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1、两足行走机器人行走结构部分设计 机械工程及自动化 许峰 指导老师 刘艳摘要 20世纪40年代，伴随着遥控操纵器和数控制造技术的出现，关于机器人技术的研究开始出现。经过几十年的发展，数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的机器人已进入了实用化阶段。目前，机器人大多以轮子的形式实现行走功能阶段。真正模仿人类用腿走路的机器人还不多，虽有一些六足、四足机器人涌现，但是两足机器人还是凤毛麟角。本课题主要针对两足机器人的行走进行研究、分析、设计，然后材料加工制作，最后进行组装和行走调试。关键词 研究 设计 制作1 绪论1.1 引言目前，机器人已形成一个不同技术层次、应用于多种环境的“庞大”家族，从天上到地
2、下，从陆地到海洋到处都可以看到机器人的身影。世界著名机器人专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授曾经指出“机器人应当具有的最大的特征之一是步行功能”。步行机器人的研究涉及到多门学科的交叉融合，如仿生学、机构学、控制理论与工程学、电子工程学、计算机科学及传感器信息融合等。仿人形机器人正成为机器人研究中的一个热点，其研究水平，在一定程度上代表了一个国家的高科技发展水平和综合实力。研究仿人形双足步行机器人，除了具有重要的学术意义，还有现实的应用价值。1.2 机器人的发展及技术1.2.1 机器人的发展20世纪40年代，伴随着遥控操纵器和数控制造技术的出现，关于机器人技术的研究开始出现。60年代美国的Con
3、solidated Control公司研制出第一台机器人样机，并成立了Unimation公司，定型生产了Unimate机器人。20世纪70年代以来，工业机器人产业蓬勃兴起，机器人技术逐渐发展为专门学科。1970年，第一次国际机器人会议在美国举行。经过几十年的发展，数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的机器人已进入了实用化阶段。目前，尽管关于机器人的定义还未统一，但一般认为机器人的发展按照从低级到高级经历了三代。第一代机器人，主要指只能以“示教-再现”方式工作的机器人，其只能依靠人们给定的程序，重复进行各种操作。目前的各类工业机器人大都属于第一代机器人。第二代机器人是具有一定传感器反馈功能的机
4、器人，其能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人按照己编好的程序做出一定推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智能。当前，对第二代机器人的研究着重于实际应用与普及推广上。第三代机器人是指具有环境感知能力，并能做出自主决策的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维，判断决策，在作业环境中可独立行动。第三代机器人又称为智能机器人，并己成为机器人学科的研究重点，但目前还处于实验室探索阶段1。机器人技术己成为当前科技研究和应用的焦点与重心，并逐渐在工农业生产和国防建设等方面发挥巨大作用。可以预见到，机器人将在21世纪人类社会生产和生活中扮演更加重要的角色。1.2.2
5、 机器人技术机器人学是一门发展迅速的且具有高度综合性的前沿学科，该学科涉及领域广泛，集中了机械工程、电气与电子工程、计算机工程、自动控制工程、生物科学以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最新成就2。机器人充分体现了人和机器的各自特长，它比传统机器具有更大的灵活性和更广泛的应用范围。机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。目前，机器人及其自动化成套装备己成为国内外备受重视的高新技术应用领域，与此同时它正以惊人的速度向海洋、航空、航天、军事、农业、服务、娱乐等各个领域渗透2。目前，虽然机器人的能力还是非常有限的，但是它正在迅速发展。随着
