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本科畢業(yè)設計說明書（小論文） 第 13 頁 共 13 頁 兩足行走機器人——行走結構部分設計 機械工程及自動化 許峰 指導老師 劉艷 摘要 20世紀40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術的出現(xiàn)，關于機器人技術的研究開始出現(xiàn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結構、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機器人已進入了實用化階段。目前，機器人大多以輪子的形式實現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機器人還不多，雖有一些六足、四足機器人涌現(xiàn)，但是兩足機器人還是鳳毛麟角。本課題主要針對兩足機器人的行走進行研究、分析、設計，然后材料加工制作，最后進行組裝和行走調試。 關鍵詞 研究 設計 制作 1 緒論 1.1 引言 目前，機器人已形成一個不同技術層次、應用于多種環(huán)境的“龐大”家族，從天上到地下，從陸地到海洋到處都可以看到機器人的身影。世界著名機器人專家，日本早稻田大學的加藤一郎教授曾經(jīng)指出“機器人應當具有的最大的特征之一是步行功能”。步行機器人的研究涉及到多門學科的交叉融合，如仿生學、機構學、控制理論與工程學、電子工程學、計算機科學及傳感器信息融合等。仿人形機器人正成為機器人研究中的一個熱點，其研究水平，在一定程度上代表了一個國家的高科技發(fā)展水平和綜合實力。研究仿人形雙足步行機器人，除了具有重要的學術意義，還有現(xiàn)實的應用價值。 1.2 機器人的發(fā)展及技術 1.2.1 機器人的發(fā)展 20世紀40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術的出現(xiàn)，關于機器人技術的研究開始出現(xiàn)。60年代美國的Consolidated Control公司研制出第一臺機器人樣機，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機器人。20世紀70年代以來，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機器人技術逐漸發(fā)展為專門學科。1970年，第一次國際機器人會議在美國舉行。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結構、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機器人已進入了實用化階段。 目前，盡管關于機器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認為機器人的發(fā)展按照從低級到高級經(jīng)歷了三代。第一代機器人，主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機器人，其只能依靠人們給定的程序，重復進行各種操作。目前的各類工業(yè)機器人大都屬于第一代機器人。第二代機器人是具有一定傳感器反饋功能的機器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，機器人按照己編好的程序做出一定推理，對動作進行反饋控制，表現(xiàn)出低級的智能。當前，對第二代機器人的研究著重于實際應用與普及推廣上。第三代機器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機器人。它具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨立行動。第三代機器人又稱為智能機器人，并己成為機器人學科的研究重點，但目前還處于實驗室探索階段[1]。 機器人技術己成為當前科技研究和應用的焦點與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設等方面發(fā)揮巨大作用?？梢灶A見到，機器人將在21世紀人類社會生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。 1.2.2 機器人技術 機器人學是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學科，該學科涉及領域廣泛，集中了機械工程、電氣與電子工程、計算機工程、自動控制工程、生物科學以及人工智能等多種學科的最新科研成果，代表了機電一體化的最新成就[2]。機器人充分體現(xiàn)了人和機器的各自特長，它比傳統(tǒng)機器具有更大的靈活性和更廣泛的應用范圍。機器人的出現(xiàn)和應用是人類生產(chǎn)和社會進步的需要，是科學技術發(fā)展和生產(chǎn)工具進化的必然。目前，機器人及其自動化成套裝備己成為國內外備受重視的高新技術應用領域，與此同時它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務、娛樂等各個領域滲透[2]。 目前，雖然機器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學科的發(fā)展和社會需要的發(fā)展，機器人技術出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢，如網(wǎng)絡機器人技術、虛擬機器人技術、協(xié)作機器人技術、微型機器人技術和雙足步行機器人技術等。人們普遍認為，機器人技術將成為緊隨計算機技術及網(wǎng)絡技術之后的又一次重大的技術革命，它很可能將世界推向科學技術的新時代[3]。 1.3 本課題的主要工作 本課題源于“第一屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽”中兩足行走機器人。目前，機器人大多以輪子的形式實現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機器人還不多，雖有一些六足、四足機器人涌現(xiàn)，但是兩足機器人還是鳳毛麟角。在機器人研究領域處于國際領先水平的日本，推出了諸如舞蹈機器人等雙足行走機器人，但成千上萬的傳感器和復雜的控制系統(tǒng)使這類機器人造價非常昂貴。我們這個課題，探索設計僅靠巧妙的機械裝置和簡單的控制系統(tǒng)就能實現(xiàn)模擬人類行走的機器人。其分功能有：交替邁腿、轉彎、搖頭、擺大臂、擺小臂[4～10]。 2 雙足機器人本體結構設計分析 2.1 引言 兩足步行機器人是研究兩足步行的實驗對象，不同的兩足步行機器人在自由度、驅動方式、重量、高度、結構特征等方面都存在很大的差異。機器人的結構不同，其控制方式也有所區(qū)別。為了對兩足步行機器人進行深入的研究，使其實現(xiàn)預定的步行功能，必須對其機構有深入的了解和認識。 2.2 兩足機器人的結構分析 兩足步行機器人是對人類自身的模仿，但是人類總共有上肢52對，下肢62對，背部112對，胸部52對，腰部8對，頸部16對，頭部25對之多的肌肉。從目前的科學發(fā)展情況來看，要控制具有400個雙作用式促進器的多變量系統(tǒng)是不可能的，因此，在設計步行機械時，人們只考慮移動的基本功能。例如，只考慮在平地或者具有已知障礙物的情況下的步行[11]。 2.3 機器人設計思路 由于這個課題是本校的第一次出現(xiàn)，沒有可以借鑒的資料，所以我們這個小組通過各種途徑了解各種兩足機器人，通過模仿其他設計成功的機器人為設計主要思路，來設計我們的兩足步行機器人，如圖2.1，是我們這次設計的主要依據(jù)。 圖2.1 兩足機器人的雛形 2.4 機器人設計方案 由于我們要求設計的是比較簡單的兩足機器人，所以有關平衡和ZMP等計算全部省略，我們設計時候盡量把兩足機器人整體高度設計的盡量的矮一點，兩面設計的對稱，腳設計盡量的大一點，以此達到兩足步行機器人的平衡[12～15]。 通過上面所述和查閱相關兩足機器人行走的視屏，我們設計了一個17自由度的雙足步行機器人模型，如圖2.2所示。