仿人步行机器人机构设计.pdf

总 第 ! 卷 第 !#$ 期 电 测 与 仪 表 %&(! )&(!#$* 年 第 期 +,-./0-1 2,134/,5,6. 7 863./45,6.1.0&6 9,:( $*仿 人 步 行 机 器 人 机 构 设 计!周 华 平 ， 冯 金 光;国 防 科 技 大 学 机 电 工 程 与 自 动 化 学 院 ， 长 沙 !摘 要 ： 仿 人 步 行 机 器 人 的 机 构 是 所 有 部 件 的 载 体 ， 也 是 设 计 仿 人 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 步 行 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 ： 仿 人 机 器 人 ； 机 构 ； 设 计 ； 轴 系中 图 分 类 号 ： ?=A 的 直 流 伺 服 电 机 外 ， 其 它 轴 系 全 部 采 用 $的 直 流 驱 动 电 机 。 下 肢 所 有 轴 系 全 部 采 用 两 级 减 速 方式 ， 一 级 减 速 采 用 回 差 极 小 的 谐 波 减 速 器 ， 除 髋 部 转动 轴 系 速 比 为 ;$ 外 ， 其 它 轴 系 速 比 为 ;=!； 二 级 减 速除 髋 部 转 动 轴 系 采 用 斜 齿 等 比 传 动 外 ， 其 它 轴 系 全 部采 用 速 比 为 的 直 流 伺 服 电 机 和 速 比 为 ;$ 的 谐 波 减 速器 ， 为 了 减 轻 上 肢 的 重 量 ， 侧 向 关 节 根 据 其 负 载 要 求采 用 了 $ 的 直 流 伺 服 电 机 和 速 比 为 ;$ 的 谐 波 减速 器 。以 28)82?A 电 机 为 例 ， 按 其 正常 连 续 工 作 输 出 力 矩 ;$5)5 计 算 ， 经 过 两 级 !D 倍减 速 ， 其 输 出 力 矩 可 达 *( 电 机 轴 系 可 以 驱动 力 臂 ;$-5 重 量 约 !EF 的 负 载 ， 完 全 可 满 足 总 体 输出 力 矩 的 要 求 。如 表 所 示 的 次 要 轴 系 中 ， 上 肢 肘 部 转 动 和 前 向轴 系 、 上 肢 腕 部 转 动 轴 系 、 头 颈 部 俯 仰 轴 系 需 要 较 大的 力 矩 输 出 ， 但 又 不 能 导 致 肩 部 轴 系 负 载 过 大 ， 因 此采 用 了 输 出 力 矩 较 大 的 一 体 化 航 模 舵 机 H*?*2A； 手 部 所 有 $ 个 轴 系 为 了 满 足驱 动 和 控 制 内 置 于 掌 中 的 要 求 ， 采 用 了 体 积 小 、 重 量轻 的 一 体 化 舵 机 =;$。如 表 ; 所 示 ， 在 本 仿 人 机 器 人 系 统 中 ， 主 要 轴 系全 部 采 用 电 位 器 作 为 位 速 传 感 器 ， 传 感 器 输 出 信 号 直接 反 映 出 轴 系 的 伺 服 位 置 ， 输 出 信 号 经 过 差 分 处 理 后得 到 速 度 伺 服 信 号 。 主 要 轴 系 中 下 肢 轴 系 传 感 器 直 接同 轴 连 接 在 低 速 输 出 轴 上 ， 上 肢 肩 部 轴 系 传 感 器 通 过同 步 带 和 输 出 轴 连 接 。 次 要 轴 系 传 感 器 同 样 是 电 位器 ， 它 内 置 于 一 体 化 舵 机 中 ， 和 电 机 输 出 轴 同 轴 连 接 。! 机 构 具 体 设 计在 上 述 机 构 总 体 设 计 方 案 和 关 键 轴 系 器 件 确 定后 ， 我 们 对 整 体 机 构 进 行 了 由 主 到 次 的 具 体 设 计 ， 其中 包 括 下 肢 承 载 平 台 即 下 体 机 构 设 计 、 躯 干 机 构 设计 、 上 肢 机 构 设 计 、 头 颈 机 构 设 计 、 手 部 机 构 设 计 和 机载 安 装 空 间 的 设 计 B下 面 对 这 些 工 作 进 行 具 体 的 说 明 。;( 下 体 机 构 设 计下 肢 关 节 轴 系 结 构 设 计 ， 一 般 考 虑 的 主 要 因 素 包括 三 个 方 面 ， 其 一 是 轴 系 最 大 驱 动 力 矩 要 求 ， 其 二 是轴 系 的 结 构 强 度 和 运 动 速 度 要 求 ， 其 三 是 轴 系 的 重 量限 制 。 