毕业论文-基于PROE的跳跃机器人腿部运动模型的建立与运动仿真

[11]。跳跃机器人机构中驱动器数量越多，机器人运行效率越低，即有效动力密度就越低。表3.1三种多足机器人性能比较电机数总功率(W)电机及减速装置总质量(kg)有效动力功率密度(W/kg)机器虫111*90=900.87103机器虫266*20=1201.867机器虫31818*6=1082.740（4）模拟蝗虫的身体结构进行机构设计。3.3跳跃机器人腿部方案设计3.3.1腿部约束方案的确定为了实现跳跃机器人在进行跳跃运动时的稳定性，每条腿应需要包含三个自由度，并且在每个关节处需安装电机来对腿部动作进行控制。但由于电机安装过多，会加大有效动力密度，所以在三个自由度中选取一个主动约束，两个被动约束的方法。其原理图如图3.1所示:图3.1腿部自由度约束原理图机器人的腿部和身体，从左往右分别表示后足、后小腿、后大腿、身体、前大腿、前小腿、前足。各杆件之间是通过转动副连接。其中，身体与后大腿和前大腿连接的两个转动副作为主动副，由传动机构驱动，带动整个跳跃机器人运动；后大腿和后小腿、后小腿和后足、前大腿和前小腿、前小腿和前足之间均采用弹簧约束，主动副的运动与弹簧力的共同完成跳跃机器人的跳跃运动。3.3.2腿部约束方案的仿生学解释在重力环境下，动物在落地时需要承受超过自身两倍重力的地面冲击力，而且，在落地时承受了巨大的冲击。许多生物学家指出，腱和韧带在跑跳运动中起到了重要的作用。它在运动过程中能够储存能量并且在落地时可以吸收震动。跳跃机器人机构中使用的弹簧，在做跳跃运动过程中相当于代替生物体腿部的肌肉。弹簧可以储存能量和释放能量，在跳跃机器人进行跳跃动作时能起到对机构的平衡作用和缓冲作用。3.4储能元件的选择和设计跳跃机器人完成跳跃运动的关键是力和时间的配合。在跳跃机器人的设计过程中，首先需要选择一个可以输出能量的动力元件，并且在具体时间内释放能量。满足该条件的储能元件有气缸、弹簧等。气缸质量和体积都偏大，反应时间也较难控制，不适合作为跳跃机器人的储能元件。运用弹簧储存能量来作为跳跃机器人的储能元件最为理想。质量轻，储存能量能力强，释放能量速度快，控制简易。利用弹簧作为储能元件时，有两种方式。一种是弹簧的变形方向和储能机构释放能量时力的方向一致；另一种是弹簧的变形方向和储能机构释放能量时力的方向垂直。对这两种方案的优点和缺点，NASA研制的第一代弹跳蛙（如图3.2所示）和第二代弹跳蛙（如图3.3所示）充分的说明了这一点。图3.2第一代机器人原理图图3.3第二代机器人原理图NASA所研制的第一代蛙形跳跃机器人跳跃高度可达40cm（如图3.2所示），水平距离可达30－60cm，大部分能量仍然保留为势能。经计算，只有20%能量转化为动能；第二代蛙形跳跃机器人（如图3.3所示）在压缩状态下其尺寸约为30cm×30cm×30cm，总重量为1.3kg，跳跃高度可达80cm，水平距离可达1.8m，两次弹跳间隔调整时间约为1min。从两代机器人性能的比较上，我们可以看到，直接使用线性弹簧纵向驱动有以下两个缺点:(1)能量转化效率低。机构中能量转换效率低有许多原因,如弹簧内部能量损耗、元器件之间摩擦、进行跳跃时弹簧两端零件的碰撞损耗等,但主要损耗是弹性势能没有完全转化为动能之前，跳跃机器人机构已经开始进行跳跃动作，影响整个机构的运动性能。(2)电机利用效率低。跳跃机器人在运行过程中，使用线性弹簧时,电机必须达到输出转矩最大值，才能压缩弹簧到极致,造成电机转矩能量的浪费。所以，本设计的跳跃机器人的储能元件选用第二种设计方案，原理如图3.4所示：图3.4储能机构原理图传动机构促使一对啮合的齿轮A1、A2转动，是的弹簧拉伸，该过程为储能过程；当弹簧拉伸到指定位置时，驱动力瞬间消失，能量被弹簧瞬间释放出来，拉动关节向水平X反方向运动，使得前大腿顺时针绕Z轴正转动，最终完成跳跃机器人的跳跃。本设计所采用四连杆储能机构，分析该连杆机构的位移关系,如图3.5所示。其中，分别表示弹簧拉杆的的长度和拉伸前后的长度，分别表示杆件在拉伸前后与向夹角，表示的距离。