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届预备工程师毕业设计(论文)论文名称：基于六自由度双足机器人的机械设计姓名：魏志军专业班： 11次电气预备工程师班指导教师：王耀龙，许楠日期： 2011年6月3日成绩：优良中合格不合格内容摘要本文介绍了6台舵机组成的小型双足机器人，其中包括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，简要分析了舵机的工作原理。 本设计完成了双足机器人的实体部分，机器人能够简单动作。关键词：双足机器人六自由度舵机目录第一章序言11.1双足机器人的现状11.2本课题的研究意义11.3本文的主要内容1第二章双足步行机器人整体的分析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第三章结构设计43.1软元件选择43.2关节结构三维设计图63.3零件三位模型的组合设计说明103.4三维模型组装说明13第四章步态动作计划184.1步态规划概念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第五章结束语225.1结论225.2展望22感谢25参考文献26附录27第一章序言1.1双足机器人的现状随着世界上第一个工业机器人于1962年在美国诞生，机器人已有30多年的发展史。 三十多年来，机器人从工业机器人到智能机器人，已成为21世纪代表性的高科技之一，其研究学科复盖了机械、电子、生物、传感器、驱动与控制等多个领域。世界着名的机器人学专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授说：“机器人应该具有的最大特征之一是步行功能。” 双足机器人属于人类机器人，典型的特征是机器人的下肢通过刚性部件转动副连接，模仿人的脚、髋关节、膝关节和踝关节，使用驱动器代替肌肉，实现身体的支撑和连续的协调运动，使各关节间能够进行角度的相对转动。双足机器人不仅拥有广阔的工作空间，而且对行走环境的要求低，能够适应各种地面，具有高跨越障碍的能力，其行走性能无法与其他行走结构相比。 研究双足步行机器人具有重要意义。1.2本课题的研究意义通过l技能训练，了解机器人机构和控制系统设计的基础知识掌握l机器人系统中要素零件的正确选择方法和特性参数的确定l培养学生学习知识的综合应用，理论结合实际能力l培养学生的手能力和实际操作能力本课题中设计的机器人不仅适合学校教育研究，还能享受学生主题创作和机器人组装的乐趣，作为机器人二次开发的平台，参加各种各样的机器人竞赛。1.3本文的主要内容1.3.1主要内容：1 )、机器人结构设计2 )、6自由度机器人步态规划3 )、未来机器人的展望1.3.2训练形式学生以小组为单位集体讨论确定总体方案的指导教师给予实践训练方向、技术指标等，协助学生完成训练任务。第二章双足步行机器人的整体分析引言设计开发步行机器人，首先要进行整体分析和设计，决定步行机器人的功能、基本结构和系统配置等。 本章着重研究步行机器人的整体结构。2.1目标定位研究步行机器人的难点是，腿部结构设计非常复杂，考虑到结构的紧凑、轻量，需要高关节力矩、宽关节可动范围和有效安全的控制方法。 由于存在这种情况，双足机器人近年来成为研究的热点，具有非常重要的科学研究价值。 同时，双足机器人越来越广泛应用于生产生活，因此具有较高的生产价值和商业价值。通过以上分析，我们的课题小组决定开发步行机器人。 该机器人满足了人性化的步态，不仅能做简单的动作，也是学生参与、研究、学习的最佳机器人，能满足学校教育研究作为机器人二次开发的平台。2.2自由度的选择为了使双足步行机器人实现人的动作，双足步行机器人的独特性是必要的。 实际上，关于运动的灵活性，人类约有400自由度。 因此，机器人关节的选择、自由度的决定是必要的，步行机器人的自由度的配置对其构造有很大的影响。 自由度越小，结构越简单，能够实现的功能越少，控制比较简单的自由度越多，结构越复杂，能够实现的功能越多，控制过程变得比较复杂。 因此，自由度的配置必须合理的：首先分析步行机器人的运动过程(前方)和步行步骤：的重心右移(前腿支撑)、左腿举起、左腿下降、重心腿中央移动、重心左移、右腿举起、右腿下降、重心腿间移动共计8个阶段。 当：机器人从机器人的步行过程中前进时，必须在髋关节和踝关节分别设置一个自由度，以实现支撑腿、上体的移动和重心移动。 另外，膝关节配置1个节距自由度，可以调整游脚的着地高度，使步行时的着地稳定。 这样最终决定一个髋关节配置的自由度，一个膝关节配置的俯仰自由度，一个踝关节配置的偏航自由度。 这样，一条腿配置3自由度，两条腿配置6自由度。 通过髋关节和膝关节的俯仰自由度协调动作，能够完成机器人在纵向平面(行进方向)内的直线行走功能的踝关节的偏航自由度协调动作，实现了在横向平面内的重心移动功能。 步行运动中普遍存在结构对称性。 运动对称性与腿机构对称性之间存在相互关系。 在单脚支撑阶段，对称性的机体运动要求脚部机构也是对称的。 因此，在结构设计时也采用了对称布置。2.3外形构想方案如上所述，现在创建并比较两种情形，如图2-1所示权利要求1权利要求2图2-1对以上两个方案论证的结果如表2-1所示表2-1方案论证计划方案1方案2同一点均以6个伺服电机实现6自由度，踝部只能实现左右自由度不同点腰部和膝部舵机配合专用舵架水平设置腰部和膝部舵机配合连接块纵向设置经过比较，根据舵机的设置方式，很容易发现提案2的机器人尺寸比提案1高。 这样，由于重心的把握和舵机的转矩要求高，设计难度增大，因此采用了提案1。