仿人型機器人總體及臂手部結構設計7

1、本科生畢業(yè)設計說明書 2007 目錄目錄 1 前言.1 1.1 仿人機器人的概念 .1 1.2 課題來源 .1 1.3 技術要求 .1 1.4 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展狀況.2 2 1.4.1 國內研究現(xiàn)狀 .2 1.4.2 國外研究現(xiàn)狀 .2 1.4.3 發(fā)展趨勢 .3 1.5 本課題要解決的主要問題及解決方案 .4 2 總體方案設計 .6 2.1 仿人機器人臂手部結構的確定 .6 2.2 仿人機器人上身尺寸的確定 .6 2.3 結構的設計 .6 2.4 仿人機器人自由度的確定 .6 2.5 電機的選擇 .7 3 機器人驅動裝置的設計 .8 3.1 肩部步進電機的選擇 .9 3.2 肘部步進電機

2、的選擇 .9 3.3 腕部及頭部電機選擇 .10 4.仿人機器人機械傳動件的設計 .11 4.1 齒輪的設計 .11 4.1.1 肩部齒輪的設計與校核 .11 4.1.2 肘腕部齒輪設計 .13 4.1.3 頭部齒輪的設計 .14 4.2 軸的設計與計算 .15 4.2.1 軸的結構設計 .15 4.2.2 軸的強度計算 .16 5. 仿人型機器人連接板的設計及校核 .20 5.1 肩部連接板的設計與校核 .20 5.2 電機支撐板的設計與校核 .21 6. 仿人型機器人三維造型及運動仿真 .22 6.1 仿人型機器人三維造型 .22 6.2 仿人型機器人運動仿真 .23 6.3 仿人型機器人

3、舞蹈運動分析 .23 6.4 仿人機器人重力分析 .23 7 結論 .25 參考文獻 .26 致 謝 .27 附 錄 .28 本科生畢業(yè)設計說明書 2007 1 1 前言 1.1 仿人機器人的概念 1 現(xiàn)階段，機器人的研究應用領域不斷拓寬，其中仿人機器人的研究和應用尤其 受到普遍關注，并成為智能機器人領域中最活躍的研究熱點之一。 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 應環(huán)境的仿人機器人一直是人類的夢想之一。世界上最早的仿人機器人研究組織誕 生于日本，1973 年，以早稻大學加藤一郎教授為首，組成了大學和企業(yè)之間的聯(lián)合 研究組織，其目的就是研究仿人機器人。加藤一郎

4、教授突破了仿人機器人研究中最 關鍵的一步兩足步行。1996 年 11 月，本田公司研制出了自己的第一臺仿人步 行機器人機 p2，2000 年 11 月，又推出了最新一代的仿人機器人 asimo。國防科技 大學也在 2001 年 12 月獨立研制出了我國第一臺仿人機器人。 仿人機器人要能夠理解、適合環(huán)境、精確靈活地進行作業(yè)，高性能傳感器的開 發(fā)必不可少。傳感器是機器人獲得智能的重要手段，如何組合傳感器攝取的信息， 并有效地加以運用，是基于傳感器控制的基礎，也是實現(xiàn)機器人自治的先決條件。 仿人機器人研究在很多方面已經取得了突破，如關鍵機械單元、基本行走能力、 整體運動、動態(tài)視覺等，但是離我們理想中

5、的要求還相去甚遠，還需要在仿人機器 人的思維和學習能力、與環(huán)境的交互、軀體結構和四肢運動、體系結構等方面進行 更進一步的研究。 仿人機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 各種作業(yè)，并可以在很多方面擴展人類的能力，在服務、醫(yī)療、教育、娛樂等多個 領域得到廣泛應用。 1.2 課題來源 本課題來源于研究課題。仿人機器人的研究和應用尤其受到普遍關注，并成為 智能機器人內領域中最活躍的研究熱點之一，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，不斷適應環(huán)境的仿人機器人一直是人類的夢想之一。 1.3 技術要求 根據設計要求達到以下技術要求： a.根據任務要求，本

