人形机器人设计与制作实验报告

再来，机构部分，使用铝合金应是最好的选择，因为铝比较轻，强度对于这种 等级的机器人来说也够，一般人若是不想去工厂加工，也可以买铝板回来自己用线 锯和磨刀慢慢的加工一样做的出来；有人想用薄的白铁板作，理由是可轻易使用剪 刀去剪形状，个人比较不喜欢，因为白铁明显比铝还重，做出来的机器人重量会重 个上百甚至数百克，对于 SERVO 的负担和耗电量都是一大考验。 有些对刚性要求 不是很重要的地方，也可以考虑改用塑胶板，例如上面零件列表里面的胸部专用 件，这甚至可以利用热风枪和锅子，来轻易的制作出曲面等比较特殊的构型，然后 再裁切和打磨成想要的形状，作出个人的特色。
人形机器人的设计与制作结课报告
姓名：钟乐乐 指导老师：罗忠文
班级：040131 学号：20131003495
一． 人形机器人简介
人形机器人：又称仿人机器人，是具有人形的机器人。现代的人形机器人一种智能化 机器人，例如 ROBOT·X 人形机器人，在机器的各活动关节配置有多达 17 个伺服器，具 有 17 个自由度，特显灵活，更能完成诸如手臂后摆 90 度的高难度动作。它还配以设计优 良的控制系统，通过自身智能编程软件便能自动地完成整套动作。人形机器人可以随音乐 起舞、行走、起卧、武术表演、翻跟斗等杂技以及各种奥运竞赛动作。人形机器人集机、 电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科于一体，是一个国家高科技实力和发展 水平的重要标志，因此，世界发达国家都不惜投入巨资进行开发研究。日、美英等国都在 研制仿人形机器人方面做了大量的工作，并已取得突破性的进展。 中国的机器人事业也正 处于蒸蒸日上的时期。
锁螺丝还要考虑和机构间的密合问题，因为采用的机构是 1~2mm（看使用的 位置受力程度来决定厚一点或是薄一点），这种厚度的机构，若是钻孔直接攻牙， 要锁 2mm 或以下的螺丝会很不稳定，容易因为激烈运动而脱落。 解决方式有几 种，常用的方式是直接把 SERVO 的螺丝先拆下，然后把机构和 SERVO 并在一起锁 上，这种情况其实是利用到 SERVO 螺丝的攻牙孔，因为比较深（通常至少有 5mm），螺丝的抓取力会比较足够，日本的 KONDO 的 KHR 系列机器人或是台湾的 铁蛋机器人都是这样做的，如下所示：
三．机器人的软件编程与制作
首先安装串口驱动等程序使机器人与电脑可以进行交互。连接好之后可以打开编程软件 进行编程。编程主要分两种方式：即图形可视化编程和 basic 编程 1. 图形化编 打开编程软件后，选择 com1 端口，点击“链接”的同时打开机器人的电源，当显示“接 完成”，点击确定，然后就可以开始编辑动作了。打开一个动作然后会看到机器人每一个动 作的状态与整套动作的流程图，对每一个状态的参数与角度进行改变，看后知道每一个舵机 的调节角度与大小的含义，从而编写自己的动作。在自己动作的编写阶段，我们可以把原有 动作删掉，添加自己需要的动作，然后把这些动作用箭头连起来，点击生成，然后可以生成 整套。点击运行下载到机器人中，既可以完成整套动作。
另外的做法就是利用螺母，把机构和马达固定在一起，这样也可以很稳固，
但这样做多了螺丝和螺母的额外重量，虽然没多重，但一整台机器人可能用上一两 百颗螺丝，这种重量的增加就很明显了。
3. 组装步骤 建议得先在纸上或是绘图软体里面把机器人的概图先画好，先模拟自己的
机器人想要作出怎样的动作，需要多少维度，每个关节想要往哪个方向动多少 度，还要记得把 SERVO 能做出的运动角度考虑进去（通常 SERVO 只能中间点往 左右各移动 60~75 度），不同的 SERVO 能做出的角度也会有所不同，必须先测 试清楚再来规划，免得组装好以后才发现想要的某个动作会卡到，若是干扰到 别的部分的运动空间（机构间的干涉问题），例如：脚和身体结合处最容易有 这种问题，装的靠近身体容易前进（运动时重心可以比较容易转移到不同 脚），但却相对容易卡到另外一只脚的运动。 如下图左是一只脚的侧视图，下 图右是全身组装的示意图。
易。 以下我们就来看看整个组装的过程。 （一）全身共通件因为全身有很多地方会使用到类似的组装方式，称为共通件结 构，一开始得先把这些共通件需要的部分通 通先组装好，以利后续的安装。
