四足机器狗（吐血发布） - 图文

摘要

四足机器人有很强的环境适应性和运动灵活性，可广泛运用于抢险救灾、排雷、探险、娱乐、及军事等领域，因此，对四足机器人的研究已经成为机器人研究领域的重要课题。本文介绍了一种能实现前方探测功能的小型四足机器狗的机械设计与仿真过程。论文的主要内容包括：

1. 简要分析了国内外四足机器人的发展现状和趋势。

2. 根据要实现的功能对机器狗进行整体机械设计与关键部位的优化。

3. 采用三维造型软件Solidworks建立四足机器狗的本体结构， 然后在保持模型质量、质心位置和转动惯量等物理信息和几何信 息不变的条件下，对模型进行简化，便于仿真。

4. 采用Parasolid文件传输标准，利用ADAMS的专业图形接口模块ADAMS/Exchange，把在SolidWorks环境下建立的简化后的模型导入ADAMS/View中。在ADAMS/View环境下，根据实际情况添加相应的约束、驱动和力。然后进行仿真，并将仿真过程保存在AVI格式的电影文件。

关键字：四足机器狗，机械设计，SolidWorks，ADAMS，仿真

I

Abstract

The quadruped robot, which has advantages of good surrounding adaptability and high move agility, is applied to a great deal of fields such as rescue realm, mine sweeping, adventure, entertainment, military affairs, etc. So the research on quadruped robot dog has become very important in robot research area. The main research introduces the mechanical design and simulation process on a kind of quadruped robot dog that can detect front environment. It includes:

1. Current research situation and development trend of quadruped robot dog both in domestic and abroad is briefly introduced.

2. According to its expecting function, overall mechanical designing and optimization on key parts are done.

3. Establish the body structure of quadruped robot dog with 3d modeling

software-Solidworks. Then simplify the model for the convenience of simulation with the quality, the centroid position and model of inertia, information and geometry keeping stable.

4. Import the simplified model which is in Solidworks environment into ADAMS/View by using the professional graphic interface module of ADAMS/Exchange with the file transfer standard of Parasolid. In ADAMS/View environment, according to the actual situation of the corresponding restraint, add driver and force. Then simulated it, and save the process of simulation of AVI format file.

Key words: quadruped robot dog, mechanical design, SolidWorks, ADAMS, simulation

II

目录

摘要 ........................................................................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................................................................... II 第一章 引言 ........................................................................................................................................... 1

1.1 机器人概述 .............................................................................................................................. 1

1.1.1 机器人发展概述 ........................................................................................................... 1 1.1.2 四足机器人概述 ........................................................................................................... 3

第二章 四足机器狗的本体设计 ........................................................................................................... 6

2.1 概述.......................................................................................................................................... 6 2.2 选择主体结构的材料 .............................................................................................................. 6 2.3 初定结构尺寸与质量 .............................................................................................................. 6

2.3.1 控制部分 ....................................................................................................................... 6 2.3.2 舵机............................................................................................................................... 7 2.3.3 腿部............................................................................................................................... 8 2.3.4 脚部............................................................................................................................... 9 2.3.5 身体骨架 ..................................................................................................................... 10 2.4 机器狗的扭矩与压力的计算 ................................................................................................ 10

2.4.1 单腿的压力计算 ......................................................................................................... 10 2.4.2 单腿的扭矩计算 ......................................................................................................... 10 2.5 舵机的选择 ............................................................................................................................ 11 2.6 本章小结 ................................................................................................................................ 12 第三章 对腿部结构的优化及应力绕度的验证 ................................................................................. 14

3.1 采用Matlab 软件进行优化分析 ........................................................................................... 14

3.1.1 问题描述 ..................................................................................................................... 14 3.1.2 建立数学模型 ............................................................................................................. 15 3.1.3 采用MATLAB 软件对优化问题的分析 .................................................................... 16 3.2 ANSYS验证腿部的应力与挠度 ......................................................................................... 20 3.2.1 概述 .................................................................................................................................. 20

3.2.2 ANSYS介绍 ................................................................................................................. 20 3.2.3 ANSYS与Silodworks数据接口问题 .......................................................................... 20 3.2.4 用ANSYS求解验证过程 ............................................................................................ 21 3.3本章小节................................................................................................................................... 25 第四章 三维模型的建立 ..................................................................................................................... 27

4.1 四足机器狗的本体结构的建立 ............................................................................................ 27

4.1.1 SolidworkS软件的介绍 .............................................................................................. 27 4.1.2 四足机器狗本体结构的三维模型 ............................................................................. 28 4.1.3 四足机器人的简化模型 ............................................................................................. 31 4.2 本章小结.................................................................................................................................. 32 第五章 四足机器狗的简单动力学仿真 ............................................................................................. 33

5.1 概述........................................................................................................................................ 33 5.2 ADAMS软件的介绍 .............................................................................................................. 33

III

5.3 四足机器狗虚拟样机模型的建立 ........................................................................................ 34

5.3.1 建立虚拟样机模型的步骤 ........................................................................................... 34 5.4 本章小结 ................................................................................................................................ 41 第六章 结论 ......................................................................................................................................... 42

6.1 研究结果 ................................................................................................................................ 42 6.2 展望........................................................................................................................................ 43 参考文献................................................................................................................................................. 44 致谢 ........................................................................................................................................................ 46

IV

小型四足机器人的机械设计与仿真

第一章 引言

1.1 机器人概述

机器人技术是近几十年来迅速发展起来的一门高技术，它综合了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感与信息处理以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是典型的机电一体化技术，是目前科技发展最活跃的领域之一。经济的发展与各行各业要求自动化程度的提高，推动着机器人技术的发展，出现了各种各样的机器人产品。机器人产品己经广泛应用于国民生产的各个领域，并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化，影响着人们生活的方方面面。机器人的研究与应用水平，是一个国家经济实力和科技发展水平的反映，可以这么认为，一个国家如果不拥有一定数量和质量的机器人，就不具备国际竞争的工业基础。因此，世界上许多国家，包括中国在内，都对机器人的发展予以高度的重视。

1.1.1 机器人发展概述

“机器人”体现了人类长期的一种愿望，即用一种具有拟人功能那样的机器，来代替人去进行各种活动。西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。在两千多年前的东汉时代，张衡发明了指南车，在车辆运动过程中牧人的手总指向南方，这是世界上最早的移动式“机器人”的雏形。后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方战争，这可以说是另一种移动式“机器人”。唐代有四川杨行廉制作的手会动且会走的木僧，还有江苏马待封制作的机器人梳妆台和宴会劝酒名为“酒山”的服务机器人。以上仅是一些不完全的记载，但已说明了中国追求机器人实现的努力由来已久。

人类进入近代以后，随着第一次、第二次产业革命(17~19世纪)，各种机械装置的发明和应用，特别是在机械计时装置的发展基础上，日本、西欧等国家出现了不少精巧的“机器人”玩具或“机器人”工艺品，这些装置大多由时钟机构驱动，用凸轮和杠杆传递运动。

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