目 錄1 緒論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1 引 言 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2 機(jī)器人 的發(fā)展及技術(shù) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.3 兩足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究概況 ????????????????????????????????????????????????????????????21.4 本課題的主要工作 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72 雙足機(jī)器人本 體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????82.1 引言 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????82.2 兩足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????82.3 機(jī)器人設(shè)計(jì)思路 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????92.4 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????102.5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????123 雙足機(jī)器 人的具體制作 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????133.1 雙足機(jī)器人的材料選擇 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????133.2 雙足機(jī)器人的零件加工 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????133.3 兩足機(jī)器人的組裝 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????163.4 兩足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????193.5 兩足機(jī)器人總體尺寸 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????193.6 舵機(jī)具體參數(shù) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????194 課題總結(jié) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????20結(jié)束語(yǔ) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21致謝 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????22參考文獻(xiàn) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????231 緒論1.1 引言目前，機(jī)器人已形成一個(gè)不同技術(shù)層次、應(yīng)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(jī)器人的身影。世界著名機(jī)器人專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授曾經(jīng)指出“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大的特征之一是步行功能” 。步行機(jī)器人的研究涉及到多門學(xué)科的交叉融合，如仿生學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、控制理論與工程學(xué)、電子工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及傳感器信息融合等。仿人形機(jī)器人正成為機(jī)器人研究中的一個(gè)熱點(diǎn)，其研究水平，在一定程度上代表了一個(gè)國(guó)家的高科技發(fā)展水平和綜合實(shí)力。研究仿人形雙足步行機(jī)器人，除了具有重要的學(xué)術(shù)意義，還有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。玩具是開(kāi)發(fā)兒童智力、對(duì)兒童進(jìn)行早期教育的最好工具，玩具的種類繁多，本文主要是設(shè)計(jì)行走式木偶拉車玩具。行走式木偶拉車玩具對(duì)于兒童適用性很強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單。有利于兒童的智力開(kāi)發(fā)。行走式木偶拉車玩具主要是增強(qiáng)兒童的手腦并用能力。根據(jù)調(diào)查，在地球上近一半的地面不適合于傳統(tǒng)的輪式或履帶式木偶玩具行走，但是一般行走式木偶拉車玩具卻能在這些地方行動(dòng)自如。因此，行走式木偶拉車玩具與輪式及履帶式木偶玩具相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。行走式木偶拉車玩具對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，行走式木偶拉車玩具的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，可以調(diào)整姿態(tài)在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)。行走式木偶拉車玩具可以相當(dāng)平穩(wěn)地行走，能較安全的保護(hù)好兒童。因此行走式木偶拉車玩具受到廣泛兒童及家長(zhǎng)的喜愛(ài)（如圖所示） 。1.2 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù)1.2.1 機(jī)器人的發(fā)展20 世紀(jì) 40 年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的研究開(kāi)始出現(xiàn)。60 年代美國(guó)的 Consolidated Control 公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)，并成立了 Unimation 公司，定型生產(chǎn)了 Unimate 機(jī)器人。20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機(jī)器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學(xué)科。1970 年，第一次國(guó)際機(jī)器人會(huì)議在美國(guó)舉行。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化階段。1.2.2 機(jī)器人技術(shù)機(jī)器人學(xué)是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學(xué)科，該學(xué)科涉及領(lǐng)域廣泛，集中了機(jī)械工程、電氣與電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程、生物科學(xué)以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最新成就 [2]。機(jī)器人充分體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長(zhǎng)，它比傳統(tǒng)機(jī)器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。目前，機(jī)器人及其自動(dòng)化成套裝備己成為國(guó)內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，與此同時(shí)它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等各個(gè)領(lǐng)域滲透。目前，雖然機(jī)器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。本課題通過(guò)對(duì)行走式木偶拉車玩具的設(shè)計(jì)，使我們了解到玩具與機(jī)械制造的完美結(jié)合。結(jié)合行走式木偶拉車玩具運(yùn)動(dòng)靈活、對(duì)復(fù)雜地形的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。