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哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
步行四邊形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
隨著當(dāng)今科技不斷進(jìn)步，越來越多的領(lǐng)域開始出現(xiàn)機(jī)器人，人們會(huì)利用機(jī)器人完成一些危險(xiǎn)任務(wù)或者復(fù)雜情況下的工作，從而減少對人員產(chǎn)生的威脅和傷害?？v觀機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展情況，步行四邊形機(jī)器人可謂是龐大的一個(gè)分支，因其具有穩(wěn)定性強(qiáng)，承載能力好以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)勢，同時(shí)相對于超過六英尺，八條腿的機(jī)器人來說，更加的小巧輕便，所以近些年來備受機(jī)器人行業(yè)設(shè)計(jì)者的喜愛和重視。
本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人為六足機(jī)器人，采用六足昆蟲足的對稱分布形式，相對的兩條腿由同一根軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，軸與軸之間通過同步帶輪進(jìn)行連接來傳遞動(dòng)力，直流伺服電機(jī)與中間軸通過同步帶輪連接充當(dāng)動(dòng)力源。在進(jìn)行步行時(shí)保證至少有三個(gè)足與地面相接觸，以滿足機(jī)器人在行走過程中的穩(wěn)定性，以此為條件規(guī)劃了對角步態(tài)，即同樣動(dòng)作的三足的分布方式為對角線分布。步行運(yùn)動(dòng)采用四桿機(jī)構(gòu)來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過分析各桿件的長度與桿件間的位置關(guān)系證明了四桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)步行動(dòng)作；并通過對其壓力角、傳動(dòng)角的分析研究，驗(yàn)證了四桿機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)性能。
關(guān)鍵詞 步行機(jī)器人；四桿機(jī)構(gòu)；步態(tài)規(guī)劃
-II-
Structure Design Of Walking Quadrilateral Robot
Abstract
With the continuous progress of science and technology，more and more fields begin to appear robots. People will use robots to complete some dangerous tasks or work in complex situations，so as to reduce the threat and harm to people. Looking at the development of the robot industry，walking quadrilateral robot is a huge branch，because it has the advantages of strong stability，good bearing capacity and simple structure design. At the same time，compared with the robot with more than six feet and eight legs，it is more compact and light，so in recent years，it is loved and valued by the designers of the robot industry.
The robot designed in this paper is a hexapod robot，which adopts the symmetrical distribution form of Hexapod insect foot. The two opposite legs are driven by the same shaft. The power is transmitted between the shaft and the shaft through the synchronous pulley. The DC servo motor and the intermediate shaft are connected through the synchronous pulley as the power source. In order to meet the stability of the robot in the process of walking，at least three feet should be contacted with the ground surface during walking. Based on this condition，the diagonal gait is planned，the distribution mode of the same three feet is diagonal distribution. The walking motion is realized by four-bar mechanism. By analyzing the relationship between the length of each bar and the position of the bar，it is proved that the four-bar mechanism can realize the walking motion. Through the analysis of its pressure angle and transmission angle，it is proved that the four-bar mechanism has good motion performance.
