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全地形六足探测器建模与仿真

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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:全地形六足探测器建模与仿真.docx
  • 链接地址:https://wk.sbvv.cn/view/18055.html
  • 内容摘要:全地形六足探测器建模与仿真ModelingandSimulationofAllTerrainHexapodDetector学院:工业自动化学院专业:姓名:指导老师:机械工程学号:职称:教授中国·珠海二○二○年五月毕业论文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。窗体顶端窗体底端本人签名: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引言11。1课题研究背景及意义11。2国内外研究现状21。2。1国内研究现状21。2。2国外研究现状31。3本课题应解决的主要问题42设计内容52。1设计软件介绍52。2设计零件62。2。1比例缩小及结构简化62。2。2锁紧机构设计72。2。3其他零件设计92。3整体装配113有限元分析及数学模型133。1有限元分析133。2数学模型143。3运动仿真154实物制作164。1制作流程164。23D打印制作准备174。3打印模型导出194。3。1模型导出194。3。2STL编辑软件检查194。3。3切片软件编译194。4打印零件装配204。5轮胎制作及总体装配234。6组装测试254。6。1组装及连线254。6。2检查各部分连线情况264。7控制代码编写及烧录274。7。1开机动作及平地行驶274。7。2楼梯爬行274。7。3障碍物跨越274。7。4横沟跨越274。7。5其他功能274。8问题及改进284。8。1舵机安装284。8。2轮胎制作304。8。3底盘制作314。8。4其他问题335实物验证345。1平整地面行驶345。1。1直线行驶345。1。2转弯行驶345。1。3原地旋转345。2不规则地面行驶及爬行345。2。1爬楼梯345。2。2障碍物跨越345。2。3多层高度障碍物跨越(实时调试)345。3横沟跨越测试355。4拓展功能365。4。1钻头模块365。4。2搬运机械手366结论与展望376。1结论376。2展望37致谢38参考文献391引言1。1课题研究背景及意义目前,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国内外研究现状1。2。1国内研究现状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1。1为该类型机器人的部分运动原理图。图1。1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1。2为该类型机器人的图片。图1。2机器人图片1。2。2国外研究现状在国外,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1。3为该探测器的动画图。图1。3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1。4为该机器人的外形图片。图1。4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2。1设计软件介绍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2。1为软件打开时的加载界面。图2。1Solidworks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2。2为软件的操作界面图图。图2。2Solidworks页面2。2设计零件2。2。1比例缩小及结构简化参考前面设计的1:1实物的模型大小尺寸和功能性,再根据轮胎尺寸,整体按照1:4的比例进行缩小,使用三维软件SolidWorks进行简化设计,在实物制作中采用轮毂和轮胎分体的设计,以方便后期制作和平头螺丝的安装,简化连轴机构部分。根据最初设定的方案,对六足小车进行结构简化,只保留主要的运动副,为后期数学模型的建立和研究做基本准备,并为实物制作的原型提供参考。如图2。3为单个机械足简化模型的三维图。然后绘制底盘主体,将六足安装至底盘上,整体模型最终装配效果如图2。4所示。图2。3单个机械简化模型的三维图图2。4简化模型整体装配图2。2。2锁紧机构设计2。2。2。1360度舵机锁紧设计锁紧机构设计,由于舵机和机械臂不是一体的,需要对每个舵机进行连接,故需要设计锁紧和对应的连接机构。