毕业设计（论文）-两足行走机器人行走结构部分设计（全套图纸三维）.doc

本科毕业设计说明书（论文） 第 I 页 共 I 页目 录1 绪论11.1 引言11.2 机器人的发展及技术11.3 两足机器人的优点及国内外研究概况21.4 本课题的主要工作72 双足机器人本体结构设计分析82.1 引言82.2 两足机器人的结构分析82.3 机器人设计思路92.4 机器人设计方案102.5 驱动方式的选择123 双足机器人的具体制作133.1 双足机器人的材料选择133.2 双足机器人的零件加工133.3 两足机器人的组装163.4 两足机器人相关数据193.5 两足机器人总体尺寸193.6 舵机具体参数194 课题总结20结束语21致谢22参考文献23 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 23 页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。全套图纸，加1538937061.2 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，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 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。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 两足机器人的优点及国内外研究概况1.3.1 双足机器人的优点首先，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，步行是人类的一种基本活动能力，但有相当数量的人因为疾病或意外事故失去了这种能力，双足步行技术的发展会促进动力型假肢的研制，将有可能解决截瘫病人和小儿麻痹症患者的行走问题，为康复医学做出贡献。对机器人双足动态行走机理的深入研究也使我们更深刻地理解人类活动的内在本质，有助于生物医学工程和体育运动科学的发展。1.3.2 双足机器人的步态特点及研究意义步态规划是双足机器人失衡检测与控制的基础及预备性工作，也是双足步行机器人的一项重要内容。所谓的步态，是指在步行过程中，步行本体的身体各部位在时序和空间上的一种协调关系；步态规划就是给出机器人各关节位置与时间的关系，是双足步行机器人研制中的一项关键技术，也是难点之一。步态规划的好坏将直接影响到双足步行机器人的行走稳定性、美观性以及各关节所需驱动力矩的大小等多个方面，已经成为双足步行机器人领域的研究热点。基于上述原因，本课题拟进行双足机器人步行稳定性研究，研制具有高度稳定性的双足步行机器人平台，为进一步的行走机器人失衡检测及控制技术研制奠定基础。1.3.3 国外研究概况双足机器人的研制开始于上世纪60年代末，虽然只有四十多年的历史。然而，两足机器人的研究工作进展迅速，国内外许多学者正从事于这一领域的研究，如今已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。步行的稳定性是两足机器人的难点和关键，南斯拉夫学者MemoirVakobrativitch于1969年提出的ZMP(Zero Moment Point)理论较好地解决了动态步行稳定性判断问题。ZMP点，即零力矩点，是双足机器人所受重力、惯性力及地面反力三者合力矢的延长线与地面的交点。双足机器人一只脚着地时，ZMP点必须落在脚掌的范围内；双脚着地时，则位于两只脚掌形成的凸多边形内。在ZMP点，机器人所受的侧向力和力矩都为零。1971年，英国人IKato试制了“Wap3”，最大步幅15mm，周期45s。1971年至1986年间，英国牛津大学的Wit等人制造并完善了一个两足步行机器人，该机器人能在平地上行走良好，步速达到0.23m/s4。加拿大的TadMcGee主要研究被动式两足机器人，即在无任何外界输入的情况下，靠重力和惯性力实现步行运动。1989年，他建立了平面型的两足步行机构，两腿为直杆机构，没有膝关节，每条腿各由一个小电机来控制腿的伸缩，无任何主动控制和能量供给，具有简单二级针摆特征，放在斜坡上，可依靠重力，实现动态步行。法国BIP2000计划是由法国de mecanique des Soloders de Poiters实验室和INRIA机构合作的一个项目。其目的是建立一套可以适应未知条件行走的两足机器人系统，设计了一个具有15个自由度的双足步行机器人(只有躯干和腿)。现代机器人发展最迅速的是有“机器人王国”之称的日本。其中最具有代表性的研究机构有:加藤实验室、日本早稻田大学、日本东京大学、日本东京理工学院、日本机械学院、松下电工、本田公司和索尼公司等。日本早稻田大学的加藤一郎教授于1968年率先展开了双足步行机器人的研制工作，并先后研制出WAP系列样机。1969年研制出WAP-1平面自由度步行机器人，该机器人具有六个自由度，每条腿有髋、膝、踝三个关节；关节处使用人造橡胶肌肉，通过充气、排气引起肌肉收缩，肌肉的收缩牵引关节转动从而实现步行。