首先，行走式木偶拉車玩具的運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列孤立的點(diǎn)，而輪式和履帶式木偶的是一系列連續(xù)的軌跡；在含有巖石、泥土、沙子等障礙物的不規(guī)則的地面，可以穩(wěn)定支撐木偶的連續(xù)地面有限的情況下，輪式和履帶式木偶在這種環(huán)境中就受到了一定的限制，不適合在這種環(huán)境中使用。而行走式木偶拉車玩具運(yùn)動(dòng)時(shí)只需要離散的點(diǎn)來(lái)支撐，對(duì)這種地形的適應(yīng)性就比輪式和履帶式木偶要強(qiáng)很多。這一點(diǎn)使得行走式木偶更能夠受到大家歡迎。其次，行走式木偶拉車玩具是模仿動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式的一種木偶玩具；自古以來(lái)，自然界就是人類各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉。生物界有著種類繁多的動(dòng)植物及物質(zhì)存在，生物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，為了求得生存與發(fā)展，逐漸具備了適應(yīng)自然界變化的本領(lǐng)；人類生活在自然界中，與周圍的生物作“鄰居” ，這些生物各種各樣的奇異本領(lǐng)，吸引著人們?nèi)ハ胂蠛湍７拢７逻@些生物，就必須對(duì)這些生物進(jìn)行深入的研究；行走式木偶拉車玩具是對(duì)動(dòng)物模仿的結(jié)果，反過(guò)來(lái)，行走式木偶拉車玩具也可以驗(yàn)證生物學(xué)的一些最新的研究成果并對(duì)相關(guān)的生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展起到積極推動(dòng)促進(jìn)作用。最后，行走式木偶拉車玩具由于具有類似動(dòng)物的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，能直接進(jìn)入人的生活之中；當(dāng)前世界人口的老齡化趨勢(shì)越來(lái)越明顯：對(duì)于我們國(guó)家來(lái)說(shuō)，基本上每個(gè)家庭都只有一個(gè)孩子，沒(méi)有玩伴，孩子基本上處于孤獨(dú)之中，而飼養(yǎng)寵物對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)太過(guò)于麻煩和不方便，而行走式木偶拉車玩具的出現(xiàn)，正好可以彌補(bǔ)這一缺憾。但由于行走式木偶拉車玩具的機(jī)構(gòu)和控制相對(duì)復(fù)雜，相關(guān)技術(shù)還不成熟，目前所研制的四足機(jī)器人普遍存在運(yùn)行速度慢、地形自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)能力差、負(fù)載輕等問(wèn)題。1.3 機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究概況1.3.1 拉車機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)首先，雙足步行的移動(dòng)方式在地面不平整或其它惡劣條件下(如充滿障礙物)比其他方式要靈活得多，具有更好的機(jī)動(dòng)性。研究仿人形雙足步行機(jī)器人，以代替人類在核電站、太空、海底及其它危害人類身心健康的復(fù)雜極端環(huán)境中工作，將大大拓展人類的活動(dòng)空間。其次，雙足步行機(jī)器人的步行系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)在的不穩(wěn)定系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)特性非常復(fù)雜，具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。因此，它是控制理論和控制工程領(lǐng)域的一個(gè)極好的研究對(duì)象，開(kāi)展雙足步行技術(shù)的研究，必然推動(dòng)控制理論的發(fā)展和控制技術(shù)的進(jìn)步。再次，行走式木偶拉車玩具由于具有類似動(dòng)物的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，能直接進(jìn)入人的生活之中；當(dāng)前世界人口的老齡化趨勢(shì)越來(lái)越明顯：對(duì)于我們國(guó)家來(lái)說(shuō)，基本上每個(gè)家庭都只有一個(gè)孩子，沒(méi)有玩伴，孩子基本上處于孤獨(dú)之中，而飼養(yǎng)寵物對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)太過(guò)于麻煩和不方便，而行走式木偶拉車玩具的出現(xiàn)，正好可以彌補(bǔ)這一缺憾。1.4 本課題的主要工作本課題源于“第一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中兩足行走機(jī)器人。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是兩足機(jī)器人還是鳳毛麟角。在機(jī)器人研究領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先水平的日本，推出了諸如舞蹈機(jī)器人等雙足行走機(jī)器人，但成千上萬(wàn)的傳感器和復(fù)雜的控制系統(tǒng)使這類機(jī)器人造價(jià)非常昂貴。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類行走的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。2 雙足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析2.1 引言兩足步行機(jī)器人是研究?jī)勺悴叫械膶?shí)驗(yàn)對(duì)象，不同的兩足步行機(jī)器人在自由度、驅(qū)動(dòng)方式、重量、高度、結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大的差異。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不同，其控制方式也有所區(qū)別。為了對(duì)兩足步行機(jī)器人進(jìn)行深入的研究，使其實(shí)現(xiàn)預(yù)定的步行功能，必須對(duì)其機(jī)構(gòu)有深入的了解和認(rèn)識(shí)。2.2 兩足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析兩足步行機(jī)器人是對(duì)人類自身的模仿，但是人類總共有上肢 52 對(duì)，下肢 62 對(duì)，背部 112 對(duì)，胸部 52 對(duì)，腰部 8 對(duì)，頸部 16 對(duì)，頭部 25 對(duì)之多的肌肉。從目前的科學(xué)發(fā)展情況來(lái)看，要控制具有 400 個(gè)雙作用式促進(jìn)器的多變量系統(tǒng)是不可能的[19]，因此，在設(shè)計(jì)步行機(jī)械時(shí)，人們只考慮移動(dòng)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。鄭元芳博士從仿生學(xué)的角度對(duì)類人機(jī)器人的腿部自由度配置進(jìn)行了深入的研究，得出關(guān)節(jié)扭矩最小條件下兩足步行機(jī)器人的自由度配置。他認(rèn)為髖部和踝部設(shè)兩個(gè)自由度，可使機(jī)器人在不平地面上站立，髖部再加一個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處加一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地，這樣機(jī)器人的腿部需要有 7×2 個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié) 3 個(gè)，膝關(guān)節(jié) 1 個(gè)，踝關(guān)節(jié) 3 個(gè) [10])。但是，無(wú)論現(xiàn)在的兩足步行機(jī)器人還是擬人機(jī)器人都還只能在規(guī)則路面上行走，所以各研究機(jī)構(gòu)都選擇了 6×2 個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié) 3 個(gè)，膝關(guān)節(jié) 1 個(gè)，踝關(guān)節(jié) 2 個(gè))，如：哈爾濱工業(yè)大學(xué)的 HIT-Ⅲ、國(guó)防科技大的“先行者” 。2.3 機(jī)器人設(shè)計(jì)思路由于這個(gè)課題是本校的第一次出現(xiàn)，沒(méi)有可以借鑒的資料，所以我們這個(gè)小組通過(guò)各種途徑了解各種兩足機(jī)器人，通過(guò)模仿其他設(shè)計(jì)成功的機(jī)器人為設(shè)計(jì)主要思路，來(lái)設(shè)計(jì)我們的兩足步行機(jī)器人，如圖 2.1，是我們這次設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。