仿人步行機器人機構(gòu)設(shè)計.pdf

總 第 ! 卷 第 !#$ 期 電 測 與 儀 表 %&(! )&(!#$* 年 第 期 +,-./0-1 2,134/,5,6. 7 863./45,6.1.0&6 9,:( $*仿 人 步 行 機 器 人 機 構(gòu) 設(shè) 計!周 華 平 ， 馮 金 光;國 防 科 技 大 學(xué) 機 電 工 程 與 自 動 化 學(xué) 院 ， 長 沙 !摘 要 ： 仿 人 步 行 機 器 人 的 機 構(gòu) 是 所 有 部 件 的 載 體 ， 也 是 設(shè) 計 仿 人 機 器 人 最 基 本 的 和 首 要的 工 作 。 本 文 根 據(jù) 項 目 規(guī) 劃 和 控 制 任 務(wù) 要 求 ， 按 照 從 總 體 到 部 分 、 由 主 到 次 的 原 則 ， 設(shè) 計了 一 種 適 合 仿 人 步 行 機 器 人 控 制 的 機 構(gòu) 。 文 章 首 先 從 機 構(gòu) 的 設(shè) 計 目 標 出 發(fā) ， 制 定 了 總 體設(shè) 計 方 案 ， 再 根 據(jù) 總 體 方 案 進 行 了 關(guān) 鍵 器 件 的 選 型 ， 最 后 完 成 了 各 部 分 機 構(gòu) 的 詳 細 設(shè) 計工 作 。 最 終 的 機 構(gòu) 在 外 型 上 具 有 仿 人 的 效 果 ， 在 功 能 上 完 全 滿 足 電 氣 各 部 件 機 載 化 的 安裝 要 求 。關(guān) 鍵 詞 ： 仿 人 機 器 人 ； 機 構(gòu) ； 設(shè) 計 ； 軸 系中 圖 分 類 號 ： ?=A 的 直 流 伺 服 電 機 外 ， 其 它 軸 系 全 部 采 用 $的 直 流 驅(qū) 動 電 機 。 下 肢 所 有 軸 系 全 部 采 用 兩 級 減 速 方式 ， 一 級 減 速 采 用 回 差 極 小 的 諧 波 減 速 器 ， 除 髖 部 轉(zhuǎn)動 軸 系 速 比 為 ;$ 外 ， 其 它 軸 系 速 比 為 ;=!； 二 級 減 速除 髖 部 轉(zhuǎn) 動 軸 系 采 用 斜 齒 等 比 傳 動 外 ， 其 它 軸 系 全 部采 用 速 比 為 的 直 流 伺 服 電 機 和 速 比 為 ;$ 的 諧 波 減 速器 ， 為 了 減 輕 上 肢 的 重 量 ， 側(cè) 向 關(guān) 節(jié) 根 據(jù) 其 負 載 要 求采 用 了 $ 的 直 流 伺 服 電 機 和 速 比 為 ;$ 的 諧 波 減速 器 。以 28)82?A 電 機 為 例 ， 按 其 正常 連 續(xù) 工 作 輸 出 力 矩 ;$5)5 計 算 ， 經(jīng) 過 兩 級 !D 倍減 速 ， 其 輸 出 力 矩 可 達 *( 電 機 軸 系 可 以 驅(qū)動 力 臂 ;$-5 重 量 約 !EF 的 負 載 ， 完 全 可 滿 足 總 體 輸出 力 矩 的 要 求 。如 表 所 示 的 次 要 軸 系 中 ， 上 肢 肘 部 轉(zhuǎn) 動 和 前 向軸 系 、 上 肢 腕 部 轉(zhuǎn) 動 軸 系 、 頭 頸 部 俯 仰 軸 系 需 要 較 大的 力 矩 輸 出 ， 但 又 不 能 導(dǎo) 致 肩 部 軸 系 負 載 過 大 ， 因 此采 用 了 輸 出 力 矩 較 大 的 一 體 化 航 模 舵 機 H*?*2A； 手 部 所 有 $ 個 軸 系 為 了 滿 足驅(qū) 動 和 控 制 內(nèi) 置 于 掌 中 的 要 求 ， 采 用 了 體 積 小 、 重 量輕 的 一 體 化 舵 機 =;$。如 表 ; 所 示 ， 在 本 仿 人 機 器 人 系 統(tǒng) 中 ， 主 要 軸 系全 部 采 用 電 位 器 作 為 位 速 傳 感 器 ， 傳 感 器 輸 出 信 號 直接 反 映 出 軸 系 的 伺 服 位 置 ， 輸 出 信 號 經(jīng) 過 差 分 處 理 后得 到 速 度 伺 服 信 號 。 