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全地形六足探测器设计于仿真

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文档分类: 机械及其自动化论文

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关于本文

  • 本文标题:全地形六足探测器设计于仿真.docx
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  • 内容摘要:+毕业设计说明书全地形六足探测器建模与仿真学院:工业自动化学院专业:姓名:指导老师:机械工程(国际班)学号:职称:教授中国·珠海二○二○年五月诚信承诺书本人郑重承诺:本人承诺呈交的毕业设计《全地形六足探测器建模与仿真》是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计使用的数据真实可靠。本人签名:日期:年月日全地形六足探测器建模与仿真摘要六足机器人的创新设计对于多地形的行驶具有重大的意义。为了设计可靠新型且实用的机器人小车,在六足机器人的基础上设计了一款新型的车轮和六足运动机构合为一体的多功能机器人小车。本文叙述了对这款可弯曲的机器人小车的结构上进行了再设计的整体过程。其中在步行、转弯等运动机构上的设计进行了调整,在将整体的三维模型简化后,对整体模型利用MatlabSimulink进行数学模型的动态仿真,然后利用SolidWorks的有限元插件进行各个零件强度校核,随后利用3D打印软件对导出的三维模型利用进行切片处理,将G代码拷贝到3D打印机中进行打印,完成实物的制作。在组装调试后,使设计的小车的各个机构能够实现在多种地形上自由运动,并能做到一些功能的拓展。关键词:六足机器人有限元分析运动仿真结构设计3D打印ModelingandSimulationofAllTerrainHexapodDetectorABSTRACTTheinnovativedesignofhexapodrobotisofgreatsignificanceformultiterraindriving。Inordertodesignareliablenewandpracticalrobotcaranewmultifunctionalrobotcarwithwheelsandsixleggedmotionmechanismisdesignedonthebasisofasixleggedrobot。Thispaperdescribestheoverallprocessofredesignofthestructureofthisflexiblerobotcar。Amongthemthedesignofwalkingtuingandothermotionmechanismshasbeenadjusted。AfteimplifyingthewholethreedimeionalmodelthewholemodelisdynamicallysimulatedbyusingMatlabSimulinkandthenthestrengthofeachpartischeckedbyusingthefiniteelementpluginofSolidWorks。Subsequentlythederivedthreedimeionalmodelisslicedbyusing3DprintingsoftwareandtheGcodeiscopiedtoa3Dprinterforprintingtocompletetheproductionoftherealobject。Afterassemblyanddebuggingeachmechanismofthedesignedtrolleycanmovefreelyonvariousterraiandexpandsomefunctio。Keywords:hexapodrobotfiniteelementanalysismotioimulatiotructuraldesign3Dprinting目录1前言11。1六足小车内容简述11。2国内外机器人发展概况2图11部分运动原理图2图12机器人图片2图13探测器动画图31。