畢業(yè)設計論文-四足機器狗(吐血發(fā)布)

1、摘要四足機器人有很強的環(huán)境適應性和運動靈活性，可廣泛運用于搶險救災、排雷、探險、娛樂、及軍事等領域，因此，對四足機器人的研究已經成為機器人研究領域的重要課題。本文介紹了一種能實現(xiàn)前方探測功能的小型四足機器狗的機械設計與仿真過程。論文的主要內容包括：簡要分析了國內外四足機器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。根據(jù)要實現(xiàn)的功能對機器狗進行整體機械設計與關鍵部位的優(yōu)化。采用三維造型軟件Solidworks建立四足機器狗的本體結構， 然后在保持模型質量、質心位置和轉動慣量等物理信息和幾何信 息不變的條件下，對模型進行簡化，便于仿真。采用Parasolid文件傳輸標準，利用ADAMS的專業(yè)圖形接口模塊ADAMS/Exc

2、hange，把在SolidWorks環(huán)境下建立的簡化后的模型導入ADAMS/View中。在ADAMS/View環(huán)境下，根據(jù)實際情況添加相應的約束、驅動和力。然后進行仿真，并將仿真過程保存在AVI格式的電影文件。關鍵字：四足機器狗，機械設計，SolidWorks，ADAMS，仿真AbstractThe quadruped robot, which has advantages of good surrounding adaptability and high move agility, is applied to a great deal of fields such as rescue rea

3、lm, 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. I

4、t includes:Current research situation and development trend of quadruped robot dog both in domestic and abroad is briefly introduced.According to its expecting function, overall mechanical designing and optimization on key parts are done.Establish the body structure of quadruped robot dog with 3d mo

5、deling 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.Import the simplified model which is in Solidworks environment into ADAMS/View by using the professional graphic

6、 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 do

7、g, mechanical design, SolidWorks, ADAMS, simulation目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc261680994 摘要 PAGEREF _Toc261680994 h I HYPERLINK l _Toc261680995 Abstract PAGEREF _Toc261680995 h II HYPERLINK l _Toc261680996 第一章 引言 PAGEREF _Toc261680996 h 1 HYPERLINK l _Toc261680997 1.1 機器人概述 PAGEREF _Toc261680

8、997 h 1 HYPERLINK l _Toc261680998 1.1.1 機器人發(fā)展概述 PAGEREF _Toc261680998 h 1 HYPERLINK l _Toc261680999 1.1.2 四足機器人概述 PAGEREF _Toc261680999 h 3 HYPERLINK l _Toc261681000 第二章 四足機器狗的本體設計 PAGEREF _Toc261681000 h 6 HYPERLINK l _Toc261681001 2.1 概述 PAGEREF _Toc261681001 h 6 HYPERLINK l _Toc261681002 2.2 選擇主體

9、結構的材料 PAGEREF _Toc261681002 h 6 HYPERLINK l _Toc261681003 2.3 初定結構尺寸與質量 PAGEREF _Toc261681003 h 6 HYPERLINK l _Toc261681004 2.3.1 控制部分 PAGEREF _Toc261681004 h 6 HYPERLINK l _Toc261681005 2.3.2 舵機 PAGEREF _Toc261681005 h 7 HYPERLINK l _Toc261681006 2.3.3 腿部 PAGEREF _Toc261681006 h 8 HYPERLINK l _Toc2

10、61681007 2.3.4 腳部 PAGEREF _Toc261681007 h 9 HYPERLINK l _Toc261681008 2.3.5 身體骨架 PAGEREF _Toc261681008 h 10 HYPERLINK l _Toc261681009 2.4 機器狗的扭矩與壓力的計算 PAGEREF _Toc261681009 h 10 HYPERLINK l _Toc261681010 2.4.1 單腿的壓力計算 PAGEREF _Toc261681010 h 10 HYPERLINK l _Toc261681011 2.4.2 單腿的扭矩計算 PAGEREF _Toc261

11、681011 h 10 HYPERLINK l _Toc261681012 2.5 舵機的選擇 PAGEREF _Toc261681012 h 11 HYPERLINK l _Toc261681013 2.6 本章小結 PAGEREF _Toc261681013 h 12 HYPERLINK l _Toc261681014 第三章 對腿部結構的優(yōu)化及應力繞度的驗證 PAGEREF _Toc261681014 h 14 HYPERLINK l _Toc261681015 3.1 采用Matlab 軟件進行優(yōu)化分析 PAGEREF _Toc261681015 h 14 HYPERLINK l _T

12、oc261681016 3.1.1 問題描述 PAGEREF _Toc261681016 h 14 HYPERLINK l _Toc261681017 3.1.2 建立數(shù)學模型 PAGEREF _Toc261681017 h 15 HYPERLINK l _Toc261681018 3.1.3 采用MATLAB 軟件對優(yōu)化問題的分析 PAGEREF _Toc261681018 h 16 HYPERLINK l _Toc261681019 3.2ANSYS驗證腿部的應力與撓度 PAGEREF _Toc261681019 h 20 HYPERLINK l _Toc261681020 3.2.1 概

