直立行走仿生机器人腿部设计.pdf

2 0 0 5年第 8期 煤 矿 机 械 1 5 文章 编 号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 5 0 8 ． 0 0 1 5 ． 0 2 直立行走仿生机器人腿部设计 付 大 鹏 ’ ．黄 胜 全 1 ． 东北 电力学 院 培训 中心 ，吉林 吉林 1 3 2 0 1 2 ；2 ． 东北 电力学院 能源与机械学院 ，吉林 吉林 1 3 2 0 1 2 摘要 以机械腿 达到 直立行 走 为分析 对 象， 描 绘 了整 个腿 部 的协调 运 动 。即 大腿 、 小腿 和脚 部 的运 动 以及膝 关 节和踝 关 节的屈伸 运 动 。建立机械 腿 的动 力 学数 学模 型 。为设 计机 器人 行 走 系 统 提 供 了 方 便 。 关键 词 机 械腿 ；立腿 相 ；游腿 相 中图号 T P 2 4 2 文 献标 识码 A 1 引 言 机 械人 学 是近 2 0多 a来 发 展 起 来 的 一 门新 的 学科 ， 它综 合应 用 了 机械 、 电 子 、 自动控 制 等 先 进技 术 以及 物理 、 生 物等 学科 的基础 知识 ， 以实现 机械化 和 自动化 的有 机结合 。 在今天的工业 生产上 ， 直 立行走 仿生 机械腿 越来 越受到人们的重视 ， 有 了可以移动 的机 械腿 ， 使 得仿生 机械人能够在一些特殊 的场合 、 危险环境中工作 。 2建 立数 学模 型 仿 生 步 行 机 械 腿 是 机 器 人 系统 的 重要 机 械 部 分 ， 作 为步 行 的工 具 ， 它 具 有 如下 特 点 执 行 机 构 是 用来 保证 复 杂空 间运 动 的 刚 体 ， 机 械腿 通 常 可 以 看 作是 由一 系列 的连 杆 和 相 应 的运 动 副 组 成 ， 实 现 复 杂 的运 动 ， 完成 规 划 的 动作 。把 机 械腿 的步 行 按 照 行 走 时的情 况 ， 将 其 分 为 立 腿 相 和游 腿 相 。并 给 出 相应 的运 动学 方程 。 机械 腿立 腿 相时 ， 脚 尖关 节成 为支 点 ， 游腿 相时 则 可 以看 作 同三维 的物 理摆 等价 。 2 ． 1运 动 学方 程推 导 假定下 列 一 些 参 数 连 杆 重 量 ， 质 量 ， 绕 重 心 的惯性 矩 ．， 。 ， 连杆 的长 度 Z ， 重 心位 ， Y 。 ， 由 回转 中 心 到 重 心 的距 离 距 连 杆 下 端 a ， 距 上 端 b ， 连 杆角 度 a ， 作 用 在 连 杆 上 的 力 。 利用 这 些 参数 ， 使用 拉 格 朗 日方 程式 一 1 一 一 推导 系统 的动 能 寺．， l 口 l ．， 2 口 2 寺．， 3 口 3 寺M I l Y l 寺M 2 Y 2 M3 3 Y ； 2 位能 UWl l C O S 2 lW 2 Z l C O S 2 l 2 C O S 2 2 W 3 Z 3 C O 2 l 1 2 C O S 2 2 3 C O 2 3 3 计算 拉 格朗 日函数 u代 入式 1 。 2． 2立腿 相 的运 动 学方程 [ ．厂 l Ml a ； M 2 M 3 z ； ] a l [ M 2 z l 1 2 C O S a一 口 2 M3 Z l 1 2 C OS 口 l 口 2 ] [ M3 Z I a 3 c OS 口 l 一口 3 ] x 3 一 Wl al W2 Z l W 3 Z 1 s i n 2 l 一 一 4 [ M2 a 2 I i C O 6 口 l 一口 2 M3 Z l 1 2 C OS 口 I 一口 2 ] 口 l ．， 2 M 2 a ； z ； 口 2 [ M3 z 2 a 3 c 0 6 口 2 一口 3 ] X 口 3 一 W 2 a 2W 3 Z 2 s i n 2 2 一 5 [ M3 Z l a 3 C OS 口一 口 3 ] 口 I p p [ M3 Z 2 a 3 C O S 口 2一 口 3 ] 2 ．， 3 M3 口 ； 口 3 一W 3 a 3 s in 2 3 f 3 6 立脚 相示 意 图如图 1 所 示 。 图 1 立 脚 相 不 葸 图 Fi g． 1 S t a nd i ng p o s t ur e o f l e g 2． 3游腿 相的 方程 [ ．