四足仿生移動機器人結(jié)構(gòu)設計

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1、河工大2013屆本科畢業(yè)設計說明書 河工大 畢業(yè)設計說明書 作 者： 學 號： 系： 機械工程學院 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 題 目： 四足仿生移動機器人結(jié)構(gòu)設計 指導者： 張 副教授 評閱者： 2013年 5月 29日 畢業(yè)設計（論文）

2、外文摘要 四足仿生移動機器人結(jié)構(gòu)設計 摘要： 本設計為四足仿生移動機器人，遠程遙控并能全自主自動動作。它包括機體、由伺服電機帶動的腿結(jié)構(gòu)，機體上裝有控制裝置，腿結(jié)構(gòu)分為髖關節(jié)、大腿長、膝關節(jié)、小腿關節(jié)、足端，通過四個伺服電機控制四自由度變量，從而實現(xiàn)機器人的仿生移動。該移動機器人能適應比較復雜且不可預測的非結(jié)構(gòu)環(huán)境, 在保證足夠強度、剛度的條件下，對整體的質(zhì)量要加以限制，以減少驅(qū)動源的動力消耗，使機器人輕便靈活。設計機身總重15KG，采用輕而且堅固的LY2硬質(zhì)鋁合金作為腿結(jié)構(gòu)材料，平均機動速度≥0.4m/s，機構(gòu)本身共12個自由度，運動靈活，越障性和環(huán)境適應性較強，在執(zhí)行星球

3、探測、戰(zhàn)場偵察、排爆、災難救援等較復雜高危環(huán)境中應用性很強。 關鍵詞： 機器人 四足 仿生 帶傳動 畢業(yè)設計（論文）外文摘要 Title ：The Quadruped Mobile Robot Structure Design Abstract: The design is the quadruped mobile robot, it can be controlled remotely and have actions autonomously

4、 . It includes a leg structured on body, driven by servo motors, and a control device on the body, leg structure is divided into the hip, thigh, knee, ankle joint, foot, control four degree of freedom variables by four servo motors, so as to realize the bionic robot move. The mobile robot can adapt

5、 to complex and unpredictable unstructured environment. In the condition of ensuring sufficient strength, stiffness, the overall quality should be restricted, in order to reduce the driving sources consumption, which makes the robot flexible design. The weight of body is 15KG, using LY2 hard aluminu

6、m alloy which is light and strong as the leg structural materials, the average mobile speed is designed greater than or equal to 0.4m/s, the agency itself consists of 12 degrees of freedom, it can move flexibly, and have strong obstacle and environment adaptability, in the implementation of planeta

7、ry exploration, battlefield reconnaissance, EOD, disaster relief and other more complex risk environment it also have a strong adaptability. Keywords： Robot Bionic Quadruped Belt transmission 目 次 1 概述 - 1 - 1.1 緒論 - 1 - 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及關鍵技術(shù) - 1 - 1.3 本課題主要研究內(nèi)容 - 5 -

8、 2 四足仿生移動機器人的結(jié)構(gòu)設計原則及要求 - 5 - 2.1 四足仿生移動機器人的總體方案確定 - 5 - 2.2 機器人機械結(jié)構(gòu)及傳動設計 - 9 - 3 電機的確定 - 13 - 3.1 各關節(jié)最大負載轉(zhuǎn)矩計算 - 13 - 3.2 機器人驅(qū)動方案的對比分析及選擇 - 14 - 3.3 驅(qū)動電機的選擇 - 15 - 4. 帶傳動設計 - 21 - 4.1 各參數(shù)設計及計算 - 21 - 4.2 帶型選擇及帶輪設計 - 21 - 5工作裝置的強度校核 - 23 - 5.1 軸的強度校核 - 23 - 5.2 軸承的選型 - 25 - 結(jié) 論

9、 - 26 - 參 考 文 獻 - 27 - 致 謝 - 29 - 河工大2013屆本科畢業(yè)設計說明書 1 概述 1.1 緒論 隨著機械制造行業(yè)技術(shù)水平的提高及機械電子、計算機、材料等學科的發(fā)展，促進了機器人應用到更廣泛的行業(yè)領域內(nèi)。由于人類探索活動的廣度和深度不斷提高，加速了機器人的發(fā)展與應用。 自然環(huán)境中有約50％的地形，輪式或履帶式車輛到達不了，而這些地方如森林，草地 濕地，山林地等地域中擁有巨大的資源，要探測和利用且要盡可能少的破壞環(huán)境，足式機器 人以其固有的移動優(yōu)勢成為野外探測工作的首選，另外，如海底和極地的科學考察和探索， 足式機器人也具有明顯的優(yōu)勢

10、，因而足式機器人的研究得到世界各國的廣泛重視?，F(xiàn)研制成 功的足式機器人有1足，2足，4足，6足，8足等系列，大于8足的研究很少。 曾長期作為人類主要交通工具的馬，牛，驢，駱駝等四足動物因其優(yōu)越的野外行走能 力和負載能力自然是人們研究足式機器人的重點仿生對象。因而四足機器人在足式機器人中 占有很大的比例，一直以來也是國內(nèi)外機器人領域的研究熱點之一。 作為機器人的一個極其重要分支，四足移動機器人相對與兩足步行機器人具有較強的承載能力、較好的穩(wěn)定性，而且結(jié)構(gòu)又比六足、八足步行機器人簡單，因而深受到各國研究人員的重視。在四足移動機器人中，機構(gòu)重要部分之一足結(jié)構(gòu)的設計，是機器人設計的關鍵，設計得當可

