中国工程机器人双足竞步项目交叉足赛Word文档下载推荐.docx

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3.1结构简介

交叉足机器人机构设计中关节轴系的结构设计必须紧凑，传动精度高，效率高，并保证提供必要的输出力矩和输出速度，以满足机构动态步行运动速度和承载能力。

在上述机构的总体设计方案制定后，我们对机构中关键器件进行了选型，主要包括轴系电机、传动杆件等，为此我们根据轴系对运动实现的重要性把机器人所有轴系分为两类：

主要轴系和次要轴系。

主要轴系包括下肢所有轴系，它们涉及交叉足机器人基本运动功能的实现问题，因此是本项目机构设计的核心问题，其基本元件和结构方式必须首先确定下来才能展开以此为核心的机构设计和机加工工作。

3.2动力源的选择 

舵机是一种最早应用在航模运动中的动力装置，是一种微型伺服马达，它的控制信号是一个宽度可调的方波脉冲信号，所以很方便和模拟系统进行接口。

只要能产生标准的控制信号的模拟设备都可以用来控制舵机，比如PLC、单片机和DSP等。

而且舵机体积紧凑、便于安装、输出力矩大、稳定性好、控制简单。

目前市场上，有很多种电动机向机器人提供能源：

直流电机、交流电机、步进电机、伺服电动机。

由于交叉足交叉足机器人要求的精度要求比较高，而交直流电机通电就转，断电就停，比较难进行机器人的位置控制；

步进电机虽能按一定的精度工作，但它本身是一个开环系统，精度达不到要求。

因此，我们选择使用伺服电动机。

舵机最早出现在航模运动中。

在航空模型中，飞行机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。

舵机控制器一般采用PID控制，以满足舵机动静态指标要求；

伺服功率放大器一般由脉冲宽度调制器（PWM）和开关控制电路组成；

直流伺服电机是电动舵机的执行元件，可采用有刷或无刷直流电机；

减速机构一般采用蜗轮蜗杆或丝缸减速机构。

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，再驱动无核心马达开始转动，透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。

位置检测器其实就是可变电阻，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线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围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，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。

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，形成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是无核心马达。

本设计需要使用6个舵机，一个舵机内部包括了一个小型直流马达、一组变速齿轮组、一个反馈可调电位器和一块电子控制板。

其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，舵机的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，单转动的速度也愈低。

减速齿轮组由马达驱动，其输出端带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制单元，控制单元将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，从而达到舵机精确定位的目的。

3.3 

机构具体设计 

在上述机构总体设计方案和关键轴系器件确定后，我们对整体机构进行了由主到次的具体设计，其中包括下肢承载平台即下体机构设计、躯干机构设计、控制安装空间的设计，下面对这些工作进行具体的说明。

下体机构设计下肢关节轴系结构设计，一般考虑的主要因素包括三个方面，其一是轴系最大驱动力矩要求，其二是轴系的结构强度和运动速度要求，其三是轴系的重量限制。

在本项目中。

下肢轴系一方面需要提供足够的力矩和结构强度才能实现对本身和上体的承载，另一方面要达到足够的运动速度才能使机器人整体步行速度达到要求。

因此，设计下肢关节轴系时，上述三个因素需要着重考虑，即在保证所需强度、驱动力矩、运动速度下，在重量、结构和尺寸上进行优化。

在整个下肢的结构设计中，我们摈弃了以往的关节串行链接的模式，通过传动杆件及轴承的搭配传动，在实现灵活自如的同时，使得多轴关节完全正交，其中包括踝部的前向与侧向关节完全正交，髋部的前向、侧向、转动三个关节完全正交。

在各个关节处采用连动杆件及轴承加固。

考虑到舵机的承载能力，我们尽量减轻构件的重量。

采用钢铝结合的方案，其中脚底板和腰部连接构件采用铝结构，腿部连结构件采用钢架结构。

这样很好的利用了钢的硬度，和铝的重量轻的优点。

另外,我们还利用舵机本身的长度作为杆件做了进一步的设计，从而达到了设计的要求和重量的轻便。

3.4躯干机构设计 

躯干在交叉足机器人中不仅仅起到连接下肢、上肢和头颈部分的作用，而且要为控制部件设备提供安装空间。

在本项目中下肢部分的大功率轴系、无线控制器、运动控制器、无线遥控监控器以及锂离子电池组等都需要安装在机器人躯干部分，因此我们以塑料为材料，将躯干设计为一个中空的腔体，内部设计有支撑板，一方面保证腔体的结构强度，另一方面提供上述机载设备的安装构架，同时为了机载设备的维护更换方便，我们将躯干外围板筋设计成为各方可以自由装卸的组合形式。