主 要 軸 系 中 下 肢 軸 系 傳 感 器 直 接同 軸 連 接 在 低 速 輸 出 軸 上 ， 上 肢 肩 部 軸 系 傳 感 器 通 過同 步 帶 和 輸 出 軸 連 接 。 次 要 軸 系 傳 感 器 同 樣 是 電 位器 ， 它 內(nèi) 置 于 一 體 化 舵 機 中 ， 和 電 機 輸 出 軸 同 軸 連 接 。! 機 構(gòu) 具 體 設(shè) 計在 上 述 機 構(gòu) 總 體 設(shè) 計 方 案 和 關(guān) 鍵 軸 系 器 件 確 定后 ， 我 們 對 整 體 機 構(gòu) 進 行 了 由 主 到 次 的 具 體 設(shè) 計 ， 其中 包 括 下 肢 承 載 平 臺 即 下 體 機 構(gòu) 設(shè) 計 、 軀 干 機 構(gòu) 設(shè)計 、 上 肢 機 構(gòu) 設(shè) 計 、 頭 頸 機 構(gòu) 設(shè) 計 、 手 部 機 構(gòu) 設(shè) 計 和 機載 安 裝 空 間 的 設(shè) 計 B下 面 對 這 些 工 作 進 行 具 體 的 說 明 。;( 下 體 機 構(gòu) 設(shè) 計下 肢 關(guān) 節(jié) 軸 系 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 ， 一 般 考 慮 的 主 要 因 素 包括 三 個 方 面 ， 其 一 是 軸 系 最 大 驅(qū) 動 力 矩 要 求 ， 其 二 是軸 系 的 結(jié) 構(gòu) 強 度 和 運 動 速 度 要 求 ， 其 三 是 軸 系 的 重 量限 制 。 在 本 項 目 中 ， 下 肢 軸 系 一 方 面 需 要 提 供 足 夠 的力 矩 和 結(jié) 構(gòu) 強 度 才 能 實 現(xiàn) 對 本 身 和 上 體 的 承 載 ， 另 一方 面 要 達 到 足 夠 的 運 動 速 度 才 能 使 機 器 人 整 體 步 行速 度 達 到 項 目 指 標 的 要 求 。 因 此 ， 對 下 肢 關(guān) 節(jié) 軸 系 ， 上述 三 個 因 素 需 要 并 重 考 慮 ， 即 在 保 證 所 需 強 度 、 驅(qū) 動力 矩 、 運 動 速 度 下 ， 在 重 量 、 結(jié) 構(gòu) 和 尺 寸 上 進 行 優(yōu) 化 。在 整 個 下 肢 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 中 ， 我 們 擯 棄 了 以 往 的 關(guān) 節(jié) 串行 鏈 接 的 模 式 ， 通 過 直 齒 平 移 或 斜 齒 傳 動 ， 在 實 現(xiàn) 二次 減 速 的 同 時 ， 使 得 多 軸 關(guān) 節(jié) 完 全 正 交 ， 其 中 包 括 踝部 的 前 向 與 側(cè) 向 關(guān) 節(jié) 完 全 正 交 ， 髖 部 的 前 向 、 側(cè) 向 、 轉(zhuǎn)動 三 個 關(guān) 節(jié) 完 全 正 交 。;( 軀 干 機 構(gòu) 設(shè) 計軀 干 在 仿 人 機 器 人 中 不 僅 僅 起 到 連 接 下 肢 、 上 肢和 頭 頸 部 分 的 作 用 ， 而 且 要 為 機 載 安 裝 設(shè) 備 提 供 安 裝空 間 。 在 本 項 目 中 上 肢 部 分 的 大 功 率 軸 系 、 上 肢 底 層功 率 驅(qū) 動 器 、 語 音 識 別 控 制 器 、 無 線 遙 控 監(jiān) 控 器 以 及鋰 離 子 電 池 組 等 都 需 要 安 裝 在 機 器 人 軀 干 部 分 ， 因 此我 們 以 板 筋 為 材 料 ， 將 軀 干 設(shè) 計 為 一 個 中 空 的 腔 體 ，內(nèi) 部 設(shè) 計 有 支 撐 板 ， 一 方 面 保 證 腔 體 的 結(jié) 構(gòu) 強 度 ， 另一 方 面 提 供 上 述 機 載 設(shè) 備 的 安 裝 構(gòu) 架 ， 同 時 為 了 機 載設(shè) 備 的 維 護 更 換 方 便 ， 我 們 將 軀 干 外 圍 板 筋 設(shè) 計 成 為各 方 可 以 自 由 裝 卸 的 組 合 形 式 。