雙足競走機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上雙足競走機(jī)器人設(shè)計(jì)國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目 項(xiàng)目編號：201210449116孫亞軍1，王志1，尤在勇2（1.濱州學(xué)院自動化系，山東 濱州，256600；2.四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都，610000）摘要：對雙足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、人機(jī)交流界面進(jìn)行了大膽的設(shè)計(jì)。利用UG NX 6.0進(jìn)行實(shí)體建模，生成零件圖，然后人工加工得到零件，將各部分加工零件進(jìn)行裝配，不一樣的零件組合成實(shí)現(xiàn)不同功能的機(jī)器人，最后應(yīng)用C語言編程控制機(jī)器人完成各項(xiàng)功能，形成實(shí)體的多功能雙足競走機(jī)器人。關(guān)鍵詞：雙足競走機(jī)器人；實(shí)體建模；C語言；PWM中圖分類號： TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

2、Abstract：For biped robot mechanical structure, control system, man-machine communication interface for a bold design. The use of UG NX 6.0 for solid modeling, generate parts diagram, and then manually processed to obtain parts, each part will be machined parts for assembly, not the same parts combin

3、ed into different functions of the robot, the last application of the C programming language to control the robot to complete various functions , the formation of multipurpose bipedal walking robot entity.專心-專注-專業(yè)0引言雙足機(jī)器人是機(jī)器家族中最重要的成員之一，它涉及仿生學(xué)、人工智能、機(jī)械創(chuàng)新、計(jì)算機(jī)仿真學(xué)、通訊等相關(guān)學(xué)科，在科研、生產(chǎn)、生活方面的價值都十分突出。雙足機(jī)器人具有傳統(tǒng)的輪式

4、、履帶式機(jī)器人的無法比擬的優(yōu)越性，傳統(tǒng)的輪式、履帶式機(jī)器人在不平坦的地面工作時，會大增加其能耗，而在松軟地面或者嚴(yán)重崎嶇不平的地形上行進(jìn)時，它們就舉步維艱了，雙足機(jī)器人在該地形的推進(jìn)有獨(dú)特的優(yōu)越性能。雙足機(jī)人對環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，不僅可以在狹窄的空間中工作，還能夠跨越障礙、上下臺階、甚至不平整地面上運(yùn)動，這些優(yōu)勢使其具有更廣闊的應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)中的競走機(jī)器人就是雙足機(jī)器人中的一種，它沒有上身，是雙足機(jī)器人研究的理想平臺，同時也是全國機(jī)器人大賽的指定比賽項(xiàng)目，通過本設(shè)計(jì)所搭建的平臺，可以進(jìn)行雙足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制及步態(tài)等方面的研究。1 雙足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求本課題主是要

5、求競走機(jī)器人完成模仿人類行走、翻跟斗和自己設(shè)計(jì)的動作。在進(jìn)行雙足競走機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)該充分考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)所需要完成的功能，因此，雙足競走機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要滿足如下要求：(1) 機(jī)械結(jié)構(gòu)的對稱性，步行運(yùn)動中普遍存在結(jié)構(gòu)對稱性；(2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，才能靈活的完成前后行走，翻跟斗等運(yùn)動；(3) 在不多于6個伺服馬達(dá)的驅(qū)動下完成任務(wù)；(4) 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、精巧、勻稱，最大重量不超過1公斤；(5) 易于制造，盡量采用通用零件，以降低其成本；1.2 機(jī)械構(gòu)架的材料選擇根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的上述要求中的第(4)、(6)條，要求所選用材料具有硬度高、質(zhì)量小、彈性模量大、密度比高等特點(diǎn)，以便得到

6、重量不高于1Kg的機(jī)器人，而且易于加工、造型，才能得到機(jī)械結(jié)構(gòu)中某些比較復(fù)雜的形狀。經(jīng)過上述分析和借鑒比較成熟的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的材料的選擇情況，市面上比較常見的2mm的硬質(zhì)鋁板是比較理想的選擇，硬質(zhì)鋁板具有重量輕、彈性大，硬度高等符合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)選用該材料。1.3 傳感器安裝位置的選擇因?yàn)闄C(jī)器人要有越障的功能，所以需要安裝傳感器來檢測障礙物，綜合考慮下將傳感器的安裝高度選為20cm。材質(zhì)選擇方面選擇了重量比較輕且硬度比較高的碳纖維桿。1.4主控制器的位置選擇主控制器的位置選擇主要考慮的是讓其與各模塊的連接形式最簡潔，最可靠，最終選擇放置在頭頂中間的上面，這樣的安裝形式能夠方便地調(diào)試，

