毕业设计（论文）-基于Solidworks 爬行机器人爬行机构的模型建立及运动仿真.doc

毕业论文基于Solidworks 爬行机器人爬行机构的模型建立及运动仿真学生姓名： 石超 学号：102012244 系 部： 机械工程系 专 业： 机械电子 指导教师： 田静 二一四年六月八日诚信声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 基于Solidworks 爬行机器人爬行机构的模型建立及运动仿真 系部： 机械工程系 专业： 机械电子 学号： 102012244 学生： 石超 指导教师（含职称）： 田静(讲师) 专业负责人： 张焕梅1设计的主要任务及目标（1）通过使用solidworks软件的机械系统虚拟设计和运动仿真的基本方法，综合运用solidworks的参数化、变量化建模技术以及自上向下的设计思路，完成爬行机器人爬行机构各个零件的虚拟建模并形成装配体，最后进行简单的动画演示。（2）对运动机构进行仿真分析。2设计的基本要求和内容（1）参考资料设计爬行机器人的爬行机构。（2）使用solidworks软件对爬行机构各个零件实体建模。（3）使用solidworks软件插入爬行机构的零部件组装成装配体。（4）对装配体进行动画设计。（5）对装配体进行仿真分析。3 主要参考文献1刁彦飞.仿蜘蛛爬行机构设计探索J.应用科技.2004年03期2倪宁.四足仿生爬行机器人研制D.南京航空航天大学.2011.123郗向儒.基于SolidWorks的运动仿真研究D.西安理工大学。2004.54蒋宗礼,赵钦,肖华,王蕊 .高性能并行爬行器D.北京工业大学.2006.124 进度安排 设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1确定具体选题,开题报告2014.3.012014.3.072收集掌握相关资料2014.3.082014.4.203通过solidworks完成爬行机构的设计2014.4.212014.5.214编写并完善论文2014.5.222014.6.015准备并答辩2014.6.22014.6.20基于Solidworks 爬行机器人爬行机构的模型建立及运动仿真 摘要：爬行机器人是一种基于仿生学原理研制开发的新型足式机器人。它采用类拟生物的爬行机构进行运动,自动化程度高，具有丰富的动力学特性。此外，爬行机器人相比其它机器人具有更多的优点：它可以较易地跨过比较大的障碍（如沟、坎等），对凹凸不平的地形的适应能力更强；因此，爬行机器人的研究已成为机器人学中一个引人注目的研究领域。本次设计通过使用solidworks软件的机械系统虚拟设计和运动仿真的基本方法，综合运用solidworks的参数化、变量化建模技术以及自上向下的设计思路，完成爬行机器人爬行机构各个零件的虚拟建模并形成装配体，最后进行简单的动画演示。关键词：爬行机构，三维建模，运动仿真Based on Solidworks crawl crawl robot modeling and motion simulation of the organizationAbstract:Crawling robot is a new type of research and development on the basis of the principle of bionics robot foot type. It USES a kind of quasi creatures crawling mechanism movement, high degree of automation, has rich dynamic characteristics. In addition, the crawling robot compared to other robot has more advantages: it can relocate across the relatively large obstacles (such as channel, candy, etc.), on uneven terrain more resilient; Therefore, crawling robot research has become a striking in robotics research. The design by using solidworks software of mechanical system and the basic methods of virtual design and movement simulation, the parameters of the integrated use of solidworks, the variational modeling technology and downwards on the design train of thought, crawl crawl robot mechanism virtual modeling and assembly of various