双足仿生机器人设计与制作机械结构设计.docx
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双足仿生机器人设计与制作机械结构设计
双足仿生机器人设计与制作——机械结构设计
摘要
随着时代的发展，人们的生活节奏越来越快，对工作的效率更是越来越重视，而且如今的科技也在飞速发展中，所以机器人在未来人类生活中发挥着重要的作用，是我们的好帮手，它可以改善我们生活的质量，提高我们的工作效率，从而推动生产力的提高和整个社会的进步。
目前，国内外对仿生机器人的研究重视程度很高，而在仿生机器人研究领域中，双足仿生机器人是一个重要的研究课题，而且我认为它的研究价值要比轮式机器人或其他足式机器人的高。
本设计为结构简单、成本低廉、可操作性高的小型双足仿生机器人，通过仿人的腿部关节和预先设定的目标来进行自由度的分配，根据设计任务来选择驱动元件，进而通过SOLIDWORKS软件进行机械结构的三维造型设计，并且对机器人的关键零件进行有限元分析。
并且根据D-H参数法来建立运动学方程，从而进行正运动学分析。
最后设计出一个可以实现前进后退、左移右移、踏步、鞠躬、超声波避障等功能的小型双足仿生机器人。
关键词：
小型双足仿生机器人；机械结构；三维造型；运动学分析；有限元分析
Designandmanufactureofbipedbionicrobot--mechanicalstructuredesign
Abstract
AlongwiththedevelopmentofTheTimes,thepaceoflifeofpeoplemoreandmorefast,workingefficiencyismoreandmoreattention,andnowalsointherapiddevelopmentofscienceandtechnology,sotherobotinthefutureplayanimportantroleinhumanlife,isourgoodhelper,itcanimprovethequalityofourlife,improveourworkefficiency,soastopromotetheimprovementofproductivityandtheprogressofthesocietyasawhole.Atpresent,theresearchofbionicrobotishighlyvaluedathomeandabroad.Inthefieldofbionicrobotresearch,bipedalbionicrobotisanimportantresearchtopic,andIthinkitsresearchvalueishigherthanthatofwheeledrobotorotherfootrobot.
Thisdesignisasmallbipedalbionicrobotwithsimplestructure,lowcostandhighmaneuverability.Itdistributesthedegreeoffreedombyimitatingthehumanlegjointsandpresetgoals,selectsthedrivingelementsaccordingtothedesigntask,andthencarriesoutthethree-dimensionalmodelingdesignofthemechanicalstructurethroughSOLIDWORKSsoftware,andcarriesoutthefiniteelementanalysisofthekeypartsoftherobot.AndaccordingtotheD-Hparametermethodtoestablishkinematicsequations,soastocarryoutpositivekinematicsanalysis.Finally,asmallbipedalbionicrobotisdesigned,whichcanrealizeforwardandbackward,leftandright,step,bow,ultrasonicobstacleavoidanceandotherfunctions.
