四足機器人系統(tǒng)設(shè)計

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聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 摘 要 四足機器人作為仿生機器人的一種 得到了廣泛的研究 行走機構(gòu)和轉(zhuǎn)彎機 構(gòu)是四足機器人最關(guān)鍵的部分 目前 行走機構(gòu)的研究大多采用在腿機構(gòu)的關(guān)節(jié) 處安裝伺服電機進行驅(qū)動 增加了機器人的重量和控制策略的難度 并且 機器 人本體大多是一個剛性整體 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)研究不足 為此 項目將四足機器人本體 作為一個柔性整體 采用三維建模軟件 Pro E4 0 設(shè)計了四足機器人的機械系統(tǒng) 提出了一種新穎的凸輪控制驅(qū)動式行走機構(gòu) 設(shè)計了一種腿機構(gòu)以及相應(yīng)的凸輪 控制驅(qū)動機構(gòu) 并初步設(shè)計了柔性轉(zhuǎn)彎機構(gòu) 在此基礎(chǔ)上 論文采用主從式控制 方式設(shè)計了四足機器人的控制系統(tǒng) 重點討論了以 8051 單片機為控制器的行走 機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計 關(guān)鍵詞 四足機器人 行走機構(gòu) 凸輪驅(qū)動 控制系統(tǒng) 三維設(shè)計 Abstract Quadruped robot as one of biomimetic robots has been extensively studied Travel agencies and institutions is a quadruped robot turning the key At the present servo motor is installed in the leg joints of the most travel agencies increasing the weight of the robot and the difficulty of the control system strategy And most of the robot is a rigid body as a whole and the research of the turning institutions is not fully studied For this purpose the project will take four legged robot whole body as a flexible rigid body and three dimensional modeling software Pro E4 0 is used for designing quadruped robot mechanical systems a new travel agency based on cam control drive is proposed a kind of leg mechanism and control of the corresponding cam drive mechanism is designed and a flexible turning institution is preliminary designed Based on this work the control system of the robot was designed Especially control systems of the stepped mechanism and the wheel mechanism were analyzed 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 i detailed Key words quadruped robot stepped mechanism cam drive control system three dimensional design 目 錄 1 引言 1 1 1 機器人及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 1 1 2 國內(nèi)外四足行走機器人得研究概況 2 1 3 機器人學(xué)主要涉及的學(xué)科內(nèi)容 4 1 4 課題簡介 5 2 機器人系統(tǒng)總體設(shè)計 6 2 1 機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 6 2 2 四足機器人研發(fā)流程 7 2 3 四足機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 3 四足機器人機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù) 10 3 1 機器人機械設(shè)計的內(nèi)容及特點 10 3 2 機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計 11 3 3 行走機構(gòu)的研究 13 3 4 行走機構(gòu)的設(shè)計計算 19 3 5 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的設(shè)計 24 3 6 腱機構(gòu) 28 3 7 機器人的外形設(shè)計 28 3 8 驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 29 4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 35 4 1 傳感器 35 4 2 控制器 36 4 3 控制系統(tǒng) 39 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 ii 5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 42 5 1 行走系統(tǒng)軟件設(shè)計 42 5 2 轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 43 總結(jié) 47 參考文獻 49 致謝 51 凸輪控制驅(qū)動式的四足機器人系統(tǒng)設(shè)計 1 引言 1 1 機器人及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 自從人類制造出了一電子計算機為代表的各種信息處理和計算的工具 進一 步拓展和延伸了人類大腦的功能 機器人的誕生和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 成為二十世 紀人類科學(xué)技術(shù)的重大成就之一 1920 年 捷克作家卡雷爾 佩克 Karel Capek 在其幻想情節(jié)劇 羅沙姆 的萬能機器人 中描述了一個名為 R U R 的工廠 將人類從繁重而乏味的工作中 解放出來 制造出一種與人類相似 但能不知疲倦工作的機器奴仆 取名 ROBOTA Robot 機器人 一詞由此演化而來 1960 年 美國 Unimation 公司根據(jù) Devol 的專利技術(shù)研制出了第一臺工業(yè)機 器人樣機 并定型生產(chǎn) Unimate 工業(yè)機器人 1962 年 美國的 General Motors 公司在壓鑄件生產(chǎn)線上安裝了第一臺工業(yè) Unimate 機器人 標志著第一代機器人 的正式誕生 在此后的五十多年里 機器人技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展 表 1 1 是近代 機器人發(fā)展的重大事件的時間表 1 時間 事件 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 iii 1954 年 1960 年 1968 年 1970 年 1978 年 1984 年 1998 年 2002 年 2006 年 George Devol 開發(fā)出第一臺可編程機器人 Unimation 公司推出第一臺工業(yè)機器人 第一臺智能機器人 Shakey 在斯坦福研究所 SRI 誕生 ETL 公司發(fā)明帶視覺的自適應(yīng)機器人 美國推出通用工業(yè)機器人 PUMA 