六足爬蟲機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-含動(dòng)畫仿真【JS系列】,JS系列,爬蟲,機(jī)器人,機(jī)械,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),動(dòng)畫,仿真,js,系列 河南科技學(xué)院 2009屆本科畢業(yè)論文 論文題目: 六足爬蟲機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （機(jī)械部分） 學(xué)生姓名：楊俊 所在院系：機(jī)電學(xué)院 所學(xué)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 導(dǎo)師姓名：王振寧 完成時(shí)間：2009年5月20日 摘 要 分析仿生態(tài)六足爬行機(jī)器人步進(jìn)足規(guī)劃的要求和特點(diǎn)，參照實(shí)體機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸利用軟件Cad設(shè)計(jì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)零部件的尺寸，及其整 體結(jié)構(gòu)尺寸；再者利用軟件SolidWorks進(jìn)行實(shí)體零部件造型，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)裝配來檢查各個(gè)尺寸設(shè)計(jì)是否合理，進(jìn)而更好的實(shí)現(xiàn)最終的設(shè)計(jì)結(jié)果，讓它運(yùn)動(dòng)起來。在整個(gè)過程中，裝配是關(guān)鍵，位置要求都要在裝配過程中去嘗試著設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：仿生,機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),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(jī)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(gè)部件的尺寸設(shè)計(jì)………………………………………………………….….2 3.1 腿步結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)………………………………………………………………2 3.2 主板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………………3 3.3 連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………4 4. 各個(gè)零部件的實(shí)體造型…………………………………………………………..4 4.1 主板的實(shí)體造型………………………………………………………………5 4.2 中間腿的實(shí)體造型……………………………………………………………5 4.3 后腿的實(shí)體造型………………………………………………………………6 4.4 中間腿部連接件的實(shí)體造型……………………………………………….....6 4.5 連桿的實(shí)體造型……………………………………………………………….6 4.6 銷子的實(shí)體造型……………………………………………………………….7 5. 設(shè)計(jì)整體三維圖…………………………………………………………………...7 6. 機(jī)器人零部件的數(shù)控加工………………………………………………………...8 7. 裝配……………………………………………………………………………….13 8. 結(jié)束語…………………………………………………………………………….13 致謝…………………………………………………………………………………..13 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………..14 1 引言 仿生態(tài)六足六足爬行機(jī)器人是一種基于仿生學(xué)原理研制開發(fā)的新型足式機(jī)器人。仿生態(tài)六足六足爬行機(jī)器人比傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人有更好的移動(dòng)性，自動(dòng)化程度高，具有豐富的動(dòng)力學(xué)特性。此外，足式機(jī)器人采用類似生物的爬行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，比其它機(jī)器人具有更多的優(yōu)點(diǎn)：它可以較易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等），并且機(jī)器人足所具有的大量自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強(qiáng)；足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟地面的接觸面積較小，因而可以在可達(dá)到的地面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。因此，仿生態(tài)六足六足爬行機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人學(xué)科中一個(gè)引人注目的研究領(lǐng)域[1]。本文在對(duì)一些六足昆蟲的行走過程進(jìn)行觀察和詳細(xì)測(cè)量的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了這款仿生態(tài)六足六足爬行機(jī)器人，它具有輪式和履帶式機(jī)器人所沒有的優(yōu)點(diǎn)，在航空航天（登月，火星探測(cè)）、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（物流自動(dòng)化、西部大開發(fā)、機(jī)械設(shè)備的探測(cè)和檢修），軍事國防等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。 