机器人的外形

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1、机器人的自宙度分配概述部分：人体的各部分是有关节相互连接起来的，机器人自由度的分配如上所述，头部一个自由度，腰部两个自由度，左右手臂各两个自由度。1舞蹈机器人机械设计及运动学分析I、自由度的分配情况：本次设计的主要是人形机器人，并且运动实现的是上体的运动机器人的腿是固 定的，动作要求是头部的 转动，手臂的运动和腰部 弯曲和转动，所以分配如 下颈部一个自由度用 一个电机控制可实现头 部的回转运动。为了加强 娱乐效果我们用软弹簧 连接机器人的头部和颈 部电机轴。当颈部电机动 作时由于振动而引起的 机器人头部来回摆动，更增添了几分滑稽感。肩部两个自由度由两个电机分别 单独驱动，互不干扰能实现肩部的前

2、后摆动和左右摆动动。U、各个运动部位的运动幅度:运动部位运动方式运动范围（）头部转动-50 50 手臂前后摆动-90 90 左右摆动0 90 腰部弯曲0 90 转动-45 45 上面是机器人各部位运动的范围-机器人的大体机械结构2、关节的布置由于本设计是采用舵机作为自由度的实现方式。 而一个舵机只能实现一个自由度，因此对于多自由度的部位则需要多电机驱动。因尽量确定个电机的位置。以下是各部位电机及零件的分配：腰关节，腰部与臀部连接的地方，有两个自由度，一个分布在腰柱上，一个 放在臀部上，用U型件连接。肩关节，胸部与手臂连接处，与两个自由度，两个舵机一个安放在胸部，另 一个则放在手臂上，用U型件连

3、接。颈部，只有一个自由度，舵机安放在胸部，与胸部连接是一个叉形结构。3、人形机器人的尺寸人形机器人的设计应该与人的外形相像，虽然不同肤色的人有不同的形体比 例，个体之间的差异也是很大的，世界上不存在两个形体完全一样的人， 人的大 体尺寸都是按照统计规律来说明的。但是都是大同小异的，一般情况下是：编号人体尺寸男（cm）女（cm）1身长1691582肩峰至头顶29.328.53臂长54.649.14上身高度6059.15腿长8065依据上图所示我们此次机器人的大体尺寸按上图表示按2 : 1设计。通过示意计算现对静态情况计算手臂力矩：假设机器人手臂质量是均匀分布的，则其质心在手臂的中间，由下图所示，

4、机器人手臂左右摆动和前后摆动示意来看手臂运动示意计算其力矩图 对于前后的范围来看计算扭矩：L仁F1 XHcos B/cos 0=F1 X|= =FH=13 X1=13kg.cm 对于左右的范围来看计算扭矩：L2=F2 XHcos 0/cos 0=F1 X|= =FH=7 x 头部舵机和弯腰舵机（由于弯腰机构部分有一个重力平衡摆，使得舵机所需力 矩大大减小，平衡摆的质量与机器人上部的质量大致相等， 故而只需要克服轴承 的摩擦就可以了）两者的所需力矩较小，故而采用常用舵机就可以了。要保证机 器人的运动稳定性，必须使外力产生的扭矩大于等于机器人自身的扭矩。 所以选 择舵机时就要考虑舵机的扭矩。蹈机舸

5、人手运动软进舞蹈机器人的运 动学分析：如下图所 示机器人的手臂对称 情况，此外还可以让 机器人的手臂按照相 反的方向运动以这两种运动可构成复杂的运动轨迹，下面就验证其稳定性。左右的情形：极端情况下一只手臂水平放置而另一只竖直放置， 不平衡程度最大，如下所示。设m1m4到点A的距离为d1d4，为了使机器人保持平衡，只需要是 A点左边对A点产生的转矩T1小于或者等于A点右边对A点产生的转矩T2。下面进行分析:T1=m1g Xd1+m2g Xd2;T2= m3g Xd3+m4g Xd4+m5g Xd5 ;其中 m仁2m ， m2=M/5 ， m3=4M/5， m4=m5=2m， d1=1+1/3=4

6、L/3d2=L/3 ， d3=2L/3 ， d4=d5=L(m 舵机质量； M 运动控制卡质量；L舵机长度)。代入以上数值可得:T1=2mg X4/3L+ 1/5 MgX1/3 L= 8/3 mgL+ 1/15 MgLT2= 4/3 Mg X 2/3 L+2mg XLX2=4mgL+ 8/15 MgL;要达到平衡即T1T2，舞蹈机器人即可实现平稳运动。前后的情形：要使舞蹈机器人在这种状态下保持平衡，只有前臂对a点产生的转矩T1小于或者等于其余部分对a点产生的转矩之和T2。设ml、m2到a点的距离分别为 d1d2 ,则T仁mlg Xd1 ,T2=m2g Xd2 ,其中 m1=2m ,m2=6m

7、+M ,d1 L/5 , 代入数值可得：T110mg X 1/5 L=2mgL ;T1T2 ,即在这种运动状态下，舞蹈机器人也可保持稳定。以上几种极限运动状态下稳定，保证了“肩关节” 和“肘关节” 同时运动时舞蹈机器人的稳定性。本文设计的舞蹈机器人是一种简单的初级的机器人，只能完成几种比较简单的运动方式。在机器人的运动方面，可以添加一些调整机器人中心的机构，这样理论上就可以实现机器人的行走过程同时还保持了机器人 的平衡。舵机的选择舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其主 要的工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，在驱动无核心马达开始转动，透

8、过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器 送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实是可变电阻，当舵机转动时 电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。 一般的伺服马达是将 细铜丝缠绕在三级转子上，但电流经过线圈时便会产生磁场，与转子外圈的磁铁 产生排斥作用，进而产生转动的作用力。依据物理学原理，物体的转动惯量与质 量成正比，因此要转动质量越大的物体，所需的作用力也越大。舵机为求转速快、 耗电小，于是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体， 形成一个质量极轻的五级中空 转子，并将磁铁置于圆柱体内，这就是无核心马达。厂商所提供的舵机规格资料，都会包含外形尺寸 （mm）、扭力（kg/cm）

9、、速度（秒/60 、测试电压（V）及重量（g）等基本资料。扭力的单位是 kg/cm，意思是在摆臂长度1公分处，能吊起几公斤重的物体。这就是力臂的观念，因此摆臂长度愈长，则 扭力愈小。速度的单位是sec/60。，意思是舵机转动 60。所需要的时间。舵机的尺寸为了便于在后期对舵机进行替换，选择同一尺寸有多个扭矩的汉库数 字舵机。型号尺寸重量速度扭矩（电压（mm）（g）（秒kg f em)(V)/60 )MT140D40.8*20.1*3560.16-0.12147.4M8MT160D40.8*20.1*3560.16-0.12167.4M8MT210D40.8*20.1*3630.16-0.12217.4M8上述舵机的扭矩达到了所需要求。舵机的尺寸。