這標志著工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)成熟 機器人 Helpmate 問世 該機器人能在醫(yī)院里為病人送飯 送郵件等 丹麥樂高公司推出機器人 Mind storms 套件 iRobot 公司推出吸塵機器人 Roomba 是世界上銷量最大的家用機器人 微軟公司推出的 Microsoft Robotics Studio 機器人模塊化 平臺化的趨勢 越來越明顯 比爾 蓋茨預(yù)言 家用機器人會很快席卷全球 1 2 國內(nèi)外四足行走機器人得研究概況 目前 常見的步行機器人以兩足式 四足式 六足式應(yīng)用較多 其中 四足 步行機器人機構(gòu)簡單且靈活 承載能力強 穩(wěn)定性好 在搶險救災(zāi) 探險 娛樂 及軍事等許多方面有很好的應(yīng)用前景 其研制工作一直受到國內(nèi)外的重視 本文 介紹了國內(nèi)外在機構(gòu)設(shè)計 步態(tài) 控制等方面已經(jīng)取得的進展 并分析了其中的 關(guān)鍵技術(shù) 最后 歸納總結(jié)了未來四足步行機器人的幾個發(fā)展趨勢 以期對以 2 后的研究工作具有指導(dǎo)作用 20 世紀 60 年代 四足步行機器人的研究工作開始起步 隨著計算機技術(shù)和 機器人控制技術(shù)的研究和應(yīng)用 到了 20 世紀 80 年代 現(xiàn)代四足步行機器人的研 制工作進入了廣泛開展的階段 世界上第一臺真正意義的四足步行機器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年 制作的 該機器人具有較好的步態(tài)運動穩(wěn)定性 但其缺點是 該機器人的關(guān)節(jié)是 由邏輯電路組成的狀態(tài)機控制的 因此機器人的行為受到限制 只能呈現(xiàn)固定的 運動形式 20 世紀 80 90 年代最具代表性的四足步行機器人是日本 Shigeo Hirose 實驗 室研制的 TITAN 系列 1981 1984 年 Hirose 教授研制成功腳部裝有傳感和信號 處理系統(tǒng)的 TITAN III 它的腳底部由形狀記憶合金組成 可自動檢測與地面接 觸的狀態(tài)姿態(tài)傳感器和姿態(tài)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感信息做出的控制決策 實現(xiàn)在不平 整地面的自適應(yīng)靜態(tài)步行 TITAN 機器人采用新型的直動型腿機構(gòu) 避免了 上樓梯過程中各腿間的干涉 并采用兩級變速驅(qū)動機構(gòu) 對腿的支撐相和擺動相 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 iv 分別進行驅(qū)動 2000 2003 年 日本電氣通信大學(xué)的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形 的機器人 Tekken IV 如 1 3 所示 它的每個關(guān)節(jié)安裝了一個光電碼盤 陀螺儀 傾角計和觸覺傳感器 系統(tǒng)控制是由基于 CPG 的控制器通過反射機制來完成的 Tekken IV 能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng)動態(tài)步行 顯示了生物激勵控制對未知 的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點 它的另一特點是利用了激光和 CCD 攝像機 導(dǎo)航 可以辨別和避讓前方存在的障礙 能夠在封閉回廊中實現(xiàn)無碰撞快速行走 目前最具代表的四足步行機器人是美國 Bostondynamics 實驗室研制的 BigDog 如圖 1 4 所示 它能以不同步態(tài)在惡劣的地形上攀爬 可以負載高達 52KG 的重量 爬升斜坡可達 35 其腿關(guān)節(jié)類似動物腿關(guān)節(jié) 安裝有吸收震動 部件和能量循環(huán)部件 同時 腿部連有很多傳感器 其運動通過伺服電機來控制 該機器人機動性和反應(yīng)能力都很強 平衡能力極佳 圖 1 3Tekken IV 圖 1 4 美國 機器騾子 國內(nèi)四足機器人研制工作從 20 世紀 80 年代起步 取得一定成果的研究機構(gòu) 有上海交通大學(xué) 清華大學(xué) 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 等 4 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 v 圖 1 5 JTUWM III 圖 1 6 清華大學(xué)四足機器人 上海交通大學(xué)機器人研究所于 1991 年開展了 JTUWM 系列四足步行機器人 的研究 1996 年該研究所研制成功了 JTUWM III 如 1 5 所示 該機器人采 3 用開式鏈腿機構(gòu) 每條腿有 3 個自由度 它采用力和位置混合控制 腳底裝有 PVDF 測力傳感器 利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合 實現(xiàn)了對角線動態(tài)行 走 但其步行速度較慢 極限步速僅為 1 7km h 另外 其負重能力有限 故在 實際作業(yè)時實用性較差 清華大學(xué)所研制的一款四足步行機器人 如圖 1 6 所示 它采用開環(huán)關(guān)節(jié)連 桿機構(gòu)作為步行機構(gòu) 通過模擬動物的運動機理 實現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運動 可 以自主應(yīng)付復(fù)雜的地形條件 完成上下坡行走 越障等功能 不足之處是腿運動 時的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜 而且承載能力較小 綜上所述 美國 日本的研究最具代表性 其技術(shù)水平已經(jīng)較為先進 實用 化程度也在逐步提高 國內(nèi)四足步行機器的研究起步比較晚 在上個世紀 90 年 代以后才逐步有了成果 但研究水平據(jù)世界先進水平還有差距 1 3 機器人學(xué)主要涉及的學(xué)科內(nèi)容 機器人學(xué)主要涉及控制論 仿生機構(gòu)學(xué)和人工智能三大基礎(chǔ)學(xué)科 1 人工智能 人工智能的研究 采用計算機科學(xué)的觀點和方法 撇開人腦的細微結(jié)構(gòu) 單 純進行人腦宏觀功能的模擬 人工智能是在 20 世紀 50 年代后半期 即電子計算 機的發(fā)展已具備各種復(fù)雜工作能力是形成的 2 電子技術(shù) 電子技術(shù)的進步 特別是微處理器 存儲器及大規(guī)模集成電路的發(fā)展 使得 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 vi 機器人的控制能力提高 而體積減小 另外 大容量晶體管 柵控閘流晶體管 場效應(yīng)管等電子元件的開發(fā) 促進了機器人伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展 3 傳感技術(shù) 這是涉及很多學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù) 機器人有視覺 聽覺和觸覺等感覺 相應(yīng)傳 感技術(shù)包括視覺系統(tǒng)的模式識別技術(shù) 環(huán)境的情景分析 三維位置測量技術(shù)和皮 膚的感覺 如觸覺 壓覺等力的感覺 其他還有語音識別和自然語言理解等 4 機械技術(shù) 機器人的手和足要能像人一樣靈活動作 必須要有精密靈巧的機械裝置 小 型高強度機械裝置的研制 對機器人手 足機構(gòu)的改進起到了很大的推動作用 5 仿生機構(gòu)技術(shù) 機器人作為一種擬人 動物 的自動機械裝置 就應(yīng)該像人 動物 一樣有 手腳 而且實現(xiàn)像人或動物一樣以步行方式行走是機器人學(xué)研究領(lǐng)域最重要的一 個方向 因此 必須進行行走步態(tài) 重心轉(zhuǎn)移 移動導(dǎo)向 穩(wěn)定步行等仿生問題 的研究 機器人還涉及到其他領(lǐng)域 如材料科學(xué) 心理學(xué)等其他學(xué)科 總之 機器人 學(xué)是一門綜合性的學(xué)科 它的發(fā)展和進步與其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān) 1 4 課題簡介 本課題所設(shè)計的是一種四足行走機器人 