13、述 PAGEREF _Toc261681020 h 20 HYPERLINK l _Toc261681021 3.2.2 ANSYS介紹 PAGEREF _Toc261681021 h 20 HYPERLINK l _Toc261681022 3.2.3 ANSYS與Silodworks數(shù)據(jù)接口問題 PAGEREF _Toc261681022 h 20 HYPERLINK l _Toc261681023 3.2.4 用ANSYS求解驗證過程 PAGEREF _Toc261681023 h 21 HYPERLINK l _Toc261681024 3.3本章小節(jié) PAGEREF _Toc2616

14、81024 h 25 HYPERLINK l _Toc261681025 第四章 三維模型的建立 PAGEREF _Toc261681025 h 27 HYPERLINK l _Toc261681026 4.1 四足機器狗的本體結構的建立 PAGEREF _Toc261681026 h 27 HYPERLINK l _Toc261681027 4.1.1 SolidworkS軟件的介紹 PAGEREF _Toc261681027 h 27 HYPERLINK l _Toc261681028 4.1.2 四足機器狗本體結構的三維模型 PAGEREF _Toc261681028 h 28 HYPE

15、RLINK l _Toc261681029 4.1.3 四足機器人的簡化模型 PAGEREF _Toc261681029 h 31 HYPERLINK l _Toc261681030 4.2 本章小結 PAGEREF _Toc261681030 h 32 HYPERLINK l _Toc261681031 第五章 四足機器狗的簡單動力學仿真 PAGEREF _Toc261681031 h 33 HYPERLINK l _Toc261681032 5.1 概述 PAGEREF _Toc261681032 h 33 HYPERLINK l _Toc261681033 5.2 ADAMS軟件的介紹

16、PAGEREF _Toc261681033 h 33 HYPERLINK l _Toc261681034 5.3 四足機器狗虛擬樣機模型的建立 PAGEREF _Toc261681034 h 34 HYPERLINK l _Toc261681035 5.3.1 建立虛擬樣機模型的步驟 PAGEREF _Toc261681035 h 34 HYPERLINK l _Toc261681036 5.4 本章小結 PAGEREF _Toc261681036 h 41 HYPERLINK l _Toc261681037 第六章 結論 PAGEREF _Toc261681037 h 42 HYPERLIN

17、K l _Toc261681038 6.1 研究結果 PAGEREF _Toc261681038 h 42 HYPERLINK l _Toc261681039 6.2 展望 PAGEREF _Toc261681039 h 43 HYPERLINK l _Toc261681040 參考文獻 PAGEREF _Toc261681040 h 44 HYPERLINK l _Toc261681041 致謝 PAGEREF _Toc261681041 h 46第一章 引言1.1 機器人概述機器人技術是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門高技術，它綜合了機械與精密機械、微電子與計算機、自動控制與驅動、傳感與信息處

18、理以及人工智能等多種學科的最新研究成果，是典型的機電一體化技術，是目前科技發(fā)展最活躍的領域之一。經濟的發(fā)展與各行各業(yè)要求自動化程度的提高，推動著機器人技術的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的機器人產品。機器人產品己經廣泛應用于國民生產的各個領域，并正在給人類傳統(tǒng)的生產模式帶來革命性的變化，影響著人們生活的方方面面。機器人的研究與應用水平，是一個國家經濟實力和科技發(fā)展水平的反映，可以這么認為，一個國家如果不擁有一定數(shù)量和質量的機器人，就不具備國際競爭的工業(yè)基礎。因此，世界上許多國家，包括中國在內，都對機器人的發(fā)展予以高度的重視。1.1.1 機器人發(fā)展概述“機器人”體現(xiàn)了人類長期的一種愿望，即用一種具有擬人功

19、能那樣的機器，來代替人去進行各種活動。西周時期，我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機器人。在兩千多年前的東漢時代，張衡發(fā)明了指南車，在車輛運動過程中牧人的手總指向南方，這是世界上最早的移動式“機器人”的雛形。后漢三國時期，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其運送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭，這可以說是另一種移動式“機器人”。唐代有四川楊行廉制作的手會動且會走的木僧，還有江蘇馬待封制作的機器人梳妝臺和宴會勸酒名為“酒山”的服務機器人。以上僅是一些不完全的記載，但已說明了中國追求機器人實現(xiàn)的努力由來已久。人類進入近代以后，隨著第一次、第二次產業(yè)革命(1719世紀)，各

20、種機械裝置的發(fā)明和應用，特別是在機械計時裝置的發(fā)展基礎上，日本、西歐等國家出現(xiàn)了不少精巧的“機器人”玩具或“機器人”工藝品，這些裝置大多由時鐘機構驅動，用凸輪和杠桿傳遞運動。進入20世紀后，機器人的研究與開發(fā)得到了更多人的關心與支持，一些實用化的機器人相繼問世，1927年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機器人“電報箱”，并在紐約舉行的世界博覽會上展出。它是一個電動機器人，裝有無線電發(fā)報機，可以回答一些問題，但該機器人不能走動。自1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。大批量生產的迫切需求推動了自動化技術的進展，其結果之一便是195

21、2年數(shù)控機床的誕生。與數(shù)控機床相關的控制、機械零件的研究又為機器人的開發(fā)奠定了基礎。另一方面，原子能實驗室的惡劣環(huán)境要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這一需求背景下，美國原子能委員會的阿爾貢研究所于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。作為機器人產品最早的實用機型(示教再現(xiàn))是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”，和U

