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1、丽水学院2011届学生毕业设计丽水学院毕业设计（论文）说明书（2011届）题 目基于UG软件的六足机器人设计及其仿真指导教师王 毅院 系机械电子与建筑工程学院班 级机自072学 号07105010125姓 名沈峰敏二一一年三月二十三日30基于UG软件的六足机器人设计及其仿真机械设计制造及其自动化 机自072 沈峰敏 指导老师 王毅摘 要多足步行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构, 是模仿多足动物运动形式的特种机器人, 是一种足式移动机构。所谓多足一般指四足及四足其以上, 常见的多足步行机器人包括四足步行机器人、六足步行机器人、八足步行机器人等。本论文选择六足机器人为设计对象，通
2、过对UG三维建模的应用，来设计连杆机构，并用运动仿真模块来对六足机器人进行运动仿真关键词：六足机器人 UG 运动仿真 The design and simulation of hexapod robot based on UG softwareAbstract Myriapod robot is one kind of special robot which has the redundancy drive, multivessel chain, time-varying topological sports organizations, is imitating feet animal mo
3、vement form, is a foot type move institutions. So-called full generally refers to more than four foot and four feet above, the common multiple walking robot includes four feet walking robot, hexapod walking robot, eight feet walking robot, etc. This thesis choose hexapod robot as design object, and
4、through the application of UG, 3d modeling, and to design the linkage mechanism motion simulation module to hexapod robot movement simulationKey word: hexapod robot UG movement simulation t目录1绪论11.1课题研究的来源及概况11.2虚拟仿真技术及其意义41.3课题主要研究内容52 基于UG平台的虚拟仿真技术研究52.1引言52.2运动仿真技术研究62.3基于 UG 平台的运动分析功能模块研究92.4运动仿
5、真中的机构运动方式102.5小结113三维环境下的六足机器人设计113.1运用UG草图功能建立二维模型113.2三维模型的完成134基于UG的六足机器人运动仿真系统的实现204.1系统开发环境简介204.2运动仿真系统的整体构架214.3运动仿真的创建234.4运动仿真的修改及其实现325总结和展望345.1全文工作总结345.2工作展望35参考文献36致谢371绪论1.1课题研究的来源及概况1.1.1课题来源多足步行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构, 是模仿多足动物运动形式的特种机器人, 是一种足式移动机构。所谓多足一般指四足及四足其以上, 常见的多足步行机器人包括四足步行
6、机器人、六足步行机器人、八足步行机器人等4。步行机器人历经百年的发展, 取得了长足的进步, 归纳起来主要经历以下几个阶段5:第一阶段, 以机械和液压控制实现运动的机器人。第二阶段, 以电子计算机技术控制的机器人。第三阶段, 多功能性和自主性的要求使得机器人技术进入新的发展阶段。雷静桃等在文献中对美国、日本等机器人研究大国及我国的多足步行机器人研究发展进行了综述,对多足步行机器人急需解决的问题进行了论述,并对未来可能的研究发展方向进行了展望。刘静等在文献10中分析了国内外腿式机器人的研究现状,讨论了腿式机器人在机械结构、稳定性和控制算法方面的现有研究方法,给出了腿式机器人研究存在的问题,展望了腿
7、式机器人的发展方向.马东兴等在文献11中研究了一种背部带关节的新型四足机器人,通过三维建模软件Pro /E和机械系统动力学仿真分析软件ADAMS建立了四足机器人虚拟样机,规划了四足机器人的步态,并且利用ADAMS仿真软件对该四足机器人进行了步态仿真,同时利用单个AT89C52单片机成功实现对四足机器人5个舵机的独立控制以及舵机的速度控制。仿真与实验结果表明四足机器人能够根据设计步态实现直线行走。王新杰等在文献7中建立了一个连续转动式腿机构的四足步行机器人模型,并规划了该机器人的一种直线爬行步态,利用ADAMS虚拟样机软件对机器人的爬行步态进行了动力学仿真,得到了机器人各个关节相关物理量的变化曲
8、线,分析了四个髋关节的驱动力矩在步行过程中的变化情况。通过仿真,验证了步态规划的合理性,同时为进一步选择电机、分析机器人系统的动态特性提供了依据。徐轶群等在文献6中结合实际, 详细地分析了四足步行机器人的步态和腿机构的运动关系, 并在此基础上给出了四足步行机器人腿部机构和驱动控制方案。郭鸿勋等在文献8中针对一种自主研制的具有全方位运动功能的六足步行机器人原型机,介绍了该机器人的运动功能要求,对比分析了不同腿机构形式和整体布局模式对机器人的影响,确定合理腿机构和布局模式;在理论上描述了机器人机械系统结构原理,验算了整机的运动自由度并描述腿机构静力学极限力的求解规则;结构上详细描述了模块化腿臂融合