A、 共通件 1（C1） B、共通件 2（C2） （二）头部 A、Step 1（N1） B、Step 2（N2） C、Step 3（N3） D、Step 4（N4） （三）手部 A、左手（HL1） B、右手（HR1） 这里需注意左右手其实是对称的，所以两只手不能装成一模一样。 （四）脚部 A、脚共通件 1（LC1） B 脚共通件 2（LC2） C、脚共通件 3（LC3） D、脚共通件 4（LC4） E、左脚 i、Step 1（LL1） ii、Step 2（LL2） iii、Step 3（LL3） iv、Step 4（LL4） F、右脚 i、Step 1（LR1） ii、Step 2（LR2） iii、Step 3（LR3） iv、Step 4（LR4） （五）身体 A、右半边 i、Step 1（BR1） ii、Step 2（BR2） B、左半边 i、Step 1（BL1） Ii、Step 2（BL2） C、 合并（B1） （六）整体 A、Step 1（A1） B、Step 2（A2） C、Step 3（A3）
螺丝部分在设计时要详细的考虑，笔者特爱 2mm 或是 1.4mm 直径的螺丝， 相对比 3mm 要明显轻，但因为这种螺丝相对比较小，锁的深度不够的时候，容易 脱落。 一般的机器人比赛因为都是比较温和的行进动作，使用小又短的螺丝就差 不多能胜任；但对于机器人格斗来说，因为所实施的动作相对比较激烈，若是还使 用 2mm 以下的螺丝设计，很容易一阵激烈运动以后，发生螺丝脱落导致机器人的 零件掉落。 虽然有些组装者会想要使用螺丝胶来固定，笔者并不建议这样，因为 机器人使用的时候，SERVO 或是机构零件难免会坏，若是使用螺丝胶固定螺丝，会 容易在损坏的时候增加拆装或更换零件的困难度，反而造成不必要的麻烦。
二． 人形机器人的硬件组成
1. 组装机器人所需的零件列表与选用原则
零件名称 图片
数量 规格与备注
马达转盘
16
使用任何 4*2*4cm 大小的
（2 头 SERVO（伺服机）都行，轴数也
部） 是暂定，功能越多轴数当然会
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
越多
L 型支架 Servo 架 U型 人形顶盖 人形脚底 人形护甲
2
1.6mm 的铝合金，这可轻易的
2. Basic 编程 这种编程方法比较麻烦，且实用性比较差，我在此处就不赘余了。
四．人形机器人制作与设计课程心得与感悟
我从小对机器人比较感兴趣，所以这学期选了这门课。通过这次选机器人设计与制作的 学习，让我对机器人的制作与设计有了一定的了解。从硬件层次上，从舵机与普通电机的 区别，各种机械器件的有机组合才能使机器人能够顺利的工作；从软件层次上使我了解了 两种编程方式，即图形化编程与 basic 编程。图形化编程使机器人编程变得更加简单，而 basic 编程对机器人编程更有普遍性。因此各有各的优点与长处。虽然可能在这门课后将 再也没有机会去接触机器人了。但对机器人的兴趣不会减，我会经常了解机器人的发展动 向，有机会自己也去做一个机器人。
使用钻床自己动手做
16
2mm 或是 1.6mm 的铝合金，这
（2 头 形状比较复杂，可能得让工厂
部） 制作
14
长度较短的，1.6mm 铝合金
（1 头
部）
1
胸板连接专用件，1.6mm 铝合
金
2
脚部专用件，1.6mm 铝合金
2
胸部专用件，1.6mm 铝合金
直条型支架
1
1.6mm 铝合金
螺丝
若干 M2.5 x 10mm
螺丝
142 M2.5 x 6mm
螺丝
87
M3 x 8mm
螺帽
32
M2.5
螺帽
87
M3
培林（轴 承）
15
3x8x3
2. 材料的选用： SERVO 到底采用什么，看到底预算到哪里，当然，品质越好的 SERVO 功能就越 好，这部分使用普通有耳朵的 SERVO（如下图左）原因是—便宜，但这样会牺 牲重量，有两边耳朵的 SERVO 需要比较多的零件来固定，相对来讲重量会比较 重；使用没耳朵的 SERVO（如下图右），固定所需的零件会明显比较少，重量 会比较轻，很多表现会比较好，但相对这种 SERVO 的价格都明显比较高，如何 取舍就看的实际状况来决定了。
人形再来要注意 SERVO 必须把转轴的位置先置中（这部分不管品牌，所有的 PWM 控制的马达都必须这样），也就是送 1.5ms 的脉 波给 SERVO，让 SERVO 以置中的角 度来安装；如何置中，所有的控制板都有对应的功能，但笔者不喜欢用控制板来置 中， 因为每安装一个 SERVO 就要重来一次，太麻烦了；笔者的做法是自己利用单 晶作一片板子，上面只有一个按钮（没有也没关 系），控制板上有整排的 3 脚一组 的排针用来插 SERVO 的插头，通电后，单晶的讯号脚位不断的送出 1.5ms 宽度的 脉波讯 号，这样只要把 SERVO 插上去就会直接置中，再拔下来就好，可以快速的 对大量的 SERVO 作置中的处理；或是组装过程 中，不小心转动了某颗 SERVO 使它 置中的位置跑了，也可以轻易的重新置中。 这个功能使用 arduino 也可以轻易做 到，后面 我们谈机器人控制板时也来顺便谈谈直接用 arduino 控制机器人是多容