仿生机器蟹本体设计——胸足部分

I / 59仿生机器蟹本体设计仿生机器蟹本体设计胸足部分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。关键词关键词：机器蟹；仿生；本体设计；胸足II / 59Crab-likeCrab-like RobotsRobots MechanicMechanic DesignDesignFootFoot PartPart ofof TheThe ChestChestAbstractAbstractRobots 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.KeyKey words:words: Robotic crab；Bionic；Ontology design；PereiopodsIII / 59目录目录引引 言言 .1 1第一章第一章 绪绪 论论 .2 21.1 仿生机器人概述.21.2 仿生机器人研究现状及发展.21.3 仿生机器人研究意义.6第第 2 2 章章 螃蟹的观察分析螃蟹的观察分析 .7 72.1 观察分析 .72.2 实测螃蟹胸足数据.72.3 螃蟹胸足自由度的分析.8第第 3 3 章章 驱动系统的选择驱动系统的选择 .9 93.1 常用驱动装置的比较.93.2 伺服电机选择原则.9第第 4 4 章章 传动机构传动机构 .12124.1 拟定几种传动方案并比较.124.2 蜗杆的设计.13第第 5 5 章章 执行机构的设计执行机构的设计 .16165.1 胸足总体结构及工作原理.165.2 夹持部分的设计.165.3 关节的设计.19第六章第六章 重要零件的设计与校核重要零件的设计与校核 .25256.1 轴 1 的设计及校核 .256.2 轴 2 的设计与校核 .316.3 曲柄的极限位置.34结论与展望结论与展望 .3535致致 谢谢 .3636参考文献参考文献 .3737附录附录 A A 外文文献及翻译外文文献及翻译.3838英文原文 .38译文 .43附录附录 B B：主要参考文献题录及摘要：主要参考文献题录及摘要.5050IV / 59插图清单插图清单图 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.36V / 59插表清单插表清单表 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.341 / 59引引 言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。 2 / 59第一章第一章 绪绪 论论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3 / 59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,4 / 59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. 5 / 59Stickybot 从吸附原理、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6 / 59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。7 / 59第第 2 2 章章 螃蟹的观察分析螃蟹的观察分析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 1.88 / 59 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 2.02.3 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： （2-16x16PiiFf1）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。9 / 59第第 3 3 章章 驱动系统的选择驱动系统的选择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10 / 59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-*Q WSPT W V TP W V1）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:11 / 59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84:112 / 59第第 4 4 章章 传动机构传动机构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13 / 59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5 