Key words walking quadrilateral robot; four-bar mechanism; crank rocke
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與研究的目的與意義 1
1.2 發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.3 本課題研究內(nèi)容 5
1.4 本章小結(jié) 5
第2章 步行四邊形機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 6
2.1 擬定步行四邊形機(jī)器人總體方案 6
2.1.1 方案的比較 6
2.1.2 步行四邊形機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃 8
2.1.3 方案的確定 9
2.2 本章小結(jié) 9
第3章 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核 11
3.1 四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11
3.1.1 曲柄存在的條件 11
3.1.2 急回運(yùn)動(dòng)特性和行程運(yùn)動(dòng)速比K的關(guān)系 12
3.1.3 壓力角和傳動(dòng)角 13
3.2 機(jī)械傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 14
3.2.1 直流伺服電機(jī)的選型 14
3.2.2 同步帶輪的設(shè)計(jì) 15
3.2.3 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)與計(jì)算 21
3.3 關(guān)鍵零部件的校核 22
3.3.1 軸的強(qiáng)度校核 22
3.3.2 鍵的強(qiáng)度校核 23
3.4 本章小結(jié) 24
第4章 主要零部件的3D建模與機(jī)器人的裝配 25
4.1 軸的3D建模 25
4.2 帶輪的3D建模 25
4.3 步行四邊形機(jī)器人的裝配 26
4.4 本章小結(jié) 28
結(jié)論 29
致謝 30
參考文獻(xiàn) 31
附錄A 33
附錄B 43
-47-
第1章 緒論
1.1 研究背景與研究的目的與意義
近年來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展速度越來越快，帶動(dòng)了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使得機(jī)器人不再像從前那樣局限于某些領(lǐng)域，各種各樣的機(jī)器人融入到我們的生活中?，F(xiàn)在最廣泛被人們使用的是輪式機(jī)器人以及履帶式機(jī)器人，多用于倉庫存儲(chǔ)、物資運(yùn)輸?shù)鹊孛孑^為平坦且環(huán)境簡單的地方，例如快遞倉庫所使用的輪式機(jī)器人[1]。這類機(jī)器人在城市的工作效率很高，可以取代人類完成一些簡單、機(jī)械化的工作，但不適用于復(fù)雜環(huán)境在野外等環(huán)境工作效率大大降低。為了滿足人們的需求，足式機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。它相比于其他類型的機(jī)器人有更加強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性，可在凹凸不平的地面、沙灘等其他復(fù)雜地形進(jìn)行移動(dòng)[2]。
足式生物因其強(qiáng)大的機(jī)動(dòng)能力與靈活性而遍布全世界的大陸，這種能力也足以支撐其在多種復(fù)雜環(huán)境之下行動(dòng)自如。步行四邊形機(jī)器人則是模仿自然界中靈活性較強(qiáng)的四足生物而來，如典型的犬型機(jī)器人，可在山地、叢林、建筑廢墟中活動(dòng)自如，進(jìn)行物資運(yùn)輸、偵查、搜救等工作[3]。其次，在同等體積的情況下步行機(jī)器人的穩(wěn)定性要強(qiáng)于輪式、履帶式機(jī)器人，在出錯(cuò)的情況下也具有很強(qiáng)的自我調(diào)整能力。步行四邊形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)決定了其質(zhì)量、靈活度、運(yùn)動(dòng)能力等多種重要參數(shù)，所以步行四邊形機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可以優(yōu)化機(jī)器人的各種性能，使其更加適應(yīng)地形、降低運(yùn)動(dòng)時(shí)的錯(cuò)誤率，從而提高其工作效率，對人類社會(huì)進(jìn)步和發(fā)展有著重大意義。
1.2 發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
我國對于機(jī)器人的研究要晚于美國、德國等技術(shù)基礎(chǔ)較強(qiáng)的發(fā)達(dá)國家，而步行機(jī)器人復(fù)雜程度較高，所以近十幾年來我國步行機(jī)器人技術(shù)才有所發(fā)展[4]。我國最初的一些四足機(jī)器人采用的傳動(dòng)系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)，例如由上海交通大學(xué)開發(fā)的四足機(jī)器人，如圖1-1所示。在四足機(jī)器人的液壓缸與腿等重要零件上配備了各類傳感器，通過傳感器向系統(tǒng)反饋機(jī)器人的各部分運(yùn)行情況與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)再由系統(tǒng)控制液壓缸的輸出與腿部動(dòng)作，以此來保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與穩(wěn)定性[5]。
