1、基于Solidworks 爬行机器人爬行机构的模型建立及运动仿真 摘要：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。它采用类拟生物的爬行机构进行运动,自动化程度高，具有丰富的动力学特性。此外，爬行机器人相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），对凹凸不平的地形的适应能力更强；因此，爬行机器人的研究已成为机器人学中一个引人注目的研究领域。本次设计通过使用solidworks软件的机械系统虚拟设计和运动仿真的基本方法，综合运用solidworks的参数化、变量化建模技术以及自上向下的设计思路，完成爬行机器人爬行机构各个零件的虚拟建模并形成装配体，最后进行
2、简单的动画演示。关键词：爬行机构，三维建模，运动仿真Based on Solidworks crawl crawl robot modeling and motion simulation of the organizationAbstract:Crawling robot is a new type of research and development on the basis of the principle of bionics robot foot type. It USES a kind of quasi creatures crawling mechanism movement,
3、 high degree of automation, has rich dynamic characteristics. In addition, the crawling robot compared to other robot has more advantages: it can relocate across the relatively large obstacles (such as channel, candy, etc.), on uneven terrain more resilient; Therefore, crawling robot research has be
4、come a striking in robotics research. The design by using solidworks software of mechanical system and the basic methods of virtual design and movement simulation, the parameters of the integrated use of solidworks, the variational modeling technology and downwards on the design train of thought, cr
5、awl crawl robot mechanism virtual modeling and assembly of various parts of the body, finally carries on the simple animation. Key words：Crawling mechanism， 3 d modeling， Motion simulation 目 录1 引言11.1国内外发展动态11.2研究意义42软件介绍52.1用户界面52.2配置管理52.3协同工作52.4装配设计62.5工程图63三维实体造型简述73.1草图73.2实体建模73.3实体特征编辑：84爬行机
6、构的设计104.1 六足爬行机器人爬行机构的设计104.1.1参考图片104.1.2零件体104.1.3总转配体134.2四连杆机构爬行机器人的设计144.2.1参考图片144.2.2零件体144.2.3总转配体175 动画设计195.1动画195.2基本运动195.3运动分析196 典型构件的仿真分析216.1基本介绍216.2所校核零件基本信息226.3设定边界条件256.3.1选取载荷为10N进行分析256.3.2选取载荷为50N进行分析276.3.3选取材料为聚酯树脂载荷为50N进行分析28结论32参考文献33致谢34I1 引言1.1国内外发展动态 机器人按其是否可以移动可以分为固定式
7、机器人和移动机器人。固定式机器人是指固定在某个位置上，机器人不能整体移动，只能移动各个关节。目前运行的绝大多数机器人都是固定式的，他们只能固定在某一位置进行运动，因而其应用范围和功能受到限制。移动机器人能够移动到预定目标，完成相应的操作任务。移动机器人在工业和国防上具有广泛的应用前景，如服务机器人、巡逻机器人、防化侦察机器人、水下作业机器人、飞行机器人等。其中自主式移动机器人是研究最多的一种。自主机器人能够按照预定给出的任务指令，不断感知周围局部环境信息，自主地做出判断，引导自身绕开障碍物，正确安全行驶到达指定目标，并执行要求的动作与操作。与其他移动机器人相比，爬行机器人有如下优点：第一、可以
8、在高低不平的地段上行走；第二、由于脚的主动性，身体不随地面晃动；第三、在柔软的地面上运动，效率不会显著降低。这是因为脚在软地行走时，地面的变形是离散的，至多是损失在一个坑的能量，而且脚还可以利用下沉产生推力，即脚的运动能量变成地面弹性体的位能储存。当脚前进时，这个位能又释放出来，因而可以减少步行机器人动能的损失12。 机器人产生的初衷就是创造出一种像人一样的机器，以便代替人类从事各种工作。随着科学技术的发展，机器人的功能将会越来越完善，与人类的相似程度会越来越近。就机器人的移动方式而言，从固定到轮式滚动到多足爬行最后到直立行走，就像是人类的进化规律一样。 爬行机器人可以通过复杂的地面，实现特殊
