一种双足搬运机器人的设计

双足技术设计1.引言本文档旨在介绍双足技术设计的细节和要点。

双足是一种仿真人类双腿行走的，具备稳定性、灵活性和智能性。

该文档将涵盖双足的硬件设计、动力系统、步态规划、感知与导航等关键方面的设计内容。

2.双足的硬件设计2.1 机械结构设计2.1.1 身体结构设计2.1.2 关节设计2.1.3 材料选择2.2 传感器选择与布置2.2.1 视觉传感器2.2.2 陀螺仪与加速度计2.2.3 压力传感器2.3 控制器设计2.3.1 控制器类型选择2.3.2 控制器布局与组织3.双足的动力系统3.1 动力源设计3.1.1 电源类型选择3.1.2 电源功率计算3.2 动力传输设计3.2.1 电机类型选择3.2.2 齿轮传动设计3.3 动力控制设计3.3.1 速度控制算法3.3.2 力矩控制算法4.双足的步态规划4.1 步态分析4.1.1 单支撑相与双支撑相4.1.2 步长与步频计算4.2 步态规划算法4.2.1 基于倒立摆模型的步态规划4.2.2 模仿学习算法的步态规划5.双足的感知与导航5.1 视觉感知5.1.1 目标检测与跟踪5.1.2 场景理解与地图5.2 位置定位与姿态估计5.2.1 GPS定位5.2.2 惯性测量单元（IMU）定位5.3 路径规划与控制5.3.1 基于地图的路径规划5.3.2 避障算法设计6.附件本文档涉及的附件包括技术图纸、控制算法代码、测试数据等。

附件的详细内容可在实际项目中进行补充。

7.法律名词及注释- 专利权：对新发明的技术、产品或方法享有的独有权利。

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双足机器人设计原理随着科技的不断发展，机器人技术也在不断地向前推进。

机器人已经成为了现代工业生产中不可或缺的一部分，同时在医疗、教育、服务等领域也得到了广泛应用。

而双足机器人作为机器人技术的重要分支之一，其设计原理也越来越受到人们的关注。

双足机器人是指拥有两只腿的机器人，它们的外形和人类的身体非常相似。

与其他机器人相比，双足机器人具有更高的灵活性和适应性，可以在不平坦的地面上行走、爬坡、跳跃等。

在实际应用中，双足机器人可以用于危险环境下的探索、灾难救援、残疾人辅助、军事作战等领域。

双足机器人的设计需要考虑多个方面的因素，包括机械设计、动力学、控制系统等。

首先，机械设计是双足机器人设计的基础。

机器人的各个部件需要经过精确的设计和制造，以确保机器人能够正常运行，同时还需要考虑机器人的重量、尺寸、稳定性等因素。

其次，动力学是双足机器人设计中非常重要的一环。

机器人的运动需要通过动力学模型来控制，包括步态规划、运动轨迹控制等。

最后，控制系统是双足机器人设计中的另一个关键因素。

控制系统需要对机器人的各个部件进行实时控制，以确保机器人能够完成各种任务。

在双足机器人的设计中，步态规划是一个非常关键的问题。

步态规划是指确定机器人在行走过程中的步幅、步频、步态等参数，以确保机器人能够平稳地行走。

在步态规划中，需要考虑机器人的动态特性、稳定性、能量消耗等因素，同时还需要考虑机器人在不同地形下的行走能力。

除了步态规划外，双足机器人的运动轨迹控制也是一个非常重要的问题。

运动轨迹控制是指通过控制机器人的关节角度和力矩，来实现机器人的运动轨迹。

在运动轨迹控制中，需要考虑机器人的动力学特性、摩擦力、阻力等因素，以确保机器人能够按照预定轨迹运动。

双足机器人的控制系统需要对机器人的各个部件进行实时控制，以确保机器人能够完成各种任务。

在控制系统中，需要采用先进的控制算法和传感器技术，以实现机器人的自主控制和反馈控制。

同时，还需要考虑机器人的安全性和可靠性，确保机器人在各种情况下都能够安全运行。

《基于STC12C5A的双足机器人设计》方案论证从控制器模块、舵机模块、电源模块、传感器模块和避障模块5个方面进行系统论证。

2.1 控制器模块的论证和选择方案1：采用STC89C51作为系统控制器。

它的技术成熟，成本低。

STC89C51为八位单片机，数据转换速度慢，且实时性不好，难以实时实现复杂的控制算法，不利于高精度的控制。

方案2：采用Freescale最新一系列32为单片机，MKL26Z256VLL4具有丰富的外设资源和优异的处理性能。

它由标准片上外围设备组成，Cortex-M0+内核，256KB的Flash存储器、32KB的RAM、两个异步串行通信接口、两个串行外围接口，DMA模块，TPM、LPTM定时器模块，一组6通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组8通道10路模数转换器、6通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、29路独立的数字I/O接口、20路带中断和唤醒功能的数字I/O接口、5个增强型CAN总线接口，单片机内的锁相环电路可使性能和能耗适应具体操作的需要。

