（
综合设计两足步行机器人
臀部凸轮运动规律设计
远休止角定为90度； 在另一只脚往前行的同时，这条抬高的腿也相对在往后退，所以 对凸轮的回程采用等减速运动规律，即
回程角取为180度。
臀部凸轮从动件运动规律设计表
凸轮转角 从动件运动规律
凸轮运动方程
0到90度
正弦加速度运动 规律
凸轮末位置
90到180度
停顿
日本本田公司从1986 年从事仿人双足步行机器人的研究工作，至97 年 底已经推出了P 系列1, 2, 3 型仿人双足步行机器人。 P2的问世将双足步行 机器人的研究工作推向了高潮。其中P2和P3都使用了大量的传感器如陀螺 仪、重力传感器、力矩传感器和视觉传感器，基于这些传感器实现稳定的动 态行走。
综合设计两足步行机器人
设计分析及设计要求
一个两足步行机器人除了满足可向前行走的基本要求，还必须 具有一定的稳定性、方便性、安全性。针对这些性能要求，进行了 机器人高度、自由度、各关节活动范围、关节驱动方式的选择的讨 论和设计分析。
综合设计两足步行机器人
机构选型设计
为建立一个能手足联动的两足步行机器人，本小组采用先设计 腿部机构，再设计一个传动机构以驱动手臂的甩动动作的方法，将腿 部和手臂的机构分开设计。
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（
） 机构尺寸综合设计
（
凸轮尺寸设计
）
1.臀部凸轮设计
凸轮机构采用的是偏心距为0的对心从动件凸轮机构,主要利用了 凸轮的推程、远休止过程和回程三个过程。
推程采用正弦加速度运动规律，即
推程角定为90度，那么
由于大腿需要在抬高的同时小腿伸展过程中保持不动，所以腿 需要在空中停留数秒，故采用了大腿凸轮的的远休止过程，此时
三维建模过程
可以写出位移矩阵方程，结合运动约束方程
，最终得到2个含有
的设计方程，解出
E的第一坐标。
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平面连杆机构的尺寸设计
最终求得唯一解 杆长
按照最终求得的尺寸 画出的CAD图
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尺寸设计结果CAD图
综合设计两足步行机器人
三维建模过程
大腿建模过程 小腿建模过程
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机构设计选型
手臂机构设计方案
由于手臂的运动过程很简单，也不是我们的主要研究对象，因此我们 仅设计出一种合适的方案，用以配合腿部的机构进行仿真，因此手臂机构简
图如下：
图中AD杆即为机器人手臂，滑块B 的滑槽设置在机器人臀部，滑块B的移 动靠臀部处的大凸轮带动，从而使得点 E绕点A转动，即手臂绕点A转动，实现 了手臂和腿部运动的同时性，并且不会 出现同手同脚的情况，使得机器人的步 行更加逼真。
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方案二、采用凸轮机构
该图即为机器人单边腿部的机构 简图，分别用了2个凸轮机构，4个滑 块机构，9个活动构件，11个低副，2 个高副和2个虚约束。
机器人单边腿部的机构简图
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方案二、采用凸轮机构
凸轮转动中心、横向 滑杆和两个机架都固定 在臀部上，B处圆是与 凸轮相切的圆柱，用来 控制横向滑块的前进和 后退，A杆是大腿的简 图，一端插在B处的一 个滑块上，同时与C处 的铰链相接，用以固定 大腿和臀部的连接，另 一端连接小腿部分。
腿部机构设计方案
方案一、滑块联动机构 此方案的特点是小腿的伸缩转动是由大腿控制的，区别方案二的
是小腿大腿没有分开控制，由连动控制，另一特点是大腿的伸缩又是 由大腿的转动角度控制的，如下图：
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方案一、滑块联动机构
机器人大小腿联动控制
臀部和大腿连接部分
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方案一、滑块联动机构
主要设计思想：
双足步行机器人具有多关节、 多驱动器、多自由度的特点，其自 由度的设置、各关节的活动范围直 接影响机器人外在美观、行走方式 、 活动范围、建模方式、步态规划以 及控制方案等。
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机构初步设计思路
我们计划设计出模拟人体步行的机构,因为步行的复杂程度 直接控制了机构的难易程度,用纯机械的机构来实现较难的人体 行走过程,必然会有很大的误差,但我们一致追求机构的尽量精确 和逼真,研究自己行走时的各个过程,下图是我们得出的人行走时 的几个主要过程：
180到360度 等减速运动规律
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臀部凸轮轮廓曲线设计
又由于凸轮是逆时针转的，所以有：
得到
由于从动件为滚子从动件，分别代入 的方程，则可得到滚子中心
B（xB ，yB ）运动轨迹曲线，并取基圆半径
，滚子半径为1.5，
经计算，推程h取5.4 ，同时结合
，最终得到臀部
凸轮轮廓曲线。
综合设计两足步行机器人
综合设计两足步行机器人
设计方案的评价与选择
综合上述机构设计方案，本小组通过分析和评价体系对方案进行 了评价与选择。
腿部方案的 评价与选择
