机器人论文.docx

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机器人论文

舞蹈机器人设计的内容

随着现代科技的发展，机器人技术已广泛应用于人类社会生活的各个领域，特别是舞蹈机器人具有人类外观特征、可爱的外貌、又兼有技术含量，极受青少年的喜爱。

本课题要求设计一具有简单人体功能的、模拟舞蹈动作的类人型机器人，完成简单人体舞蹈的基本动作：

可以前进后退，左右侧行，左右转弯和前后摆动手臂，行走频率为每秒两步，举手投足、转圈、头部动作灵活、并具备的语音功能。

通过语音识别技术，可以对小机器人进行语音控制，通过发出语音命令，控制机器人的。

机器人包括底座、头部、上身、下肢、以及电路控制板，分别控制手臂、头部和底盘运动的电机及传动机构等。

通过电路控制和机械传动，可使机器人动作。

知识范围涉及机构学、力学、电子学、自动控制、计算机、人工智能等。

方案设计及方案论证

设计制作与调试流程

设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。

硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。

并且把这些元器件焊接在一块电路板上。

它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。

软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。

机器人的设计首先需作总体方案设计，包括机械和电气两部分。

根据机械基础知识，从整体上来讲，机械结构设计必须与机器人所要完成的功能相适应。

机械部分设计主要包括底盘设计、尺寸选择、驱动方式设计、电机选择等；电气是机器人最重要的部分，直接影响着机器人功能的实现于否。

舞蹈机器人要求完全自动控制，必须采用单片机为控制核心，它类似于机器人的大脑，接收和处理所有外界信息，指挥并控制机器人的所有动作。

语音识别等功能是制作机器人硬件的难点，它要求机器人具有一定的感觉系统。

目前，机器人技术已日趋成熟，机器人感觉系统可通过各种各样相应的传感器技术即可实现。

传感器把接收到的外部信息输入到单片机，再通过软件进行控制，从而单片机发出命令指挥机器人动作。

软件编程可以丰富机器人的功能，使机器人动作更加完善。

总体方案设计框图如图3.1所示。

图3.1机器人总体制作过程

3.2方案的比较论证及方案确定

根据以上的制作流程图，我们把设计分为两大部分—机械部分和电气部分进行论证，对多种方案进行比较论证后，选出一个最佳的方案，最后再进行软件部分的设计。

3.2.1机械部分

机械部分包括：

底盘机构的设计、弯腰机构的设计、转身机构的设计、手臂机构的设计、转头机构的设计、及材料与型材选择。

3.2.1.1底盘机构的设计

（1）行走式简图如下

图3.2行走机器人简图

行走式，能够在平地上、凹凸不平的地上步行，能上下台阶，其粗糙路面性能较好，好的关节，稳定好的牵引力。

它的缺点是不能原地转动，速度慢，控制复杂，移动困难，操纵性差，机械复杂，电机性能要求严格，价格昂贵。

（2）移动方式为履带式简图如下

履带

驱动轮

从动轮

导向轮

图3.3移动方式图

履带式移动方式的特点是运动平稳，适合爬坡度比较大的地方，这是轮式所做不的。

但缺点是加工制作比较麻烦，履带一般是需要到市场上购买的，且摩擦力很大、能量损耗大

（3）前轮偏转后轮驱动移动式简图如下

图3.4底盘移动方式

可以实现车体任意的定位和定向，可以做到零回转半径。

特别是能通过将轮向正交速度方向实现急停。

车底盘、四轮、驱传动装置、舵机和控制盒的行走信道共同组成行走系统。

但由于前后启动惯性不一样，导致机器人的不平衡，特别是重心高的机器人。

（4）轮式差速驱动

图3.5底盘移动方式

采用两个驱动轮，两个万向轮，万向轮用于平衡。

机构简单，容易制造及装配；能在原地旋转以获得不同的方向。

因此它是比较适合的一种底盘机构。

3.2.1.2弯腰机构的设计

腰部的设计思路是，作为人形机器人的腰部，主要做要是承接了上部的重量，设计的时候腰部能做到水平的转动最好，如果不能将会极大地影响整个机器人的平衡；所以尽量减少可变的环节，故在腰部转动的设计中不采用电机再经传动其他机构最后带动腰部的转动方式，而是直接使用电机实现弯腰。