初步设计可将舵机包围的外壳,在内部埋螺母和垫片,安装好舵机后用螺钉锁紧,利用舵机自带的锁紧孔洞,实现对舵机的固定,如图2。5是360度舵机的连接方式。图2。5360度舵机的连接三维图2。2。2。2轮胎电机及轮毂锁紧设计轮胎电机的锁紧,在这部分采用了上下两部分的结构进行锁紧如图2。6所示,中间的间隙可以兼容设计时和打印制作的尺寸误差,同时预留通孔,方便后期安装调节和电源线的安装。最后一部分是电机和轮毂及轮毂和轮胎之间的锁紧,电机通过联轴器和轮毂连接,主要利用较长的平头锁紧螺丝和轮毂连接,如图2。7所示。图2。6减速电机锁紧机构三维图图2。7电机与轮毂间锁紧的三维图轮毂和轮胎间的锁紧是利用轮胎自身的弹性对轮毂的夹紧实现的,同时利用内边的凹槽进行限位和防脱落,如图2。8所示。图2。8轮毂和轮胎连接三维图2。2。2。3180度舵机锁紧设计180度舵机间的锁紧设计有两处,一个位于底盘上,另两个互相连接在一起。如图2。9为两个180度舵机连接的三维图。180度舵机和底盘间的锁紧设计如图2。10所示,使用的是长度为和配套的M4螺母进行连接。图2。9两个180度舵机连接三维图图2。10180度舵机和底盘间的锁紧三维图2。2。3其他零件设计2。2。3。1底盘连接机构设计考虑到3D打印机的成型体积,底盘的设计根据打印机的成型底面积分成了三部分,如图2。11所示的三维图。其中对各部分进行了连接部分设计,用螺丝螺母进行固定,如图2。12为底盘连接部分三维图。图2。11底盘装配三维图图2。12底盘连接部分示意图考虑到后期的接线需求和舵机关节运动的限制,在底盘安装舵机的地方预留了通孔,方便各个舵机的走线,如图2。13所示为预留孔的图片。图2。13走线预留孔图在底盘的两端预留了多个M4大小的通孔,如图2。14方便后期的修改和连接,并且,在后期实物制作的过程中,这些预留的孔洞提升了两机械脚间的可运动空间,为跨越大幅度障碍提供更多的可能。图2。14扩展孔位置图2。3整体装配在确定每个机械臂的运动情况后,以简化模型作为参考,对单个机械臂的结构进行绘制,随后用六个相同的机械臂搭建六足小车实体。绘制完单个机械臂的各个零件后,在同一文件夹下创建其装配体,如图4。10为各个零件整体情况展示,图中序号1到11号零件,依次为180度舵机、180度舵机转接架、180度舵机连接架、360度舵机外壳、360度舵机、电机连接器、减速电机、轮毂、轴承、联轴器、轮胎,如图2。15为各个零件整体情况展示。图2。15为各个零件整体情况展示经过多次改进,最终的单个机械臂的三维模型装配效果如图2。16所示。图2。16在完成单只机械臂的零件和底盘的绘制后,对六轮小车进行整体的装配,在后期也进行了模型上的改进,比如连接部分的运动干涉解决,电路走线的位置安排。最终装配效果如图2。17所示。图2。17整体最终装配图3有限元分析及数学模型3。1有限元分析3。1。1单个机械臂有限元分析设小车整体重30千克,其中包含后期需要的电源等设备重量,平均单个机械臂需要承受50牛的重量。对于单个机械臂而言,底盘的180度舵机承受的力和其他180度舵机基本相同,在转接架后的舵机需要在与扭矩输出法线垂直方向上承受这个力,在另一端的180度舵机也是,360度舵机在外壳的转接下,受力和扭矩的法线相同,可以通过接触面进行力的传递,不过在此处将电机和轮毂轮胎分开分析。如图3。1为单个机械臂组装后网格划分后的效果图,网格质量设置为中。如图3。2为单个机械臂受力分析的解算时的窗口。图3。1图3。2在解算完成后,查看结果。如图3。3为底盘舵机上的受力情况,可以看到舵机和底盘的接触位置受力在1MPa以下,变形较小。如图3。4为180度舵机转接架处的受力情况,直接受力处最大值为1。966MPa,小于打印使用耗材的需用强度20MPa,说明使用打印材料可满足强度需求。图3。3图3。4从整体上看,在360度舵机壳和180度舵机的连接处受力变形较为明显,如图3。5所示,部分位置的最大值达到了3。932MPa,在材料的承受范围内,说明打印的PLA材料满足需求,并且可以调整密度,减轻整体的质量。图3。53。1。2轮胎电机有限元分析单个机械臂的分析完成后,对其末端主要受力部分进行分析,主要为电机和轮胎,解算的结果决定了后期制作采用的材质和密度的设置。如图3。6为已装配好的电机和轮胎部分。对各部分材质设置完成后,设置中质量的网格进行运算。运算结果如图3。7所示,图中颜色对应的标尺数值大多1。8MPa左右,在轮毂的受力范围内,在实物制作材质初选时,轮胎材质为橡胶,故满足材料强度要求。图3。6图3。73。1。3底盘有限元分析分析底盘时,通过安装在底盘上的六个180度舵机简化六个机械臂传递的力,每个舵机使用两组铁素体不锈钢的螺栓螺母与底盘连接,底盘间用四组螺栓螺母进行连接,底盘材料设置为与打印耗材力学性能相近的ABS。装配好后如图3。8所示,利用SolidWorks的有限元模块进行分析。考虑到后期分析时舵机实体会影响网格划分的速度和后期计算的速度,在分析时简化了部分结构,对受力面直接施加对应数值的力进行计算。如图3。9为计算中的图,图3。