圖 2.1 兩足機(jī)器人的雛形2.4 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案由于我們要求設(shè)計(jì)的是比較簡(jiǎn)單的兩足機(jī)器人，所以有關(guān)平衡和 ZMP 等計(jì)算全部省略，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)候盡量把兩足機(jī)器人整體高度設(shè)計(jì)的盡量的矮一點(diǎn)，兩面設(shè)計(jì)的對(duì)稱，腳設(shè)計(jì)盡量的大一點(diǎn)，以此達(dá)到兩足步行機(jī)器人的平衡。通過(guò)上面所述和查閱相關(guān)兩足機(jī)器人行走的視屏，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè) 17 自由度的雙足步行機(jī)器人模型，如圖 2.2 所示。顯示的結(jié)構(gòu)特征就是采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。動(dòng)力源采用舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。這樣不但可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精度高以及大大增加關(guān)節(jié)所能達(dá)到的最大角度，而且驅(qū)動(dòng)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(jī)器人模型圖 2.2 雙足機(jī)器人，頭部?jī)H一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，它和身體相連接（圖 2.3） 。肩關(guān)節(jié)、大臂和小臂各一個(gè)自由度（圖 2.4，圖 2.5） ，髖關(guān)節(jié)一個(gè)自由度，大腿（圖2.6，圖 2.7）2 個(gè)自由度，小腿和腳步各一個(gè)自由度。各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍理論上是 180 度（由于零件之間互相干涉，關(guān)節(jié)之間活動(dòng)范圍以實(shí)際為準(zhǔn)） 。圖 2.3 機(jī)器人頭部和身體圖 2.4 機(jī)器人左手臂圖 圖 2.5 機(jī)器人右手臂圖 2.6 機(jī)器人左腿 圖 2.7 機(jī)器人左腿雙足步行機(jī)器人的一個(gè)主要問(wèn)題就是雙足動(dòng)態(tài)步行的固有不穩(wěn)定性。為了使其穩(wěn)定行走，機(jī)器人本體設(shè)計(jì)和行走步態(tài)規(guī)劃都很重要。在進(jìn)行機(jī)器人本體設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的問(wèn)題有關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的限制，主要機(jī)構(gòu)的剛度，擺動(dòng)腿著地時(shí)沖擊載荷對(duì)機(jī)器人本體可能帶來(lái)的損壞，桿件間連接，機(jī)體重量、材料以及易于操作維修等等。2.5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇由于此次設(shè)計(jì)的兩足步行機(jī)器人只是達(dá)到簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)，而且為了使兩足步行機(jī)器人行走穩(wěn)定，所以對(duì)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度和配合都需要比較精確的控制，所以所有的驅(qū)動(dòng)都是由舵機(jī)來(lái)完成如圖 2.8。圖 2.8 舵機(jī)3 雙足機(jī)器人的具體制作3.1 雙足機(jī)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(jī)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(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鋁合金。3.2 雙足機(jī)器人的零件加工3.2.1 加工機(jī)器的選擇（1） 由于選擇的是質(zhì)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(gè)鋁板加工好以后，需要精確折彎，所以選擇折彎?rùn)C(jī)來(lái)進(jìn)行折彎。3.2.2 線切割的相關(guān)介紹（1）概述電火花線切割加工（Wire Cut Electrical Discharge Machining ，簡(jiǎn)稱WEDM）是在電火花加工基礎(chǔ)上，于 20 世紀(jì) 50 年代末最早在前蘇聯(lián)發(fā)展起來(lái)的一種新的工藝形式，它是利用絲狀電極（鉬絲或銅絲，見(jiàn)圖 3.1）靠火花放電對(duì)工件進(jìn)行切割，簡(jiǎn)稱線切割。圖 3.1 鉬絲（2）加工原理、特點(diǎn)及應(yīng)用電火花線切割加工的基本原理（如圖 3.2）是利用快速移動(dòng)的電極絲，對(duì)工件進(jìn)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(dá)到切割工件，去除材料的目的。 圖 3.2 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(jī)械加工相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：(a)非接觸式，適合高硬度難切削材料的加工。(b)十分適合復(fù)雜形孔及外形的加工。(c)切縫細(xì)，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(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。(f)加工的殘余應(yīng)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(gè)方面：(a）僅限于金屬等導(dǎo)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(jī)床簡(jiǎn)介一臺(tái)普通的線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成如圖 3.3 所示。它總體上由主機(jī)，脈沖電源，數(shù)控系統(tǒng)三部分組成。此外，機(jī)床的主機(jī)部分還附加了工作液循環(huán)系統(tǒng)。主機(jī)由床身、工作臺(tái)、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)、絲架和工作液系統(tǒng)等組成，是機(jī)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(zhuǎn)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?qū)崿F(xiàn)電極絲放電加工全過(guò)程的實(shí)時(shí)控制。 圖 3.3 線切割機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的指令格式。常用的有兩種：G 指令和 3B 指令，可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇。如今的線切割機(jī)床都帶有自動(dòng)編程功能，即操作者只需將要切割的圖形在機(jī)器繪制出來(lái)并存盤(pán)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析并生成加工程序，避免的煩瑣的手工編程，所以兩足機(jī)器人的所有零件都是由線切割機(jī)床自動(dòng)編程 [14]。3.2.3 折彎?rùn)C(jī)的相關(guān)簡(jiǎn)單介紹圖 3.4 是折彎?rùn)C(jī)機(jī)床，圖 3.5 是折彎?rùn)C(jī)刀口。圖 3.4 折彎?rùn)C(jī)機(jī)床 3.5 折彎?rùn)C(jī)刀口3.3 拉車機(jī)器人的組裝3.3.1 舵機(jī)和部分配件的組裝用 M3×11 的螺栓將配件和舵機(jī)組裝在一起，如圖 3.4 所示。注意在安裝舵機(jī)時(shí)候，首先將螺栓放入側(cè)面的孔中，然后通過(guò)四個(gè)螺栓緊固舵機(jī)。數(shù)據(jù)線從鋁板側(cè)面的方孔穿過(guò)，這樣安裝才不損壞數(shù)據(jù)線和舵機(jī)外殼。圖 3.4 舵機(jī)和配件組裝3.3.2 兩足步行機(jī)器人的兩個(gè)上肢的組裝兩足機(jī)器人每只上肢由兩個(gè)舵機(jī)組成，具有兩個(gè)自由度。安裝前將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在 90°，這樣有利于上肢有擺動(dòng)的余地。因此舵機(jī)最大角度是 180°。