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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈的兩足行走機(jī)構(gòu)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品通過(guò)對(duì)比開環(huán)與閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種新型的基于閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的兩足行走機(jī)構(gòu)。該行走機(jī)構(gòu)由平臺(tái)和兩條腿組成，兩條腿具有相同的閉環(huán)形式運(yùn)動(dòng)鏈，每一條腿有兩個(gè)自由度；通過(guò)控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)腳的抬起和落下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)協(xié)調(diào)兩腿的運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的站起、下蹲、俯仰以及行走、跑動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、跳躍運(yùn)動(dòng)。
- 詳細(xì)介紹：
- 機(jī)器人技術(shù)作為信息技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表和主要技術(shù)手段，已成為世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的技術(shù)。研制具有人類外觀特征，可以模擬人類行走與基本操作功能的類人型機(jī)器人，一直是人類的夢(mèng)想之一，而雙足步行機(jī)器人屬于模擬人類行走的機(jī)器人。步行機(jī)器人技術(shù)涉及仿生學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)及信息處理技術(shù)等綜合技術(shù)，無(wú)論是醫(yī)療康復(fù)的應(yīng)用研究，還是航天科技的探測(cè)器，甚至日常生活的玩具都能夠見到步行機(jī)器人的身影，步行機(jī)器人對(duì)人們生活的影響正日益增大，對(duì)步行機(jī)器人的研究也更加深入。雙足行走機(jī)器人具有仿人的外形和行走方式、廣泛的社會(huì)應(yīng)用前景和多學(xué)科的融合等特點(diǎn)，是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱門方向，世界各國(guó)學(xué)術(shù)界及工程界都在這方面進(jìn)行了深入的研究工作。 雙足行走機(jī)構(gòu)作為類人機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)部分，其研究意義主要有以下幾個(gè)方面：1) 希望研制出雙足行走機(jī)構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中行走，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動(dòng)領(lǐng)域；2) 希望更多得了解和掌握人類的步行特性，并利用這些特性更好地為人類服務(wù)，例如：人造假肢、醫(yī)療康復(fù)器械。另外雙足行走系統(tǒng)具有豐富的動(dòng)力學(xué)特性，在這方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)器人的研究方向。由此可以看出，對(duì)雙足行走機(jī)構(gòu)的研究具有重要的基礎(chǔ)性作用。 通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)及專利，目前雙足行走機(jī)構(gòu)的主要形式為開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式，其機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式均采用的是串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式。如圖1所示。 圖1基于開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的雙足行走機(jī)構(gòu) 此類型的雙足行走機(jī)構(gòu)，對(duì)于每一條腿而言由于采用是串聯(lián)驅(qū)動(dòng)的方式，這樣腿部的每一個(gè)關(guān)節(jié)連接部位都有一個(gè)相應(yīng)的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)，在這種情況下，所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重量對(duì)每條腿來(lái)說(shuō)都是很大的負(fù)載，這樣在機(jī)構(gòu)行走時(shí)，如此大的負(fù)載大大增加了腿部的運(yùn)功慣性，就在很大程度上降低了機(jī)構(gòu)行走的靈活性。另一方面，隨著步行機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，對(duì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)的速度、剛度、承載能力等特點(diǎn)有了更高的要求，這樣一來(lái)，基于開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的雙足行走機(jī)構(gòu)往往很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。再者，從控制的角度來(lái)看，給定行走機(jī)構(gòu)的步態(tài)軌跡就可以通過(guò)控制關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，而根據(jù)步態(tài)軌跡來(lái)計(jì)算各關(guān)節(jié)變量的過(guò)程就是求機(jī)構(gòu)位置反解的過(guò)程。這樣在步行機(jī)構(gòu)控制分析和步態(tài)規(guī)劃時(shí)就要對(duì)機(jī)構(gòu)的位置反解進(jìn)行求解，而基于開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式兩足行走機(jī)構(gòu)其位置正解較簡(jiǎn)單，但是其位置反解卻非常復(fù)雜繁瑣，這就對(duì)控制系統(tǒng)的研制提出了很高的要求。 綜上所述，針對(duì)基于開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的兩足行走機(jī)構(gòu)的不足和缺點(diǎn)，本作品通過(guò)對(duì)比開環(huán)與閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種新型的基于閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的兩足行走機(jī)構(gòu)，如圖2-4所示。該行走機(jī)構(gòu)由平臺(tái)和兩條腿組成，兩條腿具有相同的閉環(huán)形式運(yùn)動(dòng)鏈，每一條腿有兩個(gè)自由度；通過(guò)控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)腳的抬起和落下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)協(xié)調(diào)兩腿的運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的站起、下蹲、俯仰以及行走、跑動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、跳躍運(yùn)動(dòng)。 