基于SolidWorks四足步行機器人腿的機構設計【CAD高清圖紙和說明書】

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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構簡單, 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中, 腿機構是最重要的機構。腿機構選擇得當, 不僅可以使機器人的機構簡單、設計方便, 更重要的是可以大大簡化控制方案。由于技術等原因，目前投入使用的采用足式機構的四足機器人較少，但是四足機器人具有很強的環(huán)境適應能力，可以在平坦硬質地、沙石地、雪地、松軟地、草地等復雜地面行走，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: 例如有些農業(yè)機械如果安裝足式機械底盤，就能夠適應旱地，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、導盲等，在日常生活中足式行走假肢也有很大的應用前景。 四足機器人在各個領域均有廣闊的應用，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的研究。從機器人技術發(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) 機器人操作機結構：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現(xiàn)代設計方法的運用，實現(xiàn)機器人操作機構的優(yōu)化設計。2） 探索新的高強度輕質材料，進一步提高負載/自重比。3） 機構向著模塊化、可重構方向發(fā)展。4） 機器人的結構更加靈巧，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，利用機器人技術，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術向數控技術的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數控技術一體化奠定了基礎。與國外相比，我國四足行走機構機器人研究相對落后，屬于起步階段，自20世紀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。國內具有代表性的采用四足機構的機器人主要包括:如圖1-1所示為上海交通大學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作為其步行機構，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研制的關節(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，腿為開式鏈關節(jié)型結構，膝關節(jié)為一縱搖自由度，髖關節(jié)為縱搖和橫搖兩個自由度，各自由度由直流電機經諧波齒輪驅動，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典結構，但速度緩慢，步行速度0.2千米/時。(a) (b)圖1-1上海交通大學的二種四足步行機器人清華大學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作為其步行機構，在足端被安裝壓力傳感器，能夠實現(xiàn)全方位步行；圖1-1 (b)所示為清華大學所研制的另一種四足步行機器人，它采用開環(huán)關節(jié)連桿機構作為其步行機構，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，可以自主應付復雜的地形條件，完成上下坡、越障等功能。 (a) (b)圖1-2清華大學的二種四足步行機器人 四 Solidwork軟件的簡介 Solidworks主要包括數字化建模、數字化裝配、數字化評價、數字化制造以及數字化信息交換等方面。數字化建模是由編程者預先設置一些幾何圖形模塊，然后設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尺寸參數可以產生其它幾何圖形，任設計者發(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)設計計和為指導的智能型創(chuàng)新性的產品開發(fā)設計系統(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計系統(tǒng)進行形態(tài)設計、色彩設計、材質設計和人機設計等方面的語義設計，然后在數字裝配系統(tǒng)中實現(xiàn)數字化裝配，在綜合評價系統(tǒng)中進行美學、語義學等方面的分析評價，提出產品造型方案。最后將最終方案輸出到加工設備，加工出產品，投放到市場，之后再收集有關信息，反饋到Solidworks平臺，實現(xiàn)再設計。這種方法利用網絡和其它平臺相連接，使設計人員從一開始就考慮到產品生命周期的所有環(huán)節(jié)，把設計、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，充分調動了所有人的積極性和創(chuàng)造性。 五 應用SolidWorks進行三維設計的優(yōu)勢:設計過程直觀簡便SolidWorks三維設計直接從三維模型入手，省去了三維與二維之間的轉化。設計者可以方便地通過拉伸、旋轉、薄壁特征、高級抽殼、特征陣列、鉆孔等操作不斷改變其結構，最終完成全部零部件的設計。建立模型時，SolidWorks對每個特征尺寸自動賦值，這些數值可隨時更改。由于SolidWorks的參數設計功能，實體模型將隨特征尺寸數值的變化重新生成，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，第一版，華南理工大學出版社，2001，9、45-472吳廣玉，姜復興主編.機器人工程導論，第一版，哈爾濱工業(yè)大學出版社，19883崔正昀主編.