2.4材料选择机器人的各关节由舵机驱动，为了减小机器人的体积、减轻重量，机器人的构造成为框架型。 框架的设计有效利用了舵机尺寸的大小，使舵机的可动范围尽量符合各关节的可动范围。 资料显示，大多数小型双足机器人的关节材料以铝合金为材料，整体结构采用1.5mm的铝合金(LY12 )钣金材料，该材料重量轻、硬度高，强度差于钢，但远远高于普通铝合金。 此外，该材料具有弹性模量、密度比高的特点。 另外，因为机器的总重量在2.5KG以下。 强度远小于铝合金的弯曲强度，符合要求。第三章结构设计3.1软元件选择3.1.1电机的选择常用的马达有直流马达、步进马达、舵机等。 以下，比较一下直流电机、步进电机、舵机。 见表3-1。表3-1电机比较电动机优点缺点适用质量应用场所直流电动机电力大，接口简单，购买方便的机型很多组装困难，价格昂贵，控制复杂任何重量的机器人大型机器人步进电机准确的速度控制模型多，界面简单，价格便宜体积大，组装困难，功率小，控制复杂小型机器人巡逻线追踪机器人，迷宫机器人舵机安装方便，接口简单，功率中等负荷能力低速度调节范围窄重量为2.5公斤的机器人小型机器人，步行机器人本研究制作的机器人是重量轻、实验用的小型双足步行机器人。 因此，机器人的各关节选择由舵机驱动。 舵机最初出现在航空模型运动中。 在航空模型中，飞机的飞行姿态是通过调节发动机和各控制舵面来实现的。 市场上收集了3种不同型号的舵机，性能、价格也不同。参数说明：一、MG996舵机(图1 )1 .重量： 60ghz2 .尺寸：约40mm20mm36.5mm3 .速度： 0.17秒/60度(4.8V) 0.13秒/60度(6.0V )4 .转矩： 13kdat5 .使用温度：0 55度6 .工作电压：4.8V-7.2V7 .市场价格： 100元/台图3-1二、Esky舵机(图2 )1 .重量： 60ghz2 .尺寸：约40.4mm19.8mm36mm3 .速度： 0.17秒/60度(4.8V) 0.13秒/60度(6.0V )4 .转矩： 3.2kgcm5 .使用温度：0 55度6 .工作电压：4.8V-7.2V7 .市场价格： 100元/台图3-2三、13DM81舵机(图3 )1 .重量： 60ghz2 .尺寸：约41mm20mm36mm3 .速度： 0.17秒/60度(4.8V) 0.13秒/60度(6.0V )4 .转矩： 13kdat5 .使用温度：0 55度6 .工作电压：4.8V-7.2V7 .市场价格： 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从各个接收机信道进入信号调制芯片，并得到直流偏置电压。 内部有基准电路，产生周期20ms、宽度1.5ms的基准信号，将得到的直流偏置电压与电位计的电压进行比较，得到电压差输出。 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。 电机的转速一定时，用级联减速齿轮旋转电位器，使电压差为0，停止电机的旋转。 图3图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20ms左右的定时脉冲，该脉冲的高电平部分一般是0.5ms2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。 以180度角度伺服为例，对应的控制关系如图3-5所示普瓦米0.5毫秒1.0毫秒1.5毫秒2.0毫秒2.5毫秒角度0度45度90度135度180度图3-5舵机的控制3.1.4电源选择为了使舵机供电电源产生的电压变动不干扰控制电路，将控制电路和舵机的电源隔离，即分别供电. 控制电路的电源使用2个3.3v按钮电池串联连接二极管供给的5V电源，舵机的电源使用2个2000毫安锂电池，在7806稳定的6V下分别向3个舵机供给电力。 其控制原理如图3-6所示。3.3v按钮电池2个串联整流二极管主芯片PwmMG996战斗机舵机7806稳定芯片7.2v锂电池图3-6机器人控制电路图3.2关节结构的三维设计图3.2.1舵机、双足机器人核心零件、型号MG996、尺寸： 40mm20mm36.5mm图3-7图3-7舵机3.2.2用于固定舵机的舵机座。 图3图8图3-8舵架舵架的尺寸由舵机的尺寸决定(尺寸见附录)。 小孔的位置要求精度高。 舵机结构不同，开孔位置应与舵机旋转轴同轴。 参照图3图9图3-9舵架3.2.3舵盘和舵轴是用于连接舵机和铝合金托架的部件。 参照图3图10图3-10舵盘由于舵机左右结构不同，对方舵机的另一端采用舵轴(尺寸见附录)。 图3图11图3-11舵轴3.2.4小u形架，机器人的脚部本体支撑着关节，起着连接舵机和舵机、舵机和小腿的重要作用。 图3-12 (尺寸见附录)图3-12小u机架3.2.5大的u形架，机器人的脚部本体支撑着关节，起着连接舵机和舵机、舵机和腰部的重要作用。 图3-13 (尺寸见附录)图3-13大u字架3.2.6足底板、底部机器人脚板、中空设计在步行时易于提供足够的摩擦力，图3-14 (尺寸见附录)。图3-14脚底板3.2.7顶盖主要用于脚部的连接、单片机的设置、腰部舵机的固定。 图3-15 (尺寸见附录)图3-15顶盖3.3零件三位模型的组合设计说明3.3.1舵机舵轴组装图。 如图3-16所示图3-16舵架舵轴配合图3.3.2舵机舵架舵轴组件。 使舵轴为t形状是为了使舵机与舵台对齐，其中舵轴端面的厚度为4mm，使舵机与舵台对齐的是图3-17图3-17舵机舵架舵轴组装图舵架开孔位置决定舵轴是否与舵机旋转轴处于同轴心，在图3-18、3-19中表示舵机旋转轴位置和舵机尺寸图3-18旋转轴位置图3-1