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

-64-1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)，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(CentralPatternGenerator)的控制策略[1]而CPG是足式機(jī)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(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)光電碼盤、陀螺儀、傾角計(jì)和觸覺傳感器?；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)制通過傳感器信號(hào)的反饋，來改變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。現(xiàn)已計(jì)劃深入研究BigDog四足移動(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)器人的運(yùn)動(dòng)。圖2Scout-I圖3Scout-II1998年BISAM四足機(jī)器人由德國(guó)開發(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硬底層的水田耕作的步行機(jī)耕船臺(tái)車試驗(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1.7km／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)速度和良好的運(yùn)動(dòng)靈活性的統(tǒng)一，如圖下4。圖4HIT-HYBTOR1.2.2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)所研究的是這幾種標(biāo)準(zhǔn)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(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)器人要想越過大于等于自身大小的障礙物，一般移動(dòng)方式顯得無能為力，而動(dòng)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(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)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：實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的要求；承載負(fù)載的要求；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：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；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：長(zhǎng)900mm寬1800mm高750mm為限制過載轉(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26、帶1方案示意圖7、齒輪38、惰輪9、齒輪410、帶211、驅(qū)動(dòng)帶輪12、蝸輪13、蝸桿14、電機(jī)115、減速16、電機(jī)217、齒輪518、齒輪619、減速器20、電機(jī)321、機(jī)體圖7方案示意圖22、帶固定點(diǎn)23、從動(dòng)帶輪24、帶325、惰輪26、帶427、惰輪28、帶529、電機(jī)42.2機(jī)器人的主要性能參數(shù)2.2.1技術(shù)指標(biāo)：平均機(jī)動(dòng)速度：≥0.4m/s爬行能力：野外各種復(fù)雜地面操作方式：遙控動(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0150045000150004500T=QUOTEQUOTEQUOTE=QUOTE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;小腿關(guān)節(jié)長(zhǎng)度：l4=450mm；足長(zhǎng)：l5=100mm其腿部質(zhì)量參數(shù)為：?jiǎn)瓮荣|(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=0.1KG2.3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)。612435612435圖9腰部傳動(dòng)設(shè)計(jì)661-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)591078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)角通過齒輪17、18傳遞給19，齒輪19與小腿無相對(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)。591078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11815141112161514111216171718181313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)傳遞的過程當(dāng)中，機(jī)器人的手腕機(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：313028272625242322202129圖12腕部轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)31302827262524232220212920-傳動(dòng)電機(jī)21-帶輪22-帶23-帶輪24-帶25-帶輪26-帶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。2827302827302931圖13腕部俯仰設(shè)計(jì)293127-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)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>QUOTE=75N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=QUOTE/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’）F1F2彎矩分析：yx則髖關(guān)節(jié)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩QUOTE=QUOTE=41.7N.m此時(shí)膝關(guān)節(jié)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩QUOTE=7.95N.