22、NIMAT10N公司推出的“UN1MATE“，。這些工業(yè)機器人的控制方式與數(shù)控機床大致相似，但外形特征迥異，主要由類似人的手和臂組成。1965年，MIT的Robots演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機器人系統(tǒng)。1967年日本成立了人工手研究會(現(xiàn)改名為仿生機構研究會)，同年召開了日本首屆機器人學術會。1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學術會議。1970年以后，機器人的研究得到迅速廣泛的普及。1973年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一臺由小型計算機控制的工業(yè)機器人，它是液壓驅動的，能提升的有效負載達45公斤。到了1980年，工業(yè)機器人才真正在日本普及，故稱

23、該年為“機器人元年”。隨后，工業(yè)機器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了“機器人王國的美稱”。隨著計算機技術和人工智能技術的飛速發(fā)展，使機器人在功能和技術層次上有了很大的提高，移動機器人和機器人的視覺和觸覺等技術就是典型的代表。由于這些技術的發(fā)展，推動了機器人概念的延伸。80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機器人，這是一個概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導了機器人技術的研究和應用，而且又賦予了機器人技術向深廣發(fā)展的巨大空間，水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。將機器人的技術(如傳感技術、智能

24、技術、控制技術等)擴散和滲透到各個領域形成了各式各樣的新機器一一機器人化機器。當前與信息技術的交互和融合又產生了“軟件機器人”、“網絡機器人”的名稱，這也說明了人類在機器人方面所具有的創(chuàng)新活力。1.1.2 四足機器人概述目前機器人的移動方式主要包括輪式、履帶式、步行、爬行、蠕動等。車輪自其問世以來，一直是在堅硬平地上運動的最有效工具。對于不平度小于車輪半徑的地面，通過充氣或其它彈簧阻尼系統(tǒng)的隔振，車輛的舒適度是相當好的。但是在不平地面上行駛時，輪式車輛的能量大大增加，而在松軟地面或嚴重崎嶇不平的地形上，車輪的作用將嚴重喪失。為了改善輪子對松軟地面和不平地面的適應能力，履帶式車輛應運而生。履帶使

25、車身載荷分布在一塊比較大的面積上，相當于一種為輪子鋪路的裝置，履帶由于可以產生較大的推進力且不像輪子那樣容易陷入松軟地面，在工程上和軍事上均得到廣泛的應用。但是履帶運動方式在不平地面上的機動性仍然很差，特別是轉向時的滑動和陷入使其能耗率大為下降，同時車身晃動仍然嚴重。輪式、履帶式對環(huán)境空間要求較高，因而其應用范圍受到一定的限制。爬行和蠕動型機器人主要用于管道和其它狹窄空間內工作，具有良好的靜、動穩(wěn)定性，但移動速度較慢。步行是人和大多數(shù)高等動物共同采用的移動方式，對環(huán)境具有很強的適應性，既可以進入相對狹窄的空間，也可以跨越障礙、上下臺階、上下斜坡甚至在不平整地面上運動。使得其與上述各種運動方式相

26、比，具有更廣闊應用前景。據(jù)調查，地球上近一半的地面不能為傳統(tǒng)的輪式或履帶式到達，而很多足式動物卻可以在這些地面上行走自如。這給人們一種啟示:足式運動具有其它地面推進方式所不具備的獨特優(yōu)越性能?，F(xiàn)有的步行機器人(包括跳躍機)的足數(shù)分別為一足、二足、三足、四足、六足、八足甚至更多。其中偶數(shù)占絕大多數(shù)，因為就直線運動來說，偶數(shù)足能產生有效的步態(tài)。足的數(shù)目多時適合于重載和慢速運動(如海底行業(yè)步行機)，而二足或四足結構簡單且更靈活一些。與二足相比，四足步行機器人承載能力強、穩(wěn)定性好，既能以靜態(tài)步行方式實現(xiàn)不平地面及復雜地形上的行走，又能以動態(tài)步行方式(步行過程任意時刻均少于三條腿同時處于支撐狀態(tài)的步行方

27、式)實現(xiàn)高速行走，在搶險救災、排雷、探險、娛樂及軍事等許多方面有很好的應用前景，其研制工作一直受到各國的重視。二十世紀六十年代，機器人技術的研究進入了以機械和液壓控制實現(xiàn)的發(fā)展階段。美國的Shigley(1960)和Baldwin(1966)都使用凸輪連桿機構設計了機動的步行車，但由于技術水平限制，所設計的步行機效率低而且對地面的適應性差。典型的是1969年，美國的通用電氣公司制造出一種機器馬，它的四條腿由液壓伺服馬達系統(tǒng)驅動，安裝在腿和腳上的位置傳感器完成位置檢測功能，馬背的駕駛臺上可以坐一個人，進行操縱，當操縱員的手、腳動作時，就把動作傳到機器馬身上，不過力量大了好多倍，使馬的四條腿動作，

