loading行走机器人运动系统的设计 I
摘 要
首先本文简单介绍了本课题的意义和内容和了解了国内外机器人的发展概况。其次，给出课题的研究方案，对行走机器人进行机械设计。对机器人的机械系统方案进行了设计，包括对行走、升降、手臂伸缩、手臂旋转、手抓取物并加紧等功能的设计，画出了各主要部件的机械构图，行走机器人通过运动控制系统完成各个动作以抓取物体。通过对各个方案优缺点的比较，机手臂旋转用齿轮传动来实现。用滚珠丝杆螺母副实现升降、手臂伸缩、手抓取物并加紧。最后根据技术要求，机器人的行走则选用步进电机完成。
关键词：机器人，滚珠丝杠，机械设计，步进电机，单片机
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ABSTRACT
Firstly this paper briefly introduces the significance,contents of the project and the
development situation of domestic and foreign robot.Secondly,to give the research program of the subject and to do mechanical design of walking robot.Designing the mechanical system of robot,Including the design of walking,rising and falling,telescoping arms,rotating arm,hand grabbed and intensify and so on. Draw the main components of the mechanical composition,walking robot complete each action to grab objects by motion control system.Through the comparison of advantages,and disadvantages of each scheme,to realize the rotating arm by gear,to realize the rising and falling,telescoping arms,hand grabbed and intensify by ball screw nut,Finally, according to the technical requirements,choosing stepper motor to complete the robot’s walking.
Key words: Robot, ball screw, machine design, stepper motor, single chip microcomputer
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目 录
1 绪论 .......................................................................................................................................................... 1
1.1行走机器人的概述 .......................................................................................................................... 1 1.2国内外研究现状及发展趋势 .......................................................................................................... 1 1.3本课题的设计要求 .......................................................................................................................... 4 2 总体方案 ............................................................................................................................... 5
2.1研究内容 .......................................................................................................................................... 5 2.2 研究方案 ......................................................................................................................................... 6 2.3 控制器 ............................................................................................................................................. 7 3 机器人的机械部分设计 ...................................................................................................................... 9
3.1 齿轮的设计 ..................................................................................................................................... 9 3.2同步带机构的设计 ........................................................................................................................ 13 3.3伸缩机构的设计 ............................................................................................................................ 16 3.4 升降机构的设计 ........................................................................................................................... 22 3.5 手爪机构的设计 ........................................................................................................................... 26 3.6圆锥齿轮的设计 ............................................................................................................................ 30 3.7 轴的校核 ....................................................................................................................................... 33 3.8 轴承的选择与校核 ....................................................................................................................... 36 3.9 键的选择和校核 ........................................................................................................................... 37 4 行走机器人控制部分 .......................................................................................................... 39
4.1机器人控制方案 ............................................................................................................................ 39 4.2编程程序 ........................................................................................................................................ 42 5 结论 ...................................................................................................................................... 46 参考文献 .................................................................................................................................. 47 致 谢 ...................................................................................................................................... 48
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1 绪论
行走机器人的技术研究是我国目前的热点，它综合了电子学机械、自动控制、计算机软硬件、传感器、生物机械学、材料科学、模具、精密加工等多门学科。行走机器人的研究无疑对促进科技的发展和人类的进程有重大的现实意义，是当今科技的一种必然趋势，为机电产品的研究提供一种新的途径。特别是行走机器人技术的发展往往代表一个国家的科技实力和机电一体化的最新产品。
1.1行走机器人的概述
移动机器人是机器人的一个重要分支。对移动机器人的研究涉及到许多方面，第一它的运动方式，可以轮式，履带等；第二要考虑驱动控制机器人，达到所需的行动；第三也必须考虑到导航与路径规划。所以，步行机器人是一个综合性的系统，它是集环境感知，各种动态决策与规划的功能，行为控制与执行于一体。机器人应该根据实际情况选择和机械结构的设计。在机器人机构，应结合在不同的方面和各种环境的应用程序的机器人，以执行所需的工作。步行机器人的行走，研究在各种环境中如地面，地下，水，空气，空间等。现在，步行机器人的研究更多的机器人，轮式和履带式步行，但大多数仍处于试验阶段，这是一个轮式移动机器人由于其控制简单，运动的稳定性和易操作等。所以机器人正在走向成熟，美国宇航局计划从星球漫游美国在取样车回到这个月的阿波罗任务的六轮最近推出的，显示了其广阔的发展前景和实用价值的机器人。这是机器人研究的主要原因和意义。
1.2国内外研究现状及发展趋势
1.2.1国内多足步行机器人的研究成果
1991年的时候,上海交通大学马培荪等研制出JTUWM[1]系列四足步行机器人。JTUWM-III它是由四足哺乳动物的腿形死羊，每条腿具有3个自由度，这是由直流伺服电机驱动的。基于步态的研究，通过对3自由度的协调控制，可以完成空间移动单腿。该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统, JTUWM-III是一个对角步态，与PVDF压力传感器的脚底, 人工神经网络和模糊算法的使用，位置和力的混合控制,从而实现四足步行机器人JTUWM-III的慢速动态行走,极限步速为1.7 km/h[2]。为了提高步行速度，弹性行走机构应用于四足步行机器人，缓冲存储效应和能量[3]。
2000年,上海交通大学马培荪来形状记忆合金驱动的微型机器人的第一代提高六,开发出了具有全方位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR[4-5],如图1-1所示。但其第一代的每条腿只有2个自由度,无法实现机器人的转向, 只有线性静态步行, 只有1毫米/秒的平均步行速度。将身体的改进设计的主要部分,由上下两层相互平行的三叉支架,将六足改进为双三足,引入身体转动关节,采用新型的组合偏动SMA驱动器, 使小
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型三足步行机器人的MDTWER全方位运动能力的新一代。。
2002年,上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人的研究[6],如图2-2所示。这不像机器人的外形是：长30 mm,宽40 mm,高20 mm,质量仅为6.3 kg,步行速度为3毫米每秒。它们是基于六英尺的昆虫运动机理分析,利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸,采微型直流电机，蜗轮蜗杆减速机、皮带传动机构, 基于步态和稳定性分析,进行控制系统软、硬件设计,步行实验结果表明,该机器人具有较好的机动性。
图1-1 MDTWR双三足步行机器人
图1-2 微型六足仿生机器人
2003，袁鹏孟庆欣的哈尔滨工程大学研究了蟛蜞喜欢机器人。[7-8], 从蟛蜞设计喜欢机器人控制方案的框架,研究了多足步行机的单足周期运动规律, 单脚的路径规划方法适合蟛蜞喜欢机器人,从多腿的节奏的周期性步行运动的角度, 建立了神经振荡器产生周期性的运动模型。
1.2．1国外多足步行机器人的研究成果
1990，美国美国的卡耐基-梅隆大学开发了AMBLER，它是六足步行机器人的外星探测器,如图1-3所示。该机器人采用一种新的腿机构, 由一个直线运动在拉伸杆的垂直平
面、在水平面上的运动是由两个正交旋转，杆。机器人的实时状态是由一个64位处理
器系统的运动路径规划，运动控制和监测系统，该传感器包括激光测距扫描仪，彩色摄像机和触觉传感器。总质量为3180 kg，但是因其,被体积太大重量较重，所以最终没有实施。
1993，美国美国的卡耐基-梅隆大学开发了DANTE，他是一个电缆八足步行机器人，为火山进行了研究，经过他的改进DANTE-II也在显示中得到使用[9],如图1-4所示。1994年,DANTE-II对距离安克雷奇145 km的斯伯火山进行了研究，对各种数据和图像。
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