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’+QUOTE<M2G2’QUOTEM2’M3=G3+QUOTE=1.925QUOTEG3QUOTEM3M4=G4+QUOTE=0.9QUOTEG4QUOTEM4綜上髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為M2=QUOTEM3=1.925QUOTEM4=0.9QUOTE3.2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)功率在超過三倍過載輸出扭矩時(shí)也可以達(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)；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*QUOTE；由V=0.4m/s令最大擺腳QUOTE=120°=2QUOTE/3R=0.45mQUOTE由v=QUOTE=1\*GB3①Q(mào)UOTE=2\*GB3②由=1\*GB3①=2\*GB3②聯(lián)立得QUOTE=8.5r/min傳動(dòng)比定為1/120；負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=4g(J1+J2)10mmJ1=QUOTE100mmQUOTE=2.7*QUOTED1=10CMD2=8CML=15CM得J1=QUOTEaL1段繞a旋轉(zhuǎn)L1J2=QUOTE=0.102QUOTEl2L3L4則=4.083.3.2髖關(guān)節(jié)水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)選配L5由（3-1）得=4.54QUOTE其中傳遞效率取0.98=(1/120)2=2.8QUOTE由（3-2）可得TL=4.2QUOTETP(啟動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩)>1.3TL以保證電機(jī)可靠運(yùn)行，TP=5.5QUOTEN.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<5:1Jm>0.0204QUOTE綜上=4.54QUOTETP=5.5QUOTEN.mJm>0.0204QUOTEN=1020r/min3.3.3髖關(guān)節(jié)俯仰電機(jī)選配俯仰參數(shù)計(jì)算設(shè)最大擺腳QUOTE1=45°QUOTEQUOTEQUOTEQUOTE傳動(dòng)比i=1:150傳遞效率=0.99Nl=7.5r/minTl=M2=41.7N.mJl=J2=0.102KG.QUOTENm=Nl*150=1125r/minTl=TL/150.=0.28N.mVJ1JL=(Jl+J2)/QUOTE+J1J1J2=QUOTE=1.6*QUOTEkg.QUOTEJ1=QUOTE=6.57*QUOTEkg.QUOTE則JL=0.045kg.QUOTE計(jì)算得=33.08QUOTETP=0.364N.mJm>0.009QUOTEN=1125r/min3.3.4膝關(guān)節(jié)電機(jī)選配參數(shù)計(jì)算齒輪1=0.99J4J5J6帶2=0.99J2減速器3=0.99J3大齒輪直徑D1=8cmJ1小齒輪直徑D2=6cm帶輪直徑D1=8cm帶長(zhǎng)L=2L2+QUOTEd3=925mm由設(shè)定條件知擺腳QUOTE2=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/minTl=M3=1.925J1=(m4+m5)QUOTE=400QUOTEJ2=QUOTE=0.0016QUOTE=J5=J6J3=J4=QUOTE=0.0005QUOTEJL=J6+(QUOTE)QUOTE(J1+J2+J3+J4+J5)=0.01QUOTENm=Nl*300=1125r/minTL=Tl/300*=0.0065計(jì)算得=0.764QUOTETP=0.00845N.mJm>0.002QUOTEN=1125r/min3.3.5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=1000r/minJ1=mQUOTE=3.3QUOTEJ2=J3=J4=J5=0.0016QUOTEJL=J5+(QUOTE)QUOTE(J1+J2*3)=0.0016QUOTETl=Tl/200*=0.0045計(jì)算得=0.47QUOTETP=0.0585N.mJm>0.00032QUOTEN=1000r/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)，015V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12mm4.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)L1腕關(guān)節(jié)帶傳動(dòng)比為1L2腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速Nl=5r/min傳遞扭矩T1=0.9N.mL3功率P1=0.47W4.1.2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=0.56w4.2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)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/s4.2.4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)：

QUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTEmm4.2.5包角由傳功比為1可知：QUOTE在大于QUOTE~QUOTE范圍內(nèi)4.2.6確定帶根數(shù)QUOTE:包角修正系數(shù)QUOTE:帶長(zhǎng)修正系數(shù)QUOTE:單根基本額定功率取QUOTE4.2.7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0.041QUOTEQUOTE: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(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圖17載荷分析圖通過以上計(jì)算得到得彎矩M=4.89N·mm，扭矩T=8.7QUOTEN.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： =11.3Mpa<=355Mpa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355Mpa為軸的計(jì)算應(yīng)力MpaM為軸所受的彎矩N·mmT為軸所受的扭矩N·mmW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)B19.3-15-175.2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(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)砹撕艽笫斋@，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，通過在圖書館查資料進(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)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)了與大家探討問題并虛心聽取他人意見。