西华大学 硕士学位论文
双足步行机器人本体设计 姓名：冯光鹏
申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程
指导教师：王强
20100501
西华大学硕士学位论文
摘 要
双足步行机器人是近年来机器人研究领域的热点，是智能机器人理论和技术的集 中体现，涉及到许多的学科。自上世纪９０年代开始相继诞生了许多明星机器人。
ＲｏｂｏＣｕｐ和ＦＩＲＡ两机构还组织了类人机器人比赛，这位机器人的研究提供了一个新的 途径和平台。为提高我校的机器人研究水平，拟开发一款机器人。 ’
研究任务是：做好双足步行机器人的基础性研究工作，构建起双足步行机器人总 体研究框架，为后续研究工作奠定基础。具体内容如下：
第一、综合分析国内外双足步行机器人研究现状及发展趋势，确定本论文的研究方 向和内容。
第二、对所研究的双足步行机器人进行机构分析，对机器人机构进行整体规划。选 取了电机并确定了自由度。
第三、运用运动学的知识对双足步行机器人建立了运动学方程模型。
第四、用动力学的知识对双足步行机器人建立了动力学方程模型。
第五、虚拟样机进行了介绍，并对机器人的简化模型进行了示例分析。
结论：本文对双足步行机器人的本体结构进行了研究，确定了机器人的自由度，
并对机器人进行了运动学建模、动力学建模，运用虚拟样机技术对机器人的结构简化模 型进行了分析示例，为以后的机器人实体的制作打下坚实的基础。
关键词：双足步行机器人；运动学模型；动力学模型；ＡＤＡＭＳ：虚拟样机
双足步行机器人本体设计
Ａｂｓ仃ａｃｔ
Ｂｉｐｅｄ ｗａｌｋｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ａ ｈｏｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，Ｉｔ ｉｓ ｔｈｅ ｅ饥ｖａｌｉｚｅｄ
ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ
ｒｏｂｏｔ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｔ ｃａｌｌ ｄｒｉｖｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｎｇ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄ ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ
ｍａｎｙｒｅｌａｔｅｄｓｕｂｊｅｃｔ ａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｆｒｏｍ １９９０ｓ，ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ
ｏｎ ｔｈｅ ｂｉｐｅｄ
ｗａｌｋｉｎｇ
ｒｏｂｏｔ ｈａｓｃｏｍｅ ｉｎｔｏ
ａｎｅｗｐｈａｓｅ，Ｒｏｂｏｔ ｓｔａｒｓ ｈａｓ ｃｏｍｅ ｏｕｔ．Ｎｏｗ ｔｈｅ
ｈｕｍａｎｏｉｄｒｏｂｏｒｔ
ｌｅａｇｕｒｅｓ“ＲｏｂｏＣｕｐ＂ａｎｄ“ＦＩＩ乙Ａ＂ｈａｖｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｏｒｇａｎｉｚｅｄ ｔｈｅ
ｈｕｍａｎｏｉｄＳＯＣＣｅｒ
ｒｏｂｏｔｇａｍｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ，ｗｈｉｃｈ
ｐｒｏｖｉｄｅａｎｅｗａｐｐｏｍｃｈ
ａｎｄｅｎｖｉｒｏｍｅｎｔ ｆｏｒ
ＵＳｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｈｕｍａｎｏｉｄｒｏｂｏ．ｔ．Ｔｏ
ｉｍｐｒｏｖｅ
ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆｏｕｒｓｃｈｏｏｌ’Ｓ ｒｏｂｏｔｉｃｓｒｅｓｅａｒｃｈ，ｉｎｔｅｎｄｅｄｔｏｄｅｖｅｌｏｐａｒｏｂｏｔ．
Ｍｙｔａｓｋ ｉｓｔｏ ｄｏ
ｔｈｅ
ｂａｓｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ ｏｎｔｈｅ
ｈｕｍａｎｏｉｄ ｓｏｃｃｅｒｒｏｂｏｒｔａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｔｕｄｙｆｒａｍｅ
ｉｎ ｏｒｄｅｒｔｏ
ｂｕｉｌｄｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ
ｔｈｅｆｕｔｕｒｅ
ｗｏｒｋ．Ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｃｌｕｄｅ：
Ｆｉｒｓｔｌｙ、Ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ
ｓｉｔｕａｔｉｏｎ
ａｎｄｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｔｒｅｎｄｏｆ ｔｈｅ
ｒｏｂｏｔｒｅｓｅａｒｃｈ
ａｌｌＯＶｅｒ
ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ．Ｉｎｄｅｎｔｉｆｉｅｄｔｈｅ
ｍｅａｎｉｎｇ ｏｆｓｔｕｄｙｉｎｇ
ｔｈｅｈｕｍａｎｉｏｄ
ｒｏｂｏｔ，ｃｏｎｆｉｒｍｔｈｅ
ｓｔｕｄｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ、Ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ ｔｈｅｂｉｐｅｄｗａｌｋｉｎｇ ｒｏｂｏｔ，ｂｕｉｌｄ ｕｐ ｔｈｅｗｈｏｌｅ
ｓ廿＇ｕｃｔｕｒｅｏｆ
ｂｉｐｅｄ ｗａｌｋｉｎｇ ｒｏｂｏｔ．Ｓｅｌｅｃｔｔｈｅ ｍｏｔｏｒ
ａｎｄｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ
ｄｅｇｒｅｅ ｏｆｆｒｅｅｄｏｍ．
Ｔｈｉｒｄｌｙ、Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ
ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ
ｅｑｕ撕ｏｎｏｆｂｉｐｅｄｗａｌｋｉｎｇ
ｒｏｂｏｔ．Ｆｏｕｒｔｈｌｙ、Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ
ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃ
ｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆｂｉｐｅｄｗａｌｋｉｎｇ
ｒｏｂｏｔ．Ｆｉｆｔｈｌｙ、Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ
ｍｏｄｅｌ
ｏｆ Ｂｉｐｅｄ ｗａｌｋｉｎｇ ｒｏｂｏｔ．．Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ：ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．，ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｔｈｅ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｂｉｐｅｄ ｗａｌｋｉｎｇｒｏｂｏｔ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ
ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅｏｆ ｆｒｅｅＡｏｍ ｒｏｂｏｔ，．Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ
ｅｑｕａｔｉｏｎ ａｎｄｄｙｎａｍｉｃ
ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆｂｉｐｅｄｗａｌｋｉｎｇ
ｒｏｂｏｔ，．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
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Ｂｉｐｅｄｗａｌｋｉｎｇ
ｒｏｂｏｔ．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅ
ｗｈｏｌｅｓｔｕｄｙ
ｆｒａｍｅｉｎ
ｏｒｄｅｒｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
ｆｏｒ ｔｈｅｆｕｔｕｒｅ
ｗｏｒｋ．Ｋｅｙ
Ｗｏｒｄｓ：Ｂｉｐｅｄ Ｗａｌｋｉｎｇ Ｒｏｂｏｔ；ⅪｎｅｍａｔｉｃＭｏｄｅｌ；Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｏｄａｌ；Ａｄａｍｓ；
Ｖｉｒｔｕａｌ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ
西华大学硕士学位论文
１
绪论
１．１机器人的定义
１９２０年，有一位名叫卡雷尔．卡佩克的作家，发表了《罗萨姆的万能机器人》科幻 剧本，卡佩克在剧本中把捷克语“ＲｏｂＴａ”写成了“ＲｏｂｏＴ＂（ＲｏｂｏＴ是奴隶的意思）。这 个剧本当时引起了人们的广泛关注，反应十分强烈。于是，“机器人＂这个名称，就 被人们牢牢地记住了，这就是“机器人’’一词的由来。
其次， “机器人”这个名字之所以能让人们接受和承认，更为主要的原因是因为
从梦想变成了现实一——后来真的研制出了机器人，并且具有生物人的某些本领。常
言道“人不可貌相”，尽管机器人初生代的形貌不像生物人，但是，它们可以像生物 人那样做，做些仿人的动作，能做一些和生物人一样的工作，甚至可以做一些生物人 难以做到的工作。例如工业机器人，它们具有多种本领，对人物不讲价钱、优质高 效、准确可靠，不知疲倦地进行工作。还有特殊用途的机器人，比如军用机器人，可 以邀游太空；可以潜入水下６０００米以下进行作业；可以不畏艰险的去执行排雷任务 等，再有家用机器人，可以为家庭服务做家务；娱乐机器人等。
在近十余年来，科学家相继研制出“类人机器人”，它们已经初步具有思维和语 言功能，机器人将向着“类人＂方向发展。
现在要回答什么是机器人ｎ１的问题了。由于机器人眵’３３涉及到生物人的一些概念，
同时又由于机器人技术的不断发展，因此，各国对机器人的定义至今尚不统一，现把 一些国家具有权威的说法摘录如下：
日本：１９６７年森政弘与和田周平共同提出： “机器人是一种具有移动性、个体 性、智能性、通用性、半机器人性、自动性、奴隶性等７个特征的柔性机器。＂
另一位日本专家加藤一郎提出机器人的３个条件：
（１）
具有脑、手、脚三要素的个体。（２）
具有非接触传感器和接触传感器。（３）
具有平衡觉和固有觉的传感器。显然，加藤一郎的定义，是指机器人具有类人性，是自主机器人，而非通用工业 机器人。
美国：美国机器人协会提出并被联合国国际标准化组织采纳的定义：“一种可编 程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机：或者是为了执行不同任务而具有 可改变和可编程动作的专门系统。＂
双足步行机器人本体设计
法国：１９９８年法国的埃斯皮奥对机器人下的定义： “机器人是指设计能根据传感 信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象。＂
中国：中国科学家对机器人的定义： “机器人是一种自动化的机器，所不同的是 这种机器具有一些与人或生物相似的智能力。如感知能力、规划能力、动作能力和协 同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。＂另外，还有更为简洁的定义： “机 器人是一种计算机编制程序的自动化操作机器”；或者“机器人是靠自身动力和控制 力来实现各种功能的一种机器＂等。
工业机器人是诞生最早、发展最快、应用最为广泛的一种机器人，对于这种机器 人，各国又有专门的定义。
１９８７年国际标准化组织的定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动 功能，能完成各种作业的可编程操作机。”
中国国家标准的定义： “工业机器人其操作机是自动控制的，可重复编程、多用 途、并可对３个以上的轴进行编程，它可以是固定式或移动式，在工业自动化应用中使 用。’’
机器人之所以能够完成各类作业，是因为它具有一个灵活的机械装置，即执行机 构，叫做操作机（或叫操作器）。操作机的定义是： “具有和人的手臂相似的动作功 能，可以在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。”“这个装置，通常由一系列 互相铰接或相对滑动的机构间所组成。它通常有几个自由度，用以抓取或移动物体（工 具或工件）。＂所以对于工业机器人可以这样理解：他有类似人的手臂、手腕和手功能 的电子机械装置；他可把某一件或工具按照空间位置和姿态随时变化的要求进行移 动，从而完成某一工业生产的作业。
虽然各国对于机器人定义的文字表述不尽相同，但其中心思想是一致的：
（１）
机器人是由生物人研制出的，为了满足人类需要的自动化机器，本身不具 备生物人那种“生命信息＂，其形貌不一定像生物人，特别是产业环境下所用的工业 机器人。（２）
机器人具有生物人（或某些动物）一些相似的功能，包括智能、技能和体 能，在某方面，机器人的能力可能超过人类。 、既然机器人是为人所制、为人所用，而且又是智能化很高的机器，于是具有一个 安全可靠的问题，换句话说，就是要保证机器人不应伤害人类。为此，１９５０年科幻作 家锕西莫夫在他的著作《我的机器人》中，提出了“机器人三原则＂，这是给机器人规 定的命理性纲领：
（１） 机器人不应伤害人类，而且不能忽视机器人伤害人类。
２
西华大学硕士学位论文
（２）
机器人应遵守人类的命令，与第（１）项违背的命令除外。（３） 机器人应能保护自己，与第（１）项相抵触者除外。
“机器人三原则＂一直是机器人科学家研究开发工作的准则。但是，随着机 器人技术的发展，特别是仿人形智能机器人的出现和完善，机器人自身自控能力 越来越强，有朝一日，机器人将可能不会听从人类的命令而失控，因此，科学家 认为“机器人三原则＂不够完善，于是又提出如下两条附加条件：
（１）
机器人应装上自杀装置，当机器人危害人类时，应能自动停止。这是 一条人防措施。（２）
机器人应装上阻止自己破坏自己的装置，以防止机器人擅自自杀。这 是一条自保措施。需要特别指出：机器人有着广泛的含义，他既包括仿生物人动作的自动化机 器，如大量使用的工业机器人、服务型机器人等，也包括各种动物动作的机器玩 偶，如机器狗、机器猫、机器鱼、机器蛇、机器昆虫等，还包括用于军事上的、
能代替人执行军事任务的现代化装置，他们称为军用机器人，有陆用、水用、空 用等，各式各样，种类繁多。
１．２双足步行机器人的优点
机器人是现代科学技术发展的必然产物，因为人们总是设法让机器人来代替 人的繁重工作，从而发明了各种各样的机器。机器的发展和其他事物一样，遵循 着由低级到高级的发展规律。机器发展的最高形式必然是机器人。从而机器人发 展的最高目标是制造出像人～样可以行走和作业的机器人，也就是拟人机器人。
因为它具有良好的环境适应性，并且这种优秀品质在高低不平的路面上以及具有 障碍物的空间里更加突出，所以与之相关的问题已经成为研究热点。