3本课题应解决的主要问题42设计内容52。1运动原理52。2技术指标62。3方案选择72。3。1关节腿的驱动方式选择72。3。2轮胎的驱动方式选择82。4设计过程92。4。1设计软件92。4。2设计零件103有限元分析144模型制作方案与元件选型154。1模型制作方案154。2元件选型154。2。1电机及舵机选用154。3控制主板的选用205结论与展望22致谢23参考文献24附录251前言1。1六足小车内容简述目前,随着科学技术的快速发展,机器人的结构设计也逐渐成熟。在大众视野中,比较常见的有车轮式、带式和关节脚式。这几种不同的运动方式都有它们独特的地方,在不同的地形环境有自己独特的优势。机器人小车最常见的移动方式有轮式和履带式,这两种优点在于它们容易控制,并且移动和响应速度快,对电机进行转速的控制便可实现。这两种移动方式的优势是整体的运动过程比较平稳。在平坦的地形,机器人小车的重心变化小、行驶平稳,整体的运动情况较简单,所以轮式和履带式是一般情况下最佳的移动方案。但是在一些不平坦的地形,具有关节足的机器人就可以能够跨过各种障碍物,而不受轮胎或履带本身的运动限制,比如攀爬曲折的斜坡、楼梯或者野外,。另外,因为关节脚足的机器人的单足具有的自由度比较多,机器人的轮胎运动点变得十分灵活,对凹凸不平的复杂地形也具有很强的适应能力,比如布满各类障碍物的野外环境。所以新型的六足机器人在运输、探测和排爆等领域有重大的意义。1。2国内外机器人发展概况国内机器人的研究与发展比外国起步晚。所以目前国内关于综合性六足关节脚和轮式的一体的混合式机器人车可查阅的文献资料比较少,在设计方面的参考资料也较少。但是国内在研究平坦地面的越障、避障和多地形适应方面可以找到的参考资料较多,可为本设计提供一定的参考。西北工业大学研究设计了一款轮腿式机器人,是一种模块化轮腿式可变形的机器人车.这款机器人由4个结构相同且是可以独立运行的单元再连接所车身构成。它和轮式机器人的行走功能相同,除此还有通过机械臂的动作协调平滑地行驶在各种复杂地形,不会像履带式机器人一样,出现大幅度的摔落动作,从而损伤机械结构和元件。但在沟壑情况下,如果沟壑宽度大于轮子的直径,会出现卡在沟壑的情况。或者因为上下地形落差太大导致翻车的情况。如图11为该类型机器人的部分运动原理图。图11部分运动原理图国内一家公司研制的机器人“loper”是把足式轮设计成4个三叶轮的机械结构,主要用于攀爬斜坡和楼梯。但这款机器人小车在野外等复杂规则环境下行驶的情况不是很理想。容易出现行驶重心不稳定、易翻车的情况。如图12为该类型机器人的图片。图12机器人图片在国外,类似的机器人小车的研究比较多,且方案比较多且成熟。美国NASA航天局研制出一款对于未来在月球建设和发展的过程中有帮助的机器人ATHLETE(全地形六足地外探测器)。设计的一款为六边形的机器人是一款负重机器,可以在月球上多地域行驶,抵达多种地形和目的地。而且这款机器人被作为一个自治型机器人月球基地。宇航员可以利用它在月球上以“游牧”的形式生活。为了适应外太空环境,ATHLETE的能量来源太阳能。ATHLETE给月球勘测带来了便利,它的脚上还安装了摄像头可以进行录像和实时监督。如图13为该探测器的动画图。图13探测器动画图波士顿动力公司研制了一款名为RHex的机器人,这款六腿机器人机动性和灵活性比较高,系统通过独立控制每一条腿,设计不一样的步态,实现在复杂不同的地形上灵活行走,如岩石、林地、草地等不规则地面行走。据报道,RHex是“通吃”各种复杂的地形,同时经过算法优化可以实现最小的能量的消耗。如图14为该机器人的外形图片。图14机器人的外形图1。3本课题应解决的主要问题对于目前市面上存在的多种机器人车的设计进行研究和分析后,发现目前市面上没有一款可以真正实现轮脚一体的多功能机器人。我们综合以上情况,设计一款更加灵活、更可靠实用且功能性强大的机器人,采用了轮式和关节脚式的设计,设计了一款新型的轮腿式机器人。在六足机械结构的基础上,使它的每一个足处设计一款独特的轮子,既可以像车轮式的机器人一样在规则的地面行驶,也可以像六足机器人适应凹凸不平的地面。使其实现在各种地形都可以灵活的行驶。提高行驶速度和行驶效率,从而更加有实用性和综合性。此新设计的机器人具有传动可靠、结构合理灵活的优点,且可以负重、驾驶和装备多功能设备作为功能的扩展。