仿生機器蟹本體設計——胸足部分.doc

安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） - I - 仿生機器蟹本體設計胸足部分 機器人發(fā)展水平體現出一個國家科技水平,仿生機器人是未來機器人發(fā)展方向。本 課題是仿生物蟹機器人設計,使我們對機器人設計有更深地了解。 此次設計以實體生物蟹為原型,對其生物學結構,運動進行觀察分析。根據所學知識 對其進行仿生設計，運動模擬。首先觀察生物蟹，分析其運動特點；測量出胸部部分 的數據，進行分析；設計出可以實現其各種運動的方案，擇優(yōu)后再確定驅動系統(tǒng)、傳 動系統(tǒng)、執(zhí)行機構等；然后利用 UG NX 6.0 對其進行建模，裝配，導出 AUTOCAD 工 程圖，確定各零件的尺寸。論文中包括對驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、軸的設計和校核，通 過本次設計，我提高設計機械產品的能力。 通過本課題的設計，我更深入地學習了專業(yè)知識，掌握了機械產品設計的基本方 法和步驟。更熟練地運用 UG NX 6.0 、AUTOCAD 軟件進行設計，鍛煉我們解決工程 實際問題的能力，提高了獨立開發(fā)機械產品的能力。使我們提前熟悉開發(fā)部和生產部 的操作流程。在設計過程中學會多思考、多請教、多查閱資料的良好習慣。 關鍵詞：機器蟹；仿生；本體設計；胸足 張引：仿生機器蟹本體設計胸足部分 - II - Crab-like Robots Mechanic DesignFoot Part of The Chest Abstract Robots level of development can reflects a countrys technological level,The biomimetic robotics will be the future robots development direction.This issue is abut a robot design which is a imitation of biological crab,and gives us a better understanding of robot design. This design take the entity biology crab as a prototype,carries observation and analysis on its biology structure and movement, carry on the biological modelling design and movement simulation to it,according to the studies we have learned.First I observe the biological crab,analyze its movement characteristic;Measure the chest size and then analyze the data,Design the program which can achieve its various campaigns, determined drive system ,transmission system and implementing agencies after selecting the best program;and then modeling and assembly by UG NX 4.0,export its AUTOCAD drawings, determine the size of each part.The thesis includes the design and verification of drive system, transmission system, axis,through this design, I improve my design capacity of mechanical products. Through this topic design,I studied the Professional knowledge thoroughly,Mastered the basic methods and the steps of mechanical product design.This design made me more skilled in using UG NX 4.0 and AUTOCAD software and more familiar with the Operational processes of development department and production department ,Strengthened our ability to solve practical engineering problems,improved the capacity of developing machinery and taught me the good custom of multi-ponders,to consult and the multi-consult material. Key words: Robotic crab；Bionic；Ontology design；Pereiopods 安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） - III - 目錄 引 言 .1 第一章 緒 論 .2 1.1 仿生機器人概述 .2 1.2 仿生機器人研究現狀及發(fā)展 .2 1.3 仿生機器人研究意義 .6 第 2 章 螃蟹的觀察分析 .7 2.1 觀察分析 .7 2.2 實測螃蟹胸足數據 .7 2.3 螃蟹胸足自由度的分析 .8 第 3 章 驅動系統(tǒng)的選擇 .9 3.1 常用驅動裝置的比較 .9 3.2 伺服電機選擇原則 .9 第 4 章 傳動機構 .12 4.1 擬定幾種傳動方案并比較 .12 4.2 蝸桿的設計 .13 第 5 章 執(zhí)行機構的設計 .16 5.1 胸足總體結構及工作原理 .16 5.2 夾持部分的設計 .16 5.3 關節(jié)的設計 .19 第六章 重要零件的設計與校核 .25 6.1 軸 1 的設計及校核 .25 6.2 軸 2 的設計與校核 .31 6.3 曲柄的極限位置 .34 結論與展望 .35 致 謝 .36 參考文獻 .37 附錄 A 外文文獻及翻譯 .38 英文原文 .38 譯文 .43 附錄 B：主要參考文獻題錄及摘要 .50 張引：仿生機器蟹本體設計胸足部分 - IV - 插圖清單 圖 1.1 仿生機器人分類 .4 圖 2-1 螃蟹實物圖片 .9 圖 5-1 胸足裝配圖 .18 圖 5-2 胸足夾持部分 .20 圖 5-3 鰲內部結構 .21 圖 5-4 胸足下部分關節(jié)的 UG 建模 .23 圖 5-5 胸足下部分關節(jié)的零件圖 .23 圖 5-6 胸足連接身體部分的 UG 建模 .24 圖 5-7 胸足連接身體部分的零件圖 .24 圖 5-8 蟹鰲部分的 UG 建模 .25 圖 5-9 蟹鰲部分的零件圖 .25 圖 5-10 胸足根部零件圖 .26 圖 6-1 軸 1 零件圖 .27 圖 6-2 軸的載荷分析圖 .28 圖 6-4 軸 2 的零件圖 .33 圖 6-5 軸 2 彎矩圖 .33 圖 6-6 軸 2 扭矩圖 .34 圖 6-7 曲柄極限位置計算分析圖 .36 安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） - V - 插表清單 表 2-1 實測蟹胸足數據 .9 表 2-2 分析得出螃蟹胸足數據 .10 表 6-1 軸 1 截面的彎矩扭矩數值表 .29 表 6-2 軸 2 截面的彎矩扭矩數值表 .34 安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） - 1 - 引 言 人們對機器人的幻想與追求已有 3000 多年的歷史,人類希望制造一種像人一樣的機 器,以便代替人類完成各種工作. 1959 年,第一臺工業(yè)機器人在美國誕生,近幾十年,各種用 途的機器人相繼問世,使人類的許多夢想變成了現實.隨著機器人工作環(huán)境和工作任務的 復雜化,要求機器人具有更高的運動靈活性和在特殊未知環(huán)境的適應性,機器人簡單的輪 子和履帶的移動機構已不能適應多變復雜的環(huán)境要求.在仿生技術、控制技術和制造技 術不斷發(fā)展的今天,仿人及仿生物機器人相繼被研制出來,仿生機器人已經成為機器人家 族中的重要成員. “仿 生 機 器 人 ”是 指 模 仿 生 物 、 從 事 生 物 特 點 工 作 的 機 器 人 。 目 前 在 西 方 國 家 ， 機 械 寵 物 十 分 流 行 ， 另 外 ， 仿 生 機 器 人 可 以 擔 任 環(huán) 境 監(jiān) 測 的 任 務 ， 具 有 廣 闊 的 開 發(fā) 前 景 。 二 十 一 世 紀 人 類 將 進 入 老 齡 化 社 會 ， 發(fā) 展 “仿 人 機 器 人 ”將 彌 補 年 輕 勞 動 力 的 嚴 重 不 足 ， 解 決 老 齡 化 社 會 的 家 庭 服 務 和 醫(yī) 療 等 社 會 問 題 ， 并 能 開 辟 新 的 產 業(yè) ， 創(chuàng) 造 新 的 就 業(yè) 機 會 。 在兩棲作戰(zhàn)中利用高機動性機器人執(zhí)行高危險性的作戰(zhàn)任務，成為各國軍事技術 專家研究的一個熱點。