两足拉车机器人行走部分的设计修改

I成 都 工 业 学 院毕 业 设 计 （论 文）设计（论文）题目： 系 部 名 称： 专 业： 班 级： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 二 O 一三 年 月II目 录第 1 章 绪论 11.1 引言 11.2 机器人的发展及技术 11.3 拉车机器人的特点 2第 2 章 双足拉车机器人本体结构设计分析 32.1 引言 32.2 拉车机器人的结构分析 32.3 拉车机器人技术领域及背景技术 42.4 新型设计内容 52.5 设计思想及关键问题 62.6 机构建模与仿真 62.7 附图说明及技术方案 82.8具体实施方案 112.9 机器人设计方案 122.10 驱动方式的选择 12第 3 章 拉车机器人的具体制作 133.1 拉车机器人的材料选择 133.2 拉车机器人的零件加工 133.3 拉车机器人的组装 153.4 两足机器人相关数据 163.5两足机器人总体尺寸 163.6舵机具体参数 163.7 课题总结 17结束语 18致 谢 19参 考 文 献 20成都工业学院毕业设计（论文） 1摘要机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。根据机器人的工作要求和结构特点，进行了机器人的总体设计，确定了机器人的外形尺寸和工作空间，拟定了机器人各关节的总体传动方案，对机器人腰关节结构进行了详细设计，合理布置了电机和齿轮，确定了各级传动参数，进行了齿轮、轴和轴承的设计计算和校核。利用齐次变换矩阵法建立了五自由度关节机器人的正运动学模型，求出机器人末端相对于各自参考坐标系的齐次坐标值，建立了在直角坐标空间内机器人末端执行器的位置和姿态与关节变量值的对应关系。基于几何投影原理推导出相应的逆运动学模型，求出了各个关节的角度值，建立了机器人关节空间与世界空间的映射关系。该机器人具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点。关键词：关节型机器人；位姿分析；总体设计；腰臂部结构成都工业学院毕业设计（论文） 2AbstractThe disciplines of computer, control theory, Mechanism, information and sensor technology, artificial intelligence, biology multidisciplinary are synchronized in Robot technology . It is very active and applied extersively in the word. According to the work requirements for the robot and structure characteristic, it is carried on the overall design of the robot, determined the external dimension and workspace of the robot, drafted the overall transmission scheme of every joint of the robot. The waist structure of the robot is designed in detail, while the electrical machinery and gear wheel rationally assigned , confirmed at all level transmission parameters , carried on the design and calculating of gear wheels , shafts and bearings and checking them. The kinematic model of robot system has been built up by means of the homogenous transformation of matrix in this thesis and deduces the robots homogenous coordinate which is relative to its reference coordinate. The position relationship between the robots end effector and the variable friable of every joint are made up . The inverse kinematic model is deduced which based on the projection principle of geometry and the value of angle is worked out. Whats more, the relationship is built up between the joint space of robot and the world space. This robot has the characteristics of fine rigidity , position precision high , that operate steadily.Key words: Articulated robot; Position analysis ; Overall design ; Waist and arm structure成都工业学院毕业设计（论文） 3第 1 章 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，从天上到地下，从陆地到海洋到处都可以看到机器人的身影。