2 仿生態(tài)六足爬行機(jī)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(yùn)動(dòng)進(jìn)行直線行走，即行走時(shí)有3條腿同時(shí)著地，另外3條腿邁步，中間腿向上提時(shí)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)；并以一側(cè)邁大步、另一側(cè)邁小步的方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。項(xiàng)目組在對(duì)一些六足昆蟲的行走過程進(jìn)行觀察和詳細(xì)測(cè)量的基礎(chǔ)上對(duì)其三角步態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一款新型六足仿生機(jī)器人，圖1為前后足部三維實(shí)體圖， 圖1 前后腿部結(jié)構(gòu)實(shí)體圖 圖2 后腿結(jié)構(gòu)實(shí)體圖 圖2為中間足部三維實(shí)體圖。該機(jī)器人各足均采用圖1、圖2所示的整體式結(jié)構(gòu)，每條腿具有1個(gè)關(guān)節(jié)，1個(gè)自由度，而且一側(cè)的前后腿用連桿連接起來，形成聯(lián)動(dòng)裝置；另一側(cè)則是相同，同時(shí)還要用連桿把中間的兩側(cè)腿連接起來，也形成聯(lián)動(dòng)裝置；腿部與主板的連接靠螺栓；整機(jī)具有2個(gè)自由度，都是通過連桿和電機(jī)連接起來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，其中中間兩腿用于支撐，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和前進(jìn)后退時(shí)兩側(cè)腿的前擺和后擺作用；兩側(cè)的腿實(shí)現(xiàn)前后擺動(dòng)，進(jìn)而來前進(jìn)后退?？刂苾蓚?cè)腿前進(jìn)后退的電機(jī)放在主板寬闊之處，中間電機(jī)放在前面，整個(gè)機(jī)器人的功能用集成電路來實(shí)現(xiàn)，則是放在上面。具體結(jié)構(gòu)見圖3。 圖3 整體結(jié)構(gòu)圖 2.2 步態(tài)行走原理 圖3機(jī)器人步態(tài)原理圖及電機(jī)安裝圖，前進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其中一側(cè)前后腿抬足先行向前側(cè)擺一定角度，當(dāng)其剛好落地時(shí)，中間的兩腿支撐起前部實(shí)現(xiàn)其中四只腿著地，進(jìn)而來讓另一側(cè)腿開始抬足側(cè)擺相同的角度后落地，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)；后退時(shí)候的原理是同樣的方式。轉(zhuǎn)彎運(yùn)行時(shí)，中間腿先支撐起來，進(jìn)而兩側(cè)腿同時(shí)動(dòng)作，一側(cè)向前擺動(dòng)，一側(cè)向后擺動(dòng)，至于擺動(dòng)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(jī)器人的轉(zhuǎn)向問題。綜上可知：步進(jìn)過程簡(jiǎn)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(dāng)遇到障礙物時(shí)，中間腿部支撐起來機(jī)體，然后兩側(cè)腿部同時(shí)間側(cè)擺，向那一側(cè)轉(zhuǎn)彎，另一側(cè)的腿擺動(dòng)的角度大一些，具體拐彎的角度大小靠?jī)蛇呁炔繑[動(dòng)的角度大小決定。腿部的擺動(dòng)都是通過對(duì)三部電機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。 3. 各個(gè)部件的尺寸設(shè)計(jì) 3.1.腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)總要求 料，我選擇cad軟件來設(shè)計(jì)。腿部尺寸的設(shè)計(jì)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(jī)器人的腿部設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 圖6 中間腿尺寸設(shè)計(jì) 如上圖所示的設(shè)計(jì)尺寸只是初步的設(shè)計(jì)，具體還要根據(jù)加工材料（加工所用的材料為有機(jī)玻璃）的實(shí)際情況來確定，在最后還有可能把其中的尺寸擴(kuò)大或縮小。 3.2 主板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主板不僅連接腿，而且還放置電機(jī)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(shè)計(jì) 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(jī)，各自控制兩側(cè)的腿，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)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(gè)連接件的設(shè)計(jì)尺寸要求不是太嚴(yán)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?yàn)樵谇昂笸群椭靼宓倪B接時(shí)，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(shí)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(shè)計(jì) 圖9 中間腿連接件尺寸設(shè)計(jì) 4 各個(gè)零部件的實(shí)體造型 本設(shè)計(jì)中所采用的實(shí)體造型軟件是solidworks，根據(jù)cad圖所設(shè)計(jì)的尺寸進(jìn)行造型。 