机器人瓦力仿真设计【毕业论文+CAD图纸全套】

机电工程 学院 机电一体化系统 设计 课程设计 设计题目： 机器人 瓦力 仿真 设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 20100663117 姓 名： 指导老师： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 2 - 课程设计 任务书 一、题目： 机器人 瓦力 仿真 设计 二、研究内容与目标： 本设计主要 的 研究内容 是 1. 机器人 瓦力 的 模 2. 履带模型仿真的可 行性 3. 瓦力 机器人的整体运动仿真 目标： 实现机器人 瓦力 的整体 模，以及部分零件的运动仿真 三、研究方法： 上网查找资料，数据 ，以及查阅相关书籍。建模实践分析。 四、主要参考文献： 1 邹庆华。数控新技术动向研究。科技创新导报， 2009，（ 31）： 892 艾兴 肖诗纲著 M械工业出版社，50 3 陈宏均著 M械工业出版社， 67258 4 杨胜群。 文版数控加工仿真技术 华大学出版社，2010. 5 张卫卫，李建生。数控仿真技术分析及发展趋势。心声， 2010:85 6 王先奎。机械制造工艺学 械工业出版社， 2006. 7 熊毅，王哲，唐建生。数控加工仿真系统的研究现状与发展趋势 J。制造技术与机床， 2011,12。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 3 - 目录 机器人瓦力仿真设计 . - 4 - 第一章 绪论 . - 5 - 器人 计理念 . - 5 - 器人发展史现状 . - 5 - 第二章 的简要说明 . - 8 - 简介 . - 8 - 2. 2 述 . - 8 - 第三章 机器人瓦力零部件设计 . - 10 - 力身体主体建模 . - 10 - 器人瓦力的驱动履带建模 . - 12 - 第四章 机器人瓦力的装配 . - 15 - 机器人瓦力的手部装配 . - 15 - 机器人瓦力的头部装配 . - 16 - 力机器人的履带装配 . - 16 - 第五章 机器人瓦力的运动仿真 . - 18 - 定义带传动 . - 18 - 定义伺服电机 . - 18 - 总结 . - 20 - 致谢 . - 21 - 参考文献 . - 22 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 4 - 机器人 瓦力 仿真 设计 三明学院机电工程学院 姓名 ： 摘要 本文通过 三维建模，以机器人瓦力为原型，进行运动仿真，机器人瓦力是一个具有六自由度 机械手的履带式机器人，满足在恶劣的路面环境下进行作业的需要。 瓦力的头部具有高度灵活性，所以我画了 5 个关节，对头部进行约束，保证头部的灵活性，手臂部分则是由 3 个可伸缩的关节组成，并保持了 6 个自由度，手指部 分由两个指节构成，有 3 个手指，一个手指与另外两个手指相对，可夹取物体，在瓦力的视频资料中，瓦力主要靠另外两个指节工作的，所以另外两个指节会相对粗大些，其次是身体主体部分，瓦力的四肢与头部是可以放进身体内部的，但是出于建模 可行性 需要 ，并没有实现这一功能。瓦力是通过履带运行的，履带是由两个大的驱动轮和两个小的从动轮组成，从动轮还起到定位和调节履带的功能。 对于所设计产品的一些展望则是，机器人以其极强的适应性和高效率逐渐取代人力的一些繁重工作。也可以到达一些人类自身身体因素到达不了的深海，高空，或是太空进 行作业。随着机械工业的智能化发展，机器人将具有自主判断能力，决策能力，执行能力。而这次课程设计的原型就是工业高度发达之后的智能机器人 之为智能生命体也不为过。 那是机器人发展的高级形态。 最后想说的是，这次的建模比较困难，一个要考虑尺寸的合理性，还有整体的协调性，同时还要保证四肢和关节的一些自由度。所以耗时比较久，但是最终还是完成了。 关键词： 瓦力 仿真 机械手 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 5 - 第一章 绪论 器人 机器人在现今科技发展时代，正在逐渐 走入人们生活，工作，生产中，如工业机器人，机械手，高度智能化的假肢等等。它们正在以其高效、智能、强适应能力承担着越来越多的工作。一些高度智能化的产品甚至能够对事物进行模拟、仿真、演算，而这些 很多都是人脑和人类本身无法做到的。 这次设计理念主要目的是设计高智能化，同时能适应恶劣环境的机器人。