兩足拉車機(jī)器人行走部分的設(shè)計(jì)（拉車機(jī)器人）【含CAD圖紙?jiān)次募?/h1>

目 錄1 緒論 11.1 引 言 11.2 機(jī)器人 的發(fā)展及技術(shù) 11.3 兩足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究概況 21.4 本課題的主要工作 72 雙足機(jī)器人本 體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 82.1 引言 82.2 兩足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 82.3 機(jī)器人設(shè)計(jì)思路 92.4 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 102.5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 123 雙足機(jī)器 人的具體制作 133.1 雙足機(jī)器人的材料選擇 133.2 雙足機(jī)器人的零件加工 133.3 兩足機(jī)器人的組裝 163.4 兩足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù) 193.5 兩足機(jī)器人總體尺寸 193.6 舵機(jī)具體參數(shù) 194 課題總結(jié) 20結(jié)束語 21致謝 22參考文獻(xiàn) 231 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。玩具是開發(fā)兒童智力、對(duì)兒童進(jìn)行早期教育的最好工具，玩具的種類繁多，本文主要是設(shè)計(jì)行走式木偶拉車玩具。行走式木偶拉車玩具對(duì)于兒童適用性很強(qiáng)，操作簡(jiǎn)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(qiáng)兒童的手腦并用能力。根據(jù)調(diào)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(dòng)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。行走式木偶拉車玩具對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，行走式木偶拉車玩具的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，可以調(diào)整姿態(tài)在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)。行走式木偶拉車玩具可以相當(dāng)平穩(wěn)地行走，能較安全的保護(hù)好兒童。因此行走式木偶拉車玩具受到廣泛兒童及家長(zhǎng)的喜愛（如圖所示） 。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。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。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。本課題通過對(duì)行走式木偶拉車玩具的設(shè)計(jì)，使我們了解到玩具與機(jī)械制造的完美結(jié)合。結(jié)合行走式木偶拉車玩具運(yùn)動(dòng)靈活、對(duì)復(fù)雜地形的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。首先，行走式木偶拉車玩具的運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列孤立的點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)時(shí)只需要離散的點(diǎn)來支撐，對(duì)這種地形的適應(yīng)性就比輪式和履帶式木偶要強(qiáng)很多。這一點(diǎn)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(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式的一種木偶玩具；自古以來，自然界就是人類各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉。生物界有著種類繁多的動(dòng)植物及物質(zhì)存在，生物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中，為了求得生存與發(fā)展，逐漸具備了適應(yīng)自然界變化的本領(lǐng)；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(lǐng)，吸引著人們?nèi)ハ胂蠛湍７拢７逻@些生物，就必須對(duì)這些生物進(jìn)行深入的研究；行走式木偶拉車玩具是對(duì)動(dòng)物模仿的結(jié)果，反過來，行走式木偶拉車玩具也可以驗(yàn)證生物學(xué)的一些最新的研究成果并對(duì)相關(guān)的生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展起到積極推動(dòng)促進(jìn)作用。最后，行走式木偶拉車玩具由于具有類似動(dòng)物的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，能直接進(jìn)入人的生活之中；當(dāng)前世界人口的老齡化趨勢(shì)越來越明顯：對(duì)于我們國(guó)家來說，基本上每個(gè)家庭都只有一個(gè)孩子，沒有玩伴，孩子基本上處于孤獨(dú)之中，而飼養(yǎng)寵物對(duì)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(bǔ)這一缺憾。但由于行走式木偶拉車玩具的機(jī)構(gòu)和控制相對(duì)復(fù)雜，相關(guān)技術(shù)還不成熟，目前所研制的四足機(jī)器人普遍存在運(yùn)行速度慢、地形自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)能力差、負(fù)載輕等問題。1.3 機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究概況1.3.1 拉車機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)首先，雙足步行的移動(dòng)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(jī)動(dòng)性。研究仿人形雙足步行機(jī)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(dòng)空間。其次，雙足步行機(jī)器人的步行系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)在的不穩(wěn)定系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)特性非常復(fù)雜，具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。因此，它是控制理論和控制工程領(lǐng)域的一個(gè)極好的研究對(duì)象，開展雙足步行技術(shù)的研究，必然推動(dòng)控制理論的發(fā)展和控制技術(shù)的進(jìn)步。