機械電子工程畢業(yè)設計-基于caxa舞蹈機器人的仿真設計

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于CAXA舞蹈機器人的仿真設計</p><p><b>　　誠信聲明 </b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的

2、指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設計任務書</b></p><p>　　設計題目： 基于CAXA舞蹈機器人的仿真設計

3、 </p><p>　　1．設計的主要任務及目標</p><p>　　本設計是基于CAXA制作一款舞蹈機器人，要有一定的娛樂價值，舞蹈動作要協(xié)調(diào)、靈活多變。該舞蹈機器人的設計、制作與大批量產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)不同,大部分的零件都是非標準件。因此,借助于軟件CAXA虛擬裝配和運動仿真就顯得非常必要。</p><p>　　2．設計的基

4、本要求和內(nèi)容</p><p>　　（1）收集并查看相關資料；</p><p>　　（2）學習并掌握軟件CAXA的相關功能；</p><p>　?。?）舞蹈機器人的零部件制作與組裝；</p><p>　?。?）舞蹈機器人運動仿真。</p><p><b>　　3．主要參考文獻</b></p&g

5、t;<p>　　[1] 蔡自興.21 世紀機器人技術的發(fā)展趨勢[J].南京化工大學學報，2000，4.</p><p>　　[2] 蔡自興.面臨挑戰(zhàn)的智能機器人技術[J].機器人技術與應用，1997，4.</p><p>　　[3]楊偉群,CAXA實體設計VZ實例教程[M]北京:北京航空航天大學出版社,2002.</p><p>　　[4]楊偉群,任霞

6、,王錦.CAXA實體設計—應用基礎篇[M].北京:北京大學出版社,2002.</p><p>　　[5]肖文.門式起重機組裝與運行動態(tài)仿真[J].湖北工學院學報,20(12,17(2):43一5.</p><p><b>　　4．進度安排</b></p><p>　　基于CAXA舞蹈機器人的仿真設計</p><p>

7、;　　摘要：舞蹈機器人作為智能服務機器人的雛形，不僅為機器人學、控制理論、機電一體化及其它相關學科提供了良好的實驗平臺，而且為進一步研究智能服務機器人提供了借鑒經(jīng)驗。舞蹈機器人的機構是所有部件的載體，也是設計舞蹈機器人最基木的和首要的工作。本設計先從機構的設計目標出發(fā)，制定了總體設計方案，再根據(jù)總體方案進行了關鍵器件的選型，最后完成了各部分機構的詳細設計工作。最終的機構在外型上具有舞蹈的效果，在功能上完全滿足電氣各部件機載化的安裝要求。

8、</p><p>　　關鍵詞：CAXA，舞蹈機器人，仿真設計</p><p>　　Based on the CAXA Dance Robot Simulation Design</p><p>　　Abstract：Dance robot as the prototype of the intelligent service robot, not only for

9、robotics, control theory, electromechanical integration and other related disciplines, provides a good experimental platform, and provides a reference for the further research of intelligent service robot experience. Thi

10、s paper starts from the design goal of institutions, formulates the overall design, and then according to the overall plans for key components selection, finally completes the detailed design of </p><p>　　Ke

11、y words: CAXA，Dance robot，Simulation design</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1國內(nèi)外機器人技術發(fā)展的現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.1國外發(fā)展狀況1</p&

12、gt;<p>　　1.1.2國內(nèi)發(fā)展狀況3</p><p>　　1.2 機器人技術的前景展望4</p><p>　　1.3 CAXA實體設計20135</p><p>　　1.4舞蹈機器人設計的內(nèi)容和要求7</p><p>　　1.4.1 舞蹈機器人設計的內(nèi)容7</p><p>　　1.4.2舞

13、蹈機器人設計的數(shù)據(jù)和要求8</p><p>　　1.4.3舞蹈機器人機構設計難點8</p><p>　　2舞蹈機器人的總體方案設計9</p><p>　　2.1下肢機構設計9</p><p>　　2.2軀干機構設計12</p><p>　　2.3上肢機構設計13</p><p>　　

14、2.4頭頸機構設計17</p><p>　　2.6機構設計結果18</p><p>　　3 材料與型材選擇20</p><p>　　4運動仿真效果22</p><p><b>　　結論23</b></p><p><b>　　參考文獻24</b></p>

15、;<p><b>　　致謝25</b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　近幾年機器人已成為高技術領域內(nèi)具有代表性的戰(zhàn)略目標。機器人技術的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生根本性變化，而且將對人類社會產(chǎn)生深遠的影響。隨著社會生產(chǎn)技術的飛速發(fā)展，機器人的應用領域不斷擴展。從自動化生產(chǎn)線到海洋資源的