（1）齿轮机构简图如下

图3.6齿轮传动方式

齿轮机构的优点是平稳，自锁性好，精度高。

但加工比较困难，且不利于固定，造价也很高。

（2）连杆机构简图如下

电机

图3.7连杆传动方式

结构简单，容易实现，更重要的是它的运动规律正好符合人体运动的原理。

我们的舞蹈机器人就是采用这样的机构来实现弯腰的。

（3）连杆机构简图二

具体实现方式如下：

先通过一根轴穿过鞠躬机构与机器人上半身的两只手臂固定，然后电机通过一个摇杆连接到弯腰机构的一个长方形槽中，在电机转动的过程中，带动鞠躬机构做以与手臂固定轴为中心的前后弯腰鞠躬动作，所需的零件包括一根轴，一个带有与轴相同大小的孔和在孔同一侧的开有长方形槽的铝条。

并且考虑在这个机构上，能够与手臂机构相固定。

机构如图2.3所示：

图3.8机器人鞠躬机构

鞠躬机构的装配顺序如下：

（1）取适当长度的铝条打轴孔和磨长方形槽，在上身支架两端打相同的孔，轴穿过该铝条后穿过两个支架并固定好

（2）加工可固定于电机轴上的摇杆，一端可固定住电机，另一端固定摇杆的轴并与加工好的铝条的长方形槽相结合

（3）将电机固定在上身左边支架的一侧

（4）为了防止弯腰机构前倾，用两根橡胶带做一定的固定，以使电机拉住机构向下弯腰时更加稳定

在弯腰机构中，如果将机构的位置和方向调换过来，动作就可变为肩的左右摇摆，因为设计水平有限，没有将两种动作结合在一起的机构设计出来。

3.2.1.3转身机构的设计

（1）连杆原理实现的转身机构

转身机构的设计原理和弯腰机构的设计原理差不多，在此就不做多的比较论证了。

我们还是采用连杆机构，但具体的设计又和前面稍微不同。

图3.9转身机构

（2）电机做转轴的转身机构

图3.10机器人的腰部机构

机器人的腰部机构用于实现机器人左右转身的动作，主要部件包括一个滚动轴承、一个自行加工的可固定滚动轴承内部圆的零件，以及必备的其它固定零件。

滚动轴承的特点在于当内圆固定时，外圆可以转动，反之亦然。

机器人的腰部机构正是从这个特点出发制作的，要实现机器人腰部左右转动，就让滚动轴承内部圆与可固定电机轴的传动零件固定，同时该零件与机器人下身机构固定，滚动轴承与机器人上身机构固定，再将电机与传动零件固定后又与上身机构固定，这样，在电机转动的过程中，利用轴承的作用，机器人下身机构不动时，由于上身机构与轴承外圆固定，电机旋转带动了轴承外圆的旋转，于是，机器人上身就绕着轴承中心作转身运动。

这种机构的缺点是电机轴受力较大，电机容易损坏，同时要求电机有足够的转矩。

3.2.1.4手臂和头部机构的设计

图3.11手臂机构

手臂机构的是机器人整体比较重要的环节，手臂自由度较多，机器人的很多动作都通过手臂体现出来。

由于头部机构比较简单，在此和手部一起画出来，因为设计要求没有点头动作，我们只要一个电机来达到头部动作就可以了。

手臂机构就是机器人的两只手臂，在本次设计中将机器人的手部的两个电机与带动机器人头部转动的电机固定在了同一个机构上，同时，将该手臂与前后弯腰的机构相固定，构成机器人的上半身机构的一部分，然后该整体又与机器人的左右支架和腰部机构相结合，一起构成机器人的上半身机构。

参看做的很好的机器人的例子，机器人的手臂是机器人复杂程度的重要标志之一。

手臂所具有的自由度越多，动作时活动的空间就越大，所做的动作就越精细，完成的任务就越复杂。

本次设计机器人的手臂由一根横杆构成，左右两端分别固定左右手的两个电机，可做前后360度的旋转，中间固定机器人的头部电机，可带动头部做360度的旋转，其中手臂的机构还可以继续扩展，在肩部上和臂末端可再扩展两个电机，实现三个自由度的动作。