由于步行機(jī)器人在某些特定的重要壞境中有著巨大的作用，以及此領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展空間與潛力，我國多個(gè)知名高校對此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究并取得了巨大的成果[6]。例如2017年5月，由浙江大學(xué)研發(fā)的“赤兔”的四足機(jī)器人，如圖1-2所示。赤兔與上海交通大學(xué)的四足機(jī)器人有著很大的區(qū)別，其中最主要的區(qū)別為腿部機(jī)構(gòu)，赤兔在腿部的設(shè)計(jì)上更加簡潔，每條腿僅需一個(gè)液壓缸作為動(dòng)力源，且腿部的控制系統(tǒng)更加簡單。赤兔機(jī)器人重約60公斤，高約0.5米，可以實(shí)現(xiàn)小跑、小跳等動(dòng)作，一般運(yùn)行速度相當(dāng)于成年人的步行速度，還可以做出爬樓梯、越過障礙物等相對復(fù)雜的動(dòng)作[7]。
同樣是浙江大學(xué)，2018年自主研發(fā)出了“赤兔”機(jī)器人的升級版“絕影”。在機(jī)器人“赤兔”的基礎(chǔ)上增加了高效的識別裝置，可以識別減速帶、臺階、防護(hù)欄桿等多種常見障礙物，還可以識別雪地、草地等高度差不均衡的地形，并通過傳感系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整落地動(dòng)作，加強(qiáng)自身的連貫性與平衡性。如圖1-3所示。
圖1-1上海交通大學(xué)四足機(jī)器人 圖1-2“赤兔”機(jī)器人
圖1-3“絕影”機(jī)器人 圖1-4鄭州大學(xué)四足機(jī)器人
經(jīng)過對步行機(jī)器人相關(guān)資料的查閱與積累，發(fā)現(xiàn)腿部是步行機(jī)器人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，腿部結(jié)構(gòu)決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，也決定了其主要功能。近年來我國相關(guān)學(xué)者對步行機(jī)器人腿部的研究投入了大量的時(shí)間與精力，并取得了優(yōu)秀的成果[8]。中國鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研制出一種新型混合式四足機(jī)器人，如圖1-4。此機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)是與其他機(jī)器人的主要區(qū)分點(diǎn)，它在大腿與小腿之間增加了液壓驅(qū)動(dòng)桿，通過液壓驅(qū)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)來控制小腿部分的運(yùn)動(dòng)軌跡，使機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)軌跡得到更好的調(diào)控[9]。其中連桿與人腿部大腿肌的工作方式十分相似，起支撐、調(diào)節(jié)作用，進(jìn)一步提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性。
同樣是對于步行機(jī)器人腿部的研究，重慶大學(xué)設(shè)計(jì)了一種由五桿機(jī)構(gòu)為主體部分的腿部機(jī)構(gòu)，與四桿機(jī)構(gòu)不同的是它具有兩個(gè)曲柄，可以通過兩個(gè)曲柄的配合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的腿部運(yùn)動(dòng)，為步行機(jī)器人提供更多的運(yùn)動(dòng)軌跡來適應(yīng)不同的環(huán)境[10]，如圖1-5。除了雙曲柄外還運(yùn)用了切比雪夫機(jī)構(gòu)，運(yùn)行動(dòng)作類似于步行，可使機(jī)器人腳部抬離地面，大大加強(qiáng)了機(jī)器人的越障能力。五桿機(jī)構(gòu)則優(yōu)化了具體運(yùn)動(dòng)軌跡，增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性[11]。
對于腿部機(jī)構(gòu)的研究不僅可以應(yīng)用在機(jī)器人的行走上，還可以在醫(yī)療器械的研發(fā)中使用。我國知名大學(xué)研制了一種用于腿部康復(fù)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡與人的腿部運(yùn)動(dòng)軌跡類似，如圖1-6。通過曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)在推動(dòng)下方連接小腿桿件部分的同時(shí)帶動(dòng)上方桿件運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)可以同時(shí)帶動(dòng)人大腿與小腿的運(yùn)動(dòng)，不在一個(gè)地方施加力使得病人的腿部受力更加均勻，有利于病人的康復(fù)[12]。該機(jī)構(gòu)在不同人使用時(shí)進(jìn)行小幅度的微調(diào)即可符合使用者的具體要求，并且運(yùn)行幅度較小、穩(wěn)定性好，其運(yùn)動(dòng)軌跡符合人體腿部運(yùn)動(dòng)軌跡。
圖1-5連續(xù)電驅(qū)動(dòng)腿部五桿機(jī)構(gòu) 圖1-6下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)
