仿人型机器人总体及臂手部结构设计7

盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007

目录

1前言 ................................................................. 1 1.1 仿人机器人的概念................................................... 1 1.2 课题来源........................................................... 1 1.3 技术要求........................................................... 1 1.4 国内外研究现状及发展状况?2?......................................... 1 1.4.1 国内研究现状 .................................................... 1 1.4.2 国外研究现状 .................................................... 2 1.4.3 发展趋势 ........................................................ 3 1.5 本课题要解决的主要问题及解决方案................................... 4 2 总体方案设计 ........................................................ 6 2.1 仿人机器人臂手部结构的确定......................................... 6 2.2 仿人机器人上身尺寸的确定........................................... 6 2.3 结构的设计......................................................... 6 2.4 仿人机器人自由度的确定............................................. 6 2.5 电机的选择......................................................... 7 3 机器人驱动装置的设计 ................................................ 8 3.1 肩部步进电机的选择 ................................................ 9 3.2 肘部步进电机的选择 ................................................ 9 3.3 腕部及头部电机选择 ............................................... 10 4.仿人机器人机械传动件的设计 ......................................... 11 4.1 齿轮的设计........................................................ 11 4.1.1 肩部齿轮的设计与校核 ........................................... 11 4.1.2 肘腕部齿轮设计 ................................. 错误！未定义书签。 4.1.3 头部齿轮的设计 ................................. 错误！未定义书签。 4.2 轴的设计与计算.................................... 错误！未定义书签。 4.2.1 轴的结构设计 ................................... 错误！未定义书签。 4.2.2 轴的强度计算 ................................... 错误！未定义书签。 5. 仿人型机器人连接板的设计及校核 .................... 错误！未定义书签。 5.1 肩部连接板的设计与校核............................ 错误！未定义书签。 5.2 电机支撑板的设计与校核............................ 错误！未定义书签。 6. 仿人型机器人三维造型及运动仿真 .................... 错误！未定义书签。 6.1 仿人型机器人三维造型.............................. 错误！未定义书签。 6.2 仿人型机器人运动仿真.............................. 错误！未定义书签。 6.3 仿人型机器人舞蹈运动分析.......................... 错误！未定义书签。 6.4 仿人机器人重力分析................................ 错误！未定义书签。 7 结论 ............................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................. 错误！未定义书签。 致 谢 ............................................. 错误！未定义书签。 附 录 ............................................. 错误！未定义书签。

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1前言

1.1 仿人机器人的概念?1?

现阶段，机器人的研究应用领域不断拓宽，其中仿人机器人的研究和应用尤其受到普遍关注，并成为智能机器人领域中最活跃的研究热点之一。

研究与人类外观特征类似，具有人类智能、灵活性，并能够与人交流，不断适应环境的仿人机器人一直是人类的梦想之一。世界上最早的仿人机器人研究组织诞生于日本，1973年，以早稻大学加藤一郎教授为首，组成了大学和企业之间的联合研究组织，其目的就是研究仿人机器人。加藤一郎教授突破了仿人机器人研究中最关键的一步——两足步行。1996年11月，本田公司研制出了自己的第一台仿人步行机器人机P2，2000年11月，又推出了最新一代的仿人机器人ASIMO。国防科技大学也在2001年12月独立研制出了我国第一台仿人机器人。

仿人机器人要能够理解、适合环境、精确灵活地进行作业，高性能传感器的开发必不可少。传感器是机器人获得智能的重要手段，如何组合传感器摄取的信息，并有效地加以运用，是基于传感器控制的基础，也是实现机器人自治的先决条件。 仿人机器人研究在很多方面已经取得了突破，如关键机械单元、基本行走能力、整体运动、动态视觉等，但是离我们理想中的要求还相去甚远，还需要在仿人机器人的思维和学习能力、与环境的交互、躯体结构和四肢运动、体系结构等方面进行更进一步的研究。

仿人机器人具有人类的外观，可以适合人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业，并可以在很多方面扩展人类的能力，在服务、医疗、教育、娱乐等多个领域得到广泛应用。 1.2 课题来源

本课题来源于研究课题。仿人机器人的研究和应用尤其受到普遍关注，并成为智能机器人内领域中最活跃的研究热点之一，研究与人类外观特征类似，具有人类智能、灵活性，能够与人交流，不断适应环境的仿人机器人一直是人类的梦想之一。 1.3 技术要求

根据设计要求达到以下技术要求：

a.根据任务要求，本仿人机器人总高900mm，肩宽30mm，手臂长40mm； b.各关节采用一级齿轮传动，用步进电机驱动；

c.除了通用件外，其它零件用工程塑料PVC压铸成形。 1.4 国内外研究现状及发展状况?2? 1.4.1 国内研究现状

国内，仿人机器人的研制工作起步较晚，1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈尔滨工业大学和国防科技大学最为典型。哈尔滨工业大学自1985年开始研制双足步行机器人，基于控制理论曾经获得自

