輪足復(fù)合式機器人設(shè)計

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畢業(yè)設(shè)計(論文) 輪足復(fù)合式機器人的設(shè)計與研究 學(xué) 號： 姓 名： 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 系 別： 機械工程系 指導(dǎo)教師： XXX 講師 XXX 副教授 二○一五年三月 摘 要 輪足復(fù)合式機器人是高科技產(chǎn)品的典型，是人們設(shè)置指定的程序通過中控系統(tǒng)實現(xiàn)機器人橫移、越障或爬坡，跨溝、轉(zhuǎn)彎等多種功能的高科技智能化產(chǎn)品。它可代替人類在某些領(lǐng)域力所不能及的地方實現(xiàn)特定的任務(wù)和功能，能在有害環(huán)境下代替人類工作，偵查，排險等，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 本文主要進行了輪足復(fù)合式機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計。輪足復(fù)合式機器人的機械結(jié)構(gòu)由直流電機、編碼器和短臂、長臂、輪子等部分組成，可按預(yù)定程序運動，實現(xiàn)橫移、越障、爬坡、跨溝、轉(zhuǎn)彎等功能?？刂葡到y(tǒng)部分的設(shè)計主要是選擇合適的PLC中控系統(tǒng)，設(shè)計合理的PLC控制流程圖，通過中控系統(tǒng)調(diào)節(jié)各個直流電機的轉(zhuǎn)速來使輪足復(fù)合式機器人實現(xiàn)移動，爬坡，拐彎，越障等功能。 關(guān)鍵詞：輪足復(fù)合式機器人；智能化；控制系統(tǒng)；越障 ABSTRACT Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors. This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a Plc reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work. Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedom iii 目 錄 摘 要 i ABSTRACT ii 目 錄 iii 1 緒論 1 1.1課題的來源與研究的目的和意義 2 1.2 輪足式復(fù)合機器人的研究現(xiàn)狀 4 1.2.1 輪足式復(fù)合機器人的結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 5 1.2.2 輪足式復(fù)合機器人控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 7 1.3本課題研究的內(nèi)容 9 2 輪足復(fù)合式機器人總體方案結(jié)構(gòu)的設(shè)計 12 2.1 輪足復(fù)合式機器人的總體方案圖 12 2.2 輪足的布置形式 14 2.3 輪足的結(jié)構(gòu)方案 14 2.4越障機構(gòu)的設(shè)計 14 2.5 輪足的布置形式 14 2.6越障機構(gòu)的設(shè)計 14 3 驅(qū)動裝置的設(shè)計 18 3.1車輪電機的選型計算 20 3.2離合器的選型計算 20 3.3軸承的選型計算 20 3.4平鍵的選型計算 20 4 輪足復(fù)合式機器人的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計 21 4.1 Solidworks設(shè)計基礎(chǔ) 21 4.1.2 草圖繪制 21 4.1.3 基準(zhǔn)特征，參考幾何體的創(chuàng)建 21 4.1.4 拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和放樣特征建 22 4.4.4 工程圖的設(shè)計 22 4.4.5 裝配設(shè)計 22 4.2輪子電機的三維建模 22 4.3輪足組件的三維建模 23 4.4短臂的三維建模 24 4.5輪足復(fù)合式機器人的三維建模 24 4.6三維軟件設(shè)計總結(jié) 25 結(jié)論 26 致 謝 26 參考文獻 27 附錄 一 32 附錄 二 36 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 隨著人類探索自然界步伐的不斷加速，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)哂袕?fù)雜環(huán)境自主移動能力機器人的需求，日趨廣泛而深入。理論上，輪足復(fù)合式機器人具有比輪式機器人更加卓越的應(yīng)對復(fù)雜地形的能力，因而被給予了巨大的關(guān)注，但到目前為止，由于自適應(yīng)步行控制算法匱乏等原因，輪足式移動方式在許多實際應(yīng)用中還無法付諸實踐。另一方面，作為地球上最成功的運動生物，多足昆蟲則以其復(fù)雜精妙的肢體結(jié)構(gòu)和簡易靈巧的運動控制策略，輕易地穿越了各種復(fù)雜的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此，將多足昆蟲的行為學(xué)研究成果，融入到輪足復(fù)合式機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制中，開發(fā)具有卓越移動能力的輪足復(fù)合式機器人，對于輪足復(fù)合式機器人技術(shù)的研究與應(yīng)用具有重要的理論和現(xiàn)實意義。 輪足復(fù)合式機器人地形適應(yīng)能力強，具有冗余肢體，可以在失去若干肢體的情況下繼續(xù)執(zhí)行一定的工作，適合擔(dān)當(dāng)野外偵查、水下搜尋以及太空探測等對自主性、可靠性要求比較高的工作。 1.1課題的來源與研究的目的和意義 目前，用于在人類不宜、不便或不能進入的地域進行獨立探測的機器人主要分兩種，一種是由輪子驅(qū)動的輪行機器人，另一種是基于仿生學(xué)的步行機器人。輪行機器人的不足之處在于對于未知的復(fù)雜自然地形，其適應(yīng)能力很差，而步行機器人可以在復(fù)雜的自然地形中較為容易的完成探測任務(wù)。因此輪足式復(fù)合機器人有廣闊的應(yīng)用前景，如軍事偵察、礦山開采、核能工業(yè)、星球探測、消防及營救、建筑業(yè)等領(lǐng)域。在步行機器人中，多足機器人是最容易實現(xiàn)穩(wěn)定行走的。