在 本 项 目 中 ， 下 肢 轴 系 一 方 面 需 要 提 供 足 够 的力 矩 和 结 构 强 度 才 能 实 现 对 本 身 和 上 体 的 承 载 ， 另 一方 面 要 达 到 足 够 的 运 动 速 度 才 能 使 机 器 人 整 体 步 行速 度 达 到 项 目 指 标 的 要 求 。 因 此 ， 对 下 肢 关 节 轴 系 ， 上述 三 个 因 素 需 要 并 重 考 虑 ， 即 在 保 证 所 需 强 度 、 驱 动力 矩 、 运 动 速 度 下 ， 在 重 量 、 结 构 和 尺 寸 上 进 行 优 化 。在 整 个 下 肢 的 结 构 设 计 中 ， 我 们 摈 弃 了 以 往 的 关 节 串行 链 接 的 模 式 ， 通 过 直 齿 平 移 或 斜 齿 传 动 ， 在 实 现 二次 减 速 的 同 时 ， 使 得 多 轴 关 节 完 全 正 交 ， 其 中 包 括 踝部 的 前 向 与 侧 向 关 节 完 全 正 交 ， 髋 部 的 前 向 、 侧 向 、 转动 三 个 关 节 完 全 正 交 。;( 躯 干 机 构 设 计躯 干 在 仿 人 机 器 人 中 不 仅 仅 起 到 连 接 下 肢 、 上 肢和 头 颈 部 分 的 作 用 ， 而 且 要 为 机 载 安 装 设 备 提 供 安 装空 间 。 在 本 项 目 中 上 肢 部 分 的 大 功 率 轴 系 、 上 肢 底 层功 率 驱 动 器 、 语 音 识 别 控 制 器 、 无 线 遥 控 监 控 器 以 及锂 离 子 电 池 组 等 都 需 要 安 装 在 机 器 人 躯 干 部 分 ， 因 此我 们 以 板 筋 为 材 料 ， 将 躯 干 设 计 为 一 个 中 空 的 腔 体 ，内 部 设 计 有 支 撑 板 ， 一 方 面 保 证 腔 体 的 结 构 强 度 ， 另一 方 面 提 供 上 述 机 载 设 备 的 安 装 构 架 ， 同 时 为 了 机 载设 备 的 维 护 更 换 方 便 ， 我 们 将 躯 干 外 围 板 筋 设 计 成 为各 方 可 以 自 由 装 卸 的 组 合 形 式 。;(; 上 肢 机 构 设 计上 肢 机 构 设 计 主 要 考 虑 满 足 各 运 动 自 由 度 的 要求 和 机 载 系 统 的 安 装 要 求 。 在 上 肢 的 设 计 中 ， 为 尽 可能 减 少 负 载 ， 肩 关 节 个 自 由 度 分 别 采 用 #$C 和$C 电 机 驱 动 的 机 电 驱 动 模 块 直 接 驱 动 关 节 运 动 ， 其余 ! 个 关 节 均 采 用 大 功 率 一 体 化 数 控 电 机 直 接 控 制关 节 运 动 （ 大 臂 滚 动 、 肘 关 节 、 小 臂 滚 动 、 腕 关 节 ） 。 上肢 这 种 设 计 在 保 证 机 构 运 动 功 能 要 求 的 前 提 下 ， 大 大减 轻 了 机 构 重 量 ， 减 少 了 控 制 系 统 的 复 杂 性 。;(! 头 颈 机 构 设 计在 本 项 目 中 ， 我 们 拟 订 头 颈 两 个 自 由 度 ： 转 动 和俯 仰 。 为 了 减 轻 头 部 的 重 量 ， 我 们 对 这 两 个 轴 系 直 接采 用 功 率 适 当 的 一 体 化 舵 机 辅 以 板 筋 机 构 件 来 实 现 ，头 部 外 壳 采 用 板 筋 组 合 设 计 为 卡 通 机 器 人 形 象 ， 内 部安 装 有 摄 像 头 。;(* 手 部 机 构 设 计仿 人 手 爪 是 仿 人 机 器 人 在 外 形 和 功 能 上 仿 人 的必 要 组 成 部 分 和 重 要 环 节 ， 对 手 爪 的 研 究 在 整 个 机 器人 技 术 中 也 有 着 极 其 重 要 的 地 位 。 在 本 项 目 中 ， 我 们模 仿 人 手 的 基 本 结 构 、 特 点 和 功 能 ， 设 计 和 研 制 了 以实 现 演 示 功 能 为 目 的 的 简 易 仿 人 机 器 人 手 爪 。 