Keywords:
Smallbionicbipedrobot;mechanicalstructure;3Dmodeling;kinematicsanalysis;finiteelementanalysis
1绪论
1.1双足仿生机器人的研究意义与目的
现代机器人不再仅仅用于生产车间，而是朝着人类生活发展。
双足仿生机器人是类人机器人。
尽管其平衡研究比其他足式机器人要复杂和困难，但它有一个很大的优点，不是其他足式机器人可以比拟的，那就是它的步行性能。
人类对行走环境要求是比较低的，人的双腿可以适应各种的地面环境，而且对于克服障碍的能力也是不容小觑，而双足仿生机器人就是通过模仿人类腿部来设计的，因此它的移动“盲区”很小。
其次，它具有广阔的工作空间，因为它占地面积小，活动范围广，并且可以为其配备机器手以具有更大的活动空间。
除此之外，它还可以在人类的生活环境中和我们一起工作。
具有广阔的应用领域也是双足机器人的一大特点，它可以代替人类去做繁重而危险的工作，甚至比人类还要好。
如今，将机器人引入生产车间和日常生活的趋势已势不可挡。
而且双足机器人无论在科学研究还是在实际应用中，它都具有巨大的价值。
因此在本次设计中我选择设计一个小型双足机器人，之所以选择设计一个小型的而不是大型的，是因为考虑到自身的水平还不够，能力还不够以及制作成本高的问题。
在这次双足仿生机器人的设计与制作中，让我对双足机器人有了一定的了解，并在此次设计中运用了在校所学的机械设计基础的知识，也提高了我的动手能力和自学能力。
最后，本着结构简单、制作成本低廉、可操作性高这一宗旨，设计与制作了一个小型双足仿生机器人。
1.2国内外对双足仿生机器人研究的现状
从全球来看，目前在双足机器人的研究上，以美国和日本的研究成果最为显著。
而且这两个国家都是较早进行双足机器人研究的国家。
如今，双足机器人不仅可以在平坦的道路上行走，而且还具有更多的功能，例如，如图1.1所示的BostonDynamics开发的Atlas机器人。
它不仅可以在复杂的道路（如雪地）上行走，而且能平稳地向后翻转，实现后空翻,具有非常出色的运动表现。
此外，日本本田公司推出的Asimo的移动能力非常灵活。
它不仅可以走成“8”形，还可以走下台阶，弯腰等等，还可以握手，挥手，甚至随着音乐跳舞。
除此之外，美国创业公司宣布其双足机器人Digit现在已经开售，如图1.2所示，它可以通过自己的传感器进行半自动导航，能够应在物流行业中，手臂可以移动18kg的箱子。
在中国，双足类人机器人的研究还相对较晚。
目前，中国在这一领域的研究水平还没有达到国际先进水平。
在国内的双足机器人研究中，学术流派是主体,而机器人公司对其研究就相对要少的多，因为其研究成本高，且目前市场需求量非常小，但我国在双足机器人研究方面也取得了不少成果。
例如，Walker这个双足机器人，它是优必选公司推出的，如图1.3所示，它的行走状态非常的像人，譬如在走路的时候它的脚踝会翻动，而且其运动的过程中，动作流畅，速度也比较快。
除此之外，它还具备更安全的柔性交互、更智能的环境感知，能往水杯里倒水、会擦桌子等。
北京理工大学开发了一个可以与人进行乒乓球对打的机器人，它的名字叫做“汇童”。
双足机器人的研究难度很大，在硬件方面，从设计到组装调试所需研发周期相当长，而且不能像软件那样实时反馈现阶段问题，然后马上改进，因此成本很高；在软件算法方面，人们的方法通常是抽象复杂的步行问题并提取出相对简单的模型。
然而这样做是不能使机器人应对任何情况的。
目前，双足机器人主要用于军事工业，航空航天等领域。
在消费市场中，它们是小型双足机器人，主要关注儿童市场的陪伴和娱乐。
虽然双足机器人的开发难度大，包括技术方面、资金方面等原因，但我相信在未来会研发出能投入消费市场并能真正进入人们生活中为人类工作的智能机器人。