11、使其機構(gòu)簡單大大簡化控制方案。有學者認為：從穩(wěn)定性和控制難易程度及制造成本等方面綜合考慮，四足機是最佳的足式機器人形式，四足機器人的研究頗具實用價值和社會意義。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及關鍵技術(shù) 1.2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 日本在四足機器人研究領域最具成果，最具有創(chuàng)新性的成果是電氣通信大學研制成功的采用基于神經(jīng)振蕩子模型CPG(Central Pattern Generator)的控制策略[1]而CPG是足式機器人近10年來在控制方面取得的最具突破性成果[2]。2000-2003年研制成功具有寵物狗外形的機器人用一臺PC機系統(tǒng)控制，瑞士Maxon直流伺服電機驅(qū)動，每個關節(jié)安裝了一個光

12、電碼盤、陀螺儀、傾角計和觸覺傳感器?；贑PG的控制器用于生成機體和四條腿的節(jié)律運動，而反射機制通過傳感器信號的反饋，來改變CPG的周期和相位輸出。機器人能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應動態(tài)步行，顯示了生物激勵控制對未知的不規(guī)則地面有自適應能力的優(yōu)點。 美國的四足機的典型代表是卡耐基美隆大學研制的BigDog，外形體特和比例很像一條兇猛的獵犬，是仿生機器人中最像仿生對象的機器人之一，它能夠在泥濘地面或粗糙的瓦礫地面以不同步態(tài)自如行走，最大負載52KG，具有很強的野外行走能力。最大的特點是在劇烈的側(cè)面沖擊作用下，仍具有很好的機體平衡能力，能保持平衡而不倒，如圖1所示?，F(xiàn)已計劃深入研究BigDog四足

13、移動機器人，使其性能達到實現(xiàn)多種動態(tài)移動，如平衡、走、爬行、跑等，并使其多方面達到一個新的水平[3]，具備識別粗糙地形、運載貨物能力、自主控制能力等。 圖1 美國卡耐基美隆大學研制的BigDog 加拿大 McGill 大學智能機器中心機器人技術(shù)實驗室研制了Scout-I與Scout-II兩代四足移動機器人，Scout-I的每條腿僅有l(wèi)個自由度，髖部也只有1個驅(qū)動器，主要被用來進行行走控制，它的機械結(jié)構(gòu)雖然簡單，卻有著良好的動態(tài)穩(wěn)定性，如圖2；圖3自主型奔跑機器人Scout-II，也是髖部只有1個驅(qū)動器，但只需改變前腿和后腿的觸地力矩和觸地角度4個參數(shù)，控制兩個自由度的變量，進而就可以控制機

14、器人的運動。 圖2 Scout-I 圖3 Scout-II 1998年BISAM四足機器人由德國開發(fā)。該機器人主要結(jié)構(gòu)由頭部、4條腿和主體組成。四足機器人總重為14.5kg，內(nèi)部裝有立體攝像頭、處理器、微控制器及電池。 法國的Bourges (France)大學也研制成功SILO4系列四足機器人。 韓國設計一款了從地面到墻壁的行走的四足爬墻機器人MRWALLSPECT-III，并完成了試驗。 從20世紀80年代我國開始了四足移動機器人的研究，并取得了一系列的研究成果，積累了豐富的研究經(jīng)驗。 非常規(guī)行走機構(gòu)的研究從70年代開

15、始，由吉林工業(yè)大學陳秉聰教授和莊繼德教授分別帶領兩個研究小組研究。1985年，一臺具有兩條平行四邊形腿主要用于無硬底層的水田耕作的步行機耕船臺車試驗成功，并土槽中表現(xiàn)出較高的牽引效率。 1991年， JTUWM 系列四足步行機器人由上海交通大學馬培蓀等成功研制。JTUMM—III，仿制馬腿的3個自由度，各個關節(jié)的運動由直流伺服電機分別驅(qū)動。該機器人采用兩級分布式控制系統(tǒng)，有PVDF測力傳感器裝在腳底，采用模糊算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合，位置和力混合控制，實現(xiàn)了四足步行機器人JTUMM—III的慢速動態(tài)行走，極限步速為1.7 km／h 。為了提高步行速度，將彈性步行機構(gòu)應用于該四足步行機器人，起

16、到緩沖和儲能作用[4]。 另外，1989年，北京航空航天大學在張啟先教授的指導下 ，孫漢旭博士進行了剛性足步行機的研究，試制成功了一臺四足步行機，并進行了步行實驗。 清華大學機器人及智能自動化實驗室正在研制QW-1四足全方位步行機器人。 哈爾濱工業(yè)大學在對現(xiàn)有地面移動機器人特點分析及結(jié)構(gòu)形式基礎上，提出名為HIT-HYBTOR的輪足式四足移動機器人概念模型，3個自由度的輪腿機構(gòu)被四個獨立驅(qū)動的輪代替，構(gòu)成2個自由度的髖關節(jié)，有1個自由度的膝關節(jié)，輪式機器人和足式移動可以根據(jù)環(huán)境需求切換。該模型結(jié)合了足式機器人和輪式機器人的優(yōu)點，輪式和足式兩種運動方式根據(jù)不同的環(huán)境變換，以達到較高的移動速

17、度和良好的運動靈活性的統(tǒng)一，如圖下4。 圖4 HIT-HYBTOR 1.2.2 機器人研究的關鍵技術(shù) 運動穩(wěn)定性研究和步態(tài)規(guī)劃 行走穩(wěn)定性和步態(tài)規(guī)劃是研究足式機器人的不可分割兩個基本問題。四足式機器人因滿足三點支撐而容易保證靜態(tài)穩(wěn)定性,難點是如何實現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)定性[5]。 四足機步態(tài)規(guī)劃方面，目前研究較多的步態(tài)方式是模仿馬等四足動物行走典型步態(tài)：如爬行（Crawl）,對角小跑（Trot）,溜蹄（Pace），跳躍（bounding），定點旋轉(zhuǎn)（Rotation），轉(zhuǎn)向（spinning）等。這幾種步態(tài)在實驗室條件下均有成功的試驗記錄。標準步態(tài)比較容易實現(xiàn)，現(xiàn)階段大量的文獻所研究的是

