方就是只能控制几种特定的驱动，所以控制匹配起来就没有那么复杂，所以很多的科学家在对机器人进行研究时都会着重考虑其控制环节。美中不足的是，我国现在的驱动器都比较大型，而机器人正往微型化发展，并不能很好的适应。为了让机器人腿部运动看起来更自然协调，也为了选用小型的驱动器来装配机器人，有些人会利用丝杠和人工肌肉来做驱动功能，这种方式的诞生更好的适应了机器人当前的发展前景，但是因为它的组成要比之前的困难的多，所以无疑会让它的制作和控制方面更加麻烦。