6、各学科的发展和社会需要的发展，机器人技术出现了许多新的发展方向和趋势，如网络机器人技术、虚拟机器人技术、协作机器人技术、微型机器人技术和双足步行机器人技术等。人们普遍认为，机器人技术将成为紧随计算机技术及网络技术之后的又一次重大的技术革命，它很可能将世界推向科学技术的新时代3。1.3 本课题的主要工作本课题源于“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中两足行走机器人。目前，机器人大多以轮子的形式实现行走功能阶段。真正模仿人类用腿走路的机器人还不多，虽有一些六足、四足机器人涌现，但是两足机器人还是凤毛麟角。在机器人研究领域处于国际领先水平的日本，推出了诸如舞蹈机器人等双足行走机器人，但成千上万的传感
7、器和复杂的控制系统使这类机器人造价非常昂贵。我们这个课题，探索设计仅靠巧妙的机械装置和简单的控制系统就能实现模拟人类行走的机器人。其分功能有：交替迈腿、转弯、摇头、摆大臂、摆小臂410。2 双足机器人本体结构设计分析2.1 引言两足步行机器人是研究两足步行的实验对象，不同的两足步行机器人在自由度、驱动方式、重量、高度、结构特征等方面都存在很大的差异。机器人的结构不同，其控制方式也有所区别。为了对两足步行机器人进行深入的研究，使其实现预定的步行功能，必须对其机构有深入的了解和认识。2.2 两足机器人的结构分析两足步行机器人是对人类自身的模仿，但是人类总共有上肢52对，下肢62对，背部112对，胸
8、部52对，腰部8对，颈部16对，头部25对之多的肌肉。从目前的科学发展情况来看，要控制具有400个双作用式促进器的多变量系统是不可能的，因此，在设计步行机械时，人们只考虑移动的基本功能。例如，只考虑在平地或者具有已知障碍物的情况下的步行11。2.3 机器人设计思路由于这个课题是本校的第一次出现，没有可以借鉴的资料，所以我们这个小组通过各种途径了解各种两足机器人，通过模仿其他设计成功的机器人为设计主要思路，来设计我们的两足步行机器人，如图2.1，是我们这次设计的主要依据。图2.1 两足机器人的雏形2.4 机器人设计方案由于我们要求设计的是比较简单的两足机器人，所以有关平衡和ZMP等计算全部省略，
9、我们设计时候尽量把两足机器人整体高度设计的尽量的矮一点，两面设计的对称，脚设计尽量的大一点，以此达到两足步行机器人的平衡1215。通过上面所述和查阅相关两足机器人行走的视屏，我们设计了一个17自由度的双足步行机器人模型，如图2.2所示。显示的结构特征就是采用多关节型结构。动力源采用舵机直接驱动。这样不但可以实现结构紧凑、传动精度高以及大大增加关节所能达到的最大角度，而且驱动源全为干电池，便于集中控制和程序化控制。图2.2 双足步行机器人模型图2.2双足机器人，头部仅一个旋转自由度，它和身体相连接（图2.3）。肩关节、大臂和小臂各一个自由度（图2.4，图2.5），髋关节一个自由度，大腿（图2.6
10、，图2.7）2个自由度，小腿和脚步各一个自由度。各个关节的活动范围理论上是180度（由于零件之间互相干涉，关节之间活动范围以实际为准）。图2.3 机器人头部和身体图2.4 机器人左手臂图 图2.5 机器人右手臂图2.6 机器人左腿 图2.7 机器人左腿双足步行机器人的一个主要问题就是双足动态步行的固有不稳定性。为了使其稳定行走，机器人本体设计和行走步态规划都很重要。在进行机器人本体设计时需要着重考虑的问题有关节驱动力矩的限制，主要机构的刚度，摆动腿着地时冲击载荷对机器人本体可能带来的损坏，杆件间连接，机体重量、材料以及易于操作维修等等。2.5 驱动方式的选择由于此次设计的两足步行机器人只是达到