2设计内容(1)在普通的六足机器人的基础上,在足的尾部进行重新设计,把接触点位置设计成一款带有独立运行的轮子。实现从足式机器人转换成轮足式的机器人。且肢体进行重新设计,使结构上的强度和结构的稳定性达到明显足够支撑和活动的效果。(2)采用SOLIDWORKS软件对新型轮足机器人的结构进行设计,通过对零部件的设计,再通过装配,最后形成整体机器人机的完整结构,通过导出装配图和主要零部件工程图,最终完成结构的设计[12]。(3)结构设计完成后,通过机械结构的分析,按一定比例进行缩小,并对结构进行简化。最后通过3D打印将实物模型制作出来,并且进行电机等元件的安装。将理论模型转化成实物模型,并实现基础功能。如图21所示,为设计内容整体流程。图21设计流程2。1运动原理本设计机器人基于在普通的六足机器人的机械原理和运动方式上,继续利用传统的电机带动驱动腿的摆动运动,再模仿按照动物界的六腿昆虫进行运动。实际上,昆虫在运动的时候是按照三条腿为一组,一共两组进行爬行运动。三条腿抬升的时候,另外三条腿保持着地状态。两组腿交替切换着地,实现向前向后的运动。因为三点可以确定一平面,所以三条腿进行支撑可以稳定机身。这是本机器人在攀爬动作的原理。而在平坦地面行驶时,只需调节好每只脚的支撑角度、臂和机身的角度,使机身达到一个非常稳定的状态,再控制脚上的减速电机的转动,调节机身离地面的高度,使其重心达到最佳的位置。再控制脚上轮子的电机进行行驶,达到轮式机器人在平坦地面上快速平稳行驶的效果。如图22为整体设计的简化图。图22整体简化图2。2技术指标设计的主要技术指标及运动轮指标如表21、表22所示:表21关节电机及轮电机主要技术指标臂长电机功率扭矩关节1600mm1000W892Nm关节2370mm1000W892Nm表22电机主要技术指标带轮直径额定功率转速轮280mm180800W4001500rpm2。3方案选择2。3。1关节腿的驱动方式选择(1)液压驱动利用液体的压力进行控制达到了传递效果。液压驱动容易做到无极变速,而且变化速度特别广,因此容易调节力和转矩的具体大小;控制能力比较强,在力量的大小和达到位置相应时间短,速度快且容易进行正确的控制,在与电信号相联系相结合的过程中,体现出优秀的响应控制特征。另外,液压控制可提供的动力比电机更大。但是液体容易泄露,非常影响工作的稳定和运动位置的精度,而且会对环境造成污染。在安装方面,需要配备的元件和管路比较多,整体重量较大,成本相对较高。(2)气压驱动利用空气的特点,具有压缩性。将空气进行压缩并储存起来,利用其压力再通过控制方向元件将压力沿控制方向,带动执行元件的转动、伸缩等运动。气动装置的结构比液压的结构简单且安装简单。但是在电能的消耗量是比较大的且空气能转化成其他能的转换率很低,使用成本会比其他的驱动技术高很多,驱动装置体积大。在可靠性方面,气动的可靠性比较低,受外界的影响因素大,噪声较大。(3)电磁驱动通过伺服电机进行驱动,采用直流电机进行无极调速,且可使用的功率比较大。虽然成本比较高一点,但是输出功率大,效率高。并且电驱动的反应速度比较快。在力矩和惯量方面比其他的驱动较有优势。且动作平稳光滑,在调节后不易产生冲击。因为是电控制,因此控制方面更加灵活,位移的偏差也会比较小很多。最终,在众多方案里选择了一款容易控制且结构易制造的机械肢腿,再选择一款轮机一体的轮子。最后通过电驱动控制,可以实现对机器人车的控制。也对后期的实物制作提供了参考。2。3。2轮胎的驱动方式选择采用无齿无刷轮毂电机,且是设计成电机车轮一体的轮胎。无刷轮毂电机是由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。无刷直流电机的特点用半导体开关器件(如霍尔元件)来实现电子换向的,传统的接触式换向器和电刷被电子器件代替。它拥有许多优点,如可靠性高、机械噪声低等优点,从而达到方便控制和节约占用体积,并且花费成本低。并且脚和轮的连接需要特殊装置,这样可以做到轮子的360度转向。达到自由转动和变换方向。如图23为轮胎三维模型图。图23轮胎三维图轮胎有两种车轮可以参考:普通的车轮胎和一款新式的勒洛三角形车轮胎。勒洛三角形轮胎是一款近几年来新设计的轮胎,先画正三角ABC,然后以正三角形ABC的三个顶点为圆心,边长长为半径画弧得到的图形,如图24所示。这种车轮旋转时高度不变,但是行驶的过程中会很颠簸。但是通过研究发现,颠簸可以通过轴套来抵消和减小。