论文总字数：36320字

摘 要

机器人正在帮助人类从繁杂的劳动中解放出来，代替工人从事多种工作，目前机器人技术正处于一个快速发展的时期，各种工业、家用机器人被研发出来，虽然只有工业领域大范围使用机器人，但是机器人的重要性是毋庸置疑的，当前使用范围最广的机器人是各种固定位置工作的机械手臂，可移动式的机器人目前主要应用于救援、勘探和军事领域。

可移动式机器人目前主要使用的是轮式或者履带式驱动，还有步足式驱动，该课题就是针对步足式驱动的机器人提出的，步足式机器人具有较强的越障能力，能够适应较为复杂的地形，在军事、勘探、航空航天、运输等方面有着广泛的应用。

该课题中主要是对步足机器人的单腿结构和控制系统进行研究，作为步足机器人的基础结构，机械单腿的研究对于步足机器人的发展有比较重要的作用，通过对单腿的结构和控制系统的优化能够提高步足机器人的性能。

本文中的单腿系统使用了五连杆结构，系统有两个自由度，存在于髋关节和膝关节，是一个平面机构，采用了直流减速电机作为驱动，控制系统上仿照了伺服系统，采用PID控制，基本能够完成步态轨迹的功能，在跳跃和缓冲功能上略有不足。

关键词： 步足机器人；伺服系统；PID控制

Abstract

Robots are helping to liberate human beings from the multifarious labor and replace workers in many kinds of work. At the moment, robot technology is in a period of rapid development. All kinds of industrial and household robots have been developed. Although there is only a large scope of use of robots in the field of industry, the importance of robots is beyond doubt. The most widely used robots are mechanical arms of various fixed positions, and mobile robots are now mainly used in the rescue, exploration and military fields.

At present, the main use of mobile robots is wheel type or crawler type drive, and step foot drive. This topic is proposed for the step foot driven robot. The step robot has a strong ability to override, can adapt to more complex terrain, in military, exploration, aerospace, transportation and other aspects. It is widely used.

The research on the single leg structure and control system of the foot robot is the main task. As the foundation of the foot robot, the study of the single leg is of great importance to the development of the foot robot. By the optimization of the structure of the single leg and the optimization of the control system, the performance of the foot foot robot can be improved.

The single leg system in this paper uses five connecting rod structure, the system has two degrees of freedom, exists in the hip joint and the knee joint, is a planar mechanism, uses the DC deceleration motor as the drive, the control system simulates the servo system and uses the PID control, it can complete the function of the step state trajectory. There is a slight deficiency in the jump and the buffer work.

KEY WORDS: step-foot robots, server system, PID control

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 步足机器人研究难点 6

1.4 本课题主要研究内容 7

第二章 二自由度机械腿机构设计 8

2.1 机构分析 8

2.2 驱动方案 8

2.3 结构设计 9

2.3.1 主体方案论述 9

2.3.2 模型建立过程 10

2.3.3 辅助支架设计 14

2.3.4 最终模型效果 14

2.4 本章小结 15

第三章 机械腿数据建模及仿真 16

3.1 运动学计算 16

3.1.1 步态轨迹及解算 16

3.1.2 跳跃与落地缓冲 18

3.2 动力学分析 19

3.3 仿真结果及分析 19

3.4 本章小结 21

第四章 控制算法及电路设计 22

4.1 控制算法原理 22

4.1.1 控制流程 22

4.1.2 PID控制原理 23

4.1.3 PID仿真 23

4.2 PWM调速原理 25

4.3 电路设计 26

4.4 本章小结 26

第五章 实验分析及改进 28

5.1 PID参数调整 28

5.2 步态轨迹实验 29

5.3 跳跃与缓冲实验 31

5.3.1 跳跃 31

5.3.2 落地缓冲 31

5.4 改进 31

5.5 本章小结 32

第六章 总结与展望 33

致 谢 34

参考文献 35

附录 36

绪论

研究背景及意义

随着世界的快速发展，人类的工作环境日益复杂，单纯的使用人力工作效率和安全性往往得不到保障，因此机器人开始逐渐进入人类的生产活动中，尤其是各种高危行业，例如，消防救援、地下勘探、采矿都开始使用机器人代替工人以减小人员伤亡，同时还可以降低成本，甚至目前已经有军事机器人进入试验用以代替人类士兵进入战场，可以说机器人领域进入了快速发展的时期，各种工业、家用机器人层出不穷，虽然很大一部分并没有普及，但是不可否认机器人将在人们的生活中占据重要的位置。

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