11、简单运动，而且为了使两足步行机器人行走稳定，所以对机器人的各个关节旋转的角度和配合都需要比较精确的控制，所以所有的驱动都是由舵机来完成。3 双足机器人的具体制作3.1 双足机器人的材料选择材料的选取要本着重量轻，高刚度的原则。机器人本体主体材料选用铝合金(LY12)，这种材料重量轻、硬度高，强度远远高于普通铝合金。3.2 双足机器人的零件加工3.2.1 加工机器的选择（1） 由于选择的是质量轻，高刚度的铝合金板，厚度只有1mm，所以选择最佳的加工方法是电火花线切割加工。（2） 各个铝板加工好以后，需要精确折弯，所以选择折弯机来进行折弯。3.2.2 线切割的相关介绍（1）概述电火花线切割加工（W
12、ire Cut Electrical Discharge Machining ，简称WEDM）是在电火花加工基础上，于20世纪50年代末最早在前苏联发展起来的一种新的工艺形式，它是利用丝状电极靠火花放电对工件进行切割，简称线切割。（2）加工原理、特点及应用电火花线切割加工的基本原理（如图3.1）是利用快速移动的电极丝，对工件进行脉冲火花放电，腐蚀工件表面，使工件材料局部熔化和气化，从而达到切割工件，去除材料的目的。 图3.1 电火花加工原理图电火花线切割加工属于特种加工。它与传统的机械加工相比，有如下优点：(a)非接触式，适合高硬度难切削材料的加工。(b)十分适合复杂形孔及外形的加工。(c)切
13、缝细，节省宝贵的金属材料。(d)加工的尺寸精度高，表面粗糙度好。(e)易于实现数字控制。(f)加工的残余应力较小。电火花线切割加工也有它的局限性。这主要体现在以下几个方面：(a）仅限于金属等导电材料的加工。(b）加工速度较慢，生产效率较低。(c）存在电极损耗和二次放电。(d)最小角部半径有限制。（3）线切割机床简介一台普通的线切割机床的结构组成如图3.2所示。它总体上由主机，脉冲电源，数控系统三部分组成。此外，机床的主机部分还附加了工作液循环系统。主机由床身、工作台、运丝机构、丝架和工作液系统等组成，是机床的主要部分。脉冲电源又称高频电源，其作用是把普通的50HZ交流电转换成高频单向脉冲电压。
14、数控系统以电脑为核心，用程序实现电极丝放电加工全过程的实时控制。 图3.3 线切割机床图3.2 线切割机床（4）线切割程序编制线切割编程涵盖了切割图形、切割路径及切割次数等工艺信息。线切割程序有着标准的指令格式。常用的有两种：G指令和3B指令，可根据实际需要来选择。如今的线切割机床都带有自动编程功能，即操作者只需将要切割的图形在机器绘制出来并存盘，系统会自动分析并生成加工程序，避免的烦琐的手工编程，所以两足机器人的所有零件都是由线切割机床自动编程14。3.2.3 折弯机的相关简单介绍 图3.3是折弯机机床，图3.4是折弯机刀口。 图3.3 折弯机机床 3.4 折弯机刀口3.3 两足机器人的组装
15、3.3.1 舵机和部分配件的组装用M311的螺栓将配件和舵机组装在一起，如图3.5所示。注意在安装舵机时候，首先将螺栓放入侧面的孔中，然后通过四个螺栓紧固舵机。数据线从铝板侧面的方孔穿过，这样安装才不损坏数据线和舵机外壳。图3.5 舵机和配件组装3.3.2 两足步行机器人的两个上肢的组装两足机器人每只上肢由两个舵机组成，具有两个自由度。安装前将舵机初始的角度设定在90，这样有利于上肢有摆动的余地。因此舵机最大角度是180。当把安装角度设定在90时，与配件相配合不会放生干涉，可以顺利的完成一些指定动作，如图3.6所示。图3.6 机器人两上肢3.3.3 两足机器人躯干的组装躯干由四个舵机组成，具有
16、四个自由度，控制胳膊前后旋转两个，控制大腿左右摆动两个。安装前还是将舵机初始的角度设定在90，配件由螺栓固定，为了美观，螺栓均放在里面，由于受到空间限制，操作比较困难，但是安装时候一定要注意每个螺栓必须紧固牢靠，防止松动，如图3.7。图3.7 机器人躯干3.3.4 两足机器人腿部的组装两足机器人腿部是最为重要的，所以安装时候得更加小心仔细。每个下肢由四个舵机组成，具有四个自由度，安装前舵机还是将初始角度设置在90，另外安装时候注意两个腿之间的干涉，如图3.8。图3.8 机器人左腿3.3.5 两足机器人头部的安装两足机器人头部安装比较容易，直接将头部用螺丝紧固在舵机上就可以了，如图3.9。图3.
