【正文】 人相比有許多突出的優(yōu)點和它們無法比擬的優(yōu)越性，但是由于受到機構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、微電子學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等相關(guān)學(xué)科發(fā)展的制約，至今基本上仍處于實驗室研制的階段，尤其是雙足行走的速度、穩(wěn)定性及自適應(yīng)能力仍不是非常理想，只有在走穩(wěn)走好之后再加上臂部執(zhí)行機構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)，才談得上真正的仿人，當(dāng)然，仿人不能僅僅局限于這些，還應(yīng)該模仿人類的視覺、觸覺、語言，甚至情感等 功能，仿人機器人是許多技術(shù)的綜合、集成和提高，目前，主要的攻關(guān)項目還是行走功能的進一步提高，日本本田公司生產(chǎn)的 P3 仿人機器人雖已走向市場化，但是，它的功能還很不限，離實際意義上的擬人化還有相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x，所以仿人機器人給科研工作者提供了廣闊的研究空間，提出了一個又一個新的挑戰(zhàn)，同時也促進了許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，導(dǎo)致了一些新理論，新方法的出現(xiàn)，越來越多的科研工作者投入了這一新興的前沿學(xué)科，以下是未來幾十年仿人機器人的研制方向。 仿人機器人是一個多關(guān)節(jié)且具有冗余自由度的復(fù)雜的系統(tǒng)，如 何實現(xiàn)預(yù)期功能而又使結(jié)構(gòu)最優(yōu)化是一個很值得研究的問題，一個功能齊全的智能仿人機器人必須得有一個結(jié)構(gòu)緊湊、配置合理的機械本體，本田公司最新研制的“ ASMO”就是一個典型的例子。 一個理想的步態(tài)規(guī)劃對仿人機器人行走的穩(wěn)定性是非常有益的，由于仿人機器人系統(tǒng)的高階、強耦合及非線性，使得仿人機器人的運動學(xué)和動力學(xué)的精確求解非常困難，而且也沒有非常理想的理論或方法來求解逆運動學(xué)解析，只有外加一些限制條件如能量消耗最小，峰值力矩最小來求解運動學(xué)和動力學(xué)的近似解，這往往導(dǎo)致了機器人的 規(guī)劃運動與實際運動有較大的出入，所以要得到理想的運動規(guī)劃，則必須在運動學(xué)和動力學(xué)的求解方法上有重要的突破。 目前仿人機器人所用的驅(qū)動源主要有兩種：在線提供能源，離線自帶電源。理想的能源應(yīng)該具有十分高的能量密度、耐高溫、耐腐蝕、可再生、及成本等，但是現(xiàn)在的自配能源的容量有限，而機器人的關(guān)節(jié)眾多，所以如何改進驅(qū)動源，使其體積小、重量小而又容量大，也是在仿人機器人的研制過程中必須解決的問題。 仿人機器人的關(guān)節(jié)眾多，控制電路比較復(fù)雜，要實現(xiàn)其真正的擬人化，并擁有其他一 些人類并不具有的功能，其控制電路就愈加復(fù)雜，如何尋找更為優(yōu)化的控制方案，優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)，也引起了越來越多的科研工作者的注意，另外一個解決方案就是利用大規(guī)模集成電路，現(xiàn)在的集成電路生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)到了相當(dāng)高的水平。 仿人機器人真正意義上的仿人是在雙足行走和智能化毫無疑問，人類是當(dāng)前世界上最智能化的生物，但要人類復(fù)制自己的智能到機器人身上可不是一個簡單的事情，要使機器人獲得足夠的智能必須依賴于智能技術(shù)的發(fā)展，而現(xiàn)在的智能實現(xiàn)方法就是通過編制軟件，再由計算機進行計算，機器人接受人的指令產(chǎn)生 相應(yīng)的操作；根據(jù)自己的學(xué)習(xí)完善自己的專家系統(tǒng)；自主辨別借助外界環(huán)境和工具，尋找解決方案，這些高度智能化的操作必需得有高度發(fā)展的智能技術(shù)及計算機軟件實現(xiàn)技術(shù)作為基礎(chǔ)。 本課題要解決的主要問題及 解決方案 本課題要解決的問題主要有以下五個： ； ； ； ； 。 針對以上問題 采用 以下 解決方案 ： 60100mm，根據(jù)人體各部分比例，機器人的身高為80mm，肩寬為 30mm，手臂長為 40mm； P型步進電機，功率、重量符合要求，轉(zhuǎn)速底，從而所需的傳動比小，簡化了傳動裝置； ，步進電機就放置在各個盒子里 ； ，用了 9個自由度，分別是頸部的擺動，肩關(guān)節(jié)的擺動與轉(zhuǎn)動， 肘關(guān)節(jié)的擺動，腕關(guān)節(jié)的擺動； ，軸與軸之間的位置偏差。 