窄足機器人技術報告

1、窄足機器人技術報告技術報告目錄1 引言12 方案設計23 機械結(jié)構33.1 選型33.2 實物圖33.3 零件設計CAD圖44 驅(qū)動設計64.1 電機選型64.2 電機介紹65 電源設計86 自由度與動作設計86.1 自由度分析86.2 動作設計87 控制模塊107.1 控制板簡介107.2 使用方法118 測試與調(diào)試129 總結(jié)13技術報告1 引言機器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。它是高級整合控制論、機械電子、計算機、

2、材料和仿生學的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領域中均有重要用途。國際上對機器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般來說，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可用電腦改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！彼転槿祟悗碓S多方便之處！為拓展大學生的動手及實踐能力，讓學生更熱衷于科學技術的研究，同時進一步推進大學生創(chuàng)新教育，提高大學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新實踐能力，鍛煉青年學生綜合素質(zhì)，我院王軍老師開展了機器人創(chuàng)新技術課程。本次課程的主要目標是通過窄足機器

3、人的設計和制作，加強我校學生在實踐創(chuàng)新能力，而為期六周的課程也取得了應有的效果。2 方案設計此次設計的體操機器人主要由機械結(jié)構和控制系統(tǒng)組成，如果認為機械結(jié)構是人的骨架，那么控制系統(tǒng)就被認為是人的大腦，所以機器人的先進程度與功能強弱通常都直接與其控制系統(tǒng)的性能密切相關。機器人控制系統(tǒng)是根據(jù)指令及傳感信息控制機器人完成一定的動作或作業(yè)任務的裝置，它是機器人的心臟，決定了機器人性能的優(yōu)劣。作為機器人的核心部分，機器人控制系統(tǒng)是影響機器人性能的關鍵部分之一，它從一定程度上影響著機器人的發(fā)展。機器人技術的實現(xiàn)不僅取決于其機械機構的優(yōu)化，在很大程度上還依賴于一個性能優(yōu)良的智能控制系統(tǒng);而一個工作穩(wěn)定、精

4、度可靠的、實時性強的控制系統(tǒng)不僅需要高級的控制算法，還需要實現(xiàn)控制算法的手段。很長時間以來國內(nèi)外的學者提出了諸多的控制算法，也設計出實現(xiàn)某些算法的控制器，但整個技術還處在實驗階段，沒有進入市場，特別是一些高級控制方法在實際中效果根本不理想，所以機器人控制系統(tǒng)有待進一步研究。設計并制作一種能夠完成指定動作的窄足機器人?？梢愿鶕?jù)預先設計的動作，以及定制的指令程序完成一系列高難度的動作，包括前滾翻、后滾翻其研究領域涉及到3D模型繪制及動力學仿真、單片機、電路理論、自動控制、電機原理與拖動、接口技術、結(jié)構力學、電子工藝等多方面的內(nèi)容，以實現(xiàn)其智能控制。3 機械結(jié)構3.1 選型我們設計的窄足機器人主要由

5、金屬鋁條構成，身高約為20cm，結(jié)構尺寸比例是在研究人體下半身運動的大量圖片、視頻，最終確定一個原始模型后，跟據(jù)比例縮放得到的，在制作前進行了大量的仿真與實驗。由實驗室老師提供圖紙資料，通過打印圖紙來加工所需要的夾件，卡件和連接件。最后對應圖紙進行精加工，打孔，使用螺絲裝配，從而實現(xiàn)整個機器人的機械機構的設計。3.2 實物圖 3.3 零件設計CAD圖舵盤卡口、連接件：腳板：頂板：4 驅(qū)動設計4.1 電機選型常用的電機有直流電機、步進電機、舵機等。下面我們大概對直流電機、步進電機、舵機進行一下對比,由于本研究制作的機器人是重量很輕的作實驗用的小型雙足步行機器人。因此機器人的各關節(jié)是選擇使用舵機驅(qū)

6、動。舵機最早出現(xiàn)在航模運動中。在航空模型中，飛行器的飛行姿態(tài)是通過調(diào)節(jié)發(fā)動機和各個控制舵面來實現(xiàn)的。在市場上收集到了三種不同型號的舵機，它們的性能、價格也不盡相同。本機器人采SR403P機器人專用舵機。4.2 電機介紹特性如下產(chǎn)品重量：67g（2.37盎司）線：30CM工作速度：0.21 sec/60（6.0V），0.19 sec/60（7.4V）失速扭矩：12.2公斤厘米，169.7扭力 （6.0V）;13.6公斤厘米，189.2扭力的（7.4V）旋轉(zhuǎn)角度：180機器人伺服，塑料齒輪，單球軸承，旋轉(zhuǎn)范圍range180PWM碼控制，180度轉(zhuǎn)動范圍（0.5-2.5ms)并行連接，雙側(cè)接口，圓

