论文总字数：24025字

摘 要

第一，对双足机器人的研究现状展开探究，了解了国内外双足机器人的研究历史和现状，并进一步阐述了双足机器人的发展趋势和前景。

第二，在已有双足机器人结构的基础上，提出了双足机器人总体设计方案，包括舵机的选型、关节类型选择和自由度配置，以及所设计的双足机器人尺寸和比例的分析。

第三，简单介绍了本课题所要用到的3D打印技术，然后阐述了双足机器人结构的详细设计过程，包括髋关节、膝关节和踝关节等部位的零件设计意图。

第四，介绍舵机控制原理，并根据机器人的自由度配置情况，规划设计机器人步态，并在三维软件中演示机器人变形原理。

第五，进行机器人装配和调试工作，改进有设计缺陷的零件，总结机器人结构特点并提出改进展望。

最后，对机器人进行实验，实验结果验证了机器人自由度配置的合理性和结构的可靠性。

关键词：双足机器人；新型结构；人车变形转换；3D打印

The structural design and control of a biped robot

02009421 Chen qitao

Supervised by Dai Min

Abstract: As an important branch in robot research field, biped robots have an extensive application prospect in various aspects like industry and agriculture production, scientific exploration, military reconnaissance, life service and recreation. This article is focuses on the research process of the structure of a biped robot. The design is an improvement based on the robot model made of metal. Major contents of this article are as follows:

First of all, the history and research status of home and abroad are studied. The development tendency and prospect are stated.

Secondly, based on the existed biped robot structure, the total design scheme is put forward, which contains the selection of the type of servos and joints, as well as the analysis of the size and scale of the robot.

Thirdly, a simple introduction is brought up about the three dimension printing technology. Then a detailed design process of the robot structure is stated, including the design intention of hip, knee and ankle joint.

Fourthly, the domination principle of servos is introduced. Then according to the configuration of degree of freedom, gaits of robot are designed and the transformation principle is displayed in three dimension software.

Fifth, the work of assembling and debugging is done to modify the flawed parts. The characteristics of the robot structure are summarized and the suggestions to improve the structure are put forward.

Finally, the experiment of the robot is carried out. The result of the experiment verifies the rationality of the DOF configuration and the reliability of the structure.

Key words: biped robots; innovative structure; transformation between a car and a human form; 3D printing

双足行走机器人结构设计和控制实现

1、绪论

1.1 课题研究背景及意义

机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一，人类对于机器人的研究由来已久。上世纪70年代之后，计算机技术、控制技术、传感技术和人工智能技术迅速发展，机器人技术也随之进入高速发展阶段，成为综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域[^[1]]。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志[^[2]]。

双足步行是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。双足步行系统具有非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，既能在平地上行走，也能在非结构性的复杂地面上行走，对环境有很好的适应性。与其它足式机器人相比，双足机器人具有支撑面积小，支撑面的形状随时间变化较大，质心的相对位置高的特点，是最复杂，控制难度最大的动态系统。但由于双足机器人比其它足式机器人具有更高的灵活性，因此具有自身独特的优势，更适合在人类的生活或工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对这些环境进行大规模改造。

随着3D打印技术的发展，机器人外型的设计无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。使用3D打印技术可以使设计者有更多的时间专注于机器人结构的创新设计与优化，节约制造成本和制造时间。

本课题将设计一套完整的双足机器人结构，零件由3D打印机打印生成，并完成零件装配和调试工作。在完成结构设计的基础上，尝试控制机器人。

1.2 双足机器人概念及特点

由于现代环境是为人类自身设计的，当机器人具有人的形状并像人一样活动时，就不需要为机器人而改变人的环境。人类在社会文明中设计了适合自己使用的各式各样的工具。这些工具可被仿人机器人直接使用而不需要作任何修改。使用仿人机器人比为非人形机器人重新设计制作各种工具要经济些[^[3]]。作为机器人研究领域的一个重要分支，双足机器人由于其广阔的应用空间,一直是研究热点之一。所谓双足机器人，又称仿人机器人，是具有人形的机器人，是关节转动灵活，控制系统复杂，能完成高难度的动作的机器人。它是机械、自动控制技术、计算机技术、人工智能、微电子学、模式识别、通讯技术、传感器技术、仿生学等多学科和技术综合的结果。关于仿人机器人的设计和开发，要追朔到上世纪六十年代。被誉为“仿人机器人之父”的加藤一郎教授曾经讲过：“机器人作为一种类人的机器其具有的最大特点是能够行走。”与传统机器人相比，双足机器人具有显著的优势，比一般机器人有更大的机动性、灵活性，同时也具有更广泛的应用领域。双足机器人在工农业生产、科学探测、军事侦察、生活服务与娱乐等很多方面都有广泛的应用前景。首先双足机器人在拓展人类的认知范围上发挥着重要作用，在外层空间、深海等人类尚不能到达的环境都有双足机器人的身影；其次双足机器人已经广泛应用在恶劣、危险条件下或其它不适合人类活动的环境中。双足机器人的迅速发展和广泛应用，对人类社会的生活和生产产生了深远的影响。

