仿蝗虫弹跳机器人课程设计

一、设计要求蝗虫经过长期的进化，生理组织已进化为对外界环境具有很强适应性的缓冲材料，当受到振动与冲击时，缓冲结构能够根据外界作用载荷的变化，进行自适应调整，使得整个生物运动系统时刻处于最佳状态。1.5g的蝗虫利用9mJ的能量，在30ms能使其自身加速到3.2m/s,弹跳过程的加速度为重力加速度的19倍，用于驱动肌肉组织的质量仅为躯体总质量的4%,蝗虫的弹跳运动具有较大的驱动能量效率。弹跳运动由于具有非连续性、动态性、越障性，使得弹跳机器人拥有较强的运动能力，适用于星际探索和灾后搜救等复杂地形，弹跳机器人与地面接触面积较小，接触时间较短，减小地面摩擦力，能够扩大弹跳机器人的工作环境和应用范围。采用昆虫仿生学原理，根据蝗虫的结构特点，利用传动机构和储能机构等部件，设计蝗虫仿生弹跳机器人，通过空中弹跳完成运动，弹跳到最高位置后展开折叠翼，通过折叠翼保持在空中的稳定姿态，利用折叠翼的空中滑翔，増大弹跳的距离，减小落地冲击力。设计参数：折叠翼展开时间：Is起跳的角度：60°弹跳的高度：Im弹跳的距离：3m大腿和小腿腿长均为5cm要求可将总重400g的整体的弹跳高度达到1m，起跳角度与地面夹角60度二、仿蝗虫跳跃机器人的机构设计2.1机构设计的基本思想本设计主要有如下性能指标尺寸：（1）尺寸：设计的机器尺寸尽可能的小，以便进入狭小空间搜索。（2）重量：要求可将总重400g的整体的弹跳高度达到1m。（3）成本：制作成本是所有设计都要兼顾的问题（4）跳跃性能：机器人的搜救效果很大情况下取决与其在负责环境下的运动性能，而跳跃性能是提高机器运动灵活性的主要方式。2.2蝗虫的总体结构概述在自然界中蝗虫、蟋蟀、袋鼠等生物都拥有超强的弹跳的能力，能够轻易的越过超过自身尺寸数倍的障碍物。目前对仿生跳跃机器人的研究主要是针对连续跳跃的。虽然连续跳跃的频率快，但它不能根据情况及时改变姿态，实现准确的跳跃。蝗虫的跳跃是采用间歇跳跃的方式，并且跳跃能力极强。蝗虫在跳跃过程中展现出来的驱动能量效率是十分巨大的，要对蝗虫进行研究，并将研究成果用于仿蝗虫机器人的研制，这对于促进仿生跳跃机器人的技术的成熟和发展有着重要的意义。蝗虫隶属于节肢动物门，昆虫纲，直翅目，是典型的昆虫代表。它们一般都有两对大而长的翅膀；身体由很多体节构成，明显地分成头部、胸部和腹部。胸部是蝗虫的运动中心，由三节组成，每个胸节各有一对足，其中前、中足适于步行，而后足则用于跳跃，因此特别发达，具有很强的弹跳能力。蝗虫的足又可分为基节、转节、腿节、胫节、趾节、前趾节六个部分[7]。2.3蝗虫的起跳方式 蝗虫的外部有一层壳，肌肉在壳体的内部，两块主要的肌肉一块是胫骨伸肌肉，它引起腿的伸开，另一块是曲肌，它使腿收起。蝗虫腿部构造图，从中可看到其腿节与胫节相连，可向一定方向转动，使胫节与腿节伸直或褶折，腿节上生有很多斜排的肌肉，控制胫节的运动。肌肉一端附在腿节的外部骨皮上，另一端附着在腿节中一种腱筋的结构上，腱和筋通过与腿节与胫节的关节连接到达胫节和跗节，当肌肉收缩拉动腱筋，使胫节与腿节相对拉直，这时可产生相当大的力，帮助蝗虫实现跳跃。2.4后腿设计方案关于弹跳的理论研究集中于连续弹跳运动动态稳定性的非线性动力学分析，它的基本模型为一活塞连杆机构一个X方向的平移自由度以及足部和身体之间的旋转自由度。然而理想模型中许多假想条件并不成立，比如模型是连续运动的而实际机构的跳跃是间断性的，模型中假设地面为刚性实际中很多情况并非如此。图2-2弹跳机构理想模型2.6弹跳设计方案跳动部分是通过两个部件来实现的，分别是拉伸弹簧，和缺齿齿轮。如图2-2所示。