机械设计制造及其自动化论文 六足爬虫机器人机械结构设计（机械部分）

本科毕业论文论文题目:六足爬虫机器人机械结构设计（机械部分）学生姓名：所在院系：机电学院所学专业：机械设计制造及其自动化导师姓名：完成时间：摘要分析仿生态六足爬行机器人步进足规划的要求和特点，参照实体机器人结构尺寸利用软件Cad设计机器人结构零部件的尺寸，及其整体结构尺寸；再者利用软件SolidWorks进行实体零部件造型，然后进行结构装配来检查各个尺寸设计是否合理，进而更好的实现最终的设计结果，让它运动起来。在整个过程中，装配是关键，位置要求都要在装配过程中去尝试着设计。关键词：仿生,机器人,结构设计,零部件,装配Hexapodrobotmechanicalstructuredesignofreptiles（Mechanicalparts）AbstractAnalysisofbionichexapodcrawlingrobotsteppingfootplanningrequirementsandfeatures,withreferencetoentitysizerobotdesigncadsoftwarerobotsthesizeofthestructureofpartsandcomponents,anditsoverallstructuresize;Furthermoreentitysolidworkssoftwarecomponentsmodeling,andthenassembledtoexaminethestructuraldesignofvarioussizesarereasonable,andbetterdesignedtoachievethefinalresult,withitsmovement.Throughouttheprocess,theassemblyisthekey,thelocationoftherequirementsintheassemblyprocessmustbetotrytodesign.keywords:Biological,Robot,StructuralDesign,Parts,Assembly目录1.引言………………...12.仿生态六足爬行机器人的步态爬行原理…………12.1足部行走模型…………………12.2步态行走原理....................................................................................................23.各个部件的尺寸设计………….….23.1腿步结构的设计………………23.2主板的结构设计………………33.3连接件的结构设计……………44.各个零部件的实体造型…………..44.1主板的实体造型………………54.2中间腿的实体造型……………54.3后腿的实体造型………………64.4中间腿部连接件的实体造型……………….....64.5连杆的实体造型……………….64.6销子的实体造型……………….75.设计整体三维图…………………...76.机器人零部件的数控加工………...87.装配……………….138.结束语…………….13致谢…………………..13参考文献……………..141引言仿生态六足六足爬行机器人是一种基于仿生学原理研制开发的新型足式机器人。仿生态六足六足爬行机器人比传统的轮式机器人有更好的移动性，自动化程度高，具有丰富的动力学特性。此外，足式机器人采用类似生物的爬行机构进行运动，比其它机器人具有更多的优点：它可以较易地跨过比较大的障碍（如沟、坎等），并且机器人足所具有的大量自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强；足式机器人的立足点是离散的，跟地面的接触面积较小，因而可以在可达到的地面上选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。因此，仿生态六足六足爬行机器人的研究已成为机器人学科中一个引人注目的研究领域[1]。本文在对一些六足昆虫的行走过程进行观察和详细测量的基础上设计了这款仿生态六足六足爬行机器人，它具有轮式和履带式机器人所没有的优点，在航空航天（登月，火星探测）、工农业生产（物流自动化、西部大开发、机械设备的探测和检修），军事国防等领域有广泛的应用前景。2仿生态六足爬行机器人的步态爬行原理2.1足部行走模型“六足纲”昆虫多以交替的三角步态运动进行直线行走，即行走时有3条腿同时着地，另外3条腿迈步，中间腿向上提时一侧前后腿向前迈，另一侧前后腿向后摆，通过与地面之间的摩擦力来实现机器人的前进；并以一侧迈大步、另一侧迈小步的方式实现转向。