28、它的行走速度比人快一倍，它的前足可以拿起200多千克的重物。它最初是為了在惡劣條件下，幫助步兵搬運東西而設計的。雖然整機操作比較費力，但實現(xiàn)了步行及爬越障礙的功能，被視為是現(xiàn)代步行機發(fā)展史上的一個里程碑。但從步態(tài)規(guī)劃及控制的角度來說，這種要人跟隨操縱的步行機并沒有體現(xiàn)步行機器人的實質性意義，只能算作是人操作的機械移動裝置。隨著電子技術發(fā)展，計算機的出現(xiàn)，機器人技術進入了全面發(fā)展的階段。20世紀90年代初期，由英國研制出四條腿的機器人，它有點像矮腳馬。它前后腿分別組成對，向前邁進就像顛馳;若是同側前后腿組成對，動作就像溜蹄，它的行動很自由。在國內，中科院沈陽自動化研究所、清華大學、上海交通大學、

29、哈爾濱工業(yè)大學、國防科技大學等單位和院校都先后開展了機器人技術的研究，并在多足步行機器人技術的發(fā)展上也取得了較大的成果，例如:我國上海于20世紀90年代制成四足步行千日年，它能在高低不平的地面行走，可上臺階、爬斜坡、越過障礙物。盡管四足機器人技術有了很大的發(fā)展，國內外均研究開發(fā)了很多原理樣機或實驗模型，但制約四足機器人技術進一步發(fā)展的基礎理論問題并沒有得到根本的解決。正如著名機器人學家Angeles教授所言:“步行機器人的理論研究步伐要遠遠落后于其技術開發(fā)的步伐”。現(xiàn)有的四足機器人的基礎技術研究尚不夠成熟和完善。第二章 四足機器狗的本體設計2.1 概述 此處設計的機器狗為四足的，采用四足八關節(jié)

30、的結構，結構比較簡單，主要實現(xiàn)前方探測功能，每只腳底均有一個光電傳感器，能有效檢測腳底環(huán)境的變化。機器狗的頭部為一個舵機，攜帶光電反射式傳感器，能探測前方的障礙物。本文主要任務是對機器狗的機械結構進行設計優(yōu)化，并進行三維模型的建立及簡單仿真，對步態(tài)規(guī)劃及控制部分不作討論。2.2 選擇主體結構的材料機器狗的質量比較輕，對主體材料的強度要求不是太高，所以選擇鋁合金作為主體材料，因為鋁合金具有價格便宜，質量輕，易加工等特點，這里選擇6061的鋁合金型材。鋁合金型材基本上沒什么國標非標之說，但是國家對建筑鋁型材有專門的行業(yè)規(guī)范，主要對型材的厚度、材質等做出要求。每家鋁合金型材生產企業(yè)所生產的產品基本上

31、大同小異，只不過在具體的結構上有所出入。但是像比較通用的系列，例如國標50、868、90，這些基本上都一樣。80系列、60系列指的是鋁合金型材邊框的寬度分別是80毫米、60毫米。2.3 初定結構尺寸與質量由于機器狗控制系統(tǒng)的部分尺寸大小在120mm*90mm左右，所以依據(jù)這個尺寸，可以先對每個零部件設置初始的尺寸，并且估算其質量，一共分為五部分組成。2.3.1 控制部分控制部分包括舵機驅動器電路板，如圖所示，單片機與電路板（不包括電源，電源為外置），其重量保守估計MC=500g。2.3.2 舵機目前市面上普通小舵機重量在50g左右，如圖所示，所以取Md=50g。圖2.1 普通舵機圖2.2 16

32、路舵機驅動器的電路板2.3.3 腿部腿部采用上下H型設計，其尺寸如圖所示，按照其尺寸得到其體積為Vl=(27*70*1)*2+(23*27*2)=4020mm3,所以其質量為：ML=4020mm3*0.0028g/mm3=11.256g。圖2.3 腿部結構圖1圖2.4 腿部結構圖22.3.4 腳部腳部采用鋁合金型材，長為40mm，寬為12mm，厚度為6mm估計重量為MF=5.04g。2.3.5 身體骨架同樣采用了鋁合金型材，分別為連接舵機的支架和橫梁，尺寸分別為長55mm， 寬12mm，厚度5m和長80mm，寬12mm，厚度5mm，所以質量分別為M梁1=8.25g，M梁2=12g。此處為尺寸的

33、初選與質量的估計，經優(yōu)化后尺寸可能會發(fā)生變化。2.4 機器狗的扭矩與壓力的計算2.4.1 單腿的壓力計算當機器狗行走時，實際是只有一條腿離地，假設整個模型是對稱的，所以，當一條腿抬起的時候，其對角線上的那條腿是不起支撐作用的，只有兩條腿起支撐作用，此時承受在兩條腿上的總重量G=MC+6*Md+2*ML+4*MF+2M梁1+M梁2=771.172g，所以1關節(jié)處受到的壓力F1=385.586g，F(xiàn)2=F1+ML+Md=446.846g。2.4.2 單腿的扭矩計算腿的動作有兩個狀態(tài)：站立與抬起。由初選的尺寸可以得到，關節(jié)1和關節(jié)2之間的長度La=70mm，2關節(jié)與地面之間的長度約為Lb=60mm。

34、當腿站立時，1關節(jié)處受扭明顯小于2關節(jié)處，所以只需計算2關節(jié)處的受扭，考慮其極限位置的情況即可，即M2=F2*Lb=2.68kg 。當腿抬起時，1關節(jié)處受扭明顯大于2關節(jié)處，所以只需計算2關節(jié)處的受扭，考慮其極限位置的情況即可，即M1=(ML+Md+2*MF)*La=0.5kg 。綜上，關節(jié)受到最大扭矩為Mmax=2.68kg 。2.5 舵機的選擇舵機主要是由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器所構成。其工作原理是由接收機發(fā)出訊號給舵機，經由電路板上的 IC判斷轉動方向，再驅動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經到達定位。位置檢測器其實就

