兩足拉車機器人行走部分的設計（拉車機器人）【含CAD圖紙源文件】

目 錄1 緒論 11.1 引 言 11.2 機器人 的發(fā)展及技術 11.3 兩足機器人的優(yōu)點及國內外研究概況 21.4 本課題的主要工作 72 雙足機器人本 體結構設計分析 82.1 引言 82.2 兩足機器人的結構分析 82.3 機器人設計思路 92.4 機器人設計方案 102.5 驅動方式的選擇 123 雙足機器 人的具體制作 133.1 雙足機器人的材料選擇 133.2 雙足機器人的零件加工 133.3 兩足機器人的組裝 163.4 兩足機器人相關數(shù)據 193.5 兩足機器人總體尺寸 193.6 舵機具體參數(shù) 194 課題總結 20結束語 21致謝 22參考文獻 231 緒論1.1 引言目前，機器人已形成一個不同技術層次、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意義，還有現(xiàn)實的應用價值。玩具是開發(fā)兒童智力、對兒童進行早期教育的最好工具，玩具的種類繁多，本文主要是設計行走式木偶拉車玩具。行走式木偶拉車玩具對于兒童適用性很強，操作簡單。有利于兒童的智力開發(fā)。行走式木偶拉車玩具主要是增強兒童的手腦并用能力。根據調查，在地球上近一半的地面不適合于傳統(tǒng)的輪式或履帶式木偶玩具行走，但是一般行走式木偶拉車玩具卻能在這些地方行動自如。因此，行走式木偶拉車玩具與輪式及履帶式木偶玩具相比具有獨特的優(yōu)勢。行走式木偶拉車玩具對崎嶇路面具有很好的適應能力，行走式木偶拉車玩具的立足點是離散的點，可以調整姿態(tài)在可能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐點。行走式木偶拉車玩具可以相當平穩(wěn)地行走，能較安全的保護好兒童。因此行走式木偶拉車玩具受到廣泛兒童及家長的喜愛（如圖所示） 。1.2 機器人的發(fā)展及技術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)控制造技術的出現(xiàn)，關于機器人技術的研究開始出現(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，定型生產了 Unimate 機器人。20 世紀 70 年代以來，工業(yè)機器人產業(yè)蓬勃興起，機器人技術逐漸發(fā)展為專門學科。1970 年，第一次國際機器人會議在美國舉行。經過幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結構、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機器人已進入了實用化階段。1.2.2 機器人技術機器人學是一門發(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)和應用是人類生產和社會進步的需要，是科學技術發(fā)展和生產工具進化的必然。目前，機器人及其自動化成套裝備己成為國內外備受重視的高新技術應用領域，與此同時它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農業(yè)、服務、娛樂等各個領域滲透。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。本課題通過對行走式木偶拉車玩具的設計，使我們了解到玩具與機械制造的完美結合。結合行走式木偶拉車玩具運動靈活、對復雜地形的自適應運動能力強，具有廣闊的市場前景。首先，行走式木偶拉車玩具的運動軌跡是一系列孤立的點，而輪式和履帶式木偶的是一系列連續(xù)的軌跡；在含有巖石、泥土、沙子等障礙物的不規(guī)則的地面，可以穩(wěn)定支撐木偶的連續(xù)地面有限的情況下，輪式和履帶式木偶在這種環(huán)境中就受到了一定的限制，不適合在這種環(huán)境中使用。而行走式木偶拉車玩具運動時只需要離散的點來支撐，對這種地形的適應性就比輪式和履帶式木偶要強很多。這一點使得行走式木偶更能夠受到大家歡迎。其次，行走式木偶拉車玩具是模仿動物的運動方式的一種木偶玩具；自古以來，自然界就是人類各種科學技術原理及重大發(fā)明的源泉。生物界有著種類繁多的動植物及物質存在，生物在漫長的進化過程中，為了求得生存與發(fā)展，逐漸具備了適應自然界變化的本領；人類生活在自然界中，與周圍的生物作“鄰居” ，這些生物各種各樣的奇異本領，吸引著人們去想象和模仿，要模仿這些生物，就必須對這些生物進行深入的研究；行走式木偶拉車玩具是對動物模仿的結果，反過來，行走式木偶拉車玩具也可以驗證生物學的一些最新的研究成果并對相關的生物學等學科的發(fā)展起到積極推動促進作用。最后，行走式木偶拉車玩具由于具有類似動物的結構和運動方式，能直接進入人的生活之中；當前世界人口的老齡化趨勢越來越明顯：對于我們國家來說，基本上每個家庭都只有一個孩子，沒有玩伴，孩子基本上處于孤獨之中，而飼養(yǎng)寵物對于大多數(shù)人來說太過于麻煩和不方便，而行走式木偶拉車玩具的出現(xiàn)，正好可以彌補這一缺憾。