0125-兩足行走機器人-行走結(jié)構(gòu)部分設(shè)計

0125-兩足行走機器人-行走結(jié)構(gòu)部分設(shè)計,行走,機器人,結(jié)構(gòu),部分,部份,設(shè)計 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 I 頁 共 I 頁 目 錄 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 機器人的發(fā)展及技術(shù) 1 1.3 兩足機器人的優(yōu)點及國內(nèi)外研究概況 2 1.4 本課題的主要工作 7 2 雙足機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 8 2.1 引言 8 2.2 兩足機器人的結(jié)構(gòu)分析 8 2.3 機器人設(shè)計思路 9 2.4 機器人設(shè)計方案 10 2.5 驅(qū)動方式的選擇 12 3 雙足機器人的具體制作 13 3.1 雙足機器人的材料選擇 13 3.2 雙足機器人的零件加工 13 3.3 兩足機器人的組裝 16 3.4 兩足機器人相關(guān)數(shù)據(jù) 19 3.5 兩足機器人總體尺寸 19 3.6 舵機具體參數(shù) 19 4 課題總結(jié) 20 結(jié)束語 21 致謝 22 參考文獻 23 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 25 頁 共 23 頁 1 緒論 1.1 引言 目前，機器人已形成一個不同技術(shù)層次、應(yīng)用于多種環(huán)境的“龐大”家族，從天上到地下，從陸地到海洋到處都可以看到機器人的身影。世界著名機器人專家，日本早稻田大學的加藤一郎教授曾經(jīng)指出“機器人應(yīng)當具有的最大的特征之一是步行功能”。步行機器人的研究涉及到多門學科的交叉融合，如仿生學、機構(gòu)學、控制理論與工程學、電子工程學、計算機科學及傳感器信息融合等。仿人形機器人正成為機器人研究中的一個熱點，其研究水平，在一定程度上代表了一個國家的高科技發(fā)展水平和綜合實力。研究仿人形雙足步行機器人，除了具有重要的學術(shù)意義，還有現(xiàn)實的應(yīng)用價值。 1.2 機器人的發(fā)展及技術(shù) 1.2.1 機器人的發(fā)展 20世紀40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于機器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。60年代美國的Consolidated Control公司研制出第一臺機器人樣機，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機器人。20世紀70年代以來，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學科。1970年，第一次國際機器人會議在美國舉行。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機器人已進入了實用化階段。 目前，盡管關(guān)于機器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認為機器人的發(fā)展按照從低級到高級經(jīng)歷了三代。第一代機器人，主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機器人，其只能依靠人們給定的程序，重復(fù)進行各種操作。目前的各類工業(yè)機器人大都屬于第一代機器人。第二代機器人是具有一定傳感器反饋功能的機器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，機器人按照己編好的程序做出一定推理，對動作進行反饋控制，表現(xiàn)出低級的智能。當前，對第二代機器人的研究著重于實際應(yīng)用與普及推廣上。第三代機器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機器人。它具有多種感知功能，可進行復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨立行動。第三代機器人又稱為智能機器人，并己成為機器人學科的研究重點，但目前還處于實驗室探索階段[1]。 機器人技術(shù)己成為當前科技研究和應(yīng)用的焦點與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用。