项目组在对一些六足昆虫的行走过程进行观察和详细测量的基础上对其三角步态进行了优化和创新，设计了一款新型六足仿生机器人，图1为前后足部三维实体图，图1前后腿部结构实体图图2后腿结构实体图图2为中间足部三维实体图。该机器人各足均采用图1、图2所示的整体式结构，每条腿具有1个关节，1个自由度，而且一侧的前后腿用连杆连接起来，形成联动装置；另一侧则是相同，同时还要用连杆把中间的两侧腿连接起来，也形成联动装置；腿部与主板的连接靠螺栓；整机具有2个自由度，都是通过连杆和电机连接起来实现动作，其中中间两腿用于支撑，进而实现转弯和前进后退时两侧腿的前摆和后摆作用；两侧的腿实现前后摆动，进而来前进后退。控制两侧腿前进后退的电机放在主板宽阔之处，中间电机放在前面，整个机器人的功能用集成电路来实现，则是放在上面。具体结构见图3。图3整体结构图2.2步态行走原理图3机器人步态原理图及电机安装图，前进运动时，其中一侧前后腿抬足先行向前侧摆一定角度，当其刚好落地时，中间的两腿支撑起前部实现其中四只腿着地，进而来让另一侧腿开始抬足侧摆相同的角度后落地，实现前进；后退时候的原理是同样的方式。转弯运行时，中间腿先支撑起来，进而两侧腿同时动作，一侧向前摆动，一侧向后摆动，至于摆动角度的大小则是根据转弯的弧度来决定，经过上述过程可解决机器人的转向问题。综上可知：步进过程简述：左侧前后腿侧摆然后落足，右侧腿侧摆后落足，中间腿部起到平衡身体的作用，当遇到障碍物时，中间腿部支撑起来机体，然后两侧腿部同时间侧摆，向那一侧转弯，另一侧的腿摆动的角度大一些，具体拐弯的角度大小靠两边腿部摆动的角度大小决定。腿部的摆动都是通过对三部电机的控制来实现运动。3.各个部件的尺寸设计3.1.腿部结构的设计根据图纸（图4中主板的尺寸大致一定）的要求及其所查资图4设计总要求料，我选择cad软件来设计。腿部尺寸的设计不仅要满足体积小而且布局上要求具有仿生的效果，我把该机器人的腿部设计成整体式，且从美观上满足仿生效果，如图5、图6所示：图5前后腿尺寸设计图6中间腿尺寸设计如上图所示的设计尺寸只是初步的设计，具体还要根据加工材料（加工所用的材料为有机玻璃）的实际情况来确定，在最后还有可能把其中的尺寸扩大或缩小。3.2主板的结构设计主板不仅连接腿，而且还放置电机及其电路板集成块，所以在满足参考图纸上主板尺寸的要求，还要满足功能，尽可能地让消耗材料最小化。如图7所示：图7主板尺寸设计在上图中，左侧是尾，右侧是头部，后面并排放置两部电机，各自控制两侧的腿，通过电机的正反转来实现机器人的前进与后退，在主板的上面放置集成块电路板。3.3腿与主板的连接件这个连接件的设计尺寸要求不是太严格，只要保证直径是5的孔的位置，以及用来放置连杆的直径是3的孔的位置即可；因为在前后腿和主板的连接时，是间接的方式，通过腿与连接件之间的粘接，然后用螺栓把连接件和主板连接起来；中间腿先和连接件用螺栓连接，然后通过配合和粘接来实现。（注：图8为前后腿连接件，图9为中间腿连接件）如图所示：图8前后腿连接件尺寸设计图9中间腿连接件尺寸设计4各个零部件的实体造型本设计中所采用的实体造型软件是solidworks，根据cad图所设计的尺寸进行造型。4.1主板：如图：10图10主板的实体造型4.2中间退：如图11如图11中间腿部的实体造型4.3后退：如图12如图12前后腿的实体造型4.4中间腿部连接板：如图13如图13连接件的实体造型4.5连杆：如图14如图14连杆的实体造型4.6销子：如图15如图15销子的实体造型5设计整体三维图.根据以上零部件的尺寸设计，还有对各个零部件的实体造型，对仿生态六足爬行机器人进行软件solidworks的实体装配，进而来模拟仿生态六足爬行机器人的腿部功能，同时也可以来检查各个零部件的设计尺寸是否合适，还有通过对装配图的干涉检查（如图17）来检查整体的结构是否合适，进而达到设计要求。如图16：图16装配图图17干涉检查通过软件对装配图的结构检查，以及在solidworks软件上通过使用鼠标拖动机器人的腿部都能达到预计的运动要求，证明在零部件的尺寸设计上合适，且能够满足整体要求，故符合设计要求。运用软件对机器人进行动画模拟在solidworks软件的界面上对机器人的腿部功能的动画模拟，见上述连接：，证明了腿部的功能设计是合理而且合适的。6机器人零部件的数控加工对于它的加工所采用的材料均是有机玻璃，其厚度已经大致确定，在前面的实体造型中也考虑到，所以我采用数控铣床来加工。在加工时，所有的零件的造型都是简单的平面轮廓，因而比较容易加工。现在就拿主板的加工过程来举例说明整个加工过程。