如图2.4所示：

图3.12机器人的手臂机构

同时，为了防止手臂旋转过度使动作错乱，同左右转腰的机构一样，可在机器人手臂转动限定角度内装上限位开关，以达到动作的一致性。

装配顺序：

（1）选择合适钢性材料钻好孔后将左右手两个电机和头部电机固定住

（2）将上述做好的机构通过一块钢片钻孔后用螺钉固定在前后弯腰的机构上

（3）将两个传动杆固定到左右两个手臂电机上，在传动杆的另一端固定直径大小适合的两根钢轴作为机器人的手臂用

（4）将一个传动杆固定在机器人的头部电机的轴上，作为机器人可360度转动的脖子

3.2.1.5材料与型材选择

机器人制作前，必须选择用于机器人本体的主要结构材料。

在进行机器人制作时，特别要确定它自身的大小、轻重等，这就需要选择合适的材料来满足要求。

对机器人本体材料选择，不仅仅有助于确定它的强度、重量、尺寸，而且确定了整体结构的难度水平、可能需要的特殊工具以及达到可接受结果所需要的技术水平。

因此在选择材料时，一般是根据机器人以下原则进行挑选：

（1）零部件的形状、大小有何要求

（2）零部件需要多大的强度；

（3）要选择多大重量的零部件

下表列出机器人结构中使用的材料，比较它们的优缺点。

表1结构材料优缺点比较

材料

优点

缺点

木材

易于获得；价格较低，使用日常工具易于加工；硬木和层压板非常强硬而且坚固

不如塑料或者金属强度大；受潮容易变形；在压力下会有裂缝和碎裂

塑料

强度大而且耐用；有多种形式可选；包括板材和挤压型材；容易获得

遇高温会发生溶化或下陷；某些塑料收到冲击可能会碎裂，有些材料难以获得；性能较好的塑材比较昂贵

金属

强度非常高；铝材有各种方便使用的形状；甚至在高载荷以及高温下也可以保持全方位的稳定性

是所有材料中最重的；制作过程需要电动工具以及锋利的锯条和钻头才能完成；更难于加工；价格比较高

根据以上分析：

选择机器人的本体材料，应该从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制作要求，所以应在充分掌握机器人特性和各组成部分的基础上，从设计思想出发。

机器人本体是被用来支承、连接、固定机器人的各部分，也包括机器人的运动部分。

伴舞机器人臂部是运动的，其整体也是运动的，所以，机器人运动部分的材料质量要轻。

伴舞机器人的结构设计成左右对称，高度适当，上下半身比例协调，确保结构紧凑。

关节连接件的设计合适，既要保证机器人行动起来灵活自如，动作顺滑平稳，又要具有一定的承受负载能力。

所以选用了密度较小的铝制作，因为铝易于加工，质量又轻，不会增加机器人的承载负担。

伴舞机器人是仿人机器人，材料截面对构件质量和刚度施加重要的影响，因此通过合理选择构件的截面可以较好地满足机器人的使用要求，如空心圆截面，空心矩形截面，工字截面等。

若空心矩形截面是边长为a，壁厚为t的正方形，空心圆截面的外圆直径也为a，壁厚也为t，且令t＝0.2a，通过计算可以得出，在相同壁厚的条件下，正方形空心截面比空心圆截面的惯性矩高69％～84％，而质量仅增加27％。

壁厚越薄，则效果越明显。

若比较条件改为空心矩形截面和空心圆截面型材的截面相等，且D0＝a，设空心圆截面壁厚tD＝0.2a，可以计算出正方形空心截面的壁厚为tF＝0.147a。

此时，正方形空心截面比空心圆截面的刚度提高了40％～60％。

因此无论从何角度来衡量，空心矩形截面都比空心圆截面的刚性优越。

从设计，装配的角度来看，矩形截面也有一定方便之处。

综上所述，机器人结构设计为空心矩形截面，由铝材加工而成。

其基本框架是使用连接件和角撑支架来搭建的。

而常见的机器人联接结构有扣接零件、胶接、胶带、铆接、焊接等，下面通过表格逐一比较各种结构技术的应用，从而确定最后方案。

表2机器人常用联接结构

结构

应用场合

扣接零件

小型玩具机器人