魏志军-基于六自由度双足机器人机械设计

西安技师学院工业自动化系11届预备技师毕业设计（论文）论文名称：基于六个自由度双足机器人机械设计姓 名：魏志军 专业班级：11届电维预备技师班指导教师：王耀龙、许楠 日 期：2011年6月3日 成绩：优 良 中 及格 不及格内容摘要本文介绍了一款由6个舵机搭建的小型双足机器人，其中包含机器人实体部分的设计与实现，系统设计与实现方法、机械结构的设计与制作、动力源的选择与控制，并对舵机的工作原理作了简要分析。本设计完成了双足机器人的实体部分，机器人可进行一些简单的动作。 关键词：双足机器人;6自由度;舵机目 录第1章 序言11.1双足机器人现状11.2本课题研究意义11.3本论文主要内容1第2章 双足步行机器人总体分析22.1 目标定位22.2 自由度的选择22.3 外形构想方案22.4 材料选择3第3章 结构设计43.1元件选择43.2关节结构三维设计图63.3 零件三位模型组合设计说明103.4 三维模型装配说明13第4章 步态动作规划184.1 步态规划的概念184.2 步态规划的方法184.3 步态设计184.4 舵机旋转角度参数194.5 调试20第5章 结束语225.1 结论225.2 展望22致 谢25参考文献26附 录27第1章 序言1.1双足机器人现状随着世界第一台工业机器人1962年在美国诞生，机器人已经有了三十多年的发展史。三十多年来，机器人由工业机器人到智能机器人，成为21世纪具有代表性的高新技术之一，其研究涉及的学科涵盖机械、电子、生物、传感器、驱动与控制等多个领域。世界著名机器人学专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能。”双足机器人属于类人机器人，典型特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节，并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑及连续地协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动。双足机器人不仅具有广阔的工作空间，而且对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，其步行性能是其它步行结构无法比拟的。研究双足行走机器人具有重要的意义。1.2本课题研究意义 l 通过技能训练，了解机器人机构及控制系统设计的基础知识；l 掌握机器人系统中元部件的正确选择方法和特性参数的确定；l 培养学生对所学知识的综合应用，理论联系实际的能力；l 培养学生的动手能力和实际操作能力；本课题设计的机器人不仅适合学校教学研究，学生专题创作及享受机器人组装带来的乐趣，而且可以作为机器人二次开发的平台，参加各类机器人比赛。1.3本论文主要内容1.3.1主要内容：1）、机器人结构设计；2）、六自由度机器人步态规划；3）、未来机器人展望；1.3.2 训练形式学生以小组为单位，集体讨论确定整体方案；指导教师给出实训方向，技术指标等，协助学生完成训练任务。第2章 双足步行机器人总体分析引言要设计和开发一个步行机器人，首先应该对其进行总体分析和设计，确定步行机器人的功能、基本结构和系统配置等。本章重点研究步行机器人的总体结构。2.1 目标定位步行机器人的研究的难点主要表现在如下两个方面：腿部结构的设计非常复杂，因为要考虑结构的紧凑、轻巧，要求较高的关节力矩、较大的关节活动范围和有效而安全的控制方法。正是由于这种情况的存在，双足机器人成为近年来研究的热点，具有十分重要的科学研究价值。同时由于双足机器人越来越广泛的应用于生产生活中，所以它也具有很高的生产价值和商业价值。通过上述的分析，我们课题小组决定研制一款步行机器人。这款机器人不仅能够满足类人型步态行走、做一些简单动作，而且是一款很适合学生参与、研究、学习的机器人，能够满足学校教学研究作为机器人二次开发的平台。2.2 自由度的选择要使双足机器人实现人类的一些动作，那么双足步行机器人必须有它的独特性。事实上，关于运动灵活性，人类大约拥有四百个左右的自由度。因此，机器人的关节的选择、自由度的确定是很必要的，步行机器人自由度的配置对其结构有很大影响。