六足爬蟲機器人機械結構設計-含動畫仿真【JS系列】

六足爬蟲機器人機械結構設計-含動畫仿真【JS系列】,JS系列,爬蟲,機器人,機械,結構設計,動畫,仿真,js,系列 河南科技學院 2009屆本科畢業(yè)論文 論文題目: 六足爬蟲機器人機械結構設計 （機械部分） 學生姓名：楊俊 所在院系：機電學院 所學專業(yè)：機械設計制造及其自動化 導師姓名：王振寧 完成時間：2009年5月20日 摘 要 分析仿生態(tài)六足爬行機器人步進足規(guī)劃的要求和特點，參照實體機器人結構尺寸利用軟件Cad設計機器人結構零部件的尺寸，及其整 體結構尺寸；再者利用軟件SolidWorks進行實體零部件造型，然后進行結構裝配來檢查各個尺寸設計是否合理，進而更好的實現(xiàn)最終的設計結果，讓它運動起來。在整個過程中，裝配是關鍵，位置要求都要在裝配過程中去嘗試著設計。 關鍵詞：仿生,機器人,結構設計,零部件,裝配 Hexapod robot mechanical structure design of reptiles （Mechanical parts） Abstract Analysis of bionic hexapod crawling robot stepping foot planning requirements and features, with reference to entity size robot design cad software robots the size of the structure of parts and components, and its overall structure size; Furthermore entity solidworks software components modeling, and then assembled to examine the structural design of various sizes are reasonable, and better designed to achieve the final result, with its movement. Throughout the process, the assembly is the key, the location of the requirements in the assembly process must be to try to design. keywords: Biological , Robot, Structural Design, Parts, Assembly 目 錄 1.引言………………………………………………………………………………...1 2.仿生態(tài)六足爬行機器人的步態(tài)爬行原理…………………………………………1 2.1 足部行走模型…………………………………………………………………1 2.2 步態(tài)行走原理....................................................................................................2 3. 各個部件的尺寸設計………………………………………………………….….2 3.1 腿步結構的設計………………………………………………………………2 3.2 主板的結構設計………………………………………………………………3 3.3 連接件的結構設計……………………………………………………………4 4. 各個零部件的實體造型…………………………………………………………..4 4.1 主板的實體造型………………………………………………………………5 4.2 中間腿的實體造型……………………………………………………………5 4.3 后腿的實體造型………………………………………………………………6 4.4 中間腿部連接件的實體造型……………………………………………….....6 4.5 連桿的實體造型……………………………………………………………….6 4.6 銷子的實體造型……………………………………………………………….7 5. 設計整體三維圖…………………………………………………………………...7 6. 機器人零部件的數(shù)控加工………………………………………………………...8 7. 裝配……………………………………………………………………………….13 8. 