仿生机器蟹本体设计——胸足部分.doc

安徽工程大学毕业设计（论文） - I - 仿生机器蟹本体设计胸足部分 机器人发展水平体现出一个国家科技水平,仿生机器人是未来机器人发展方向。本 课题是仿生物蟹机器人设计,使我们对机器人设计有更深地了解。 此次设计以实体生物蟹为原型,对其生物学结构,运动进行观察分析。根据所学知识 对其进行仿生设计，运动模拟。首先观察生物蟹，分析其运动特点；测量出胸部部分 的数据，进行分析；设计出可以实现其各种运动的方案，择优后再确定驱动系统、传 动系统、执行机构等；然后利用 UG NX 6.0 对其进行建模，装配，导出 AUTOCAD 工 程图，确定各零件的尺寸。论文中包括对驱动系统、传动系统、轴的设计和校核，通 过本次设计，我提高设计机械产品的能力。 通过本课题的设计，我更深入地学习了专业知识，掌握了机械产品设计的基本方 法和步骤。更熟练地运用 UG NX 6.0 、AUTOCAD 软件进行设计，锻炼我们解决工程 实际问题的能力，提高了独立开发机械产品的能力。使我们提前熟悉开发部和生产部 的操作流程。在设计过程中学会多思考、多请教、多查阅资料的良好习惯。 关键词：机器蟹；仿生；本体设计；胸足 张引：仿生机器蟹本体设计胸足部分 - II - Crab-like Robots Mechanic DesignFoot Part of The Chest Abstract Robots level of development can reflects a countrys technological level,The biomimetic robotics will be the future robots development direction.This issue is abut a robot design which is a imitation of biological crab,and gives us a better understanding of robot design. This design take the entity biology crab as a prototype,carries observation and analysis on its biology structure and movement, carry on the biological modelling design and movement simulation to it,according to the studies we have learned.First I observe the biological crab,analyze its movement characteristic;Measure the chest size and then analyze the data,Design the program which can achieve its various campaigns, determined drive system ,transmission system and implementing agencies after selecting the best program;and then modeling and assembly by UG NX 4.0,export its AUTOCAD drawings, determine the size of each part.The thesis includes the design and verification of drive system, transmission system, axis,through this design, I improve my design capacity of mechanical products. Through this topic design,I studied the Professional knowledge thoroughly,Mastered the basic methods and the steps of mechanical product design.This design made me more skilled in using UG NX 4.0 and AUTOCAD software and more familiar with the Operational processes of development