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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（小論文） 第 13 頁 共 13 頁
兩足行走機(jī)器人——行走結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)
機(jī)械工程及自動(dòng)化 許峰
指導(dǎo)老師 劉艷
摘要 20世紀(jì)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(jī)器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。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(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化階段。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是兩足機(jī)器人還是鳳毛麟角。本課題主要針對(duì)兩足機(jī)器人的行走進(jìn)行研究、分析、設(shè)計(jì)，然后材料加工制作，最后進(jìn)行組裝和行走調(diào)試。
關(guān)鍵詞 研究 設(shè)計(jì) 制作
1 緒論
1.1 引言
目前，機(jī)器人已形成一個(gè)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(jī)器人的身影。世界著名機(jī)器人專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授曾經(jīng)指出“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大的特征之一是步行功能”。步行機(jī)器人的研究涉及到多門學(xué)科的交叉融合，如仿生學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、控制理論與工程學(xué)、電子工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及傳感器信息融合等。仿人形機(jī)器人正成為機(jī)器人研究中的一個(gè)熱點(diǎn)，其研究水平，在一定程度上代表了一個(gè)國(guó)家的高科技發(fā)展水平和綜合實(shí)力。研究仿人形雙足步行機(jī)器人，除了具有重要的學(xué)術(shù)意義，還有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。
1.2 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù)
1.2.1 機(jī)器人的發(fā)展
20世紀(jì)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(jī)器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。60年代美國(guó)的Consolidated Control公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機(jī)器人。20世紀(jì)70年代以來，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機(jī)器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學(xué)科。1970年，第一次國(guó)際機(jī)器人會(huì)議在美國(guó)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(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化階段。
目前，盡管關(guān)于機(jī)器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認(rèn)為機(jī)器人的發(fā)展按照從低級(jí)到高級(jí)經(jīng)歷了三代。第一代機(jī)器人，主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人，其只能依靠人們給定的程序，重復(fù)進(jìn)行各種操作。目前的各類工業(yè)機(jī)器人大都屬于第一代機(jī)器人。第二代機(jī)器人是具有一定傳感器反饋功能的機(jī)器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息，通過計(jì)算機(jī)處理、分析，機(jī)器人按照己編好的程序做出一定推理，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)的智能。當(dāng)前，對(duì)第二代機(jī)器人的研究著重于實(shí)際應(yīng)用與普及推廣上。第三代機(jī)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(jī)器人。它具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨(dú)立行動(dòng)。第三代機(jī)器人又稱為智能機(jī)器人，并己成為機(jī)器人學(xué)科的研究重點(diǎn)，但目前還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段[1]。
機(jī)器人技術(shù)己成為當(dāng)前科技研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用?？梢灶A(yù)見到，機(jī)器人將在21世紀(jì)人類社會(huì)生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。
1.2.2 機(jī)器人技術(shù)
機(jī)器人學(xué)是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學(xué)科，該學(xué)科涉及領(lǐng)域廣泛，集中了機(jī)械工程、電氣與電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程、生物科學(xué)以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最新成就[2]。機(jī)器人充分體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長(zhǎng)，它比傳統(tǒng)機(jī)器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。目前，機(jī)器人及其自動(dòng)化成套裝備己成為國(guó)內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，與此同時(shí)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(gè)領(lǐng)域滲透[2]。
目前，雖然機(jī)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(xué)科的發(fā)展和社會(huì)需要的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢(shì)，如網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)、虛擬機(jī)器人技術(shù)、協(xié)作機(jī)器人技術(shù)、微型機(jī)器人技術(shù)和雙足步行機(jī)器人技術(shù)等。人們普遍認(rèn)為，機(jī)器人技術(shù)將成為緊隨計(jì)算機(jī)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(xué)技術(shù)的新時(shí)代[3]。