16、探索，乃至太空作業(yè)等領域，機器人可謂是無處不在。目前機器已經(jīng)走進人們的生活與工作，機器人已經(jīng)在很多的領域代替著人類的勞動，發(fā)揮著越來越重要的作用，人們已經(jīng)越來越離不開機器人幫助。機器人工程是一門復雜的學科，它集工程力學、機械制造、電子技術、技術科學、自動控制等為一體。目前對機器人的研究已經(jīng)呈現(xiàn)出專業(yè)化和系統(tǒng)化，一些信息學、電子學方面的先進技術正越來越多地應用于機器人領域[1]。</p><p>　　目前機器人行業(yè)

17、的發(fā)展與30年前的電腦行業(yè)極為相似。今天在汽車裝配線上忙碌的一線機器人，正是當年大型計算機的翻版。而機器人行業(yè)的利基產(chǎn)品也同樣種類繁多，比如協(xié)助醫(yī)生進行外科手術的機械臂、在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場上負責排除路邊炸彈的偵察機器人、以及負責清掃地板的家用機器人。隨著計算機、控制、傳感等技術和人工智能理論的發(fā)展，機器人技術正得到突飛猛進的發(fā)展。</p><p>　　1.1國內(nèi)外機器人技術發(fā)展的現(xiàn)狀</p>&l

18、t;p>　　1.1.1國外發(fā)展狀況</p><p>　　作為機器人的一個分支，娛樂機器人將會是21世紀機器人主要民用用途之一，如音樂機器人和跳舞機器人等。機器人吹奏樂器在國外已有成功的報道，包括日本政法大學研制的薩克斯自動演奏機器人和小號自動演奏機器人、日本早稻田大學開發(fā)的WF系列長笛自動演奏機器人、日本電氣通信大學的大、小提琴演奏機器人等。娛樂機器人可以為人們緩解精神上的疲勞。很多當前最流行的娛樂型機器人

19、其實就是玩具，但是這樣的機器人玩具無疑是市場上最吸引人眼球的。近年來，全球商業(yè)性娛樂機器人正以每年35%的驚人速度遞增。</p><p>　　在娛樂機器人方面，有“機器人王國”之稱的日本走在了研發(fā)的前沿，它是寵物機器人的發(fā)源地，也是世界上第一臺類人娛樂機器人的產(chǎn)地。</p><p>　　日本萬代公司試制出的家用娛樂機器人“BN一7”，能識別出談話對象是誰并能借助各種手勢和語音方式與人交談。

20、高興時，它的面頰會變紅，不知所措時，“BN一7”還具有“感情表達”功它的臉色會變藍。在聲音識別功能方面，"BN-7”能聽懂100個單詞，與預先輸入的1000個單詞組合，它最多能用65000種詞句回答問題。</p><p>　　豐田公司也開發(fā)了一種娛樂機器人，吹奏喇叭是它的特長，它的人造嘴唇能夠改變與喇叭的接觸位置，模擬人吹喇叭的氣流。由金屬和塑料制成的手則按動著喇叭的音栓，一邊演奏曲子，它閃閃發(fā)亮的身體

21、還一邊隨著音樂擺動。當一曲終了，機器人還會向聽眾鞠躬并握手致意。</p><p>　　2003年12月，索尼公司開發(fā)出世界上第一個會跑的機器人Qrio，其跑步速度達到每分鐘約13. 7米并能夠做流暢的舞蹈動作娛樂觀眾；在手指的控制能力上，Qrio能夠象棒球手一樣將棒球拋出約3-4米的距離，并且能在跳舞的時候手中握有扇子。除了能夠行走、跳舞，它還能完成以往機器人無法實現(xiàn)的動作，比如指揮一場小型交響音樂會。Qrio的

22、重大技術突破在于能夠雙腳同時離地穩(wěn)定前進，而目前其他的所有仿人機器人都必須隨時有一只腳與地面接觸才能穩(wěn)定移動，無疑，Qrio的研制成功將是機器人發(fā)展史上的一大步[2]。</p><p>　　圖1.1 SONY的Qrio</p><p>　　2005年1月，日本產(chǎn)業(yè)技術研究所開發(fā)的名為HRP-2雙足擬人機器人亮相東京。其研究人員利用特殊攝像機將藝術家跳舞的畫面輸入電腦，并對頭、手等32個部位

23、的動作進行解析，然后將解析后的數(shù)據(jù)輸入給機器人，利用這些數(shù)據(jù)控制機器人手的動作和腳步，從而使HRP-2的動作可以和人一樣連貫，實現(xiàn)機器人的翩翩起舞。</p><p>　　圖1.2 日本的HRP-2機器人</p><p>　　除了日本以外，歐美等主要國家很多公司和研究所也對娛樂機器人進行了大量的研究工作，并己經(jīng)制造出相應的娛樂機器人產(chǎn)品投放市場。 </p><p>　

