两足拉车机器人行走部分的设计说明书.docx

1 绪论 11.1引言 11.2机器人的发展及技术 11.3两足机器人的优点及国内外研究概况 31.4本课题的主要工作 32双足机器人本体结构设计分析 32.1引言 32.2两足机器人的结构分析 42.3 机器人设计思路 42.4机器人设计方案 52.5驱动方式的选择 73双足机器人的具体制作 83.1双足机器人的材料选择 83.2双足机器人的零件加工 93.3 两足机器人的组装 113.4两足机器人相关数据 143.5 两足机器人总体尺寸 153.6 舵机具体参数 154课题总结 15结束语 17致谢 18参考文献 191绪论1.1引言目前，机器人已形成一个不同技术层次、应用于多种环境的“庞大”家族，从天 上到地下，从陆地到海洋到处都可以看到机器人的身影世界著名机器人专家，日本 早稻田大学的加藤一郎教授曾经指出“机器人应当具有的最大的特征之一是步行功 能”步行机器人的研究涉及到多门学科的交叉融合，如仿生学、机构学、控制理论 与工程学、电子工程学、计算机科学及传感器信息融合等仿人形机器人正成为机器 人研究中的一个热点，其研究水平，在一定程度上代表了一个国家的高科技发展水平 和综合实力研究仿人形双足步行机器人，除了具有重要的学术意义，还有现实的应 用价值。

玩具是开发儿童智力、对儿童进行早期教育的最好工具，玩具的种类繁多，本文 主要是设计行走式木偶拉车玩具行走式木偶拉车玩具对于儿童适用性很强，操作简 单有利于儿童的智力开发行走式木偶拉车玩具主要是增强儿童的手脑并用能力 根据调查，在地球上近一半的地面不适合于传统的轮式或履带式木偶玩具行走，但是 一般行走式木偶拉车玩具却能在这些地方行动自如因此，行走式木偶拉车玩具与轮 式及履带式木偶玩具相比具有独特的优势行走式木偶拉车玩具对崎岖路面具有很好 的适应能力，行走式木偶拉车玩具的立足点是离散的点，可以调整姿态在可能到达的 地面上选择最优的支撑点行走式木偶拉车玩具可以相当平稳地行走，能较安全的保 护好儿童因此行走式木偶拉车玩具受到广泛儿童及家长的喜爱（如图所示）1.2机器人的发展及技术1.2. 1机器人的发展20世纪40年代，伴随着遥控操纵器和数控制造技术的出现，关于机器人技术的研 究开始出现60年代美国的Consolidated Control公司研制出第一台机器人样机， 并成立了 Unimation公司，定型生产了 Unimate机器人20世纪70年代以来，工业 机器人产业蓬勃兴起，机器人技术逐渐发展为专门学科。

1970年，第一次国际机器人 会议在美国举行经过几十年的发展，数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的 机器人已进入了实用化阶段1.2. 2机器人技术机器人学是一门发展迅速的且具有高度综合性的前沿学科，该学科涉及领域广 泛，集中了机械工程、电气与电子工程、计算机工程、自动控制工程、生物科学以及 人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最新成就⑵机器人充分 体现了人和机器的各自特长，它比传统机器具有更大的灵活性和更广泛的应用范围 机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化 的必然目前，机器人及其自动化成套装备己成为国内外备受重视的高新技术应用领 域，与此同时它正以惊人的速度向海洋、航空、航天、军事、农业、服务、娱乐等各 个领域渗透目前，虽然机器人的能力还是非常有限的，但是它正在迅速发展本课题通过对 行走式木偶拉车玩具的设计，使我们了解到玩具与机械制造的完美结合结合行走式 木偶拉车玩具运动灵活、对复杂地形的自适应运动能力强，具有广阔的市场前景首 先，行走式木偶拉车玩具的运动轨迹是一系列孤立的点，而轮式和履带式木偶的是一 系列连续的轨迹；在含有岩石、泥土、沙子等障碍物的不规则的地面，可以稳定支撑 木偶的连续地面有限的情况下，轮式和履带式木偶在这种环境中就受到了一定的限 制，不适合在这种环境中使用。

