四足仿生移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、河工大2013屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 河工大 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 作 者： 學(xué) 號(hào)： 系： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 題 目： 四足仿生移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 張 副教授 評(píng)閱者： 2013年 5月 29日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

2、外文摘要 四足仿生移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要： 本設(shè)計(jì)為四足仿生移動(dòng)機(jī)器人，遠(yuǎn)程遙控并能全自主自動(dòng)動(dòng)作。它包括機(jī)體、由伺服電機(jī)帶動(dòng)的腿結(jié)構(gòu)，機(jī)體上裝有控制裝置，腿結(jié)構(gòu)分為髖關(guān)節(jié)、大腿長(zhǎng)、膝關(guān)節(jié)、小腿關(guān)節(jié)、足端，通過(guò)四個(gè)伺服電機(jī)控制四自由度變量，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的仿生移動(dòng)。該移動(dòng)機(jī)器人能適應(yīng)比較復(fù)雜且不可預(yù)測(cè)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境, 在保證足夠強(qiáng)度、剛度的條件下，對(duì)整體的質(zhì)量要加以限制，以減少驅(qū)動(dòng)源的動(dòng)力消耗，使機(jī)器人輕便靈活。設(shè)計(jì)機(jī)身總重15KG，采用輕而且堅(jiān)固的LY2硬質(zhì)鋁合金作為腿結(jié)構(gòu)材料，平均機(jī)動(dòng)速度≥0.4m/s，機(jī)構(gòu)本身共12個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)靈活，越障性和環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，在執(zhí)行星球

3、探測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、排爆、災(zāi)難救援等較復(fù)雜高危環(huán)境中應(yīng)用性很強(qiáng)。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人 四足 仿生 帶傳動(dòng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù) - 1 - 1.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容 - 5 -

8、 2 四足仿生移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及要求 - 5 - 2.1 四足仿生移動(dòng)機(jī)器人的總體方案確定 - 5 - 2.2 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) - 9 - 3 電機(jī)的確定 - 13 - 3.1 各關(guān)節(jié)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 - 13 - 3.2 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的對(duì)比分析及選擇 - 14 - 3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 - 15 - 4. 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) - 21 - 4.1 各參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算 - 21 - 4.2 帶型選擇及帶輪設(shè)計(jì) - 21 - 5工作裝置的強(qiáng)度校核 - 23 - 5.1 軸的強(qiáng)度校核 - 23 - 5.2 軸承的選型 - 25 - 結(jié) 論

9、 - 26 - 參 考 文 獻(xiàn) - 27 - 致 謝 - 29 - 河工大2013屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1 概述 1.1 緒論 隨著機(jī)械制造行業(yè)技術(shù)水平的提高及機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料等學(xué)科的發(fā)展，促進(jìn)了機(jī)器人應(yīng)用到更廣泛的行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)。由于人類探索活動(dòng)的廣度和深度不斷提高，加速了機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用。 自然環(huán)境中有約50％的地形，輪式或履帶式車(chē)輛到達(dá)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(cè)和利用且要盡可能少的破壞環(huán)境，足式機(jī)器 人以其固有的移動(dòng)優(yōu)勢(shì)成為野外探測(cè)工作的首選，另外，如海底和極地的科學(xué)考察和探索， 足式機(jī)器人也具有明顯的優(yōu)勢(shì)

10、，因而足式機(jī)器人的研究得到世界各國(guó)的廣泛重視。現(xiàn)研制成 功的足式機(jī)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(zhǎng)期作為人類主要交通工具的馬，牛，驢，駱駝等四足動(dòng)物因其優(yōu)越的野外行走能 力和負(fù)載能力自然是人們研究足式機(jī)器人的重點(diǎn)仿生對(duì)象。因而四足機(jī)器人在足式機(jī)器人中 占有很大的比例，一直以來(lái)也是國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 作為機(jī)器人的一個(gè)極其重要分支，四足移動(dòng)機(jī)器人相對(duì)與兩足步行機(jī)器人具有較強(qiáng)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(jī)器人簡(jiǎn)單，因而深受到各國(guó)研究人員的重視。在四足移動(dòng)機(jī)器人中，機(jī)構(gòu)重要部分之一足結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)得當(dāng)可

11、使其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單大大簡(jiǎn)化控制方案。有學(xué)者認(rèn)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(jī)是最佳的足式機(jī)器人形式，四足機(jī)器人的研究頗具實(shí)用價(jià)值和社會(huì)意義。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù) 1.2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 日本在四足機(jī)器人研究領(lǐng)域最具成果，最具有創(chuàng)新性的成果是電氣通信大學(xué)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(jī)器人近10年來(lái)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(jī)器人用一臺(tái)PC機(jī)系統(tǒng)控制，瑞士Maxon直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光

