基于SolidWorks四足步行機器人腿的機構(gòu)設(shè)計【CAD高清圖紙文檔可編輯】

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自從人類發(fā)明機器人以來，各種各樣的機器人日漸走入我們的生活。仿照生物的各種功能而發(fā)明的各種機器人越來越多。作為移動機器平臺，步行機器人與輪式機器人相比較最大的優(yōu)點就是步行機器人對行走路面的要求很低，它可以跨越障礙物，走過沙地、沼澤等特殊路面，用于工程探險勘測或軍事偵察等人類無法完成的或危險的工作；也可開發(fā)成娛樂機器人玩具或家用服務(wù)機器人。四足機器人在整個步行機器中占有很大大比重，因此對仿生四足步行機器人的研究具有很重要的意義。 二 四足機器人的優(yōu)點 四足步行機器人是機器人的一個重要分支。由于四足步行機器人比二足步行機器人承載能力強、穩(wěn)定性好, 同時又比六足、八足步行機器人的結(jié)構(gòu)簡單, 更加受到各國研究人員的重視。在組成四足步行機器人的機構(gòu)中, 腿機構(gòu)是最重要的機構(gòu)。腿機構(gòu)選擇得當(dāng), 不僅可以使機器人的機構(gòu)簡單、設(shè)計方便, 更重要的是可以大大簡化控制方案。由于技術(shù)等原因，目前投入使用的采用足式機構(gòu)的四足機器人較少，但是四足機器人具有很強的環(huán)境適應(yīng)能力，可以在平坦硬質(zhì)地、沙石地、雪地、松軟地、草地等復(fù)雜地面行走，可以爬越一定角度的坡面，跨越一定寬度的障礙和溝壑，在不久的將來會在以下方面發(fā)揮重大作用: 例如有些農(nóng)業(yè)機械如果安裝足式機械底盤，就能夠適應(yīng)旱地，水田，梯田等不同環(huán)境，有些礦山機械如安裝行走機械底盤，其適應(yīng)松軟路面，大坡度路面的能力就會增強；宇航方面，為星球探測機器人安裝上“足”，必將大幅度增強其在星球上的移動能力；戰(zhàn)場上的應(yīng)用，運輸、偵察、排雷等；危險及特殊環(huán)境下的作業(yè)，反恐中的排雷、排爆，星球表面的探測，地震等引發(fā)的災(zāi)后搜救，核工業(yè)中放射性原料的運輸、處理等，狹小空間下的作業(yè)，廢墟、山洞的探測，管道檢測、維修等；娛樂、服務(wù)、導(dǎo)盲等，在日常生活中足式行走假肢也有很大的應(yīng)用前景。 四足機器人在各個領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用，可以發(fā)揮更為特殊的作用，為此，四足步行機器人的研發(fā)更有重大的意義。三 四足機器人發(fā)展趨勢目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究。從機器人技術(shù)發(fā)展趨勢看，四足機器人和其它工業(yè)機器人一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。具體而言，表現(xiàn)在如下幾個方面：1) 機器人操作機結(jié)構(gòu)：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，實現(xiàn)機器人操作機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。2） 探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負載/自重比。3） 機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。4） 機器人的結(jié)構(gòu)更加靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。與國外相比，我國四足行走機構(gòu)機器人研究相對落后，屬于起步階段，自20世紀(jì)80年代中期以來，先后有多所高校開展了這方面的研究并取得了一定的成果。國內(nèi)具有代表性的采用四足機構(gòu)的機器人主要包括:如圖1-1所示為上海交通大學(xué)所研制的二種四足步行機器人，（a）所示的四足步行機器人為采用平面四桿機構(gòu)作為其步行機構(gòu)，可以實現(xiàn)跨越障礙，溝槽，上下臺階及通過高低不平的地面有一定識別及步態(tài)調(diào)整能力；（b）所示的四足步行機器人JTUWM-H也是由上海交通大學(xué)研制的關(guān)節(jié)式哺乳動物型步行機器人。