仿人型机器人设计说明书.doc

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盐城工学院本科生毕业设计说明书2007

目录

1前言 1

1.1仿人机器人的概念 1

1.2课题来源 1

1.3技术要求 1

1.4国内外研究现状及发展状况 2

1.4.1国内研究现状 2

1.4.2国外研究现状 2

1.4.3发展趋势 3

1.5本课题要解决的主要问题及解决方案 4

2总体方案设计 6

2.1仿人机器人臂手部结构的确定 6

2.2仿人机器人上身尺寸的确定 6

2.3结构的设计 6

2.4仿人机器人自由度的确定 6

2.5电机的选择 7

3机器人驱动装置的设计 8

3.1肩部步进电机的选择 9

3.2肘部步进电机的选择 9

3.3腕部及头部电机选择 10

4.仿人机器人机械传动件的设计 11

4.1齿轮的设计 11

4.1.1肩部齿轮的设计与校核 11

4.1.2肘腕部齿轮设计 13

4.1.3头部齿轮的设计 14

4.2轴的设计与计算 15

4.2.1轴的结构设计 15

4.2.2轴的强度计算 16

5.仿人型机器人连接板的设计及校核 20

5.1肩部连接板的设计与校核 20

5.2电机支撑板的设计与校核 21

6.仿人型机器人三维造型及运动仿真 22

6.1仿人型机器人三维造型 22

6.2仿人型机器人运动仿真 23

6.3仿人型机器人舞蹈运动分析 23

6.4仿人机器人重力分析 23

7结论 25

参考文献 26

致谢 27

附录 28

1前言

1.1仿人机器人的概念

现阶段，机器人的研究应用领域不断拓宽，其中仿人机器人的研究和应用尤其受到普遍关注，并成为智能机器人领域中最活跃的研究热点之一。

研究与人类外观特征类似，具有人类智能、灵活性，并能够与人交流，不断适应环境的仿人机器人一直是人类的梦想之一。

世界上最早的仿人机器人研究组织诞生于日本，1973年，以早稻大学加藤一郎教授为首，组成了大学和企业之间的联合研究组织，其目的就是研究仿人机器人。

加藤一郎教授突破了仿人机器人研究中最关键的一步——两足步行。

1996年11月，本田公司研制出了自己的第一台仿人步行机器人机P2，2000年11月，又推出了最新一代的仿人机器人ASIMO。

国防科技大学也在2001年12月独立研制出了我国第一台仿人机器人。

仿人机器人要能够理解、适合环境、精确灵活地进行作业，高性能传感器的开发必不可少。

传感器是机器人获得智能的重要手段，如何组合传感器摄取的信息，并有效地加以运用，是基于传感器控制的基础，也是实现机器人自治的先决条件。

仿人机器人研究在很多方面已经取得了突破，如关键机械单元、基本行走能力、整体运动、动态视觉等，但是离我们理想中的要求还相去甚远，还需要在仿人机器人的思维和学习能力、与环境的交互、躯体结构和四肢运动、体系结构等方面进行更进一步的研究。

仿人机器人具有人类的外观，可以适合人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业，并可以在很多方面扩展人类的能力，在服务、医疗、教育、娱乐等多个领域得到广泛应用。

1.2课题来源

本课题来源于研究课题。

仿人机器人的研究和应用尤其受到普遍关注，并成为智能机器人内领域中最活跃的研究热点之一，研究与人类外观特征类似，具有人类智能、灵活性，能够与人交流，不断适应环境的仿人机器人一直是人类的梦想之一。

1.3技术要求

根据设计要求达到以下技术要求：

a.根据任务要求，本仿人机器人总高900mm，肩宽30mm，手臂长40mm；

b.各关节采用一级齿轮传动，用步进电机驱动；

c.除了通用件外，其它零件用工程塑料PVC压铸成形。

1.4国内外研究现状及发展状况

1.4.1国内研究现状

国内，仿人机器人的研制工作起步较晚，1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果。

其中以哈尔滨工业大学和国防科技大学最为典型。

哈尔滨工业大学自1985年开始研制双足步行机器人，基于控制理论曾经获得自然科学基金和国家“863”计划的支持，迄今为止已经完成了三个型号的研制工作：

第一个型号HIT-1为10个自由度，重100kg，高1.2m，关节由直流伺服电极驱动，属于静态步行。

第二个型号HIT-2为12个自由度，该机器人髋关节和腿部结构采用了平行四边形结构。

第三个型号HIT-3为12个自由度，踝关节采用两电机交叉结构，同时实现两个自由度，腿部结构采用了圆筒形结构。

HIT-3实现了静态步行和动态步行，能够完成前/后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。

目前，哈尔滨工业大学机器人研究所与机械电子工程教研室合作，正在致力于功能齐全的仿人机器人HIT-4的研制工作，该机器人包括行走机构、上身及臂部执行机构，初步设定32个自由度。

