分类号： 密级： U D C: 编号： 工学硕士学位论文 多足仿生机器蟹结构设计及实验研究 硕士研究生：李林 指导教师：王立权教授 学位级别：工学硕士 学科、专业：机械电子工程 所在单位：机电工程学院 论文提交日期：2009年12月 论文答辩日期：2010年3月 学位授予单位：哈尔滨工程大学
分类号： U D C： 工学硕士学位论文 密级： 编号： 多足仿生机器蟹结构设计及实验研究 硕士研究生： 指导教师 ： 学位级别 ： 学科、专业 ： 所在单位 ： 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予单位： 李 林 王立权教授 工学硕士 机械电子工程 机电工程学院 2009年12月 2010年3月 哈尔滨工程大学
Y1808414 Classified Index: U.D.C: A Dissertation for the Degree of M.Eng The Structure Design and Experimental Study of the Multi-legged Bionic Crab-liked Robot Candidate:Li Lin Supervisor:Prof.Wang Liquan Academic Degree Applied for:Master of Engineering Speciality:Mechatronic Engineering Date of Submission:December,2009 Date of Oral Examination:March,2010 University:Harbin Engineering University
‘ r。★ Classified Index： U．D．C： lIII 1[11 1 111 1 111 1 11 11l Y1 80841 4 A Dissertation for the Degree of M．Eng The Structure Design and Experimental Study of the Multi··legged Bionic Crab．．1iked Robot Candidate：Li Lin Supervisor：Prof．Wang Liquan Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Mechatronic Engineering Date of Submission：December,2009 Date of Oral Examination：March，20 1 0 University：Harbin Engineering University ●，卜 厂
哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者（签字）：李林 日期： 20年3月5日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔 滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关 数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文（☑在授予学位后即可口在授予学位12个月后 口解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者（签字）：李林 导师（签字）：乃心人 日期：年3月5日 0年3月15后
l 卜 ，． 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者(签字)：爹林 日期： 如lD年3月J5日 哈尔滨工程大学 、’ 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔 滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关 数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 ， 编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后 。 结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 气 为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文(囱在授予学位后即可 口在授予学位12个月后 口解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者(签字)：李林 日期： 幺18年3月灯日 导师(签字)：衫∥二／么j 肋年3月J明r
哈尔滨T程大学硕士学位论文 摘要 本课题是来源于国家自然科学基金项目“多足仿生机器蟹复杂地貌行走 4 方法研究”来开展的。该项目的研究目标是设计一种新型仿生机器蟹结构， 使设计完成的机器人可以通过一段与其结构尺寸相类似的自然生物可以通过 而轮式和履带车辆难以通过的复杂道路，同时保持与自然生物相类似的步行 效率和步行速度。 首先通过对国内外各种仿生腿式机器人研究情况进行分析，研究了仿生 腿式机器人的发展趋势及将来要突破的关键技术，在以前研制的前五型两栖 仿生机器蟹的基础上，提出了一种新型仿生机器蟹设计方案，设计的模块化 驱动关节传动效率和输出扭矩得到了大幅提高：设计的新型步行足结构使机 器人的轻动性、灵活性等性能指标最优化：同时为了有效地减小机器人在非 结构环境中高速动态行走时关节受到的冲击力，设计了一种新型弹性驱动关 节，实现了结构仿生的目标。 。 通过对两栖仿生机器蟹作业任务进行分析，确定了复合作业机械手的作 业功能需求，并设计了具有两栖作业功能的机械手爪，该手爪可以针对不同 的作业任务快速更换模块化作业工具，最后通过对机械手手指抓取误差进行 分析，优化设计了手爪尺寸，实现了两栖仿生机器蟹功能仿生的目的。 为了验证仿生机器蟹结构设计的合理性，利用基于ADAMS的虚拟样机 仿真技术建立的虚拟样机模型，对机器人的进行了平地横向行走和复杂地貌 的越障和爬坡实验，验证了新型仿生机器蟹结构设计的合理性，仿真实验为我 们物理样机的研制提供了有力的参考。 最后为了验证机器人系统的综合性能，设计完成了步行足落地力觉反射 实验、驱动关节传动间隙对机器人位置控制的影响实验、机器人直线行走和 爬坡性能实验等，通过上述实验完成了对机器人的机械性能、传感器性能以 及控制系统的合理性等的测试。 关键词：仿生机器蟹：结构设计：作业机械手：ADAMS仿真；性能实验