department and production department ,Strengthened our ability to solve practical engineering problems,improved the capacity of developing machinery and taught me the good custom of multi-ponders,to consult and the multi-consult material. Key words: Robotic crab；Bionic；Ontology design；Pereiopods 安徽工程大学毕业设计（论文） - III - 目录 引 言 .1 第一章 绪 论 .2 1.1 仿生机器人概述 .2 1.2 仿生机器人研究现状及发展 .2 1.3 仿生机器人研究意义 .6 第 2 章 螃蟹的观察分析 .7 2.1 观察分析 .7 2.2 实测螃蟹胸足数据 .7 2.3 螃蟹胸足自由度的分析 .8 第 3 章 驱动系统的选择 .9 3.1 常用驱动装置的比较 .9 3.2 伺服电机选择原则 .9 第 4 章 传动机构 .12 4.1 拟定几种传动方案并比较 .12 4.2 蜗杆的设计 .13 第 5 章 执行机构的设计 .16 5.1 胸足总体结构及工作原理 .16 5.2 夹持部分的设计 .16 5.3 关节的设计 .19 第六章 重要零件的设计与校核 .25 6.1 轴 1 的设计及校核 .25 6.2 轴 2 的设计与校核 .31 6.3 曲柄的极限位置 .34 结论与展望 .35 致 谢 .36 参考文献 .37 附录 A 外文文献及翻译 .38 英文原文 .38 译文 .43 附录 B：主要参考文献题录及摘要 .50 张引：仿生机器蟹本体设计胸足部分 - IV - 插图清单 图 1.1 仿生机器人分类 .4 图 2-1 螃蟹实物图片 .9 图 5-1 胸足装配图 .18 图 5-2 胸足夹持部分 .20 图 5-3 鳌内部结构 .21 图 5-4 胸足下部分关节的 UG 建模 .23 图 5-5 胸足下部分关节的零件图 .23 图 5-6 胸足连接身体部分的 UG 建模 .24 图 5-7 胸足连接身体部分的零件图 .24 图 5-8 蟹鳌部分的 UG 建模 .25 图 5-9 蟹鳌部分的零件图 .25 图 5-10 胸足根部零件图 .26 图 6-1 轴 1 零件图 .27 图 6-2 轴的载荷分析图 .28 图 6-4 轴 2 的零件图 .33 图 6-5 轴 2 弯矩图 .33 图 6-6 轴 2 扭矩图 .34 图 6-7 曲柄极限位置计算分析图 .36 安徽工程大学毕业设计（论文） - V - 插表清单 表 2-1 实测蟹胸足数据 .9 表 2-2 分析得出螃蟹胸足数据 .10 表 6-1 轴 1 截面的弯矩扭矩数值表 .29 表 6-2 轴 2 截面的弯矩扭矩数值表 .34 安徽工程大学毕业设计（论文） - 1 - 引 言 人们对机器人的幻想与追求已有 3000 多年的历史,人类希望制造一种像人一样的机 器,以便代替人类完成各种工作. 1959 年,第一台工业机器人在美国诞生,近几十年,各种用 途的机器人相继问世,使人类的许多梦想变成了现实.随着机器人工作环境和工作任务的 复杂化,要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性,机器人简单的轮 子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求.在仿生技术、控制技术和制造技 术不断发展的今天,仿人及仿生物机器人相继被研制出来,仿生机器人已经成为机器人家 族中的重要成员. “仿 生 机 器 人 ”是 指 模 仿 生 物 、 从 事 生 物 特 点 工 作 的 机 器 人 。 目 前 在 西 方 国 家 ， 机 械 宠 物 十 分 流 行 ， 另 外 ， 仿 生 机 器 人 可 以 担 任 环 境 监 测 的 任 务 ， 具 有 广 阔 的 开 发 前 景 。 二 十 一 世 纪 人 类 将 进 入 老 龄 化 社 会 ， 发 展 “仿 人 机 器 人 ”将 弥 补 年 轻 劳 动 力 的 严 重 不 足 ， 解 决 老 龄 化 社 会 的 家 庭 服 务 和 医 疗 等 社 会 问 题 ， 并 能 开 辟 新 的 产 业 ， 创 造 新 的 就 业 机 会 。 在两栖作战中利用高机动性机器人执行高危险性的作战任务，成为各国军事技术 专家研究的一个热点。