18、這幾種標準步態(tài)及其轉(zhuǎn)換的規(guī)劃和控制問題。如爬行步態(tài)（crawl）的規(guī)劃與穩(wěn)定性控制[6～9]；對角小跑穩(wěn)定性步態(tài)規(guī)劃控制（trot）[10～13] ；溜蹄（pace）步態(tài)規(guī)劃控制的有。 跳躍步態(tài)穩(wěn)定性與步態(tài)規(guī)劃 奔跑是足式機器人快速移動必不可少的一種步態(tài),且機器人要想越過大于等于自身大小的障礙物，一般移動方式顯得無能為力，而動物利用跳躍步態(tài)可輕易越過較大的障礙。另外在月球，火星等外太空微重力環(huán)境下，跳躍式前進的效率上具有明顯的相對優(yōu)勢。目前對四足機步態(tài)研究，跳躍步態(tài)的研究是最具挑戰(zhàn)性的難點問題，原因是： （1）需要復雜的機體和腿機構(gòu)的協(xié)調(diào)動作控制，同時腿機構(gòu)的擺動慣性力對機體姿態(tài)的動力學

19、性能影響明顯增大，成為系統(tǒng)不可忽略的動力學因素。 （2）腿機構(gòu)的緩沖裝置是必不可少的，否則機體的關節(jié)將受到很大的沖擊力，有可能損壞關節(jié)和驅(qū)動元件。 （3）跳躍步態(tài)需要更大的瞬時驅(qū)動力，現(xiàn)有的腿機構(gòu)的驅(qū)動元件的功率密度還不能達到設計要求。解決跳躍步態(tài)的有效方法是仿生學的應用。 腿機構(gòu)的設計： 腿機構(gòu)是足式機器人的關鍵部件，腿機構(gòu)的自由度數(shù)和工作空間是足式機器人能夠?qū)崿F(xiàn)的可能步態(tài)的幾何基礎；另外足的布局形式，腿的質(zhì)量都對穩(wěn)定性和步態(tài)也有較大的影響。要適應野外環(huán)境的順應行走，對腿機構(gòu)有特殊的要求。 行走效率及便攜式能源： 在運動過程中各關節(jié)的關節(jié)角在不斷的變化中，力或力矩的傳遞效率平均值

20、較低。且行走速度與負載有很大的關系。腿機構(gòu)的效率和能量利用率目前還很低。高效的動物腿機構(gòu)給研究提供了很好的借鑒，但機器人各關節(jié)的驅(qū)動方式與動物存在很大的不同，動物的肌腱肌肉均是具有彈性的儲能元件。機器人的腿機構(gòu)和關節(jié)均為剛性連接，不但不能儲能，且因觸地的沖擊，要消耗掉許多能量。許多學者正在研究這一問題 控制系統(tǒng)及控制方法： 機器人與環(huán)境的交互時存在環(huán)境識別，導航，軌跡規(guī)劃等移動機器人的共性問題，使得控制系統(tǒng)相當復雜。四足機器人從控制任務方面存在的困難是行走控制需要多個子系統(tǒng)的密切配合才能完成復雜的任務。 1.3 本課題主要研究內(nèi)容 本課題在了解移動機器人現(xiàn)狀的基礎上，分析各種機器人的

21、結(jié)構(gòu)特點，擬定總體方案，進行四足仿生移動機器人結(jié)構(gòu)設計。利用三維軟件繪制新型四足仿生移動機器人。機器人的結(jié)構(gòu)設計是硬件設計的重要環(huán)節(jié)，通過對四足仿生機理的研究，綜合考慮需要實現(xiàn)的功能和其他因素，設計出具有質(zhì)量小運動靈活的四足仿生機器人單腿結(jié)構(gòu)。 2 四足仿生移動機器人結(jié)構(gòu)設計原則及要求 2.1 四足仿生移動機器人的總體方案確定 腿結(jié)構(gòu)是足式機器人設計的關鍵，腿機構(gòu)的自由度數(shù)和工作空間是機器人可能實現(xiàn)步態(tài)的幾何基礎，另外腿的空間布局和質(zhì)量都對穩(wěn)定性和步態(tài)規(guī)劃有很大影響。 要實現(xiàn)復雜環(huán)境的順應行走，對腿機構(gòu)提出了基本的要求： (1) 實現(xiàn)運動的要求； (2) 承載負載的要求； (

22、3) 機構(gòu)實現(xiàn)和控制能力的要求。 腿機構(gòu)的設計準則是： (1) 腿機構(gòu)至少應該有3個自由度，足端具備一個立體的三圍工作空間； (2) 處于支撐狀態(tài)的足端相對與機體有直線運動，避免因機身上下波動消耗不必要的能量 (3) 要有足夠的剛度且質(zhì)量應盡量小 自由度分析 根據(jù)仿生學，腿結(jié)構(gòu)一般分為髖關節(jié)、大腿、膝關節(jié)、小腿、腕部，其中髖關節(jié)有實現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)和俯仰的兩個自由度，膝關節(jié)實現(xiàn)俯仰，為使整條腿有較好的靈活度和利于整體的穩(wěn)定性控制，采用兩個自由度，腕部實現(xiàn)俯仰的一個自由度。 綜上擬定每條腿有5個自由度的四足仿生機器人，結(jié)構(gòu)簡圖如下。 圖5 結(jié)構(gòu)簡圖 總體方案的確定初步選定整體尺寸

23、：長900mm寬1800mm高750mm 為限制過載轉(zhuǎn)矩起到保護作用和輸出恒定轉(zhuǎn)矩，采用帶驅(qū)動系統(tǒng)，方案示意如下圖6、圖7。 圖6 方案示意 方案示意圖 1、腿 2、從動帶輪 3、帶固定點 4、齒輪 5、齒輪2 6、帶1 7、齒輪3 8、惰輪 9、齒輪4 10、帶2 11

24、、驅(qū)動帶輪 12、蝸輪 13、蝸桿 14、電機1 15、減速 16、電機2 17、齒輪5 18、齒輪6 19、減速器 20、電機3 21、機體 圖7 方案示意圖 22、帶固定點 23、從動帶輪 24、帶3 25、惰輪 26、帶4

