双足机器人技术设计说明

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1、..双足机器人技术设计摘要：双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计双足机器人最基本的和首要的工作。本文根据项目规划和控制任务要求，按照从总体到部分、由主到次的原则，设计了一种适合仿人双足机器人控制的机构。文章首先从机构的设计目标出发，制定了总体设计方案，再根据总体方案进行了关键器件的选型，最后完成了各部分机构的详细设计工作。最终的机构在外型上具有仿人的效果，在功能上完全满足电气各部件机载化的安装要求。关键词：载体；设计方案；控制1引言双足机器人机构设计是机器人研制开发的首要问题。我们根据项目整体机构高度、重量

2、、总自由度数、自由度的布局、以及整体机构最终要达到的步幅和步速的要求，首先确定了双足机器人机构的整体设计方案，其次根据研制进度的需要，按重要程度由高至低分步地进行了机构的设计、加工、装配和调试，直到满足设计要求。2机构总体设计方案针对项目根据实际拟订目标，结合我们所学知识，从仿人外形和仿人运动功能实现，首先确定了双足双足机器人自由度。双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足双足机器人最基本的和首要的工作。它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，因此自由度的配置必须合理。首先分析双足机器

3、人的运动过程(前向)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一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动；要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的;机器人要达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节上的转体自由度。另外膝关节处配置一个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，使上下台阶成为可能，还能实现不同的步态。这样最终决定髋关节配置

4、3个自由度，包括转体、俯仰、和偏转自由度，膝关节配置一个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转两个自由度。这样，每条腿配置6个自由度，两条腿共12个自由度。髋关节、膝关节和踝关节的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；髋关节的转体自由度可实现机器人的转弯功能；髋关节和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。Word格式..提出了机构的总体设计图，仿人双足机器人机构自由度如图（1），其下肢共计12个自由度。其中：每条腿包括髋部前、侧向、转动各1自由度，膝部前向1

5、个自由度，踝部前向、侧向各1个自由度，其中髋部3个自由度完全正交，踝部2个自由度完全正交。图（1）机构自由度分布图1234563机构设计双足机器人机构设计中关节轴系的结构设计必须紧凑，传动精度高，效率高，并保证提供必要的输出力矩和输出速度，以满足机构动态步行运动速度和承载能力。在上述机构的总体设计方案制定后，我们对机构中关键器件进行了选型，主要包括轴系电机、传动杆件等，为此我们根据轴系对运动实现的重要性把机器人所有轴系分为两类：主要轴系和次要轴系。主要轴系包括下肢所有轴系，它们涉及双足机器人基本运动功能的实现问题

6、，因此是本项目机构设计的核心问题，其基本元件和结构方式必须首先确定下来才能展开以此为核心的机构设计和机加工工作。3.1动力源的选择目前市场上，有很多种电动机向机器人提供能源：直流电机、交流电机、步进电机、伺服电动机。由于双足双足机器人Word格式..要求的精度要求比较高，而交直流电机通电就转，断电就停，比较难进行机器人的位置控制；步进电机虽能按一定的精度工作，但它本身是一个开环系统，精度达不到要求。因此，本文选择使用伺服电动机。在本文中使用的是价格比较便宜的伺服电动机--舵机，如图（2）。舵机最早出现在航模运动中

7、。在航空模型中，飞行机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。舵机控制器一般采用PID控制，以满足舵机动静态指标要求；伺服功率放大器一般由脉冲宽度调制器(PWM)和开关控制电路组成；直流伺服电机是电动舵机的执行元件，可采用有刷或无刷直流电机；减速机构一般采用蜗轮蜗杆或丝缸减速机构。主要轴系舵机的参数及性能:图（2）MG995全金属齿轮13公斤大扭力舵机  技术参数: 尺寸：40mmX20mmX36.5mm重量：62g技术参数：无负载速度0.17秒/60度(4.8V)有负载速度0.13秒/60度(6.0V

8、)扭矩：13KG使用温度:-30—+60摄氏度死区设定:4微秒工作电压:3.0V-7.2V3.2机构具体设计在上述机构总体设计方案和关键轴系器件确定后，我们对整体机构进行了由主到次的具体设计，其中包括下肢承载平台即下体机构设计、躯干机构设计、控制安装空间的设计，下面对这些工作进行具体的说明。1.下体机构设计下肢关节轴系结构设计，一般考虑的主要因素包括三个方面，其一是轴系最