国防科技大学也进行了这方面的研究。

在1989年研制成功了一台双足行走机器人，这台机器人具有10个自由度，能完成静态步行、动态步行。

清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等高等院校和研究机构也在近几年投入了相当的人力、物力，进行智能仿人机器人的研制工作。

1.4.2国外研究现状

日本已经成为仿人机器人研究最活跃、成果最丰富的国家。

下面重点就日本仿人机器人研究动态进行介绍。

a.早稻田大学

目前，早稻田大学的仿人机器人研究基本分为三部分。

其中，一部分是研究与人协作的仿人机器人。

目标是从学术角度研究人的行走机理，并建立人的行走模型；从工程角度制造实用的仿人机器人。

研制成果是WABIAN（WasedaBipedalHumanoid）系列仿人机器人。

WABIAN能够在平面上动态前进、后退、跳舞及携带重物。

而WABIANRV更是具备了语音识别能力，使人机界面更为友好。

在此基础上，WABIAN-2针对行走部分做了改进。

每条腿7个自由度，包括：

脚3个，膝盖1个，髋部3个。

腰部有2个自由度。

相比6个自由度的腿，其优点是膝盖的方向。

驱动系统为DC伺服电机，减速部分采用谐波齿轮。

另一部分是开发对用途的双足步行腿部模块，应用于包括仿人机器人的各种机器人系统中。

b.东京大学

东京大学是目前进行机器人研究非常活跃的机构。

其中进行仿人机器人研究的主要有JSK实验室和Nakamura实验室。

JSK实验室的仿人机器人研究是以H6仿人机器人为实验平台。

其具体参数如下：

高1370mm，宽590mm，重55kg。

共有35个自由度：

双腿各6，双足各1，双臂各7，两抓持器各1，脖子2，眼睛3。

驱动采用DC电机和谐波齿轮，实用操作系统是RT-linux。

主要的研究方向包括：

（1）开发大型仿真系统

（2）研究能够避障和满足动态约束的运动规范算法。

另外，JSK实验室还对腱驱动机器人、软脊椎机器人、凝胶体机器人、人造皮肤等进行了相关研究。

Nakamura实验室不仅研究专门针对仿人机器人的特殊机构，包括含有揉性连接的肩关节、已应用在髋部的双球关节。

而且，该实验室在基于动力学的运动方式识别和生成的信息处理方面颇有造诣。

提出了利用关节运动的相关性来简化仿人机器人全身运动的方法；设计了基于动力学的类似脑信息处理的系统；设计了基于动力学和传感数据的信息处理系统，实现了仿人机器人运动的平滑过度。