自由度越少，结构越简单，可实现功能越少，控制起来相对简单；自由度越多，结构越复杂，可实现功能越多，控制过程相对复杂。因此自由度的配置必须合理:首先分析一下步行机器人的运动过程(向前)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、 左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。从机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髋关节与踝关节必须各自配置有 1 个自由度以配合实现支撑腿、上躯体的移动和实现重心转移。另外膝关节处配置1个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，保证步行时落足平稳。这样最终决定髋关节配置1个自由度，膝关节配置1个俯仰自由度，踝关节配置有1个偏转自由度。这样，每条腿配置3个自由度，两条腿共6个自由度。髋关节和膝关节俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面(前进方向) 内的直线行走功能；踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。步行运动中普遍存在结构对称性。运动的对称性和腿机构的对称性之间存在相互关系。在单足支撑阶段，对称性的机身运动要求腿部机构也是对称的。根据这点，在结构设计时也采用对称性布置。2.3 外形构想方案根据前文所述，拟定以下两套方案论证比较，见图2-1 方案1 方案2图2-1对以上两个方案进行论证，结果见表2-1表2-1 方案论证方案方案一方案二相同点都采用六个伺服电机实现6自由度，脚踝部位只能实现左右自由度不同点腰部和膝部舵机配合专门舵架采用水平式安放腰部和膝部舵机配合连接块采用竖直式安放经过对比不难发现因舵机安放方式不同方案2中机器人尺寸比方案1要高。这样对于重心的把握以及舵机扭矩要求较高、增大了设计难度，故采用方案1。2.4 材料选择由于机器人的各关节是用舵机驱动,为了减小机器人的体积、减轻重量, 机器人的结构做成是框架型的。框架的设计有效地利用了舵机的尺寸大小, 并使舵机的活动范围能尽量符合各关节的活动范围。根据资料查阅，绝大多数小型双足机器人关节材料均选用铝合金作为材料，整个结构采用1.5mm的铝合金(LY12)钣金材料，这种材料重量轻、硬度高、强度虽不如钢，但却大大高于普通铝合金。且这种材料具有弹性模量、密度比高的特点。又因为机器总重不超过2.5KG。强度远小于铝合金的抗弯强度，所以符合要求。第3章 结构设计3.1元件选择3.1.1电机的选择常用的电机有直流电机、步进电机、舵机等。下面我们大概对直流电机、步进电机、舵机进行一下对比,见表3-1。表3-1 电机对比电机优点缺点适用重量应用场合直流电机功率大、接口简单、容易购得型号多较难装配、较贵、控制复杂任何重量的机器人较大型机器人步进电机精确的速度控制型号多、接口简单、便宜体积大，较难装配、功率小、控制复杂轻型机器人巡线跟踪机器人，迷宫机器人舵机易于安装、接口简单、功率中等负载能力较低速度调节范围较小重至2.5kg的机器人小型机器人，步行机器人由于本研究制作的机器人是重量很轻的作实验用的小型双足步行机器人。因此机器人的各关节是选择使用舵机驱动。舵机最早出现在航模运动中。在航空模型中，飞行器的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。在市场上收集到了三种不同型号的舵机，它们的性能、价格也不尽相同。 参数说明:一、 MG996舵机（如图1）1.重量：60g2.尺寸：约40mm20mm36.5mm3.速度：0.17秒/60度(4.8V)；0.13秒/60度(6.0V)4.扭矩：13kgcm5.使用温度:0+55摄氏度6.工作电压:4.8V-7.2V7.市场价：100元/台 图 3-1 二、 Esky舵机 （如图2） 1.重量：60g2.尺寸：约40.4mm19.8mm36mm3.速度：0.17秒/60度(4.8V)；0.13秒/60度(6.0V)4.