可以預(yù)見到，機器人將在21世紀人類社會生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。 1.2.2 機器人技術(shù) 機器人學是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學科，該學科涉及領(lǐng)域廣泛，集中了機械工程、電氣與電子工程、計算機工程、自動控制工程、生物科學以及人工智能等多種學科的最新科研成果，代表了機電一體化的最新成就[2]。機器人充分體現(xiàn)了人和機器的各自特長，它比傳統(tǒng)機器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會進步的需要，是科學技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進化的必然。目前，機器人及其自動化成套裝備己成為國內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，與此同時它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂等各個領(lǐng)域滲透。 目前，雖然機器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學科的發(fā)展和社會需要的發(fā)展，機器人技術(shù)出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢，如網(wǎng)絡(luò)機器人技術(shù)、虛擬機器人技術(shù)、協(xié)作機器人技術(shù)、微型機器人技術(shù)和雙足步行機器人技術(shù)等。人們普遍認為，機器人技術(shù)將成為緊隨計算機技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后的又一次重大的技術(shù)革命，它很可能將世界推向科學技術(shù)的新時代[3]。 1.3 兩足機器人的優(yōu)點及國內(nèi)外研究概況 1.3.1 雙足機器人的優(yōu)點 首先，雙足步行的移動方式在地面不平整或其它惡劣條件下(如充滿障礙物)比其他方式要靈活得多，具有更好的機動性。研究仿人形雙足步行機器人，以代替人類在核電站、太空、海底及其它危害人類身心健康的復(fù)雜極端環(huán)境中工作，將大大拓展人類的活動空間。 其次，雙足步行機器人的步行系統(tǒng)是一個內(nèi)在的不穩(wěn)定系統(tǒng)，其動力學特性非常復(fù)雜，具有多變量、強耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的特點。因此，它是控制理論和控制工程領(lǐng)域的一個極好的研究對象，開展雙足步行技術(shù)的研究，必然推動控制理論的發(fā)展和控制技術(shù)的進步。 再次，步行是人類的一種基本活動能力，但有相當數(shù)量的人因為疾病或意外事故失去了這種能力，雙足步行技術(shù)的發(fā)展會促進動力型假肢的研制，將有可能解決截癱病人和小兒麻痹癥患者的行走問題，為康復(fù)醫(yī)學做出貢獻。對機器人雙足動態(tài)行走機理的深入研究也使我們更深刻地理解人類活動的內(nèi)在本質(zhì)，有助于生物醫(yī)學工程和體育運動科學的發(fā)展。 1.3.2 雙足機器人的步態(tài)特點及研究意義 步態(tài)規(guī)劃是雙足機器人失衡檢測與控制的基礎(chǔ)及預(yù)備性工作，也是雙足步行機器人的一項重要內(nèi)容。所謂的步態(tài)，是指在步行過程中，步行本體的身體各部位在時序和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系；步態(tài)規(guī)劃就是給出機器人各關(guān)節(jié)位置與時間的關(guān)系，是雙足步行機器人研制中的一項關(guān)鍵技術(shù)，也是難點之一。步態(tài)規(guī)劃的好壞將直接影響到雙足步行機器人的行走穩(wěn)定性、美觀性以及各關(guān)節(jié)所需驅(qū)動力矩的大小等多個方面，已經(jīng)成為雙足步行機器人領(lǐng)域的研究熱點?；谏鲜鲈颍菊n題擬進行雙足機器人步行穩(wěn)定性研究，研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機器人平臺，為進一步的行走機器人失衡檢測及控制技術(shù)研制奠定基礎(chǔ)。 