仿人型机器人总体及臂手部结构设计

盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007 目录目录 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 2 1 4 1 国内研究现状 2 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 13 4 1 3 头部齿轮的设计 14 4 2 轴的设计与计算 15 4 2 1 轴的结构设计 15 4 2 2 轴的强度计算 16 5 仿人型机器人连接板的设计及校核 20 5 1 肩部连接板的设计与校核 20 5 2 电机支撑板的设计与校核 21 6 仿人型机器人三维造型及运动仿真 22 6 1 仿人型机器人三维造型 22 6 2 仿人型机器人运动仿真 23 6 3 仿人型机器人舞蹈运动分析 23 6 4 仿人机器人重力分析 23 7 结论 25 参考文献 26 致 谢 27 附 录 28 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007 1 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 仿人型机器人总体及臂手部结构设计 2 1 4 国内外研究现状及发展状况 2 1 4 11 4 1 国内研究现状国内研究现状 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 21 4 2 国外研究现状国外研究现状 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 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007 3 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 31 4 3 发展趋势发展趋势 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 仿人型机器人总体及臂手部结构设计 4 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 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 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007 5 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 肘关节的摆动 腕关节的摆动 e 调整齿轮间隙 轴与轴之间的位置偏差 仿人型机器人总体及臂手部结构设计 6 2 总体方案设计 2 1 仿人机器人臂手部结构的确定 为了研究仿人机器人手臂首先需要了解人体手臂的机构学特征 人体的手臂由 肩关节 大臂 肘关节 小臂 腕关节 手等几部分组成 根据仿人与运动的实际 出发 现拟定该机器人上身共有 9 个自由度 其中 肩关节 2 个自由度 肘关节属 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007 7 于单轴关节 具有 1 个自由度 腕关节 1 个自由度 头部俯仰 1 个自由度 从机构原理上划分 仿人手臂分为齿轮式 连杆式 绳索驱动式和肌腱式 目 前的仿人机器人手臂主要采用齿轮式结构 现拟定该机器人臂手部的传动方式为齿 轮传动 齿轮式手臂具有机构紧凑 精度高 承载高等优点 2 2 仿人机器人上身尺寸的确定 仿人机器人机构的结构确定后 进一步根据操作任务的要求 确定与运动有关 的机构尺寸参数 包括相邻关节的相对位置参数 关节运动极限参数 即进行机构 的尺寸综合 尺寸综合与仿人机器人手臂工作空间的要求密切相关 结合人体上身 的尺寸特征 并按照机械结构实现的具体要求 确定手臂尺寸为 大臂长 130mm 小 臂长 130mm 手长 90mm 头高 110mm 2 3 结构的设计 仿人机器人中的躯体部分有着连接手臂 头以及腿部的作用 并且必须留有安 装空间 形状也类似于人 在我设计的仿人机器人中 肩部电机盒采用了长方形盒 子 左右各一个 在每个电机盒的两侧面都打了 4 个螺钉孔 用 2 块板分别盖在电 机盒的侧面 再用螺钉拧紧 就这样仿人机器人的躯体形成了 