类人机器人的研制工作开始于２０世纪６０年代，短短几十年时间内，其研制 工作进展迅速。步行机器人的研制工作是其中一项重要内容。目前，机器人的移 动方式主要包括轮式、履带式、爬行失、蠕动式以及步行等方式。对轮式和履带 式移动机器人的研究主要集中在自主运动控制上，如避障路径规划等。这两种机 器人过分依赖于周围环境，应用范围受限。爬行和蠕动式机器人主要用于管道作 业，具有良好的静动态稳定性，但速度较低。常见的步行机器人有双足、四足、
和六足等情况。自然界事实、仿生学以及力学分析表明：在具有许多优点的步行 机器人中，双足步行机器人因其体积相对较小，对非结构性环境具有良好的适应 性，避障能力强，移动盲区很小等优良的移动品质，格外引人注目。首先，对于
３
双足步行机器人本体设计
支撑路面，双足步行机器人的要求很低，理论上只需要分散的、孤立的支撑点，
就可以通过机器人自行选择最佳的支撑点，获得最佳的移动性能。而轮式移动机 器人通常要求连续的、硬质的支撑路面，对于恶劣的支撑路面，他只能被动的适 应。其次，在存在障碍物的情况下，双足步行机器人能够跨越于自身腿长相当的 障碍物，甚至跳跃障碍，而轮式移动机器人仅能滚尺寸小于轮子半径的障碍物。
机器人力学计算表明，足式步行机器人的能耗通常低于轮式和履带式。
１．３双足机器人样机的研究现状
１．３．１ 国外样机研究现状
（１） 美国研究概况
第一代遥控机器手１９４８年诞生于美国的阿贡实验室，当时用来对放射材料进行远 距离操作，以保护原子能工作者免受放射线照射。子１９５４年美国ＧＣ．Ｄｅｖｏｌ发表“通用
重复型机器人”专利论文和１９５８年美国Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ发表“数字控制机器人”论文，
揭开了研制机器人的序幕。
１９９８年美国麻省理工学院人工智能试验室研制出了仿人机器人ＣＯＧＨｌ，它被作为探 索人和人工智能等领域的一个平台。该机器人采用轮子滚动行走方式运动。美国ｏｈｉｏ 大学的美籍华人郑元芳博士研制出的双足步行机器人：ＳＤ－Ｉ和ＳＤ一２，其中ＳＤ一２是美国 第一台真正类人的双足步行机器人∽１，郑元芳提出用神经网络来实现双足步行机器人 的动态步行，并在ＳＤ—ｌ上得以实现；Ｍｉｎｅｒｗ．在ＳＤ－２的基础上∞３，增加了膝关节，采用 控制策略包括简单递阶步态生成系统、Ｐｍ控制器、神经网络学习器，这种控制不需要 详细的机器人的运动学和动力学模型，因而具有一定的优越性。另外，ＧＡ．Ｐｒａｔｔ和 Ｊ．Ｅ．Ｐｒａｔｔ等人在研究双足步行机器人时提出了虚拟模型控制策略饽１。
（２） 日本研究概况
关于仿人步行机器人的研究日本走在了世界前列。有“机器人之父’’之称的加腾 一郎教授１９６８年率先展开了双足仿人机器人的研究工作，并先后研制出“认识卫＂系 列样机。早稻田大学理工学部１９７３年建立了“人格化机器人＂研究室，从１９７５年开 始，开发出不少仿人机器人系统，包括ｗＬ．ＳＤ、ＷＬＩＯＲＤ、ＷＬｌ２（Ｒ）、ＷＬｌ３、ＷＬｌ４系列机 器人以及１９９９年推出的认识ＢＩＡＮ系列机器人等ｎ¨¨。
本田公司于１９８６年开始实施仿人机器人研究开发计划ｎ２。埔１，本田公司的研究关键 是“智能性＂和“机动性’’，其宗旨是：“机器人与人和谐共存，互相合作，能够做人 类做不到的事情，开创机动性新领域，给人类社会产生附加值ｎ引。＂本田公司首先研 制出Ｅ１到Ｅ６系列，这些机器人只有两条腿，其主要目的是为了对步行机器人进行基础
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西华大学硕士学位论文
性研究。１９９３年本田研制成功仿人机器人Ｐｌ，增加了胳膊。此后，本ｆｆｌ公司于１９９６年 又推出了仿人步行机器人ＰＺ，ＰＺ的外形比Ｐ１更加类似于人类，增加了两只胳膊的活动 能力¨引。１９９７年１２月本田公司又推出了Ｐ３仿人步行机器人。“ＡＳＩＭ０”（见图１．１）
是在Ｐ３的基础上进一步发展和进化的¨制，外形尺寸使人更感亲切，可以在人们实际的 生活空间内进行作业，行走方式自然顺畅更加接近人类。
索尼公司㈣推出了小型娱乐型仿人步行机器人ＳＤＲ一３ｘ（ＳｏｎｙＤｒｅａｍＲｏｂｏｔ一３ｘ）， （见 图１．２）开发目标为娱乐用途。２００２年，索尼（见图１．３）又推出了仿人步仿人跑步机 器人快速跑步研究型机器人ＳＤＲ－４ｘ，它是一个比ＳＤＲ－３ｘ更高级的模型。它使用增强型 ＩＳＡ和传感器，通过实时集成运动自适应控制，机器人可以在不平坦的地面步行，并能 够抵抗一定的外力。它还设计防止摔倒机制，如果万一机器人摔倒，在机器人的手背 和机器人背部安装有软垫，减缓机器人倒在地上时的碰撞力，从而保护机器人器件不
受损伤，在机器人倒地后还能够自己站立起来。
“ ｋ。 ¨Ｉ：｜ｊ～
、‘＿－＿√∥
图１．１工业本田ＡＳＩＭｏ机器人
Ｆｉｇ １．１ ＨｏｎｄａＡＳＩＭＯ
图１．２索尼ＳＤＲ一３Ｘ机器人
静 磊 ＿澜嚣纛 基帮
Ｆｉｇ １．２ Ｓｏｎｙ ＳＤＲ一３Ｘ Ｆｉｇ １．３ Ｓｏｎｙ ＱＲＩＯ
日本经济产业省工业技术研究院在１９９８年启动了一项为期５年的国家应用科学与 技术计划“与人协调共存的仿人机器人系统”研究项目，开始了ＨＲＰ系列仿人机器人的 研发工作。最先研制的是ＨＲＰ－１仿入机器人，它主要用于工厂的维护工作以及家庭和办 公室的安全服务工作等方面。之后该项目组又推出了ＨＲＰ—ＺＰ、ＨＲＰ－２机器人。ＨＲＰ一２机 器人也是第一个具有和人类大小相似的仿人机器人，能够完全自主地躺到地面上并且 能够再站立起来。２００５年９月，川田工业、日本产业技术综合研究（ＡＩＳＴ）所及川崎重 工业联合试制出了仿人机器人“ＨＲＰ一３Ｐ＂．该机器人具备防尘防水构造，在ｌＯＯｍｍ／ｈ的
灌飞筹■
缈缓霪澎隧殄
罗笺嵫嘲嬲。％勰
双足步行机器人本体设计
大雨中也可工作，而且在摩擦系数为０．１、相当于易滑冰面的路面上，也能以最快 ０．４２ｍ／ｓ的速度行走。
（３） 韩国研究概况
韩国科学技术院于２００４年１２月开发出仿人机器人“ＨＵＢＯ”，其技术水平仅次于处 于世界领先地位的日本仿人机器人：Ｄａｊｉｎ系统有限公司的仿人机器人Ｌｕｃｙ：韩国先进科 学技术研究所的ｏｈ ｊｕｎ—ｈｏ教授研制了ＫＨＲ¨刚系列机器人：以及韩国在２００５年１０月研制 了聪明的仿人机器人，它可以像人类一样思考学习，通过不断“充电”学习变得更加 聪明。
（４） 比利时研究概况ｎ刚
比利时布鲁塞尔Ｖｒｉｊｅ大学的ＬｅｆｅｂｅｒＤ．教授等人研制成功双足步行机器人 Ｌｕｃｙ，其独特之处是在于研究者在机器人上使用了褶状气动人工肌肉，这种人工肌肉 的特点是它具有重量轻、功率大，并且本身固有柔顺性。
（５） 法国研究概况
法国的机器人项目是ＢＩＰ２０００计划心训，由法国的ｄｅＭｅｃａｎｉｑｕ．ｄｅｓｓｏｌｏｄｅｒｓ实验室 和ＩＮＤＩＡ机构共同开发的一个具有１５自由度的双足步行机器人，其目的是建立一整套 具有适应未知条件行走的双足机器人系统。
（６） 其它国家研究概况
除上述单位以外，还有许多单位对仿人机器人进行了深入研究，比如英国的 ｓｈａｄｏｗ项目，西澳大利亚大学ＴｈｏｍａｓＢｒａｍｕｌ教授的Ｊｏｈｎｎｙ Ｗａｌｋｅｒ与Ｊｉｍ Ｂｅａｍ，英国 帝国大学的ＦＬＩＰ与ＦＬＯＰ，瑞士Ｃｈａｌｍｏｒｓ大学的Ｅｌｖｉｓ与Ｅｌｖｉｒａ，新加坡大学电气与 电子工程学院高级机器人智能控制中心ＡＲＩＣＣ研制的仿人足球机器人等。
图１．４哈工大机器人ＨＩＴ—ＩＩＩ
Ｆｉｇ１．４
ＨＩＴ．一ＩＩＩ
６
图１．５先行者
Ｆｉｇ １．５ Ｆｏｒｔｈｇｏｅｒ两华人学硕士学位论文
１．３．２国内双足机器人的研究现状
（１） 主动仿人机器人
我国从上世纪８０年代中期才开始仿人机器人的研究，哈尔滨工业大学口妇从１９８５年 开始仿人机器人的研制工作，先后研制出仿人机器人ＨＩＴ－Ｉ、ＨＩＴ－ＩＩ和ＨＩＴ—ＩＩＩ（见图 １．４）。ＨＩＴ—Ｉ具有１２个自由度，可实现静态步行；ＨＩＴ－ＩＩ具有１２个自由度，髋关节 和腿部结构采用平行四边形结构：ＨＩＴ－ＩＩＩ具有１２自由度，基于神经网络逼近系统逆 动力学模型和ＲＢＦ（Ｒａｄｉａｌ Ｂａｓｉｓ）神经网络前馈控制的力矩补偿控制方法，实现了动态 的步行行走。国防科技大学于１９８８年到１９９５年期间，先后成功研制平面型６自由度机 器人ＫＤＷ—Ｉ，空间运动型机器人ＫＤＷ－ＩＩ和ＫＤＷ—ＩＩＩ。其中ＫＤＷ－ＩＩＩ具有１２个自由度，