1.3.3 國外研究概況 雙足機器人的研制開始于上世紀60年代末，雖然只有四十多年的歷史。然而，兩足機器人的研究工作進展迅速，國內(nèi)外許多學者正從事于這一領(lǐng)域的研究，如今已成為機器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。 步行的穩(wěn)定性是兩足機器人的難點和關(guān)鍵，南斯拉夫?qū)W者MemoirVakobrativitch于1969年提出的ZMP(Zero Moment Point)理論較好地解決了動態(tài)步行穩(wěn)定性判斷問題。ZMP點，即零力矩點，是雙足機器人所受重力、慣性力及地面反力三者合力矢的延長線與地面的交點。雙足機器人一只腳著地時，ZMP點必須落在腳掌的范圍內(nèi)；雙腳著地時，則位于兩只腳掌形成的凸多邊形內(nèi)。在ZMP點，機器人所受的側(cè)向力和力矩都為零。 1971年，英國人I·Kato試制了“Wap3”，最大步幅15mm，周期45s。1971年至1986年間，英國牛津大學的Wit等人制造并完善了一個兩足步行機器人，該機器人能在平地上行走良好，步速達到0.23m/s[4]。 加拿大的Tad·McGee主要研究被動式兩足機器人，即在無任何外界輸入的情況下，靠重力和慣性力實現(xiàn)步行運動。1989年，他建立了平面型的兩足步行機構(gòu)，兩腿為直桿機構(gòu)，沒有膝關(guān)節(jié)，每條腿各由一個小電機來控制腿的伸縮，無任何主動控制和能量供給，具有簡單二級針擺特征，放在斜坡上，可依靠重力，實現(xiàn)動態(tài)步行。 法國BIP2000計劃是由法國de mecanique des Soloders de Poiters實驗室和INRIA機構(gòu)合作的一個項目。其目的是建立一套可以適應(yīng)未知條件行走的兩足機器人系統(tǒng)，設(shè)計了一個具有15個自由度的雙足步行機器人(只有軀干和腿)。 現(xiàn)代機器人發(fā)展最迅速的是有“機器人王國”之稱的日本。其中最具有代表性的研究機構(gòu)有:加藤實驗室、日本早稻田大學、日本東京大學、日本東京理工學院、日本機械學院、松下電工、本田公司和索尼公司等。 日本早稻田大學的加藤一郎教授于1968年率先展開了雙足步行機器人的研制工作，并先后研制出WAP系列樣機。1969年研制出WAP-1平面自由度步行機器人，該機器人具有六個自由度，每條腿有髖、膝、踝三個關(guān)節(jié)；關(guān)節(jié)處使用人造橡膠肌肉，通過充氣、排氣引起肌肉收縮，肌肉的收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)步行。1971年，研制出WAP-3型雙足機器人，仍采用人工肌肉，具有11個自由度，能在平地、斜坡和階梯上行走；該機器人重13Okg，高0.9m，實現(xiàn)步幅15cm，每步45s的靜步行；同年又研制出WL-5雙足步行機器人，該機器人采用液壓驅(qū)動，具有11個自由度，下肢作三維運動，上軀體左右擺動以實現(xiàn)雙足機器人重心的左右移動。1973年，在WAP-5的基礎(chǔ)上配置機械手及人工視覺、聽覺等裝置組成自主式機器人WAROT-1。 1980年，推出WL-9DR雙足機器人，該機器人采用預(yù)先設(shè)計步行方式的程序控制方法，通過對步行運動的分析及重復(fù)實驗設(shè)計步態(tài)軌跡，用設(shè)計出的步態(tài)控制機器人的步行運動，該機器人采用了以單腳支撐期為靜態(tài)，雙腳切換期為動態(tài)的準動態(tài)步行方案，實現(xiàn)了步幅45cm，每步9s的準動態(tài)步行。1984年，研制出采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的WL-10DR雙足機器人，增加了踝關(guān)節(jié)力矩控制，將一個步行周期分為單腳支撐期和轉(zhuǎn)換期。1986年，又成功研制了 WL-12(R)雙足機器人，該機器人通過軀體運動來補償下肢的任意運動，實現(xiàn)了步行周期1.3s，步幅30cm的平地動態(tài)步行。 日本東京大學的Jouhou System Kougaka實驗室研制了H5、H6型仿人型雙足步行機器人。該機器人總共有30個自由度，其中在H5型的步態(tài)規(guī)劃設(shè)計中充分考慮了動態(tài)平衡條件，采用遺傳算法來實現(xiàn)上體的補償運動以補償ZMP軌跡的跟蹤，上體運動的軌跡用三次樣條插值來實現(xiàn)。在H5雙足機器人的頭部安裝有兩個CCD彩色攝像頭，可以定位前面的物體并能夠在CCD的協(xié)助下用7自由度的手來抓取的目的。 