再次，行走式木偶拉車玩具由于具有類似動(dòng)物的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，能直接進(jìn)入人的生活之中；當(dāng)前世界人口的老齡化趨勢(shì)越來越明顯：對(duì)于我們國(guó)家來說，基本上每個(gè)家庭都只有一個(gè)孩子，沒有玩伴，孩子基本上處于孤獨(dú)之中，而飼養(yǎng)寵物對(duì)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(bǔ)這一缺憾。1.4 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、搖頭、擺大臂、擺小臂。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19，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。鄭元芳博士從仿生學(xué)的角度對(duì)類人機(jī)器人的腿部自由度配置進(jìn)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(jī)器人的自由度配置。他認(rèn)為髖部和踝部設(shè)兩個(gè)自由度，可使機(jī)器人在不平地面上站立，髖部再加一個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處加一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地，這樣機(jī)器人的腿部需要有 72 個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié) 3 個(gè)，膝關(guān)節(jié) 1 個(gè)，踝關(guān)節(jié) 3 個(gè) 10)。但是，無論現(xiàn)在的兩足步行機(jī)器人還是擬人機(jī)器人都還只能在規(guī)則路面上行走，所以各研究機(jī)構(gòu)都選擇了 62 個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié) 3 個(gè)，膝關(guān)節(jié) 1 個(gè)，踝關(guān)節(jié) 2 個(gè))，如：哈爾濱工業(yè)大學(xué)的 HIT-、國(guó)防科技大的“先行者” 。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。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)來完成如圖 2.8。圖 2.8 舵機(jī)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（鉬絲或銅絲，見圖 3.1）靠火花放電對(duì)工件進(jìn)行切割，簡(jiǎn)稱線切割。圖 3.1 鉬絲（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 3.2）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 3.2 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(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 3.3 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（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 3.4 是折彎?rùn)C(jī)機(jī)床，圖 3.5 是折彎?rùn)C(jī)刀口。圖 3.4 折彎?rùn)C(jī)機(jī)床 3.5 折彎?rùn)C(jī)刀口3.3 拉車機(jī)器人的組裝3.3.1 舵機(jī)和部分配件的組裝用 M311 的螺栓將配件和舵機(jī)組裝在一起，如圖 3.4 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 3.4 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 3.5 所示。圖 3.5 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 3.6。圖 3.6 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 3.7。圖 3.7 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 3.8。圖 3.8 機(jī)器人頭部如圖 3.9，3.10 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 3.9 機(jī)器人總裝圖 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（Nm） 17鋁制零件 42螺栓螺帽 M311(mm) 1453.5 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 385242 手臂 17550 腿部 18540腳 64203.6 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 4.8V7.2V4 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(gòu)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。結(jié)束語本論文是關(guān)于兩足機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)。從了解各式各樣的兩足機(jī)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(gòu)買和加工、以及進(jìn)行機(jī)器人的組裝等的全過程，是對(duì)我所學(xué)四年知識(shí)的一個(gè)綜合檢查，也是對(duì)我獨(dú)立思考和解決問題的一次考驗(yàn)。盡管我的設(shè)計(jì)還有很多不足的地方，需要改進(jìn)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(jìn)設(shè)計(jì)，總結(jié)這次的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，給下屆留下寶貴的經(jīng)驗(yàn)，我想他們一定會(huì)做的更好。通過這 3 個(gè)月的設(shè)計(jì)，使我對(duì)自己所學(xué)的知識(shí)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(jì)問題，為我即將走上工作崗位，獨(dú)自去面對(duì)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(yàn)少。文中定有許多不妥甚至錯(cuò)誤之處，請(qǐng)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(jì)。在設(shè)計(jì)與制作的這段時(shí)間里，他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，平易近人的生活作風(fēng)，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(bào)告，進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行期間，老師對(duì)我的課題方向的了解深度與研究深度，嚴(yán)謹(jǐn)而一絲不茍的治學(xué)態(tài)度，平和而循循善誘的教學(xué)態(tài)度，不僅在學(xué)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(duì)劉艷老師表達(dá)我最誠(chéng)摯的感謝，感謝這幾個(gè)月來對(duì)我的巨大幫助。