与其他移动机器人相比，如轮式和履带式机器人相比，双足机器人有着突出的优点和无法比拟的优越性。其特性主要体现在以下方面：

(1)仿人机器人能适应各种地形，具有较强的越障能力，移动盲区很小。

(2)由于可具有独立能源装置，因此所设计的双足机器人能耗通常小于轮式和履带式机器人。

(3)双足行走时生物界难度最高的步行动作，而其步行性能是其他行走方式无法比拟的，因此设计双足机器人势必对其结构进行深入研究，在结构方面寻找突破。

1.3 双足机器人研究现状

1.3.1 国外双足机器人研究现状

双足机器人的研制始于本世纪60年代末，有40多年的历史。目前，国内外许多学者正从事于这一领域的研究。双足机器人如今已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。

1968年，美国的R.Smosher(通用电气公司)试制了一台叫Rig的操纵型双足步行机器人机械，拉开了仿人机器人研制的序幕。同年，日本早稻田大学加藤一郎教授首先开始了双足机器人的研制工作。他于1969年成功研制出WAP-1平面自由度步行机。该机器人有六个自由度，每条腿有髋、膝、踝三个关节。利用人造橡胶肌肉为关节，通过注气、排气引起肌肉收缩牵引关节转动而迈步。1971年，加藤一郎又研制出WAP-3型双足机器人，仍采用人造肌肉驱动，有11个自由度，能在平地、斜坡和阶梯上行走。同年，加藤实验室研制出WL-5型双足机器人。该机器人采用液压驱动。1973年，加藤等人在WL-5机器人的基础上配置机械手及人工视觉、听觉装置，组成自主式机器人WAROT-1。在1973年，早稻田大学理工学部建立了“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、WL10RD、WL12(R)、WL13、WL14系列机器人，以及1999年推出的认识BIAN系列机器人等[^[4]]。

1986年，本田公司开始实施仿人机器人研究开发计划[^[5]]，研究的关键是“智能性”和“机动性”。首先研制出E1-E6系列，这些机器人只有两条腿，其目的是对步行机器人进行基础性研究。1993年研制出机器人P1，增加了胳膊。1996年，又推出了仿人机器人P2，P2的外形相比P1更类似于人类，又在P1基础上增加了两只胳膊的活动能力[^[6]]。1997年，本田公司推出了P3仿人机器人，如图1.1所示。P3机器人与P2基本相似，只是在重量和高度上有所降低（由原来的210kg降为130kg，高度由1800mm降为1600mm）,且使用了新型材料镁。

图1.1 本田P3仿人机器人 图1.2 本田ASIMO仿人机器人

2000年11月20日，本田公司又推出了新型双足步行机器人ASIMO,如图1.2所示。与P3相比，实现了小型轻量化，提高了双足步行技术，更接近人类的步行方式。ASIMO高120cm，体重43kg，使用个人电脑或便携式控制器操作步行方式和关节的动作。双足步行方面，采用了新开发的技术I-WALK，其预测移动控制功能使机器人能够实时预测下一步运动，并按照预测移动重心[^[7]]。借助这一技术，ASIMO能改变行走速度，并通过平滑地调节步幅改变步行速度。

日本索尼公司于2000年推出小型娱乐仿人机器人SDR-3X（Sony Dream Robot-3X）,如图1.3所示。SDR-3X共有24个关节，通过2个64bit RISC微处理器实时控制，可实现挥手、转身、舞蹈仰卧、单腿直立、踢球等动作，还可识别20种声音。2002年，索尼又推出了仿人快速跑步机器人SDR-4X，如图1.4所示。它具有更为复杂的行走控制和更为丰富的通讯功能[^[8]]。SDR-4X的集成实时自适应运动控制系统使它能够在不规则的地形和斜坡上行走，及时受到外部压力也能保持行走姿态。

图1.3 索尼SDR-3X仿人机器人 图1.4 索尼SDR-4X仿人机器人

美国MIT人工智能实验室在1998年时设计并制造了仿人机器人COG，这款机器人被业内科学家称为是人类探索人工智能的一个优越科研平台，这种机器人利用滚轮式行走方式。美国俄亥俄大学美籍华人郑元芳教授等人于1990年提出用神经网络来实现双足机器人动态步行，并在SD-1双足机器人中得以实现。后来，又研发出双足步行机器人SD-2，被认为是美国第一台完全意义上类人型双足步行机器人[^[9]]。

法国的Poitiers大学力学实验室和国立信息与自动化研究所INRIA机构共同开发了一种具有15自由度的双足步行机器人BIP2000，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[^[10]]。

