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1、畢業(yè)設計說明書
機器螃蟹
上海交通大學機械與動力工程學院
機械與自動化 專業(yè) F0502007班
設計者: 姓名曹 睿
姓名胡 楊
姓名賈 睿
指導老師: 郭為忠
2008年1月10日
目錄
一、背景資料................................................................................………….4
二、設計分析.......................
2、.............................................................……….5
三、執(zhí)行機構的設計......................................................................................6
3.1 蟹腿的設計……………………………………………………………..6
3.2 轉向機構………………………………………………………………13
3.3 上下機架的設計………………………………………………………..14
3.4 傳動鏈設計…………
3、………………………………………………….16
四、零件的設計…………………………………………………………….21
五、Unigraphics NX軟件運動仿真..……………………………………23
六、方案的比較…………………………………………………………….27
七、心得體會……………………………………………………………….30
摘要
我們組設計的是一個六足機械螃蟹。此機械螃蟹由一個電機驅動,完全由機械結構控制,可以實現(xiàn)橫向爬行、行進中左右轉向及原地轉向,并且可以適應多種路面狀況,有較強的適應性、穩(wěn)定性。本文將
4、首先對自然中螃蟹的結構以及行走方式進行分析、研究,然后提出總體的設計方案,再對機械螃蟹各個機構的具體設計方案、制作方法和Unigraphics NX軟件仿真展開詳細的介紹,最后對機械螃蟹做出總結、評價與比較。
關鍵詞:機械螃蟹,設計,Unigraphics仿真
設計成員及分工
分工
由于我們的計劃方案比較復雜,工作量很大,而我們只有三個人,如果把工作簡單清晰地劃分開是不明智的,所以我們全程都是共從參與、共同工作的。只是在具體的工作上才分開工作,比如說各個零件的制作。一起工作可以讓我們可以方便地交流思想,互相取其精華,共
5、同攻克難題,從而大大提高了工作效率。
一、 背景資料
一般的動物,身體都分成頭、胸、腹三部份,而螃蟹的頭部和胸部愈合在一起,稱為頭胸部。腹部退化,反折緊貼在頭胸部的下方。頭胸和腹部外面都包著硬硬的外殼,動物學家通稱牠們?yōu)榧讱ゎ?。螃蟹總共有五對腳,牠們的共同特征是:有關節(jié)性附肢、外骨骼和十只腳。因此,動物學家在分類時將牠們歸入動物界的節(jié)肢動物門、甲殼綱、十腳目。背甲是螃蟹外殼的一部份,它蓋在頭胸部的外面,所以又稱為頭胸甲。而蓋在腹部的外殼叫做腹甲。
螃蟹大都有一對像鉗子一樣的大腳,我們稱為「螯」,主要用于捕食和防御。其它的是四對朝著左右兩側伸出的是用于步行的步足。對于很多螃
6、蟹來說,最后的那對步足已經演化為用于水中劃行的劃行足,只有中間的三對步足起主要爬行作用。螃蟹的步足由七個小節(jié)組成,可以看到螃蟹的足每兩節(jié)的外骨骼之間有光滑柔軟的薄膜相連,里面沒有可供轉動的關節(jié),只有一條條肌肉束與外骨骼相連接。當節(jié)間肌肉伸縮時,依靠節(jié)間膜的彈性只能使足的各節(jié)產生上下方向的動作而不能前后轉動,它由一側足尖的爪節(jié)向下彎曲,抓住地面,再用另一側的足尖向外伸直,支撐住身體,推動身體前進。
但是螃蟹為什么總是橫著爬呢?一種說法認為,以前的螃蟹是依靠地磁場來判斷方向的,在地球形成以后的漫長歲月中,地磁南北極已發(fā)生多次倒轉。地磁極的倒轉使許多生物無所適從,甚至造成滅絕。螃蟹是一種古老的回游
7、性動物,它的內耳有定向小磁體,對地磁非常敏感。由于地磁場的倒轉,使螃蟹體內的小磁體失去了原來的定向作用。為了使自己在地磁場倒轉中生存下來,螃蟹采取“以不變應萬變”的做法,干脆不前進,也不后退,而是橫著走。從生物學的角度看,蟹的胸部左右比前后寬,八只步足伸展在身體兩側,它的前足關節(jié)只能向下彎曲,這些結構特征也使螃蟹只能橫著走。
二、 設計分析
a) 設計要求:全機械結構控制,利用一個電驅動動各類齒輪、連桿等機構運動,能夠實現(xiàn)整個蟹身的橫向移動和轉向運動。做到結構簡單緊湊,運動靈活可靠、合理有效,盡量模仿實物運動過程,并應考慮到制造工藝要求、材料強度等因素,使方案真實合理,可實際
8、執(zhí)行。具體的結構設計將在下面的設計部分給出。
b) 設計中,所有齒輪均采用標準備參數(shù),各連桿、槽輪、機架等結構均根據(jù)工件制造加工工藝及材料強度要求設計。
c) 設計方案簡介:經過一些資料的分析和對其他機械螃蟹結構的考察,并對各種方案進行分析比較,我們最終決定設計一個六足的機械螃蟹。該螃蟹在一個電機驅動下可以實現(xiàn)橫向爬行、行進中左右轉向及原地轉向,且可適應多種路面狀況,有較強的穩(wěn)定性。
三、 執(zhí)行機構的設計
3.1蟹腿的設計:
單獨對一條蟹腿的運動進行研究,易知在螃蟹邁進的時候,足尖抓地,帶動蟹身前行,在運動到極限位置時則需抬起回復,為下一次邁進做準備。所以相對于蟹身,單條腿的
9、運動軌跡應大致為如下曲線:
若單純采用連桿機構來直接實現(xiàn)該軌跡,將使得機構比較復雜,降低了機構的可靠度。若采用了這樣的機構(如右圖所示一類機構),即把整條腿的運動功能由一組連桿機構來實現(xiàn),易知,自然中的螃蟹是可以在原地抬腿的,而此機構無法實現(xiàn)單獨抬腿或邁腿的功能。而且在整個行進過程中,連桿機構都要提供支撐整個蟹身的力,這樣會使得電機始終要提供一個很大的力,甚至有可能使電機無法負荷,一旦失去電機供力,為了保持蟹身的平穩(wěn),則需要另外加入固定裝置,使機構更加復雜,進一步降低了可靠性。經分析,對蟹身的支撐作用僅發(fā)生在小腿接觸地面的過程中,而此時大腿可保持不動,聯(lián)想到人類的走路方式,肌肉僅提供抬腿時所需的力,而支撐身體則主要由關節(jié)的“死點”位置來實現(xiàn)。所以我們在蟹腿中也引入一個類似“死點”的機構,便可大大減輕電機的負荷,提高機構的可靠性與合理性,同時把該曲線簡化分解為蟹腿的擺動與抬落這兩個單一的運動,更加符合實際蟹腿的運動情況,也降低了機構的復雜程度。
經過反復研究比較,我們把蟹腿簡化為如下圖所示的運動機構,將蟹腿結構中對行走起主要作用的肢節(jié)簡化為大腿和小腿,大腿完成抬腿功能(由圖中連桿1和2與偏心輪2共同實現(xiàn)),小腿完成擺動功能。其中,連桿1和2在圖示位置中正好構成所需的“死點”,使大腿保持不動。
下面具體分析蟹腿的運動以確定驅動機構: