仿人型機(jī)器人設(shè)計(jì)說明書(共29頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄1前言1.1 仿人機(jī)器人的概念現(xiàn)階段，機(jī)器人的研究應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，其中仿人機(jī)器人的研究和應(yīng)用尤其受到普遍關(guān)注，并成為智能機(jī)器人領(lǐng)域中最活躍的研究熱點(diǎn)之一。研究與人類外觀特征類似，具有人類智能、靈活性，并能夠與人交流，不斷適應(yīng)環(huán)境的仿人機(jī)器人一直是人類的夢(mèng)想之一。世界上最早的仿人機(jī)器人研究組織誕生于日本，1973年，以早稻大學(xué)加藤一郎教授為首，組成了大學(xué)和企業(yè)之間的聯(lián)合研究組織，其目的就是研究仿人機(jī)器人。加藤一郎教授突破了仿人機(jī)器人研究中最關(guān)鍵的一步兩足步行。1996年11月，本田公司研制出了自己的第一臺(tái)仿人步行機(jī)器人機(jī)P2，2000年11月，又推出了最新一代的仿

2、人機(jī)器人ASIMO。國防科技大學(xué)也在2001年12月獨(dú)立研制出了我國第一臺(tái)仿人機(jī)器人。仿人機(jī)器人要能夠理解、適合環(huán)境、精確靈活地進(jìn)行作業(yè)，高性能傳感器的開發(fā)必不可少。傳感器是機(jī)器人獲得智能的重要手段，如何組合傳感器攝取的信息，并有效地加以運(yùn)用，是基于傳感器控制的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自治的先決條件。仿人機(jī)器人研究在很多方面已經(jīng)取得了突破，如關(guān)鍵機(jī)械單元、基本行走能力、整體運(yùn)動(dòng)、動(dòng)態(tài)視覺等，但是離我們理想中的要求還相去甚遠(yuǎn)，還需要在仿人機(jī)器人的思維和學(xué)習(xí)能力、與環(huán)境的交互、軀體結(jié)構(gòu)和四肢運(yùn)動(dòng)、體系結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。仿人機(jī)器人具有人類的外觀，可以適合人類的生活和工作環(huán)境，代替人類完成各種

3、作業(yè)，并可以在很多方面擴(kuò)展人類的能力，在服務(wù)、醫(yī)療、教育、娛樂等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1.2 課題來源本課題來源于研究課題。仿人機(jī)器人的研究和應(yīng)用尤其受到普遍關(guān)注，并成為智能機(jī)器人內(nèi)領(lǐng)域中最活躍的研究熱點(diǎn)之一，研究與人類外觀特征類似，具有人類智能、靈活性，能夠與人交流，不斷適應(yīng)環(huán)境的仿人機(jī)器人一直是人類的夢(mèng)想之一。1.3 技術(shù)要求根據(jù)設(shè)計(jì)要求達(dá)到以下技術(shù)要求：a.根據(jù)任務(wù)要求，本仿人機(jī)器人總高900mm，肩寬30mm，手臂長(zhǎng)40mm；b.各關(guān)節(jié)采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；c.除了通用件外，其它零件用工程塑料PVC壓鑄成形。1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r1.4.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)，仿人

4、機(jī)器人的研制工作起步較晚，1985年以來，相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國防科技大學(xué)最為典型。哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1985年開始研制雙足步行機(jī)器人，基于控制理論曾經(jīng)獲得自然科學(xué)基金和國家“863”計(jì)劃的支持，迄今為止已經(jīng)完成了三個(gè)型號(hào)的研制工作：第一個(gè)型號(hào)HIT-1為10個(gè)自由度，重100kg，高1.2m，關(guān)節(jié)由直流伺服電極驅(qū)動(dòng)，屬于靜態(tài)步行。第二個(gè)型號(hào)HIT-2為12 個(gè)自由度，該機(jī)器人髖關(guān)節(jié)和腿部結(jié)構(gòu)采用了平行四邊形結(jié)構(gòu)。第三個(gè)型號(hào)HIT-3為12 個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)采用兩電機(jī)交叉結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度，腿部結(jié)構(gòu)采用了圓筒形結(jié)構(gòu)。H IT-3實(shí)現(xiàn)了靜

5、態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行，能夠完成前/后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階及上斜坡等動(dòng)作。目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所與機(jī)械電子工程教研室合作，正在致力于功能齊全的仿人機(jī)器人HIT -4的研制工作，該機(jī)器人包括行走機(jī)構(gòu)、上身及臂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，初步設(shè)定32個(gè)自由度。國防科技大學(xué)也進(jìn)行了這方面的研究。在1989年研制成功了一臺(tái)雙足行走機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人具有10個(gè)自由度，能完成靜態(tài)步行、動(dòng)態(tài)步行。清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高等院校和研究機(jī)構(gòu)也在近幾年投入了相當(dāng)?shù)娜肆Α⑽锪?，進(jìn)行智能仿人機(jī)器人的研制工作。1.4.2 國外研究現(xiàn)狀日本已經(jīng)成為仿人機(jī)器人研究最活躍、成果最豐富的國家。下面重點(diǎn)就日本仿人機(jī)器

6、人研究動(dòng)態(tài)進(jìn)行介紹。a.早稻田大學(xué)目前，早稻田大學(xué)的仿人機(jī)器人研究基本分為三部分。其中，一部分是研究與人協(xié)作的仿人機(jī)器人。目標(biāo)是從學(xué)術(shù)角度研究人的行走機(jī)理，并建立人的行走模型；從工程角度制造實(shí)用的仿人機(jī)器人。研制成果是WABIAN（Waseda Bipedal Humanoid）系列仿人機(jī)器人。WABIAN能夠在平面上動(dòng)態(tài)前進(jìn)、后退、跳舞及攜帶重物。而WABIAN RV更是具備了語音識(shí)別能力，使人機(jī)界面更為友好。在此基礎(chǔ)上，WABIAN-2針對(duì)行走部分做了改進(jìn)。每條腿7個(gè)自由度，包括：腳3個(gè)，膝蓋1個(gè)，髖部3個(gè)。腰部有2個(gè)自由度。相比6個(gè)自由度的腿，其優(yōu)點(diǎn)是膝蓋的方向。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為DC伺服電機(jī)，

7、減速部分采用諧波齒輪。另一部分是開發(fā)對(duì)用途的雙足步行腿部模塊，應(yīng)用于包括仿人機(jī)器人的各種機(jī)器人系統(tǒng)中。b.東京大學(xué)東京大學(xué)是目前進(jìn)行機(jī)器人研究非?；钴S的機(jī)構(gòu)。其中進(jìn)行仿人機(jī)器人研究的主要有JSK實(shí)驗(yàn)室和Nakamura實(shí)驗(yàn)室。JSK實(shí)驗(yàn)室的仿人機(jī)器人研究是以H6仿人機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其具體參數(shù)如下：高1370mm，寬590mm，重55kg。共有35個(gè)自由度：雙腿各6，雙足各1，雙臂各7，兩抓持器各1，脖子2，眼睛3。驅(qū)動(dòng)采用DC電機(jī)和諧波齒輪，實(shí)用操作系統(tǒng)是RT-linux。主要的研究方向包括：（1）開發(fā)大型仿真系統(tǒng)（2）研究能夠避障和滿足動(dòng)態(tài)約束的運(yùn)動(dòng)規(guī)范算法。另外，JSK實(shí)驗(yàn)室還對(duì)腱驅(qū)動(dòng)機(jī)

8、器人、軟脊椎機(jī)器人、凝膠體機(jī)器人、人造皮膚等進(jìn)行了相關(guān)研究。Nakamura實(shí)驗(yàn)室不僅研究專門針對(duì)仿人機(jī)器人的特殊機(jī)構(gòu)，包括含有揉性連接的肩關(guān)節(jié)、已應(yīng)用在髖部的雙球關(guān)節(jié)。而且，該實(shí)驗(yàn)室在基于動(dòng)力學(xué)的運(yùn)動(dòng)方式識(shí)別和生成的信息處理方面頗有造詣。提出了利用關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性來簡(jiǎn)化仿人機(jī)器人全身運(yùn)動(dòng)的方法；設(shè)計(jì)了基于動(dòng)力學(xué)的類似腦信息處理的系統(tǒng)；設(shè)計(jì)了基于動(dòng)力學(xué)和傳感數(shù)據(jù)的信息處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平滑過度。同時(shí)，研究了將運(yùn)動(dòng)方式識(shí)別和生成進(jìn)行統(tǒng)一的信息處理。另外，Nakamura實(shí)驗(yàn)室還以人體虛擬模型為基礎(chǔ)對(duì)運(yùn)動(dòng)生成、測(cè)量和動(dòng)力學(xué)計(jì)算等方面進(jìn)行了研究。c.本田公司本田公司從1986開始以開發(fā)

9、實(shí)用型仿人機(jī)器人為目標(biāo)，至今已經(jīng)有P1、P2、P3和ASMO機(jī)器人問世。其中，P3高1600mm，寬600mm，厚550mm，重130kg，最高步速2km/h。P3能夠在斜面和不平地面上行走，可以上下樓梯和單腿站立。ASMO高1200mm，寬450mm，厚440mm，重43kg，自由度分布為：頭部2，肩部3，肘部1，腕部1，手部1，髖部3，膝部1，腳2。ASMO在行走能力上有所突破，由于采用了實(shí)時(shí)、智能的揉性行走技術(shù)，它可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)下一步運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)向時(shí)能及時(shí)向內(nèi)轉(zhuǎn)移重心，避免了先停步再轉(zhuǎn)向。同時(shí)，ASMO能夠識(shí)別50種不同的問候和日語問題并作出相應(yīng)反應(yīng)，也可以用肢體語言完成30種不同的日語動(dòng)作

10、命令。 d.索尼公司索尼公司主要針對(duì)娛樂機(jī)器人進(jìn)行研究，包括機(jī)器狗ABO和雙足娛樂機(jī)器人QRD。在行走方面，2003年12月推出的QRD能夠在不平地面上動(dòng)態(tài)步行，會(huì)跳舞。若被人推一把，為避免摔倒會(huì)順勢(shì)向前并停止所有運(yùn)動(dòng)。一旦失去平衡，會(huì)伸出胳膊、轉(zhuǎn)動(dòng)髖關(guān)節(jié)和放慢電機(jī)轉(zhuǎn)速，這樣可以減少摔倒時(shí)的振動(dòng)和沖擊。摔倒后，能夠重新站立起來。作為娛樂機(jī)器人，QRD能夠識(shí)別人的面孔、聲音和與人對(duì)話，可以唱歌和表達(dá)情緒，并能記住陌生面孔和聲音，通過立體視覺系統(tǒng)，能看到障礙物并判斷出最佳避障路徑。1.4.3 發(fā)展趨勢(shì)仿人機(jī)器人與輪式、履帶式機(jī)器人相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)和它們無法比擬的優(yōu)越性，但是由于受到機(jī)構(gòu)學(xué)、材料

11、科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、微電子學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等相關(guān)學(xué)科發(fā)展的制約，至今基本上仍處于實(shí)驗(yàn)室研制的階段，尤其是雙足行走的速度、穩(wěn)定性及自適應(yīng)能力仍不是非常理想，只有在走穩(wěn)走好之后再加上臂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)，才談得上真正的仿人，當(dāng)然，仿人不能僅僅局限于這些，還應(yīng)該模仿人類的視覺、觸覺、語言，甚至情感等功能，仿人機(jī)器人是許多技術(shù)的綜合、集成和提高，目前，主要的攻關(guān)項(xiàng)目還是行走功能的進(jìn)一步提高，日本本田公司生產(chǎn)的P3仿人機(jī)器人雖已走向市場(chǎng)化，但是，它的功能還很不限，離實(shí)際意義上的擬人化還有相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x，所以仿人機(jī)器人給科研工作者提供了廣闊的研究空間，提出了一個(gè)

12、又一個(gè)新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也促進(jìn)了許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，導(dǎo)致了一些新理論，新方法的出現(xiàn)，越來越多的科研工作者投入了這一新興的前沿學(xué)科，以下是未來幾十年仿人機(jī)器人的研制方向。a.仿人機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的改造仿人機(jī)器人是一個(gè)多關(guān)節(jié)且具有冗余自由度的復(fù)雜的系統(tǒng)，如何實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能而又使結(jié)構(gòu)最優(yōu)化是一個(gè)很值得研究的問題，一個(gè)功能齊全的智能仿人機(jī)器人必須得有一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、配置合理的機(jī)械本體，本田公司最新研制的“ASMO”就是一個(gè)典型的例子。b.運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)求解理論和方法的發(fā)展一個(gè)理想的步態(tài)規(guī)劃對(duì)仿人機(jī)器人行走的穩(wěn)定性是非常有益的，由于仿人機(jī)器人系統(tǒng)的高階、強(qiáng)耦合及非線性，使得仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的精確求解非常

13、困難，而且也沒有非常理想的理論或方法來求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解析，只有外加一些限制條件如能量消耗最小，峰值力矩最小來求解運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的近似解，這往往導(dǎo)致了機(jī)器人的規(guī)劃運(yùn)動(dòng)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)有較大的出入，所以要得到理想的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，則必須在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的求解方法上有重要的突破。c.驅(qū)動(dòng)源的改進(jìn)目前仿人機(jī)器人所用的驅(qū)動(dòng)源主要有兩種：在線提供能源，離線自帶電源。理想的能源應(yīng)該具有十分高的能量密度、耐高溫、耐腐蝕、可再生、及成本等，但是現(xiàn)在的自配能源的容量有限，而機(jī)器人的關(guān)節(jié)眾多，所以如何改進(jìn)驅(qū)動(dòng)源，使其體積小、重量小而又容量大，也是在仿人機(jī)器人的研制過程中必須解決的問題。d.控制技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)