6、仿人機器人總高 900mm，肩寬 30mm，手臂長 40mm； b.各關節(jié)采用一級齒輪傳動，用步進電機驅動； c.除了通用件外，其它零件用工程塑料 pvc 壓鑄成形。 1.4 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展狀況 2 1.4.11.4.1 國內研究現(xiàn)狀國內研究現(xiàn)狀 國內，仿人機器人的研制工作起步較晚，1985 年以來，相繼有幾所高校進行了 這方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈爾濱工業(yè)大學和國防科技大學最為典 仿人型機器人總體及臂手部結構設計 2 型。哈爾濱工業(yè)大學自 1985 年開始研制雙足步行機器人，基于控制理論曾經獲得 自然科學基金和國家“863”計劃的支持，迄今為止已經完成了三個型號的研制工 作

7、：第一個型號 hit-1 為 10 個自由度，重 100kg，高 1.2m，關節(jié)由直流伺服電極 驅動，屬于靜態(tài)步行。第二個型號 hit-2 為 12 個自由度，該機器人髖關節(jié)和腿部 結構采用了平行四邊形結構。第三個型號 hit-3 為 12 個自由度，踝關節(jié)采用兩電 機交叉結構，同時實現(xiàn)兩個自由度，腿部結構采用了圓筒形結構。h it-3 實現(xiàn)了靜 態(tài)步行和動態(tài)步行，能夠完成前/后行、側行、轉彎、上下臺階及上斜坡等動作。 目前，哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所與機械電子工程教研室合作，正在致力于功能 齊全的仿人機器人 hit -4 的研制工作，該機器人包括行走機構、上身及臂部執(zhí)行 機構，初步設定 32

8、 個自由度。國防科技大學也進行了這方面的研究。在 1989 年研 制成功了一臺雙足行走機器人，這臺機器人具有 10 個自由度，能完成靜態(tài)步行、 動態(tài)步行。清華大學、上海交通大學、北京航空航天大學等高等院校和研究機構也 在近幾年投入了相當的人力、物力，進行智能仿人機器人的研制工作。 1.4.21.4.2 國外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀 日本已經成為仿人機器人研究最活躍、成果最豐富的國家。下面重點就日本仿 人機器人研究動態(tài)進行介紹。 a.早稻田大學 目前，早稻田大學的仿人機器人研究基本分為三部分。其中，一部分是研究與 人協(xié)作的仿人機器人。目標是從學術角度研究人的行走機理，并建立人的行走模型； 從工程角度

9、制造實用的仿人機器人。研制成果是 wabian（waseda bipedal humanoid）系列仿人機器人。wabian 能夠在平面上動態(tài)前進、后退、跳舞及攜帶重 物。而 wabian rv 更是具備了語音識別能力，使人機界面更為友好。在此基礎上， wabian-2 針對行走部分做了改進。每條腿 7 個自由度，包括：腳 3 個，膝蓋 1 個， 髖部 3 個。腰部有 2 個自由度。相比 6 個自由度的腿，其優(yōu)點是膝蓋的方向。驅動 系統(tǒng)為 dc 伺服電機，減速部分采用諧波齒輪。另一部分是開發(fā)對用途的雙足步行 腿部模塊，應用于包括仿人機器人的各種機器人系統(tǒng)中。 b.東京大學 東京大學是目前進行機

10、器人研究非?；钴S的機構。其中進行仿人機器人研究的 主要有 jsk 實驗室和 nakamura 實驗室。jsk 實驗室的仿人機器人研究是以 h6 仿人 機器人為實驗平臺。其具體參數如下：高 1370mm，寬 590mm，重 55kg。共有 35 個 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。驅動采 用 dc 電機和諧波齒輪，實用操作系統(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態(tài)約束的運動規(guī)范算法。另外，jsk 實 驗室還對腱驅動機器人、軟脊椎機器人、凝膠體機器人、人造皮膚等進行了相關研 究。nakamura

11、 實驗室不僅研究專門針對仿人機器人的特殊機構，包括含有揉性連接 的肩關節(jié)、已應用在髖部的雙球關節(jié)。而且，該實驗室在基于動力學的運動方式識 別和生成的信息處理方面頗有造詣。提出了利用關節(jié)運動的相關性來簡化仿人機器 人全身運動的方法；設計了基于動力學的類似腦信息處理的系統(tǒng)；設計了基于動力 本科生畢業(yè)設計說明書 2007 3 學和傳感數據的信息處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了仿人機器人運動的平滑過度。同時，研究了 將運動方式識別和生成進行統(tǒng)一的信息處理。另外，nakamura 實驗室還以人體虛擬 模型為基礎對運動生成、測量和動力學計算等方面進行了研究。 c.本田公司 本田公司從 1986 開始以開發(fā)實用型仿人機器人