當(dāng)把安裝角度設(shè)定在 90°時(shí)，與配件相配合不會(huì)放生干涉，可以順利的完成一些指定動(dòng)作，如圖 3.5 所示。圖 3.5 機(jī)器人兩上肢3.3.3 兩足機(jī)器人軀干的組裝軀干由四個(gè)舵機(jī)組成，具有四個(gè)自由度，控制胳膊前后旋轉(zhuǎn)兩個(gè)，控制大腿左右擺動(dòng)兩個(gè)。安裝前還是將舵機(jī)初始的角度設(shè)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(shí)候一定要注意每個(gè)螺栓必須緊固牢靠，防止松動(dòng)，如圖 3.6。圖 3.6 機(jī)器人軀干3.3.4 兩足機(jī)器人腿部的組裝兩足機(jī)器人腿部是最為重要的，所以安裝時(shí)候得更加小心仔細(xì)。每個(gè)下肢由四個(gè)舵機(jī)組成，具有四個(gè)自由度，安裝前舵機(jī)還是將初始角度設(shè)置在 90°，另外安裝時(shí)候注意兩個(gè)腿之間的干涉，如圖 3.7。圖 3.7 機(jī)器人左腿3.3.5 兩足機(jī)器人頭部的安裝兩足機(jī)器人頭部安裝比較容易，直接將頭部用螺絲緊固在舵機(jī)上就可以了，如圖 3.8。圖 3.8 機(jī)器人頭部如圖 3.9，3.10 所示，是兩足步行機(jī)器人的總裝圖，是將 17 臺(tái)舵機(jī)以積木的方式搭成人形的。機(jī)體大部分是由舵機(jī)組成的，各個(gè)舵機(jī)是由一些鋁合金件連接而成[15]。圖 3.9 機(jī)器人總裝圖 圖 3.10 機(jī)器人總裝圖3.4 兩足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù)兩足機(jī)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(hào) 數(shù) 量舵機(jī) 12（N×m） 17鋁制零件 42螺栓螺帽 M3×11(mm) 1453.5 兩足機(jī)器人總體尺寸兩足機(jī)器人的相關(guān)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 64×203.6 舵機(jī)具體參數(shù)舵機(jī)的相關(guān)參數(shù)，如表 3.3表 3.3 舵機(jī)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～7.2V4 課題總結(jié)在過(guò)去的三個(gè)月里，經(jīng)歷了機(jī)器人總體方案的研究和選擇，材料的購(gòu)買和加工，到最后的組裝和調(diào)試，遇到了很多的困難。我們總結(jié)了小組的不足，希望給下屆師弟師妹，例如：（1）何選擇一個(gè)好的可行的總體制作方案。我們的設(shè)計(jì)方案是依靠網(wǎng)上做好的機(jī)器人為模板，進(jìn)行模仿，希望下屆能夠設(shè)計(jì)出自己開(kāi)發(fā)的機(jī)器人。 （2）材料如何選擇。我們?cè)诓牧线x擇時(shí)，試驗(yàn)了很多的材料，如塑料，鋁板，不銹鋼，等等，但是由于要求強(qiáng)度高，剛度高，質(zhì)量要輕，所以選擇了鋁板。但是，鋁板相對(duì)較軟，在線切割時(shí)候很容易使鉬絲斷掉，所以給加工帶來(lái)了很多不便，希望能找到更好的材料。 （3）材料組裝時(shí)候的問(wèn)題。由于理想和現(xiàn)實(shí)存在著差異，所以當(dāng)材料加工出來(lái)進(jìn)行組裝時(shí)，出現(xiàn)很多問(wèn)題，由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)盡量緊湊，以降低重心，但是在組裝時(shí)候，出現(xiàn)了很多的干涉，裝螺母螺帽的時(shí)候由于結(jié)構(gòu)間隙太小，安裝比較麻煩，所以希望下屆在總體設(shè)計(jì)時(shí)，在保證緊湊的同時(shí)，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(shè)計(jì)中本人所遇到的典型問(wèn)題，希望給下屆的畢業(yè)設(shè)計(jì)帶來(lái)啟發(fā)。同時(shí)，希望下屆的師弟師妹能夠把這個(gè)課題做的更好。結(jié)束語(yǔ)本論文是關(guān)于兩足機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)。從了解各式各樣的兩足機(jī)器人開(kāi)始，到分析選擇總體方案、繪制立體圖和平面圖、材料的選擇、配件的購(gòu)買和加工、以及進(jìn)行機(jī)器人的組裝等的全過(guò)程，是對(duì)我所學(xué)四年知識(shí)的一個(gè)綜合檢查，也是對(duì)我獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的一次考驗(yàn)。盡管我的設(shè)計(jì)還有很多不足的地方，需要改進(jìn)的地方還很多，但我相信：只要我們不懈的努力，繼續(xù)加以改進(jìn)設(shè)計(jì)，總結(jié)這次的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，給下屆留下寶貴的經(jīng)驗(yàn)，我想他們一定會(huì)做的更好。通過(guò)這 3 個(gè)月的設(shè)計(jì)，使我對(duì)自己所學(xué)的知識(shí)有了更深入了解；在指導(dǎo)老師幫助下，通過(guò)收集各種有關(guān)資料所解決的畢業(yè)設(shè)計(jì)問(wèn)題，為我即將走上工作崗位，獨(dú)自去面對(duì)各種挑戰(zhàn)，出色地完成工作任務(wù)打下了一定的基礎(chǔ)。由于本人水平有限，經(jīng)驗(yàn)少。文中定有許多不妥甚至錯(cuò)誤之處，請(qǐng)各位老師給予指正和教導(dǎo)，本人表示深深的謝意。致 謝首先，我要感謝的是指導(dǎo)老師龔光榮教授和劉艷老師，在他們的悉心指導(dǎo)下，我順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)與制作的這段時(shí)間里，他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，平易近人的生活作風(fēng)，孜孜不倦的育人精神，給我留下了深刻的印象。 從今年 3 月初到 6 月底，經(jīng)過(guò)外文翻譯，開(kāi)題報(bào)告，進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，到完成畢業(yè)論文，一步一步都離不開(kāi)劉老師的悉心指導(dǎo)。在課題進(jìn)行期間，老師對(duì)我的課題方向的了解深度與研究深度，嚴(yán)謹(jǐn)而一絲不茍的治學(xué)態(tài)度，平和而循循善誘的教學(xué)態(tài)度，不僅在學(xué)術(shù)課題上給我很深的指導(dǎo)，更是讓我了解了很多為人做研究的道理，使我受益匪淺。在此對(duì)劉艷老師表達(dá)我最誠(chéng)摯的感謝，感謝這幾個(gè)月來(lái)對(duì)我的巨大幫助。并祝劉艷老師在今后教學(xué)研究中取得更大的成就！其次，還要感謝一直努力工作的其他隊(duì)友：吳玉坤、徐超、黃俊、徐昕晏最后感謝各位評(píng)審老師，能夠在百忙中抽出時(shí)間，對(duì)畢業(yè)論文提出意見(jiàn)，非常感謝你們的指導(dǎo)！祝你們身體健康，萬(wàn)事如意！參 考 文 獻(xiàn)[1] 周遠(yuǎn)清，張?jiān)倥d等編著. 智能機(jī)器人系統(tǒng)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,1989.[2] 蔣新松主編. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M]. 沈陽(yáng): 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.[3] 方建軍，何廣平. 智能機(jī)器人[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.[4] 張永學(xué). 雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及步行控制研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文. 2001.[5] 劉志遠(yuǎn). 兩足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文. 1991.[6] 劉志遠(yuǎn)，戴紹安，裴潤(rùn)，張栓，傅佩深. 零力矩點(diǎn)與兩足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走穩(wěn)定性的關(guān)系[N]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 1994.[7] 紀(jì)軍紅. HIT-Ⅱ雙足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文，2000.[8] 麻亮，紀(jì)軍紅，強(qiáng)文義，傅佩深. 基于力矩傳感器的雙足機(jī)器人在線模糊步態(tài)調(diào)整器設(shè)計(jì)[R]. 