●一 ， 哈尔滨T程大学硕士学位论文 摘 要 本课题是来源于国家自然科学基金项目“多足仿生机器蟹复杂地貌行走 方法研究”来开展的。该项目的研究目标是设计一种新型仿生机器蟹结构， 使设计完成的机器人可以通过一段与其结构尺寸相类似的自然生物可以通过 而轮式和履带车辆难以通过的复杂道路，同时保持与自然生物相类似的步行 效率和步行速度。 首先通过对国内外各种仿生腿式机器人研究情况进行分析，研究了仿生 腿式机器人的发展趋势及将来要突破的关键技术，在以前研制的前五型两栖 仿生机器蟹的基础上，提出了一种新型仿生机器蟹设计方案，设计的模块化 驱动关节传动效率和输出扭矩得到了大幅提高；设计的新型步行足结构使机 器人的轻动性、灵活性等性能指标最优化；同时为了有效地减小机器人在非 结构环境中高速动态行走时关节受到的冲击力，设计了一种新型弹性驱动关 节，实现了结构仿生的目标。 ’ 通过对两栖仿生机器蟹作业任务进行分析，确定了复合作业机械手的作 业功能需求，并设计了具有两栖作业功能的机械手爪，该手爪可以针对不同 的作业任务快速更换模块化作业工具，最后通过对机械手手指抓取误差进行 分析，优化设计了手爪尺寸，实现了两栖仿生机器蟹功能仿生的目的。 为了验证仿生机器蟹结构设计的合理性，利用基于ADAMS的虚拟样机 仿真技术建立的虚拟样机模型，对机器人的进行了平地横向行走和复杂地貌 的越障和爬坡实验，验证了新型仿生机器蟹结构设计的合理性，仿真实验为我 们物理样机的研制提供了有力的参考。 最后为了验证机器人系统的综合性能，设计完成了步行足落地力觉反射 实验、驱动关节传动间隙对机器人位置控制的影响实验、机器人直线行走和 爬坡性能实验等，通过上述实验完成了对机器人的机械性能、传感器性能以 及控制系统的合理性等的测试。 关键词：仿生机器蟹；结构设计；作业机械手；ADAMS仿真；性能实验
哈尔滨工程大学硕十学位论文 Abstract The research is supported by project of "Research on the Multi-legged 4 Bionic Crab-liked Robot's Walking Method of the Complex Topography"which is funded by NSFC(National Natural Seience Foundation of China).The project's objective is to design a new type of bionic crab-liked robot.The robot can get through the complex road which is easy for the similar structure size natural biological to overpass,but difficult for the wheeled and tracked vehicles.At the same time,the robot should maintain the walking efficiency and speed which is similar to the natural biological. First,through the analysis of a variety of research on the bionic legged robots at home and abroad,we made a research on the bionic legged robot' development trends and the key technologies that should be overcomed in the future.Based on the previous five amphibious bionic crab-liked robot,a new type of bionic crab-liked robot had beed designed.The design of the modular drive transmission joints improved the robot's efficiency and output torque greatly The structure of the new leg optimizes the robot's briskness performance and flexibility.In order to reduce impact force effectively when the robot walks on the unstructured environment at high speed,a new type of flexible-driven joints was designed.The whole design achieve the goal of structural biomimetic. Through the analysis of the bionic crab-liked robot's tasks,the functional requirements of the composite manipulator were determined.The manipulator which can work under the water was designed.The gripper of the manipulator can be in quick-change modular operating tools for different tasks.Finally,through the analysis on the grabbing error of robot finger,the gripper size was optimized. The manipulator realized the function of bionic bionics crab purposes. In order to verify whether the bionic crab-legged robot's structural design is reasonable,a virtual prototype model was built,which is based on the software "ADAMS".The experiments which include the robot walk on flat floor,get through the obstacles and climb the designed slope have been done.The