25、 27、惰輪 28、帶5 29、電機4 2.2 機器人的主要性能參數(shù) 2.2.1 技術(shù)指標： (1) 平均機動速度：≥0.4m/s (2) 爬行能力：野外各種復雜地面 (3) 操作方式：遙控 (4) 動力特性：電池 2.2.2 足末端工作空間計算 建立如圖8所示坐標系 圖8 坐標系 由前置坐標系求取末端空間位姿 列變量表 連桿扭角 連桿長度a 連桿間距D 轉(zhuǎn)角變量 0 150

26、 0 450 0 0 150 0 0 450 0 T = = 可得腿部末端的空間位置為（X,Y,Z） 2.2.3 材料選擇 按工作要求，四足仿生移動機器人要實現(xiàn)全方位行走，且適應復雜地形。在保證足夠強度、剛度的條件下，對整個腿的質(zhì)量要加以限制，減少驅(qū)動源的動力消耗，使機器人輕便靈活，這要求足輕而且堅固LY2硬質(zhì)鋁合金作為腿結(jié)構(gòu)材料。 2.2.4 其他技術(shù)參數(shù)的擬定 (1) 其腿部結(jié)構(gòu)尺寸為： 髖關節(jié)長度：l1=150mm; 大腿長度： l2=450mm 膝關節(jié)長度：l3=150mm

27、; 小腿關節(jié)長度：l4=450mm； 足長：l5=100mm (2) 其腿部質(zhì)量參數(shù)為： 單腿質(zhì)量：1KG 極限夾持重量：1.5KG 髖關節(jié)質(zhì)量：m1=0.15KG 大腿質(zhì)量 ：m2=0.3KG 膝關節(jié)質(zhì)量：m3=0.15KG; 小腿關節(jié)質(zhì)量：m4=0.3KG 足質(zhì)量：m5=0.1KG 2.3 機器人機械結(jié)構(gòu)及傳動設計 根據(jù)本設計的要求，并對國內(nèi)外四足仿生移動機器人的典型結(jié)構(gòu)加以參考，對各個回轉(zhuǎn)關節(jié)的傳動方案和結(jié)構(gòu)初步單獨分析。 2.3.1 機器人腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)設計 腰部外安放一驅(qū)動電機1，驅(qū)動內(nèi)部齒輪2齒輪3傳動裝置，實現(xiàn)豎直主軸4的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)大腿5，小腿6

28、等工作部分的旋轉(zhuǎn)自由度，如圖9腰部設計,內(nèi)部傳動。 6 1 2 4 3 5 圖9 腰部傳動設計6 1-驅(qū)動電機 2-齒輪 3-齒輪 4-豎直主軸 5-大腿 6-小腿 2.3.2 機器人大腿和小腿轉(zhuǎn)動關節(jié)設計 5 9 10 7 8 在大腿與肩部連接關節(jié)處安裝一驅(qū)動電機7，帶動與之相連的蝸輪8旋轉(zhuǎn)，進而帶動與蝸桿8嚙合的蝸輪9旋轉(zhuǎn)，蝸輪旋轉(zhuǎn)使得與之相連的軸10旋轉(zhuǎn)，這樣最終轉(zhuǎn)動大臂

29、5，機構(gòu)設計如圖10大臂傳動設計。而小臂與大臂之間通過膝關節(jié)連接，大腿上裝有電機11，帶動帶輪12旋轉(zhuǎn)，用一圓帶13連接帶輪14，帶輪14與膝關節(jié)用鍵連接使其無相對旋轉(zhuǎn)，電機旋轉(zhuǎn)時膝關節(jié)與大腿便產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)角。齒輪15通過軸16及鍵固定在大腿上，膝關節(jié)與大腿的相對轉(zhuǎn)角通過齒輪17、18傳遞給19，齒輪19與小腿無相對運動，這樣小腿跟膝關節(jié)便產(chǎn)生一個與膝關節(jié)跟大腿相同大小的相對轉(zhuǎn)角，且由齒輪傳動的變相性小腿與膝關節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向一致，設計如圖11小腿傳動設計。 圖10 大腿傳動設計 7-電機 8-蝸輪 9-蝸桿 10-傳動軸 18 15 14 11 12 1

30、6 17 18 13 圖11小腿傳動設計 11-電機 12-帶輪 13-圓帶 14-帶輪 15-齒輪 16-齒輪 17-齒輪 18-齒輪 2.3.3 機器人腕部活動關節(jié)的設計 設計機器人手腕自由度數(shù)時，要根據(jù)作業(yè)需要來定 [14]。要使機器人各關節(jié)的運動角度愈大，則手腕自由度數(shù)目應愈多，那么機器人的靈活性就愈高，在作業(yè)中就會表現(xiàn)出愈強的適應能力。，同時腕部結(jié)構(gòu)的復雜性會隨自由度的增加而增加，機器人的控制也就更困難，使其成本增加。因此，要根據(jù)實際作業(yè)要求來確定手腕的自由度數(shù)。在能達到作業(yè)要求的前提下，應盡可能的減少自由度數(shù)。一般的機器人手腕有2

31、至3個自由度，有的則需要更多的自由度數(shù)，而有不需要自由度，實現(xiàn)作業(yè)的任務要求僅憑受腰部和臂的運動就能完成。所以要具體問題具體分析，考慮四足機器人的運動方案，多種布局，選擇最簡單的方案并使其滿足要求，綜上則該四足仿生移動機器人腕部采用一個自由度。 機器人腕部安裝在足式機器人手臂的末端，在設計時應盡量減少手腕的體積和重量，使其結(jié)構(gòu)緊湊。采用分離傳動驅(qū)動器的腕部機構(gòu)，以減輕機器人腕部重量。腕部驅(qū)動器不采用直接驅(qū)動，一般在手臂上安裝驅(qū)動器，并且采用鋁合金等強度高材料制造。 機器人的末端執(zhí)行器要聯(lián)在手腕上，所以要有標準的法蘭聯(lián)接，在結(jié)構(gòu)上使末端執(zhí)行器裝卸簡便。 在力與運動傳遞的過程當中，機器人的手

