机械电子工程毕业设计-基于solidworks跳跃机器人腿部机构模型建立及运动仿真.docx

1、本科毕业论文（20 届）基于 solidworks 跳跃机器人腿部机构模型建立及运动仿真所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日基于 solidworks 跳跃机器人腿部机构模型建立及运动仿真摘要:基于对青蛙生物特征和跳跃运动机理的分析，对复杂的关节、骨骼结构进行简化，提出了一种面向跳跃运动的机构模型，并进行仿青蛙跳跃机器人设计。机器人前肢简化为一个主动肩关节和一个被动肘关节，后肢采用五杆机构作为腿部主体，并增加脚掌和被动附拓关节以保

2、证跳跃和着陆时的稳定性，骸关节具有后摆和外摆两个自由度以调整跳跃的姿态、方向和轨迹。机器人可以调整多种起跳姿态以满足不同的跳跃要求;后肢通过单电机分时控制实现跳跃、空中收腿和能量调节动作，具有较高的功率密度;后肢五杆机构具有与青蛙跳跃时相似的力学规律，起跳时通过与脚掌配合，可以降低提前离开地面的可能，从而降低了能量损耗，模型建立后即可仿真。关键词:跳跃机器人,青蛙,机构设计，仿真Based on solidworks jumping robot leg mechanism modeling and movement simulationAbstracts：Based on the analys

3、is of biological characteristics and jumping movement mech mechanism, frogs complex joint and skeleton structure is simplified. A mechanicalmodel is put forward and the frog jumping robot is designed. The robots forelimb issimplified as one active shoulder joint and one passive elbow joint for the f

4、unctionof supporting and stance adjusting. The 5-bar lingkage mechanism is used as themain part of the hindlimb, The two DOFs of coxa joint areused for adjusting the pose, direction and trajectory of jump . The robot couldAchieve multi-stance to satisfy different demand for jump. The hindlimb could

5、realizethe movement of jump, leg constriction in air and energy adjusting by single motion,which owns high density of actuator. The 5-bar linkage mechanism of hindlimbcooperated with foot has similar process of the thrust force with frog during take -offphase,which possesses the advantages of low li

6、kehood of premature lift-off and low.Keywords: jumping robot, frog, mechanism design ,simultion animationI目 录1 前 言 .12.跳跃机器人的研究状况 .32.1 跳跃机构介绍 .32.2 跳跃机器人研究现状 .42.2.1 研究方法分类 .42.3. 运动方式分类 .62.3.1 间歇性跳跃机构 .72.4 跳跃机器人相关介绍 .72.4.1 两种连续的跳跃机构 .72.4.2 离心力激励型 .102.5 课题的研究意义 .133.仿青蛙跳跃机器人机械系统设计 .143.1 引言 .1

7、43.2 仿青蛙跳跃机器人机构模型研究 .143.2.1 青蛙生物特征总结 .143.2.2 机器人机构模型建立 .153.3 仿青蛙跳跃机器人机械本体设计 .163.3.1 机械本体设计准则 .163.3.2 机器人前肢设计 .173.3.3 机器人后肢设计 .193.3.4 机器人机械本体 .273.3.5 相关零件图 .283.4 仿青蛙机器人跳跃控制流程 .373.5 本章小结 .384.装配体的建立与动画仿真 .39结 论 .40参考文献 .41II致 谢 .4411 前言机 器 人 一 般 分 为 两 大 类 ， 即 工 业 机 器 人 和 特 种 机 器 人 。 所 谓 工 业

8、机 器 人 就 是面 向 工 业 领 域 的 多 关 节 机 械 手 或 多 自 由 度 机 器 人 。 而 特 种 机 器 人 则 是 除 工 业 机 器人 之 外 的 、 用 于 非 制 造 业 并 服 务 于 人 类 的 各 种 机 器 人 或 者 说 制 造 环 境 下 的 工 业 机器 人 和 非 制 造 环 境 下 的 服 务 与 仿 人 型 机 器 人 。 同 时 又 把 这 两 类 机 器 人 的 发 展 分为 三 代 1:第 一 代 是 可 编 程 的 视 教 再 现 型 机 器 人 ； 第 二 代 是 具 有 一 定 感 和 自 适 应能 力 的 离 线 编 程 机 器 人