14、眾多，控制電路比較復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)其真正的擬人化，并擁有其他一些人類并不具有的功能，其控制電路就愈加復(fù)雜，如何尋找更為優(yōu)化的控制方案，優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)，也引起了越來越多的科研工作者的注意，另外一個(gè)解決方案就是利用大規(guī)模集成電路，現(xiàn)在的集成電路生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)到了相當(dāng)高的水平。e.智能技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展仿人機(jī)器人真正意義上的仿人是在雙足行走和智能化毫無疑問，人類是當(dāng)前世界上最智能化的生物，但要人類復(fù)制自己的智能到機(jī)器人身上可不是一個(gè)簡(jiǎn)單的事情，要使機(jī)器人獲得足夠的智能必須依賴于智能技術(shù)的發(fā)展，而現(xiàn)在的智能實(shí)現(xiàn)方法就是通過編制軟件，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，機(jī)器人接受人的指令產(chǎn)生相應(yīng)的操作；根據(jù)自己的學(xué)習(xí)完善自己

15、的專家系統(tǒng)；自主辨別借助外界環(huán)境和工具，尋找解決方案，這些高度智能化的操作必需得有高度發(fā)展的智能技術(shù)及計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)作為基礎(chǔ)。1.5 本課題要解決的主要問題及解決方案本課題要解決的問題主要有以下五個(gè)：a.機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的確定；b.手臂部分驅(qū)動(dòng)方式的選擇；c.手臂部分驅(qū)動(dòng)裝置的位置確定；d.手臂各關(guān)節(jié)自由度的確定；e.提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精確性。針對(duì)以上問題采用以下解決方案：a.由于本機(jī)器人的總高范圍為60-100mm，根據(jù)人體各部分比例，機(jī)器人的身高為80mm，肩寬為30mm，手臂長(zhǎng)為40mm；b.采用標(biāo)準(zhǔn)P型步進(jìn)電機(jī)，功率、重量符合要求，轉(zhuǎn)速底，從而所需的傳動(dòng)比小，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)裝置；c.機(jī)器人

16、的各部分用長(zhǎng)方形盒子來連接，步進(jìn)電機(jī)就放置在各個(gè)盒子里；d.機(jī)器人的上身，用了9個(gè)自由度，分別是頸部的擺動(dòng)，肩關(guān)節(jié)的擺動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)的擺動(dòng)，腕關(guān)節(jié)的擺動(dòng)；e.調(diào)整齒輪間隙，軸與軸之間的位置偏差。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 仿人機(jī)器人臂手部結(jié)構(gòu)的確定為了研究仿人機(jī)器人手臂首先需要了解人體手臂的機(jī)構(gòu)學(xué)特征。人體的手臂由肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)、手等幾部分組成。根據(jù)仿人與運(yùn)動(dòng)的實(shí)際出發(fā)，現(xiàn)擬定該機(jī)器人上身共有9個(gè)自由度，其中，肩關(guān)節(jié)2個(gè)自由度，肘關(guān)節(jié)屬于單軸關(guān)節(jié)，具有1個(gè)自由度，腕關(guān)節(jié)1個(gè)自由度，頭部俯仰1個(gè)自由度。從機(jī)構(gòu)原理上劃分，仿人手臂分為齒輪式、連桿式、繩索驅(qū)動(dòng)式和肌腱式，目前的仿人

17、機(jī)器人手臂主要采用齒輪式結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)擬定該機(jī)器人臂手部的傳動(dòng)方式為齒輪傳動(dòng)，齒輪式手臂具有機(jī)構(gòu)緊湊、精度高、承載高等優(yōu)點(diǎn)。2.2 仿人機(jī)器人上身尺寸的確定仿人機(jī)器人機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)確定后，進(jìn)一步根據(jù)操作任務(wù)的要求，確定與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)，包括相鄰關(guān)節(jié)的相對(duì)位置參數(shù)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)極限參數(shù)，即進(jìn)行機(jī)構(gòu)的尺寸綜合。尺寸綜合與仿人機(jī)器人手臂工作空間的要求密切相關(guān)。結(jié)合人體上身的尺寸特征，并按照機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的具體要求，確定手臂尺寸為：大臂長(zhǎng)130mm,小臂長(zhǎng)130mm，手長(zhǎng)90mm，頭高110mm。2.3 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)仿人機(jī)器人中的軀體部分有著連接手臂、頭以及腿部的作用，并且必須留有安裝空間，形狀也類似于人，在我