顯示的結構特征就是采用多關節(jié)型結構。動力源采用舵機直接驅動。這樣不但可以實現(xiàn)結構緊湊、傳動精度高以及大大增加關節(jié)所能達到的最大角度，而且驅動源全為干電池，便于集中控制和程序化控制。 圖2.2 雙足步行機器人模型 圖2.2雙足機器人，頭部僅一個旋轉自由度，它和身體相連接（圖2.3）。肩關節(jié)、大臂和小臂各一個自由度（圖2.4，圖2.5），髖關節(jié)一個自由度，大腿（圖2.6，圖2.7）2個自由度，小腿和腳步各一個自由度。各個關節(jié)的活動范圍理論上是180度（由于零件之間互相干涉，關節(jié)之間活動范圍以實際為準）。 圖2.3 機器人頭部和身體 圖2.4 機器人左手臂圖 圖2.5 機器人右手臂 圖2.6 機器人左腿 圖2.7 機器人左腿 雙足步行機器人的一個主要問題就是雙足動態(tài)步行的固有不穩(wěn)定性。為了使其穩(wěn)定行走，機器人本體設計和行走步態(tài)規(guī)劃都很重要。在進行機器人本體設計時需要著重考慮的問題有關節(jié)驅動力矩的限制，主要機構的剛度，擺動腿著地時沖擊載荷對機器人本體可能帶來的損壞，桿件間連接，機體重量、材料以及易于操作維修等等。 2.5 驅動方式的選擇 由于此次設計的兩足步行機器人只是達到簡單運動，而且為了使兩足步行機器人行走穩(wěn)定，所以對機器人的各個關節(jié)旋轉的角度和配合都需要比較精確的控制，所以所有的驅動都是由舵機來完成。 3 雙足機器人的具體制作 3.1 雙足機器人的材料選擇 材料的選取要本著重量輕，高剛度的原則。機器人本體主體材料選用鋁合金(LY12)，這種材料重量輕、硬度高，強度遠遠高于普通鋁合金。 3.2 雙足機器人的零件加工 3.2.1 加工機器的選擇 （1） 由于選擇的是質量輕，高剛度的鋁合金板，厚度只有1mm，所以選擇最佳的加工方法是電火花線切割加工。 （2） 各個鋁板加工好以后，需要精確折彎，所以選擇折彎機來進行折彎。 3.2.2 線切割的相關介紹 （1）概述 電火花線切割加工（Wire Cut Electrical Discharge Machining ，簡稱WEDM）是在電火花加工基礎上，于20世紀50年代末最早在前蘇聯(lián)發(fā)展起來的一種新的工藝形式，它是利用絲狀電極靠火花放電對工件進行切割，簡稱線切割。 （2）加工原理、特點及應用 電火花線切割加工的基本原理（如圖3.1）是利用快速移動的電極絲，對工件進行脈沖火花放電，腐蝕工件表面，使工件材料局部熔化和氣化，從而達到切割工件，去除材料的目的。 圖3.1 電火花加工原理圖 電火花線切割加工屬于特種加工。它與傳統(tǒng)的機械加工相比，有如下優(yōu)點： (a)非接觸式，適合高硬度難切削材料的加工。 (b)十分適合復雜形孔及外形的加工。 (c)切縫細，節(jié)省寶貴的金屬材料。 (d)加工的尺寸精度高，表面粗糙度好。 (e)易于實現(xiàn)數(shù)字控制。 (f)加工的殘余應力較小。 電火花線切割加工也有它的局限性。這主要體現(xiàn)在以下幾個方面： (a）僅限于金屬等導電材料的加工。 (b）加工速度較慢，生產(chǎn)效率較低。 (c）存在電極損耗和二次放電。 (d)最小角部半徑有限制。 （3）線切割機床簡介 一臺普通的線切割機床的結構組成如圖3.2所示。它總體上由主機，脈沖電源，數(shù)控系統(tǒng)三部分組成。此外，機床的主機部分還附加了工作液循環(huán)系統(tǒng)。主機由床身、工作臺、運絲機構、絲架和工作液系統(tǒng)等組成，是機床的主要部分。脈沖電源又稱高頻電源，其作用是把普通的50HZ交流電轉換成高頻單向脈沖電壓。數(shù)控系統(tǒng)以電腦為核心，用程序實現(xiàn)電極絲放電加工全過程的實時控制。 圖3.3 線切割機床 圖3.2 線切割機床 （4）線切割程序編制 線切割編程涵蓋了切割圖形、切割路徑及切割次數(shù)等工藝信息。線切割程序有著標準的指令格式。常用的有兩種：G指令和3B指令，可根據(jù)實際需要來選擇。 如今的線切割機床都帶有自動編程功能，即操作者只需將要切割的圖形在機器繪制出來并存盤，系統(tǒng)會自動分析并生成加工程序，避免的煩瑣的手工編程，所以兩足機器人的所有零件都是由線切割機床自動編程[14]。 