方案3：STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒），针对电机控制，强干扰场合，此芯片便于运用，功能能够满足双足机器人功能的实现，且其相较于MKL26Z256VLL4成本较低。

综上，该系统需要独立的脉宽调制模块，出于对系统高效、节能等方面的考虑选择方案3。

2.2 舵机论证与选择方案1：采用DS3115舵机，扭矩15kg/cm，工作电压4.8V-7.2V，重量较轻。

方案2：采用SG90舵机，扭矩较小，但重量仅为9g，利于机器人的行走灵敏。

综上，考虑到机器人整体的重量，扭矩过小无法承受将近1kg的机器人，所以选择有较大扭矩的DS3115舵机更为可行，选择方案1。

双足仿生机器人设计与制作——机械结构设计摘要随着时代的发展，人们的生活节奏越来越快，对工作的效率更是越来越重视，而且如今的科技也在飞速发展中，所以机器人在未来人类生活中发挥着重要的作用，是我们的好帮手，它可以改善我们生活的质量，提高我们的工作效率，从而推动生产力的提高和整个社会的进步。

目前，国内外对仿生机器人的研究重视程度很高，而在仿生机器人研究领域中，双足仿生机器人是一个重要的研究课题，而且我认为它的研究价值要比轮式机器人或其他足式机器人的高。

本设计为结构简单、成本低廉、可操作性高的小型双足仿生机器人，通过仿人的腿部关节和预先设定的目标来进行自由度的分配，根据设计任务来选择驱动元件，进而通过SOLIDWORKS软件进行机械结构的三维造型设计，并且对机器人的关键零件进行有限元分析。

并且根据D-H参数法来建立运动学方程，从而进行正运动学分析。

最后设计出一个可以实现前进后退、左移右移、踏步、鞠躬、超声波避障等功能的小型双足仿生机器人。

关键词：小型双足仿生机器人；机械结构；三维造型；运动学分析；有限元分析Design and manufacture of biped bionic robot -- mechanical structuredesignAbstractAlong with the development of The Times, the pace of life of people more and more fast, working efficiency is more and more attention, and now also in the rapid development of science and technology, so the robot in the future play an important role in human life, is our good helper, it can improve the quality of our life, improve our work efficiency, so as to promote the improvement of productivity and the progress of the society as a whole. At present, the research of bionic robot is highly valued at home and abroad. In the field of bionic robot research, bipedal bionic robot is an important research topic, and I think its research value is higher than that of wheeled robot or other foot robot.This design is a small bipedal bionic robot with simple structure, low cost and high maneuverability. It distributes the degree of freedom by imitating the human leg joints and preset goals, selects the driving elements according to the design task, and then carries out the three-dimensional modeling design of the mechanical structure through SOLIDWORKS software, and carries out the finite element analysis of the key parts of the robot. And according to the D-H parameter method to establish kinematics equations, so as to carry out positive kinematics analysis. Finally, a small bipedal bionic robot is designed, which canrealize forward and backward, left and right, step, bow, ultrasonic obstacle avoidance and other functions.Keywords: Small bionic biped robot; mechanical structure; 3D modeling; kinematics analysis;finite element analysis目录1 绪论 (1)1.1双足仿生机器人的研究意义与目的 (1)1.2国内外对双足仿生机器人研究的现状 (1)2 双足仿生机器人总体方案设计与动力选择 (4)2.1双足仿生机器人的工作原理 (4)2.2结构设计 (4)2.2.1设计目标 (4)2.2.2自由度的分配和计算 (5)2.2.3设计方案分析 (7)2.2.4设计方案的选取 (8)2.3动力源 (8)2.3.1电动机的选择 (9)2.3.2舵机原理 (11)2.3.3舵机选型 (11)2.4总体设计 (12)3 机械结构设计 (12)3.1机器人结构 (12)3.2机器人零件图 (13)3.3机器人装配图 (17)4三维造型设计 (17)4．1关键零件设计与说明 (17)4.1.1机器人的腿部设计 (17)4.1.2机器人的上身设计 (21)4.1.3机器人的手臂设计 (24)4.2机器人的整体三维造型 (25)5运动学分析 (26)5.1正运动学分析 (26)5.1.1 建立机器人的运动学方程 (26)6有限元分析 (29)6.1有限元分析的意义 (29)6.2有限元分析的过程 (29)6.3分析结果 (32)7总结 (33)参考文献 (34)谢辞 ......................................................................................................................... 错误!未定义书签。

