1、本科毕业论文（20 届）基于 Solidworks 爬行机器人爬行机构的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：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 基于 Solidworks 爬行机器人爬行机构的模型建立及运动仿真1设计的主要任务及目标（1）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
2、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，最后进行简单的动画演示。（2）对运动机构进行仿真分析。2设计的基本要求和内容（1）参考资料设计爬行机器人的爬行机构。（2）使用 solidworks 软件对爬行机构各个零件实体建模。（3）使用 solidworks 软件插入爬行机构的零部件组装成装配体。（4）对装配体进行动画设计。（5）对装配体进行仿真分析。3主要参考文献1刁彦飞.仿蜘蛛爬行机构设计探索J.应用科技.2004 年 03 期2倪宁.四足仿生爬行机器人研制D.南京航空航天大学.2011.123郗向儒.基于 SolidWorks 的运动仿真研究D.西安理
3、工大学。2004.54蒋宗礼,赵钦,肖华,王蕊 .高性能并行爬行器D.北京工业大学.2006.124进度安排 设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 确定具体选题,开题报告 2014.3.012014.3.072 收集掌握相关资料 2014.3.082014.4.203 通过 solidworks 完成爬行机构的设计 2014.4.212014.5.214 编写并完善论文 2014.5.222014.6.015 准备并答辩 2014.6.22014.6.20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
4、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 robo
5、t 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, high degree of automation, has rich dynamic characteristics.
6、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 become a striking in robotics research. The design by using soli
7、dworks 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, crawl crawl robot mechanism virtual modeling and assembly of var
8、ious parts of the body, finally carries on the simple animation. Key words：Crawling mechanism， 3 d modeling， Motion simulationI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 爬行机构的设计 .104.1 六足爬行机器人爬行机构
9、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 .21II6.1 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
10、考文献 .33致谢 .3411 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
11、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
12、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。 2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
13、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
14、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
15、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-III 的慢速动态行走，极限步速为 1.7 km/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 1 mm/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
16、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 30 mm,宽 40 mm，高 20 mm,质量仅为6.3 kg,步行速度为 3 mm/s。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，3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
17、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 3 180 kg，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
18、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 (Autonomous Legged UnderwaterVehicle)，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
19、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4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
20、研究由来已久。上世纪 70 年代之后，随着计算机技术、传感技术、控制技术和人工智能技术迅速发展，机器人技术也随之进入高速发展阶段，成为综合了控制论、计算机、机构学、信息和传感技术、仿生学、人工智能等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合运用，是当代研究活跃、应用日益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。 随着科学技术的发展，机器人在人类的生活中将变得更加重要，作为替代人类作业的机器，机器人有着广泛的应用前景，几乎渗透所有领域。并且机器人的研究不仅能加速我国科技发展的步伐，推进理论的前进，如果加以市场化，更能促进我国国家经济的进步，增强我国的国防力量。随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，将势必会在各个领域广泛、大量地应用机器人替代人类工作。 这几年我国大力发展航天事业，已经成功发射嫦娥卫星，随着我国对太空事业的投入，我国的下一个目标必将是登陆月球，由于月球特有的环境因素和对月球的缺少认识，先期的登月行动将由机器人替代，而一般的轮式机器人无法适应月球凹凸不平的表面，只有利用足式爬行机器人才能很好的适应环境。所以，对爬行机器人的研究不仅能对社会产生很大的经济效益，也能促进我国航天事业的发展，增强我国的空天技术9。
