窄足机器人技术报告.docx

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窄足机器人技术报告

窄足机器人

技术报告

目录

1引言1

2方案设计2

3机械结构3

3.1选型3

3.2实物图3

3.3零件设计CAD图4

4驱动设计6

4.1电机选型6

4.2电机介绍6

5电源设计8

6自由度与动作设计8

6.1自由度分析8

6.2动作设计8

7控制模块10

7.1控制板简介10

7.2使用方法11

8测试与调试12

9总结13

1引言

机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。

它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。

它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。

在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。

国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。

一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。

联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：

“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。

”它能为人类带来许多方便之处！

为拓展大学生的动手及实践能力，让学生更热衷于科学技术的研究，同时进一步推进大学生创新教育，提高大学生的创新意识和创新实践能力，锻炼青年学生综合素质，我院王军老师开展了机器人创新技术课程。

本次课程的主要目标是通过窄足机器人的设计和制作，加强我校学生在实践创新能力，而为期六周的课程也取得了应有的效果。

2方案设计

此次设计的体操机器人主要由机械结构和控制系统组成，如果认为机械结构是人的骨架，那么控制系统就被认为是人的大脑，所以机 器人的先进程度与功能强弱通常都直接与其控制系统的性能密切相关。

机器人控制系统是根据指令及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。

作为机器人的核心部分，机器人控制系统是影响机器人性能的关键部分之一，它从一定程度上影响着机器人的发展。

机器人技术的实现不仅取决于其机械机构的优化，在很大程度上还依赖于一个性能优良的智能控制系统;而一个工作稳定、精度可靠的、实时性强的控制系统不仅需要高级的控制算法，还需要实现控制算法的手段。

很长时间以来国内外的学者提出了诸多的控制算法，也设计出实现某些算法的控制器，但整个技术还处在实验阶段，没有进入市场，特别是一些高级控制方法在实际中效果根本不理想，所以机器人控制系统有待进一步研究。

设计并制作一种能够完成指定动作的窄足机器人。

可以根据预先设计的动作，以及定制的指令程序完成一系列高难度的动作，包括前滚翻、后滚翻其研究领域涉及到3D模型绘制及动力学仿真、单片机、电路理论、自动控制、电机原理与拖动、接口技术、结构力学、电子工艺等多方面的内容，以实现其智能控制。

3机械结构

3.1选型

我们设计的窄足机器人主要由金属铝条构成，，身高约为20cm，结构尺寸比例是在研究人体下半身运动的大量图片、视频，最终确定一个原始模型后，跟据比例缩放得到的，在制作前进行了大量的仿真与实验。

由实验室老师提供图纸资料，通过打印图纸来加工所需要的夹件，卡件和连接件。

最后对应图纸进行精加工，打孔，使用螺丝装配，从而实现整个机器人的机械机构的设计。

3.2实物图

3.3零件设计CAD图 

舵盘卡口、连接件：

脚板：

顶板：

4驱动设计

4.1电机选型

常用的电机有直流电机、步进电机、舵机等。

下面我们大概对直流电机、步进电机、舵机进行一下对比,

由于本研究制作的机器人是重量很轻的作实验用的小型双足步行机器人。

因此机器人的各关节是选择使用舵机驱动。

舵机最早出现在航模运动中。

在航空模型中，飞行器的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。

在市场上收集到了三种不同型号的舵机，它们的性能、价格也不尽相同。

本机器人采SR403P机器人专用舵机。

4.2电机介绍

特性如下

产品重量：

67g（2.37盎司）

线：

30CM

工作速度：

0.21sec/60（6.0V），0.19sec/60（7.4V）

失速扭矩：

12.2公斤厘米，169.7扭力（6.0V）;13.6公斤厘米，189.2扭力的（7.4V）

旋转角度：

180机器人伺服，塑料齿轮，单球轴承，旋转范围range180

PWM码控制，180度转动范围（0.5--2.5ms）并行连接，双侧接口，圆形输出轴，使用电压7.4V。

5电源设计

出于安全考虑，实验室内使用开关电源供电，向控制板和舵机提供7.4V的稳定电压。

6自由度与动作设计

6.1自由度分析

对机器人进行具体的设计。

首先对机器人的自由度安排进行考虑，以使其可以完成预先设想的动作。

其次是考虑各个连接部件如舵机，卡口，电池和控制板的尺寸具体设计各卡口的形状尺寸以及电池和电路板的尺寸等。

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

6.2动作设计

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。

7控制模块

7.1控制板简介

舵机控制模块采用广泛使用的32路舵机控制板。

舵机控制器说明图解如下：

7.2使用方法

控制板使用专门的上位机软件控制，方便灵活，操作简便，适合初学者。

8测试与调试

制作、组装机器人期间出现的问题:

1.钻孔容易钻歪。

因为当时为了保证一开始钻点位置能准确，所以就没有把外面的图纸撕掉。

但是因为上面有胶带，所以有点滑，很容易就钻偏了。

后来我们在柜子里找到尖的东西，钻之前先用那个在对应的位置上打出一个小孔，这样钻头就不容易偏。

2.铝板折弯的位置不容易把握。

因为把铝条夹在台子上时，就不容易让该折弯的那条线正好伸出来，再加上铝条本身就有一个厚度，所以有的部位装上舵机后就发现舵机是歪的，所以就要把铝条扳正了重新再找位置折弯，有的时候要重复多次。

3.脚板装配

脚板图纸就有问题，那上面的两对孔间距太大了，然后我们把两个脚板对应的同一边保持不动，另一边都重新打了孔，才让舵机正好能装上。

4.摩擦

组装完毕后发现两腿动起来后脚板会有摩擦，其他有的组把左右腿调换了一下，使中间间距非常大，但是我们三个考虑到换过后机器人左右摆动的幅度会受很大限制，我们怕影响后期的调试，就没敢换，因为这，我们组还得了一个C。

9总结

在原有动作及实现的功能基础上，进一步完善结构设计及改进，在结构完善的基础上，再来调试及完成更复杂的动作功能设计，比如可以加快行动速度，反转速度，完善动作转变协调性，加入一些尝试动作，具体的可进一步设计。

机器人设计及开发随着经济及科技的发展，这些年来得到了巨大发展，但好多的机器人设计还是停留在简单的加工和调试上，真正的智能控制没能充分融入其中，所以下一步应加大对智能控制的机器人的科研投入研究力度，鼓励高校和科研机构开展更多的研究机器人的项目。