图1.1Atlas机器人
图1.2双足机器人Digit
图1.3Walker
2双足仿生机器人总体方案设计与动力选择
2.1双足仿生机器人的工作原理
经过几个月的研究学习，我对双足仿生机器人的运动原理有了一定的理解。
我认为双足仿生机器人的运动是由电机来带动构件运动的，而电机的驱动则是由电源来完成，若要实现对双足仿生机器人的控制，则需要电机控制芯片，通过电机控制芯片对电机的转动控制，最终实现了对双足仿生机器人步伐的大小、快慢、幅度的控制。
本设计就是依据此原理来实现的。
原理如图2.1所示
图2.1双足仿生机器人的工作原理框图
2.2结构设计
2.2.1设计目标
根据人类腿部结构和所需实现功能，设计出一个8自由度双足仿生机器人的机械结构。
其能通过在双足仿生机器人身上安装电池、控制板、超声波传感器以及倾角传感器来控制电机，从而完成步行、踏步、鞠躬、翻跟头以及超声波避障功能。
2.2.2自由度的分配和计算
双足仿生机器人的动作完成是需要靠电机转动来带动构建运动的，所以关节的转动是其运动的主要方式，因此确定机器人的自由度是非常重要的。
那么自由度的定义是什么呢？
如图2.2所示，在Oxy坐标系中，构件S可以沿x轴和y轴方向沿任意点A独立移动，并且可以绕点A独立转动。
构件相对于参考坐标系的独立运动数目称为自由度。
也就是说，作为平面运动的自由构件具有三个自由度。
图2.2平面运动刚体的自由度
一个机构通常是由多个构件构成的，而机构中的构件则分为三类：
固定构件，即为机架，通常在研究一个机构的运动时，会以固定构建作为参考系；原动件，即为主动件，它的运动是由外界来输入的；从动件，则是指由原动件来驱动其运动的活动构件。
如前所述，一个作为平面运动的自由构件具有三个自由度，但是通常机构是由构件与构件之间相接触来产生相对运动的。
因此在一个机构中，自由度的计算并不是简单的把构件数乘以3，然后确定出机构的自由度，因为两个构件的连接接触，不管是以点或线接触组成（即高副），还是由面接触来组成（即低副），都会使其独立运动受到约束，所以自由度也会因此而减少。
人类的腿部和手部是由多个关节组成的，其结构复杂，如图2.3所示，若要完全依照人腿和手臂来进行自由度的分配，那将会使结构变得复杂，且成本高，最重要的是设计难度非常大，所以在自由度分配中，除了仿照人体，还要根据具体所需完成动作，令其机械结构简单紧凑以及制作成本低廉为依据。
一个双足仿生机器人若要完成行走，其行走步骤为，首先把重心左移放到左腿上，然后抬起右腿，再把重心先移到机器人的中心再右移放到右腿上，再抬起左腿，然后把重心先移到机器人中心后再慢慢右移放到右腿上，如此循环往复便可实行步行功能。
除了行走功能外腿部设计还应考虑其是否能实现左右移动、翻跟头以及踏步功能。
经过综合分析，此小型双足仿生机器人的腿部关节结构应该为两个髋关节和4个踝关节。
由于本设计的设计重点是放在腿部设计上，所以上身只是实现摆动手臂的功能，仅需添加2个关节。
图2.3人体的主要关节
平面机构自由度计算公式为：
ｎ＝Ｋ－１；
Ｆ＝３ｎ－２ＰL－ＰH；
Ｋ–为平面机构的构件数；
ｎ–为活动构件数；
ＰL–为机构中的低副数；
ＰH–为机构中的高副数；
由于一个关节的构成为一个连接件加上一个舵机，所以一共有两个构件，其中一个为固定件，另外一个则为活动构件，而构件与舵机之间的连接为面接触，即低副，因此：
Ｆ＝３×１－２×１－０＝１（式2.1）
因为所设计的小型双足仿生机器人的关节共有８个，所以此机器人一共有8个自由度，其中臂部的肩关节为其分配了2个自由度，而腿部则是髋关节为2个自由度再加上踝关节的4个自由度。
2.2.3设计方案分析
因为腿部设计是此小型双足仿生机器人的重点，所以接下来进行机器人的腿部设计方案分析。