9、的要求。爬行机器人的步态与体态的稳定性、周期性和可操作性是其实现稳定运动的基本前提。步态是指在运动过程中，步行者的肢体在时间和空间上的一种协调关系，是移动着的腿的有规律的重复顺序运动。体态是指身体的姿势或形态。自然界中人与各种动物的步态和体态都相差很大，同是动物，由于种类不同，所具有的生物特征也各不相同。现代科技的发展已经让很多的机器人来到我们的身边，不仅有工厂里面的零件加工机器人，还有家庭里的服务型机器人，我们到处可见他们的身影。 根据移动方式的不同可以将移动机器人分为：轮式、足式、飞行式以及履带式。其中，轮式和履带式机器人结构简单，但其运动受环境因素所限，运动能力较弱。而多足爬行机器人能够
10、在不平的路面上稳定行走，可以取代轮式和履带式机器人完成一些非结构性的复杂环境中的作业。足式机器人是根据仿生学原理，结合计算机技术，光电技术，智能控制技术通过机械的方式模仿动物的行走。随着计算机控制技术的进步，多足爬行机器人技术发展得很快。为了瞄准国际机器人技术的前沿，为我国多足爬行机器人研究提供关键方案和支持，开展多足爬行机器人相关理论和技术研究具有重要的科学意义和应用价值。 多足爬行机器人是模仿多足动物运动形式的机器人，是一种足式移动机构。所谓多足一般指四足以上，常见的多足爬行机器人包括四足爬行机器人、六足爬行机器人、八足爬行机器人等。多足爬行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机
11、构,是模仿多足动物运动形式的特种机器人,是一种足式移动机构2。 国内多足爬行机器人的研究成果 我国多足爬行机器人发展的比较晚，直到20世纪末期才开始有所发展。研究初期上海交通大学的研究者做出了比较大的贡献。1991年,上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列四足步行机器人。JTUWM-III是模仿四足哺乳动物的腿外形制成，每条腿有3个自由度,由直流伺服电机分别驱动。在进行步态研究的基础上,通过对3个自由度的协调控制,可完成单腿在空间的移动，进而完成机器人的移动。该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制统，JTUWM-III以对角步态行走，采用力和位置混合控制,实现了四足爬行机器人JTUWM-I
12、II的慢速动态行走，极限步速为1.7km/h。2000年,上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人进行改进,开发出具有全方位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR,如图1.1所示。其第一代的每条腿只有2个自由度,无法实现机器人的转向,只能进行直线式静态步行,平均行走速度为1mm/s。改进后采用新型的组合偏动SMA驱动器,使新一代的微型双三足步行机器人MDTWR具有全方位运动能力。 2002年,上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人的研究，如图1.2所示。该步行机器人外形尺寸为：长30mm,宽40mm，高20mm,质量仅为6.3kg,步行速度为3mm/s
13、。他们在分析六足昆虫运动机理的基础上，利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸，采用微型直流电机、蜗轮蜗杆减速机构和皮带传动机构，在步态和稳定性分析的基础上，进行控制系统软、硬件设计，步行实验结果表明,该机器人具有较好的机动性。 2003年哈尔滨工程大学的孟庆鑫、袁鹏等进行了两栖仿生机器蟹的研究，从两栖仿生机器蟹的方案设计到控制框架构建，研究了多足爬行机器人的单足周期运动规律，提出适合于两栖仿生机器蟹的单足运动路线规划方法，并从仿生学角度研究了周期性节律性的多足步行运动的控制问题，建立了生成周期运动的神经振荡子模型。国外多足步行机器人的研究成果1990年,美国卡内基-梅隆大学研制出用于外星探测的六足
14、步行机器人AMBLER。该机器人采用了新型的腿机构，由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成,两杆正交。该机器人由一台32位的处理机来规划系统运动路线、控制运动和监视系统的状态，所用传感器包括彩色摄像机、激光测距扫描仪、惯性基准装置和触觉传感器。总质量为3180kg，由于体积和质量太大，最终没被用于行星探测计划。 1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足爬行机器人DANTE,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其改进型DANTE-II也在实际中得到了应用 19962000年,美国罗克威尔公司在DARPA资助下，研制自主水下爬行机ALUV(AutonomousLe
15、ggedUnderwaterVehicle)，如图5所示。其模仿螃蟹的外形，每条腿有两个自由度，具有两栖运动性能，可以隐藏在水下面，在水中爬行，当风浪太大时，将脚埋入沙中。它的脚底装有传感器，用于探测岸边的地雷，当遇到水雷时，自己爆炸引爆水雷。 在对昆虫步态进行研究的基础上，2000年美国研制出六足仿生步行机器人Biobot，如图6所示。为了使机器人在凸凹不平地面上仍能高速和灵活步行，采用气动人工肌肉的方式，采用压缩空气驱动气动动作器，进而驱动各关节，使用独特的机构来模仿肌肉的特性。与电机驱动相比，该作动器能提供更大的力和更高的速度。 日本对多足爬行机的研究从20世纪80年代开始，并不断进行着各种技术创新，随着计算机和控制技术的发展，其机械结构由简单到复杂，功能由单一功能到组合功能，并已研究出各种类型的爬行机。主要有四足爬行机、爬壁机器人、腿轮分离型爬行机器人和手脚统一型爬行机器人。现在日本机器人技术和研究已经处于世界先进水平，已经研制出仿人型机器人，并且智能化程度很高。1.2研究意义 机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一，人类对于机器人的研究由来已久。上世纪70年代之后，随着计算机技术、传