1.3.2 国内双足机器人研究现状

国内的双足机器人研制工作起步较晚。哈尔滨工业大学自1985年开始研制双足步行机器人，陆续完成了HIT-I、HIT-II、HIT-III的研制工作。其中HIT-III具有12个自由度，能实现静态和动态步行，完成前行、后行、侧行、转弯、上下台阶及斜坡等动作[^[11]]。

国防科技大学在1988-1995年间，先后研制了KDW-I、KDW-II和KDW-III机器人[^[12]]，其中，KWD-III能实现0.4m/s步调步行。2000年，国防科技大学有成功研制出“先行者”，高1.4m，重20kg，可实现前进、后退、转弯等动作。国防科技大学还将工业机器人的轨迹示教方法用到了双足机器人的步态规划中，形成了步行机器人的步态示教规划技术。

北京理工大学自2002-2009年间，先后研制了BHR-01、BHR-02和BHR-03仿人机器人，其中，BHR-01仿人机器人步行最高速度可达1km/h，BHR-01和BHR-02侧重于步态控制和运动规划方面的研究，而BHR-03侧重于手臂运动的研究，具有7个自由度，在数量和布局上均与人类的手臂相同，不仅提升了手臂的运动空间范围，而其增强了运动的灵活性，可以更好地模拟人类手臂的姿态和动作[^[13]]。

1.4 双足机器人发展趋势及应用前景

1.4.1 双足机器人发展趋势

仿人机器人与一般移动机器人相比有许多突出的优点和优越性，但由于受到机构学、材料科学、计算机技术、控制技术、微电子学、通讯技术、传感技术、人工智能、数学方法、仿生学等相关学科发展的制约，至今尚处于实验室研究阶段，双足步行的速度、稳定性及自适应能力仍不是十分理想。仿人的功能还应进一步拓展，尝试模仿人类的视觉、听觉、触觉、语言甚至情感等方面。研制方向主要包括以下几点[^[14]]：

（1）仿人机器人本体结构的改进；

（2）运动学和动力学求解理论和方法的发展；

（3）驱动源的改进；

（4）人体医学、生物学和仿生学的发展；

（5）传感器技术的发展；

（6）控制技术和集成技术的发展；

（7）智能技术和软件技术的发展；

（8）良好的人机接口设计；

（9）网络机器人技术和虚拟机器人技术；

（10）良好的群体协作及与人类协作。

概括起来，双足机器人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记载化；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 双足机器人应用前景

随着时代的发展，科技的进步，机器人的应用范围会越来越广，在很多领域和场合代替人力工作，为人类服务[^[15]]。

（1）家务型机器人：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

（6）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。

（7）适应控制型机器人：能适应环境的变化，控制其自身的行动。

（8）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。

（9）智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。

1.5 本课题的主要研究内容

本课题将围绕双足步行机器人结构设计与控制实现展开研究，目前传统双足多自由度机器人的结构大都采用金属支架，例如本课题组已有一款双足行走机器人模型见图1.5，实物如图1.6所示。由于金属加工的局限性，以及结构设计本身的一些缺陷，其在行走中十分不稳定，结构也不够紧凑，课题的任务是在此金属机器人模型的基础上进行改进设计。

图1.5 第一代双足机器人模型 图1.6 第一代双足机器人实物（材料：不锈钢）

本课题重在结构突破和创新设计，旨在对原有结构进行改进，设计出一款可靠性更高的机器人结构。吸取了上一款机器人难以带动的教训，改进着重从材料入手。受网站上一款日本一家公司研制并已投放市场的机器人产品Brave的启发（如下图1.7所示），决定自主设计制作一款类似的机器人机构，该结构在人的辅助下能完成简单的变形和逆变形。任务主要包括：设计适合3D打印技术的机器人零件，并完成装配和电机调试工作。零件的加工通过3D打印机打印生成。

图1.7 Brave机器人模型

2、双足机器人总体设计

2.1 典型双足机器人结构分析

2.1.1 典型双足机器人关节类型选择及自由度配置分析

在设计双足机器人时，首先需要分析研究人类的关节组成部分及各自的作用，在深入了解人体结构的基础上，通过类比，并根据所要实现的机器人功能，合理选取机器人的关节类型及自由度配置方案。然而，与机器人运动通过电机提供动力不同的是，人类运动是依靠肌肉收缩实现的。通过骨骼和肌肉的协调，人体能完成多种复杂的运动。美籍华人郑元芳博士从仿生学的角度对双足机器人进行了研究，得出了关节扭矩最小条件下的双足步行机器人的自由度配置方案[^[16]]。他研究后认为髋部和踝部各设置2个自由度，可以使得机器人在不平坦的地面上站立，髋部再增加1个扭转自由度，就可以改变机器人步行方向；踝关节在增加1个回转自由度，可以使得脚板在不规则的表面上落地；膝关节上设置1个自由度，可以方便的上下台阶。因此，综合上述分析可知，一个双足机器人结构需要配置7个自由度，如图2.1所示。

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