24、　美國WowWee公司開發(fā)的機器人Robosapien，是美國市場上最暢銷的娛樂機器人。它身高14英寸，全身有多個高度靈活的關節(jié)，手指可以開合抓取物品，通過預先設定好的程序，能夠做出67種復雜的動作，包括投擲、武術、舞蹈、閑逛等等。加拿大DR. Robot公司開發(fā)的DR. Robot人型機器人，身高60cm，既可以用于娛樂目的也可以作為家庭服務機器人。美國Utah州Sarcos公司開發(fā)了一款真人大小的娛樂型類人機器人。韓國的SEGA公司

25、制造出一對老鼠形狀的“數(shù)字機器人“，這種機器人能生長并具有個性，甚至可以與異性約會。人們可以從網(wǎng)上下載有關軟件來調(diào)動機器人的行為，如讓它唱歌、玩游戲、與主人表示友好等。</p><p>　　1.1.2國內(nèi)發(fā)展狀況</p><p>　　隨著世界機器人技術的發(fā)展和市場的形成，我國在機器人科學研究、技術開發(fā)和應用工程等方面取得了可喜的進步。我國的機器人研究開始于70年代，但由于基礎條件薄弱、關鍵

26、技術與部件不配套、市場應用不足等種種原因，未能形成真正的產(chǎn)品。80年代中期，在國家科技攻關項目的支持下，我國機器人研究開發(fā)進入了一個新階段，形成了機器人發(fā)展的一次高潮。從80年代末到90年代，國家863計劃把機器人列為自動化領域的重要研究課題，系統(tǒng)地開展了機器人基礎科學、關鍵技術與機器人元部件、目標產(chǎn)品、先進機器人系統(tǒng)集成技術的研究及機器人在自動化工程上的應用。目前像中科院沈陽自動化所、北京自動化所、哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、清

27、華大學等一些單位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，比較有代表性的研究有工業(yè)機器人、水下機器人、空間機器人，都在國際上處于領先水平[3]。然而，總體上我國與發(fā)達國家相比，還存在很大的差距，主要表現(xiàn)在，在機器人的產(chǎn)業(yè)化方面，目前還沒有固定的成熟的產(chǎn)品。當前，我國機器人面對兩大任務:1、機器人研究與開發(fā)如何更好地為國民經(jīng)濟服務，并在實踐中不斷提高;2、機器人如何走向產(chǎn)業(yè)化并參與國際競爭。</p><p>　

28、　圖1.3 中國自主研發(fā)的迎賓機器人</p><p>　　1.2 機器人技術的前景展望</p><p>　　機器人是人類的得力助手，能友好相處的可靠朋友，將來我們會看到人和機器人會存在一個空間里邊，成為一個互相的助手和朋友。機器人不會產(chǎn)生飯碗的問題，我們相信不會出現(xiàn)“機器人上崗，工人下崗”的局面，因為人們隨著社會的發(fā)展，實際上把人們從繁重的體力和危險的環(huán)境中解放出來，使人們有更好的崗位去工

29、作，去創(chuàng)造更好的精神財富和文化財富，機器人來做這些危險環(huán)境的工作，展望21世紀機器人將是一個與20世紀計算機的普及一樣，會深入地應用到各個領域，所以很多專家預測，在21世紀的前20年是機器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機器人發(fā)展的一個關鍵時期，目前國際上很多國家，也對機器人對人類社會的影響的估計提出了新的認識，同時，我們也可以看到機器人技術，涉及到多個學科，機械、電工、自動控制、計算機測量、人工智能、傳感技術等等，它

30、是一個國家高技術實力的一個重要標準[4]。</p><p>　　1.3 CAXA實體設計2013</p><p>　　CAXA實體設計是一種基于創(chuàng)新設計的三維設計軟件。它以智能圖素為主體，通過添加、拖放智能圖素，可以高效快速的完成產(chǎn)品的設計。它還具有的智能渲染和智能動畫功能，通過智能渲染可使產(chǎn)品以電子樣機的形式完美的展現(xiàn)在客戶面前，通過智能動畫可將產(chǎn)品的現(xiàn)場工作過程演示給客戶?？焖偻昝赖姆?/p>