機器人的長、寬、高分別為81厘米、75厘米、30厘米，重37.5千克，腿為開式鏈關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，膝關(guān)節(jié)為一縱搖自由度，髖關(guān)節(jié)為縱搖和橫搖兩個自由度，各自由度由直流電機經(jīng)諧波齒輪驅(qū)動，用電位器、測速電機作為位置和速度傳感器，腳底為直徑12厘米的圓盤，是一個被動的縱搖自由度。該機器人為足式機器人的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，但速度緩慢，步行速度0.2千米/時。(a) (b)圖1-1上海交通大學(xué)的二種四足步行機器人清華大學(xué)機器人實驗室研制的QW-1全方位四足步行機器人，如圖1-1 (a)所示，它采用平面四桿縮放機構(gòu)作為其步行機構(gòu)，在足端被安裝壓力傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位步行；圖1-1 (b)所示為清華大學(xué)所研制的另一種四足步行機器人，它采用開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機構(gòu)作為其步行機構(gòu)，通過模擬動物的運動機理，實現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運動，可以自主應(yīng)付復(fù)雜的地形條件，完成上下坡、越障等功能。 (a) (b)圖1-2清華大學(xué)的二種四足步行機器人 四 Solidwork軟件的簡介 Solidworks主要包括數(shù)字化建模、數(shù)字化裝配、數(shù)字化評價、數(shù)字化制造以及數(shù)字化信息交換等方面。數(shù)字化建模是由編程者預(yù)先設(shè)置一些幾何圖形模塊，然后設(shè)計者在造型建模時可以直接使用，通過改變一個幾何圖形的相關(guān)尺寸參數(shù)可以產(chǎn)生其它幾何圖形，任設(shè)計者發(fā)揮創(chuàng)造力。Solidworks系統(tǒng)是按照系統(tǒng)工程的思想，以工業(yè)設(shè)計計和為指導(dǎo)的智能型創(chuàng)新性的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計系統(tǒng)。首先是利用各種信息，在Solidworks系統(tǒng)平臺里利用真實感造型設(shè)計系統(tǒng)進行形態(tài)設(shè)計、色彩設(shè)計、材質(zhì)設(shè)計和人機設(shè)計等方面的語義設(shè)計，然后在數(shù)字裝配系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)字化裝配，在綜合評價系統(tǒng)中進行美學(xué)、語義學(xué)等方面的分析評價，提出產(chǎn)品造型方案。最后將最終方案輸出到加工設(shè)備，加工出產(chǎn)品，投放到市場，之后再收集有關(guān)信息，反饋到Solidworks平臺，實現(xiàn)再設(shè)計。這種方法利用網(wǎng)絡(luò)和其它平臺相連接，使設(shè)計人員從一開始就考慮到產(chǎn)品生命周期的所有環(huán)節(jié)，把設(shè)計、制作、使用等方面合理組織起來，及時解決不同環(huán)節(jié)之間的沖突，充分調(diào)動了所有人的積極性和創(chuàng)造性。 五 應(yīng)用SolidWorks進行三維設(shè)計的優(yōu)勢:設(shè)計過程直觀簡便SolidWorks三維設(shè)計直接從三維模型入手，省去了三維與二維之間的轉(zhuǎn)化。設(shè)計者可以方便地通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級抽殼、特征陣列、鉆孔等操作不斷改變其結(jié)構(gòu)，最終完成全部零部件的設(shè)計。建立模型時，SolidWorks對每個特征尺寸自動賦值，這些數(shù)值可隨時更改。由于SolidWorks的參數(shù)設(shè)計功能，實體模型將隨特征尺寸數(shù)值的變化重新生成，因此修改非常方便。 六 參考文獻1張鐵，謝存禧主編.機器人學(xué)，第一版，華南理工大學(xué)出版社，2001，9、45-472吳廣玉，姜復(fù)興主編.機器人工程導(dǎo)論，第一版，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，19883崔正昀主編.機械設(shè)計基礎(chǔ)，第一版，天津大學(xué)出版社，2000，221-224、322-323、412-424、457-4754賈名著主編.