具有高度机动能力、能够携带有效任务载荷的机器人对于未来 两栖战场提高作战效能、减少人员伤亡、降低政治敏感度都有十分重要的意义。集机 械化、信息化、机动化、隐身化、智能化为一体的机器人作战平台将成为未来战争的 主要力量，它的研制和使用必将带来两栖作战的一场革命。 相信建立一种面向未来两栖作战的仿生型微小型机器人作战平台，对于追踪国外 先进军事科技，提高国防和海军作战能力有极其重要的意义。 张引：仿生机器蟹本体设计胸足部分 - 2 - 第一章 绪 论 1.1 仿生机器人概述 简单地说,仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统. 从本质上来讲,所谓“仿生机器人”就是指利用各种机、电、液、光等各种无机元器件 和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理控制 协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有高级生命形态特征从而可以在未 知的非结构化环境下精确地、灵活地、可靠地、高效地完成各种复杂任务的机器人系 统.按照所模仿的运动机理、感知机理、控制机理及能量代谢和材料组成的不同,划分仿 生机器人的主要研究内容如图 1.1 所示.其中运动仿生下的划分也可看作基于不同运动 机理的仿生机器人分类 1。 图 1.1 仿生机器人分类 1.2 仿生机器人研究现状及发展 随着工业生产的发展，自动化程度逐渐提高。早期，为提高工业生产的机械化、 自动化水平，在生产中采用了一些程序固定的装卸工件或工具的装置。从六十年代开 安徽工程大学毕业设计（论文） - 3 - 始在一些先进工业国家中电子工业和工业自动化技术发展很快，采用了生产自动线、 数控机床、电子计算机、群控等先进技术。七十年代，又开始出现工业企业整体管理 自动化的生产系统(系统工程)。为适应工业高度自动化的需要，国外迅速发展起一种新 的程序控制自动化装置工业机器人 Robot，它具有独立的机体及控制装置，具有可自 由改变程序的多个自由度的运动，装备有手爪或工具，可代替人作一些搬运、上下料 以及喷漆、热处理、焊接等工作。工业机器人的灵活性、通用性强。由于生产和科技 发展的需要，要求扩大人的能力。工业机器人在工作准确性，工作速度、负荷能力、 耐久性，前后一致性等技术方面提高和扩大了人的能力;在社会经济方面，工业机器人 可代替人在危险及恶劣环境中完成人的体力所难以完成的工作，例如，随着原子能的 利用和空间科学技术的发展，在一些场合，人们常常需要在对人体有危险的条件下工 作(如宇宙空间，放射性区域、高温、高压等)，这些工作只有应用机器人才能完成。工 业机器人可以部分地代替人进行某些笨重及重复性工作，把工人从重复，单调的工作 中解放出来，对改善劳动条件，保障工人安全、提高产品质量和生产效率有显著效果。 在机械加工工业中，物料的运输、传送，贮存所占时间比重很大。据统计，机床上下 料、工序间搬运占总工时圣左右，这些薄弱环节的自动化必然会大大提高生产率。工 业机器人的采用可使昂贵、复杂、高效的设备(数控机床，生产系统)得到最大限度的利 用，充分发挥其作用，在系统工程中必须采用机器人才能与系统中的高度自动化装置 及电子计算机相配合，总之，生产和科技的发展迫切需要采用工业机器人。目前生产 和科技的发展水平也为工业机器人的发展提供了必要的条件。工业机器人是中小批量 生产实现生产自动化的一个重要手段，它的应用必将迅速提高生产自动化的技术水平， 极大地提高劳动生产率，此外在宇宙探索、海洋开发和军事技术中也有很大潜力，对 加速实现我国四个现代化有相当的作用。 水下机器人由于其所处的特殊环境,在机构设计上比陆地机器人难度大.在水下深度 控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面 的设计均需考虑.以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形,用涡轮机驱动,具有坚硬的 外壳以抵抗水压.由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机 动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展.鱼类在水 下的行进速度很快,金枪鱼速度可达 105km/h,而人类最快的潜艇速度只有 84km/h.