足式機(jī)器人行走部分設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　、</b></p><p><b>　　機(jī)器人綜合訓(xùn)練</b></p><p>　　題目：足式機(jī)器人行走部分設(shè)計(jì)</p><p>　　院 系： 機(jī)械工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)械電

2、子工程 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　組 員： </p><p><b>　　學(xué) 號(hào)： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><

3、;p>　　時(shí) 間： 2018年1月10日 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 緒論3</b></p><p><b>　　1.1 引言3</b></p><p>　　1.2 機(jī)

4、器人的發(fā)展及技術(shù)3</p><p>　　1.3 兩足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究概況5</p><p>　　1.4 本課題的主要工作12</p><p>　　2 雙足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析13</p><p>　　2.1 引言13</p><p>　　2.2 兩足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析13</p>

5、;<p>　　2.3 機(jī)器人設(shè)計(jì)思路14</p><p>　　2.4 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案16</p><p>　　2.5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇19</p><p>　　3 雙足機(jī)器人的具體制作20</p><p>　　3.1 雙足機(jī)器人的材料選擇21</p><p>　　3.2 雙足機(jī)器人的零

6、件加工21</p><p>　　3.3 兩足機(jī)器人的組裝25</p><p>　　3.4 兩足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù)29</p><p>　　3.5兩足機(jī)器人總體尺寸29</p><p>　　3.6舵機(jī)具體參數(shù)30</p><p>　　4 足部傳動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)31</p><p>　

7、　4.1 設(shè)計(jì)具體采用方案32</p><p>　　4.2 左側(cè)電動(dòng)機(jī)的選擇32</p><p>　　4.3 左側(cè)減速器的相關(guān)計(jì)算33</p><p>　　4.4 右側(cè)電動(dòng)機(jī)的選擇34</p><p>　　4.5 右側(cè)減速器的相關(guān)計(jì)算35</p><p>　　4.6 足部電動(dòng)機(jī)的選擇37</p>

8、<p>　　4.7 足部減速器的選擇38</p><p>　　5 軸承的選用與校核39</p><p>　　5.1 軸承類(lèi)型的選擇39</p><p>　　5.2 軸承代號(hào)的選擇39</p><p>　　5.3 軸承的校核39</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)43</p>&

9、lt;p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　目前，機(jī)器人已形成一個(gè)不同技術(shù)層次、應(yīng)用于多種環(huán)境的“龐大”家族，從天上到地下，從陸地到海洋到處都可以看到機(jī)器人的身影。世界著名機(jī)器人專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授曾經(jīng)指出“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大的特征之一是步行功能”。步行機(jī)

10、器人的研究涉及到多門(mén)學(xué)科的交叉融合，如仿生學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、控制理論與工程學(xué)、電子工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及傳感器信息融合等。仿人形機(jī)器人正成為機(jī)器人研究中的一個(gè)熱點(diǎn)，其研究水平，在一定程度上代表了一個(gè)國(guó)家的高科技發(fā)展水平和綜合實(shí)力。研究仿人形雙足步行機(jī)器人，除了具有重要的學(xué)術(shù)意義，還有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　1.2 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù)</p><p>　　1.2.1 機(jī)器人的發(fā)展&

11、lt;/p><p>　　20世紀(jì)40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的研究開(kāi)始出現(xiàn)。60年代美國(guó)的Consolidated Control公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機(jī)器人。20世紀(jì)70年代以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機(jī)器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門(mén)學(xué)科。1970年，第一次國(guó)際機(jī)器人會(huì)議在美國(guó)舉行。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系

12、統(tǒng)、不同用途的機(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化階段。</p><p>　　目前，盡管關(guān)于機(jī)器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認(rèn)為機(jī)器人的發(fā)展按照從低級(jí)到高級(jí)經(jīng)歷了三代。第一代機(jī)器人，主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人，其只能依靠人們給定的程序，重復(fù)進(jìn)行各種操作。目前的各類(lèi)工業(yè)機(jī)器人大都屬于第一代機(jī)器人。第二代機(jī)器人是具有一定傳感器反饋功能的機(jī)器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理、分析，機(jī)器人按照己編好的

13、程序做出一定推理，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)的智能。當(dāng)前，對(duì)第二代機(jī)器人的研究著重于實(shí)際應(yīng)用與普及推廣上。第三代機(jī)器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機(jī)器人。它具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨(dú)立行動(dòng)。第三代機(jī)器人又稱為智能機(jī)器人，并己成為機(jī)器人學(xué)科的研究重點(diǎn)，但目前還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段[1]。</p><p>　　機(jī)器人技術(shù)己成為當(dāng)前科技研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)與重心，并

14、逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用?？梢灶A(yù)見(jiàn)到，機(jī)器人將在21世紀(jì)人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。</p><p>　　1.2.2 機(jī)器人技術(shù)</p><p>　　機(jī)器人學(xué)是一門(mén)發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學(xué)科，該學(xué)科涉及領(lǐng)域廣泛，集中了機(jī)械工程、電氣與電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程、生物科學(xué)以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最新成就[2]

15、。機(jī)器人充分體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長(zhǎng)，它比傳統(tǒng)機(jī)器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類(lèi)生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。目前，機(jī)器人及其自動(dòng)化成套裝備己成為國(guó)內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，與此同時(shí)它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等各個(gè)領(lǐng)域滲透。</p><p>　　目前，雖然機(jī)器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學(xué)科的發(fā)展

16、和社會(huì)需要的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢(shì)，如網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)、虛擬機(jī)器人技術(shù)、協(xié)作機(jī)器人技術(shù)、微型機(jī)器人技術(shù)和雙足步行機(jī)器人技術(shù)等。人們普遍認(rèn)為，機(jī)器人技術(shù)將成為緊隨計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后的又一次重大的技術(shù)革命，它很可能將世界推向科學(xué)技術(shù)的新時(shí)代[3]。</p><p>　　1.3 兩足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究概況</p><p>　　1.3.1 雙足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)<

17、;/p><p>　　首先，雙足步行的移動(dòng)方式在地面不平整或其它惡劣條件下(如充滿障礙物)比其他方式要靈活得多，具有更好的機(jī)動(dòng)性。研究仿人形雙足步行機(jī)器人，以代替人類(lèi)在核電站、太空、海底及其它危害人類(lèi)身心健康的復(fù)雜極端環(huán)境中工作，將大大拓展人類(lèi)的活動(dòng)空間。</p><p>　　其次，雙足步行機(jī)器人的步行系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)在的不穩(wěn)定系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)特性非常復(fù)雜，具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。因

