跳跃机器人sandflea课件

-----弹跳机器人Sandflea设计CAD原理及软件应用

-----弹跳机器人Sandflea设计CAD原理及软件应1组长：胡浩强成员：吴永强李洋宝起东高文雷团队成果：传动部分设计以及部分零件三维建模（吴永强、宝起东）气动部分设计以及部分零件三维建模（高文雷）车体的爆炸图解（吴永强、宝起东、高文雷）目标对象相关参数设计（宝起东）solidworksmotion（李洋吴永强胡浩强）

solidworkssimulation（胡浩强高文雷李洋）二维图绘制（高文雷）组长：胡浩强2沙蚤简介“沙蚤”（SandFlea）是一种跳跃式机器人，由美国国防高级研究计划局（DARPA）联合波士顿动力公司共同研制。该车呈鞋盒状，车重约4.5kg，通常采用4轮行驶，但也能垂直跳跃，高度达9m，能独立越过壕沟和障碍。该车装备了1部摄像机和操作控制系统，能够通过掌上电脑或笔记本电脑进行控制。目前，在阿富汗坎大哈装备2辆“沙蚤”用于测试，主要用于协同部队执行任务。如果测试成功，REP希望该无人车能快速批量装备部队。沙蚤简介“沙蚤”（SandFlea）是一3问题分析该车能跨越障碍物，去侦察目标区域，并通过图像接口向遥控人员传送详细的视频或高分辨率快照，而后翻越继续侦察其他地区。问题分析该车能跨越障碍物，去侦察目标区域，并通4对需求的的评估及重要性排序弹跳能力：“沙蚤”需要一个强劲的助推装置来支持在一次补给下满足

多次跳跃。应对方法：采用二氧化碳为原料气动系统。满足动力的情况下，通过阀

门控制实现间断跳跃。对需求的的评估及重要性排序弹跳能力：“沙蚤”需要一个强劲的助5减震效果：由于高处跌落，该弹跳小车对减震性能提出了严格的要求。应对方法：1.该车车轮需要特殊的结构，从而具有一定的吸能减震作用。2.当跳跃到空中时，通过车轮迅速旋转，进行飞行操控，当

该车保持车身水平，尽量保持4轮着地，缓冲着陆时车辆

与地面的碰撞强度。对需求的的评估及重要性排序减震效果：由于高处跌落，该弹跳小车对减震性能提出了严格的要求6行进功能：一般直线或转弯动作。应对方法：采用传动的前轮驱动，为减轻车重，采用单电机和电磁离合

器配合控制。对需求的的评估及重要性排序行进功能：一般直线或转弯动作。对需求的的评估及重要性排序7总体方案设计SF机器人要实现的主要动作：（1）在路面上运动（前进、后退及转弯）；（2）遇到障碍时的跳跃运动；（3）实现跳跃运动时的辅助俯仰运动；总体方案设计SF机器人要实现的主要动作：8设计所要满足的要求：（1）总体质量尽可能的轻（2）机械动力部分所占空间尽可能的小（3）电机功率尽可能的小（4）布局要合理（5）满足强度与稳定性要求（6）有一定的自我保护功能（7）有一定的减震吸震作用总体方案设计总体方案设计9弹跳装置设计钟摆式弹跳装置弹簧弹射型混合型新型弹性储能机构弹跳装置设计钟摆式弹跳装置弹簧弹射型混合型新型弹性储能机构10气动弹跳原理气动弹跳原理11零件及装配图零件及装配图12跳跃机器人sandflea13实现路面运动的设计以及三维建模目前能实现路面运动的智能小车的驱到方式（1）前两轮各装一个电机，实现差速转弯（2）前两轮各装一个电机，后轮装万向轮（3）四个车轮分别装一个电机实现差速转弯本次设计所采用的方式优点：1、结构结构简单，一个电机就可实现前进、后退及转向2、传动所占用的空间比较小3、传动部分总体质量轻4、动力源效率高5、电磁离合器动作敏捷，并且具有一定的过载保护的作用缺点：1、转向时旋转角度大2、转动不均匀性大实现路面运动的设计以及三维建模目前能实现路面运动的智能小车的14辅助俯仰运动设计及三维建模优点：1、采用两侧支架，增加稳定性2、对称布局，可实现上下面两面均可实现支撑作用。3、增加过障碍能力4、采用电机控制结构简单缺点：1、旋转精度不高2、刚度满足性较弱15辅助俯仰运动设计及三维建模优点：15目标对象相关参数设计主要性能参数要求：“沙蚤”机器人总重最大取：4.5kg跳跃支起角度：60度平地行驶最大速度：0.5m/s，加速度：0.1m/s2驱动轮直径：60mm目标对象相关参数设计主要性能参数要求：16电机型号选择驱动前进电机驱动支起电机电机型号选择驱动前进电机驱动支起电机17驱动前进电机型号选择驱动前进电机型号选择18驱动前进电机型号选择型号：R4468额定电压：DC12V