參考文獻(xiàn)1www-robot.mes.titech.ac.jp/research/paper_e.html2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):64-673/watch?v=mpBG-nSRcrQ4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):880-8826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):53-717陳學(xué)東,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):8-128徐軼群,萬隆君.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):8-129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):1561-156610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):146-14911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(6):18-2312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):530-53713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):1771-177514吳振彪.工業(yè)機(jī)器人[M].武漢:華中理工人學(xué)出版社，199715王庭樹.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(gè)人學(xué)習(xí)事物所必經(jīng)的一般過程，我對(duì)四足機(jī)器人的認(rèn)識(shí)過程亦是如此。經(jīng)過三個(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)和提出寶貴的意見和建議。在此，對(duì)關(guān)心和指導(dǎo)過我各位老師和幫助過我的同學(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)來解決實(shí)際問題，這種能力是以后工作所必須的。相信通過這次設(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)，為將來的工作積累了豐富的知識(shí)庫。經(jīng)過四年的學(xué)習(xí)，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(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)過我各位老師和幫助過我的同學(xué)再次表示衷心的感謝!TOC\o"1-3"\h\u30777摘要 4203401緒論 653831.1綜述 665781.2發(fā)展概況 697181.2.1國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 789751.2.2國(guó)外發(fā)展概況 7133241.3課題背景 8241741.4目的及意義 893901.5本文主要的研究工作 9106022設(shè)計(jì)內(nèi)容 10239812.1理論依據(jù) 10242382.2方案實(shí)施 1047992.2.1方案比較： 12245762.2.2方案的選定 12204323四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13322163.1基礎(chǔ)理論知識(shí) 13119813.1.1曲柄存在條件 1342123.1.2急回運(yùn)動(dòng)特性和行程速比K 13237693.1.3壓力角和傳動(dòng)角 14304113.2軌跡設(shè)計(jì) 15291913.3方案四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 1645533.3.1四桿尺寸 16307393.3.2最小傳動(dòng)角計(jì)算 17181043.3.3步態(tài)分析 18107054傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 19249144.1傳動(dòng)方案及電機(jī)選擇 19149014.2同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 19281104.2.1確定計(jì)算功率 1989364.2.2選擇同步帶型號(hào) 20132704.2.3確定帶輪齒數(shù)、和帶輪節(jié)圓直徑、 20206204.2.4驗(yàn)算帶速 20110954.2.5確定中心距和同步帶節(jié)線長(zhǎng)度及齒數(shù) 20271064.2.6作用在軸上的壓力 21236675主軸組件設(shè)計(jì) 22269695.1主軸組件的總體布置 2218655.2主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22184975.2.1主軸的材料和熱處理 23150875.2.2初估軸徑 23287565.2.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23238825.2.4軸的強(qiáng)度驗(yàn)算 2537556箱體設(shè)計(jì) 27293566.1箱體材料的選擇 27315956.3箱體的加工 28111037桿件布層 30173088操作與安裝 3111910小結(jié) 323860致謝 345368參考文獻(xiàn) 