18、此，它是控制理論和控制工程領(lǐng)域的一個(gè)極好的研究對(duì)象，開(kāi)展雙足步行技術(shù)的研究，必然推動(dòng)控制理論的發(fā)展和控制技術(shù)的進(jìn)步。</p><p>　　再次，步行是人類(lèi)的一種基本活動(dòng)能力，但有相當(dāng)數(shù)量的人因?yàn)榧膊』蛞馔馐鹿适チ诉@種能力，雙足步行技術(shù)的發(fā)展會(huì)促進(jìn)動(dòng)力型假肢的研制，將有可能解決截癱病人和小兒麻痹癥患者的行走問(wèn)題，為康復(fù)醫(yī)學(xué)做出貢獻(xiàn)。對(duì)機(jī)器人雙足動(dòng)態(tài)行走機(jī)理的深入研究也使我們更深刻地理解人類(lèi)活動(dòng)的內(nèi)在本質(zhì)，有助于生

19、物醫(yī)學(xué)工程和體育運(yùn)動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。</p><p>　　1.3.2 雙足機(jī)器人的步態(tài)特點(diǎn)及研究意義</p><p>　　步態(tài)規(guī)劃是雙足機(jī)器人失衡檢測(cè)與控制的基礎(chǔ)及預(yù)備性工作，也是雙足步行機(jī)器人的一項(xiàng)重要內(nèi)容。所謂的步態(tài)，是指在步行過(guò)程中，步行本體的身體各部位在時(shí)序和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系；步態(tài)規(guī)劃就是給出機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置與時(shí)間的關(guān)系，是雙足步行機(jī)器人研制中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是難點(diǎn)之一。步態(tài)規(guī)

20、劃的好壞將直接影響到雙足步行機(jī)器人的行走穩(wěn)定性、美觀性以及各關(guān)節(jié)所需驅(qū)動(dòng)力矩的大小等多個(gè)方面，已經(jīng)成為雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；谏鲜鲈?，本課題擬進(jìn)行雙足機(jī)器人步行穩(wěn)定性研究，研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機(jī)器人平臺(tái)，為進(jìn)一步的行走機(jī)器人失衡檢測(cè)及控制技術(shù)研制奠定基礎(chǔ)。</p><p>　　1.3.3 國(guó)外研究概況</p><p>　　雙足機(jī)器人的研制開(kāi)始于上世紀(jì)60年代末，雖然只

21、有四十多年的歷史。然而，兩足機(jī)器人的研究工作進(jìn)展迅速，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者正從事于這一領(lǐng)域的研究，如今已成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。</p><p>　　步行的穩(wěn)定性是兩足機(jī)器人的難點(diǎn)和關(guān)鍵，南斯拉夫?qū)W者M(jìn)emoirVakobrativitch于1969年提出的ZMP(Zero Moment Point)理論較好地解決了動(dòng)態(tài)步行穩(wěn)定性判斷問(wèn)題。ZMP點(diǎn)，即零力矩點(diǎn)，是雙足機(jī)器人所受重力、慣性力及地面反力三者合

22、力矢的延長(zhǎng)線與地面的交點(diǎn)。雙足機(jī)器人一只腳著地時(shí)，ZMP點(diǎn)必須落在腳掌的范圍內(nèi)；雙腳著地時(shí)，則位于兩只腳掌形成的凸多邊形內(nèi)。在ZMP點(diǎn)，機(jī)器人所受的側(cè)向力和力矩都為零。</p><p>　　1971年，英國(guó)人I·Kato試制了“Wap3”，最大步幅15mm，周期45s。1971年至1986年間，英國(guó)牛津大學(xué)的Wit等人制造并完善了一個(gè)兩足步行機(jī)器人，該機(jī)器人能在平地上行走良好，步速達(dá)到0.23m/s[4

23、]。</p><p>　　加拿大的Tad·McGee主要研究被動(dòng)式兩足機(jī)器人，即在無(wú)任何外界輸入的情況下，靠重力和慣性力實(shí)現(xiàn)步行運(yùn)動(dòng)。1989年，他建立了平面型的兩足步行機(jī)構(gòu)，兩腿為直桿機(jī)構(gòu)，沒(méi)有膝關(guān)節(jié)，每條腿各由一個(gè)小電機(jī)來(lái)控制腿的伸縮，無(wú)任何主動(dòng)控制和能量供給，具有簡(jiǎn)單二級(jí)針擺特征，放在斜坡上，可依靠重力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行。</p><p>　　法國(guó)BIP2000計(jì)劃是由法國(guó)de

24、 mecanique des Soloders de Poiters實(shí)驗(yàn)室和INRIA機(jī)構(gòu)合作的一個(gè)項(xiàng)目。其目的是建立一套可以適應(yīng)未知條件行走的兩足機(jī)器人系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有15個(gè)自由度的雙足步行機(jī)器人(只有軀干和腿)。</p><p>　　現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)展最迅速的是有“機(jī)器人王國(guó)”之稱的日本。其中最具有代表性的研究機(jī)構(gòu)有:加藤實(shí)驗(yàn)室、日本早稻田大學(xué)、日本東京大學(xué)、日本東京理工學(xué)院、日本機(jī)械學(xué)院、松下電工、本田公司

25、和索尼公司等。</p><p>　　日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授于1968年率先展開(kāi)了雙足步行機(jī)器人的研制工作，并先后研制出WAP系列樣機(jī)。1969年研制出WAP-1平面自由度步行機(jī)器人，該機(jī)器人具有六個(gè)自由度，每條腿有髖、膝、踝三個(gè)關(guān)節(jié)；關(guān)節(jié)處使用人造橡膠肌肉，通過(guò)充氣、排氣引起肌肉收縮，肌肉的收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)步行。1971年，研制出WAP-3型雙足機(jī)器人，仍采用人工肌肉，具有11個(gè)自由度，能在平地、斜

26、坡和階梯上行走；該機(jī)器人重13Okg，高0.9m，實(shí)現(xiàn)步幅15cm，每步45s的靜步行；同年又研制出WL-5雙足步行機(jī)器人，該機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有11個(gè)自由度，下肢作三維運(yùn)動(dòng)，上軀體左右擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人重心的左右移動(dòng)。1973年，在WAP-5的基礎(chǔ)上配置機(jī)械手及人工視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等裝置組成自主式機(jī)器人WAROT-1。 1980年，推出WL-9DR雙足機(jī)器人，該機(jī)器人采用預(yù)先設(shè)計(jì)步行方式的程序控制方法，通過(guò)對(duì)步行運(yùn)動(dòng)的分析及重復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)