18、設(shè)計(jì)的仿人機(jī)器人中，肩部電機(jī)盒采用了長(zhǎng)方形盒子，左右各一個(gè)，在每個(gè)電機(jī)盒的兩側(cè)面都打了4個(gè)螺釘孔，用2塊板分別蓋在電機(jī)盒的側(cè)面，再用螺釘擰緊，就這樣仿人機(jī)器人的軀體形成了。同樣，手臂部分也是用長(zhǎng)方形盒子及連接板連接起來，形成整個(gè)手臂。2.4 仿人機(jī)器人自由度的確定本次設(shè)計(jì)的仿人機(jī)器人上身為5個(gè)自由度包括頭部的俯仰擺動(dòng)，肩部的轉(zhuǎn)動(dòng)與擺動(dòng)，肘部的擺動(dòng)，腕部的擺動(dòng)。表2-1 仿人機(jī)器人的基本參數(shù)動(dòng)作范圍頭俯仰 60º30º/s肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng) 360º30º/s肩關(guān)節(jié)擺動(dòng) 180º60º/s肘擺動(dòng) 180º30º/s腕擺動(dòng) 9

19、0º30º/s2.5 電機(jī)的選擇通常機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有以下三種：a.電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是利用各種類型的電動(dòng)機(jī)經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人操作機(jī)以獲得各種運(yùn)動(dòng)。電力驅(qū)動(dòng)因有不需能量轉(zhuǎn)換、控制靈活、使用方便、噪聲較低、啟動(dòng)力矩大等優(yōu)點(diǎn)而在機(jī)器人中廣泛選用。b.液壓驅(qū)動(dòng)方式液壓是一種比較成熟的技術(shù)。驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩大，即功率重量比大，也可把工作液壓缸直接做成操作關(guān)節(jié)的一部分，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、緊湊。液壓驅(qū)動(dòng)方式中所使用的壓力在0.514MPa之間，最高可達(dá)2030MPa；但機(jī)器人中多采用0.67MPa，而且需配備壓力源和復(fù)雜的管路系統(tǒng)。容易發(fā)生泄露，影響工作的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)

20、精度，污染環(huán)境。需定期更改液體介質(zhì)。所以制造成本、維護(hù)費(fèi)用較高。液體介質(zhì)中易混入氣泡，造成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)剛性降低，使速度響應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)精度變壞。c.氣壓驅(qū)動(dòng)方式使用的空氣壓力通常為0.40.6MPa，最高可達(dá)10MPa。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，造價(jià)低。氣源供應(yīng)方便，不會(huì)造成泄露污染。壓縮空氣在管路中的流速可達(dá)180m/s，因而動(dòng)作速度快。但由于氣體的可壓縮性，難以實(shí)現(xiàn)較高的位置精度和伺服控制。運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性差，工作時(shí)有噪聲。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有交、直流伺服電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)四種。步進(jìn)電機(jī)可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。仿

21、人機(jī)器人的上肢，包括肩部、肘部、腕部及頭部，它們都是輔助仿人機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能，再根據(jù)負(fù)載的要求不同，所以選擇小功率的步進(jìn)電機(jī)。3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)對(duì)仿人機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的一般要求如下：a. 驅(qū)動(dòng)裝置的重量盡可能要輕，單位重量的輸出功率(即功率/重量比)要符合要求，效率也要高；b. 反應(yīng)速度要快，即要求力/重量比和力矩/慣量比要大；c. 控制盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小；d. 經(jīng)濟(jì)上合理，尤其是要盡量減少所占空間；e. 安全可靠；為了使仿人機(jī)器人的手臂轉(zhuǎn)動(dòng)，所需要的最大轉(zhuǎn)距是當(dāng)手臂呈水平狀態(tài)，手臂各部分的尺寸和重量如圖3-1所示圖3-1 仿人機(jī)器人手臂重量分配設(shè)大小臂及手腕繞各自重心軸

22、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為、，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: （3-1）式中：，分別是各重心處的重量，值分別為0.4kg、0.25kg、0.25kg；，分別是各重心到第一關(guān)節(jié)的距離，其值分別為72.5mm，217.5mm，290mm。在式（3-1）中，、 ，故、可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 （3-2）將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3-2）得 = = =同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （3-3）式中：小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離，其值為72.5；腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離，其值為145。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3-3）得 = = =3.1 肩部步進(jìn)電機(jī)的選擇設(shè)大臂速度為/s，則旋轉(zhuǎn)

23、開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下 （3-4）式中：旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩，； 角加速度，。機(jī)器人大臂的轉(zhuǎn)速從到/s所需時(shí)間為，則因所選電機(jī)轉(zhuǎn)距必須大于，所以選擇標(biāo)準(zhǔn)P型，即PK244PA型步進(jìn)電機(jī)。表3-1 PK244PA型步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)型號(hào)保持轉(zhuǎn)距（N·m）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m）額定電流（A）電壓（V）基本步距角電機(jī)重量（kg）PK244PA03957101.24.81.80.33.2 肘部步進(jìn)電機(jī)的選擇機(jī)器人小臂的轉(zhuǎn)速從到/s所需時(shí)間為，則 因所選電機(jī)轉(zhuǎn)距必須大于，所以選擇標(biāo)準(zhǔn)P型，即PK233PA型步進(jìn)電機(jī)。表3-2 PK233PA型步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)型號(hào)保持轉(zhuǎn)距（N·m）轉(zhuǎn)動(dòng)