要有灵活的四肢，开阔的视野，能在崎岖的路面行走，可以进行抗震救援工作，可以作为登月车，承受极高的温差，手臂可以伸缩旋转，对一些标本进行采样分析，要有较好的视野头部可以伸缩，旋转，可以进行勘探，侦查 ，记录等工作。 器人发展 史 现状 在设计过程中 ，我查阅了有关于机器人工作的一些资料，视频，文献了解现在机器人机器人发展现状 ， 机器人技术是现代科学与技术交叉和综合的体现，先进机器人的发展代表着国家综合科技实力和水平，因此目前许多国家都已经把机器人技术列入本国 21 世纪高科技发展计划随着机器人应用领域的不断扩大，机器人已从传统的制造业进入人类的工作和生活领域，另外，随着需求范围的扩大，机器人结构和形态的发展呈现多样化。高端系统具有明显的仿生和智能特征，其性 能不断提高，功能不断扩展和完善；各种机器人系统正 逐步向具有更高智能和更 密切与人类社会融洽的方向发展。 机器人的起源要追溯到 3000 多年前。“机器人”是存在于多种语言和文字的新造词，它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或人造人，以便能够代替人去进行各种工作。 直到四十多年前，“机器人”才作为专业术语加以引用， 1920 年，原捷克斯洛伐克剧作家卡雷尔凯培克在他的科幻情节剧罗萨姆的万能机器人中，第一次提出了“机器人” （ 个名词，被当成了机器人一词的起源。在捷克语中， 个词是指一个赋役的努力。 20 世纪初期，机器人已躁动于人类社会和经 济的母胎之中，人们含有几分不安地期待着它的诞生。他们不知道即将问世的机器人将是个宠儿，还是个怪物。针对人类社会对即将问世的机器人的不安，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫于买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 6 - 1950 年在他的小说我是机器人中，首先使用了机器人学（ 个词来描述与机器人有关的科学，并提出了有名的“机器人三守则” 机器人必须不危害人类，也不允许他眼看人将受害而袖手旁观； 机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类； 机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类命令它做出牺牲。 这三条守则，给机器人社 会赋以新的伦理性，并使机器人概念通俗化更易于为人类社会所接受。至今，它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和用户，提供了十分有意义的指导方针。是可编程机器人 （如图 这类机器 人一般可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作。这一代 机器人从 20 世纪 60 年代后半期开始投入使用，目前他在工业界得到了广泛应用。第二代是感知机器人 （如图 即自适应机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知”能力。这类机器人在工业界已有应用。第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能 机制，它可以把感知和行动智能化结合起来，因此能在非特定的环境下作业，故称之为智能机器人 （如图 目前，这类机器人处于试验阶段，将向实用化方向发展。 表 机器人技术发展编年表。 图 一代机器人 图 二代机器人 图 三代机器人 表 器人技术发展编年表 年代 领域 事件 1955 理论 展了其次变换（ 换 1961 工业 美国专利 2,998,237， “编程技术”，传输 1961 工业 第一台 器人安装，用于压铸 1961 技术 由传感器的机械手 麻省理工学院发明 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 7 - 1961 工业 柱坐标机器人商业化 年代 领域 事件 1965 理论 其次变换矩阵应用与机器人 1968 技术 斯坦福研究院发明带视觉的自由计算机控制的行走机器人 969 技术 其助手发明斯坦福臂 1969 理论 用 于行走机器人导向的机器人视觉在斯坦福研究院展出 1970 技术 司发明带视觉的自适应机器人 1971 工业 日本工业机器人协会（ 立 1972 理论 阵计算轨迹 1972 理论 明操作机的协调控制方式 1975 工业 美国机器人研究院成立 1975 工业 司发布其第一次利润 1976 技术 在斯坦福研究院完成用机器人的编程装配 1978 工业 其同事成立了机器人智能公司，生产第一个商业视觉系统 展望未来，对机器人的需求是多面的。