圖3 行走機(jī)構(gòu)的左視圖 圖4 行走機(jī)構(gòu)的主視圖 通過(guò)上圖可以看出，基于閉環(huán)運(yùn)動(dòng)形式的兩足行走機(jī)構(gòu)所采用的驅(qū)動(dòng)方式為并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，這樣就可以把機(jī)構(gòu)腿部的所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)全部置于平臺(tái)上，大大減少了腿部的運(yùn)動(dòng)慣性，提高了機(jī)構(gòu)行走的靈活性。另外閉環(huán)形式的運(yùn)動(dòng)鏈其位置反解非常簡(jiǎn)單，甚至可以得到其位置反解的解析表達(dá)，這就顯著地簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)的控制分析和步態(tài)規(guī)劃的手續(xù)，易于控制系統(tǒng)的構(gòu)建。 現(xiàn)結(jié)合圖5對(duì)行走機(jī)構(gòu)的具體實(shí)施過(guò)程簡(jiǎn)述： 本項(xiàng)目所提出的基于閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈的兩足行走機(jī)構(gòu)包括平臺(tái)(1)、電機(jī)一(2)、電機(jī)二(3)、轉(zhuǎn)動(dòng)副一(4) 、轉(zhuǎn)臺(tái)一(5)、轉(zhuǎn)臺(tái)二(18)、腿一(Ⅰ)和腿二(Ⅱ)；腿一(Ⅰ)和腿二(Ⅱ)具有相同的結(jié)構(gòu)，且為閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式，腿一(Ⅰ)由電機(jī)三(6)、主動(dòng)臂一(7)、輔助臂一(8)、鉸鏈一(9)、從動(dòng)臂一(10)、輔助臂二(11)、腳(12)、輔助臂三(13)、從動(dòng)臂二(14)、鉸鏈二(15)、主動(dòng)臂二(16)、電機(jī)四(17)組成。其中電機(jī)一(2)、電機(jī)二(3)分別控制腿二(Ⅱ)和腿一(Ⅰ)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)；對(duì)于腿一(Ⅰ)，通過(guò)控制電機(jī)三(6)、電機(jī)四(17)分別帶動(dòng)主動(dòng)臂一(7)、主動(dòng)臂二(16)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)腳(12)的抬起及落地運(yùn)動(dòng)，腿二(Ⅱ)的控制實(shí)現(xiàn)與腿一(Ⅰ)相似。通過(guò)協(xié)調(diào)控制腿一(Ⅰ)和腿二(Ⅱ)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)一(2)、電機(jī)二(3)，可實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)的下蹲、站起、行走、轉(zhuǎn)彎、跑動(dòng)和跳躍運(yùn)動(dòng)。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 相對(duì)于目前已有的雙足行走機(jī)構(gòu)，本項(xiàng)目提出的新型雙足行走機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新點(diǎn)主要在以下幾個(gè)方面： 1、構(gòu)型創(chuàng)新，基于閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的雙足行走機(jī)構(gòu)，具有剛度大、承載能力強(qiáng)、速度快、運(yùn)動(dòng)靈活、位置反解簡(jiǎn)單、易于控制等優(yōu)點(diǎn)； 2、在實(shí)現(xiàn)相同的運(yùn)動(dòng)功能的前提下，此類型雙足行走機(jī)構(gòu)所使用的電機(jī)比開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的行走機(jī)構(gòu)少，這一方面減少了機(jī)構(gòu)的本身負(fù)載，另一方面亦簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)。 技術(shù)關(guān)鍵 本項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵主要集中在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的搭建兩個(gè)方面；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：形成閉環(huán)形式的運(yùn)動(dòng)鏈，保持腳在離開和接觸地面時(shí)要與地面保持平行狀態(tài)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、尺度參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；控制方面：通過(guò)前期運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)及行走路徑規(guī)劃，選在合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)所預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。 主要技術(shù)指標(biāo) 1、可實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)形式：直行、轉(zhuǎn)彎、站起、下蹲、跑動(dòng)、跳躍； 2、機(jī)構(gòu)直行跨步能力：所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)300mm步幅以內(nèi)的直行。 3、機(jī)構(gòu)行走的穩(wěn)定能力：在機(jī)構(gòu)直行時(shí)，可始終實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的水平運(yùn)動(dòng)。 4、機(jī)構(gòu)負(fù)載能力：由于應(yīng)用和閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的雙腿，機(jī)構(gòu)具有較大的承載剛度，使得負(fù)載/自重比大大提高； 5、強(qiáng)健的控制系統(tǒng)，控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所期望的運(yùn)動(dòng)形式。