但由于行走式木偶拉車玩具的機構和控制相對復雜，相關技術還不成熟，目前所研制的四足機器人普遍存在運行速度慢、地形自適應運動能力差、負載輕等問題。1.3 機器人的優(yōu)點及國內外研究概況1.3.1 拉車機器人的優(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)是一個內在的不穩(wěn)定系統(tǒng)，其動力學特性非常復雜，具有多變量、強耦合、非線性和變結構的特點。因此，它是控制理論和控制工程領域的一個極好的研究對象，開展雙足步行技術的研究，必然推動控制理論的發(fā)展和控制技術的進步。再次，行走式木偶拉車玩具由于具有類似動物的結構和運動方式，能直接進入人的生活之中；當前世界人口的老齡化趨勢越來越明顯：對于我們國家來說，基本上每個家庭都只有一個孩子，沒有玩伴，孩子基本上處于孤獨之中，而飼養(yǎng)寵物對于大多數(shù)人來說太過于麻煩和不方便，而行走式木偶拉車玩具的出現(xiàn)，正好可以彌補這一缺憾。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。在機器人研究領域處于國際領先水平的日本，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 雙足機器人本體結構設計分析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、驅動方式、重量、高度、結構特征等方面都存在很大的差異。機器人的結構不同，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，必須對其機構有深入的了解和認識。2.2 兩足機器人的結構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，髖部再加一個扭轉自由度，可改變行走方向，踝關節(jié)處加一個旋轉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 72 個自由度(髖關節(jié) 3 個，膝關節(jié) 1 個，踝關節(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，所以各研究機構都選擇了 62 個自由度(髖關節(jié) 3 個，膝關節(jié) 1 個，踝關節(jié) 2 個)，如：哈爾濱工業(yè)大學的 HIT-、國防科技大的“先行者” 。2.3 機器人設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，通過模仿其他設計成功的機器人為設計主要思路，來設計我們的兩足步行機器人，如圖 2.1，是我們這次設計的主要依據。圖 2.1 兩足機器人的雛形2.4 機器人設計方案由于我們要求設計的是比較簡單的兩足機器人，所以有關平衡和 ZMP 等計算全部省略，我們設計時候盡量把兩足機器人整體高度設計的盡量的矮一點，兩面設計的對稱，腳設計盡量的大一點，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兩足機器人行走的視屏，我們設計了一個 17 自由度的雙足步行機器人模型，如圖 2.2 所示。顯示的結構特征就是采用多關節(jié)型結構。動力源采用舵機直接驅動。這樣不但可以實現(xiàn)結構緊湊、傳動精度高以及大大增加關節(jié)所能達到的最大角度，而且驅動源全為干電池，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，頭部僅一個旋轉自由度，它和身體相連接（圖 2.3） 。肩關節(jié)、大臂和小臂各一個自由度（圖 2.4，圖 2.5） ，髖關節(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。各個關節(jié)的活動范圍理論上是 180 度（由于零件之間互相干涉，關節(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，機器人本體設計和行走步態(tài)規(guī)劃都很重要。在進行機器人本體設計時需要著重考慮的問題有關節(jié)驅動力矩的限制，主要機構的剛度，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 驅動方式的選擇由于此次設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節(jié)旋轉的角度和配合都需要比較精確的控制，所以所有的驅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構組成如圖 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、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，用程序實現(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 拉車機器人的組裝3.3.1 舵機和部分配件的組裝用 M311 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，首先將螺栓放入側面的孔中，然后通過四個螺栓緊固舵機。