空载转速：5000r/min

=5000转每分钟额定电流：2A额定扭矩：0.5kg.cm重量：0.37KG额定功率：24W减速比=31.25驱动前进电机型号选择型号：R4468减速比=31.2519驱动支起电机型号选择驱动支起电机型号选择20驱动前进电机型号选择型号：R550额定电压：DC12V

空载转速：1800r/min额定电流：5.6A重量：0.3KG额定功率：67.2W减速比=90驱动前进电机型号选择型号：R550减速比=9021电池选择优力源12V电池组品牌：优力源电压：12V(10节5号电池串联组合)电池类型：镍氢容量：2800mAh出品商：北京优力源数码科技有限公司使用时长：20min电池选择优力源12V电池组22Motion分析Motion分析23车轮与地面间的摩擦因数设定车轮与地面间的摩擦因数设定24支架抬升电机所采用的驱动力函数支架抬升电机所采用的驱动力函数25实现跳起所用的驱动力函数实现跳起所用的驱动力函数26直行过程中前轮的角速度变化（驱动电机类型为等速）直行过程中前轮的角速度变化（驱动电机类型为等速）27抬升跳起过程中前轮摩擦力的变化抬升跳起过程中前轮摩擦力的变化28抬升跳起过程中前轮角速度的变化抬升跳起过程中前轮角速度的变化29位移速度加速度抬升跳起过程中小车的各参数变化位移速度加速度抬升跳起过程中小车的各参数变化30Simulation-蜂窝式无气轮胎与普通轮辐式轮胎的比较为什么采用蜂窝式无气轮胎？？？

减震、

减重、耐磨、寿命Simulation-蜂窝式无气轮胎与普通轮辐式轮胎的比较为31从Motion到simulation自由落体运动求解出轮子作为刚体时与地面的接触力，将此接触力作为有限元分析的载荷从Motion到simulation自由落体运动求解出轮子作32Motion-轮子与地面接触力结论：轮子与地面最大接触力为5119N，将此力作为下面静力分析的输入载荷Motion-轮子与地面接触力结论：轮子与地面最大接触力为533Simulation-蜂窝式轮子与轮辐式轮子性能比较此模型结构以及载荷对称，取模型的1/18进行分析。并选取ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料)作为轮子的材料，轮子屈服强度35MPA。Simulation-蜂窝式轮子与轮辐式轮子性能比较此模型结34Simulation-蜂窝式轮子与轮辐式轮子性能比较在F=5119N面载荷作用下，蜂巢式轮子的最大冯氏应力为14,231.8Simulation-蜂窝式轮子与轮辐式轮子性能比较在F=535Simulation-蜂窝式轮子与轮辐式轮子性能比较在F=5119N面载荷作用下，轮辐式轮子的最大冯氏应力为15278.3Simulation-蜂窝式轮子与轮辐式轮子性能比较在F=536Simulation-蜂窝式轮子与轮辐式轮子性能比较在F=5119N面载荷作用下，蜂窝式轮子的最大合位移为2.359e-5mmSimulation-蜂窝式轮子与轮辐式轮子性能比较在F=537Simulation-蜂窝式轮子与轮辐式轮子性能比较在F=5119N面载荷作用下，轮辐式轮子的最大合位移为2.645e-5Simulation-蜂窝式轮子与轮辐式轮子性能比较在F=538结论-轮子结构采用蜂窝式优于轮辐式相同载荷下蜂窝式轮子产生更小的应力相同载荷下蜂窝式轮子产生更小的位移满足相同载荷条件下蜂窝式结构重量更轻（蜂窝单元与轮辐单元数目相同条件下）结论-轮子结构采用蜂窝式优于轮辐式相同载荷下蜂窝式轮子产生更39Simulation-整体跌落分析示意图Simulation-整体跌落分析示意图40Simulation-整体跌落分析示意图Simulation-整体跌落分析示意图41Simulation-整体跌落分析示意图Simulation-整体跌落分析示意图42Simulation-整体跌落分析示意图跌落对内部零部件的影响Simulation-整体跌落分析示意图跌落对内部零部件的影43Simulation-整体跌落分析结论跌落时轮子着地处产生的应力最大跌落对内部零部件以及轴与壳体的连接处产生很大应力结论：结构设计师应该考虑更多的避震措施，特别是内部的传动链设计，尽量减少内部传动链以及轴与壳体、轮毂的直接接触Simulation-整体跌落分析结论跌落时轮子着地处产生的44ThankYou！欢迎老师同学提问！ThankYou！45-----弹跳机器人Sandflea设计CAD原理及软件应用