并祝劉艷老師在今后教學(xué)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(duì)友：吳玉坤、徐超、黃俊、徐昕晏最后感謝各位評(píng)審老師，能夠在百忙中抽出時(shí)間，對(duì)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(xiàn)1 周遠(yuǎn)清，張?jiān)倥d等編著. 智能機(jī)器人系統(tǒng)M. 北京: 清華大學(xué)出版社,1989.2 蔣新松主編. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論M. 沈陽: 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.3 方建軍，何廣平. 智能機(jī)器人M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.4 張永學(xué). 雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及步行控制研究D. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文. 2001.5 劉志遠(yuǎn). 兩足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走研究D. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文. 1991.6 劉志遠(yuǎn)，戴紹安，裴潤(rùn)，張栓，傅佩深. 零力矩點(diǎn)與兩足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走穩(wěn)定性的關(guān)系N. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 1994.7 紀(jì)軍紅. HIT-雙足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃研究D. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文，2000.8 麻亮，紀(jì)軍紅，強(qiáng)文義，傅佩深. 基于力矩傳感器的雙足機(jī)器人在線模糊步態(tài)調(diào)整器設(shè)計(jì)R. 2000.9 竺長(zhǎng)安. 兩足步行機(jī)器人系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制D. 國(guó)防科技大學(xué)博士論文. 1992.10 馬宏緒. 兩足步行機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行研究D. 國(guó)防科技大學(xué)博士論文. 1995.11 包志軍. 仿人型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性研究D. 上海交通大學(xué)博士論文. 2000.12 孫富春，朱紀(jì)洪，劉國(guó)棟等. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論-分析、系統(tǒng)及應(yīng)用M. 北京:電子工業(yè)出版社，2004.13 柳洪義，宋偉剛. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)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(jī)械工業(yè)出版社，2008.3.15 解侖，王志良，李華俊.雙足步行機(jī)器人制作技術(shù)M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.4. 目 錄1 緒論 11.1 引 言 11.2 機(jī)器人 的發(fā)展及技術(shù) 11.3 兩足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究概況 21.4 本課題的主要工作 72 雙足機(jī)器人本 體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 82.1 引言 82.2 兩足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 82.3 機(jī)器人設(shè)計(jì)思路 92.4 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 102.5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 123 雙足機(jī)器 人的具體制作 133.1 雙足機(jī)器人的材料選擇 133.2 雙足機(jī)器人的零件加工 133.3 兩足機(jī)器人的組裝 163.4 兩足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù) 193.5 兩足機(jī)器人總體尺寸 193.6 舵機(jī)具體參數(shù) 194 課題總結(jié) 20結(jié)束語 21致謝 22參考文獻(xiàn) 231 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。玩具是開發(fā)兒童智力、對(duì)兒童進(jìn)行早期教育的最好工具，玩具的種類繁多，本文主要是設(shè)計(jì)行走式木偶拉車玩具。行走式木偶拉車玩具對(duì)于兒童適用性很強(qiáng)，操作簡(jiǎn)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(qiáng)兒童的手腦并用能力。根據(jù)調(diào)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(dòng)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。行走式木偶拉車玩具對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，行走式木偶拉車玩具的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，可以調(diào)整姿態(tài)在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)。行走式木偶拉車玩具可以相當(dāng)平穩(wěn)地行走，能較安全的保護(hù)好兒童。因此行走式木偶拉車玩具受到廣泛兒童及家長(zhǎng)的喜愛（如圖所示） 。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。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。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。本課題通過對(duì)行走式木偶拉車玩具的設(shè)計(jì)，使我們了解到玩具與機(jī)械制造的完美結(jié)合。結(jié)合行走式木偶拉車玩具運(yùn)動(dòng)靈活、對(duì)復(fù)雜地形的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。首先，行走式木偶拉車玩具的運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列孤立的點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)時(shí)只需要離散的點(diǎn)來支撐，對(duì)這種地形的適應(yīng)性就比輪式和履帶式木偶要強(qiáng)很多。