2000.[9] 竺長(zhǎng)安. 兩足步行機(jī)器人系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制[D]. 國(guó)防科技大學(xué)博士論文. 1992.[10] 馬宏緒. 兩足步行機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行研究[D]. 國(guó)防科技大學(xué)博士論文. 1995.[11] 包志軍. 仿人型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性研究[D]. 上海交通大學(xué)博士論文. 2000.[12] 孫富春，朱紀(jì)洪，劉國(guó)棟等. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論-分析、系統(tǒng)及應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2004.[13] 柳洪義，宋偉剛. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社，2002[14] 劉晉春，白基成，郭永豐. 特種加工[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.3.[15] 解侖，王志良，李華俊.雙足步行機(jī)器人制作技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.4. 目 錄1 緒論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1 引 言 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2 機(jī)器人 的發(fā)展及技術(shù) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.3 兩足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究概況 ????????????????????????????????????????????????????????????21.4 本課題的主要工作 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72 雙足機(jī)器人本 體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????82.1 引言 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????82.2 兩足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????82.3 機(jī)器人設(shè)計(jì)思路 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????92.4 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????102.5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????123 雙足機(jī)器 人的具體制作 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????133.1 雙足機(jī)器人的材料選擇 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????133.2 雙足機(jī)器人的零件加工 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????133.3 兩足機(jī)器人的組裝 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????163.4 兩足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????193.5 兩足機(jī)器人總體尺寸 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????193.6 舵機(jī)具體參數(shù) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????194 課題總結(jié) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????20結(jié)束語(yǔ) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21致謝 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????22參考文獻(xiàn) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????231 緒論1.1 引言目前，機(jī)器人已形成一個(gè)不同技術(shù)層次、應(yīng)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(jī)器人的身影。世界著名機(jī)器人專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授曾經(jīng)指出“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大的特征之一是步行功能” 。步行機(jī)器人的研究涉及到多門學(xué)科的交叉融合，如仿生學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、控制理論與工程學(xué)、電子工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及傳感器信息融合等。仿人形機(jī)器人正成為機(jī)器人研究中的一個(gè)熱點(diǎn)，其研究水平，在一定程度上代表了一個(gè)國(guó)家的高科技發(fā)展水平和綜合實(shí)力。研究仿人形雙足步行機(jī)器人，除了具有重要的學(xué)術(shù)意義，還有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。玩具是開(kāi)發(fā)兒童智力、對(duì)兒童進(jìn)行早期教育的最好工具，玩具的種類繁多，本文主要是設(shè)計(jì)行走式木偶拉車玩具。行走式木偶拉車玩具對(duì)于兒童適用性很強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單。有利于兒童的智力開(kāi)發(fā)。行走式木偶拉車玩具主要是增強(qiáng)兒童的手腦并用能力。根據(jù)調(diào)查，在地球上近一半的地面不適合于傳統(tǒng)的輪式或履帶式木偶玩具行走，但是一般行走式木偶拉車玩具卻能在這些地方行動(dòng)自如。因此，行走式木偶拉車玩具與輪式及履帶式木偶玩具相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。行走式木偶拉車玩具對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，行走式木偶拉車玩具的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，可以調(diào)整姿態(tài)在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)。行走式木偶拉車玩具可以相當(dāng)平穩(wěn)地行走，能較安全的保護(hù)好兒童。因此行走式木偶拉車玩具受到廣泛兒童及家長(zhǎng)的喜愛(ài)（如圖所示） 。1.2 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù)1.2.1 機(jī)器人的發(fā)展20 世紀(jì) 40 年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的研究開(kāi)始出現(xiàn)。60 年代美國(guó)的 Consolidated Control 公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)，并成立了 Unimation 公司，定型生產(chǎn)了 Unimate 機(jī)器人。20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機(jī)器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學(xué)科。1970 年，第一次國(guó)際機(jī)器人會(huì)議在美國(guó)舉行。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化階段。1.2.2 機(jī)器人技術(shù)機(jī)器人學(xué)是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學(xué)科，該學(xué)科涉及領(lǐng)域廣泛，集中了機(jī)械工程、電氣與電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程、生物科學(xué)以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最新成就 [2]。