;(; 上 肢 機 構(gòu) 設(shè) 計上 肢 機 構(gòu) 設(shè) 計 主 要 考 慮 滿 足 各 運 動 自 由 度 的 要求 和 機 載 系 統(tǒng) 的 安 裝 要 求 。 在 上 肢 的 設(shè) 計 中 ， 為 盡 可能 減 少 負 載 ， 肩 關(guān) 節(jié) 個 自 由 度 分 別 采 用 #$C 和$C 電 機 驅(qū) 動 的 機 電 驅(qū) 動 模 塊 直 接 驅(qū) 動 關(guān) 節(jié) 運 動 ， 其余 ! 個 關(guān) 節(jié) 均 采 用 大 功 率 一 體 化 數(shù) 控 電 機 直 接 控 制關(guān) 節(jié) 運 動 （ 大 臂 滾 動 、 肘 關(guān) 節(jié) 、 小 臂 滾 動 、 腕 關(guān) 節(jié) ） 。 上肢 這 種 設(shè) 計 在 保 證 機 構(gòu) 運 動 功 能 要 求 的 前 提 下 ， 大 大減 輕 了 機 構(gòu) 重 量 ， 減 少 了 控 制 系 統(tǒng) 的 復(fù) 雜 性 。;(! 頭 頸 機 構(gòu) 設(shè) 計在 本 項 目 中 ， 我 們 擬 訂 頭 頸 兩 個 自 由 度 ： 轉(zhuǎn) 動 和俯 仰 。 為 了 減 輕 頭 部 的 重 量 ， 我 們 對 這 兩 個 軸 系 直 接采 用 功 率 適 當(dāng) 的 一 體 化 舵 機 輔 以 板 筋 機 構(gòu) 件 來 實 現(xiàn) ，頭 部 外 殼 采 用 板 筋 組 合 設(shè) 計 為 卡 通 機 器 人 形 象 ， 內(nèi) 部安 裝 有 攝 像 頭 。;(* 手 部 機 構(gòu) 設(shè) 計仿 人 手 爪 是 仿 人 機 器 人 在 外 形 和 功 能 上 仿 人 的必 要 組 成 部 分 和 重 要 環(huán) 節(jié) ， 對 手 爪 的 研 究 在 整 個 機 器人 技 術(shù) 中 也 有 著 極 其 重 要 的 地 位 。 在 本 項 目 中 ， 我 們模 仿 人 手 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 、 特 點 和 功 能 ， 設(shè) 計 和 研 制 了 以實 現(xiàn) 演 示 功 能 為 目 的 的 簡 易 仿 人 機 器 人 手 爪 。 我 們 首先 從 手 爪 的 機 構(gòu) 抓 持 、 操 作 等 特 點 出 發(fā) ， 分 析 了 幾 種常 見 的 手 爪 機 構(gòu) ， 并 著 重 對 特 殊 手 爪 機 構(gòu) 的 結(jié) 構(gòu) 形 式和 特 點 進 行 了 分 析 ， 在 此 基 礎(chǔ) 上 ， 從 仿 生 學(xué) 角 度 ， 模 仿人 類 手 指 的 功 能 、 特 點 ， 對 仿 人 機 器 人 簡 易 手 指 的 結(jié)構(gòu) 進 行 了 優(yōu) 化 分 析 和 設(shè) 計 ， 提 出 了 一 種 “ 欠 驅(qū) 動 ” 結(jié) 構(gòu)的 設(shè) 計 方 法 。 與 常 規(guī) 的 手 爪 結(jié) 構(gòu) 相 比 ， 這 種 “ 欠 驅(qū) 動 ”的 手 指 結(jié) 構(gòu) 操 作 更 加 靈 活 ， 能 實 現(xiàn) 多 功 能 的 抓 取 操作 ， 不 但 有 利 于 減 少 控 制 的 復(fù) 雜 性 ， 減 輕 重 量 ， 降 低 能耗 ， 而 且 具 有 更 好 的 適 應(yīng) 性 、 穩(wěn) 定 性 和 柔 韌 性 。整 個 簡 易 仿 人 手 爪 的 設(shè) 計 是 根 據(jù) 人 類 手 的 結(jié) 構(gòu) 、功 能 ， 采 用 了 四 個 手 指 和 一 個 大 拇 指 相 配 合 的 結(jié) 構(gòu) ，關(guān) 節(jié) 之 間 以 鋼 絲 拉 動 作 為 肌 腱 ， 每 一 個 手 指 分 別 由 一個 獨 立 的 電 機 控 制 ， 來 完 成 抓 、 握 、 捏 以 及 其 它 各 種 較為 復(fù) 雜 的 動 作 。;(? 機 載 安 裝 空 間 設(shè) 計電 氣 機 載 化 安 裝 是 本 項 目 的 主 要 目 標 之 一 ， 因 此在 機 構(gòu) 的 設(shè) 計 中 ， 機 載 電 源 子 系 統(tǒng) 和 控 制 子 系 統(tǒng) 的 機載 安 裝 空 間 和 機 載 載 荷 平 衡 問 題 必 須 周 到 考 慮 。 一 方面 我 們 盡 量 提 高 機 載 部 分 集 成 度 ， 減 輕 機 載 部 分 重# #總 第 ! 卷 第 !#$ 期 電 測 與 儀 表 %&(! )&(!#$* 年 第 期 +,-./0-1 2,134/,5,6. 7 863./45,6.1.0&6 9,:( $*量 ， 另 一 方 面 采 用 模 塊 化 分 散 化 的 設(shè) 計 原 則 和 安 裝 方式 ， 盡 量 利 用 零 散 的 機 載 空 間 。在 機 器 人 軀 干 部 分 設(shè) 計 中 ， 其 內(nèi) 腔 均 設(shè) 計 為 機 載安 裝 空 間 ， 但 是 由 于 完 全 機 載 化 的 要 求 ， 該 空 間 遠 遠滿 足 不 了 系 統(tǒng) 的 要 求 。 為 此 我 們 設(shè) 計 了 一 個 后 背 箱 ，作 為 控 制 計 算 機 主 機 、 多 軸 運 動 控 制 器 組 、 電 源 變 換模 塊 、 無 線 通 訊 模 塊 、 電 源 監(jiān) 測 與 控 制 模 塊 以 及 接 線端 子 連 接 器 的 機 載 空 間 。下 肢 軸 系 設(shè) 計 模 塊 化 后 ， 采 用 板 筋 結(jié) 構(gòu) 連 接 各 個軸 系 組 成 整 個 下 肢 ， 軸 系 間 板 筋 圍 成 的 空 間 作 為 下 肢軸 系 底 層 功 率 驅(qū) 動 器 的 機 載 空 間 。! 機 構(gòu) 設(shè) 計 結(jié) 果機 器 人 外 形 示 意 如 圖 ， 整 體 身 高 ;*-5， 整 機 重量 （ 包 括 機 載 設(shè) 備 ） 約 ?， 機 構(gòu) 共 具 有 =?， 達 到 預(yù) 期 的 控 制 目 標 。 其 中 上 臂 約 *(*?， 下 肢約 =?， 軀 干 及 后 背 箱 約 ($?， 機 載 電 源 約 ;?， 頭部 約 $(?。 在 整 個 重 量 結(jié) 構(gòu)中 ， 機 載 電 源 部 分 所 占 比 重 較 大 ， 這 是 目 前 國 內(nèi) 鋰 離子 電 池 本 身 局 限 和 我 們 擬 訂 的 機 器 人 無 纜 工 作 時 間指 標 較 高 所 致 。 結(jié) 論我 們 在 確 定 仿 人 機 器 人 機 構(gòu) 總 體 自 由 度 數(shù) 量 、 自由 度 布 局 、 主 要 軸 系 設(shè) 計 方 案 和 機 載 安 裝 空 間 的 要 求后 ， 對 整 體 結(jié) 構(gòu) 進 行 了 全 面 的 設(shè) 計 、 加 工 、 裝 配 及 調(diào)試 ， 完 成 了 一 套 較 為 完 整 的 仿 人 機 器 人 機 構(gòu) ， 完 全 實現(xiàn) 了 預(yù) 期 的 目 標 要 求 。 多 次 實 驗 證 明 ， 該 機 構(gòu) 不 僅 在外 形 上 進 一 步 實 現(xiàn) 了 仿 人 的 效 果 ， 而 且 結(jié) 構(gòu) 靈 活 ， 承載 力 強 ， 完 全 可 以 滿 足 機 器 人 的 運 動 要 求 。參 考 文 獻A;B C1D4& E0/10(FG, E&6H1 E4