所以 鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法比拟的,鱼类的推进方式 已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象.仿鱼推进器效 率可达到 70% 90%,与水的相对速度比螺旋桨推进器小得多,有效地解决了噪音问题.美 国麻省理工学院和日本都研制出了仿鱼机器人.在国内,中科院沈阳自动化研究所和北京 航空航天大学机器人研究所已研制了机器鱼样机.就是北京航空航天大学机器人研究所 研制的机器鱼样机 2。 美国罗克威尔公司和 IS 机器人公司研制的扫雷机器蟹 3,得到了美国国防高级研究 计划局及海军研究局的资助.这种扫雷机器蟹可以隐藏在海浪下面,在水中行走,也可以通 过振动,将整个身子隐藏在泥沙中.扫雷机器蟹长约 560mm,重 10. 4kg.它还装备了多个状 态传感器和集成的控制系统,并且每条腿都具有 2 个运动自由度,当地形改变时,通过这些 系统可迅速地调整机器人的姿态和运动方式,使机器人能稳定、迅速地到达目标区域.当 遇到水雷时,就把它抓住,等待控制中心的命令.一旦收到信号,就会自己爆炸,同时引爆水 雷. 水下机器鱼和机器蟹的灵活性远远高于现有的潜艇,几乎可以达到水下任何区域, 张引：仿生机器蟹本体设计胸足部分 - 4 - 由人遥控,它可轻而易举地进入海底深处的海沟和洞穴,可用于测绘海洋地图,检测水下污 染,拍摄海洋生物.也可以悄悄地溜进敌方的港口,进行侦察而不被发觉.作为军用侦察和 科学探索的工具,其发展和应用的前景十分广阔 4. 1.空中仿生机器人 空中机器人即具有自主导航能力,无人驾驶的飞行器.这类机器人活动空间广阔、运 动速度快,居高临下而不受地形限制.在军事、森林火灾以及灾难搜救中,前景极好.其飞 行原理分为:固定翼飞行、旋翼飞行和扑翼飞行 .目前国内外广泛关注的微型飞行器侧重 于扑翼机的研究.它模仿鸟类或昆虫的扑翼飞行原理,将举升、悬停和推进功能集于一个 扑翼系统,可以用很小的能量做长距离飞行,同时具有较强的机动性,适合于长时间无能源 补给及远距离条件下执行任务. 美国加州大学伯克利分校的科学家们利用仿生学原理制造出了世界上第一只能飞 翔的“机器蝇” 5.他们利用一种类似玻璃纸的原料聚酰亚胺,造出了只有长 10mm,宽 3mm,厚 0. 005mm 的仿生翅膀 .它能够每秒钟扇动 150 下,而且还让机器蝇实现了绑在一 根细线上的半自主飞行.其重量只有 0. 1g,身高不到 30mm,在 100m 上空飞行,人们用肉 眼几乎发现不了它,而它却可以拍出极为清晰的照片传回来.美国五角大楼对有望成为 “微型间谍”的机器蝇极为重视,设想机器蝇在未来战争中,可以进行空中侦察,甚至可以带 上微型炸药,袭击指定目标.在未来的机器蝇身上,将安装许多传感器和微型摄像机,可以 用来发现森林火灾,在灾难中搜寻废墟中的幸存者 2.地面仿生机器人 美国、日本、德国、英国、法国等国家都开展了蛇形机器人的研究,并研制出许多 样机.日本东京大学的 Hirose 教授从仿生学的角度,在 1972 年研制了第一台蛇形机器人 样机.美国卡内基- 梅隆大学近日研究出一种可以攀爬管道的蛇形机器人,这种蛇形机器 人大部分由轻质的铝或塑料组成,最大也只有成人手臂大小.机器人配有摄像机和电子传 感器,可以接受遥控指挥.蛇形机器人可以成功上下一根塑料并可以跨越废墟碎片间的巨 大空隙以及在草丛中来去自由.让蛇形机器人在坍塌废墟中穿梭,能更快地找到幸存者,为 灾难救援工作带来了技术突破.在国内,上海交通大学、中科院沈阳自动化研究所、国防 科技大学等单位相继研制出了蛇形机器人样机.是国防科技大学研制的蛇形机器人样机 6. 这条长 1200mm,直径 60mm,重 1. 8kg 的机器蛇,能扭动身躯 ,在地上或草丛中蜿蜒爬行, 可前进、后退,转弯和加速,最大前进速度可达 20m/min,披上特制的“蛇皮” 后还能像蛇一 样在水中游泳.机器蛇头部安装有视频监视器,可以将机器蛇运动前方的情况实时传输到 电脑中,科研人员则可根据实时传输的图像观察运动前方的情景,不断向机器蛇发出各种 遥控指令. 2001 年美国科学家经过对壁虎脚掌的研究,认为壁虎等爬壁生物能够在各种表面 无障碍地运动,其脚掌与接触面之间的接触力是分子间作用力.基于分子间作用力的吸附 机制,与真空吸附和磁吸附相比在航天领域有着明显的优势.例如,在人造卫星表面工作的 小型机器人,与卫星表面的吸附连接不能依靠负压吸附,也不能依靠磁力吸附,而如果能够 研制出像壁虎那样基于分子间作用力吸附的机器人脚掌,那么这种机器人的实现就简单 多了.