具有高度機動能力、能夠攜帶有效任務載荷的機器人對于未來 兩棲戰(zhàn)場提高作戰(zhàn)效能、減少人員傷亡、降低政治敏感度都有十分重要的意義。集機 械化、信息化、機動化、隱身化、智能化為一體的機器人作戰(zhàn)平臺將成為未來戰(zhàn)爭的 主要力量，它的研制和使用必將帶來兩棲作戰(zhàn)的一場革命。 相信建立一種面向未來兩棲作戰(zhàn)的仿生型微小型機器人作戰(zhàn)平臺，對于追蹤國外 先進軍事科技，提高國防和海軍作戰(zhàn)能力有極其重要的意義。 張引：仿生機器蟹本體設計胸足部分 - 2 - 第一章 緒 論 1.1 仿生機器人概述 簡單地說,仿生機器人就是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機能的機器人系統(tǒng). 從本質上來講,所謂“仿生機器人”就是指利用各種機、電、液、光等各種無機元器件 和有機功能體相配合所組建起來的在運動機理和行為方式、感知模式和信息處理控制 協(xié)調和計算推理、能量代謝和材料結構等多方面具有高級生命形態(tài)特征從而可以在未 知的非結構化環(huán)境下精確地、靈活地、可靠地、高效地完成各種復雜任務的機器人系 統(tǒng).按照所模仿的運動機理、感知機理、控制機理及能量代謝和材料組成的不同,劃分仿 生機器人的主要研究內容如圖 1.1 所示.其中運動仿生下的劃分也可看作基于不同運動 機理的仿生機器人分類 1。 圖 1.1 仿生機器人分類 1.2 仿生機器人研究現狀及發(fā)展 隨著工業(yè)生產的發(fā)展，自動化程度逐漸提高。早期，為提高工業(yè)生產的機械化、 自動化水平，在生產中采用了一些程序固定的裝卸工件或工具的裝置。從六十年代開 安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） - 3 - 始在一些先進工業(yè)國家中電子工業(yè)和工業(yè)自動化技術發(fā)展很快，采用了生產自動線、 數控機床、電子計算機、群控等先進技術。七十年代，又開始出現工業(yè)企業(yè)整體管理 自動化的生產系統(tǒng)(系統(tǒng)工程)。為適應工業(yè)高度自動化的需要，國外迅速發(fā)展起一種新 的程序控制自動化裝置工業(yè)機器人 Robot，它具有獨立的機體及控制裝置，具有可自 由改變程序的多個自由度的運動，裝備有手爪或工具，可代替人作一些搬運、上下料 以及噴漆、熱處理、焊接等工作。工業(yè)機器人的靈活性、通用性強。由于生產和科技 發(fā)展的需要，要求擴大人的能力。工業(yè)機器人在工作準確性，工作速度、負荷能力、 耐久性，前后一致性等技術方面提高和擴大了人的能力;在社會經濟方面，工業(yè)機器人 可代替人在危險及惡劣環(huán)境中完成人的體力所難以完成的工作，例如，隨著原子能的 利用和空間科學技術的發(fā)展，在一些場合，人們常常需要在對人體有危險的條件下工 作(如宇宙空間，放射性區(qū)域、高溫、高壓等)，這些工作只有應用機器人才能完成。工 業(yè)機器人可以部分地代替人進行某些笨重及重復性工作，把工人從重復，單調的工作 中解放出來，對改善勞動條件，保障工人安全、提高產品質量和生產效率有顯著效果。 在機械加工工業(yè)中，物料的運輸、傳送，貯存所占時間比重很大。據統(tǒng)計，機床上下 料、工序間搬運占總工時圣左右，這些薄弱環(huán)節(jié)的自動化必然會大大提高生產率。工 業(yè)機器人的采用可使昂貴、復雜、高效的設備(數控機床，生產系統(tǒng))得到最大限度的利 用，充分發(fā)揮其作用，在系統(tǒng)工程中必須采用機器人才能與系統(tǒng)中的高度自動化裝置 及電子計算機相配合，總之，生產和科技的發(fā)展迫切需要采用工業(yè)機器人。目前生產 和科技的發(fā)展水平也為工業(yè)機器人的發(fā)展提供了必要的條件。工業(yè)機器人是中小批量 生產實現生產自動化的一個重要手段，它的應用必將迅速提高生產自動化的技術水平， 極大地提高勞動生產率，此外在宇宙探索、海洋開發(fā)和軍事技術中也有很大潛力，對 加速實現我國四個現代化有相當的作用。 水下機器人由于其所處的特殊環(huán)境,在機構設計上比陸地機器人難度大.在水下深度 控制、深水壓力、線路絕緣處理及防漏、驅動原理、周圍模糊環(huán)境的識別等諸多方面 的設計均需考慮.以往的水下機器人采用的都是魚雷狀的外形,用渦輪機驅動,具有堅硬的 外殼以抵抗水壓.由于傳統(tǒng)的操縱與推進裝置的體積大、重量大、效率低、噪音大和機 動性差等問題一直限制了微小型無人水下探測器和自主式水下機器人的發(fā)展.魚類在水 下的行進速度很快,金槍魚速度可達 105km/h,而人類最快的潛艇速度只有 84km/h.所以 魚的綜合能力是人類目前所使用的傳統(tǒng)推進和控制裝置所無法比擬的,魚類的推進方式 已成為人們研制新型高速、低噪音、機動靈活的柔體潛水器模仿的對象.