1.2.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀
由于國外的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)起步早于我國，早在19世紀(jì)70年代國外就有了關(guān)于步行機(jī)器人的研究。第一個(gè)步行機(jī)器人是由Mosher公司研發(fā)的“Walking Truck”，用來在一些復(fù)雜的地形中協(xié)助搬運(yùn)物資[13]。但在那個(gè)時(shí)期步行機(jī)器人的研發(fā)受到技術(shù)、社會(huì)環(huán)境等多方面制約，其性能與近十幾年的步行機(jī)器人相差甚遠(yuǎn)，并且沒有形成一個(gè)完善的體系。真正意義上開創(chuàng)步行機(jī)器人先河的是美國波士頓動(dòng)力公司，研發(fā)的步行機(jī)器人被命名為“BigDog”，如圖1-7。它的驅(qū)動(dòng)方式為原始的液壓驅(qū)動(dòng)，腿部機(jī)構(gòu)與犬類的腿部相似，但只能進(jìn)行簡單的移動(dòng)并無復(fù)雜步態(tài)的運(yùn)動(dòng)方式。
圖1-7四足機(jī)器人“BigDog” 圖1-8四足機(jī)器人“Cheetah”
同樣是波士頓公司，即推出了首款步行機(jī)器人后又自主研發(fā)了第二款四足步行機(jī)器人“Cheetah”，如圖1-8?！癈heetah”與前幾代步行機(jī)器人最大的優(yōu)點(diǎn)是其速度遠(yuǎn)高于前幾代機(jī)器人，平均時(shí)速可達(dá)16km/h，最大時(shí)速達(dá)到48km/h，高于人類速度的極限[14]。在此基礎(chǔ)上還可以在奔跑時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定的轉(zhuǎn)彎、急停等動(dòng)作?！癈heetah”的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)方式參考了自然界中速度最快的動(dòng)物獵豹，其動(dòng)力來源不同于之前的液壓驅(qū)動(dòng)裝置，而是采用電擊的方式作為動(dòng)力來源，其不同之處在于這種方式反應(yīng)更加的迅速敏捷。而“Cheetah”能達(dá)到高速的最重要原因是其對于每次奔跑時(shí)力量的控制，“Cheetah”可通過激光感應(yīng)器辨別障礙物的屬性，通過算法計(jì)算得出輸出力的大小，增強(qiáng)了其奔跑時(shí)的穩(wěn)定性。
步行機(jī)器人除了四足步行機(jī)器人還有其他分支，如雙足步行機(jī)器人、六足步行機(jī)器人、八足步行機(jī)器人等[15]。其中雙足步行機(jī)器人是現(xiàn)階段各國研究的重點(diǎn)，波蘭一所研究院仿照人的腿部研制的腿部機(jī)構(gòu)，如圖1-9。Marco Ceccarelli等人提出的一種以平面四連桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的機(jī)器人腿部模型，如圖1-10。其中四連桿機(jī)構(gòu)在本機(jī)器人的腿部設(shè)計(jì)中有所應(yīng)用，這類機(jī)器人機(jī)構(gòu)相對于四足步行機(jī)器人較為簡單，成本低且易于操控，但在穩(wěn)定性、運(yùn)行速度以及承載能力上要遜色于四足步行機(jī)器人[16]。雙足機(jī)器人一般為人型機(jī)器人，現(xiàn)階段對于此類機(jī)器人的應(yīng)用并不廣泛，僅在某些大型開放性的公共場所有所應(yīng)用。但可預(yù)測其未來在服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域有很大前景，人形機(jī)器人可能替代人們成為服務(wù)員或酒店的前臺，具有一定智能化的人形機(jī)器人還可以在飯店成為廚師，甚至還可以走進(jìn)我們的家庭作為保姆幫助人們做家務(wù)、照看老人與孩子。
圖1-9波蘭機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu) 圖1-10平面四連桿機(jī)構(gòu)腿部機(jī)構(gòu)
1.3 本課題研究內(nèi)容
本課題研究對象為步行四邊形機(jī)器人，主要對該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式等問題進(jìn)行研究，具體研究步驟如下：
1、闡述課題背景，對國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和分析；
2、根據(jù)主要技術(shù)指標(biāo)，在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上制定總體設(shè)計(jì)方案，并闡明方案制定依據(jù)；
3、選定步行四邊形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案，確定整體結(jié)構(gòu)。按照擬定的功能要求，選定各對應(yīng)的功能單元；
4、根據(jù)擬定方案確定技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)主要零部件，并校核；
5、利用校核后的數(shù)據(jù)，加以設(shè)計(jì)繪制裝配圖，并依據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)改善。
6、得出設(shè)計(jì)結(jié)論。
第2章 步行四邊形機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.1 擬定步行四邊形機(jī)器人總體方案