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然科学基金和国家“863”计划的支持，迄今为止已经完成了三个型号的研制工作：第一个型号HIT-1为10个自由度，重100kg，高1.2m，关节由直流伺服电极驱动，属于静态步行。第二个型号HIT-2为12 个自由度，该机器人髋关节和腿部结构采用了平行四边形结构。第三个型号HIT-3为12 个自由度，踝关节采用两电机交叉结构，同时实现两个自由度，腿部结构采用了圆筒形结构。H IT-3实现了静态步行和动态步行，能够完成前/后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。目前，哈尔滨工业大学机器人研究所与机械电子工程教研室合作，正在致力于功能齐全的仿人机器人HIT -4的研制工作，该机器人包括行走机构、上身及臂部执行机构，初步设定32个自由度。国防科技大学也进行了这方面的研究。在1989年研制成功了一台双足行走机器人，这台机器人具有10个自由度，能完成静态步行、动态步行。清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等高等院校和研究机构也在近几年投入了相当的人力、物力，进行智能仿人机器人的研制工作。 1.4.2 国外研究现状

日本已经成为仿人机器人研究最活跃、成果最丰富的国家。下面重点就日本仿人机器人研究动态进行介绍。

a.早稻田大学

目前，早稻田大学的仿人机器人研究基本分为三部分。其中，一部分是研究与人协作的仿人机器人。目标是从学术角度研究人的行走机理，并建立人的行走模型；从工程角度制造实用的仿人机器人。研制成果是WABIAN（Waseda Bipedal Humanoid）系列仿人机器人。WABIAN能够在平面上动态前进、后退、跳舞及携带重物。而WABIAN RV更是具备了语音识别能力，使人机界面更为友好。在此基础上，WABIAN-2针对行走部分做了改进。每条腿7个自由度，包括：脚3个，膝盖1个，髋部3个。腰部有2个自由度。相比6个自由度的腿，其优点是膝盖的方向。驱动系统为DC伺服电机，减速部分采用谐波齿轮。另一部分是开发对用途的双足步行腿部模块，应用于包括仿人机器人的各种机器人系统中。

b.东京大学

东京大学是目前进行机器人研究非常活跃的机构。其中进行仿人机器人研究的主要有JSK实验室和Nakamura实验室。JSK实验室的仿人机器人研究是以H6仿人机器人为实验平台。其具体参数如下：高1370mm，宽590mm，重55kg。共有35个自由度：双腿各6，双足各1，双臂各7，两抓持器各1，脖子2，眼睛3。驱动采用DC电机和谐波齿轮，实用操作系统是RT-linux。主要的研究方向包括：（1）开发大型仿真系统（2）研究能够避障和满足动态约束的运动规范算法。另外，JSK实验室还对腱驱动机器人、软脊椎机器人、凝胶体机器人、人造皮肤等进行了相关研究。Nakamura实验室不仅研究专门针对仿人机器人的特殊机构，包括含有揉性连接的肩关节、已应用在髋部的双球关节。而且，该实验室在基于动力学的运动方式识别和生成的信息处理方面颇有造诣。提出了利用关节运动的相关性来简化仿人机器人全身运动的方法；设计了基于动力学的类似脑信息处理的系统；设计了基于动力学和传感数据的信息处理系统，实现了仿人机器人运动的平滑过度。同时，研究了将运

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动方式识别和生成进行统一的信息处理。另外，Nakamura实验室还以人体虚拟模型为基础对运动生成、测量和动力学计算等方面进行了研究。

c.本田公司

本田公司从1986开始以开发实用型仿人机器人为目标，至今已经有P1、P2、P3和ASMO机器人问世。其中，P3高1600mm，宽600mm，厚550mm，重130kg，最高步速2km/h。P3能够在斜面和不平地面上行走，可以上下楼梯和单腿站立。ASMO高1200mm，宽450mm，厚440mm，重43kg，自由度分布为：头部2，肩部3，肘部1，腕部1，手部1，髋部3，膝部1，脚2。ASMO在行走能力上有所突破，由于采用了实时、智能的揉性行走技术，它可以实时预测下一步运动，在转向时能及时向内转移重心，避免了先停步再转向。同时，ASMO能够识别50种不同的问候和日语问题并作出相应反应，也可以用肢体语言完成30种不同的日语动作命令。

d.索尼公司

索尼公司主要针对娱乐机器人进行研究，包括机器狗ABO和双足娱乐机器人QRD。在行走方面，2003年12月推出的QRD能够在不平地面上动态步行，会跳舞。若被人推一把，为避免摔倒会顺势向前并停止所有运动。一旦失去平衡，会伸出胳膊、转动髋关节和放慢电机转速，这样可以减少摔倒时的振动和冲击。摔倒后，能够重新站立起来。作为娱乐机器人，QRD能够识别人的面孔、声音和与人对话，可以唱歌和表达情绪，并能记住陌生面孔和声音，通过立体视觉系统，能看到障碍物并判断出最佳避障路径。 1.4.3 发展趋势

