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1、西安技师学院工业自动化系西安技师学院工业自动化系 1111 届预备技师毕业设计（论文）届预备技师毕业设计（论文）论文名称：基于六个自由度双足机器人机械设计姓 名：魏志军 专业班级：11 届电维预备技师班 指导教师：王耀龙、许楠 日 期：2011 年 6 月 3 日 成绩：优 良 中 及格 不及格内容摘要内容摘要本文介绍了一款由 6 个舵机搭建的小型双足机器人，其中包含机器人实体 部分的设计与实现，系统设计与实现方法、机械结构的设计与制作、动力源的 选择与控制，并对舵机的工作原理作了简要分析。本设计完成了双足机器人的 实体部分，机器人可进行一些简单的动作。 关键词关键词：双足机器人双足机器人;6
2、;6 自由度自由度; ;舵机舵机目目 录录第 1 章 序言.1 1.1 双足机器人现状.1 1.2 本课题研究意义.1 1.3 本论文主要内容.1 第 2 章 双足步行机器人总体分析.2 2.1 目标定位.2 2.2 自由度的选择.2 2.3 外形构想方案.2 2.4 材料选择.3 第 3 章 结构设计.4 3.1 元件选择.4 3.2 关节结构三维设计图.6 3.3 零件三位模型组合设计说明.10 3.4 三维模型装配说明.13 第 4 章 步态动作规划.18 4.1 步态规划的概念.18 4.2 步态规划的方法.18 4.3 步态设计.18 4.4 舵机旋转角度参数.19 4.5 调试.2
3、0 第 5 章 结束语.22 5.1 结论.22 5.2 展望.22 致 谢.25 参考文献.26 附 录.27第第 1 1 章章 序言序言1.1 双足机器人现状随着世界第一台工业机器人 1962 年在美国诞生，机器人已经有了三十多年 的发展史。三十多年来，机器人由工业机器人到智能机器人，成为 21 世纪具有 代表性的高新技术之一，其研究涉及的学科涵盖机械、电子、生物、传感器、 驱动与控制等多个领域。 世界著名机器人学专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人 应当具有的最大特征之一是步行功能。 ”双足机器人属于类人机器人，典型特点 是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及
4、髋关节、膝关节 和踝关节，并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑及连续地协调运动，各 关节之间可以有一定角度的相对转动。 双足机器人不仅具有广阔的工作空间，而且对步行环境要求很低，能适应 各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，其步行性能是其它步行结构无法比拟 的。研究双足行走机器人具有重要的意义。1.2 本课题研究意义 通过技能训练，了解机器人机构及控制系统设计的基础知识； 掌握机器人系统中元部件的正确选择方法和特性参数的确定； 培养学生对所学知识的综合应用，理论联系实际的能力； 培养学生的动手能力和实际操作能力； 本课题设计的机器人不仅适合学校教学研究，学生专题创作及享受机器人 组装带来的乐趣
5、，而且可以作为机器人二次开发的平台，参加各类机器人比赛。1.3 本论文主要内容1.3.1 主要内容： 1） 、机器人结构设计； 2） 、六自由度机器人步态规划； 3） 、未来机器人展望； 1.3.2 训练形式 学生以小组为单位，集体讨论确定整体方案；指导教师给出实训方向， 技术指标等，协助学生完成训练任务。第第 2 2 章章 双足步行机器人总体分析双足步行机器人总体分析引言要设计和开发一个步行机器人，首先应该对其进行总体分析和设计，确定 步行机器人的功能、基本结构和系统配置等。本章重点研究步行机器人的总体 结构。2.1 目标定位步行机器人的研究的难点主要表现在如下两个方面：腿部结构的设计非常
6、复杂，因为要考虑结构的紧凑、轻巧，要求较高的关节力矩、较大的关节活动 范围和有效而安全的控制方法。正是由于这种情况的存在，双足机器人成为近 年来研究的热点，具有十分重要的科学研究价值。同时由于双足机器人越来越 广泛的应用于生产生活中，所以它也具有很高的生产价值和商业价值。 通过上述的分析，我们课题小组决定研制一款步行机器人。这款机器人不 仅能够满足类人型步态行走、做一些简单动作，而且是一款很适合学生参与、 研究、学习的机器人，能够满足学校教学研究作为机器人二次开发的平台。2.2 自由度的选择要使双足机器人实现人类的一些动作，那么双足步行机器人必须有它的独 特性。事实上，关于运动灵活性，人类大约
7、拥有四百个左右的自由度。因此， 机器人的关节的选择、自由度的确定是很必要的，步行机器人自由度的配置对 其结构有很大影响。自由度越少，结构越简单，可实现功能越少，控制起来相 对简单；自由度越多，结构越复杂，可实现功能越多，控制过程相对复杂。因 此自由度的配置必须合理:首先分析一下步行机器人的运动过程(向前)和行走步 骤:重心右移(先右腿支撑)、 左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心 左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。从机器人步行过 程可以看出:机器人向前迈步时，髋关节与踝关节必须各自配置有 1 个自由度 以配合实现支撑腿、上躯体的移动和实现重心转移。另外膝关节处配置1
8、个俯仰 自由度能够调整摆动腿的着地高度，保证步行时落足平稳。这样最终决定髋关 节配置1个自由度，膝关节配置1个俯仰自由度，踝关节配置有1个偏转自由度。 这样，每条腿配置3个自由度，两条腿共6个自由度。髋关节和膝关节俯仰自由 度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面(前进方向) 内的直线行走功能；踝 关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。步行运动中 普遍存在结构对称性。运动的对称性和腿机构的对称性之间存在相互关系。在 单足支撑阶段，对称性的机身运动要求腿部机构也是对称的。根据这点，在结 构设计时也采用对称性布置。2.3 外形构想方案根据前文所述，拟定以下两套方案论证比较，见图2-1方案1 方案2 图2-1 对以上两个方案进行论证，结果见表2-1 表2-1 方案论证方案方案一方案二相同点都采用六个伺服电机实现6自由度，脚踝部位只 能实现左右自由度不同点腰部和膝部舵机配合专 门舵架采用水平式安放腰部和膝部舵机配合连 接块采用竖直式安放经过对比不难
