仿生蜘蛛机器人的设计与研究.doc
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1、毕业设计(论文)仿生蜘蛛机器人的设计与研究姓 名:寇艳虎学 号:12151109专 业:机械工程及自动化系 别:机械与电气工程系指导教师:孔繁征2024年7月摘 要本文总结了背景和目的,仿生蜘蛛机器人的简朴介绍。通过研究机器人的六足仿生的运动,这种设计已拟定脚结构,使用3自由度的分析实现向前运动,把运动的机器人。想象的组件和装配映射仿生蜘蛛机器人以及相关部件的检查,保证机械设计的可行性都包含在总设计。关键词:仿生;机器人;机构ABSTRACTThe paper has summarized the background and the goal of its topic and has mad
2、e the simple introduction of the bionic hexapod robot. Through the research of the motion of the six feet of the robot, This design has determined the foot structure,using the analysis of 3 degrees of freedom realizes the forward motion and turning motion of the robot . Picturing of the component an
3、d assembly mapping of the bionic hexapod robot as well as the inspection of related parts which ensures the feasibility of the machinery design are both included in the total design.KEYWORDS:bionics ;hexapod robot ;machinery 目 录摘 要iABSTRACTii目 录iii1绪 论11.1课题背景及目的11.2仿生机器人研究现状及发展趋势12设计思绪72.1仿生学原理分析72
4、.1.1仿生蜘蛛机器人的研究方法及思绪73整体设计方案93.1工作原理分析93.1.1三角步态原理分析93.1.2机器人走动步态分析93.2机器人机构总体设计93.3电机的选择133.4舵机驱动原理153.4.1舵机原理163.4.2舵机控制方法164零件的设计184.1躯干的设计184.2基节设计194.3关节盖的设计204.4胫节片的设计204.5足的设计224.6连接杆的设计224.7固定片的设计23结 论24参考文献26致 谢281 绪 论1.1 课题背景及目的机器人的出现是科技不断发展的必然产物,随着,社会的不断发展,机器人的不断应用也将会推动生产力的发展,同时为也人类文明的进步做出
5、了巨大奉献。人工智能技术的研究重要是智能机器方向,所以如今对智能机器人的科研限度已经是一个国家科学以及技术的竞争的一个重要方面。一个国家啊对智能机器人研发的限度体现出国家的综合的科技实力,新型机器人的研发更是表达出一个国家他的尖端科技。现在,世界上机器人在生活中的的应用是很普骗的,机器人更是有各种各样的种类 。机器人已经更加的多元化啊。不想以前那么单一。,研究机器人的结构环境定点操作的非结构化环境的转变,在军事侦察、太空探索、救灾、抢险救灾、行星等方向展示了广阔前景。一些我们人类无法达成的环境。机器人却可以在那里正常工作,人类研究出的机器人不仅仅只有动物的外行尚有更多的其他的功能。更加多元化啊