32、腕機構(gòu)要體現(xiàn)足夠的剛度和強度，用以保證實現(xiàn)其動作。 為減小空回間隙，提高傳動精度，應設有可靠的傳動間隙調(diào)整的機構(gòu)。 為避免超限造成機械損壞，在各關節(jié)軸轉(zhuǎn)動處要有限位開關，且設置硬限位。 綜上腕部結(jié)構(gòu)及傳動初步設計如下： 31 30 28 27 26 25 24 23 22 20 21 29 圖12 腕部轉(zhuǎn)動設計 20-傳動電機 21-帶輪 22-帶 23-帶輪 24-帶 25-帶輪 26-帶

33、27-帶輪 28-圓柱直齒輪 29-圓柱直齒輪 30-傳動軸 31-手腕部分 電機20的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動帶輪21，通過帶22、帶輪23、帶24、帶輪25、帶26、帶輪27將動力傳遞給齒輪28，與之嚙合的圓柱直齒輪29旋轉(zhuǎn)，并帶動傳動軸30從而可實現(xiàn)手腕部分31的旋轉(zhuǎn)自由度，如圖11、12腕部轉(zhuǎn)動設計。該方案的結(jié)構(gòu)相對復雜，但整體重量相對較輕，且緊湊性更好，可以自由選擇電機類型。 28 27 30 29 31 圖13腕部俯仰設計 27-帶輪 28-圓柱直齒輪29-圓柱直齒輪 30-傳動軸 31-手腕部分 3 電機的確定 3.1 各關節(jié)最大負載轉(zhuǎn)

34、矩計算 3.1.1 運動狀態(tài)分析 機器人一個步態(tài)周期由四條腿依次“抬起——擺動——放下”的動作構(gòu)成，而每條腿得“抬起——擺動——放下”需要一個步態(tài)周期分成若干個階段與之相對應，要保證行走的穩(wěn)定性就需要合理控制每條腿來實現(xiàn)。機器人總重m=15KG，重心在機體中心。行走時三腿承受重量，一腿邁步。單腿承受力約F>=75N 3.1.2 負載轉(zhuǎn)矩的計算 腿撐地時負載轉(zhuǎn)矩的計算 L=/2=2012.46mm 撐地狀態(tài)時最大負載轉(zhuǎn)矩分析 受力分析： G （L2+L3’）

35、 F1 F2 彎矩分析： y x 則髖關節(jié)最大負

36、載轉(zhuǎn)矩 = =41.7N.m 此時膝關節(jié)最大負載轉(zhuǎn)矩 =7.95 N.m 抬腿至水平時負載轉(zhuǎn)矩的計算: 抬腿至水平時狀態(tài)如右圖 此時彎矩圖如右： M2’=G1’+

37、大負載轉(zhuǎn)矩分別為 M2= M3=1.925 M4=0.9 3.2機器人驅(qū)動方案的對比分析及選擇 機器人通常有以下四種[15]驅(qū)動方式： （1）步進電機 可以通過數(shù)字控制直接對其控制，可控性好，結(jié)構(gòu)簡單，并且成本低；一般情況下不需要反饋就能對位置和速度實現(xiàn)控制；且不會產(chǎn)生因積累形成的位置誤差；它具備自鎖能力（變磁阻式）及保持轉(zhuǎn)矩（永磁式）的能力，對控制系統(tǒng)的定位有利。但是步進電機空間分辨率較低，并且基本上不具有過載能力，功率偏大的一般體積較大；功率較小的，僅適于傳動功率小的小型或關節(jié)機器人。 （2）液壓伺服馬達 液壓伺服馬達負載能力很大，且具有較大的功率密度，其在保證抓住重負載不下

38、滑的同時，能實現(xiàn)精度較高定位和平穩(wěn)的運動，從關鍵技術(shù)包括體積、重量等的要求考慮，是一個最佳的選擇方案。但其費用較高，而且其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護不方便。 （3）交流伺服電機 交流伺服電機的價格介于直流伺服電機和步進電機之間，其結(jié)構(gòu)簡單，體積較小而且運行可靠，使用起來維修方便。在調(diào)速性能方面交流伺服電機隨著相關技術(shù)的發(fā)展（GTO可關斷晶閘管，MOSFET場效應管和GTR大功率晶閘管等電子器件、計算機控制技術(shù)及脈沖調(diào)寬技術(shù)），有了很大提高。增量式碼盤反饋，因其采用32 位 DSP 三環(huán)（速度、位置、電流）和16 位CPU全數(shù)字控制，可以達到很高的精度。啟動功率在超過三倍過載輸出扭矩時也可

39、以達到很，并且提供較高的響應速度。 （4）直流伺服電機 在調(diào)速特性上直流伺服電機具有良好優(yōu)勢，它的特點是相對功率大，響應速度快且啟動力矩大，而且控制技術(shù)成熟。雖然其結(jié)構(gòu)相對復雜，但能夠通過外圍轉(zhuǎn)換電路與微機配合實現(xiàn)數(shù)字控制。使用直流伺服電機，可以給機器人佩戴移動電源，提高其遠程可操作性。 由于本設計研究的四足仿生移動機器人的體積和重量均要求小且額定負載一般，也為了便于控制，經(jīng)綜合分析，決定采用直流伺服電機作為驅(qū)動。 3.3驅(qū)動電機的選擇 3.3.1 電機選型有關參數(shù)計算 由于傳動負載作回轉(zhuǎn)運動 負載額定的功率： （3-1） 負載加