I ＼● ，． 哈尔滨工程大学硕十学位论文 Abstract The research is supported by proj ect of“Research on the Multi·legged Bionic Crab-liked Robot’S Walking Method of the Complex Topography'’which is funded by NSFC(National Natural Seience Foundation of China)．The project’s objective is tO design a new type of bionic crab—liked robot．The robot can get through the complex road which is easy for the similar structure size natural biological to overpass，but difficult for the wheeled and tracked vehicles．At the same time，the robot should maintain the walking efficiency and speed which is similar to the natural biological． First，through the analysis of a variety of research on the bionic legged robots at home and abroad，we made a research on the bionic legged robot’ development trends and the key technologies that should be overcomed in the future．Based on the previous five amphibious bionic crab-liked robot，a new type of bionic crab-liked robot had beed designed．The design of the modular drive transmission joints improved the robot’S efficiency and output torque greatly The structure of the new leg optimizes the robot’S briskness performance and flexibility．In order to reduce impact force effectively when the robot walks on the unstructured environment at high speed，a new type of flexible—driven joints Was designed．The whole design achieve the goal of structural biomimetic． Through the analysis of the bionic crab-liked robot’S tasks，the functional requirements of the composite manipulator were determined．The manipulator ■ which can work under the water was designed．The gripper of the manipulator Can ，一l be in quick—change modular operating tools for different tasks．Finally,through the analysis on the grabbing error of robot finger,the gripper size was optimized． The manipulator realized the function of bionic bionics crab purposes． In order to verify whether the bionic crab-l egged robot’S structural design is reasonable，a virtual prototype model Was built，which is based on the software “ADAMS”．The experiments which include the robot walk on flat floor,get through the obstacles and climb the designed slope have been done．The
哈尔滨工程大学硕士学位论文 experiments validated the rationality of the new type of bionic crab-legged robot's structural design.The simulation of the physical prototype provide a strong reference for the robot's structural design. 是 Finally in order to verify the integrated performance of robotic systems,four experiments are designed,which include the feet's force reflective experiment,the experiment about the influence of drive joint's transmission gap to the robot's position control,the robot's straight-line walking and climbing performance test. Through the above experiments,the mechanical properties of the robot,sensor performance,and control systems'rationality have been tested. Keywords:bionic crab-liked robot;structural design;composite manipulator; ADAMS simulation;performance experiments