在眾多機器人中，模仿昆蟲以及其他節(jié)肢動物們的肢體結(jié)構(gòu)和運動控制策略而創(chuàng)造出的輪足復(fù)合式機器人是極具代表性的一種。輪足復(fù)合式機器人與兩足和輪足復(fù)合式機器人相比，具有控制結(jié)構(gòu)相對簡單、行走平穩(wěn)、肢體冗余等特點，這些特點使輪足復(fù)合式機器人更能勝任野外偵查、水下搜尋以及太空探測等對獨立性、可靠性要求比較高的工作。國內(nèi)外對輪足復(fù)合式機器人進行了廣泛的研究，現(xiàn)在已有70多種輪足復(fù)合式機器人問世，由于輪足復(fù)合式機器人多工作在非結(jié)構(gòu)化、不確定的環(huán)境內(nèi)，人們希望其控制系統(tǒng)更加靈活，并且具有更大的自主性。同時輪足復(fù)合式機器人肢體較多，運動過程中需要實現(xiàn)各肢體之間的協(xié)調(diào)工作，如何方便可靠的實現(xiàn)這種協(xié)調(diào)，也是輪足復(fù)合式機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計研究的一個熱點。輪足復(fù)合式機器人是一種能夠通過內(nèi)、外傳感器反饋信息感知環(huán)境及自身狀態(tài), 實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中自主運動, 從而完成一定功能或任務(wù)的機器人系統(tǒng)。目前已廣泛運用于野外考察、地震救災(zāi)、環(huán)境檢測、娛樂生活等諸多行業(yè)，在安全、軍事、生活以及科學(xué)研究中扮演著越來越重要角色。其中輪足式機器人結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，具有移動速度快、轉(zhuǎn)向性能好、行走效率高等特點。但同時適應(yīng)地形 和避障的能力差。輪足式機器人對地形的適應(yīng)能力較好，可以跨越障礙物、臺階等，但運動間歇大，速度慢。 隨著輪足復(fù)合式機器人的不斷開發(fā)和應(yīng)用范圍的擴展，未來會在更多復(fù)雜且未知的環(huán)境中工作。僅僅依靠輪式或者足式的機器人已無法完全適應(yīng)工作環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性了。為了配合對輪、足式機器人性能要求的逐漸提高，相繼問世了許多復(fù)合式的移動機構(gòu)，其中輪足式復(fù)合式機器人就融合了輪式足式機器人的特點。既可以保證在平坦地面的移動效率又具有了良好的跨越障礙的能力。但當(dāng)輪足復(fù)合式機器人采用足式的方式行走時目前在技術(shù)上還存在許多困難，然而在自然界中存在的多足昆蟲則可以通過它們長期進化得到的復(fù)雜且精妙的肢體結(jié)構(gòu)和靈活的的運動方式，容易地通過了各種復(fù)雜的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此，將多足昆蟲的行為學(xué)研究成果，融入到移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制中，開發(fā)具有卓越移動能力的輪足式復(fù)合式機器人，對于足式復(fù)合式機器人技術(shù)的研究與應(yīng)用都具有重要的理論和現(xiàn)實意義。 1.2 輪足式復(fù)合機器人的研究現(xiàn)狀 1.2.1 輪足式復(fù)合機器人的結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 20世紀(jì)60年代，輪足復(fù)合式機器人的研究工作開始起步。隨著計算機技術(shù)和機器人控制技術(shù)的研究和應(yīng)用，到了20世紀(jì)80年代，現(xiàn)代輪足復(fù)合式機器人的研制工作進入了廣泛開展的階段。世界上第一臺真正意義的輪足復(fù)合式機器人是由Frank和McGhee于1977年制作的該機器人具有較好的步態(tài)運動穩(wěn)定性，但其缺點是，該機器人的關(guān)節(jié)是由邏輯電路組成的狀態(tài)機控制的，因此機器人的行為受到限制，只能呈現(xiàn)固定的運動形式。20世紀(jì)80、90年代最具代表性的輪足復(fù)合式機器人是日本ShigeoHirose實驗室研制TITAN系列。1981～1984年Hirose教授研制成功腳部裝有傳感和信號處理系統(tǒng)的TITAN-III。它的腳底部由形狀記憶合金組成，可自動檢測與地面接觸的狀態(tài)。姿態(tài)傳感器和姿態(tài)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感信息做出的控制決策，實現(xiàn)在不平整地面的自適應(yīng)靜態(tài)步行TITAN-Ⅵ機器人采用新型的直動型腿機構(gòu)，避免了上樓梯過程中各腿間的干涉，并采用兩級變速驅(qū)動機構(gòu)，對腿的支撐相和擺動相分別進行驅(qū)動。國內(nèi)四足機器人研制工作從２０世紀(jì)８０年代起步，取得一定成果的研究機構(gòu)有上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。上海交通大學(xué)機器人研究所于１９９１年開展了ＪＴＵＷＭ系列仿壁虎式輪足復(fù)合式機器人的研究。１９９６年該研究所研制成功了ＪＴＵＷＭ—ＩＩＩ，如圖1所示。該機器人采用開式鏈腿機構(gòu)，每條腿有３個自由度，具有結(jié)構(gòu)簡單、外形靈巧、體積小、重量輕等特點。它采用力和位置混合控制，腳底裝有ＰＶＤＦ測力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，實現(xiàn)了對角線動態(tài)行走。但其步行速度較慢，極限步速僅為１.７ｋｍ／ｈ；另外，其負(fù)重能力有限，故在實際作業(yè)時實用性較差。清華大學(xué)所研制的一款輪足復(fù)合式機器人，如圖2所示。它采用開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機構(gòu)作為步行機構(gòu)，通過模擬動物的運動機理，實現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運動，可以自主應(yīng)付復(fù)雜的地形條件，完成上下坡行走、越障等功能。不足之處是腿運動時的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，而且承載能力較小。 綜上所述，美國、日本的研究最具代表性，其技術(shù)水平已經(jīng)較為先進，實用化程度也在逐步提高。國內(nèi)四足步行機器的研究起步比較晚，在上個世紀(jì)９０年代以后才逐步有了成果，但研究水平據(jù)世界先進水平還有差距。 