40、速的功率： （3-2） 負載力矩（折算到電機軸上）： （3-3） 負載GD（折算到電機軸上）： （3-4） 起動時間： （3-5） 制動時間： （3-6） -----額定功率，KW； -----加速功率，KW； -----負載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min； -----電機軸回轉(zhuǎn)速度，r/min； -----負載的速度，m/min； -----減速機效率； -----摩擦系數(shù)；

41、 -----負載轉(zhuǎn)矩（負載軸），； -----電機啟動最大轉(zhuǎn)矩，； -----負載轉(zhuǎn)矩（折算到電機軸上），； -----負載的，； -----負載（折算到電機軸上），； -----電機的，； 髖關節(jié)轉(zhuǎn)動慣量計算 髖部水平旋轉(zhuǎn)只存在摩擦力矩，沒有其他轉(zhuǎn)矩在回轉(zhuǎn)圓周上，則在回轉(zhuǎn)軸上有： （3-7） -----滾動軸承摩擦系數(shù)，取為0.005； -----負載與機械手本身的重量總和，取為1； -----軸承內(nèi)徑，R=10；移動速度>0.4m/s 帶入數(shù)據(jù)，計算得 =0.5*； 由V=0.4m/s

42、 令最大擺腳=120=2/3 R=0.45m 由v= ① ② 由①②聯(lián)立得=8.5r/min 傳動比定為1/120； 負載轉(zhuǎn)動慣量=4g(J1+J2)

43、 10mm J1= 100mm =2.7* D1=10CM D2=8CM L=15CM 得J1= a L1段繞a 旋轉(zhuǎn)

44、 L1 J2= =0.102 l2 L3 L4 則=4.08 3.3.2 髖關節(jié)水平旋轉(zhuǎn)電機選配

45、 L5 由（3-1）得=4.54 其中傳遞效率取0.98 =(1/120)= 2.8 由（3-2） 可得TL=4.2 TP(啟動最大轉(zhuǎn)矩)>1.3 TL 以保證電機可靠運行，TP=5.5N.m 機械系統(tǒng)的動態(tài)特性受慣量影響，慣量越小，系統(tǒng)的動態(tài)特性反應越好；慣量越大，馬達的負載也就越大，越難控制，但機械系統(tǒng)的慣量需和馬達慣量相匹配才行，一般負載慣量建議應小于電機慣量的5倍。 即 J1+J2：Jm<5:1 Jm>0.0204 綜上=4.54 TP=5.5N.m Jm>0.0204 N=1020r/min 3.3.3髖關節(jié)俯仰電機選配 俯仰

46、參數(shù)計算 設最大擺腳1=45 擺腳時間t=1s 傳動比i=1:150 傳遞效率=0.99 Nl=7.5r/min Tl=M2=41.7N.m Jl=J2=0.102KG. Nm=Nl*150=1125r/min Tl=TL/150. =0.

47、28 N.m V J1 JL=(Jl+J2)/+J1 J1 J2= =1.6*kg. J1= =6.57*kg. 則JL=0.045 kg. 計算得=33.08 TP=0.364N.m Jm>0.009 N=1125r/min 3.3.4 膝關節(jié)電機選配 參數(shù)計算 齒輪 1=0.99 J4 J5 J6 帶 2=0.99

48、 J2 減速器 3=0.99 J3 大齒輪直徑D1=8cm J1 小齒輪直徑D2=6cm 帶輪直徑 D1=8cm 帶長L=2L2+d3=925mm 由設定條件知擺腳2=45 時間t=1s 由介輪條件知大小輪相對轉(zhuǎn)角的2倍為膝關節(jié)變量 Nl=3.75r/min Tl=M3=1.925 J1=(m4+m5)=400 J2==0.0016= J5= J6 J3= J4==0.0005 JL=J6+()(J1+J2+J3

49、+J4+J5)=0.01 Nm=Nl*300=1125r/min TL= Tl/300*=0.0065 計算得=0.764 TP=0.00845N.m Jm>0.002 N= 1125r/min 3.3.5 腕關節(jié)電機選配 參數(shù)計算 帶 1=0.99 減速器 2=0.99 設定腕關節(jié)轉(zhuǎn)速 Nl=5r/min 傳動比為 1:200 電機轉(zhuǎn)速 Nm=1000 r/min J1=m=3.3 J2=J3=J4=J5=0.0016 JL=J5+()(J1

50、+J2*3)=0.0016 Tl= Tl/200*=0.0045 計算得=0.47 TP=0.0585N.m Jm>0.00032 N=1000 r/min 綜上選定電機型號參數(shù)如下： maxon電機，Re10系列 輸出功率1.1W,電壓12V ，出轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)，0---15V可以使用，帶直徑10mm的減速器. 帶編碼器6根線輸出，可送編碼器的接線資料。 電機機身長度（含編碼器.減速器）為46.5mm。輸出軸為2mm，長度為12mm maxon電機，屬于Re10系列maxon電機，屬于Re10系列 4. 帶傳動設計 4.1 各參數(shù)設計及計算 4.1.1參數(shù)設計

51、 L1 腕關節(jié)帶傳動比為1 L2 腕關節(jié)轉(zhuǎn)速Nl=5r/min 傳遞扭矩 T1=0.9 N.m L3 功率 P1= 0.47W 4.1.2 確定名義傳動功率 計算功率 PC=KAP　　　　　　　　　　 式中 KA--工作情況系數(shù)，取1.2； 　　　 PC --名義傳動功率（kW）。 得PC1 = P1*1.2=0.56w 4.2 帶型選擇及帶輪設計 4.2.1選擇帶型 根據(jù)帶傳動