12、電碼盤(pán)、陀螺儀、傾角計(jì)和觸覺(jué)傳感器?；贑PG的控制器用于生成機(jī)體和四條腿的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，而反射機(jī)制通過(guò)傳感器信號(hào)的反饋，來(lái)改變CPG的周期和相位輸出。機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)步行，顯示了生物激勵(lì)控制對(duì)未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)。 美國(guó)的四足機(jī)的典型代表是卡耐基美隆大學(xué)研制的BigDog，外形體特和比例很像一條兇猛的獵犬，是仿生機(jī)器人中最像仿生對(duì)象的機(jī)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(fù)載52KG，具有很強(qiáng)的野外行走能力。最大的特點(diǎn)是在劇烈的側(cè)面沖擊作用下，仍具有很好的機(jī)體平衡能力，能保持平衡而不倒，如圖1所示?，F(xiàn)已計(jì)劃深入研究BigDog四足

13、移動(dòng)機(jī)器人，使其性能達(dá)到實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)態(tài)移動(dòng)，如平衡、走、爬行、跑等，并使其多方面達(dá)到一個(gè)新的水平[3]，具備識(shí)別粗糙地形、運(yùn)載貨物能力、自主控制能力等。 圖1 美國(guó)卡耐基美隆大學(xué)研制的BigDog 加拿大 McGill 大學(xué)智能機(jī)器中心機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研制了Scout-I與Scout-II兩代四足移動(dòng)機(jī)器人，Scout-I的每條腿僅有l(wèi)個(gè)自由度，髖部也只有1個(gè)驅(qū)動(dòng)器，主要被用來(lái)進(jìn)行行走控制，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，卻有著良好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，如圖2；圖3自主型奔跑機(jī)器人Scout-II，也是髖部只有1個(gè)驅(qū)動(dòng)器，但只需改變前腿和后腿的觸地力矩和觸地角度4個(gè)參數(shù)，控制兩個(gè)自由度的變量，進(jìn)而就可以控制機(jī)

14、器人的運(yùn)動(dòng)。 圖2 Scout-I 圖3 Scout-II 1998年BISAM四足機(jī)器人由德國(guó)開(kāi)發(fā)。該機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)由頭部、4條腿和主體組成。四足機(jī)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(guó)的Bourges (France)大學(xué)也研制成功SILO4系列四足機(jī)器人。 韓國(guó)設(shè)計(jì)一款了從地面到墻壁的行走的四足爬墻機(jī)器人MRWALLSPECT-III，并完成了試驗(yàn)。 從20世紀(jì)80年代我國(guó)開(kāi)始了四足移動(dòng)機(jī)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(yàn)。 非常規(guī)行走機(jī)構(gòu)的研究從70年代開(kāi)

15、始，由吉林工業(yè)大學(xué)陳秉聰教授和莊繼德教授分別帶領(lǐng)兩個(gè)研究小組研究。1985年，一臺(tái)具有兩條平行四邊形腿主要用于無(wú)硬底層的水田耕作的步行機(jī)耕船臺(tái)車(chē)試驗(yàn)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(jī)器人由上海交通大學(xué)馬培蓀等成功研制。JTUMM—III，仿制馬腿的3個(gè)自由度，各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)由直流伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。該機(jī)器人采用兩級(jí)分布式控制系統(tǒng)，有PVDF測(cè)力傳感器裝在腳底，采用模糊算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，位置和力混合控制，實(shí)現(xiàn)了四足步行機(jī)器人JTUMM—III的慢速動(dòng)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(jī)構(gòu)應(yīng)用于該四足步行機(jī)器人，起

16、到緩沖和儲(chǔ)能作用[4]。 另外，1989年，北京航空航天大學(xué)在張啟先教授的指導(dǎo)下 ，孫漢旭博士進(jìn)行了剛性足步行機(jī)的研究，試制成功了一臺(tái)四足步行機(jī)，并進(jìn)行了步行實(shí)驗(yàn)。 清華大學(xué)機(jī)器人及智能自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室正在研制QW-1四足全方位步行機(jī)器人。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)在對(duì)現(xiàn)有地面移動(dòng)機(jī)器人特點(diǎn)分析及結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上，提出名為HIT-HYBTOR的輪足式四足移動(dòng)機(jī)器人概念模型，3個(gè)自由度的輪腿機(jī)構(gòu)被四個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的輪代替，構(gòu)成2個(gè)自由度的髖關(guān)節(jié)，有1個(gè)自由度的膝關(guān)節(jié)，輪式機(jī)器人和足式移動(dòng)可以根據(jù)環(huán)境需求切換。該模型結(jié)合了足式機(jī)器人和輪式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，輪式和足式兩種運(yùn)動(dòng)方式根據(jù)不同的環(huán)境變換，以達(dá)到較高的移動(dòng)速

17、度和良好的運(yùn)動(dòng)靈活性的統(tǒng)一，如圖下4。 圖4 HIT-HYBTOR 1.2.2 機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù) 運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的不可分割兩個(gè)基本問(wèn)題。四足式機(jī)器人因滿足三點(diǎn)支撐而容易保證靜態(tài)穩(wěn)定性,難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性[5]。 四足機(jī)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(dòng)物行走典型步態(tài)：如爬行（Crawl）,對(duì)角小跑（Trot）,溜蹄（Pace），跳躍（bounding），定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)（Rotation），轉(zhuǎn)向（spinning）等。這幾種步態(tài)在實(shí)驗(yàn)室條件下均有成功的試驗(yàn)記錄。標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)比較容易實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)階段大量的文獻(xiàn)所研究的是