17、9 机器人头部如图3.10所示，是两足步行机器人的总装图，是将17台舵机以积木的方式搭成人形的。机体大部分是由舵机组成的，各个舵机是由一些铝合金件连接而成15。图 3.10 机器人总装图 3.4 两足机器人相关数据两足机器人所有零部件清单，如表3.1。表3.1 零部件清单 名称 型号 数量 舵机 12（Nm） 17 铝制零件 42 螺栓螺帽 M311(mm) 1453.5 两足机器人总体尺寸两足机器人的相关尺寸，如表3.2表3.2 总体尺寸 名称 尺寸（高宽mm） 总体 385242 手臂 17550 腿部 18540 脚 64203.6 舵机具体参数舵机的相关参数，如表3.3表3.3 舵机参
18、数尺寸重量速度扭力使用电压40.8*19.9*37.3mm56.3g0.24sec/60度12公斤/厘米4.8V7.2V4 课题总结在过去的三个月里，经历了机器人总体方案的研究和选择，材料的购买和加工，到最后的组装和调试，遇到了很多的困难。我们总结了小组的不足，希望给下届师弟师妹，例如：（1）何选择一个好的可行的总体制作方案。我们的设计方案是依靠网上做好的机器人为模板，进行模仿，希望下届能够设计出自己开发的机器人。（2）材料如何选择。我们在材料选择时，试验了很多的材料，如塑料，铝板，不锈钢，等等，但是由于要求强度高，刚度高，质量要轻，所以选择了铝板。但是，铝板相对较软，在线切割时候很容易使钼丝
19、断掉，所以给加工带来了很多不便，希望能找到更好的材料。（3）材料组装时候的问题。由于理想和现实存在着差异，所以当材料加工出来进行组装时，出现很多问题，由于当时设计尽量紧凑，以降低重心，但是在组装时候，出现了很多的干涉，装螺母螺帽的时候由于结构间隙太小，安装比较麻烦，所以希望下届在总体设计时，在保证紧凑的同时，要留出一定间隙保证不干涉和足够的安装间隙。以上就是本次毕业设计中本人所遇到的典型问题，希望给下届的毕业设计带来启发。同时，希望下届的师弟师妹能够把这个课题做的更好。参 考 文 献1 周远清，张再兴等编著. 智能机器人系统M. 北京: 清华大学出版社,1989.2 蒋新松主编. 机器人学导论
20、M. 沈阳: 辽宁科学技术出版社，1994.3 方建军，何广平. 智能机器人M. 北京:化学工业出版社,2004.4 张永学. 双足机器人步态规划及步行控制研究D. 哈尔滨工业大学博士学位论文. 2001.5 刘志远. 两足机器人动态行走研究D. 哈尔滨工业大学博士论文. 1991.6 刘志远，戴绍安，裴润，张栓，傅佩深. 零力矩点与两足机器人动态行走稳定性的关系N. 哈尔滨工业大学学报. 1994.7 纪军红. HIT-双足步行机器人步态规划研究D. 哈尔滨工业大学博士论文，2000.8 麻亮，纪军红，强文义，傅佩深. 基于力矩传感器的双足机器人在线模糊步态调整器设计R. 2000.9 竺长
21、安. 两足步行机器人系统分析、设计及运动控制D. 国防科技大学博士论文. 1992.10 马宏绪. 两足步行机器人动态步行研究D. 国防科技大学博士论文. 1995.11 包志军. 仿人型机器人运动特性研究D. 上海交通大学博士论文. 2000.12 孙富春，朱纪洪，刘国栋等. 机器人学导论-分析、系统及应用M. 北京:电子工业出版社，2004.13 柳洪义，宋伟刚. 机器人技术基础M. 北京:冶金工业出版社，200214 刘晋春，白基成，郭永丰. 特种加工M. 北京:机械工业出版社，2008.3.15 解仑，王志良，李华俊.双足步行机器人制作技术M. 北京:机械工业出版社，2008.4.09
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