這一點(diǎn)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(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式的一種木偶玩具；自古以來，自然界就是人類各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉。生物界有著種類繁多的動(dòng)植物及物質(zhì)存在，生物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中，為了求得生存與發(fā)展，逐漸具備了適應(yīng)自然界變化的本領(lǐng)；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(lǐng)，吸引著人們?nèi)ハ胂蠛湍７?，要模仿這些生物，就必須對(duì)這些生物進(jìn)行深入的研究；行走式木偶拉車玩具是對(duì)動(dòng)物模仿的結(jié)果，反過來，行走式木偶拉車玩具也可以驗(yàn)證生物學(xué)的一些最新的研究成果并對(duì)相關(guān)的生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展起到積極推動(dòng)促進(jìn)作用。最后，行走式木偶拉車玩具由于具有類似動(dòng)物的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，能直接進(jìn)入人的生活之中；當(dāng)前世界人口的老齡化趨勢(shì)越來越明顯：對(duì)于我們國(guó)家來說，基本上每個(gè)家庭都只有一個(gè)孩子，沒有玩伴，孩子基本上處于孤獨(dú)之中，而飼養(yǎng)寵物對(duì)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(bǔ)這一缺憾。但由于行走式木偶拉車玩具的機(jī)構(gòu)和控制相對(duì)復(fù)雜，相關(guān)技術(shù)還不成熟，目前所研制的四足機(jī)器人普遍存在運(yùn)行速度慢、地形自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)能力差、負(fù)載輕等問題。1.3 機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究概況1.3.1 拉車機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)首先，雙足步行的移動(dòng)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(jī)動(dòng)性。研究仿人形雙足步行機(jī)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(dòng)空間。其次，雙足步行機(jī)器人的步行系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)在的不穩(wěn)定系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)特性非常復(fù)雜，具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。因此，它是控制理論和控制工程領(lǐng)域的一個(gè)極好的研究對(duì)象，開展雙足步行技術(shù)的研究，必然推動(dòng)控制理論的發(fā)展和控制技術(shù)的進(jìn)步。再次，行走式木偶拉車玩具由于具有類似動(dòng)物的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，能直接進(jìn)入人的生活之中；當(dāng)前世界人口的老齡化趨勢(shì)越來越明顯：對(duì)于我們國(guó)家來說，基本上每個(gè)家庭都只有一個(gè)孩子，沒有玩伴，孩子基本上處于孤獨(dú)之中，而飼養(yǎng)寵物對(duì)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(bǔ)這一缺憾。1.4 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、搖頭、擺大臂、擺小臂。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19，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。鄭元芳博士從仿生學(xué)的角度對(duì)類人機(jī)器人的腿部自由度配置進(jìn)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(jī)器人的自由度配置。他認(rèn)為髖部和踝部設(shè)兩個(gè)自由度，可使機(jī)器人在不平地面上站立，髖部再加一個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處加一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地，這樣機(jī)器人的腿部需要有 72 個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié) 3 個(gè)，膝關(guān)節(jié) 1 個(gè)，踝關(guān)節(jié) 3 個(gè) 10)。但是，無論現(xiàn)在的兩足步行機(jī)器人還是擬人機(jī)器人都還只能在規(guī)則路面上行走，所以各研究機(jī)構(gòu)都選擇了 62 個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié) 3 個(gè)，膝關(guān)節(jié) 1 個(gè)，踝關(guān)節(jié) 2 個(gè))，如：哈爾濱工業(yè)大學(xué)的 HIT-、國(guó)防科技大的“先行者” 。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。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)來完成如圖 2.8。圖 2.8 舵機(jī)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（鉬絲或銅絲，見圖 3.1）靠火花放電對(duì)工件進(jìn)行切割，簡(jiǎn)稱線切割。圖 3.1 鉬絲（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 3.2）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 3.2 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(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 3.3 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（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 3.4 是折彎?rùn)C(jī)機(jī)床，圖 3.5 是折彎?rùn)C(jī)刀口。圖 3.4 折彎?rùn)C(jī)機(jī)床 3.5 折彎?rùn)C(jī)刀口3.3 拉車機(jī)器人的組裝3.3.1 舵機(jī)和部分配件的組裝用 M311 的螺栓將配件和舵機(jī)組裝在一起，如圖 3.4 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 3.4 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 3.5 所示。