結束語…………………………………………………………………………….13 致謝…………………………………………………………………………………..13 參考文獻……………………………………………………………………………..14 1 引言 仿生態(tài)六足六足爬行機器人是一種基于仿生學原理研制開發(fā)的新型足式機器人。仿生態(tài)六足六足爬行機器人比傳統(tǒng)的輪式機器人有更好的移動性，自動化程度高，具有豐富的動力學特性。此外，足式機器人采用類似生物的爬行機構進行運動，比其它機器人具有更多的優(yōu)點：它可以較易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等），并且機器人足所具有的大量自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凹凸不平的地形的適應能力更強；足式機器人的立足點是離散的，跟地面的接觸面積較小，因而可以在可達到的地面上選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。因此，仿生態(tài)六足六足爬行機器人的研究已成為機器人學科中一個引人注目的研究領域[1]。本文在對一些六足昆蟲的行走過程進行觀察和詳細測量的基礎上設計了這款仿生態(tài)六足六足爬行機器人，它具有輪式和履帶式機器人所沒有的優(yōu)點，在航空航天（登月，火星探測）、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（物流自動化、西部大開發(fā)、機械設備的探測和檢修），軍事國防等領域有廣泛的應用前景。 2 仿生態(tài)六足爬行機器人的步態(tài)爬行原理 2.1 足部行走模型 “六足綱”昆蟲多以交替的三角步態(tài)運動進行直線行走，即行走時有3條腿同時著地，另外3條腿邁步，中間腿向上提時一側(cè)前后腿向前邁，另一側(cè)前后腿向后擺，通過與地面之間的摩擦力來實現(xiàn)機器人的前進；并以一側(cè)邁大步、另一側(cè)邁小步的方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。項目組在對一些六足昆蟲的行走過程進行觀察和詳細測量的基礎上對其三角步態(tài)進行了優(yōu)化和創(chuàng)新，設計了一款新型六足仿生機器人，圖1為前后足部三維實體圖， 圖1 前后腿部結構實體圖 圖2 后腿結構實體圖 圖2為中間足部三維實體圖。該機器人各足均采用圖1、圖2所示的整體式結構，每條腿具有1個關節(jié)，1個自由度，而且一側(cè)的前后腿用連桿連接起來，形成聯(lián)動裝置；另一側(cè)則是相同，同時還要用連桿把中間的兩側(cè)腿連接起來，也形成聯(lián)動裝置；腿部與主板的連接靠螺栓；整機具有2個自由度，都是通過連桿和電機連接起來實現(xiàn)動作，其中中間兩腿用于支撐，進而實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和前進后退時兩側(cè)腿的前擺和后擺作用；兩側(cè)的腿實現(xiàn)前后擺動，進而來前進后退。控制兩側(cè)腿前進后退的電機放在主板寬闊之處，中間電機放在前面，整個機器人的功能用集成電路來實現(xiàn)，則是放在上面。具體結構見圖3。 圖3 整體結構圖 2.2 步態(tài)行走原理 圖3機器人步態(tài)原理圖及電機安裝圖，前進運動時，其中一側(cè)前后腿抬足先行向前側(cè)擺一定角度，當其剛好落地時，中間的兩腿支撐起前部實現(xiàn)其中四只腿著地，進而來讓另一側(cè)腿開始抬足側(cè)擺相同的角度后落地，實現(xiàn)前進；后退時候的原理是同樣的方式。轉(zhuǎn)彎運行時，中間腿先支撐起來，進而兩側(cè)腿同時動作，一側(cè)向前擺動，一側(cè)向后擺動，至于擺動角度的大小則是根據(jù)轉(zhuǎn)彎的弧度來決定，經(jīng)過上述過程可解決機器人的轉(zhuǎn)向問題。綜上可知：步進過程簡述：左側(cè)前后腿側(cè)擺然后落足，右側(cè)腿側(cè)擺后落足，中間腿部起到平衡身體的作用，當遇到障礙物時，中間腿部支撐起來機體，然后兩側(cè)腿部同時間側(cè)擺，向那一側(cè)轉(zhuǎn)彎，另一側(cè)的腿擺動的角度大一些，具體拐彎的角度大小靠兩邊腿部擺動的角度大小決定。腿部的擺動都是通過對三部電機的控制來實現(xiàn)運動。 3. 各個部件的尺寸設計 3.1.腿部結構的設計 根據(jù)圖紙（圖4中主板的尺寸大致一定）的要求及其所查資 圖4 設計總要求 料，我選擇cad軟件來設計。