兩足行走機器人行走部分的設(shè)計

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本科畢業(yè)設(shè)計說明書（小論文） 第 13 頁 共 13 頁 兩足行走機器人——行走結(jié)構(gòu)部分設(shè)計 機械工程及自動化 許峰 指導老師 劉艷 摘要 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)。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，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。本課題主要針對兩足機器人的行走進行研究、分析、設(shè)計，然后材料加工制作，最后進行組裝和行走調(diào)試。 關(guān)鍵詞 研究 設(shè)計 制作 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?？梢灶A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用范圍。機器人的出現(xiàn)和應用是人類生產(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、娛樂等各個領(lǐng)域滲透[2]。 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 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、轉(zhuǎn)彎、搖頭、擺大臂、擺小臂[4～10]。 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，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[11]。 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[12～15]。 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。 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，它是利用絲狀電極靠火花放電對工件進行切割，簡稱線切割。 （2）加工原理、特點及應用 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3.1 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3.2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 圖3.2 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3.3是折彎機機床，圖3.4是折彎機刀口。 圖3.3 折彎機機床 3.4 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3.5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3.5 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3.6所示。 圖3.6 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3.7。 圖3.7 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3.8。 圖3.8 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3.9。 圖3.9 機器人頭部 如圖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 3.10 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。 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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