可实现步幅４０ａｍ，步速４ｓ／步的平地行走和上下台阶等静态步行。２０００年底，国防科 技大学瞄１研制成功的“先行者’’（见图１．５）高１．４ｍ，重２０ｋｇ，可实现前进、后退、转 弯等动作。基于此，研究人员还建立了仿人机器人关节转角与零力矩点之间的函数关 系，构造了具有学习功能的自适应步态规划参数修正框架。２００３年，国防科技大学研 制成功了最新仿人机器Ｂｌａｃｋｍａｎｎ，具有３６个自由度，采用正交关节设计，逆动力学 基于几何模型与可变阻尼最ｄ＇－乘算法相结合来求解。北京理工大学从２００２年和２００５ 年先后完成了ＢＨＲ—０１和ＢＨＲ一０２仿人机器人，其中ＢＨＲ－０２高１．６ｍ，重６３ｋｇ，配置３２ 个自由度，可表演太极拳和刀术等复杂动作，考虑复杂环境的应用，提出了基于机器 人自身约束条件的行走调节步态控制算法。清华大学于２００２年４月研制出仿人机器人 ＴＨＢＩＰ—Ｉ，ＴＨＢＩＰ—Ｉ高１．８０ｍ，总重量１３０千克，几何尺寸及质量分布均参考我国成年人 相应参数进行设计，共配置３２个自由度。为了复现人体踝关节侧摆的非线性驱动力特 性，ＴＨＢＩＰ—Ｉ踝关节侧摆采用了“行星减速器＋四连杆传动＂的独特结构，实现了踝侧 摆和踝前摆两关节传动轴垂直正交，同时减少了运动干涉性，提高了传动性能。同 时，研究人员还建立了ＴＨＢＩＰ—Ｉ的有限性弹性力学模型，分析了支撑腿切换冲击和弹性 变形对步行性能的影响，针对机器人的行走误差，提出了自调整模糊控制算法。在考虑 驱动器动态特性、关节间隙和柔顺性的前提下，对关节轨迹跟踪进行了分散鲁棒控制 研究。ＴＨＢＩＰ—ＩＩ于２００５年３月研制成功，该机器人高０．７ｍ，重１８ ｋｇ，配置了２４个自 由度，可实现步幅１５ｃｍ，每步４ｓ的动态行走，其该进型号于２００９年５月完成，旨在研 究仿人机器人灵活多变动作的实现和在复杂的人类环境中应用。
此外，我国的上海交通大学、上海大学、西北工业大学、天津大学等单位也开展 了仿人机器人的理论和技术研究，并取得了～定成果。
（２） 被动仿人机器人
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双足步行机器人本体没计
国内对于被动仿人机器人的研究刚刚起步，清华大学精仪系于２００６年成功研制了 平面无脚半被动仿人机器人ＴＨＲ一１，’旨在研究大步幅动态步行和仿生控制策略，目前该 机器人已经实现了步幅０．１３ｍ（腿长的Ｏ．５６倍），每步０．６４ｓ的动态行走。在研的半 被动仿人机器人ＴＨＲ－ＩＩ，采用人工气动肌肉驱动，有望在仿生控制方面取得突破。北 京大学工学院智能控制实验室也于２００６年，成功研制了一款带有上身的被动仿人机器 人，其每条机械腿的髋关节安装电机，用来控制腿的摆动，踝和膝关节的弹性机构用 于稳定行走。此外，清华大学计算机系的毛勇、自动化系的苏学敏、航空航天学院的 柳宁、吉林大学的刘振泽等人都针对被动机器人的机理和环境适应性进行了理论和仿 真实验研究。
被动仿人机器人成为当前研究的热点最重要的原因是能量有效性和自然步态的生 成，但被动仿人机器人研究到目前为止还不到十年，其结构简单、步态单一和环境适 应性差的特点，使得被动仿人机器人无法实现复杂动作，也无法满足非结构人类生活 环境应用的基本要求，被动机器人要进入实用阶段还有很长的路要走。
１．４双足步行机器人的发展趋势及应用前景
１．４．１发展趋势：
概括起来，双足步行机器人的发展趋势包括如下十个方面：能动态稳定地高速步 行；能以自由步态全方位灵活行走；具有良好的地形适应性：具有极强的越障和避障 能力；具有很高的载重／自重比；可靠性高、工作寿命长：具有丰富的内感知和外感知 系统；控制系统和能源装置机械化；具有完全的自律能力；具有灵活的操作能力（安装 一个或多个机械手）。
１．４．２应用前景
毫无疑问机器人的用途会越来越广，他可以在许多领域代替人力工作。
家务型机器人：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。
操作型机器人：能自动控制可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或 运动，用于相关自动化系统中。’
程控型机器人：按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。
示教再现型机器人：通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程 序，机器人则自动重复进行作业。
数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，
机器人根据示教后的信息进行作业。
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两华人学硕士学位论文
感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的动作。
适应控制型机器人：能适应环境的变化，控制其自身的行动。
学习控制型机器人：能“体会＂工作的经验，具有一定的学习功能，并将所
“学＂的经验用于工作中。
智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。
我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和 特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器 人。而特种机器人则是除工业机器人之外的，用于非制造业并服务于人类的各种 先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器入、军用机器人、农业 机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系 的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国 际上的机器入学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机 器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。
空中机器人又叫无人机器，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动 最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。８０ 多年来，世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的，无论从技术水平 还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位。
１．５课题的来源及意义
１．５．１课题的来源
四川省自然基金重点科研项目：全自主机器人的研发：项目编号：ＳＣＤ０４０９ １．５．２全自主机器人的研究目的和意义
１９５４年戴沃尔设想了一种可控制的机械手，他首先突破了对机器人的传统观点，
提出机器人并不一定像人，但是必须能做一些人的工作。于是他根据这一想法设计制 作了世界上第一台机器人试验装置，并发表了《适用于重复作业的通用性工业机器人》
一文，并获得了专利。１９６０年，美国Ｕｎｉｍａｔｉｏｎ公司，根据Ｄｅｖｏｌ的技术专利研制出第 一台机器人样机，并定型生产Ｕｎｉｍａｔｅ（意为“万能自动＂）机器人。同时，美国“机 床与铸造公司’’（ＡＭＦ）设计制造了一种圆柱坐标形式的可编程机器人Ｖｅｒｓａｔｒａｎ（意为
“多才多艺多用途搬运机器人’’）。这是世界上最早的、最著名的、至今仍在应用中的 两种工业机器人。为促进机器人技术在我国的发展，全国各地尤其是部分高校举办了 各种类型的机器人大赛。中国机器人大赛是由中国自动化学会机器人竞赛工作委员会
９
双足步行机器人本体设计