图24勒洛三角形原理可以通过在轮胎的中心添加一个正方形的轴套,以此来抵消中心的变化。但是依旧会颠簸且摩擦损耗比较大,使用寿命不长。而且经过研究后发现,当机身的重量和速度变大后,着力点和功率损耗会比较大,还有滑动摩擦阻力需要克服,因此使用效率也会变得不高。而且轴的寿命也会受到影响。不过这款正方形轴套有个优势就是,在行驶地形复杂的情况下,它更具有跨越复杂地形的优势。但在平坦地形行驶时,却没有普通圆形车轮胎具有的速度和行驶优势,如图24为3D打印制作的勒洛三角形轮胎实物。图25简易3D打印勒洛三角形轮胎2。4设计过程2。4。1设计软件Solidworks是近几年来新的3D制图软件。它的功能很多,内容丰富且功能强大、上手容易和全新的制图理论等明显的特点,这样的优势使得SolidWorks这款软件成为主流和大众的三维制图方案。SolidWorks能够使用与众不同的的设计方案,减少设计发生的错误从而来提高制图的效率和制图质量。SolidWorks拥有强大的制图功能,而且对于设计者来说,操作容易简单、容易上手。熟悉Windows系统的设计者,就可以使用SolidWorks来设计和制图,如图26为软件打开时的加载界面。图26Solidworks软件SolidWorks拥有独特的拖拽功能使设计者在短时间内完成大型的装配工作。SolidWorks资源管理器功能是和微软的资源管理器一样的CAD文件管理器,它可以更加轻松和方便的管理图纸和设计库。熟练使用SolidWorks的用户能在很短的时间内完成更多的设计制图工作,能够更快地设计出图纸并且将高质量的产品完成图投放市场,产生大的收益。在非常强大的设计功能和简易的操作协同下,使用SolidWorks制图软件,整个三维设计是完全可编辑的,零件设计、装配设计和工程图之间的是息息相关的,如图27为软件的操作界面图图。图27Solidworks页面2。4。2设计零件机器人车的结构大概由机身和机械臂、车轮三大部分组成,通过简化,可以得到如图28所示的整体简图。图28整体简易图(1)车身车身的尺寸为1400700180上下板之间可以安装腿部第一关节的电机和一些必要的装置,如电池、探测灯等。电池可使用目前市面上流行的扁形电池,更好的利用空间,且遇到冲击时更好的保护电池。如图29为车身设计三维图。图29车身设计三维图图210部分三维爆炸图(2)机械臂本机械臂的设计采用的是机床的六自由度机械臂控制机构,在臂的底座上重新进行了设计,采用的多零件组装,自由度相限制的处理方式,将机械臂和机身连接为一体。从而达到稳定牢固且易控制的效果。如图210为机械臂部分的三维爆炸图。(3)车轮采用电机轮胎一体的设计,方便安装、避免干涉和节省体积。车胎直径280mm,由制动碟、集成电力电子元件、轴承系统、转子和车轮组成。如图211为车轮的分解展示图。图211车轮分解展示图电机选型由于机身的重量分配到了每一个脚上,且体积不是很因此运动所用的功率不算是非常大型的。市面上符合选型的电机还是很多的。为了方便制作和降低成本,选用的是电机EROB142型。这款电机适用于多种通信方式,具有开放的位置环、速度环、电流环数据和可以实时调节,适合动态的变化负载和变化惯量的机器人应用。在控制方面,这款电机具有双绝对值的编码器可以达到全闭环控制的效果。重复定位精度达到±10角秒,绝对定位精度高达±45角妙,可以实现记忆单圈以及多圈断电位置。且在制动方面,采用的是摩擦式制动保持器,停机无晃动,开机无抖动的效果,真正的可实现负载零速启动,如图212为电机三维结构图。图212电机三维结构图2。4。2。1整体装配设计通过Solidworks的装配功能,将所有建模后的零件进行装配,得到一辆完整的六足轮腿式机器人车,整体装配效果如图213所示。图213整体装配展示图2。4。2。2功能设计在平坦地形下,机器人车通过调整肢节的位置和高度,并且调整车轮在同一个方向,通过电机的驱动,从而发挥到车轮在平坦地形的行驶,达到提高行驶效率的效果。并且可以通过调节肢节的角度进行控制重心的高低和底盘的高低。图214和图215平坦地面行驶示意图和模型的侧面图展示。图214平地行驶示意图图215平地行驶模型侧面图在平地转弯的情况下,不需要采用机器人肢节三角步态进行转弯。肢节电机转动使肢节进行移动,最后呈现一个正六边形的结构,进行原地转弯。