9、 ； 第 三 代 是 智 能 机 器 人 。机 器 人 技 术 是 综 合 了 计 算 机 、 控 制 论 、 机 构 学 、 信 息 和 传 感 技 术 、 人 工 智 能 、仿 生 学 等 多 学 科 而 形 成 的 高 新 技 术 。 纵 观 机 器 人 的 昨 天 、 今 天 和 明 天 ,机 器 人 技术 已 成 为 当 代 研 究 活 跃 ,应 用 日 益 广 泛 的 领 域 2。 机 器 人 的 应 用 情 况 ,是 一 个 国家 高 科 技 水 平 和 工 业 自 动 化 程 度 的 重 要 标 志 和 体 现 3。 工 业 机 器 人 作 为 生 产 自动 化 设 备 的 典

10、 型 代 表 ,在 制 造 业 获 得 了 巨 大 的 成 功 。 进 入 20 世 纪 80 年 代 以 来 ,机器 人 技 术 在 信 息 技 术 、 控 制 技 术 、 人 工 智 能 和 传 感 技 术 等 迅 速 发 展 的 支 持 下 ,已远 远 超 出 了 服 务 于 制 造 业 的 范 围 ,被 广 泛 地 应 用 于 非 制 造 领 域 4。 在 非 制 造 领 域 ,特种 机 器 人 的 应 用 也 越 来 越 广 泛 ,正 在 替 代 人 发 挥 着 日 益 重 要 的 作 用 。 如 现 在 出 现的 服 务 机 器 人 、 水 下 机 器 人 、 娱 乐 机 器 人

11、、 军 用 机 器 人 、 农 业 机 器 人 、 机 器 人 化机 器 等 都 具 有 很 大 的 应 用 价 值 。 然 而 随 着 应 用 范 围 的 扩 大 ,机 器 人 所 处 的 工 作 环境 也 越 来 越 恶 劣 ,诸 如 考 古 探 测 、 星 际 探 索 、 军 事 侦 察 以 及 救 援 活 动 等 。 在 这 些应 用 领 域 中 地 势 往 往 很 复 杂 ,存 在 各 式 各 样 的 障 碍 物 或 沟 渠 ,有 时 还 存 在 危 险 性 ,这 就 要 求 机 器 人 具 有 很 强 的 自 主 运 动 能 力 及 生 存 能 力 。 例 如 在 911 事 件

12、的 救 援活 动 中 就 曾 经 投 入 了 搜 索 受 难 者 的 功 能 较 强 的 特 种 机 器 人 。 当 前 特 种 机 器 人 的 发 展 以 美 国 和 日 本 为 主 导 ,但 美 国 主 要 倾 向 于 军 用 ,而 日 本则 主 要 倾 向 于 民 用 。 他 们 研 究 的 特 种 机 器 人 大 都 是 轮 动 或 者 爬 动 的 特 种 机 器 人 。但 是 ， 在 这 些 应 用 领 域 中 地 表 条 件 一 般 都 很 复 杂 ， 而 且 运 动 过 程 中 经 常 会 碰 到 各种 障 碍 物 或 沟 渠 ， 这 就 要 求 机 器 人 具 有 很 强 的

13、自 主 运 动 能 力 及 生 存 能 力 。 移 动 性能 是 未 来 机 器 人 在 很 多 应 用 场 合 的 关 键 能 力 ， 因 为 为 完 成 任 务 ， 常 常 要 求 机 器 人能 够 渗 透 到 人 员 无 法 进 入 的 禁 区 进 行 侦 查 、 探 测 、 攻 击 、 干 扰 等 行 动 ， 这 些 都 需要 移 动 能 力 的 保 证 。 机 器 人 除 了 必 须 具 备 先 进 的 信 息 处 理 能 力 、 感 知 能 力 、 判 断2能 力 、 导 航 能 力 和 通 讯 能 力 ， 还 必 须 具 备 很 强 的 在 复 杂 地 形 下 自 由 运 动 的

14、 能 力 和灵 巧 的 可 操 作 性 才 能 有 效 地 参 与 行 动 。 轮 动 与 爬 行 都 不 能 越 过 与 自 身 大 小 相 当 的 障 碍 ,只 有 跳 跃 才 能 做 到 。 跳 跃 机器 人 可 以 越 过 数 倍 甚 至 数 十 倍 于 自 身 尺 寸 的 障 碍 物 ,与 原 有 的 运 动 方 式 结 合 可 以大 大 提 高 机 器 人 的 活 动 范 围 ,而 且 跳 跃 运 动 的 突 发 性 与 爆 发 性 有 助 于 机 器 人 躲 避危 险 5。 另 外 ,在 星 际 探 索 中 ,由 于 月 球 与 火 星 表 面 重 力 加 速 度 大 大 低 于