一
和科技部高技术研究发展中心主办的一个全国性的竞赛。其中最引入注目的舞蹈机器 人项目，足球机器人项目就是为了促进双足步行机器人的发展而设立的。由于步行机 器人的实现目前还存在很多技术难题，前几届全国机器人大赛基本上是以轮式机器人 为主，步行机器人参赛才被列入议程不久。我们学校也参加了多次机器人比赛，并多次 获奖。但随着比赛竞争日益激烈，同时为了巩固我校在机器人领域的领先地位。由此可 见，双足步行机器人的发展还有很长的一段路要走。
基于上述原因，本课题拟进行双足步行机器人的基本设计与研究，研制具有高度 稳定性的双足步行机器人平台，为研究的后续工作和进一步的类人机器人研制奠定基 础。
１．６本文的主要研究内容
根据我们的现有条件，准备设计一个身高５０厘米左右，体重４千克左右的具有１４ 个自由度的双足步行机器人１
１．６．１机器人的机构（关节）的确定机、自由度的确定及电机的选择
机器人机体设计的关键之一是关节设计，设计这些关节时既要保证关节转动平 稳、可靠、又要兼顾结构灵巧、外形美观、又要研究关节的运动。
机器人可以具有许多不同类型的关节，有线性的，旋转的、滑动的或铰链型的。
大多使用线性的或旋转型关节。
由于技术条件的限制设计机构有髋、膝、踝这三个关节。
由于机构选择的机构有髋、膝、踝。从机器人步行步骤我们可以看出：机器人向 前迈步，髋关节的前向旋转自由度起作用，同时配合踝关节可实现支撑腿和上躯体的 移动；机器人要实现重心转移髋关节和踝关节的侧向旋转自由度是必不可少的；机器 人要达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节和踝关节上的扭转自由 度，考虑到设计难度，踝关节的扭转自由度，这对于机器人在平地、台阶和斜坡上行 走没有太大的影响，同时可以减轻设计难度，由于没有踝部的扭转自由度，则转弯需 要几步才可以完成。这样双足步行机器人腿部有十二个自由度，每条腿有六个自由 度，即踝关节有向前和侧向两个自由度，膝关节一个前向自由度，髋关节具有三个自 由度，包括前向、侧向、转向自由度。由于重点考虑机器人的腿部，手部不在考虑范 围之内，所以不给出手部自由度。
考虑到双足步行机器人不仅能够走直线，还能进行转弯，则颈部的一个扭转自由 度是必不可少的。同时考虑到安装在头部的摄像机能够具有更大的扫描范围增加一个 前后向的自由度，颈部采用两个自由度。所以机器人的自由度总共有１４个自由度１
１０
两华大学硕十学位论文
对常用的电机进行了分析，着重对步进电机和伺服电机进行了比较，最终选择了伺 服电机作为驱动源。
１．６．２双足步行机器人的运动学分析
主要对机器人的运动的姿态角度等进行分析．运用坐标变换和齐次坐标、局部坐标 等方法对机器人进行运动学分析１
１．６．３双足步行机器人动力学建模
多自由度机器机构的建模方法很多，机器人是主动的机械装置，研究和控制这个 系统首先建立它的动力学模型，即动力学方程。常见的分析机器人动力特性的方法有
牛顿…欧拉法和拉格朗同法．
１．６．４虚拟样机技术及仿真示例
本研究从机器人动力学参数设计角度出发，利用动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ建立了 一整套完整的设计过程的方法，在进行运动学仿真过程中，对机器人下蹲过程中大腿、
上躯体、小腿质心的角度、速度、加速度等进行了仿真分析，为以后的研发奠定了良好 的基础，对于快速、准确地开发机器人本体、提高机器人性能具有重要意义。
１．６．５结论
对本文的研究目的，方法以及所得出的结论做了一个精简的总结．
１．７小结
本章讲述了论文的研究目的和意义，对各国及各组织对机器人的定义进行了归纳总 结，并且列举了各种不同的机器人类型。对机器人各种移动方式进行了分析，并且归纳 了双足步行机器人的优点。对各国以及国内各高校在机器人领域所做的一些工作给与了 总结。对双足步行机器人的发展趋势予以概括，并讲述了双足机器人的应用前景。讲述 了本论文的主要研究内容。
双足步行机器人本体设计
２
本体设计
２．１ 引言
双足步行机器人具有多关节、多驱动器、多传感器、多自由度的特点，是一个实 施相关研究的理想平台，其基本结构的设计与自由度的配置直接影响机器人的外在美 观、行走方式（直行、侧行、转弯和上下楼梯等）、数学建模、步态规划以及控制方案 等，一个功能齐全的双足步行机器人必须有一个结构紧凑、设计合理的机械本体。因 此在进行深入研究之前，有必要先讨论机器人本体。
２．２ 自由度配置及本体结构
本文在参考相关资料的基础上，设计了一个取名ｓｔｒｏｌｌ的双足步行机器人模型，
如图２一ｌ所示。显著的结构特征就是采用多关节型结构。行走机构能实现平地前后行、
上下台阶、爬坡等功能。动力源采用舵机直接驱动，这样不但可以实现结构紧凑、传 动精度高以及增加关节所能达到的最大角度，而且驱动源全为电机，便于集中控制和 程序化控制。
图２．１机器人结构示意图
Ｆｉ９２．１ ＳｋｅｔｃｈｏｆＲｏｂｏｔ上图模仿人类下肢，踝关节有两个自由度，前向和侧向各一个模拟实现人体踝关 节的功能；膝关节只有一个前向自由度；髋关节要模拟人类髋关节行为理论上要求有
１２
ｌ臂｝咧
．Ｌ
０，≯；善
两华大学硕士学位论文
三个正交的自由度，但在机器人直线前进时只需要正交的前向和侧向自由度；头部考 虑到需要机器人对外界的环境要有图像和信息采集，安排了上下的自由度和左右的自 由度。人类的行走行为是靠肌肉的收缩并进而驱动各个关节协调运动来实现的，而机 器人行走靠电机驱动，所以电机的协调控制是一个需要独立考虑的问题。
双足步行机器人的一个主要问题就是双足动态步行的固有不稳定性。为了使其稳 定行走并能够灵活的仿人动作，机器人本体设计和行走步态规划都很重要。在进行机 器人本体设计时需要着重考虑的问题有：关节驱动力矩的限制，主要机构的刚度，摆 动机构的刚度，摆动腿着地时冲击载荷对机器人本体可能带来的损坏，杆件间连接，
机体重量，材料以及易于操作维修等等。
根据仿生学原理，肢体的设计长度要尽量与人的肢体长度比例【２３】相近，为了提高 行走稳定性，将机器人的两脚设计得较大。为了简化运动学和动力学计算，踝关节和 髋关节处采用双关节交叉结构，减弱了关节耦合程度及非线性，可以近似认为前向平 面与侧向平面内的运动是解耦的。
材料的选取要本着重量轻，高刚度的原则。机器人本体主体材料选用铝合金
（ＬＹｌ２），这种材料重量轻、硬度高，强度远远高于普通铝合金。据报道，日本相关研 究室曾以玻璃纤维增强塑料（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ简称ＦＲＰ）作为主体结构材料，
该材料拥有更为卓越的力学性能。
具体的自由度配置下文有详细描述。
２．２．１ 机器人关节类型的选择
机器人可以具有许多不同类型的关节，有线性的、旋转的、滑动的或球铰链型 的。球形关节方向灵活，但需控制的自由度多、难度大，所以在机器人机构中并不常 用。大多数机器人关节是线性的或旋转型关节。滑动关节主要是台架结构或者圆柱构 型等关节。结合双足步行机器人的拟人特点，我们只要选择旋转关节。
人类经过漫长的自然选择进化到现在这样一个结构可变的多变量复杂系统，其所 能够实现的动作可以认为是最完善的。人体机构结构简单，动作灵活。仔细研究人类 的动作，我们会发现，人体的每一个关节在功能上都可以近似的认为由三个关节复合 而成。这三个关节分别是：
（１）前向转动关节：关节轴线位于侧向平面内，可以是机器人在前面平面内运 动：
（２）
左右侧摆关节：关节轴线位于前向平面内，可以使机器人在侧向平面内运 动：１３
双足步行机器人本体设计
（３）
转弯关节：轴线为铅垂线，可以使机器人向左右做转弯运动。在实际的研 究中，往往根据研究需要，设计机器人的本体结构并配置相关自由度。三关节如下图所示：
傅孵簪葛
图２．２关节运动示意图 Ｆｉ９２．２ Ｊｏｉｎｔ Ｍｏｔｉｏｎ Ｓｋｅｔｃｈ
２．２．２ 自由度的配置