如图 5 所示是美国斯坦福大学的一个研究小组在 2006 年开发出的一种仿壁虎机器 人,称为 Stickybot7. Stickybot 具有 4 只粘性脚,每个脚有 4 个脚趾,趾底长着数百万个极 其微小的由人造橡胶制成的人造绒毛用于粘附.每个脚趾都有脚筋,脚筋可以实现脚趾的 外翻与展平,每个脚上的 4 个脚筋可以联动,可轻松实现脚与附着面的吸附与脱离.壁虎的 腿是四杆机构,依靠一个电机实现腿的前后移动,并借助另外一个电机实现四杆机构平面 的转动从而实现抬腿动作.此外,有一个电机实现壁虎脚趾的驱动. Stickybot 从吸附原理、 安徽工程大学毕业设计（论文） - 5 - 运动形式,机器人外形上都比较接近真实的壁虎.受壁虎的启发,美国拟开发爬行手套和爬 行鞋,完成攀登救援等工作.国内北京航空航天大学和南京航空航天大学仿生结构与材料 防护研究所合作也在进行与仿壁虎机器人相关的研究. 3.仿人机器人 自 1983 年以来,美国研制出一系列 7 自由度拟人单臂和双臂一体机器人,并已用于 空间站实验。 1986 年美国犹他州大学工程设计中心研制成功了著名的 UTAHMIT 灵巧手,该手有 4 指,拇指 2 关节,其余 3 指各有 3 关节,手指关节绳索驱动并设有张力传感器. 1990 年由 贝尔实验室完成了灵巧手的软硬件控制系统,并模拟人手的拿、夹、抓、握物体等多种 动作进行了实验. 1992 年日本进行多指仿人手臂真实作业的研究,系统由主从手臂及传 感控制系统组成,其灵巧手有 4 指,每指有 3 个关节,手具有 14 个自由度.随着多指灵巧手 研究的发展,具有灵巧手的仿人臂及其系统的研究愈来愈受到重视.日本本田公司和大阪 大学联合推出的 P1、P2 和 P3 型仿人步行机器人,将仿人机器人的研究推向一个崭新的 高度.在 P3 的基础上本田公司又研制了“Asimo” 智能机器人 8.“Asimo”机器人高 1. 2m, 体重 43kg,它可以爬楼梯,以 6km/h 的速度奔跑,可以识别各种各样的声音,还能够通过头 部照相机捕捉到的画面和事先设计好的程序识别人类的各种手势运动以及 10 种不同的 脸型,可以和人手拉着手走路,使用手推车搬运物品等.国内一些科研院所也进行了仿人机 器人的研究.北京航空航天大学机器人研究所在国家863智能机器人主题支持下,研制 出了能实现简单抓持和操作作业的 3 指 9 自由度灵巧手.哈尔滨工业大学机器人研究所 研制了高灵活性的仿人手臂及拟人双足步行机器人,其仿人手臂具有工作空间大、关节 无奇异姿态、结构紧凑等特点,通过软件控制可实现避障、回避关节极限和优化动力学 性能等.双足步行机器人为关节式结构,具有 12 个自由度,可以完成仿人步行的动作. 4.生物机器人 生物机器人即活体生物的人工控制,是生物学、信息学、测控技术、微机电系统技 术高度发展并互相结合的产物.世界各国早已开展利用动物作战的研究,如训练狗钻入敌 方要地将其炸毁,或利用海豚侦察潜艇等.现在更多的国家都在研究将微型传感器安装到 动物的身上,使其进入人类无法到达的地方.1995 年,日本东京大学的 Shimoyama 教授领 导的课题组研究蟑螂的控制技术,即把蟑螂头上的探须和翅膀切除,插入电极和微处理器 以及红外传感器,通过遥控信号产生电刺激,使蟑螂向特定的方向前进 9. 2002 年,美国纽 约州立大学通过在老鼠体内植入微控制器,成功实现对老鼠的转弯、前进、爬树和跳跃 等动作的人工控制.国内的南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所在研制仿壁虎 机器人的同时也在研究壁虎的人工控制技术,把微电极植入壁虎体内,通过电刺激模拟神 经,来控制其运动. “机器人产业在二十一世纪将成为和汽车、电脑并驾齐驱的主干产业。 ”从庞大的工 业机器人到微观的纳米机器人，从代表尖端技术的仿人型机器人到孩子们喜爱的宠物 机器人，机器人正在日益走近我们的生活，成为人类最亲密的伙伴。机器人技术和产 业化在中国具有一定的现实基础和广阔的市场前景。 开展机器人研究和参与各项竞赛活动，旨在进一步加强未成年人思想道德教育， 提高广大青少年的科学素养，发展自身潜能，引导更多的大中小学生关注科技、热爱 科技、走进科技，涌现出更多的未来科学家和未来工程师。在积极推进基础教育和高 等教育改革的过程中，渗透科学技术教育，努力培养大中小学学生的实践能力和创新 精神，造就适应 21 世纪全球科技、经济发展需要的新一代。 机器人大赛不但能吸引一大批电子信息产业制造商、销售商、金融投资机构和技 张引：仿生机器蟹本体设计胸足部分 - 6 - 术服务机构提供产品和服务，而且还促进了知名科研机构、高等院校与高科技企业的 合作交流，共同发展。