储能前有(3-1)图3.5储能机构运动位置示意图储能后有(3-2)则有(3-3)在弹簧拉伸极限的范围内，越小，腿部机构在储能过程中的变化幅度就越小，就越能更快的释放能量。由公式(3-3)得,越小，c越大，则越小。设定弹簧的弹性系数，尺寸，当力时，。与的关系如图3.6所示。图3.6四连杆机构优化图运用静力学分析，其力学关系如图3.7所示。图3.7储能机构力学原理图点的力学分析如图3.8所示图3.8C点受力分析图则有(3-4)点的力学分析如图3.9所示。图3.9B1点受力分解图则有(3-5)由(3-4)、(3-5)解得：(3-6)根据几何关系得：(3-7)由(3-7)得：(3-8)由(3-6)、(3-8)得：(3-9)在本设计中，取。则所需驱动力为3.5跳跃机器人的优化设计对跳跃机器人的优化，主要是对跳跃机器人整体结构和运动轨迹的优化，对跳跃机器人的各个零件进行细节处理，对连杆零件的结构去除不必要的部分，添加弹簧挂钩连接处。结构如图3.10所示。图3.10跳跃机器人结构优化图3.6本章小结本章主要是进行跳跃机器人的整体结构设计。首先对跳跃机器人整体结构的设计一些相关点的受力分析和各个零件的参数的设计。然后就是设计跳跃机器人最主要的部位储能元件的设计，主要是对其进行受力计算和连杆机构的个长度的计算。最后对跳跃机器人的整体结构的优化。4跳跃机器人的腿部模型的建立与运动仿真4.1PROE的简要介绍PROE全称PRO/ENGINEER,是一套博大精深的三维CAD/CAM参数化软件系统，它涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的输出、生产加工成产品的全过程，其中包括了曲面造型模块、ISDX曲面模块、钣金件模块、机械模块与运动仿真、模具模块等等。其操作界面如图4.1所示。图4.1PROE主操作窗口4.2跳跃机器人的腿部模型的建立4.2.1跳跃机器人腿部零件的建立在建立跳跃机器人整体结构模型之前，首先要建立各个零件的机构模型。打开PROE操作主页面，点击文件中的新建，打开新建零件工作页面（如图4.2所示），首先建立跳跃机器人的主体部位，命名“robotbody”。图4.2新建零件页面点击确定，打开建立零件工作界面（如图4.3所示），开始建立跳跃机器人的主体结构模型。图4.3建立零件工作界面跳跃机器人的身体结构模型如图4.4所示。图4.4跳跃机器人主体模型然后根据上述步骤，依次建立出跳跃机器人的后大腿零件（如图4.5所示）、后小腿零件（如图4.6所示）、前大腿零件（如图4.7所示）、前小腿零件（如图4.8所示）、足部（如图4.9所示），最后建立可使前后腿联动的连杆零件（如图4.10所示）。图4.5跳跃机器人后大腿零件图4.6跳跃机器人后小腿零件图4.7跳跃机器人前大腿零件图4.8跳跃机器人前小腿零件图4.9跳跃机器人足部图4.10跳跃机器人连杆4.2.2跳跃机器人的整体模型建立跳跃机器人的整体模型建立就是将各个零件按照各自的功能和运动方式组装起来。首先要打开组件工作页面，在PROE操作主页面中，点击文件中的新建，打开新建组件页面（如图4.11所示），命名“jumprobot”。图4.11新建组件页面点击确定，打开建立组件工作界面（如图4.12所示），开始建立跳跃机器人的主体结构模型。图4.12建立组件工作界面点击装配按钮，将跳跃机器人的第一个零件跳跃机器人的主体打开，使用户定义为缺省放置，如图4.13所示。图4.13跳跃机器人主体装配然后再次点击装配按钮，将跳跃机器人的后大腿按照销钉链接装配到主体上（如图4.14所示），只有利用销钉命令安装跳跃机器人的后大腿，才能使零件获得一个旋转自由度，保证仿真工作的顺利进行。图4.14跳跃机器人后大腿与主体装配本说明书设计的跳跃机器人，各零件之间的连接均以销钉连接，所以根据上述步骤将各零件一一装配，完成跳跃机器人模型的整体建立（如图4.15所示）。