双足机器人的设计与实现.pdf

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1、机器人现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）２０１４年第１２期双足机器人的设计与实现宫赤坤，菅坤杰，温新，张智斌（上海理工大学机械工程学院，上海２０００９３）摘要：参照人的运动形式设计双足机器人的结构，运用Ｄ-Ｈ坐标方法对其机构进行分析，并为其设计了具有周期循环性的运动模式。在ＭＡＴＬＡＢ软件中对双足机器人进行动力学计算，将双足机器人的三维实体模型导入到运动分析软件ＡＤＡＭＳ中，添加约束驱动等，并输入规划好的轨迹进行仿真，再将通过仿真得出的各关节扭矩与动力学分析结果进行比较，以验证动力学计算的正确性，在此

2、基础上实现了双足机器人物理样机的制作。关键词：双足机器人；Ｄ-Ｈ坐标；动力学；ＡＤＡＭＳ软件中图分类号：ＴＰ２４２文献标志码：Ａ文章编号：１６７１—３１３３（２０１４）１２—００４１—０６ThedesignandimplementationofbipedalrobotＧｏｎｇＣｈｉｋｕｎ，ＪｉａｎＫｕｎｊｉｅ，ＷｅｎＸｉｎ，ＺｈａｎｇＺｈｉｂｉｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３，Ｃｈｉｎａ）Abst

3、ract：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍｏｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｂｉｐｅｄｒｏｂｏｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｃａｒｅｆｕｌｌｙａｎｄｔｈｅＤ-Ｈｉｓｕｓｅｄｔｏａｎａ-ｌｙｚｅｔｈｅｒｏｂｏｔ’ｓｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｒｏｂｏｔｈａｓａｃｙｃｌｉｃａｌｍｏｖｅｍｅｎｔｐａｔｔｅｒｎ．ＴｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｉｎＭＡＴＬＡＢ，ａｎｄｔｈｅ３Ｄ-ｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｉｓｐｕｔｉｎｔｏＡＤＡＭＳｗｉｔｈｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｎｄｄｒｉｖｅｎ．Ｔｈｅｍｏｔｏｒｔｏｒｑｕｅｏｆｅａ

4、ｃｈｊｏｉｎｔａｆｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏ-ｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆｄｙｎａｍｉｃｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｏｎｔｈｉｓｂａｓｅ．Keywords：ｂｉｐｅｄａｌｒｏｂｏｔ；Ｄ-Ｈｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ；ｄｙｎａｍｉｃｓ；ＡＤＡＭＳ设置两个相互垂直的电动机），膝关节处１个自由度０引言（可实现机器人的屈膝动作，此处需设置一个电动［１］双足机器人具有仿人的外形和

5、步行方式，是机机），踝关节处２个自由度（可实现机器人脚板的上下［２］器人研究中的一个重要领域。双足机器人适合在和左右摆动动作，此处需设置两个相互垂直的电动人类的生活空间提供服务，具有广阔的应用前景，已机），双足机器人结构图如图１所示。该双足机器人［３-５］成为机器人学研究的一个热点。本文介绍了一种的结构尺寸如下：总高为７２０ｍｍ，脚板长为２５０ｍｍ，脚双足机器人的机械结构设计、行走动力学分析，以及板宽为２００ｍｍ，脚板厚为８ｍｍ，大腿长为３１５ｍｍ，小腿行走仿真与实现等内容。通过对机器人的动力学分长为３００ｍｍ，从髋关节到膝关节的距离为２２５

6、ｍｍ，从析求出每个关节电动机所需输出的扭矩，并在ＡＤＡＭＳ膝关节到踝关节的距离为２２５ｍｍ。［６-８］软件中验证扭矩计算的正确性。１机器人结构设计由于电动机的扭矩范围是一定的，其所能承受的负载有限，因此，为了减轻电动机的负载，需降低机器人的重量，即对机器人的材料提出要求：能够承受一定的载荷、本身质量较轻并且制作成本合理。经过考虑，选择铝材作为机器人的原材料。双足机器人的结构是以人的双腿为原型，采用双足对称式分布结构，每条腿有５个自由度，包括髋关节处２个自由度（可实现机器人大腿的上下抬起和左右摆动动作，此处需图１双足机器人结构图４１２０１４年第

7、１２期现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）在机器人双腿的外端，即图２所示的直流电动机｛i｝（i＝１，２，⋯，n，n为坐标系的个数）。该双足机器输出端，电动机减速器的外壳通过法兰１与内侧腿板人采用双足对称式分布结构，每条腿有５个自由度，本联接在一起，法兰１内装有轴承以支承减速器的输出文以机器人右腿为例，阐述坐标系的建立方法。采用轴。减速器的输出轴通过法兰２与外侧腿板固定在一后置法建立Ｄ-Ｈ坐标系，坐标系具体创建过程如下：起。当电动机转动时，两个腿板即内、外侧腿板之间将基坐标系即坐标系｛０｝固定在地面上；为

8、了方便规会产生相对转动。划机器人的运动，在机器人顶部的中心位置建立坐标由于电动机的尾端没有输出轴，因此尾端与内侧系｛１｝；对髋关节腿板间不需要联接，而内、外侧腿板间