27、計(jì)步態(tài)軌跡，用設(shè)計(jì)出的步態(tài)控制機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)，該機(jī)器人采用了以單腳支撐期為靜態(tài)，雙腳切換期為動(dòng)態(tài)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行方案，實(shí)現(xiàn)了步幅45cm，每步9s的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。1984年，研制出采用</p><p>　　日本東京大學(xué)的Jouhou System Kougaka實(shí)驗(yàn)室研制了H5、H6型仿人型雙足步行機(jī)器人。該機(jī)器人總共有30個(gè)自由度，其中在H5型的步態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)中充分考慮了動(dòng)態(tài)平衡條件，采用遺傳算法來(lái)實(shí)現(xiàn)上體的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)

28、以補(bǔ)償ZMP軌跡的跟蹤，上體運(yùn)動(dòng)的軌跡用三次樣條插值來(lái)實(shí)現(xiàn)。在H5雙足機(jī)器人的頭部安裝有兩個(gè)CCD彩色攝像頭，可以定位前面的物體并能夠在CCD的協(xié)助下用7自由度的手來(lái)抓取的目的。</p><p>　　日本機(jī)械學(xué)院的S·Kajita等針對(duì)一臺(tái)具有4臺(tái)前向驅(qū)動(dòng)電機(jī)且全部安裝在機(jī)器人的上體的五連桿平面型雙足步行機(jī)器人Meltran Ⅰ，研究其動(dòng)態(tài)行走的控制方法。他根據(jù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)質(zhì)量幾乎完全集中在上體的事實(shí)，為

29、使雙足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、周期性的動(dòng)態(tài)行走，對(duì)機(jī)器人上體采用了約束控制方法，提出了一種理想的線性倒立擺模型。同時(shí)又提出了機(jī)構(gòu)軌道能量守恒的概念，來(lái)求解各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡及輸入力矩，實(shí)現(xiàn)了在已知不平整地面上的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)步行。1996年他們又在此樣機(jī)的基礎(chǔ)上加載了超聲波視覺(jué)傳感器以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)提供地面信息的功能。將視覺(jué)傳感器系統(tǒng)與針對(duì)線性倒立擺所提出的控制模式相結(jié)合構(gòu)成自適應(yīng)步態(tài)控制系統(tǒng)，使MeltranⅡ成功地實(shí)現(xiàn)了在未知路面上的動(dòng)態(tài)行走。<

30、;/p><p>　　代表雙足步行機(jī)器人和擬人機(jī)器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司。他們代表了當(dāng)今兩足步行機(jī)器人和擬人型機(jī)器人發(fā)展的最高水平。本田公司從1986年至今己經(jīng)推出了P系列1，2，3型機(jī)器人。并且于2000年11月20日，推出了新型雙足步行機(jī)器人“ASIMO(Advanced Step in Innovative Mobility)”，“ASIMO”和“P3”相比，實(shí)現(xiàn)了小型輕量化，使其更容易適應(yīng)人類(lèi)的生

31、活空間，通過(guò)提高雙腳步行技術(shù) 使其更接近人類(lèi)的步行方式。雙腳步行技術(shù)方面采用了新開(kāi)發(fā)“I-WALK(Intelligent Real-time Flexible Walk)”。I-WALK是在過(guò)去的步行技術(shù)的基礎(chǔ)上組合了新的“預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制功能”，它可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)以后的動(dòng)作，并且據(jù)此事先移動(dòng)重心來(lái)改變步調(diào)。過(guò)去由于不能進(jìn)行預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制，當(dāng)從直行改為轉(zhuǎn)彎時(shí)，必須先停止直行動(dòng)作后才可以轉(zhuǎn)彎。</p><p>　　

32、索尼公司于2000年11月21日在四足娛樂(lè)機(jī)器人AIBO的基礎(chǔ)上推出了人形娛樂(lè)型機(jī)器人SDR-3X(Sony Dream Robot-3X)。SDR-3X：頭部2個(gè)自由度、軀干2個(gè)自由度、手臂4 × 2個(gè)自由度、下肢和足部6 × 2個(gè)自由度，共計(jì)24個(gè)自由度。2002年又推出SDR-4X，采用64位RISC處理器，64MBDRAM，共有38個(gè)自由度(頭部4個(gè)，身體2個(gè)，胳膊 5×2=10個(gè)，腿部6×

33、;2=12個(gè)，獨(dú)立的5個(gè)手指5× 2=10個(gè))。2003年12月18日，索尼公司通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)和ISA(Intelligent Servo Actuator)的改進(jìn)、增加輸出力矩等方法，使QRIO在世界上第一次實(shí)現(xiàn)了兩足步行機(jī)器人的跑動(dòng)，QRIO可以在跑步時(shí)滯空6ms，雙腳跳躍時(shí)滯空 10ms。</p><p>　　2005年1月12日，由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的比留川博等人開(kāi)發(fā)出一臺(tái)取名“HRP-2”

34、雙足擬人機(jī)器人亮相東京。該機(jī)器人身高154cm，體重58kg。研究人員先請(qǐng)民間藝術(shù)家跳舞，用特殊攝像機(jī)拍攝后將畫(huà)面輸入電腦，并對(duì)手、腳、頭、腰等32個(gè)部位的動(dòng)作進(jìn)行解析，然后把有關(guān)解析數(shù)據(jù)輸入給機(jī)器人，最后利用這些數(shù)據(jù)來(lái)控制機(jī)器人手的動(dòng)作和腳步等，使“HRP-2”可以和人一樣動(dòng)作連貫，翩翩起舞。</p><p>　　1.3.4 國(guó)內(nèi)研究概況</p><p>　　國(guó)內(nèi)雙足步行機(jī)器人的研制工

35、作起步較晚，我國(guó)是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國(guó)開(kāi)展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃，1987年，我國(guó)的“863”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究開(kāi)發(fā)列入其中。目前我國(guó)從事機(jī)器人研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國(guó)進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國(guó)際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后取得了一定的成就。</p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1986年開(kāi)始研究雙足步行機(jī)器人[

36、5～9 ]，先研制成功靜態(tài)步行雙足機(jī)器人HIT-Ⅰ，高110cm，重70kg，有10個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)平地上的前進(jìn)、左右側(cè)行以及上下樓梯的運(yùn)動(dòng)，步幅45cm，步速為10秒每步，后來(lái)又相繼研制成功了HIT-Ⅱ和HIT-Ⅲ，重42kg，高103cm，有12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了步長(zhǎng)24cm，步速2.3秒每步的步行。目前正在研制的HIT-Ⅳ機(jī)器人，全身可有52個(gè)自由度，其在運(yùn)動(dòng)速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型行走機(jī)器人。</p><p&