12、為目標，至今已經有 p1、p2、p3 和 asmo 機器人問世。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，由于采用了實時、智能的揉性行走技術，它可以實時預測下一步運動，在轉向 時能及時向內轉移重心，避免了先停步再轉向。同時，asmo 能夠識別 50 種不同的 問候和日語問題并作出

13、相應反應，也可以用肢體語言完成 30 種不同的日語動作命 令。 d.索尼公司 索尼公司主要針對娛樂機器人進行研究，包括機器狗 abo 和雙足娛樂機器人 qrd。在行走方面，2003 年 12 月推出的 qrd 能夠在不平地面上動態(tài)步行，會跳舞。 若被人推一把，為避免摔倒會順勢向前并停止所有運動。一旦失去平衡，會伸出胳 膊、轉動髖關節(jié)和放慢電機轉速，這樣可以減少摔倒時的振動和沖擊。摔倒后，能 夠重新站立起來。作為娛樂機器人，qrd 能夠識別人的面孔、聲音和與人對話，可 以唱歌和表達情緒，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。 1.4.31.4.3 發(fā)展趨勢

14、發(fā)展趨勢 仿人機器人與輪式、履帶式機器人相比有許多突出的優(yōu)點和它們無法比擬的優(yōu) 越性，但是由于受到機構學、材料科學、計算機技術、控制技術、微電子學、通訊 技術、傳感技術、人工智能、數學方法、仿生學等相關學科發(fā)展的制約，至今基本 上仍處于實驗室研制的階段，尤其是雙足行走的速度、穩(wěn)定性及自適應能力仍不是 非常理想，只有在走穩(wěn)走好之后再加上臂部執(zhí)行機構和智能結構，才談得上真正的 仿人，當然，仿人不能僅僅局限于這些，還應該模仿人類的視覺、觸覺、語言，甚 至情感等功能，仿人機器人是許多技術的綜合、集成和提高，目前，主要的攻關項 目還是行走功能的進一步提高，日本本田公司生產的 p3 仿人機器人雖已走向市場

15、 化，但是，它的功能還很不限，離實際意義上的擬人化還有相當的一段距離，所以 仿人機器人給科研工作者提供了廣闊的研究空間，提出了一個又一個新的挑戰(zhàn)，同 時也促進了許多相關學科的發(fā)展，導致了一些新理論，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科，以下是未來幾十年仿人機器人的研制方向。 a.仿人機器人本體結構的改造 仿人機器人是一個多關節(jié)且具有冗余自由度的復雜的系統(tǒng)，如何實現(xiàn)預期功能 而又使結構最優(yōu)化是一個很值得研究的問題，一個功能齊全的智能仿人機器人必須 仿人型機器人總體及臂手部結構設計 4 得有一個結構緊湊、配置合理的機械本體，本田公司最新研制的“asmo”就是一個 典型的例子

16、。 b.運動學和動力學求解理論和方法的發(fā)展 一個理想的步態(tài)規(guī)劃對仿人機器人行走的穩(wěn)定性是非常有益的，由于仿人機器 人系統(tǒng)的高階、強耦合及非線性，使得仿人機器人的運動學和動力學的精確求解非 常困難，而且也沒有非常理想的理論或方法來求解逆運動學解析，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動學和動力學的近似解，這往往導 致了機器人的規(guī)劃運動與實際運動有較大的出入，所以要得到理想的運動規(guī)劃，則 必須在運動學和動力學的求解方法上有重要的突破。 c.驅動源的改進 目前仿人機器人所用的驅動源主要有兩種：在線提供能源，離線自帶電源。理 想的能源應該具有十分高的能量密度、耐高溫、耐腐蝕、可再

