仿人型機(jī)器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7

1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2007目錄目錄1 前言.11.1 仿人機(jī)器人的概念 .11.2 課題來源 .11.3 技術(shù)要求 .11.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r.2 21.4.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .21.4.2 國外研究現(xiàn)狀 .21.4.3 發(fā)展趨勢 .31.5 本課題要解決的主要問題及解決方案 .42 總體方案設(shè)計(jì) .62.1 仿人機(jī)器人臂手部結(jié)構(gòu)的確定 .62.2 仿人機(jī)器人上身尺寸的確定 .62.3 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) .62.4 仿人機(jī)器人自由度的確定 .62.5 電機(jī)的選擇 .73 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) .83.1 肩部步進(jìn)電機(jī)的選擇 .93.2 肘部步進(jìn)電機(jī)的選擇 .93.3 腕部及頭部電機(jī)選擇

2、 .104.仿人機(jī)器人機(jī)械傳動(dòng)件的設(shè)計(jì) .114.1 齒輪的設(shè)計(jì) .114.1.1 肩部齒輪的設(shè)計(jì)與校核 .114.1.2 肘腕部齒輪設(shè)計(jì) .134.1.3 頭部齒輪的設(shè)計(jì) .144.2 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .154.2.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .154.2.2 軸的強(qiáng)度計(jì)算 .165. 仿人型機(jī)器人連接板的設(shè)計(jì)及校核 .205.1 肩部連接板的設(shè)計(jì)與校核 .205.2 電機(jī)支撐板的設(shè)計(jì)與校核 .216. 仿人型機(jī)器人三維造型及運(yùn)動(dòng)仿真 .226.1 仿人型機(jī)器人三維造型 .226.2 仿人型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真 .236.3 仿人型機(jī)器人舞蹈運(yùn)動(dòng)分析 .236.4 仿人機(jī)器人重力分析 .237 結(jié)論 .25

3、參考文獻(xiàn) .26致 謝 .27附 錄 .28本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 200711 前言1.1 仿人機(jī)器人的概念1現(xiàn)階段，機(jī)器人的研究應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，其中仿人機(jī)器人的研究和應(yīng)用尤其受到普遍關(guān)注，并成為智能機(jī)器人領(lǐng)域中最活躍的研究熱點(diǎn)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(yīng)環(huán)境的仿人機(jī)器人一直是人類的夢(mèng)想之一。世界上最早的仿人機(jī)器人研究組織誕生于日本，1973 年，以早稻大學(xué)加藤一郎教授為首，組成了大學(xué)和企業(yè)之間的聯(lián)合研究組織，其目的就是研究仿人機(jī)器人。加藤一郎教授突破了仿人機(jī)器人研究中最關(guān)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(tái)仿

4、人步行機(jī)器人機(jī) p2，2000 年 11 月，又推出了最新一代的仿人機(jī)器人 asimo。國防科技大學(xué)也在 2001 年 12 月獨(dú)立研制出了我國第一臺(tái)仿人機(jī)器人。仿人機(jī)器人要能夠理解、適合環(huán)境、精確靈活地進(jìn)行作業(yè)，高性能傳感器的開發(fā)必不可少。傳感器是機(jī)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(yùn)用，是基于傳感器控制的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自治的先決條件。仿人機(jī)器人研究在很多方面已經(jīng)取得了突破，如關(guān)鍵機(jī)械單元、基本行走能力、整體運(yùn)動(dòng)、動(dòng)態(tài)視覺等，但是離我們理想中的要求還相去甚遠(yuǎn)，還需要在仿人機(jī)器人的思維和學(xué)習(xí)能力、與環(huán)境的交互、軀體結(jié)構(gòu)和四肢運(yùn)動(dòng)、體系結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行更進(jìn)一步的研

5、究。仿人機(jī)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(kuò)展人類的能力，在服務(wù)、醫(yī)療、教育、娛樂等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1.2 課題來源本課題來源于研究課題。仿人機(jī)器人的研究和應(yīng)用尤其受到普遍關(guān)注，并成為智能機(jī)器人內(nèi)領(lǐng)域中最活躍的研究熱點(diǎn)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(yīng)環(huán)境的仿人機(jī)器人一直是人類的夢(mèng)想之一。1.3 技術(shù)要求根據(jù)設(shè)計(jì)要求達(dá)到以下技術(shù)要求：a.根據(jù)任務(wù)要求，本仿人機(jī)器人總高 900mm，肩寬 30mm，手臂長 40mm；b.各關(guān)節(jié)采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；c.除了通用件外，其它零件用工程塑料