同样 手臂部分也 是用长方形盒子及连接板连接起来 形成整个手臂 2 4 仿人机器人自由度的确定 本次设计的仿人机器人上身为 5 个自由度包括头部的俯仰摆动 肩部的转动与 摆动 肘部的摆动 腕部的摆动 表 2 1 仿人机器人的基本参数 2 5 电机 的选择 通常机 器人的驱 动方式有 以下三种 a 电动机驱动方式 电动机驱动是利用各种类型的电动机经过机械传动驱动机器人操作机以获得各 种运动 电力驱动因有不需能量转换 控制灵活 使用方便 噪声较低 启动力矩 大等优点而在机器人中广泛选用 头俯仰 1 60 30 s 肩关节转动 2 360 30 s 肩关节摆动 3 180 60 s 肘摆动 4 180 30 s 动 作 范 围 腕摆动 5 90 30 s 仿人型机器人总体及臂手部结构设计 8 b 液压驱动方式 液压是一种比较成熟的技术 驱动力或驱动力矩大 即功率重量比大 也可把 工作液压缸直接做成操作关节的一部分 实现直接驱动 结构较简单 紧凑 液压 驱动方式中所使用的压力在 0 5 14MPa 之间 最高可达 20 30MPa 但机器人中多 采用 0 6 7MPa 而且需配备压力源和复杂的管路系统 容易发生泄露 影响工作 的稳定性和运动精度 污染环境 需定期更改液体介质 所以制造成本 维护费用 较高 液体介质中易混入气泡 造成驱动系统刚性降低 使速度响应性和运动精度 变坏 c 气压驱动方式 使用的空气压力通常为 0 4 0 6MPa 最高可达 10MPa 驱动系统管路结构简 单 维修方便 造价低 气源供应方便 不会造成泄露污染 压缩空气在管路中的 流速可达 180m s 因而动作速度快 但由于气体的可压缩性 难以实现较高的位置 精度和伺服控制 运动的稳定性差 工作时有噪声 电动机驱动系统有交 直流伺服电动机 步进电机和直接驱动电机四种 步进 电机可直接实现数字控制 控制结构简单 控制性能好 而且成本低廉 通常不需 要反馈就能对位置和速度进行控制 仿人机器人的上肢 包括肩部 肘部 腕部及 头部 它们都是辅助仿人机器人实现运动功能 再根据负载的要求不同 所以选择 小功率的步进电机 3 机器人驱动装置的设计 对仿人机器人驱动装置的一般要求如下 a 驱动装置的重量尽可能要轻 单位重量的输出功率 即功率 重量比 要符合 要求 效率也要高 b 反应速度要快 即要求力 重量比和力矩 惯量比要大 c 控制尽可能灵活 位移偏差和速度偏差要小 d 经济上合理 尤其是要尽量减少所占空间 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007 9 e 安全可靠 为了使仿人机器人的手臂转动 所需要的最大转距是当手臂呈水平状态 手臂 各部分的尺寸和重量如图 3 1 所示 图 3 1 仿人机器人手臂重量分配 设大小臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为 根据平行轴 1G J 2G J 2G J 定理可得绕第一关节轴的转动惯量为 3 2 333 2 222 2 1111 lmJlmJlmJJ GGG 1 式中 分别是各重心处的重量 值分别为 1 m 2 m 3 m 0 4kg 0 25kg 0 25kg 分别是各重心到第一关节的距离 其值分别为 1 l 2 l 3 l 72 5mm 217 5mm 290mm 在式 3 1 中 故 2 111 lmJG 2 222 lmJG 2 333 lmJG 1G J 2G J 可忽略不计 所以绕第一关节轴的转动惯量为 2G J 3 2 33 2 22 2 111 lmlmlmJ 2 将有关数据代入式 3 2 得 1 J 222 29 0 25 0 2175 0 25 0 0725 0 4 0 021025 0 01183 0 002103 0 035 0 同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量 3 2 53 2 422 lmlmJ 3 式中 小臂重心距第二关节轴的水平距离 其值为 72 5 4 lmm 腕部重心距第二关节轴的水平距离 其值为 145 5 lmm 将有关数据代入式 3 3 得 2 J 22 145 0 25 0 0725 0 25 0 仿人型机器人总体及臂手部结构设计 10 005256 0 001314 0 00657 0 3 1 肩部步进电机的选择 设大臂速度为 s 则旋转开始时的转矩可表示如下 30 3 TJ 4 