2 總體方案設(shè)計 仿人機器人臂手部結(jié)構(gòu)的確定 為了研究仿人機器人手臂首先需要了解人體手臂的機構(gòu)學(xué)特征。人 體的手臂由肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)、手等幾部分組成。根據(jù)仿人與運動的實際出發(fā)，現(xiàn)擬定該機器人上身共有 9個自由度，其中，肩關(guān)節(jié) 2個自由度，肘關(guān)節(jié)屬于單軸關(guān)節(jié)，具有 1 個自由度，腕關(guān)節(jié) 1個自由度，頭部俯仰 1個自由度。 從機構(gòu)原理上劃分，仿人手臂分為齒輪式、連桿式、繩索驅(qū)動式和肌腱式，目前的仿人機器人手臂主要采用齒輪式結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)擬定該機器人臂手部的傳動方式為齒輪傳動，齒輪式手臂具有機構(gòu)緊湊、精度高、承載高等優(yōu)點。 仿人機器人 上身 尺寸的確定 仿人機器人機構(gòu)的結(jié)構(gòu)確定后，進一步根據(jù)操作任務(wù)的要求，確定與 運動有關(guān)的機構(gòu)尺寸參數(shù)，包括相鄰關(guān)節(jié)的相對位置參數(shù)、關(guān)節(jié)運動極限參數(shù)，即進行機構(gòu)的尺寸綜合。尺寸綜合與仿人機器人手臂工作空間的要求密切相關(guān)。結(jié)合人體上身的尺寸特征，并按照機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的具體要求，確定手臂尺寸為：大臂長 130mm,小臂長 130mm，手長90mm，頭高 110mm。 結(jié)構(gòu) 的設(shè)計 仿人機器人中的軀體部分有著連接手臂、頭以及腿部的作用，并且必須留有安裝空間，形狀也類似于人，在我設(shè)計的仿人機器人中，肩部電機盒采用了長方形盒子，左右各一個，在每個電機盒的兩側(cè)面都打了 4個螺釘孔，用 2塊板分別蓋在電機 盒的側(cè)面，再用螺釘擰緊，就這樣仿人機器人的軀體形成了。同樣，手臂部分也是用長方形盒子及連接板連接起來，形成整個手臂。 仿人機器人自由度的確定 本 次 設(shè)計的仿人機器人 上身為 5個自由度包括頭部的俯仰 擺動 ，肩部的轉(zhuǎn)動與擺動，肘部的 擺動，腕部的擺動。 表 21 仿人機器人的基本參數(shù) 動 作 頭俯仰 1? 60186。 30186。/s 肩關(guān) 360186。 30 電機的 選 擇 通常機器人的驅(qū)動方式有以下三種： 范 圍 節(jié)轉(zhuǎn)動 2? 186。/s 肩關(guān)節(jié)擺動 3? 180186。 60186。/s 肘擺動 4? 180186。 30186。/s 腕擺動 5? 90186。 30186。/s 電動機驅(qū)動是利用各種類型的電動機經(jīng)過機械傳動驅(qū)動機器人操作機以獲得各種運動。電力驅(qū)動因有不需能量轉(zhuǎn)換、控制靈活、使用方便、噪聲較低、啟動力矩大等優(yōu)點而在機器人中廣泛選 用。 液壓是一種比較成熟的技術(shù)。驅(qū)動力或驅(qū)動力矩大，即功率重量比大，也可把工作液壓缸直接做成操作關(guān)節(jié)的一部分，實現(xiàn)直接驅(qū)動。結(jié)構(gòu)較簡單、緊湊。液壓驅(qū)動方式中所使用的壓力在 ～ 14MPa 之間，最高可達 20～ 30MPa；但機器人中多采用 ～7MPa，而且需配備壓力源和復(fù)雜的管路系統(tǒng)。容易發(fā)生泄露，影響工作的穩(wěn)定性和運動精度，污染環(huán)境。需定期更改液體介質(zhì)。所以制造成本、維護費用較高。液體介質(zhì)中易混入氣泡，造成驅(qū)動系統(tǒng)剛性降低，使速度響應(yīng)性和運動精度變壞。 使用的空氣壓 力通常為 ～ ，最高可達 10MPa。驅(qū)動系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，造價低。氣源供應(yīng)方便，不會造成泄露污染。壓縮空氣在管路中的流速可達180m/s，因而動作速度快。但由于氣體的可壓縮性，難以實現(xiàn)較高的位置精度和伺服控制。運動的穩(wěn)定性差，工作時有噪聲。 電動機驅(qū)動系統(tǒng)有交、直流伺服電動機，步進電機和直接驅(qū)動電機四種。 步進電機可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好， 而且成本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制。 仿人機器人的上肢，包括肩部、肘部、腕部及頭部，它們都是輔助仿人機器人實現(xiàn)運 動功能，再根據(jù)負載的要求不同，所以選擇小功率的步進電機。 3 機器人驅(qū)動裝置的設(shè)計 對仿人機器人驅(qū)動裝置的一般要求如下： a. 驅(qū)動裝置的重量盡可能要輕，單位重量的輸出功率 (即功率 /重量比 )要符合要求，效率也要高； b. 反應(yīng)速度要快，即要求力 /重量比和力矩 /慣量比要大； c. 