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探月机器人机械腿仿生设计.docx
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探月机器人机械腿仿生设计.docx
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目 录
一、 前言 ........................................................................................................................................3
1.1 本设计的目的、意义 ........................................................................................................3
1.2 本设计在国内外的发展概况及存在的问题.....................................................................3
1.3 设计方案的选择 ................................................................................................................4
1.4 本设计应解决的主要问题.................................................................................................4
1.5 小组分工 ............................................................................................................................5
1.6 设计流程 ............................................................................................................................6
二、机械腿设计 ..............................................................................................................................7
2.1 设计原理 ............................................................................................................................7
2.2 设计综述 ............................................................................................................................9
2.3 结构设计 ..........................................................................................................................10
2.4 平面连杆机构的受力分析...............................................................................................15
2.5 杆件的设计 ......................................................................................................................23
2.6 零件的选用与校核 ..........................................................................................................24
2.7 机构运动分析 ..................................................................................................................33
三、结论 ........................................................................................................................................44
参考文献 ........................................................................................................................................45
谢 辞 ............................................................................................................................................46
附 录 ............................................................................................................................................47
1
一、 前言
1.1 本设计的目的、意义
普通的探月车在沙地环境下的运动会收到各种地形因素的干扰,如石子、路
面凹凸不平、滑沙等,导致运动速度受影响,从而使工作效率降低。希望通过本