早期的双足步行机器人的自由度从两个到十个，近年来美日研究的拟人机器人达 到十六自由度到三十六自由度。但是，如何进行自由度的配置，相关研究很少。郑元 芳博士阐述过腿部配置哪些自由度以及可以实现哪些功能，但他是从实用角度来阐述 的。其实，无论理论分析还是实际的步行机构设计，通过观察我们会发现，一条腿或 手臂具有六个自由度就能比较容易地实现基本的动作。如果一条腿达到七个自由度的 话，逆运动学将没有唯一解，这意味着，双足步行机器人腿部可以有无穷多种方法在 期望的位置定位或者定姿。为了使控制器知道具体怎么做，必须有附加的程序是机器 人能够从无数的方法中只选择其中一种。这将是比较麻烦的，而且腿部没有必要配置６ 个以上的自由度。
该双足步行机器人设计的目的是要具有前进、后退、上下斜坡等功能。机器人的 整体结构与人的下肢相似。每条腿上配置有髋、膝、踝关节，并且在腰部垂直配置了 两个关节，用来实现转弯功能，髋、膝、踝关节对于稳定有效的步行是必要的。髋关 节用于摆动腿，实现迈步并使上躯体前倾或后仰，使之在步行过程中起到辅助平衡作 用。膝关节主要用来调节重心的高度，并用来改变摆动腿的着地高度，使之与地形相 适应，而踝关节用来和髋关节相配合实现支撑腿和上躯体的移动，而且还可以调整与
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两华大学硕十学位论文
地面的接触状态，因此在每条腿的髋部配置３个自由度，膝部配置１个自由度，踝关节 处配置２个自由度，头部配置２个自由度，形成一个１４自由度的机器人。
参看上述机器人模型，自由度配置简图如下：
图２．３自由度分配
Ｆｉｇ ２．３ ＤＯＦ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ
旋转关节
。燃节 口前摆关节
根据上述自由度配置，双足步行机器人的机械本体结构简图如下所示。
１５
双足步行机器人本体设诳
图２．４机器人本体结构简图
Ｆｉｇ ２．４ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｂｏｄｙ ｏｆ Ｒｏｂｏｔ
２．２．３结构设计
（１） 结构对称布置
一方面，步行运动中普遍存在对称性和简谐振动性，另一方面，对称特性和简谐 振动特性的应用，将使控制方法变得简单。Ｇｏｌｄｂｅｒｇ等人研究了步行运动中的对称 性，机身运动的对称性和腿机构的对称性之间存在的关系，在单足支撑相，对称性的 机身运动必需腿的驱动机能也是对称的；在双足支撑相，机身对称性运动则未必需要 腿驱动机能的对称性，除非有额外的条件约束。根据这一点，我们对结构设计的基本 思想是对称布置，简化结构。
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两华人学硕士学位论文
（２）
避免折叠腿现象所谓折叠腿现象，是指具有两个或三个自由度的关节，比如髋关节，其所有的转 动轴的中心线延长线应交于一点，其实际上是用多个单个的自由度约束来模拟球铰，
否则不同的自由度的旋转中心也不同，宏观上看就像腿被分成了几截一样。所以为了 防止自由度之间的耦合干涉，避免折叠腿现象，踝关节的两个自由度和髋关节的三个 自由度的旋转轴的中心线交于一点是很有必要的。以“ＢＩＰ２０００＂的踝关节为例，当两 个方向的自由度同时运动时，就可能出现耦合干涉现象。而“Ｐ３＂每一自由度的运动 分别采用不同的谐波减速器，发生耦合干涉的可能性就大大缩小了。
（３）
电机分布对类人机器人来讲，空问要求非常严格，既不希望机器人重量太大，也不希望整 个结构太臃肿，与人体比例相差太多。但同时由于拟人机器人结构复杂，零部件、元 器件众多，如何节省空间也是很重要的问题，不可能也不应该把大多数元器件都寄希 望于放入机器人躯干内部。因为躯干内部空间本身就有限，同时还必须在躯干内部留 出躯干与骨盆、头部和肩部的配合安装空间，另外，机器人的协调级计算机、陀螺、
加速度计等元器件也要占用一部分躯干内部空间，所以说下肢剩余空间最好能够放进 腿部十几个电机所附带的驱动器、位控卡及码盘。因为人体比例已经限制了躯干的尺 寸，如果增大整个机器人的尺寸又将带来重量增加，传动零部件尺寸增大等一系列连 锁反应，结果往往是绝对空间没有加大多少，机器人重量却增加不少，从而造成传动 部件易于损坏或者变形严重，加大了控制难度。同时，尽量将电机靠上布置，这样一 方面符合人体尺寸比例，另一方面也有利于减小腿部的旋转惯量，达到减小能量消耗
的目的。
（４）
外部设计外部设计的重要性首先和它的内部系统的保护有关，这和汽车、电脑屏蔽接触是 相似的，可以起到防护屏的作用以减少在执行过程中破坏它的内部系统的风险。同时 减轻重量也是拟人机器人设计的重要课题，也涉及四肢的结构设计。本田机器人的四 肢一直沿用类似虾、蟹等甲壳动物的“外骨骼”结构，结果重量达到了难以接受的地 步。“ＡＳＩＭＯ”改成类似哺乳动物（包括人类）的“内骨骼”结构，外装饰用塑料“皮 肤＂与骨架分离。结果得到了既轻又安全的机器人，而且机器人的亲和性也得到改 进。借鉴“ＡＳＩＭＯ＂设计的经验，采用高质塑料作为外装饰，外观设计要以适合模具制 造为前提，尽量美观。
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双足步行机器人本体设计
２．３机器人比例尺寸设计
著名的雕塑艺术大师罗丹曾说过： “自然中没有任何东西比人体更美＂。自然界 在亿万年的演化过程中孕育了各种各样的生物，每种生物都拥有神奇的特性与功能，
能够在复杂多变的环境中生存下来，因此通过研究、学习、模仿来复制和再造某些生 物特性和功能，将极大地提高人类对自然的适应和改造能力，产生巨大的社会经济效 益。依据仿生学原理，我们按照人体比列对机器人各部分的比例和尺寸进行了设计。
人由头、手臂、上体、腰、腿、足等部分组成，各个部分之间存在一定的尺寸关 系，不同种族的人这种比例关系稍有不同，但差别不大。人体的比例以头长为单位，
我国的人体通常为七个到七个半头长，古代画论中，曾有“立七、坐五、盘三半”的 说法。人体各部分比例大致为小腿：大腿：上身：头＝２：２：２．５：１．考虑到还有电机 等实际情况。
所设计的机器人身高为５００ｍｍ，脚高度４０ｒａｍ，小腿长９３ｒａｍ，大腿长１３３ｒａｍ，上身 １６７ｒａｍ，头６７ｒａｍ。
表２．１机器人各关’肖运动范围
Ｆｏｒｍ ２．１ Ｒａｎｇｅｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｂｏｔｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ
关：１ｉｊ『标号
对应关节 运动范围 关：｛了标号 对应关：｛ｉｊ『 运动范围
ｌ
左踝侧向关
一３０—鼍Ｏ ２ 左踝前向关 一３０—＿３０节 节
３ 左膝关：１了 一９伊一ｌＯ ４
左髋关节
一３０—８０５ 左髋侧向关 一３０—３０ ６ 左腿转弯关 一６０—喝０
节 节
７ 右腿转弯关 一６０—喝０ ８
右髋侧向关
一３衅一３０节 节
９ 右髋前向关 一３０—８０ １０ 右膝关节 一９ｍ一１０
节
１１ 右踝前向关 一３０．一３０ １２ 右踝侧向关 －３０－－３０
节 节
１３
颈部左右转
－９０——－９０ １４颈部上下转
－３０－－６０弯关节
动关节
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２．４驱动方式的选择
驱动器用于驱动机构本体各关节的运动功率，目前驱动方式主要有气动、液压和 伺服电机。驱动器在双足步行机器人中的作用就相当与人体的肌肉，如果把连杆及关
节想象为机器人的骨骼，那么驱动器就起到肌肉的作用，它通过移动或转动连杆来改
变机器人的构型。驱动器必须有足够的功率对负载加速或者减速。同时，驱动器本身 要精确、灵敏、轻便、经济、使用方便可靠且易于维护。目前已经有很多种驱动器心４１，常用的有以下几种：（１）电动机、舵机、伺服电机、
步进电机、直接驱动电机； （２）液压驱动器； （３）气压驱动器； （４）形状记忆合金 驱动器； （５）磁纸伸缩驱动器等。