18、這幾種標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)及其轉(zhuǎn)換的規(guī)劃和控制問(wèn)題。如爬行步態(tài)（crawl）的規(guī)劃與穩(wěn)定性控制[6～9]；對(duì)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(jī)器人快速移動(dòng)必不可少的一種步態(tài),且機(jī)器人要想越過(guò)大于等于自身大小的障礙物，一般移動(dòng)方式顯得無(wú)能為力，而動(dòng)物利用跳躍步態(tài)可輕易越過(guò)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(jìn)的效率上具有明顯的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。目前對(duì)四足機(jī)步態(tài)研究，跳躍步態(tài)的研究是最具挑戰(zhàn)性的難點(diǎn)問(wèn)題，原因是： （1）需要復(fù)雜的機(jī)體和腿機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)動(dòng)作控制，同時(shí)腿機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)慣性力對(duì)機(jī)體姿態(tài)的動(dòng)力學(xué)

19、性能影響明顯增大，成為系統(tǒng)不可忽略的動(dòng)力學(xué)因素。 （2）腿機(jī)構(gòu)的緩沖裝置是必不可少的，否則機(jī)體的關(guān)節(jié)將受到很大的沖擊力，有可能損壞關(guān)節(jié)和驅(qū)動(dòng)元件。 （3）跳躍步態(tài)需要更大的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)力，現(xiàn)有的腿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)元件的功率密度還不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。解決跳躍步態(tài)的有效方法是仿生學(xué)的應(yīng)用。 腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)： 腿機(jī)構(gòu)是足式機(jī)器人的關(guān)鍵部件，腿機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)和工作空間是足式機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)的可能步態(tài)的幾何基礎(chǔ)；另外足的布局形式，腿的質(zhì)量都對(duì)穩(wěn)定性和步態(tài)也有較大的影響。要適應(yīng)野外環(huán)境的順應(yīng)行走，對(duì)腿機(jī)構(gòu)有特殊的要求。 行走效率及便攜式能源： 在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各關(guān)節(jié)的關(guān)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(fù)載有很大的關(guān)系。腿機(jī)構(gòu)的效率和能量利用率目前還很低。高效的動(dòng)物腿機(jī)構(gòu)給研究提供了很好的借鑒，但機(jī)器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式與動(dòng)物存在很大的不同，動(dòng)物的肌腱肌肉均是具有彈性的儲(chǔ)能元件。機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)均為剛性連接，不但不能儲(chǔ)能，且因觸地的沖擊，要消耗掉許多能量。許多學(xué)者正在研究這一問(wèn)題 控制系統(tǒng)及控制方法： 機(jī)器人與環(huán)境的交互時(shí)存在環(huán)境識(shí)別，導(dǎo)航，軌跡規(guī)劃等移動(dòng)機(jī)器人的共性問(wèn)題，使得控制系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜。四足機(jī)器人從控制任務(wù)方面存在的困難是行走控制需要多個(gè)子系統(tǒng)的密切配合才能完成復(fù)雜的任務(wù)。 1.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容 本課題在了解移動(dòng)機(jī)器人現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析各種機(jī)器人的

21、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擬定總體方案，進(jìn)行四足仿生移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用三維軟件繪制新型四足仿生移動(dòng)機(jī)器人。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)四足仿生機(jī)理的研究，綜合考慮需要實(shí)現(xiàn)的功能和其他因素，設(shè)計(jì)出具有質(zhì)量小運(yùn)動(dòng)靈活的四足仿生機(jī)器人單腿結(jié)構(gòu)。 2 四足仿生移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及要求 2.1 四足仿生移動(dòng)機(jī)器人的總體方案確定 腿結(jié)構(gòu)是足式機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，腿機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)和工作空間是機(jī)器人可能實(shí)現(xiàn)步態(tài)的幾何基礎(chǔ)，另外腿的空間布局和質(zhì)量都對(duì)穩(wěn)定性和步態(tài)規(guī)劃有很大影響。 要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境的順應(yīng)行走，對(duì)腿機(jī)構(gòu)提出了基本的要求： (1) 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的要求； (2) 承載負(fù)載的要求； (

22、3) 機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)和控制能力的要求。 腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是： (1) 腿機(jī)構(gòu)至少應(yīng)該有3個(gè)自由度，足端具備一個(gè)立體的三圍工作空間； (2) 處于支撐狀態(tài)的足端相對(duì)與機(jī)體有直線運(yùn)動(dòng)，避免因機(jī)身上下波動(dòng)消耗不必要的能量 (3) 要有足夠的剛度且質(zhì)量應(yīng)盡量小 自由度分析 根據(jù)仿生學(xué)，腿結(jié)構(gòu)一般分為髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿、腕部，其中髖關(guān)節(jié)有實(shí)現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)和俯仰的兩個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)實(shí)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(gè)自由度，腕部實(shí)現(xiàn)俯仰的一個(gè)自由度。 綜上擬定每條腿有5個(gè)自由度的四足仿生機(jī)器人，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下。 圖5 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 總體方案的確定初步選定整體尺寸