日本機械學院的S·Kajita等針對一臺具有4臺前向驅(qū)動電機且全部安裝在機器人的上體的五連桿平面型雙足步行機器人Meltran Ⅰ，研究其動態(tài)行走的控制方法。他根據(jù)機器人機構(gòu)質(zhì)量幾乎完全集中在上體的事實，為使雙足步行機器人實現(xiàn)穩(wěn)定、周期性的動態(tài)行走，對機器人上體采用了約束控制方法，提出了一種理想的線性倒立擺模型。同時又提出了機構(gòu)軌道能量守恒的概念，來求解各個關(guān)節(jié)運動軌跡及輸入力矩，實現(xiàn)了在已知不平整地面上的穩(wěn)定動態(tài)步行。1996年他們又在此樣機的基礎(chǔ)上加載了超聲波視覺傳感器以實現(xiàn)實時提供地面信息的功能。將視覺傳感器系統(tǒng)與針對線性倒立擺所提出的控制模式相結(jié)合構(gòu)成自適應(yīng)步態(tài)控制系統(tǒng)，使MeltranⅡ成功地實現(xiàn)了在未知路面上的動態(tài)行走。 代表雙足步行機器人和擬人機器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司。他們代表了當今兩足步行機器人和擬人型機器人發(fā)展的最高水平。本田公司從1986年至今己經(jīng)推出了P系列1，2，3型機器人。并且于2000年11月20日，推出了新型雙足步行機器人“ASIMO(Advanced Step in Innovative Mobility)”，“ASIMO”和“P3”相比，實現(xiàn)了小型輕量化，使其更容易適應(yīng)人類的生活空間，通過提高雙腳步行技術(shù) 使其更接近人類的步行方式。雙腳步行技術(shù)方面采用了新開發(fā)“I-WALK(Intelligent Real-time Flexible Walk)”。I-WALK是在過去的步行技術(shù)的基礎(chǔ)上組合了新的“預(yù)測運動控制功能”，它可以實時預(yù)測以后的動作，并且據(jù)此事先移動重心來改變步調(diào)。過去由于不能進行預(yù)測運動控制，當從直行改為轉(zhuǎn)彎時，必須先停止直行動作后才可以轉(zhuǎn)彎。 索尼公司于2000年11月21日在四足娛樂機器人AIBO的基礎(chǔ)上推出了人形娛樂型機器人SDR-3X(Sony Dream Robot-3X)。SDR-3X：頭部2個自由度、軀干2個自由度、手臂4 × 2個自由度、下肢和足部6 × 2個自由度，共計24個自由度。2002年又推出SDR-4X，采用64位RISC處理器，64MBDRAM，共有38個自由度(頭部4個，身體2個，胳膊 5×2=10個，腿部6×2=12個，獨立的5個手指5× 2=10個)。2003年12月18日，索尼公司通過對控制系統(tǒng)和ISA(Intelligent Servo Actuator)的改進、增加輸出力矩等方法，使QRIO在世界上第一次實現(xiàn)了兩足步行機器人的跑動，QRIO可以在跑步時滯空6ms，雙腳跳躍時滯空 10ms。 2005年1月12日，由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的比留川博等人開發(fā)出一臺取名“HRP-2”雙足擬人機器人亮相東京。該機器人身高154cm，體重58kg。研究人員先請民間藝術(shù)家跳舞，用特殊攝像機拍攝后將畫面輸入電腦，并對手、腳、頭、腰等32個部位的動作進行解析，然后把有關(guān)解析數(shù)據(jù)輸入給機器人，最后利用這些數(shù)據(jù)來控制機器人手的動作和腳步等，使“HRP-2”可以和人一樣動作連貫，翩翩起舞。 1.3.4 國內(nèi)研究概況 國內(nèi)雙足步行機器人的研制工作起步較晚，我國是從20世紀80年代開始雙足步行機器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“七五”機器人攻關(guān)計劃，1987年，我國的“863”高技術(shù)計劃將機器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國從事機器人研究與應(yīng)用開發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國進行機器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國際先進的機器人技術(shù)，隨后取得了一定的成就。 