扭矩：3.2kgcm5.使用温度:0+55摄氏度6.工作电压:4.8V-7.2V7.市场价：100元/台 图 3-2三、 13DM81舵机（如图3）1.重量：60g2.尺寸：约41mm20mm36mm 3.速度：0.17秒/60度(4.8V)；0.13秒/60度(6.0V)4.扭矩：13kgcm5.使用温度:0+55摄氏度6.工作电压:4.8V-7.2V7.市场价：450元/台 图 3-3综合考虑性价比，选择的舵机是MG996。3.1.2 舵机工作原理控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。如图3-4 图3-4 舵机工作原理3.1.3舵机的控制舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系见图3-5： P W M0.5ms1.0ms1.5ms2.0ms2.5ms角 度0度45度90度135度180度图3-5 舵机的控制3.1.4 电源选择为了避免舵机的供电电源产生的电压波动对控制电路的干扰, 控制电路与舵机的电源要进行隔离, 即分开供电。控制电路电源使用的是两个3.3v纽扣电池串接二极管后提供的5V 电源, 而舵机的电源采用两块2000毫安锂电池在通过 7806 稳压后的 6V分别给3个舵机供电。其控制原理如图3-6所示。3.3v纽扣电池2个串联整流二极管主控芯片PwmMG996 舵机7806 稳压芯片7.2v锂电池图3-6 机器人控制原理图3.2关节结构三维设计图3.2.1舵机，双足机器人的核心部件，型号MG996，尺寸：40mm20mm36.5mm如图3-7图3-7 舵机3.2.2 舵架，用于固定舵机。如图3-8图3-8 舵架舵架尺寸由舵机尺寸决定（尺寸见附录）。关键配合孔位置要求精度较高。因为舵机的结构不同，所以开孔位置要保证与舵机旋转轴同轴。见图3-9图3-9 舵架3.2.3 舵盘与舵轴，用于连接舵机与铝合金支架的部件。如图3-10 图3-10 舵盘因为舵机左右结构不同，所以在配合舵机的另一端采用舵轴（尺寸见附录）。如图3-11图3-11 舵轴3.2.4小U形架，用于机器人的腿部主体支撑关节，起着连接舵机与舵机、舵机与小腿的重要作用。如图3-12（尺寸见附录）图3-12 小U形架3.2.5大U形架，用于机器人的腿部主体支撑关节，起着连接舵机与舵机、舵机与腰部的重要作用。如图3-13（尺寸见附录）图3-13 大U形架3.2.6 脚底板，底部机器人脚板，中空设计便于在行走时提供足够的摩擦力，如图3-14(尺寸见附录)图3-14 脚底板3.2.7 头顶盖，主要用于连接腿部、放置单片机及固定腰部舵机。如图3-15(尺寸见附录)图3-15 头顶盖3.3 零件三位模型组合设计说明3.3.1 舵机舵轴装配图。如图示3-16 所示图3-16 舵架 舵轴配合图3.3.2舵机舵架舵轴装配。舵轴做成T形状是为了配合舵机与舵架，其中舵轴端面厚度取4mm，配合舵机舵架如图3-17 图3-17 舵机 舵架 舵轴装配图 舵架开孔位置决定舵轴能否与舵机旋转轴同轴心，舵机旋转轴位置与舵架尺寸如图3-18、3-19示图3-18旋转轴位置 图3-19 舵轴安放位置3.3.3 U形架与舵机的装配。U形架宽52mm，为了在装配时不至于变形所以舵轴长度不得超过16mm。如图3-20所示图3-20 舵机与U形架装配图3.3.4整体配合说明。经查阅及实验得出舵机实际扭矩达不到理论的13kg/cm，以及电源不可能持续供给标准的6v电压，所以取保守的7kg/cm。一条腿上两个舵机重约120g，加上U形架总重不会超过200g。根据杠杆原理得出腿长不要超过7000/200=35cm。腿越长重心越难把握，出于美观考虑腿长取20cm。如图3-21 图3-21 整体配合3.3.5 脚底板与舵架装配。机器人在行走时倾身靠脚踝舵机的旋转，而连接脚踝与小腿的U形架经实验得出高度不得低于40mm。如图3-22。 图3-22 舵架与脚底板装配3.3.6 U形架装配。腿长取20cm，脚底板到膝高度为55mm，除去两个舵架高度27mm。那么大U形高度不要高于65mm。如图3-23所示图3-23 腿部 3.4 三维模型装配说明3.4.1 首先组装舵架与脚底板。