4.1 主板：如圖：10 圖10 主板的實(shí)體造型 4.2 中間退：如圖11 如圖11 中間腿部的實(shí)體造型 4.3 后退：如圖12 如圖12 前后腿的實(shí)體造型 4.4 中間腿部連接板：如圖13 如圖13 連接件的實(shí)體造型 4.5 連桿：如圖14 如圖14 連桿的實(shí)體造型 4.6 銷子：如圖15 如圖15 銷子的實(shí)體造型 5 設(shè)計(jì)整體三維圖 . 根據(jù)以上零部件的尺寸設(shè)計(jì)，還有對(duì)各個(gè)零部件的實(shí)體造型，對(duì)仿生態(tài)六足爬行機(jī)器人進(jìn)行軟件solidworks的實(shí)體裝配，進(jìn)而來模擬仿生態(tài)六足爬行機(jī)器人的腿部功能，同時(shí)也可以來檢查各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)尺寸是否合適，還有通過對(duì)裝配圖的干涉檢查（如圖17）來檢查整體的結(jié)構(gòu)是否合適，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。如圖16： 圖16 裝配圖 圖17 干涉檢查 通過軟件對(duì)裝配圖的結(jié)構(gòu)檢查，以及在solidworks軟件上通過使用鼠標(biāo)拖動(dòng)機(jī)器人的腿部都能達(dá)到預(yù)計(jì)的運(yùn)動(dòng)要求，證明在零部件的尺寸設(shè)計(jì)上合適，且能夠滿足整體要求，故符合設(shè)計(jì)要求。運(yùn)用軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)畫模擬 G:\楊俊+畢業(yè)設(shè)計(jì)樣板及資料\楊俊畢業(yè)設(shè)計(jì)over\裝配體1.avi G:\楊俊+畢業(yè)設(shè)計(jì)樣板及資料\楊俊畢業(yè)設(shè)計(jì)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(duì)機(jī)器人的腿部功能的動(dòng)畫模擬，見上述連接：，證明了腿部的功能設(shè)計(jì)是合理而且合適的。 6 機(jī)器人零部件的數(shù)控加工 對(duì)于它的加工所采用的材料均是有機(jī)玻璃，其厚度已經(jīng)大致確定，在前面的實(shí)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(shí)，所有的零件的造型都是簡(jiǎn)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(gè)加工過程。 第一步：主板的尺寸設(shè)計(jì)在cad中已經(jīng)確定，利用caxa軟件制造工程師進(jìn)行加工造型，如圖18： 圖18 主板造型 第二步：點(diǎn)擊按鈕，選擇，這時(shí)界面出現(xiàn)對(duì)話框，進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，如以下圖19： 如圖19 平面輪廓加工參數(shù)設(shè)置 點(diǎn)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(biāo)右擊，出現(xiàn)右下角提示“拾取進(jìn)刀點(diǎn)”、在右擊出現(xiàn)右下角提示“拾取退刀點(diǎn)”，再右擊，讓軟件自動(dòng)拾取進(jìn)退刀點(diǎn)；對(duì)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(diǎn)擊，選擇，彈出如圖所示對(duì)話框（如圖21）： 、 。 圖21 后置設(shè)置參數(shù)設(shè)置 直接點(diǎn)擊“確定”；再點(diǎn)擊“應(yīng)用”，選擇，出現(xiàn)存儲(chǔ)對(duì)話框，自己選擇一個(gè)文件名進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)也顯示存儲(chǔ)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(duì)于對(duì)于數(shù)控加工是非常重要的，因?yàn)樗P(guān)系到加工路徑是否與之前設(shè)想的一直，而且要求路徑的簡(jiǎn)潔，時(shí)間短，效率高。 點(diǎn)擊，選擇，出現(xiàn)對(duì)話框選擇剛才所生成的程序名，點(diǎn)擊確定，再次出現(xiàn)提示框并選擇如圖所示，點(diǎn)擊確定，這時(shí)刀具的運(yùn)行軌跡生成如圖23：。 圖23 軌跡校核 7 裝配 裝配就是按照設(shè)計(jì)的技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件或部件的連接，把機(jī)械零件或部件組合成機(jī)器。裝配是機(jī)器制造和修理的重要環(huán)節(jié)，裝配是機(jī)械制造中最后決定機(jī)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(dāng)，往往也不能形成質(zhì)量合格的產(chǎn)品，簡(jiǎn)單的產(chǎn)品可由零件直接裝配而成。裝配工作的好壞對(duì)機(jī)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(dòng)或靜置。該裝配體采用的材料都是有機(jī)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(jié)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(shí)現(xiàn)退步功能的初步模擬。 