15、 地 球 (火星 为 38%,月 球 为 17%),跳 跃 运 动 能 充 分 利 用 这 个 优 势 。 早 在 1969 年 美 国 就 有 人研 制 跳 跃 机 构 以 用 于 月 球 探 索 6。 国 外 很 多 研 究 机 构 又 开 始 从 事 微 小 跳 跃 机 构的 研 究 ,并 且 陆 续 研 制 出 一 些 原 型 实 验 机 。 因 此 ,针 对 当 前 跳 跃 机 器 人 的 现 状 和21 世 纪 机 器 人 发 展 趋 势 7,研 究 设 计 既 能 跳 跃 又 能 移 动 的 跳 跃 机 器 人 有 重 要 的理 论 意 义 和 实 用 价 值 。 仿 青 蛙 机

16、 器 人 具 有 爆 发 力 强 ， 落 地 平 稳 ， 四 足 跳 跃 等 诸多 优 点 ， 介 于 此 我 们 选 择 其 为 运 动 模 型 ， 进 行 相 关 设 计 分 析 。32.跳跃机器人的研究状况2.1 跳跃机构介绍最 早 的 跳 跃 机 器 人 为 Raibert 于 1980 年 在 麻 省 理 工 学 院 机 器 人 实 验 室 研制 的 跳 跃 机 ， 这 一 机 器 人 实 现 的 灵 活 敏 捷 的 运 动 令 人 感 到 振 奋 。 从 那 时 起 ， 更 多的 人 开 始 关 注 跳 跃 式 机 器 人 的 研 究 。 图 2.1 单足跳跃机模型目 前 跳 跃

17、机 构 的 理 论 分 析 多 继 承 了 Raibert 的 气 体 推 动 模 型 ， 分 析 阐 述 种 种非 线 性 动 力 学 现 象 ， 并 应 用 了 很 多 非 线 性 动 力 学 分 析 工 具 。 基 本 模 型 如 图 2.1 所示 ， 机 构 有 一 个 X 方 向 的 平 移 自 由 度 以 及 足 部 和 躯 体 之 间 的 旋 转 自 由 度 ， 其 跳 跃与 落 地 过 程 经 过 运 动 学 与 动 力 学 分 析 与 计 算 后 ， 只 要 按 规 律 外 加 控 制 就 可 保 持 连续 平 滑 的 跳 跃 运 动 。 M.H.Raibert 专 门 著

18、书 论 述 了 这 一 模 型 ， 此 外 很 多 学 者 从 各个 角 度 对 类 似 机 构 进 行 了 数 学 分 析 与 仿 真 8 14。 模 型 中 许 多 假 想 条 件 很 难满 足 ， 并 且 模 型 是 以 自 治 的 连 续 跳 跃 运 动 为 分 析 对 象 ， Raibert 在 实 验 室 中 的跳 跃 机 构 需 要 大 量 外 围 设 备 与 器 件 作 支 撑 ， 保 证 其 稳 定 及 供 给 能 量 ， 去 掉 这 些 辅助 装 置 就 不 能 形 成 满 足 实 际 需 要 的 跳 跃 机 器 人 ， 很 多 实 际 机 构 的 研 制 并 未 按 照

19、上述 模 型 设 计 。 目 前 跳 跃 机 器 人 研 究 比 较 成 功 的 例 子 有 ： 美 国 国 家 航 空 宇 航 局 （ NASA） 下 属 的 喷 气 动 力 实 验 室 (JPL)与 加 利 福 尼 亚 技术 学 院 联 合 研 制 了 系 列 跳 跃 机 ， 用 于 扩 大 星 际 探 索 中 漫 游 车 的 活 动 范 围 。 其 中 一种 蛙 形 跳 跃 机 重 1.3 公 斤 ， 一 个 驱 动 电 机 由 太 阳 能 电 池 供 电 ， 配 有 微 型 摄 像 机 及各 种 传 感 器 用 于 采 集 外 界 信 息 ， 最 大 跳 跃 高 度 可 达 1.8 米