6、。除了传统的设计方法,人们也关注生物世界,寻找神奇的生物从自然中汲取灵感,他们采用了运动机制和行为的运动和控制机器人,使机器人不仅感到思维有一定的功能,这些功能控制行动,用生物或类似于人类的智慧运用仿生学的相关知识。与设计相结合。使得仿生机器人的研究更加多样化 。 仿生蜘蛛机器人是模仿多足的动物的运动的方式的特殊一种的机器人。通过调查显示,在地球上有大约一半的陆地那些常规的载具,像汽车火车履带式的载具都无法到达。自然界中却有很多生物却可以自由的活动在那里。因此,仿生机器人的运动方式更有着其他不具有的能力优势,仿生机器人运动方式流动性良好,能适应各种崎岖路面。仿生蜘蛛机器人在崎岖和路况极差的地面
7、上的运动速度仍然不久,并且能耗较少2。 这些仿生机器人有着难以超越的优势,假如我们想在我们生活中推广。普及发挥这些仿生机器人的最大价值。让我们生活更加便捷,我们只能毫不松懈不断的对仿生机器人进行进一步研究。1.2 仿生机器人研究现状及发展趋势图2.2 Hamlet机器人国外仿生机器人研究现状(1)LAURON系列六足机器人德国卡尔斯鲁厄大学是一个科研机构,有着悠久历史的学校机器人的开发团队有足够多的仿生机器人连续了数年的集中研究和开发。以下是他们的发现。团队领导是右侧的六足仿生机器人(如图2.1)是一种特定的六个同样的肉体,头和脚。整个身体机制设备不仅具有纳米微控制器,系统解决单元、电源开关和
8、照相机,和所有组件都安装在它的身体,这样我们就能完全满足规定的自主权。的总重量是32公斤,宽度是0.7米,可以携带15公斤的重量,不影响其操作,运动速度最高可达0.5 M / s。不仅在它的小身体配备轴角编码器,压力传感器、倾角传感器、红外测距传感器和其他传感器和摄像机配备一个视觉传感器。六条腿的机器人重要是依靠各种传感器和对接受到的信号分析,反馈解决随意运动在凹凸的表面。图2.1 LAURON(2)哈姆雷特是一个由坎特伯雷大学的学生和专家的研究小组开发出了一个在2023年终模仿昆虫六条腿走路的机器人。它也是一种微型伺服机器人。哈姆雷特是基于竹节虫是一个全方位步态模仿,和正在开发的步行机器人(
9、如图2.2)。它共有六十三关节行走的脚,每个关节运动控制。两端配备了一个机械腿框架结构,每个装有三维力传感器的结构和每只脚,受碳纤维保护膜保护。机器人使用两层分布式控制框架、硬件和两个综合控制板驱动信号和力信号,和态度的传感信号解决操作。机器人的大小是650 mmx500mmx400mm,总重量12.7公斤,可以在复杂的地面匀速运动的速度0.2米/秒。它有独立的行走和攀爬能力。(3)Lobstei机器龙虾在美国国防高级研究计划局部门支持的海上作战部队和波士顿在美国,一个东北大学联合开发了一种模仿龙虾八足步行机器人。(如图2.3)它能完毕我的检测和引爆在海底作业。它有4 x 8英寸的壳,壳,由八
10、3自由度的腿,可以完毕浮动和爬行,头部设有两个钳,舵由液压控制,8英寸长尾与水流的控制拉伸,保持飞机的稳定性。龙虾肌肉类型驱动器,驱动机联合行动由形状记忆合金(秦力量可以人工肌肉)控制。控制器涉及一套完整的关于龙虾的行为数据,数据库基本上囊括了所有组织的指令的龙虾步态。当然,它还可以消除的鱼雷传感器和installedSome炸药。图2.3 Lobstei机器龙虾(4) Hexplorer 2023六足步行机器人Hexplorer步行机器人的研究和开发加拿大大学(如图2.4),它有六英尺,分布在一个圆形的身体。每个机械腿是由三个独立的控制上面的三个关节。TI C2023系列DSP控制系统,该系