式中 旋转开始的转矩 TmN 角加速度 2 srad 机器人大臂的转速从到 s所需时间为 则 0 0 30 st2 0 0 111 6 0 0350 0916 0 2 TJJN m t 因所选电机转距必须大于 所以选择标准P型 即PK244PA型步进电机 1 T 表3 1 PK244PA型步进电机技术数据 型号 保持转距 N m 转动惯量 kg m 2 额定电流 A 电压 V 基本 步距角 电机重量 kg PK244PA0 39 57 10 7 1 24 8 1 8 0 3 3 2 肘部步进电机的选择 机器人小臂的转速从到 s所需时间为 则 0 0 30 st2 0 0 222 6 0 006570 017 0 2 TJJN m t 因所选电机转距必须大于 所以选择标准P型 即PK233PA型步进电机 2 T 表3 2 PK233PA型步进电机技术数据 型号 保持转距 N m 转动惯量 kg m 2 额定电流 A 电压 V 基本 步距角 电机重量 kg PK233PA0 16 24 10 7 1 23 24 1 8 0 18 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007 11 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 仿人型机器人总体及臂手部结构设计 12 4 仿人机器人机械传动件的设计 4 1 齿轮的设计 4 1 14 1 1 肩部齿轮的设计与校核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 传动比 则大齿轮齿数 25 1 Z2i 2 50Z a 设计准则 对闭式软齿面齿轮传动 主要失效形式是齿面点蚀 故按齿面接触疲劳强度设 计 再按齿根弯曲疲劳强度校核 b 按齿根弯曲疲劳强度设计 4 1 3 2 1 2 FaSa dF Y YKT m z 1 式中 齿宽系数 1 0 d 1 5K 小齿轮传递的扭矩为 1 T 1 390TTN mm 电 查图可得大 小齿轮的弯曲疲劳强度极限 弯 lim1 80 Fa MP lim2 70 Fa MP 曲疲劳寿命系数 1 0 88 FN K 9 0 2 FN K 应力循环次数 4 8 11 6060 50 1 10 300 161 44 10 h Nn jL 2 87 21 1 44 10 27 2 10NNu 取定弯曲疲劳安全系数 应力修正系数 得1 4 F S 2 ST Y 4 11lim1 80 0 88 2 1 4100 57 FFNSTFFa KYSMP 3 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007 13 12lim2 70 0 9 2 1 490 FFNSTFFa KYSMP 查表可得齿形系数 和应力修正系数 1 2 62 Fa Y 2 2 22 Fa Y 1 1 59 Sa Y 2 1 77 Sa Y 计算大 小齿轮的与 并加以比较 取其中大值代 111 FaSaF YY 222 FaSaF YY 公式计算 11 1 2 62 1 59 0 0414 100 57 FaSa F YY 22 2 2 22 1 59 0 0392 90 FaSa F YY 按小齿轮进行齿根弯曲疲劳强度设计 则 1 3 3 22 1 22 1 5 390 0 04140 426 1 25 FaSa t dF Y YKT mmm z 计算圆周速度v 4 1 1 3 14 0 426 25 50 0 0279 60 100060 1000 t m z n vm s 4 查表得使用系数 根据 7级精度 查图得 查1 A K 0 0279 vm s 1 08 v K 图得 则载荷系数1 15K 4 1 1 08 1 151 242 Av KK K K 5 校核并确定模数 4 3 3 0 4261 242 1 50 4 tt mmK Kmm 6 取模数 1mmm 计算齿轮传动的几何尺寸 见表4 1 表4 1 肩关节齿轮的几何尺寸 仿人型机器人总体及臂手部结构设计 14 名称符号公式 分度圆直径d mmmzd25251 11 mmmzd50501 22 齿顶高 a h1 11 aa hh mmm 齿根高 f h 1 0 2511 25a f hhcmmm 全齿高h mmhhh fa 25 2 25 1 1 齿顶圆直径 a d mmhdd aa 272 11 mmhdd aa 