23、：長(zhǎng)900mm寬1800mm高750mm 為限制過(guò)載轉(zhuǎn)矩起到保護(hù)作用和輸出恒定轉(zhuǎn)矩，采用帶驅(qū)動(dòng)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(dòng)帶輪 3、帶固定點(diǎn) 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(dòng)帶輪 12、蝸輪 13、蝸桿 14、電機(jī)1 15、減速 16、電機(jī)2 17、齒輪5 18、齒輪6 19、減速器 20、電機(jī)3 21、機(jī)體 圖7 方案示意圖 22、帶固定點(diǎn) 23、從動(dòng)帶輪 24、帶3 25、惰輪 26、帶4

25、 27、惰輪 28、帶5 29、電機(jī)4 2.2 機(jī)器人的主要性能參數(shù) 2.2.1 技術(shù)指標(biāo)： (1) 平均機(jī)動(dòng)速度：≥0.4m/s (2) 爬行能力：野外各種復(fù)雜地面 (3) 操作方式：遙控 (4) 動(dòng)力特性：電池 2.2.2 足末端工作空間計(jì)算 建立如圖8所示坐標(biāo)系 圖8 坐標(biāo)系 由前置坐標(biāo)系求取末端空間位姿 列變量表 連桿扭角 連桿長(zhǎng)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(dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)全方位行走，且適應(yīng)復(fù)雜地形。在保證足夠強(qiáng)度、剛度的條件下，對(duì)整個(gè)腿的質(zhì)量要加以限制，減少驅(qū)動(dòng)源的動(dòng)力消耗，使機(jī)器人輕便靈活，這要求足輕而且堅(jiān)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(guān)節(jié)長(zhǎng)度：l1=150mm; 大腿長(zhǎng)度： l2=450mm 膝關(guān)節(jié)長(zhǎng)度：l3=150mm

27、; 小腿關(guān)節(jié)長(zhǎng)度：l4=450mm； 足長(zhǎng)：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(guān)節(jié)質(zhì)量：m1=0.15KG 大腿質(zhì)量 ：m2=0.3KG 膝關(guān)節(jié)質(zhì)量：m3=0.15KG; 小腿關(guān)節(jié)質(zhì)量：m4=0.3KG 足質(zhì)量：m5=0.1KG 2.3 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，并對(duì)國(guó)內(nèi)外四足仿生移動(dòng)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)加以參考，對(duì)各個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方案和結(jié)構(gòu)初步單獨(dú)分析。 2.3.1 機(jī)器人腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 腰部外安放一驅(qū)動(dòng)電機(jī)1，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部齒輪2齒輪3傳動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)豎直主軸4的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)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(shè)計(jì),內(nèi)部傳動(dòng)。 6 1 2 4 3 5 圖9 腰部傳動(dòng)設(shè)計(jì)6 1-驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2-齒輪 3-齒輪 4-豎直主軸 5-大腿 6-小腿 2.3.2 機(jī)器人大腿和小腿轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 5 9 10 7 8 在大腿與肩部連接關(guān)節(jié)處安裝一驅(qū)動(dòng)電機(jī)7，帶動(dòng)與之相連的蝸輪8旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)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(dòng)大臂

29、5，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖10大臂傳動(dòng)設(shè)計(jì)。而小臂與大臂之間通過(guò)膝關(guān)節(jié)連接，大腿上裝有電機(jī)11，帶動(dòng)帶輪12旋轉(zhuǎn)，用一圓帶13連接帶輪14，帶輪14與膝關(guān)節(jié)用鍵連接使其無(wú)相對(duì)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)膝關(guān)節(jié)與大腿便產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)角。齒輪15通過(guò)軸16及鍵固定在大腿上，膝關(guān)節(jié)與大腿的相對(duì)轉(zhuǎn)角通過(guò)齒輪17、18傳遞給19，齒輪19與小腿無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣小腿跟膝關(guān)節(jié)便產(chǎn)生一個(gè)與膝關(guān)節(jié)跟大腿相同大小的相對(duì)轉(zhuǎn)角，且由齒輪傳動(dòng)的變相性小腿與膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向一致，設(shè)計(jì)如圖11小腿傳動(dòng)設(shè)計(jì)。 圖10 大腿傳動(dòng)設(shè)計(jì) 7-電機(jī) 8-蝸輪 9-蝸桿 10-傳動(dòng)軸 18 15 14 11 12 1

30、6 17 18 13 圖11小腿傳動(dòng)設(shè)計(jì) 11-電機(jī) 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(jī)器人腕部活動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕自由度數(shù)時(shí)，要根據(jù)作業(yè)需要來(lái)定 [14]。要使機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度愈大，則手腕自由度數(shù)目應(yīng)愈多，那么機(jī)器人的靈活性就愈高，在作業(yè)中就會(huì)表現(xiàn)出愈強(qiáng)的適應(yīng)能力。，同時(shí)腕部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性會(huì)隨自由度的增加而增加，機(jī)器人的控制也就更困難，使其成本增加。因此，要根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來(lái)確定手腕的自由度數(shù)。在能達(dá)到作業(yè)要求的前提下，應(yīng)盡可能的減少自由度數(shù)。一般的機(jī)器人手腕有2