31、案使得與客戶的交流更直接、更容易，在招標等場合能為中標增加籌碼。</p><p>　　CAXA實體設計在設計方法上更加貼近設計人員的設計思路，它可以將設計人員的模糊或不成熟的想法在三維環(huán)境下直接、快速的表達出來，然后再按自己的思路做動態(tài)修改(通過智能圖素的添加、拖放來實現(xiàn))，最終形成產(chǎn)品[5]。這應該是它與其它一些三維設計軟件(如solidworks)最大的區(qū)別，也應該是較之其它軟件最大的優(yōu)勢。而其它三維軟件要求

32、設計人員必須在頭腦里先有一個清晰的產(chǎn)品模型，然后從二維草圖開始，按部就班的進行拉仲、旋轉(zhuǎn)、掃描或放樣等特征形成實體，如此依次添加零件，形成最后產(chǎn)品。</p><p>　　圖1.4 CAXA實體設計2013</p><p>　　CAXA實體設計2013主要有一以下八大功能:</p><p>　　(1)雙模式設計方式:</p><p>　　打破傳

33、統(tǒng)3D軟件單一設計思想的制約，是唯一既支持協(xié)同創(chuàng)新設計，又支持工程設計(參數(shù)化設計)的三維CAD軟系統(tǒng)。創(chuàng)新模式可大幅提高新產(chǎn)品開發(fā)過程的設計效率，工程模式符合其他主流3D軟件的操作習慣和設計思想，更加方便設計修改。</p><p>　　(2 )3D與2D集成:無縫集成</p><p>　　CAXA電子圖板作為2D設計環(huán)境，在三維設計環(huán)境中可直接讀取工程圖數(shù)據(jù)，并在其中使用、創(chuàng)建、編輯和維

34、護現(xiàn)有的DWG/DXF/EXB等數(shù)據(jù)文件，用戶不再需要獨立的二維CAD.</p><p><b>　　(3)數(shù)據(jù)兼容:</b></p><p>　　業(yè)內(nèi)領先的數(shù)據(jù)交換能力，兼容各種主流的3D軟件，支ICES/STEP/STL/3DS/VRML等多種常用中間格式的轉(zhuǎn)換，特別支持DXF/DWG、Pro/E、CATIA、UG、SolidWorks, Inventor等系

35、統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)文件，并能實現(xiàn)特征識別、編輯、修改和裝配。</p><p><b>　　(4)三維球工具:</b></p><p>　　三維球和包圍盒是CAXA實體設計特有的工具。運用三維球可實現(xiàn)零部件及特征的空間定位、旋轉(zhuǎn)、移動、復制、鏈接及生成直線風格，三維球的操作很方便，也很簡單，它可以實現(xiàn)精確的定位和其他操作。編輯包圍盒可以實現(xiàn)特征的修改。編輯包圍盒時通過修改不同

36、方向上的操作柄可以實現(xiàn)所要求方向上的修改。掌握好三維球技術和包圍盒的編輯方法會對設計有很大幫助。</p><p>　　(5)拖放式操作及智能手柄:</p><p>　　直接用鼠標拖動設計元素進行設計操作，通過對點、線、面等特征的智能捕捉，實現(xiàn)對特征尺寸、輪廓形狀和獨立表面位置的動態(tài)、精確、直觀操作。</p><p>　　CAXA實體設計的目錄式設計元素庫使設計很快捷

37、。設計人員可以很方便的從屏幕右側的庫中將想要添加的元素拖放到設計環(huán)境中。用戶可以建立自己的設計元素庫，將自己的圖素速和零部件保存到新的設計元素中，以便于以后的調(diào)用；SolidWorks有一個樣本庫與此類似，可以將樣本庫中的元素加到裝配環(huán)境中。</p><p>　?。?)標準件圖庫及系列件變型設計機制:</p><p>　　提供了豐富的符合新國標的零件庫，鼠標拖放參數(shù)驅(qū)動圖素即可快速得到緊固

38、件、軸承、齒輪、彈簧等標準件工具。提供了強大的螺釘、螺母、螺栓墊圈等緊固件和型鋼等國標零件庫，并能通過參數(shù)化與系列件變型設計機制，輕松地進行系列件參數(shù)化設計。</p><p>　　(7)設計重用方式:</p><p>　　知識重用設計庫可將設計完成的零件/裝配特征裝人自建的零件庫中，重復使用時可直接從庫中調(diào)用。支持在線設計完成的零件及裝配特征上設定除料特性加入庫中，當從庫中借用時，這個除料

39、的特性將能夠應用到零件及裝配體上。</p><p>　　CAXA實體設計的裝配設計與零件設計是一個設計環(huán)境下完成，可以自由組合、解散裝配體。其裝配分為無約束裝配和約束裝配，無約束裝配可快速定位零件，并且可以根據(jù)設計意圖修改、解除、改變裝配。約束裝配可保留配合關系[6]。其裝配設計比較快速、自由，動態(tài)修改方便(尤其是將一個零件調(diào)整到另一個裝配體時更為方便)。</p><p>　　SolidW