parts of the body, finally carries on the simple animation. Key words：Crawling mechanism， 3 d modeling， Motion simulation 目 录1 引言11.1国内外发展动态11.2研究意义42软件介绍52.1用户界面52.2配置管理52.3协同工作52.4装配设计62.5工程图63三维实体造型简述73.1草图73.2实体建模73.3实体特征编辑：84爬行机构的设计104.1 六足爬行机器人爬行机构的设计104.1.1参考图片104.1.2零件体104.1.3总转配体134.2四连杆机构爬行机器人的设计144.2.1参考图片144.2.2零件体144.2.3总转配体175 动画设计195.1动画195.2基本运动195.3运动分析196 典型构件的仿真分析216.1基本介绍216.2所校核零件基本信息226.3设定边界条件256.3.1选取载荷为10N进行分析256.3.2选取载荷为50N进行分析276.3.3选取材料为聚酯树脂载荷为50N进行分析28结论32参考文献33致谢34I太原工业学院毕业设计1 引言1.1国内外发展动态 机器人按其是否可以移动可以分为固定式机器人和移动机器人。固定式机器人是指固定在某个位置上，机器人不能整体移动，只能移动各个关节。目前运行的绝大多数机器人都是固定式的，他们只能固定在某一位置进行运动，因而其应用范围和功能受到限制。移动机器人能够移动到预定目标，完成相应的操作任务。移动机器人在工业和国防上具有广泛的应用前景，如服务机器人、巡逻机器人、防化侦察机器人、水下作业机器人、飞行机器人等。其中自主式移动机器人是研究最多的一种。自主机器人能够按照预定给出的任务指令，不断感知周围局部环境信息，自主地做出判断，引导自身绕开障碍物，正确安全行驶到达指定目标，并执行要求的动作与操作。与其他移动机器人相比，爬行机器人有如下优点：第一、可以在高低不平的地段上行走；第二、由于脚的主动性，身体不随地面晃动；第三、在柔软的地面上运动，效率不会显著降低。这是因为脚在软地行走时，地面的变形是离散的，至多是损失在一个坑的能量，而且脚还可以利用下沉产生推力，即脚的运动能量变成地面弹性体的位能储存。当脚前进时，这个位能又释放出来，因而可以减少步行机器人动能的损失12。 机器人产生的初衷就是创造出一种像人一样的机器，以便代替人类从事各种工作。随着科学技术的发展，机器人的功能将会越来越完善，与人类的相似程度会越来越近。就机器人的移动方式而言，从固定到轮式滚动到多足爬行最后到直立行走，就像是人类的进化规律一样。 爬行机器人可以通过复杂的地面，实现特殊的要求。爬行机器人的步态与体态的稳定性、周期性和可操作性是其实现稳定运动的基本前提。步态是指在运动过程中，步行者的肢体在时间和空间上的一种协调关系，是移动着的腿的有规律的重复顺序运动。体态是指身体的姿势或形态。自然界中人与各种动物的步态和体态都相差很大，同是动物，由于种类不同，所具有的生物特征也各不相同。现代科技的发展已经让很多的机器人来到我们的身边，不仅有工厂里面的零件加工机器人，还有家庭里的服务型机器人，我们到处可见他们的身影。 根据移动方式的不同可以将移动机器人分为：轮式、足式、飞行式以及履带式。其中，轮式和履带式机器人结构简单，但其运动受环境因素所限，运动能力较弱。而多足爬行机器人能够在不平的路面上稳定行走，可以取代轮式和履带式机器人完成一些非结构性的复杂环境中的作业。足式机器人是根据仿生学原理，结合计算机技术，光电技术，智能控制技术通过机械的方式模仿动物的行走。随着计算机控制技术的进步，多足爬行机器人技术发展得很快。为了瞄准国际机器人技术的前沿，为我国多足爬行机器人研究提供关键方案和支持，开展多足爬行机器人相关理论和技术研究具有重要的科学意义和应用价值。 多足爬行机器人是模仿多足动物运动形式的机器人，是一种足式移动机构。所谓多足一般指四足以上，常见的多足爬行机器人包括四足爬行机器人、六足爬行机器人、八足爬行机器人等。多足爬行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构,是模仿多足动物运动形式的特种机器人,是一种足式移动机构2。 国内多足爬行机器人的研究成果 我国多足爬行机器人发展的比较晚，直到20世纪末期才开始有所发展。研究初期上海交通大学的研究者做出了比较大的贡献。1991年,上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列四足步行机器人。JTUWM-III是模仿四足哺乳动物的腿外形制成，每条腿有3个自由度,由直流伺服电机分别驱动。在进行步态研究的基础上,通过对3个自由度的协调控制,可完成单腿在空间的移动，进而完成机器人的移动。该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制统，JTUWM-III以对角步态行走，采用力和位置混合控制,实现了四足爬行机器人JTUWM-III的慢速动态行走，极限步速为1.7km/h。