节省变化方向上的时间和电力,且不占用其它位置进行360°转向,只需要改变最后一个舵机的角度从而来改变电机的位置,达到了6个电机在同一个正六边形的角上。如图217、图218所示。图217俯视图转向示意图图218轮子角度变化示意图3有限元分析分析使用的是弹性模量2。1e+11,泊松比0。28,抗剪模量7。9e+10,2质量密度7700kgm^3,张力强度723825600Nm^2的合金钢。机身的各种数据进行有限元分析,在施加力和限制其位置后,进行网格化,得出了位移、应变的分析图。施加的为正常人的体重和元件重量,如电池等元件。一共为150kg,为了更加保险的数据,添重更大一些,作为用于2000N的保险的测试数据进行测试。研究后发现,在机身上板和下板的连接部分需要进行优化,达到承重效果好的功能。图31位移、应变效果图在电机的扭转位置施加扭矩,在前面有描述到电机的扭矩数据等等,利用其数据后进行网格化,特别注意的是,由于是6个电机进行扭转,在这里先研究一个电机,且其他电机的扭转数据差距并不是很大。分析后发现,扭转效果完成够使用,达到使用功能。在安装电机的部位需要加强厚度和强度。这样优化效果更佳。图32扭矩效果图4模型制作方案与元件选型4。1模型制作方案根据前几张的理论建模和设计理念,参考类似大小的机器人车的尺寸和功能,最终决定制作模型以便证实理论建模到实际实物制作的可行性,也从一方面论证具有更多功能可以拓展。设计时认为以1:4更为合适,既尺寸大小合适,也可以节省资源和经济,但达到了所想要的效果。先使用三维制图软件Solidworks进行重新建模,简化设计。对各个零件重新按照1:1的模型进行缩小模型设计,达到结构简化而功能不变的效果。对每个零件进行分析,格化。进行3D打印。打印完成后,每个零件进行检查和测试,达到效果后进行组装。图41为装配后整体3D模型图。图41实物3D模型4。2元件选型4。2。1电机及舵机选用轮胎电机选用有刷齿轮减速电机,电机主要参数如表41所示,电机不同电压对应转速参数如表42所示:表41电机主要参数参数类型工作电压重量电机型号减速齿轮参数值DC3V12V73克370二级金属齿轮表42电压及转速参数表电压V35912空载转速pm75130235310电流ma6575110170电机尺寸如图42所示,动力轮电机配套铜质联轴器尺寸参数如图43所示。图42电机外形尺寸图图43联轴器外形参数图关于舵机的选用,在关节处使用了两种转动角度不同的舵机,分别为180度和360度,180度数字舵机的参数如表43所示,因为机械臂需要较大的扭力驱动,所以选用了标称数值为20千克每厘米的数字舵机,数字舵机比普通的PWM舵机响应更快,角度输出更加精确,这可以为运动提供良好的条件。表44为180度舵机电压及扭矩输出值。表43180度舵机参数值参数类型型号运动范围PWM范围重量使用温度参数值TD8120MG0180度5002500US65克30至60摄氏度表44舵机电压及输出扭矩参数值电压输出扭矩响应速度4。8V18。5kgcm0。18ces60度6。4V21。8kgcm0。14ces60度如图44为180度舵机外形尺寸图。图44180度舵机外形尺寸图360度数字舵机参数如表45所示,该类型的舵机支持360度连续旋转,并且可以控制正反转及转速,在PWM值等于1500时保持该状态不动,PWM值等于500时以最大速度顺时针旋转,等于2500时最大速度逆时针旋转,可以提升机械臂的后期拓展功能。表45360度舵机主要参数参数类型型号运动范围PWM范围重量使用温度参数值MG9950360度5002500US55克30至60摄氏度表46360度舵机对应电压及扭矩输出值电压输出扭矩速度4。8V11。9kgcm0。17ces60度6。0V13。1kgcm0。13ces60度360度舵机的外形尺寸如图46所示。图46360舵机外形尺寸设计新型的机器人小车时,舵机的角度选择是一个需要慎重的选型,角度选择过大,在控制和结构上可能会出现问题;角度选择过小,可能会出现限位的情况,最终考虑卡死和烧坏电机舵机。在结合其他肢节式机器人的电机舵机角度设置和结合本机器人车的动作范围后,最后对本机器人车进行角度设计,由于方便查看和理解,在简易的腿部肢节结构上进行标注,如图47所示。图47简易模型上电机位置图为简易的本机器人单条腿的机。。。
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