目前國際上對四足行走機器人的研 究相當熱門 技術(shù)也已相當成熟 主要集中在電子寵物機器人領(lǐng)域 如前所述的 日本及美國的機器狗 均標志著兩國在機器人和機器動物研制領(lǐng)域已處于世界領(lǐng) 先地位 由于現(xiàn)實世界中 狗占據(jù)著寵物的 霸主 地位 故本課題選擇狗的外形作 為四足行走機器人外形的參考模型 而且 狗作為人類的得力助手 在福利助殘 導(dǎo)盲犬 對付犯罪 緝毒犬 警犬等 等方面能發(fā)揮重要的作用 故本課題的研 究就具有重大的現(xiàn)實意義 本課題的研究重點是設(shè)計一種四足行走行走機構(gòu) 并設(shè)計了一種脊柱轉(zhuǎn)彎機 構(gòu) 以這兩種機構(gòu)為基礎(chǔ) 以狗外形作為外形參考模型 設(shè)計了一種四足行走機 器人 機器狗 本課題的主要任務(wù)是提供一個比較完善的行走機器人機械系統(tǒng) 為開發(fā)完整 的行走機器人系統(tǒng)提供硬件支持 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 vii 本課題所設(shè)計的機器人的腿機構(gòu)技術(shù)性能如下 腿機構(gòu)的自由度 3 個 機構(gòu)所含的運動副 轉(zhuǎn)動副 移動副 在支撐相 中 足端相對于機身運動狀況 理論上絕對水平勻速直線運動 支撐相相位角 3 2 懸空相 相位角 2 機構(gòu)的外形 具有哺乳動物腿的外形 本課題所設(shè)計的機器人技術(shù)性能如下 外形尺寸 895 808 322 電源 12V 鎘 鎳堿性蓄電池 運動形式 可前進 后退 左轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 步距 150mm 正常前進時 步行速度 可變 智能水平 無 待開發(fā) 負載 無 2 機器人系統(tǒng)總體設(shè)計 2 1 機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 機器人基本上是由機械本體結(jié)構(gòu) 伺服驅(qū)動系統(tǒng) 計算機控制系統(tǒng) 傳感系 統(tǒng) 通信接口等部分組成 1 機械本體結(jié)構(gòu) 從機構(gòu)學(xué)的角度來分析 機器人的機械結(jié)構(gòu)可以看作有一系列連桿通過旋轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié) 或移動關(guān)節(jié) 連接起來的開式運動鏈 步行機器人在運動過程中 各腿交替的呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài) 即支撐狀態(tài)和懸空 狀態(tài) 腿處于支撐狀態(tài)時 足端與地面接觸支持機體重量 并且推動機體前進 這種狀 態(tài)稱為支撐相 當腿處于懸空狀態(tài)時 足端抬離地面 向前邁步為下一個支撐相作準備 這種狀 態(tài)稱為懸空相 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 viii 2 關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng) 機器人本體機械結(jié)構(gòu)的動作靠的是關(guān)節(jié)驅(qū)動 機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動大多是基于 閉環(huán)控制的原理來進行的 常用的驅(qū)動單元是各種伺服電機 由于一般伺服電機的輸出轉(zhuǎn)速很高 1000r min 10000r min 因此 在電機與負載之間用一套傳動裝置來進行轉(zhuǎn)速和 轉(zhuǎn)矩的匹配 3 計算機控制系統(tǒng) 各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動的指令值由主計算機計算后在每個采樣周期給出 計算機通 過軌跡規(guī)劃 得到空間軌跡在各采樣時刻的數(shù)據(jù) 通過逆運動學(xué)計算把空間數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)變?yōu)楦麝P(guān)節(jié)的指令值 4 感知系統(tǒng)與通信接口 機器人要正常地進行工作 必須與周圍環(huán)境保持密切的聯(lián)系 除了關(guān)節(jié)伺服 驅(qū)動系統(tǒng)中供反饋用的位置 速度 加速度的傳感器 稱為機器人的內(nèi)部傳感器 機器人還可配備視覺 力覺 觸覺 接近覺等等多種類型的傳感器 稱為機器人 的外部傳感器 以及傳感信號的采集處理系統(tǒng) 2 2 四足機器人研發(fā)流程 四足行走機器人的研發(fā)流程如圖 2 1 所示 首先 采用虛擬樣機技術(shù) vitual prototype 利用三維造型軟件 5 PRO E 建立機器人機械部分的三維實體模型 然后利用動力學(xué)分析軟件 ADAMS 建立機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)模型 進行動力學(xué)仿真 與此同時 進行四足機器人的控制 驅(qū)動和傳感器子系統(tǒng)設(shè)計 最后 對機器人各個系統(tǒng)進 行集成 調(diào)試 根據(jù)調(diào)試的結(jié)果修改設(shè)計缺陷 對整個系統(tǒng)進行循環(huán)改進 直至 獲得最優(yōu)設(shè)計方案后 再制作物理樣機 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 ix 機構(gòu)設(shè)計 步態(tài)規(guī)劃設(shè)計 運動學(xué) 動 力學(xué)分析 控制子系統(tǒng)的設(shè)計 驅(qū)動子系統(tǒng)的設(shè)計 總體設(shè)計 建模仿真 兼容性分析 傳感器子 系統(tǒng)的設(shè) 計 加工物理樣機 圖 2 1 四足機器人的研發(fā)流程 任務(wù) 2 3 四足機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 任務(wù) 本課題并未要求規(guī)劃機器人的任務(wù) 因此 在本節(jié)系統(tǒng)規(guī)劃中將其納入機器 人系統(tǒng)中 但在后續(xù)設(shè)計中并不進行具體設(shè)計 環(huán)境 機器人的移動機構(gòu)形式取決于移動環(huán)境 廣義的移動環(huán)境包括氣體環(huán)境 液 體環(huán)境 固體環(huán)境和混合環(huán)境 本課題所設(shè)計的機器人的移動環(huán)境是陸上表面環(huán) 境 其特點是表面較硬 凹凸不平 有障礙 獨立 即環(huán)境不應(yīng)因機器人的運動 而改變 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)及相應(yīng)的軟件組成 計算機系統(tǒng)可由二級或三級組成 由主計算機完成智能控制功能 從計算機產(chǎn)生行走控制信號 本設(shè)計完成了從計算機子系統(tǒng) 實現(xiàn)了行走控制功能 調(diào)整優(yōu)化 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 x 任務(wù) 環(huán)境 機器人模型 環(huán)境模型 工作任務(wù)程序 控制算法 外部 傳感 器 行走機構(gòu) 轉(zhuǎn)彎機構(gòu) 減速機構(gòu) 動力裝置 伺服電機 接口電路 內(nèi)部傳感器 機器人控制系統(tǒng) 計算機語言 交互作用 2 2 機器人結(jié)構(gòu)框架圖 機器人本體 機器人本體主要由三個部分組成 動力裝置 伺服電機 減速裝置 執(zhí)行 機構(gòu) 行走機構(gòu) 轉(zhuǎn)彎機構(gòu) 通過內(nèi)部傳感器 光電編碼器等 將這三部分有 機地結(jié)合在一起 本課題中使用了直流伺服電機作為動力裝置 12V 蓄電池為系統(tǒng)提供能量 也使用了齒輪副作為二級 三級減速 使用了一種三自由度的平面關(guān)節(jié)式腿機構(gòu) 作為行走機構(gòu) 轉(zhuǎn)彎功能通過一種脊柱機構(gòu)完成 系統(tǒng)集成 要把以上四個部分結(jié)合在一起 構(gòu)成一個有機的機器人系統(tǒng) 完成了如下工 作 利用計算機語言將任務(wù) 告訴 控制系統(tǒng) 經(jīng)控制系統(tǒng)處理后 