工程力學(xué)，第一版，天津大學(xué)出版社，1998，48-575廖念釗主編.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)，第三版，2002，11-196孟憲員源，姜琪主編.機構(gòu)構(gòu)型與應(yīng)用，第一版，機械工業(yè)出版社，2004，43、145-146、274、151-152、607-609 7談欣柏主編.大學(xué)物理，第一版，天津大學(xué)出版社，2000，2-228成大先主編.機械設(shè)計手冊，第一版，化學(xué)工業(yè)出版社，2005，76-84、99-141，157-1609加騰一郎主編.機械手圖冊，第一版，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979，50、59、78-79、97、160-17610宗光華等編著.機器人的創(chuàng)意設(shè)計與實踐，第一版，北京航空航天大學(xué)出版社， 2004，25-35、138-150 11卜炎主編.中國機械設(shè)計大典機械零部件設(shè)計，第一版，江西科技出版社，200212費仁元，張慧慧主編.機器人機械設(shè)計和分析，第一版，北京工業(yè)大學(xué)出版社， 199813宗光華主編.機器人的創(chuàng)意設(shè)計與實踐，第一版，北京航空航天大學(xué)出版社， 200414蔡自興主編.機器人學(xué)，清華大學(xué)出版社，200015朱冬梅，胥北瀾主編.畫法幾何及機械制圖，第五版，高等教育出版社，2000，205-206、217-224、242-25016周祖德，唐永洪主編. 機電一體化，第一版，華中科技大學(xué)出版社，2002 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：1步行機構(gòu)對比分析四足行走機構(gòu)的機械部分是機器人所有控制及運動的載體，其結(jié)構(gòu)特點直接決定了機器人的運動學(xué)特征。其中，腿部結(jié)構(gòu)形式是行走機構(gòu)中重要組成部分，也是機械設(shè)計的關(guān)鍵之一。因此從某種意義上說，行走機構(gòu)的分析主要集中在步行機構(gòu)的分析上。一般地，四足行走機構(gòu)的設(shè)計要求看，步行不能過于復(fù)雜，桿件過多的步行機構(gòu)形式會引起結(jié)構(gòu)和傳動的實現(xiàn)困難，對腿部機構(gòu)的基本要求是：輸出一定的軌跡，實現(xiàn)給定的運動要求；具有一定的承載能力；方便控制的要求。目前，國內(nèi)外學(xué)者對步行機器人的步行機構(gòu)已經(jīng)作了大量的研究工作，其結(jié)構(gòu)形式多樣，主要可以歸納為三類：開環(huán)連桿機構(gòu)；閉環(huán)平面四桿縮放式機構(gòu)；特殊的步行機構(gòu)。1.1開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機構(gòu)在早期的步行機器人研究中，一般是模仿動物的腿部結(jié)構(gòu)來設(shè)計步行機構(gòu)。所有這種機構(gòu)形式一般都是關(guān)節(jié)式連桿機構(gòu)。其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)緊湊，步行機構(gòu)能夠達到的運動空間較大，且運動靈活，由于關(guān)節(jié)式步行機構(gòu)是通過關(guān)節(jié)鏈接的，因而在步行過程中的失穩(wěn)狀態(tài)下具有較強的姿態(tài)恢復(fù)能力。不足之處是在腿的主動平面內(nèi)大小腿的運動之間存在耦合，使得運動時的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，而且承載能力較小。如圖1-1所示為常見的開環(huán)關(guān)節(jié)連桿步行機構(gòu)的三維模型圖形。該機構(gòu)可分為大、小腿以及髖關(guān)節(jié)組成。由大小腿組成平面運動機構(gòu)，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動該平面機構(gòu)從而實現(xiàn)空間運動。