仿魚推進器效 率可達到 70% 90%,與水的相對速度比螺旋槳推進器小得多,有效地解決了噪音問題.美 國麻省理工學院和日本都研制出了仿魚機器人.在國內,中科院沈陽自動化研究所和北京 航空航天大學機器人研究所已研制了機器魚樣機.就是北京航空航天大學機器人研究所 研制的機器魚樣機 2。 美國羅克威爾公司和 IS 機器人公司研制的掃雷機器蟹 3,得到了美國國防高級研究 計劃局及海軍研究局的資助.這種掃雷機器蟹可以隱藏在海浪下面,在水中行走,也可以通 過振動,將整個身子隱藏在泥沙中.掃雷機器蟹長約 560mm,重 10. 4kg.它還裝備了多個狀 態(tài)傳感器和集成的控制系統(tǒng),并且每條腿都具有 2 個運動自由度,當地形改變時,通過這些 系統(tǒng)可迅速地調整機器人的姿態(tài)和運動方式,使機器人能穩(wěn)定、迅速地到達目標區(qū)域.當 遇到水雷時,就把它抓住,等待控制中心的命令.一旦收到信號,就會自己爆炸,同時引爆水 雷. 水下機器魚和機器蟹的靈活性遠遠高于現有的潛艇,幾乎可以達到水下任何區(qū)域, 張引：仿生機器蟹本體設計胸足部分 - 4 - 由人遙控,它可輕而易舉地進入海底深處的海溝和洞穴,可用于測繪海洋地圖,檢測水下污 染,拍攝海洋生物.也可以悄悄地溜進敵方的港口,進行偵察而不被發(fā)覺.作為軍用偵察和 科學探索的工具,其發(fā)展和應用的前景十分廣闊 4. 1.空中仿生機器人 空中機器人即具有自主導航能力,無人駕駛的飛行器.這類機器人活動空間廣闊、運 動速度快,居高臨下而不受地形限制.在軍事、森林火災以及災難搜救中,前景極好.其飛 行原理分為:固定翼飛行、旋翼飛行和撲翼飛行 .目前國內外廣泛關注的微型飛行器側重 于撲翼機的研究.它模仿鳥類或昆蟲的撲翼飛行原理,將舉升、懸停和推進功能集于一個 撲翼系統(tǒng),可以用很小的能量做長距離飛行,同時具有較強的機動性,適合于長時間無能源 補給及遠距離條件下執(zhí)行任務. 美國加州大學伯克利分校的科學家們利用仿生學原理制造出了世界上第一只能飛 翔的“機器蠅” 5.他們利用一種類似玻璃紙的原料聚酰亞胺,造出了只有長 10mm,寬 3mm,厚 0. 005mm 的仿生翅膀 .它能夠每秒鐘扇動 150 下,而且還讓機器蠅實現了綁在一 根細線上的半自主飛行.其重量只有 0. 1g,身高不到 30mm,在 100m 上空飛行,人們用肉 眼幾乎發(fā)現不了它,而它卻可以拍出極為清晰的照片傳回來.美國五角大樓對有望成為 “微型間諜”的機器蠅極為重視,設想機器蠅在未來戰(zhàn)爭中,可以進行空中偵察,甚至可以帶 上微型炸藥,襲擊指定目標.在未來的機器蠅身上,將安裝許多傳感器和微型攝像機,可以 用來發(fā)現森林火災,在災難中搜尋廢墟中的幸存者 2.地面仿生機器人 美國、日本、德國、英國、法國等國家都開展了蛇形機器人的研究,并研制出許多 樣機.日本東京大學的 Hirose 教授從仿生學的角度,在 1972 年研制了第一臺蛇形機器人 樣機.美國卡內基- 梅隆大學近日研究出一種可以攀爬管道的蛇形機器人,這種蛇形機器 人大部分由輕質的鋁或塑料組成,最大也只有成人手臂大小.機器人配有攝像機和電子傳 感器,可以接受遙控指揮.蛇形機器人可以成功上下一根塑料并可以跨越廢墟碎片間的巨 大空隙以及在草叢中來去自由.讓蛇形機器人在坍塌廢墟中穿梭,能更快地找到幸存者,為 災難救援工作帶來了技術突破.在國內,上海交通大學、中科院沈陽自動化研究所、國防 科技大學等單位相繼研制出了蛇形機器人樣機.是國防科技大學研制的蛇形機器人樣機 6. 這條長 1200mm,直徑 60mm,重 1. 8kg 的機器蛇,能扭動身軀 ,在地上或草叢中蜿蜒爬行, 可前進、后退,轉彎和加速,最大前進速度可達 20m/min,披上特制的“蛇皮” 后還能像蛇一 樣在水中游泳.機器蛇頭部安裝有視頻監(jiān)視器,可以將機器蛇運動前方的情況實時傳輸到 電腦中,科研人員則可根據實時傳輸的圖像觀察運動前方的情景,不斷向機器蛇發(fā)出各種 遙控指令. 2001 年美國科學家經過對壁虎腳掌的研究,認為壁虎等爬壁生物能夠在各種表面 無障礙地運動,其腳掌與接觸面之間的接觸力是分子間作用力.基于分子間作用力的吸附 機制,與真空吸附和磁吸附相比在航天領域有著明顯的優(yōu)勢.例如,在人造衛(wèi)星表面工作的 小型機器人,與衛(wèi)星表面的吸附連接不能依靠負壓吸附,也不能依靠磁力吸附,而如果能夠 研制出像壁虎那樣基于分子間作用力吸附的機器人腳掌,那么這種機器人的實現就簡單 多了.如圖 5 所示是美國斯坦福大學的一個研究小組在 2006 年開發(fā)出的一種仿壁虎機器 人,稱為 Stickybot7. Stickybot 具有 4 只粘性腳,每個腳有 4 個腳趾,趾底長著數百萬個極 其微小的由人造橡膠制成的人造絨毛用于粘附.每個腳趾都有腳筋,腳筋可以實現腳趾的 外翻與展平,每個腳上的 4 個腳筋可以聯(lián)動,可輕松實現腳與附著面的吸附與脫離.