10为计算结果,从标尺处对应颜色可以看到,一小部分位置受力会达到23MPa,略大于材料的极限值,在后期对相应结构进行加固可以减少断裂的可能性。图3。8图3。9图3。103。2数学模型在solidworks软件完成简化模型的建模和装配后,通过安装的Simmechanicslink插件建立联合仿真的接口,将已经装配好的简化模型装配体输出为XML文件,通过在MATLAB软件输入连接的激活代码进行连接,如图3。11为连接成功的提示窗口,然后利用代码读取XML文件,完成MATLAB控制系统的转换。因为小车的六个机械臂在设计时使用相同结构,且运动范围相同,故对单个机械臂进行分析,且考虑到电脑算力,所以用最初的简化模型进行控制系统的分析。在Matlab中使用代码对XML文件进行导入,如图3。12为导入时的加载窗口。3。113。12等待加载完成后,在Matlab的另一个窗口将显示各个控制模块和其三维模型对应的关系如图3。13所示。使用鼠标拖动整体后,如图3。14所示。图中最左端设置了默认的一些参数,比如重力加速度的设置,在阻尼方面默认为零,这个在后期的模型视频中也有一定的体现。Revolute4为底盘和180度转接架处的运动关节,Revolute5和Revolute2为两个180度舵机的运动关节。Revolute为360度舵机运动处对应关节;Revolute1为电机转动关节,多出的Revolute3是因为在轮胎电机位置加了延长的部分,所及计算时有此驱动环节。3。133。14在控制系统界面,点击RUN按键运行三维模块,如图3。15为关键的运动视频的截图,由于未限制运动范围,视频中的关键点以360度的运动。3。153。3运动仿真在完成建立的实物三维模型后,对其进行装配,并做基础的动画对运动的动作和运动范围进行验证。4实物制作4。1制作流程(1)在已经搭建好的六足机器人基础上,对实际尺寸进行比例缩小并简化部分结构。实现从实际尺寸到比例验证实物的转换。根据制作所选材料对结构重新设计,使结构上的强度和结构的稳定性达到预期的活动效果。(3)结构设计完成后,通过机械结构的强度分析,验证后参考材料强度及整体质量,选择合适的填充密度,以达到良好的结构强度及较小的重量。(2)采用SOLIDWORKS软件对实物的结构进行设计,通过对零部件的再设计,再通过装配,最后形成整体机器人机的完整实物结构,通过导出三维零件,利用切片软件和3D打印技术,最终完成实物的制作。如图4。1为设计内容整体流程。图4。1实物制作流程4。23D打印制作准备在完成整体的模型绘制后,利用3D打印机对模型进行打印验证。在打印件完成后,出现的首个问题是打印材料的收缩导致实际安装尺寸不符合设计要求,因此在测量后对打印模型进行了改进,重新打印。整个实物制作过程中,利用的打印机如图4。2所示是创想三维公司开发的ender3型号的打印机,配合性价比较高的兰博PLA耗材制作,本次制作使用的耗材有白色、黑色、红色和银色的材料,耗材包装如图4。3所示。图4。2ender3型号3D打印机图4。3兰博PLA耗材4。3打印模型导出4。3。1模型导出在需要打印的实物三维模型绘制完成后,需要对模型以STL格式导出。如图4。4所示。初步导出打印文件目录如图4。5所示,其中,打印轮胎部分是为了验证轮胎形状,以方便后期对模型的修改及轮胎模具的制作。4。44。54。3。2STL编辑软件检查STL文件为三角面片文件,为避免输出模型因出现破面、法相错误和穿孔而导致切片错误,在导出STL模型文件后,使用三角面片编辑软甲MaterialiseMagics24。0进行检查,对部分出现三角面片错误的模型使用自动修复工具进行修正并导出,减少模型的打印过程中出错的概率,如图4。6所示为修复时的截图。4。64。3。3G代码编译在完成模型的检查和修复之后,使用创想三维公司基于Cura开发的切片软件CrealitySlicer1。2。3,如图4。7为软件操作面板,整个过程使用同一机器和打印参数设置,设置参数如图4。8所示。由于不同的3D打印机有不同的最佳设置参数,图中设置的打印参数已经过实验后,在保证整体的打印质量的前提下,提升打印的效率,如层高设置0。2毫米,可以减少喷头在整个模型内的路径扫描时间,壁厚和底层顶层厚度设置1。2毫米可以保证打印模型外壁层间的牢固黏接,同时利用网格填充,减少打印零件的整体重量,从而达到轻量化的目的。图4。7为软件操作面板图4。8切片参数设置4。4打印零件装配关于影响打印的参数设置还有打印的速度和喷头及热床的温度,热堆积类型的打印机由于成型原理及材料的限制,使得打印的运行速度在一定后就开始下降,会出现比如层黏接不牢固、出料不畅和供料齿轮打滑的情况,这些都可能导致最终打印失败。在各个参数确认后,对各个零件依次导入切片,开始打印工作。在完成单只机械臂的零件打印后,进行初步的组装。首先是360度舵机的安装,先在壳体内部放置螺母如图4。9所示,然后放入舵机,顺着缺。。。
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