六足仿生机器人的设计与制作

刘 静，廖啸林，许子羽，林 冲，戴嘉文

(江西理工大学 机电工程学院，江西 赣州 341000)

0 引 言

机器人在各个领域中都有广泛应用，常用于遥控操作完成远程作业和各种物理试验，同时机器人在玩具领域中也备受青睐，行走机器人更是在各领域中经常使用的类型，目前行走机器人常采用轮式结构，这样的结构虽行走灵活，但是仿生效果不佳，也不够新颖[1]，现需要一种行走仿生机器人来弥补轮式机器人仿生效果不够的缺点。随着三维图形技术的成熟和仿真技术的完善，计算机虚拟样机仿真设计使产品设计周期和成本大幅度降低。笔者采用虚拟样机技术对其进行试验研究，即利用UG NX10.0建立六足仿生机器人的虚拟样机模型，并利用这个虚拟模型进行相关的运动学试验，对其机构或机构上某点的位移、速度、加速度准确表达，从而设计出理想的仿生机器人。

1 虚拟样机模型的建立

利用UG中的建模模块和装配模块对六足仿生机器人进行建模和装配。主体结构包括底板、短边板、长边板、电机板、电机、主动齿轮、行走齿轮、联动齿轮、传动齿轮、方头轴、转臂、支脚轴、行走支脚、安装槽、联动轴、传动轴。底板的两条短边和两条长边分别与短边板和长边板组成可拆卸连接，短边板与长边板组成可拆卸连接，短边板和长边板的上部与电机板配合，电机板上部可拆卸连接有电机，电机与主动齿轮配合，长边板上转动设置有上下两排行走齿轮和联动齿轮，长边板的中心位置处转动设置有传动齿轮，行走齿轮和所述联动齿轮啮合，位于中部的两个行走齿轮均与所述传动齿轮啮合，行走齿轮与方头轴配合，方头轴的两端均与转臂一端配合，转臂另一端具有支脚轴，支脚轴与行走支脚转动配合。建立的三维模型如图1所示。

图1 六足仿生机器人虚拟样机1.底板 2.短边板 3.长边板 4.电机板 5.电机 6.主动齿轮 7.行走齿轮 8.联动齿轮 9.传动齿轮 10.方头轴 11.转臂 12.支脚轴 13.行走支脚 14.安装槽 15.联动轴 16.传动轴

2 创建运动分析方案

在UG的运动仿真模块，对上述的仿生机器人进行运动仿真，创建不同的解算方案，依据准确的数据检验并进行优化设计，使产品更加完善。运动分析方案的创建是进行运动仿真的关键，其步骤可分为四步：创建连杆，创建运动副，定义运动驱动，创建解算方案[2]。

(1) 连杆的创建 连杆是最基本运动单元，每一个运动的零件都必须创建为连杆[3]。点击工具条中的“连杆”命令，依次选取部件定义连杆，以不同的名称命名，如L001、L002、L003……用于区分连杆。

(2) 运动副的创建 运动副是以约束的形式将机构中的两个连杆连接在一起，从而使连杆一起运动。UG NX10.0运动仿真模块中提供了15种不同的运动副，基本覆盖了常见机构的运动形式。

(3) 定义运动驱动 运动驱动[4]是赋在运动副上控制连杆运动的参数，共有4种类型：①无驱动；②恒定驱动；③简谐运动驱动；④运动函数驱动。该仿生机器人在主动齿轮上设定驱动参数，使主动齿轮以100 r/min的速度匀速转动。

(4) 解算方案的创建 解算方案的创建，是产品优化设计的重要依据。在创建解算方案时，需要输入运动分析类型，时间和步数等参数，如图2所示。同时在六足仿生机器人的行走支脚上做一个标记点，便于观察其运动轨迹。

图2 运动仿真解算方案

3 仿真结果分析

在UG的运动仿真模块，可以很方便地进行机构的运动仿真，获得精确的仿真数据[5]。如在上面的仿生机器人行走支脚上标记的A001点，其位移、速度、加速度等信息可以通过电子表格的形式生成，如图3、4、5所示。

4 3D打印实物样机

3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。在计算机中将设计的虚拟样机经过切片软件转化为3D打印机所能识别的G代码，最终获得机器人的实物样机。六足仿生机器人实物样机如图6所示。

图3 标记点A001的位移示意图

图4 标记点A001的速度示意图

图5 标记点A001的加速度示意图

图6 六足仿生机器人实物样机

5 结 语

利用UG NX10.0软件，可以依据创意建立六足仿生机器人的虚拟样机，可以方便的进行机构的运动仿真，还可以求解出各个部件的位移、速度、加速度和力等数据，这些对于缩短产品开发周期，提高产品质量和性能有着积极的作用。

参考文献：

[1] 李满宏，张明路，张建华，等.六足机器人关键技术综述[J].机械设计，2015，32(10)：1-8.

[2] 张争艳，刘彦飞，冯 敏，等.基于虚拟样机技术的六足仿生机器人设计与仿真[J].装备制造技术，2007(10)：35-43.

[3] 李 锐.基于UG的机构运动仿真分析[J].常州工程职业技术学院学报，2010(1):30-33.

[4] 冯 巍，杨 洋.慧鱼六足仿生机器人步态研究与实现[J].机械设计与研究，2005，21(3)：35-37.

[5] 唐伟强，聂世涛.基于UG的揉面机机构运动分析[J].包装与食品机械，2009，27(5)：22-24.