《机械创新设计》课件-仿生青蛙机器人结构设计

仿生青蛙机器人结构设计（1）目录01.整体驱动结构分析02.设计方案的选取01整体驱动结构设计PARTONE一、整体驱动结构设计（一）整体架构驱动装置的总体布局围绕实现青蛙式运动展开。主要包括动力源、传动机构和执行部件。动力源为整个装置提供能量，传动机构将动力传递到执行部件，执行部件完成具体的运动动作。总体布局动力源通常安装在机器人的主体部分，以保证重心稳定。例如采用小型电机作为动力源，安装在机器人的腹部位置，便于向腿部传递动力。动力源位置传动路线从动力源出发，经过一系列的齿轮、链条或连杆等部件，将动力传递到腿部关节。合理的传动路线能提高动力传递效率，减少能量损失。传动路线执行部件主要分布在机器人的腿部，包括关节和脚掌等部分。关节负责实现腿部的弯曲和伸展，脚掌则提供支撑和抓地力；确保机器人稳定运动。执行部件分布一、整体驱动结构设计（二）关键部件01动力电机动力电机是驱动装置的核心部件之一，为机器人提供动力。选择合适功率和转速的电机至关重要，例如在小型仿生青蛙机器大中，可选用低功率、高转速的直流电机。02关节结构关节结构决定了机器人腿部的灵活性。采用类似青蛙关节的设计，能实现多自由度的运动。例如使用球铰关节，可使腿部在多个方向上灵活转动。03传动齿轮传动齿轮用于改变动力的传递方向和速度。不同大小和齿数的齿轮组合，能实现不同的传动比。比如通过大齿轮带动小齿轮，可提高输出转速。04弹性元件弹性元件如弹簧；能储存和释放能量，增强机器人的跳跃能力。在起跳时，弹簧被压缩储存能量，落地时释放能量，减少冲击力。一、整体驱动结构设计（三）材料选择首先要考虑材料的强度，以承受机器人运动时的各种力。例如腿部的材料需要有足够的强度，防止在跳跃过程中发生断裂。可选用高强度的铝合金材料。强度要求重量控制在保证强度的前提下，要控制材料的重量。较轻的材料能降低机器人的能耗，提高运动效率。比如使用碳纤维材料制作部分部件，既轻便又坚固。材料的耐磨性也很重要，特别是关节和脚掌等部位。耐磨材料能延长部件的使用寿命，减少维护成本。例如在关节处使用磨的工程塑料。耐磨性成本考量最后要考虑材料的成本，在满足性能要求的基础上；选择性价比高的材料。可以通过对比不同材料的价格和性能，做出合理的选择。一、整体驱动结构设计（四）动力来源电机驱动是常见的动力来源方式。电机通过电能转化为机械能，为机器人提供动力。例如直流电机具有调速方便、控制简单的特点，适用于小型仿生青蛙机器人。电机驱动液压驱动液压驱动利用液体的压力来传递动力。它具有输出力大、运动平稳的优点；适合大型仿生青蛙机器人。比如在需要承载较重设备的机器人中，可采用液压驱动。气动驱动通过压缩空气来产生动力。其响应速度快，成本较低。在一些对运动速度要求较高的机器中，可选用气动驱动。例如在快速跳跃的机器人中应用。气动驱动混合驱动混合驱动结合了多种动力源的优点。例如将电机驱动和液压驱动相结合，既能实现精确控制；又能提供较大的输出力。在复杂任务的机器人中具有很好的应用前景。02设计方案选取PARTTWO二、设计方案选取主体材料选用具有一定强度和韧性的3D打印材料，如PLA塑料。它不仅易于打印成型，而且质量较轻，能减轻机器人的整体重量，提高运动效率。例如，在制造机器人的躯干和四肢时，使用PLA材料可以保证结构的稳定性。01主体材料关节部分需要使用耐磨、灵活的材料，如硅胶。硅胶具有良好的弹性和柔韧性，能够模拟青蛙关节的活动。在机器人的腿部关节处使用硅胶材料，可以使关节运动更加顺畅，减少磨损。02关节材料传感器材料要具备高灵敏度和稳定性。例如，选用压电陶瓷材料制作压力传感器，能够准确地感知机器人与地面的接触力。这样；控制系统可以根据传感器反馈的信息，调整机器人的运动姿态。03传感器材料电池材料选择能量密度高、寿命长的锂电池。锂电池能够为机器人提供持续的动力，并且充电时间相对较短。例如，采用18650锂电池；其容量大、性能稳定，能满足机器人长时间工作的需求。04电池材料（一）整体架构二、设计方案选取（二）功能设计跳跃功能跳跃功能是仿生青蛙机器人的核心功能之一。通过优化腿部结构和动力系跳跃功能统，使机器人能够实现高效的跳跃。