【蛇形机器人总体方案与传动方案的分析与设计案例2600字】

蛇形机器人总体方案与传动方案的分析与设计案例1.1生物蛇身体结构的分析蛇是无四肢动物中最庞大的一类，遍布于世界各地，大约有2500多种，分为盲蛇科、蟒蛇科、游蛇科、蝰蛇科等11个蛇科。广泛的地理分布和悠久的进化历史，充分证明了这一种群的适应性和运动的优越性。蛇类具有十分独特的运动方式，它没有足，但靠躯体的摆动可以在地面上快速爬行，蛇类爬行的时速为1.5公里左右。蛇类能做到这一点是与其独特的身体结构密切相关的。虽然蛇类分为很多的种类，但是它们的主要身体结构十分的相似[13]。在长期的进化过程中，蛇类体形的变长是通过它自身脊椎骨数量的增加来实现的，这样可以保持身体的柔性。通常脊椎骨多达200-400枚。蛇的脊椎骨的一端有个球形的突起，而另一端有个球形凹陷，这样每根脊椎骨的突起可以和相邻脊椎骨的凹陷结合形成一个“球铰”。球套关节由一系列的表面形成，产生有限范围的水平和垂直运动。对于大多数蛇，脊骨运动范围为水平10°～20°，垂直2°～3°。虽然关节的活动范围很小，但由于蛇的脊骨数量庞大，通过相邻脊骨间微量变化的叠加就可以实现蛇体构型上的很大调整。另外，蛇的身体周身覆盖有排列规则的鳞片，其中对运动起重要作用的是腹部鳞片。自然界中的蛇借助于腹鳞与地面的作用力向前运动，腹鳞的主要特性是蛇在运动时，其法向摩擦系数大于切向摩擦系数，使得蛇在移动时切向摩擦力很小，提高其运动效率[14]。1.2生物蛇运动方式分析仿生蛇形机器人的结构功能分析来源于自然界中的生物蛇，生物蛇的脊椎骨使得它们可以大幅度地弯曲身体，其主要运动方式有下述几种类型：第一种是直线运动：生物蛇通过腹部肌肉的收缩产生推动力使得蛇身前进，但是该运动方式不具有普遍性，唯有腹鳞与其下方的组织之间比较疏松的蛇类可采取此种运动方式，且行进速度较慢。第二种是弯蜒运动，所有的蛇都能以这种方式向前爬行。爬行时，蛇体在地面上作水平波状弯曲，使弯曲处的后边施力于粗糙的地面上，由地面的反作用力推动蛇体前进，如果把蛇放在平滑的玻璃板上，那它就寸步难行，无法以这种方式爬行了，当然，不必因此为蛇担忧，因为在自然界是不会有像玻璃那样光滑的地面的。第三种是伸缩运动：首先将蛇身的后半部分保持静止状态，前半部分移动至可作为支撑点的某处，然后借着该支撑力收缩后半部分，如此循环往复完成伸缩运动。与伸缩运动相反，这种运动方式适用于光滑地面或是洞穴等较为狭窄的空间中。第四种是侧向运动：这是生活在沙漠中的蛇惯用的运动方式，蛇身的前进方向与蛇头的方向保持一致，前进时只有小部分身体与地面接触，利用腹部与沙子之间产生的摩擦力作为推动力，在沙漠上留下的痕迹为相互平行的“J”形痕迹。1.3总体方案分析与设计通过对上述几种运动方式的分析与比较，本文决定采用的运动方式为蜿蜒运动。根据生物蛇的身体构造特点，蛇形机器人的结构设计采用了将关节模块化的设计思想，该机器人使用数个相同的关节模块，经过连接，最终可组成一个高冗余度的结构体。为节省图纸空间，本方案只采用4个关节模块相连接作为总结构，总体结构的三维图及思路如下所示。总方案图蛇形机器人由关节模块、连接部分、从动轮3部分组成。关节模块属于转向部分，也是本次毕业设计最为关键的部分；连接部分是用来保证蛇形机器人的长度，本次设计共使用了4段关节模块，通过3个连接部分的连接使其成为一个整体；从动轮的设计是为了减少蛇身壳体与地面之间的摩擦，使蛇形机器人可以顺利前行，采用一对从动轮则是为了保持整体的平衡，防止机器人因结构设计的不对称而导致自身载荷分布不均，影响其运动效果。关节模块的三维图及结构设计如下：关节模块的设计图关节模块主要由驱动单元、传动单元、万向节、蛇身壳体及固定板5部分组成，关节模块设计为两个自由度，每个模块配备两个驱动单元，两个传动单元，一个万向节，两个蛇身壳体以及四个固定板。每个驱动单元控制一个旋转自由度，两个驱动单元按照其输出轴的方向垂直放置，使其控制不同的运动方向。当水平驱动单元开始驱动时，仿生蛇爬行机器人实现左右摆动；当垂直驱动单元开始驱动时，仿生蛇爬行机器人实现上下摆动。传动单元采用齿轮传动的方式，齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递的功率可达数十万千瓦，圆周速度可达200m/s。本次设计使用最常用的渐开线齿轮传动。齿轮传动的主要特点有：（1）效率高。在常用的机械传动中，以齿轮的传动效率为最高。如一级圆柱齿轮传动的效率可达99％。这对大功率传动十分重要，因为即使效率只提高1％，也有很大的经济意义。（2）结构紧凑。在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小。（3）工作可靠、寿命长。设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长达一二十年，这也是其他机械传动所不能比拟的。这对车辆及在矿井内工作的机器尤为重要。（4）传动比稳定。传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用，也是由于具有这一特点，且传动效率最高可达0.99；传动精度也高，可以保证准确的传动比，实现平稳传动[10]。万向节通过传动单元实现两个驱动单元的连接，从而实现关节模块的转向运动，并且通过万向节可以实现两种传动互不干扰。蛇身壳体设计为有一定厚度的空心圆柱壳样式，为方便驱动单元的安装与固定，一侧底面与壳体设计成一体，另一侧则设计为可拆卸的活动面。固定板则是成对存在，用来支撑齿轮的传动轴和万向节的光轴，通过螺柱连接固定在与壳体一体的底面上。1.4关节模块的设计原理两个按照其输出轴的垂直方向放置的驱动单元均按照一定角度进行转动，一个控制水平方向的摆动，另一个控制垂直方向的抬起运动。由于通过万向节的两根光轴分别由固定在两个蛇身壳体上的固定板支撑，万向节自身已被完全约束，无法实现自身的转动。而万向节通过两个传动单元连接了两个运动方向互相垂直的驱动单元，就相当于人身上的关节处，因此，当两个驱动单元的输出轴发生转动的时候，实际上是关节模块的其他组成部分与万向节发生了相对转动，即蛇形机器人的关节处产生了相对转动。为了便于理解，将关节模块的三维图去掉蛇身壳体后展示其效果，如下图：去掉蛇身壳体后的效果图1.5传动方案的初步设计减速