2000年,上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人进行改进,开发出具有全方位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR,如图1.1所示。其第一代的每条腿只有2个自由度,无法实现机器人的转向,只能进行直线式静态步行,平均行走速度为1mm/s。改进后采用新型的组合偏动SMA驱动器,使新一代的微型双三足步行机器人MDTWR具有全方位运动能力。 2002年,上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人的研究，如图1.2所示。该步行机器人外形尺寸为：长30mm,宽40mm，高20mm,质量仅为6.3kg,步行速度为3mm/s。他们在分析六足昆虫运动机理的基础上，利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸，采用微型直流电机、蜗轮蜗杆减速机构和皮带传动机构，在步态和稳定性分析的基础上，进行控制系统软、硬件设计，步行实验结果表明,该机器人具有较好的机动性。 2003年哈尔滨工程大学的孟庆鑫、袁鹏等进行了两栖仿生机器蟹的研究，从两栖仿生机器蟹的方案设计到控制框架构建，研究了多足爬行机器人的单足周期运动规律，提出适合于两栖仿生机器蟹的单足运动路线规划方法，并从仿生学角度研究了周期性节律性的多足步行运动的控制问题，建立了生成周期运动的神经振荡子模型。国外多足步行机器人的研究成果1990年,美国卡内基-梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBLER。该机器人采用了新型的腿机构，由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成,两杆正交。该机器人由一台32位的处理机来规划系统运动路线、控制运动和监视系统的状态，所用传感器包括彩色摄像机、激光测距扫描仪、惯性基准装置和触觉传感器。总质量为3180kg，由于体积和质量太大，最终没被用于行星探测计划。 1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足爬行机器人DANTE,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其改进型DANTE-II也在实际中得到了应用 19962000年,美国罗克威尔公司在DARPA资助下，研制自主水下爬行机ALUV(AutonomousLeggedUnderwaterVehicle)，如图5所示。其模仿螃蟹的外形，每条腿有两个自由度，具有两栖运动性能，可以隐藏在水下面，在水中爬行，当风浪太大时，将脚埋入沙中。它的脚底装有传感器，用于探测岸边的地雷，当遇到水雷时，自己爆炸引爆水雷。 在对昆虫步态进行研究的基础上，2000年美国研制出六足仿生步行机器人Biobot，如图6所示。为了使机器人在凸凹不平地面上仍能高速和灵活步行，采用气动人工肌肉的方式，采用压缩空气驱动气动动作器，进而驱动各关节，使用独特的机构来模仿肌肉的特性。与电机驱动相比，该作动器能提供更大的力和更高的速度。 日本对多足爬行机的研究从20世纪80年代开始，并不断进行着各种技术创新，随着计算机和控制技术的发展，其机械结构由简单到复杂，功能由单一功能到组合功能，并已研究出各种类型的爬行机。主要有四足爬行机、爬壁机器人、腿轮分离型爬行机器人和手脚统一型爬行机器人。现在日本机器人技术和研究已经处于世界先进水平，已经研制出仿人型机器人，并且智能化程度很高。1.2研究意义 机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一，人类对于机器人的研究由来已久。上世纪70年代之后，随着计算机技术、传感技术、控制技术和人工智能技术迅速发展，机器人技术也随之进入高速发展阶段，成为综合了控制论、计算机、机构学、信息和传感技术、仿生学、人工智能等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合运用，是当代研究活跃、应用日益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。 随着科学技术的发展，机器人在人类的生活中将变得更加重要，作为替代人类作业的机器，机器人有着广泛的应用前景，几乎渗透所有领域。并且机器人的研究不仅能加速我国科技发展的步伐，推进理论的前进，如果加以市场化，更能促进我国国家经济的进步，增强我国的国防力量。随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，将势必会在各个领域广泛、大量地应用机器人替代人类工作。 这几年我国大力发展航天事业，已经成功发射嫦娥卫星，随着我国对太空事业的投入，我国的下一个目标必将是登陆月球，由于月球特有的环境因素和对月球的缺少认识，先期的登月行动将由机器人替代，而一般的轮式机器人无法适应月球凹凸不平的表面，只有利用足式爬行机器人才能很好的适应环境。