圖一 圖二 1.2.2 輪足式復(fù)合機器人控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,各國都在盡力追求“零死亡”,在達到預(yù)期的軍事目的情況下,要求傷亡率降到最低。在這種軍事需求的牽引下,無人部隊,包括無人飛機、無人地面武器搭載平臺等將成為未來戰(zhàn)爭中的一支重要的力量。本文結(jié)合實驗室項目“輪腿復(fù)合式機器人”,初步完成了以下的研究工作: 首先完成了輪腿復(fù)合式機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝以及調(diào)試工作。該機器人采用六套輪腿機構(gòu),每套輪腿機構(gòu)分別由擺腿電機和行走電機控制機器人擺腿和車輪的運動。控制系統(tǒng)分為嵌入式計算機控制系統(tǒng)和運動控制器。嵌入式計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)機器人平面運動及越障算法,生成電機運動指令,如速度、位置等信息;運動控制器完成電機的運動控制,包括速度PID和位置PID等,二者采用CAN總線通信。 其次完成了輪腿復(fù)合式機器人運動學(xué)建模及分析。機器人的運動學(xué)分為兩部分:平面行駛運動學(xué)和空間位姿運動學(xué)。平面行駛運動學(xué)中,建立了機器人差速轉(zhuǎn)向的運動學(xué)模型,設(shè)計運動軌跡分析機器人車輪的速度分布?？臻g位姿運動學(xué)中,建立了機器人通用的空間運動學(xué)模型和質(zhì)心運動學(xué)模型,并且針對機器人在越障過程中會出現(xiàn)的特殊姿態(tài),簡化了通用的質(zhì)心運動學(xué)模型,得到不同的特殊姿態(tài)下的質(zhì)心運動學(xué)模型,為機器人的越障穩(wěn)定性控制提供了依據(jù)。 再次完成了輪腿復(fù)合式機器人針對典型障礙的越障分析。針對垂直障礙、壕溝障礙、斜坡障礙三種典型障礙,分析了機器人的越障能力,規(guī)劃了機器人的越障動作,提出了綜合考慮越障裕度、越障安全及越障穩(wěn)定性的優(yōu)化方法,對機器人的越障姿態(tài)進行數(shù)值優(yōu)化。在ADAMS中對所規(guī)劃的機器人越障動作進行虛擬仿真,驗證了所規(guī)劃越障動作的正確性。 最后,編制了控制機器人的人機交互界面,完成了機器人平面行駛運動學(xué)及越障實驗,驗證了本文提出的機器人控制理論的正確性。 1.3本課題研究的內(nèi)容 本論文主要研究運用SolidWorks對輪足復(fù)合式機器人進行設(shè)計。在設(shè)計過程中，了解輪足復(fù)合式機器人的結(jié)構(gòu)特征和三維軟件的使用要領(lǐng)。 本文的設(shè)計目標(biāo)是設(shè)計一種輪足式復(fù)合機器人。該機器人結(jié)合了輪式機器人和足式機器人的具多優(yōu)點，能夠在不同的底面實現(xiàn)考察，檢測等等功用。其研究內(nèi)容包括： （1）功能分析與方案設(shè)計； （2）結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維造型； （3）運動仿真； （4）控制系統(tǒng)設(shè)計。 2 輪足復(fù)合式機器人總體方案結(jié)構(gòu)的設(shè)計 2.1 輪足復(fù)合式機器人的總體方案圖 本次設(shè)計的輪足復(fù)合式機器人采取的方案是：采用鑄鐵剛度好的鑄鐵機架作為主體，通過車輪電機實現(xiàn)機器人的移動，通過程序控制各個車輪電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎，通過渦輪裝置實現(xiàn)電機的自鎖從而控制機器人的輪足的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)機器人的越障跨溝等等功能，總之，輪足復(fù)合式機器人是人們設(shè)置指定的程序通過中控系統(tǒng)實現(xiàn)機器人橫移、越障或爬坡，跨溝、轉(zhuǎn)彎等多種功能。具體方案布局圖如下： 2.2 輪足的布置形式 本次設(shè)計，是講6個輪子分成三組，每一組輪子具有相同的運動軌跡，分別為前排輪、中排輪、后排輪，其具體的布置結(jié)構(gòu)簡圖如下： 2.3 輪足的結(jié)構(gòu)方案 輪足是機器人的核心部件輪足的擺動是通過機架立面的電機實現(xiàn)，而輪子的轉(zhuǎn)動是通過外側(cè)的直流電機實現(xiàn)的，輪足復(fù)合式機器人就是通過控制電機的轉(zhuǎn)速以及相關(guān)的制動器、離合器的配合來實現(xiàn)跨溝，轉(zhuǎn)彎，越障等等功能。其具體結(jié)構(gòu)圖如下： 2.4越障機構(gòu)的設(shè)計 為了使機器人能夠順利地跨越一定寬度的障礙物，應(yīng)該將輪足的結(jié)構(gòu)設(shè)計成可以越障的結(jié)構(gòu)?？紤]到四連桿機構(gòu)的設(shè)計較為簡單，在這里我們選擇四連桿機構(gòu)（圖1）作為輪足復(fù)合式機器人的越障機構(gòu)，最主要的一點就是平行四邊形連桿機構(gòu)更容易控制機構(gòu)的角速度，這對于機器人的整個的控制來說是最大的優(yōu)點。 設(shè)計平行四邊形連桿機構(gòu)時，將每一組輪足設(shè)計成長臂和短臂連接。并且長臂和短臂在同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，其平面在車身的側(cè)面，該機構(gòu)具有兩個自由度。由于機構(gòu)具有自鎖的特點，所以當(dāng)機器人越障時，只需要控制電機的轉(zhuǎn)停和速度既可，而當(dāng)機器人需要移動時，控制輪足的電機不讓它轉(zhuǎn)動而車輪電機轉(zhuǎn)動就行了。輪足復(fù)合機器人越障示意圖如圖2所示。 圖1 平行四邊形連桿機構(gòu) 圖2 越障示意圖 3 驅(qū)動裝置的設(shè)計 3.1車輪電機的選型計算 已知整個輪足復(fù)合式機器人的總重量150KG,其他重量50KG，我們?nèi)】傊亓繛?00Kg，移動速度為1~2r/min。即： 具體的電機設(shè)計計算如下: 1、確定運行時間 本次設(shè)計加速時間 負(fù)載速度（m/min） 有速度可知每秒上升50mm， 電機轉(zhuǎn)速 3.負(fù)載轉(zhuǎn)矩 式中： 4.電機轉(zhuǎn)矩 啟動轉(zhuǎn)矩 必須轉(zhuǎn)矩 S為安全系數(shù)，這里取1.0。 根據(jù)以上得出數(shù)據(jù)，我們選用電機型號為160BL-A，此無電機廠家為機電產(chǎn)品。