本次設(shè)計(jì)的步行四邊形機(jī)器人主要包括三大部分，分別是機(jī)器人主體、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中主體部分使用常規(guī)的碳鋼板材料，各部分利用螺紋連接來實(shí)現(xiàn)固定。傳動(dòng)部分則利用同步輪機(jī)構(gòu)來保持軸轉(zhuǎn)速一致，從而使動(dòng)力的傳遞符合我的使用要求。而可以實(shí)現(xiàn)步行的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)較多，如仿人形機(jī)器人常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)切比雪夫連桿機(jī)構(gòu)、各類越障機(jī)器人常用的平行四桿機(jī)構(gòu)、仿蜘蛛運(yùn)動(dòng)方式的克蘭連桿機(jī)構(gòu)，以及幾種在特殊領(lǐng)域使用的機(jī)構(gòu)：Jansen 連桿機(jī)構(gòu)、波塞利連桿機(jī)構(gòu)與瓦特連桿機(jī)構(gòu)[17]。本次選用的機(jī)構(gòu)為平行四桿機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)相對簡單容易，在運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)影響其他機(jī)構(gòu)的運(yùn)行且容易實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)過程平穩(wěn)，具有一定的越障能力，符合步行四邊形機(jī)器人的功能要求。
2.1.1 方案的比較
根據(jù)指導(dǎo)老師給我的相關(guān)論文以及從知網(wǎng)、百度等互聯(lián)網(wǎng)渠道了解到的相關(guān)知識，我對步行機(jī)器人這一領(lǐng)域有了一定的了解，并發(fā)現(xiàn)步行機(jī)器人的種類主要是根據(jù)其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)決定的，在此基礎(chǔ)上構(gòu)想了以下幾個(gè)方案并進(jìn)行了比較。
方案一：運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)選用克蘭連桿機(jī)構(gòu)，如下圖所示：
圖2-1克蘭連桿機(jī)構(gòu)機(jī)器人
方案二：運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)選用瓦特連桿機(jī)構(gòu)，如下圖所示：
圖2-2瓦特連桿機(jī)構(gòu)機(jī)器人
方案三：運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)選用平行四桿機(jī)構(gòu)，如下圖所示：
圖2-3平行四桿機(jī)構(gòu)機(jī)器人
首先對方案一進(jìn)行分析，方案一機(jī)器人實(shí)現(xiàn)步行的方式與蜘蛛類似，通過四條腿交替起落進(jìn)行移動(dòng)，并且每條腿有五個(gè)自由度，可以向各個(gè)方位移動(dòng)十分靈活，適應(yīng)陸地上的各種復(fù)雜地形。該機(jī)器人通過中心的攝像頭以及各類傳感器將畫面與數(shù)據(jù)傳輸至信息處理端進(jìn)行信息處理，再由信息處理端向其發(fā)送指令控制腿的運(yùn)動(dòng)[18]。此機(jī)器人的各項(xiàng)性能十分出色，但是設(shè)計(jì)本機(jī)器人需要大量有深度的電路知識、軟件編程知識與生物仿真學(xué)知識，還需要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析等一系列復(fù)雜的工作，在電路、編程方面我的知識儲(chǔ)備很薄弱，而生物仿真方面更是我的知識盲區(qū)，本設(shè)計(jì)的工作量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了本科論文的工作量，以我的能力不足以設(shè)計(jì)此機(jī)器人，所以我放棄了此方案。
方案二的原理極其簡單，前足與后足利用兩根桿進(jìn)行連接，小電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)其中一根連接桿進(jìn)行移動(dòng)，使兩端的前后足進(jìn)行交替式的運(yùn)動(dòng)，而兩端的運(yùn)動(dòng)規(guī)律恰好相反，即一邊做舒張動(dòng)作向機(jī)器人提供向前運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，另一邊進(jìn)行收縮動(dòng)作為機(jī)器人的下一次運(yùn)動(dòng)做準(zhǔn)備，并一定程度上的保持小車的穩(wěn)定性。但此方案缺點(diǎn)也十分顯著，首先機(jī)器人依靠足與地面之間的摩擦來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，如果在光滑表面行走會(huì)出現(xiàn)打滑、偏離運(yùn)動(dòng)路線等現(xiàn)象[19]。并且機(jī)器人腿部自由度過低，每條腿只有兩個(gè)自由度，一個(gè)是向前后方向移動(dòng)的自由度，一個(gè)是繞固定點(diǎn)小幅度轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，并沒有垂直方向上的自由度，說明機(jī)器人只能在平地上進(jìn)行移動(dòng)，不能應(yīng)用在有高度差的環(huán)境。綜合來看，機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單設(shè)計(jì)難度小，但缺點(diǎn)大實(shí)用性不高，工作量和難度達(dá)不到畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，所以我放棄了此方案。