为了便于行走脚底板要尽量保持平整，所以我们采用AB胶来粘合。如图3-24图3-24 脚底板与舵架3.4.2 接着安装舵轴，如图 3-25. 图3-25 舵轴安装3.4.3 舵机的安装。如图3-26图3-26 舵机安装3.4.4 小U形安装。如图3-27 图3-27小U形安装3.4.5 小腿整体配合。如图3-28图3-28 小腿3.4.6 大腿安装。依据3-28安装舵机舵轴，接下来安装大腿部位。如图3-29图3-29 大腿3.4.7 顶部舵架安装。安装完3-29，接下来就得安装顶部舵机。如图3-30图3-30 顶部舵架3.4.8 机器人整体装配。将3-30模型与3-29整体配合就得到了机器人的整体装配图，如图3-31图3-31 双足机器人模型第4章 步态动作规划引言 步态规划是双足步行机器人研究中的一项重要工作，步态规划的好坏将直接影响到机器人行走过程中的稳定性、所需驱动力矩的大小以及姿态的美观性等多个方面，同时它也直接影响到控制方法及其实现的难易程度。4.1 步态规划的概念 双足步行机器人的步态规划，是指机器人行走过程中其各组成部分运动轨迹的规划，比如说，脚掌何时离开地面、摆动中整个脚掌在空中的轨迹、何时落地等。步态规划要解决的问题主要是保证机器人的稳定性。4.2 步态规划的方法现在使用的步态规划方法主要有如下几种：1、基于实验的规划方法这种规划方法基于力学的相似原理，基本过程如下：让人模仿机器人行走(如果机器人有几个自由度，那么人在模仿行走的时候也尽量只动相应的关节)，同时对此人的行走过程进行正面和侧面的录像，然后对这些录像进行分析，得到此人在步行过程各个主要关节的角度变化，然后根据力学相似原理把这些角度相似地推广到机器人的关节变化上。 2、基于能量原理的规划方法这种方法来源于一个生物学假设：人经过千百万年的进化，其行走方式是能量消耗最低的，而且还能保持步行的稳定性。如果机器人也能满足这个假设，则其行走方式将与人一样或很接近。根据能耗最小原则可以建立一个变分方程，并最终得到机器人的轨迹方程。 3、基于力学稳定性的规划方法在机器人行走过程中，其ZMP点必须落在某个区域范围之内，只有这样才能保证步行机器人稳定地行走。实现方法有两种：a计算出理想的ZMP轨迹，然后推导出各个关节的运动函数以实现理想行走。b先大致规划出双足和躯干的运动轨迹，然后进行ZMP计算，最后选出稳定性最好的结果作为控制方程。相比后两种方法，第一种方法更易于理解及掌握。所以本文将采用第一种方法，结合人体行走过程规划机器人步态的参数化设计。4.3 步态设计为了保证双足竞步机器人的行走稳定，首先我们要知道双足机器人的步态规则，要保证机器人的重心在行走中不变才能让机器人处于稳定状态。双足机器人的行走可以看作单脚支撑期和双脚支撑期的交替，因此，可将步态规划分为两个独立的阶段： 1摆动腿从支撑腿的后方摆动到支撑腿的前方。 2机器人的重心从原来的支撑腿移动到下一步的支撑腿(原来的摆动腿)上。因此，在一个行走周期，先右侧身，左腿迈步和落地，然后左侧身，右脚迈步和落地。侧身的幅度要根据机器人的机械结构和重心的位置决定，这样才能保证行走中的稳定，行走方式如下图4-1所示图4-1 行走方式4.4 舵机旋转角度参数 舵机作为机器人得动力源直接决定着机器人的步态方式，而控制舵机的时基脉冲在程序里反映为一组参数。机器人舵机编号如图4-2示图4-2 机器人舵机编号由于在组装过程中不能保证每个舵机都处于中间位置，所以根据舵机程序得出各舵机的参数也不相同。见表4-1表4-1 舵机旋转角度实际参数值舵机编号123456立正时舵机参数148014001550155015001450舵机右旋30度参数168016001750175017001650舵机左旋30度参数128012001350135013001250用舵机控制程序结合步态规划动作得出以下机器人动作流程参数值。