17、生、及成本等，但是 現(xiàn)在的自配能源的容量有限，而機器人的關節(jié)眾多，所以如何改進驅動源，使其體 積小、重量小而又容量大，也是在仿人機器人的研制過程中必須解決的問題。 d.控制技術和集成技術的發(fā)展 仿人機器人的關節(jié)眾多，控制電路比較復雜，要實現(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雜，如何尋找更為優(yōu)化的控制 方案，優(yōu)化控制結構，也引起了越來越多的科研工作者的注意，另外一個解決方案 就是利用大規(guī)模集成電路，現(xiàn)在的集成電路生產技術已經到了相當高的水平。 e.智能技術和軟件技術的發(fā)展 仿人機器人真正意義上的仿人是在雙足行走和智能化毫無疑問，人類是當前世 界上最智能化的生物

18、，但要人類復制自己的智能到機器人身上可不是一個簡單的事 情，要使機器人獲得足夠的智能必須依賴于智能技術的發(fā)展，而現(xiàn)在的智能實現(xiàn)方 法就是通過編制軟件，再由計算機進行計算，機器人接受人的指令產生相應的操作； 根據自己的學習完善自己的專家系統(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)展的智能技術及計算機軟件實現(xiàn)技術作 為基礎。 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： a.機器人總體結構的確定； b.手臂部分驅動方式的選擇； c.手臂部分驅動裝置的位置確定； d.手臂各關節(jié)自由度的確定； e.提高機器人的運動精確性。 針對以

19、上問題采用以下解決方案： a.由于本機器人的總高范圍為 60-100mm，根據人體各部分比例，機器人的身高 為 80mm，肩寬為 30mm，手臂長為 40mm； b.采用標準 p 型步進電機，功率、重量符合要求，轉速底，從而所需的傳動比 本科生畢業(yè)設計說明書 2007 5 小，簡化了傳動裝置； c.機器人的各部分用長方形盒子來連接，步進電機就放置在各個盒子里； d.機器人的上身，用了 9 個自由度，分別是頸部的擺動，肩關節(jié)的擺動與轉動， 肘關節(jié)的擺動，腕關節(jié)的擺動； e.調整齒輪間隙，軸與軸之間的位置偏差。 仿人型機器人總體及臂手部結構設計 6 2 總體方案設計 2.1 仿人機器人臂手部結構的

20、確定 為了研究仿人機器人手臂首先需要了解人體手臂的機構學特征。人體的手臂由 肩關節(jié)、大臂、肘關節(jié)、小臂、腕關節(jié)、手等幾部分組成。根據仿人與運動的實際 出發(fā)，現(xiàn)擬定該機器人上身共有 9 個自由度，其中，肩關節(jié) 2 個自由度，肘關節(jié)屬 于單軸關節(jié)，具有 1 個自由度，腕關節(jié) 1 個自由度，頭部俯仰 1 個自由度。 從機構原理上劃分，仿人手臂分為齒輪式、連桿式、繩索驅動式和肌腱式，目 前的仿人機器人手臂主要采用齒輪式結構?，F(xiàn)擬定該機器人臂手部的傳動方式為齒 輪傳動，齒輪式手臂具有機構緊湊、精度高、承載高等優(yōu)點。 2.2 仿人機器人上身尺寸的確定 仿人機器人機構的結構確定后，進一步根據操作任務的要求，

21、確定與運動有關 的機構尺寸參數，包括相鄰關節(jié)的相對位置參數、關節(jié)運動極限參數，即進行機構 的尺寸綜合。尺寸綜合與仿人機器人手臂工作空間的要求密切相關。結合人體上身 的尺寸特征，并按照機械結構實現(xiàn)的具體要求，確定手臂尺寸為：大臂長 130mm,小 臂長 130mm，手長 90mm，頭高 110mm。 2.3 結構的設計 仿人機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，在我設計的仿人機器人中，肩部電機盒采用了長方形盒 子，左右各一個，在每個電機盒的兩側面都打了 4 個螺釘孔，用 2 塊板分別蓋在電 機盒的側面，再用螺釘擰緊，就這樣仿人機器人的軀體形成了