31、至3個(gè)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(shí)現(xiàn)作業(yè)的任務(wù)要求僅憑受腰部和臂的運(yùn)動(dòng)就能完成。所以要具體問(wèn)題具體分析，考慮四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方案，多種布局，選擇最簡(jiǎn)單的方案并使其滿足要求，綜上則該四足仿生移動(dòng)機(jī)器人腕部采用一個(gè)自由度。 機(jī)器人腕部安裝在足式機(jī)器人手臂的末端，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)器的腕部機(jī)構(gòu)，以減輕機(jī)器人腕部重量。腕部驅(qū)動(dòng)器不采用直接驅(qū)動(dòng)，一般在手臂上安裝驅(qū)動(dòng)器，并且采用鋁合金等強(qiáng)度高材料制造。 機(jī)器人的末端執(zhí)行器要聯(lián)在手腕上，所以要有標(biāo)準(zhǔn)的法蘭聯(lián)接，在結(jié)構(gòu)上使末端執(zhí)行器裝卸簡(jiǎn)便。 在力與運(yùn)動(dòng)傳遞的過(guò)程當(dāng)中，機(jī)器人的手

32、腕機(jī)構(gòu)要體現(xiàn)足夠的剛度和強(qiáng)度，用以保證實(shí)現(xiàn)其動(dòng)作。 為減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度，應(yīng)設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整的機(jī)構(gòu)。 為避免超限造成機(jī)械損壞，在各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)處要有限位開(kāi)關(guān)，且設(shè)置硬限位。 綜上腕部結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)初步設(shè)計(jì)如下： 31 30 28 27 26 25 24 23 22 20 21 29 圖12 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì) 20-傳動(dòng)電機(jī) 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(dòng)軸 31-手腕部分 電機(jī)20的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)帶輪21，通過(guò)帶22、帶輪23、帶24、帶輪25、帶26、帶輪27將動(dòng)力傳遞給齒輪28，與之嚙合的圓柱直齒輪29旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)傳動(dòng)軸30從而可實(shí)現(xiàn)手腕部分31的旋轉(zhuǎn)自由度，如圖11、12腕部轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)。該方案的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但整體重量相對(duì)較輕，且緊湊性更好，可以自由選擇電機(jī)類型。 28 27 30 29 31 圖13腕部俯仰設(shè)計(jì) 27-帶輪 28-圓柱直齒輪29-圓柱直齒輪 30-傳動(dòng)軸 31-手腕部分 3 電機(jī)的確定 3.1 各關(guān)節(jié)最大負(fù)載轉(zhuǎn)

34、矩計(jì)算 3.1.1 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析 機(jī)器人一個(gè)步態(tài)周期由四條腿依次“抬起——擺動(dòng)——放下”的動(dòng)作構(gòu)成，而每條腿得“抬起——擺動(dòng)——放下”需要一個(gè)步態(tài)周期分成若干個(gè)階段與之相對(duì)應(yīng)，要保證行走的穩(wěn)定性就需要合理控制每條腿來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人總重m=15KG，重心在機(jī)體中心。行走時(shí)三腿承受重量，一腿邁步。單腿承受力約F>=75N 3.1.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 腿撐地時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 L=/2=2012.46mm 撐地狀態(tài)時(shí)最大負(fù)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(guān)節(jié)最大負(fù)

36、載轉(zhuǎn)矩 = =41.7N.m 此時(shí)膝關(guān)節(jié)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩 =7.95 N.m 抬腿至水平時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算: 抬腿至水平時(shí)狀態(tài)如右圖 此時(shí)彎矩圖如右： M2’=G1’+

37、大負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為 M2= M3=1.925 M4=0.9 3.2機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的對(duì)比分析及選擇 機(jī)器人通常有以下四種[15]驅(qū)動(dòng)方式： （1）步進(jìn)電機(jī) 可以通過(guò)數(shù)字控制直接對(duì)其控制，可控性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且成本低；一般情況下不需要反饋就能對(duì)位置和速度實(shí)現(xiàn)控制；且不會(huì)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(duì)控制系統(tǒng)的定位有利。但是步進(jìn)電機(jī)空間分辨率較低，并且基本上不具有過(guò)載能力，功率偏大的一般體積較大；功率較小的，僅適于傳動(dòng)功率小的小型或關(guān)節(jié)機(jī)器人。 （2）液壓伺服馬達(dá) 液壓伺服馬達(dá)負(fù)載能力很大，且具有較大的功率密度，其在保證抓住重負(fù)載不下

38、滑的同時(shí)，能實(shí)現(xiàn)精度較高定位和平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)，從關(guān)鍵技術(shù)包括體積、重量等的要求考慮，是一個(gè)最佳的選擇方案。但其費(fèi)用較高，而且其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護(hù)不方便。 （3）交流伺服電機(jī) 交流伺服電機(jī)的價(jià)格介于直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小而且運(yùn)行可靠，使用起來(lái)維修方便。在調(diào)速性能方面交流伺服電機(jī)隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展（GTO可關(guān)斷晶閘管，MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管和GTR大功率晶閘管等電子器件、計(jì)算機(jī)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(pán)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(dá)到很高的精度。啟動(dòng)功率在超過(guò)三倍過(guò)載輸出扭矩時(shí)也可