方案三使用的是平行四桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，在該機(jī)構(gòu)中曲柄充當(dāng)動(dòng)力源，將動(dòng)力傳給長連桿，長連桿將動(dòng)力傳遞給腿使腿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其中短連桿對長連桿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束，使其保持一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律從而使腿保持運(yùn)動(dòng)規(guī)律。該機(jī)器人的腿有三個(gè)自由度，一個(gè)是前后方向的自由度，一個(gè)是垂直方向的自由度，還有一個(gè)繞關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。機(jī)器人每條腿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分為兩個(gè)階段，第一階段是上升階段，處于該階段時(shí)機(jī)器人由其他腿支撐本條腿則抬離地面，同時(shí)向前運(yùn)動(dòng)，與人類邁步抬起一條腿時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同；第二階段是下降階段，腿由最高點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)，并且足在接觸地面時(shí)使腿向后方移動(dòng)，利用足與地面之間的摩擦力推動(dòng)機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)，并提供向上的推力抬高機(jī)器人，對應(yīng)人類行走時(shí)支撐腿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，還可以使機(jī)器人在復(fù)雜程度不高的非平面環(huán)境下行走。本方案也滿足畢業(yè)設(shè)計(jì)的難度與工作量，因此選用此方案。
2.1.2 步行四邊形機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃
步態(tài)規(guī)劃的目的是使機(jī)器人按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在一定的時(shí)間內(nèi)完成機(jī)器人周期內(nèi)的移動(dòng)動(dòng)作，其中足與地面相接觸的的狀態(tài)為支撐態(tài)，足未與地面相接觸的狀態(tài)為擺動(dòng)態(tài)。為保持步行四邊形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，在運(yùn)動(dòng)時(shí)需同時(shí)有三條腿保持支撐態(tài)，并且在進(jìn)行狀態(tài)變換時(shí)需六條腿同時(shí)處于支撐態(tài)，再由之前處于擺動(dòng)態(tài)的三條腿進(jìn)行支撐，保證機(jī)器人在進(jìn)行狀態(tài)變換時(shí)的穩(wěn)定性[20]。
為滿足以上條件，將機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃為對角步態(tài)，在此步態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)器人對角線位置上的腿同時(shí)保持在支撐態(tài)或擺動(dòng)態(tài)，而處于同一軸上的兩條腿所處狀態(tài)相反，且位置也正好相反。將機(jī)器人的六條腿按從左到右，從前向后的順序分別記為1號腿、2號腿、3號腿、4號腿、5號腿、6號腿，則機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)1號腿、4號腿、5號腿的狀態(tài)狀態(tài)一致，2號腿、3號腿、6號腿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致，且當(dāng)1號腿為支撐態(tài)運(yùn)動(dòng)至最低位置時(shí)與其同軸的2號腿處于擺動(dòng)態(tài)并運(yùn)動(dòng)至最高位置。
根據(jù)上述結(jié)論所繪制的步行四邊形機(jī)器人對角步態(tài)的邁步時(shí)序圖如圖2-4所示：
圖2-4機(jī)器人步態(tài)順序表
當(dāng)腿處于上升狀態(tài)時(shí)，各部分運(yùn)動(dòng)情況如圖2-5所示，當(dāng)腿處于下降狀態(tài)時(shí)，各部分運(yùn)動(dòng)情況如圖2-6所示。
圖2-5上升動(dòng)作 圖2-6下降動(dòng)作
2.1.3 方案的確定
本方案中運(yùn)動(dòng)部分采用四桿機(jī)構(gòu)，通過曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)與桿的約束，使其腿部運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。傳動(dòng)部分，機(jī)器人兩條相對的腿由一根軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人內(nèi)部共三根軸通過帶輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，由中間軸與電動(dòng)機(jī)進(jìn)行連接，再由中間軸將動(dòng)力通過同步帶傳給兩側(cè)的軸，另外的兩根軸都變成從動(dòng)軸。具體機(jī)理是電機(jī)-減速帶輪-同步帶輪-曲柄-搖桿-腿部構(gòu)件-四足步行實(shí)現(xiàn)。
2.2 本章小結(jié)