在制造工业由于多数工业产品的商品寿命逐渐缩短，品种需求加多，这就促使产品的生产就要从传统的单一品种成批大量生产逐步向多品种小批量柔性生产过渡。有各种加工装备、机器人、物料传送装置和自动化仓库组成的柔性制造系统，以及由计算机统一调度的更大规模的集成制造系统将逐步成为制造工业的主要生产手段之一。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 8 - 第二章 的简要说明 简介 维建模软件是美国参数公司（ 下的 一体的三维软件，是参数化技术的最早应用者，在现今的三维造型软件领域中占有着重要地位，被业界广泛认可和推广，目前主流的三维造型软件之一，特别是在我国设计领域中有着重要地位。其应用领域涉及机械、汽车、建筑、纺织等众多行业，该软件对加速工程和产品开发，缩短设计制造周期、提高产品质量、降低成本、增强企业市场竞争能力和创新能力的发挥起着重要作用。 第一个提出参数化设计概念的，而且使用的是全参设计，并且采用了单一数据库来处理特征相关性的问题。单一数据库结构使得整体数据处理修改量大大减小，这 也是 一大优势，使设计更为优化，缩短设计过程，使产品能更好的推向市场。 2. 2 有 20 多个大模块 ，能完成概念设计、零件设计、虚拟装配、功能模拟、生产制造等整个产品的生产过程。 将产品设计分为工业设计、机械设计、功能模拟、生产制造等几个方面，不同阶段提供不同功能。 本次课程设计主要使用其基本模块中的 ： 参数化零件设计和基本曲面设计 基础装配设计 运动仿真功能模拟 工程图设计 设计是多个功能模块综合使用的过程， 采用 面 的先进理论与技术，主要特点有： 3D 实体模型 单一数据库 以特征为单位 参数式设计 通用产品设计过程： 1、 概念模型的建立：工业设计、外观设计等。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 9 - 2、 零件设计与装配：零件三维模型的建立 与装配。 3、 零件的数控加工或三维模型转工程图。 专用产品设计： 1、 模具设计：金属模具、塑料模具等。 2、 结构分析：有限元分析、运动学分析等。 3、 钣金设计等。 下图是 基本界面 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 10 - 第三章 机器人瓦力零部件设计 力身体主体 建模 瓦力的主体零件大部分为规则体，这也大大降低了建模的 难度， 瓦力的躯干我是采用 200 立方 规格进行建模，图 建模完成后的身体主体模型 建模过程如下： 图 建零件实体，进入零件 设计窗口，点击拉伸 定义，任选一个平面进行草绘，进入草绘界面，选中矩形框，绘制一个 200*200 的矩形，点击左下角的 ，退出草绘， 设定拉伸长度为 200，居中拉伸。点击确定，得到一个 200*200*200 的六面体 除材料，去除如图 的红色区域，选中任意平面，进行拉伸，沿着右边的边绘制一个直角梯形， 另一条直角边对应最上边，梯形的上底和下底长度分别为 75 和 125，绘制好后，退出草绘界面，拉伸 伸厚度为 2 完成退出拉伸。 图 中的灰色圆，点击拉伸 定义选中第二步拉伸后的平面，点击绘制圆心圆点绘圆，绘制一个直径 40 的圆，圆心距左中心线 76，距下边中心线 8。完成草绘单击，退出草绘界面。设置拉伸距离为 5 然后对拉伸后的圆柱倒圆角，半径为 2。 中的红色区域，点击拉伸 定义，以第二步 的梯形短买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 11 - 边为参照，绘制 76*138,矩形，下边距离中心线 35，完成，退出草绘，去除材料，拉伸深度为 4。 图 图 击拉伸 定义，以正方体 的面为草绘平面，以左边为参照，绘制 66*50 的矩形，距离长边与左边重合，短边距离上边 9。完成退出草绘，去除材料，拉伸深度为 6。 放置 伸出图 上角灰色区域， 进入草绘界面，以右边为参照，绘制 76*48 的矩形，上边距离正方体 9。 完成。拉伸，去除材料，拉伸深度为 18。 上面为草绘平面，草绘尺寸如图 示，完成。点击选项 ，设置侧一值为 9，侧 2 值为 3，完成。 图 图 绘尺寸如图 示，选中正面进行草绘，绘制好草绘图后，点击退出。