1971年，研制出WAP-3型双足机器人，仍采用人工肌肉，具有11个自由度，能在平地、斜坡和阶梯上行走；该机器人重13Okg，高0.9m，实现步幅15cm，每步45s的静步行；同年又研制出WL-5双足步行机器人，该机器人采用液压驱动，具有11个自由度，下肢作三维运动，上躯体左右摆动以实现双足机器人重心的左右移动。1973年，在WAP-5的基础上配置机械手及人工视觉、听觉等装置组成自主式机器人WAROT-1。 1980年，推出WL-9DR双足机器人，该机器人采用预先设计步行方式的程序控制方法，通过对步行运动的分析及重复实验设计步态轨迹，用设计出的步态控制机器人的步行运动，该机器人采用了以单脚支撑期为静态，双脚切换期为动态的准动态步行方案，实现了步幅45cm，每步9s的准动态步行。1984年，研制出采用踝关节力矩控制的WL-10DR双足机器人，增加了踝关节力矩控制，将一个步行周期分为单脚支撑期和转换期。1986年，又成功研制了 WL-12(R)双足机器人，该机器人通过躯体运动来补偿下肢的任意运动，实现了步行周期1.3s，步幅30cm的平地动态步行。日本东京大学的Jouhou System Kougaka实验室研制了H5、H6型仿人型双足步行机器人。该机器人总共有30个自由度，其中在H5型的步态规划设计中充分考虑了动态平衡条件，采用遗传算法来实现上体的补偿运动以补偿ZMP轨迹的跟踪，上体运动的轨迹用三次样条插值来实现。在H5双足机器人的头部安装有两个CCD彩色摄像头，可以定位前面的物体并能够在CCD的协助下用7自由度的手来抓取的目的。日本机械学院的SKajita等针对一台具有4台前向驱动电机且全部安装在机器人的上体的五连杆平面型双足步行机器人Meltran ，研究其动态行走的控制方法。他根据机器人机构质量几乎完全集中在上体的事实，为使双足步行机器人实现稳定、周期性的动态行走，对机器人上体采用了约束控制方法，提出了一种理想的线性倒立摆模型。同时又提出了机构轨道能量守恒的概念，来求解各个关节运动轨迹及输入力矩，实现了在已知不平整地面上的稳定动态步行。1996年他们又在此样机的基础上加载了超声波视觉传感器以实现实时提供地面信息的功能。将视觉传感器系统与针对线性倒立摆所提出的控制模式相结合构成自适应步态控制系统，使Meltran成功地实现了在未知路面上的动态行走。代表双足步行机器人和拟人机器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司。他们代表了当今两足步行机器人和拟人型机器人发展的最高水平。本田公司从1986年至今己经推出了P系列1，2，3型机器人。并且于2000年11月20日，推出了新型双足步行机器人“ASIMO(Advanced Step in Innovative Mobility)”，“ASIMO”和“P3”相比，实现了小型轻量化，使其更容易适应人类的生活空间，通过提高双脚步行技术 使其更接近人类的步行方式。双脚步行技术方面采用了新开发“I-WALK(Intelligent Real-time Flexible Walk)”。I-WALK是在过去的步行技术的基础上组合了新的“预测运动控制功能”，它可以实时预测以后的动作，并且据此事先移动重心来改变步调。过去由于不能进行预测运动控制，当从直行改为转弯时，必须先停止直行动作后才可以转弯。索尼公司于2000年11月21日在四足娱乐机器人AIBO的基础上推出了人形娱乐型机器人SDR-3X(Sony Dream Robot-3X)。SDR-3X：头部2个自由度、躯干2个自由度、手臂4 2个自由度、下肢和足部6 2个自由度，共计24个自由度。2002年又推出SDR-4X，采用64位RISC处理器，64MBDRAM，共有38个自由度(头部4个，身体2个，胳膊 52=10个，腿部62=12个，独立的5个手指5 2=10个)。2003年12月18日，索尼公司通过对控制系统和ISA(Intelligent Servo Actuator)的改进、增加输出力矩等方法，使QRIO在世界上第一次实现了两足步行机器人的跑动，QRIO可以在跑步时滞空6ms，双脚跳跃时滞空 10ms。2005年1月12日，由日本产业技术综合研究所的比留川博等人开发出一台取名“HRP-2”双足拟人机器人亮相东京。该机器人身高154cm，体重58kg。研究人员先请民间艺术家跳舞，用特殊摄像机拍摄后将画面输入电脑，并对手、脚、头、腰等32个部位的动作进行解析，然后把有关解析数据输入给机器人，最后利用这些数据来控制机器人手的动作和脚步等，使“HRP-2”可以和人一样动作连贯，翩翩起舞。1.3.4 国内研究概况国内双足步行机器人的研制工作起步较晚，我国是从20世纪80年代开始双足步行机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划，1987年，我国的“863”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。目前我国从事机器人研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国进行机器人技术研究的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后取得了一定的成就。