壁虎的 腿是四桿機構,依靠一個電機實現腿的前后移動,并借助另外一個電機實現四桿機構平面 的轉動從而實現抬腿動作.此外,有一個電機實現壁虎腳趾的驅動. Stickybot 從吸附原理、 安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） - 5 - 運動形式,機器人外形上都比較接近真實的壁虎.受壁虎的啟發(fā),美國擬開發(fā)爬行手套和爬 行鞋,完成攀登救援等工作.國內北京航空航天大學和南京航空航天大學仿生結構與材料 防護研究所合作也在進行與仿壁虎機器人相關的研究. 3.仿人機器人 自 1983 年以來,美國研制出一系列 7 自由度擬人單臂和雙臂一體機器人,并已用于 空間站實驗。 1986 年美國猶他州大學工程設計中心研制成功了著名的 UTAHMIT 靈巧手,該手有 4 指,拇指 2 關節(jié),其余 3 指各有 3 關節(jié),手指關節(jié)繩索驅動并設有張力傳感器. 1990 年由 貝爾實驗室完成了靈巧手的軟硬件控制系統(tǒng),并模擬人手的拿、夾、抓、握物體等多種 動作進行了實驗. 1992 年日本進行多指仿人手臂真實作業(yè)的研究,系統(tǒng)由主從手臂及傳 感控制系統(tǒng)組成,其靈巧手有 4 指,每指有 3 個關節(jié),手具有 14 個自由度.隨著多指靈巧手 研究的發(fā)展,具有靈巧手的仿人臂及其系統(tǒng)的研究愈來愈受到重視.日本本田公司和大阪 大學聯(lián)合推出的 P1、P2 和 P3 型仿人步行機器人,將仿人機器人的研究推向一個嶄新的 高度.在 P3 的基礎上本田公司又研制了“Asimo” 智能機器人 8.“Asimo”機器人高 1. 2m, 體重 43kg,它可以爬樓梯,以 6km/h 的速度奔跑,可以識別各種各樣的聲音,還能夠通過頭 部照相機捕捉到的畫面和事先設計好的程序識別人類的各種手勢運動以及 10 種不同的 臉型,可以和人手拉著手走路,使用手推車搬運物品等.國內一些科研院所也進行了仿人機 器人的研究.北京航空航天大學機器人研究所在國家863智能機器人主題支持下,研制 出了能實現簡單抓持和操作作業(yè)的 3 指 9 自由度靈巧手.哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所 研制了高靈活性的仿人手臂及擬人雙足步行機器人,其仿人手臂具有工作空間大、關節(jié) 無奇異姿態(tài)、結構緊湊等特點,通過軟件控制可實現避障、回避關節(jié)極限和優(yōu)化動力學 性能等.雙足步行機器人為關節(jié)式結構,具有 12 個自由度,可以完成仿人步行的動作. 4.生物機器人 生物機器人即活體生物的人工控制,是生物學、信息學、測控技術、微機電系統(tǒng)技 術高度發(fā)展并互相結合的產物.世界各國早已開展利用動物作戰(zhàn)的研究,如訓練狗鉆入敵 方要地將其炸毀,或利用海豚偵察潛艇等.現在更多的國家都在研究將微型傳感器安裝到 動物的身上,使其進入人類無法到達的地方.1995 年,日本東京大學的 Shimoyama 教授領 導的課題組研究蟑螂的控制技術,即把蟑螂頭上的探須和翅膀切除,插入電極和微處理器 以及紅外傳感器,通過遙控信號產生電刺激,使蟑螂向特定的方向前進 9. 2002 年,美國紐 約州立大學通過在老鼠體內植入微控制器,成功實現對老鼠的轉彎、前進、爬樹和跳躍 等動作的人工控制.國內的南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所在研制仿壁虎 機器人的同時也在研究壁虎的人工控制技術,把微電極植入壁虎體內,通過電刺激模擬神 經,來控制其運動. “機器人產業(yè)在二十一世紀將成為和汽車、電腦并駕齊驅的主干產業(yè)。 ”從龐大的工 業(yè)機器人到微觀的納米機器人，從代表尖端技術的仿人型機器人到孩子們喜愛的寵物 機器人，機器人正在日益走近我們的生活，成為人類最親密的伙伴。機器人技術和產 業(yè)化在中國具有一定的現實基礎和廣闊的市場前景。 開展機器人研究和參與各項競賽活動，旨在進一步加強未成年人思想道德教育， 提高廣大青少年的科學素養(yǎng)，發(fā)展自身潛能，引導更多的大中小學生關注科技、熱愛 科技、走進科技，涌現出更多的未來科學家和未來工程師。在積極推進基礎教育和高 等教育改革的過程中，滲透科學技術教育，努力培養(yǎng)大中小學學生的實踐能力和創(chuàng)新 精神，造就適應 21 世紀全球科技、經濟發(fā)展需要的新一代。 機器人大賽不但能吸引一大批電子信息產業(yè)制造商、銷售商、金融投資機構和技 張引：仿生機器蟹本體設計胸足部分 - 6 - 術服務機構提供產品和服務，而且還促進了知名科研機構、高等院校與高科技企業(yè)的 合作交流，共同發(fā)展。