根據(jù)電機的特性曲線以及參數(shù)表如下： 根據(jù)計算和特性曲線以及電機基本參數(shù)表，我們選用電機型號為160BL-4030H1-LK-B，電機額定功率為0.1KW，額定轉(zhuǎn)矩為7.62N.m，最大轉(zhuǎn)矩為9N.m， 額定轉(zhuǎn)速為 3000r/min。電機大致圖如下： 外形尺寸130x160，電機輸出軸徑為25mm。 3.2離合器的選型計算 離合器借助通入磁軛內(nèi)勵磁線圈中的電流產(chǎn)生磁力吸引銜鐵，從而使與磁軛和銜鐵相連的兩上牙形齒爪接合傳遞轉(zhuǎn)矩。牙嵌式電磁離合器可分為線圈旋轉(zhuǎn)（有滑環(huán)式）和線圈靜止（無滑環(huán)式）兩種，前一種的勵磁線圈回轉(zhuǎn)，電流經(jīng)滑環(huán)引入，后一種勵磁線圈靜止，電流直接通入線圈。為了使離、合容易，一般采用三角形牙或梯形牙。如下圖所示為線圈旋轉(zhuǎn)牙嵌式電磁離合器，圖上部為接合狀態(tài)，下部為分離狀態(tài)。主動齒輪1安裝在軸9的滾動軸承上，銜鐵3和磁軛8的相對端面上有三角形齒，勵磁線圈6置于磁軛內(nèi)。件2、3間的內(nèi)嚙合齒輪副有導(dǎo)向和傳扭的雙重作用。線圈通電建立磁場后磁軛將銜鐵吸住，端面齒嚙合，動力由齒輪1經(jīng)齒圈2傳給已接合的銜鐵和磁軛，由軸9輸出。離合器斷電時，壓縮彈簧7使銜鐵復(fù)位，兩半離合器牙分開，隔磁環(huán)4的作用是使磁力線構(gòu)成回路，減少磁損失，提高接合力。 3.2軸承的選型計算 根據(jù)根據(jù)條件，軸承預(yù)計壽命163658=48720小時； (1）已知nⅡ=458.2r/min兩軸承徑向反力：FR1=FR2=500.2N； 初先兩軸承為深溝球軸承6204型。 根據(jù)課本P265（11-12）得軸承內(nèi)部軸向力FS=0.63FR則FS1=FS2=0.63FR1=315.1N； (2)∵FS1+Fa=FS2Fa=0 故任意取一端為壓緊端，現(xiàn)取1端為壓緊端 FA1=FS1=315.1NFA2=FS2=315.1N； (3)計算當(dāng)量載荷 P1、P2根據(jù)課本P263表（11-9）取fP=1.5;根據(jù)課本P262（11-6）式得 P1=fP(x1FR1+y1FA1)=1.5(1500.2+0)=750.3N； P2=fp(x2FR1+y2FA2)=1.5(1500.2+0)=750.3N； (4)軸承壽命計算 ∵P1=P2故取P=750.3N； ∵深溝球軸承 ε=3； 3.4鍵的選型計算 鍵聯(lián)結(jié)是通過鍵實現(xiàn)軸和軸上零件的周向固定以傳遞運動和轉(zhuǎn)矩。其中有類型也可以實現(xiàn)軸向固定和傳遞軸向力，有些類型并能實現(xiàn)軸向動聯(lián)結(jié)，于在圓錐篩的軸上主要通過鍵來實現(xiàn)傳遞轉(zhuǎn)矩和軸向固定所以，只需選用常見的普通平鍵，鍵的類型可根據(jù)使用要求、工作條件和聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)特點選定，鍵的長度根據(jù)軸轂的長度從標(biāo)準(zhǔn)中選取，鍵的bh根據(jù)徑來確定。 軸和輪子的聯(lián)結(jié)，d=30mm, 參考資料2P5-194表5-3-18 (GB/T1095-1979)選用B10105， 4 輪足復(fù)合式機器人的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 Solidworks設(shè)計基礎(chǔ) 熟悉SolidWorks的工作環(huán)境；了解SolidWorks的命令，掌握在SolidWorks工作環(huán)境中文件的打開、保存、導(dǎo)入等基本操作，掌握三維建模流程。 4.1.1草圖繪制 掌握點、直線、矩形、弧度圓等基本圖形的繪制方法；掌握樣條、文字等高級幾何圖形的繪制方法；理解集合約束的概念并在草圖繪制中熟練應(yīng)用幾何約束；熟練應(yīng)用陣列、實體轉(zhuǎn)換等草圖繪制工具；能綜合應(yīng)用各種草圖繪制實體和利用草圖繪制工具完成草圖繪。 4.1.2 基準(zhǔn)特征-參考幾何體的創(chuàng)建 清楚明白基于特征的建模方式、參數(shù)化思想等概念；靈活運用各種建立基準(zhǔn)點的方法；靈活運用各種建立基準(zhǔn)軸方法；靈活運用各種建立基準(zhǔn)面的方法；靈活運用坐標(biāo)系的建立方法；能根據(jù)建模需要綜合應(yīng)用各種參考幾何體。 4.1.3拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和放樣特征建模 靈活運用拉伸特征的概念與建立方法；靈活運用旋轉(zhuǎn)特征的概念與建立方法；掌握掃描特征的概念與建立方法；靈活運用放樣特征的概念與建立方法；通過實踐能夠準(zhǔn)確分析零件的特征，靈活運用拉伸和旋轉(zhuǎn)也正建立三維模型。綜合應(yīng)用掃描、放樣、彎曲、鏡向、陣列等特征建立各種實體。 4.1.4工程圖設(shè)計 靈活運用用戶自定義工程圖格式文件的方法；靈活運用建立標(biāo)準(zhǔn)三視圖，剖視圖，斷面圖，局部圖，輔助視圖等方法；靈活運用各種注釋的方法。 4.1.5裝配設(shè)計 靈活運用自底向上的裝配方法；靈活運用生成裝配體爆炸圖的方法；靈活運用SolidWorks智能裝配技術(shù)；靈活運用裝配體零部件的狀態(tài)和屬性控制，并能夠在裝配體中設(shè)計子裝配體；靈活運用干涉檢查；靈活運用自上向下的裝配方法；靈活運用在裝配模型工程圖中添加零件序號；靈活運用生成裝配體材料明細(xì)表的方法。 4.2輪子電機的三維建模 4.3輪足組件的三維建模 4.4短臂的三維建模 4.5輪足復(fù)合式機器人的三維建模 4.6三維軟件設(shè)計總結(jié) 通過此次設(shè)計，又一次提升了運用三維軟件的水平，并吸收了不少經(jīng)驗，總結(jié)為一下幾點。 （1） 有零件圖紙作圖與空想設(shè)計作圖不同，零件尺寸已經(jīng)給出，作圖時先不考慮尺寸是否真的合適，根據(jù)尺寸作出零件的三維圖，但到裝配時必須要考慮尺寸是否合適，由于AutoCAD圖紙效果不好，導(dǎo)致尺寸會有出錯，甚至有出現(xiàn)欠定義尺寸，所以，此時必須通過配合后在衡量尺寸，再進行修改，直到滿足配合要求。 （2） 工具集的確方便了作圖，通過選擇零件類型，輸入數(shù)據(jù)，就能生成出標(biāo)準(zhǔn)零件，但有時需要用到的零件在工具集上也未必能找到，所以此時要隨機應(yīng)變，運用其他零件代替并通過修改或添加零件使其滿足要求。 （3） 作三維圖時要靈活變通，解決問題的方法總比問題多，當(dāng)一種方法不能正常作圖時，試試另一種方法，這不但能完成零件制作，同時也可以培養(yǎng)出更好的作圖思路，和打破規(guī)矩的新想法。 （4） 規(guī)則的零件，要學(xué)會使用一些能夠節(jié)省時間的命令，如鏡向，陣列等，“能省則省”。 （5） 關(guān)于裝配，曾經(jīng)帶給我很大的阻礙，花了很多時間才弄清原因所在。在一可活動子裝配體上，即使活動范圍會產(chǎn)生干涉，也不能對其設(shè)定活動范圍，如高級配合里的距離范圍，和角度范圍，即使在該活動范圍并不影響父配體，也不可設(shè)定。因為一旦設(shè)定范圍后，在父裝配體上會將子裝配體視為完全定義的模型，這樣會對子裝配體之間的配合產(chǎn)生矛盾，將不能完成裝配。 看懂圖是作圖的首要任務(wù)，看圖就是了解零件的工具，沒有工具則無法制出 零件，所以畫圖不能急于下筆，想透了零件的結(jié)構(gòu)，想透圖中的虛實線，這才是高效作圖的重中之重。 進行零件建模前，一般應(yīng)進行深入的特征分析，搞清零件是由那幾個特征組成，明確各個特征的形狀，他們之間的相對位置和表面連接關(guān)系，然后按照特征的主次關(guān)系，按一定的順序進行建模。一個復(fù)雜的零件，可能是許多個簡單特征經(jīng)過相互之間的疊加、切除或相交組成。所以零件建模時，特征的生成順序十分重要，不同的建模過程雖然可以構(gòu)造出同樣的實體零件，但其造型過程及實體的構(gòu)型結(jié)構(gòu)卻直接影響到實體模型的穩(wěn)定性、可修改性、可理解性及實體模型的應(yīng)用。 尤其在二維圖紙上，我們能看到的只是零件的平面圖，而內(nèi)部特征則以虛線給予表示，另外還有零件的相貫線，這表示了各個特征相交時出現(xiàn)線段。在零件的草圖繪制過程中，必須要選好第一個草繪平面，這很關(guān)鍵，這個平面決定了往后建模的所用到的命令，簡單的說，一個圓柱可以作一個圓形然后拉伸，也可以作一個長方體旋轉(zhuǎn)，雖然他們的結(jié)果都一樣，但所用的草繪平面和命令就截然不同。如果我們要的是一條軸，那我們就應(yīng)該選擇第二種方法為好了。 由于此設(shè)計的零件都是比較規(guī)則的零件，所用到的命令大部分是拉伸命令和旋轉(zhuǎn)命令，而且很多零件都是擁有對稱關(guān)系，所以為了節(jié)省時間，提高效率，經(jīng)常會用到鏡向特征命令。 一張完整的工程圖應(yīng)具備以下4方面的內(nèi)容。 （1） 一組視圖：用一組視圖（其中包括視圖、剖視圖、斷面圖、局部放大圖）正確、完整、清晰地表達零件各部分的結(jié)構(gòu)形狀。 （2） 尺寸：確定零件各部分形狀的大小和位置 （3） 技術(shù)要求：表明零件在制造和檢驗是應(yīng)達到的一些要求，如表面粗糙度、尺寸公差、形位公差、材料熱處理方式和指標(biāo)等。 （4） 標(biāo)題欄：注明零件名稱、材料、數(shù)量、圖樣比例以及圖號等內(nèi)容。 單擊【新建文件】圖標(biāo)，系統(tǒng)顯示新建SolidWorks文件對話框，雙擊該對話框中得裝配體選項，即可進入裝配體工作模式。 調(diào)入第一個零件模型并放置在裝配體的原點處，即零件原點與裝配體原點重合。 調(diào)入一個與第一個零件模型有裝配關(guān)系的零件模型。分析兩個零件之間的裝配約束關(guān)系，然后選取相應(yīng)的約束選項進行零件操作。 調(diào)入其他與已裝配零件有裝配關(guān)系的零件模型并進行裝配。 全部零件裝配完畢后，將裝配體模型存盤。 22 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 結(jié)論 在最近的一段時間的畢業(yè)設(shè)計，使我們充分把握的設(shè)計方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設(shè)計，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時的指導(dǎo)，確保設(shè)計進度，本文所設(shè)計的是輪足復(fù)合式機器人的設(shè)計，通過初期的定稿，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進取才可要做的好，總之，本設(shè)計完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 致 謝 在論文完成之際，我首先向我的導(dǎo)師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在這期間，導(dǎo)師在學(xué)業(yè)上嚴(yán)格要求，精心指導(dǎo)，在生活上給了我無微不至的關(guān)懷，給了我人生的啟迪，使我在順利的完成學(xué)業(yè)階段的學(xué)業(yè)的同時，也學(xué)到了很多做人的道理，明確了人生目標(biāo)。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的學(xué)識，實事求是的作風(fēng)，平易近人、寬以待人和豁達的胸懷，深深感染著我，使我深受啟發(fā)，必將終生受益。 經(jīng)過近半年努力的設(shè)計與計算，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學(xué)四年來對所學(xué)知識的應(yīng)用和體現(xiàn)。 四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的能力，更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多。在此，向他們表示深深的謝意與美好的祝愿。 參考文獻 [1]張福學(xué)編著.輪足復(fù)合式機器人技術(shù)及其應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2000。 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Dynamic Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space. [17]Abhinandan Jain and Guillermo Roderguez. An Analysis of the Kinematicsnd Dynamics of Underactuated Manipulators. 　 附錄 一 機械設(shè)計理論 機械設(shè)計是一門通過設(shè)計新產(chǎn)品或者改進老產(chǎn)品來滿足人類需求的應(yīng)用技術(shù)科學(xué)。它涉及工程技術(shù)的各個領(lǐng)域，主要研究產(chǎn)品的尺寸、形狀和詳細(xì)結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)思，還要研究產(chǎn)品在制造、銷售和使用等方面的問題。 