6、 pvc 壓鑄成形。1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r 21.4.11.4.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)，仿人機(jī)器人的研制工作起步較晚，1985 年以來，相繼有幾所高校進(jìn)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(xué)和國防科技大學(xué)最為典仿人型機(jī)器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2型。哈爾濱工業(yè)大學(xué)自 1985 年開始研制雙足步行機(jī)器人，基于控制理論曾經(jīng)獲得自然科學(xué)基金和國家“863”計(jì)劃的支持，迄今為止已經(jīng)完成了三個(gè)型號(hào)的研制工作：第一個(gè)型號(hào) hit-1 為 10 個(gè)自由度，重 100kg，高 1.2m，關(guān)節(jié)由直流伺服電極驅(qū)動(dòng)，屬于靜態(tài)步行。第二個(gè)型號(hào) hit-2 為 12 個(gè)自由度，該機(jī)器

7、人髖關(guān)節(jié)和腿部結(jié)構(gòu)采用了平行四邊形結(jié)構(gòu)。第三個(gè)型號(hào) hit-3 為 12 個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)采用兩電機(jī)交叉結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度，腿部結(jié)構(gòu)采用了圓筒形結(jié)構(gòu)。h it-3 實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行，能夠完成前/后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階及上斜坡等動(dòng)作。目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所與機(jī)械電子工程教研室合作，正在致力于功能齊全的仿人機(jī)器人 hit -4 的研制工作，該機(jī)器人包括行走機(jī)構(gòu)、上身及臂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，初步設(shè)定 32 個(gè)自由度。國防科技大學(xué)也進(jìn)行了這方面的研究。在 1989 年研制成功了一臺(tái)雙足行走機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人具有 10 個(gè)自由度，能完成靜態(tài)步行、動(dòng)態(tài)步行。清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京

8、航空航天大學(xué)等高等院校和研究機(jī)構(gòu)也在近幾年投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物力，進(jìn)行智能仿人機(jī)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(jīng)成為仿人機(jī)器人研究最活躍、成果最豐富的國家。下面重點(diǎn)就日本仿人機(jī)器人研究動(dòng)態(tài)進(jìn)行介紹。a.早稻田大學(xué)目前，早稻田大學(xué)的仿人機(jī)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(jī)器人。目標(biāo)是從學(xué)術(shù)角度研究人的行走機(jī)理，并建立人的行走模型；從工程角度制造實(shí)用的仿人機(jī)器人。研制成果是 wabian（waseda bipedal humanoid）系列仿人機(jī)器人。wabian 能夠在平面上動(dòng)態(tài)前進(jìn)、后退、跳舞及攜帶重物。而 wabian rv 更是

9、具備了語音識(shí)別能力，使人機(jī)界面更為友好。在此基礎(chǔ)上，wabian-2 針對(duì)行走部分做了改進(jìn)。每條腿 7 個(gè)自由度，包括：腳 3 個(gè)，膝蓋 1 個(gè)，髖部 3 個(gè)。腰部有 2 個(gè)自由度。相比 6 個(gè)自由度的腿，其優(yōu)點(diǎn)是膝蓋的方向。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為 dc 伺服電機(jī)，減速部分采用諧波齒輪。另一部分是開發(fā)對(duì)用途的雙足步行腿部模塊，應(yīng)用于包括仿人機(jī)器人的各種機(jī)器人系統(tǒng)中。b.東京大學(xué)東京大學(xué)是目前進(jìn)行機(jī)器人研究非常活躍的機(jī)構(gòu)。其中進(jìn)行仿人機(jī)器人研究的主要有 jsk 實(shí)驗(yàn)室和 nakamura 實(shí)驗(yàn)室。jsk 實(shí)驗(yàn)室的仿人機(jī)器人研究是以 h6 仿人機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其具體參數(shù)如下：高 1370mm，寬 590mm