通過大賽期間舉辦學術研討等活動，眾多專家學者齊聚一堂， 探討我國自動化技術和信息技術的發(fā)展趨勢，為推動產業(yè)發(fā)展出謀獻策，領銜助跑。 仿生機器蟹是仿生機器人中的一種，在現代的軍事偵察和海底探險這些復雜的危 險工作中可以起到主力軍的作用。 1.3 仿生機器人研究意義 從仿生學的角度來看,仿生機器人是仿生學技術的完美綜合與全面應用機器人是一 門涉及到力學、機構學、控制學、計算機科學、信息科學、光學、微電子學、傳感技 術、驅動技術、人工智能、仿生學等諸多學科在內的以實際應用為主要目的的綜合學 科.因此,它本身的發(fā)展和進步在很大程度上依賴于相關學科的研究水平和技術成熟程度. 仿生學的研究目的就是研究生命的結構、能量轉換和信息流動等過程,并利用電子、機 械、化學等技術對這些過程進行模擬,從而改善現有的或創(chuàng)造出嶄新的自動化裝置.仿生 機器人的研制狀況和應用程度則根本取決于以仿生學為核心的相關學科的研究進展.運 動仿生、感知仿生、控制仿生、能量仿生、材料仿生等諸多基礎的仿生學技術的深入 研究和進步是仿生機器人研制和應用的理論基礎與技術前提.仿生機器人是機器人發(fā)展 的最高階段,它既是機器人研究的最初目的,也是機器人發(fā)展的最終目標之一。 通過本課題的設計，使我們綜合運用所學的專業(yè)知識，掌握機械產品設計的基本 方法和步驟，熟練運用 UG、AUTOCAD 軟件進行設計，鍛煉了我們解決工程實際問 題的能力，初步具備獨立開發(fā)機械產品的能力。使我們提前熟悉開發(fā)部和生產部的操 作流程。鍛煉我們鉆研、吃苦的精神。 安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） - 7 - 第 2 章 螃蟹的觀察分析 2.1 觀察分析 蟹類動物的生存常常依賴于其帶有關節(jié)的足的有效運動，蟹類在運動時，以爬行 為主，僅少數種類能游泳。如圖 2-2 所示，螃蟹有 5 對胸足，第一對末端呈鉗狀稱為 鰲足，主要用于捕食，防御和攻擊，后 4 對統(tǒng)稱為步足，主要用于爬行或游泳，是螃 蟹的行走器官。大多數海蟹，如三虎梭子蟹，其最后一對步足寬扁似槳，此類螃蟹的 爬行運動主要依靠前三對步足來完成。螃蟹具有典型的外骨骼結構，且骨化特征非常 明顯。 圖 2-1 螃蟹實物圖片 2.2 實測螃蟹胸足數據 表 2-1 實測蟹胸足數據 序號 長度（cm） 直徑 (cm) 1 5.0 2.6 2 2.0 1.8 張引：仿生機器蟹本體設計胸足部分 - 8 - 3 2.4 0.8 由于螃蟹實際尺寸太小，與設計用的標準件尺寸矛盾，所以把螃蟹尺寸適當增大， 增大后的尺寸如下表: 表 2-2 分析得出螃蟹胸足數據 序號 長度（cm） 寬（cm） 1 22 5.2 2 15 3.5 3 5.7 2.0 2.3 螃蟹胸足自由度的分析 螃蟹胸足上的關節(jié)，相當于機構中的運動副。由于雙顆狀突起關節(jié)只允許相鄰兩 骨節(jié)產生繞某一軸線的相對轉對，單單自由度，因而屬于轉動副，而且這一軸線通過 構成關節(jié)的兩個關節(jié)頭的中心，因此，螃蟹的每條胸足是有 6 個轉動副聯(lián)接各骨節(jié)構 成的一個開式運動鏈。其中的兩個鰲足各為一個 6R 機械手。 鰲足的機械手的自由度： （2-1x PiFf 1） 說明其末桿在一定范圍內，若各關節(jié)的轉角不受限制，也可以實現任意的位置和 姿態(tài)。 但是，由于螃蟹在長期的生存過程中，有部分關節(jié)已經退化，使得其結構已經緊 緊的結合在一起，如：其座節(jié)和基節(jié)已經固定在一起了。所以就目前所觀察和了解的 螃蟹而言，螃蟹胸足已經簡化為 3 自由度。故本課題所研究的為 3 自由度的仿生機器 蟹胸足的運動學分析及仿真。 安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） - 9 - 第 3 章 驅動系統(tǒng)的選擇 3.1 常用驅動裝置的比較 驅動裝置是帶動臂部到達指定位置的動力源。通常動力是直接或經電纜、齒輪箱 或其他方法送至臂部。目前使用的主要有四種驅動方式：液壓驅動、氣壓驅動、直流 電機驅動和步進電機驅動。交流電機驅動是新近發(fā)展起來的一種驅動方法。 （1） 液壓式：其驅動系統(tǒng)由油缸，電磁閥，油泵和油箱等組成。其特點是操作力大， 體積小，動作平穩(wěn)，耐沖擊耐振動。但漏油對系統(tǒng)的工作性能影響大。與氣壓 式相比成本高。 （2） 氣壓式：其驅動系統(tǒng)是由氣缸，氣閥，空氣壓縮機（或氣壓站直接供給）和儲 氣罐等組成。其特點是起源方便，維修簡單，易于獲得高速度，成本低，防火 防爆，漏氣對環(huán)境無影響，有沖擊，臂力一般不超過 300 牛頓。 （3） 電器式：其驅動系統(tǒng)一般由電機驅動。