9、机构的部件组成、功能特性和传动形式;最后通过实验和数据验证了该机械系统满足机械强度和步行运动功能的要求。1.1.2课题概况 l 国内多足步行机器人的研究成果：2000年,上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人进行改进,开发出具有全方位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR,如图7所示。其第一代的每条腿只有2个自由度,无法实现机器人的转向,只能进行直线式静态步行,平均行走速度为1 mm/s。将机体的主体部分进行改进设计,由上下两层相互平行的三叉支架组成,将六足改进为双三足,引入身体转动关节,采用新型的组合偏动SMA驱动器,使新一代的微型双三足步行机器人MDTWR具有
10、全方位运动能力。2002年,上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人的研究,如图8所示。该步行机器人外形尺寸为：长30 mm,宽40 mm,高20 mm,质量仅为6.3 kg,步行速度为3 mm/s。他们在分析六足昆虫运动机理的基础上,利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸,采用微型直流电机、蜗轮蜗杆减速机构和皮带传动机构,在步态和稳定性分析的基础上,进行控制系统软、硬件设计,步行实验结果表明,该机器人具有较好的机动性 图7 MDTWR双三足步行机器人 图8 微型六足仿生机器人 2003年哈尔滨工程大学的孟庆鑫、袁鹏等进行了两栖仿生机器蟹的研究,从两栖仿生机器蟹的方案设计到控制框架构建
11、,研究了多足步行机的单足周期运动规律,提出适合于两栖仿生机器蟹的单足运动路线规划方法,并从仿生学角度研究了周期性节律性的多足步行运动的控制问题,建立了生成周期运动的神经振荡子模型。l 国外多足步行机器人的研究成果1990年,美国卡内基-梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBLER,如图1所示。该机器人采用了新型的腿机构,由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成,两杆正交。该机器人由一台32位的处理机来规划系统运动路线、控制运动和监视系统的状态,所用传感器包括激光测距扫描仪、彩色摄像机、惯性基准装置和触觉传感器。总质量为3 180 kg,由于体积和质量太大,最终
12、没被用于行星探测计划。1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察,其改进型DANTE-II也在实际中得到了应用,如图2所示。1994年,DANTE-II对距离安克雷奇145 km的斯伯火山进行了考察,传回了各种数据及图像。 图1 AMBLER 图2 DANTE-II 19962000年,美国罗克威尔公司在DARPA资助下,研制自主水下步行ALUV(Autonomous Legged UnderwaterVehicle),如图3所示。该步行机模仿螃蟹的外形,每条腿有两个自由度,具有两栖运动性能,可以隐藏在海浪下面,在水中步行,当风浪太
13、大时,将脚埋入沙中。它的脚底装有传感器,用于探测岸边的地雷,当它遇到水雷时,自己爆炸同时引爆水雷。在对昆虫步态进行研究的基础上,2000年美国研制出六足仿生步行机器人Biobot,如图4所示。为了像昆虫那样在凸凹不平地面上仍能高速和灵活步行,采用气动人工肌肉的方式,压缩空气由步行机上部的管子传输,并由气动作动器驱动各关节,使用独特的机构来模仿肌肉的特性。与电机驱动相比,该作动器能提供更大的力和更高的速度。 图3 ALUV步行机 图4 Biobot 1.2虚拟仿真技术及其意义仿真是一种模仿行为。通常是，建立实际系统的仿真模型并利用计算机运行;通过对仿真过程的观察分析，得到系统参数和基本特性，从而
14、运用于实际系统。仿真的发展大致可分为物理仿真、模拟计算机仿真、混合仿真和数字仿真四个阶段。根据仿真模型分类，可将仿真分为物理仿真和数学仿真。物理仿真又称为实物(半实物)仿真，是指用实物进行模型实验或有部分实物参与到仿真过程中。数学仿真则是采用数学模型进行仿真，其建模过程通常在计算机上实现，故也称之为计算机仿真。计算机仿真过程包括“建模实验分析”三个基本部分。即，计算机仿真不是单纯的对模型进行实验，而是一个建模实验分析修改模型再实验分析不断反复的过程。相似理论的形成，为计算机仿真奠定科学理论基础。系统工程技术、计算机技术、自动控制技术等的发展为计算机仿真提供技术条件，并形成计算机仿真自己独特的技
15、术内容，包括：仿真模型建立和实验方法学、仿真工具、仿真软件和仿真方法等。随着网络技术、人工智能、知识工程、自动程序设计、建模技术等的迅速发展，计算机仿真技术也发展到一个新阶段，突出表现在：l 仿真系统规模复杂化；l 要求仿真环境具有沉浸感，有身临其境的感觉；l 从演示验证到虚拟样机技术； l 具有输入输出交互式功能的一体化仿真软件出现； l 各种专业领域仿真软件的诞生。计算机仿真适用范围之广以及有与其它试验手段无法比拟的优势，在国民经济众多领域中发挥着十分重要的作用;尤其在如下几个领域l 过程观察用计算机仿真试验可观察真实情况下无法观察到的现象，便于过程与机理的研究；l 各种方案比较和评优大量、甚至海量信息的分析对比适合用计算机仿真解决；l 利用仿真实验分析和判断大型复杂系统的内部性能和内在联系，例如航空航天系统；l 危险性和破坏性大的研究内容均可用计算机仿真进行，例如核爆炸；l 无法重复的
