仿人型机器人设计说明书

目录

1前言 (1)

1.1仿人机器人的概念........................................................ 错误!未定义书签。

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[]

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1.4.1 国内研究现状 (1)

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 .............................................. 错误!未定义书签。

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........................................................... 错误!未定义书签。

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 (21)

5.1肩部连接板的设计与校核 (21)

5.2电机支撑板的设计与校核 (22)

6. 仿人型机器人三维造型及运动仿真 (23)

6.1仿人型机器人三维造型 (23)

6.2仿人型机器人运动仿真 (24)

6.3仿人型机器人舞蹈运动分析 (24)

6.4仿人机器人重力分析 (25)

7 结论 (26)

参考文献 (27)

致谢 (29)

附录 (30)

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。

1.4 国内外研究现状及发展状况[]2

1.4.1 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。

1.4.2 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，