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

鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2007目錄前言 1仿人機(jī)器人的概念 1課題來(lái)源 1技術(shù)要求 1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 1國(guó)外研究現(xiàn)狀 2發(fā)展趨勢(shì) 3本課題要解決的主要問(wèn)題及解決方案 4總體方案設(shè)計(jì) 6仿人機(jī)器人臂手部結(jié)構(gòu)的確定 6仿人機(jī)器人上身尺寸的確定 6結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6仿人機(jī)器人自由度的確定 6電機(jī)的選擇 7機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 8肩部步進(jìn)電機(jī)的選擇 9肘部步進(jìn)電機(jī)的選擇 9腕部及頭部電機(jī)選擇 10仿人機(jī)器人機(jī)械傳動(dòng)件的設(shè)計(jì) 11齒輪的設(shè)計(jì) 11肩部齒輪的設(shè)計(jì)與校核 11肘腕部齒輪設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。頭部齒輪的設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。軸的強(qiáng)度計(jì)算 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。仿人型機(jī)器人連接板的設(shè)計(jì)及校核 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。肩部連接板的設(shè)計(jì)與校核 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。電機(jī)支撐板的設(shè)計(jì)與校核 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。仿人型機(jī)器人三維造型及運(yùn)動(dòng)仿真 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。仿人型機(jī)器人三維造型 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。仿人型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。仿人型機(jī)器人舞蹈運(yùn)動(dòng)分析 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。仿人機(jī)器人重力分析 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。7結(jié)論 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。致 謝 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。附 錄 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。PAGEPAGE7前言

鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2007仿人機(jī)器人的概念現(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19961111ASIMO200112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(kāi)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。整體運(yùn)動(dòng)、動(dòng)態(tài)視覺(jué)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(lè)等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。課題來(lái)源本課題來(lái)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.900mm，30mm，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PVC壓鑄成形。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)，仿人機(jī)器人的研制工作起步較晚，19851985仿人型機(jī)器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)然科學(xué)基金和國(guó)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：HIT-110100kg，1.2m，關(guān)節(jié)由直流伺服電極驅(qū)動(dòng)，HIT-212HIT-312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)。HIT-3/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HIT-432個(gè)自由度。國(guó)防科技大學(xué)也進(jìn)行了這方面的研究。在198910上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(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。國(guó)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(guó)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。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BipedalHumanoid）WABIANWABIANRV731326DC東京大學(xué)東京大學(xué)是目前進(jìn)行機(jī)器人研究非?；钴S的機(jī)構(gòu)。其中進(jìn)行仿人機(jī)器人研究的JSKNakamuraJSKH61370mm590mm，55kg。共有356，1，7，1，2，3DC電機(jī)和諧波齒輪，實(shí)用操作系統(tǒng)是RT-linux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鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2007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(cè)量和動(dòng)力學(xué)計(jì)算等方面進(jìn)行了研究。本田公司1986P1P2P3ASMO，P31600mm，600mm，550mm，130kg速2km/h。P3ASMO高1200mm450mm，440mm，43kg，2，3，1，1，1，3，1，2。ASMO實(shí)時(shí)、智能的揉性行走技術(shù)，它可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)下一步運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)向時(shí)能及時(shí)向內(nèi)轉(zhuǎn)5030索尼公司ABOQRD12QRD發(fā)展趨勢(shì)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(wú)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(jué)、觸覺(jué)、語(yǔ)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)P3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(lái)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(lái)幾十年仿人機(jī)器人的研制方向。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(wèn)題，一個(gè)功能齊全的智能仿人機(jī)器人必須得有一個(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。運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)求解理論和方法的發(fā)展仿人型機(jī)器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(méi)有非常理想的理論或方法來(lái)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(lái)求解運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的近似解，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。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(guò)程中必須解決的問(wèn)題。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)化控制結(jié)構(gòu)，也引起了越來(lái)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。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(wú)疑問(wèn)，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(jiǎn)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)。本課題要解決的主要問(wèn)題及解決方案本課題要解決的問(wèn)題主要有以下五個(gè)：a.機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的確定；手臂部分驅(qū)動(dòng)方式的選擇；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(wèn)題采用以下解決方案：60-100mm，80mm30mm，40mm；P小，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)裝置；機(jī)器人的各部分用長(zhǎng)方形盒子來(lái)連接，步進(jìn)電機(jī)就放置在各個(gè)盒子里；9鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2007肘關(guān)節(jié)的擺動(dòng)，腕關(guān)節(jié)的擺動(dòng)；調(diào)整齒輪間隙，軸與軸之間的位置偏差?？傮w方案設(shè)計(jì)

仿人型機(jī)器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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92111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)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)。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130mm,130mm，90mm，110mm。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，肩部電機(jī)盒采用了長(zhǎng)方形盒42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(zhǎng)方形盒子及連接板連接起來(lái)，形成整個(gè)手臂。仿人機(jī)器人自由度的確定5動(dòng)，肘部的擺動(dòng)，腕部的擺動(dòng)。頭俯仰160頭俯仰160o30o/s肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)2360o30o/s動(dòng)作肩關(guān)節(jié)擺動(dòng)3180o60o/s范圍肘擺動(dòng)4180o30o/s腕擺動(dòng)590o30o/s鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2007電機(jī)的選擇通常機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有以下三種：a.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(guò)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。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(jiǎn)單、緊湊。液壓0.5～14MPa20～30MPa；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。氣壓驅(qū)動(dòng)方式10MPa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(jiǎn)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)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)。仿人型機(jī)器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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：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/要求，效率也要高；反應(yīng)速度要快，即要求力/重量比和力矩/慣量比要大；控制盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；經(jīng)濟(jì)上合理，尤其是要盡量減少所占空間；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J 、G1

JG2 G

，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:J J1

ml2J11 G

ml22

J mlG3 33

（3-1）式中：m，m1

，m——分別是各重心處的重量，值分別為0.4kg、0.25kg、0.25kg；3l1 290mm。

l72.5mm217.5mm，3在式（3-1）中，JG1

ml11

2、JG2

ml22

2、JG3

ml33

，故J 、G1

、JG2 G2可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3-2）得

J ml1 11

ml22

ml2 （3-2）33J=0.40.072520.250.217520.250.2921=0.0021030.011830.021025=0.035同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J ml2 24

ml35

（3-3）l4

72.5mm；8PAGEPAGE11鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2007l145mm。5將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3-3）得肩部步進(jìn)電機(jī)的選擇

J =0.250.072520.250.14522=0.0013140.005256=0.00657設(shè)大臂速度為30/s，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下TJ （3-4）TNm；rad