7、實(shí)際運(yùn)行過程中同樣能夠方便地取下來，減小了機(jī)器人調(diào)試的難度。1.5 雙足競走機(jī)器人的自由度的配置在雙足競走機(jī)器人的自由度的配置的過程中，既要求自由度盡量少，也要求完成的基本運(yùn)動盡量多，同時機(jī)器人運(yùn)動要求盡量自然美觀。機(jī)器人按照設(shè)計(jì)要求，該機(jī)器人要完成直線行走及向前、向后的翻跟斗等動作，因此只需要在每條腿配置3個自由度。雙足競走機(jī)器人模型如圖1所示。圖1 雙足競走機(jī)器人模型人體的髖關(guān)節(jié)雖然有3個自由度，本設(shè)計(jì)只需要控制前向運(yùn)動的自由度，所以髖關(guān)節(jié)簡化為一個前向運(yùn)動的自由度；膝關(guān)節(jié)按照運(yùn)動的要求配置一個前向運(yùn)動的自由度；踝關(guān)節(jié)只需要完成側(cè)向運(yùn)動，因而配置一個控制側(cè)向運(yùn)動的自由度，保證機(jī)器人行走過程

8、中的平衡。根據(jù)以上理論分析，然后把零件裝配成實(shí)體，如圖2所示。圖2- 雙足競走機(jī)器人的實(shí)體圖2 雙足競走機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 電源電路的設(shè)計(jì)機(jī)器人由兩節(jié)3.7V鋰電池串聯(lián)供電，總電壓為7.4V。ATmega16單片機(jī)工作電壓為5V，光電開關(guān)工作電壓為6V，舵機(jī)需要6V電壓。所以電源管理部分需要將電池電壓轉(zhuǎn)換成5V以及6V為各個模塊供電。本系統(tǒng)中采用的是線性三端穩(wěn)壓芯片LM7805以及DC-DC，最大的優(yōu)點(diǎn)是可調(diào)電壓廣，缺點(diǎn)是功耗較高，本系統(tǒng)最大的功耗來來自驅(qū)動舵機(jī)，控制器以及傳感器部分所需功率較小，采用線性穩(wěn)壓芯片非常適合。電路如圖3所示。圖3 LM7805電路原理圖2.3 舵機(jī)工作電路設(shè)

9、計(jì)本設(shè)計(jì)中雙足機(jī)器人動力供給采用的是舵機(jī)，該舵機(jī)只需供電源和一根信號線，通過單片機(jī)發(fā)送信號完成調(diào)速以及控制其完成各種動作。電路如圖4所示。圖43 雙足競走機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙足競走機(jī)器人控制主要是對6個舵機(jī)的驅(qū)動，故軟件設(shè)計(jì)主要為舵機(jī)驅(qū)動部分。3.1舵機(jī)及其控制介紹舵機(jī)最早應(yīng)用于航模中，用于調(diào)整飛機(jī)的飛行姿態(tài)。其工作原理是：控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。其控制原理是通過輸入周期為20m(其

10、中高電平為0.5ms-2.5ms)的脈舵機(jī)精度轉(zhuǎn)動0°-180°之間相應(yīng)角度，因?yàn)槠淇刂品椒ň哂泻唵?、精度高、成本低、體積小等特點(diǎn)，在機(jī)器人雙足機(jī)器人中得到廣泛的應(yīng)用。3.2 分時成組法驅(qū)動程序設(shè)計(jì)根據(jù)舵機(jī)的控制原理，單片機(jī)需要產(chǎn)生周期為20ms，脈寬為0.5-2.5ms的PWM，具體的設(shè)計(jì)過程為將20ms分成200段，每段時間為0.1ms，比如要得到脈寬2ms的PWM，只需要在200段時間中，有連續(xù)的20段為高電平就能夠?qū)崿F(xiàn)了。具體作法：用ATmega16單片機(jī)定時0.1ms，總共定時200次，連續(xù)20次將對應(yīng)的I/O置成高電平，其余180次置成低電平，反復(fù)這樣操作就形成了所需要的PWM。產(chǎn)生PWM信號的流程圖如圖5所示。圖5 PWM信號的產(chǎn)生流程圖4 結(jié)束語整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涵蓋機(jī)械、電子等方面知識，只有將各模塊設(shè)計(jì)好，組成一個整體才能更好完成設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)各個模塊的時候應(yīng)該注意細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)以及與其它模塊之間的聯(lián)系和配合，很