40、orks裝配設計在單獨的裝配設計環(huán)境下完成，裝配體的改變比較需在其單獨裝配環(huán)境下。如果將一個零件調(diào)整到另一個零件比較麻煩[7]。如果出現(xiàn)配合沖突，往往牽連到許多配合關系，沖突配合的查找和修改很不方便。由此可見，CAXA在裝配設計方面較之SolidWorks有很大優(yōu)勢。另外，CAXA在添加螺栓聯(lián)結時很方便，找到需要添加的點，可以直接將螺栓、墊圈、螺母作為一個裝配體加到適當?shù)奈恢?。而WolidWorks標準件的添加則需要依次添加配合關系。&

41、lt;/p><p>　　(8)專業(yè)級3D渲染功能:</p><p>　　CAXA通過智能渲染和智能動畫工具，可以作出具有相當水平的渲染效果和演示動畫。WolidWorks的渲染功能也不錯，但動畫處理功能差了些。而這些在新產(chǎn)品的設計 ,模擬演示及與客戶的直接溝通時非常有用。尤其是與客戶交流時，最直接的動態(tài)效果顯示，不僅可消除與客戶溝通上的障礙，井可增強客戶對產(chǎn)品設計能力的信心。 CAXA動畫制作

42、也很簡單，將動畫設計元素中動作加到相應的零部件上，通過智能動畫編輯器設置其動畫屬性，可以很容易的完成動畫效果。</p><p>　　1.4舞蹈機器人設計的內(nèi)容和要求</p><p>　　1.4.1 舞蹈機器人設計的內(nèi)容</p><p>　　隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機器人技術已廣泛應用于人類社會生活的各個領域，特別是舞蹈機器人具有人類外觀特征、可愛的外貌、又兼有技術含量，

43、極受青少年的喜愛。本課題要求設計一具有簡單人體功能的、模擬舞蹈動作的類人型機器人，完成簡單人體舞蹈的基本動作：可以前進后退，左右側行，左右轉(zhuǎn)彎和前后擺動手臂，舉手投足、轉(zhuǎn)圈、頭部動作靈活。</p><p><b>　　具體任務：</b></p><p>　　1、深入了解類人型機器人的功能及工作要求，查找與課題有關的文獻資料及參考書目；</p><p

44、>　　2、學習掌握機構創(chuàng)新設計的基本知識和設計方法，了解控制對象舞蹈機器人的工作原理、動作過程，進行簡單舞蹈動作及相應機構設計；</p><p>　　3、根據(jù)機器人構成、工作原理、主要特點和技術指標，分析比較，加以論證；</p><p>　　4、應用CAXA實體設計2013制作舞蹈機器人模型，完成各種運動、動作模擬。</p><p>　　1.4.2舞蹈機器人設

45、計的數(shù)據(jù)和要求</p><p>　　1、機器人身高120~170㎝，表演時機器人隨音樂做動作，動作協(xié)調(diào)、靈活；</p><p>　　2、表演各種舞蹈的基本動作，具體動作可自行設計。涵蓋行進、舉手投足、頭部等動作；</p><p>　　3、整套動作持續(xù)4分鐘左右；</p><p>　　4、機器人結構緊湊、體積小，重量輕；</p>

46、<p>　　5、靈活的多功能機器手臂：活動空間大，可360度旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　1.4.3舞蹈機器人機構設計難點</p><p>　　通過以上舞蹈機器人的概述，要設計能夠模擬人的運動步態(tài)的舞蹈機器人，從結構特點上具有一下的技術難點:</p><p>　　1.結構上多自由度設計：雙足機器人是一個多自由度機構，特別是腿</p><p

47、>　　部和上肢的自由度數(shù)直接決定了舞蹈機器人步態(tài)的靈活性，所以要求設計較多的自由度數(shù)。但為了結構上擬人以及控制簡便，要求設計多個自由度的旋轉(zhuǎn)軸線為十字交叉型，這在設計上有一定的難度;</p><p>　　2.設計體積小和重量輕的機器人關節(jié)：將舞蹈機器人設計成類似人的外型，則必須要求機器人的關節(jié)像人的關節(jié)一樣體積小重量輕，這樣從外形結構上實現(xiàn)仿人機器人，在這個設計上也有一定的難度;</p>&l