液压驱动是由高精度的刚体和活塞一起完成的，活塞和刚体采用滑动配合，压力 油从液压缸的一端进入，把活塞推向液压缸的另一端，调节液压缸内部活塞两端的液 体压力和进入液压缸的油量即可控制活塞的运动。以前在大型的工业机器人系统中，
液压系统使用非常普遍，它具有驱动力矩大，功率重量比较高，工作平稳可靠，系统 响应速度快以及传动中的力、速度、方向易于实现自动控制等特点；但是也存在成本 高、重量大、工艺复杂以及可能发生泄漏甚至高温爆炸等缺点，同时因其固有的笨重 性，不宜用作双足步行机器人的驱动器。
气动具有成本低，控制简单的特点。气动装置在原理上和液压系统非常相似。他 以压缩空气为气源驱动气缸做旋转运动，并用人工或电磁阀进行控制。气动调节阀的 制造精度要求没有液压元件高，易于高速控制，无污染，但由于位置控制困难，只能 用于１／２自由度（受限的关节、被限定为几个可能的值）的开关类型关节，实现插入、
点位搬运等简单操作，并且其工作稳定性差，压缩空气需要排水，液压驱动与气压驱 动不能实现自带能源，更直接决定了其难于应用到双足步行机器人系统中。
步行机器人各个关节都是旋转副，在廉价的计算机问世之前，控制旋转运动的主 要困难是计算量大，所以当时认为采用直线驱动方式比较好。今天，电机驱动和控制的 费用已经大大降低，大功率晶体管已经广泛使用，只需要采用几个晶体管就可以驱动 一台大功率伺服电机。同样，微型计算机的价格也越来越便宜，计算机费用在机器人 总费用中所占的比例大大降低。甚至在每个关节或自由度中都采用一个微处理器。基 于上述分析可以看出，电机驱动具有成本低、精度高、易于控制、可靠且维修方便等 特点，是最常用的机器人驱动器。
直接驱动电动机，形状记忆合金等驱动器目前还处于研究和丌发阶段，在不远的 将来会变得非常有用。
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双足步行机器人本体设计
本双足步行机器人采用微型伺服马达做为机器人的关节驱动元件。微型伺服马达 本质上是一种可以定位的直流电机，当期接收到一个位置命令，就会运动到指定的位 置。微型伺服马达具有高力矩、高性能、控制简单、装配灵活、价格低等优点。
微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达、一组变速齿轮组、一个反馈可调电 位器及一块电子控制板。微型伺服马达是一个典型闭环反馈系统，通过输入占空比不 同的脉冲信号来控制微型伺服马达的输出臂位置。
２．５电机的类型和结构参数
（１）
微型伺服马达内部结构一个微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达：一组变速齿轮组；一个反馈可调 电位器；及一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减 速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈 大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。
小型直流马达
变速齿轮组
可调电位器
电子控制板 图２．５伺服电机内部结构
Ｆｉｇ ２．５ Ｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｅｉｖｏｍｏｔｏｒ
（２）
微行伺服马达的工作原理一个微型伺服马达是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图表示：
马｛叁
，Ｉ警遂：
齿轮组 ｊｕ巴侈ｊ电疆．
图２．６伺服电机Ｊ：作原理
Ｆｉｇ２．６ Ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｗｏｒｋｓ
２０
鑫
■
西华大学硕十学位论文
减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位黄检测，
该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控 制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置 与期望值相符，令纠正脉冲趋于为０，从而达到使伺服马达精确定位的目的。
如何控制伺服马达？
标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于 提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于４ｖ＿＿６Ｖ之间，该电源应尽 可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。甚至小伺服马达在重负载时 也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。
输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在
ｌｍｓ一２ｍｓ之间，而低电平时间应在５ｍｓ到２０ｍｓ之间，并不很严格，下表表示出一个典
型的２０ｍｓ周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关系：表２．２伺服电机控制
ＦｃＩｒｍ２．２ Ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌ
搦裙驽迂雅出鹭链登
在参照上表设计控制脉冲宽度时应注意以下的注意事项。
舣足步行机器人本体设计
（３）伺服马达的电源引线
图２．７伺服电机引线
Ｆｉｇ ２．７ Ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒｌｅａｄ
电源引线有三条，如图中所示。伺服马达三条线中红色的线是控制线，接到控制芯 片上。中间的是ＳＥＲＶＯ工作电源线，一般工作电源是５Ｖ。第三条是地线。
（４）伺服马达的运动速度
伺服马达的瞬时运动速度是由其内部的直流马达和变速齿轮组的配合决定的，在恒 定的电压驱动下，其数值唯一。但其平均运动速度可通过分段停顿的控制方式来改变，
例如，我们可把动作幅度为９００的转动细分为１２８个停顿点，通过控制每个停顿点的时
问长短来实现００卅００变化的平均速度。对于多数伺服马达来说，速度的单位由“度数
／秒”来决定。
（５）使用伺服马达的注意事项
除非你使用的是数码式的伺服马达，否则以上的伺服马达输出臂位置只是一个不准 确的大约数。普通的模拟微型伺服马达不是一个精确的定位器件，即使是使用同一品牌 型号的微型伺服马达产品，他们之间的差别也是非常大的，在同一脉冲驱动时，不同的 伺服马达存在±１００的偏差也是正常的。
正因上述的原因，不推荐使用小于ｌｍｓ及大于２ｍｓ的脉冲作为驱动信号，实际上，
伺服马达的最初设计表也只是在±４５０的范围。而且，超出此范围时，脉冲宽度转动角 度之间的线性关系也会变差。
要特别注意，绝不可加载让伺服马达输出位置超过＋９００的脉冲信号，否则会损坏 伺服马达的输出限位机构或齿轮组等机械部件。
由于伺服马达的输出位置角度与控制信号脉冲宽度没有明显统一的标准，而且其行 程的总量对于不同的厂家来说也有很大差别，所以控制软件必须具备有依据不同伺服马 达进行单独设置的功能。
两华大学硕士学位论文
Ｉ—上坠丛墼—一ｌ＋ｌ
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信号线
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图２．８伺服电机上作图
Ｆｉｇ２．８ Ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｗｏｒｋｐｌａｎ
２．６步进电机和伺服电机的比较