基于STM32F407的双足机器人双足机器人是仿生型机器人的一种，与人类步态较为接近，因此在人机交互、服务机器人、医疗等领域有广泛应用。

本文介绍了基于STM32F407的双足机器人设计。

一、硬件设计1. 硬件原理图整个系统由主控板、电机驱动板、按键板、电量显示板、调试串口板、电源板等组成，如下图所示。

2. 材料清单双足机器人的材料清单主要包括：• 主控芯片：STM32F407• 电机驱动芯片：L298N• 步进电机：NEMA 17• 电源：12V、5A• 机壳：3D打印1. 系统框架整个系统采用嵌入式操作系统RTOS实现，用户可以通过触摸屏或按键操作控制双足机器人的移动、转向等动作。

2. 程序流程程序流程图如下图所示。

3. 关键算法（1）PID控制算法采用PID控制算法控制步进电机的转速，保证双足机器人移动的稳定性和平滑性。

（2）三关节反向解算算法该算法用于计算双足机器人每个关节的角度，使之达到期望角度，从而实现机器人的运动。

（3）Kinect传感器数据处理算法通过Kinect传感器获取地面深度数据，根据机器人的移动数据、机构参数、重心位置等计算机器人的倾角、速度等数据，从而实现双足机器人的平衡控制。

三、实验结果经实验，基于STM32F407的双足机器人控制系统工作稳定，运动平滑，靠墙时能自动保持平衡，转向时稳定性高，可靠性强。

四、结论本设计基于STM32F407的双足机器人控制系统，实现了双足机器人的运动控制。

通过Kinect传感器获取地面深度数据，根据机器人的移动参数计算机器人的倾角、运动速度等，从而实现机器人的平衡控制。

该设计为双足机器人系统提供了一个较为稳定、高可靠性的控制平台，并为双足机器人的应用提供了有力支持。

双足竞步机器人设计与制作技术报告一、引言二、设计原理1.动力系统2.传感系统3.平衡控制系统平衡是双足机器人最基本的功能之一、平衡控制系统基于双足机器人的运动状态及传感器信息，通过反馈控制算法实现平衡控制，使机器人能够保持稳定的步态。

4.步态控制系统步态控制系统主要通过控制机器人的下肢运动，完成双足的协调步行。

常见的步态控制算法有离散控制、预先编程控制、模型预测控制等。

三、制作过程1.机械结构设计2.电子系统设计电子系统设计主要包括电路设计和控制系统设计。

电路设计需要根据机器人的运行需求进行电源和信号处理电路的设计。

控制系统设计需要根据机器人的传感信息和控制算法，选择合适的控制器和通信模块。

3.程序开发与调试程序开发是制作双足竞步机器人不可或缺的一步。

在程序开发过程中，需要针对平衡控制、步态控制和传感器数据处理等方面进行编程，并进行相应的调试与优化。

四、技术难点与解决方案1.平衡控制技术2.步态规划与控制技术步态控制是双足竞步机器人实现协调步行的关键。

根据机器人的设计和运行需求，选取合适的步态控制算法，并进行动态规划和控制，可以实现优化的步态控制。

3.动力系统设计与电路优化机器人的动力系统设计要考虑电机选择、电机驱动电路和电源供应等多个方面。

同时，还需要对电子电路进行优化，减小功耗和提高效率，以提高机器人的运行时间和性能。

五、总结双足竞步机器人的设计与制作技术包括机械结构设计、电子系统设计、程序开发与调试等多个环节。

通过充分考虑机器人的平衡控制和步态控制等关键技术，可以设计出性能优良的双足竞步机器人。

但是，在设计与制作过程中还需要不断尝试与改进，以逐步优化机器人的性能。

双足机器人技术设计摘要：双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计双足机器人最基本的和首要的工作。

本文根据项目规划和控制任务要求，按照从总体到部分、由主到次的原则，设计了一种适合仿人双足机器人控制的机构。

文章首先从机构的设计目标出发，制定了总体设计方案，再根据总体方案进行了关键器件的选型，最后完成了各部分机构的详细设计工作。

最终的机构在外型上具有仿人的效果，在功能上完全满足电气各部件机载化的安装要求。

关键词：载体；设计方案；控制1 引言双足机器人机构设计是机器人研制开发的首要问题。

我们根据项目整体机构高度、重量、总自由度数、自由度的布局、以及整体机构最终要达到的步幅和步速的要求，首先确定了双足机器人机构的整体设计方案，其次根据研制进度的需要，按重要程度由高至低分步地进行了机构的设计、加工、装配和调试，直到满足设计要求。