由电机输出轴带动缺口齿轮转动，缺口齿轮带动另一个齿轮转动，齿轮和轴相固定。将弹簧一段固定在轴上的与轴相固定的轮子上，另一端固定在机架上。齿轮转动，带动轴上轮子转动，轮子转动拉动拉伸弹簧，后腿慢慢缩到架子底下，实现储能的作用；当齿轮转动到缺口时，刚好起后腿与地面的起跳角度达到60度，此刻弹簧释放，后腿快速蹬开还原，机器人实现跳跃。可以往复运动。图2-2弹跳结构2.7工作原理及性能分析跳跃运动系统由电机通过缺齿齿轮驱动腿部齿轮运动带动与齿轮固连轴和弹跳腿转动，实现腿部相对机体的运动，当电机输出轴上齿轮与腿部驱动齿轮啮合时，腿部相对机体屈曲，与此同时固连于腿部和机体上的弹簧被拉伸储能，当电机输出轴上齿轮转到缺齿部分时，屈曲的腿部在弹簧拉力作用下开始转动，从而驱动机器人跳跃。左右两侧弹跳腿上开设滑槽，滑槽中安装弹簧，弹簧一端与滑槽壁固定，另一端与滑动轴相连，滑动轴水平放置的左右两侧弹跳腿的滑槽间，滑动轴可在滑槽内滑动，滑动轴中心通过销钉安装从动轮，柔绳一端固定于滑动轴上，绕过弹跳腿转轴上拨杆后另一端固定于机体上。当弹跳腿相对机体屈曲时，弹跳腿转轴拨杆使柔绳拉紧，在柔绳拉力作用下，从滑动轴沿跳跃腿上滑槽向上运动压紧弹簧，避免起跳阶段从动轮与地干涉。跳跃过程中，弹跳腿转轴带动拨杆转动使柔绳放松，从动轴在弹簧作用下恢复起跳前状态，能保证轮动时从动轮与地面接触。三、电机、齿轮的选择校核3.1后腿电机的功率计算对于本设计，电机选择要合适。如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏。或者，电机根本拉不动弹簧，而使电机烧坏，达不到设计效果。如果电动机功率选得过大，就会出现“大马拉小车”现象。其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，会造成电能浪费。而本设计的跳跃机器人整体框架要求小，所以首先电机就要选型号比较小点的。根据力学知识有公式3-1和3-2。 （3-1）（3-2）P——电动机功率V——电动机转速转化成的线速度—电机的转速r——电动机转动半径w——弹簧拉力由已知可得，弹簧拉力w=400N，r=7.5mm，=55r/min，所以，由公式计算出p=2w。于是，电机就选用2w的电机。3.2轴承的选择1基本概念轴承寿命：轴承中任一元件出现疲劳剥落扩展迹象前运转的总转数或一定转速下的工作小时数。批量生产的元件，由于材料的不均匀性，导致轴承的寿命有很大的离散性，最长和最短的寿命可达几十倍，必须采用统计的方法进行处理。基本额定寿命：是指90％可靠度、常用材料和加工质量、常规运转条件下的寿命，以符号L10（r）或L10h（h）表示。基本额定动载荷（C）：基本额定寿命为一百万转（106）时轴承所能承受的恒定载荷。即在基本额定动载荷作用下，轴承可以工作106转而不发生点蚀失效，其可靠度为90％。基本额定动载荷大，轴承抗疲劳的承载能力相应较强。基本额定静载荷（径向C0r，轴向C0a）：是指轴承最大载荷滚动体与滚道接触中心处引起以下接触应力时所相当的假象径向载荷或中心轴向静载荷。在设计中常用到滚动轴承的三个基本参数：满足一定疲劳寿命要求的基本额定动载荷Cr（径向）或Ca（轴向），满足一定静强度要求的基本额定静强度C0r（径向）或C0a（轴向）和控制轴承磨损的极限转速N0。各种轴承性能指标值C、C0、N0等可查有关手册。2寿命校核计算公式滚动轴承的寿命随载荷的增大而降低，寿命与载荷的关系曲线，其曲线方程为PεL10=常数其中P-当量动载荷，N；L10-基本额定寿命，常以106r为单位（当寿命为一百万转时，L10=1）；ε-寿命指数，球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3。