哈爾濱工業(yè)大學自1986年開始研究雙足步行機器人[ 5～9 ]，先研制成功靜態(tài)步行雙足機器人HIT-Ⅰ，高110cm，重70kg，有10個自由度，實現(xiàn)平地上的前進、左右側(cè)行以及上下樓梯的運動，步幅45cm，步速為10秒每步，后來又相繼研制成功了HIT-Ⅱ和HIT-Ⅲ，重42kg，高103cm，有12個自由度，實現(xiàn)了步長24cm，步速2.3秒每步的步行。目前正在研制的HIT-Ⅳ機器人，全身可有52個自由度，其在運動速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型行走機器人。 國防科技大學在1988年春成功地研制了一臺平面型6自由度的雙足機器人KDW-Ⅰ[10～11]，它能前進、后退和上下樓梯，最大步幅為40cm，步速為4s每步，1989年又研制出空間型KDW-Ⅱ，有10個自由度，高69cm，重13kg，實現(xiàn)進退、上下臺階的靜態(tài)穩(wěn)定步行以及左右的準動態(tài)步行。1990年在KDW-Ⅱ的平臺上增加兩個垂直關(guān)節(jié)，發(fā)展成KDW-Ⅲ，有12個自由度，具備了轉(zhuǎn)彎功能，實現(xiàn)了實驗室環(huán)境的全方位行走。1995年實現(xiàn)動態(tài)行走，步速0.8s每步，步長為20cm～22cm，最大斜坡角度達13度。2000年底在KDW-Ⅲ的基礎(chǔ)上研制成功我國首臺仿人形機器人“先行者”，動態(tài)步行，可在小偏差、不確定的環(huán)境行走，周期達每秒兩步，高1.4m，重20kg，有頭、眼、脖、身軀、雙臂、雙足，且具備一定的語言功能。 上海交通大學于1999年研制的仿人形機器人SFHR，腿部和手臂分別有12和10個自由度，身體上有2個自由度。共有24個自由度，實現(xiàn)了周期3.8s，步長10cm的步行運動。機器人本體上裝有2個單軸陀螺和一個三軸傾斜計，用于檢測機器人的姿態(tài)信息，并配備了富士通公司的主動視覺系統(tǒng)，是研究通用機器人學、多傳感器集成以及控制算法良好的實驗平臺。 北京理工大學在歸國博士黃強教授的帶領(lǐng)下，高起點地進行仿人形機器人研究，于2002年12月通過驗收的仿人形機器人BHR-1，高 158cm，重76kg，32個自由度，步幅0.33m，步速每小時1公里。能夠根據(jù)自身力覺、平衡覺等感知機器人自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化，實現(xiàn)未知地面的穩(wěn)定行走和太極拳表演，使中國成為繼日本之后，第二個研制出無外接電纜行走，集感知、控制、驅(qū)動、電源和機構(gòu)于一體的高水平仿人形機器人國家。 此外，清華大學正在研制仿人形機器人THBIP-Ⅰ，高1.7m，重130kg，32個自由度，在清華大學985計劃的支持下，項目也在不斷取得進展。南京航空航天大學曾研制了一臺8自由度空間型雙足步行機器人，實現(xiàn)靜態(tài)步行功能[12～13]。 1.4 本課題的主要工作 本課題源于“第一屆全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽”中兩足行走機器人。目前，機器人大多以輪子的形式實現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機器人還不多，雖有一些六足、四足機器人涌現(xiàn)，但是兩足機器人還是鳳毛麟角。在機器人研究領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平的日本，推出了諸如舞蹈機器人等雙足行走機器人，但成千上萬的傳感器和復(fù)雜的控制系統(tǒng)使這類機器人造價非常昂貴。我們這個課題，探索設(shè)計僅靠巧妙的機械裝置和簡單的控制系統(tǒng)就能實現(xiàn)模擬人類行走的機器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。 2 雙足機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 2.1 引言 兩足步行機器人是研究兩足步行的實驗對象，不同的兩足步行機器人在自由度、驅(qū)動方式、重量、高度、結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大的差異。機器人的結(jié)構(gòu)不同，其控制方式也有所區(qū)別。為了對兩足步行機器人進行深入的研究，使其實現(xiàn)預(yù)定的步行功能，必須對其機構(gòu)有深入的了解和認識。 2.2 兩足機器人的結(jié)構(gòu)分析 兩足步行機器人是對人類自身的模仿，但是人類總共有上肢52對，下肢62對，背部112對，胸部52對，腰部8對，頸部16對，頭部25對之多的肌肉。