優(yōu)點是電源方便，信號傳遞運算容易， 響應快，驅動力較大，適用于中小型機器人，但是必須使用減速裝置（如齒輪 減速器，諧波齒輪減速器等） ，所需要的電機有步進電機，DC 伺服電機和 AC 伺服電機等。 （4） 機械式：其驅動系統(tǒng)由電機，凸輪，齒輪齒條，連桿等機械裝置組成。傳動可 靠，適用于簡單的機械手。 綜上分析：因為機器蟹尺寸較小，質量較輕，且要求響應快，驅動力較大的特點。 其驅動系統(tǒng)選擇電器式驅動。使用伺服電機為其提供動力。 3.2 伺服電機選擇原則 伺服電機，按照通常的區(qū)分劃分為步進電機、直流有刷伺服電機、直流無刷伺服 電機、交流伺服電機，隨著科技的日益進步，許多特種伺服電機應運而生，比如壓電 陶瓷電機、直線電機以及音圈電機，在這里我們主要講講通常意義下伺服電機的選擇。 選擇什么樣的伺服電機，在很大程度上取決于負載的物理特性，負載的工作特性、 系統(tǒng)要求以及工作環(huán)境。一旦系統(tǒng)要求確定后，無論選擇何種形式的伺服電機，首先 要考慮的是選擇多大的電機合適，主要考慮負載的物理特性，包括負載扭矩、慣量等。 在伺服電機中，通常以扭矩或者力來衡量電機大小，所以選電機首先要計算出折算到 電機軸端負載扭矩或者力的大小。計算出扭矩以后需要留出一部分余量，一般選擇電 機連續(xù)扭矩=1.3 倍負載扭矩，這樣能保證電機可靠的運行。除此外還需要計算折算到 軸端負載慣量的大小，一般選擇負載慣量：電機轉子慣量<5：1，以保證伺服系統(tǒng)響應 的快速性。如果出現電機和負載之間慣量，扭矩不匹配的情況，那么只能犧牲速度， 在電機和負載間增加減速機了，這時你需要權衡。 選擇出用多大扭矩的電機后，需要做的是了解負載的工作特性和工作環(huán)境。負載 張引：仿生機器蟹本體設計胸足部分 - 10 - 的工作特性包括如負載是高速還是低速運行，加速度需要達到多少，是否需要頻繁起 停，頻率需要達到多少，系統(tǒng)運行精度等等。這時選擇伺服電機也并沒有什么特定的 規(guī)律可循，關鍵的是你所選擇的電機必須適應你負載運動的工作要求。比如在系統(tǒng)精 度要求不高、運動速度在幾百轉以下（不超過 500 轉）但不至于過低（大于 1 轉） ，不 需要頻繁起停的情況下，步進電機是一種很好的選擇。 這是因為步進電機開環(huán)控制，控制精度低，速度太高，電機扭矩會下降的很快， 將帶不動負載，速度過低會出現轉動不連續(xù)的爬行現象，而且步進電機的響應也不快， 不適合頻繁啟動的應用場合。當運動速度幾轉到 3000 多轉以下時，控制精度相對要求 較高，可以選擇直流或者交流伺服電機。一般情況下，交流伺服電機低速特性不如直 流伺服電機，如果負載工作于較低速，建議選擇直流伺服電機。而有刷直流電機由于 存在電刷換相，會有換相環(huán)火產生，在真空防暴水下等場合是不能使用的，并且由于 環(huán)火使電機軸膨脹以及傳導給連接部件，在系統(tǒng)精度要求高的場合也不能使用?，F在 工業(yè)應用中廣泛應用的交流伺服電機為交流永磁同步電機，由于其在額定轉速以下呈 現的恒扭矩特性，所以多用于負載扭矩恒定或者變化不大的場合，比如機床進給系統(tǒng)。 選擇是相對的，同一種應用，可以用交流也可以用直流，有時取決于環(huán)境，比如有的 機器人項目，交流電源相對而言比較難得到，那就只能用直流伺服電機了。還有許多 特殊應用場合，常規(guī)意義的伺服電機是很難完成任務的，比如超低速平穩(wěn)運行，有的 甚至低到每年幾轉，一般的伺服電機完成不了這個要求，只能選擇力矩電機來完成任 務了。又比如需要頻繁起停、快速響應、高加速度，普通伺服也很難滿足要求，一般 交流伺服電機帶負載頻繁起停頻率不會高于 5HZ，而直線電機就不一樣了，可以做到 高加速度有的達 30G，起停頻率可到 20HZ。選擇電機唯一的規(guī)律就是了解負載特性， 了解工作環(huán)境，了解電機特性，只有這樣才能選擇合適的伺服電機。 伺服電驅動技術是最成熟、應用最廣泛的一種驅動方式。從電機的靜態(tài)剛度、動 態(tài)剛度、加速度、線性度、維護性、噪音等技術指標來看，電驅動的綜合性能比氣壓 驅動要好。近年來，微型驅動器和減速器的發(fā)展為仿生機器人驅動系統(tǒng)的微型化和集 成化創(chuàng)造了條件?？紤]到工程應用實際，和現有的技術條件，我們采用伺服電機驅動 方式。 在完成了關節(jié)傳動機構的設計和驅動方式的選擇后，單腿的長度和基節(jié)，脛節(jié)， 骨節(jié)的長度比例的確立是步行足設計的又一內容。設計中，我們主要從仿生模型的輕 動性角度予以考慮的。 輕動性是指步行機構行走時的輕巧省功，即以少量的能量消耗走遠的路程。采用 比耗作為其評價指標，見式(3-1)。 （3-*QWSPTVW 1） 式中： -比耗， J/kg m Q-能耗，J W-行走重量，kg S-路程，m P-平均功率，J/s V-軀體平均速度，即單位重量單位距離所需要的功，m/s 選定的電機參數如下: 安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） - 11 - 表 3-1 電機參數 電機直徑 16mm 減速器直徑 16mm 長度 71.2mm 重量 67g 空載轉速 1400rpm 額定功率 45W 最大輸出扭矩 544mNm 工作電壓 24V 減速器減速比 84:1 張引：仿生機器蟹本體設計胸足部分 - 12 - 第 4 章 傳動機構 4.1 擬定幾種傳動方案并比較 4.1.1 方案一：帶傳動 帶傳動是一種撓性傳動。帶傳動的基本組成零件為帶輪（主動帶輪和從動帶輪）和 傳動帶。當主動帶輪轉動時，利用帶輪和傳動帶間的摩擦或嚙合作用，將運動和動力 通過傳動帶傳遞給從動輪。帶傳動具有結構簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉和緩沖吸振等 特點，在近代機械中應用廣泛。 但是帶傳動外廓尺寸較大、需要張緊裝置、不能保證固定不變化的傳動比、壽命較 短。 4.1.2 方案二 ：齒輪傳動 齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應用廣泛，傳遞的功率可達 數十萬千瓦，圓周速度可達 200m/s。 齒輪傳動的主要特點有： 1) 效率高 2）結構緊湊 3）工作可靠、壽命長 4）傳動比穩(wěn)定 但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場 合。 4.1.3 方案三：蝸桿傳動 蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構，兩軸線交錯的夾 角可以為任意值，常用的為 90 度，這種傳動由于具有下述特點，故應用頗為廣泛。 1）當使用單頭蝸桿時，蝸桿每旋轉一周，蝸輪只轉過一個齒鋸，因而能實現大的傳 動比。在動力傳動中，一般傳動比 i=580；在分度機構或手動機構的傳動中，傳動比 可達 300；若只傳遞運動，傳動比可達 1000。由于傳動比大，零件數目又少，因而結 構很緊湊。 2） 在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進入嚙合及 安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） - 13 - 逐漸退出嚙合的，同時嚙合的齒對又較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低。 3）當蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當量摩擦角時，蝸桿傳動便具有自鎖性。 4）蝸桿傳動與螺旋齒輪傳動相似，在嚙合處有相對滑動。當滑動速度很大，工作條 件不夠良好時，會產生較嚴重的摩擦與磨損，從而引起過分發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化。 因此摩擦損失較大，效率低；當傳動具有自鎖性時，效率僅為 0.4 左右。同時由于摩擦 與摩擦嚴重，常須耗有有色金屬制造蝸輪，以便與鋼制蝸桿配對組成減磨性良好的滑 動摩擦副。 蝸桿傳動通常用于減速裝置，但也有個別機器用作增速裝置。 4.1.4 綜合選取 綜上三種傳動方案分析：由于機器蟹整體尺寸較小，不宜使用尺寸大的傳動結構， 要求緊湊、傳動比高的傳動機構，傳動比要求精度很高，所以帶傳動不宜采用；另外， 由于采用伺服電機傳動，要求使用傳動比較高的傳動機構，設計的螃蟹跟以往規(guī)則的 區(qū)別較大，屬于空間交錯的傳遞運動，所以也不宜選擇齒輪傳動，應選擇蝸桿傳動方 式。 4.2 蝸桿的設計 蝸桿傳動的主要參數及其選擇 ： 主動蝸桿 1 計參數：分度圓直接 d=7.45mm 分度圓螺旋角 = 度分秒5463 軸向齒距 P=2.37 模數 m=0.75 壓力角 =20 度分秒na 齒頂高系數 =1h 頂隙系數 c=0.25 旋向：右旋 被動蝸輪 1 計參數： 齒數 z=15 分度圓直接 d=11.25 分度圓螺旋角 = 度分秒5463 模數 m=0.75 壓力角 =20 度分秒na 張引：仿生機器蟹本體設計胸足部分 - 14 - 頂高系數 =1ah 頂隙系數 c=0.25 旋向：右旋 齒向公差 =0.02pF 齒向累計公差 =0.02 主動蝸桿 2 參數：分度圓直接 d=10.46mm 分度圓螺旋角 = 度分秒4061 軸向齒距 P=2.36 模數 m=0.75 壓力角 =20 度分秒na 齒頂高系數 =1h 頂隙系數 c=0.25 旋向：右旋 被動蝸輪 2 參數： 齒數 z=25 分度圓直接 d=18.75 分度圓螺旋角 = 度分秒4061 模數 m=0.75 壓力角 =20 度分秒na 頂高系數 =1h 頂隙系數 c=0.25 旋向：右旋 齒向公差 =0.02pF 齒向累計公差 =0.02 設計參數如上所示。嚙合的螺旋齒輪