產(chǎn)生控制信 號 經(jīng)過接口電路 控制伺服電機動作 機器人在具體的環(huán)境中運動 與環(huán)境相 互作用 通過外部傳感器 將環(huán)境信息采集處理后傳輸給控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)指 導(dǎo)機器人如何動作 3 四足機器人機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù) 機構(gòu)設(shè)計是四足機器人系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ) 整體機械結(jié)構(gòu) 自由度數(shù) 驅(qū)動方 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xi 式和傳動機構(gòu)等都會直接影響機器人的運動和動力性能 同時四足機器人在機構(gòu) 設(shè)計除了需要滿足系統(tǒng)的技術(shù)性能外 還需要滿足經(jīng)濟性要求 即必須在滿足機 器人的預(yù)期技術(shù)指標的同時 考慮用材合理 制造安裝簡單以及可靠性高等問題 3 1 機器人機械設(shè)計的內(nèi)容及特點 所謂 機械 經(jīng)典的定義就是 按確定的位置相互聯(lián)結(jié) 并按一定的規(guī)律 相對運動的機構(gòu)或零件的組合體 通過這種組合可以達到減輕或代替人的勞動 完成有用的機械功或轉(zhuǎn)換機械能的目的 機器人的機械設(shè)計與一般的機械設(shè)計 相比 許多方面是類似的 但是也有不少特殊之處 首先 從機構(gòu)學(xué)的角度來分析 機器人的機械結(jié)構(gòu)可以看作有一系列連桿通 過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 或移動關(guān)節(jié) 連接起來的開式運動鏈 開鏈結(jié)構(gòu)使得機器人的運動 分析和靜力分析復(fù)雜化 兩相鄰連桿坐標系之間的位姿關(guān)系 手臂末端操作器的 位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系 末端操作器上的受力和各關(guān)節(jié)力矩 或力 之間 的關(guān)系等 均不是一般機構(gòu)分析方法能解決得了的 而要建立一套針對空間開鏈 機構(gòu)的特殊的運動學(xué) 靜力學(xué)分析方法 末端的位置 速度 加速度和各關(guān)節(jié)力 矩 或力 之間的關(guān)系是動力分析的主要內(nèi)容 在開鏈結(jié)構(gòu)中 每個關(guān)節(jié)的運動 受到其他關(guān)節(jié)運動的影響 作用在每個關(guān)節(jié)上的重力負載和慣性負載隨著手臂的 形位變化 在高速情況下 還存在不容忽視的力心理和哥氏力的影響 因此 嚴 格地講 機器人是一個多輸入多輸出的非線性的強耦合的位置時變的動力學(xué)系統(tǒng) 動力學(xué)分析十分復(fù)雜 即使經(jīng)過一定程度的簡化 也區(qū)別于一般的機構(gòu)分析方法 其次 機器人的開鏈結(jié)構(gòu)形式比期一般機構(gòu)來說 雖在靈巧性和空間可達性 等方面要好得多 但是由于開鏈結(jié)構(gòu)相當于一系列懸臂桿件串聯(lián)在一起 機械誤 差和彈性變形的累積 使機器人的剛度和精度大受影響 也就是說 這種形式的 機器人在運動傳遞上存在先天的不足 一般機械設(shè)計主要是強度設(shè)計 機器人的 機械設(shè)計既要滿足強度要求 又要考慮剛度和精度設(shè)計 為了克服開鏈機構(gòu)的缺 陷 目前已發(fā)展了基于閉鏈結(jié)構(gòu)的機器人 再次 機器人的機械結(jié)構(gòu) 特別是關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng) 使整個機器人伺服系統(tǒng)中 的一個組成環(huán)節(jié) 因此 機器人的機械設(shè)計具有機電一體化的特點 比如 一般 機械對運動部件的慣量控制只是從減少驅(qū)動功率著眼的 而對機器人來說 常從 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xii 縮短機電時間常數(shù) 提高機器人的快速響應(yīng)能力這一角度出發(fā)來控制慣量的 再 如 一般的機械設(shè)計中控制機械諧振頻率是為了保證不破壞 而在機器人上 是 從運動的穩(wěn)定性 快速性等伺服性能角度來控制機械諧振頻率的 5 此外 與一般機械的設(shè)計相比 機器人的機械設(shè)計在結(jié)構(gòu)的靈巧性 緊湊性 等方面有更高的要求 3 2 機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計 對于行走機器人來說 總體機械結(jié)構(gòu)可分為三大部分 行走機構(gòu) 轉(zhuǎn)彎機構(gòu) 動力傳輸機構(gòu) 伺服驅(qū)動系統(tǒng) 四足行走機器人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖 3 6 1 機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維實體圖 3 2 1 后腿髖關(guān)節(jié) 2 脊柱 3 螺旋齒輪 4 二級減速齒輪 5 諧波齒輪減速器 6 聯(lián)軸節(jié) 7 前腿髖關(guān)節(jié) 8 大腿 9 膝關(guān)節(jié) 10 小腿 11 伺服電機 12 膝關(guān)節(jié)凸輪 13 髖關(guān)節(jié)凸輪 14 主凸輪 圖 3 1 機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 設(shè)計說明 1 脊柱中有四根鋼絲 拉放這四根鋼絲 可使脊柱在空間任意彎曲 從 而使機體具有柔性 拉放左右兩根鋼絲 可使機體左右轉(zhuǎn)彎 2 腿的運動過程如下 伺服電機 11 的輸出通過諧波齒輪減速器 5 二級 減速齒輪 4 螺旋齒輪副 3 減速 使膝關(guān)節(jié)凸輪 髖關(guān)節(jié)凸輪 主凸輪轉(zhuǎn)動 這些凸輪相互配合使腿按照一定的規(guī)律運動 從而實現(xiàn)機體的運動 3 前后兩腿通過聯(lián)軸節(jié) 6 聯(lián)接 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xiii 3 3 行走機構(gòu)的研究 3 3 1 概述 在行走機器人機械系統(tǒng)設(shè)計中 最重要的是行走機構(gòu) 腿 的設(shè)計 因此 對行走機構(gòu)進行研究很有必要 從仿生學(xué)的角度出發(fā) 我們將行走機構(gòu)稱為 腿 在行走機器人研究中 人們多是著力于讓機器采用類似于動物的腿的機構(gòu) 即關(guān)節(jié)式機構(gòu) 3 3 2 腿機構(gòu)的基本要求 從運動角度出發(fā) 在行走過程中 一般要求處于支撐狀態(tài)的足端 貼在地面 的足端 相對于機身走直線軌跡 這樣才不至于因機身重心上下波動而消耗不必 要的能量 同時有利于各支撐足驅(qū)動時的協(xié)調(diào)運動和機身姿態(tài)的控制 為了使行 走機器人能在不平的地面上行走 以及腿復(fù)位的需要 腿的伸長 即足端相對于 機身的高度 應(yīng)該是可變的 從機器人整體的行走性能出發(fā) 一方面要求機體能走出直線運動或平面曲線 軌跡 在嚴重崎嶇不平地面 另一方面要求能夠轉(zhuǎn)向 當前進運動和轉(zhuǎn)向運動 均由腿的運動完成時 腿機構(gòu)應(yīng)不少于三個自由度 并且足端具備一個實體的工 作空間 當機體的運動由腿機構(gòu)之外的其他獨立的轉(zhuǎn)向機構(gòu)完成時 腿機構(gòu)可以 是兩自由度的平面機構(gòu) 當機器人機體的推進和轉(zhuǎn)向運動均由復(fù)合機架完成時 圖 3 2 機器人機械結(jié)構(gòu)三維實體 圖 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xiv 只要求單自由度的伸縮腿機構(gòu) 行走機器人的腿在行走過程中交替地支撐機體的重量 并在附中狀態(tài)下推進 機體向前運動 因此 腿機構(gòu)必須具備與整機重量相適應(yīng)的剛性和承載能力 只 有這樣 在不至于患 軟骨病 3 3 3 四足動物行走的特點 四足動物 如狗 正常行走 