优秀毕设机械设计制造及其自动化毕业设计说明书.docx
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优秀毕设机械设计制造及其自动化毕业设计说明书
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摘要
本设计的腿轮混合机器人包括躯体和与躯体连接的四条腿,机器人的运动由旋转电机驱动,构成脚的滚轮可以通过机械装置的切换以达到滚动和爬行的目的,采用此种滚轮结构大大的减轻了机器人的重量,增强了机器人的灵活性,提高了机器人的运行速度。
机器人的腿可以包括肩、大腿、小腿和脚,且任意一条腿都有四个自由度。
在组成机器人的机构中,腿机构是最重要的机构,为了使机器人承载能力强、稳定性好同时结构简单,所以我们在本设计中选择四腿机器人。
本设计中各组成部分的结构都可按照常规设计,因此容易加工和安装,通过简单的结构组合,实现了机器人的滑行、滚动和爬行多种运动模式,提高了机器人对地形的适应性,能量效率比高,容易控制,运动可靠。
关键词:
腿轮混合机器人;滚动;爬行;自由度。
Abstract
Thedesignofarobot,includingbodyandfourlegs,robotdrivedbythemotor,constitutethewheelbymechanicalswitchtoachievethepurposeoftherollingandcrawling,therobotwillweightifweadoptthisstructure,enhancetheflexibilityofarobot,increasethespeedoftheoperationofrobots。
Therobot'slegmightincludetheshoulders、thethigh、andleg,andfourdegreeoffreedomalsoincludedbyoneleg。
Robotismadeupinsomestructures,Legisthemostimportantinstitution,Tomakerobotsbearingability,stabilityandsimple,Sowedesignedthefourlegrobot
Thisdesignineachpartofthestructurecanbedesignedinaccordancewiththeconventional,Soeasilyfabricationandinstallation,Simplestructurecombined,Implementationofarobot,rollingandcrawlingmanysportsmodel,hadhighefficient、easytocontrol。
keyword:
Legofarobot;scroll;crawl;degreeoffreedom。
目录
引言1
第一章概述2
1.1机器人的基本概念2
1.1.1机器人定义2
1.1.2机器人的组成2
1.1.3机器人能力的评判3
1.1.4机器人发展史3
1.2腿轮混合机器人的发展现状5
第二章基本参数及其设计方案7
2.1机器人基本参数7
2.1.1基本要求7
2.1.2设计思路7
2.2机器人设计方案7
2.2.1传动方案的确定7
2.2.2传动方案的设计8
第三章实体建模13
3.1渐开线齿轮画法14
3.2大腿板19
第四章零件参数21
4.1电机21
4.2齿轮21
4.3同步轮22
总结24
参考文献25
谢辞26
引言
本设计源于内蒙古自然科学基金项目,要求学生设计一个能够进行步行和轮滑自动切换的从动轮式四足机器人。
此机器人融合了轮滑和步行的优点,具有非常强的地面适应能力,课题有应用前景和理论研究意义。
目前,腿轮混合机器人的研究已相对成熟,比较受研究人员重视的是四腿混合机器人,和两腿机器人相比,四腿机器人拥有更强的承载能力、更好的稳定性,和六腿、八腿机器人相比,四腿机器人结构简单、设计方便,可以使得控制方案更为简单一些。
在现有腿轮混合机器人的研究中,旋转电机安装在腿部活动的关节部位,构成脚的滚轮通过单向离合器安装在所述旋转驱动电机的转轴上。
旋转电机采用了具有自锁功能的电机,单向离合器是单向滚动轴承或单向转动棘轮。
驱动旋转电机安装在腿部活动的关节上使得腿部的重量增加,重心偏移,在腿部运动时增加了腿的惯性,使得机器人整体的稳定性下降,本设计中我们将驱动旋转电机安装在肩部位置,通过齿轮和同步带传动来控制机器人腿部的运动,采用此种传动方式不仅降低了电机的传动速度,而且也使得机器人腿部的运动更加平稳。
第一章概述
1.1机器人的基本概念
1.1.1机器人定义
一般说来,人们都可以接受这种说法,即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。
联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义:
“一种可编程和多功能的,用来搬运材料、零件、工具的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。