35、是可變電阻，當舵機轉動時電阻值也會隨之改變，藉由檢測電阻值便可知轉動的角度。一般的伺服馬達是將細銅線纏繞在三極轉子上，當電流流經線圈時便會產生磁場，與轉子外圍的磁鐵產生排斥作用，進而產生轉動的作用力。依據(jù)物理學原理，物體的轉動慣量與質量成正比，因此要轉動質量愈大的物體，所需的作用力也愈大。依照受扭矩較大處的來選擇舵機，這里選擇FUTUBA的舵機，列出一些不同型號的舵機，如圖2.5所示，選擇FUTUBA S3002的舵機，其規(guī)格見表2.1。圖2.5 FUTUBA部分舵機規(guī)格表一覽型號尺寸mm(長*寬*高)扭矩kg 速度sec/60重量gS300231*16*30.23.30.2535表2.1 所

36、選舵機的主要參數(shù)表2.6 本章小結本章主要研究了四組機器狗的本體設計，包括：(1)選擇主體結構的材料(2)初定結構尺寸與質量(3)機器狗的扭矩與壓力的計算(4)舵機的選擇walking dog的單腿設置髖關節(jié)和踝關節(jié)兩自由度，能在一個平面內自由運動（見圖2.6）。采用舵機作為機器狗的關節(jié)驅動器，其單腿結構圖2.7見圖2.6 四足機器狗模型圖2.7 單腿結構作為整個結構的重要部位，對其的優(yōu)化與結構穩(wěn)定性的驗證機器及其重要，如果腿部受力變形，將對之后研究的步態(tài)行走的穩(wěn)定性和準確性產生影響，所以對其的研究很重要，將在下一章詳細介紹。第三章 對腿部結構的優(yōu)化及應力繞度的驗證3.1 采用Matlab 軟

37、件進行優(yōu)化分析3.1.1 問題描述現(xiàn)有一機器狗單腿，如圖3.1所示，腿分上下兩部分，長度分別為L1和L2，圖中圓洞處與舵機相連，受到最大的扭矩為2.68kg. cm，最大的壓力為4.4N,要求腿部最高不得超過90mm，最低不得低于70mm，腿部其他參數(shù)見下表3.1，于研究對象為小型四足機器狗，所受的扭矩與力都不大，所選材料鋁合金完全可以承受，所以這里只研究腿尺寸的長短對質量的影響，先要求設計腿部的長度，再滿足要求的前提下，使整條腿的質量最輕。 部位大小（mm）跨度49寬度25上高度L1=40下高度L2=45兩邊厚度1中間厚度2表3.1腿部參數(shù)表圖3.1 腿部三維模型簡圖3.1.2 建立數(shù)學模型

38、優(yōu)化設計追求的指標為腿部質量Q最輕，Q 的計算式為:Q(X)=Q(x1,x2)=*V=(2*L1+49)*25*1)+(2*L2+49)*25*1)*2.8*10E-3=0.14(L1+L2)+0.274式中:設計變量X = x 1 , x 2 T = L1 , L2 T。顯然, L1 、L2 越小, Q 值越小。但L1與L2受整體尺寸要求的影響，將上述要求約束整理后得：最大尺寸限制L1+L290B. 最小尺寸限制L1+L270C 腿上部長度限制 L235據(jù)此,可寫出優(yōu)化設計的數(shù)學模型為:min Q ( X) = 0.14*(L1+L2)+0.274X = x 1 , x 2 T = d ,

39、l Ts. t 90-L1-L20L1+L2-700L235 3.1.3 采用MATLAB 軟件對優(yōu)化問題的分析3.1.3.1 對軟件的了解和熟悉由于第一次使用MATLAB,所以對這款軟件進行了一定的了解和熟悉，圖3.2為matlab的主工作界面。圖3.2 Matlab的主工作界面MATLAB 可以用來進行以下各種工作： 數(shù)值分析 數(shù)值和符號計算 工程與科學繪圖 控制系統(tǒng)的設計與仿真 HYPERLINK :/baike.baidu /view/286846.htm t _blank數(shù)字圖像處理 技術 HYPERLINK :/baike.baidu /view/162096.htm t _bla

40、nk數(shù)字信號處理 技術 通訊系統(tǒng)設計與仿真 財務與金融工程 MATLAB 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。附加的工具箱（單獨提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應用領域內特定類型的問題。3.1.3.2 約束函數(shù)的性態(tài)分析應用MATLAB 語言編程: x ,y = meshgrid(linspace (0 ,17 ,19) ,linspace (0 ,11 ,19) ) ; %根據(jù)函數(shù)的定義劃分網格區(qū)域Q = 0.14*（x+y）+0.27;mesh (x ,y ,Q) ; %通

41、過三維網格模擬目標函數(shù)圖形xlabel (L1) ;ylabel (L2) ;zlabel (Q) ; %標注三坐標軸title (目標函數(shù)的圖像) %標注圖形名稱運行程序可畫出目標函數(shù)的三維圖形,如圖3.3所示：圖3.3 函數(shù)圖像3.1.3.3 應用MATLAB軟件的優(yōu)化工具箱對問題的優(yōu)化A取設計變量的初值為: x0 = 40 45t ,首先,編寫目標函數(shù)的m 文件:Objfun. m ,返回x 處的函數(shù)值f 。function f = Objfun (x)f = 0.14*(L1+L2)+0.274B因設計約束含2個非線性約束,故編寫一個描述非線性約束的m 文件:NonLinConstr.