腿部尺寸的設計不僅要滿足體積小而且布局上要求具有仿生的效果，我把該機器人的腿部設計成整體式，且從美觀上滿足仿生效果，如圖5、圖6所示： 圖5 前后腿尺寸設計 圖6 中間腿尺寸設計 如上圖所示的設計尺寸只是初步的設計，具體還要根據(jù)加工材料（加工所用的材料為有機玻璃）的實際情況來確定，在最后還有可能把其中的尺寸擴大或縮小。 3.2 主板的結構設計 主板不僅連接腿，而且還放置電機及其電路板集成塊，所以在滿足參考圖紙上主板尺寸的要求，還要滿足功能，盡可能地讓消耗材料最小化。如圖7所示： 圖7 主板尺寸設計 在上圖中，左側(cè)是尾，右側(cè)是頭部，后面并排放置兩部電機，各自控制兩側(cè)的腿，通過電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)機器人的前進與后退，在主板的上面放置集成塊電路板。 3.3 腿與主板的連接件 這個連接件的設計尺寸要求不是太嚴格，只要保證直徑是5的孔的位置，以及用來放置連桿的直徑是3的孔的位置即可；因為在前后腿和主板的連接時，是間接的方式，通過腿與連接件之間的粘接，然后用螺栓把連接件和主板連接起來；中間腿先和連接件用螺栓連接，然后通過配合和粘接來實現(xiàn)。（注：圖8為前后腿連接件，圖9為中間腿連接件）如圖所示： 圖8 前后腿連接件尺寸設計 圖9 中間腿連接件尺寸設計 4 各個零部件的實體造型 本設計中所采用的實體造型軟件是solidworks，根據(jù)cad圖所設計的尺寸進行造型。 4.1 主板：如圖：10 圖10 主板的實體造型 4.2 中間退：如圖11 如圖11 中間腿部的實體造型 4.3 后退：如圖12 如圖12 前后腿的實體造型 4.4 中間腿部連接板：如圖13 如圖13 連接件的實體造型 4.5 連桿：如圖14 如圖14 連桿的實體造型 4.6 銷子：如圖15 如圖15 銷子的實體造型 5 設計整體三維圖 . 根據(jù)以上零部件的尺寸設計，還有對各個零部件的實體造型，對仿生態(tài)六足爬行機器人進行軟件solidworks的實體裝配，進而來模擬仿生態(tài)六足爬行機器人的腿部功能，同時也可以來檢查各個零部件的設計尺寸是否合適，還有通過對裝配圖的干涉檢查（如圖17）來檢查整體的結構是否合適，進而達到設計要求。如圖16： 圖16 裝配圖 圖17 干涉檢查 通過軟件對裝配圖的結構檢查，以及在solidworks軟件上通過使用鼠標拖動機器人的腿部都能達到預計的運動要求，證明在零部件的尺寸設計上合適，且能夠滿足整體要求，故符合設計要求。運用軟件對機器人進行動畫模擬 G:\楊俊+畢業(yè)設計樣板及資料\楊俊畢業(yè)設計over\裝配體1.avi G:\楊俊+畢業(yè)設計樣板及資料\楊俊畢業(yè)設計over\裝配體2.avi 裝配體3.avi 裝配體4.avi 在solidworks軟件的界面上對機器人的腿部功能的動畫模擬，見上述連接：，證明了腿部的功能設計是合理而且合適的。 6 機器人零部件的數(shù)控加工 對于它的加工所采用的材料均是有機玻璃，其厚度已經(jīng)大致確定，在前面的實體造型中也考慮到，所以我采用數(shù)控銑床來加工。在加工時，所有的零件的造型都是簡單的平面輪廓，因而比較容易加工?，F(xiàn)在就拿主板的加工過程來舉例說明整個加工過程。 第一步：主板的尺寸設計在cad中已經(jīng)確定，利用caxa軟件制造工程師進行加工造型，如圖18： 圖18 主板造型 第二步：點擊按鈕，選擇，這時界面出現(xiàn)對話框，進行參數(shù)的設置，如以下圖19： 如圖19 平面輪廓加工參數(shù)設置 點擊“確定”按鈕，根據(jù)右下角提示“拾取輪廓和加工方向”，分別拾取草圖輪廓，鼠標右擊，出現(xiàn)右下角提示“拾取進刀點”、在右擊出現(xiàn)右下角提示“拾取退刀點”，再右擊，讓軟件自動拾取進退刀點；對于所有需要加工的輪廓都以同樣的方法，最后生成如圖所示的軌跡輪廓： 。 圖20 軌跡輪廓 第三步：生成加工軌跡。點擊，選擇，彈出如圖所示對話框（如圖21）： 、 。 圖21 后置設置參數(shù)設置 直接點擊“確定”；再點擊“應用”，選擇，出現(xiàn)存儲對話框，自己選擇一個文件名進行存儲，同時也顯示存儲的位置，根據(jù)右下角提示，再右擊，生成加工程序（如圖22）： 圖22 加工程序 最后保存起來。 第四步：程序的校核對于對于數(shù)控加工是非常重要的，因為它關系到加工路徑是否與之前設想的一直，而且要求路徑的簡潔，時間短，效率高。 