機(jī)器人充分體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長(zhǎng)，它比傳統(tǒng)機(jī)器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。目前，機(jī)器人及其自動(dòng)化成套裝備己成為國(guó)內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，與此同時(shí)它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等各個(gè)領(lǐng)域滲透。目前，雖然機(jī)器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。本課題通過(guò)對(duì)行走式木偶拉車玩具的設(shè)計(jì)，使我們了解到玩具與機(jī)械制造的完美結(jié)合。結(jié)合行走式木偶拉車玩具運(yùn)動(dòng)靈活、對(duì)復(fù)雜地形的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。首先，行走式木偶拉車玩具的運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列孤立的點(diǎn)，而輪式和履帶式木偶的是一系列連續(xù)的軌跡；在含有巖石、泥土、沙子等障礙物的不規(guī)則的地面，可以穩(wěn)定支撐木偶的連續(xù)地面有限的情況下，輪式和履帶式木偶在這種環(huán)境中就受到了一定的限制，不適合在這種環(huán)境中使用。而行走式木偶拉車玩具運(yùn)動(dòng)時(shí)只需要離散的點(diǎn)來(lái)支撐，對(duì)這種地形的適應(yīng)性就比輪式和履帶式木偶要強(qiáng)很多。這一點(diǎn)使得行走式木偶更能夠受到大家歡迎。其次，行走式木偶拉車玩具是模仿動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式的一種木偶玩具；自古以來(lái)，自然界就是人類各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉。生物界有著種類繁多的動(dòng)植物及物質(zhì)存在，生物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，為了求得生存與發(fā)展，逐漸具備了適應(yīng)自然界變化的本領(lǐng)；人類生活在自然界中，與周圍的生物作“鄰居” ，這些生物各種各樣的奇異本領(lǐng)，吸引著人們?nèi)ハ胂蠛湍７?，要模仿這些生物，就必須對(duì)這些生物進(jìn)行深入的研究；行走式木偶拉車玩具是對(duì)動(dòng)物模仿的結(jié)果，反過(guò)來(lái)，行走式木偶拉車玩具也可以驗(yàn)證生物學(xué)的一些最新的研究成果并對(duì)相關(guān)的生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展起到積極推動(dòng)促進(jìn)作用。最后，行走式木偶拉車玩具由于具有類似動(dòng)物的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，能直接進(jìn)入人的生活之中；當(dāng)前世界人口的老齡化趨勢(shì)越來(lái)越明顯：對(duì)于我們國(guó)家來(lái)說(shuō)，基本上每個(gè)家庭都只有一個(gè)孩子，沒(méi)有玩伴，孩子基本上處于孤獨(dú)之中，而飼養(yǎng)寵物對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)太過(guò)于麻煩和不方便，而行走式木偶拉車玩具的出現(xiàn)，正好可以彌補(bǔ)這一缺憾。但由于行走式木偶拉車玩具的機(jī)構(gòu)和控制相對(duì)復(fù)雜，相關(guān)技術(shù)還不成熟，目前所研制的四足機(jī)器人普遍存在運(yùn)行速度慢、地形自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)能力差、負(fù)載輕等問(wèn)題。1.3 機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究概況1.3.1 拉車機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)首先，雙足步行的移動(dòng)方式在地面不平整或其它惡劣條件下(如充滿障礙物)比其他方式要靈活得多，具有更好的機(jī)動(dòng)性。研究仿人形雙足步行機(jī)器人，以代替人類在核電站、太空、海底及其它危害人類身心健康的復(fù)雜極端環(huán)境中工作，將大大拓展人類的活動(dòng)空間。其次，雙足步行機(jī)器人的步行系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)在的不穩(wěn)定系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)特性非常復(fù)雜，具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。因此，它是控制理論和控制工程領(lǐng)域的一個(gè)極好的研究對(duì)象，開(kāi)展雙足步行技術(shù)的研究，必然推動(dòng)控制理論的發(fā)展和控制技術(shù)的進(jìn)步。再次，行走式木偶拉車玩具由于具有類似動(dòng)物的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，能直接進(jìn)入人的生活之中；當(dāng)前世界人口的老齡化趨勢(shì)越來(lái)越明顯：對(duì)于我們國(guó)家來(lái)說(shuō)，基本上每個(gè)家庭都只有一個(gè)孩子，沒(méi)有玩伴，孩子基本上處于孤獨(dú)之中，而飼養(yǎng)寵物對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)太過(guò)于麻煩和不方便，而行走式木偶拉車玩具的出現(xiàn)，正好可以彌補(bǔ)這一缺憾。1.4 本課題的主要工作本課題源于“第一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中兩足行走機(jī)器人。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是兩足機(jī)器人還是鳳毛麟角。在機(jī)器人研究領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先水平的日本，推出了諸如舞蹈機(jī)器人等雙足行走機(jī)器人，但成千上萬(wàn)的傳感器和復(fù)雜的控制系統(tǒng)使這類機(jī)器人造價(jià)非常昂貴。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類行走的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。2 雙足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析2.1 引言兩足步行機(jī)器人是研究?jī)勺悴叫械膶?shí)驗(yàn)對(duì)象，不同的兩足步行機(jī)器人在自由度、驅(qū)動(dòng)方式、重量、高度、結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大的差異。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不同，其控制方式也有所區(qū)別。為了對(duì)兩足步行機(jī)器人進(jìn)行深入的研究，使其實(shí)現(xiàn)預(yù)定的步行功能，必須對(duì)其機(jī)構(gòu)有深入的了解和認(rèn)識(shí)。2.2 兩足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析兩足步行機(jī)器人是對(duì)人類自身的模仿，但是人類總共有上肢 52 對(duì)，下肢 62 對(duì)，背部 112 對(duì)，胸部 52 對(duì)，腰部 8 對(duì)，頸部 16 對(duì)，頭部 25 對(duì)之多的肌肉。從目前的科學(xué)發(fā)展情況來(lái)看，要控制具有 400 個(gè)雙作用式促進(jìn)器的多變量系統(tǒng)是不可能的[19]，因此，在設(shè)計(jì)步行機(jī)械時(shí)，人們只考慮移動(dòng)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。鄭元芳博士從仿生學(xué)的角度對(duì)類人機(jī)器人的腿部自由度配置進(jìn)行了深入的研究，得出關(guān)節(jié)扭矩最小條件下兩足步行機(jī)器人的自由度配置。