， 3 M 3 b ； M 3 M 1 z ； ] 口 3 [ M 2 z 3 b 2 C OS 口 3 一 口 2 MI Z 3 1 2 c o s 2 3 一口 2 ] 口 2 ” [ Ml b 3 b I C O S 口 3 一口 1 ] 口 l W 3 b 3 W 2 b 3 W l Z 3 s i n 2 3 f 3 一 一 7 [ M2 Z 3 b 2 C O S 口 3 一口 2 MI Z 3 1 2 C OS 口 3 一口 2 ] 口 3 ． ， 2 M2 b Ml z 口 2 [ Ml z l b l C OS 口 2 一口 1 ] 口 l W2 b 2W1 b 2 s i n 2 2 一 8 [ Ml Z 3 b l C O S 口 3一口 1 ] 口 3 [ Ml Z 2 b l C O S 口 3一 口 2 ] 口 2 ． ， l Ml b 口 I p WI b l s i n 2 l A 9 游腿 相示 意 如 图 2所 示 。双 腿 步 行 时 ， 在 立 腿 相 的连杆 要 倒 下 之 前 ， 游 腿 相 的 下 肢 跨 出 着 地 ， 然 后 ， 两腿 交换 重复 同样 的动作 ， 完 成直 立行 走 。 图 2游 腿 相 示 意 图 Fi g． 2 W a nd e r i n g p o s t u r e o f l e g 维普资讯 1 6 煤 矿 机 械 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 5 0 8 ． 0 0 1 6 0 3 2 0 0 5年 第 8 期 面 向大批量定 制的采煤机异地 选型 系统 设计 * 李萍 。林 福 严 。 。刘 春 生 1 ． 中国矿业 大学 北京校 区 机 电与信息工程学院 ，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ． 黑龙 江科技学院 ，哈尔 滨 1 5 0 0 2 7 摘 要 在 介 绍 大批 量 定制 生产模 式 内涵 的基础 上 ， 在新 的市 场条件 下 ， 探 讨 我 国煤矿 机 械制 造 企 业成 功 实施 大批 量 定制 生 产的基 本 方法 。基 于 I n t e r n e t ， 设 计 出适 合 采煤 机 制 造企 业使 用 的异 地 选 型 系统 ， 满足客 户 对煤机 产 品 多样 化和 个性 化 的需 求。 关 键词 大批 量 定制 ；采煤机 ；产 品快速设 计 ；数据 库 中图 号 T P 1 4 文献 标识 码 A 1 系统 的设计 思 路 采煤机的实施与计算机技术和信息技术紧密相 连。只有将企业 的设计、 制造 、 销售等全部信息进行 集成 ， 形成 信息 管理 的统 一框 架 ， 为大批 量 定制设 计 提供 有 力 的支 持 ， 才 能真 正地 实现 大批 量定 制生 产 。 面 向大批 量定 制 的设计 ， 要求 产 品的 数 字化 模 型能 够 同时反 映一 族 产 品 的 共 同 特性 ， 通 过 变量 条 件 的选 择 形 成 不 同 的产 品 ， 并 提 供 产 品 的 “ 客 户 视 图” 和 “ 技术 视 图 ” 。客 户 视 图是 指 反 映 客 户需 求 的 产 品外 观和报 价 等 ， 技 术 视 图是 指 形 成 可加 工 的确 定 产 品或提 供 进一 步设 计所 需 的产 品实例 。 采 煤 机 异地 选 型系 统 就 是产 品的 客 户视 图 ， 是 支 持产 品变 形设 计 的数 据库 。设 计人 员通 过客 户对 所需 产 品 的特性 表 达 ， 经 过 数 字 化 模 型 对产 品 的变 型 进行 管理 ， 协 调产 品、 部件 、 零 件 的种类 ， 通过 快速 的产 品配 置 。 组 合成 标准 的产 品模 块 ， 实现 客户 要求 *黑龙 江省教育厅科学技术研究项 目 1 0 5 3 1 1 4 3 3结 语 机器人在现代工业 中起着举足轻重 的作用 ， 机 器 人技 术 的发 展 越 来 越智 能 化 、 灵 活化 。 本 文通 过 对机 器 人腿 部 的运 动 学 方 程 分 析 ， 给 出仿 生 机 械人 腿 部运 动 的数学 模 型 ， 对机 器人 的设 计 具 有普 遍 意 义 ， 对 机 械人 的精 密设计 制造 提供 了依 据 。 参 考 文 献 [ 1 ]三浦 宏文 ． 机 电一 体化 使用 手册 [ M] ． 北 京 科学 出版社 O H M 社 ． 2 0 0I ． 的技术 视 图 ， 最终 形成 满 足客户 个 性化 需求 的产 品。 2数 据库 的设 计 2． 1数据 库设 计 的重要 性 数 据库 是 MI S 管 理 信 息 系统 、 D S S 决 策支 持 系统 、 O A S 办公 自动化 系统 的基 础 和 重 要 组成 部 分。