39、以達(dá)到很，并且提供較高的響應(yīng)速度。 （4）直流伺服電機(jī) 在調(diào)速特性上直流伺服電機(jī)具有良好優(yōu)勢(shì)，它的特點(diǎn)是相對(duì)功率大，響應(yīng)速度快且啟動(dòng)力矩大，而且控制技術(shù)成熟。雖然其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但能夠通過(guò)外圍轉(zhuǎn)換電路與微機(jī)配合實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。使用直流伺服電機(jī)，可以給機(jī)器人佩戴移動(dòng)電源，提高其遠(yuǎn)程可操作性。 由于本設(shè)計(jì)研究的四足仿生移動(dòng)機(jī)器人的體積和重量均要求小且額定負(fù)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(jī)作為驅(qū)動(dòng)。 3.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 3.3.1 電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算 由于傳動(dòng)負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 負(fù)載額定的功率： （3-1） 負(fù)載加

40、速的功率： （3-2） 負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸上）： （3-3） 負(fù)載GD（折算到電機(jī)軸上）： （3-4） 起動(dòng)時(shí)間： （3-5） 制動(dòng)時(shí)間： （3-6） -----額定功率，KW； -----加速功率，KW； -----負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min； -----電機(jī)軸回轉(zhuǎn)速度，r/min； -----負(fù)載的速度，m/min； -----減速機(jī)效率； -----摩擦系數(shù)；

41、 -----負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸），； -----電機(jī)啟動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩，； -----負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到電機(jī)軸上），； -----負(fù)載的，； -----負(fù)載（折算到電機(jī)軸上），； -----電機(jī)的，； 髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 髖部水平旋轉(zhuǎn)只存在摩擦力矩，沒(méi)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(dòng)軸承摩擦系數(shù)，取為0.005； -----負(fù)載與機(jī)械手本身的重量總和，取為1； -----軸承內(nèi)徑，R=10；移動(dòng)速度>0.4m/s 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)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(dòng)比定為1/120； 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)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(guān)節(jié)水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(dòng)最大轉(zhuǎn)矩)>1.3 TL 以保證電機(jī)可靠運(yùn)行，TP=5.5N.m 機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性受慣量影響，慣量越小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性反應(yīng)越好；慣量越大，馬達(dá)的負(fù)載也就越大，越難控制，但機(jī)械系統(tǒng)的慣量需和馬達(dá)慣量相匹配才行，一般負(fù)載慣量建議應(yīng)小于電機(jī)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(guān)節(jié)俯仰電機(jī)選配 俯仰

46、參數(shù)計(jì)算 設(shè)最大擺腳1=45 擺腳時(shí)間t=1s 傳動(dòng)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(jì)算得=33.08 TP=0.364N.m Jm>0.009 N=1125r/min 3.3.4 膝關(guān)節(jié)電機(jī)選配 參數(shù)計(jì)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(zhǎng)L=2L2+d3=925mm 由設(shè)定條件知擺腳2=45 時(shí)間t=1s 由介輪條件知大小輪相對(duì)轉(zhuǎn)角的2倍為膝關(guān)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(jì)算得=0.764 TP=0.00845N.m Jm>0.002 N= 1125r/min 3.3.5 腕關(guān)節(jié)電機(jī)選配 參數(shù)計(jì)算 帶 1=0.99 減速器 2=0.99 設(shè)定腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速 Nl=5r/min 傳動(dòng)比為 1:200 電機(jī)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(jì)算得=0.47 TP=0.0585N.m Jm>0.00032 N=1000 r/min 綜上選定電機(jī)型號(hào)參數(shù)如下： maxon電機(jī)，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(jī)機(jī)身長(zhǎng)度（含編碼器.減速器）為46.5mm。輸出軸為2mm，長(zhǎng)度為12mm maxon電機(jī)，屬于Re10系列maxon電機(jī)，屬于Re10系列 4. 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 4.1 各參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算 4.1.1參數(shù)設(shè)計(jì)

51、 L1 腕關(guān)節(jié)帶傳動(dòng)比為1 L2 腕關(guān)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(dòng)功率 計(jì)算功率 PC=KAP　　　　　　　　　　 式中 KA--工作情況系數(shù)，取1.2； 　　　 PC --名義傳動(dòng)功率（kW）。 得PC1 = P1*1.2=0.56w 4.2 帶型選擇及帶輪設(shè)計(jì) 4.2.1選擇帶型 根據(jù)帶傳動(dòng)

52、的設(shè)計(jì)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(zhǔn)直徑 當(dāng)其它條件不變時(shí)，帶輪基準(zhǔn)直徑越小，帶傳動(dòng)越緊湊，但帶內(nèi)的彎曲應(yīng)力越大，導(dǎo)致帶的疲勞強(qiáng)度下降，傳動(dòng)效率下降。擇小帶輪基準(zhǔn)直徑時(shí)，應(yīng)使 d1≥ dmin ，并取標(biāo)準(zhǔn)直徑。 忽略滑動(dòng)摩擦率的影響，則有d1=id2=d2 ，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知d1=8cm> dmin 滿足要求。 4.2.3驗(yàn)算帶速 帶速的計(jì)算式為： =0.02m/s 4.2.4確定中心距和帶長(zhǎng) 中心距a的大小，直接關(guān)系到傳動(dòng)尺寸和帶在單位時(shí)間內(nèi)的繞轉(zhuǎn)次數(shù)。中心距大，則傳動(dòng)尺寸大，但