通过大赛期间举办学术研讨等活动，众多专家学者齐聚一堂， 探讨我国自动化技术和信息技术的发展趋势，为推动产业发展出谋献策，领衔助跑。 仿生机器蟹是仿生机器人中的一种，在现代的军事侦察和海底探险这些复杂的危 险工作中可以起到主力军的作用。 1.3 仿生机器人研究意义 从仿生学的角度来看,仿生机器人是仿生学技术的完美综合与全面应用机器人是一 门涉及到力学、机构学、控制学、计算机科学、信息科学、光学、微电子学、传感技 术、驱动技术、人工智能、仿生学等诸多学科在内的以实际应用为主要目的的综合学 科.因此,它本身的发展和进步在很大程度上依赖于相关学科的研究水平和技术成熟程度. 仿生学的研究目的就是研究生命的结构、能量转换和信息流动等过程,并利用电子、机 械、化学等技术对这些过程进行模拟,从而改善现有的或创造出崭新的自动化装置.仿生 机器人的研制状况和应用程度则根本取决于以仿生学为核心的相关学科的研究进展.运 动仿生、感知仿生、控制仿生、能量仿生、材料仿生等诸多基础的仿生学技术的深入 研究和进步是仿生机器人研制和应用的理论基础与技术前提.仿生机器人是机器人发展 的最高阶段,它既是机器人研究的最初目的,也是机器人发展的最终目标之一。 通过本课题的设计，使我们综合运用所学的专业知识，掌握机械产品设计的基本 方法和步骤，熟练运用 UG、AUTOCAD 软件进行设计，锻炼了我们解决工程实际问 题的能力，初步具备独立开发机械产品的能力。使我们提前熟悉开发部和生产部的操 作流程。锻炼我们钻研、吃苦的精神。 安徽工程大学毕业设计（论文） - 7 - 第 2 章 螃蟹的观察分析 2.1 观察分析 蟹类动物的生存常常依赖于其带有关节的足的有效运动，蟹类在运动时，以爬行 为主，仅少数种类能游泳。如图 2-2 所示，螃蟹有 5 对胸足，第一对末端呈钳状称为 鳌足，主要用于捕食，防御和攻击，后 4 对统称为步足，主要用于爬行或游泳，是螃 蟹的行走器官。大多数海蟹，如三虎梭子蟹，其最后一对步足宽扁似桨，此类螃蟹的 爬行运动主要依靠前三对步足来完成。螃蟹具有典型的外骨骼结构，且骨化特征非常 明显。 图 2-1 螃蟹实物图片 2.2 实测螃蟹胸足数据 表 2-1 实测蟹胸足数据 序号 长度（cm） 直径 (cm) 1 5.0 2.6 2 2.0 1.8 张引：仿生机器蟹本体设计胸足部分 - 8 - 3 2.4 0.8 由于螃蟹实际尺寸太小，与设计用的标准件尺寸矛盾，所以把螃蟹尺寸适当增大， 增大后的尺寸如下表: 表 2-2 分析得出螃蟹胸足数据 序号 长度（cm） 宽（cm） 1 22 5.2 2 15 3.5 3 5.7 2.0 2.3 螃蟹胸足自由度的分析 螃蟹胸足上的关节，相当于机构中的运动副。由于双颗状突起关节只允许相邻两 骨节产生绕某一轴线的相对转对，单单自由度，因而属于转动副，而且这一轴线通过 构成关节的两个关节头的中心，因此，螃蟹的每条胸足是有 6 个转动副联接各骨节构 成的一个开式运动链。其中的两个鳌足各为一个 6R 机械手。 鳌足的机械手的自由度： （2-1x PiFf 1） 说明其末杆在一定范围内，若各关节的转角不受限制，也可以实现任意的位置和 姿态。 但是，由于螃蟹在长期的生存过程中，有部分关节已经退化，使得其结构已经紧 紧的结合在一起，如：其座节和基节已经固定在一起了。所以就目前所观察和了解的 螃蟹而言，螃蟹胸足已经简化为 3 自由度。故本课题所研究的为 3 自由度的仿生机器 蟹胸足的运动学分析及仿真。 安徽工程大学毕业设计（论文） - 9 - 第 3 章 驱动系统的选择 3.1 常用驱动装置的比较 驱动装置是带动臂部到达指定位置的动力源。通常动力是直接或经电缆、齿轮箱 或其他方法送至臂部。目前使用的主要有四种驱动方式：液压驱动、气压驱动、直流 电机驱动和步进电机驱动。交流电机驱动是新近发展起来的一种驱动方法。 （1） 液压式：其驱动系统由油缸，电磁阀，油泵和油箱等组成。其特点是操作力大， 体积小，动作平稳，耐冲击耐振动。但漏油对系统的工作性能影响大。与气压 式相比成本高。 （2） 气压式：其驱动系统是由气缸，气阀，空气压缩机（或气压站直接供给）和储 气罐等组成。其特点是起源方便，维修简单，易于获得高速度，成本低，防火 防爆，漏气对环境无影响，有冲击，臂力一般不超过 300 牛顿。 （3） 电器式：其驱动系统一般由电机驱动。优点是电源方便，信号传递运算容易， 响应快，驱动力较大，适用于中小型机器人，但是必须使用减速装置（如齿轮 减速器，谐波齿轮减速器等） ，所需要的电机有步进电机，DC 伺服电机和 AC 伺服电机等。 （4） 机械式：其驱动系统由电机，凸轮，齿轮齿条，连杆等机械装置组成。传动可 靠，适用于简单的机械手。 综上分析：因为机器蟹尺寸较小，质量较轻，且要求响应快，驱动力较大的特点。 其驱动系统选择电器式驱动。使用伺服电机为其提供动力。 3.2 伺服电机选择原则 伺服电机，按照通常的区分划分为步进电机、直流有刷伺服电机、直流无刷伺服 电机、交流伺服电机，随着科技的日益进步，许多特种伺服电机应运而生，比如压电 陶瓷电机、直线电机以及音圈电机，在这里我们主要讲讲通常意义下伺服电机的选择。 选择什么样的伺服电机，在很大程度上取决于负载的物理特性，负载的工作特性、 系统要求以及工作环境。一旦系统要求确定后，无论选择何种形式的伺服电机，首先 要考虑的是选择多大的电机合适，主要考虑负载的物理特性，包括负载扭矩、惯量等。 在伺服电机中，通常以扭矩或者力来衡量电机大小，所以选电机首先要计算出折算到 电机轴端负载扭矩或者力的大小。计算出扭矩以后需要留出一部分余量，一般选择电 机连续扭矩=1.3 倍负载扭矩，这样能保证电机可靠的运行。除此外还需要计算折算到 轴端负载惯量的大小，一般选择负载惯量：电机转子惯量5：1，以保证伺服系统响应 的快速性。如果出现电机和负载之间惯量，扭矩不匹配的情况，那么只能牺牲速度， 在电机和负载间增加减速机了，这时你需要权衡。 选择出用多大扭矩的电机后，需要做的是了解负载的工作特性和工作环境。负载 张引：仿生机器蟹本体设计胸足部分 - 10 - 的工作特性包括如负载是高速还是低速运行，加速度需要达到多少，是否需要频繁起 停，频率需要达到多少，系统运行精度等等。这时选择伺服电机也并没有什么特定的 规律可循，关键的是你所选择的电机必须适应你负载运动的工作要求。比如在系统精 度要求不高、运动速度在几百转以下（不超过 500 转）但不至于过低（大于 1 转） ，不 需要频繁起停的情况下，步进电机是一种很好的选择。 这是因为步进电机开环控制，控制精度低，速度太高，电机扭矩会下降的很快， 将带不动负载，速度过低会出现转动不连续的爬行现象，而且步进电机的响应也不快， 不适合频繁启动的应用场合。当运动速度几转到 3000 多转以下时，控制精度相对要求 较高，可以选择直流或者交流伺服电机。一般情况下，交流伺服电机低速特性不如直 流伺服电机，如果负载工作于较低速，建议选择直流伺服电机。而有刷直流电机由于 存在电刷换相，会有换相环火产生，在真空防暴水下等场合是不能使用的，并且由于 环火使电机轴膨胀以及传导给连接部件，在系统精度要求高的场合也不能使用。现在 工业应用中广泛应用的交流伺服电机为交流永磁同步电机，由于其在额定转速以下呈 现的恒扭矩特性，所以多用于负载扭矩恒定或者变化不大的场合，比如机床进给系统。 选择是相对的，同一种应用，可以用交流也可以用直流，有时取决于环境，比如有的 机器人项目，交流电源相对而言比较难得到，那就只能用直流伺服电机了。还有许多 特殊应用场合，常规意义的伺服电机是很难完成任务的，比如超低速平稳运行，有的 甚至低到每年几转，一般的伺服电机完成不了这个要求，只能选择力矩电机来完成任 务了。又比如需要频繁起停、快速响应、高加速度，普通伺服也很难满足要求，一般 交流伺服电机带负载频繁起停频率不会高于 5HZ，而直线电机就不一样了，可以做到 高加速度有的达 30G，起停频率可到 20HZ。选择电机唯一的规律就是了解负载特性， 了解工作环境，了解电机特性，只有这样才能选择合适的伺服电机。 伺服电驱动技术是最成熟、应用最广泛的一种驱动方式。从电机的静态刚度、动 态刚度、加速度、线性度、维护性、噪音等技术指标来看，电驱动的综合性能比气压 驱动要好。近年来，微型驱动器和减速器的发展为仿生机器人驱动系统的微型化和集 成化创造了条件。考虑到工程应用实际，和现有的技术条件，我们采用伺服电机驱动 方式。 在完成了关节传动机构的设计和驱动方式的选择后，单腿的长度和基节，胫节， 骨节的长度比例的确立是步行足设计的又一内容。设计中，我们主要从仿生模型的轻 动性角度予以考虑的。 轻动性是指步行机构行走时的轻巧省功，即以少量的能量消耗走远的路程。采用 比耗作为其评价指标，见式(3-1)。 （3-*QWSPTVW 1） 式中： -比耗， J/kg m Q-能耗，J W-行走重量，kg S-路程，m P-平均功率，J/s V-躯体平均速度，即单位重量单位距离所需要的功，m/s 选定的电机参数如下: 安徽工程大学毕业设计（论文） - 11 - 表 3-1 电机参数 电机直径 16mm 减速器直径 16mm 长度 71.2mm 重量 67g 空载转速 1400rpm 额定功率 45W 最大输出扭矩 544mNm 工作电压 24V 减速器减速比 84:1 张引：仿生机器蟹本体设计胸足部分 - 12 - 第 4 章 传动机构 4.1 拟定几种传动方案并比较 4.1.1 方案一：带传动 带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮（主动带轮和从动带轮）和 传动带。当主动带轮转动时，利用带轮和传动带间的摩擦或啮合作用，将运动和动力 通过传动带传递给从动轮。带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等 特点，在近代机械中应用广泛。 但是带传动外廓尺寸较大、需要张紧装置、不能保证固定不变化的传动比、寿命较 短。 4.1.2 方案二 ：齿轮传动 齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递的功率可达 数十万千瓦，圆周速度可达 200m/s。 齿轮传动的主要特点有： 1) 效率高 2）结构紧凑 3）工作可靠、寿命长 4）传动比稳定 但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场 合。 4.1.3 方案三：蜗杆传动 蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹 角可以为任意值，常用的为 90 度，这种传动由于具有下述特点，故应用颇为广泛。 1）当使用单头蜗杆时，蜗杆每旋转一周，蜗轮只转过一个齿锯，因而能实现大的传 动比。在动力传动中，一般传动比 i=580；在分度机构或手动机构的传动中，传动比 可达 300；若只传递运动，传动比可达 1000。由于传动比大，零件数目又少，因而结 构很紧凑。 2） 在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及 安徽工程大学毕业设计（论文） - 13 - 逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。 3）当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性。 4）蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大，工作条 件不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。 因此摩擦损失较大，效率低；当传动具有自锁性时，效率仅为 0.4 左右。同时由于摩擦 与摩擦严重，常须耗有有色金属制造蜗轮，以便与钢制蜗杆配对组成减磨性良好的滑 动摩擦副。 蜗杆传动通常用于减速装置，但也有个别机器用作增速装置。 4.1.4 综合选取 综上三种传动方案分析：由于机器蟹整体尺寸较小，不宜使用尺寸大的传动结构， 要求紧凑、传动比高的传动机构，传动比要求精度很高，所以带传动不宜采用；另外， 由于采用伺服电机传动，要求使用传动比较高的传动机构，设计的螃蟹跟以往规则的 区别较大，属于空间交错的传递运动，所以也不宜选择齿轮传动，应选择蜗杆传动方 式。 4.2 蜗杆的设计 蜗杆传动的主要参数及其选择 ： 主动蜗杆 1 计参数：分度圆直接 d=7.45mm 分度圆螺旋角 = 度分秒5463 轴向齿距 P=2.37 模数 m=0.75 压力角 =20 度分秒na 齿顶高系数 =1h 顶隙系数 c=0.25 旋向：右旋 被动蜗轮 1 计参数： 齿数 z=15 分度圆直接 d=11.25 分度圆螺旋角 = 度分秒5463 模数 m=0.75 压力角 =20 度分秒na 张引：仿生机器蟹本体设计胸足部分 - 14 - 顶高系数 =1ah 顶隙系数 c=0.25 旋向：右旋 齿向公差 =0.02pF 齿向累计公差 =0.02 主动蜗杆 2 参数：分度圆直接 d=10.46mm 分度圆螺旋角 = 度分秒4061 轴向齿距 P=2.36 模数 m=0.75 压力角 =20 度分秒na 齿顶高系数 =1h 顶隙系数 c=0.25 旋向：右旋 被动蜗轮 2 参数： 齿数 z=25 分度圆直接 d=18.75 分度圆螺旋角 = 度分秒4061 模数 m=0.75 压力角 =20 度分秒na 顶高系数 =1h 顶隙系数 c=0.25 旋向：右旋 齿向公差 =0.02pF 齿向累计公差 =0.02 设计参数如上所示。啮合的螺旋齿轮