他認(rèn)為髖部和踝部設(shè)兩個(gè)自由度，可使機(jī)器人在不平地面上站立，髖部再加一個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處加一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地，這樣機(jī)器人的腿部需要有 7×2 個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié) 3 個(gè)，膝關(guān)節(jié) 1 個(gè)，踝關(guān)節(jié) 3 個(gè) [10])。但是，無(wú)論現(xiàn)在的兩足步行機(jī)器人還是擬人機(jī)器人都還只能在規(guī)則路面上行走，所以各研究機(jī)構(gòu)都選擇了 6×2 個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié) 3 個(gè)，膝關(guān)節(jié) 1 個(gè)，踝關(guān)節(jié) 2 個(gè))，如：哈爾濱工業(yè)大學(xué)的 HIT-Ⅲ、國(guó)防科技大的“先行者” 。2.3 機(jī)器人設(shè)計(jì)思路由于這個(gè)課題是本校的第一次出現(xiàn)，沒(méi)有可以借鑒的資料，所以我們這個(gè)小組通過(guò)各種途徑了解各種兩足機(jī)器人，通過(guò)模仿其他設(shè)計(jì)成功的機(jī)器人為設(shè)計(jì)主要思路，來(lái)設(shè)計(jì)我們的兩足步行機(jī)器人，如圖 2.1，是我們這次設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。圖 2.1 兩足機(jī)器人的雛形2.4 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案由于我們要求設(shè)計(jì)的是比較簡(jiǎn)單的兩足機(jī)器人，所以有關(guān)平衡和 ZMP 等計(jì)算全部省略，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)候盡量把兩足機(jī)器人整體高度設(shè)計(jì)的盡量的矮一點(diǎn)，兩面設(shè)計(jì)的對(duì)稱，腳設(shè)計(jì)盡量的大一點(diǎn)，以此達(dá)到兩足步行機(jī)器人的平衡。通過(guò)上面所述和查閱相關(guān)兩足機(jī)器人行走的視屏，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè) 17 自由度的雙足步行機(jī)器人模型，如圖 2.2 所示。顯示的結(jié)構(gòu)特征就是采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。動(dòng)力源采用舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。這樣不但可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精度高以及大大增加關(guān)節(jié)所能達(dá)到的最大角度，而且驅(qū)動(dòng)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(jī)器人模型圖 2.2 雙足機(jī)器人，頭部?jī)H一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，它和身體相連接（圖 2.3） 。肩關(guān)節(jié)、大臂和小臂各一個(gè)自由度（圖 2.4，圖 2.5） ，髖關(guān)節(jié)一個(gè)自由度，大腿（圖2.6，圖 2.7）2 個(gè)自由度，小腿和腳步各一個(gè)自由度。各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍理論上是 180 度（由于零件之間互相干涉，關(guān)節(jié)之間活動(dòng)范圍以實(shí)際為準(zhǔn)） 。圖 2.3 機(jī)器人頭部和身體圖 2.4 機(jī)器人左手臂圖 圖 2.5 機(jī)器人右手臂圖 2.6 機(jī)器人左腿 圖 2.7 機(jī)器人左腿雙足步行機(jī)器人的一個(gè)主要問(wèn)題就是雙足動(dòng)態(tài)步行的固有不穩(wěn)定性。為了使其穩(wěn)定行走，機(jī)器人本體設(shè)計(jì)和行走步態(tài)規(guī)劃都很重要。在進(jìn)行機(jī)器人本體設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的問(wèn)題有關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的限制，主要機(jī)構(gòu)的剛度，擺動(dòng)腿著地時(shí)沖擊載荷對(duì)機(jī)器人本體可能帶來(lái)的損壞，桿件間連接，機(jī)體重量、材料以及易于操作維修等等。2.5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇由于此次設(shè)計(jì)的兩足步行機(jī)器人只是達(dá)到簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)，而且為了使兩足步行機(jī)器人行走穩(wěn)定，所以對(duì)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度和配合都需要比較精確的控制，所以所有的驅(qū)動(dòng)都是由舵機(jī)來(lái)完成如圖 2.8。圖 2.8 舵機(jī)3 雙足機(jī)器人的具體制作3.1 雙足機(jī)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(jī)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(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鋁合金。3.2 雙足機(jī)器人的零件加工3.2.1 加工機(jī)器的選擇（1） 由于選擇的是質(zhì)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(gè)鋁板加工好以后，需要精確折彎，所以選擇折彎?rùn)C(jī)來(lái)進(jìn)行折彎。3.2.2 線切割的相關(guān)介紹（1）概述電火花線切割加工（Wire Cut Electrical Discharge Machining ，簡(jiǎn)稱WEDM）是在電火花加工基礎(chǔ)上，于 20 世紀(jì) 50 年代末最早在前蘇聯(lián)發(fā)展起來(lái)的一種新的工藝形式，它是利用絲狀電極（鉬絲或銅絲，見(jiàn)圖 3.1）靠火花放電對(duì)工件進(jìn)行切割，簡(jiǎn)稱線切割。圖 3.1 鉬絲（2）加工原理、特點(diǎn)及應(yīng)用電火花線切割加工的基本原理（如圖 3.2）是利用快速移動(dòng)的電極絲，對(duì)工件進(jìn)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(dá)到切割工件，去除材料的目的。 圖 3.2 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(jī)械加工相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：(a)非接觸式，適合高硬度難切削材料的加工。(b)十分適合復(fù)雜形孔及外形的加工。(c)切縫細(xì)，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(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。(f)加工的殘余應(yīng)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(gè)方面：(a）僅限于金屬等導(dǎo)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(jī)床簡(jiǎn)介一臺(tái)普通的線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成如圖 3.3 所示。它總體上由主機(jī)，脈沖電源，數(shù)控系統(tǒng)三部分組成。此外，機(jī)床的主機(jī)部分還附加了工作液循環(huán)系統(tǒng)。主機(jī)由床身、工作臺(tái)、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)、絲架和工作液系統(tǒng)等組成，是機(jī)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(zhuǎn)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?qū)崿F(xiàn)電極絲放電加工全過(guò)程的實(shí)時(shí)控制。 圖 3.3 線切割機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的指令格式。常用的有兩種：G 指令和 3B 指令，可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇。如今的線切割機(jī)床都帶有自動(dòng)編程功能，即操作者只需將要切割的圖形在機(jī)器繪制出來(lái)并存盤(pán)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析并生成加工程序，避免的煩瑣的手工編程，所以兩足機(jī)器人的所有零件都是由線切割機(jī)床自動(dòng)編程 [14]。3.2.3 折彎?rùn)C(jī)的相關(guān)簡(jiǎn)單介紹圖 3.4 是折彎?rùn)C(jī)機(jī)床，圖 3.5 是折彎?rùn)C(jī)刀口。圖 3.4 折彎?rùn)C(jī)機(jī)床 3.5 折彎?rùn)C(jī)刀口3.3 拉車機(jī)器人的組裝3.3.1 舵機(jī)和部分配件的組裝用 M3×11 的螺栓將配件和舵機(jī)組裝在一起，如圖 3.4 所示。注意在安裝舵機(jī)時(shí)候，首先將螺栓放入側(cè)面的孔中，然后通過(guò)四個(gè)螺栓緊固舵機(jī)。數(shù)據(jù)線從鋁板側(cè)面的方孔穿過(guò)，這樣安裝才不損壞數(shù)據(jù)線和舵機(jī)外殼。圖 3.4 舵機(jī)和配件組裝3.3.2 兩足步行機(jī)器人的兩個(gè)上肢的組裝兩足機(jī)器人每只上肢由兩個(gè)舵機(jī)組成，具有兩個(gè)自由度。安裝前將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在 90°，這樣有利于上肢有擺動(dòng)的余地。因此舵機(jī)最大角度是 180°。當(dāng)把安裝角度設(shè)定在 90°時(shí)，與配件相配合不會(huì)放生干涉，可以順利的完成一些指定動(dòng)作，如圖 3.5 所示。圖 3.5 機(jī)器人兩上肢3.3.3 兩足機(jī)器人軀干的組裝軀干由四個(gè)舵機(jī)組成，具有四個(gè)自由度，控制胳膊前后旋轉(zhuǎn)兩個(gè)，控制大腿左右擺動(dòng)兩個(gè)。安裝前還是將舵機(jī)初始的角度設(shè)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(shí)候一定要注意每個(gè)螺栓必須緊固牢靠，防止松動(dòng)，如圖 3.6。圖 3.6 機(jī)器人軀干3.3.4 兩足機(jī)器人腿部的組裝兩足機(jī)器人腿部是最為重要的，所以安裝時(shí)候得更加小心仔細(xì)。每個(gè)下肢由四個(gè)舵機(jī)組成，具有四個(gè)自由度，安裝前舵機(jī)還是將初始角度設(shè)置在 90°，另外安裝時(shí)候注意兩個(gè)腿之間的干涉，如圖 3.7。圖 3.7 機(jī)器人左腿3.3.5 兩足機(jī)器人頭部的安裝兩足機(jī)器人頭部安裝比較容易，直接將頭部用螺絲緊固在舵機(jī)上就可以了，如圖 3.8。圖 3.8 機(jī)器人頭部如圖 3.9，3.10 所示，是兩足步行機(jī)器人的總裝圖，是將 17 臺(tái)舵機(jī)以積木的方式搭成人形的。機(jī)體大部分是由舵機(jī)組成的，各個(gè)舵機(jī)是由一些鋁合金件連接而成[15]。圖 3.9 機(jī)器人總裝圖 圖 3.10 機(jī)器人總裝圖3.4 兩足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù)兩足機(jī)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(hào) 數(shù) 量舵機(jī) 12（N×m） 17鋁制零件 42螺栓螺帽 M3×11(mm) 1453.5 兩足機(jī)器人總體尺寸兩足機(jī)器人的相關(guān)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 64×203.6 舵機(jī)具體參數(shù)舵機(jī)的相關(guān)參數(shù)，如表 3.3表 3.3 舵機(jī)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～7.2V4 課題總結(jié)在過(guò)去的三個(gè)月里，經(jīng)歷了機(jī)器人總體方案的研究和選擇，材料的購(gòu)買和加工，到最后的組裝和調(diào)試，遇到了很多的困難。我們總結(jié)了小組的不足，希望給下屆師弟師妹，例如：（1）何選擇一個(gè)好的可行的總體制作方案。我們的設(shè)計(jì)方案是依靠網(wǎng)上做好的機(jī)器人為模板，進(jìn)行模仿，希望下屆能夠設(shè)計(jì)出自己開(kāi)發(fā)的機(jī)器人。 （2）材料如何選擇。我們?cè)诓牧线x擇時(shí)，試驗(yàn)了很多的材料，如塑料，鋁板，不銹鋼，等等，但是由于要求強(qiáng)度高，剛度高，質(zhì)量要輕，所以選擇了鋁板。但是，鋁板相對(duì)較軟，在線切割時(shí)候很容易使鉬絲斷掉，所以給加工帶來(lái)了很多不便，希望能找到更好的材料。 （3）材料組裝時(shí)候的問(wèn)題。由于理想和現(xiàn)實(shí)存在著差異，所以當(dāng)材料加工出來(lái)進(jìn)行組裝時(shí)，出現(xiàn)很多問(wèn)題，由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)盡量緊湊，以降低重心，但是在組裝時(shí)候，出現(xiàn)了很多的干涉，裝螺母螺帽的時(shí)候由于結(jié)構(gòu)間隙太小，安裝比較麻煩，所以希望下屆在總體設(shè)計(jì)時(shí)，在保證緊湊的同時(shí)，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(shè)計(jì)中本人所遇到的典型問(wèn)題，希望給下屆的畢業(yè)設(shè)計(jì)帶來(lái)啟發(fā)。同時(shí)，希望下屆的師弟師妹能夠把這個(gè)課題做的更好。結(jié)束語(yǔ)本論文是關(guān)于兩足機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)。從了解各式各樣的兩足機(jī)器人開(kāi)始，到分析選擇總體方案、繪制立體圖和平面圖、材料的選擇、配件的購(gòu)買和加工、以及進(jìn)行機(jī)器人的組裝等的全過(guò)程，是對(duì)我所學(xué)四年知識(shí)的一個(gè)綜合檢查，也是對(duì)我獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的一次考驗(yàn)。盡管我的設(shè)計(jì)還有很多不足的地方，需要改進(jìn)的地方還很多，但我相信：只要我們不懈的努力，繼續(xù)加以改進(jìn)設(shè)計(jì)，總結(jié)這次的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，給下屆留下寶貴的經(jīng)驗(yàn)，我想他們一定會(huì)做的更好。通過(guò)這 3 個(gè)月的設(shè)計(jì)，使我對(duì)自己所學(xué)的知識(shí)有了更深入了解；在指導(dǎo)老師幫助下，通過(guò)收集各種有關(guān)資料所解決的畢業(yè)設(shè)計(jì)問(wèn)題，為我即將走上工作崗位，獨(dú)自去面對(duì)各種挑戰(zhàn)，出色地完成工作任務(wù)打下了一定的基礎(chǔ)。由于本人水平有限，經(jīng)驗(yàn)少。文中定有許多不妥甚至錯(cuò)誤之處，請(qǐng)各位老師給予指正和教導(dǎo)，本人表示深深的謝意。致 謝首先，我要感謝的是指導(dǎo)老師龔光榮教授和劉艷老師，在他們的悉心指導(dǎo)下，我順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)與制作的這段時(shí)間里，他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，平易近人的生活作風(fēng)，孜孜不倦的育人精神，給我留下了深刻的印象。 從今年 3 月初到 6 月底，經(jīng)過(guò)外文翻譯，開(kāi)題報(bào)告，進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，到完成畢業(yè)論文，一步一步都離不開(kāi)劉老師的悉心指導(dǎo)。在課題進(jìn)行期間，老師對(duì)我的課題方向的了解深度與研究深度，嚴(yán)謹(jǐn)而一絲不茍的治學(xué)態(tài)度，平和而循循善誘的教學(xué)態(tài)度，不僅在學(xué)術(shù)課題上給我很深的指導(dǎo)，更是讓我了解了很多為人做研究的道理，使我受益匪淺。在此對(duì)劉艷老師表達(dá)我最誠(chéng)摯的感謝，感謝這幾個(gè)月來(lái)對(duì)我的巨大幫助。并祝劉艷老師在今后教學(xué)研究中取得更大的成就！其次，還要感謝一直努力工作的其他隊(duì)友：吳玉坤、徐超、黃俊、徐昕晏最后感謝各位評(píng)審老師，能夠在百忙中抽出時(shí)間，對(duì)畢業(yè)論文提出意見(jiàn)，非常感謝你們的指導(dǎo)！祝你們身體健康，萬(wàn)事如意！參 考 文 獻(xiàn)[1] 周遠(yuǎn)清，張?jiān)倥d等編著. 智能機(jī)器人系統(tǒng)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,1989.[2] 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