本章介紹了各種步行機(jī)器人常用的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與一些機(jī)構(gòu)的運(yùn)用，在這些運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了幾種不同的步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案，通過分析幾種方案的運(yùn)動(dòng)原理，對比其難度與可行性最終確定了以四桿機(jī)構(gòu)為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。
第3章 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核
3.1 四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1.1 曲柄存在的條件
鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)是常用在各種工程中的一種機(jī)構(gòu)，它可以分為三大類：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。在進(jìn)行三種機(jī)構(gòu)的判斷時(shí)曲柄是否存在是其中的關(guān)鍵點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的難點(diǎn)。
圖3-1曲柄示意圖
如上圖所示，桿件AB可進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動(dòng)為曲柄，桿件CD只能進(jìn)行小于360°的擺動(dòng)為搖桿，可以判斷出此機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。從《機(jī)械設(shè)計(jì)》中可知曲柄存在的條件是：第一：四桿中最短桿或最短桿相鄰的一桿為機(jī)架；第二：四桿中最長與最短的兩個(gè)桿件長度之和≤剩余兩桿的長度之和。其中最短桿為機(jī)架的情況下則此機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)，最短桿是與機(jī)架相鄰的一桿則機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。如上圖中若AB為機(jī)架，桿AD、桿BC進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，則此機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)；若將桿AB或桿BC進(jìn)行延長，使其長度和大于桿AD和桿CD則不存在曲柄為雙搖桿機(jī)構(gòu)。
在本次設(shè)計(jì)中，圓盤上與長連桿進(jìn)行連接的孔洞與圓盤中心的距離為曲柄對應(yīng)上圖桿AB桿，圓盤中心到短連桿與箱體連接處之間的平面距離為機(jī)架的長度對應(yīng)上圖桿AD桿，短連桿的長度為搖桿的長度對應(yīng)上圖CD桿，圓盤上的孔洞與長短連桿相連接處的長度（此處將其長度設(shè)定為長連桿長度的一半）則對應(yīng)上圖BC桿。若想利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作，需要保證各長度之間的關(guān)系符合上述曲柄搖桿機(jī)構(gòu)存在的條件。
3.1.2 急回運(yùn)動(dòng)特性和行程運(yùn)動(dòng)速比K的關(guān)系
在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，曲柄的擺動(dòng)速度一般為定值，而其所帶動(dòng)的搖桿的擺動(dòng)速度通常會(huì)隨曲柄所在位置的不同而不同，并且搖桿來回?cái)[動(dòng)的速度也不相同。如果把行程平均轉(zhuǎn)速較低的當(dāng)成運(yùn)動(dòng)行程，把平均轉(zhuǎn)速較高的當(dāng)成非運(yùn)動(dòng)行程，于是就可將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的這兩種平均速度不相同的行程特性定義成急回特性。此種特性經(jīng)常使用行程速比系數(shù) K（搖桿平均轉(zhuǎn)速低、平均轉(zhuǎn)速高的行程平均速度之比）作為衡量。如下圖所示：曲柄機(jī)構(gòu)做均速正方向轉(zhuǎn)動(dòng)，那么搖桿機(jī)構(gòu)就做水平來回?cái)[動(dòng)（正方向是運(yùn)動(dòng)行程，反方向是為非運(yùn)動(dòng)行程）?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)搖桿處于這兩個(gè)位置時(shí)，曲柄端點(diǎn)處與搖桿端點(diǎn)處所形成的兩條直線之間存在一個(gè)夾角θ，我們將其定義為極位夾角。為了更加直觀的表達(dá)出極位夾角θ對急回運(yùn)動(dòng)特性的影響，我們引入一個(gè)用θ來表示的概念叫做行程運(yùn)動(dòng)速比用K來表示，K與θ的關(guān)系可以表達(dá)為。
綜上所述可以得出結(jié)論：第一：急回特性表示的是搖桿來回運(yùn)動(dòng)的速度比，K越大搖桿來回運(yùn)動(dòng)的速比越大；第二：因極位夾角θ的值≤90°根據(jù)公式，可以得出K≤3，若K值為0則不存在急回特性，即此機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)。在本設(shè)計(jì)中曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)最重要的組成部分，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡決定了整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，為使機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行需要兩組腿之間的動(dòng)作交替平穩(wěn)進(jìn)行，因此需保證搖桿來回運(yùn)動(dòng)的速比K越小越好，使機(jī)器人盡量平穩(wěn)運(yùn)行。