步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目 前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的 出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展 趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。
虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着 较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。
（１）
控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为３．６。、 １．８。，五相混合式步进电机步距角一 般为０．７２。、０．３６。。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一 种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为０．０９。；德国百格拉公司（ＢＥＲＧＥＲ
ＬＡＨＲ）
生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为１．８。、０．９。、０．７２。、
０．３６。、０．１８。、０．０９。、０．０７２。、０．０３６。，兼容了两相和五相混合式步进电机的 步距角。
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流 伺服电机为例，对于带标准２５００线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频
双足步行机器人本体设计
技术，其脉冲当量为３６０。／１００００＝０．０３６。。对于带１７位编码器的电机而言，驱动器 每接收２１７＝１３１０７２个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为３６０。／１３１０７２＝９．８９秒。是步 距角为１．８。的步进电机的脉冲当量的１／６５５。
（２）
低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有 关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决 定的低频振动现象对于机器的Ｊ下常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应 采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技 术等。
交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统 具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（ＦＦＴ），
可检测出机械的共振点，便于系统调整。
（３）
矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最 高工作转速一般在３００～６００ＲＰＭ。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般 为２０００ＲＰＭ或３０００ＲＰＭ）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
（４）
过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流 伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可 用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型 时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又 不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。
（５）
运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现 象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速 问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采 样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性 能更为可靠。
（６）
速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要２００，－－－４００毫秒。交 流伺服系统的加速性能较好，以松下ＭＳＭＡ ４００Ｗ交流伺服电机为例，从静止加速到其额 定转３０００ＲＰＭ仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。
西华大学硕士学位论文
综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。
２．７本章
在比较各种机器人机构的基础上，确定了双足步行机器人的自由度。根据人体结构，
确定了双足步行机器人的关节。在比较分析双足步行机器人的『Ｆ逆运动学的基础上，确 定了机器人的腿部自由度，以及各关节的自由度配置。对机器人的结构对称、电机分布、
外部结构进行了分析。并将机器人的设计身高以及各关节的运动范围予以确定。在比较 各种常用电机的基础上，选择了伺服电机作为驱动方式。并着重分析了步进电机和伺服 电机的特点。
双足步行机器人本体设计
３运动学数学建模
３．１
引言
在研究一个复杂的系统之前，首先建立数学模型。双足步行机器人作一个复杂的 机电系统具有多方面的特性。其中最主要的两个特性就是运动学瞳鄙和动力学特性，这 些特性直接决定了控制系统的设计等相关内容。双足步行机器人运动学建模的目的是 在给定各个关节运动的前提下，确定机器人各个部分的运动学关系；
双足机器人本体设计结构复杂，在步行过程中，开链的单脚支撑区与闭链的双脚 支撑期交替出现，而且，摆动腿着地时存在冲击，这些因素导致对其很难进行精确的 数学建模。为了实现稳定行走和进行有效地步行控制，有必要深入的研究数学模型。
３．２数学基础
。３．２．１ 位姿描述
刚体参考点的位置和刚体的姿态统称为刚体的位姿，描述方法非常多，比如：齐 次变换法汹１、矢量法、旋转法和四元数法等等。在空间中，要确定一个物体的几何状 态需要确定其３个位移坐标（或称位置自由度）和３个旋转坐标（或称姿态自由度）。
在机器人学术语中，将一个空间物体上述的６个自由度状态称为该物体的位姿。同理，
为了研究机器人的运动与操作，往往不仅要表示空间某个点的位置，而且需要表示物
体的方位（Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ），有的关节有３个自由度…横滚、俯仰和侧摆的概念。本文
采用齐次变换法，其优点在于它将运动、变换和映射与矩阵联系起来，可以方便的运 用矩阵理论解决相关问题。
在直角坐标系中通常用一个位置矢量表示一个点。在坐标系｛Ａ｝中用
一Ｐ。『只尸，只］１表示某一点Ｐ，￡，只，￡分别表示三个坐标分量：为了描述空间某刚
体Ｂ的方位。另设一对直角坐标系｛Ｂ｝与此刚体固接，用坐标系｛Ｂ）的三个单位主失量
％，匕，ｚ口相对坐标系｛Ａ｝的方向余弦组成的３×３矩阵：Ｒ—ｒ％・），口一％１来表示刚
体Ｂ相对于坐标系｛Ａ｝的方位。：Ｒ称为旋转矩阵。：尺有９个元素，６个约束方程，所以
只有３个元素是独立的。同时；Ｒ也是正交矩阵，满足；尺一－：尺ｒ，ｌ；Ｒｌ；１。
为了完全描述刚体Ｂ在空间的位姿，通常将物体Ｂ与某一坐标｛Ｂ）相固接，｛Ｂ）的坐 标原点一般选在物体Ｂ的特征点上，如质心或对称中心等。相对参考系｛Ａ｝，由位置矢