1.1.2机器人的组成
机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置、控制系统和复杂机械等组成。
执行机构即机器人本体,其臂部一般采用空间开链连杆机构,其中的运动副(转动副或移动副)常称为关节,关节个数通常即为机器人的自由度数。
根据关节配置形式和运动坐标形式的不同,出于拟人化的考虑,常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部(加持器或末端执行器)和行走部(对于移动机器人)等。
驱动装置是驱使执行机构运动的机构,按照控制系统发出的指令信号,借助于动力元件使机器人进行动作。
它输入的是电信号,输出的是线、角位移量。
机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置,如步进电机、伺服电机等,此外也有采用液压、气动等驱动装置。
检测装置的作用是实时检测机器人的运动及其工作情况,根据需要反馈给控制系统,与设定信息进行比较后,对执行机构进行调整,以保证机器人的动作符合预定的要求。
作为检测装置的传感器大致可以分为俩类:
一类是内部信息传感器,用于检测机器人各部分的内部状况,如各关节的位置、速度、加速度等,并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器,形成闭环控制。
另一类是外部信息传感器,用于获取有关机器人的作业对象及其外界环境等方面的信息,以使得机器人的动作能适应外界情况的变化,使之达到更高层次的自动化,甚至使机器人具有某种“感觉”,向智能化发展,例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息,利用这些信息构成一个大的反馈回路,从而将大大提高机器人的工作精度。
控制系统有两种方式。
一种是集中式控制,即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。
另一种是分散式控制,即采用多台微机来分担机器人的控制,如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时,主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算,并向下级微机发送指令信息;作为下级从机,各关节分别对应一个CPU,进行插补运算和伺服控制处理,实现给定的运动,并向主机反馈信息。
根据作业任务要求的不同,机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力(力矩)控制。
1.1.3机器人能力的评判
机器人能力的评判标准包括:
智能,指感觉和感知,包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等;机能,指变通性、通用性或空间占有性等;物理能,指力、速度、连续运动能力、可靠性、连用性、寿命等。
因此,可以说机器人是具有生物功能的实际空间运行工具。
1.1.4机器人发展史
1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中,根据Robota(捷克文,原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文,原意为“工人”),创造出“机器人”这个词。
1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。
虽然这只是科幻小说里的创造,但后来成为学术界默认的研发原则。
1948年诺伯特·维纳出版《控制论》,阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律,率先提出以计算机为核心的自动化工厂。
1956年在达特茅斯会议上,马文·明斯基提出了他对智能机器的看法:
智能机器“能够创建周围环境的抽象模型,如果遇到问题,能够从抽象模型中寻找解决方法”。
这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。
1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。
随后,成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。
由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传,他也被称为“工业机器人之父”。
1962年美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人,并出口到世界各国,掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。
1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。