第一步：主板的尺寸设计在cad中已经确定，利用caxa软件制造工程师进行加工造型，如图18：图18主板造型第二步：点击按钮，选择，这时界面出现对话框，进行参数的设置，如以下图19：如图19平面轮廓加工参数设置点击“确定”按钮，根据右下角提示“拾取轮廓和加工方向”，分别拾取草图轮廓，鼠标右击，出现右下角提示“拾取进刀点”、在右击出现右下角提示“拾取退刀点”，再右击，让软件自动拾取进退刀点；对于所有需要加工的轮廓都以同样的方法，最后生成如图所示的轨迹轮廓：。图20轨迹轮廓第三步：生成加工轨迹。点击，选择，弹出如图所示对话框（如图21）：、。图21后置设置参数设置直接点击“确定”；再点击“应用”，选择，出现存储对话框，自己选择一个文件名进行存储，同时也显示存储的位置，根据右下角提示，再右击，生成加工程序（如图22）：图22加工程序最后保存起来。第四步：程序的校核对于对于数控加工是非常重要的，因为它关系到加工路径是否与之前设想的一直，而且要求路径的简洁，时间短，效率高。点击，选择，出现对话框选择刚才所生成的程序名，点击确定，再次出现提示框并选择如图所示，点击确定，这时刀具的运行轨迹生成如图23：。图23轨迹校核7装配装配就是按照设计的技术要求实现机械零件或部件的连接，把机械零件或部件组合成机器。装配是机器制造和修理的重要环节，装配是机械制造中最后决定机械产品质量的重要工艺过程，即使是全部合格的零件，如果装配不当，往往也不能形成质量合格的产品，简单的产品可由零件直接装配而成。装配工作的好坏对机器的效能、修理的工期、工作的劳力和成本等都起着非常重要的作用。装配工艺常用的装配工艺有：清洗、平衡、刮削、螺纹联接、过盈配合联接、胶接、校正等。此外，还可应用其它装配工艺，如焊接，铆接，滚边，压圈和浇铸联接等，以满足各种不同产品结构的需要。而本工艺只需要以下装配工艺。清洗，浸洗是将零件浸渍于清洗液中晃动或静置。该装配体采用的材料都是有机玻璃，其表面比较光滑，只需用清洗液清洗，然后擦干或静置即可。过盈配合联接，使配合面的尺寸公差为过盈配合的联接件能得到紧密的结合。此装配体中只有前后腿的配合要用到过盈配合，作用是来实现退步功能的初步模拟。胶接，应用工程胶粘剂和胶接工艺联接金属零件或非金属零件；对于本工艺是在机器人功能初步实现之后进行最后的组装，如腿部配合、电机垫板的固定。校正，装配过程中应用长度测量工具测量出零部件间各种配合面的形状精度如直线度和平面度等，以及零部件间的位置精度如垂直度，平行度，同轴度和对称度等，并通过调整，修配等方法达到规定的装配精度。校正是保证装配质量的重要环节。本次装配的要求不是很高，只要把电机的放置位置保证，还有连杆在运动过程中是否与中间腿部运动发生干涉。由于本次采用的材料是有机玻璃板，其厚度是很不均匀，即使是尺寸设计的合理还是要求进行修配处理。修配法，装配中依靠手工操作应用锉、磨和刮削等工艺方法改变个别零件的尺寸、形状和位置，使配合达到规定的精度。另外还有螺栓的连接，因为采用的都是光孔，故连接比较简单，方便；在连杆的连接过程中用的是钢条，不仅要保证其刚度，还要保证在与孔的配合过程中不能有太大的活动间隙，利于在电机转动一定角度时，腿部摆动也能达到要求所要求的角度，实现机器人的前进后退功能。最终的装配结果如下图24所示：图24装配图8结束语在研究了昆虫步态的基础上，运用仿生原理，本文提出了一种六足机器人机械结构设计的新思路，并研制了基于这种设计思路的样机。实验证明，该机器人可以实现直线运动与。在此次设计的过程中，培养了我的综合运用所学知识的能力，分析和解决实际中所遇到问题的能力，并且能巩固和深化我所学的专业知识，使我在调查研究和收集资料等方面有了显著的提高，同时在理解分析能力、制定设计计算和绘图能力方面有较大的进步；另外我的技术分析和组织工作的能力也有一定程度的提高。致谢非常感谢学院领导和老师给我提供了这次良好的深入学习的机会和宽松的学习环境。通过这次毕业设计，不但使我将大学期间所学的专业知识再次回顾学习，而且也使我学到了专业领域中一些前沿的知识。非常感谢在本次设计中曾给予我耐心指导和亲切关怀的老师及帮助过我的同学，正是由于他们的帮助和鼓励才使我能够在毕业设计过程中克服种种困难，最终顺利完成论文，他们的学识和为人也深深地影响着我。在此，请允许我再次向曾直接给予我多次指导的导师表示最忠诚的敬意！参考文献：[1]龚振邦，汪勤悫等.机器人机械设计[M].北京：电子工业出版社，1995

[2]徐小云,颜国正,丁国清.微型六足仿生机器人及其三角步态的研究[J].2002，10（4）：392—396

[3]张敏，石秀华等.基于ADAMS的三自由度水下机械手运动学仿真[J].机械设计与制造，2005（7）

[4]周云松，裴以建，余江，池宗琳.双足行走机器人步态轨迹规划.云南大学学报，2006，28（1）