進行各種機械設(shè)計工作的人員通常被稱為設(shè)計人員或者機械設(shè)計工程師。機械設(shè)計是一項創(chuàng)造性的工作。設(shè)計工程師不僅在工作上要有創(chuàng)造性，還必須在機械制圖、運動學(xué)、工程材料、材料力學(xué)和機械制造工藝學(xué)等方面具有深厚的基礎(chǔ)知識。 如前所訴，機械設(shè)計的目的是生產(chǎn)能夠滿足人類需求的產(chǎn)品。發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和科技知識本身并不一定能給人類帶來好處，只有當(dāng)它們被應(yīng)用在產(chǎn)品上才能產(chǎn)生效益。因而，應(yīng)該認(rèn)識到在一個特定的產(chǎn)品進行設(shè)計之前，必須先確定人們是否需要這種產(chǎn)品。 應(yīng)當(dāng)把機械設(shè)計看成是機械設(shè)計人員運用創(chuàng)造性的才能進行產(chǎn)品設(shè)計、系統(tǒng)分析和制定產(chǎn)品的制造工藝學(xué)的一個良機。掌握工程基礎(chǔ)知識要比熟記一些數(shù)據(jù)和公式更為重要。僅僅使用數(shù)據(jù)和公式是不足以在一個好的設(shè)計中做出所需的全部決定的。另一方面，應(yīng)該認(rèn)真精確的進行所有運算。例如，即使將一個小數(shù)點的位置放錯，也會使正確的設(shè)計變成錯誤的。 一個好的設(shè)計人員應(yīng)該勇于提出新的想法，而且愿意承擔(dān)一定的風(fēng)險，當(dāng)新的方法不適用時，就使用原來的方法。因此，設(shè)計人員必須要有耐心，因為 所花費的時間和努力并不能保證帶來成功。一個全新的設(shè)計，要求屏棄許多陳舊的，為人們所熟知的方法。由于許多人墨守成規(guī)，這樣做并不是一件容易的事。一位機械設(shè)計師應(yīng)該不斷地探索改進現(xiàn)有的產(chǎn)品的方法，在此過程中應(yīng)該認(rèn)真選擇原有的、經(jīng)過驗證的設(shè)計原理，將其與未經(jīng)過驗證的新觀念結(jié)合起來。 新設(shè)計本身會有許多缺陷和未能預(yù)料的問題發(fā)生，只有當(dāng)這些缺陷和問題被解決之后，才能體現(xiàn)出新產(chǎn)品的優(yōu)越性。因此，一個性能優(yōu)越的產(chǎn)品誕生的同時，也伴隨著較高的風(fēng)險。應(yīng)該強調(diào)的是，如果設(shè)計本身不要求采用全新的方法，就沒有必要僅僅為了變革的目的而采用新方法。 在設(shè)計的初始階段，應(yīng)該允許設(shè)計人員充分發(fā)揮創(chuàng)造性，不受各種約束。即使產(chǎn)生了許多不切實際的想法，也會在設(shè)計的早期，即繪制圖紙之前被改正掉。只有這樣，才不致于堵塞創(chuàng)新的思路。通常，要提出幾套設(shè)計方案，然后加以比較。很有可能在最后選定的方案中，采用了某些未被接受的方案中的一些想法。 心理學(xué)家經(jīng)常談?wù)撊绾问谷藗冞m應(yīng)他們所操作的機器。設(shè)計人員的基本職責(zé)是努力使機器來適應(yīng)人們。這并不是一項容易的工作，因為實際上并不存在著一個對所有人來說都是最優(yōu)的操作范圍和操作過程 另一個重要問題，設(shè)計工程師必須能夠同其他有關(guān)人員進行交流和磋商。在開始階段，設(shè)計人員必須就初步設(shè)計同管理人員進行交流和磋商，并得到批準(zhǔn)。這一般是通過口頭討論，草圖和文字材料進行的。為了進行有效的交流 ，需要解決下列問題 （1） 所設(shè)計的這個產(chǎn)品是否真正為人們所需要？ （2） 此產(chǎn)品與其他公司的現(xiàn)有同類產(chǎn)品相比有無競爭能力？ （3） 生產(chǎn)這種產(chǎn)品是否經(jīng)濟？ （4） 產(chǎn)品的維修是否方便？ （5） 產(chǎn)品有無銷路？是否可以盈利？ 只有時間能對上述問題給出正確答案。但是， 產(chǎn)品的設(shè)計、制造和銷售只能在對上述問題的初步肯定答案的基礎(chǔ)上進行。設(shè)計工程師還應(yīng)該通過零件圖和裝配圖，與制造部門一起對最終設(shè)計方案進行磋商。 通常 ，在制造過程中會出現(xiàn)某個問題。可能會要求對某個零件尺寸或公差作一些更改，使零件的生產(chǎn)變得容易。但是，工程上的更改必須要經(jīng)過設(shè)計人員批準(zhǔn)，以保證不會損傷產(chǎn)品的功能。有時，在產(chǎn)品的裝配時或者裝箱外運前的試驗中才發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的某種缺陷。這些事例恰好說明了設(shè)計是一個動態(tài)過程。總是存在著更好的方法來完成設(shè)計工作，設(shè)計人員應(yīng)該不斷努力，尋找這些更好的方法。 近些年來，工程材料的選擇已經(jīng)顯得重要。此外，選擇過程應(yīng)該是一個對材料的連續(xù)不斷的重新評價過程。新材料不斷出現(xiàn)，而一些原有的材料的能夠獲得的數(shù)量可能會減少。環(huán)境污染、材料的回收利用、工人的健康及安全等方面經(jīng)常會對材料選擇附加新的限制條件。為了減輕重量或者節(jié)約能源，可能會要求使用不同的材料。來自國內(nèi)和國際競爭、對產(chǎn)品維修保養(yǎng)方便性要求的提高和顧客的反饋等方面的壓力，都會促使人們對材料進行重新評價。由于材料選用不當(dāng)造成的產(chǎn)品責(zé)任訴訟，已經(jīng)產(chǎn)生了深刻的影響。此外，材料與材料加工之間的相互依賴關(guān)系已經(jīng)被人們認(rèn)識得更清楚。因此，為了能在合理的成本和確保質(zhì)量的前提下獲得滿意的結(jié)果，設(shè)計工程師的制造工程師都必須認(rèn)真仔細(xì)地選擇、確定和使用材料。 制造任何產(chǎn)品的第一步工作都是設(shè)計。設(shè)計通?？梢苑譃閹讉€明確的階段：（a）初步設(shè)計；（b）功能設(shè)計；（c）生產(chǎn)設(shè)計。在初步設(shè)計階段，設(shè)計者著重考慮產(chǎn)品應(yīng)該具有的功能。通常要設(shè)想和考慮幾個方案，然后決定這種思想是否可行；如果可行，則應(yīng)該對其中一個或幾個方案作進一步的改進。在此階段，關(guān)于材料選擇唯一要考慮的問題是：是否有性能符合要求的材料可供選擇；如果沒有的話，是否有較大的把握在成本和時間都允許的限度內(nèi)研制出一種新材料。 在功能設(shè)計和工程設(shè)計階段，要做出一個切實可行的設(shè)計。