11、统采用分级控制7块DSP芯片,每个控制三个腿的关节和其他中央控制器,其他6件发送和接受指令。每一条腿。都是独立的。存在的子系统。只要控制中心传输信号,就可以控制单独的腿。实现六条腿的步态规划,通信通过CAN总线接口和事件管理模式。图2.4 Hexplorer 2023国内仿生机器人研究现状对于仿生学的研究在我国起步较晚,我国从上个世纪的80代末和90年代初才开始设计这方面的研究。在上个世纪九十年代初,北京航空航天大学在中国开发了前四模仿动物机器人。这是一个重达两吨,采用液压驱动机器人。1989年3月,沈阳自动化研究所、长春光机合作进行的海蟹,是一个六英尺,25度极自由的六条腿的机器人,总重量约
12、1500公斤,下降到500米。1980年,中国科学,用四边形和凸轮的理论发明了八脚蟹步行机,被广泛的应用在水下。涵虚博士1989年,已经进行了四足步行机器人的设计和研究,并且成功地开发了一种四足步行机,和步行测试,钱博士在地面,墙两栖机器人的爱是特殊的,和一个六足步行机器人的步态运动学的研究。等发达JTUWM系列91年pei-sun马四足步行机器人是由pei-sun妈,机器人采用两级分布式控制系统,计算机模拟电路JTUWM - III对角步态,配备了PVDF测力传感器。02,guo-zheng燕,徐小云和其别人在同一时间开始研究小型六足仿生机器人的设计,如图1所示,13日步行机器人的尺寸分别是
13、:30毫米,40毫米,20毫米的重量只有6.3克,平均散步可以保持约3毫米/秒的速度,以一个恒定的速度移动。此外,清华大学DTWN框架发展的三个三脚机器人,华中科技大学“4 + 2”多个双腿行走机器人和MINIQUAD多足步行机器人如图1 - 15所示,多个机器人运动和控制计划的同时,此外,腿,墙相关模块功能的实现进行了具体的设计和研究。国家“863”的支持下,智能机器人主题,北京航空航天大学的发展更简朴操作机灵的手。BH4采用精密机灵手齿轮结构,四个手指,有16个节点,每一个联合使用直流电机驱动,电机,安装在手指。重要控制系统多目的分层控制系统。抱负的轨迹跟踪和协调层四个手指关节位置控制是完
14、毕四个电脑控制器。手指控制器都在相同的物理控制器内的每一个关节,为了提高控制精度的互相传递信息,使控制误差小。除了北航机器人微小型仿生机器鱼的研究团队(孩子)技术的研究已经取得了突破性的进展,仿生机器鱼”模型是成功的,同时控制机器鱼检测。哈尔滨工业大学开发的仿人手臂和仿人双足机器人柔性机器人。仿人手臂的空间大的特点,而没有奇异位置的关节,如结构紧凑,控制软件的整个过程可以爬,超越障碍等。除了附近的最优联合功率限制。仿生机器人通过生物拟态的性能和行为,将它的结构特点、运动和行为是应用在机器人的设计上。,开发了一些具有生物的外观或功能的机器人系统。仿生机器人的诞生是由于仿生技术和机器人技术的集成,
15、在仿生学、信息科学、力学、微电子控制、计算机科学、组织、传感器技术、人工智能、和许多其他科目,所以机器人的优势传统的机器人,和生物运动机理和行为方式,应用于机器人的运动控制理论模型,本质上是对数以百万年来大自然的发展过程的“自然选择”来提高机械手的运动能力和效率,使其超越原始理论的障碍,大大提高机器人的运动特性和工作效率。仿生机器人大体可分为仿人机器人,和模仿人类的生物机器人,仿人机器人是机器人技术的前沿课题的一个具有挑战性的技术问题,重要是研究多自由度机器人机械臂关节,指的是结合两只脚行走机器人机灵手的身体,模仿人类的生物机器人行走机器人,重要研究了蛇形机器人,水下机器人和机器人、飞行方向和
16、热门话题的研究重要涉及到运动的仿生机理的仿生机器人,仿生控制机制、信息感知仿生、仿生能量代谢和合成的仿生材料。目前,我国已经研发了几款比较典型的仿生多足机器人,像仿壁虎四足机器人、仿竹节虫六足机器人、仿螳螂六足机器人、仿蜘蛛八足机器人、仿蝎八足机器人等 3。机器人在农业。国防。娱乐和服务等行业都得到良好的应用,机器人正朝着智能化的方向发展,将人工智能与仿生学相结合制造出类生物机器人。近年来由于日本仿生机器ASIMO尚有、美国火星探测器等项目的研制成功,智能机器人的研究和发展,最重要的是是可以代替人在危险、恶劣等环境中从事特殊工作的特种智能机器人的研究和发展,已经是各国政府制定高技术计划的一个重