同时，研究了将运动方式识别和生成进行统一的信息处理。

另外，Nakamura实验室还以人体虚拟模型为基础对运动生成、测量和动力学计算等方面进行了研究。

c.本田公司

本田公司从1986开始以开发实用型仿人机器人为目标，至今已经有P1、P2、P3和ASMO机器人问世。

其中，P3高1600mm，宽600mm，厚550mm，重130kg，最高步速2km/h。

P3能够在斜面和不平地面上行走，可以上下楼梯和单腿站立。

ASMO高1200mm，宽450mm，厚440mm，重43kg，自由度分布为：

头部2，肩部3，肘部1，腕部1，手部1，髋部3，膝部1，脚2。

ASMO在行走能力上有所突破，由于采用了实时、智能的揉性行走技术，它可以实时预测下一步运动，在转向时能及时向内转移重心，避免了先停步再转向。

同时，ASMO能够识别50种不同的问候和日语问题并作出相应反应，也可以用肢体语言完成30种不同的日语动作命令。

d.索尼公司

索尼公司主要针对娱乐机器人进行研究，包括机器狗ABO和双足娱乐机器人QRD。

在行走方面，2003年12月推出的QRD能够在不平地面上动态步行，会跳舞。

若被人推一把，为避免摔倒会顺势向前并停止所有运动。

一旦失去平衡，会伸出胳膊、转动髋关节和放慢电机转速，这样可以减少摔倒时的振动和冲击。

摔倒后，能够重新站立起来。

作为娱乐机器人，QRD能够识别人的面孔、声音和与人对话，可以唱歌和表达情绪，并能记住陌生面孔和声音，通过立体视觉系统，能看到障碍物并判断出最佳避障路径。

1.4.3发展趋势

仿人机器人与轮式、履带式机器人相比有许多突出的优点和它们无法比拟的优越性，但是由于受到机构学、材料科学、计算机技术、控制技术、微电子学、通讯技术、传感技术、人工智能、数学方法、仿生学等相关学科发展的制约，至今基本上仍处于实验室研制的阶段，尤其是双足行走的速度、稳定性及自适应能力仍不是非常理想，只有在走稳走好之后再加上臂部执行机构和智能结构，才谈得上真正的仿人，当然，仿人不能仅仅局限于这些，还应该模仿人类的视觉、触觉、语言，甚至情感等功能，仿人机器人是许多技术的综合、集成和提高，目前，主要的攻关项目还是行走功能的进一步提高，日本本田公司生产的P3仿人机器人虽已走向市场化，但是，它的功能还很不限，离实际意义上的拟人化还有相当的一段距离，所以仿人机器人给科研工作者提供了广阔的研究空间，提出了一个又一个新的挑战，同时也促进了许多相关学科的发展，导致了一些新理论，新方法的出现，越来越多的科研工作者投入了这一新兴的前沿学科，以下是未来几十年仿人机器人的研制方向。

a.仿人机器人本体结构的改造

仿人机器人是一个多关节且具有冗余自由度的复杂的系统，如何实现预期功能而又使结构最优化是一个很值得研究的问题，一个功能齐全的智能仿人机器人必须得有一个结构紧凑、配置合理的机械本体，本田公司最新研制的“ASMO”就是一个典型的例子。

b.运动学和动力学求解理论和方法的发展

一个理想的步态规划对仿人机器人行走的稳定性是非常有益的，由于仿人机器人系统的高阶、强耦合及非线性，使得仿人机器人的运动学和动力学的精确求解非常困难，而且也没有非常理想的理论或方法来求解逆运动学解析，只有外加一些限制条件如能量消耗最小，峰值力矩最小来求解运动学和动力学的近似解，这往往导致了机器人的规划运动与实际运动有较大的出入，所以要得到理想的运动规划，则必须在运动学和动力学的求解方法上有重要的突破。

c.驱动源的改进

目前仿人机器人所用的驱动源主要有两种：

在线提供能源，离线自带电源。

理想的能源应该具有十分高的能量密度、耐高温、耐腐蚀、可再生、及成本等，但是现在的自配能源的容量有限，而机器人的关节众多，所以如何改进驱动源，使其体积小、重量小而又容量大，也是在仿人机器人的研制过程中必须解决的问题。

d.控制技术和集成技术的发展

仿人机器人的关节众多，控制电路比较复杂，要实现其真正的拟人化，并拥有其他一些人类并不具有的功能，其控制电路就愈加复杂，如何寻找更为优化的控制方案，优化控制结构，也引起了越来越多的科研工作者的注意，另外一个解决方案就是利用大规模集成电路，现在的集成电路生产技术已经到了相当高的水平。

e.智能技术和软件技术的发展

仿人机器人真正意义上的仿人是在双足行走和智能化毫无疑问，人类是当前世界上最智能化的生物，但要人类复制自己的智能到机器人身上可不是一个简单的事情，要使机器人获得足够的智能必须依赖于智能技术的发展，而现在的智能实现方法就是通过编制软件，再由计算机进行计算，机器人接受人的指令产生相应的操作；根据自己的学习完善自己的专家系统；自主辨别借助外界环境和工具，寻找解决方案，这些高度智能化的操作必需得有高度发展的智能技术及计算机软件实现技术作为基础。