52、的設計功率PC和小帶輪轉(zhuǎn)速n1初選帶型為圓帶，適合小功率低速使用 4.2.2 確定帶輪基準直徑 當其它條件不變時，帶輪基準直徑越小，帶傳動越緊湊，但帶內(nèi)的彎曲應力越大，導致帶的疲勞強度下降，傳動效率下降。擇小帶輪基準直徑時，應使 d1≥ dmin ，并取標準直徑。 忽略滑動摩擦率的影響，則有d1=id2=d2 ，查機械設計手冊可知d1=8cm> dmin 滿足要求。 4.2.3驗算帶速 帶速的計算式為： =0.02m/s 4.2.4確定中心距和帶長 中心距a的大小，直接關系到傳動尺寸和帶在單位時間內(nèi)的繞轉(zhuǎn)次數(shù)。中心距大，則傳動尺寸大，但

53、在單位時間內(nèi)繞轉(zhuǎn)次數(shù)可以減少，可以增加帶的疲勞壽命，同時使包角增大，提高傳動能力。 設計第一、三條帶長a1=a3=370mm, 第二條帶長a2=70mm,均符合要求。 帶長： mm 4.2.5包角 由傳功比為1可知： 在大于~范圍內(nèi) 4.2.6確定帶根數(shù) :包角修正系數(shù) :帶長修正系數(shù) :單根基本額定功率 取 4.2.7初拉力 即發(fā)揮傳動能力又保證單根帶壽命 初拉力： Q:帶質(zhì)量 0.041 :包角修正系數(shù) 4.2.8軸壓力 4.2.9帶輪結(jié)構(gòu)設計 圖14 帶輪

54、 圖15 帶輪 由于小功率低速選用鑄鋁，帶輪直徑d1=80mm，軸孔直徑D1=20mm，輪厚f=10mm，鍵槽寬w=4mm，深h=3mm,帶槽直徑d2=8mm結(jié)構(gòu)如上圖14、15。 5工作裝置的強度校核 5.1 軸的強度校核 軸應按照彎扭合成應力校核軸的強度，材料是45號鋼。由上述計算可知腰關節(jié)軸承受的彎扭力矩最大，且其他軸軸徑均大于等于20mm,若此軸滿足強度要求則其他軸均滿足要求。此軸結(jié)構(gòu)如下圖16。 圖16 腰關節(jié)軸 剪力方程和彎矩方程 ： Fs = Fs

55、(x ) M = M（x） 各分力的彎矩合成方程： 軸的載荷分析圖如下： 圖17 載荷分析圖 通過以上計算得到得彎矩M=4.89 Nmm，扭矩T=8.7N.m 選取彎矩和扭矩大而軸徑小可能斷的截面為危險截面做彎扭合成強度的校核計算。 按第三強度理論的計算應力公式： 為對稱循環(huán)變應力 為扭轉(zhuǎn)切應力 為了考慮兩者循環(huán)特性不同的影響，引入折合系數(shù)α 則 扭轉(zhuǎn)切應力為對稱循環(huán)變應力時： 取α=0.6 對于直徑為d的圓軸： 扭轉(zhuǎn)切應力 代入與得： =11.3 M

56、pa <=355 Mpa 式中： 為對稱循環(huán)變應力的軸的許用彎曲應力 (MPa)，具體數(shù)值查機械設計手冊B19.1-1為355 Mpa 為軸的計算應力 Mpa M 為軸所受的彎矩 Nmm T 為軸所受的扭矩Nmm W 為軸的抗彎截面系數(shù) ()具體數(shù)值查機械設計手冊B19.3-15-17 5.2 軸承的選型 選用軸承時，首先是選擇標準軸承的基本特點，應合理的選擇軸承類型時所考慮的主要因素。選擇軸承的主要依據(jù)是軸承受的載荷大小、方向和性能。 在本設計中軸承受的力不大的采用滑動軸承，以適應較小的安裝空間。承受較大軸向力的采用圓錐棍子軸承。圓錐棍子軸承可以保證軸在縱向上承

57、受的力，同時也防止了軸向竄動。 軸承內(nèi)圈與軸的配合采用的是過度配合，軸承外圈采用的是過盈配合。軸承的融滑采用的是脂融滑。 圖18 四足仿生移動機器人二維裝配圖 結(jié) 論 本次畢業(yè)設計給我?guī)砹撕艽笫斋@，它使我對機械設計等課程的理解進一步加深了，讓我在理論上有了很大提高。 調(diào)研階段，通過在圖書館查資料進一步加深了對機械尤其是工程機械行業(yè)的了解，深刻體會到我國的機器人行業(yè)與國外發(fā)達國家的差距，也是對我的自我學習和自我完善的能力提高。 本次設計最深刻的體會是實踐對于機械課程學習的重要性，也是以后應該注意的 本次畢業(yè)設計

58、是我大學四年學習課程的一個總結(jié)，畢業(yè)設計讓我系統(tǒng)地鞏固了大學四年的學習課程，通過畢業(yè)設計使我更加了解到機械設計在實際生產(chǎn)中的重要作用。 從2013年3到6月，我們歷時近三個月，系統(tǒng)地鞏固了如：《機械設計》、《工程圖學》、《機械制造基礎》等許多課程。全面的進行了一次工具書的使用和查閱的復習習，從分析零件圖到模具的設計與裝配圖的繪制，在指導老師的帶領下，每一個環(huán)節(jié)都是在老師的指導下自己完成的。在整個設計過程中，有不少同組同學給予了我很大的幫助，這讓我深深地體會到團隊力量的強大，學會了與大家探討問題并虛心聽取他人意見。 參 考 文 獻 1 w

59、ww-robot.mes.titech.ac.jp/research/paper_e.html 2鄭浩峻等. 基于CPG 原理的機器人運動控制方法. 高技術(shù)通訊,2003(7):64-67 3 4 劉靜, 趙曉光, 譚民. 腿式機器人的研究綜述. 機器人，2006,28(1):81-88. 5何冬青, 馬培蓀, 曹沖振, 袁寶民, 葉蓉石. 四足機器人對角小跑起步姿態(tài)對穩(wěn)定性的影響. 上海交通大學學報,2005,39(6):880- 882 6劉 洋, 陳佳品, 程君實. 基于 OpenGL 的四足機器人步態(tài)仿真系統(tǒng). 計算機工程,2002,28(10):53- 71 7 陳學東

