作品名稱(chēng)：機(jī)械體操機(jī)器人
學(xué)校名稱(chēng)：中國(guó)人民解放軍空軍勤務(wù)學(xué)院
參賽隊(duì)伍：機(jī)械體操機(jī)器人
參賽學(xué)生：張玉成 孟曦曦
指導(dǎo)老師：郭鵬偉 張勇明
近幾年來(lái)，仿生機(jī)器人學(xué)正在機(jī)器人領(lǐng)域占有越來(lái)越重要的位置，人形機(jī)器人由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,已成為仿生領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。人形機(jī)器人在戰(zhàn)場(chǎng)上的掃雷，爆破，礦井和廢墟中探測(cè)營(yíng)救，管道維修以及外行星地表探測(cè)等條件惡劣，且要求有高可靠性的領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。模塊化設(shè)計(jì)和高冗余度設(shè)計(jì)等新思路的提出和逐步完善，使人形機(jī)器人成為研究的亮點(diǎn)。
我們?cè)O(shè)計(jì)的體操機(jī)器人結(jié)合了國(guó)內(nèi)外人形機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，充分考慮了人體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，從仿生學(xué)的角度，結(jié)合機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論，建立了基于行為控制理論的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，把人體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式化解為局部的、簡(jiǎn)單的動(dòng)作狀態(tài)，并以固定的相位差沿骨架關(guān)節(jié)進(jìn)行傳播。采用中央處理機(jī)集中控制的方式把各種運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行合成，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的側(cè)滾、單手支撐、倒立等運(yùn)動(dòng)形式。在對(duì)人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理深入研究的基礎(chǔ)上，得出了利用桿狀結(jié)構(gòu)的角度變化和運(yùn)動(dòng)時(shí)延，相位差去控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速率和運(yùn)動(dòng)方向的規(guī)律。
機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴(lài)以完成工作任務(wù)的實(shí)體，由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。
1）手部 手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種。本次設(shè)計(jì)的手部選擇氣動(dòng)手爪手部結(jié)構(gòu)。
2）腕部 腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度，有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)。
3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部具有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。 手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)臂部的上下移動(dòng)、前后伸縮、以及臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
4）機(jī)座 機(jī)座是機(jī)身機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用，安裝在移動(dòng)結(jié)構(gòu)上。機(jī)身由臂部運(yùn)動(dòng)（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機(jī)構(gòu)及其相關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)身選用升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)；臂部和機(jī)身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅(qū)動(dòng)源來(lái)自步進(jìn)電機(jī)。
系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要分為2大部分即機(jī)械部分設(shè)計(jì)和電控設(shè)計(jì)，兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，保證該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)所需動(dòng)作的穩(wěn)定性。電控部分是控制機(jī)器人完成所需動(dòng)作的核心，在脈寬調(diào)制（PWM）控制伺服電機(jī)的方法基礎(chǔ)上，ATmega16單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器設(shè)定脈沖寬度，達(dá)到對(duì)伺服電機(jī)的角度控制。
電控設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、USART通訊接口設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)和伺服電機(jī)的工作設(shè)計(jì)。
控制芯片選用ATMEL公司推出的ATmega16單片機(jī)。它是是一款基于RISC（精簡(jiǎn)指令集）的低功耗8位高性能單片機(jī)，芯片了集成16K字節(jié)的在線可編程Flash。在該系統(tǒng)中，單片機(jī)通過(guò)串行USART接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，單片機(jī)各引腳向各個(gè)伺服電機(jī)輸送PWM波對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)按照預(yù)期角度運(yùn)動(dòng)。