522 22 齿根圆直径 f d mmhdd ff 5 222 11 mmhdd ff 5 472 22 基圆直径 b d mmddb 5 23cos 11 mmddb98 46cos 22 齿距P mmmp14 3 114 3 齿厚s mmms57 1 2 齿槽宽e mmme57 1 2 中心距a 12 237 5addmm 顶隙c0 25 10 25cc m 4 1 24 1 2 肘腕部齿轮设计肘腕部齿轮设计 齿轮采用PVC 齿轮精度等级为7级 取 则 经计算齿 1 20Z 2 2 2040Z 轮满足要求 计算齿轮的几何尺寸 见表4 2 表4 2 肘腕部齿轮的几何尺寸 名称符号公式 分度圆直径d 11 1 2020dmzmm 22 1 4040dmzmm 齿顶高 a h 1 11 aa hh mmm 齿根高 f h 1 0 2511 25a f hhcmmm 全齿高h mmhhh fa 25 2 25 1 1 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007 15 齿顶圆直径 a d 11 222 aa ddhmm 22 242 aa ddhmm 齿根圆直径 f d 11 217 5 ff ddhmm 22 237 5 ff ddhmm 基圆直径 b d 11cos 18 8 b ddmm 22cos 37 6 b ddmm 齿距P mmmp14 3 114 3 齿厚s mmms57 1 2 齿槽宽e mmme57 1 2 中心距a 12 230addmm 顶隙c 0 25 10 25cc m 4 1 34 1 3 头部齿轮的设计头部齿轮的设计 齿轮采用PVC 齿轮精度等级为7级 取 则 经计算齿 1 35Z 2 2 3570Z 轮满足要求 计算齿轮的几何尺寸 见表4 3 表4 3 头部齿轮的几何尺寸 名称符号公式 分度圆直径d 11 1 3535dmzmm 22 1 7070dmzmm 齿顶高 a h 1 11 aa hh mmm 齿根高 f h 1 0 2511 25a f hhcmmm 全齿高h mmhhh fa 25 2 25 1 1 齿顶圆直径 a d 11 237 aa ddhmm 22 272 aa ddhmm 齿根圆直径 f d 11 232 5 ff ddhmm 22 267 5 ff ddhmm 基圆直径 b d 11cos 32 89 b ddmm 22cos 65 78 b ddmm 齿距P mmmp14 3 114 3 仿人型机器人总体及臂手部结构设计 16 齿厚s mmms57 1 2 齿槽宽e mmme57 1 2 中心距a 12 252 5addmm 顶隙c 0 25 10 25cc m 4 2 轴的设计与计算 4 2 14 2 1 轴的结构设计轴的结构设计 3 根据肩部电机输出扭矩 选择肩部轴的材料为PVC a 按扭转强度初估轴径 4 T T W 7 式中 为轴上的传递扭矩 其值为T 4 0 2 0 9 390702Ti TN mm 8 许用剪切应力 4 53 2 30 7 1 7323 s a MP 9 把有关数据代入公式4 7 得 3 702 30 7 0 1d 6 1dmm b 各段轴径的确定 阶梯轴各轴段直径的变化应遵循下列原则 配合性质不同的表面 直径应有 所不同 加工精度 粗糙度不同的表面 一般直径亦应有所不同 应便于轴上 零件的装拆 通常从初步估算的轴端最小直径开始 考虑轴上配合零部件的标 min d 准尺寸 结构特点和定位 固定 装拆 受力情况等对轴结构的要求 依次确定各 轴段 包括轴肩 轴环等 的直径 如图4 1 轴是轴段1的直径 由于轴要起固定作用 所以轴段1车螺纹 用 min d 螺母拧紧固定 估 6mm 轴段2左右两端要承受载荷 估 10mm 轴段3起轴向 1 d 2 d 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007 17 固定作用 估 14mm 轴段4同样起轴向固定作用 并开有2个孔 用螺钉与连接 3 d 板固定 估 30mm 4 d c 各轴段长度的确定 各轴段的长度决定于轴上零件的宽度和零件固定的可靠性 根据螺母的宽度及 承载处的宽度取 8mm 考虑到装配要求及结构要求取 121mm 8mm 5mm 1 l 2 l 3 l 4 l 图4 1 轴的结构设计草图 4 2 24 2 2 轴的强度计算轴的强度计算 轴的强度计算主要有 3 种 许用切应力计算 