双足机器人的结构设计和控制系统的设计及仿真

　　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。

　　第2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：60g

　　2.尺寸：约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.使用温度：0~~+55摄氏度

　　6.工作电压：4.8V-7.2V

　　2.1.2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 kg·cm。强度远小于铝合金的抗弯强度。