從目前的科學發(fā)展情況來看，要控制具有400個雙作用式促進器的多變量系統(tǒng)是不可能的[19]，因此，在設(shè)計步行機械時，人們只考慮移動的基本功能。例如，只考慮在平地或者具有已知障礙物的情況下的步行。 鄭元芳博士從仿生學的角度對類人機器人的腿部自由度配置進行了深入的研究，得出關(guān)節(jié)扭矩最小條件下兩足步行機器人的自由度配置。他認為髖部和踝部設(shè)兩個自由度，可使機器人在不平地面上站立，髖部再加一個扭轉(zhuǎn)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處加一個旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地，這樣機器人的腿部需要有7×2個自由度(髖關(guān)節(jié)3個，膝關(guān)節(jié)1個，踝關(guān)節(jié)3個[10])。 但是，無論現(xiàn)在的兩足步行機器人還是擬人機器人都還只能在規(guī)則路面上行走，所以各研究機構(gòu)都選擇了6×2個自由度(髖關(guān)節(jié)3個，膝關(guān)節(jié)1個，踝關(guān)節(jié)2個)，如：哈爾濱工業(yè)大學的HIT-Ⅲ、國防科技大的“先行者”。 2.3 機器人設(shè)計思路 由于這個課題是本校的第一次出現(xiàn)，沒有可以借鑒的資料，所以我們這個小組通過各種途徑了解各種兩足機器人，通過模仿其他設(shè)計成功的機器人為設(shè)計主要思路，來設(shè)計我們的兩足步行機器人，如圖2.1，是我們這次設(shè)計的主要依據(jù)。 圖2.1 兩足機器人的雛形 2.4 機器人設(shè)計方案 由于我們要求設(shè)計的是比較簡單的兩足機器人，所以有關(guān)平衡和ZMP等計算全部省略，我們設(shè)計時候盡量把兩足機器人整體高度設(shè)計的盡量的矮一點，兩面設(shè)計的對稱，腳設(shè)計盡量的大一點，以此達到兩足步行機器人的平衡。 通過上面所述和查閱相關(guān)兩足機器人行走的視屏，我們設(shè)計了一個17自由度的雙足步行機器人模型，如圖2.2所示。顯示的結(jié)構(gòu)特征就是采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。動力源采用舵機直接驅(qū)動。這樣不但可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動精度高以及大大增加關(guān)節(jié)所能達到的最大角度，而且驅(qū)動源全為干電池，便于集中控制和程序化控制。 圖2.2 雙足步行機器人模型 圖2.2雙足機器人，頭部僅一個旋轉(zhuǎn)自由度，它和身體相連接（圖2.3）。肩關(guān)節(jié)、大臂和小臂各一個自由度（圖2.4，圖2.5），髖關(guān)節(jié)一個自由度，大腿（圖2.6，圖2.7）2個自由度，小腿和腳步各一個自由度。各個關(guān)節(jié)的活動范圍理論上是180度（由于零件之間互相干涉，關(guān)節(jié)之間活動范圍以實際為準）。 圖2.3 機器人頭部和身體 圖2.4 機器人左手臂圖 圖2.5 機器人右手臂 圖2.6 機器人左腿 圖2.7 機器人左腿 雙足步行機器人的一個主要問題就是雙足動態(tài)步行的固有不穩(wěn)定性。為了使其穩(wěn)定行走，機器人本體設(shè)計和行走步態(tài)規(guī)劃都很重要。在進行機器人本體設(shè)計時需要著重考慮的問題有關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩的限制，主要機構(gòu)的剛度，擺動腿著地時沖擊載荷對機器人本體可能帶來的損壞，桿件間連接，機體重量、材料以及易于操作維修等等。 2.5 驅(qū)動方式的選擇 由于此次設(shè)計的兩足步行機器人只是達到簡單運動，而且為了使兩足步行機器人行走穩(wěn)定，所以對機器人的各個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度和配合都需要比較精確的控制，所以所有的驅(qū)動都是由舵機來完成如圖2.8。 圖2.8 舵機 3 雙足機器人的具體制作 3.1 雙足機器人的材料選擇 材料的選取要本著重量輕，高剛度的原則。機器人本體主體材料選用鋁合金(LY12)，這種材料重量輕、硬度高，強度遠遠高于普通鋁合金。 3.2 雙足機器人的零件加工 3.2.1 加工機器的選擇 （1） 由于選擇的是質(zhì)量輕，高剛度的鋁合金板，厚度只有1mm，所以選擇最佳的加工方法是電火花線切割加工。 （2） 各個鋁板加工好以后，需要精確折彎，所以選擇折彎機來進行折彎。 3.2.2 線切割的相關(guān)介紹 （1）概述 電火花線切割加工（Wire Cut Electrical Discharge Machining ，簡稱WEDM）是在電火花加工基礎(chǔ)上，于20世紀50年代末最早在前蘇聯(lián)發(fā)展起來的一種新的工藝形式，它是利用絲狀電極（鉬絲或銅絲，見圖3.1）靠火花放電對工件進行切割，簡稱線切割。 圖3.1 鉬絲 （2）加工原理、特點及應(yīng)用 電火花線切割加工的基本原理（如圖3.2）是利用快速移動的電極絲，對工件進行脈沖火花放電，腐蝕工件表面，使工件材料局部熔化和氣化，從而達到切割工件，去除材料的目的。 圖3.2 電火花加工原理圖 電火花線切割加工屬于特種加工。它與傳統(tǒng)的機械加工相比，有如下優(yōu)點： (a)非接觸式，適合高硬度難切削材料的加工。 (b)十分適合復(fù)雜形孔及外形的加工。 (c)切縫細，節(jié)省寶貴的金屬材料。 (d)加工的尺寸精度高，表面粗糙度好。 (e)易于實現(xiàn)數(shù)字控制。 (f)加工的殘余應(yīng)力較小。 電火花線切割加工也有它的局限性。這主要體現(xiàn)在以下幾個方面： (a）僅限于金屬等導(dǎo)電材料的加工。 (b）加工速度較慢，生產(chǎn)效率較低。 (c）存在電極損耗和二次放電。 (d)最小角部半徑有限制。 （3）線切割機床簡介 一臺普通的線切割機床的結(jié)構(gòu)組成如圖3.3所示。它總體上由主機，脈沖電源，數(shù)控系統(tǒng)三部分組成。此外，機床的主機部分還附加了工作液循環(huán)系統(tǒng)。主機由床身、工作臺、運絲機構(gòu)、絲架和工作液系統(tǒng)等組成，是機床的主要部分。脈沖電源又稱高頻電源，其作用是把普通的50HZ交流電轉(zhuǎn)換成高頻單向脈沖電壓。數(shù)控系統(tǒng)以電腦為核心，用程序?qū)崿F(xiàn)電極絲放電加工全過程的實時控制。 圖3.3 線切割機床 （4）線切割程序編制 線切割編程涵蓋了切割圖形、切割路徑及切割次數(shù)等工藝信息。線切割程序有著標準的指令格式。常用的有兩種：G指令和3B指令，可根據(jù)實際需要來選擇。 如今的線切割機床都帶有自動編程功能，即操作者只需將要切割的圖形在機器繪制出來并存盤，系統(tǒng)會自動分析并生成加工程序，避免的煩瑣的手工編程，所以兩足機器人的所有零件都是由線切割機床自動編程[14]。 3.2.3 折彎機的相關(guān)簡單介紹 圖3.4是折彎機機床，圖3.5是折彎機刀口。 圖3.4 折彎機機床 3.5 折彎機刀口 3.3 兩足機器人的組裝 3.3.1 舵機和部分配件的組裝 用M3×11的螺栓將配件和舵機組裝在一起，如圖3.4所示。注意在安裝舵機時候，首先將螺栓放入側(cè)面的孔中，然后通過四個螺栓緊固舵機。數(shù)據(jù)線從鋁板側(cè)面的方孔穿過，這樣安裝才不損壞數(shù)據(jù)線和舵機外殼。 圖3.4 舵機和配件組裝 3.3.2 兩足步行機器人的兩個上肢的組裝 兩足機器人每只上肢由兩個舵機組成，具有兩個自由度。安裝前將舵機初始的角度設(shè)定在90°，這樣有利于上肢有擺動的余地。因此舵機最大角度是180°。當把安裝角度設(shè)定在90°時，與配件相配合不會放生干涉，可以順利的完成一些指定動作，如圖3.5所示。 圖3.5 機器人兩上肢 3.3.3 兩足機器人軀干的組裝 軀干由四個舵機組成，具有四個自由度，控制胳膊前后旋轉(zhuǎn)兩個，控制大腿左右擺動兩個。安裝前還是將舵機初始的角度設(shè)定在90°，配件由螺栓固定，為了美觀，螺栓均放在里面，由于受到空間限制，操作比較困難，但是安裝時候一定要注意每個螺栓必須緊固牢靠，防止松動，如圖3.6。 圖3.6 機器人軀干 3.3.4 兩足機器人腿部的組裝 兩足機器人腿部是最為重要的，所以安裝時候得更加小心仔細。每個下肢由四個舵機組成，具有四個自由度，安裝前舵機還是將初始角度設(shè)置在90°，另外安裝時候 注意兩個腿之間的干涉，如圖3.7。 圖3.7 機器人左腿 3.3.5 兩足機器人頭部的安裝 兩足機器人頭部安裝比較容易，直接將頭部用螺絲緊固在舵機上就可以了，如圖3.8。 圖3.8 機器人頭部 如圖3.9，3.10所示，是兩足步行機器人的總裝圖，是將17臺舵機以積木的方式搭成人形的。機體大部分是由舵機組成的，各個舵機是由一些鋁合金件連接而成[15]。 圖 3.9 機器人總裝圖 圖 3.10機器人總裝圖 3.4 兩足機器人相關(guān)數(shù)據(jù) 兩足機器人所有零部件清單，如表3.1。 