许用弯曲应力计算和安全系数校 核计算 许用切应力主要用于轴的强度计算和初步估算轴的最小直径 许用弯曲应 力计算包括弯曲强度计算和弯扭合成强度计算 安全系数校核计算包括轴的疲劳强 度安全系数校核计算和静强度安全系数校核计算 仿人型机器人总体及臂手部结构设计 18 图4 2 轴的 受力分析和弯 扭矩图 a 轴上的转 矩 T 轴上的传递功 率 0 00084 0 00105 0 8 P PkW 传 66 0 00105 9 55 109 55 10401 1 25 P TN mm n 求作用在齿轮上的力 22 401 1 32 088 25 t T FN d tan32 088 tan2011 68 rt FFN b 画轴的受力简图 见图 4 2 所示 c 计算轴的支承反力 由平衡方程 得 0 y F 20 ABr FFFF 0 A M 10115125600 22 Br FF FF 得 4 94 AVBV FFN 水平方向的支反力 16 2 t AHBH F FFN d 画弯矩图 见图 4 2 弯矩图 垂直平面弯矩 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007 19 C 截面上的弯矩 1049 4 CVAV MFN mm D 截面上的弯矩 604 9 5051 4 DVAV MFN mm E 截面上的弯矩 1049 4 EVBV MFN mm 水平平面弯矩 C 截面上的弯矩 10160 CHAH MFN mm D 截面上的弯矩 604 9 50715 DVAH MFN mm E 截面上的弯矩 10160 EHBH MFN mm 合成弯矩 2222 49 4160167 45 EEVEH MMMN mm e 画转矩图 见图 4 2 转矩图 e 判断危险截面 结合轴的结构分析弯矩图与扭矩图 确定 1 1 为危险截面 只要 1 1 处满足强 度校核就行了 f 轴的弯扭合成强度校核 根据第三强度理论 可推得圆轴弯扭合成的计算弯矩为 2 2 ca MMT 2 2 167 450 6 400 292 64N mm 式中 折算系数 用以考虑扭转切应力与弯曲正应力循环特性不同的影 响 当为静应力时 应取0 3 但考虑启动 停机等的影响 仍可被视为脉 动循环变应力 估取0 6 查表 1 83 2 a MP 333 0 10 1 10100Wdmm 292 64 1002 93 cacaa MWMP 1 g 轴的疲劳强度安全系数校核计算 抗弯截面系数 333 0 10 1 10100 b Wdmm 抗扭截面系数 333 0 20 2 10200 T Wdmm 弯曲应力 167 45 1001 67 bba M WMP 仿人型机器人总体及臂手部结构设计 20 扭转切应力 400 2002 TTa T WMP 平均应力 0 m 21 mTa MP 应力幅 1 67 aba MP 1 ama MP 查表可得 1 83 2 a MP 1 53 2 a MP 1 1kk 0 2 0 1 0 88 0 95 S 1 52 q 弯曲和扭转疲劳极限的综合影响系数 K K 1 1 0 88 1 1 21 068 q Kk 1 1 0 95 1 1 21 026 q Kk 仅有弯曲正应力时的计算安全系数 1 83 2 46 65 1 068 1 670 2 0 am S K 仅有扭转切应力时的计算安全系数 1 53 2 43 39 1 026 1 0 1 2 am S K 2222 46 65 43 39 31 78 46 6543 39 ca S S S SS S 因此轴 1 1 截面处安全 其它轴用相同方法计算 结果都满足要求 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007 21 5 仿人型机器人连接板的设计及校核 5 1 肩部连接板的设计与校核 肩部连接板外形尺寸如图 5 1 肩部连接板起着手臂与躯体的连接作用 当手 臂呈垂直静止状态时 整个手臂的重量全由肩部连接板来承受 所以连接板就需要 有一定的强度 现连接板厚度初步定为 10mm 为了保证其抗拉强度不超过规定值 所以要校核连接板的危险截面 图 5 1 肩部连接板结构草图 通过计算 单个手臂的重量 m 2kg 由于肩部连接板左右打了mm 和mm 的14 7 孔 分别要对其所在截面处进行强度校核 计算mm 所在截面的拉伸强度14 5 2 11 3953 2 0 86 aa Fmg MPMP A 1 计算mm 