48、t;p>　　3.設計驅(qū)動能力大的關節(jié)驅(qū)動裝置：在保證關節(jié)體積小和重量輕的要求下，設計驅(qū)動能力較大的關節(jié)驅(qū)動裝置，在這個設計上也有一定的難度。</p><p>　　2舞蹈機器人的總體方案設計</p><p>　　我們對整體機構進行了由主到次的具體設計，其中包括下體承載平臺即下肢機構設計、軀干機構設計、上肢機構設計、手部機構設計、頭頸機構設計，下面對這些工作進行具體的說明。</p&

49、gt;<p><b>　　2.1下肢機構設計</b></p><p>　　下肢關節(jié)軸系結構設計，一般考慮的主要因素包括三個方面，其一是軸系最大驅(qū)動力矩要求，其二是軸系的結構強度和運動速度要求，其二是軸系的重量限制。在本設計中，下肢軸系一方面需要提供足夠的力矩和結構強度才能實現(xiàn)對本身和上體的承載，另一方面要達到足夠的運動速度才能使機器人整體步行速度達到項目指標的要求。因此，對下肢

50、關節(jié)軸系，上述三個因素需要并重考慮，即在保證所需強度、驅(qū)動力矩、運動速度下，在重量、結構和尺寸上進行優(yōu)化。在整個下肢的結構設計中，我們擯棄了以往的直齒平移或斜齒傳動的模式，使用關節(jié)串行鏈接，使得多軸關節(jié)完全正交，其中包括腳踝部的前向與側向關節(jié)完全正交，髖部的前向、側向、轉(zhuǎn)動三個關節(jié)完全正交[8]。</p><p><b>　　圖2.1大腿</b></p><p>&l

51、t;b>　　圖2.2小腿</b></p><p><b>　　圖2.3腳軸</b></p><p><b>　　圖2.4腳</b></p><p><b>　　圖2.5腿1</b></p><p><b>　　圖2.6腿2</b><

52、/p><p><b>　　2.2軀干機構設計</b></p><p>　　軀干在仿人機器人中不僅僅起到連接下肢、上肢和頭頸部分的作用，而且要為機載安裝設備提供安裝空間。在本設計中上肢部分的大功率軸系、上肢底層功率驅(qū)動器、語音識別控制器、無線遙控監(jiān)控器以及鉀離子電池組等都需要安裝在機器人軀干部分，因此我們以板筋為材料，將軀干設計為一個中空的腔體，內(nèi)部設計有支撐板，一方而保證

53、腔體的結構強度，另一方而提供上述機載設備的安裝構架，同時為了機載設備的維護更換方便，我們將軀干外圍板筋設計成為各方可以自由裝卸的組合形式。 腰部運動主要有2個自由度，一個是彎腰，一個是轉(zhuǎn)腰，彎腰的運動范圍是0°~ 30°，轉(zhuǎn)腰的運動范圍是±45°,腰部自由度的實現(xiàn)都是由直流電機驅(qū)動。</p><p><b>　　圖2.7胸腔</b></p>

54、<p><b>　　圖2.8軀干機構</b></p><p><b>　　2.3上肢機構設計</b></p><p>　　人體的上肢大致可分為腰關節(jié)、頸關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)五大部分，另外我們十個多關節(jié)的手指還可以獨立地自由運動。人的關節(jié)運動主要和骨骼、韌帶、肌肉等相關。研究表明，人類上肢體至少有著300多個運動自由度。如此復

55、雜的運動系統(tǒng)用機械結構去模擬是不可能的，同時也是沒有必要的。因此可以抓住主要關節(jié)的運動規(guī)律來進行舞蹈機器人的結構設計。</p><p>　　手臂有著復雜結構，但大致可分為肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)3個關節(jié)7個自由度。其中，肩關節(jié)具有兩個方向上的轉(zhuǎn)動自由度;肘關節(jié)除了伸展外，通過尺骨和橈骨的聯(lián)合運動，還可以完成小臂的旋轉(zhuǎn)，因此可認為有兩個自由度;腕關節(jié)除俯仰運動外，還可以做小范圍內(nèi)的搖擺運動。</p>&

56、lt;p>　　人類有著一雙靈巧的手，十個指頭可以單獨運動，除拇指是兩個關節(jié)外，每個指頭都是三個關節(jié)，并且指根關節(jié)有點類似十球鉸，從而使得整個手指運動空間較大，運動也非常靈活。</p><p>　　整個簡易仿人手爪的設計是根據(jù)人類手的結構、功能，采用了四個手指和一個大拇指相配合的結構，關節(jié)之間以鋼絲拉動作為肌健，每一個手指分別由一個獨立的電機控制，來完成抓、握、捏以及其它各種較為復雜的動作。</p>