哈尔滨工业大学自1986年开始研究双足步行机器人 59 ，先研制成功静态步行双足机器人HIT-，高110cm，重70kg，有10个自由度，实现平地上的前进、左右侧行以及上下楼梯的运动，步幅45cm，步速为10秒每步，后来又相继研制成功了HIT-和HIT-，重42kg，高103cm，有12个自由度，实现了步长24cm，步速2.3秒每步的步行。目前正在研制的HIT-机器人，全身可有52个自由度，其在运动速度和平衡性方面都优于前三型行走机器人。国防科技大学在1988年春成功地研制了一台平面型6自由度的双足机器人KDW-1011，它能前进、后退和上下楼梯，最大步幅为40cm，步速为4s每步，1989年又研制出空间型KDW-，有10个自由度，高69cm，重13kg，实现进退、上下台阶的静态稳定步行以及左右的准动态步行。1990年在KDW-的平台上增加两个垂直关节，发展成KDW-，有12个自由度，具备了转弯功能，实现了实验室环境的全方位行走。1995年实现动态行走，步速0.8s每步，步长为20cm22cm，最大斜坡角度达13度。2000年底在KDW-的基础上研制成功我国首台仿人形机器人“先行者”，动态步行，可在小偏差、不确定的环境行走，周期达每秒两步，高1.4m，重20kg，有头、眼、脖、身躯、双臂、双足，且具备一定的语言功能。上海交通大学于1999年研制的仿人形机器人SFHR，腿部和手臂分别有12和10个自由度，身体上有2个自由度。共有24个自由度，实现了周期3.8s，步长10cm的步行运动。机器人本体上装有2个单轴陀螺和一个三轴倾斜计，用于检测机器人的姿态信息，并配备了富士通公司的主动视觉系统，是研究通用机器人学、多传感器集成以及控制算法良好的实验平台。北京理工大学在归国博士黄强教授的带领下，高起点地进行仿人形机器人研究，于2002年12月通过验收的仿人形机器人BHR-1，高 158cm，重76kg，32个自由度，步幅0.33m，步速每小时1公里。能够根据自身力觉、平衡觉等感知机器人自身的平衡状态和地面高度的变化，实现未知地面的稳定行走和太极拳表演，使中国成为继日本之后，第二个研制出无外接电缆行走，集感知、控制、驱动、电源和机构于一体的高水平仿人形机器人国家。此外，清华大学正在研制仿人形机器人THBIP-，高1.7m，重130kg，32个自由度，在清华大学985计划的支持下，项目也在不断取得进展。南京航空航天大学曾研制了一台8自由度空间型双足步行机器人，实现静态步行功能1213。1.4 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、摇头、摆大臂、摆小臂。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19，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。郑元芳博士从仿生学的角度对类人机器人的腿部自由度配置进行了深入的研究，得出关节扭矩最小条件下两足步行机器人的自由度配置。他认为髋部和踝部设两个自由度，可使机器人在不平地面上站立，髋部再加一个扭转自由度，可改变行走方向，踝关节处加一个旋转自由度可使脚板在不规则表面上落地，这样机器人的腿部需要有72个自由度(髋关节3个，膝关节1个，踝关节3个10)。但是，无论现在的两足步行机器人还是拟人机器人都还只能在规则路面上行走，所以各研究机构都选择了62个自由度(髋关节3个，膝关节1个，踝关节2个)，如：哈尔滨工业大学的HIT-、国防科技大的“先行者”。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，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。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，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如图2.8。图2.8 舵机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（Wire 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（钼丝或铜丝，见图3.1）靠火花放电对工件进行切割，简称线切割。 图3.1 钼丝（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3.2）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3.2 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3.3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。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（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3.4是折弯机机床，图3.5是折弯机刀口。 图3.4 折弯机机床 3.5 折弯机刀口3.3