-----弹跳机器人Sandflea设计CAD原理及软件应46组长：胡浩强成员：吴永强李洋宝起东高文雷团队成果：传动部分设计以及部分零件三维建模（吴永强、宝起东）气动部分设计以及部分零件三维建模（高文雷）车体的爆炸图解（吴永强、宝起东、高文雷）目标对象相关参数设计（宝起东）solidworksmotion（李洋吴永强胡浩强）

solidworkssimulation（胡浩强高文雷李洋）二维图绘制（高文雷）组长：胡浩强47沙蚤简介“沙蚤”（SandFlea）是一种跳跃式机器人，由美国国防高级研究计划局（DARPA）联合波士顿动力公司共同研制。该车呈鞋盒状，车重约4.5kg，通常采用4轮行驶，但也能垂直跳跃，高度达9m，能独立越过壕沟和障碍。该车装备了1部摄像机和操作控制系统，能够通过掌上电脑或笔记本电脑进行控制。目前，在阿富汗坎大哈装备2辆“沙蚤”用于测试，主要用于协同部队执行任务。如果测试成功，REP希望该无人车能快速批量装备部队。沙蚤简介“沙蚤”（SandFlea）是一48问题分析该车能跨越障碍物，去侦察目标区域，并通过图像接口向遥控人员传送详细的视频或高分辨率快照，而后翻越继续侦察其他地区。问题分析该车能跨越障碍物，去侦察目标区域，并通49对需求的的评估及重要性排序弹跳能力：“沙蚤”需要一个强劲的助推装置来支持在一次补给下满足

多次跳跃。应对方法：采用二氧化碳为原料气动系统。满足动力的情况下，通过阀

门控制实现间断跳跃。对需求的的评估及重要性排序弹跳能力：“沙蚤”需要一个强劲的助50减震效果：由于高处跌落，该弹跳小车对减震性能提出了严格的要求。应对方法：1.该车车轮需要特殊的结构，从而具有一定的吸能减震作用。2.当跳跃到空中时，通过车轮迅速旋转，进行飞行操控，当

该车保持车身水平，尽量保持4轮着地，缓冲着陆时车辆

与地面的碰撞强度。对需求的的评估及重要性排序减震效果：由于高处跌落，该弹跳小车对减震性能提出了严格的要求51行进功能：一般直线或转弯动作。应对方法：采用传动的前轮驱动，为减轻车重，采用单电机和电磁离合

