机械创新设计课程设计 PPT课件

课题 仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构设计 小组成员 指导老师 专业班级 机械设计与制造及其自动化13级01班 1 设计说明书 设计任务 机械系统运动方案设计的构想 执行系统机构设计 机器人创新点 主要参考资料 设计心得 2 设计任务 设计背景 国外在二足机器人方面研究已经有100多年历史 成果较多 但大多都结构复杂 造价昂贵 远远超出人们的经济承受能力 国内的研究相对较晚 虽然也诞生了很多专利 但由于收到体积 重量 稳定性级安全问题还没有产品真正投入实用 设计目的 本设计主要是利用机械原理相关知识合理设计机械腿的相关尺寸及机构来实现爬楼梯的功能 3 机械系统运动方案设计的构想 双足机器人步行运动过程中 两只脚交替的与地面 发生间歇性的相互作用 即交替的出现左脚单支撑 双脚支撑和右脚单支撑的状态 周期性的不断前进 机器人设计过程中 腿部采用了四杆机构 腿部结构是机器人身体里主要的部分 根据仿生学的知识 人腿部结构大致为 髋关节 和膝关节 还有踝关节和脚 本文采用曲柄摇杆机构实现其直线行走和爬楼梯功能的 两组腿交替的变换使机身能向前运动 他们每组都支撑机体的重量 并在负重的状态下使机体的前行 具体方案 方案优点 1 四杆曲柄摇杆机构结构简单稳定 机构之间连接性好 制作精度容易保证 2 机器人稳定性好 四杆机构能循环运动容易现实直线行走 3 生产成本低 产品绿色环保 4 执行系统机构设计 双足机器人步行运动过程分析 双足机器人的步态规划就是规划机器人的行走步态 水平地面的基本行走步态有前向步行 侧向步行和转向步行 转向步行包含了前向步行和侧向步行 是最复杂的步行 图中以左腿首先作为支撑腿 右腿作为摆动腿为例分解 若右腿首先作为支撑腿 左腿作为摆动腿只需将图中左右调换即可 5 髋关节设计 假定髋关节在步行过程中机器人高度H不变 髋关节的位置对ZMP 零力矩点 的影响很大 对机器人能否保持稳定步行起到至关重要的作用 初次规划的轨迹不一定能使机器人稳定 所以在髋关节轨迹规划时设几个可调参数 通过调节参数使机器人保持稳定 如下图所示 dxs表示摆动脚落地时髋关节到支撑腿踝关节的距离 dxe表示摆动脚抬起时髋关节到支撑腿踝关节的距离 6 四杆机构的设计 机器人设计过程中 腿部采用了四杆机构 在前期时参考了不少有关腿部机构的资料 这个机构的选择很重要 主要原因如下 1 执行机构决定了整个系统的复杂度 机构越复杂 涉及到的工作和配合越多 制作的精度就不容易保证 2 执行机构关系到运动的最终状态 决定运行的姿态 3 执行机构最终保证整个机器人系统功能的实现 设计参数如图 估算机身高度设置为H 400mm 在正前方运行时 左腿和右腿之间不会发生相互干涉 为了保证两腿之间有足够的距离 两髋关节之间的距离为125mm 7 腿部设计 腿部结构是机器人身体里主要的部分 根据仿生学的知识 人腿部结构大致为 髋关节 和膝关节 还有踝关节和脚 本文采用曲柄摇杆机构实现其直线行走和爬楼梯功能的 两组腿交替的变换使机身能向前运动 他们每组都支撑机体的重量 并在负重的状态下使机体的前行 所以适应的刚性和承载能力是非常重要的 所以对承载能力有着限制 8 腿各部分的设计 大腿设计图 小腿设计图 脚部设计图 9 机器人主要创新点 仿人足步行机器人爬楼梯行走机构设计最大的创新点在于运用四杆曲柄摇杆机构 四杆机构机构简单 稳定性较高 制作简单 容易实现 曲柄为主动件且等速转动 作为机器人的大腿部件 而摇杆为从动件变速往返摆动 作为小腿部件 脚步设计以增加机器人的稳定性 通过曲柄摇杆机构的往返运动已实现机器人的直线行驶以及机器人爬楼梯行走 曲柄摇杆机构作为仿人足步行机器人的主要运动部件制作简单 容易实现 成本低廉 绿色环保 10 主要参考资料 1 张瑞红 金德文 张济川等 不同路况下正常步态特征研究 J 清华大学学报 自然科学版 2000 8 40 77 80 2 柳天虹 姜树海 仿生六足机器人稳定性分析与仿真 J 计算机仿真 2013 12第30卷 第12期 3 张春林编 机械创新设计 M 机械工业出版社 2007 4 陈学东孙翊贾文川 多足步行机器人运动规划与控制 M 武汉 华中科技大学出版社 2006 5 美 克莱格著 机器人学导论 原书第三版 贲超等译 北京 机械工业出版社 2006 6 刘广瑞 机器人创新制作 M 西安 西北工业出版社 2007 7 李益民 机械制造工艺设计简明手册 M 机械工业出版社 2011 8 美 丹尼斯 克拉克 迈克尔 欧文斯 机器人设计与控制 M 宗光华 张慧慧译 北京 北京科学出版社 2004 9 高国富谢绍荣罗军 编著 机器人传感器及其应用 北京 化学工业出版社 2005 10 廖林清编 机械设计方法学 M 重庆大学出版社 2013 11 赵东斌 易建强 张文增等 拟人机器人TH 1手臂运动学 J 机器人 2002 3 24 502 507 12 郭跟成 阎保定 陈文清 机器人三维图形仿真系统的设计 J 洛阳工学院学报 1997 4 18 53 57 13 郑嫦娥 仿真机器人国内外研究动态 J 机床与液压 2006 3 1 6 14 谢涛 徐剑锋 张永学 强文义 仿真机器人的研究历史 现状及展望 J 机器人 2007 24 4 367 374 15 ShabanaA A DynamicsofMultibodySystems WileyInterscience NewYork pp 1 90 1989 16 ShabanaA A DynamicsofMultibodySystems Thirdedition Cambridge NewYork pp 1 68 2005 17 双足机器人的设计制作与步态规划 11 设计心得 经过王老师的指导以及组员们相互之间的配合积极的协作 本次的创新设计课程设计已经顺利完成 作为一组机械行业的初学者组成的团队 由于经验的匮乏 以及知识的片面 难免有许多考虑不周的地方 如果没有王老师的督促和指导 以及同小组成员的支持 想要完成此次设计的困难将会是难以想象的 本次机械创新设计是在王老师的悉心指导下完成的 我们从里王老师这里学到了很多 学到了对待问题应保持的态度 思考问题要全面 思路要开阔不能拘泥于陈旧的知识 要实时更新我们的知识认知 保持一颗火热求知的心 这些都是我们将来会受益终生的 经过这次的创新设计我们小队受