我 们 首先 从 手 爪 的 机 构 抓 持 、 操 作 等 特 点 出 发 ， 分 析 了 几 种常 见 的 手 爪 机 构 ， 并 着 重 对 特 殊 手 爪 机 构 的 结 构 形 式和 特 点 进 行 了 分 析 ， 在 此 基 础 上 ， 从 仿 生 学 角 度 ， 模 仿人 类 手 指 的 功 能 、 特 点 ， 对 仿 人 机 器 人 简 易 手 指 的 结构 进 行 了 优 化 分 析 和 设 计 ， 提 出 了 一 种 “ 欠 驱 动 ” 结 构的 设 计 方 法 。 与 常 规 的 手 爪 结 构 相 比 ， 这 种 “ 欠 驱 动 ”的 手 指 结 构 操 作 更 加 灵 活 ， 能 实 现 多 功 能 的 抓 取 操作 ， 不 但 有 利 于 减 少 控 制 的 复 杂 性 ， 减 轻 重 量 ， 降 低 能耗 ， 而 且 具 有 更 好 的 适 应 性 、 稳 定 性 和 柔 韧 性 。整 个 简 易 仿 人 手 爪 的 设 计 是 根 据 人 类 手 的 结 构 、功 能 ， 采 用 了 四 个 手 指 和 一 个 大 拇 指 相 配 合 的 结 构 ，关 节 之 间 以 钢 丝 拉 动 作 为 肌 腱 ， 每 一 个 手 指 分 别 由 一个 独 立 的 电 机 控 制 ， 来 完 成 抓 、 握 、 捏 以 及 其 它 各 种 较为 复 杂 的 动 作 。;(? 机 载 安 装 空 间 设 计电 气 机 载 化 安 装 是 本 项 目 的 主 要 目 标 之 一 ， 因 此在 机 构 的 设 计 中 ， 机 载 电 源 子 系 统 和 控 制 子 系 统 的 机载 安 装 空 间 和 机 载 载 荷 平 衡 问 题 必 须 周 到 考 虑 。 一 方面 我 们 尽 量 提 高 机 载 部 分 集 成 度 ， 减 轻 机 载 部 分 重# #总 第 ! 卷 第 !#$ 期 电 测 与 仪 表 %&(! )&(!#$* 年 第 期 +,-./0-1 2,134/,5,6. 7 863./45,6.1.0&6 9,:( $*量 ， 另 一 方 面 采 用 模 块 化 分 散 化 的 设 计 原 则 和 安 装 方式 ， 尽 量 利 用 零 散 的 机 载 空 间 。在 机 器 人 躯 干 部 分 设 计 中 ， 其 内 腔 均 设 计 为 机 载安 装 空 间 ， 但 是 由 于 完 全 机 载 化 的 要 求 ， 该 空 间 远 远满 足 不 了 系 统 的 要 求 。 为 此 我 们 设 计 了 一 个 后 背 箱 ，作 为 控 制 计 算 机 主 机 、 多 轴 运 动 控 制 器 组 、 电 源 变 换模 块 、 无 线 通 讯 模 块 、 电 源 监 测 与 控 制 模 块 以 及 接 线端 子 连 接 器 的 机 载 空 间 。下 肢 轴 系 设 计 模 块 化 后 ， 采 用 板 筋 结 构 连 接 各 个轴 系 组 成 整 个 下 肢 ， 轴 系 间 板 筋 围 成 的 空 间 作 为 下 肢轴 系 底 层 功 率 驱 动 器 的 机 载 空 间 。! 机 构 设 计 结 果机 器 人 外 形 示 意 如 图 ， 整 体 身 高 ;*-5， 整 机 重量 （ 包 括 机 载 设 备 ） 约 ?， 机 构 共 具 有 =?， 达 到 预 期 的 控 制 目 标 。 其 中 上 臂 约 *(*?， 下 肢约 =?， 躯 干 及 后 背 箱 约 ($?， 机 载 电 源 约 ;?， 头部 约 $(?。 在 整 个 重 量 结 构中 ， 机 载 电 源 部 分 所 占 比 重 较 大 ， 这 是 目 前 国 内 锂 离子 电 池 本 身 局 限 和 我 们 拟 订 的 机 器 人 无 缆 工 作 时 间指 标 较 高 所 致 。 结 论我 们 在 确 定 仿 人 机 器 人 机 构 总 体 自 由 度 数 量 、 自由 度 布 局 、 主 要 轴 系 设 计 方 案 和 机 载 安 装 空 间 的 要 求后 ， 对 整 体 结 构 进 行 了 全 面 的 设 计 、 加 工 、 装 配 及 调试 ， 完 成 了 一 套 较 为 完 整 的 仿 人 机 器 人 机 构 ， 完 全 实现 了 预 期 的 目 标 要 求 。 多 次 实 验 证 明 ， 该 机 构 不 仅 在外 形 上 进 一 步 实 现 了 仿 人 的 效 果 ， 而 且 结 构 灵 活 ， 承载 力 强 ， 完 全 可 以 满 足 机 器 人 的 运 动 要 求 。参 考 文 献A;B C1D4& E0/10(FG, E&6H1 E4