人们试着在机器人上安装各种各样的传感器,包括1961年恩斯特采用的触觉传感器,托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器,而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统,并在1965年,帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器,能识别并定位积木的机器人系统。
1965年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。
Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置,根据环境校正自己的位置。
20世纪60年代中期开始,美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。
美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人,并向人工智能进发。
1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。
它带有视觉传感器,能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。
Shakey可以算是世界第一台智能机器人,拉开了第三代机器人研发的序幕。
1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。
加藤一郎长期致力于研究仿人机器人,被誉为“仿人机器人之父”。
日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长,后来更进一步,催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。
索尼公司QRIO机器人。
1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作,就诞生了美国CincinnatiMilacron公司的机器人T3。
1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA,这标志着工业机器人技术已经完全成熟。
PUMA至今仍然工作在工厂第一线。
1984年英格伯格再推机器人Helpmate,这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。
同年,他还预言:
“我要让机器人擦地板,做饭,出去帮我洗车,检查安全”。
1998年丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件,让机器人制造变得跟搭积木一样,相对简单又能任意拼装,使机器人开始走入个人世界。
索尼公司AIBO机器人。
2002年美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba,它能避开障碍,自动设计行进路线,还能在电量不足时,自动驶向充电座。
Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。
2006年6月,微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio,机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显,比尔·盖茨预言,家用机器人很快将席卷全球。
1.2腿轮混合机器人的发展现状
目前,设计完成且投入应用的有:
腿式机器人、轮式机器人、双腿移动机器人、腿轮混合式机器人。
腿轮式机器人是一种混合机构机器人,它综合了腿式和轮式机器人的优点,具有较强的地形适应能力、较大的稳定性和较高的能量效率。
在组成机器人的结构中,腿机构是最重要的机构。
腿机构选择得当,不仅可以使机器人的机构简单、设计方便,更重要的是可以大大简化控制方案。
在腿数的设计中一般采用四腿式混合机器人,四腿机器人比俩腿机器人稳定性好、承载能力强,同时又比六腿、八腿机器人的结构简单,更加受到各国研究人员的重视。
图1-1是一种腿轮式机器人的原理图,机器人的腿部机构由连杆和从动轮组成。
机器人的运动类似于人的溜冰运动,
1-1腿轮式机器人
即靠连杆的摆动带动滚轮运动,利用滚轮上受到的摩擦合力来驱动机器人前进。
与采用主动轮结构的混合结构机器人相比,这种机器人简化了滚轮部分的机构,因此大大减轻了机器人的重量,增强了机器人的灵活性,提高了机器人的运行速度。
由于机器人运行原理的特殊性,机器人的各运动参数相互限制且对运动性能有较大的影响,这使得传统的设计方法不能完全适用。
遗传算法是一种全局性的优化搜索方法,对相互制约的搜索目标有较好的适用性。
在腿轮式机器人的设计中将遗传算法应用于关键参数的优化设计中,获得了腿轮式机器人的最优参数,为机器人的机构设计和运动控制提供了理论依据。
腿轮式机器人的每条腿有3个自由度,因此工作空间很大,先研究一种简单情况,此时机器人前部的两腿做对城的周期运动,后部的两腿仅作为支撑和导向,运动原理如图1-1(只画出一条腿),这样就减少了机器人整体的自由度,简化了分析,并为以后的复杂运动分析提供了基础。