20、 ， 在 火 星 上 预 计 可 达5 6 米 。 这 一 成 果 被 刊 登 于 美 国 当 年 的 发 现 杂 志 上 15。 4美 国 明 尼 苏 达 大 学 2000 年 研 制 出 一 种 跳 跃 机 器 人 。 直 径 4 厘 米 ， 可 以 跳 跃 、滚 动 和 停 止 ， 通 过 无 线 电 和 其 他 “侦 察 兵 ”联 系 。 跳 跃 由 安 在 机 器 人 腿 内 的 弹 簧机 构 产 生 的 ， 类 似 人 的 单 腿 跳 动 。 这 种 机 器 人 可 以 登 楼 梯 ， 也 可 以 跳 过 小 的 障 碍物 ， 还 有 两 个 独 立 的 轮 子 帮 助 机 器 人

21、 在 需 要 时 滚 到 一 定 的 位 置 。 这 种 机 器 人 主 要面 向 室 内 环 境 ， 双 轮 结 构 以 及 低 重 心 使 其 非 常 适 合 在 光 滑 地 板 上 运 动 。 此 外 美 国 圣 地 亚 国 家 实 验 室 、 麻 省 理 工 学 院 ， 瑞 士 苏 黎 世 大 学 也 分 别 试 制 出具 有 跳 跃 功 能 的 机 器 人 。 美 国 犹 他 州 大 学 2001 年 还 专 门 举 办 过 跳 跃 机 器 人 大 赛 。2.2 跳跃机器人研究现状跳 跃 机 构 的 研 究 刚 刚 开 展 ， 对 已 有 的 机 构 及 其 研 究 方 式 进 行

22、综 合 分 类 有 助 于进 一 步 认 清 跳 跃 机 构 研 究 状 况 。2.2.1 研究方法分类根 据 研 究 方 法 跳 跃 机 构 可 分 为 两 大 类 ， 一 类 是 从 自 然 界 生 物 的 跳 跃 动 作 中 获得 启 发 ， 仿 造 外 型 与 功 能 类 似 的 机 构 ， 同 时 实 现 行 走 与 跳 跃 ， 例 如 机 械 蟋 蟀 1617与 机 械 猫 等 1819， 可 归 为 仿 生 机 构 。 另 一 类 方 式 就 是 直 接 利 用 简 单 机构 产 生 弹 力 （ 例 如 离 心 力 、 弹 簧 弹 力 等 ） ， 这 种 方 法 的 机 构 自

23、由 度 少 ， 动 力 学 模型 简 单 ， 实 现 起 来 相 对 容 易 。 动 物 腿 部 肌 肉 中 含 有 能 收 缩 的 肌 肉 纤 维 ， 是 运 动 力 量 的 来 源 。 图 2.2 是 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 骨 皮 上 ， 另 一 端 附 着 在 腿 节 中 一 种 腱 筋 的 结 构 上 ， 腱 筋 通 过

24、连 接 腿 节 与 胫节 的 关 节 到 达 胫 节 和 跗 节 。 这 些 肌 肉 收 缩 时 便 拉 动 这 条 腱 筋 ， 使 胫 节 与 腿 节 相 对拉 直 ， 这 时 可 以 产 生 相 当 大 的 力 。 可 见 蝗 虫 跳 跃 的 关 键 在 于 这 些 斜 排 的 肌 肉 。 5图 2.2 蝗虫腿部结构图除昆虫外，自然界中很多兽类也具有跳跃能力，其中最典型的是袋鼠，它靠两条后腿的跳跃作为其唯一的运动方式。袋鼠的后肢构造中的肌键很长，直通脚跟，有肌肉从脚跟与趾相连。当袋鼠脚踩在地面上时，与体重产生的反作用受到伸肌收缩力量的对抗，而踝骨介于这两种力量作用点的中间，成为与它们方向相反的作用力的支点，所以袋鼠的跳跃是由踝骨形成的杠杆作用造成的，通过肌键的弹性，袋鼠跳跃时可节省能量。此外动物的跳跃能力取决于肌肉的收缩速度，小型动物收缩速度快，大型动物较慢20。 目前仿生跳跃机构中研制手段有两种，一种全面模拟动物，包括构成材料、外形，动力源等。如凯泽西保留地大学研制的机器蟋蟀1617。另一种就是研究动物的运动机理，然后仿造类似的运动机构，日本科学家研制的机器猫就是通过分析猫在爬墙过程中的动作，仿造其半边身体的结构而研制，其跳跃动作不追求跳跃中整体达到的高度，而是象猫那样通过四肢的协调动作半跳半爬地越过障碍物18。