點擊，選擇，出現(xiàn)對話框選擇剛才所生成的程序名，點擊確定，再次出現(xiàn)提示框并選擇如圖所示，點擊確定，這時刀具的運行軌跡生成如圖23：。 圖23 軌跡校核 7 裝配 裝配就是按照設計的技術要求實現(xiàn)機械零件或部件的連接，把機械零件或部件組合成機器。裝配是機器制造和修理的重要環(huán)節(jié)，裝配是機械制造中最后決定機械產(chǎn)品質(zhì)量的重要工藝過程，即使是全部合格的零件，如果裝配不當，往往也不能形成質(zhì)量合格的產(chǎn)品，簡單的產(chǎn)品可由零件直接裝配而成。裝配工作的好壞對機器的效能、修理的工期、工作的勞力和成本等都起著非常重要的作用。 裝配工藝 常用的裝配工藝有：清洗、平衡、刮削、螺紋聯(lián)接、過盈配合聯(lián)接、膠接、校正等。此外，還可應用其它裝配工藝，如焊接，鉚接，滾邊，壓圈和澆鑄聯(lián)接等，以滿足各種不同產(chǎn)品結構的需要。而本工藝只需要以下裝配工藝。 清洗，浸洗是將零件浸漬于清洗液中晃動或靜置。該裝配體采用的材料都是有機玻璃，其表面比較光滑，只需用清洗液清洗，然后擦干或靜置即可。 過盈配合聯(lián)接，使配合面的尺寸公差為過盈配合的聯(lián)接件能得到緊密的結合。此裝配體中只有前后腿的配合要用到過盈配合，作用是來實現(xiàn)退步功能的初步模擬。 膠接，應用工程膠粘劑和膠接工藝聯(lián)接金屬零件或非金屬零件；對于本工藝是在機器人功能初步實現(xiàn)之后進行最后的組裝，如腿部配合、電機墊板的固定。 校正，裝配過程中應用長度測量工具測量出零部件間各種配合面的形狀精度如直線度和平面度等，以及零部件間的位置精度如垂直度，平行度，同軸度和對稱度等，并通過調(diào)整，修配等方法達到規(guī)定的裝配精度。校正是保證裝配質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。本次裝配的要求不是很高，只要把電機的放置位置保證，還有連桿在運動過程中是否與中間腿部運動發(fā)生干涉。 由于本次采用的材料是有機玻璃板，其厚度是很不均勻，即使是尺寸設計的合理還是要求進行修配處理。修配法，裝配中依靠手工操作應用銼、磨和刮削等工藝方法改變個別零件的尺寸、形狀和位置，使配合達到規(guī)定的精度。另外還有螺栓的連接，因為采用的都是光孔，故連接比較簡單，方便；在連桿的連接過程中用的是鋼條，不僅要保證其剛度，還要保證在與孔的配合過程中不能有太大的活動間隙，利于在電機轉(zhuǎn)動一定角度時，腿部擺動也能達到要求所要求的角度，實現(xiàn)機器人的前進后退功能。 最終的裝配結果如下圖24所示： 圖24 裝配圖 8 結束語 在研究了昆蟲步態(tài)的基礎上，運用仿生原理，本文提出了一種六足機器人機械結構設計的新思路，并研制了基于這種設計思路的樣機。實驗證明，該機器人可以實現(xiàn)直線運動與。在此次設計的過程中，培養(yǎng)了我的綜合運用所學知識的能力，分析和解決實際中所遇到問題的能力，并且能鞏固和深化我所學的專業(yè)知識，使我在調(diào)查研究和收集資料等方面有了顯著的提高，同時在理解分析能力、制定設計計算和繪圖能力方面有較大的進步；另外我的技術分析和組織工作的能力也有一定程度的提高。 致謝 非常感謝學院領導和老師給我提供了這次良好的深入學習的機會和寬松的學習環(huán)境。通過這次畢業(yè)設計，不但使我將大學期間所學的專業(yè)知識再次回顧學習，而且也使我學到了專業(yè)領域中一些前沿的知識。非常感謝在本次設計中曾給予我耐心指導和親切關懷的老師及幫助過我的同學，正是由于他們的幫助和鼓勵才使我能夠在畢業(yè)設計過程中克服種種困難，最終順利完成論文，他們的學識和為人也深深地影響著我。在此，請允許我再次向曾直接給予我多次指導的導師表示最忠誠的敬意！ 參考文獻： [1] 龔振邦，汪勤愨等. 機器人機械設計[M] . 北京：電子工業(yè)出版社，1995 [2] 徐小云, 顏國正, 丁國清. 微型六足仿生機器人及其三角步態(tài)的研究 [J].2002，10（4）：392—396 [3] 張敏，石秀華等. 基于ADAMS的三自由度水下機械手運動學仿真[J] .機械設計與制造，2005（7） [4] 周云松，裴以建，余江，池宗琳.雙足行走機器人步態(tài)軌跡規(guī)劃.云南大學學報，2006，28（1）：20~26 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