点击选项设置侧一值为 3，侧二值为 13。完成，退出。 绘尺寸如图 示，以右边平面为草绘 平面，拉伸，去除材料，拉伸厚度为 10。 ，鼠标点击选中模型树中步骤 2 到步骤 9 所有拉伸实体， 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 12 - 图 击，选择组命令，将步骤 2 到步骤 9 所有步骤合并为组。然后点击镜像命令，再选中中心基准面，将右边的所有拉伸造型镜像到左边，点击退出。 个字母。 伸草绘为 174*174 的正方形，去除材料，拉伸厚度为 100。 综上，瓦力的躯干部分建模就完成了。 履带的建模比较有难度，因为履带是不规则体。 而这 里建模采用的是骨架折弯命令，下面是履带的具体建模过程 ： 择零件实体建模，进入零件建模窗口，点击拉伸，进入草绘界面，绘制如图 示的草绘，绘制好之后退出，设定拉伸深度为 6。 图 图 第一步拉伸实体的上表面为草绘平面，示，草绘完成之后，退出，设置拉伸高度为 3。 第一步拉伸实体的前表面为草绘平面，以下底面为参照，绘制两个 矩形，设置拉伸深度为 5。完成，退出。 ，选中步骤 1 到步骤 3 的所有拉伸实体，右击，选中组命令，将步骤 1 到步骤 3 的所有步骤合并为组。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 13 - 后点击窗口右边的阵列命令，选择方向，选中 置长度为 14，阵列总个数为 40 个。完成，退出。 为草绘平面，绘制出一个三角形，并倒圆角。草绘尺寸如图 示，完成后退出。 图 图 高 级 选择草绘曲线，完成， 选中步骤 5 中所绘的骨架线，然后选中履带的下面， 点击确定。 骨架折弯就完成了，图 折弯命令完成之后的效果图。 下面是对履带内部的一些驱动轮进行建模。 首先是对履带右侧大圆进行建模： 零件 建一个实体，命名自己认识就行了，点击旋转命令，设置 选一个基准面，草绘图和草绘尺寸如图 示。完成后退出 图 行拉伸操作，以步骤一中的小圆为参照，绘制出 10*10 的草绘图形 ，设置拉伸长度为 10，完成。 所拉伸 的实体进行阵列，以轴进行阵列，选中步骤一中的旋转轴，阵列个数为 4。 除材料，使用先前的平面作为草绘平面，圆心距离步骤一中的旋转轴 20，设置拉伸深度为 16。 续拉伸操作，以大圆为参照，绘制出 10*6买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 14 - 的草绘图形，设置拉伸厚度为 5，完成后退出。 中的拉伸实体进行阵列，以步骤一中的轴为阵列轴，设置阵列个数为 行拉伸操作。 以第一步旋转轴为参照，绘制出直径为 20 的圆，设置拉伸深度为 16，去除材料，完成。大圆的建模就 完成了。 对前边小圆的建模 : 所示的草绘尺寸进行旋转操作，得到一个圆形驱动轮。 图 图 心距为 16，圆的直径为 17，拉伸穿透，去除材料，完成，退出拉伸操作。 的操作进行阵列，以步骤一的旋转轴为阵列轴，设置阵列个数为4。 步骤一的旋转轴为圆心，绘制一个直径 20 的圆，设置拉伸深度为 16，去除材料， 完成。前边小圆的建模就完成了。 对上面连个小圆的建模，上面的两个小圆都是一样的，所以只要建一次模就可以了，上面小圆的建模过程与前边小圆的建模过程基本一致，不同的是上边的小驱动轮直径为 30，内部拉伸去除的直径为 18，这里就不再赘述。 到此，驱动履带部分就完成建模了，图 驱动履带的装配图。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 15 - 第四章 机器人瓦力的 装配 机器人瓦力的手部装配 组件，进入装配界面，点击右下角的装配命令，选择瓦力的躯干，单击鼠标中键，导入瓦力躯干到 配界面，点击鼠标中键，确定，完成 定义。 入手臂的装配体 点击放置，选中如图 束类型为配对，偏移选择重合。 点击新建约束，选择如图 示的两个平面，约束类型选择配对，偏移选择重合。 点击新建约束，选择如图 示的两个平面，约束类型选择配对，偏移选择重合。 此时，约束状态会显示完全约束， 机器人瓦力 右手的 装配就完成了。 图 图 图 中显示的是右手的装配，左手的装配和右手的基本相同，只是将相应的约束平面进行倒转，使右手和左手相对，也可以选择镜像操作，将右手的装配体进行镜像装配。