图4.15跳跃机器人整体模型4.3跳跃机器人的腿部模型运动仿真建立通过PROE软件建立运动仿真，可以进行跳跃机器人的跳跃运动过程实验，可以模拟出跳跃机器人的整体和各部位在空中的运动轨迹。首先，打开上节所建立的跳跃机器人的模型组件，点击应用程序选择机构，对跳跃机器人进行各关节的电机和弹簧的安装（如图4.16所示）。图4.16跳跃机器人安装机构在完成所有机构的设置以后，点击进行机构分析，设置各个机构的运行时间和相关参数（如图4.17、4.18所示）。图4.17电机时间设定图4.18跳跃机器人运动时间设定跳跃机器人运动仿真的前置工作已经完成，点击运行，跳跃机器人开始进行跳跃运动仿真（如图4.19所示）。图4.19跳跃机器人跳跃仿真4.4本章小结本章主要介绍了PROE三维建模软件的工作界面，其次是运用PROE进行了跳跃机器人腿部模型的建立，并且运用PROE对跳跃机器人模型添加相关参数，最后进行运动仿真。5结论跳跃机器人与其他类型机器人相比，在复杂多变的地面上的活动能力有较强的优势，拥有其所不具备的运动能力，如强大的穿越障碍能力和地面适应能力，超快移动速度，地面运动的灵活性，使得它在星际探索、反恐活动以及军事侦察等多方面具有广阔的发展前景。跳跃机器人的储能元件是跳跃机器人进行跳跃运动的核心元件，保持平衡的机构设计是跳跃机器人的核心难点，所以在对跳跃机器人进行动力学和运动学分析是至关重要的。本设计的跳跃机器人对将来跳跃机器人技术的延伸和运用有着较高影响。参考文献M.H.Kaplan,H.Seifert.Hoppingtransportersforlunarexploration[J].JournalofSpacecraftandRockets,1969:917-922.M.H.Raibert.Dynamicstabilityandresonanceinaleggedhoppingmachine[A].ConferenceonTheoryandPracticeofRobotsandManipulators,1983:352-367.M.Ahmadi,M.Buehler.Stablecontrolofasimulatedone-leggedrunningrobotwithhipandlegcompliance.IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,1997:96-104.R.T.M'Closkey,J.W.Burdick.Periodicmotionofahoppingrobotwithverticalandforwardmotion[J].InternationalJournalofRoboticsResearch,1993:197-218.Matsuoka,K.Amechanicalmodelofrepetitivehoppingmovements[M].Biomechanisms,1980:251-258.杨煜普,耿涛,郭毓.一种新型翻转跳跃运动机器人的运动结构与轨迹规划[J].上海交通大学学报，2003.KeisukeArikawa,TsutomuMita,DesignofMulti-DOFJumpingRobot[J].Proceedingsofthe2002IEEEInternationalConferenceonRobotics8Automation,2002.Beer,R.D,Chiel.H.J.Quinn,R.D.Espenschied.K,Larsson,P.Adistributedneuralnetworkarchitectureforhexapodrobotlocomotion[J].NeuralComputation4,1992:356-365.余杭杞.仿蝗虫四足跳跃机器人的机构设计和运动性能分析[D].哈尔滨工业大学，2006.陈勇.仿生机器人三维动态仿真系统[D].吉林大学,2005.Thomas.J.Allen,RogerD.Quinn,Ri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