數(shù)據線從鋁板側面的方孔穿過，這樣安裝才不損壞數(shù)據線和舵機外殼。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 兩足機器人相關數(shù)據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（Nm） 17鋁制零件 42螺栓螺帽 M311(mm) 1453.5 兩足機器人總體尺寸兩足機器人的相關尺寸，如表 3.2表 3.2 總體尺寸名 稱 尺 寸 （ 高 寬 mm）總體 385242 手臂 17550 腿部 18540腳 64203.6 舵機具體參數(shù)舵機的相關參數(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 4.8V7.2V4 課題總結在過去的三個月里，經歷了機器人總體方案的研究和選擇，材料的購買和加工，到最后的組裝和調試，遇到了很多的困難。我們總結了小組的不足，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。我們的設計方案是依靠網上做好的機器人為模板，進行模仿，希望下屆能夠設計出自己開發(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構間隙太小，安裝比較麻煩，所以希望下屆在總體設計時，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)設計中本人所遇到的典型問題，希望給下屆的畢業(yè)設計帶來啟發(fā)。同時，希望下屆的師弟師妹能夠把這個課題做的更好。結束語本論文是關于兩足機器人行走結構部分的設計。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)加以改進設計，總結這次的經驗和教訓，給下屆留下寶貴的經驗，我想他們一定會做的更好。通過這 3 個月的設計，使我對自己所學的知識有了更深入了解；在指導老師幫助下，通過收集各種有關資料所解決的畢業(yè)設計問題，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打下了一定的基礎。由于本人水平有限，經驗少。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，本人表示深深的謝意。致 謝首先，我要感謝的是指導老師龔光榮教授和劉艷老師，在他們的悉心指導下，我順利完成畢業(yè)設計。在設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，經過外文翻譯，開題報告，進行設計實驗，到完成畢業(yè)論文，一步一步都離不開劉老師的悉心指導。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，不僅在學術課題上給我很深的指導，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！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,1989.2 蔣新松主編. 機器人學導論M. 沈陽: 遼寧科學技術出版社，1994.3 方建軍，何廣平. 智能機器人M. 北京:化學工業(yè)出版社,2004.4 張永學. 雙足機器人步態(tài)規(guī)劃及步行控制研究D. 哈爾濱工業(yè)大學博士學位論文. 2001.5 劉志遠. 兩足機器人動態(tài)行走研究D. 哈爾濱工業(yè)大學博士論文. 1991.6 劉志遠，戴紹安，裴潤，張栓，傅佩深. 零力矩點與兩足機器人動態(tài)行走穩(wěn)定性的關系N. 哈爾濱工業(yè)大學學報. 1994.7 紀軍紅. HIT-雙足步行機器人步態(tài)規(guī)劃研究D. 哈爾濱工業(yè)大學博士論文，2000.8 麻亮，紀軍紅，強文義，傅佩深. 基于力矩傳感器的雙足機器人在線模糊步態(tài)調整器設計R. 2000.9 竺長安. 兩足步行機器人系統(tǒng)分析、設計及運動控制D. 國防科技大學博士論文. 1992.10 馬宏緒. 兩足步行機器人動態(tài)步行研究D. 國防科技大學博士論文. 1995.11 包志軍. 仿人型機器人運動特性研究D. 上海交通大學博士論文. 2000.12 孫富春，朱紀洪，劉國棟等. 機器人學導論-分析、系統(tǒng)及應用M. 北京:電子工業(yè)出版社，2004.13 柳洪義，宋偉剛. 機器人技術基礎M. 北京:冶金工業(yè)出版社，200214 劉晉春，白基成，郭永豐. 特種加工M. 北京:機械工業(yè)出版社，2008.3.15 解侖，王志良，李華俊.雙足步行機器人制作技術M. 北京:機械工業(yè)出版社，2008.4.