3.5机载安装空间设计 

电气机载化安装是本项目的主要目标之一。

因此在机构的设计中，机载电源子系统和控制子系统的机载安装空间和机载载荷平衡问题必须周到考虑。

一方面我们尽量提高机载部分集成度，减轻机载部分重量。

另一方面采用模块化分散化的设计原则和安装方式，尽量利用零散的机载空间。

主要性能如下：

（1）机器人本体和控制系统融为一体，交叉足机器人体重（包括控制器、电源、舵机，杆件等）大约为1.5kg，系统集成度大大提高。

其控制部分，包括供电系统都集成在机器人体内，这种结构比较容易包装，外观上更接近人型，有利于电机的保护，系统的集成度大大提高，可实现无缆行走；

（2）新型机构设计。

使用连动杆件与轴承的配合，内外加固，钢铝结合的方法，这样既减轻了关节连杆的重量，确保了关节运动的灵活性，为步态的规划带来了方便，同时整个机器人的外观也更美观了；

（3）关节运动范围很大，膝关节的运动范围达到100度，一般关节的运动范围都不小于60度；

（4）整个控制系统采用计算机无线控制，编译的程序通过计算机来控制各个舵机的配合；

（5）在机构的设计中，重量一直是我们控制的一个重要指标，我们最终完成的交叉足机器人机构总重约1.5kg，达到预期的控制目标。

其中单腿约500g，躯干（包含控制部分）约500g，其中机载电源约130g，机载控制部分约200g 

，纯躯干约170g。

12个舵机的总重量744g，零部件约256g。

在整个重量结构中，机载电源部分所占比重比较大，我们采用了锂离子电池，它不仅重量比起氢电池小了许多，还有输出电流较大的优点。

我们在确定交叉足机器人机构总体自由度数量、自由度布局、主要轴系设计方案和机载安装空间的要求后，对整体结构进行了全面的设计、加工、装配及调试，完成了一套较为完整的交叉足机器人机构，完全实现了预期的目标要求。

多次实验证明，该机构不仅在外形上进一步实现了仿人的效果，而且结构灵活，承载力强，完全可以满足机器人的运动要求。

第四章硬件设计

4.1支架

硬件材料主要以铝片和胶质板为主，根据设计要求，精确的裁剪铝片，软件设计让后让后表明尺寸，将铝片折成规则的形状，利用电钻打孔，用螺丝将舵机固定在铝片上。

脚底板用胶质板切割而成，切割成用螺丝把舵机固定在脚底板上，大致结构是脚底板上各有一个舵机，大腿部两个，头部用胶质板做成工字形的结果，利用螺丝和顶部舵机相连接，在顶部放电池和控制板，大体结构如上所述。

4.1.1支架参数

本设计采用的是悟空版支架，其具体参数为：

1、支架高度：

250MM

2、脚板头部材质：

亚克力

3、重量：

600克左右

4、腿部材质：

硬铝合金

5、支架宽度：

210mm

4.1.2支架特点

支架是整个机器人各部件的载体，要求具有很好的强度和韧性，为打滑防止行走时，采用了亚克力材质的脚板，图为机器人全貌：

4.2舵机

舵机是窄足机器人运动控制器的执行机构，舵机将输出180度或270度，以此控制机器人腿部与脚步的运动，以起到调节机器人行走姿态的作用。

4.2.1舵机特点

本机器人采用的是LDX-218和LDX-227全金属齿轮机器人专用双轴数字舵机进行调节，其速度快、噪音小、扭矩大、虚位小、死区小。

4.2.2舵机参数

本项目在舵机的选择上最终选用了金属舵机180度LDX-218和LDX-227大扭矩舵机，能效可达85%以上。

其可控角度范围180度、270度线性度好、精准控制、断电则可360度旋转的特点，满足窄足机器人的设计要求。

LDX-218

舵机重量：

60g

舵机尺寸：

40*20*40.5mm

舵机速度：

0.16sec/60度7.4V

堵转扭矩：

15kg/cm6V;

17kg/cm7.4V

转动角度：

180°

工作电压：

6-7.4V

空载电流：

100mA

LDX-227

270°

4.3锂电池

2200mah大容量，高寿命，专业机器人锂电池，可以为12自由度以上的机器人供电。

第一次使用时，请充电3小时。

以后使用的时候，低于6.8就要充电。

4.4舵机控制板

舵机控制板选用STM32F103RBT6单片机：

STM32F103RBT6是ST公司基于ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理器产品，内置128K的Flash，20K的RAM，12位的AD，4个16位定时和3路USART通讯口等多种资源，时钟频率最高可达72MHZ。

4.4.1STM32F103的结构与功能

**STM32F103RBT6封装：

LQFP64

**内核：

ARM32位Cortex-M3CPU，72MHZ，90DMIPS1.25DMIPSMH,单周期乘法和硬件除法，通用增强型，内嵌中断控制器有43个可屏蔽中断通道，采用尾链（tailchaining）技术的中断处理（降至6个CPU周期）。

**STM32F103RBT6内置128KB的Flash，最多内嵌20KB的SRAM，以CPU时钟速度访问（读/写），0等待状态。

**时钟；

复位（RESET）；

2.0~3.6伏供电I/O；

POR.PDR.可编程电压监控器（PVD）；

4~16MHZ石英振荡器；

内置8MHZ厂家校准RC；

内置32KHZRC；

为RTC专用的32KHZ振荡器及校准

**STM32F103RBT6具有低功耗：

睡眠，终止，待机三种模式；

VBAT为RTC和备份寄存器供电

**2×

12bit，1s数模转换器（16通道）；

转换范围2.0至3.6伏；

双采样保持功能；

与先进的控制定时器同步；

温度传感器。

**DMA：

7通道DMA控制器；

支持的外设，定时器，数模转换器，SPI接口，i2c接口USART接口。

**DEBUG模式：

串行线debug（SWD）和