非奔跑狀態(tài) 時 四條腿的協(xié)調(diào)動作順序一般 按對角線原則 即如左前腿 右后腿 左后腿 右前腿 左前腿 如此循環(huán) 下去 在每一時刻 至少有三條腿著地 支撐著機體 即最多只有一條腿抬起 腳掌離地 因此 對于每條腿的運動來說 腳掌離地時間與著地時間之比為 1 3 3 3 4 四足行走機器人腿機構(gòu)的要求 根據(jù)如前所述的腿機構(gòu)的基本要求以及四足動物行走的特點 對四足行走機 器人腿機構(gòu)提出如下要求 7 1 腿的足端部相對于機體的運動軌跡形狀應(yīng)如 直線段對應(yīng)的就是 足支撐機體的運動軌跡 支撐相 曲線段對應(yīng)的是腳掌離開地面部分的足端運 動軌跡 懸空相 2 為了不至于使機器人在運動的過程中 因機體上下顛簸而消耗不必要的 能量 應(yīng)保證要求 1 中的直線段有一定的直線度 3 為了不至于使機器人在運動的過程中 因支撐機體的三條腿的足端運動 速度不相等而產(chǎn)生摩擦 而消耗不必要的能量 應(yīng)保證足端在要求 1 中的直線段 上勻速運動 4 對于要求 1 中曲線段 沒有形狀要求 但對其最高點有要求 即其高度 決定了機器人在起伏不平的地面上的通過能力 5 在要求 1 中 足端通過直線段的時間是通過曲線段的時間的 3 倍 即支 撐相的相位角 為 3 2 懸空相的相位角為 2 6 按要求 1 5 設(shè)計的機器人的四條腿的協(xié)調(diào)動作順序應(yīng)遵循對角線原則 先后動作的兩條腿的相位相差 2 本文相位角指的是凸輪的相位角 凸輪一周的相位角為 2 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xv 3 3 5 腿機構(gòu)的形式 為了滿足 3 3 4 中所設(shè)計的要求 1 4 提出一種三自由度 2的的平面機構(gòu) 8 如圖 3 3 所示 來作為四足機器人的腿機構(gòu) 從仿生學(xué)的角度來說 我們可以將圖 3 3 中的 BC 為稱為小腿 B 為大2O 腿 稱 為髖骨 稱 B 為膝關(guān)節(jié) 稱 為髖關(guān)節(jié) 下面對應(yīng)的各參數(shù) 21O2O E 髖關(guān)節(jié)偏距 小腿長 1h 大腿長 2h S 步長 髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角 1 步距角 2 自由度的計算 低副 轉(zhuǎn)動副和移動副 提供兩個約束 高副 提供一個約束 自lp hp 由度計算公式為 其中活動構(gòu)件的數(shù)目為 n 4 轉(zhuǎn)動副 3 個 2 31nF 4 l 移動副一個 故 F 3 h 由于在支撐相 2由足端所處位置決定 即由步距決定 故稱 2為步距角 圖 3 3 三自由度腿的平面機構(gòu) 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xvi 膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角 3 該機構(gòu)完成滿足 3 3 4 中所述要求的運動的機理如下 先令髖關(guān)節(jié)及膝關(guān) 節(jié)不動 即 0 0 只向右移動移動關(guān)節(jié) A 則足端 C 沿著以 O2 為圓心 13 以 h1 h2 半徑的圓弧移動 若關(guān)節(jié) A 勻速移動 則 B C 與圖 3 2 中虛線軌跡的 直線段的交點也勻速運動 再令髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動 使足端 C 運動到上述的 交點 這就滿足了 3 3 4 中的要求 2 3 再令移動關(guān)節(jié) A 向左快速移動 移 動行程與向右移動行程相等 但移動時間為向右移動時間的 1 3 并是足端 C 沿 著圖 3 2 中虛線軌跡的曲線段運動 至此 滿足了 3 3 4 中所述的所有要求 3 3 6 各參數(shù)關(guān)系 控制函數(shù) 為了使圖 3 3 所示機構(gòu)的足端 C 能按圖中虛線所示軌跡運動 并滿足 3 3 4 中所述的所有要求 必須求出各參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系 對圖 3 3 所示的 機構(gòu)進行分析 可知只需知道 及 的函數(shù) 即可對足端 C 的空間位置1 23 進行控制 及 的函數(shù)即為控制函數(shù) 1 23 7 為更方便地求 及 的函數(shù)關(guān)系 先將圖 3 3 所示的機構(gòu)簡化成圖 3 2 4 所示 按 3 3 4 所述的所有要求 當腿機構(gòu)處于支撐相時 腿機構(gòu)中各參數(shù)必 須滿足某種嚴格的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系 而當腿機構(gòu)處于懸空相時 腿機構(gòu)各參數(shù)沒有 特殊的函數(shù)關(guān)系 從控制的角度來說 當腿機構(gòu)處于支撐相時 需進行連續(xù)控制 當腿機構(gòu)處于懸空相時 只需進行點位控制 求 及 的函數(shù)關(guān)系 是機器人運動學(xué)求逆解問題 1 23 9 都滿足如下條件 2 2 22arctn ccyxS 式 1 即為 五 中所述的約束條件 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xvii 圖 3 4 當約束條件 1 確定時 求 的函數(shù)關(guān)系就相當于平面二桿機器人1 3 的運動學(xué)逆解問題 二桿為 和 BC BO 運動學(xué)正解可以通過平面幾何確定 12121213 cos cos inin cOBxl hOByB 1 根據(jù)余弦定理 221112cos OBlhEOB 根據(jù)正弦定理 212sinsin OBl 運動學(xué)逆解就是給定 求解 和 運動學(xué)逆解問題本來極為cXY13 復(fù)雜 但經(jīng)過上述化簡后 在如圖 3 3 b 所示極坐標系 r 中利用解析幾 何及平面幾何的知識 可得 1arctn yx r2 xc2 yc2 22os OBOBlhl 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xviii 2 112OB 22arcos OBlhrlh 3 3 式 1 3 就是控制腿機構(gòu)在支撐相中運動所需的函數(shù) 在懸空相中不能通過上述方法求得 由于只需對足端進行點位控制 故只需知 道一些特殊點的 及 有多種方法可以求得這些點的 及 本設(shè)1 23 1 23 計中利用 PRO E 中的草繪 測得 15 個點的 及 的值 如下表所示 1 23 序號 1 4 2 8 3 12 4 15 5 17 6 19 7 20 8 22 9 23 10 25 11 26 12 27 13 29 14 30 15 31 表 3 1 具體的測量方法如圖 3 5 所示 下部布置了十五個點 此圖為第一個點的測 量實例 其他各點測量方法類似 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xix 圖 3 5 懸空相測點圖 3 4 行走機構(gòu)的設(shè)計計算 根據(jù)上一節(jié)的研究結(jié)果 現(xiàn)在進行本課題行走機構(gòu)的具體設(shè)計 3 4 1 控制方式選擇 由上一節(jié)可知 要控制行走機構(gòu)的行走過程 必須對 及 進行1 23 控制 一般有三種控制方式 電氣控制 液壓控制和純機械控制 電氣控制即利用伺服電機作為執(zhí)行裝置 由控制器 如單片機 按照控 制函數(shù)對應(yīng)的控制算法 產(chǎn)生控制信號 其特點是重量輕 體積小 系統(tǒng)具 有柔性 液壓控制即利用液壓缸或液壓馬達作為執(zhí)行裝置 由控制器 如單片機 按照控制函數(shù)對應(yīng)的控制算法 產(chǎn)生控制信號 其特點是功率大 運行平穩(wěn) 系統(tǒng)具有一定的柔性 純機械控制即利用一些機構(gòu)來實現(xiàn)控制 其特點是簡單 功率較大 柔 性差 對于本課題 由于每條腿有 及 三個參數(shù)需要控制 四條腿就1 23 有 12 個參數(shù)要控制 即若選擇電氣控制 就需 12 部伺服電機 再加上與這 些電機匹配的減速器 電氣控制的重量輕 體積小的特點就顯示不出來了 若選擇液壓控制 就需 12 個液壓缸 液壓馬達 再由于行走過程的顛簸 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xx 