1.3 本課題的主要工作
本課題源于“第一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中兩足行走機(jī)器人。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是兩足機(jī)器人還是鳳毛麟角。在機(jī)器人研究領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先水平的日本，推出了諸如舞蹈機(jī)器人等雙足行走機(jī)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(jī)器人造價(jià)非常昂貴。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類行走的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、轉(zhuǎn)彎、搖頭、擺大臂、擺小臂[4～10]。
2 雙足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
2.1 引言
兩足步行機(jī)器人是研究?jī)勺悴叫械膶?shí)驗(yàn)對(duì)象，不同的兩足步行機(jī)器人在自由度、驅(qū)動(dòng)方式、重量、高度、結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大的差異。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不同，其控制方式也有所區(qū)別。為了對(duì)兩足步行機(jī)器人進(jìn)行深入的研究，使其實(shí)現(xiàn)預(yù)定的步行功能，必須對(duì)其機(jī)構(gòu)有深入的了解和認(rèn)識(shí)。
2.2 兩足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析
兩足步行機(jī)器人是對(duì)人類自身的模仿，但是人類總共有上肢52對(duì)，下肢62對(duì)，背部112對(duì)，胸部52對(duì)，腰部8對(duì)，頸部16對(duì)，頭部25對(duì)之多的肌肉。從目前的科學(xué)發(fā)展情況來看，要控制具有400個(gè)雙作用式促進(jìn)器的多變量系統(tǒng)是不可能的，因此，在設(shè)計(jì)步行機(jī)械時(shí)，人們只考慮移動(dòng)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[11]。
2.3 機(jī)器人設(shè)計(jì)思路
由于這個(gè)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(gè)小組通過各種途徑了解各種兩足機(jī)器人，通過模仿其他設(shè)計(jì)成功的機(jī)器人為設(shè)計(jì)主要思路，來設(shè)計(jì)我們的兩足步行機(jī)器人，如圖2.1，是我們這次設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。
圖2.1 兩足機(jī)器人的雛形
2.4 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案
由于我們要求設(shè)計(jì)的是比較簡(jiǎn)單的兩足機(jī)器人，所以有關(guān)平衡和ZMP等計(jì)算全部省略，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)候盡量把兩足機(jī)器人整體高度設(shè)計(jì)的盡量的矮一點(diǎn)，兩面設(shè)計(jì)的對(duì)稱，腳設(shè)計(jì)盡量的大一點(diǎn)，以此達(dá)到兩足步行機(jī)器人的平衡[12～15]。
通過上面所述和查閱相關(guān)兩足機(jī)器人行走的視屏，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)17自由度的雙足步行機(jī)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(dòng)力源采用舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。這樣不但可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精度高以及大大增加關(guān)節(jié)所能達(dá)到的最大角度，而且驅(qū)動(dòng)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(jī)器人模型
圖2.2雙足機(jī)器人，頭部?jī)H一個(gè)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(gè)自由度（圖2.4，圖2.5），髖關(guān)節(jié)一個(gè)自由度，大腿（圖2.6，圖2.7）2個(gè)自由度，小腿和腳步各一個(gè)自由度。各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)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(dòng)范圍以實(shí)際為準(zhǔn)）。
圖2.3 機(jī)器人頭部和身體
圖2.4 機(jī)器人左手臂圖 圖2.5 機(jī)器人右手臂
圖2.6 機(jī)器人左腿 圖2.7 機(jī)器人左腿
雙足步行機(jī)器人的一個(gè)主要問題就是雙足動(dòng)態(tài)步行的固有不穩(wěn)定性。為了使其穩(wěn)定行走，機(jī)器人本體設(shè)計(jì)和行走步態(tài)規(guī)劃都很重要。在進(jìn)行機(jī)器人本體設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的問題有關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的限制，主要機(jī)構(gòu)的剛度，擺動(dòng)腿著地時(shí)沖擊載荷對(duì)機(jī)器人本體可能帶來的損壞，桿件間連接，機(jī)體重量、材料以及易于操作維修等等。
2.5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇
由于此次設(shè)計(jì)的兩足步行機(jī)器人只是達(dá)到簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)，而且為了使兩足步行機(jī)器人行走穩(wěn)定，所以對(duì)機(jī)器人的各個(gè)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(dòng)都是由舵機(jī)來完成。
3 雙足機(jī)器人的具體制作
3.1 雙足機(jī)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(jī)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(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鋁合金。
3.2 雙足機(jī)器人的零件加工
3.2.1 加工機(jī)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(gè)鋁板加工好以后，需要精確折彎，所以選擇折彎?rùn)C(jī)來進(jìn)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(jiǎn)稱WEDM）是在電火花加工基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)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，它是利用絲狀電極靠火花放電對(duì)工件進(jìn)行切割，簡(jiǎn)稱線切割。