42、 function c ,ceq = NonLinConstr (x)c (1) = -90+x(1)+x(2) ;c (2) = 70-x(1)-x(2) ;ceq = ;C. 設置線性約束的系數(shù):A = 0 - 1；0 0 ;b = -35 0 ;D. 給定變量的初值,并且調用優(yōu)化函數(shù):x0=40 45 ;A=0 -1 ；0 0 ;b=-35 0 ;b1=zeros(2,1) ;options=optimset(Display,iter,LargeScale,off) ;x,fval,exitflag,output=fmincon(Objfun,x0,A,b,b1,NonLinConstr

43、,options)E. 計算結果:具體計算結果如圖3.4所示，得到：x =32.4632 37.5368 %最后的優(yōu)化結果:fval =10.0740 %優(yōu)化后的最小質量exitflag =1 %算法退出處條件output = iterations: 3 %函數(shù)調用次數(shù) funcCount: 15 %函數(shù)評價次數(shù) stepsize: 1 %步長 algorithm: medium-scale: SQP, Quasi-Newton, line-search %算法 firstorderopt: 8.0074e-008 cgiterations: 即：L1=32.4632mm, L2=37.536

44、8mm, Qmin=10.0740g;圖3.4 求解結果 ANSYS驗證腿部的應力與撓度3.2.1 概述對于機器狗腿部的優(yōu)化，主要優(yōu)化了機器狗腿部上下兩部分的長度L1和L2，但這僅僅為結構上的優(yōu)化，之前腿部鋁合金片的厚度初值僅取1mm，整個結構在受力穩(wěn)定性和變形上尚未研究驗證，如果腿部受力變形，將對之后研究的步態(tài)行走的穩(wěn)定性和準確性產生影響，所以有必要對其在最大應力和最大壓力載荷下的受力情況和變形情況進行研究，驗證1mm的厚度是否可行。所以將使用ANSYS軟件進行驗證。3.2.2 ANSYS介紹ANSYS是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用CAE軟件，其分析功能強大，有內建的建

45、模模塊，但是在處理復雜形狀時，其建模功能難以勝任。SolidWorks提供強大的基于特征的實體建模功能。如將ANSYS與專業(yè)的cAD軟件SolidWorks有效的結合，揚長避短。利用與SolidWorks強大的造型功能進行零部件建模、裝配，再導人ANSYS之中進行相應的有限元分析，從而發(fā)揮各自的優(yōu)勢。大體來講，ANSYS由以下分析功能:(1)結構靜力分析(2)結構動力學分析(3)結構非線性分析(4)動力學分析(5)熱分析(6)電磁場分析(7)流體動力學分析(8)聲場分析(9)壓電分析。這里用到的是第一個功能，結構靜力學分析。3.2.3 ANSYS與Silodworks數(shù)據(jù)接口問題ANSYS與S

46、olidWorks創(chuàng)數(shù)據(jù)交換流程如圖1。在ANSYS9.0中，提供多種CAD接口，主要有:IGES、CATIA、PRO/E、UG、SAT、PARA等。這幾種格式具有各自不同的特點。其中IGES和PARA是兩種比較常用的傳輸格式。IGES是The Initial Graphics Exchange Specification的首字母的縮寫，IGES是被定義于計算機復制設計與計算機輔助制造系統(tǒng)（Computer-Aided Design(CAD)&Computer-Aided Manufacturing(CAM)Systems）不同電腦系統(tǒng)之間的通用ANSI信息交換標準。PARA是Parasoli

47、d的縮寫，PARA提供了一個可供互相操作的數(shù)據(jù)管道，使用已經成為標準的XT文件格式，允許基于PARA的系統(tǒng)共享和幾何數(shù)據(jù)交換，而不需要進行任何的數(shù)據(jù)轉換。對于簡單的實體，將SolidWorks里畫好的模型以IGS格式保存，只要在ANSYS中用import導入就可以了（下文有詳說）。3.2.4 用ANSYS求解驗證過程A.模型的導入將在SolidWorks中畫好的腿模型以IGS格式保存，然后打開ANSYS,導入模型，如圖3.5與圖3.6所示 ：圖3.5 ANSYS軟件的import功能將三維模型導入ANSYS圖3.6 導入后的模型B.定義實體類型將類型定義為solidBrick 8node 45

48、,如圖3.7所示：圖3.7 定義模型類型C.定義實體材料特性在Material ModelStructuralLinearElasticIsotropic下面輸入材料的彈性模量與泊松比，分別為68.9Gpa和0.33，如圖3.8所示：圖3.8 定義材料特性D.加約束與載荷在load菜單下分別加上約束與載荷，具體情況如圖3.9所示：圖3.9 加載后的實體E.求解點擊solve菜單下的求解命令，得出結果，ANSYS的求解功能非常強大，.可以得到很多分析圖，這里只取對本課題有研究價值的分析圖，如圖3.10和圖3.11所示：由分析圖可見：腿部受到的最大應力為10.122KPa； 最大撓度為2.61e-