控制盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??； d. 經(jīng)濟上合理，尤其是要盡量減少所占空間； e. 安全可靠； 為 了使仿人機器人的手臂轉(zhuǎn)動，所需要的最大轉(zhuǎn)距是當(dāng)手臂呈水 平狀態(tài)， 手臂各部分的尺寸和重量如圖 31所示 圖 31 仿人機器人手臂重量分配 設(shè)大小臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為 1GJ 、2GJ、 2GJ ，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為 : 2333222221111 lmJlmJlmJJ GGG ?????? （ 31） 式中： 1m ， 2m ， 3m —— 分別是各重心處的重量，值分別為 、 、 ； 1l ， 2l ， 3l —— 分別是各重心到第一關(guān)節(jié)的距離，其值分別為 ， ，290mm。 在式（ 31）中， 2111 lmJG ?? 、 2222 lmJG ?? 、 2333 lmJG ?? ，故 1GJ 、2GJ、 2GJ 可忽略不計。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為 2332222111 lmlmlmJ ??? （ 32） 將有關(guān) 數(shù)據(jù)代入式（ 32）得 1J = 222 ????? = ?? = 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量 2532422 lmlmJ ?? （ 33） 式中： 4l —— 小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 ，其值為 ； 5l —— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 ，其值為 145mm 。 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（ 33）得 2J = 22 ??? = 0 0 5 2 5 0 1 3 1 ? = 肩部步進電機的選擇 設(shè)大臂速度為 ?30 /s， 則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下 TJ??? （ 34） 式中： T —— 旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩 ， mN? ； ? —— 角加速度， 2/srad 。 機器人大臂的轉(zhuǎn)速從 0 0? ?? 到 30???/s所需時間為 st ?? ，則 01 1 1 J J N mt????? ?? ? ? ? ? ? ? ?? 因所選電機轉(zhuǎn)距必須大于 1T ，所以 選擇 標(biāo)準(zhǔn) P型，即 PK244PA型步進電機。 表 31 PK244PA型步進電機技術(shù)數(shù)據(jù) 型號 保持轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量額定電電壓 （V基本 步電機重距 （Nm） （ kg m2） 流 （A） ） 距角 量 （kg） PK244PA 0． 39 57?107? 1.2 4.8 1.8? 0.3 肘部步進電機的選擇 機器人小臂的轉(zhuǎn)速從 0 0? ?? 到 30???/s所需時間為 st ?? ，則 02 2 2 06 57 J J N mt ????? ?? ? ? ? ? ? ? ?? 因所選電機轉(zhuǎn)距必須大于 2T ，所以 選擇 標(biāo)準(zhǔn) P型，即 PK233PA型步進電機。 表 32 PK233PA型步進電機技術(shù)數(shù)據(jù) 型 保 轉(zhuǎn) 額 電 基 電號 持轉(zhuǎn)距 （Nm） 動慣量 （kgm2） 定電流 （A） 壓 （V） 本 步距角 機重量 （kg） PK233PA 0.16 24?107? 1.2 3.24 1.8? 0.18 腕部及頭部電機選擇 根據(jù) 設(shè)計要求，取相同型號的電機，選標(biāo)準(zhǔn) P型， PK233PA型步進電機。 齒輪的設(shè)計 肩部齒輪的設(shè)計與校核 ??3 由于機器人傳動功率小，重量輕，所以大、小齒輪材料都采用 PVC，鑄造毛坯。 齒輪精度用 7級，取小齒輪齒數(shù)為 251?Z ，傳動比 2i? ，則大齒輪齒數(shù) 2 50Z ? 。 對閉式軟齒面齒輪傳動，主要失效形式是齒面點蝕，故按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 ? ?13 212 Fa SadFYYKTm z???? （ 41） 式中：齒寬系數(shù) ? ? ， ? 。 小齒輪傳遞的扭矩 1T 為 1 390T T N mm? ? ?電 查圖可得大、小齒輪的彎曲疲勞強度極限 lim1 80FaMP? ? 、 l