表3.1 零部件清單 名稱 型號 數(shù)量 舵機 12（N×m） 17 鋁制零件 42 螺栓螺帽 M3×11(mm) 145 3.5兩足機器人總體尺寸 兩足機器人的相關(guān)尺寸，如表3.2 表3.2 總體尺寸 名稱 尺寸（高×寬mm） 總體 385×242 手臂 175×50 腿部 185×40 腳 64×20 3.6舵機具體參數(shù) 舵機的相關(guān)參數(shù)，如表3.3 表3.3 舵機參數(shù) 尺寸 重量 速度 扭力 使用電壓 40.8*19.9*37.3mm 56.3g 0.24sec/60度 12公斤/厘米 4.8V～7.2V 4 課題總結(jié) 在過去的三個月里，經(jīng)歷了機器人總體方案的研究和選擇，材料的購買和加工，到最后的組裝和調(diào)試，遇到了很多的困難。 我們總結(jié)了小組的不足，希望給下屆師弟師妹，例如：（1）何選擇一個好的可行的總體制作方案。我們的設(shè)計方案是依靠網(wǎng)上做好的機器人為模板，進行模仿，希望下屆能夠設(shè)計出自己開發(fā)的機器人。（2）材料如何選擇。我們在材料選擇時，試驗了很多的材料，如塑料，鋁板，不銹鋼，等等，但是由于要求強度高，剛度高，質(zhì)量要輕，所以選擇了鋁板。但是，鋁板相對較軟，在線切割時候很容易使鉬絲斷掉，所以給加工帶來了很多不便，希望能找到更好的材料。（3）材料組裝時候的問題。由于理想和現(xiàn)實存在著差異，所以當材料加工出來進行組裝時，出現(xiàn)很多問題，由于當時設(shè)計盡量緊湊，以降低重心，但是在組裝時候，出現(xiàn)了很多的干涉，裝螺母螺帽的時候由于結(jié)構(gòu)間隙太小，安裝比較麻煩，所以希望下屆在總體設(shè)計時，在保證緊湊的同時，要留出一定間隙保證不干涉和足夠的安裝間隙。 以上就是本次畢業(yè)設(shè)計中本人所遇到的典型問題，希望給下屆的畢業(yè)設(shè)計帶來啟發(fā)。同時，希望下屆的師弟師妹能夠把這個課題做的更好。 結(jié)束語 本論文是關(guān)于兩足機器人行走結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計。從了解各式各樣的兩足機器人開始，到分析選擇總體方案、繪制立體圖和平面圖、材料的選擇、配件的購買和加工、以及進行機器人的組裝等的全過程，是對我所學四年知識的一個綜合檢查，也是對我獨立思考和解決問題的一次考驗。盡管我的設(shè)計還有很多不足的地方，需要改進的地方還很多，但我相信：只要我們不懈的努力，繼續(xù)加以改進設(shè)計，總結(jié)這次的經(jīng)驗和教訓(xùn)，給下屆留下寶貴的經(jīng)驗，我想他們一定會做的更好。 通過這3個月的設(shè)計，使我對自己所學的知識有了更深入了解；在指導(dǎo)老師幫助下，通過收集各種有關(guān)資料所解決的畢業(yè)設(shè)計問題，為我即將走上工作崗位，獨自去面對各種挑戰(zhàn)，出色地完成工作任務(wù)打下了一定的基礎(chǔ)。 由于本人水平有限，經(jīng)驗少。文中定有許多不妥甚至錯誤之處，請各位老師給予指正和教導(dǎo)，本人表示深深的謝意。 致 謝 首先，我要感謝的是指導(dǎo)老師龔光榮教授和劉艷老師，在他們的悉心指導(dǎo)下，我順利完成畢業(yè)設(shè)計。在設(shè)計與制作的這段時間里，他們嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，平易近人的生活作風，孜孜不倦的育人精神，給我留下了深刻的印象。 從今年3月初到6月底，經(jīng)過外文翻譯，開題報告，進行設(shè)計實驗，到完成畢業(yè)論文，一步一步都離不開劉老師的悉心指導(dǎo)。在課題進行期間，老師對我的課題方向的了解深度與研究深度，嚴謹而一絲不茍的治學態(tài)度，平和而循循善誘的教學態(tài)度，不僅在學術(shù)課題上給我很深的指導(dǎo)，更是讓我了解了很多為人做研究的道理，使我受益匪淺。在此對劉艷老師表達我最誠摯的感謝，感謝這幾個月來對我的巨大幫助。并祝劉艷老師在今后教學研究中取得更大的成就！ 其次，還要感謝一直努力工作的其他隊友：吳玉坤、徐超、黃俊、徐昕晏 最后感謝各位評審老師，能夠在百忙中抽出時間，對畢業(yè)論文提出意見，非常感謝你們的指導(dǎo)！祝你們身體健康，萬事如意！ 參 考 文 獻 [1] 周遠清，張再興等編著. 智能機器人系統(tǒng)[M]. 北京: 清華大學出版社,1989. 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