49、9mm；查表得：6061鋁合金的極限抗拉強度為124 MPa； 受拉屈服強度55.2 MPa；延伸率25.0 % ；彈性系數(shù)68.9 GPa ；彎曲極限強度228 MPa ；圖3.10 總體應力分布圖圖3.11 受力變形視角二疲勞強度 62.1 MPa，由此可見：在應力方面，10.029KPa1MPa,所以此設計可行，在變形方面，1.27e-9mm的撓度也可以忽略其對機器狗整體行走的影響，所以厚度h=1mm，L1=32.46mm，L2=37.54mm，這個方案可行。3.3本章小節(jié)本章主要介紹了用matlab對腿部尺寸進行優(yōu)化，歸納總結使用MATLAB 軟件求解的過程和經驗分析后得知,求解時的一

50、般步驟:(1) 判斷優(yōu)化問題的類型。分析時要區(qū)分: 單目標與多目標問題; 線性與非線性問題; 是否為線性規(guī)劃問題等幾種情況。(2) 根據(jù)優(yōu)化問題的類型來選定優(yōu)化函數(shù)。(3) 為優(yōu)化模塊fmincon 提供輸入?yún)?shù)。(4) 根據(jù)目標函數(shù)的性態(tài),預設優(yōu)化選項,即options 的設置。(5) 在所有的輸入?yún)?shù)定義后,調用優(yōu)化函數(shù)進行優(yōu)化程序調試。(6) 根據(jù)優(yōu)化過程的具體提示信息,修改優(yōu)化選項的設置,直到達到滿足優(yōu)化函數(shù)fmincon 所需的優(yōu)化條件為止。對于優(yōu)化后的腿部，由于厚度較薄，所以對其進行驗證，使用ANSYS很好的解決了這個問題，對其進行了驗證，最后方案可行。 對于優(yōu)化好的腿部，下一章將

51、對整個機器狗進行三維造型。第四章 三維模型的建立4.1 四足機器狗的本體結構的建立為了快速準確地建立其模型，并方便日后的修改和計算，運用三維實體造型軟件sofidworks軟件，建立四足機器狗各個部件的三維實體模型，并根據(jù)系統(tǒng)中各個部件的相對位置關系，組裝成裝配體。4.1.1 SolidworkS軟件的介紹相比傳統(tǒng)的ZD繪圖，三維實體造型不僅可以提供幾何拓撲信息，而且可包含模型的材料、質量、質心位置和轉動慣量等物理信息，因此三維實體造型件己經成為現(xiàn)代設計師鐘愛的使用工具。目前市面上流行的三維實體造型軟件SolldworkS，Pro/e，UG，Ideas，它們都帶有功能相當完善的實體建模模塊，可

52、以快速準確的完成復雜系統(tǒng)的實體建模。相比其它造型軟件，Solidworks價格低廉，易學易用，并且支持Iges，Parasolid，Step，Dxf，Dwf等數(shù)據(jù)傳輸標準，這樣保證了跟其它CAD/CAE軟件比如Ansys，ADAMS，Pro/e，Ideas等軟件之間進行數(shù)據(jù)傳遞。Solidworks是一套基于特征的參數(shù)化機械設計自動化軟件，它采用了大家所熟悉的MicrosoftWindows圖形用戶界面。使用這套簡單易學的工具，機械設計工程師能快速、方便地按照其設計思想繪制出草圖及三維實體模型;在設計過程中，可應用特征、尺寸及約束功能，準確制作設計模型，并繪制出詳細的工程圖;根據(jù)各零件間的相互

53、裝配關系，可快速實現(xiàn)零部件的裝配，完成總體設計任務。4.1.2 四足機器狗本體結構的三維模型 經過上一章的優(yōu)化之后，腿部尺寸發(fā)生了變化，所以整個尺寸也將進行調整。四足哺乳類動物的每條腿由五段組成，通過與軀干的連接構成五個關節(jié)，每個關節(jié)至少有一個自由度，這種超冗余自由度使動物的運動極其靈活。但是，在四足機器狗的結構設計中，為了降低控制的復雜程度，它的腿部不可能像動物那樣具有五段和超冗余自由度。從而，在力求達到機器狗運動的靈活性的前提下，對機器狗的肢體結構進行合理簡化，每條腿具有2個關節(jié)，每個關節(jié)設計一個自由度。根據(jù)以上原則設計對機器狗主要零部件的尺寸進行修改，如圖4.1、圖4.2和圖4.3所示，

54、其余機械參數(shù)具體如表4.1所示，機器狗的總體機械結構如圖4.3和圖4.4所示：圖4.1 舵機殼的零件圖圖4.2 上腿部的零件圖圖4.3 下腿部的零件圖部位長/mm寬/mm高/mm質量/g連接梁501253.85橫梁751255.84腳部251651.81上腿部412532.56.52下腿部412537.57.22表4.1 各部位的機械參數(shù)圖4.4 機器狗總體結構1圖4.5 機器狗總體結構24.1.3 四足機器人的簡化模型對于一個機械系統(tǒng)，通常要建立數(shù)十個甚至上百個三維實體零件或子體。電機、軸承座、軸承、傳動機構等很多附加零件，進行運動學、動力學仿真的時候不必考慮這些附加零件的外形，只需要考慮它