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 16 - 机器人瓦力的头部装配 打开 的装配体，然后点击装配，导入瓦力头部装配体， 约束平面如图 示的三个平面，第二个平面匹配时要注意使用偏移命令，设定偏移距离为 62，约束完成后，状态栏会显示完全约束。 图 图 时 瓦力的头部装配就完成了。 新建组件， 点击装配，选择 击鼠标中键确定，界面跳转，回到装配窗口，点击鼠标中键确定。完成瓦力履带主体的定义 击选中履带零件 击鼠标中键确定，界面跳转到装配窗口，点中在小窗口显示元件，将另一个窗口关闭，此时界面中只有小窗口有显示履带零件，而主窗口里没有显示。 选中如图 示的两个红色基准面 1108 1107行约束，约束类型为对齐，然后设置偏移距离为 5，使履带在 1107 准面下。新建约束，选中如图 示的两个红色基准面 1108 1107面，设置约束类型为配对，偏 移为重合。 图 图 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 17 - 新建约束，选中如图 示的两个红色基准面 11081107面，设置约束类型为配对，偏移为重合。新建约束。选中如图 108 1107面，设置约束类型为对齐，偏移量设为 90，此时状态栏会显示约束为完全约束。履带的装配就完成了。 中文件夹中的 开后驱动轮，选中驱动轮中的1107 1107个轴，进行对齐约束，然后点击 1107曲面 1107曲面 行配对约束，此时状态栏显示完全约束，后驱动轮装配完成。 中文件 夹中的 开前 驱动轮，选中驱动轮中的1107 1107个轴，进行对齐约束，然后点击 1107曲面 1107曲面 行配对约束，此时状态栏显示完全约束，前 驱动轮装配完成。 选 1107轴 1107轴齐约束，然后点击 1107曲面 1107曲面 行配对约束。状态为完全约束，从动轮装配完成，中间的定位轮和从动轮的装配基本一致，这里就不特别说明。 履带的 装配完成后的装配体如图 示。 图 图 面是将履带安到总装配体上： 击装配，打开履带装配体 标选中 1107准面和 1022准面进行对齐约束。 107面和 1022行配对约束，设定偏移值为 30。 107面和 1022行配对约束， 偏移设置为重合，此时瓦力机器人的履带就装配完成了。另一边的转配步骤与先前介绍的装配步骤基本一致，这里不再重复。 装配好瓦力头部，再将两边的手臂和履带装配完成之后，瓦力机器人主体就完全装配好了，图 瓦力的总装配图。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 18 - 第五章 机器人瓦力的 运动仿真 定义带传动 首先打开瓦力的 总装配体模型，点击菜单栏上的应用程序命令，选中机构，进入机构界面。选中如图 的 击选择隐藏，然后点击右边工具栏中的传送带命令，按住 放，鼠标点选 110711071107四个驱动轮，完成传送带定义 。 另外一边的带传动定义步骤一样，然后点选中 击取消隐藏。带传动定义完成了。 图 图 定义伺服电机 由于采用带传动定义伺服电机，所以只要在左右两边的履带各定义一个伺服电机就可以了，鼠标点击右边工具栏的伺服电机命令，弹出如图 示的窗口，点选后边的大驱动轮，点击轮廓，范围选择速度，初始角不变，模设为常数，在 A 旁填写 90，点击右下 角的确定退出，另一边的伺服电机定义与此相同，速度都为 90。 另一边的伺服电机定义完成后伺服电机的定义部分就完成了 运动仿真的效果图如图 示 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 19 - 图 此，本次课程设计全部完成。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 20 - 总结 为期一周的课程设计很快过去了，在加班加点的赶设计过程中，渐渐明白了作为一名设计师的辛苦，对于机械行业，也就是我们即将步入的领域，这次的课程设计给我们带来的启发是非常巨大的。 之前也做过课程设计，但是都是有老师和前面一些师兄的指导和帮助，所以都比较 顺利，然而这次的课程设计完全是自己动手， 大家都是各忙各的， 自己上网查资料，文献，自己上图书馆借书， 画图，机器人的尺寸也是自己定的，由于很多资料都是需要一定费用和代价才可以得到的，所以我在设计的过程中准备不是那么充分，因此这次三维建模画出来的瓦力模型与原型有一些出入，而且，课程设计的时间也不够完全的完善我的设计，所以像头部和机械手部分的仿真没时间完成。虽然比较匆忙，但是基本上还是完成了任务。 这次的课程设计我觉得除了对于机械手仿真设计的合理性之外，还