雙足機器人的結構設計和控制系統(tǒng)的設計及仿真

　　1.1 雙足機器人現狀

　　隨著世界第一臺工業(yè)機器人1962年在美國誕生，機器人已經有了三十多年的發(fā)展史。三十多年來，機器人由工業(yè)機器人到智能機器人，成為21世紀具有代表性的高新技術之一，其研究涉及的學科涵蓋機械、電子、生物、傳感器、驅動與控制等多個領域。

　　世界著名機器人學專家，日本早稻田大學的加藤一郎教授說過：“機器人應當具有的最大特征之一是步行功能?！彪p足機器人屬于類人機器人，典型特點是機器人的下肢以剛性構件通過轉動副聯接，模仿人類的腿及髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)，并以執(zhí)行裝置代替肌肉，實現對身體的支撐及連續(xù)地協(xié)調運動，各關節(jié)之間可以有一定角度的相對轉動。

　　雙足機器人不僅具有廣闊的工作空間，而且對步行環(huán)境要求很低，能適應各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，其步行性能是其它步行結構無法比擬的。研究雙足行走機器人具有重要的意義

　　1.2 技能綜合訓練意義

　　技能訓練是在學生修完除畢業(yè)設計外全部理論和時間課程以后的一次綜合性時間教學環(huán)節(jié)，其目的和意義在于：

　　通過技能訓練，了解機器人機構及控制系統(tǒng)設計的基礎知識；

　　掌握機器人系統(tǒng)中元部件的正確選擇方法和特性參數的確定；

　　培養(yǎng)學生對所學知識的綜合應用，理論聯系實際的能力；

　　培養(yǎng)學生的動手能力和實際操作能力；

　　1.3 技能訓練的內容

　　1、主要內容：

　　1）、機器人結構設計；

　　2）、控制系統(tǒng)軟硬件設計與仿真；

　　3）、六自由度機器人運動控制。

　　2、訓練形式

　　學生以小組為單位，集體討論確定整體方案；指導教師給出實訓方向，技術指標等，協(xié)助學生完成訓練任務。

　　第2章 元件選擇、結構設計

　　2.1元件選擇

　　2.1.1電機的選擇

　　常用的電機有直流電機、步進電機、舵機等。下面我們大概對直流電機、步進電機、舵機進行一下對比（見表2-1）

　　表2-1 電機對比

　　電機優(yōu)點缺點適用重量應用場合

　　直流電機功率大、接口簡單、容易購得型號多較難裝配、較貴、控制復雜任何重量的機器人較大型機器人

　　步進電機精確的速度控制型號多、接口簡單、便宜體積大，較難裝配、功率小、控制復雜輕型機器人巡線跟蹤機器人，迷宮機器人

　　舵機易于安裝、接口簡單、功率中等負載能力較低

　　速度調節(jié)范圍較小重至2.5kg的機器人小型機器人，步行機器人

　　所以此處選取 MG995全金屬齒輪13公斤大扭力舵機作為雙足機器人的傳動機構。

　　參數說明： MG995舵機

　　1.重量：60g

　　2.尺寸：約40mmX20mmX36.5mm

　　3.速度：0.17秒/60度（4.8V）；0.13秒/60度（6.0V）

　　4.扭矩：13kg·cm

　　5.使用溫度：0~~+55攝氏度

　　6.工作電壓：4.8V-7.2V

　　2.1.2關節(jié)材料及尺寸的選擇

　　由于舵機已經選定，則根據加入墊片以后各寬度設計支架的寬度，并按著人體比例設計大腿、小腿處需要的支架的長度。（如下圖標注所示）

　　根據資料查閱，絕大多數小型雙足機器人關節(jié)材料均選用鋁合金作為材料，整個結構采用1.5mm的鋁合金（LY12）鈑金材料，這種材料重量輕、硬度高、強度雖不如鋼，但卻大大高于普通鋁合金。且這種材料具有彈性模量、密度比高的特點。又因為機器總重不超過2.5KG，舵機扭矩為13 kg·cm。強度遠小于鋁合金的抗彎強度。

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