37、gt;　　國(guó)防科技大學(xué)在1988年春成功地研制了一臺(tái)平面型6自由度的雙足機(jī)器人KDW-Ⅰ[10～11]，它能前進(jìn)、后退和上下樓梯，最大步幅為40cm，步速為4s每步，1989年又研制出空間型KDW-Ⅱ，有10個(gè)自由度，高69cm，重13kg，實(shí)現(xiàn)進(jìn)退、上下臺(tái)階的靜態(tài)穩(wěn)定步行以及左右的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。1990年在KDW-Ⅱ的平臺(tái)上增加兩個(gè)垂直關(guān)節(jié)，發(fā)展成KDW-Ⅲ，有12個(gè)自由度，具備了轉(zhuǎn)彎功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的全方位行走。1995年實(shí)現(xiàn)動(dòng)

38、態(tài)行走，步速0.8s每步，步長(zhǎng)為20cm～22cm，最大斜坡角度達(dá)13度。2000年底在KDW-Ⅲ的基礎(chǔ)上研制成功我國(guó)首臺(tái)仿人形機(jī)器人“先行者”，動(dòng)態(tài)步行，可在小偏差、不確定的環(huán)境行走，周期達(dá)每秒兩步，高1.4m，重20kg，有頭、眼、脖、身軀、雙臂、雙足，且具備一定的語(yǔ)言功能。</p><p>　　上海交通大學(xué)于1999年研制的仿人形機(jī)器人SFHR，腿部和手臂分別有12和10個(gè)自由度，身體上有2個(gè)自由度。共有2

39、4個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了周期3.8s，步長(zhǎng)10cm的步行運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人本體上裝有2個(gè)單軸陀螺和一個(gè)三軸傾斜計(jì)，用于檢測(cè)機(jī)器人的姿態(tài)信息，并配備了富士通公司的主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)，是研究通用機(jī)器人學(xué)、多傳感器集成以及控制算法良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。</p><p>　　北京理工大學(xué)在歸國(guó)博士黃強(qiáng)教授的帶領(lǐng)下，高起點(diǎn)地進(jìn)行仿人形機(jī)器人研究，于2002年12月通過(guò)驗(yàn)收的仿人形機(jī)器人BHR-1，高 158cm，重76kg，32個(gè)自由度，步幅0.

40、33m，步速每小時(shí)1公里。能夠根據(jù)自身力覺(jué)、平衡覺(jué)等感知機(jī)器人自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化，實(shí)現(xiàn)未知地面的穩(wěn)定行走和太極拳表演，使中國(guó)成為繼日本之后，第二個(gè)研制出無(wú)外接電纜行走，集感知、控制、驅(qū)動(dòng)、電源和機(jī)構(gòu)于一體的高水平仿人形機(jī)器人國(guó)家。</p><p>　　此外，清華大學(xué)正在研制仿人形機(jī)器人THBIP-Ⅰ，高1.7m，重130kg，32個(gè)自由度，在清華大學(xué)985計(jì)劃的支持下，項(xiàng)目也在不斷取得進(jìn)展。南京航空航

41、天大學(xué)曾研制了一臺(tái)8自由度空間型雙足步行機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)步行功能[12～13]。</p><p>　　1.4 本課題的主要工作</p><p>　　本課題源于“第一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中兩足行走機(jī)器人。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類(lèi)用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是兩足機(jī)器人還是鳳毛麟角。在機(jī)器人研究領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先水平的日本

42、，推出了諸如舞蹈機(jī)器人等雙足行走機(jī)器人，但成千上萬(wàn)的傳感器和復(fù)雜的控制系統(tǒng)使這類(lèi)機(jī)器人造價(jià)非常昂貴。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類(lèi)行走的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。</p><p>　　2 雙足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析</p><p><b>　　2.1 引言</b></p><p

43、>　　兩足步行機(jī)器人是研究?jī)勺悴叫械膶?shí)驗(yàn)對(duì)象，不同的兩足步行機(jī)器人在自由度、驅(qū)動(dòng)方式、重量、高度、結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大的差異。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不同，其控制方式也有所區(qū)別。為了對(duì)兩足步行機(jī)器人進(jìn)行深入的研究，使其實(shí)現(xiàn)預(yù)定的步行功能，必須對(duì)其機(jī)構(gòu)有深入的了解和認(rèn)識(shí)。</p><p>　　2.2 兩足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　兩足步行機(jī)器人是對(duì)人類(lèi)自身的模仿，但是人類(lèi)總共有上

44、肢52對(duì)，下肢62對(duì)，背部112對(duì)，胸部52對(duì)，腰部8對(duì)，頸部16對(duì)，頭部25對(duì)之多的肌肉。從目前的科學(xué)發(fā)展情況來(lái)看，要控制具有400個(gè)雙作用式促進(jìn)器的多變量系統(tǒng)是不可能的[19]，因此，在設(shè)計(jì)步行機(jī)械時(shí)，人們只考慮移動(dòng)的基本功能。例如，只考慮在平地或者具有已知障礙物的情況下的步行。</p><p>　　鄭元芳博士從仿生學(xué)的角度對(duì)類(lèi)人機(jī)器人的腿部自由度配置進(jìn)行了深入的研究，得出關(guān)節(jié)扭矩最小條件下兩足步行機(jī)器人的自

45、由度配置。他認(rèn)為髖部和踝部設(shè)兩個(gè)自由度，可使機(jī)器人在不平地面上站立，髖部再加一個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處加一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地，這樣機(jī)器人的腿部需要有7×2個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié)3個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)，踝關(guān)節(jié)3個(gè)[10])。</p><p>　　但是，無(wú)論現(xiàn)在的兩足步行機(jī)器人還是擬人機(jī)器人都還只能在規(guī)則路面上行走，所以各研究機(jī)構(gòu)都選擇了6×2個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié)3個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)

46、，踝關(guān)節(jié)2個(gè))，如：哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HIT-Ⅲ、國(guó)防科技大的“先行者”。</p><p>　　2.3 機(jī)器人設(shè)計(jì)思路</p><p>　　由于這個(gè)課題是本校的第一次出現(xiàn)，沒(méi)有可以借鑒的資料，所以我們這個(gè)小組通過(guò)各種途徑了解各種兩足機(jī)器人，通過(guò)模仿其他設(shè)計(jì)成功的機(jī)器人為設(shè)計(jì)主要思路，來(lái)設(shè)計(jì)我們的兩足步行機(jī)器人，如圖2.1，是我們這次設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。</p><p>

47、　　2.4 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案</p><p>　　由于我們要求設(shè)計(jì)的是比較簡(jiǎn)單的兩足機(jī)器人，所以有關(guān)平衡和ZMP等計(jì)算全部省略，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)候盡量把兩足機(jī)器人整體高度設(shè)計(jì)的盡量的矮一點(diǎn)，兩面設(shè)計(jì)的對(duì)稱，腳設(shè)計(jì)盡量的大一點(diǎn)，以此達(dá)到兩足步行機(jī)器人的平衡。</p><p>　　通過(guò)上面所述和查閱相關(guān)兩足機(jī)器人行走的視屏，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)17自由度的雙足步行機(jī)器人模型，如圖2.2所示。顯示的結(jié)構(gòu)特征