53、在單位時(shí)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(shí)使包角增大，提高傳動(dòng)能力。 設(shè)計(jì)第一、三條帶長(zhǎng)a1=a3=370mm, 第二條帶長(zhǎng)a2=70mm,均符合要求。 帶長(zhǎng)： 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(zhǎng)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(dòng)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(shè)計(jì) 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(qiáng)度校核 5.1 軸的強(qiáng)度校核 軸應(yīng)按照彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度，材料是45號(hào)鋼。由上述計(jì)算可知腰關(guān)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(qiáng)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(guān)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(guò)以上計(jì)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(xiǎn)截面做彎扭合成強(qiáng)度的校核計(jì)算。 按第三強(qiáng)度理論的計(jì)算應(yīng)力公式： 為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力 為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)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(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)： 取α=0.6 對(duì)于直徑為d的圓軸： 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 代入與得： =11.3 M

56、pa <=355 Mpa 式中： 為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力的軸的許用彎曲應(yīng)力 (MPa)，具體數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)B19.1-1為355 Mpa 為軸的計(jì)算應(yīng)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)B19.3-15-17 5.2 軸承的選型 選用軸承時(shí)，首先是選擇標(biāo)準(zhǔn)軸承的基本特點(diǎn)，應(yīng)合理的選擇軸承類型時(shí)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(shè)計(jì)中軸承受的力不大的采用滑動(dòng)軸承，以適應(yīng)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(shí)也防止了軸向竄動(dòng)。 軸承內(nèi)圈與軸的配合采用的是過(guò)度配合，軸承外圈采用的是過(guò)盈配合。軸承的融滑采用的是脂融滑。 圖18 四足仿生移動(dòng)機(jī)器人二維裝配圖 結(jié) 論 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)給我?guī)?lái)了很大收獲，它使我對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)等課程的理解進(jìn)一步加深了，讓我在理論上有了很大提高。 調(diào)研階段，通過(guò)在圖書(shū)館查資料進(jìn)一步加深了對(duì)機(jī)械尤其是工程機(jī)械行業(yè)的了解，深刻體會(huì)到我國(guó)的機(jī)器人行業(yè)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，也是對(duì)我的自我學(xué)習(xí)和自我完善的能力提高。 本次設(shè)計(jì)最深刻的體會(huì)是實(shí)踐對(duì)于機(jī)械課程學(xué)習(xí)的重要性，也是以后應(yīng)該注意的 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)

58、是我大學(xué)四年學(xué)習(xí)課程的一個(gè)總結(jié)，畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我系統(tǒng)地鞏固了大學(xué)四年的學(xué)習(xí)課程，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)使我更加了解到機(jī)械設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)中的重要作用。 從2013年3到6月，我們歷時(shí)近三個(gè)月，系統(tǒng)地鞏固了如：《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《工程圖學(xué)》、《機(jī)械制造基礎(chǔ)》等許多課程。全面的進(jìn)行了一次工具書(shū)的使用和查閱的復(fù)習(xí)習(xí)，從分析零件圖到模具的設(shè)計(jì)與裝配圖的繪制，在指導(dǎo)老師的帶領(lǐng)下，每一個(gè)環(huán)節(jié)都是在老師的指導(dǎo)下自己完成的。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，有不少同組同學(xué)給予了我很大的幫助，這讓我深深地體會(huì)到團(tuán)隊(duì)力量的強(qiáng)大，學(xué)會(huì)了與大家探討問(wèn)題并虛心聽(tīng)取他人意見(jiàn)。 參 考 文 獻(xiàn) 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(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的研究綜述. 機(jī)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(jī)器人對(duì)角小跑起步姿態(tài)對(duì)穩(wěn)定性的影響. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,39(6):880- 882 6劉 洋, 陳佳品, 程君實(shí). 基于 OpenGL 的四足機(jī)器人步態(tài)仿真系統(tǒng). 計(jì)算機(jī)工程,2002,28(10):53- 71 7 陳學(xué)東

60、, 郭鴻頌, 渡邊桂吾. 四足機(jī)器人爬行步態(tài)的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2003,39(2):8-12 8徐軼群, 萬(wàn)隆君. 四足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)及其穩(wěn)定性步態(tài)控制. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2003,22(1):8-12 9王新杰, 李培根, 陳學(xué)東 陳宏娟. 四足步行機(jī)器人關(guān)節(jié)位姿和穩(wěn)定性研究.中國(guó)機(jī)械工程,16(17):1561-1566 10 何冬青, 馬培蓀. 四足機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行仿真及步行穩(wěn)定性分析. 計(jì)算機(jī)仿真,2005,22(2):146-149 11 陳佳品, 程君實(shí), 馮 萍, 馬培蓀, 潘俊民, 席裕庚. 四足機(jī)器人對(duì)角小跑步態(tài)的研究. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1997,31