图中杆件L1绕关节1做旋转摆动,杆件L3绕关节3做旋转摆动,杆件2随杆件1和2运动。
当机器人运动时会有速度波动现象,较大的速度波动不但影响了机器人前进的平均速度,而且对机器人本体机械结构冲击严重。
第二章基本参数及其设计方案
2.1机器人基本参数
2.1.1基本要求
结构方面:
机构简单、稳定性好、承载能力强,能够进行轮滑、滚动和爬行等运动。
材料方面:
机器人的躯壳用铝合金型材制作,整个机器人所用电机数不可超过12个。
其他方面:
每条腿有4个自由度,且同时运动的自由度数大于1。
2.1.2设计思路
腿数的确定:
在组成机器人的机构中,腿机构是最重要的机构,在本设计中我们将采用四腿机器人,因为四腿机器人要比俩腿机器人的承载能力强、稳定性好,同时又比六腿、八腿机器人的结构简单。
电机的分配:
整个机器人所用的电机数为12,每条腿上可以分配3个电机,在这个前提下,机器人腿上的某个自由度就需要设计一个辅助机构来完成其预定的运动要求。
2.2机器人设计方案
2.2.1传动方案的确定
在现有的机器人中,旋转电机一般安装在腿的末端,滚轮通过单向离合器安装在旋转驱动电机的转轴上,旋转电机采用了具有自锁功能的电机,单向离合器是单向滚动轴承或单向滚动棘轮,这种设计方案虽然解决了传动距离的问题,但是增加了单条腿的质量,增大了腿在摆动或滑动时的惯性,不利于机构的运动且稳定性大大的减弱,使机器人的重心整体偏移,对于后续整体运动的调试产生了不利的因素。
齿轮传动的优点:
瞬时传动比恒定,工作平稳性提高;采用非圆齿轮,瞬时传动比可按照所需变化规律设计;传动比变化范围大,特别是采用行星传动时传动比可达100-200(单级),适用于减速或增速运动;速度范围大,齿轮的圆周速度可从V<0.1m/s达到200m/s,或更高;传递功率范围大,承载能力高;传递效率高,特别是精度较高的圆柱齿轮副,其效率可达99%以上;结构紧凑,如使用行星传动、少齿差传动,或谐波齿轮传动,可使部件更为缩小;维护简便。
同步带传动优点:
传动准确,工作时无滑动,具有恒定的传动比;传动平稳,具有缓冲、减振能力,噪声低;传动效率高,可达98%以上,节能效果明显;维护保养方便,不需润滑,维护费用低;速度范围大,一般可达10,线速度可达50m/s,具有较大的功率传递范围,可达几瓦到几百千瓦;可用于长距离传动,中心距可达10m以上。
鉴于齿轮传动和同步带传动的上述优点可以很好的满足设计要求,在本设计中我们将采用齿轮传动和链传动两种传动方式,在传动距离小且可安装齿轮的部位将采用齿轮传动的方式,在传动距离较大的部位将采用齿轮传动与同步带传动相互结合的传动方式。
2.2.2传动方案的设计
自由度一
躯干与腿联接的部位需要有一个水平方向的回转运动,此运动用以保证腿的前后摆动,所以需要设计一个肩部支撑零件,起到承上启下的作用,肩部支撑件一边连接的是躯干部分(图示圆柱B将与躯干下支撑板的孔进行配合,可以达到单位的目的),一边连接的是腿部机构(在孔A上将安装一根轴,安装在此位置上的轴所起的作用是联接肩部和大腿支撑板等零件的作用,并不进行转矩的传递)。
驱动电机将在此零件上安装,所以其在设计时应确保有足够的空间安放驱动电机。
肩部支撑件需要满足如下要求:
1)有足够的空间容纳电动机及其所装配齿轮;
2)在肩与大腿联接的部位要有安装轴的位置;
3)能够和躯干联接定位;
4)有与旋转驱动电机接触的装置。
肩部支撑板设计如图2-1所示。
2-1肩板
自由度二
肩部与大腿之间存在一个转动副,其设计方案如图2-2所示,其传动过程
2-2大腿传动方案一
如下所述:
电机驱动小齿轮转动,与小齿轮啮合的大齿轮就产生了运动的趋势,因为大齿轮通过螺钉与大腿支撑板固定在了一起,当大齿轮有了运动的趋势时,大腿支撑板会沿着轴做回转运动,大齿轮与大腿支撑板有相同的角速度。
大腿支撑件需要满足如下要求:
1)有足够的空间容纳在此空间内装配的零件且需满足他们在禁止或者是运动的过程中不会产生干涉的现象;
2)在肩与大腿联接的部位、大腿与小腿联接的部位要有安装轴的位置;
3)当肩与大腿、肩与小腿之间有相对位移的时候不会产生干涉的现象。
自由度三
大腿与小腿之间存在一个转动副,其设计方案如图2-3所示,其传动过程
2-3小腿传动方案
如下所述:
电机驱动小齿轮转动,与小齿轮啮合的大齿轮就产生了运动的趋势,因为大齿轮通过螺钉与同步带轮固定在了一起,当大齿轮有了运动的趋势时,同步带轮也就被驱动了,同步带轮通过同步带将转矩传递到了另外一个同步带轮上,另外一边的同步带轮与小腿支撑板固定在一起,所以小腿支撑板会沿着轴做回转运动。
小腿支撑件需要满足如下要求:
1)有足够的空间容纳在此空间内装配的零件且需满足他们在禁止或者是运动的过程中不会产生干涉的现象;
2)在小腿与大腿联接的部位、车轮与小腿联接的部位要有安装轴的位置;
3)当小腿与大腿、车轮与小腿之间有相对位移的时候不会产生干涉的现象。
自由度四
腿轮混合机器人需要有爬行和滚动等运动,滚轮就得在机器人爬行的时候实现滚轮的自锁、在机器人滚动的时候实现滚轮的转动,没有多余电机可以用只能靠机械装置来实现上述要求,为此设计了如图2-4所示的机械装置,其运动过程如下所述:
2-4滚轮传动方案
大齿轮通过螺钉与圆盘滑轨固定在一起,小齿轮通过螺钉与锁卡滚落固定在一起,在图示位置时机器人可以进行爬行运动,当机器人需要滚动时,小腿运动到一定位置,此时大齿轮与自由度一中的大齿轮啮合,有了驱动力带动小齿轮运动,滚轮也就沿着轴做回转运动,圆盘滑轨也将转过一定的角度,当转角达到90°的时候,大齿轮与啮合的齿轮分开,此时没有了驱动力,由于弹簧的拉力抵消了滚轮自身的转动力矩,所以此时滚轮将保持在转动后的位置,机器人就可以实现滚动运动。
滚轮需要满足如下要求:
1)当机器人在正常运动过程中车轮不可与机器人的各个不见产生干涉;
2)且当车轮在自转的过程中不会与机器人的各个不见产生干涉。
在自由度及其相关机构确定以后,机器人的模型和基本尺寸就可以确定了,为此我们可以借助于三维软件进行实体模型的创建,并且对其机构进行优化设计,此设计中我们用到的建模软件是UGNX/4.0,进行高级装配的时候我们用到的是UGNX/60.软件,机器人装配图如图2-5所示。
2-5机器人模型
第三章实体建模
UGNX/是一个优秀的CAD/CAE/CAM一体化高端软件,他基于完全的三维实体复合造型、特征建模、装配建模技术,能设计出任意复杂的产品模型,再加上技术上处于领先地位的CAM模块、内嵌的CAE模块,使CAD、CAE、CAM有机集成,可以使产品的设计、分析和制造一次性完成。
它使当今最先进的计算机辅助设计、分析、制造软件,广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。
NX/实体与特征造型:
NX实体建模模块将基于约束的特征造型功能和显示的直接几何造型功能无缝地集成于一体,提供业界最强大的复合建模模块功能,使得用户可充分利用集成在先进的参数化特征造型环境中的传统实体、曲面和线架功能。
该模块提供用于快速有效地进行概念设计的变量化草图工具、尺寸驱动编辑和用于一般建模和编辑的工具,使得用户可以进行参数化建模又可以方便地非参数化方法生成二维、三维线架模型,扫掠和旋转实体以及进行布尔运算,也可以部分参数化或者将非参数化模型后参数化,方便的生成复杂机械零件的实体模型。
NX/特征建模模块用于工程特征来定义设计信息,在NX实体建模模块的基础上提高了用户设计意图表达的能力。
该模块支持标准设计特征的生成和编辑,包括各种孔、键槽、凹腔、方形凸垫、圆柱凸台以及各种圆柱、方块、圆锥、球体、管道、杆、倒圆、倒角等,同时也包括抽空实体模型、产生薄壁实体的能力。
这些特征均被参数化定义,可对其大小机器位置进行尺寸驱动编辑。
除系统定义特征外,用户还可以使用在NX自定义模块中定义的用户特殊特征。
所有特征均可相对于其它特征或者几何体定位,可以编辑、删除、抑制、复制、粘贴、引用以及改变特征时序,并提供特征历史树记录所有特征相关关系,便于特征查找和编辑。
NX/自由曲面建模模块独创地把实体和曲面建模技术融合在一组强大的工具中,提供生成、编辑和评估复杂曲面的强大功能,可以方便地设计如飞机、汽车、电视机以及其它工业造型设计产品上的复杂自由曲面形状。
高级装配:
NX/高级装配模块为NX/装配建模模块添加了针对产品级大装配设计的特殊功能,包括允许用户灵活过滤装配结构的数据调用控制、高数大装配着色和大装配干涉检查功能。
该模块管理、共享和检查用于确定复杂产品布局的数字模型,完成全数字化的电子样机装配。
用它提供的各种工具,可提高用户对整个产品、指定的子系统或者子部件可视化和装配分析的效率。
利用其特有的模型表示方式可以对特大型装配快速进行干涉检查、着色和消隐。
已经定义的各种干涉检查工况可以储存起来多次使用,并可选择以批处理的方式运行。
如果需要,该模块还可提供供软、硬干涉的精确报告。
对于大型产品、设计项目组,可定义、共享产品区段和子系统定义,以提高从大型产品结构中选取进行设计更改的部件时软件运行的响应速度。
该模块的使用可大大缩短大型产品装配布局和验证的设计周期。
该模块和NX其他模块一样,具有并行计算能力,支持多CPU硬件平台,可以充分利用硬件资源。
3.1渐开线齿轮画法
渐开线直齿轮:
首先通过已知条件确定齿轮的z,m,a,b的大小,例如有一齿轮的基本参数为:
齿数z=25,模数m=2,压力角alpha=20°,齿宽b=5。
UG环境下齿轮的参数化三维建模:
1、UG环境下渐开线直齿圆柱齿轮的三维造型原理
在UG环境下的齿轮建模方法有很多种,这里根据齿轮的有关参数生成齿轮的毛胚和齿槽轮廓,再将齿槽轮廓自由拉生成三维实体相当于生成了一把加工齿轮的刀具,再用齿坯减去该实体从而生成齿形。
UG环境下渐开线斜齿轮建模的具体步骤如下:
(1)根据齿轮参数和渐开线方程构造齿轮的端面渐开线齿槽轮廓。
(2)按照齿顶圆直径和齿轮厚度建立齿坯实体。
(3)将端面齿廓轴向拉伸出齿槽实体,即相当于生成了一把加工齿轮的刀具。
(4)使用布尔差操作从齿坯实体中切去齿槽,即可得到该渐开线直齿轮的齿槽轮廓。
(5)将生成的齿轮实体以齿坯轴线为中心按齿数进行圆周阵列,即得到该渐开线直齿轮的三维模型。
2、渐开线直齿圆柱齿轮轮齿三维成型方法
渐开线直齿轮轮齿成
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