液壓控制也不太適合 因此 本課題使用凸輪機構(gòu)來實現(xiàn)這 12 個參數(shù)的控制 3 4 2 參數(shù)選擇 由于本課題所設(shè)計的機器人是以狗的外形作為參考模型 因此 腿機構(gòu)的尺 寸參數(shù)如下 髖關(guān)節(jié)偏距 E 50 mm 小腿長 mh201 大腿長 8 步長 S 150 mm 其中 步長 S 是正常行走時的尺寸 轉(zhuǎn)彎或遇到非常狀態(tài)時 步長應(yīng)是可變 的 為了使步長 S 可變 參考 3 3 6 中的控制函數(shù)的推導(dǎo)過程 應(yīng)使髖骨長 E 可變 二者關(guān)系見下一節(jié) 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的設(shè)計 3 4 3 具體設(shè)計 如前述 使用凸輪機構(gòu)來實現(xiàn) 及 這 3 個參數(shù)的控制 因此設(shè)計的1 2 重點就是凸輪機構(gòu)的設(shè)計 1 的控制 髖關(guān)節(jié)凸輪 髖關(guān)節(jié)凸輪控制 的機理如 3 6 1 圖 3 6 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)原理圖 根據(jù)平面幾何的知識 凸輪的從動件的運動規(guī)律為 11tan sE 所以 凸輪輪廓線上的點的直角坐標值 X Y 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxi 1 cosinoxry 4 其中 支撐相中的 由公式 1 確定 3 3 6 懸空相中的 表 3 1 確1 1 定 見 3 3 6 由公式 4 只能得到髖關(guān)節(jié)凸輪的理論輪廓曲線 實際輪廓曲線是以理論 輪廓曲線上各點為圓心 以滾輪半徑為半徑的一族圓的內(nèi)包絡(luò)線 通過上面的理論分析 在 PRO E 中建立模型并畫出髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實體模 型 通過實時渲染后的三維截圖 如圖 3 7 所示 10 圖 3 7 髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實體圖 注 具體的凸輪繪制方法見附錄 2 的控制 主凸輪 主凸輪控制 的機理是將圖 3 3 中移動關(guān)節(jié) A 沿 AO 1 移動的運動規(guī)律作為2 凸輪從動件的運動規(guī)律 凸輪機構(gòu)如圖 3 8 所示 圖 3 8 主凸輪結(jié)構(gòu)原理圖 如上節(jié)所述 移動關(guān)節(jié) A 的運動規(guī)律是沿 AO 1 勻速移動 所以主凸 輪的從動件的運動規(guī)律為 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxii 23 bs 其中 從動件位移 2S b 移動關(guān)節(jié) A 的運動行程 凸輪軸的轉(zhuǎn)角 為凸輪的轉(zhuǎn)向系數(shù) 當凸輪轉(zhuǎn)向為順時針時 1 當凸輪轉(zhuǎn) 向為逆時針時 1 以下將求出主凸輪的輪廓 由圖 3 9 根據(jù)平面幾何學(xué)的知識 可得凸輪從動件平底的直線方程為 21211 cos sin tan o oyrxr 它是以 為參數(shù)的直線族 而凸輪輪廓線是以該直線族的包絡(luò)線 由微分幾 何得知 以 為參數(shù)的曲線族的包絡(luò)線方程為 圖 3 9 主凸輪的輪廓圖 其中 f X Y 0 是曲線 族的方程 X Y 是包絡(luò)線上的點的直角坐標 值 所以 凸輪輪廓線方程為 即得凸輪輪廓線上的點的直角坐標值 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxiii 其中 由于式 4 中有一個變量 1 支撐相中的 1 由公式 1 確定 3 3 6 懸空相中的 1 表 3 1 確定 3 3 6 通過上面的理論分析 在 PRO E 中建立模型并畫出髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實體模 型 通過實時渲染后的三維截圖 如圖 3 10 所示 圖 3 10 主凸輪三維實體圖 3 的控制 膝關(guān)節(jié)凸輪 膝關(guān)節(jié)凸輪控制 的機理如 3 11 根據(jù)幾何知識 膝凸輪從動件的運動規(guī)3 律為 1332Rrs 所以 凸輪輪廓線上的點的直角坐標值 X Y 6 其中 支撐相中的 由公式 3 確定 3 3 6 懸空相中的 表 3 1 確定 3 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxiv 3 3 6 由公式 6 只能得到膝關(guān)節(jié)凸輪的理論輪廓曲線 實際輪廓曲線是以理論 輪廓曲線上各點為圓心 以滾輪半徑為半徑的一族圓的內(nèi)包絡(luò)線 圖 3 11 通過上面的理論分析 在 PRO E 中建立模型并畫出髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實體模型及其 相關(guān)聯(lián)的零件圖 組裝成 ASM 文件圖 如圖 3 12 所示 1 圖 3 12 齒輪齒條與凸輪配合的三維實體總裝圖 3 5 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的設(shè)計 如本章第一節(jié)總體設(shè)計所述 可利用脊柱機構(gòu)來實現(xiàn)機體的轉(zhuǎn)彎 脊柱機構(gòu)由脊骨 關(guān)節(jié)和腱構(gòu)成 如下圖 7 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxv 圖 3 13 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖 3 5 1 控制函數(shù) 1 脊柱彎曲控制函數(shù) 6 假設(shè)脊柱有 n 節(jié)脊骨 由于受力情況相似 可認為對于每節(jié)脊骨均有 i 則腱的伸縮量為 1 12ta 2nhr 其中 h1 內(nèi)側(cè)腱的伸縮量 h2 外側(cè)腱的伸縮量 r 腱到脊柱軸線的距離 若轉(zhuǎn)彎角不超過 45 脊骨多于 6 節(jié) 即 5 則 2 12hrn 令 為轉(zhuǎn)彎角 轉(zhuǎn)彎時機體的圓周角 則 3 1n 那么 脊柱彎曲控制函數(shù)為 4 12hr 2 步長控制函數(shù) 當機體按圖 5 所示軌跡轉(zhuǎn)彎時 有 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxvi 圖 3 14 機器人機體轉(zhuǎn)彎軌跡 5 12aBR 其中 B 左右兩腿足端距離 體寬 軌跡對應(yīng)的一節(jié)脊骨的偏角 則內(nèi)側(cè)與外側(cè)步長之比為 12SRaB 6 其中 S1為外側(cè)腳步長 S2為內(nèi)側(cè)腳步長 又 7 12 bhsE 其中 b 圖 3 中關(guān)節(jié) A 到關(guān)節(jié) O1的距離 h1 小腿長 h2 大腿長 E 髖關(guān)節(jié)偏距 故 8 12aB 其中 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxvii E1 外側(cè)腿髖關(guān)節(jié)偏距 E2 內(nèi)側(cè)腿髖關(guān)節(jié)偏距 假設(shè)外側(cè)腿髖關(guān)節(jié)偏距的增量與內(nèi)側(cè)腿髖關(guān)節(jié)偏距的減少量相等 即 0122eaB 9 其中 E0 正常行走時髖關(guān)節(jié)偏距 e 髖關(guān)節(jié)偏距增量 由公式 9 可得 0EBea 10 因為 1n 11 12 aL 其中 L 脊柱的長度 n 脊柱的節(jié)數(shù) 故 步長控制函數(shù)為 01EBenL 13 由上述理論分析可以設(shè)計出相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎機構(gòu) 在 PRO E 中建立三維模型的各 個零件 然后通過建立組件 ASM 文件即轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的總裝圖 可以看到組成后的轉(zhuǎn)彎 機構(gòu) 如圖 3 15 所示 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxviii 圖 3 15 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)總裝圖 3 5 2 控制方式 由于 h1 h 2 e 均正比于 用一部伺服電機即可實現(xiàn)這三個參數(shù)的控制 然而 為了使機器人在不轉(zhuǎn)彎時也能調(diào)整步長 可用三部伺服電機控制 一部控 制脊柱中的腱 h 1 h2 另外兩部電機分別控制左右兩側(cè)的髖關(guān)節(jié)偏距 E 3 6 腱機構(gòu) 圖 3 16 腱機構(gòu)的原理圖 如圖 3 16 所示 腱的工作原理為 腱的兩端的端套與機體連接 固定不動 管套是根橡膠管 可任意彎曲 筋是根鋼絲 筋可以在管套中自由移動 筋的一 端的移動必然引起另一端的移動 若不考慮鋼絲的彈性 則稱為 剛性腱 若考 慮鋼絲的彈性 稱為 彈性腱 由于彈性腱比較復(fù)雜 使用的腱均為剛性腱 3 7 機器人的外形設(shè)計 本課題中機器人外形的設(shè)計屬于工業(yè)設(shè)計的范疇 而一個產(chǎn)品的設(shè)計通過 外觀線型的塑造 細節(jié)的刻畫 色調(diào)品味等元素的共性化處理 在人們的心目中 會建立起風格和特色鮮明的一個形象 12 本課題選擇以狗的外形作為設(shè)計的藍本 力求使設(shè)計的產(chǎn)品能夠吸引人們的 眼球 獲得人們的關(guān)注 機器狗的外形如圖 3 17 所示 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxix 圖 3 17 機器狗的外形設(shè)計圖 3 8 驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 驅(qū)動系統(tǒng)在仿生機器人中的作用相當于生物的肌肉 它通過直接或間接轉(zhuǎn)動 腿部的各關(guān)節(jié)來改變機器人的姿態(tài) 驅(qū)動系統(tǒng)必須有足夠的功率對關(guān)節(jié)進行加減 速并帶動負載 而且自身必須輕便 經(jīng)濟 精確 靈敏 可靠且便于維護 3 8 1 電機的選擇 為了滿足四足機器人行走時的各項要求 其驅(qū)動電機的選擇至關(guān)重要 它與 機器人運動功能的實現(xiàn) 控制硬件的配置 電源能量的消耗 系統(tǒng)控制的效果都 有很大的關(guān)系 首先必須考慮電機能夠提供負載所需的瞬時轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速 此外 其他方面的諸多因素也需要加以考慮 但在多種影響因素中 主要的因素有以下 幾點 1 電機用于何種產(chǎn)品 做何種驅(qū)動 該產(chǎn)品是維修還是開發(fā)生產(chǎn) 預(yù)計批 量 了解電機應(yīng)用對于選型至關(guān)重要 可以通過其它類似項目的經(jīng)驗做出準確的 選型 同時可以通過對產(chǎn)品市場類型 批量潛力的判斷 來確定那些方案可行 2 電機與傳動機構(gòu)的配合結(jié)構(gòu) 一套好的運動控制方案除了選擇合適的電 機 還需要合理設(shè)計傳動機構(gòu) 絲杠導(dǎo)程的選取 齒輪的傳動比 皮帶輪的直徑 除了考慮機械結(jié)構(gòu)的緊湊 還應(yīng)與電機與控制方案聯(lián)合考慮 一次隨意性的絲杠 導(dǎo)程選取 可能讓您的電機與控制系統(tǒng)增加一倍的價格 而一旦有經(jīng)驗的銷售工 程師了解到您的傳動機構(gòu) 他可以為您提供整套系統(tǒng)配搭的方案 保證系統(tǒng)的完 美組合 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxx 3 電機的工作狀況 電機在不同的機器中工作狀況大不相同 因此需要選 擇不同種類的系統(tǒng) 比如有的電機僅是在 1200rpm 高速運行 有的只在 100rpm 以下低速工作 有的是每分鐘 80 次快速起停 而有的要求從 2 5 360 度 秒連續(xù) 可調(diào)且不能有抖動 每一種要求都牽涉到不同的電機選擇以及驅(qū)動器甚至控制方 式的選擇 所以有必要詳細了解電機的工作狀況 4 電機的負載情況 這包括電機的負載類型 是恒定負載還是變化負載 電機力矩轉(zhuǎn)化為直線推力 或是旋轉(zhuǎn)帶動大慣量負載 電機負載隨轉(zhuǎn)速變化嗎 如果可能 推算一下電機在正常工作速度范圍內(nèi)所需的力矩 5 伺服系統(tǒng)的價格 供貨期 樣品庫存 最低定貨量等 這些非技術(shù)因素 也是完美方案的一個不可缺少的部分 由于行走機構(gòu)在支撐相中足端水平運動 行走過程機器人機體水平勻速直線 運動 因此理論上在水平地面上行走不消耗能量 因此 依據(jù)運動消耗功率來確 定電機容量不太可行 因此 主電機容量只能按如下方法估計 從本課題設(shè)計的機器人的外形和材料 硬質(zhì)塑料 來看 機器人的重量大概 為 15 kg 設(shè)機器人能以 0 5 m s 的速度 沿坡度為 30 的坡行走 則機器人的 功耗為 P mgvtg230 15 9 8 0 5 tg230 24 5 w 功率 40 W 電壓 24 V 電流 2 2 A 轉(zhuǎn)速 3000 r min 轉(zhuǎn)矩 0 13 N m 外形尺寸 總長 96 mm 外徑 55 mm 軸徑 6 mm 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxi 圖 3 18 行走機構(gòu)驅(qū)動電機圖 轉(zhuǎn)彎伺服系統(tǒng)可使用功率更小的電機 查參考文獻 14 可得 30SZWT 型永 磁直流穩(wěn)速電動機滿足要求 其技術(shù)性能數(shù)據(jù)如下 功率 6 5 W 電壓 26 V 電流 0 85 A 轉(zhuǎn)速 9000 180 r min 轉(zhuǎn)矩 7 mN m 重量 200 g 外形尺寸 總長 77 5 mm 外徑 30 mm 軸徑 6 mm 圖 3 19 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)驅(qū)動電機圖 3 8 2 傳動設(shè)計 步行四足機器人根關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置為電機 齒輪減速 根關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動有一級 齒輪進行減速 而髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置中除了采用上述的減速外 還增加 了一級錐齒輪傳動 將經(jīng)減速器主軸傳出的旋轉(zhuǎn)運動改變方向 使得傳動的輸出 軸線和腿部中心線重合 以適應(yīng)四足行走機器人腿部細長的外形結(jié)構(gòu) 如下圖 3 20 所示為一級直齒齒輪傳動副的三維實體模型 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxii 圖 3 20 一級直齒齒輪傳動副的三維實體模型 需要指出四足步行機器人傳動系統(tǒng)選用錐齒輪 傳動副主要出于以下考慮 一 方面用于相互垂直的軸線間的運動傳遞 以改變電機輸出運動的方向 另一方面 錐齒輪的傳動具有運轉(zhuǎn)平穩(wěn) 誤差小 噪聲小等特點 但同時考慮到設(shè)計及其加 工制造的因素 故采用直齒錐齒輪進行傳動 如下圖 3 21 所示錐齒輪傳動副三 維實體模型 圖 3 21 錐齒輪傳動副三維實體模型 3 8 3 軸承的選擇 四足行走機器人的運動是靠運動副 關(guān)節(jié) 的正常工作來實現(xiàn)的 因此運動 副的摩擦性能對機器人的工作性能影響很大 采用什么樣的軸承 提供什么樣的 潤滑 如何保持良好的工作條件 這些都對機器人的正常工作起著非常重要的作 用 不同結(jié)構(gòu)的軸承具有不同的工作特性 不同的使用場合和安裝部位對軸承的 結(jié)構(gòu)和性能也有不同的要求 選擇軸承時 通常都是從軸承的有效空間 承載能 力 速度特性 調(diào)心性質(zhì) 運轉(zhuǎn)精度和疲勞壽命等方面進行綜合考慮 在為本課 題的四足行走機器人選擇軸承時 還要重視下面兩個因素 1 由于微小型系統(tǒng)自身的能量非常有限 如果能夠通過選取合適的軸承 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxiii 來減小摩擦力矩 降低系統(tǒng)的能耗 這對節(jié)省機器人總系統(tǒng)彌足珍貴的能量是十 分有利的 