35摘要在自然界或人類社會(huì)中，存在人類無法到達(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)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AbstractInthenaturalandhumansociety,therearemanyplacesthathumanbeingscannotreachorspecialoccationsthatmayendangerthelivesofhumanbeings,suchasworkingsiteormanyotherareasofdisasterrelief.Weoftenrequirerobotinterventionduringcontinuousexplorationsandstudiesofinthesecomplexenvironment.4feetwalkingrobotisanimportantbranchofrobot.Since4feetwalkingrobothasgreatadvantagesover2feetrobotincarryingcapacityandstability,whilehavingamoresimplestructurethan6,8feetwalkingrobots,manyresearchersattachgreatimportanceto4feetwalkingrobot.Theexecutivebodyofthedesignispar4institutions.Theagenciesadoptthediagonalprinciples.Thepowergoesthroughcrankrockertothelegs.Themovementofleftfrontlegkeepinconsensuswithrightlatterleg,assuch.Thedesigntakeuseoftherodcurvefeatures,whileonepartofthelegsareinthestraightlineandstandstill,theotherpartareinthecurveparttakingstepsforward,soastoachievemovementsimilartoanimals'movement.ThedesignispoweredbyDCServoMotor,whiletransmittedthroughsynchronouspulleys.Keywords:CrankrockeradiagonallinetransmissionPartsthemainshaftcomponentsbodydesignstickarrangement1緒論1.1綜述在自然界或人類社會(huì)中，存在人類無法到達(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)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。腿式系統(tǒng)有很大的優(yōu)越性，較好的機(jī)動(dòng)性、崎嶇路面上乘坐的舒適性及對(duì)地形的適應(yīng)能力強(qiáng)。所以這類機(jī)器人在軍事運(yùn)輸、海底探測(cè)、礦山開采、星球探測(cè)、殘疾人的輪椅、教育及娛樂等眾多行業(yè)，有非常廣闊的應(yīng)用前景，多足步行機(jī)器人技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。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。作為一個(gè)男生，自小時(shí)候其就對(duì)于機(jī)器人有著莫大的興趣。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)老師分配給我這個(gè)題目，讓我感覺到特別興奮，同時(shí)也感覺到了真正動(dòng)起手來設(shè)計(jì)機(jī)器人也還有許多實(shí)際上的難處。由于本專業(yè)是機(jī)械自動(dòng)化方面的，此次設(shè)計(jì)應(yīng)該是一次簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。對(duì)于更加精確的控制理論沒有過多的研究，設(shè)計(jì)的主要作用也是作為危險(xiǎn)環(huán)境下的托運(yùn)物品。雖然所學(xué)知識(shí)有限，但我會(huì)盡全力去鉆研，決定從自己能解決的機(jī)械方面的問題著手。1.2發(fā)展概況關(guān)于四足步行機(jī)器的制作的文獻(xiàn)，最早見于東漢學(xué)者王充的?論衡?第八卷?儒增篇?，“魯班巧工為母做木馬車，木人御者，機(jī)關(guān)備具，載母其上，一驅(qū)不還，遂失其母……”三國(guó)時(shí)期，諸葛亮處于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，造出了用于托運(yùn)糧草的“木牛流馬”.目前,機(jī)器人的移動(dòng)方式主要包括:輪式、履帶式和足式。其中,輪式和履帶式機(jī)器人的越障能力弱,不能充分實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的靈活性。四足機(jī)器人步行腿具有多個(gè)自由度,落足點(diǎn)是離散的,故能在足尖點(diǎn)可達(dá)域范圍內(nèi)靈活調(diào)整行走姿態(tài),并合理選擇支撐點(diǎn),具有更高的避障和越障能力。為此,四足機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人學(xué)中一個(gè)引人注目的研究領(lǐng)域,而且運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究是步行機(jī)器人各項(xiàng)研究的基礎(chǔ)。1.2.1國(guó)內(nèi)發(fā)展概況國(guó)內(nèi)對(duì)于四足步行機(jī)器的研究則起源于對(duì)木牛流馬的復(fù)原,1986年王湔在古文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過20余年的潛心研究,創(chuàng)制出了單側(cè)十七連桿,并由人力推動(dòng)的王氏木牛流馬,首開了國(guó)內(nèi)研制純機(jī)構(gòu)步行機(jī)器的先河.1992年，王湔更以單腿八連桿機(jī)構(gòu),加上馬車,創(chuàng)作出王氏木車馬.在此之后,臺(tái)灣的顏鴻森教授帶領(lǐng)他的弟子,以王氏木車馬為基礎(chǔ),研制出了一系列的步行機(jī)器,如陳氏的四連桿型和六連桿型,邱氏,黃氏,沈氏步行機(jī)器,大陸的王旭輝和查建中等人則以單腿八連桿機(jī)構(gòu)為對(duì)象,對(duì)其壓力角的優(yōu)化和桿件布層進(jìn)行了研究和探討.總之,傳統(tǒng)的對(duì)象加上科學(xué)的分析和先進(jìn)的理論,使得展.國(guó)內(nèi)在步行機(jī)器的研究范圍和深度上得到了極大的豐富和拓展.1.2.2國(guó)外發(fā)展概況關(guān)于四足步行機(jī)器的研究,最早申請(qǐng)專利的當(dāng)屬1893年由Rygg創(chuàng)作的步行機(jī)器馬,該機(jī)構(gòu)由齒輪和連桿機(jī)構(gòu)組成,由人坐在馬背上腳踏前進(jìn),但是卻沒有做出實(shí)物來加以佐證.1913年Gechtolsheim申請(qǐng)專利,也是用齒輪和連桿機(jī)構(gòu)組成的步行機(jī)器,但是文獻(xiàn)中沒有實(shí)物的描述,故此時(shí)對(duì)于步行機(jī)器的設(shè)計(jì),僅只考慮腿部機(jī)構(gòu)與軌跡的曲線而已.1960年Shigley創(chuàng)作出以連桿組設(shè)計(jì)四足腿部機(jī)構(gòu),并利用一組雙搖桿機(jī)構(gòu)來控制步行機(jī)器的步態(tài),此時(shí)對(duì)于步行機(jī)器的設(shè)計(jì),已經(jīng)加入步態(tài)設(shè)計(jì)的理論.1966年,McGhee和Frank制造出第一臺(tái)完全以電腦控制的步行機(jī)器人,之后對(duì)于步行機(jī)器的設(shè)計(jì),則廣泛地應(yīng)用控制理論.1978年,Hirose將水平控制器裝在步行機(jī)器上,并在足部裝設(shè)了維持水平方向行走及修正方向的感應(yīng)器.1986年Raibert,Chepponis和Brown以液壓缸及伺服馬達(dá),制造出RUNNINGMACHINE步行機(jī)器.