57、;<p>　　上肢機構設計主要考慮滿足各運動自由度的要求及機載系統(tǒng)的安裝要求。在上肢的設計中，為盡可能減少負載，肩關節(jié)2個自由度采用機電驅(qū)動模塊直接驅(qū)動關節(jié)運動，其余4個關節(jié)均采用大功率一體化數(shù)控電機直接控制關節(jié)運動(大臂滾動、肘關、小臂滾動）。上肢這種設計在保證機構運動功能要求的前提下，大大減輕了機構重量，減少了控制系統(tǒng)的復雜性。</p><p>　　由于上肢零件諸多，下面我們以左手臂為例，做出上

58、肢的仿真效果。</p><p><b>　　圖2.9左上臂</b></p><p><b>　　圖2.10左小臂</b></p><p><b>　　圖2.11手掌</b></p><p><b>　　圖2.12手臂</b></p><

59、p><b>　　圖2.13軟管</b></p><p><b>　　圖2.14上肢</b></p><p><b>　　2.4頭頸機構設計</b></p><p>　　在本設計中，我們擬定頭頸兩個自由度:轉(zhuǎn)動和俯仰。為了減輕頭部的重量，我們對這兩個軸系直接采用功率適當?shù)囊惑w化舵機輔以板筋機構件來

60、實現(xiàn)。</p><p><b>　　圖2.15臉部</b></p><p><b>　　圖2.16頭部</b></p><p><b>　　圖2.17頭頸機構</b></p><p><b>　　2.6機構設計結果</b></p><p

61、>　　機器人外形示意如圖整體身高155cm，機構共具有36個自由度:其中下肢12個自由度，每條腿包括3個前向自由度、2個側向自由度和1個轉(zhuǎn)彎自由度;上肢共12個自由度，其中每條手臂包括肩關節(jié)前向、側向及大臂滾動3個自由度、肘關節(jié)前向、小臂滾動和手腕各1個自由度;頭頸部側向轉(zhuǎn)動和俯仰各1個自由度;雙手共10個自由度，每只手各有5根手指;在機器人頭部和四肢設計有分布安裝空間，可分布機載機器人的電氣功能模塊;在機器人胸腹，設計有電源和控

62、制系統(tǒng)的機載化安裝空間，可充分滿足舞蹈機器人完全機載化的要求。</p><p><b>　　圖2.18整體效果</b></p><p><b>　　圖2.19側面效果</b></p><p><b>　　3 材料與型材選擇</b></p><p>　　機器人制作前，必須選擇用于

63、機器人本體的主要結構材料。在進行機器人制作時，特別要確定它自身的大小、輕重等，這就需要選擇合適的材料來滿足要求。對機器人本體材料選擇，不僅僅有助于確定它的強度、重量、尺寸，而且確定了整體結構的難度水平、可能需要的特殊工具以及達到可接受結果所需要的技術水平。因此在選擇材料時，一般是根據(jù)機器人以下原則進行挑選：</p><p>　?。?） 零部件的形狀、大小有何要求</p><p>　?。?

64、） 零部件需要多大的強度；</p><p>　　（3） 要選擇多大重量的零部件</p><p>　　下表列出機器人結構中使用的材料，比較它們的優(yōu)缺點。</p><p>　　表1 結構材料優(yōu)缺點比較</p><p>　　根據(jù)以上分析：選擇機器人的本體材料，應該從機器人的性能要求出發(fā)，滿足機器人的設計和制作要求，所以應在充分掌握機器人特性

65、和各組成部分的基礎上，從設計思想出發(fā)。機器人本體是被用來支承、連接、固定機器人的各部分，也包括機器人的運動部分。伴舞機器人臂部是運動的，其整體也是運動的，所以，機器人運動部分的材料質(zhì)量要輕。伴舞機器人的結構設計成左右對稱，高度適當，上下半身比例協(xié)調(diào)，確保結構緊湊。關節(jié)連接件的設計合適，既要保證機器人行動起來靈活自如，動作順滑平穩(wěn)，又要具有一定的承受負載能力。所以選用了密度較小的鋁制作，因為鋁易于加工，質(zhì)量又輕，不會增加機器人的承載負擔。

66、</p><p>　　伴舞機器人是仿人機器人，材料截面對構件質(zhì)量和剛度施加重要的影響，因此通過合理選擇構件的截面可以較好地滿足機器人的使用要求，如空心圓截面，空心矩形截面，工字截面等。</p><p>　　若空心矩形截面是邊長為a，壁厚為t的正方形，空心圓截面的外圓直徑也為a，壁厚也為t，且令t＝0.2a，通過計算可以得出，在相同壁厚的條件下，正方形空心截面比空心圓截面的慣性矩高69％～8