10、，重 55kg。共有 35 個(gè)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(qū)動(dòng)采用 dc 電機(jī)和諧波齒輪，實(shí)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(dòng)態(tài)約束的運(yùn)動(dòng)規(guī)范算法。另外，jsk 實(shí)驗(yàn)室還對(duì)腱驅(qū)動(dòng)機(jī)器人、軟脊椎機(jī)器人、凝膠體機(jī)器人、人造皮膚等進(jìn)行了相關(guān)研究。nakamura 實(shí)驗(yàn)室不僅研究專門針對(duì)仿人機(jī)器人的特殊機(jī)構(gòu)，包括含有揉性連接的肩關(guān)節(jié)、已應(yīng)用在髖部的雙球關(guān)節(jié)。而且，該實(shí)驗(yàn)室在基于動(dòng)力學(xué)的運(yùn)動(dòng)方式識(shí)別和生成的信息處理方面頗有造詣。提出了利用關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性來簡化仿人機(jī)器人全身運(yùn)動(dòng)的方法；設(shè)

11、計(jì)了基于動(dòng)力學(xué)的類似腦信息處理的系統(tǒng)；設(shè)計(jì)了基于動(dòng)力本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20073學(xué)和傳感數(shù)據(jù)的信息處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平滑過度。同時(shí)，研究了將運(yùn)動(dòng)方式識(shí)別和生成進(jìn)行統(tǒng)一的信息處理。另外，nakamura 實(shí)驗(yàn)室還以人體虛擬模型為基礎(chǔ)對(duì)運(yùn)動(dòng)生成、測量和動(dòng)力學(xué)計(jì)算等方面進(jìn)行了研究。c.本田公司本田公司從 1986 開始以開發(fā)實(shí)用型仿人機(jī)器人為目標(biāo)，至今已經(jīng)有p1、p2、p3 和 asmo 機(jī)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，

12、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(shí)時(shí)、智能的揉性行走技術(shù)，它可以實(shí)時(shí)預(yù)測下一步運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)向時(shí)能及時(shí)向內(nèi)轉(zhuǎn)移重心，避免了先停步再轉(zhuǎn)向。同時(shí)，asmo 能夠識(shí)別 50 種不同的問候和日語問題并作出相應(yīng)反應(yīng)，也可以用肢體語言完成 30 種不同的日語動(dòng)作命令。 d.索尼公司索尼公司主要針對(duì)娛樂機(jī)器人進(jìn)行研究，包括機(jī)器狗 abo 和雙足娛樂機(jī)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(dòng)態(tài)步行，會(huì)跳舞。若被人推一把，為避免摔

13、倒會(huì)順勢向前并停止所有運(yùn)動(dòng)。一旦失去平衡，會(huì)伸出胳膊、轉(zhuǎn)動(dòng)髖關(guān)節(jié)和放慢電機(jī)轉(zhuǎn)速，這樣可以減少摔倒時(shí)的振動(dòng)和沖擊。摔倒后，能夠重新站立起來。作為娛樂機(jī)器人，qrd 能夠識(shí)別人的面孔、聲音和與人對(duì)話，可以唱歌和表達(dá)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)展趨勢發(fā)展趨勢仿人機(jī)器人與輪式、履帶式機(jī)器人相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)和它們無法比擬的優(yōu)越性，但是由于受到機(jī)構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、微電子學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等相關(guān)學(xué)科發(fā)展的制約，至今基本上仍處于實(shí)驗(yàn)室研制的階段，尤其是雙足行走的速度、穩(wěn)定性及自

14、適應(yīng)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(jī)構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)，才談得上真正的仿人，當(dāng)然，仿人不能僅僅局限于這些，還應(yīng)該模仿人類的視覺、觸覺、語言，甚至情感等功能，仿人機(jī)器人是許多技術(shù)的綜合、集成和提高，目前，主要的攻關(guān)項(xiàng)目還是行走功能的進(jìn)一步提高，日本本田公司生產(chǎn)的 p3 仿人機(jī)器人雖已走向市場化，但是，它的功能還很不限，離實(shí)際意義上的擬人化還有相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x，所以仿人機(jī)器人給科研工作者提供了廣闊的研究空間，提出了一個(gè)又一個(gè)新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也促進(jìn)了許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，導(dǎo)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(xué)科，以下是未來幾十年仿人機(jī)器人的研制方向。a.