對(duì)于四足步行機(jī)器的研究從單純的機(jī)構(gòu)逐漸向綜合控制,軟件,電子等多學(xué)科融合的方向發(fā)展.1.3課題背景在社會(huì)物質(zhì)文明高度發(fā)達(dá)的今天，人類雖然能夠創(chuàng)造出比較良好的生活環(huán)境，但是對(duì)于大自然的探索與了解，以及自然災(zāi)害的防治，各種危險(xiǎn)情況下的工作卻一直束手無策。因此機(jī)器人的設(shè)想就成為了在危險(xiǎn)環(huán)境工作的必然選擇。足式移動(dòng)機(jī)器人對(duì)行走路面的要求較低，它可以跨越障礙物，走過沙地、沼澤等特殊路面，用于工程探險(xiǎn)勘測(cè)、反恐防爆、軍事偵察等人類無法完成或危險(xiǎn)的工作。對(duì)這些環(huán)境進(jìn)行不斷的探索和研究，尋求一條解決問題的可行途徑成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類社會(huì)進(jìn)步的需要。不規(guī)則和不平坦的地形是這些環(huán)境的共同特點(diǎn)，使得輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人的應(yīng)用受到限制，而多足步行機(jī)器人能夠在復(fù)雜崎嶇的路面上穩(wěn)定行走。我所設(shè)計(jì)的四足步行機(jī)器就是為了在危險(xiǎn)環(huán)境中的救人或者運(yùn)輸必須物品，為人類更好的改造大自然。1.4目的及意義本次設(shè)計(jì)的目的是在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段充分的運(yùn)用到本科所學(xué)到的機(jī)械方面的知識(shí)，鍛煉自己的能力，學(xué)習(xí)各中機(jī)械設(shè)計(jì)的技巧和電子圖版的使用。設(shè)計(jì)出一款比較簡(jiǎn)單實(shí)用的四足步行機(jī)器，能夠在各種危機(jī)情況中發(fā)揮應(yīng)有的作用。四足步行機(jī)器的設(shè)計(jì)其意義體現(xiàn)在：一：在設(shè)計(jì)四足步行機(jī)器的過程中，我參考了各種機(jī)器人設(shè)計(jì)的資料，學(xué)習(xí)到了很多關(guān)于自動(dòng)機(jī)器人的知識(shí)。還在老師的指點(diǎn)下參觀了老師指導(dǎo)的機(jī)器人大賽作品，對(duì)于機(jī)器人的機(jī)構(gòu)和機(jī)理有了深刻的認(rèn)識(shí)，充分發(fā)揮了機(jī)械設(shè)計(jì)中的知識(shí)。二：對(duì)于四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究有了比較深的了解，汲取了比較多的前人理論，學(xué)習(xí)到了許多以前不曾學(xué)習(xí)過的東西。三：設(shè)計(jì)出了一款簡(jiǎn)單實(shí)用的四足步行機(jī)器，使在危險(xiǎn)情況下的運(yùn)輸和工作有了比較好的一種選擇。1.5本文主要的研究工作作為一個(gè)簡(jiǎn)單的四足步行機(jī)器的設(shè)計(jì)，我的主要工作就是設(shè)計(jì)出整個(gè)四足步行機(jī)器的主體結(jié)構(gòu)，成為各種危險(xiǎn)環(huán)境中的一個(gè)好工具。具體工作主要有：1、四足步行機(jī)器人整體設(shè)計(jì),選定合理易行的方案，設(shè)計(jì)出具體尺寸結(jié)構(gòu)，畫總裝圖;2、對(duì)主要零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，畫零件圖;3、對(duì)主要零件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算;4、撰寫設(shè)計(jì)說明書，字?jǐn)?shù)一萬字以上；5、英文翻譯５千漢字以上。2設(shè)計(jì)內(nèi)容2.1理論依據(jù)本次設(shè)計(jì)的主要過程分為方案設(shè)計(jì)、桿件尺寸設(shè)計(jì)、繪制裝配圖及零件圖。即先確定四足步行機(jī)器的方案原理。這一階段主要參考了網(wǎng)上各種機(jī)器人的視頻，比較了許多機(jī)器人方案，最終確定適合自己的做畢業(yè)設(shè)計(jì)。而在明確了自己的方案之后尺寸設(shè)計(jì)過程是難點(diǎn)，因?yàn)橐郧八臈U機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)我們學(xué)習(xí)的不是很深刻，參考了很多這方面的書籍。最后就是根據(jù)以前課程設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)作出整個(gè)的裝配圖和零件圖，其中包括了直流電機(jī)選型、傳動(dòng)方式選擇和計(jì)算、主軸及傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)、箱體的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)工藝性考慮。主要應(yīng)用的理論知識(shí)有：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化、機(jī)電傳動(dòng)控制等等。2.2方案實(shí)施經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的搜集資料和學(xué)習(xí)四足步行機(jī)器的有關(guān)設(shè)計(jì)，分析其工作原理，特?cái)M定了一下集中方案：A.方案一：B.方案二：圖2skywalker建議機(jī)器人C.方案三：圖3連桿機(jī)器人2.2.1方案比較：如圖所示的三種方案，第一種方案是通過比較精密的腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過前后兩對(duì)足類似雙人搭肩是式的行走方式來實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器的步態(tài)擬合。是仿生技術(shù)以及計(jì)算機(jī)仿真的精密結(jié)果。在這里由于本人專業(yè)知識(shí)的缺乏以及經(jīng)驗(yàn)的不足故放棄了這種方案。第二種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧，但是其運(yùn)動(dòng)明顯存在不夠穩(wěn)定的缺點(diǎn)，體積太小難以勝任運(yùn)載的要求。最后選擇了第三種方案來做，其結(jié)構(gòu)明了，原理清楚，運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯而易見。