图2.4方案一示意简图
方案一
如图2.4所示，该腿部设计为髋关节可以侧向移动，即电机的输出轴在机器人的正前方，想以此来改变机器人的重心，而踝关节则是可以实现前后摆动，舵机的输出轴是在机器人的侧面，并把两个舵机用连接构件连接了起来，以此来抬起它的腿。
方案二
如图2.5所示，该腿部设计为髋关节和靠近髋关节的踝关节可以进行前后移动，并把这两个构件用连接件连接了起来，以此来抬起它的腿，而靠近脚底板的踝关节则是设计为可以侧向移动，并以此来改变机器人的重心。
图2.5方案二示意简图
2.2.4设计方案的选取
以上两种方案的自由度配置均为八个自由度，均符合预先对自由度的分配。
在第一种方案中，我选择了通过机器人的髋关节来控制其重心的转移，但是其实这样重心难以转移，基本上是转移不了的，所以很难实现步行。
除此之外，机器人也难以实现左右移动，而且其无法实现翻跟头、鞠躬等动作。
第二种方案，则是选择通过踝关节来控制其重心的转移，这种方法能够比较稳定的实现重心转移，能够稳定实现机器人重心的转移是其能完成目标动作的关键点，并且它能完成预设目标动作，因此最终选择了方案二。
2.3动力源
机器人的驱动方式有电气驱动、液压驱动以及气压驱动。
这三种驱动方法中的每一种都有其自身的特性和应用范围，需要逐一分析来确定驱动方式。
液压驱动方式主要用于要求大输出力，并且低速运动的应用中。
其缺点是机油容易泄漏，这会影响到使用的安全性问题，且它需要配备压力源和复杂的管道系统，因此成本较高，与本设计的目的，低成本，相违背。
气压驱动方式则是多应用在工业机械手中。
其缺点是体积太大了，而且它的定位精度不够高，还会产生噪声，这会使设计出来的机器人行走过程中噪声比较大一些。
电气驱动是通过电动机直接或经过机械传动去驱动执行机构，从而达到运动效果的。
其使用方便并且成本低，所以在经过分析比对后，最终选择电气驱动方式。
2.3.1电动机的选择
常见的机器人驱动元件有直流伺服电机、舵机、步进电机。
以下对这三种驱动元件进行简要分析。
直流伺服电机，如图2.6所示，它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组和测速电机换向器，其转子铁芯是通过矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成的。
它的特点为体积小和输出力矩大，但其成本高，更适用于较大型的机器人。
图2.6直流伺服电机
舵机，如图2.7所示，它主要是由舵盘、直流电机、控制电路、减速齿轮组、位置反馈电位器等组成。
其特点为体积小、力矩大、质量轻，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，常用于小型机器人的关节、航模、遥控车中。
图2.7舵机
步进电机，如图2.8所示，它是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。
它的特点是可以直接输入位置命令和开环控制，但是需要配备专用的伺服电源和驱动，价格昂贵,适用于数字控制系统。
图2.8步进电机
经过以上分析，可以看出舵机更适用于本次设计的机器人当中，其不仅可以对角度不断变化保持控制，且成本相比于另外两种驱动元件要低。
2.3.2舵机原理
工作原理如下：
控制电路板通过信号线接收控制信号，从而控制电机的旋转，电机驱动一系列齿轮组，减速后传递到输出舵。
舵盘的输出轴连接到位置反馈电位器，所以当方向盘旋转时，位置反馈电位器将被驱动，然后位置反馈电位器将电压信号输出到控制电路板上进行反馈，并且控制电路板将根据位置确定电机的旋转方向和速度，以到达指定位置并停止。
2.3.3舵机选型