在這個階段要繪制出相當(dāng)完整的圖紙，選擇并確定各種零件的材料。通常要制造出樣機或者實物模型，并對其進行試驗，評價產(chǎn)品的功能、可靠性、外觀和維修保養(yǎng)性等。雖然這種試驗可能會表明，在產(chǎn)品進入到生產(chǎn)階段之前，應(yīng)該更換某些材料，但是，絕對不能將這一點作為不認(rèn)真選擇材料的借口。應(yīng)該結(jié)合產(chǎn)品的功能，認(rèn)真仔細(xì)地考慮產(chǎn)品的外觀、成本和可靠性。一個很有成就的公司在制造所有的樣機時，所選用的材料應(yīng)該和其生產(chǎn)中使用的材料相同，并盡可能使用同樣的制造技術(shù)。這樣對公司是很有好處的。功能完備的樣機如果不能根據(jù)預(yù)期的銷售量經(jīng)濟地制造出來，或者是樣機與正式生產(chǎn)的裝置在質(zhì)量和可靠性方面有很大不同，則這種樣機就沒有多大的價值。設(shè)計工程師最好能在這一階段完全完成材料的分析、選擇和確定工作，而不是將其留到生產(chǎn)設(shè)計階段去做。因為，在生產(chǎn)設(shè)計階段材料的更換是由其他人進行的，這些人對產(chǎn)品的所有功能的了解不如設(shè)計工程師。 在生產(chǎn)設(shè)計階段中，與材料有關(guān)的主要問題是應(yīng)該把材料完全確定下來，使它們與現(xiàn)有的設(shè)備相適應(yīng)，能夠利用現(xiàn)有設(shè)備經(jīng)濟地進行加工，而且材料的數(shù)量能夠比較容易保證供應(yīng)。 在制造過程中，不可避免地會出現(xiàn)對使用中的材料做一些更改的情況。經(jīng)驗表明，可采用某些便宜材料作為替代品。然而，在大多數(shù)情況下，在進行生產(chǎn)以后改換材料要比在開始生產(chǎn)前改換材料所花費的代價要高。在設(shè)計階段做好材料選擇工作，可以避免多數(shù)這樣的情況。在生產(chǎn)制造開始后出現(xiàn)了可供使用的新材料是更換材料的最常見的原因。當(dāng)然，這些新材料可能降低成本、改進產(chǎn)品的性能。但是，必須對新材料進行認(rèn)真的評價，以確保其所有性能都滿足要求。應(yīng)當(dāng)記住，新材料的性能和可靠性很少像現(xiàn)有材料那樣為人們所了解。大部分的產(chǎn)品失效和產(chǎn)品責(zé)任事故案件是由于在選用新材料作為替代材料之前，沒有真正了解它們的長期使用性能而引起的。 產(chǎn)品的責(zé)任訴訟迫使設(shè)計人員和公司在選擇材料時，采用最好的程序。在材料過程中，五個最常見的問題為：（a）不了解或者不會使用關(guān)于材料應(yīng)用方面的最新最好的信息資料；(b)未能預(yù)見和考慮擦黑年品可能的合理用途（如有可能，設(shè)計人員還應(yīng)進一步預(yù)測和考慮由于產(chǎn)品使用方法不當(dāng)造成的后果。在近年來的許多產(chǎn)品責(zé)任訴訟案件中，由于錯誤地使用產(chǎn)品而受到傷害的原告控告生產(chǎn)廠家，并且贏得判決）；(c)所使用的材料的數(shù)據(jù)不全或是有些數(shù)據(jù)不確定，尤其是當(dāng)其長期性能數(shù)據(jù)是如此的時候；(d)質(zhì)量控制方法不適當(dāng)和未經(jīng)驗證；(e)由一些完全不稱職的人員選擇材料。 通過對上述五個問題的分析，可以得出這些問題是沒有充分理由存在的結(jié)論。對這些問題的研究分析可以為避免這些問題的出現(xiàn)指明方向。盡管采用最好的材料選擇方法也不能避免發(fā)生產(chǎn)品責(zé)任訴訟，設(shè)計人員和工業(yè)界按照適當(dāng)?shù)某绦蜻M行材料選擇，可以大大減少訴訟的數(shù)量。 從以上的討論可以看出，選擇材料的人們應(yīng)該對材料的性質(zhì)，特點和加工方法有一個全面而基本的了解。 附錄 二 Machine design theory The machine design is through designs the new product or improves the old product to meet the human need the application technical science. It involves the project technology each domain, mainly studies the product the size, the shape and the detailed structure basic idea, but also must study the product the personnel which in aspect the and so on manufacture, sale and use question. Carries on each kind of machine design work to be usually called designs the personnel or machine design engineer. The machine design is a creative work. Project engineer not only must have the creativity in the work, but also must in aspect and so on mechanical drawing, kinematics, engineerig material, materials mechanics and machine manufacture technology has the deep elementary knowledge. If front sues, the machine design goal is the production can meet the human need the product. The invention, the discovery and technical knowledge itself certainly not necessarily can bring the advantage to the humanity, only has when they are applied can produce on the product the benefit. Thus, should realize to carries on before the design in a specific product, must first determine whether the people do need this kind of product Must regard as the machine design is the