2.2.2方案的選定先介紹一下這個(gè)方案的基本原理。本方案中采用了對(duì)角線原則，即是對(duì)角線上的兩條腿通過連接桿連接在一起保持運(yùn)動(dòng)一致性。而每一對(duì)足的運(yùn)動(dòng)軌跡都是有一條弧線和一段直線段組成的。當(dāng)其中一對(duì)足軌跡處于水平線上的時(shí)候就處于著地狀態(tài)，停止不動(dòng)。同時(shí)另一對(duì)足相應(yīng)的處于直線段的上方實(shí)現(xiàn)邁足運(yùn)動(dòng)。最終通過兩隊(duì)的交替處于直線段及弧線段上實(shí)現(xiàn)動(dòng)物式的四足運(yùn)動(dòng)。如下圖所示圖4運(yùn)動(dòng)軌跡本設(shè)計(jì)通過裝在箱體內(nèi)部的直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于對(duì)角線一致原則，若兩側(cè)各使用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，則可能造成步態(tài)的沖突、干涉。故經(jīng)過考慮使用一臺(tái)伺服電機(jī)即可滿足要求，并且這樣做結(jié)構(gòu)也顯得比較輕巧。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)具體的要求轉(zhuǎn)速和桿件尺寸可以確定，由于四根軸之間通過桿結(jié)構(gòu)連接在一起，因此可以將所有的驅(qū)動(dòng)力都加在一根軸上，其他的軸均是從動(dòng)軸看，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。具體機(jī)理是電機(jī)--減速裝置--曲柄--搖桿--腿部構(gòu)件四足步行實(shí)現(xiàn)。3四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1基礎(chǔ)理論知識(shí)3.1.1曲柄存在條件在工程實(shí)際中，對(duì)機(jī)構(gòu)提出了各種各樣的運(yùn)動(dòng)要求，而能否滿足這些要求取決于機(jī)構(gòu)本身的屬性。下面就曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特性進(jìn)行討論和分析。我們都知道，曲柄存在的條件是:1.架桿或機(jī)架為最短桿；2.最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和。若四桿機(jī)構(gòu)中最短桿和最長(zhǎng)桿之和大于其他兩桿長(zhǎng)度之和，則無曲柄存在，兩連架桿均為搖桿。若最短桿為機(jī)架，則的雙曲柄機(jī)構(gòu)；若最短桿的任一相鄰的構(gòu)件為機(jī)架，則的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；若取最短桿位機(jī)架，則得雙搖桿機(jī)構(gòu)。基于以上原則，最短桿與機(jī)架相連，并且滿足長(zhǎng)度關(guān)系可得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。3.1.2急回運(yùn)動(dòng)特性和行程速比K當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搖桿作變速擺動(dòng)，而且往復(fù)擺動(dòng)的平均速度是不同的。若將平均速度小的行程作為工作行程（正行程），將平均速度大的行程作為非工作行程（反行程），那么，我們把曲柄搖桿機(jī)構(gòu)這種正、反行程平均速度不等的特性稱為急回特性。圖5曲柄搖桿機(jī)構(gòu)急回特性常用行程速比系數(shù)K（搖桿反、正行程平均速度之比）來度量。如圖所示，曲柄順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿左右擺動(dòng)（順時(shí)針為正行程，逆時(shí)針為反行程）。我們把搖桿處于兩極限位置時(shí)連桿對(duì)應(yīng)位置所夾的銳角稱為極位夾角，用表示。根據(jù)行程速比系數(shù)的定義有：

①存在急回特性的條件是不等于零。②因?yàn)槭卿J角，即小于等于90°，故理論上K可以最大為3。但由于最小傳動(dòng)角的限制，實(shí)用中K小于等于1.4。對(duì)一些有急回特性要求的機(jī)械，常根據(jù)K值按式(2-2)算出角，再確定各桿尺寸。3.1.3壓力角和傳動(dòng)角作用力和力作用點(diǎn)運(yùn)動(dòng)線速度方向之間所夾的銳角稱為壓力角，常用表示；壓力角的余角稱為傳動(dòng)角，常用表示。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角隨曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)而變。傳動(dòng)角越大則機(jī)械效率越高，動(dòng)力傳動(dòng)中一般要求傳動(dòng)角最小值應(yīng)大于40°。因此設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)時(shí)有必要檢驗(yàn)值。那么，最小傳動(dòng)角在什么位置出現(xiàn)呢？分析如下：可以證明：若機(jī)架上A、D兩點(diǎn)位于C'、C"連線的同一側(cè)，則當(dāng)=0°時(shí)，最小，有=；

機(jī)架上A、D兩點(diǎn)位于C'、C"連線的兩側(cè)，則=180°時(shí)的最大(鈍角)，有=180°-。不難看出，對(duì)于曲柄主動(dòng)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，最小傳動(dòng)角就是連桿和搖桿所夾的最小銳角。3.2軌跡設(shè)計(jì)足部軌跡是指動(dòng)物在行進(jìn)的過程中，完成一個(gè)循環(huán)動(dòng)作的足部所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡。若以動(dòng)物的身體為參考坐標(biāo)系，則該運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為以封閉曲線。而動(dòng)物在行進(jìn)的過程中，根據(jù)其所需完成的動(dòng)作可分為支撐于跨越，故將其足部軌跡曲線分為支撐段和跨越段（如圖6）。若將足部沿著既定軌跡循環(huán)一遍的時(shí)間稱之為一個(gè)周期，那么我們將足部接觸地面的時(shí)間稱為支撐段；反之，若足部在空中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間段稱為跨越段。根據(jù)生物學(xué)上的定義，動(dòng)物在行進(jìn)時(shí)其腿部花在支撐段的時(shí)間要占到一半以上，目的是加強(qiáng)在行進(jìn)過程中的穩(wěn)定度。圖6足部軌跡對(duì)于任一步行機(jī)器，其足部軌跡曲線是首要考慮的重要條件，因?yàn)樗苯佑绊懙讲恍袡C(jī)器對(duì)地面的適應(yīng)能力以及行進(jìn)時(shí)的穩(wěn)定度。為此，從仿生學(xué)的角度給出足部理想軌跡的要求：1.