46 33 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=1ah 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5 46 33 模数 m=0.75 压力角=20 度分秒na14 / 59 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=0.02F主动蜗杆 2 参数：分度圆直接 d=10.46mm 分度圆螺旋角=度分秒4 06 41 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=1ah 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4 06 41 模数 m=0.75 压力角=20 度分秒na 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=0.02F设计参数如上所示。啮合的螺旋齿轮副分别采用 45 号钢和锡青铜材料，增加了传动的耐磨性。在关节所需力矩参数选定后，我们对被动齿轮齿面接触强度进行了校核。由公式(4-1)，(4-2)得到轮齿表面接触强度的校核公式。 (4-1)132()aaHPKTaA (4-2)133121daHPKTdA 15 / 59式中: -两齿轮啮合的中心距 mma-被校核齿轮的分度圆直径 mm1d,-配对的齿轮副常系数值aAdA-啮合的传动比-载荷系数=1.22KK-校核齿轮传递的力矩 mm1T,-齿宽系数ad-许用接触应力/,HPN2mmHPlim0.9H查表代入相应参数=62.6，=529.2，=15，K=1.2，=0.245Nm，=1.0，=0.3，=300/aAdA1TdaHPN。校核非髓关节处被动齿轮的受力得到7.85mm,a9.2mm;实际非髓关节处被2mm1d动齿轮=11.25mma.=94mm。满足轮齿表面接触强度的要求。1d蜗轮轮齿弯曲强度所限定的承载能力，往往超过热平衡计算和齿面点蚀所限定的承载能力。因此，在一般条件下，不进行其弯曲强度计算16 / 59第第 5 5 章章 执行机构的设计执行机构的设计5.1 胸足总体结构及工作原理图 5-1 胸足装配图设计的螃蟹胸足总体布局如上图所示，组成部分包括：四个电机（其中一个在黄色鳌壳内部，用于实现夹持部份的张开和夹紧，内部详细结构见图 5-3） 、固定在螃蟹身体的固定部分、胫节、夹持部分等。其工作原理是：电机 1 通过联轴器连接蜗杆，蜗杆带动蜗轮转动，通过轴的连接可以实现胸足水平方向的运动；电机 2 带动胸足末端下部的垂直方向的运动，电机 3可以实现胫节和鳌部水平方向的运动，此三个电机可以实现胸足 3 个自由度。在鳌壳内部是通过电机连接蜗杆，带动蜗轮，蜗轮和曲柄连接在一个轴上，从而实现曲柄的转动，曲柄带动连杆，连杆和顶杆连接，来回伸缩运动实现夹持部分运动。传动系统选择蜗轮蜗杆的原因是传动比稳定，且高，结构紧凑，符合机器蟹设计整体尺寸偏小的情况。17 / 595.2 夹持部分的设计5.2.1 机器手的分类及设计注意事项夹子是用来握持工件的部件。由于被握持工件的形状、尺寸、重量、 、材质及表面状态的不同，手部结构是多种多样的。大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的。各种手部的工件原理不同，故其结构形态各异。有些工业机器人在相当于手部的部位，直接安装了用于喷涂的喷枪以及用于焊接的点焊设备或弧焊设备等工具，当然也有用机械手握持这些工具进行作业的。采用直接安装的方法可简化结构，并且还可以减轻重量，提高性能。因此，可将这些机器人看成是机械手与工具融为一体的机器人手。机器手的最大特点是能够握持物体。常用的手部按其握持原理可以分为如下两类：1 夹持类：内撑式外夹式内撑式和外夹式的区别仅在于夹持工件的部位不同，手爪的动作方向相反。夹持类手部除常用的夹钳式外，还有勾托式和弹簧式。此类手部按其手指夹持工件时的运动方式不同，又可分为手指回转式和指面平移型。2. 吸附式 气吸式：用负压吸盘吸附工件。按负压的产生方式不同，可以分为挤压式和真空式。 磁吸式 夹钳式一 手部的组成和设计时的注意事项1夹钳式手部的组成夹钳式手部的结构与人类类似，是工业机器人中广为应用的一种手部形式。可见，一般夹钳式手部由以下几部分组成：（1） 手指：它是直接与工件接触的构件。手部松开和夹紧工件，就是通过手指的张开和闭合来实现的。一般情况下，机器人的手部只有两个手指，少数有三个或多个手指。它们的结构形式取决于被夹持工件的形状和特性。（2） 传动机构：它是向手指传递运动和动力、以实现夹紧和松开动作的机构。（3） 驱动装置:它是向传动机构提供动力的装置。按驱动方式不用，有液压、气压、电动和机械驱动之分。由液压驱动成本过高，在选择驱动方式时应尽量避免采用。 