67、4％，而質(zhì)量僅增加27％。壁厚越薄，則效果越明顯。 若比較條件改為空心矩形截面和空心圓截面型材的截面相等，且D0＝a，設空心圓截面壁厚tD＝0.2a，可以計算出正方形空心截面的壁厚為tF＝0.147a。此時，正方形空心截面比空心圓截面的剛度提高了40％～60％。因此無論從何角度來衡量，空心矩形截面都比空心圓截面的剛性優(yōu)越。從設計，裝配的角度來看，矩形截面也有一定方便之處。但是為了舞蹈機器人的娛樂性能，空心圓截面可以使機器人看起來更加的美

68、觀。</p><p>　　綜上所述，機器人結構設計為空心圓截面，由鋁材加工而成。其基本框架是使用連接件和角撐支架來搭建的。而常見的機器人聯(lián)接結構有扣接零件、膠接、膠帶、鉚接、焊接等，下面通過表格逐一比較各種結構技術的應用，從而確定最后方案。</p><p>　　表 2 機器人常用聯(lián)接結構</p><p>　　伴舞機器人負載小，自重輕，對壽命要求不高，因此除特別講究

69、強度、剛度以及抗摩擦磨損性的機構，機械連接上，應使機器人具有較好的堅固性，在機器人做舞蹈動作或行進過程中，各種接插件不能松動、脫落，滿足合適的控制方案，所以選擇鉚接方式。</p><p><b>　　4運動仿真效果</b></p><p>　　舞蹈最顯著的特征是步調(diào)、節(jié)奏和動作幅度，反映在機器人上就應該控制機器人的各個關節(jié)的的電機轉(zhuǎn)動快慢、時間和角度。要使機器人跳出讓

70、觀眾賞心悅目的舞蹈，就應該很好的編排舞蹈動作，充分利用機器人的特點來展現(xiàn)其動作之美。在本設計中我們將在CAXA實體設計2013里直接設計出動作。</p><p><b>　　圖4.1動作1</b></p><p><b>　　圖4.2動作2</b></p><p><b>　　結 論</b></

71、p><p>　　機器人學已經(jīng)發(fā)展成為一門綜合運用機械、電氣、計算機、產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)等多種工程學科基礎知識和創(chuàng)造能力的舉足輕重的學科。無需夸張其特殊地位，機器人學也不愧為引人入勝、前途無量的研究領域。機器人設計是對各項科學技術的綜合運用。在長達十周的機器人機械設計及制作過程中，我深刻體會到科技技術的無窮魅力，在浩瀚的知識中遨游才感覺自己的才疏學淺。通過對以往的各相關學科的資料的閱覽，加上平時在日常生活中對一些機械機構的經(jīng)

72、驗以及自己一些有創(chuàng)造性的機械設計理念，完成了實物制作。</p><p>　　“掌握信息，實事求是，實踐中創(chuàng)新”，這是我在這次畢業(yè)設計的體會。作為一名設計者，首要目的就是要清楚設計的任務是什么，有什么樣的信息資料作為設計背景，是否有參照，只有充分掌握這些信息，才能有的放矢，達到設計目的。作為工程技術類的設計不僅是理論上的論證而且應當考慮實際的條件能否達到設計要求?？罩性鞓情w只是彩泡，絢麗卻不實用。在零件加工裝配過程

73、中，有的問題在設計中沒有預期到的，如何去處理？返工重來？成本？工期？能否成功？一串問題會出現(xiàn)。當我轉(zhuǎn)換模式，局部改動設計，經(jīng)過分析計算，在不改變部件功能的情況下，局部修改尺寸或添加輔助零件有時能獲得更好的效果。我想這也是創(chuàng)新，不拘泥。</p><p>　　在機器人的制作過程中，幾乎所有的東西從頭來過，從方案論證到具體實施，經(jīng)驗是我們本科生最稀缺的資源。有些設計上，所以采取了降低了理論高度，采取簡單易行的方案，量體

74、裁衣來實現(xiàn)任務。由于是仿真設計，但我在設計的過程中考慮最多的是實際制造的問題，因此在設計理念上受到了諸多的限制。同時自身的知識和經(jīng)驗儲備不足，無法將自己的設計理念完全體現(xiàn)在設計效果上。但是正是這些諸多的因素是我懂得了，作為一名設計者如何去做設計，如何來實現(xiàn)設計要求。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 蔡自興.21 世紀機器人技術

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80、設計與控制[J].信陽師范學院學報(自然科學版).2002. 15 (4):456—459</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在此論文撰寫過程中，要特別感謝我的導師田靜老師的指導與督促，同時感謝她的諒解與包容。沒有田老師的幫助我也不能順利的完成設計的制作。求學歷程是艱苦的，但又是快樂的。感謝我的班主任張煥梅老師，謝謝她在這四年中為我們?nèi)?/p>