22、。同樣，手臂部分也 是用長方形盒子及連接板連接起來，形成整個手臂。 2.4 仿人機器人自由度的確定 本次設計的仿人機器人上身為 5 個自由度包括頭部的俯仰擺動，肩部的轉動與 擺動，肘部的擺動，腕部的擺動。 表 2-1 仿人機器人的基本參數 2.5 電機 的選擇 通常機 器人的驅 頭俯仰 1 6030/s 肩關節(jié)轉動 2 36030/s 肩關節(jié)擺動 3 18060/s 肘擺動 4 18030/s 動 作 范 圍 腕擺動 5 9030/s 本科生畢業(yè)設計說明書 2007 7 動方式有以下三種： a.電動機驅動方式 電動機驅動是利用各種類型的電動機經過機械傳動驅動機器人操作機以獲得各 種運動。電力驅

23、動因有不需能量轉換、控制靈活、使用方便、噪聲較低、啟動力矩 大等優(yōu)點而在機器人中廣泛選用。 b.液壓驅動方式 液壓是一種比較成熟的技術。驅動力或驅動力矩大，即功率重量比大，也可把 工作液壓缸直接做成操作關節(jié)的一部分，實現(xiàn)直接驅動。結構較簡單、緊湊。液壓 驅動方式中所使用的壓力在 0.514mpa 之間，最高可達 2030mpa；但機器人中多 采用 0.67mpa，而且需配備壓力源和復雜的管路系統(tǒng)。容易發(fā)生泄露，影響工作 的穩(wěn)定性和運動精度，污染環(huán)境。需定期更改液體介質。所以制造成本、維護費用 較高。液體介質中易混入氣泡，造成驅動系統(tǒng)剛性降低，使速度響應性和運動精度 變壞。 c.氣壓驅動方式 使

24、用的空氣壓力通常為 0.40.6mpa，最高可達 10mpa。驅動系統(tǒng)管路結構簡 單，維修方便，造價低。氣源供應方便，不會造成泄露污染。壓縮空氣在管路中的 流速可達 180m/s，因而動作速度快。但由于氣體的可壓縮性，難以實現(xiàn)較高的位置 精度和伺服控制。運動的穩(wěn)定性差，工作時有噪聲。 電動機驅動系統(tǒng)有交、直流伺服電動機，步進電機和直接驅動電機四種。步進 電機可直接實現(xiàn)數字控制，控制結構簡單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需 要反饋就能對位置和速度進行控制。仿人機器人的上肢，包括肩部、肘部、腕部及 頭部，它們都是輔助仿人機器人實現(xiàn)運動功能，再根據負載的要求不同，所以選擇 小功率的步進電機。 3

25、 機器人驅動裝置的設計 對仿人機器人驅動裝置的一般要求如下： 仿人型機器人總體及臂手部結構設計 8 a. 驅動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??； d. 經濟上合理，尤其是要盡量減少所占空間； e. 安全可靠； 為了使仿人機器人的手臂轉動，所需要的最大轉距是當手臂呈水平狀態(tài)，手臂 各部分的尺寸和重量如圖 3-1 所示 圖 3-1 仿人機器人手臂重量分配 設大小臂及手腕繞各自重心軸的轉動慣量分別為、，根據平行軸 1g j 2g j 2g j 定

26、理可得繞第一關節(jié)軸的轉動慣量為: （3- 2 333 2 222 2 1111 lmjlmjlmjj ggg 1） 式中：，分別是各重心處的重量，值分別為 1 m 2 m 3 m 0.4kg、0.25kg、0.25kg； ，分別是各重心到第一關節(jié)的距離，其值分別為 1 l 2 l 3 l 72.5mm，217.5mm，290mm。 在式（3-1）中，、 ，故、 2 111 lmjg 2 222 lmjg 2 333 lmjg 1g j 2g j 可忽略不計。所以繞第一關節(jié)軸的轉動慣量為 2g j （3- 2 33 2 22 2 111 lmlmlmj 2） 將有關數據代入式（3-2）得 = 1 j 222 29 . 0 25 . 0 2175 . 0 25 . 0 0725 . 0 4 . 0 =021025 . 0 01183 . 0 002103 . 0 =035 . 0 同理可得小臂及腕部繞第二關節(jié)軸的轉動慣量 （3- 2 53 2 422 lmlmj 3） 本科生畢業(yè)設計說明書 2007 9 式中：小臂重心距第二關節(jié)軸的水平距離，其值為 72.5； 4 lmm