而行走式木偶拉车玩具运动时只需要离散的点来支撑, 对这种地形的适应性就比轮式和履带式木偶要强很多这一点使得行走式木偶更能够 受到大家欢迎其次，行走式木偶拉车玩具是模仿动物的运动方式的一种木偶玩具；自古以来， 自然界就是人类各种科学技术原理及重大发明的源泉生物界有着种类繁多的动植物 及物质存在，生物在漫长的进化过程中，为了求得生存与发展，逐渐具备了适应自然 界变化的本领；人类生活在自然界中，与周围的生物作“邻居”，这些生物各种各样 的奇异本领，吸引着人们去想象和模仿，要模仿这些生物，就必须对这些生物进行深 入的研究；行走式木偶拉车玩具是对动物模仿的结果，反过来，行走式木偶拉车玩具 也可以验证生物学的一些最新的研究成果并对相关的生物学等学科的发展起到积极 推动促进作用最后，行走式木偶拉车玩具由于具有类似动物的结构和运动方式，能直接进入人 的生活之中；当前世界人口的老龄化趋势越来越明显：对于我们国家来说，基本上每 个家庭都只有一个孩子，没有玩伴，孩子基本上处于孤独之中，而饲养宠物对于大多 数人来说太过于麻烦和不方便，而行走式木偶拉车玩具的出现，正好可以弥补这一缺 憾但由于行走式木偶拉车玩具的机构和控制相对复杂，相关技术还不成熟，目前所 研制的四足机器人普遍存在运行速度慢、地形自适应运动能力差、负载轻等问题。

1.3机器人的优点及国内外研究概况1.3. 1拉车机器人的优点首先，双足步行的移动方式在地面不平整或其它恶劣条件下（如充满障碍物）比其 他方式要灵活得多，具有更好的机动性研究仿人形双足步行机器人，以代替人类在 核电站、太空、海底及其它危害人类身心健康的复杂极端环境中工作，将大大拓展人 类的活动空间其次，双足步行机器人的步行系统是一个内在的不稳定系统，其动力学特性非常 复杂，具有多变量、强耦合、非线性和变结构的特点因此，它是控制理论和控制工 程领域的一个极好的研究对象，开展双足步行技术的研究，必然推动控制理论的发展 和控制技术的进步再次，行走式木偶拉车玩具由于具有类似动物的结构和运动方式，能直接进入人 的生活之中；当前世界人口的老龄化趋势越来越明显：对于我们国家来说，基本上每 个家庭都只有一个孩子，没有玩伴，孩子基本上处于孤独之中，而饲养宠物对于大多 数人来说太过于麻烦和不方便，而行走式木偶拉车玩具的出现，正好可以弥补这一缺 憾1.4本课题的主要工作本课题源于“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中两足行走机器人目前， 机器人大多以轮子的形式实现行走功能阶段真正模仿人类用腿走路的机器人还不 多，虽有一些六足、四足机器人涌现，但是两足机器人还是凤毛麟角。

在机器人研究 领域处于国际领先水平的日本，推出了诸如舞蹈机器人等双足行走机器人，但成千上 万的传感器和复杂的控制系统使这类机器人造价非常昂贵我们这个课题，探索设计 仅靠巧妙的机械装置和简单的控制系统就能实现模拟人类行走的机器人其分功能 有：交替迈腿、摇头、摆大臂、摆小臂2双足机器人本体结构设计分析2.1引言两足步行机器人是研究两足步行的实验对象，不同的两足步行机器人在自由度、 驱动方式、重量、高度、结构特征等方面都存在很大的差异机器人的结构不同，其 控制方式也有所区别为了对两足步行机器人进行深入的研究，使其实现预定的步行 功能，必须对其机构有深入的了解和认识2.2两足机器人的结构分析两足步行机器人是对人类自身的模仿，但是人类总共有上肢52对，下肢62对， 背部112对，胸部52对，腰部8对，颈部16对，头部25对之多的肌肉从目前的 科学发展情况来看，要控制具有400个双作用式促进器的多变量系统是不可能的[19], 因此，在设计步行机械时，人们只考虑移动的基本功能例如，只考虑在平地或者具 有已知障碍物的情况下的步行郑元芳博士从仿生学的角度对类人机器人的腿部自由度配置进行了深入的研究， 得出关节扭矩最小条件下两足步行机器人的自由度配置。