15、仿人機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的改造仿人機(jī)器人是一個(gè)多關(guān)節(jié)且具有冗余自由度的復(fù)雜的系統(tǒng)，如何實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能而又使結(jié)構(gòu)最優(yōu)化是一個(gè)很值得研究的問題，一個(gè)功能齊全的智能仿人機(jī)器人必須仿人型機(jī)器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4得有一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、配置合理的機(jī)械本體，本田公司最新研制的“asmo”就是一個(gè)典型的例子。b.運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)求解理論和方法的發(fā)展一個(gè)理想的步態(tài)規(guī)劃對(duì)仿人機(jī)器人行走的穩(wěn)定性是非常有益的，由于仿人機(jī)器人系統(tǒng)的高階、強(qiáng)耦合及非線性，使得仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)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(yùn)動(dòng)學(xué)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(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的近似解，

16、這往往導(dǎo)致了機(jī)器人的規(guī)劃運(yùn)動(dòng)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)有較大的出入，所以要得到理想的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，則必須在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的求解方法上有重要的突破。c.驅(qū)動(dòng)源的改進(jìn)目前仿人機(jī)器人所用的驅(qū)動(dòng)源主要有兩種：在線提供能源，離線自帶電源。理想的能源應(yīng)該具有十分高的能量密度、耐高溫、耐腐蝕、可再生、及成本等，但是現(xiàn)在的自配能源的容量有限，而機(jī)器人的關(guān)節(jié)眾多，所以如何改進(jìn)驅(qū)動(dòng)源，使其體積小、重量小而又容量大，也是在仿人機(jī)器人的研制過程中必須解決的問題。d.控制技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)眾多，控制電路比較復(fù)雜，要實(shí)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(fù)雜，如何尋找更為優(yōu)化的控制方案，優(yōu)化

17、控制結(jié)構(gòu)，也引起了越來越多的科研工作者的注意，另外一個(gè)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(chǎn)技術(shù)已經(jīng)到了相當(dāng)高的水平。e.智能技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展仿人機(jī)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(dāng)前世界上最智能化的生物，但要人類復(fù)制自己的智能到機(jī)器人身上可不是一個(gè)簡單的事情，要使機(jī)器人獲得足夠的智能必須依賴于智能技術(shù)的發(fā)展，而現(xiàn)在的智能實(shí)現(xiàn)方法就是通過編制軟件，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，機(jī)器人接受人的指令產(chǎn)生相應(yīng)的操作；根據(jù)自己的學(xué)習(xí)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(shù)及計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)作為基礎(chǔ)。1.

18、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(gè)：a.機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的確定；b.手臂部分驅(qū)動(dòng)方式的選擇；c.手臂部分驅(qū)動(dòng)裝置的位置確定；d.手臂各關(guān)節(jié)自由度的確定；e.提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精確性。針對(duì)以上問題采用以下解決方案：a.由于本機(jī)器人的總高范圍為 60-100mm，根據(jù)人體各部分比例，機(jī)器人的身高為 80mm，肩寬為 30mm，手臂長為 40mm；b.采用標(biāo)準(zhǔn) p 型步進(jìn)電機(jī)，功率、重量符合要求，轉(zhuǎn)速底，從而所需的傳動(dòng)比本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20075小，簡化了傳動(dòng)裝置；c.機(jī)器人的各部分用長方形盒子來連接，步進(jìn)電機(jī)就放置在各個(gè)盒子里；d.機(jī)器人的上身，用了 9 個(gè)自由

19、度，分別是頸部的擺動(dòng)，肩關(guān)節(jié)的擺動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)的擺動(dòng)，腕關(guān)節(jié)的擺動(dòng)；e.調(diào)整齒輪間隙，軸與軸之間的位置偏差。仿人型機(jī)器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)62 總體方案設(shè)計(jì)2.1 仿人機(jī)器人臂手部結(jié)構(gòu)的確定為了研究仿人機(jī)器人手臂首先需要了解人體手臂的機(jī)構(gòu)學(xué)特征。人體的手臂由肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)、手等幾部分組成。根據(jù)仿人與運(yùn)動(dòng)的實(shí)際出發(fā)，現(xiàn)擬定該機(jī)器人上身共有 9 個(gè)自由度，其中，肩關(guān)節(jié) 2 個(gè)自由度，肘關(guān)節(jié)屬于單軸關(guān)節(jié)，具有 1 個(gè)自由度，腕關(guān)節(jié) 1 個(gè)自由度，頭部俯仰 1 個(gè)自由度。從機(jī)構(gòu)原理上劃分，仿人手臂分為齒輪式、連桿式、繩索驅(qū)動(dòng)式和肌腱式，目前的仿人機(jī)器人手臂主要采用齒輪式結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)