48、就是采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。動(dòng)力源采用舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。這樣不但可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精度高以及大大增加關(guān)節(jié)所能達(dá)到的最大角度，而且驅(qū)動(dòng)源全為干電池，便于集中控制和程序化控制。</p><p>　　圖2.2 雙足步行機(jī)器人模型</p><p>　　圖2.2雙足機(jī)器人，頭部?jī)H一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，它和身體相連接（圖2.3）。肩關(guān)節(jié)、大臂和小臂各一個(gè)自由度（圖2.4，圖2.5），髖關(guān)節(jié)一個(gè)自由度，大腿（圖2

49、.6，圖2.7）2個(gè)自由度，小腿和腳步各一個(gè)自由度。各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍理論上是180度（由于零件之間互相干涉，關(guān)節(jié)之間活動(dòng)范圍以實(shí)際為準(zhǔn)）。</p><p>　　圖2.3 機(jī)器人頭部和身體</p><p>　　圖2.6 機(jī)器人左腿 圖2.7 機(jī)器人左腿</p><p>　　雙足步行機(jī)器人的一個(gè)主要問(wèn)題就是雙足動(dòng)態(tài)步

50、行的固有不穩(wěn)定性。為了使其穩(wěn)定行走，機(jī)器人本體設(shè)計(jì)和行走步態(tài)規(guī)劃都很重要。在進(jìn)行機(jī)器人本體設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的問(wèn)題有關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的限制，主要機(jī)構(gòu)的剛度，擺動(dòng)腿著地時(shí)沖擊載荷對(duì)機(jī)器人本體可能帶來(lái)的損壞，桿件間連接，機(jī)體重量、材料以及易于操作維修等等。</p><p>　　2.5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇</p><p>　　由于此次設(shè)計(jì)的兩足步行機(jī)器人只是達(dá)到簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)，而且為了使兩足步行機(jī)器人行走穩(wěn)

51、定，所以對(duì)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度和配合都需要比較精確的控制，所以所有的驅(qū)動(dòng)都是由舵機(jī)來(lái)完成如圖2.8。</p><p><b>　　圖2.8 舵機(jī)</b></p><p>　　3 雙足機(jī)器人的具體制作</p><p>　　3.1 雙足機(jī)器人的材料選擇</p><p>　　材料的選取要本著重量輕，高剛度的原則。機(jī)

52、器人本體主體材料選用鋁合金(LY12)，這種材料重量輕、硬度高，強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鋁合金。</p><p>　　3.2 雙足機(jī)器人的零件加工</p><p>　　3.2.1 加工機(jī)器的選擇</p><p>　?。?） 由于選擇的是質(zhì)量輕，高剛度的鋁合金板，厚度只有1mm，所以選擇最佳的加工方法是電火花線切割加工。</p><p>　?。?）

53、 各個(gè)鋁板加工好以后，需要精確折彎，所以選擇折彎?rùn)C(jī)來(lái)進(jìn)行折彎。</p><p>　　3.2.2 線切割的相關(guān)介紹</p><p><b>　?。?）概述</b></p><p>　　電火花線切割加工（Wire Cut Electrical Discharge Machining ，簡(jiǎn)稱WEDM）是在電火花加工基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)50年代末最早在

54、前蘇聯(lián)發(fā)展起來(lái)的一種新的工藝形式，它是利用絲狀電極（鉬絲或銅絲，見(jiàn)圖3.1）靠火花放電對(duì)工件進(jìn)行切割，簡(jiǎn)稱線切割。</p><p><b>　　圖3.1 鉬絲</b></p><p>　?。?）加工原理、特點(diǎn)及應(yīng)用</p><p>　　電火花線切割加工的基本原理（如圖3.2）是利用快速移動(dòng)的電極絲，對(duì)工件進(jìn)行脈沖火花放電，腐蝕工件表面，使工件

55、材料局部熔化和氣化，從而達(dá)到切割工件，去除材料的目的。 </p><p>　　圖3.2 電火花加工原理圖</p><p>　　電火花線切割加工屬于特種加工。它與傳統(tǒng)的機(jī)械加工相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(a)非接觸式，適合高硬度難切削材料的加工。</p><p>　　(b)十分適合復(fù)雜形孔及外形的加工。</p>&

56、lt;p>　　(c)切縫細(xì)，節(jié)省寶貴的金屬材料。</p><p>　　(d)加工的尺寸精度高，表面粗糙度好。</p><p>　　(e)易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。</p><p>　　(f)加工的殘余應(yīng)力較小。</p><p>　　電火花線切割加工也有它的局限性。這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：</p><p>　　(a）僅限

57、于金屬等導(dǎo)電材料的加工。</p><p>　　(b）加工速度較慢，生產(chǎn)效率較低。</p><p>　　(c）存在電極損耗和二次放電。</p><p>　　(d)最小角部半徑有限制。</p><p>　　（3）線切割機(jī)床簡(jiǎn)介</p><p>　　一臺(tái)普通的線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成如圖3.3所示。它總體上由主機(jī)，脈沖電源，數(shù)控

58、系統(tǒng)三部分組成。此外，機(jī)床的主機(jī)部分還附加了工作液循環(huán)系統(tǒng)。主機(jī)由床身、工作臺(tái)、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)、絲架和工作液系統(tǒng)等組成，是機(jī)床的主要部分。脈沖電源又稱高頻電源，其作用是把普通的50HZ交流電轉(zhuǎn)換成高頻單向脈沖電壓。數(shù)控系統(tǒng)以電腦為核心，用程序?qū)崿F(xiàn)電極絲放電加工全過(guò)程的實(shí)時(shí)控制。 </p><p>　　圖3.3 線切割機(jī)床</p><p>　?。?）線切割程序編制</p><

59、p>　　線切割編程涵蓋了切割圖形、切割路徑及切割次數(shù)等工藝信息。線切割程序有著標(biāo)準(zhǔn)的指令格式。常用的有兩種：G指令和3B指令，可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇。</p><p>　　如今的線切割機(jī)床都帶有自動(dòng)編程功能，即操作者只需將要切割的圖形在機(jī)器繪制出來(lái)并存盤(pán)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析并生成加工程序，避免的煩瑣的手工編程，所以兩足機(jī)器人的所有零件都是由線切割機(jī)床自動(dòng)編程[14]。</p><p>　　