例如，设计合理的腿部杠杆结构，配合强大的电机驱动，让机器人能够跳出一定的高度和距离。数据传输功能数据传输功能方便对机器人进行远程控制和数据采集。采用无线通信模块，数据传输功能如蓝牙、WiFi等，将机器入采集到的数据传输到控制终端。同时，控制终端也可以向机器人发送指令，实现远程操作。二、设计方案选取经过前期的设计，机器人的结构如图所示：机器人的主体材料选用光敏树脂，利用3d打印技术，有较高的灵活性且，利用建模软件可以快速改变零件的形状。机器人的驱动主要利用直流电机与锂电池来实现。通过电机驱动机器人的后腿，线绳牵引机器人的后腿发生摆动，弹簧进行蓄力。当达到一定的角度。线绳进行释放，弹簧会释放相应的动能，驱动机器人前进。同时在驱动机器人时利用wifi远程控制模块，进行驱动。仿生青蛙机器人结构设计（2）课程结构6.1仿生青蛙机器人介绍 6.2仿生青蛙机器人结构设计（1）6.3仿生青蛙机器人结构设计（2）6.4仿生青蛙机器人结构优化目录01.腿部关节驱动设计02.能量释放结构设计01腿部关节驱动设计PARTONE一、腿部关节驱动设计一、腿部关节驱动设计（一）凸轮旋转运动凸轮结构通过其独特的轮廓设计，利用连续或间歇性的旋转运动，将输入的动力转化为所需的机械动作，这种转换机制是实现复杂机械控制关键。凸轮旋转的基本原理凸轮与从动件的互动在凸轮机构中，凸轮的旋转带动从动件进行精确的运动，如摆动、升降等，这种互动关系确保了机械系统的高效运行和准确控制。根据不同的应用需求，凸轮的设计可以非常多样化，包括形状、大小和轮廓的变化，这些设计上的灵活性使得凸轮能够适应各种复杂的机械系统要求。凸轮设计的多样性一、腿部关节驱动设计（二）从动件直线运动010203直线运动的定义直线运动是物体沿一直线路径的移动；其特点是方向和速度的恒定性，这种运动形式在凸轮机构中尤为常见，通过精确控制可以实现从动件的稳定运行。实现原理解析在凸轮机构中，通过凸轮轮廓与从动件接触点之间的相对运动，将从动件的运动转化为直线运动，这一过程涉及力的传递和转换，体现了机械设计的智慧。应用场景举例直线运动广泛应用于自动化设备、生产线等场合，如打印机中的纸张传送、数控机床的刀具移动，都是利用凸轮机构实现从动件直线运动的实例，展现了技术的实用性。一、腿部关节驱动设计一、腿部关节驱动设计一、腿部关节驱动设计02能量释放结构设计PARTTWO二、能量释放结构设计舵机的基本定义舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。它通过接收PWM信号来调整转动角度，实现精准定位。（一）舵机基本定义舵机的工作原理舵机内部包含一个电动机、一组变速齿轮和一个位置反馈系统。当接收到控制信号后，电动机驱动齿轮旋转，同时反馈系统监测转动角度，确保精确达到预定位置。舵机的主要应用舵机广泛应用于模型飞机、船只、机器人等领域，用于控制方向或移动部位。它们能够提供平滑且精确的操作，使得复杂的机械动作变得简单易行。二、能量释放结构设计（二）舵机组成部分010203舵机的电机舵机中的小型直流电机是其核心动力部件，通过电能转化为机械能，驱动舵机进行精确的角度调整，确保操作的精准度与响应速度。控制电路板舵机内部的控制电路板负责接收来自遥控器或计算机的信号，并根据这些信号调节电机的转动角度，实现对舵机动作的精细控制。反馈机制舵机内部通常包含一个简单的反馈系统，如电位器等，用于监控电机的实际位置并反馈给控制系统，确保舵机能够准确达到预定位置。二、能量释放结构设计二、能量释放结构设计（三）电子换相线路作用电子换相线路定义电子换相线路是直流无刷电机中的关键组成部分，它负责精确控制电机绕组中电流的方向和时间，确保电机的高效运转。技术实现与优势采用先进的半导体器件和控制算法，电子换相线路不仅提升了电机的控制精度，还降低了噪音和维护成本，为现代工业应用提供了可靠的动力解决方案。换相线路的功能通过实时调整电流路径，电子换相线路能够优化电机的性能，减少能量损耗，提高响应速度，从而延长电机的使用寿命。二、能量释放结构设计（四）转子位置传感器类型01霍尔效应传感器霍尔效应传感器利用霍尔效应原理工作，通过检测通过