17、要内容,支撑智能机器人的关键技术感知与智能控制技术已成为机器人研究领域的热点之一1。在1990年代初期,美国麻省理工学院专家布鲁克斯的帮助下学生,产生一批蚊子机器人,名叫昆虫,这些小习惯非常相似和蟑螂。他们不没有自己的想法、,仅仅是根据编辑的程序。日本和俄罗斯创建了一个电子机器蟹,深海探测,收集样本,捕获海洋生物,海底焊接等,几年之前。一些科技工作者送给圣地亚哥动物园一些鸟电子机器,它可以模仿女性秃鹫,喂小秃鹰,美国发明了一种机器名叫查理金枪鱼,长1.32米,是由2843个零件组成的。通过摇摆身体和尾巴,真的可以像鱼游泳,7.2公里每小时的速度。可以使用它在海上连续工作几个月,映射和探测水下海
18、洋污染,您还可以使用它来拍摄,由于它模仿金枪鱼。作为一个军事侦察和科学探索的工具,它的发展和应用前景非常广泛。目前,中国科学院已经开发出类似的仿生机器鱼。研究制造昆虫机器人,其前景也非常好。例如,一些人开发一个灵活的机器昆虫的腿,大小只有1/3的信用卡,您可以轻松地跳过障碍像蟋蟀,几乎一个小时能向前。蜜蜂机器人开发的科学家在美国,后安装太阳能电池板和传感器可以自主飞行很长时间。这种机器昆虫是最特别的地方突破的概念“影响关节必须添加引擎”。机器人是人工智能的方向迅速发展,仿生机器人的发展非常快。机器人有价值是它可以做很多人类不能完毕的任务,人是一个生命体征,动物,对生活环境有很高的规定。尽管机器
19、人是一种机器,它没有生命体征,只有在恶劣的环境工作将身体材料有更高的规定。所以你可以让机器人来完毕那些人类无法代替人工任务。与人类研究的扩大,以及人类生活水平的不断提高,机器人的发展也越来越重要3。所以机器人肯定会朝着仿生方向发展。曾经在 IEEE 机器人学与仿生学国际学术会议上,与会的机器人专家就指出:“模仿生物的身体结构和功能,从事生物特点工作的仿生机器人,有望代替传统的工业机器人,成为成为未来机器人的发展方向1。2 设计思绪2.1 仿生学原理分析仿生式蜘蛛机器人,顾名思义,我们借鉴自然界当中昆虫的运动原理。脚是昆虫的运动器官。昆虫有3步行,在胸部,胸部和胸部都有一双,我们反过来叫前面的脚
20、,脚和背部的脚。每只脚髋,旋转,股骨,胫骨,睑板和前大数。髋是一天的基础,比短。旋转是没有活动通常与腿部分紧密相连。腿部分最长最厚部分。第四季度叫做胫骨,往往是又细又长,一排排的荆棘。第五节叫做大数,一般由2 - 5节和部分:为了方便走路。小结束尚有两个坚硬和锋利的爪子,它可以用来把握对象。步行是一组三条腿,前后肢的一边和另一边的脚set.Thus托架结构,形成了一个三角形的三条腿在地上,往后推,另三条腿举起来取代。前足后固定对象在它的爪子把昆虫的身体向前,足以支持和提高身体的一边,脚后促进虫体之前,同时使蜗杆转动。这种运动方式使昆虫可以在什么时候停止都可以,由由于中心遗址是不变的。尚有一部分
21、昆虫不用所有的腿走路。他们的一些腿有了其他功能,产生了变化。行走就重要靠中和后足来完毕。比如说刀螂。两只前腿不会用来走路。而是自己的武器、依靠剩下的四条腿运动参考上面的昆虫脚结构,我想出了一个简朴的方式来表达。一只脚两个关节的活动,联合使用控制型转变,另一个联合使用偏摆,让脚可以提高,作为一种上下。2.1.1 仿生蜘蛛机器人的研究方法及思绪决定这次研究的仿生蜘蛛机器人为六条腿的结构,要想完毕设计一方面得完毕机构的设计。之后才可以进行系统的设计。整机机械结构、自由度、驱动方式,传动机构,都会影响机器人的性能。并且,仿设计出来的机器人机构不仅得满足技术条件。并且得满足经济条件。必须在满足机器人的预
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