61、(6):18-23 12 何冬青, 馬培蓀, 曹曦, 曹沖振, 于會(huì)濤. 四足機(jī)器人對(duì)角小跑起步姿態(tài)對(duì)穩(wěn)定步行的影響. 機(jī)器人,2004,26(6):530-537 13陳佳品, 程君實(shí), 席裕庚. 四足機(jī)器人對(duì)角小跑直線步行的虛擬模型. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)報(bào),2001,35(12):1771-1775 14吳振彪.工業(yè)機(jī)器人[M].武漢:華中理工人學(xué)出版社，1997 15王庭樹(shù).機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，1990 致 謝 本畢業(yè)設(shè)計(jì)是在張老師的精心指導(dǎo)下完

62、成的。在此，向他表示衷心的感謝。從陌生到開(kāi)始接觸，從了解到熟悉，這是每個(gè)人學(xué)習(xí)事物所必經(jīng)的一般過(guò)程，我對(duì)四足機(jī)器人的認(rèn)識(shí)過(guò)程亦是如此。經(jīng)過(guò)三個(gè)月的努力，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)劃上了一個(gè)圓滿的句號(hào)，為以后的工作打下了基礎(chǔ)。同時(shí)，希望各位讀者在對(duì)此文的不足給抒指導(dǎo)，批評(píng)和提出寶貴的意見(jiàn)和建議。在此，對(duì)關(guān)心和指導(dǎo)過(guò)我各位老師和幫助過(guò)我的同學(xué)表示衷心的感謝! 至此，為期三月的畢業(yè)設(shè)計(jì)接近尾聲了，我們?cè)谛５膶W(xué)習(xí)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(shè)計(jì)是我們走向工作崗位的最后一次全面的練兵，讓我們對(duì)自己這四年來(lái)學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了全面、詳細(xì)地整理，又一次運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，這種能力是以后工作所

63、必須的。相信通過(guò)這次設(shè)計(jì)，自己的能力有了進(jìn)一步提高。為以后的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為將來(lái)的工作積累了豐富的知識(shí)庫(kù)。經(jīng)過(guò)四年的學(xué)習(xí)，自己的專業(yè)技能和處理問(wèn)題的能力都有了很大的提高，堅(jiān)信自己在以后的工作中會(huì)很順利的。 最后，對(duì)關(guān)心和指導(dǎo)過(guò)我各位老師和幫助過(guò)我的同學(xué)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(guó)內(nèi)發(fā)展概況 7 1.2.2國(guó)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(shè)計(jì)內(nèi)容 10 2.1理論依據(jù) 10 2.2方案實(shí)施

64、 10 2.2.1方案比較： 12 2.2.2方案的選定 12 3四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13 3.1基礎(chǔ)理論知識(shí) 13 3.1.1曲柄存在條件 13 3.1.2急回運(yùn)動(dòng)特性和行程速比K 13 3.1.3壓力角和傳動(dòng)角 14 3.2軌跡設(shè)計(jì) 15 3.3方案四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 16 3.3.1四桿尺寸 16 3.3.2最小傳動(dòng)角計(jì)算 17 3.3.3步態(tài)分析 18 4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 4.1傳動(dòng)方案及電機(jī)選擇 19 4.2同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 19 4.2.1確定計(jì)算功率 19 4.2.2選擇同步帶型號(hào) 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(yàn)算帶速 20 4.2.5確定中心距和同步帶節(jié)線長(zhǎng)度及齒數(shù) 20 4.2.6作用在軸上的壓力 21 5主軸組件設(shè)計(jì) 22 5.1主軸組件的總體布置 22 5.2主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì) 23 5.2.4軸的強(qiáng)度驗(yàn)算 25 6箱體設(shè)計(jì) 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(xiàn) 35 摘要 在自然界或人類社會(huì)中，存在人類無(wú)法到達(dá)的地方和可能危及人類生命的特殊場(chǎng)合，如工地、防災(zāi)救援等許多領(lǐng)

66、域，對(duì)這些復(fù)雜環(huán)境不斷的探索和研究往往需要有機(jī)器人的介入。四足步行機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支，由于四足機(jī)器人比兩足步行機(jī)器人承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，同時(shí)又比六足、八足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而更加受到各國(guó)研究人員的重視。 整個(gè)設(shè)計(jì)方案主要執(zhí)行構(gòu)件為四桿機(jī)構(gòu)。本機(jī)構(gòu)采用對(duì)角線一致的原則，通過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)腿部運(yùn)動(dòng)，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(dāng)一對(duì)角足運(yùn)動(dòng)處于曲線的直線段時(shí)則著地不動(dòng)，而另一對(duì)角足則處在曲線段做邁足運(yùn)動(dòng)，從而可實(shí)現(xiàn)類似動(dòng)物的邁足運(yùn)動(dòng)。采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)同步帶輪帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。 關(guān)鍵詞：曲柄搖桿 對(duì)角線一致 傳動(dòng)件 主軸組件 箱體設(shè)計(jì) 桿件布層 Abstract In the natural and human society ,there are many places that