60、3.2.3 折彎?rùn)C(jī)的相關(guān)簡(jiǎn)單介紹</p><p>　　圖3.4是折彎?rùn)C(jī)機(jī)床，圖3.5是折彎?rùn)C(jī)刀口。</p><p>　　圖3.4 折彎?rùn)C(jī)機(jī)床 3.5 折彎?rùn)C(jī)刀口</p><p>　　3.3 兩足機(jī)器人的組裝</p><p>　　3.3.1 舵機(jī)和部分配件的組裝</p>&l

61、t;p>　　用M3×11的螺栓將配件和舵機(jī)組裝在一起，如圖3.4所示。注意在安裝舵機(jī)時(shí)候，首先將螺栓放入側(cè)面的孔中，然后通過(guò)四個(gè)螺栓緊固舵機(jī)。數(shù)據(jù)線從鋁板側(cè)面的方孔穿過(guò)，這樣安裝才不損壞數(shù)據(jù)線和舵機(jī)外殼。</p><p>　　圖3.4 舵機(jī)和配件組裝</p><p>　　3.3.2 兩足步行機(jī)器人的兩個(gè)上肢的組裝</p><p>　　兩足機(jī)器人每

62、只上肢由兩個(gè)舵機(jī)組成，具有兩個(gè)自由度。安裝前將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在90°，這樣有利于上肢有擺動(dòng)的余地。因此舵機(jī)最大角度是180°。當(dāng)把安裝角度設(shè)定在90°時(shí)，與配件相配合不會(huì)放生干涉，可以順利的完成一些指定動(dòng)作，如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 機(jī)器人兩上肢</p><p>　　3.3.3 兩足機(jī)器人軀干的組裝</p><

63、p>　　軀干由四個(gè)舵機(jī)組成，具有四個(gè)自由度，控制胳膊前后旋轉(zhuǎn)兩個(gè)，控制大腿左右擺動(dòng)兩個(gè)。安裝前還是將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在90°，配件由螺栓固定，為了美觀，螺栓均放在里面，由于受到空間限制，操作比較困難，但是安裝時(shí)候一定要注意每個(gè)螺栓必須緊固牢靠，防止松動(dòng)，如圖3.6。</p><p>　　圖3.6 機(jī)器人軀干</p><p>　　3.3.4 兩足機(jī)器人腿部的組裝<

64、/p><p>　　兩足機(jī)器人腿部是最為重要的，所以安裝時(shí)候得更加小心仔細(xì)。每個(gè)下肢由四個(gè)舵機(jī)組成，具有四個(gè)自由度，安裝前舵機(jī)還是將初始角度設(shè)置在90°，另外安裝時(shí)候</p><p>　　注意兩個(gè)腿之間的干涉，如圖3.7。</p><p>　　圖3.7 機(jī)器人左腿</p><p>　　3.3.5 兩足機(jī)器人頭部的安裝</p>

65、<p>　　兩足機(jī)器人頭部安裝比較容易，直接將頭部用螺絲緊固在舵機(jī)上就可以了，如圖3.8。</p><p>　　圖3.8 機(jī)器人頭部</p><p>　　如圖3.9，3.10所示，是兩足步行機(jī)器人的總裝圖，是將17臺(tái)舵機(jī)以積木的方式搭成人形的。機(jī)體大部分是由舵機(jī)組成的，各個(gè)舵機(jī)是由一些鋁合金件連接而成[15]。</p><p>　　圖 3.9 機(jī)器

66、人總裝圖 圖 3.10機(jī)器人總裝圖</p><p>　　3.4 兩足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù)</p><p>　　兩足機(jī)器人所有零部件清單，如表3.1。</p><p>　　表3.1 零部件清單</p><p>　　3.5兩足機(jī)器人總體尺寸</p><p>　　兩足機(jī)器人的相關(guān)尺寸，如表

67、3.2</p><p><b>　　表3.2 總體尺寸</b></p><p><b>　　3.6舵機(jī)具體參數(shù)</b></p><p>　　舵機(jī)的相關(guān)參數(shù)，如表3.3</p><p><b>　　表3.3 舵機(jī)參數(shù)</b></p><p>　　4 足部

68、傳動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　機(jī)器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則：</p><p>　　a. 應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)器人的控制。</p><p>　　b. 機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸

69、應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒(méi)有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對(duì)機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒(méi)有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。</p><p>　　c. 為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選

70、用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。目前，在國(guó)外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問(wèn)題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)器人手臂的重量。</p>&

71、lt;p>　　d. 機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。</p><p>　　e. 機(jī)器人的手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對(duì)減小氣缸負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來(lái)減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來(lái)平衡

72、手臂殘余的不平衡重量。</p><p>　　f. 機(jī)器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開(kāi)關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。</p><p>　　4.1 設(shè)計(jì)具體采用方案</p><p>　　機(jī)械手的大臂和小臂均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，兩手臂的調(diào)節(jié)采用電機(jī)和諧波減速器配合。</p>

73、<p>　　4.2 左側(cè)電動(dòng)機(jī)的選擇</p><p>　　設(shè)繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3根據(jù)平行軸定理可得繞軸0的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　m3=0.5kg；m2

74、=5kg；m1=7kg；</p><p>　　設(shè)輸出軸速度為所需時(shí)間；</p><p><b>　　（4.3）</b></p><p>　　若考慮繞機(jī)器人的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為13N.m。</p><p>　　電機(jī)功率可按下式估算：</p><p>&l

75、t;b>　　（4.4）</b></p><p>　　其中：Pm為電動(dòng)機(jī)功率W；</p><p><b>　　MLP為負(fù)載力矩；</b></p><p><b>　　為負(fù)載轉(zhuǎn)速；</b></p><p>　　為傳動(dòng)裝置效率，初定0.9；</p><p>　　系

76、數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2.5；</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　博美德PL80-80/SM80-013-30LFB； </p><p><b>　　參數(shù)如下：</b></p><p><b>　　表4.1 電機(jī)參數(shù)</b></p>&

77、lt;p>　　電機(jī)結(jié)構(gòu)外形如圖： </p><p>　　圖4.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)外形圖</p><p>　　4.3 左側(cè)減速器的相關(guān)計(jì)算 </p><p>　　因?yàn)檎w最高轉(zhuǎn)速要求30r/min。伺服電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速之下可以調(diào)節(jié)需要轉(zhuǎn)速并正常工作。所以以最高轉(zhuǎn)速計(jì)算傳動(dòng)比。</p><p><b>　　（4.6）</b>

78、</p><p>　　減速器選用配套的 博美德PL80-80型，減速比80。</p><p>　　電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：</p><p><b>　　（4.7）</b></p><p><b>　　電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為；</b></p><p><b>　　（4.8）&l

79、t;/b></p><p><b>　　所以選取合適。</b></p><p>　　此軸傳遞扭矩T1=13N.m n1=30r/min；P1=400w；</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　因此與電機(jī)相連的軸直徑必須大于28.5mm。</p>&l