1.5本课题要解决的主要问题及解决方案

本课题要解决的问题主要有以下五个：

a.机器人总体结构的确定；

b.手臂部分驱动方式的选择；

c.手臂部分驱动装置的位置确定；

d.手臂各关节自由度的确定；

e.提高机器人的运动精确性。

针对以上问题采用以下解决方案：

a.由于本机器人的总高范围为60-100mm，根据人体各部分比例，机器人的身高为80mm，肩宽为30mm，手臂长为40mm；

b.采用标准P型步进电机，功率、重量符合要求，转速底，从而所需的传动比小，简化了传动装置；

c.机器人的各部分用长方形盒子来连接，步进电机就放置在各个盒子里；

d.机器人的上身，用了9个自由度，分别是颈部的摆动，肩关节的摆动与转动，肘关节的摆动，腕关节的摆动；

e.调整齿轮间隙，轴与轴之间的位置偏差。

2总体方案设计

2.1仿人机器人臂手部结构的确定

为了研究仿人机器人手臂首先需要了解人体手臂的机构学特征。

人体的手臂由肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节、手等几部分组成。

根据仿人与运动的实际出发，现拟定该机器人上身共有9个自由度，其中，肩关节2个自由度，肘关节属于单轴关节，具有1个自由度，腕关节1个自由度，头部俯仰1个自由度。

从机构原理上划分，仿人手臂分为齿轮式、连杆式、绳索驱动式和肌腱式，目前的仿人机器人手臂主要采用齿轮式结构。

现拟定该机器人臂手部的传动方式为齿轮传动，齿轮式手臂具有机构紧凑、精度高、承载高等优点。

2.2仿人机器人上身尺寸的确定

仿人机器人机构的结构确定后，进一步根据操作任务的要求，确定与运动有关的机构尺寸参数，包括相邻关节的相对位置参数、关节运动极限参数，即进行机构的尺寸综合。

尺寸综合与仿人机器人手臂工作空间的要求密切相关。

结合人体上身的尺寸特征，并按照机械结构实现的具体要求，确定手臂尺寸为：

大臂长130mm,小臂长130mm，手长90mm，头高110mm。

2.3结构的设计

仿人机器人中的躯体部分有着连接手臂、头以及腿部的作用，并且必须留有安装空间，形状也类似于人，在我设计的仿人机器人中，肩部电机盒采用了长方形盒子，左右各一个，在每个电机盒的两侧面都打了4个螺钉孔，用2块板分别盖在电机盒的侧面，再用螺钉拧紧，就这样仿人机器人的躯体形成了。

同样，手臂部分也是用长方形盒子及连接板连接起来，形成整个手臂。

2.4仿人机器人自由度的确定

本次设计的仿人机器人上身为5个自由度包括头部的俯仰摆动，肩部的转动与摆动，肘部的摆动，腕部的摆动。

表2-1仿人机器人的基本参数

动

作

范

围

头俯仰

60º

30º/s

肩关节转动

360º

30º/s

肩关节摆动

180º

60º/s

肘摆动

180º

30º/s

腕摆动

90º

30º/s

2.5电机的选择

通常机器人的驱动方式有以下三种：

a.电动机驱动方式

电动机驱动是利用各种类型的电动机经过机械传动驱动机器人操作机以获得各种运动。

电力驱动因有不需能量转换、控制灵活、使用方便、噪声较低、启动力矩大等优点而在机器人中广泛选用。

b.液压驱动方式

液压是一种比较成熟的技术。

驱动力或驱动力矩大，即功率重量比大，也可把工作液压缸直接做成操作关节的一部分，实现直接驱动。

结构较简单、紧凑。

液压驱动方式中所使用的压力在0.5～14MPa之间，最高可达20～30MPa；但机器人中多采用0.6～7MPa，而且需配备压力源和复杂的管路系统。

容易发生泄露，影响工作的稳定性和运动精度，污染环境。

需定期更改液体介质。

所以制造成本、维护费用较高。

液体介质中易混入气泡，造成驱动系统刚性降低，使速度响应性和运动精度变坏。

c.气压驱动方式

使用的空气压力通常为0.4～0.6MPa，最高可达10MPa。

驱动系统管路结构简单，维修方便，造价低。

气源供应方便，不会造成泄露污染。

压缩空气在管路中的流速可达180m/s，因而动作速度快。

但由于气体的可压缩性，难以实现较高的位置精度和伺服控制。

运动的稳定性差，工作时有噪声。

电动机驱动系统有交、直流伺服电动机，步进电机和直接驱动电机四种。

步进电机可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。

仿人机器人的上肢，包括肩部、肘部、腕部及头部，它们都是辅助仿人机器人实现运动功能，再根据负载的要求不同，所以选择小功率的步进电机。

3机器人驱动装置的设计

对仿人机器人驱动装置的一般要求如下：

a.驱动装置的重量尽可能要轻，单位重量的输出功率（即功率/重量比）要符合要求，效率也要高；

b.反应速度要快，即要求力/重量比和力矩/惯量比要大；

c.控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；

d.经济上合理，尤其是要尽量减少所占空间；

e.安全可靠；

为了使仿人机器人的手臂转动，所需要的最大转距是当手臂呈水平状态，手臂各部分的尺寸和重量如图3-1所示

图3-1仿人机器人手臂重量分配

设大小臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为、、，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为:

（3-1）

式中：

，，——分别是各重心处的重量，值分别为0.4kg、0.25kg、0.25kg；

，，——分别是各重心到第一关节的距离，其值分别为72.5mm，217.5mm，290mm。

在式（3-1）中，、、，故、、可忽略不计。

所以绕第一关节轴的转动惯量为

（3-2）

将有关数据代入式（3-2）得

=

=

=

同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量

（3-3）

式中：

——小臂重心距第二关节轴的水平距离，其值为72.5；

——腕部重心距第二关节轴的水平距离，其值为145。

将有关数据代入式（3-3）得

=

=

=

3.1肩部步进电机的选择

设大臂速度为/s，则旋转开始时的转矩可表示如下

（3-4）

式中：

——旋转开始的转矩，；

——角加速度，。

机器人大臂的转速从到/s所需时间为，则

因所选电机转距必须大于，所以选择标准P型，即PK244PA型步进电机。

表3-1PK244PA型步进电机技术数据

型号

保持转距

（N·m）

转动惯量（kg·m）

额定电流

（A）

电压

（V）

基本

步距角

电机重量

（kg）

PK244PA

0．39

5710

1.2

4.8

1.8

0.3

3.2肘部步进电机的选择

机器人小臂的转速从到/s所需时间为，则

因所选电机转距必须大于，所以选择标准P型，即PK233PA型步进电机。

表3-2PK233PA型步进电机技术数据

型号

保持转距

（N·m）

转动惯量

（kg·m）

额定电流

（A）

电压

（V）

基本

步距角

电机重量

（kg）

PK233PA

0.16

2410

1.2

3.24

1.8

0.18

3.3腕部及头部电机选择

根据设计要求，取相同型号的电机，选标准P型，PK233PA型步进电机。

4.仿人机器人机械传动件的设计

4.1齿轮的设计

4.1.1肩部齿轮的设计与校核

由于机器人传动功率小，重量轻，所以大、小齿轮材料都采用PVC，铸造毛坯。

齿轮精度用7级，取小齿轮齿数为，传动比，则大齿轮齿数。

a.设计准则

对闭式软齿面齿轮传动，主要失效形式是齿面点蚀，故按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。

b.按齿根弯曲疲劳强度设计

（4-1）

式中：

齿宽系数，。

小齿轮传递的扭矩为

查图可得大、小齿轮的弯曲疲劳强度极限、，弯曲疲劳寿命系数、。

应力循环次数（4-2）

取定弯曲疲劳安全系数，应力修正系数，得

（4-3）

查表可得齿形系数、和应力修正系数、

计算大、小齿轮的与，并加以比较，取其中大值代公式计算

按小齿轮进行齿根弯曲疲劳强度设计，则

计算圆周速度

（4-4）

查表得使用系数；根据、7级精度，查图得；查图得。

则载荷系数

（4-5）

校核并确定模数

（4-6）

取模数。

计算齿轮传动的几何尺寸，见表4-1。

表4-1肩关节齿轮的几何尺寸

名称

符号

公式

分度圆直径

齿顶高

齿根高

全齿高

齿顶圆直径

齿根圆直径

基圆直径

齿距

齿厚

齿槽宽

中心距

顶隙

4.1.2肘腕部齿轮设计

齿轮采用PVC，齿轮精度等级为7级，取，则，经计算齿轮满足要求。

计算齿轮的几何尺寸，见表4-2。

表4-2肘腕部齿轮的几何尺寸

名称

符号

公式

分度圆直径

齿顶高

齿根高

全齿高

齿顶圆直径

齿根圆直径

基圆直径

齿距

齿厚

齿槽宽

中心距

顶隙

4.1.3头部齿轮的设计

齿轮采用PVC，齿轮精度等级为7级，取，则，经计算齿轮满足要求。

计算齿轮的几何尺寸，见表4-3。

表4-3头部齿轮的几何尺寸

名称

符号

公式

分度圆直径

齿顶高

齿根高

全齿高

齿顶圆直径

齿根圆直径

基圆直径

齿距

齿厚

齿槽宽

中心距

顶隙

4.2轴的设计与计算

4.2.1轴的结构设计

根据肩部电机输出扭矩，选择肩部轴的材料为PVC。

a.按扭转强度初估轴径

（4-7）

式中：

——为轴上的传递扭矩，其值为

（4-8）

许用剪切应力（4-9）

把有关数据代入公式4-7，得

b.各段轴径的确定

阶梯轴各轴段直径的变化应遵循下列原则：

①配合性质不同的表面，直径应有所不同；②加工精度、粗糙度不同的表面，一般直径亦应有所不同；③应便于轴上零件的装拆。

通常从初步估算的轴端最小直径开始，考虑轴上配