此外，还有连接和支承元件，它们将上述有关部分连成一个整体，如图支架，使手部与机器人的腕或臂相连接。二 夹钳式手部设计的注意事项1.手指应具有一定的开闭范围。此范围就是从手指张开的极限位置到闭合夹紧时每个手指位置的变动量，回转型手部的开闭范围可用手指的开闭角表示；2.有适当的夹紧力。为使手指能夹紧工件，并保证在运动过程中不脱落，要求手指在18 / 59夹紧工件时应有足够的夹紧力。但是，夹紧力也不宜过大，以免在夹持过程中损坏工件，特别是易碎工件和已精加工的工件。机器人手部对物体的抓紧力 N 一般取为 N=(23)G （5-1）式中，G 是被抓取物体的重量。当手部抓取易碎和薄壳物体时，不应将工件压碎和变形，因此设计手部时，应根据被握对象不同，选择适宜的驱动装置，以产生合适的夹紧力。3要保证工件在手指内的定位精度。根据工件形状和位置要求及工件的加工精度和装配精度的要求，选择适当的手指形状和手部结构，以保证工件在手内的相对位置精度。工件在手指内的定位精度直接影响到工业机器人系统的精度，因此在设计时应当着重考虑。4.结构紧凑，重量轻，效率高。手部处于腕和臂部的最前端，运动状态多变，其结构、重量及动力负荷将直接影响到腕和臂部的结构。因此，在设计手部时，必须力求结构紧凑、重量轻和效率高。有鉴于此，在选用手部材料时，应尽量选用铝合金等高强度轻质材料。5.通用性和可换性。一般情况下手部多少专用的。为了扩大它的使用范围，提高通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采用可调整的办法，如更换手指，甚至更换整个手部。也可以为手部专门设计过渡接头，以迅速准确地更换工具。5.2.2 夹持部份的设计图及工作原理根据上述要求对夹持部分设计采用夹钳式，其结构如下图：图 5-2 胸足夹持部分 1夹持物体部份 2顶杆 3支撑架内部结构如下:19 / 59图 5-3 鳌内部结构 其工作原理是：通过顶杆 2 的伸缩带动 1 部分以支架上孔为圆心夹持和张开，连杆和鳌部壳内的曲柄连杆连接，当电机转动时带动蜗杆，蜗杆带动蜗轮，蜗轮和曲柄连杆连接在一根轴上，从而带动曲柄连杆的转动，所以顶杆部分可以来回伸缩，实现夹持部份的夹紧、张开运动。 5.3 关节的设计 关节是直接连接、支撑和传动手臂及行走机构的部件。一般情况下，实现手臂的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的，也可以使行走式的，即在它的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空轨道运行。 手臂部件是机器人的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。臂部还安装一些传动、驱动机构。 从臂部的受力情况看，它在工作中直接承受腕、手和工件的静、动载荷，自身运动又较多，故受力复杂。臂部设计应注意问题： 机身和臂部的工作性能对机器人的负荷能力和运动精度影响很大。在设计时应注意以下几个问题：1. 刚度刚度是指机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量之比来度量的。变性越小，则刚度越大。机器人的机身和臂部的刚度是一个比强度更突出的问题。为提高刚度，应注意以下几点：（1） 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。机身和臂部通常既受弯曲力，也受扭转力，应选用抗弯和抗扭刚度较大的截面形状。封闭的空心截20 / 59面与实心截面相比，不仅在两个互相垂直的方向上抗弯刚度较大，而且抗扭刚度也较实心和开口截面大。若适当减小壁厚，加大轮廓尺寸，则刚度较大。采用封闭形空心截面的结构作为臂杆，不仅有利于提高结构刚度，而且空心内部还可以布置安装驱动装置、传动机构及管线等，使整体结构紧凑，外形整齐。（2） 提高支撑刚度和接触刚度。机身与臂杆的变形量不仅与其结构刚度有关，而且与支承刚度及支承物和机身、臂杆间的接触刚度有很大关系。 要提高支承刚度，一方面要从支座的结构形状、底板的连接形式等方面考虑；另一方面，要特别注意提高配合面间的接触刚度，即保证配合表面的加工精度和表面粗糙度，如果采用滚动导轨或滚动轴承，装配时应考虑施加预紧力，以提高接触刚度。（3） 合理布置作用力的位置和方向。设计臂杆时，要尽量附加弯矩，减少臂杆的弯曲变形。关于合理布置作用力的问题，在结构设计时，应结合具体受力情况加以全面考虑。例如，可设法使各作用力引起的变形互相抵消。2. 精度机器人的精度最终集中反映在手部的位置精度上。显然，它与臂和机身的位置精度密切相关。影响机身和臂部位置精度的因素除刚度外，还有各主要运动部件的制造和装配精度、手部或腕部在臂上的定位和链接方式以及臂部和机身运动的导向装置和定位方式等。就导向装置而言，其导向精度、刚度和耐磨性等对机器人的精度和其他工作性能影响很大，在设计时必须注意。3 平稳性机身和臂部的运动较多，质量较大，如果运动速度和负荷又较大，当运动状态变化时，将产生冲击和振动。