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1、课 程 设 计 说 明 书课题名称 “少林十八铜人阵”机电系统设计 2011 年 12 月 5 日 至 2011 年 12 月 23 日共 3 周院 系 机械工程学院 班 级 机电 0801 学 号 7 姓 名 指 导 教 师 目录绪论- 课题任务书- 详细设计- 机械机构设计-电气驱动设计- -动作分配设计-程序设计-课题感想-参考资料- 绪论近年来科学技术迅猛发展，特别是在机械自动化控制这一领域，于是许多基于自动控制设计生产玩具（如电子狗，遥控车，遥控飞机）家庭清机器人，工业机器人等等。无一不展现了这一技术的优越性和广阔的市场前景。在电子产品高度活跃的今天，电子自动化产品为我们带来了无尽的
2、财富，越来越多的产品进入我们的视线，成为我们生活中不可或缺的部分。最近十来年旅游业蓬勃发展，但是纵观各大历史古迹，风景名胜，除了一些手工简易的纪念品意外，还没有很好的做出真正高价值，高技术含量，高纪念意义的电子产品。今天，我们将为嵩山少林寺设计一款机器人“少林十八铜人”来展现中华武术的魅力。此款机器人主要由 18 个仿人机器人组成，每个“铜人”将实现一套完整的武术动作，18 个“铜人”将组成一个阵法以及阵势的变化。输入指令，这套“铜人”系统将自行完成武术动作和阵势变化。带给人们强烈的视觉冲击与震撼！在高端市场具有广阔前景！ 课题任务书课题名称：“少林十八铜人阵”机电系统设计设计要求：每四人一个
3、小组设计单个“铜人” ，使“铜人”实现 3到 4 个武术动作。主要内容：系统总体设计：系统的运动，机构设计，动作分配，控制系统方案设计。机械设计：机构设计，结构设计和零件设计。控制系统设计：电路设计，程序设计。1机械部分设计和硬件选择1.1 整体设计因为本次设计的是玩具型机器人，而且由十八个同样的机器人组成。所以机器人的重量和体积将是很重要的考量。考虑到作为一种景区纪念品，需要外形美观（此处不设计） ，便于携带。故将机器人外部参数设置如下表重量 身高 臂长 腿长 头部 躯干 两髋距离 两肩距离5Kg 500mm 200mm 300mm 50mm 150mm 100mm 100mm1.2 材料的
4、选择因为机器人重量小并且是只完成动作，不用考虑到因重物而带来的强度问题。故选用铝合金材料，它重量轻，密度小，强度符合要求。1.3 驱动电机选择目前在机器人的运动控制中较为常用的电机有直流伺服电机、舵机和步进电机，对它们的特性、工作原理与控制方式有分类介绍，下面总结如表 1.11 所示：（表 1.11） 本次设计的机器人质量轻，仅 5Kg，所以选择小型号舵机和步进电机。舵机主要用于腿部驱动头部和腰部驱动，步进电机用于手臂驱动所需电机的功率计算：电机类型 主要特点 构造与工作原理 控制方式步进电机直接用数字信号控制，与计算机接口简单，没有电刷，维修方便，寿命长。缺点是能量转换效率低，易失步，过载能
5、力弱。按产生转矩的方式可分为：永磁式，反应式和混合式。混合式能产生较大转矩，应用广泛。永磁式是单向励磁，精度高，但易失步，反应式是双向励磁，输出转矩大，转子过冲小，但效率低；混合式是单-双向励磁，分辨率高，运转平稳。直流伺服电机接通直流电即可工作，控制简单；启动转矩大，转速和转矩容易控制，效率高；需要定时维护和更换电刷，使用寿命短，噪声大。由永磁体定子，线圈转子，电刷和换向器构成。通过电刷和换向器使电流方向随转子的转动角度而变化，实现连续转动。转动控制采用电压控制方式，两者成正比。转矩控制采用电流控制方式，两者也成正比。舵机内带齿轮减速器功率适合小机器人易于安装接口简单由直流电机，减速器和反馈
6、装置组成。利用 PPM 信号控制机器人受力简图(如图 1.31）； ：机器人移动需要的牵引力 （1.3-1 ）WfaFa； ：自身重力而产生的阻力 （1.3-2）sinmg； ： 机器人移动所受摩擦力 （1.3-3 ）cof f则有：（1.3-4）cossinmgFa：摩擦系数 ：最大爬坡角度（据课题要求 按 0 计算）则机器人在水平面上运动的功率为：P=Fa*V=0.15*5*9.8*0.1=0.735w齿轮传动效率 97.0G电机的传动功率：P=0.735/0.97=0.757w舵机选用 T170A 型，参数如下：型号：T170A尺寸：31.5*16.5*28.5mm重量：17g工作电压：