所以，对爬行机器人的研究不仅能对社会产生很大的经济效益，也能促进我国航天事业的发展，增强我国的空天技术9。2软件介绍2.1用户界面 SolidWorks 才提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。“全动感的”的用户界面减少设计步骤，减少了多余的对话框，从而避免了界面的零乱。崭新的属性管理员用来高效地管理整个设计过程和步骤。属性管理员包含所有的设计数据和参数，而且操作方便、界面直观。用SolidWorks资源管理器可以方便地管理CAD文件。SolidWorks资源管理器是唯一一个同Windows资源器类似的CAD文件管理器。特征模板为标准件和标准特征，提供了良好的环境。用户可以直接从特征模板上调用标准的零件和特征，并与同事共享。SolidWorks 提供的AutoCAD模拟器，使得AutoCAD用户可以保持原有的作图习惯，顺利地从二维设计转向三维实体设计。2.2配置管理 配置管理是SolidWorks软件体系结构中非常独特的一部分，它涉及到零件设计、装配设计和工程图。配置管理使得你能够在一个CAD文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。2.3协同工作 SolidWorks 提供了技术先进的工具，使得你通过互联网进行协同工作。通过eDrawings方便地共享CAD文件。eDrawings是一种极度压缩的、可通过电子邮件发送的、自行解压和浏览的特殊文件。通过三维托管网站展示生动的实体模型。三维托管网站是SolidWorks提供的一种服务，你可以在任何时间、任何地点，快速地查看产品结构。SolidWorks 支持Web目录，使得你将设计数据存放在互联网的文件夹中，就像存本地硬盘一样方便。用3D Meeting通过互联网实时地协同工作。3D Meeting是基于微软 NetMeeting的技术而开发的专门为SolidWorks设计人员提供的协同工作环境。2.4装配设计 在SolidWorks 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体SolidWorks 的性能得到极大的提高。SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。用智能零件技术自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。镜像部件是SolidWorks 技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。SolidWorks 用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系3。2.5工程图 SolidWorks 提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。工程图是全相关的，当你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。增强了的详图操作和剖视图，包括生成剖中剖视图、部件的图层支持、熟悉的二维草图功能、以及详图中的属性管理员。使用RapidDraft技术，可以将工程图与三维零件和装配体脱离，进行单独操作，以加快工程图的操作，但保持与三维零件和装配体的全相关。用交替位置显示视图能够方便地显示零部件的不同的位置，以便了解运动的顺序。交替位置显示视图是专门为具有运动关系的装配体而设计的独特的工程图功能。3三维实体造型简述：3.1草图： 草图的绘制，包括的内容有基础知识、常用草图绘制命令、草图编辑命令、3D草图绘制命令、尺寸标注以及几何关系。二维草图是建立三维特征的基础，3D草图可以建立复杂的空间曲面。如： 图3-1-1线条命令 图3-1-2圆命令 3.2实体建模： 三维建模是SolidWorks软件三大功能之一。三维建模命令分为两大类，第一类是需要草图才能建立的特征；第二类是在现有特征基础上进行编辑的特征。包括的内容有拉伸特征、旋转特征、扫描特征、放样特征、筋特征和孔特征。如：35 图3-2-1旋转 图3-2-2凸台拉伸3.3实体特征编辑： 这类特征都不需要草图，可以直接对实体进行编辑操作。本章包括的主要内容有特征阵列、镜向特征、压凹特征、圆顶特征、变形特征、弯曲特征、边界特征和拔模特征。如： 图3-3-1圆周阵列 图3-3-2放样 图3-3-3线性阵列 4爬行机构的设计4.1 六足爬行机器人爬行机构的设计4.1.1参考图片 图4-1-1六足爬行机器人4.1.2零件体 图4-1-2零件 图4-1-3零件 图4-1-4零件 图4-1-5零件 图4-1-6零件4.1.3总转配体 图4-1-7装配体4.2四连杆机构爬行机器人的设计4.2.1参考图片 图4-2-1四杆机构爬行机器人4.2.2零件体 图4-2-2零件 图4-2-3零件 图4-2-4零件 图4-2-5零件 图4-2-6零件 图4-2-7零件图4-2-9零件 图4-2-8零件 图4-2-10零件 图4-2-11零件4.2.3总转配体： 图4-2-12装配体图4-2-13装配体5 动画设计 动画是用连续的图片来表述物体的运动，给人的感觉更直观和清晰。