见表4-2表4-2 机器人动作流程参数值舵机编号123456初始化148014001550155015001450点头118017001550155015001450立正148014001550155015001450右倾148014001550155017001650左腿迈步168016001750175015001450左倾168016001750175012501200右腿迈步128012001350135015001450右倾148014001550155017001650立正148014001550155015001450叠脚148014001550155013001650立正148014001550155015001450右倾踢腿148018001550155017001650立正148014001550155015001450左倾踢腿108014001550155012501200立正1480140015501550150014504.5 调试机器人在行走过程中出现了较大的抖动现象，进过查阅资料得出以下五点抖动原因：1、 电压抖动舵机与单片机控制器采用两个锂电池供电，两者不共地，并且分别用7805、7806稳压。经测试电压稳定。2、 控制信号抖动用单片机P1口给6个舵机提供脉冲信号，经示波器测试可知信号稳定。3、 舵机扭矩不够在行走中如果舵机不能够提供机械动作所需的扭矩，机器人肯定会出现抖动现象。最初的设计方案是由一块锂电池经7805稳压5V后单独给单片机供电，另一块锂电池经7806稳压6V后给六个舵机并口供电。虽然能够供给舵机稳定的6V电压，但电流不足导致扭矩不够，机器人出现抖动现象。解决方法：控制电路电源使用两个3.3v纽扣电池串联联接后经二极管降压提供5V 电源, 舵机的电源采用两块2000毫安时锂电池通过7806稳压6V分别给3个舵机供电。这样抖动幅度明显减少。4、 舵机配合不当由于机器人机械设计的对称性决定了机械动作必须对称，不然势必出现抖动现象。例如在跨步动作时，以舵机顶板为平面做垂直法线，则左腿前踢与右腿后踢、左腿屈膝与右腿屈膝必须保证以法线夹角相同，这样才能使得左右腿跨步平稳。解决方法：将机器人悬空，让执行动作分步进行。观察不当处进行逐一调试。 5、控制方案不当控制部分采用51单片机P1口的串行输出。这样就意味着任何2个舵机不可能同时动作。由于1、2舵机是固定在一起的，所以在做点头动作时要求同时动作。这种抖动显然已不可避免，在以后的学习中应引以为鉴。第5章 结束语5.1 结论 通过这次技能训练主要运用80C51单片机为控制器开发了一个双足机器人系统，该机器人系统是由6 个舵机构成的6 自由度的机械系统。在设计时，首先对双足机器人的结构、系统控制电路和应用软件的功能进行了设计与分析，确定了系统的总体结构和组成。通过这次设计，使我们巩固了机器人设计制造以及单片机的知识，熟练运用各种制图软件（SolidWorks，ProE，AUTOCAD），编程软件（Proteus，Keil）。提高了我们的动手能力以及团队协作能力。为我们的毕业设计打好坚实的基础。从实践中体会到了学习研究机器人的乐趣。 随着科技的发展，双足步行机器人的研究登上了一个新的台阶。ASIMO、SDR-4X的研制成功标志着双足步行机器人已经从研究领域迈进了家用领域。而ROBOCUP双足步行机器人比赛的顺利举行，又为大学、科研机构进行双足机器人的研究开辟了一个新的方向。我国双足机器人研究重点放在大型的双足步行机器人上，为此，研制开发能够参加国际性比赛的双足步行机器人，提高我国双足机器人理论研究和样机研制水平，特别 是机构学、运动学和动力学等基础理论的研究水平，为国争光，十分有意义。 为使理论成果具有更强的实用性，课题研究过程中做了大量机器人资料搜集和整理工作，在此基础上构建起双足机器人总体研究框架，并做了一系列双足机器人基础性研究工作。具体内容包括： 1通过分析国内外双足机器人的样机研制状况和理论研究水平，掌握国内外双足机器人的研究现状及发展趋势，明确了双足步行机器人的研究意义，确定课题的研究方向和研究内容。 2确定了课题的研究任务是设计能够进行步行的双足机器人，在此基础上确定其所需关节、自由度，并对其进行结构分析。 3设计了一种适合于为双足机器人步行动作的机械结构及组装流程。5.2 展望 本文已经构建出双足机器人总体框架，为后续双足机器人的研究奠定理论和方法基础，在研究过程中发现以下工作将对双足机器人研究具有重大意义。1传感系统的改进问题。由于类人足球机器人的作业环境往往是开放空间，所以理想的双足步行机器人，应该能够根据不同的环境，自动进行步态规划。对环境的感知，要依赖视觉传感器、