24、慣量（kg·m）額定電流（A）電壓（V）基本步距角電機(jī)重量（kg）PK233PA0.1624101.23.241.80.183.3 腕部及頭部電機(jī)選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，取相同型號(hào)的電機(jī)，選標(biāo)準(zhǔn)P型，PK233PA型步進(jìn)電機(jī)。4.仿人機(jī)器人機(jī)械傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)4.1 齒輪的設(shè)計(jì)4.1.1 肩部齒輪的設(shè)計(jì)與校核由于機(jī)器人傳動(dòng)功率小，重量輕，所以大、小齒輪材料都采用PVC，鑄造毛坯。齒輪精度用7級(jí)，取小齒輪齒數(shù)為，傳動(dòng)比，則大齒輪齒數(shù)。a.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)，主要失效形式是齒面點(diǎn)蝕，故按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。b.按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) （4-1）式中：齒寬系數(shù)，

25、。小齒輪傳遞的扭矩為 查圖可得大、小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限、，彎曲疲勞壽命系數(shù)、。應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （4-2） 取定彎曲疲勞安全系數(shù)，應(yīng)力修正系數(shù)，得 （4-3） 查表可得齒形系數(shù)、和應(yīng)力修正系數(shù)、計(jì)算大、小齒輪的與，并加以比較，取其中大值代公式計(jì)算 按小齒輪進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，則計(jì)算圓周速度 （4-4）查表得使用系數(shù)；根據(jù)、7級(jí)精度，查圖得；查圖得。則載荷系數(shù) （4-5）校核并確定模數(shù) （4-6）取模數(shù)。計(jì)算齒輪傳動(dòng)的幾何尺寸，見表4-1。表4-1 肩關(guān)節(jié)齒輪的幾何尺寸名稱符號(hào)公式分度圓直徑 齒頂高齒根高全齒高齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距齒厚齒槽寬中心距頂隙4.1.2 肘腕部齒輪

26、設(shè)計(jì)齒輪采用PVC，齒輪精度等級(jí)為7級(jí)，取，則，經(jīng)計(jì)算齒輪滿足要求。計(jì)算齒輪的幾何尺寸，見表4-2。表4-2 肘腕部齒輪的幾何尺寸名稱符號(hào)公式分度圓直徑 齒頂高齒根高全齒高齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距齒厚齒槽寬中心距頂隙4.1.3 頭部齒輪的設(shè)計(jì)齒輪采用PVC，齒輪精度等級(jí)為7級(jí)，取，則，經(jīng)計(jì)算齒輪滿足要求。計(jì)算齒輪的幾何尺寸，見表4-3。表4-3 頭部齒輪的幾何尺寸名稱符號(hào)公式分度圓直徑 齒頂高齒根高全齒高齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距齒厚齒槽寬中心距頂隙4.2 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算4.2.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)肩部電機(jī)輸出扭矩，選擇肩部軸的材料為PVC。a.按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初估軸徑 （

27、4-7）式中：為軸上的傳遞扭矩，其值為 （4-8）許用剪切應(yīng)力 （4-9）把有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式4-7，得 b.各段軸徑的確定階梯軸各軸段直徑的變化應(yīng)遵循下列原則：配合性質(zhì)不同的表面，直徑應(yīng)有所不同；加工精度、粗糙度不同的表面，一般直徑亦應(yīng)有所不同；應(yīng)便于軸上零件的裝拆。通常從初步估算的軸端最小直徑開始，考慮軸上配合零部件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和定位、固定、裝拆、受力情況等對(duì)軸結(jié)構(gòu)的要求，依次確定各軸段（包括軸肩、軸環(huán)等）的直徑。如圖4-1，軸是軸段1的直徑，由于軸要起固定作用，所以軸段1車螺紋，用螺母擰緊固定，估=6mm。軸段2左右兩端要承受載荷，估=10mm。軸段3起軸向固定作用，估=14mm。

28、軸段4同樣起軸向固定作用，并開有2個(gè)孔，用螺釘與連接板固定，估=30mm。c.各軸段長(zhǎng)度的確定各軸段的長(zhǎng)度決定于軸上零件的寬度和零件固定的可靠性。根據(jù)螺母的寬度及承載處的寬度取=8mm，考慮到裝配要求及結(jié)構(gòu)要求取=121mm，=8mm，=5mm。 圖4-1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖4.2.2 軸的強(qiáng)度計(jì)算軸的強(qiáng)度計(jì)算主要有3種：許用切應(yīng)力計(jì)算、許用彎曲應(yīng)力計(jì)算和安全系數(shù)校核計(jì)算。許用切應(yīng)力主要用于軸的強(qiáng)度計(jì)算和初步估算軸的最小直徑，許用彎曲應(yīng)力計(jì)算包括彎曲強(qiáng)度計(jì)算和彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算，安全系數(shù)校核計(jì)算包括軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核計(jì)算和靜強(qiáng)度安全系數(shù)校核計(jì)算。 圖4-2 軸的受力分析和彎扭矩圖a. 軸上的