軌跡曲線必須唯一封閉且不交叉的曲線，以避免產(chǎn)生無效的軌跡曲線；2.軌跡曲線中的支撐段曲線應(yīng)為直線段，以避免機(jī)構(gòu)的重心產(chǎn)生起伏；3.軌跡曲線的跨高盡量高，以提高機(jī)構(gòu)跨越障礙的能力；4.軌跡曲線的跨距盡量遠(yuǎn)，以增加機(jī)構(gòu)跨步的前進(jìn)距離。3.3方案四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.3.1四桿尺寸經(jīng)過參考眾多的四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的資料，最終認(rèn)識(shí)到使用解析法來設(shè)計(jì)此次畢設(shè)來說難度太大，耗費(fèi)時(shí)間太多。在這么短的時(shí)間內(nèi)要完成這種設(shè)計(jì)只有使用作圖法來進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。在長(zhǎng)時(shí)間的嘗試和作圖之后最終的到了滿足我需要的四桿機(jī)構(gòu)的尺寸。參考圖三上面的標(biāo)注，尺寸如下:============500mm====177.5mm==392.5mm===317mm3.3.2最小傳動(dòng)角計(jì)算根據(jù)上述的傳動(dòng)角的計(jì)算方式，當(dāng)曲柄AB轉(zhuǎn)到機(jī)架AD重疊共線和拉直共線兩位置時(shí)，即出現(xiàn)極值。比較兩個(gè)位置的傳動(dòng)角，可得最小傳動(dòng)角。當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其傳動(dòng)角的大小是變化的，為保證機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)良好，設(shè)計(jì)時(shí)通常應(yīng)該使最小傳動(dòng)角。但是在此次設(shè)計(jì)中，由于傳動(dòng)功率比較小，設(shè)計(jì)的最小傳動(dòng)角也能夠滿足使用要求。在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)機(jī)構(gòu)曲柄與連桿在一條直線上，出現(xiàn)了傳動(dòng)角的情況。這是傳動(dòng)力矩為0。因此，機(jī)構(gòu)在此位置是，無論驅(qū)動(dòng)力多大，也不能使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)的此種位置稱為死點(diǎn)位置。對(duì)于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來說，機(jī)構(gòu)有死點(diǎn)位置是不利的，應(yīng)該采取措施使機(jī)構(gòu)順利通過死點(diǎn)位置。對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器，可以利用從動(dòng)件的慣性來通過死點(diǎn)位置。而本設(shè)計(jì)采用兩組機(jī)構(gòu)組合起來，使左右兩側(cè)的機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置相互錯(cuò)開，因此本設(shè)計(jì)能夠順利的通過死點(diǎn)位置。如下圖所示的車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)所示：圖7車輪聯(lián)動(dòng)消除四點(diǎn)機(jī)構(gòu)3.3.3步態(tài)分析經(jīng)過使用作圖法作出四桿機(jī)構(gòu)的尺寸與軌跡曲線之后，得到前后腿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。使用的對(duì)角線一直原則，經(jīng)過作圖法計(jì)算，可以完全證明此次設(shè)計(jì)左前腿與右后腿軌跡完全一致，左后腿與右前腿軌跡完全一致，能夠達(dá)到邁步要求左前腿右后腿軌跡線：圖8左前腿右后腿步態(tài)左后腿與右前腿軌跡線：圖10左后腿右前腿步態(tài)4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1傳動(dòng)方案及電機(jī)選擇經(jīng)過作圖法設(shè)計(jì)，求得主軸每旋轉(zhuǎn)一周，前后跨距為875mm,經(jīng)過計(jì)算選主軸轉(zhuǎn)速為50r/min,此時(shí)機(jī)器人行走速度可得為：即可滿足設(shè)計(jì)任務(wù)所需求。主軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為50r/min.，據(jù)此可以選出所需直流減速伺服電機(jī)，經(jīng)查閱資料，選取直流電機(jī)J110SZ(ZYT)-PX，減速比為60，輸出軸轉(zhuǎn)速為3000r/min，功率為2.47KW,能夠滿足需求。因此設(shè)計(jì)的傳動(dòng)路線如下：直流減速電機(jī)--同步帶輪--主軸--連桿機(jī)構(gòu)--機(jī)器人腿部.4.2同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)的主要失效形式有承載繩疲勞拉斷、打滑與跳齒、帶齒的過度磨損。因此同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則是帶在不打滑的情況下具有較高的抗拉強(qiáng)度，保證承載繩不被拉斷。此外，在灰塵、雜質(zhì)較多的工作條件下，應(yīng)對(duì)帶齒進(jìn)行耐磨性計(jì)算。4.2.1確定計(jì)算功率的確定方法與普通V帶相同，即式中為工況系數(shù)（參考機(jī)械設(shè)計(jì)表）取為1.0，P為傳遞的名義功率0.247KW，帶入計(jì)算可得4.2.2選擇同步帶型號(hào)根據(jù)計(jì)算功率和小帶輪轉(zhuǎn)速，由機(jī)械設(shè)計(jì)參考圖例選擇帶型為H性。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)同步帶的帶寬系列，有19.1、25.4、38.1、50.8、76.2五個(gè)系列，本次設(shè)計(jì)選擇帶寬為50.8mm,圓整為50mm.4.2.3確定帶輪齒數(shù)、和帶輪節(jié)圓直徑、一般取小帶輪齒數(shù)（參考機(jī)械設(shè)計(jì)表8-13）。當(dāng)帶速和安裝尺寸允許時(shí)，應(yīng)盡可能選得多些。大輪齒數(shù),并取為整數(shù)。根據(jù)表上數(shù)據(jù)，，本次設(shè)計(jì)傳動(dòng)比為1:1，取.為同步帶的基本參數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)表8-2知=12.7帶入公式計(jì)算得4.2.4驗(yàn)算帶速式中個(gè)符號(hào)單位同前。通常，XL、L型的；H型的；XH、XXH型的。將各數(shù)據(jù)帶入公式計(jì)算的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足于帶速要求。