55、們的重量、重心、轉動慣量等物理參數(shù)。為了減少仿真的困難，本文根據(jù)各個部件的實際情況，對一些附加零件進行簡化，簡化為由數(shù)個剛體組成的剛體模型，同時注意盡量保持跟實物相近的幾何外觀。簡化這些附加零件的辦法是在用solidworks軟件建立好的完整模型中加入各種零件的材料密度或重心、轉動慣量等物理參數(shù)，再根據(jù)剛體的實體體積，折算出相應的密度。最后將這些物理參數(shù)加到簡化后的模型上，簡化后的模型如圖4.6所示。圖4.6 四組機器狗簡化后的模型4.2 本章小結本章主要介紹了運用三維建模軟件將機器狗的各個零件進行繪制，加入其物理特征,包括密度、質量、轉動慣量，重心等參數(shù)。以便于下一步仿真的運用。并將畫好的零

56、件圖進行裝配，建立機器狗整體的三維造型。由于涉及到仿真有很多問題，所以進一步將模型簡化，以便于仿真。在三維建模過程中也碰到一些問題，比如：（1）有時將一文件夾中所有文件拷貝到另一文件夾，打開裝配體文件時，零部件不是本地目錄，還為原文件夾，這個問題很頭疼，后來慢慢的摸索終于知道了，執(zhí)行這樣的拷貝操作，應在打開新位置的的裝配體之前，將原文件夾改名。打開保存一次后，裝配體就記住了子零部件的新位置。如有必要，可以將原文件夾恢復舊名。（2）經過掃描形成的實體在工程視圖中標不上尺寸，這樣的很多重要尺寸就標不上了，影響讀圖，后來知道這些外輪廓有時是無法選中，高版本基本解決。必要時作切線等輔助線。在3D中作輔

57、助線或面，再在2D中引用就可以了。第五章 四足機器狗的簡單動力學仿真5.1 概述將已經建立好的三維模型導入仿真軟件ADAMS中，利用ADAMS簡單模擬機器狗原地走，施加簡單的驅動函數(shù)，這里用的是step函數(shù)，仿真之后，測出關節(jié)處所受的扭矩，來驗證所選的舵機是否滿足要求。5.2 ADAMS軟件的介紹國外虛擬樣機技術的商品化過程早己完成。目前有二十多家公司在這個日益增長的市場上競爭。比較有影響的產品包括美國MSC公司的ADAMS，比利時LMS公司的virtual.Lab Motion(其前身為DADS)以及德國航天局的SIMRACK，韓國的Reeurdyn等。 ADAMS軟件包括3個最基本的解題程

58、序:ADAMS/View(基本環(huán)境)、ADAMS/solver(求解器)和ADAMS/processor(后處理)。另外還有一些特殊場合應用的附加程序模塊。在3個基本程序中，ADAMS/View是ADAMS系列產品的核心模塊之一，是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境。它提供了一個直接面向用戶的基本操作對話環(huán)境和虛擬樣機分析的前處理功能，其中包括樣機的建模和各種建模工具、樣機模型數(shù)據(jù)的輸入和編輯、與求解器和后處理等程序的自動連接、虛擬樣機分析參數(shù)的設置、各種數(shù)據(jù)的輸入和輸出、同其它應用程序的接口等。ADAMS/solver是ADAMS產品系列中處于心臟地位的仿真“發(fā)動機”。該軟件自動形成機械系統(tǒng)模型的

59、動力學方程，提供靜力學、運動學和動力學的解算結果。ADAMS/Solver有各種建模和求解選項，以便精確有效地解決各種工程應用問題。它除滿足用戶輸出位移、速度、加速度和力等的要求外，還可輸出用戶自己定義的數(shù)據(jù)。用戶可以通過運動副、運動激勵、高副接觸、用戶定義的子程序等添加不同的約束，同時求解運動副之間的作用力和反作用力，或施加單點外力。ADAMS仿真分析結果的后處理，可以通過調用后處理模塊ADAMS/Proeessor來完成。ADAMS/Processor模塊具有相當強的后處理功能，它可以回放仿真結果，也可以繪制各種分析曲線。除了可以直接繪制仿真結果曲線以外，ADAMS/proeessor還可

60、以對仿真分析曲線進行一些數(shù)學和統(tǒng)計計算;可以輸入實驗數(shù)據(jù)繪制試驗曲線，并同仿真結果進行比較;可以進行分析結果的曲線圖的各種編輯。ADAMS/processor模塊既可以在ADAMS/View環(huán)境中運行，也可脫離ADAMS/View環(huán)境獨立運行。5.3 四足機器狗虛擬樣機模型的建立ADAMS/View提供了豐富的基本形體建模工具庫，利用這些參數(shù)化圖庫，可以方便地繪制一些基本形體。對于復雜形體，利用連接線段功能，形成復雜形狀的面，然后利用拔出和回轉建模功能形成形狀復雜的形體，或者將若干基本形體通過一定的方式組合，通過交、并、差等布爾運算形成復雜的形體。對于形狀復雜的零件，ADAMS的建模功能遠不及