7、形輸出軸，使用電壓7.4V。5 電源設計出于安全考慮，實驗室內(nèi)使用開關電源供電，向控制板和舵機提供7.4V的穩(wěn)定電壓。6 自由度與動作設計6.1 自由度分析對機器人進行具體的設計。首先對機器人的自由度安排進行考慮，以使其可以完成預先設想的動作。其次是考慮各個連接部件如舵機，卡口，電池和控制板的尺寸具體設計各卡口的形狀尺寸以及電池和電路板的尺寸等。要使雙足機器人實現(xiàn)人類的一些動作，那么雙足步行機器人必須有它的獨特性。事實上，關于運動靈活性，人類大約擁有四百個左右的自由度。因此，機器人的關節(jié)的選擇、自由度的確定是很必要的，步行機器人自由度的配置對其結(jié)構有很大影響。自由度越少，結(jié)構越簡單，可實現(xiàn)功能

8、越少，控制起來相對簡單；自由度越多，結(jié)構越復雜，可實現(xiàn)功能越多，控制過程相對復雜。因此自由度的配置必須合理6.2 動作設計首先分析一下步行機器人的運動過程(向前)和行走步驟:重心右移(先右腿支撐)、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿中間、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到雙腿間，共分8個階段。從機器人步行過程可以看出:機器人向前邁步時，髖關節(jié)與踝關節(jié)必須各自配置有1個自由度以配合實現(xiàn)支撐腿、上軀體的移動和實現(xiàn)重心轉(zhuǎn)移。另外膝關節(jié)處配置1個俯仰自由度能夠調(diào)整擺動腿的著地高度，保證步行時落足平穩(wěn)。這樣最終決定髖關節(jié)配置1個自由度，膝關節(jié)配置1個俯仰自由度，踝關節(jié)配置有1個偏轉(zhuǎn)自由度。這樣，每條腿

9、配置3個自由度，兩條腿共6個自由度。髖關節(jié)和膝關節(jié)俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動作可完成機器人的在縱向平面(前進方向)內(nèi)的直線行走功能；踝關節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動作可實現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能。步行運動中普遍存在結(jié)構對稱性。運動的對稱性和腿機構的對稱性之間存在相互關系。在單足支撐階段，對稱性的機身運動要求腿部機構也是對稱的。根據(jù)這點，在結(jié)構設計時也采用對稱性布置。7 控制模塊7.1 控制板簡介舵機控制模塊采用廣泛使用的32路舵機控制板。舵機控制器說明圖解如下：7.2 使用方法控制板使用專門的上位機軟件控制，方便靈活，操作簡便，適合初學者。8 測試與調(diào)試制作、組裝機器人期間出現(xiàn)的問題:1.鉆孔容易鉆歪。

10、因為當時為了保證一開始鉆點位置能準確，所以就沒有把外面的圖紙撕掉。但是因為上面有膠帶，所以有點滑，很容易就鉆偏了。后來我們在柜子里找到尖的東西，鉆之前先用那個在對應的位置上打出一個小孔，這樣鉆頭就不容易偏。2.鋁板折彎的位置不容易把握。因為把鋁條夾在臺子上時，就不容易讓該折彎的那條線正好伸出來，再加上鋁條本身就有一個厚度，所以有的部位裝上舵機后就發(fā)現(xiàn)舵機是歪的，所以就要把鋁條扳正了重新再找位置折彎，有的時候要重復多次。3.腳板裝配腳板圖紙就有問題，那上面的兩對孔間距太大了，然后我們把兩個腳板對應的同一邊保持不動，另一邊都重新打了孔，才讓舵機正好能裝上。4.摩擦組裝完畢后發(fā)現(xiàn)兩腿動起來后腳板會有摩擦，其他有的組把左右腿調(diào)換了一下，使中間間距非常大，但是我們?nèi)齻€考慮到換過后機器人左右擺動的幅度會受很大限制，我們怕影響后期的調(diào)試，就沒敢換，因為這，我們組還得了一個C。9 總結(jié)在原有動作及實現(xiàn)的功能基礎上，進一步完善結(jié)構設計及改進，在結(jié)構完善的基礎上，再來調(diào)試及完成更復雜的動作功能設計，比如可以