由手册查得的基本额定动载荷C是以L10=1、可靠度为90％为依据的。由此可得当轴承的当量动载荷为P时以转速为单位的基本额定寿命L10为Cε×1=Pε×L10L10=(C/P)ε106r(17.6)若轴承工作转速为nr/min，可求出以小时数为单位的基本额定寿命h（17.7）应取L10≥Lh＇。Lh＇为轴承的预期使用寿命。通常参照机器大修期限的预期使用寿命。若已知轴承的当量动载荷P和预期使用寿命Lh＇，则可按下式求得相应的计算额定动载荷C＇，它与所选用轴承型号的C值必须满足下式要求N（17.8）3当量动载荷在实际工况中，滚动轴承常同时受径向和轴向联合载荷，为了计算轴承寿命时将基本额定动载荷与实际载荷在相同条件下比较，需将实际工作载荷转化为当量动载荷。在当量动载荷作用下，轴承的寿命与实际联合载荷下轴承的寿命相同。当量动载荷P的计算公式是P=XFr+YFa式中Fr-径向载荷，N；Fa-轴向载荷，N；X，Y-径向动载荷系数和轴向动载荷系数，由表查取。4角接触轴承的载荷计算对"3"、"7"类轴承，由于本身结构的特点，当有径向力作用时会产生派生S，在计算时应考虑。1．装配形式必须成对安装：正装（或称为"面对面"）-两支点距离较短；反装（或成为"背靠背"）-两指点距离较长，适用于悬臂安装传动件的轴承。2.轴承作用力在轴上的作用点轴上支点是在滚动体与滚道接触点法线与轴线交点上。距外端面的距离可查手册。3.3弹簧弹力的计算由于本跳跃机器人的设计的核心是在弹簧上，如图4.1所示。所以机器人跳跃与否在与弹簧的储能和释放能量的过程。弹簧的选择也有一定的原则，不能太大也不能太小。所以要对弹簧进行计算选择。根据力学知识可以得知公式3-3和3-4：(3-3)(弹簧弹力=弹簧刚度（kg/mm）*弹簧变形量（mm）)（3-4）（弹簧刚度=钢丝直径*1000÷{（弹簧中径÷钢丝直径）的3次方}÷弹簧有效圈数（总圈数-2））直径、中径单位是mm由于弹簧选择要适当，根据实际情况，和现有的弹簧，可以计算出弹簧的拉力为多少。由已知可得，D为6mm，d为1mm，q为40圈，型变量X=15mm。所以可以根据这两个公式计算出F=40N。3.4缺齿齿轮的设计在对机器人弹跳机构中，提到了一个缺齿齿轮在控制能量储存和释放上起到了关键作用，在本章节中，将对这一缺齿齿轮进行一个详细的介绍。首先，本文选择这个缺齿齿轮的模数m为2，齿数z为50，由此可以得出齿轮的分度圆直径为：D1=m*z=100mm(3.1)而齿顶高为：Ha=ha’*m(3.2)齿根高为：Hf=(ha’+c)*m(3.3)其中ha’和c分别表示齿顶高系数和顶隙系数，一般情况下取1和0.25，于是齿顶高与齿根高通过计算得为2和2.5。于是就可以得到齿顶圆直径为：D1a=D1+2*ha=104mm(3.4)齿根圆直径为：D1f=D1-2*hf=95mm(3.5)通过上述的计算，就可以得到一个完整的齿轮。不过本文所需要的是缺齿，于是本人取90度角，将对角的两个90°角的圆弧上的齿去掉，得到了一个所需的缺齿齿轮。图3-1缺齿当这个缺齿齿轮与对应的小齿轮啮合时，小齿轮就在缺齿齿轮的带动下旋转90度，于此同时，弹簧随之被拉伸储能，两个后足也在旋转轴的带动下旋转了90度角。而当齿轮转过90度后，就是缺齿部分，小齿轮就无法与大齿轮啮合，此时弹簧在没有力的作用下迅速收缩释放能量，而两个后足则在能量的作用下与地面之间产生一定的力从而跳起。这样，缺齿就在整个起跳过程中起到了控制能量储存和释放的关键作用。四、心得体会仿蝗虫跳跃机器人