舵机的选型主要是参照舵机的性能参数，通过在网上查找资料比对后，选择使用如图2.9所示的ZX361D舵机。
其采用单总线通信方式，舵机之间可串联，而且因为它可以进行角度的回读，以及可以在多种角度工作模式之间切换，所以控制起来会简单很多，同时性价比也比较高。
其参数如表2.1所示。
图2.9ZX361D舵机
表2.1ZX361D舵机参数
重量
60±1g
尺寸
40×20×40.5mm
操作电压
5V～8.4V
操作温度
-10℃～50℃
空载转速
0.16sec/60°（6V）0.14sec/60°（6.6V）
停止扭力
13.5kg-cm（6V）15kg-cm（6.6V）
2.4总体设计
经过综合分析，确定了机器的人腿部为6自由度，手臂为2自由度，机器人的驱动元件为舵机，而其构件则采用的是铝合金材料。
机器人在行走时，以先迈右腿为例，首先是把重心移到左腿上，靠的是与髋关节相连接的那个舵机来实现，然后抬起右腿，抬腿则是依靠髋关节那个部分的舵机，再把重心移到右腿上，再抬起左腿，然后把重心移到左腿上，如此往复实现步行功能。
而手臂部分的设计，则是在上身的左右两侧各固定一个舵机，作为肩部的关节，而手的部分则是设计了一块板来代替，使其能实行摆臂功能。
3机械结构设计
3.1机器人结构
在上文中已确定了机器人的自由度，以及分析了腿部设计方案，最终选定了方案二。
而对于机器人的手部设计，由于不是此次设计的重点，所以只为其配置了一个自由度，然后通过一个简单的板来代替小臂与大臂。
而机器人的身体则是考虑了放置控制板以及电池和超声波传感器来设计的，具体尺寸也是根据它们的尺寸来设计的。
如图3.1所示，为机械结构的简图，里面包含了机器人整体的尺寸。
图3.1机器人结构简图
3.2机器人零件图
上身的板、盖子、电池固定底板以及脚底板的零件图如图3.2、3.3、3.4、3.5所示。
而机器人的左手和右手，则如图3.6、3.7所示。
图3.2上身的板
图3.3盖子
图3.4电池底板
图3.5脚底板
图3.6左手
图3.7右手
3.3机器人装配图
机器人的装配图如图3.8所示。
图3.8装配图
4三维造型设计
4．1关键零件设计与说明
4.1.1机器人的腿部设计
此机器人的腿部设计是由舵机来代替人类关节的，舵机如图4.1所示，而人体骨骼则是由铝合金材料来代替，所以对机器人的腿部构件进行设计是非常重要的。
在进行结构设计之前，已通过分析选择好了代替人类关节的舵机，而舵机的舵盘则是使用其配套的主从舵盘，由于舵机已有固定的尺寸，所以在进行结构设计时，要根据其尺寸来进行设计。
如图4.2所示，这个构件是用来与主从舵盘相连接的，所以此构件中用来与舵盘固定的孔，如图4.2中的圈（标注1），不仅孔的位置要和舵盘上的孔对应上，而且孔的直径也要以其为参考，最后孔的直径为3mm。
此构件在机器人这个机构中，主要起到固定作用，为固定构件。
图4.1舵机的三维图
图4.2宽U支架
舵机作为关节，也就是机器人腿部的动力源，即为原动件，而与它固定在一起的构件，如图所示。
此构件充当了人体骨骼的作用，对其进行设计也是同上面那个构件一样，要根据舵机来设计，最后孔的直径为2mm，如图4.3中的圈（标注1）。
图4.3窄U支架
接下来这个构件则是用来连接髋关节和踝关节的，如图所示，在设计过程中也是与前两个构件一样，不仅要考虑舵机的外观尺寸大小，还要根据舵机上的孔的尺寸和位置来确定，最终孔的直径为2mm，如图4.4中的圈（标注1）。
图4.4短C支架
在两个踝关节的连接设计上，如图4.5所示，我是通过直接把那两个踝关节中与舵盘相连接的构件用4个铆钉连接起来，呈十字形，如图4.5中的圈（标注1）。
这样设计的原因是因为我是通过靠近脚底的那个踝关节来实现重心转移的，所以两个舵机之间是相互垂直的。
而这两个构件中用来固定的孔，尺寸是一样的为直径3mm。