手臂方案的 评价与选择
理论分析
机器人机构设计 方案评价体系
根据评价结果选择了 方案二用以控制 腿部的运动
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设计方案的评价与选择
腿部方案的评价与选择
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膝关计方法，由于从动件为滚子从动件，分别代入 的方程，得到滚子中心B（ xB，YB ）运动轨迹曲线，并取基圆半径
为6.5，滚子半径1.5，h为4，计算出轮廓曲线上C的轨迹方程。
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平面连杆机构的尺寸设计
手臂平面连杆尺寸设计
机器人膝关节机构简图
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选型设计二、采用凸轮机构
方案二、凸轮机构 利用凸轮的运动规律，设计凸轮轮廓曲线来较准确的控制机
构的运动路线，此方案分别对大腿和小腿的不同运动特点采用不 同的凸轮轮廓曲线，使运动更形象逼真，而凸轮又靠电机来带动， 用这种方法来实现机器人的行走。以下几图为此方案的机构简图：
故小腿弯曲后凸轮应立即回程，回程角定为90度，故
，所以回
程采用等加速运动规律，即：
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膝关节凸轮轮廓曲线设计
当脚着地后，另一只脚开始往前走，所以这只脚就相对往后走，但 此时小腿相对大腿是不转动的，只有大腿往后移，所以此时小腿应该保 持原状，因此凸轮应该处于近休止状态，取近休止角为180度，此时：
F1
F2
F3
F4
F5 评价总分
方案一
5
2
2
5
5
19
方案二
10
10
5
2
10
37
综合理论分析和评分结果， 本小组选择了方案二用以控制腿部的运动。
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设计方案的评价与选择
手臂方案的评价与选择 如前面所说，由于手臂的运动过程很简单，也不是我们的
主要研究对象，因此我们仅设计出一种合适的方案，用以配合 腿部的机构进行仿真，此方案如前文所示。
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设计背景
国内，双足步行机器人的研制工作起步较晚，相继有几所高 校进行了这方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈尔滨工业 大学和国防科技大学最为典型。
国防科技大学“先行者”机器人 哈工大的“HIT”型两足步行机器人
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主要设计思想和研究意义
研究意义：
那么设计一个纯机构的两足步行机器人将在很 大程度上满足现代人类发展需求，一方面可实现基 础机械式多自由度稳步步行，另一方面降低能耗、 减小体积、延长使用寿命， 具有广泛而重要的意 义。
非常稳定 基本稳定 不稳定但不影响行走 不稳定完全不能行走
很逼真 比较逼真 不太逼真 完全看不懂
简单 不复杂 一般复杂
复杂
方便可调 一般可调 不可调
评价尺度
10 5 2 0
10 5 2 0
10 5 2 0
10 5 2 0
10 5 0
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设计方案的评价与选择
对以上方案打分如下：
方案
方案二的步行特点
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设计方案的评价与选择
对于腿部机构的设计，通过对方案一二的综合分析还考虑，建 立了综合评价指标如下：
评价项目 目标完成情况F1 行走稳定程度F2
逼真程度F3 复杂程度F4 机构可调性能F5
得分等级
完全实现功能要求 基本实现功能要求 部分实现功能要求 不能实现功能要求
两足步行机器人的手臂采用以臀部的凸轮带动滑块移动，滑块带动 平面连杆机构产生“手臂”的5联动的方法与两腿的动作协调。手臂的 平面连杆机构如下图所示。
根 据第二章设计要求与设计数据，成 年男性上臂长约为330mm，不妨设 AD=330mm。同时A点为机器人的肩部，建 立以如图为平面的XY坐标，那么设A(0,0)。 机器人的肩部A点与B点水平距离大约为机 器人的上身长，设为550mm。
方案一的设计思路即让小腿由大腿控制，产生连动的效果， 因此方案一充分运用连杆和滑块机构，将大腿的转动角度转化 为控制小腿的主要参数，角度越大小腿弯曲程度越大，即实现了 大腿和小腿的连动，并将小腿的主控参数巧妙的设置成了角度的 变化。其中的一大特点是利用了一个球形铰链，能够同时控制小 腿的前伸和后退。
机器人臀部机构
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方案二、采用凸轮机构
横杆G焊接在大腿 A杆上，用以固定凸 轮和虚线处的横向滑 杆，E杆为小腿简图， F处的铰链用以连接小 腿和大腿，使小腿能 绕大腿旋转，E杆一端 与滑块连接用以控制小 腿的转动角度，另一端 连接脚掌，如下图：
机器人膝关节的机构简图
综合设计两足步行机器人
综合设计两足步行机器人
，
， 平面连杆机构的尺寸设计
当机器人臀部凸轮转动时，B点的滑块左右滑动，根据上一节的计算结果， 滑动距离为5.4mm。