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。其中，对机器人相关行业的开发正发展起来。本文主要是设计行走式木偶拉车玩具，玩具是开发儿童智力、对儿童进行早期教育的最好工具。行走式木偶拉车玩具对于儿童适用性很强，操作简单。有利于儿童的智力开发。行走式木偶拉车玩具主要是增强儿童的手脑并用能力。根据调查，在地球上近一半的地面不适合于传统的轮式或履带式木偶玩具行走，但是一般行走式木偶拉车玩具却能在这些地方行动自如。因此，行走式木偶拉车玩具与轮式及履带式木偶玩具相比具有独特的优势。行走式木偶拉车玩具对崎岖路面具有很好的适应能力，行走式木偶拉车玩具的立足点是离散的点，可以调整姿态在可能到达的地面上选择最优的支撑点。行走式木偶拉车玩具可以相当平稳地行走，能较安全的保护好儿童。因此行走式木偶拉车玩具受到广泛儿童及家长的喜爱。1.2 机器人的发展及技术1.2.1 机器人的发展成都工业学院毕业设计（论文） 420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 Consolidated 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，虽然机器人的能力还是非常有限的，但是它正在迅速发展。本课题通过对行走式木偶拉车玩具的设计，使我们了解到玩具与机械制造的完美结合。结合行走式木偶拉车玩具运动灵活、对复杂地形的自适应运动能力强，具有广阔的市场前景。首先，行走式木偶拉车玩具的运动轨迹是一系列孤立的点，而轮式和履带式木偶的是一系列连续的轨迹；在含有岩石、泥土、沙子等障碍物的不规则的地面，可以稳定支撑木偶的连续地面有限的情况下，轮式和履带式木偶在这种环境中就受到了一定的限制，不适合在这种环境中使用。而行走式木偶拉车玩具运动时只需要离散的点来支撑，对这种地形的适应性就比轮式和履带式木偶要强很多。这一点使得行走式木偶更能够受到大家欢迎。其次，行走式木偶拉车玩具是模仿动物的运动方式的一种木偶玩具；自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理及重大发明的源泉。生物界有着种类繁多的动植物及物质存在，生物在漫长的进化过程中，为了求得生存与发展，逐渐具备了适应自然界变化的本领；人类生活在自然界中，与周围的生物作“邻居” ，这些生物各种各样的奇异本领，吸引着人们去想象和模仿，要模仿这些生物，就必须对这些生物进行深入的研究；行走式木偶拉车玩具是对动物模仿的结果，反过来，行走式木偶拉车玩具也可以验证生物学的一些最新的研究成果并对相关的生物学等学科的发展起到积极推动促进作用。最后，行走式木偶拉车玩具由于具有类似动物的结构和运动方式，能直接进入人的生活之中；当前世界人口的老龄化趋势越来越明显：对于我们国家来说，基本上每个家庭都只有一个孩子，没有玩伴，孩子基本上处于孤独之中，而饲养宠物对于大多数人来说太过于麻烦和不方便，而行走式木偶拉车玩具的出现，正好可以弥补这一缺憾。但由于行走式木偶拉车玩具的机构和控制相对复杂，相关技术还不成熟，目前所研制的四足机器人普遍存在运行速度慢、地形自适应运动能力差、负载轻等问题。1.3 拉车机器人的特点首先，双足步行的移动方式在地面不平整或其它恶劣条件下(如充满障碍物)比成都工业学院毕业设计（论文） 5其他方式要灵活得多，具有更好的机动性。研究仿人形双足步行机器人，以代替人类在核电站、太空、海底及其它危害人类身心健康的复杂极端环境中工作，将大大拓展人类的活动空间。其次，双足步行机器人的步行系统是一个内在的不稳定系统，其动力学特性非常复杂，具有多变量、强耦合、非线性和变结构的特点。因此，它是控制理论和控制工程领域的一个极好的研究对象，开展双足步行技术的研究，必然推动控制理论的发展和控制技术的进步。再次，行走式木偶拉车玩具由于具有类似动物的结构和运动方式，能直接进入人的生活之中；当前世界人口的老龄化趋势越来越明显：对于我们国家来说，基本上每个家庭都只有一个孩子，没有玩伴，孩子基本上处于孤独之中，而饲养宠物对于大多数人来说太过于麻烦和不方便，而行走式木偶拉车玩具的出现，正好可以弥补这一缺憾。第 2 章 双足拉车机器人本体结构设计分析2.1 引言本实用新型涉及一种拉车机器人，其能载人和控制行走，精度准确，可靠性高，操纵灵活、方便。本实用新型包括机器人本体和工控机，机器人本体和工控机分别与用于控制行走的电脑连接，机器人本体并与可乘坐人员的车体连接。机器人本体包括安装于上身体两侧的两只手臂，两只手臂分别与车体前伸的两根拉杆相连接，机器人本体的腰部以下为行走机构，分别安装用于支撑和行走的两条腿，每条腿由大腿支撑架、大腿、小腿和脚部构成，并在每条腿上安装有运动控制电机，运动控制电机并与工控机连接。