4.2.5確定中心距和同步帶節(jié)線長(zhǎng)度及齒數(shù)按結(jié)構(gòu)要求或按下式初定中心距：即取即可4.2.6作用在軸上的壓力試中為皮帶輪傳遞功率,單位為KW，V為帶速,單位為m/s,的單位為N。代入計(jì)算可得.帶輪的材料可根據(jù)使用要求和傳遞功率的大小采用鋼、鑄鐵、粉末冶金或鑄鋁合金；傳遞功率小的高速帶輪的材料可以采用工程塑料和尼龍。為了保證帶與帶輪輪齒的正確嚙合，兩者的節(jié)距和齒形角應(yīng)相等。工作是為了防止同步帶輪側(cè)面脫落，在帶輪不同側(cè)面各裝單擋圈或者軸肩定位。5主軸組件設(shè)計(jì)5.1主軸組件的總體布置對(duì)于機(jī)器中的一般轉(zhuǎn)軸，主要應(yīng)滿足強(qiáng)度和機(jī)構(gòu)的要求；對(duì)于剛度要求高的軸，主要應(yīng)滿足剛度的要求；對(duì)于一些高速機(jī)械的軸（如高速磨床主軸、汽輪機(jī)主軸等），要考慮滿足振動(dòng)穩(wěn)定性的要求。在轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)中，其特點(diǎn)是不能首先通過精確計(jì)算確定軸的截面尺寸。因?yàn)檗D(zhuǎn)軸工作時(shí)，收彎矩和轉(zhuǎn)矩聯(lián)合作用，而彎矩又與軸上載荷的大小及軸上零件相互位置有關(guān)，所以當(dāng)軸的結(jié)構(gòu)尺寸未確定前，無法求出軸所受的彎矩。因此轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)時(shí)，開始只能按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度或經(jīng)驗(yàn)公式估算軸的直徑，然后進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行軸的強(qiáng)度驗(yàn)算。主軸組件通常由主軸，箱體，軸承和安裝在主軸上的皮帶輪及附件組成。經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)四足步行機(jī)器的工作特點(diǎn)和載荷分析，主軸組件的布置及機(jī)構(gòu)形式可初步定為：圖11主軸組件的布置圖5.2主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四足步行機(jī)器的主軸在工作中主要受到的是扭轉(zhuǎn)載荷和彎曲應(yīng)力，同時(shí)受到中等程度得沖擊載荷，對(duì)材料的要求既要有較高的強(qiáng)度，又要有高的塑性，同時(shí)還應(yīng)有相當(dāng)高的沖擊韌性與疲勞強(qiáng)度。軸頸安裝軸承和皮帶輪處還要有一定的表面硬度，防止更換軸承和帶輪是主軸受到磨損。主軸兩端與外面曲柄桿件以固定鉸鏈連接，軸端打出螺紋孔用軸端擋圈固定住曲柄。另外在主軸設(shè)計(jì)和制造中，應(yīng)根據(jù)工藝條件提高主軸表面粗糙度，這樣可以提高主軸的耐磨性，提高尺寸的穩(wěn)定性，提高主軸的接觸剛度，還可以提高主軸的疲勞強(qiáng)度。5.2.1主軸的材料和熱處理選擇軸的材料應(yīng)該考慮下列因素：1.軸的強(qiáng)度、剛度及耐磨性；2.熱處理方法；3.材料來源；4.材料加工工藝性；5.材料價(jià)格等。本次設(shè)計(jì)的主軸主要是受到扭轉(zhuǎn)載荷，無特殊要求，因而選用調(diào)質(zhì)處理的45剛。主軸的加工工序可設(shè)定為：下料——打中心孔——粗車——調(diào)質(zhì)處理——精車——圓磨5.2.2初估軸徑零件在軸上的布置方案確定后，可初步估算軸所需的最小直徑（通常是軸端段），進(jìn)而初步確定階梯軸各段的直徑、長(zhǎng)度和配合類型。軸徑的初步估算常用如下兩種方法：按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸徑；按經(jīng)驗(yàn)公式估算軸徑。根據(jù)我所需要的功率和相關(guān)數(shù)據(jù)，初步的定出軸端段的軸徑為。5.2.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)圖10確定的軸上主要零件的布置圖和軸的初步估算定出的軸徑，進(jìn)行軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。軸上零件的軸向定位同步帶輪的一段靠軸肩定位，另一端靠套筒定位，裝拆、傳力均較方便；兩端軸承常用統(tǒng)一尺寸，以便于加工、安裝和維修；為便于裝拆軸承，軸承處軸肩不宜太高（其高度的最大值可從軸承標(biāo)準(zhǔn)中查得）。軸承一端使用套筒定位，另外一端使用套杯進(jìn)行定位。（2）軸上零件的周向定位帶輪與軸、軸端與曲柄端的周向定位均采用平鍵連接。根據(jù)軸的直徑由有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)查得帶輪處鍵為C型平鍵,軸端和曲柄連接處使用普通平鍵A型，配合均為；滾動(dòng)軸承內(nèi)圈有軸的配合采用基孔制，軸的尺寸公差為。（3）確定各段軸徑和長(zhǎng)圖12主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖定位軸肩高度按機(jī)械設(shè)計(jì)有關(guān)表格選取，非定位軸肩一般取1~2.5mm，所以對(duì)于所有的軸徑，從軸端向右取對(duì)于軸長(zhǎng)，取決于零件的寬度及它們的相對(duì)位置。從左端起，平鍵的長(zhǎng)度為20mm,外端曲柄厚度為30mm,并且考慮到箱體厚度33mm以及箱體外墊片等因素，此段軸長(zhǎng)定為52mm。按從左到右的順序來看，段的軸上裝軸承，角接觸球軸承70000型，寬度為14mm,此段軸長(zhǎng)為14mm。第三段軸為，此段軸裝皮帶輪。皮帶輪寬度為50mm.再皮帶輪左側(cè)有擋圈定位，再加上一段套筒的長(zhǎng)度為16mm，此段軸長(zhǎng)為70mm。第四段軸為，主要是考慮到箱體的寬度問題以及強(qiáng)度問題，此段軸的長(zhǎng)度為344mm。第五段是一段過渡軸，考慮到整個(gè)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，定位20mm。第六段、七段分別于左側(cè)的第二段、第一段相對(duì)應(yīng)，長(zhǎng)度分別為14mm和52mm。（4）考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性，在軸的左端于右端均制成倒角；兩端裝軸承處為磨削加工，留有砂輪越程槽；為便于加工，帶輪、兩端的鍵槽布置在同一母線上，并取同一截面尺寸。5.2.4軸的強(qiáng)度驗(yàn)算先作出軸的收力計(jì)算簡(jiǎn)圖（即力學(xué)模型）如圖13a示，取集中載荷作用于帶輪及軸承的重點(diǎn)。（1）帶輪上作用力的大小轉(zhuǎn)矩先計(jì)算傳遞到帶輪的功率,直流電機(jī)的功率為,而皮帶輪傳遞效率為，由公式知：帶輪直徑為轉(zhuǎn)速為由公式計(jì)算得圓周力式中為上步計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩，為帶輪的節(jié)圓直徑為110mm。帶入得到816.19N帶輪傳動(dòng)沒有徑向力和軸向力。求軸承的支反力