1、哈尔滨理工理工大学综合课程设计-1-目录第 1 章 序言 .21.1 双足机器人现状 .21.2 技能综合训练意义 .21.3 技能训练的内容 .2第 2 章 元件选择、结构设计 .32.1 元件选择 .32.2 结构设计三维设计图 .42.2.1 零件三位模型以及装配 .42.2.2 装配三维模型 .7第 3 章 控制系统设计 .9第 4 章 系统软件编程与仿真 .11第 5 章 结论 .17参考文献 .18附录 .19哈尔滨理工理工大学综合课程设计-2-第 1 章 序言1.1 双足机器人现状随着世界第一台工业机器人 1962 年在美国诞生，机器人已经有了三十多年的发展史。三十多年来，机器人
2、由工业机器人到智能机器人，成为21 世纪具有代表性的高新技术之一，其研究涉及的学科涵盖机械、电子、生物、传感器、驱动与控制等多个领域。世界著名机器人学专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能。 ”双足机器人属于类人机器人，典型特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节，并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑及连续地协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动。双足机器人不仅具有广阔的工作空间，而且对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，其步行性能是其它步行结构无法比拟的。研究双足行走机器人具有重
3、要的意义1.2 技能综合训练意义 技能训练是在学生修完除毕业设计外全部理论和时间课程以后的一次综合性时间教学环节，其目的和意义在于：通过技能训练，了解机器人机构及控制系统设计的基础知识；掌握机器人系统中元部件的正确选择方法和特性参数的确定；培养学生对所学知识的综合应用，理论联系实际的能力；培养学生的动手能力和实际操作能力；1.3 技能训练的内容1、主要内容：1） 、机器人结构设计；2） 、控制系统软硬件设计与仿真；3） 、六自由度机器人运动控制。2、训练形式学生以小组为单位，集体讨论确定整体方案；指导教师给出实训方向，技术指标等，协助学生完成训练任务。哈尔滨理工理工大学综合课程设计-3-第 2
4、 章 元件选择、结构设计2.1 元件选择2.1.1 电机的选择常用的电机有直流电机、步进电机、舵机等。下面我们大概对直流电机、步进电机、舵机进行一下对比（见表 2-1）表 2-1 电机对比电 机 优 点 缺 点 适 用 重 量 应 用 场 合直 流电 机功 率 大 、 接 口 简 单 、容 易 购 得 型 号 多较 难 装 配 、 较贵 、 控 制 复 杂任 何 重 量的 机 器 人较 大 型 机 器人步 进电 机精 确 的 速 度 控 制 型号 多 、 接 口 简 单 、便 宜体 积 大 ， 较 难装 配 、 功 率 小 、控 制 复 杂轻 型 机 器人巡 线 跟 踪 机器 人 ， 迷 宫机
5、 器 人舵 机易 于 安 装 、 接 口 简单 、 功 率 中 等负 载 能 力 较 低速 度 调 节 范 围较 小重 至2.5kg 的机 器 人小 型 机 器 人 ，步 行 机 器 人所以此处选取 MG995 全金属齿轮 13 公斤大扭力舵机作为双足机器人的传动机构。参数说明: MG995 舵机1.重量：60g2.尺寸：约 40mmX20mmX36.5mm3.速度：0.17 秒/60 度(4.8V)；0.13 秒/60 度(6.0V)4.扭矩：13kgcm5.使用温度:0+55 摄氏度6.工作电压:4.8V-7.2V2.1.2 关节材料及尺寸的选择由于舵机已经选定，则根据加入垫片以后各宽度设
6、计支架的宽度，并按着人体比例设计大腿、小腿处需要的支架的长度。 （如下图标注所示）根据资料查阅，绝大多数小型双足机器人关节材料均选用铝合金作为材料，整个结构采用 1.5mm 的铝合金(LY12)钣金材料，这种材料重量轻、硬度高、强度虽不如钢，但却大大高于普通铝合金。且这种材料具有弹性模量、密度比高的特点。又因为机器总重不超过 2.5KG，舵机扭矩为 13 kgcm。强度远小于铝合金的抗弯强度。所以符合要求。如图 2-1-2。哈尔滨理工理工大学综合课程设计-4-图 2-1-2 关节初步设计简图2.2 结构设计三维设计图2.2.1 零件三位模型以及装配1、舵机，双足机器人的核心部件，型号 MG99
7、5，如图 2-2-1图 2-2-1 舵机2、舵盘，用于连接舵机与铝合金支架的部件，因为舵机左右结构不同，所以舵盘分两种：舵盘 a 用于连接舵机的齿轮端，舵盘 b 用于配合舵机的光滑轴端，如图 2-2-2哈尔滨理工理工大学综合课程设计-5-a b 图 2-2-2 舵盘3、铝合金支架，用于机器人的腿部主体支撑关节，起着连接舵机与舵机、舵机与腰部的身体板的重要作用。如图 2-2-3图 2-2-3 铝合金支架4、连接块，在 4 个面上都有螺纹孔，用于舵机与铝合金关节的连接以及关节与关节之间的连接，如图 2-2-4哈尔滨理工理工大学综合课程设计-6-图 2-2-4 连接块5、底部机器人脚板，中空设计便于
8、在崎岖不平的道路上行走时提供足够的摩擦力，如图 2-2-5图 2-2-5 脚底板6、腰部身体板，主要用于连接腿部、放置单片机和固定蓄电池。如图 2-2-6哈尔滨理工理工大学综合课程设计-7-图 2-2-6 身体板2.2.2 装配三维模型图 2-2-7 为 SolidWorks 制作的双足步行机器人三维装配模型。图 2-2-7 双足机器人模型如图 2-2-8 为 SolidWroks 模拟的双足机器人行走状态截图哈尔滨理工理工大学综合课程设计-8-哈尔滨理工理工大学综合课程设计-9-第 3 章 控制系统设计舵机的控制信号实质是一个可调宽度的方波信号(PWM)。该方波信号可由单片机来产生。目前采用
9、单片机做舵机控制器的方案比较多，可以利用单片机的定时器中断实现 PWM。电路设计方案有二种：1、利用 555 定时器实现外部中断；2、用单片机内部中断。考虑到制作成本，不宜增加外设，故采用方案 2。方案电路图设计如图 3-1 所示。图 3-1 电路图哈尔滨理工理工大学综合课程设计-10-舵机控制器以 80C51 单片机为核心，该控制器中单片机可以产生 8 个通道的 PWM 信号，分别由 80C51 的 P10Pl.7 端口输出。输出的 8 路PWM 信号通过光耦隔离传送到下一级电路中。方波信号经过光耦传输后，前沿和后沿会发生畸变，因此反相器采用 40106 反相器对光耦传输过来的信号进行整形，产生标准的 PWM 方波信号。根据经验舵机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流，若舵机与单片机控制器共用一个电源，则舵机会对单片机产生较大的干扰。因此，舵机与单片机控制器采用两个电源供电，两者不共地，通过光耦来隔离，并且给舵机供电的电源最好采用输出功率较大的开关电源。该舵机控制器占用单片机的个 SCI 串口。串口用于接收上位机传送过来的控制命令，以调节每一个通道输出信号的脉冲宽度。MAX232 为电平转换器，将上位机的RS232 电平转换成 TTL 电平。