（2）加工原理、特點(diǎn)及應(yīng)用
電火花線切割加工的基本原理（如圖3.1）是利用快速移動(dòng)的電極絲，對(duì)工件進(jìn)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(dá)到切割工件，去除材料的目的。
圖3.1 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(jī)械加工相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：
(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(xì)，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(shí)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(gè)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(jī)床簡(jiǎn)介
一臺(tái)普通的線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成如圖3.2所示。它總體上由主機(jī)，脈沖電源，數(shù)控系統(tǒng)三部分組成。此外，機(jī)床的主機(jī)部分還附加了工作液循環(huán)系統(tǒng)。主機(jī)由床身、工作臺(tái)、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)、絲架和工作液系統(tǒng)等組成，是機(jī)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(shí)時(shí)控制。
圖3.3 線切割機(jī)床
圖3.2 線切割機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的指令格式。常用的有兩種：G指令和3B指令，可根據(jù)實(shí)際需要來選擇。
如今的線切割機(jī)床都帶有自動(dòng)編程功能，即操作者只需將要切割的圖形在機(jī)器繪制出來并存盤，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析并生成加工程序，避免的煩瑣的手工編程，所以兩足機(jī)器人的所有零件都是由線切割機(jī)床自動(dòng)編程[14]。
3.2.3 折彎?rùn)C(jī)的相關(guān)簡(jiǎn)單介紹
圖3.3是折彎?rùn)C(jī)機(jī)床，圖3.4是折彎?rùn)C(jī)刀口。
圖3.3 折彎?rùn)C(jī)機(jī)床 3.4 折彎?rùn)C(jī)刀口
3.3 兩足機(jī)器人的組裝
3.3.1 舵機(jī)和部分配件的組裝
用M3×11的螺栓將配件和舵機(jī)組裝在一起，如圖3.5所示。注意在安裝舵機(jī)時(shí)候，首先將螺栓放入側(cè)面的孔中，然后通過四個(gè)螺栓緊固舵機(jī)。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(jī)外殼。
圖3.5 舵機(jī)和配件組裝
3.3.2 兩足步行機(jī)器人的兩個(gè)上肢的組裝
兩足機(jī)器人每只上肢由兩個(gè)舵機(jī)組成，具有兩個(gè)自由度。安裝前將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在90°，這樣有利于上肢有擺動(dòng)的余地。因此舵機(jī)最大角度是180°。當(dāng)把安裝角度設(shè)定在90°時(shí)，與配件相配合不會(huì)放生干涉，可以順利的完成一些指定動(dòng)作，如圖3.6所示。
圖3.6 機(jī)器人兩上肢
3.3.3 兩足機(jī)器人軀干的組裝
軀干由四個(gè)舵機(jī)組成，具有四個(gè)自由度，控制胳膊前后旋轉(zhuǎn)兩個(gè)，控制大腿左右擺動(dòng)兩個(gè)。安裝前還是將舵機(jī)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(shí)候一定要注意每個(gè)螺栓必須緊固牢靠，防止松動(dòng)，如圖3.7。
圖3.7 機(jī)器人軀干
3.3.4 兩足機(jī)器人腿部的組裝
兩足機(jī)器人腿部是最為重要的，所以安裝時(shí)候得更加小心仔細(xì)。每個(gè)下肢由四個(gè)舵機(jī)組成，具有四個(gè)自由度，安裝前舵機(jī)還是將初始角度設(shè)置在90°，另外安裝時(shí)候
注意兩個(gè)腿之間的干涉，如圖3.8。
圖3.8 機(jī)器人左腿
3.3.5 兩足機(jī)器人頭部的安裝
兩足機(jī)器人頭部安裝比較容易，直接將頭部用螺絲緊固在舵機(jī)上就可以了，如圖3.9。
圖3.9 機(jī)器人頭部
如圖3.10所示，是兩足步行機(jī)器人的總裝圖，是將17臺(tái)舵機(jī)以積木的方式搭成人形的。機(jī)體大部分是由舵機(jī)組成的，各個(gè)舵機(jī)是由一些鋁合金件連接而成[15]。
圖 3.10 機(jī)器人總裝圖
3.4 兩足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù)
兩足機(jī)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(hào) 數(shù)量
舵機(jī) 12（N×m） 17
鋁制零件 42
螺栓螺帽 M3×11(mm) 145
3.5 兩足機(jī)器人總體尺寸
兩足機(jī)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(jī)具體參數(shù)
舵機(jī)的相關(guān)參數(shù)，如表3.3
表3.3 舵機(jī)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(gè)月里，經(jīng)歷了機(jī)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(gè)好的可行的總體制作方案。我們的設(shè)計(jì)方案是依靠網(wǎng)上做好的機(jī)器人為模板，進(jìn)行模仿，希望下屆能夠設(shè)計(jì)出自己開發(fā)的機(jī)器人。（2）材料如何選擇。我們?cè)诓牧线x擇時(shí)，試驗(yàn)了很多的材料，如塑料，鋁板，不銹鋼，等等，但是由于要求強(qiáng)度高，剛度高，質(zhì)量要輕，所以選擇了鋁板。但是，鋁板相對(duì)較軟，在線切割時(shí)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(shí)候的問題。由于理想和現(xiàn)實(shí)存在著差異，所以當(dāng)材料加工出來進(jìn)行組裝時(shí)，出現(xiàn)很多問題，由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)盡量緊湊，以降低重心，但是在組裝時(shí)候，出現(xiàn)了很多的干涉，裝螺母螺帽的時(shí)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(jì)時(shí)，在保證緊湊的同時(shí)，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(jì)中本人所遇到的典型問題，希望給下屆的畢業(yè)設(shè)計(jì)帶來啟發(fā)。同時(shí)，希望下屆的師弟師妹能夠把這個(gè)課題做的更好。
參 考 文 獻(xiàn)
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