这不仅会影响机器人的精确定位，甚至会使其不能正常运转。为了提高工作平稳性，在设计时应采取有效的缓冲装置以吸收能量。从减少能量的产生方面来看，一般应注意以下几点：(1) 臂部和机身的运动部件应力求紧凑、质量轻，以减少惯性力。例如，有些机器人臂部构件采用铝合金或非金属材料。(2) 必须注意运动部件各部分的质量对转轴或支承的分布情况，即重心的布置。3. 其它（1） 传动系统应力求简短，以提高传动精度和效率。（2） 各驱动装置、传动件、管线系统及各个运动的测、控元件等布置要合理紧凑，操作维护要方便。（3） 对于在特殊条件下工作的机器人，设计时应有针对性地采取相应措施。例如，高温环境应考虑热辐射的影响；腐蚀性介质环境应考虑防腐问题；粉尘环境应考虑防尘问题；危险环境应考虑防爆问题。 根据上述要求设计出仿生机器蟹胸足部分主要零件如下： 21 / 59图 5-4 胸足下部分关节的 UG 建模图 5-5 胸足下部分关节的零件图22 / 59图 5-6 胸足连接身体部分的 UG 建模图 5-7 胸足连接身体部分的零件图23 / 59图 5-8 蟹鳌部分的 UG 建模图 5-9 蟹鳌部分的零件图胸足根部的设计：螃蟹胸足根部有两个自由度，为实现其自由度，设计结构如下图：24 / 59图 5-10 胸足根部零件图 通过上下两个电极分别带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，可以实现下部件水平方向和垂直方向上的运动，保证根部两个自由度的实现。25 / 59第六章第六章 重要零件的设计与校核重要零件的设计与校核6.1 轴 1 的设计及校核轴的主要材料是经过锻造的优质中碳钢和合金钢。为了提高州的强度和耐磨性，可对轴进行热处理和化学处理，以及表面强化等处理， 故轴的材料选用 45，正火处理。 图 6-1 轴 1 零件图考虑到装配方面以及轴承的标准，轴的轴径取 5 mm,长度取 8mm.，又考虑到轴右侧要接链轮，所以这边的长度选取为 20.89 mm,轴其他的就按照情况而定。（1）轴的校核 轴的计算通常是在初步王城结构的设计后进行校核，计算准则是满足强度或刚度，必要时还应校核轴的振动稳定性1.求出轴上的功率，转速和转矩1p1n3T轴承的传动效率： 轴=0.99轮的传动效率： 链=0.97（精度等级为 8 级）则轮上的传动效率为:1P=P轴链=1.30.990.97=1.24 KW1P2轴的转速：n = 23.4 r/mil2.作用在轴上的之力=1.151111501=128226NKF1.15AKFt3.各力作用于轴上如下所示：26 / 59 tF 1nhF2nhF HMVM图 6-2 轴的载荷分析图4.求轴上的载荷 首先作出轴的结构简图如上，在确定轴承的支点位置时，应从手册中查取 a 值。对于 6206c 深沟球轴承，差得 a=44.4mm.。L1=15.6mm.L2=L3=84.4 mm.从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出 C 是轴的危险截面。先将计算出截面 C 处的及及 M 值列于下表：HMvM表 6-1 轴 1 截面的弯矩扭矩数值表27 / 59 载荷水平面 H垂直面 V支反力 F =1450 N =4505 N1nhF2nhF =222N =106N1NVF2NVF弯矩 M=3835 N.mmHM=184 N.mm =900 N.mm1VM2VM总弯矩 =3838 N.mm1M2238380518842=3940 N.mm2VM2238380590940扭矩 T =92350 N.mmtT5.按弯扭合成应力校核轴的强度 进行校核，通常只校核上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度，根据公式： （6-2222142MTMTcaWWW1）式中， 轴才计算应力，单位 Mpa;caM 轴所受的弯矩，单位 N.mm;T 轴所受的扭矩，单位 N.mm;W轴的抗弯截面系数，单位 mm 对称循环应变力时轴的许用变应力；1取折合数=0.6（扭转的切应力为脉动循环变应力时） 2233940430.6 9235007.920.1 95ca前面已经选定轴的材料为 45 钢，调质处理，查的=60 Mpa;因此1ca，安全16.精确校核州的疲劳强度 图 6-3 轴 128 / 59由图段右侧和段左侧是危险截面，需要校核这截面的的疲劳强度。 段右侧； 抗弯截面系数：W=0.1=0.1=12.5 3d353mm抗扭截面系数：=0.2=0.2=25 TW3d353mm左侧的弯矩 M 为：M=383868=347482.40 N.mm84.4884.4截面的扭矩为 =923500 N. mmtT截面上的弯曲应力：=16Mpa20194012.5bMW截面上的扭转切应力：=6.33 Mpa925300145800tTTTtW轴的材料为 45 钢，调质处理，查得=640 Mpa； =155 Mpab1截面上由于轴肩形成的理论应力集中系数，因= =0