／● position control，the robot’S straight—line walking and climbing performance test． Through the above experiments，the mechanical properties of the robot，sensor performance，and control systems’rationality have been tested． Keywords：bionic crab—liked robot；structural design；composite manipulator； ADAMS simulation；performance experiments
哈尔滨T程大学硕士学位论文 目录 4 第1章绪论… 11引言… 1.2仿生腿式机器人的研究现状及发展趋势……2 1.2.1国内外仿生腿式机器人的发展状况…2 12.2仿生腿式机器人的发展趋势…8 1.3仿生腿式机器人的关键技术… …10 1.4本文的主要研究内容… …12 第2章新型仿生机器蟹结构设计 444+ …13 2.1引言… …13 2.2新型仿生机器蟹总体结构设计方案… …13 2.3新型模块化驱动关节的设计…14 2.3.1关节传动方式的分析… …14 2.3.2蜗轮蜗杆设计参数的确定… …15 2.3.3蜗轮减速箱的设计… 18 24单步行足的结构设计… …22 2.4.1腿节关节比例的确定… …23 2.4.2腿部关节连接板的设计… …25 2.4.3弹性足尖的设计… …26 2.5各腿布置方式的确定… …27 2.6蜗轮蜗杆副的润滑 28 2.6.1润滑油种类的选择… 29 2.6.2润滑油黏度的选择… 29 2.7仿生弹性驱动关节的设计… …30 2.8本章小结… …33 第3章仿生机器蟹作业机械手设计… …34
曼 ，． 哈尔滨二r程大学硕士学伊论文 目 录 第1章绪论………………………………………………………………………1 1．1引言……………………………………………………………………一l 1．2仿生腿式机器人的研究现状及发展趋势……………………………”2 1．2．1国内外仿生腿式机器人的发展状况……………………………·2 1．2．2仿生腿式机器人的发展趋势……………………………………·8 1．3仿生腿式机器人的关键技术…………………………………………10 1．4本文的主要研究内容…………………………………………………12 第2章新型仿生机器蟹结构设计……………………………………………·1 3 2．1引言……………………………………………………………………·13 2．2新型仿生机器蟹总体结构设计方案…………………………………13 2．3新型模块化驱动关节的设计…………………………………………14 2．3．1关节传动方式的分析…o………………………………………14 2．3．2蜗轮蜗杆设计参数的确定………………………………………15 2．3．3蜗轮减速箱的设计………………………………………………18 2．4单步行足的结构设计…………………………………………………22 2．4．1腿节关节比例的确定……………………………………………23 2．4．2腿部关节连接板的设计…………………………………………25 2．4．3弹性足尖的设计…………………………………………………26 2．5各腿布置方式的确定…………………………………………………27 2．6蜗轮蜗杆副的润滑……………………………………………………28 2．6．1润滑油种类的选择………………………………………………29 2．6．2润滑油黏度的选择………………………………………………29 2．7仿生弹性驱动关节的设计…¨：………………………………………·30 2．8本章小结………………………………………………………………33 第3章仿生机器蟹作业机械手设计…………………………………………·34
哈尔滨工稈大学硕士学位论文 3.1引言… …34 3.2机械手功能需求分析… …34 李 33复合作业机械手的结构设计… …35 33.1机械手爪驱动器的选择… …35 c 3.3.2机械手爪运动形式的选择… …35 33.3机械手爪传动方式的选择… …36 33.4复合步行足的结构设计… …37 3.4机械手爪尺寸的优化设计… …39 3.4.1机械手手指抓取误差的理论分析… 40 3.4.2抓取机械手手指的优化设计计算， 42 3.5本章小结… 43 第4章基于ADAMS的仿生机器蟹仿真实验…44 4.1引言…44 4.2仿生机器蟹虚拟样机模型构建… …44 4.2.1Pro/E三维模型导入ADAMS… 45 4.2.2设置仿真工作环境及运动参数… …47 4.2.3施加驱动函数… …49 4.3仿生机器蟹平面横行时的动力学仿真… 50 4.4在复杂地貌行走时的动力学仿真… …52 4.4.1机器人越障能力分析… …53 4.4.2机器人爬坡能力分析… …56 4.4本章小结… 58 第5章仿生机器蟹实验研究… 59 5.1引言… 59 5.2仿生机器蟹实验系统… 59 53仿生机器蟹运动性能实验…60 5.3.1传动间隙对驱动关节位置控制的影响…61