29、轉(zhuǎn)矩T軸上的傳遞功率 求作用在齒輪上的力 b. 畫軸的受力簡(jiǎn)圖 見圖4-2所示。c. 計(jì)算軸的支承反力 由平衡方程，得 ， ，得 水平方向的支反力 d. 畫彎矩圖 見圖4-2彎矩圖。垂直平面彎矩C截面上的彎矩，D截面上的彎矩，E截面上的彎矩，水平平面彎矩C截面上的彎矩，D截面上的彎矩，E截面上的彎矩，合成彎矩 e . 畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖4-2轉(zhuǎn)矩圖。e. 判斷危險(xiǎn)截面結(jié)合軸的結(jié)構(gòu)分析彎矩圖與扭矩圖，確定1-1為危險(xiǎn)截面，只要1-1處滿足強(qiáng)度校核就行了。f. 軸的彎扭合成強(qiáng)度校核根據(jù)第三強(qiáng)度理論，可推得圓軸彎扭合成的計(jì)算彎矩為 = =式中：折算系數(shù)，用以考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力與彎曲正應(yīng)力循環(huán)特性不同的影響。

30、當(dāng)為靜應(yīng)力時(shí)，應(yīng)取0.3，但考慮啟動(dòng)、停機(jī)等的影響，仍可被視為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，估取0.6。查表 g. 軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核計(jì)算抗彎截面系數(shù) 抗扭截面系數(shù) 彎曲應(yīng)力 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 平均應(yīng)力 應(yīng)力幅 查表可得 S=1.5彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞極限的綜合影響系數(shù)、 僅有彎曲正應(yīng)力時(shí)的計(jì)算安全系數(shù) 僅有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力時(shí)的計(jì)算安全系數(shù) 因此軸1-1截面處安全。其它軸用相同方法計(jì)算，結(jié)果都滿足要求。5. 仿人型機(jī)器人連接板的設(shè)計(jì)及校核5.1 肩部連接板的設(shè)計(jì)與校核肩部連接板外形尺寸如圖5-1，肩部連接板起著手臂與軀體的連接作用，當(dāng)手臂呈垂直靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，整個(gè)手臂的重量全由肩部連接板來承受，所以連接板就需要有一定的強(qiáng)度

31、，現(xiàn)連接板厚度初步定為10mm，為了保證其抗拉強(qiáng)度不超過規(guī)定值，所以要校核連接板的危險(xiǎn)截面。 圖5-1 肩部連接板結(jié)構(gòu)草圖通過計(jì)算，單個(gè)手臂的重量m=2kg，由于肩部連接板左右打了mm和mm的孔，分別要對(duì)其所在截面處進(jìn)行強(qiáng)度校核。計(jì)算mm所在截面的拉伸強(qiáng)度 （5-1）計(jì)算mm所在截面的拉伸強(qiáng)度 計(jì)算連接板上的彎矩 （5-2）計(jì)算抗彎截面系數(shù) （5-3）計(jì)算連接板的彎曲強(qiáng)度 （5-4） 所以肩部連接板的厚度選10mm合適。5.2 電機(jī)支撐板的設(shè)計(jì)與校核電機(jī)支撐板外形尺寸如圖5-2，它主要起著電機(jī)與電機(jī)盒的連接作用，由于電機(jī)支撐板成90度形狀，所以在拐角處是危險(xiǎn)截面，需一定的強(qiáng)度，現(xiàn)支撐板的厚度初

32、定為8mm，為了保證其彎曲強(qiáng)度不超過規(guī)定值，需對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。 圖5-2 電機(jī)支撐板結(jié)構(gòu)草圖經(jīng)計(jì)算，支撐板的體積為18370。PVC材料的密度為1.4k/cm，可算得電機(jī)支撐板的質(zhì)量為0.026kg。計(jì)算小齒輪的圓周力，徑向力 （5-5） （5-6）計(jì)算支撐板上的彎矩 計(jì)算抗彎截面系數(shù) 計(jì)算支撐板的彎曲強(qiáng)度 所以電機(jī)支撐板的厚度選8mm合適。6. 仿人型機(jī)器人三維造型及運(yùn)動(dòng)仿真6.1 仿人型機(jī)器人三維造型根據(jù)以上結(jié)構(gòu)的確定，我用PRO/E對(duì)仿人型機(jī)器人上所有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維造型，用PRO/E造型能夠清楚的體現(xiàn)出仿人型機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，是機(jī)械設(shè)計(jì)中建模、裝配、工程圖、仿真、分析和制造的首選工具。