7、DC4.8V-6.0V角度偏差：50度 =3度回中角度：=2 度速度：0.1s-0.13s/50度扭矩：1.7kg-2.3kg/cm手臂驱动，我们选择小功率步进电机，它的步距角最大不能超过 3.6，才能使电机平稳的转动。为了比较准确的获得运动的精度和良好的稳定性，我们选择 1.8的步距角(电机每转动 1 周，输出 200 步） 。如果驱动脉冲的频率 PPS=600，那么r/min=600 脉冲/秒 s*1 转数/200 转数*60 秒/1 分=180r/min根据公式：Pm=T*w根据步进电机转矩-转速曲线图（图 1.32）得出步进电机的功率为 1.5W。1.4.机构设计机器人自由度分配1.4
8、1.手臂设计本机器人的手臂是以人的手臂为参考。所以，具有 4 个自由度，手臂运动简图。 （如图 1.1 所示） （图 1.1）1.42.腿部设计腿部有 5 个自由度。 腿部运动简图（如图 1.2 所示）（图 1.2）1.43.腰部和头部设计腰部有 1 个自由度，头部有 1 个自由度 运动简图（如图 1.5)(图 1.5）机器人手部的运动速度参数：按设计需要，手部运动速度定为 100mm/s，回转角180手臂部分质量 0.5Kg 100mm L1 100mm L21 2机器人腿部的运动速度参数： 腿部相对于手部来说。运动速度要慢一些，更好的保持整个身体的平衡，设计腿部运动速度 50mm/s。质量
9、 1.2Kg1.44 机器人位姿及静力计算1.441 手臂位姿计算机器人肩关节有向前和平伸 2 个自由度，肘关节有 1 个自由度，腕关节 1 个自由度。如图： 手臂部分多连杆模型。建立 D-H 坐标系 右手臂 D-H 参数：i ai(mm) ai(rad) di(mm) i（rad)1 100 /2 0 12 100 0 0 23 0 -/2 0 34 50 -/2 0 4位姿矩阵 AiC1 0 S1 150C1 C2 -S2 0 100C2S1 0 -C1 150S1 S 2 C2 0 100S2A1= 0 1 0 0 A2= 0 0 1 00 0 0 1 0 0 0 1C3 0 -S3 0
10、 C 4 0 -S4 50C4 A3= S3 0 C3 0 A 4= S4 0 C4 50S4 0 -1 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1正向运动学方程 T= A1*A2*A3*A4=左手臂 D-H 参数：i ai(mm) ai(rad) di(mm) i（rad)6 50 /2 0 67 0 /2 0 78 100 0 0 89 100 -/2 0 9位姿矩阵 AiC6 0 S6 50C6 C7 0 S7 0A6= S6 0 -C6 50S6 A7= S7 0 - C7 00 1 0 0 0 1 0 00 0 0 1 0 0 0 1C8 -S8 0 100 C8 C9
11、 0 -S9 100 C9A8= S8 C8 0 100S8 A9= S 9 0 C9 100S9 0 0 1 0 0 -1 0 00 0 0 1 0 0 0 1T=A6*A7*A8*A9=手臂静力计算：连杆 1 和连杆 2 的静力平衡条件是其上所受的合力和合力矩为零。力矩平衡方程式为：外界环境没有给机器人手臂一个作用力。机器人末杆只受到手臂的重力和关节电机的驱动力（摩擦忽略不计） 。右手的速度雅可比为右手的力雅可比为 所以 当 1 和 2 在某一瞬时，可以求出手部相对应的关节驱动力矩 1.442 腿部位姿计算腿部踝关节侧向和前向关节，膝部的前向关节，髋部的前向和侧向关节，共有 5 个自由度。如图腿部多连杆模型。建立 D-H 坐标系支撑腿 D-H 参数i ai(mm) ai(rad) di(mm) i（rad)1 0 /2 0 12 150 0 0 23 150 0 0 34 0 -/2 0 45