80、t;p>　　4.4 右側(cè)電動(dòng)機(jī)的選擇</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　m3=0.5kg；m2=5kg；</p><p>　　設(shè)輸出軸速度為所需時(shí)間；</p><p>　　小臂

81、 （4.12）</p><p>　　若考慮繞機(jī)器人各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為2N.m。</p><p>　　電機(jī)功率可按下式估算：</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　其中：Pm為電動(dòng)機(jī)功率W；</p><p><b

82、>　　MLP為負(fù)載力矩；</b></p><p><b>　　為負(fù)載轉(zhuǎn)速；</b></p><p>　　為傳動(dòng)裝置效率，初定0.9；</p><p>　　系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2.5；</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　博美德

83、PL40-200/SM42-001-40DCB；</p><p><b>　　參數(shù)如下：</b></p><p><b>　　表4.2 電機(jī)參數(shù)</b></p><p>　　圖4.2 電機(jī)安裝圖</p><p>　　4.5 右側(cè)減速器的相關(guān)計(jì)算</p><p>　　因?yàn)檎w最

84、高轉(zhuǎn)速要求20r/min。伺服電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速之下可以調(diào)節(jié)需要轉(zhuǎn)速并正常工作。所以以最高轉(zhuǎn)速計(jì)算傳動(dòng)比。</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p><b>　　減速器如圖所示：</b></p><p>　　圖4.3 減速器外形結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　減速器選用配套的 博美德

85、PL40-200型，減速比200。</p><p><b>　　詳細(xì)參數(shù)如下：</b></p><p>　　額定輸出扭矩：7.5～15.5Nm 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.016～0.029Kgcm2/</p><p>　　故障停止扭矩：15～31Nm 滿載效率：90%</p><p&g

86、t;　　額定輸入轉(zhuǎn)速: 4500min-1/ 工作溫度：-25°C～+90°C</p><p>　　最大輸入速度：10000min-1/ 潤(rùn)滑方式：合成脂潤(rùn)滑（長(zhǎng)效潤(rùn)滑）</p><p>　　安裝方式：任意 防護(hù)等級(jí)：IP65</p><p>　　平均

87、壽命：20000h 法蘭精度:DIN 42955-R</p><p>　　重量： 0.6Kg 減速機(jī)符合JB1799-76標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　輸出軸鍵標(biāo)準(zhǔn):圓頭普通平鍵（A型）GB1096-79。</p><p>　　鍵已標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)需要先根據(jù)工作要求和軸徑上鍵的

88、類(lèi)型以及尺寸來(lái)選擇鍵，然后再進(jìn)行強(qiáng)度校核，鍵的材料按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用抗拉強(qiáng)度的鋼，常用45鋼。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中的鍵均為減速器自帶的鍵，即普通圓頭A型。</p><p>　　電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：</p><p><b>　　（4.16）</b></p><p><b>　　電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為；</b

89、></p><p>　　所以選取合適 （4.17）</p><p>　　在確定了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之后，就要對(duì)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)： </p><p>　　此軸傳遞扭矩T1=2N.m n1=20r/min P1=30w</p><p><b>　?。?.18）</b></p><p>　　因

90、此與電機(jī)相連的軸直徑必須大于13.7mm。</p><p>　　4.6 足部電動(dòng)機(jī)的選擇</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p><b>　　m3=0.5kg；</b></p><p&g

91、t;　　設(shè)輸出軸速度為所需時(shí)間；</p><p>　　腕部 （5.3）</p><p>　　若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為1N.m。</p><p>　　電機(jī)功率可按下式估算：</p><p><b>　　（5.4）</b></p><

92、p>　　其中：Pm為電動(dòng)機(jī)功率W；</p><p><b>　　MLP為負(fù)載力矩；</b></p><p><b>　　為負(fù)載轉(zhuǎn)速；</b></p><p>　　為傳動(dòng)裝置效率，初定0.9；</p><p>　　系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2.5；</p><p><b&g

93、t;　?。?.5）</b></p><p>　　博美德 PL40-200/SM42-001-40DCB；參數(shù)同上。</p><p>　　4.7 足部減速器的選擇</p><p>　　因?yàn)檎w最高轉(zhuǎn)速要求20r/min。伺服電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速之下可以調(diào)節(jié)需要轉(zhuǎn)速并正常工作。所以以最高轉(zhuǎn)速計(jì)算傳動(dòng)比。</p><p><b>

94、　?。?.6）</b></p><p>　　減速器選用配套的 博美德PL40-200型，減速比200。</p><p>　　電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算如下：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p><b>　　電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為；</b></p><

95、p>　　所以選取合適 （5.8）</p><p>　　確定了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之后就要對(duì)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)： </p><p>　　此軸傳遞扭矩T1=1N.m n1=20r/min P1=30w</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　因此與電機(jī)相連的軸直徑必須大于13.7mm。</p

96、><p>　　5 軸承的選用與校核</p><p>　　為了保證機(jī)械臂的正常運(yùn)行，不僅軸承的制造質(zhì)量良好，而且機(jī)械臂的設(shè)計(jì)必須合理，軸承的裝配和使用必須規(guī)范。軸承的選擇對(duì)于機(jī)械臂的正常運(yùn)轉(zhuǎn)十分重要。</p><p>　　5.1 軸承類(lèi)型的選擇</p><p>　　機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的軸承選擇：</p><p>　　推力球軸承，

97、它承載能力較低，額定動(dòng)載荷比為1，不能承受徑向載荷，只能承受一個(gè)方向的軸向載荷，限制軸和殼在軸向位移。極限轉(zhuǎn)速低。</p><p>　　機(jī)座相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)處的軸承選擇：</p><p>　　一對(duì)圓錐滾子軸承。額定動(dòng)載荷比1.5~2.5。能承受單向軸向載荷，在徑向載荷作用下會(huì)產(chǎn)生附加軸向力，一般成對(duì)使用。能限制軸和外殼在一個(gè)方向的軸向位移。313系列具有較大的接觸角，可以承受更大的軸向載荷。<

98、;/p><p>　　大臂、小臂、腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的選擇：</p><p>　　深溝球軸承，承載能力較小，額定動(dòng)載荷比為1。主要承受徑向載荷，也可同時(shí)承受一定的軸向載荷。當(dāng)軸承的徑向游隙加大時(shí)，具有角接觸軸承的功能，可承受較大的軸向載荷。允許一定的軸向位移，但軸向位移限制在軸向游隙范圍內(nèi)。摩擦系數(shù)小，極限轉(zhuǎn)速高。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。工作期間不需要保養(yǎng)。適于高速，應(yīng)用極為廣泛。</p>

99、<p>　　5.2 軸承代號(hào)的選擇</p><p>　　推力球軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為35mm，以及軸承長(zhǎng)度及安裝考慮，最終選擇推力球軸承代號(hào)為51107 GB 301-1995。其基本尺寸如下：</p><p>　　圓錐滾子軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為70mm，以及軸承長(zhǎng)度及安裝考慮，最終選則圓錐滾子軸承代號(hào)為30214 GB 297-94。</p><

100、p>　　大臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為35mm，以及軸承長(zhǎng)度及安裝考慮，最終選則深溝球軸承代號(hào)為61807 GB 276-94。</p><p>　　小臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為15mm，以及軸承長(zhǎng)度及安裝考慮，最終選則深溝球軸承代號(hào)為61802 GB 276-94。</p><p>　　腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為15mm，以及軸承長(zhǎng)度及安裝考慮，最終選則深溝

101、球軸承代號(hào)為61802 GB 276-94。</p><p><b>　　5.3 軸承的校核</b></p><p>　　深溝球軸承61807 GB 276-94的校核：</p><p>　　深溝球軸承 61807 詳細(xì)參數(shù)如下：</p><p>　　d = 35(mm)</p><p>　　D

102、= 47(mm)</p><p><b>　　B = 7(mm)</b></p><p>　　Cr = 4900(N)</p><p>　　Cor = 4000(N)</p><p>　　nlimz = 11000(r/min)</p><p>　　nlimy = 15000(r/min)<

103、/p><p>　　--- 計(jì)算過(guò)程 --- </p><p><b>　　輸入?yún)?shù)：</b></p><p>　　軸承類(lèi)型：深溝球軸承</p><p>　　徑向載荷 Fr = 70(N)</p><p>　　軸向載荷 Fa = 0(N)</p><p>　　額定靜載荷Co =1

104、300(N)</p><p>　　工況系數(shù) fp = 1.2</p><p><b>　　軸承列數(shù)：?jiǎn)瘟?lt;/b></p><p>　　接觸角 a =0(℃)</p><p><b>　　中間參數(shù)：</b></p><p>　　判斷系數(shù) e = 0.16</p>

105、<p>　　徑向載荷系數(shù) X = 1</p><p>　　軸向載荷系數(shù) Y = 0</p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果：</b></p><p>　　當(dāng)量動(dòng)載荷 P = 84(N)</p><p>　　軸承所需基本額定動(dòng)載荷 C' = 152.638(N)</p><p>&l

106、t;b>　　壽命校核</b></p><p><b>　　輸入?yún)?shù)：</b></p><p>　　額定動(dòng)載荷 C = 2100(N)</p><p>　　當(dāng)量動(dòng)載荷 P = 84(N)</p><p>　　軸承轉(zhuǎn)速 n = 20(r/min)</p><p>　　工作溫度 T =

107、 <=120(℃)</p><p>　?。囟认禂?shù) ft = 1）</p><p>　　要求壽命 Lh' = 5000(h)</p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果：</b></p><p>　　計(jì)算壽命 Lh = 13020833(h)</p><p>　　計(jì)算壽命 L10 = 15

108、625(10^6 轉(zhuǎn))</p><p><b>　　校核結(jié)果：合格</b></p><p>　　---------------</p><p><b>　　額定壽命修正：</b></p><p>　　可靠度系數(shù) a1 = 1</p><p>　　材料系數(shù) a2 = 1<

109、/p><p>　　運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù) a3 = 1</p><p>　　修正后壽命 Lna = 15625(10^6 轉(zhuǎn))</p><p><b>　　修正后結(jié)果：合格</b></p><p><b>　　最終輸出報(bào)告如下：</b></p><p><b>　　滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)報(bào)

110、告</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)信息</b></p><p>　　設(shè)計(jì)者 Name=張芮華</p><p>　　設(shè)計(jì)單位 Comp=西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院</p><p>　　設(shè)計(jì)日期 Date=2013-4-12</p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)間 Time=下午 02:

111、06:56</p><p><b>　　設(shè)計(jì)參數(shù)</b></p><p>　　徑向力 Fr=70 (N)</p><p>　　軸向力 Fa=0 (N)</p><p>　　軸頸直徑 d1=15 (mm)</p><p>　　轉(zhuǎn)速 n=20 (r/min)</p><p>　

112、　要求壽命 Lh'=5000 (h)</p><p><b>　　溫度系數(shù) ft=1</b></p><p>　　潤(rùn)滑方式 Grease=油潤(rùn)滑</p><p><b>　　被選軸承信息</b></p><p>　　軸承類(lèi)型 BType=深溝球軸承</p><p>　

113、　軸承型號(hào) BCode=61802</p><p>　　軸承內(nèi)徑 d=15 (mm)</p><p>　　軸承外徑 D=24 (mm)</p><p>　　軸承寬度 B=5 (mm)</p><p>　　基本額定動(dòng)載荷 C=2100 (N)</p><p>　　基本額定靜載荷 Co=1300 (N)</p>

114、<p>　　極限轉(zhuǎn)速(油) nlimy=30000 (r/min)</p><p><b>　　當(dāng)量動(dòng)載荷</b></p><p>　　接觸角 a=0 (度)</p><p>　　負(fù)荷系數(shù) fp=1.2</p><p>　　判斷系數(shù) e=0.16</p><p>　　徑向載荷系數(shù) X

115、=1</p><p>　　軸向載荷系數(shù) Y=0</p><p>　　當(dāng)量動(dòng)載荷 P=84 (N)</p><p>　　軸承所需基本額定動(dòng)載荷 C'=152.638 (N)</p><p><b>　　校核軸承壽命</b></p><p>　　軸承壽命 Lh=13020833 (h)<

116、/p><p>　　驗(yàn)算結(jié)果 Test=合格</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 周遠(yuǎn)清，張?jiān)倥d等編著. 智能機(jī)器人系統(tǒng)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,1989.</p><p>　　[2] 蔣新松主編. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M]. 沈陽(yáng): 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.</p

117、><p>　　[3] 方建軍，何廣平. 智能機(jī)器人[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.</p><p>　　[4] 張永學(xué). 雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及步行控制研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文. 2001.</p><p>　　[5] 劉志遠(yuǎn). 兩足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文. 1991.</p><p>　

118、　[6] 劉志遠(yuǎn)，戴紹安，裴潤(rùn)，張栓，傅佩深. 零力矩點(diǎn)與兩足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走穩(wěn)定性的關(guān)系[N]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 1994.</p><p>　　[7] 紀(jì)軍紅. HIT-Ⅱ雙足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文，2000.</p><p>　　[8] 麻亮，紀(jì)軍紅，強(qiáng)文義，傅佩深. 基于力矩傳感器的雙足機(jī)器人在線模糊步態(tài)調(diào)整器設(shè)計(jì)[R]. 2000.<