機械設計基礎，第一版，天津大學出版社，2000，221-224、322-323、412-424、457-4754賈名著主編.工程力學，第一版，天津大學出版社，1998，48-575廖念釗主編.互換性與測量技術基礎，第三版，2002，11-196孟憲員源，姜琪主編.機構構型與應用，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.大學物理，第一版，天津大學出版社，2000，2-228成大先主編.機械設計手冊，第一版，化學工業(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，上海科學技術出版社，1979，50、59、78-79、97、160-17610宗光華等編著.機器人的創(chuàng)意設計與實踐，第一版，北京航空航天大學出版社， 2004，25-35、138-150 11卜炎主編.中國機械設計大典機械零部件設計，第一版，江西科技出版社，200212費仁元，張慧慧主編.機器人機械設計和分析，第一版，北京工業(yè)大學出版社， 199813宗光華主編.機器人的創(chuàng)意設計與實踐，第一版，北京航空航天大學出版社， 200414蔡自興主編.機器人學，清華大學出版社，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，華中科技大學出版社，2002 畢 業(yè) 設 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步行機構對比分析四足行走機構的機械部分是機器人所有控制及運動的載體，其結構特點直接決定了機器人的運動學特征。其中，腿部結構形式是行走機構中重要組成部分，也是機械設計的關鍵之一。因此從某種意義上說，行走機構的分析主要集中在步行機構的分析上。一般地，四足行走機構的設計要求看，步行不能過于復雜，桿件過多的步行機構形式會引起結構和傳動的實現(xiàn)困難，對腿部機構的基本要求是：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，國內外學者對步行機器人的步行機構已經作了大量的研究工作，其結構形式多樣，主要可以歸納為三類：開環(huán)連桿機構；閉環(huán)平面四桿縮放式機構；特殊的步行機構。1.1開環(huán)關節(jié)連桿機構在早期的步行機器人研究中，一般是模仿動物的腿部結構來設計步行機構。所有這種機構形式一般都是關節(jié)式連桿機構。其優(yōu)點在于結構緊湊，步行機構能夠達到的運動空間較大，且運動靈活，由于關節(jié)式步行機構是通過關節(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)恢復能力。不足之處是在腿的主動平面內大小腿的運動之間存在耦合，使得運動時的協(xié)調控制比較復雜，而且承載能力較小。如圖1-1所示為常見的開環(huán)關節(jié)連桿步行機構的三維模型圖形。該機構可分為大、小腿以及髖關節(jié)組成。由大小腿組成平面運動機構，髖關節(jié)驅動該平面機構從而實現(xiàn)空間運動。可建立如圖1-2所示的坐標系，第一關節(jié)為髖關節(jié)，在點圍繞Z軸旋轉，髖關節(jié)的旋轉半徑設為；第二個驅動關節(jié)為大腿關節(jié)，在A點圍繞著與大小腿運動平面所垂直的軸旋轉，大腿桿長為；第三個驅動關節(jié)為小腿關節(jié)，在B點圍繞與大小腿運動平面垂直的軸轉動，小腿桿長度為。同時規(guī)定逆時針為正向角。圖1-1開環(huán)連桿步行機構圖1-2開環(huán)連桿機構坐標系模型如圖1-2所示，當機構運動到某一位置時，設髖關節(jié)驅動轉動角為，大腿關節(jié)驅動轉角為，小腿桿驅動轉角為，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，當髖關節(jié)轉動時，機構的運動空間將實現(xiàn)三維橢圓狀。但是采用此機構用作步行機構，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。如圖1-3所示，就將存在小腿的最大轉動角度和小腿最大內向（順時針）驅動角度，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平面中產生類似橢圓曲線的軌跡，當髖關節(jié)轉動時，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行走機構腿的設計從運動角度出發(fā)，足端相對與機身應走直線軌跡，為了在不平地面行走，腿的伸長應該是可變的。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（在嚴重崎嶇不平地面），另一方面要求轉向。步行行走機構腿部的主要任務：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。根據上述，提出四足行走機構中腿機構的要求：1. 腿的足端部相對于機體的運動軌跡形狀應如“”。直線段對應的就是足支撐機體的運動軌跡（支撐相），曲線段對應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在運動過程中，因機體上下顛簸而消耗不必要的能量，應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 設計的行走機構的四條腿的協(xié)調動作順序要嚴格要求。1.3還需要行走機構腿的機構分析，尺寸優(yōu)化及數學建模等一系列分析運算。完成了機體的設計和傳動系統(tǒng)的設計接下來實現(xiàn)轉向與控制。1.4利用Solid Works進行行走機構輔助設計 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告指導教師意見：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計（論文）結果的預測： 指導教師： 年 月 日所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日14