60、, 郭鴻頌, 渡邊桂吾. 四足機器人爬行步態(tài)的正運動學分析. 機械工程學報,2003,39(2):8-12 8徐軼群, 萬隆君. 四足步行機器人腿機構(gòu)及其穩(wěn)定性步態(tài)控制. 機械科學與技術(shù),2003,22(1):8-12 9王新杰, 李培根, 陳學東 陳宏娟. 四足步行機器人關節(jié)位姿和穩(wěn)定性研究.中國機械工程,16(17):1561-1566 10 何冬青, 馬培蓀. 四足機器人動態(tài)步行仿真及步行穩(wěn)定性分析. 計算機仿真,2005,22(2):146-149 11 陳佳品, 程君實, 馮 萍, 馬培蓀, 潘俊民, 席裕庚. 四足機器人對角小跑步態(tài)的研究. 上海交通大學學報,1997,31

61、(6):18-23 12 何冬青, 馬培蓀, 曹曦, 曹沖振, 于會濤. 四足機器人對角小跑起步姿態(tài)對穩(wěn)定步行的影響. 機器人,2004,26(6):530-537 13陳佳品, 程君實, 席裕庚. 四足機器人對角小跑直線步行的虛擬模型. 上海交通大學學報報,2001,35(12):1771-1775 14吳振彪.工業(yè)機器人[M].武漢:華中理工人學出版社，1997 15王庭樹.機器人運動學與動力學[M].西安電子科技大學出版社，1990 致 謝 本畢業(yè)設計是在張老師的精心指導下完

62、成的。在此，向他表示衷心的感謝。從陌生到開始接觸，從了解到熟悉，這是每個人學習事物所必經(jīng)的一般過程，我對四足機器人的認識過程亦是如此。經(jīng)過三個月的努力，這次畢業(yè)設計劃上了一個圓滿的句號，為以后的工作打下了基礎。同時，希望各位讀者在對此文的不足給抒指導，批評和提出寶貴的意見和建議。在此，對關心和指導過我各位老師和幫助過我的同學表示衷心的感謝! 至此，為期三月的畢業(yè)設計接近尾聲了，我們在校的學習生涯也即將結(jié)束，馬上就要步入自己的人生旅途了。這次畢業(yè)設計是我們走向工作崗位的最后一次全面的練兵，讓我們對自己這四年來學的知識進行了全面、詳細地整理，又一次運用所學知識來解決實際問題，這種能力是以后工作所

63、必須的。相信通過這次設計，自己的能力有了進一步提高。為以后的工作打下了堅實的基礎，為將來的工作積累了豐富的知識庫。經(jīng)過四年的學習，自己的專業(yè)技能和處理問題的能力都有了很大的提高，堅信自己在以后的工作中會很順利的。 最后，對關心和指導過我各位老師和幫助過我的同學再次表示衷心的感謝! 摘要 4 1 緒論 6 1.1綜述 6 1.2發(fā)展概況 6 1.2.1國內(nèi)發(fā)展概況 7 1.2.2國外發(fā)展概況 7 1.3課題背景 8 1.4目的及意義 8 1.5本文主要的研究工作 9 2 設計內(nèi)容 10 2.1理論依據(jù) 10 2.2方案實施

64、 10 2.2.1方案比較： 12 2.2.2方案的選定 12 3四桿機構(gòu)的設計 13 3.1基礎理論知識 13 3.1.1曲柄存在條件 13 3.1.2急回運動特性和行程速比K 13 3.1.3壓力角和傳動角 14 3.2軌跡設計 15 3.3方案四桿機構(gòu)的設計與計算 16 3.3.1四桿尺寸 16 3.3.2最小傳動角計算 17 3.3.3步態(tài)分析 18 4傳動機構(gòu)設計 19 4.1傳動方案及電機選擇 19 4.2同步帶傳動設計 19 4.2.1確定計算功率 19 4.2.2選擇同步帶型號 20 4.2.3確定帶輪齒數(shù)、和帶輪節(jié)圓直徑、 20 4.2.

65、4驗算帶速 20 4.2.5確定中心距和同步帶節(jié)線長度及齒數(shù) 20 4.2.6作用在軸上的壓力 21 5主軸組件設計 22 5.1主軸組件的總體布置 22 5.2主軸的結(jié)構(gòu)設計 22 5.2.1主軸的材料和熱處理 23 5.2.2初估軸徑 23 5.2.3軸的結(jié)構(gòu)設計 23 5.2.4軸的強度驗算 25 6箱體設計 27 6.1箱體材料的選擇 27 6.3箱體的加工 28 7桿件布層 30 8操作與安裝 31 小結(jié) 32 致 謝 34 參考文獻 35 摘要 在自然界或人類社會中，存在人類無法到達的地方和可能危及人類生命的特殊場合，如工地、防災救援等許多領

66、域，對這些復雜環(huán)境不斷的探索和研究往往需要有機器人的介入。四足步行機器人是機器人的一個重要分支，由于四足機器人比兩足步行機器人承載能力強、穩(wěn)定性好，同時又比六足、八足步行機器人結(jié)構(gòu)簡單，因而更加受到各國研究人員的重視。 整個設計方案主要執(zhí)行構(gòu)件為四桿機構(gòu)。本機構(gòu)采用對角線一致的原則，通過曲柄搖桿機構(gòu)帶動腿部運動，左前腿與右前腿一致，右前腿與左前腿一致。它是利用連桿曲線特性，當一對角足運動處于曲線的直線段時則著地不動，而另一對角足則處在曲線段做邁足運動，從而可實現(xiàn)類似動物的邁足運動。采用直流伺服電機驅(qū)動，通過同步帶輪帶動曲柄搖桿機構(gòu)運動。 關鍵詞：曲柄搖桿 對角線一致 傳動件 主軸組件 箱體設計 桿件布層 Abstract In the natural and human society ,there are many places that