2 机构总体设计方案针对项目根据实际拟订目标，结合我们所学知识，从仿人外形和仿人运动功能实现，首先确定了双足双足机器人自由度。

双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足双足机器人最基本的和首要的工作。

它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，因此自由度的配置必须合理。

首先分析双足机器人的运动过程(前向)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。

从机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髋关节与踝关节必须各自配置有一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动；要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的;机器人要达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节上的转体自由度。

另外膝关节处配置一个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，使上下台阶成为可能，还能实现不同的步态。

这样最终决定髋关节配置3个自由度，包括转体、俯仰、和偏转自由度，膝关节配置一个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转两个自由度。

一种仿生双足机器人系统设计摘要人形机器人，被称为仿生机器人。

现如今的双足机器人是一种具有极其自动的智能化发展机器人，其关节运转灵活，控制管理系统和机械设计结构比较复杂，能解决我们人类社会不可完成的动作和精细化作业。

仿生双足机器人作为机器人研究的一个重要分支，具有很高的商业价值、工业价值甚至军事价值，一直是国内外研究的热点之一。

目前，随着科学的发展，两足仿生机器人逐渐受到世界各国的重视，机械系统作为整个两足机器人的主干，代表着机电一体化领域科技发展的最高水平，对两足机器人的稳定运行起着重要作用。

双足机器人实现精确的移动和实时控制，控制策略必须依赖于合理和稳定的机械结构。

按照设计要求，本文AVR系列单片机ATmega128控制核心，设计了一套仿生双足机器人系统。

本课题双足机器人可以实现了两种步态分析方式，自身发展平衡，平面内的任意一个方向的行走。

并通过实验控制和运动两足机器人验证。

论文的主要工作内容有论文综述了双足机器人的国内外相关研究发展现状，介绍了本文的选题背景、主要问题研究教学内容和研究理论意义和双足机器人的系统可以构成。

双足机器人控制系统的硬件以ATmega128为核心，由微控制器模块、集成传感器的舵机模块、电源模块等构成。

各种信息的微控制器模块，所述数据处理系统来协调功能模块，以完成预定的任务;驱动模块是负责用于控制机器人传感器的驱动和转向传感器，数据采集和操作;充电电源的模块的移动机器人的电源。

在硬件平台的基础上可以根据仿生学的方法，建立双足机器人运动数据库，然后我们通过不断优化教学设计研究得出最优运动轨迹。

然后运动控制软件设计，基于可用的数据，来设计的程序的双足机器人的运动控制和运动控制是准确的。

关键词：仿生双足机器人单片机舵机机械系统1绪论1.1 仿生双足机器人研究目的及意义“robot”源于捷克语“robota”，原译为强迫劳动，后来将其中译为机器人。

以机器人为含义的robot最开始出现于一部剧本中，其名为《罗萨姆万能机器人公司》，创作者为恰佩克，在此剧本里，他构想了一种听命于人类的人型机器，取名为罗伯特，“机器人”这个词也由此而生。

成都工业学院毕业设计（论文）设计（论文）题目：系部名称：专业：班级：学生姓名：学号：指导教师：二O一三年月I目录第1章绪论 (1)1.1 引言 (3)1.2 机器人的发展及技术 (3)1.3 拉车机器人的特点 (4)第2章双足拉车机器人本体结构设计分析 (5)2.1 引言 (5)2.2 拉车机器人的结构分析 (5)2.3 拉车机器人技术领域及背景技术 (6)2.4 新型设计内容 (7)2.5 设计思想及关键问题 (8)2.6 机构建模与仿真 (8)2.7 附图说明及技术方案 (10)2.8具体实施方案 (13)2.9 机器人设计方案 (14)2.10 驱动方式的选择 (14)第3章拉车机器人的具体制作 (15)3.1 拉车机器人的材料选择 (15)3.2 拉车机器人的零件加工 (15)3.3 拉车机器人的组装 (17)3.4 两足机器人相关数据 (18)3.5两足机器人总体尺寸 (18)3.6舵机具体参数 (18)3.7 课题总结 (19)结束语 (20)致谢 (21)参考文献 (22)II成都工业学院毕业设计（论文）摘要机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

根据机器人的工作要求和结构特点，进行了机器人的总体设计，确定了机器人的外形尺寸和工作空间，拟定了机器人各关节的总体传动方案，对机器人腰关节结构进行了详细设计，合理布置了电机和齿轮，确定了各级传动参数，进行了齿轮、轴和轴承的设计计算和校核。

利用齐次变换矩阵法建立了五自由度关节机器人的正运动学模型，求出机器人末端相对于各自参考坐标系的齐次坐标值，建立了在直角坐标空间内机器人末端执行器的位置和姿态与关节变量值的对应关系。

基于几何投影原理推导出相应的逆运动学模型，求出了各个关节的角度值，建立了机器人关节空间与世界空间的映射关系。