膠接，應(yīng)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(duì)于本工藝是在機(jī)器人功能初步實(shí)現(xiàn)之后進(jìn)行最后的組裝，如腿部配合、電機(jī)墊板的固定。 校正，裝配過程中應(yīng)用長(zhǎng)度測(cè)量工具測(cè)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(duì)稱度等，并通過調(diào)整，修配等方法達(dá)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(jī)的放置位置保證，還有連桿在運(yùn)動(dòng)過程中是否與中間腿部運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉。 由于本次采用的材料是有機(jī)玻璃板，其厚度是很不均勻，即使是尺寸設(shè)計(jì)的合理還是要求進(jìn)行修配處理。修配法，裝配中依靠手工操作應(yīng)用銼、磨和刮削等工藝方法改變個(gè)別零件的尺寸、形狀和位置，使配合達(dá)到規(guī)定的精度。另外還有螺栓的連接，因?yàn)椴捎玫亩际枪饪?，故連接比較簡(jiǎn)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(dòng)間隙，利于在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，腿部擺動(dòng)也能達(dá)到要求所要求的角度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)后退功能。 最終的裝配結(jié)果如下圖24所示： 圖24 裝配圖 8 結(jié)束語 在研究了昆蟲步態(tài)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用仿生原理，本文提出了一種六足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新思路，并研制了基于這種設(shè)計(jì)思路的樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)與。在此次設(shè)計(jì)的過程中，培養(yǎng)了我的綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，分析和解決實(shí)際中所遇到問題的能力，并且能鞏固和深化我所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，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(shí)在理解分析能力、制定設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖能力方面有較大的進(jìn)步；另外我的技術(shù)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(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和老師給我提供了這次良好的深入學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)和寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不但使我將大學(xué)期間所學(xué)的專業(yè)知識(shí)再次回顧學(xué)習(xí)，而且也使我學(xué)到了專業(yè)領(lǐng)域中一些前沿的知識(shí)。非常感謝在本次設(shè)計(jì)中曾給予我耐心指導(dǎo)和親切關(guān)懷的老師及幫助過我的同學(xué)，正是由于他們的幫助和鼓勵(lì)才使我能夠在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中克服種種困難，最終順利完成論文，他們的學(xué)識(shí)和為人也深深地影響著我。在此，請(qǐng)?jiān)试S我再次向曾直接給予我多次指導(dǎo)的導(dǎo)師表示最忠誠的敬意！ 參考文獻(xiàn)： [1] 龔振邦，汪勤愨等. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)[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(jī)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(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[J] .機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005（7） [4] 周云松，裴以建，余江，池宗琳.雙足行走機(jī)器人步態(tài)軌跡規(guī)劃.云南大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（1）：20~26 [5]何慶.機(jī)械制造專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)與范例[Ｍ].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008 [6]孫波.機(jī)械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典[Ｍ].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008 [7]張以鵬.實(shí)用切削手冊(cè)[Ｍ].遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2007 [8]上海市金屬切削技術(shù)協(xié)會(huì).金屬切削手冊(cè)[Ｍ].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2006 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