器配合控制。对需求的的评估及重要性排序行进功能：一般直线或转弯动作。对需求的的评估及重要性排序52总体方案设计SF机器人要实现的主要动作：（1）在路面上运动（前进、后退及转弯）；（2）遇到障碍时的跳跃运动；（3）实现跳跃运动时的辅助俯仰运动；总体方案设计SF机器人要实现的主要动作：53设计所要满足的要求：（1）总体质量尽可能的轻（2）机械动力部分所占空间尽可能的小（3）电机功率尽可能的小（4）布局要合理（5）满足强度与稳定性要求（6）有一定的自我保护功能（7）有一定的减震吸震作用总体方案设计总体方案设计54弹跳装置设计钟摆式弹跳装置弹簧弹射型混合型新型弹性储能机构弹跳装置设计钟摆式弹跳装置弹簧弹射型混合型新型弹性储能机构55气动弹跳原理气动弹跳原理56零件及装配图零件及装配图57跳跃机器人sandflea58实现路面运动的设计以及三维建模目前能实现路面运动的智能小车的驱到方式（1）前两轮各装一个电机，实现差速转弯（2）前两轮各装一个电机，后轮装万向轮（3）四个车轮分别装一个电机实现差速转弯本次设计所采用的方式优点：1、结构结构简单，一个电机就可实现前进、后退及转向2、传动所占用的空间比较小3、传动部分总体质量轻4、动力源效率高5、电磁离合器动作敏捷，并且具有一定的过载保护的作用缺点：1、转向时旋转角度大2、转动不均匀性大实现路面运动的设计以及三维建模目前能实现路面运动的智能小车的59辅助俯仰运动设计及三维建模优点：1、采用两侧支架，增加稳定性2、对称布局，可实现上下面两面均可实现支撑作用。3、增加过障碍能力4、采用电机控制结构简单缺点：1、旋转精度不高2、刚度满足性较弱60辅助俯仰运动设计及三维建模优点：15目标对象相关参数设计主要性能参数要求：“沙蚤”机器人总重最大取：4.5kg跳跃支起角度：60度平地行驶最大速度：0.5m/s，加速度：0.1m/s2驱动轮直径：60mm目标对象相关参数设计主要性能参数要求：61电机型号选择驱动前进电机驱动支起电机电机型号选择驱动前进电机驱动支起电机62驱动前进电机型号选择驱动前进电机型号选择63驱动前进电机型号选择型号：R4468额定电压：DC12V

空载转速：5000r/min

=5000转每分钟额定电流：2A额定扭矩：0.5kg.cm重量：0.37KG额定功率：24W减速比=31.25驱动前进电机型号选择型号：R4468减速比=31.2564驱动支起电机型号选择驱动支起电机型号选择65驱动前进电机型号选择型号：R550额定电压：DC12V

空载转速：1800r/min额定电流：5.6A重量：0.3KG额定功率：67.2W减速比=90驱动前进电机型号选择型号：R550减速比=9066电池选择优力源12V电池组品牌：优力源电压：12V(10节5号电池串联组合)电池类型：镍氢容量：2800mAh出品商：北京优力源数码科技有限公司使用时长：20min电池选择优力源12V电池组67Motion分析Motion分析68车轮与地面间的摩擦因数设定车轮与地面间的摩擦因数设定69支架抬升电机所采用的驱动力函数支架抬升电机所采用的驱动力函数70实现跳起所用的驱动力函数实现跳起所用的驱动力函数71直行过程中前轮的角速度变化（驱动电机类型为等速）直行过程中前轮的角速度变化（驱动电机类型为等速）72抬升跳起过程中前轮摩擦力的变化抬升跳起过程中前轮摩擦力的变化73抬升跳起过程中前轮角速度的变化抬升跳起过程中前轮角速度的变化74位移速度加速度抬升跳起过程中小车的各参数变化位移速度加速度抬升跳起过程中小车的各参数变化75Simulation-蜂窝式无气轮胎与普通轮辐式轮胎的比较为什么采用蜂窝式无气轮胎？？？

减震、

减重、耐磨、寿命Simulation-蜂窝式无气轮胎与普通轮辐式轮胎的比较为76从Motion到simulation自由落体运动求解出轮子作为刚体时与地面的接触力，将此接触力作为有限元分析的载荷从Motion到simulation自由落体运动求解出轮子作77Motion-轮子与地面接触力结论：轮子与地面最大接触力为5119N，将此力作为下面静力分析的输入载荷Motion-轮子与地面接触力结论：轮子与地面最大接触力为578Simulation-蜂窝式轮子与轮辐式轮子性能比较此模型结构以及载荷对称，取模型的1/18进行分析。并选取ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料)作为轮子的材料，轮子屈服强度35MPA。Simulation-蜂窝式轮子与轮辐式轮子性能比较此模型结79Simulation-蜂窝式轮子与轮辐式轮子性能比较在F=5119N面载荷作用下，蜂巢式轮子的最大冯氏应力为14,231.8Simulation-蜂窝式轮子与轮辐式轮子性能比较在F=580Si