设计能够改进车轮在沙地中行动不便的状况,使得探月机器人能够拥有更高的工
作效率,也能够通过仿生设计,向大自然本身进行学习,从而使经历了千百万年
的自然选择而筛选出的优秀结构能过为人们所用。
1.2 本设计在国内外的发展概况及存在的问题
人们对仿生足式机器人的研究起始于 20 世纪 60 年代,直至今日,仿生足机
器人依旧是人们重点研究的对象之一。其借鉴生物退结构的特点,使足式机器人
本身具备的优点更加的显著。足式机器人的研究以其速度、承载力、稳定性等为
其性能指标,并根据如山地、沙漠、沼泽、城市楼道等地形特点进行特定的结构
设计,使得机器人在特定的环境下拥有卓越的性能。其对地面环境的高适应性使
得其能够胜任许多危险工作,如行星勘探、防护灾害、抢险救援等。
双足仿生机器人多以人体为原型,使其结构更加接近于人体。日本一直在双
足仿生机器人的研究领域占据着领先的地位,1973 年日本早稻田大学研究出了
世界上的第一个双足机器人 WABOT-1,其腿部结构与人类的相似,由大腿、小
腿、足三部分串联而成,能够做到抓取物体与进行距离方向的测量。又如 2011
年由本田公司发布的 ASIMO2011 型机器人,能够根据指令做出相应的动作。美
国也是早期进行双足机器人研究的国家之一。2008 年由 Boston Dynamics 公司研
发的 PetMan,最大时速为 7.1Km/h,有良好的平衡稳定性,腿部拥有六个自由
度,在行走的过程中能够抵御一定的外部干扰,可模仿人类的蹲起、跳跃等动作。
我国对双足仿生机器人的研究始于 20 世纪 80 年代,在 2000 年时由国防科技大
学研制出了我国的第一台双足仿生机器人“先行者”,能够实现平地静态步到动态
步的转换,腿部结构也采用的串联形式。2011 年浙江大学研制出的两款双足仿
生机器人 ZJUKONG-I 及其改进型号 ZJUKONG-II,运行速度分别为 8Km/h、
11Km/h,具有 6 个自由度,可实现前进、后退、转向等动作。两代机器人足部
结构都为矩形,最新研发的足部加入脚跟与脚趾的自由度,可更好地适应地面行
走。
鸵鸟是沙漠中最大的平胸类鸟。每步距离 3.5-7 米,能够以每小时 50-60 公
里的速度跑 30 分钟以上,冲刺时的速度超过每小时 70 公里。鸵鸟后肢强壮有力,
具有稳健,持久和高速奔跑的能力,因此通过对鸵鸟后肢进行结构仿生能够得到
在沙地进行快速行走的理想的效果。
MIT 开发的 Fast Runner 机器人,是以鸵鸟为仿生原型而设计的,可模仿鸵
鸟奔跑的步态,最大速度可达 35.4Km/h,其腿部结构参考了鸵鸟的真实腿部结构,
2
以弹簧代替鸵鸟后肢主要肌腱,将鸵鸟两趾简化为一个包含三节趾骨的单趾。
2017 年在 Fast Runner 的基础上进行优化设计出了 Planar Elliptical Runner,其传
动结构运用了椭圆轮设计,在不依靠控制系统的情况下依旧可以高速稳定的奔跑,
最高时速可达 16Km/h。我国 2018 年吉林大学也对鸵鸟腿进行了仿生设计。通过
对双足仿生机器人与鸵鸟放生机器人的研究现状,可得知普通双足仿生机器人结
构单一,并没有考虑到沙地行走的适应性。但通过仿照双足式机器人的被动柔性
机构能够起到对足部姿态自动调整的作用,由此增加稳定性。鸵鸟式机器人融入
了肌肉、肌腱等元素,踝关节等处设计有弹性缓冲结构,可缓解各类冲击。此外
鸵鸟机械人结构能够对地面地面环境进行适应性的改变,沙地行走时足部可起到
固沙限流的作用。因此在设计时依照现有鸵鸟机器人进行为主要原型,并取普通
双足机器人的优越之处进行设计。
1.3 设计方案的选择
在设计过程中,进行了如下的设计方案选择过程:
仿生对象的方案选择
在确定了仿生腿设计的大方向后,需要先拟定一个进行仿生的对象。由此列
出了以下几个选择:犬类后肢、马后肢、鸵鸟后肢。首先机械犬的研究设计已十
分成熟,也拥有十分优秀的机械性能,是一个不错的选项;马长久以来被人们驯
化并承担代步的职责,其持久的耐力与速度长期以来被人们所认可,其腿部结构
可研究性很强;鸵鸟是双足动物中奔跑速度最快的动物,其速度甚至超越了马的
奔跑速度,且鸵鸟的生活环境是沙地,在沙地环境中鸵鸟的速度有着绝对的优势。
因为设计环境为沙地,由此选择鸵鸟最为合适。
仿生结构的方案选择
在仿生机械的设计中,有开链式结构与闭链式结构可以选择。开链式结构具
有结构本身简单的特点,且自由度高,可活动范围更广,运动方式也更多,使得
仿生也更加精确,整体机构更加稳定。闭链式结构的结构本身更为复杂,且自由
度更低,运动方式更为单一,但优势在于所需电机少,更好控制。由于小组设计
中,并不进行程序编写,对电机进行控制,所以希望机构运动方式越简单越好,
由此选择闭链式结构进行设计。
具体设计方案的选择
主动件的位置选择。在设计过程中首先遇到的具体方案选择就是主动件的选
择。根据鸵鸟的结构来看,可选择主动件的位置可以在大腿,也可以在小腿。大
腿为主动件好处在于机构步距更大,速度更快,且资料查得已有的鸵鸟腿仿生设
计均已=以大腿为主动件;小腿为主动件好处在于机构所受冲击更小,整体更加
稳定。但若以小腿为主动件则无法做到站立、蹲下等动作,由此依旧选择大腿为
主动件。
3
脚趾的设计方案选择。鸵鸟的脚趾是否需要进行仿生是遇到的又一选择。所
查资料在现已有的设计中既有仿生了脚趾,又有没有仿生脚趾的设计。根据所查
得鸵鸟的资料来看,鸵鸟两脚趾,一只主要受力,另一只仅起辅助作用。且鸵鸟
在沙地中的运动优势主要来源于起腿部结构的修长与起其肉的分布而使得其摆
腿频率更快与步距更长,脚趾的结构并非主要的原因,由此不对脚趾结构进行仿
生。
1.4 本设计应解决的主要问题
(1)如何参照鸵鸟腿的骨骼、肌肉结构等进行仿生,从而使得机构也具有
鸵鸟腿的特性。
(2)如何进行机构设计,拟定各个参数。
(3)如何进行受力分析,选定电机、轴承标准件,并设计非标准件,进行
校核。
(4)如何分析其运动方式,看最终运动是否与设计初衷相符合。
1.5 小组分工
小组所做的是探月机器人的设计,我在其中负责机械腿的设计。机械腿的设
计除了应满足仿生设计的期望以外,还应考虑与机体的配合。机械腿需能够承载
机体与载荷运动,还应能够做到站立于蹲下的动作,且蹲下的动作应能够使机械
手触碰到地面。总体结构如图所示。
4
图 1.1 机器人结构示意图
1.6 设计流程
图 1.5 设计流程图
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