33、由于本課題設(shè)計(jì)的仿人型機(jī)器人零部件比較簡(jiǎn)單，零件的具體畫法在這不加詳細(xì)說明，下面就仿人機(jī)器人的裝配關(guān)系說明一下。本次裝配是從肩部盒開始，首先把肩部盒從已做好的三維造型中調(diào)出，再把電機(jī)支撐板也調(diào)出，之后根據(jù)裝配關(guān)系，利用元件放置約束把裝配在一起時(shí)的4個(gè)螺釘孔對(duì)齊，就這樣肩部盒與電機(jī)支撐板裝配完成，再把步進(jìn)電機(jī)調(diào)出，同樣也用一些約束把電機(jī)與電機(jī)支撐板裝配在一起，然后再把齒輪、軸套、軸逐個(gè)調(diào)出與裝配，就這樣一個(gè)肩部盒內(nèi)部的所以零件全部裝配結(jié)束。其余可以根據(jù)同樣的步驟把整個(gè)仿人機(jī)器人裝配起來。下圖6-1是本次設(shè)計(jì)的仿人機(jī)器人三維造型。 圖6-1 仿人型機(jī)器人三維造型本課題我們?cè)O(shè)計(jì)的仿人型機(jī)器人，高93

34、0，重12Kg，共有19個(gè)自由度，其中頭部1個(gè)自由度，肩關(guān)節(jié)2個(gè)自由度，肘關(guān)節(jié)1個(gè)自由度，腕關(guān)節(jié)1個(gè)自由度，腰關(guān)節(jié)2個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)2個(gè)自由度。6.2 仿人型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真由于仿人型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型與人體的運(yùn)動(dòng)模型是不同的，所以捕獲的人體的動(dòng)作數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用于仿人型機(jī)器人，需要通過運(yùn)動(dòng)學(xué)匹配將獲取的人體動(dòng)作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的仿人型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。機(jī)器人上肢在空中運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)約束條件只包括關(guān)節(jié)范圍及自由度的數(shù)目。由于仿人型機(jī)器人腳與地面之間接觸的約束條件是仿人型機(jī)器人穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，因此下肢動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束條件還必須包括地面接觸約束條件。動(dòng)力學(xué)匹配是對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)匹配后

35、的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其符合機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，用來驅(qū)動(dòng)仿人型機(jī)器人完成穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的處理過程。另一方面，由于通過運(yùn)動(dòng)學(xué)匹配和動(dòng)力學(xué)匹配后得到的仿人型機(jī)器人動(dòng)作可能與人體的動(dòng)作大不相同，若要求達(dá)到以人體的動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)為樣本，使其保持與人體動(dòng)作的一致性，還要滿足動(dòng)作相似性約束條件。6.3 仿人型機(jī)器人舞蹈運(yùn)動(dòng)分析現(xiàn)在各國研究的仿人機(jī)器人主要有跳舞機(jī)器人、步行機(jī)器人及服務(wù)機(jī)器人等，本課題設(shè)計(jì)的仿人型機(jī)器人上身主要完成舞蹈動(dòng)作。當(dāng)仿人機(jī)器人手臂達(dá)到如圖5-2所示時(shí)，肩部電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180度。 圖6-2 仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖6.4 仿人機(jī)器人重力分析如圖6-2所示，、分別是手臂和身軀的重量，其值分別為1.8kg、2.2k

36、g。求作用在手臂與身軀上的力， 假設(shè)重心在A-A截面上，根據(jù)平衡方程 得 由所得結(jié)果可知，如圖6-2所示舞蹈動(dòng)作的重心落在一個(gè)腳上，并沒有落在腳的外側(cè)，所以腰關(guān)節(jié)不需要偏移角度也能保證仿人機(jī)器人不倒。至于一些別的舞蹈動(dòng)作，比如雙手同時(shí)向上抬起、雙手鼓掌等動(dòng)作的重心都落在整個(gè)腳上，所以腰關(guān)節(jié)也不需要偏移角度。由于我做的是仿人機(jī)器人上身，所以對(duì)于下肢的步態(tài)分析問題在這不詳細(xì)說明，但重心問題和上肢的重心分析基本一致。7 結(jié)論本次設(shè)計(jì)的仿人型機(jī)器人具有類似于人的各主要關(guān)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)步行和手臂簡(jiǎn)單舞蹈等基本動(dòng)作，本次設(shè)計(jì)主要完成了以下工作：a.進(jìn)行了仿人型機(jī)器人總體設(shè)計(jì)及臂手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿人型機(jī)器人的總體外形是以方形為主，且用最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)，此仿人機(jī)器人設(shè)計(jì)成19個(gè)自由度。各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，本次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)