3.2.3 折彎機的相關簡單介紹 圖3.3是折彎機機床，圖3.4是折彎機刀口。 圖3.3 折彎機機床 3.4 折彎機刀口 3.3 兩足機器人的組裝 3.3.1 舵機和部分配件的組裝 用M3×11的螺栓將配件和舵機組裝在一起，如圖3.5所示。注意在安裝舵機時候，首先將螺栓放入側面的孔中，然后通過四個螺栓緊固舵機。數(shù)據(jù)線從鋁板側面的方孔穿過，這樣安裝才不損壞數(shù)據(jù)線和舵機外殼。 圖3.5 舵機和配件組裝 3.3.2 兩足步行機器人的兩個上肢的組裝 兩足機器人每只上肢由兩個舵機組成，具有兩個自由度。安裝前將舵機初始的角度設定在90°，這樣有利于上肢有擺動的余地。因此舵機最大角度是180°。當把安裝角度設定在90°時，與配件相配合不會放生干涉，可以順利的完成一些指定動作，如圖3.6所示。 圖3.6 機器人兩上肢 3.3.3 兩足機器人軀干的組裝 軀干由四個舵機組成，具有四個自由度，控制胳膊前后旋轉兩個，控制大腿左右擺動兩個。安裝前還是將舵機初始的角度設定在90°，配件由螺栓固定，為了美觀，螺栓均放在里面，由于受到空間限制，操作比較困難，但是安裝時候一定要注意每個螺栓必須緊固牢靠，防止松動，如圖3.7。 圖3.7 機器人軀干 3.3.4 兩足機器人腿部的組裝 兩足機器人腿部是最為重要的，所以安裝時候得更加小心仔細。每個下肢由四個舵機組成，具有四個自由度，安裝前舵機還是將初始角度設置在90°，另外安裝時候 注意兩個腿之間的干涉，如圖3.8。 圖3.8 機器人左腿 3.3.5 兩足機器人頭部的安裝 兩足機器人頭部安裝比較容易，直接將頭部用螺絲緊固在舵機上就可以了，如圖3.9。 圖3.9 機器人頭部 如圖3.10所示，是兩足步行機器人的總裝圖，是將17臺舵機以積木的方式搭成人形的。機體大部分是由舵機組成的，各個舵機是由一些鋁合金件連接而成[15]。 圖 3.10 機器人總裝圖 3.4 兩足機器人相關數(shù)據(jù) 兩足機器人所有零部件清單，如表3.1。 表3.1 零部件清單 名稱 型號 數(shù)量 舵機 12（N×m） 17 鋁制零件 42 螺栓螺帽 M3×11(mm) 145 3.5 兩足機器人總體尺寸 兩足機器人的相關尺寸，如表3.2 表3.2 總體尺寸 名稱 尺寸（高×寬mm） 總體 385×242 手臂 175×50 腿部 185×40 腳 64×20 3.6 舵機具體參數(shù) 舵機的相關參數(shù)，如表3.3 表3.3 舵機參數(shù) 尺寸 重量 速度 扭力 使用電壓 40.8*19.9*37.3mm 56.3g 0.24sec/60度 12公斤/厘米 4.8V～7.2V 4 課題總結 在過去的三個月里，經(jīng)歷了機器人總體方案的研究和選擇，材料的購買和加工，到最后的組裝和調試，遇到了很多的困難。 我們總結了小組的不足，希望給下屆師弟師妹，例如：（1）何選擇一個好的可行的總體制作方案。我們的設計方案是依靠網(wǎng)上做好的機器人為模板，進行模仿，希望下屆能夠設計出自己開發(fā)的機器人。（2）材料如何選擇。我們在材料選擇時，試驗了很多的材料，如塑料，鋁板，不銹鋼，等等，但是由于要求強度高，剛度高，質量要輕，所以選擇了鋁板。但是，鋁板相對較軟，在線切割時候很容易使鉬絲斷掉，所以給加工帶來了很多不便，希望能找到更好的材料。（3）材料組裝時候的問題。由于理想和現(xiàn)實存在著差異，所以當材料加工出來進行組裝時，出現(xiàn)很多問題，由于當時設計盡量緊湊，以降低重心，但是在組裝時候，出現(xiàn)了很多的干涉，裝螺母螺帽的時候由于結構間隙太小，安裝比較麻煩，所以希望下屆在總體設計時，在保證緊湊的同時，要留出一定間隙保證不干涉和足夠的安裝間隙。 以上就是本次畢業(yè)設計中本人所遇到的典型問題，希望給下屆的畢業(yè)設計帶來啟發(fā)。同時，希望下屆的師弟師妹能夠把這個課題做的更好。 參 考 文 獻 [1] 周遠清，張再興等編著. 智能機器人系統(tǒng)[M]. 北京: 清華大學出版社,1989. 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