图4.5十字形连接
脚底板的设计也是很重要的，如图4.6所示，因为其对机器人行走过程中的稳定起着重要的作用，通过在网上查找资料发现，通常小型双足机器人的脚底板制作都是那种大的脚底板，所以在设计过程中，我也尽可能的把其设计的比较大，这样有利于它的行走稳定。
图4.6中的圈（标注1），是四个直径为3mm的孔，其作用是与踝关节上的构件相连接。
在设计的过程中要根据其构件的尺寸来设计，然后用4个铆钉把它们连接起来。
图4.6脚底板
4.1.2机器人的上身设计
机器人的上身设计非常重要，因为要通过上身才能把两条腿放在同一水平线上，并对称放置，若不能在同一水平上对称放置，则会导致机器人站立不住。
而且两条腿的相隔距离也是由它决定的，所以极其重要。
我把上身设计为一个板子和一个盖子，最后通过自攻螺钉来使它们固定在一起。
首先来说一下那个板，那个的作用主要是像上面提到的那样，为了把那两条组装起来，还有一个很重要的作用就是把控制板固定在板，使他不会因为在机器人的运行过程当中动来动去，因为这样会控制板对机器人身体的不断碰撞，很容易使它们损坏，而且把它固定主还起到一个美观作用。
板的设计如图4.7所示，其中图4.7中的圈（标注1）为16个直径为3mm的孔，与机器人的两条腿的构件上的孔一一对应，其尺寸也是按照构件上的尺寸来确定的，然后它们之间通过铆钉来相连接，以此两条腿就固定好了。
而图4.7中的圈（标注2）是一个直径为2mm的孔，它的作用是固定放置电池的电池固定底板，这里所提到的电池固定底板将会在下文进行详细说明。
那么除了这两种孔之外，还能看到图4.7中的圈（标注3），呈一个挖空的半圆状，因为舵机与控制板是通过线来连接的，所以身体应该要预留出一些孔，让它们可以相连，还有就是起到美观作用，它的半径为4mm。
而图4.7中的圈（标注4），则是用来与盖相固定的，直径为2.2mm。
还有就是图4.7中的圈（标注5），这个孔的作用是用来固定控制板的，控制板与上身的这个板是通过双通铜柱来进行固定的，此孔直径为3mm。
图4.7上身的板
然后我来说一下上面提到的电池固定底板，看到它的名字顾名思义就是用来放置与固定电池的板，它的设计如图4.8所示。
从图中可以看到，它不是简单的一块长方体的板，而是在板的两侧有一部分是凹进去的，这样设计是因为它是要固定在两条之间的，所以在整个板的尺寸的设计上要根据两条腿之间的宽度，以防它装不进去。
图4.8中的圈（标注1）是一个直径为2mm的孔，用来与身体上的板固定。
身体上的板与电池固定底板之间的连接是靠四个双通铜柱，其尺寸则是由两个板上的孔和电池的尺寸来确定的，最后确定其长度为17mm。
图4.8电池固定底板
接下来是上身的盖，如图4.9所示。
它主要起到三个作用，第一个作用是美观作用，因为这样，控制板就不会露出来；第二个作用是把超声波传感器固定住，因为本设计的机器人具有超声波避障功能，所以需要安装上超声波传感器，而超声波传感器是不可以完全封闭在机器人的身体里的，图4.9中的圈（标注1），是它的安装位置，圈里的这些孔的作用是用来固定传感器，安装位置的设计是根据盖的尺寸以及控制板的位置；第三个作用则是安装手臂，图4.9中的圈（标注2）为8个直径为3mm的孔，是根据手臂上的固定构件尺寸设计的。
而图4.9中的圈（标注3），则是一个与身体上的板固定的孔，直径为2.2mm，选用直径为2.6mm的自攻螺钉，这个尺寸的设计是由于身体上的板厚度为5mm，考虑到用自攻螺钉来固定，有可能会把板弄裂，所以选用的自攻螺钉尺寸应该要小一些，所以最后选择了这个尺寸。
图4.9上身的盖
4.1.3机器人的手臂设计
因为此次设计的重点
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