【《某双足仿生机器人双足行走机构控制系统设计》2200字】

某双足仿生机器人双足行走机构控制系统设计1双足仿生机器人双足行走机构控制系统设计1.1控制系统的硬件要求各个部件拟设计模型如图所示，分析参考了市面上可购入的现成型号，目标是能保证平衡，与整体构架匹配，经计算确定满足设计要求。图4-1零部件建模模型图4-7运动仿真在如图所示对双足机器人的膝盖关节进行了建模仿真之后，可以明显地看出在机器人初始启动阶段关节处有极为明显的抖动现象，随后会进入一个较为平缓的动作流程，经此分析可知，首先启动阶段对机器人全部的关节会有较大的负荷，如果材料选择不合适可能造成磨损甚至严重的损伤，再然后就是应该对不同的关节处的旋转范围进一步地调整，虽然就仿真模拟结果来说能够动作起来，但是实际产物可能会因为各种外界因素造成干扰，因此在程序设计中需要加入相应的平缓程序以缓解关节压力。1.2驱动舵机设计图4-7舵机角度控制原理得一个直流偏置电压.该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压BA6688的3脚输出[26]。该输出送入电机驱动集成电路BAL6686，以驱动电机正反转.Rw1旋转，直到电压差为0，电机停止转动。本次设计选择的是MG996R型舵机。表4-1MG996R型号舵机参数产品重量：55g产品尺寸：40*20*36.5mm额定电压：6~7.4V静态电流：<200mA工作速度：0.18sec/60°7.4V堵转力矩：9kg/cm6V13kg/cm7.4V配套线长：32cm（红棕黄耐磨硅胶线）1.3机器人机构的强度分析强度分析大多数说的是在常温的条件下对测试结构进行受载荷情况下的响应特性，响应特性一般要测定的有应力分布、变形形状等。设计过程中主要应用电脑软件进行强度分析，所以只要施加一定载荷观察变形趋势即可确定该零件是否能顾承受既定的重量[27]。机器人机构的强度分析，利用软件中的应力分析模块对机器人机构进行强度分析.通过分析几个重点承重部位零件的静态载荷和运动载荷，来检验机构的强度，优化设计。1.3.1静态强度分析静态强度分析主要是分析机器人机构在站立的条件下机器人下肢零件的受力情况，得出零件的应力分析结果.具体做法是在i环境下利用中的应力分析模块对关键零件进行强度分[28]。机器人重18kg，在直立状态下每条腿分担的重量为9kg。足部零件的材料为铝合金5052屈服强度为195MPa，主要受足部以上零件的重力和地面给予的反作用力，利软件中的应力分析模块对足部进行强度分析。我们可以计算出最大等效应力为0.4246MPa，在足部与踝关节虎克铰链连接处远远低于材料的承受极限。1.3.2踝关节的强度分析在机构直立状态下，踝关节铰链结构主要受上面零件的重量产生的重力和足部给它的反作用力，材料为铝合金5052，进行受力情况及分析。最大等效应力为0.9MPa，远远小于材料强度极限，危险位置为铰链结构的两端及中间的结合部。踝关节连接器负责连接虎克铰链与小腿，主要受上面零件重量产生的重力及虎克铰链的反作用力，材料也是铝合金5052。最大等效应力为1.494MPa，低于材料强度极限，危险部位为零件中部的连接处.运动载荷强度分析主要在软件环境下，对行走条件下的仿人双足机器人机构的零件进行运动载荷下的强度分析。具体做法：在软件环境下，通过上文中对仿人双足机器人机构行走的运动模拟，在软件中的运动仿真模块里将运动模拟得出的运动载荷输出到应力分析模块中，然后在应力分析模块里完成零件在运动载荷下的强度分析[30]。在软件环境下，将足部的运动载荷导入应力分析模块，足部的运动强度分析结果为最大应力约为0.72MPa，低于材料强度极限，危险位置为足部前部的足耳。髋关节虎克铰链运动强度分析最大等效应力约为0.155MPa，低于材料强度极限，危险位置为铰链中部。髋关节平台运动强度分析最大等效应力约为0.34MPa，低于材料强度极限，危险位置为髋关节平台前耳[31]。1.4本章小结这一章主要在软件环境下，利用软件中的应力分析模块及运动仿真模块，完成对双足机器人的机构零件进行强度分析，这个过程的重点在于静态的强度分析和在运动载荷下的强度分析，分析出结果后再经由相应的公式验算，需要得出仿人双足机器人的强度满足设计要求才算成功。2双足仿生机器人双足行走机构控制软件设计2.1软件系统的基本要求本次设计出的机器人共有8个舵机，每个动作都需要两个以上的舵机配合，选择的控制模块树莓派4B型是无法单独做到的，因此还需要舵机控制板与树莓派相接。树莓派的全称为“RaspberryPi”，是英国某慈善组织所注册并开发的,在这次的双足仿生机器人设计过程中所采用的控制系统就是树莓派。相较于常见的单片机来说选择树莓派的理由是其性能更好一点，而且能适配多种插件实现不同的功能[32]。如图5-1所示就是树莓派4B。图5-1树莓派控制板图5-2树莓派板载接口说明图5-3扩展接口定义图图5-416路舵机驱动板2.2软件设计的技术路线与总体方案树莓派虽然是一种与元件但功能性上可以说是一台微型电脑，在使用树莓派的过程中我们需要牢记相应的各种快捷键键位，这能为我们的程序编写过程提供极大地便利。树莓派的控制程序可以应用Python语言，这意味着想要做到基础的使用我们至少得在Python语言这方面拥有入门级别的能力，要记住基础的操作流程。通过大量的书籍与视频教学，我们能快速地学会使用这一门语言，接下来就需要实际操作了，在实践过程中印证所学知识与实际的关联性[33]。在使用树莓派前需要载入一个控制系统。在电脑上下载树莓派官方镜像系统，然后需要按照专业的流程进行注册连接待树莓派模块成功运转就算成功，接下来就是编写适合自己的程序。图5-5定义程序2