SolidWorks利用自带插件Motion可以制作产品的动画演示，并可做运动分析。本章主要介绍运动算例简介、装配体爆炸动画、旋转动画、视像属性动画、距离和角度配合动画以及物理模拟动画。5.1动画： 可使用动画来演示装配体的运动，例如：添加马达来驱动装配体一个或多个零件的运动；使用设定键码点在不同时间规定装配体零部件的位置。 5.2基本运动：可使用基本运动在装配体上模仿马达、弹簧、碰撞，以及引力，基本运动在计算运动时考虑到质量。5.3运动分析：可使用运动分析装配体上精确模拟和分析运动单元的效果（包括力、弹簧、阻尼，以及摩擦）。运动分析使用计算能力强大的动力求解器，在计算中考虑到材料属性和质量及惯性。 其中主要用到的控制及按钮有：图4-1线性马达和旋转马达 图4-2时间线6 典型构件的仿真分析：6.1基本介绍 SolidWorks为用户提供了多种仿真分析工具，包括SimulationXpress（静力学分析）、FloXpress（流体分析）、TolAnalyst（公差分析）和DFMXpress（数控加工），使用户可以在计算机中测试设计的合理性，无需进行昂贵而费时的现场测试，因此可以有助于减少成本、缩短时间。本章主要介绍公差分析的方法、有限元分析的方法、流体分析的方法和数控加工分析的方法3。如： 图6-1-1装配体约束 选取四杆机构爬行机器人中的摇杆为研究对象：原因：摇杆在四杆爬行机构中所受载荷最大,所以我们在这里只对摇杆做静力学分析。6.2所校核零件基本信息表6-2-1模型信息模型名称: 零件p当前配置: 默认实体文档名称和参考引用视为容积属性文档路径/修改日期切除-拉伸2实体质量:0.00108158 kg体积:1.40465e-007 m3密度:7700 kg/m3重量:0.0105995 NC:UsersAdministratorDesktopsolidworks课题零件p.SLDPRTJun 02 16:51:36 2014 模型参考属性零部件名称:合金钢 模型类型:线性弹性同向性默认失败准则:最大 von Mises 应力 屈服强度:6.20422e+008 N/m2 张力强度:7.23826e+008 N/m2SolidBody 1(切除-拉伸2)(零件3) 表6-2-2载荷和夹具夹具名称夹具图像夹具细节固定-1实体:1 面类型:固定几何体网格类型实体网格所用网格器: 基于曲率的网格雅可比点4 点最大单元大小0 mm最小单元大小0 mm网格品质高 表6-2-3网格信息 - 细节节点总数11084单元总数6971最大高宽比例3.7495单元 (%)，其高宽比例 100扭曲单元(雅可比)的 %0完成网格的时间(时;分;秒): 00:00:00计算机名: PC2013081523396.3设定边界条件6.3.1选取载荷为10N进行分析 表6-3-1载荷载荷名称装入图象载荷细节力-1实体:1 面, 1 基准面参考:基准面1类型:应用力值:-, -, 10 N表6-3-2应力分析名称类型最小最大StressVON:von Mises 应力59185.3 N/m2节: 1111.24337e+007 N/m2节: 10957零件3-SimulationXpress Study-应力-Stress表6-3-3位移分析名称类型最小最大DisplacementURES:合位移0 mm节: 10.00051028 mm节: 560零件3-SimulationXpress Study-位移-Displacement6.3.2选取载荷为50N进行分析表6-3-4载荷载荷名称装入图象载荷细节力-2实体:1 面, 1 基准面参考:基准面1类型:应用力值:-, -, 50 N表6-3-5应力分析名称类型最小最大StressVON:von Mises 应力295927 N/m2节: 1116.21683e+007 N/m2节: 10957零件3-SimulationXpress Study-应力-Stress表6-3-6位移分析名称类型最小最大DisplacementURES:合位移0 mm节: 10.0025514 mm节: 5606.3.3选取材料为聚酯树脂载荷为50N进行分析 表6-3-7模型信息文档名称和参考引用视为容积属性文档路径/修改日期切除-拉伸2实体质量:0.000162939 kg体积:1.40465e-007 m3密度:1160 kg/m3重量:0.0015968 NC:UsersAdministratorDesktopsolidworks课题零件3.SLDPRTApr 05 19:14:11 2014模型参考属性零部件名称:聚脂树脂模型类型:线性弹性同向性默认失败准则:未知张力强度:1.9e+008 N/m2SolidBody 1(切除-拉伸2)(零件3)表6-3-8载荷载荷名称装入图象载荷细节力-1实体:1 面, 1 基准面参考:基准面1类型:应用力值:-, -, 50 N 表6-3-9应力分析名称类型最小最大StressVON:von Mises 应力214378 N/m2节: 95926.36426e+007