运动控制电机为分别安装于机器人本体左右腿部的左、右胯电机、左、右腿电 机、左、右膝电机和左、右踝电机。双足步行拉车机器人,它由机器人 1和小车 2组成。小车位于机器人后方，小车设有两车轮 21，小车的车 把 22与机器人的左右手 1一 1铰接。在机器人的内部设有电机 3、传动机构 4和曲轴 5，曲轴与左右内腿 6铰接。内腿和外腿 7分别与小腿 8铰接,并形成双摇杆 机构。工作时内外腿带动小腿作“曲膝、抬起、迈步”的动作。该机构可实现同人行走一样逼真的行走效果，而 且机器人的活动范围不受到限制。它还具有结构简单、 成本低的优点.2.2 拉车机器人的结构分析成都工业学院毕业设计（论文） 6拉车机器人是对人类自身的模仿，其特征在于：包括机器人本体和工控机（8)，机器人 本体和工控机（8)分别与用于控制行走的电脑连接，机器人本体并与可乘坐人 员的车体连接。根据要求：所述的拉车机器人，其特征在于：所述机器人本体包括安装于上身体两侧的两只手臂（4)，两只手臂（4)分别与车体前伸的两根拉杆相连接，机器人本体的腰部以下为行走机构，分别安装用于支撑和行走的两条腿，每条腿由大腿支撑架、大腿（3)、小腿（2)和脚部（1)构成，并在每条腿上安装有运动控制电机，运动控制电机并与工控机（8)连接。根据要求：所述的拉车机器人，其特征在于：所述运动控制电机为 分别安装于机器人本体左右腿部的左、右胯电机、左、右腿电机、左、右膝电机和左、右踝电机。根据要求：所述的拉车机器人，其特征在于：所述车体包括车架（7)， 车架（7)上装有座椅（13)，座椅（13)两侧为扶手（11)，下方为脚踏板（9), 车体两侧各安装一只负重车轮（15)，车体上并装有设备安装架。根据要求：所述的拉车机器人，其特征在于：所述电脑和工控机（8) 安装于车体上，车体上并分别装有与工控机（8)相连的控制手柄（10)、键盘(17)、鼠标（18)和电源供给机构。双足步行拉车机器人，其特征在于在机器人的内部设有电机、传动机构和曲轴,曲轴两端分别与机器人的左右内腿铰接，机器人的内腿、外腿作为摇杆分别与小腿的上端狡接，并形成双摇杆机构，小车位于机器人的后方小车下方设有两个车轮 ,小车的车把与机器人的左右手铰接。传动机构为三级齿轮减速机构，电机的主轴与传动机构的输入齿轮固定连接，曲轴与传动机构的输出齿轮固定连接。跟据权利要求所述的双足步行拉车机器人，其特征在于左右内腿的上端设有长孔,机器人腹部内的水平轴穿过 长孔与内腿形成活动连接。根据权利要求 1所述的双足步行拉车机器人，其特征在于曲轴的左端曲柄和右端曲柄的相位角为 18 0 土 2P。2.3 拉车机器人技术领域及背景技术由于这个实用设计涉及一种拉车机器人。是第一次出现，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相关行走机器人，通过模仿其他设计成功的机器人为设计主要思路，来设计我们的拉车机器人，是我们这次设计的主要依据。通过对行走式木偶拉车玩具的设计，使我们了解到玩具与机械制造的完美结合。成都工业学院毕业设计（论文） 7结合行走式木偶拉车玩具运动灵活、对复杂地形的自适应运动能力强，具有广阔的市场前景。首先，行走式木偶拉车玩具的运动轨迹是一系列孤立的点，而轮式和履带式木偶的是一系列连续的轨迹；在含有岩石、泥土、沙子等障碍物的不规则的地面，可以稳定支撑木偶的连续地面有限的情况下，轮式和履带式木偶在这种环境中就受到了一定的限制，不适合在这种环境中使用。而行走式木偶拉车玩具运动时只需要离散的点来支撑，对这种地形的适应性就比轮式和履带式木偶要强很多。这一点使得行走式木偶更能够受到大家欢迎。2.4 新型设计内容设计的项目是行走式木偶拉车玩具，即将木偶的两条腿组合在一起，后部带拖车，这里我称为行走式木偶拉车，该行走式木偶拉车具有一定载重能力。行走式木偶拉车玩具模仿真人行走，大腿带动小腿，行走自如，各关节设计必须合理，便于日后维护，对机器各轴之间经常滴机油以便延长使用寿命。这就要求我们提供一种木偶的腿设计方案，能够实现抬腿和跨步动作。电机驱动圆盘，带动足部运动，可以得到一个具有水平宽度和垂直高度的曲线，分别代表了木偶的腿的抬腿高度和跨距。然后将两条腿组合在一起，可实现类似真人的行走，这里我称为行走式木偶拉车玩具。该行走式木偶拉车玩具具有一定载重能力。本实用新型的目的是提供一种拉车机器人，其能载人和控制行走，精度准 确，可靠性高，操纵灵活、方便。为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：包括机器人本体和工控机，机器人本 体和工控机分别与用于控制行走的电脑连接，机器人本体并与可乘坐人员的车 体连接。上述机器人本体包括安装于上身体两侧的两只手臂，两只手臂分别与车体 前伸的两根拉杆相连接，机器人本体的腰部以下为行走机构，分别安装用于支 撑和行走的两条腿，每条腿由大腿支撑架、大腿、小腿和脚部构成，并在每条 腿上安装有运动控制电机，运动控制电机并与工控机连接。上述运动控制电机为分别安装于机器人本体左右腿部的左、右胯电机、左、 右腿电机、左、右膝电机和左、右踝电机。上述车体包括车架，车架上装有座椅，座椅两侧为扶手，下方为脚踏板， 车体两侧各安装一只负重车轮，车体上并装有设备安装架。上述电脑和工控机安装于车体上，车体上并分别装有与工控机相连的控制 手柄、键盘、鼠标和电源供给机构。与现有技术相比，本实用新型具有的优点和效果如下：1、本实用新型能载人和控制行走，精度准确，可靠性高，操纵灵活、方便。2、本