圖 3.5 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 3.6。圖 3.6 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 3.7。圖 3.7 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 3.8。圖 3.8 機(jī)器人頭部如圖 3.9，3.10 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 3.9 機(jī)器人總裝圖 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（Nm） 17鋁制零件 42螺栓螺帽 M311(mm) 1453.5 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 385242 手臂 17550 腿部 18540腳 64203.6 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 4.8V7.2V4 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(gòu)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。結(jié)束語本論文是關(guān)于兩足機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)。從了解各式各樣的兩足機(jī)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(gòu)買和加工、以及進(jìn)行機(jī)器人的組裝等的全過程，是對(duì)我所學(xué)四年知識(shí)的一個(gè)綜合檢查，也是對(duì)我獨(dú)立思考和解決問題的一次考驗(yàn)。盡管我的設(shè)計(jì)還有很多不足的地方，需要改進(jìn)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(jìn)設(shè)計(jì)，總結(jié)這次的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，給下屆留下寶貴的經(jīng)驗(yàn)，我想他們一定會(huì)做的更好。通過這 3 個(gè)月的設(shè)計(jì)，使我對(duì)自己所學(xué)的知識(shí)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(jì)問題，為我即將走上工作崗位，獨(dú)自去面對(duì)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(yàn)少。文中定有許多不妥甚至錯(cuò)誤之處，請(qǐng)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(jì)。在設(shè)計(jì)與制作的這段時(shí)間里，他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，平易近人的生活作風(fēng)，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(bào)告，進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行期間，老師對(duì)我的課題方向的了解深度與研究深度，嚴(yán)謹(jǐn)而一絲不茍的治學(xué)態(tài)度，平和而循循善誘的教學(xué)態(tài)度，不僅在學(xué)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(duì)劉艷老師表達(dá)我最誠(chéng)摯的感謝，感謝這幾個(gè)月來對(duì)我的巨大幫助。并祝劉艷老師在今后教學(xué)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(duì)友：吳玉坤、徐超、黃俊、徐昕晏最后感謝各位評(píng)審老師，能夠在百忙中抽出時(shí)間，對(duì)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(xiàn)1 周遠(yuǎn)清，張?jiān)倥d等編著. 智能機(jī)器人系統(tǒng)M. 北京: 清華大學(xué)出版社,1989.2 蔣新松主編. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論M. 沈陽: 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.3 方建軍，何廣平. 智能機(jī)器人M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.4 張永學(xué). 雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及步行控制研究D. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文. 2001.5 劉志遠(yuǎn). 兩足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走研究D. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文. 1991.6 劉志遠(yuǎn)，戴紹安，裴潤(rùn)，張栓，傅佩深. 零力矩點(diǎn)與兩足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走穩(wěn)定性的關(guān)系N. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 1994.7 紀(jì)軍紅. HIT-雙足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃研究D. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文，2000.8 麻亮，紀(jì)軍紅，強(qiáng)文義，傅佩深. 基于力矩傳感器的雙足機(jī)器人在線模糊步態(tài)調(diào)整器設(shè)計(jì)R. 2000.9 竺長(zhǎng)安. 兩足步行機(jī)器人系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制D. 國(guó)防科技大學(xué)博士論文. 1992.10 馬宏緒. 兩足步行機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行研究D. 國(guó)防科技大學(xué)博士論文. 1995.11 包志軍. 仿人型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性研究D. 上海交通大學(xué)博士論文. 2000.12 孫富春，朱紀(jì)洪，劉國(guó)棟等. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論-分析、系統(tǒng)及應(yīng)用M. 北京:電子工業(yè)出版社，2004.13 柳洪義，宋偉剛. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)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(jī)械工業(yè)出版社，2008.3.15 解侖，王志良，李華俊.雙足步行機(jī)器人制作技術(shù)M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.4.

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