同時也提高了機器人的工作效率 2 對四足行走機器人的控制需要完成預(yù)定的運動以外 還要求達到規(guī)定 的定位精度 但加工 制造 安裝及使用過程中存在的各種偏差都會影響機器人 各控制任務(wù)的執(zhí)行 綜上所述 對于四足機器人而言 將以摩擦力矩和旋轉(zhuǎn)精度作為主要的衡量 標準來選取軸承 由于考慮到安裝的精度問題 因此本課題中的軸承選用深溝球 軸承 如下圖 3 22 所示深溝球軸承的三維實模型圖 3 22 深溝球軸承三維模型圖 3 8 4 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的傳動設(shè)計 本課題提出的一種新型的轉(zhuǎn)彎機構(gòu) 設(shè)計了一種與之相配合的萬象傳動機構(gòu) 能夠很好的使轉(zhuǎn)彎機構(gòu)運作 本文選擇的是雙十字萬向節(jié) 起運動特性為第一萬 向節(jié)的不等速效應(yīng)有可能被第二萬向節(jié)的不等速效應(yīng)所抵消 從而實現(xiàn)兩軸之間 的等角速傳動 根據(jù)運動學(xué)分析得知 為了達到這一目的 必須滿足一下兩個條 件 15 1 第一萬向節(jié)兩軸間的夾角與第二萬向節(jié)兩軸間的夾角相等 2 第一萬向節(jié)從動叉的平面與第二萬向節(jié)主動叉的平面處于同一個平面 中 本條的實現(xiàn)完全可以由傳動軸和萬向節(jié)叉的正確裝配來保證 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的萬向節(jié)傳動副三維實體模型如下圖 3 23 所示 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxiv 圖 3 23 萬向節(jié)傳動副三維實體模型圖 3 8 5 供電電源 為了滿足伺服電機的供電要求 以及機器人移動的便捷性 可選擇蓄電池作 為機器人的供電電源 在蓄電池中 由于鎘鎳堿性蓄電池具有放電率大 耐惡劣環(huán)境 貯存和循環(huán) 壽命長 使用和維護簡單 價格合理等優(yōu)點 而成為本機器人系統(tǒng)供電電源的首 選 4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 本設(shè)計所指的控制系統(tǒng)是行走控制系統(tǒng) 所有的控制系統(tǒng)都包含硬件部分和 軟件部分 四足行走機器人行走控制系統(tǒng)硬件部分包括控制器 傳感器及各個相 應(yīng)的接口電路 也可把伺服電機包括在控制系統(tǒng)硬件中 本設(shè)計將伺服電機歸入 機械系統(tǒng) 4 1 傳感器 傳感器俗稱 電五官 是機器人的感官系統(tǒng) 本次設(shè)計因為沒有涉及智能 開發(fā) 相應(yīng)的眾多傳感器也不能確定 本設(shè)計僅就行走控制系統(tǒng)及轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)軟硬件進行了設(shè)計 因此須為其選 定相應(yīng)的傳感器 對應(yīng)機械系統(tǒng)設(shè)計中的內(nèi)容 行走機構(gòu)開環(huán)控制 不使用傳感 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxv 器 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)閉環(huán)控制 使用選擇光電編碼器作為伺服系統(tǒng)的傳感器 編碼器有 絕對型和增量型兩類 增量型編碼器 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)中使用絕對型編碼器 轉(zhuǎn)彎伺服系統(tǒng)使用的絕對型編碼器選用 ROC408 其外形尺寸如圖 4 1 圖 4 1 其技術(shù)參數(shù)如下 脈沖數(shù) 2 8 256P R 絕對測量步距角 近似 1 4 分辨率 近似 1 2 輸出信號類型 TTL 數(shù)據(jù)編碼 格雷碼 數(shù)據(jù)輸出 并行 電源電壓 DC5V 允許軸速 電氣 機械 6000 10000 4 2 控制器 機電產(chǎn)品中使用的控制器一般有工控機 PLC 單片機 用單片機作為控制 器的數(shù)字伺服系統(tǒng) 有體積小 可靠性高 經(jīng)濟性好 接口齊全等明顯優(yōu)點 因 此 本設(shè)計選用 Intel 公司生產(chǎn)的在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的 MCS 51 系列單片集中的 8051 作為控制器 4 2 1 8051 的性能 8051 是 Intel 公司 MCS 51 系列單片機的典型產(chǎn)品 他的性能比早期的 MCS 48 要好得多 是生產(chǎn)過程控制 智能儀器 機電一體化等領(lǐng)域十分有用的 一種單片機 8051 的主要特點 如下 16 采用高性能的 HMOS 生產(chǎn)工藝生產(chǎn) 內(nèi)部行定時器 計數(shù)器 有二級中斷優(yōu)先處理結(jié)構(gòu) 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxvi 有 32 條 I O 線 輸入輸出能力強 程序?qū)ぶ房臻g達 64K 字節(jié) 內(nèi) EPROM 有保險功能 可防止 EPROM 誤寫入 由布爾處理功能 可擴展性能 對內(nèi)部 RAM 有位尋址功能 游客變成的全雙工串行口 含基本指令 111 條 其中 64 條是單字節(jié)指令 數(shù)據(jù)存儲器尋址空間 64K 8051 的技術(shù)性能如下 工作環(huán)境溫度 0 70 C 存儲環(huán)境溫度 65 150 C EA VPP端對 VSS的電壓 0 5 21 5V 任何引腳到 VSS的電壓為 0 5 7V 電源電壓 5V 10 電源電流 125 250mA 電源功耗 1 5W 4 2 2 8051 的結(jié)構(gòu) 8051 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 4 5 所示 它主要包括有 ALU 部件 定時和控制部件 并行 I O 接口 串行 I O 接口 定時器部件 程序存儲器 數(shù)據(jù)存儲器等七個部 分 ALU 步件含有 ALU 單元以及累加器 ACC 寄存器 B 棧指針 SP 數(shù)據(jù)指針 DPTR 程序狀態(tài)字 PSW 暫時寄存器 TMP1 TMP2 等 ALU 除了可以進行四則算術(shù) 運算外 還可以進行布爾運算 定時和控制部件用于產(chǎn)生指令執(zhí)行的同步信號及微操作信號 他和 ALU 部件 形成了 8051 的 CPU 并行 I O 接口有 P0 P1 P2 和 P3 共四個 他們都是 8 位并行端口 其中 P0 口是地址 數(shù)據(jù)復(fù)合總線 它用于傳送第 8 位地址 A0 A7 也用于傳送數(shù)據(jù) D0 D7 P2 口是高 8 位地址 A8 A15 的地址總線 但也可做一般的 I O 口 P1 是一個純 I O 口 他只用于數(shù)據(jù)的輸入輸出 P3 是控制信號及 I O 信號復(fù)用口 它除了用作 I O 口之外 還用于傳送控制信號 P3 口對應(yīng)引腳用于控制信號時 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxvii 的情況如表 4 1 所示 串行 I O 接口可以以全雙工方式工作 串行 I O 口占用并行 I O 口 P3 的 P3 0 和 P3 1 兩位 串行 I O 口有四種工作方式 在方式 0 時 串行數(shù)據(jù)的輸入 輸出都由 RXD 端執(zhí)行 而 TXD 用于串行時鐘 方式 1 時 數(shù)據(jù)發(fā)送用 TXD 端 接收用 RXD 端 數(shù)據(jù)傳輸格式用 10 位 其中一個起始位 0 8 個數(shù)據(jù)位 地位 在前 一個停止位 1 傳送波特率可辨 方式 2 時 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送用 TXD 端 接收用 RXD 端 數(shù)據(jù)傳輸格式用 11 位 格式與方式 1 類同 只是在數(shù)據(jù)位后多 了一個編程位 傳送波特率選定在振蕩頻率的 1 32 獲 1 64 處 方式 3 和方式 2 基本一樣 只是在方式 3 中 波特率可改變 表 4 1 P3 口個引腳對應(yīng)的控制信號 引腳編號 控制信號 說明 P3 0 R