仿人机器人与轮式、履带式机器人相比有许多突出的优点和它们无法比拟的优越性，但是由于受到机构学、材料科学、计算机技术、控制技术、微电子学、通讯技术、传感技术、人工智能、数学方法、仿生学等相关学科发展的制约，至今基本上仍处于实验室研制的阶段，尤其是双足行走的速度、稳定性及自适应能力仍不是非常理想，只有在走稳走好之后再加上臂部执行机构和智能结构，才谈得上真正的仿人，当然，仿人不能仅仅局限于这些，还应该模仿人类的视觉、触觉、语言，甚至情感等功能，仿人机器人是许多技术的综合、集成和提高，目前，主要的攻关项目还是行走功能的进一步提高，日本本田公司生产的P3仿人机器人虽已走向市场化，但是，它的功能还很不限，离实际意义上的拟人化还有相当的一段距离，所以仿人机器人给科研工作者提供了广阔的研究空间，提出了一个又一个新的挑战，同时也促进了许多相关学科的发展，导致了一些新理论，新方法的出现，越来越多的科研工作者投入了这一新兴的前沿学科，以下是未来几十年仿人机器人的研制方向。

a.仿人机器人本体结构的改造

仿人机器人是一个多关节且具有冗余自由度的复杂的系统，如何实现预期功能而又使结构最优化是一个很值得研究的问题，一个功能齐全的智能仿人机器人必须得有一个结构紧凑、配置合理的机械本体，本田公司最新研制的“ASMO”就是一个典型的例子。

b.运动学和动力学求解理论和方法的发展

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一个理想的步态规划对仿人机器人行走的稳定性是非常有益的，由于仿人机器人系统的高阶、强耦合及非线性，使得仿人机器人的运动学和动力学的精确求解非常困难，而且也没有非常理想的理论或方法来求解逆运动学解析，只有外加一些限制条件如能量消耗最小，峰值力矩最小来求解运动学和动力学的近似解，这往往导致了机器人的规划运动与实际运动有较大的出入，所以要得到理想的运动规划，则必须在运动学和动力学的求解方法上有重要的突破。

c.驱动源的改进

目前仿人机器人所用的驱动源主要有两种：在线提供能源，离线自带电源。理想的能源应该具有十分高的能量密度、耐高温、耐腐蚀、可再生、及成本等，但是现在的自配能源的容量有限，而机器人的关节众多，所以如何改进驱动源，使其体积小、重量小而又容量大，也是在仿人机器人的研制过程中必须解决的问题。

d.控制技术和集成技术的发展

仿人机器人的关节众多，控制电路比较复杂，要实现其真正的拟人化，并拥有其他一些人类并不具有的功能，其控制电路就愈加复杂，如何寻找更为优化的控制方案，优化控制结构，也引起了越来越多的科研工作者的注意，另外一个解决方案就是利用大规模集成电路，现在的集成电路生产技术已经到了相当高的水平。

e.智能技术和软件技术的发展

仿人机器人真正意义上的仿人是在双足行走和智能化毫无疑问，人类是当前世界上最智能化的生物，但要人类复制自己的智能到机器人身上可不是一个简单的事情，要使机器人获得足够的智能必须依赖于智能技术的发展，而现在的智能实现方法就是通过编制软件，再由计算机进行计算，机器人接受人的指令产生相应的操作；根据自己的学习完善自己的专家系统；自主辨别借助外界环境和工具，寻找解决方案，这些高度智能化的操作必需得有高度发展的智能技术及计算机软件实现技术作为基础。

1.5 本课题要解决的主要问题及解决方案

本课题要解决的问题主要有以下五个： a.机器人总体结构的确定； b.手臂部分驱动方式的选择；

c.手臂部分驱动装置的位置确定； d.手臂各关节自由度的确定； e.提高机器人的运动精确性。

针对以上问题采用以下解决方案：

a.由于本机器人的总高范围为60-100mm，根据人体各部分比例，机器人的身高为80mm，肩宽为30mm，手臂长为40mm；

b.采用标准P型步进电机，功率、重量符合要求，转速底，从而所需的传动比小，简化了传动装置；

c.机器人的各部分用长方形盒子来连接，步进电机就放置在各个盒子里；

d.机器人的上身，用了9个自由度，分别是颈部的摆动，肩关节的摆动与转动，

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3.3 腕部及头部电机选择

根据设计要求，取相同型号的电机，选标准P型，PK233PA型步进电机。

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4.仿人机器人机械传动件的设计

4.1 齿轮的设计

4.1.1 肩部齿轮的设计与校核?3?

由于机器人传动功率小，重量轻，所以大、小齿轮材料都采用PVC，铸造毛坯。 齿轮精度用7级，取小齿轮齿数为Z1?25，传动比i?2，则大齿轮齿数Z2?50。

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