数 据库 实 际是指 一个 给定 的应 用 环境 ， 构 造 设 计 最 优 的产 品数据模 型 ， 然后 据此 建立 数 据库 及其 应 用 系统 。数据 库能 够有 效地 存储 各 种产 品 的有效 数 据 ， 以满足 不 同客 户 的应 用 需 求 。 数 据库 的性 能 将直接影响信 息系统 的质量和运行效果。因此 ， 设 计 一个 结构 优化 的数 据库 是对 数据 进行 有 效 管理 的 前 提 和生成 正确 信息 的保 证 。 2． 2数据 库设 计 的方 法和 步骤 由于数据库 的设计 方法不 同， 因此 ， 在数 据库设计 步骤的划分上存在差异。设计方法分为以下阶段 1 需求 分 析阶段 需求 分 析 阶段 的任 务 是通 过 详 细 的 调 查研 究 ， 充分 了解用 户 的组织 机构 、 业 务规 则 、数 据需 求 、 完 [ 2 ] 付伟忠 ． 示教机器人模型[ J ] ． 机器人技术与应用 ， 1 9 9 8 ． 2 2 3 2 4 ． [ 3 ]刘莉 ． 汪劲松 ． 陈恳 ． T H B I PI 拟人机 器人 研究进 展 [ J ] ．机器 人 ， 2 0 0 2 ， 3 1 71 9 ． 作者简介 付大鹏 1 9 6 0一 ， 吉林吉林 人 ． 教 授， 1 9 8 2年 毕业 于 北京工业学院机械专业 ． 现从事机 械工程 的教学和 研究工 作。在机 构学和机械动力学方面 发表多篇论 文 ． T e l 0 4 3 24 8 0 6 8 1 2 ， Em a i l f d p 4 8 0 6 5 1 4 m a il ． n e i e p ． e d u ． c a或 f d p 4 8 0 6 5 1 4 s i n a ． c o rn． 收稿 日期 2 0 0 5 0 4 1 1 Th e De s i g n o f Er e c t S t e p p e d Bi o I l i C Ro b o t FU Dape ng 。，HUANG S he ngqu a n 2 1 ．T h e C e n t e r o f T r a i n i n gi n N o r t h e a s t C h i n a I n s t i t u t e o fP o w e r E n g i n e e d n g ， J i l i n 1 3 2 0 1 2 ， C h i n a； 2 ． T h e D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c s a n d E l e c t r o n i c s i n No rt h e ast C h i n a Ins t i t u t e o f P o w e r E n g i n e e ri n g 。 J i l i n 1 3 2 0 1 2。 C h i n a Abs t r a c t Ta k i n g e r e c t s t e p p e d me c h a n i c a l l e g s f o r a n a l y t i c t a r g e t 。d e s c r i b e t h e wh o l e c oo r d i n a t i o n a b o u t t h e s p o r t po s i t i o n o f s h a n k wh e n wa l k i n g wi t h me c h a n i c a l l e g ．Na me l y t h e s po rts o f t h e t h i g h。s h a n k， f o o t a n d t h e c r o o k i n g s t r e t c h i n g s p o rt s o f k n e e and ank l e i o i n t ．T o a c h i e v e i t me c h an i c al d y n a mi c s ma t h e ma t i c s mo d e l o f l e g h a s b e e n s e t u p， w h i c h h a s b e e n de me n s t r a t e d v e r y u s e f u l for d e s i g n i n g r o bo t ． Ke y wo r d sme c h a n i c a l l e g s；s t a n di n g po s t ur e；wan d e r i n g p o s t u r e 维普资讯