基于ProE和ADAMS的人形机器人三维造型及运动仿真研究(3)

华北电力大学硕士学位论文2.3 基于 Pro/E 的人形机器人三维造型2.3.1 人形机器人的建模分析步行是人与大多数动物所具有的运动方式，也是生物界移动方式中自动化程 度既高又复杂的动作，它的完美实现必然要求机器人在结构设计方面产生巨大的 变革和创新[30]。人形机器人是仿照真人运动进行建模，故在手臂各设 3 个电机，模 拟人的腕关节、肘关节和大臂关节处的转动。在腿部各设有 6 个电机，用来模拟 人类的踝关节、膝关节和髋关节的旋转运动。机器人的头部使用一个传感器，具 有红外探测功能，可以探测出 400mm 以内的障碍物，用来代替人类眼睛的功能。 根据关节处所要布置的电机的数量，在机器人的组装设计时要合理的布置电机的 位置，做到既能满足运动需要又布局合理不会发生干涉。电机与电机的连接，这 里采用单边板、双边板和长连接板等。2.3.2 三维实体建模的方法Pro/E 建模的一般过程如下： （1）建立或选取基准特征作为造型的定位基准：如基准轴、基准面或者基准 坐标系等。建立每个实体特征时，都要以基准特征作为参照[31]； （2）建立基础实体特征：拉伸、旋转、扫描、混合等； （3）建立工程特征：孔、肋、倒角、拔模等； （4）特征的修改：特征阵列、特征复制等操作； （5）添加材质和渲染处理。 2.3.2.1电机的建模 人形机器人机构关节处采用专用伺服电机 AX-12 如图 2-1 所示） 由于 AX-12 （ 。 电机有一可以实现 360 转动的圆盘，它是通过螺钉固定在电机主体上，所以在腿 部的髋关节、膝关节和踝关节以及手臂的腕关节，肘关节，大臂关节处分别设有 电机。其中，髋关节可以实现抬起和平展两个方向的转动，所以在髋关节处设有。11

华北电力大学硕士学位论文两个电机，它们垂直分布，用两个单边固定板相连固定。踝关节和髋关节相似， 也具有两个方向上的转动自由度，故此也布置两个电机。膝关节只具有一个方向 的转动自由度，所以在此使用一个电机。 现以电机的建模为例，说明 Pro/E 三维建模的方法。电机建模过程如下： （1）打开 Pro/E，点击“新建”→“零件”→“不使用缺省模板”选择“Mmns part solid”选项→“确定”； （2）点击 按钮，选择 FRONT 平面进行草绘，绘制高×厚=47mm×32mm的矩形进行拉伸，拉伸厚度为 26mm； （3）创建一新的平面 DTM1 在此平面上绘制一直径为 22mm 的圆，再将圆进 行拉伸； （4）在创建的 DTM1 平面上绘制一直径为 4mm 的圆，反向拉伸至电机厚度的 一半，至此，电机的主体及可实现 360。转动的圆台基本绘制完毕； （5）点击 按钮，选择圆台平面，进入二维草绘界面，在圆台平面上绘制 4 ，完成草绘进入三维界面，拉伸类型选个成 90。布置的直径为 2mm 的孔，点击 择 去除材料，拉伸厚度为圆台的厚度；（6）绘制圆台下方的腹板，方法类似于圆台，即在点击按钮，在“放置”选项中选择电机圆台所在的平面，在二维草绘的环境下按照设计好的尺寸绘制出 腹板的外形轮廓，点击 按钮，退出二维草绘环境，在拉伸厚度选项中键入数字3，即可拉伸出厚度为 3mm 的腹板； （7）绘制电机来年两侧的螺栓连接部分，按 按钮，选择电机的 FRONT 面 按钮确定，回进入二维草绘环境，按照测量好的尺寸画一个小矩形，然后点击 到三维界面进行拉伸；12

华北电力大学硕士学位论文（8）选择刚绘制好的模块，点击“编辑”→“阵列”，间距为 8，阵列出同侧 的另外 3 个小凸台； （9）选择第 7 步绘制好的小凸台，选择“编辑”→“镜像”，选择参照面“TOP 面”，将螺栓连接凸台由电机的“前面”复制到“后面”，再重复（8），完成同 侧的其余 3 个连接凸台； （10）参照（7）~（9）绘制另外的 8 个螺栓连接用凸台以及电机底部的 4 个 凸台； （11） 使用倒角工具 或圆角。 经 Pro/E 造型后如图 2-2 所示。 和倒圆角工具 将电机面与面的过渡连接部分倒上直角图2-1AX-12专用伺服电机图2-2Pro/E造型后的伺服电机2.3.3.2 连接部件的建模 对于电机连接部件以及机器人的支撑部件，现用代号F1～F12表示。三维造型 方法与电机的方法相似，也是经过草绘特征平面，然后进行拉伸、旋转、镜像、 阵列、定位打孔等操作，这里不做重复。建模后的三维效果图如图2-3～图2-14所 示，它们分别为F1：膝关节电机固定板；F2：小臂；F3：四角短边固定板；F4： 大腿；F5：足部；F6：单边固定板；F7：双电机固定板；F8：躯干连接板；F9： 手部固定板；F10：垫板；F11：手部；F12：脚底板。13

华北电力大学硕士学位论文图2-3 F1图2-4 F2图2-5 F3图2-6 F4图2-7 F5图2-8 F6图2-9F7图2-10 F8图2-11 F9图2-12 F10图2-13 F11图2-14 F1214

华北电力大学硕士学位论文2.4 人形机器人的Pro/E装配2.4.1 Pro/E装配概述在完成零件的设计后，需要将这些部件装配成一个完整的零件模型。在Pro/E 中，零件装配是通过在各个组成部件之间添加一定的约束条件来实现的。通常， 装配可分为固定装配（即零件装配）和动态装配[32]。前者得到的装配体内部的零 部件之间没有相对运动，而后者是由零件之间联接得到的机构，其内部的构建之 间还可以产生一定的相对运动。本课题中，我们采用的是动态装配方式。 在动态装配中，定义零件之间的运动副约束关系是动态装配的关键。在Pro/E 中动态装配约束类型有刚体、滑动杆、销钉、圆柱、平面、焊接、球等等。 以人形机器人的腿部为例，在完成机器人腿部结构所有零件的三维建模后， 将这些零部件组装装配，过程如下： 首先点击“新建”按钮，选择“组件”，不使用缺省模板，在模板选项中选 择 mmns-asm-design 项（注意：此时一定要选择不使用缺省模板，否则将对以后的 导入工作带来不必要的麻烦），新建腿部装配图。 第一步要选择一个元件作为装配的基准件，本文中选择连接“踝关节”的长 U 形件作为基准件，在装配图中添加元件点击 中选择“缺省”； 第二步继续点击 按钮，添加四角垫板，在放置面板中选择四角垫板元件的 按钮添加元件，在匹配方式的选项定位孔的轴和 U 形基准件对应的定位孔的轴相“对齐”，新建约束依次选择两个 元件相接触的面“约束类型”选择“匹配”，“偏移”选择“重合”项； 第三步点击 按钮，添加作为“膝关节”的电机，在放置面板中建立约束条件，分别为电机与四角垫板的用螺钉相连接的孔的轴“对齐”以及对应面的“匹 配”，“偏移”选项中选择“重合”； 第四步添加斜臂固定件，方法同上，同样是选择“轴对齐”以及相应面的“匹15