20、擬定該機(jī)器人臂手部的傳動(dòng)方式為齒輪傳動(dòng)，齒輪式手臂具有機(jī)構(gòu)緊湊、精度高、承載高等優(yōu)點(diǎn)。2.2 仿人機(jī)器人上身尺寸的確定仿人機(jī)器人機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)確定后，進(jìn)一步根據(jù)操作任務(wù)的要求，確定與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)，包括相鄰關(guān)節(jié)的相對(duì)位置參數(shù)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)極限參數(shù)，即進(jìn)行機(jī)構(gòu)的尺寸綜合。尺寸綜合與仿人機(jī)器人手臂工作空間的要求密切相關(guān)。結(jié)合人體上身的尺寸特征，并按照機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)仿人機(jī)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(shè)計(jì)的仿人機(jī)器人中，肩部

21、電機(jī)盒采用了長方形盒子，左右各一個(gè)，在每個(gè)電機(jī)盒的兩側(cè)面都打了 4 個(gè)螺釘孔，用 2 塊板分別蓋在電機(jī)盒的側(cè)面，再用螺釘擰緊，就這樣仿人機(jī)器人的軀體形成了。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(gè)手臂。2.4 仿人機(jī)器人自由度的確定本次設(shè)計(jì)的仿人機(jī)器人上身為 5 個(gè)自由度包括頭部的俯仰擺動(dòng)，肩部的轉(zhuǎn)動(dòng)與擺動(dòng)，肘部的擺動(dòng)，腕部的擺動(dòng)。表 2-1 仿人機(jī)器人的基本參數(shù)2.5 電機(jī)的選擇通常機(jī)器人的驅(qū)頭俯仰 16030/s肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng) 236030/s肩關(guān)節(jié)擺動(dòng) 318060/s肘擺動(dòng) 418030/s動(dòng)作范圍腕擺動(dòng) 59030/s本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20077動(dòng)方式有以下三種：a.

22、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是利用各種類型的電動(dòng)機(jī)經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人操作機(jī)以獲得各種運(yùn)動(dòng)。電力驅(qū)動(dòng)因有不需能量轉(zhuǎn)換、控制靈活、使用方便、噪聲較低、啟動(dòng)力矩大等優(yōu)點(diǎn)而在機(jī)器人中廣泛選用。b.液壓驅(qū)動(dòng)方式液壓是一種比較成熟的技術(shù)。驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)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(guān)節(jié)的一部分，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。結(jié)構(gòu)較簡單、緊湊。液壓驅(qū)動(dòng)方式中所使用的壓力在 0.514mpa 之間，最高可達(dá) 2030mpa；但機(jī)器人中多采用 0.67mpa，而且需配備壓力源和復(fù)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(yùn)動(dòng)精度，污染環(huán)境。需定期更改液體介質(zhì)。所以制造成本、維護(hù)費(fèi)用較高。液體介質(zhì)中易混入

23、氣泡，造成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)剛性降低，使速度響應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)精度變壞。c.氣壓驅(qū)動(dòng)方式使用的空氣壓力通常為 0.40.6mpa，最高可達(dá) 10mpa。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，造價(jià)低。氣源供應(yīng)方便，不會(huì)造成泄露污染。壓縮空氣在管路中的流速可達(dá) 180m/s，因而動(dòng)作速度快。但由于氣體的可壓縮性，難以實(shí)現(xiàn)較高的位置精度和伺服控制。運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性差，工作時(shí)有噪聲。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有交、直流伺服電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)四種。步進(jìn)電機(jī)可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。仿人機(jī)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)

24、功能，再根據(jù)負(fù)載的要求不同，所以選擇小功率的步進(jìn)電機(jī)。3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)對(duì)仿人機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的一般要求如下：仿人型機(jī)器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8a. 驅(qū)動(dòng)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(yīng)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小；d. 經(jīng)濟(jì)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(jī)器人的手臂轉(zhuǎn)動(dòng)，所需要的最大轉(zhuǎn)距是當(dāng)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(jī)器人手臂重量分配設(shè)大小臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為、，根據(jù)平行軸1g

25、j2gj2gj定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: （3-2333222221111lmjlmjlmjjggg1）式中：，分別是各重心處的重量，值分別為1m2m3m0.4kg、0.25kg、0.25kg；，分別是各重心到第一關(guān)節(jié)的距離，其值分別為1l2l3l72.5mm，217.5mm，290mm。在式（3-1）中，、 ，故、2111lmjg2222lmjg2333lmjg1gj2gj可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為2gj （3-2332222111lmlmlmj2）將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3-2）得 =1j22229. 025. 02175. 025. 00725. 04 . 0 =021025. 001183. 0002103. 0 =035. 0同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （3-2532