智能四足机器人结构设计

智能四足机器人结构设计

摘要

对于我们的未来生活，每个人有不同的构想，但大多数人都相信，在将来的社会，机器人将作为家庭的一员进入我们的生活，与我们每天朝夕相处。可现在普遍存在人们心中的疑问是：将来机器人将以何种身份进入我们的生活，是玩伴还是佣人，智能步行机器人的设计就是为了将来机器人能进入我们中国人的家庭生活，为我们的家庭生活带来欢乐。

本设计采用关节型结构，成功地设计了智能步行机器人的本体结构。本机器人具有前后行、平地侧行等基本行走功能。另外机器人头部还装有CD摄影机，胸腔内部可装备内置电源和智能设备。本设计参考了狗的结构组成，使得机器人结构尽量与狗的本体结构相似，尤其在长度配比方面。本设计的结构比较复杂，关节数目众多，为了力求优化设计，设计者兼顾了关键部件的互换性和结构紧凑的原则。所有的关节都用了2036型的直流伺服电机作为驱动源，充分利用伺服电机的特性。伺服电机的驱动都采用了谐波减速器机构，该减速方案减速比大、效率高，是比较理想的减速方案。

关键词：智能四足机器人； 结构设计； 谐波传动

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Intelligent Four-Foot Robot Frame Design

Abstract

For our future life， everyone had different ideas， but most people believe that， in future society， the robot as a family into our lives， and we can now daily overnight with the common people's hearts Question is: what will be the future status of robot into our lives， playmates or servants， the design of intelligent walking robot is to the future robot can enter our Chinese people's family lives， for our happy family life.

The design of a joint structure， the successful design of intelligent walking robot， the body structure. The robot has before and after the trip， the ground adjacent to the basic operating functions. Another robot is also equipped with CD camera head， chest internal equipment can be built-in power supply， and intelligent. The reference design of the structure of the robot， making the structure as the robot dog， the dog's body similar to the structure， particularly in the area ratio of length. The design of the structure is more complicated， the large number of joints， in an effort to optimize the design， designers take into account the interchangeability of key components of the compact structure and principles. All joints are composed of a 2036-type of DC servo motor as a driver and make full use of servo motor characteristics. Servo motor drives are used harmonic reducer， the slowdown in the programme reduction ratio， high efficiency， The ideal slowdown is a good programme.

Keywords：intelligent four-foot robot ; structural design; harmonic drive

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目录

摘要 ...................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... II

第1章 绪论 ........................................................................................................ 1 1.1 本课题的来源、研究目的和意义 ........................................................... 1 1.2 国内外步行机器人的发展概况 ............................................................... 3 1.3 本设计的主要内容 ................................................................................... 5 第2章 智能四足机器人的设计 ........................................................................ 6 2.1 自由度的分配及结构方案的设计 ........................................................... 6 2.1.1 自由度的分配 .................................................................................... 6 2.1.2 结构方案的设计 ................................................................................ 7 2.2 关节驱动方案的选择 ............................................................................... 9 2.3 传动方案的选择 ..................................................................................... 10 2.3.1 传动方式 .......................................................................................... 10 2.3.2 减速器和减速比的选择 .................................................................. 10 2.3.3 电机与减速器的连接方式 .............................................................. 13 2.4 结构特点及性能参数 ............................................................................. 14 2.4.1 智能四足机器人的结构特点 .......................................................... 14 2.4.2智能四足机器人的结构性能参数 ....................................................... 15 第3章 部分关节部件设计计算 ...................................................................... 18 3.1 各关节力矩的计算 ................................................................................. 18 3.1.1 膝关节静力矩的计算 ...................................................................... 18 3.1.2 髋关节向前后运动自由度的静力矩的计算 .................................. 19 3.1.3 髋关节左右摆动时静力矩的计算 .................................................. 20 3.1.4 颈关节摆动时的静力矩的计算 ...................................................... 21 3.2 谐波传动组件的选择与计算 ................................................................. 21 3.3 圆柱齿轮减速器组件选择与计算 ......................................................... 21 3.4 各关节所需电机的选择与计算 ............................................................. 22 第4章 其它部件的选择 .................................................................................. 24 第5章 成本估算和环保分析 .......................................................................... 26 5.1 成本估算 ................................................................................................. 26 5.2 环保与经济分析 ..................................................................................... 26 结论 .................................................................................................................... 28 致谢 .................................................................................................................... 29

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参考文献 ............................................................................................................ 30 附录 .................................................................................................................... 31

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第1章 绪论

1.1 本课题的来源、研究目的和意义

本课题是步行机器人项目之一。该项目从表演性和娱乐性方面着手，显示其存在的价值和实力，同时又是从高技术方面展现其当今科技的发展方面和前景。

步行机器人属于机器人的范畴，要谈论步行机器人，有必要先了解机器人的概况。自从七十年代工业机器人应用与工业生产以来，机器人对工业生产的发展，劳动生产率、劳动市场、环境工程都产生了深远的影响。几十年来，机器人技术以惊人的速度发展起来。第一代示教机器人已广泛应用于生产；第二代具有感知的机器人的研究已取得了很大的突破；第三代类人四足机器人的研究已成为许多国家的高科技前沿项目之一。在核工业场所，深海石油平台的维护、战场上排雷、弹药运输、火场救火等方面，机器人相对与人类来说都有很大的优越性。机器人在其他工农业领域也正有越来越广泛的应用[1]。

随着社会的发展，社会分工越来越细，尤其在现代化的大生产中，有的人每天就只管拧同一个部位的一个螺母，有的人整天就是接一个线头，就像电影《摩登时代》中演示的那样，人们感到自己在不断异化，各种职业病开始产生。于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作。于是人们研制出了机器人，代替人完成那些枯燥、单调、危险的工作。由于机器人的问世，使一部分工人失去了原来的工作，于是有人对机器人产生了敌意。“机器人上岗，人将下岗。”不仅在我国，即使在一些发达国家如美国，也有人持这种观念。其实这种担心是多余的，任何先进的机器设备，都会提高劳动生产率和产品质量，创造出更多的社会财富，也就必然提供更多的就业机会，这已被人类生产发展史所证明。任何新事物的出现都有利有弊，只不过利大于弊，很快就得到了人们的认可。比如汽车的出现，它不仅夺了一部分人力车夫、挑夫的生意，还常常出车祸，给人类生命财产带来威胁。虽然人们都看到了汽车的这些弊端，但它还是成了人们日常生活中必不可少的交通工具。英国一位著名的政治家针对关于工业机器人的这一问题说过这样一段话：“日本机器人的数量居世界首位，而失业人口最少，英国机器人数量在发达国家中最少，而失业人口居高不下”，这也从另一个侧面说明了机器人是不会抢人饭碗的。

美国是机器人的发源地，机器人的拥有量远远少于日本，其中部分原因就是因为美国有些工人不欢迎机器人，从而抑制了机器人的发展。日本

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