所在截面的拉伸强度7 仿人型机器人总体及臂手部结构设计 22 2 9 953 2 0 98 aa Fmg MPMP A 计算连接板上的弯矩 5 9 8 70686MFlN mm 2 计算抗弯截面系数 5 22 3 10 70 8286 6 66 bh Wmm 3 计算连接板的弯曲强度 5 686 82 983 2 8286 6 aa M MPMP W 4 所以肩部连接板的厚度选 10mm 合适 5 2 电机支撑板的设计与校核 电机支撑板外形尺寸如图 5 2 它主要起着电机与电机盒的连接作用 由于电 机支撑板成 90 度形状 所以在拐角处是危险截面 需一定的强度 现支撑板的厚 度初定为 8mm 为了保证其弯曲强度不超过规定值 需对其进行强度校核 图 5 2 电机支撑板结构草图 经计算 支撑板的体积为 18370 PVC 材料的密度为 1 4k cm 可算得电 3 mm 3 机支撑板的质量为 0 026kg 计算小齿轮的圆周力 径向力 5 1 1 22 160 16 20 t T FN d 5 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007 23 5 tan16 tan205 8 rt FFN 6 计算支撑板上的弯矩 5 822076 r MFlFFlN mm 电板 计算抗弯截面系数 22 3 8 35 1633 3 66 bh Wmm 计算支撑板的弯曲强度 76 46 583 2 1633 3 aa M MPMP W 所以电机支撑板的厚度选 8mm 合适 6 仿人型机器人三维造型及运动仿真 6 1 仿人型机器人三维造型 根据以上结构的确定 我用 PRO E 对仿人型机器人上所有结构进行了三维造型 用 PRO E 造型能够清楚的体现出仿人型机器人的整体结构 是机械设计中建模 装 配 工程图 仿真 分析和制造的首选工具 由于本课题设计的仿人型机器人零部件比较简单 零件的具体画法在这不加详 细说明 下面就仿人机器人的装配关系说明一下 本次装配是从肩部盒开始 首先 把肩部盒从已做好的三维造型中调出 再把电机支撑板也调出 之后根据装配关系 利用元件放置约束把装配在一起时的 4 个螺钉孔对齐 就这样肩部盒与电机支撑板 装配完成 再把步进电机调出 同样也用一些约束把电机与电机支撑板装配在一起 然后再把齿轮 轴套 轴逐个调出与装配 就这样一个肩部盒内部的所以零件全部 装配结束 其余可以根据同样的步骤把整个仿人机器人装配起来 下图 6 1 是本次 设计的仿人机器人三维造型 仿人型机器人总体及臂手部结构设计 24 图 6 1 仿人型机器人三维造型 本课题我们设计的仿人型机器人 高 930 重 12Kg 共有 19 个自由度 其中 头部 1 个自由度 肩关节 2 个自由度 肘关节 1 个自由度 腕关节 1 个自由度 腰 关节 2 个自由度 膝关节 1 个自由度 踝关节 2 个自由度 6 2 仿人型机器人运动仿真 由于仿人型机器人的运动模型与人体的运动模型是不同的 所以捕获的人体的 动作数据不能直接应用于仿人型机器人 需要通过运动学匹配将获取的人体动作数 据转化为满足运动学约束的仿人型机器人运动数据 机器人上肢在空中运动 其运 动学约束条件只包括关节范围及自由度的数目 由于仿人型机器人脚与地面之间接 触的约束条件是仿人型机器人稳定性的关键因素 因此下肢动作的运动学约束条件 还必须包括地面接触约束条件 动力学匹配是对运动学匹配后的数据进行处理 使其符合机器人动态稳定性 用来驱动仿人型机器人完成稳定运动的处理过程 另一方面 由于通过运动学匹配 和动力学匹配后得到的仿人型机器人动作可能与人体的动作大不相同 若要求达到 以人体的动作标准为样本 使其保持与人体动作的一致性 还要满足动作相似性约 束条件 6 3 仿人型机器人舞蹈运动分析 现在各国研究的仿人机器人主要有跳舞机器人 步行机器人及服务机器人等 本课题设计的仿人型机器人上身主要完成舞蹈动作 当仿人机器人手臂达到如图5 2所示时 肩部电机转动180度 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007 25 图6 2 仿人机器人运动简图 6 4 仿人机器人重力分析 如图6 2所示 分别是手臂和身躯的重量 其值分别为1 8kg 2 2kg 1 m 2 m 求作用在手臂与身躯上的力 1 F 2 F 11 1 8 9 817 64Fm gN 22 2 2 9 821 56Fm gN 假设重心在A A截面上 根据