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 基于閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的雙足行走機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)的開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的類人型雙足行走機(jī)構(gòu)相比，在機(jī)構(gòu)方面具有剛度大、精度高等特點(diǎn)；另外由于傳統(tǒng)形式的行走機(jī)構(gòu)在每一個(gè)關(guān)節(jié)處都要內(nèi)置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這就大大加大了機(jī)構(gòu)腿部的重量，在機(jī)構(gòu)行走時(shí)增大了腿部的運(yùn)動(dòng)慣性，影響了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的靈活性，而閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的雙足行走機(jī)構(gòu)可將所有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)全部置于平臺(tái)上，這樣此類型的行走機(jī)構(gòu)具有更加靈活的運(yùn)動(dòng)特性及動(dòng)態(tài)特性。 另外在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)方面，閉環(huán)形式的雙足行走機(jī)構(gòu)的控制完全可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的在線實(shí)時(shí)控制，且具有很高的控制精度。 再者，閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的行走機(jī)構(gòu)所使用的電機(jī)比開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的行走機(jī)構(gòu)少，這一方面減少了機(jī)構(gòu)的本身負(fù)載，另一方面亦簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)。換句話說(shuō)，使用同樣數(shù)目的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，前者要比后者可實(shí)現(xiàn)更多的運(yùn)動(dòng)形式。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 樣機(jī)制作，本體機(jī)構(gòu)已經(jīng)制作完成，正在控制系統(tǒng)調(diào)試。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓、技術(shù)合作
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 相對(duì)于目前傳統(tǒng)的雙足行走機(jī)構(gòu)，本項(xiàng)目所提出的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的雙足行走機(jī)構(gòu)，可將腿部的所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)置于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，大大減少了腿在行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)慣性、可有效提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的靈活性，該機(jī)構(gòu)不僅有很好的行走、轉(zhuǎn)彎能力，而且還能實(shí)現(xiàn)跑動(dòng)、跳躍運(yùn)動(dòng)，并且機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)靈活、易于控制，閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的腿結(jié)構(gòu)，具有承載力大、剛性好等特點(diǎn)，能以盡可能少的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)形式，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能廣泛應(yīng)用于不同場(chǎng)合的行走機(jī)構(gòu)。 具有非常廣闊的應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景。
同類課題研究水平概述
- 機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，仿人型機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究仿人型機(jī)器人需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。雙足步行機(jī)器人是仿人型機(jī)器人的一種。 研究雙足步行機(jī)器人的原因和目的，主要有以下幾個(gè)方面：希望研制出雙足步行機(jī)構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中行走，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動(dòng)領(lǐng)域；希望更多得了解和掌握人類得步行特性，并利用這些特性為人類服務(wù)，例如：人造假肢。雙足步行系統(tǒng)具有豐富的動(dòng)力學(xué)特性，在這方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)器人的研究方向；雙足步行機(jī)器人可以作為一種智能機(jī)器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用。 目前針對(duì)兩足行走機(jī)構(gòu)的研究相對(duì)于機(jī)構(gòu)本身而言，其控制策略的研究占據(jù)了很大的比例，從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度看，目前除了類人型雙足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)外，一直沒有其它的行走效果顯著的雙腿行走機(jī)構(gòu)問(wèn)世?，F(xiàn)有的技術(shù)中，類人型兩足行走機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、下蹲\站起、跑動(dòng)、跳躍等動(dòng)作，就需增加相應(yīng)的關(guān)節(jié)自由度，也就意味著使用更多的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這一方面增加了機(jī)構(gòu)腿部的負(fù)載，使得其運(yùn)動(dòng)慣性加大，降低了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的靈活性，另一方面，使得機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)及控制成本都大幅增加。因此，如何設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、滿足運(yùn)動(dòng)需要的行走機(jī)構(gòu)對(duì)于機(jī)構(gòu)研究人員來(lái)說(shuō)，是一項(xiàng)急需解決的工作。 在此背景中，項(xiàng)目提出的基于閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈形式的兩足行走機(jī)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)的兩足行走機(jī)構(gòu)必須類似人腿結(jié)構(gòu)的思維定勢(shì)，為新型行走機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提出了可行的解決方案。