rI 哈尔滨丁稃大学硕士学伊论文 3．1引言…………………………………………………………………………………………一34 3．2机械手功能需求分析…………………………………………………34 3．3复合作业机械手的结构设计…………………………………………35 3．3．1机械手爪驱动器的选择…………………………………………35 3．3．2机械手爪运动形式的选择………………………………………35 3．3．3机械手爪传动方式的选择………………………………………36 3．3．4复合步行足的结构设计…………………………………………37 3．4机械手爪尺寸的优化设计……………………………………………39 3．4．1机械手手指抓取误差的理论分析………………………………40 3．4．2抓取机械手手指的优化设计计算………………………………42 3．5本章小结………………………………………………………………43 第4章基于ADAMS的仿生机器蟹仿真实验………………………………44 4．1引言…………………………………………………………………………………………一44 4．2仿生机器蟹虚拟样机模型构建………………………………………44 4．2．1 Pro／E三维模型导入ADAMS…………………………………一45 4．2．2设置仿真工作环境及运动参数…………………………………47 4．2．3施加驱动函数……………………………………………………49 4．3仿生机器蟹平面横行时的动力学仿真………………………………50 4．4在复杂地貌行走时的动力学仿真……………………………………52 4．4．1机器人越障能力分析……………………………………………53 4．4．2机器人爬坡能力分析……………………………………………56 4．4本章小结………………………………………………………………58 第5章仿生机器蟹实验研究…………………………………………………·59 5．1引言……………………………………………………………………59 5．2仿生机器蟹实验系统…………………………………………………59 5．3仿生机器蟹运动性能实验……………………………………………·60 5．3．1传动间隙对驱动关节位置控制的影响…………………………61
哈尔滨丁程大学硕土学位论文 5.3.2机器人行走性能实验 63 5.4本章小结 64 4 结论… 65 参考文献… 66 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果…71 致谢… …72
哈尔滨丁稗大学硕七学位论文 5．3．2机器人行走性能实验……………………………………………63 5．4本章小结………………………………………………………………64 结 论……………………………………………………………………………………………………·65 参考文献…………………………………………………………………………66 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果……………………………7l 致 谢……………………………………………………………………………72
哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第1章绪论 & 1.1引言 1960年美国第一届仿生学会议上“仿生学”一词被提出，从此仿生学在机 械方面的应用就再未停止过，并融合发展成为仿生机械学。仿生机械学是 模仿生物的形态、结构和控制原理，设计制造功能更集中、效率更高并具有 生物特征的机械学科。而仿生机器人由于能够适应非结构化的未知工作环境， 可执行复杂精巧的高难度任务，以及其高精度、高灵活性、高可靠性、高鲁 棒性、高智能性等优点，使其成为现代社会高科技发展中不可或缺的一个重 要学科方向巴，并且由于能制造出在结构、功能、材料、控制、能耗等诸多 方面相对更加合理的机械系统，仿生机械学正越来越受到重视。 随着国际政治格局、战争形式的变化，在军事侦察、战场攻击、反恐防 爆等领域需要大量的无人作战武器：随着人类探索太空，建设航天站、抢险 救灾等不适合由人来承担的任务的增加，越来越需要相应的可以代替人类执 行任务的机器人，同时新的需求和任务也对机器人的性能提出了更高要求。 通过对这些作业环境特点进行研究我们可以发现，不规则和不平坦的非结构 环境成为这些作业任务的共同特点，这样就使轮式机器人和履带式机器人的 应用受到极大的限制。在这种背景下，腿式机器人的研究成为了各国机器人 专家研究的共同目标，而仿生腿式机器人的出现更加显示出腿式机器人的优 势6刀。 自20世纪80年代美国麻省理工学院研制出第一批可以实现动物跑、跳 功能的机器人开始，越来越多的国家开始了对仿生腿式机器人的研究，尤其 以麻省理工大学腿部实验室的创建者Raibert早期对机器人奔跑运动的创始 性研究工作最具代表性。Raibert研制的单腿、双腿和四腿机器人的性能已成 为衡量其它腿式机器人性能的标准，通过分析国内外现状来看，针对双腿、 四腿和六腿机器人的研究比较多，但对单腿和八腿机器人的研究相对较少， 1
哈尔滨丁程大学硕十学位论文 1．1引言 第1章绪论 1960年美国第一届仿生学会议上“仿生学”一词被提出，从此仿生学在机 械方面的应用就再未停止过，并融合发展成为仿生机械学Ⅲ。仿生机械学是 模仿生物的形态、结构和控制原理，设计制造功能更集中、效率更高并具有 生物特征的机械学科。而仿生机器人由于能够适应非结构化的未知工作环境， 可执行复杂精巧的高难度任务，以及其高精度、高灵活性、高可靠性、高鲁 棒性、高智能性等优点，使其成为现代社会高科技发展中不可或缺的一个重 要学科方向口1，并且由于能制造出在结构、功能、材料、控制、能耗等诸多 方面相对更加合理的机械系统，仿生机械学正越来越受到重视p1。 随着国际政治格局、战争形式的变化，在军事侦察、战场攻击、反恐防 爆等领域需要大量的无人作战武器；随着人类探索太空，建设航天站、抢险 救灾等不适合由人来承担的任务的增加，越来越需要相应的可以代替人类执 行任务的机器人，同时新的需求和任务也对机器人的性能提出了更高要求141。 通过对这些作业环境特点进行研究我们可以发现，不规则和不平坦的非结构 环境成为这些作业任务的共同特点，这样就使轮式机器人和履带式机器人的 应用受到极大的限制。在这种背景下，腿式机器人的研究成为了各国机器人 专家研究的共同目标，而仿生腿式机器人的出现更加显示出腿式机器人的优 势郦■ 自20世纪80年代美国麻省理工学院研制出第一批可以实现动物跑、跳 功能的机器人开始，越来越多的国家开始了对仿生腿式机器人的研究，尤其 以麻省理工大学腿部实验室的创建者Raibert早期对机器人奔跑运动的创始 性研究工作最具代表性。Raibert研制的单腿、双腿和四腿机器人的性能已成 为衡量其它腿式机器人性能的标准隅”叭，通过分析国内外现状来看，针对双腿、 四腿和六腿机器人的研究比较多，但对单腿和八腿机器人的研究相对较少， 1