可建立如圖1-2所示的坐標(biāo)系，第一關(guān)節(jié)為髖關(guān)節(jié)，在點圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)，髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)半徑設(shè)為；第二個驅(qū)動關(guān)節(jié)為大腿關(guān)節(jié)，在A點圍繞著與大小腿運動平面所垂直的軸旋轉(zhuǎn)，大腿桿長為；第三個驅(qū)動關(guān)節(jié)為小腿關(guān)節(jié)，在B點圍繞與大小腿運動平面垂直的軸轉(zhuǎn)動，小腿桿長度為。同時規(guī)定逆時針為正向角。圖1-1開環(huán)連桿步行機構(gòu)圖1-2開環(huán)連桿機構(gòu)坐標(biāo)系模型如圖1-2所示，當(dāng)機構(gòu)運動到某一位置時，設(shè)髖關(guān)節(jié)驅(qū)動轉(zhuǎn)動角為，大腿關(guān)節(jié)驅(qū)動轉(zhuǎn)角為，小腿桿驅(qū)動轉(zhuǎn)角為，由上圖可以建立足端C點的運動軌跡方程： 其中：由上式以及圖形可知，小腿桿可以在轉(zhuǎn)過大臂上部空間運動（類似于人的小臂運動），所以在運動過程中，由于臂的末端C點可達區(qū)域比較大，當(dāng)髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時，機構(gòu)的運動空間將實現(xiàn)三維橢圓狀。但是采用此機構(gòu)用作步行機構(gòu)，在機器人行駛時，足端的運動范圍并不是覆蓋了整個可達運動空間，不可能在轉(zhuǎn)過大腿桿時仍能夠到達所有區(qū)域。綜上所述的原因，小腿與地面法線的夾角要在一定的范圍之內(nèi)。如圖1-3所示，就將存在小腿的最大轉(zhuǎn)動角度和小腿最大內(nèi)向（順時針）驅(qū)動角度，此時小腿的擺動約束可表示為：，又有角的求解公式為： 令小腿桿在二極限位置、對應(yīng)的值為、，所以可求得： 由上式可知，對于不同的高度值，足端的運動空間在X-Z平面中產(chǎn)生類似橢圓曲線的軌跡，當(dāng)髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時，將形成三維的運動空間，如圖1-4所示。圖1-3小腿的擺動約束圖1-4足端運動空間1.2行走機構(gòu)腿的設(shè)計從運動角度出發(fā)，足端相對與機身應(yīng)走直線軌跡，為了在不平地面行走，腿的伸長應(yīng)該是可變的。從整體的行走性能出發(fā)，一方面要求機體能走出直線運動軌跡或平面曲線軌跡（在嚴(yán)重崎嶇不平地面），另一方面要求轉(zhuǎn)向。步行行走機構(gòu)腿部的主要任務(wù)：一是支撐著主要由軀體所組成的本體，二是使本體向步行方向移動，此外還必須具有腳部抬起，并向步行方向擺動的動作，若把本體看作固定不動，則足端軌跡如圖 2-12（a）所示。圖 2-12 足端軌跡圖實際的足端軌跡圖如圖（b）所示，在支撐相描述出比較緩慢的直線段，而在擺動相描繪出快速的凸起曲線段。根據(jù)上述，提出四足行走機構(gòu)中腿機構(gòu)的要求：1. 腿的足端部相對于機體的運動軌跡形狀應(yīng)如“”。直線段對應(yīng)的就是足支撐機體的運動軌跡（支撐相），曲線段對應(yīng)的是腳掌離開地面的足端運動軌跡（懸空項）。2. 為了不至于使行走機構(gòu)在運動過程中，因機體上下顛簸而消耗不必要的能量，應(yīng)保證要求中的直線段有一定的直線度。3. 對于要求 1 中曲線段，沒有形狀要求，但對其最高點有要求，即其高度決定了機器人在起伏不平的地面上的通過能力。4. 在要求 1 中，足端通過直線段的時間與通過曲線段的時間相等，即支撐相的相位角為/2，懸空相的相位角為/2。5. 按要求 1-5 設(shè)計的行走機構(gòu)的四條腿的協(xié)調(diào)動作順序要嚴(yán)格要求。1.3還需要行走機構(gòu)腿的機構(gòu)分析，尺寸優(yōu)化及數(shù)學(xué)建模等一系列分析運算。完成了機體的設(shè)計和傳動系統(tǒng)的設(shè)計接下來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向與控制。1.4利用Solid Works進行行走機構(gòu)輔助設(shè)計 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告指導(dǎo)教師意見：1對“文獻綜述”的評語：2對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測： 指導(dǎo)教師： 年 月 日所在專業(yè)審查意見： 負責(zé)人： 年 月 日14