他认为髓部和踝部设两个自 由度，可使机器人在不平地面上站立，髓部再加一个扭转自由度，可改变行走方向， 踝关节处加一个旋转自由度可使脚板在不规则表面上落地，这样机器人的腿部需要有 7X2个自由度（髓关节3个，膝关节1个，踝关节3个回）但是，无论现在的两足步行机器人还是拟人机器人都还只能在规则路面上行走， 所以各研究机构都选择了 6X2个自由度（髓关节3个，膝关节1个，踝关节2个）， 如：哈尔滨工业大学的HIT-IIR国防科技大的“先行者”2.3机器人设计思路由于这个课题是本校的第一次出现，没有可以借鉴的资料，所以我们这个小组通 过各种途径了解各种两足机器人，通过模仿其他设计成功的机器人为设计主要思路， 来设计我们的两足步行机器人，如图2.1,是我们这次设计的主要依据图2.1两足机器人的雏形2.4机器人设计方案由于我们要求设计的是比较简单的两足机器人，所以有关平衡和ZMP等计算全部 省略，我们设计时候尽量把两足机器人整体高度设计的尽量的矮一点，两面设计的对 称，脚设计尽量的大一点，以此达到两足步行机器人的平衡通过上面所述和查阅相关两足机器人行走的视屏，我们设计了一个17自由度的双足步行机器人模型，如图2. 2所示。

显示的结构特征就是采用多关节型结构动力源采用舵机直接驱动这样不但可以实现结构紧凑、传动精度高以及大大增加关节所 能达到的最大角度，而且驱动源全为干电池，便于集中控制和程序化控制图2. 2双足步行机器人模型图2. 2双足机器人，头部仅一个旋转自由度，它和身体相连接（图2.3）肩关节、大臂和小臂各一个自由度（图2. 4,图2.5）,髓关节一个自由度，大腿（图2.6,图 2.7）2个自由度，小腿和脚步各一个自由度各个关节的活动范围理论上是180度（由于零件之间互相干涉，关节之间活动范围以实际为准）图2. 3机器人头部和身体图2. 4机器人左手臂图图2. 5机器人右手臂图2. 6机器人左腿 图2. 7机器人左腿双足步行机器人的一个主要问题就是双足动态步行的固有不稳定性为了使其稳 定行走，机器人本体设计和行走步态规划都很重要在进行机器人本体设计时需要着 重考虑的问题有关节驱动力矩的限制，主要机构的刚度，摆动腿着地时冲击载荷对机 器人本体可能带来的损坏，杆件间连接，机体重量、材料以及易于操作维修等等2.5驱动方式的选择由于此次设计的两足步行机器人只是达到简单运动，而且为了使两足步行机器人 行走稳定，所以对机器人的各个关节旋转的角度和配合都需要比较精确的控制，所以 所有的驱动都是由舵机来完成如图2. 8o图2. 8舵机3双足机器人的具体制作3.1双足机器人的材料选择材料的选取要本着重量轻，高刚度的原则。

机器人本体主体材料选用铝合金（LY12）,这种材料重量轻、硬度高，强度远远高于普通铝合金3.2双足机器人的零件加工3. 2. 1加工机器的选择（1） 由于选择的是质量轻，高刚度的铝合金板，厚度只有1mm,所以选择最佳 的加工方法是电火花线切割加工2） 各个铝板加工好以后，需要精确折弯，所以选择折弯机来进行折弯3.2.2线切割的相关介绍（1）概述电火花线切割加工（Wire Cut Electrical Discharge Machining ,简称 WEDM） 是在电火花加工基础上，于20世纪50年代末最早在前苏联发展起来的一种新的工艺 形式，它是利用丝状电极（钥丝或铜丝，见图3.1）靠火花放电对工件进行切割，简 称线切割图3. 1铝丝（2）加工原理、特点及应用电火花线切割加工的基本原理（如图3.2）是利用快速移动的电极丝，对工件进 行脉冲火花放电，腐蚀工件表面，使工件材料局部熔化。