machine design personnel carries on using creative ability the product design, the system analysis and a formulation product manufacture technology good opportunity. Grasps the project elementary knowledge to have to memorize some data and the formula is more important than. The merely service data and the formula is insufficient to the completely decision which makes in a good design needs. On the other hand, should be earnest precisely carries on all operations. For example, even if places wrong a decimal point position, also can cause the correct design to turn wrongly A good design personnel should dare to propose the new idea, moreover is willing to undertake the certain risk, when the new method is not suitable, use original method. Therefore, designs the personnel to have to have to have the patience, because spends the time and the endeavor certainly cannot guarantee brings successfully. A brand-new design, the request screen abandons obsoletely many, knows very well the method for the people. Because many person of conservativeness, does this certainly is not an easy matter. A mechanical designer should unceasingly explore the improvement existing product the method, should earnestly choose originally, the process confirmation principle of design in this process, with has not unified it after the confirmation new idea. Newly designs itself can have the question occurrence which many flaws and has not been able to expect, only has after these flaws and the question are solved, can manifest new goods come into the market the product superiority. Therefore, a performance superior product is born at the same time, also is following a higher risk. Should emphasize, if designs itself does not request to use the brand-new method, is not unnecessary merely for the goal which transform to use the new method. In the design preliminary stage, should allow to design the personnel fully to display the creativity, not each kind of restraint. Even if has had many impractical ideas, also can in the design early time, namely in front of the plan blueprint is corrected. Only then, only then does not send to stops up the innovation the mentality. Usually, must propose several sets of design proposals, then perform the comparison. Has the possibility very much in the plan which finally designated, has used certain not in plan some ideas which accepts. How does the psychologist frequently discuss causes the machine which the people adapts them to operate. Designs personnels basic responsibility is diligently causes the machine to adapt the people. This certainly is not an easy work, because certainly does not have to all people to say in fact all is the most superior operating area and the operating process. Another important question, project engineer must be able to carry on the exchange and the consultation with other concerned personnel. In the initial stage, designs the personnel to have to carry on the exchange and the consultation on the preliminary design with