初擬定圓盤中心到圓盤與長連桿相連接的孔的距離為27.5mm，圓盤與長連桿相連接的孔到長連桿與短連桿相連接的孔的距離為70.0mm，短連桿與長連桿相連接的孔到短連桿與箱壁相連接的孔的距離為57.0mm，圓盤中心到短連桿與箱壁相連接的孔的距離為90.0mm。根據(jù)長度用做圖法求極位夾角如圖3-2：
由圖可得極位夾角θ為6°，代入公式中得出K=1.07，滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的需求。
6°
圖3-2四桿機(jī)構(gòu)極位夾角圖
3.1.3 壓力角和傳動(dòng)角
壓力角是連接曲柄與搖桿之間的連桿的運(yùn)動(dòng)方向與其和曲柄相接端的受力方向所成的夾角，我們用α來表示。與其相對應(yīng)的角稱為傳動(dòng)角，用γ來表示。α與γ間的大小關(guān)系為，壓力角越大則傳動(dòng)角越小。
壓力角α是一個(gè)因變量，影響其大小的主要因素是曲柄的位置，一般來講壓力角會(huì)隨著曲柄位置的變化逐漸增大或減小，當(dāng)壓力角減小到最小值即0°時(shí)，被傳動(dòng)件的受力方向與其運(yùn)動(dòng)方向完全重合，若不考慮摩擦力等因素此時(shí)的傳動(dòng)效率為百分之百，動(dòng)力與能量沒有損耗，此時(shí)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率最高。當(dāng)壓力角達(dá)到最小值后會(huì)隨著曲柄的位置的改變逐漸增大到最大值，一般來講設(shè)計(jì)時(shí)壓力角最大不超過50°，若壓力角大于50°則機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率會(huì)過低，還會(huì)造成應(yīng)力集中等一系列問題，若壓力角持續(xù)增大，被傳動(dòng)件所受的力小于其另一端所受載荷不足以推動(dòng)下個(gè)受力件，則會(huì)使機(jī)構(gòu)自鎖，嚴(yán)重影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)能力。
因此在設(shè)計(jì)時(shí)壓力角越小，則機(jī)構(gòu)的效率越高運(yùn)動(dòng)性能越好，最大不超過50°。在給定曲柄搖桿機(jī)構(gòu)各桿件長度時(shí)可求壓力角的最大值，但壓力角并不直觀難以求解，一般情況下求解其對應(yīng)的傳動(dòng)角。傳動(dòng)角為搖桿與連桿之間所成銳角的角度，根據(jù)公式可知傳動(dòng)角最小時(shí)壓力角最大，根據(jù)上一章節(jié)滿足曲柄搖桿存在條件的四根桿的長度，同樣利用作圖法求其最小壓力角，如圖3-3所示：
當(dāng)曲柄處于兩處極點(diǎn)位置時(shí)所得的傳動(dòng)角的值分別為51°與65°，曲柄處于極點(diǎn)位置并向下一個(gè)極點(diǎn)位置移動(dòng)過程中，傳動(dòng)角會(huì)經(jīng)過由小變大再由大變小這樣一個(gè)過程，所以當(dāng)其處于某一極點(diǎn)時(shí)傳動(dòng)角取51°為本機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角。最大壓力角為，其值小于50°滿足最大壓力角的條件。
圖3-3四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角圖
3.2 機(jī)械傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.2.1 直流伺服電機(jī)的選型
已知步行四邊形機(jī)器人長度為400mm、寬度為230mm、高度為220mm，外殼選用密度較低的鋁合金1035，同步帶輪、傳動(dòng)軸、四桿機(jī)構(gòu)材料均選用45號鋼，通過查找資料得鋁合金1035的密度為2.75g/cm3，45號鋼密度為7.85g/cm3,由此估算整個(gè)機(jī)器人的質(zhì)量約為15KG，其中外殼由6塊板組成約為10KG，傳動(dòng)軸、同步帶輪等其他部件加上電動(dòng)機(jī)本體的質(zhì)量約為5KG。機(jī)器人曲柄處每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈帶動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)約5cm，步行機(jī)器人的移動(dòng)速度約為20m/min，因此擬定傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為360r/min。
步行四邊形機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中始終由三條腿進(jìn)行支撐，因此每條腿所提供的支持力FN=mg=5×10=50N，通過對機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)軌跡與受力情況進(jìn)行分析，當(dāng)腿與地面接觸并達(dá)到某一位置時(shí)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率最小此時(shí)傳動(dòng)軸所承受的載荷最大，估算此時(shí)的傳動(dòng)效率為70％則曲柄處需施加力的大小約為70N，則傳動(dòng)軸處所輸出的最大力矩為。在傳動(dòng)系統(tǒng)中中間軸將動(dòng)力傳動(dòng)給兩側(cè)的軸，中間軸所承受的載荷為兩側(cè)軸承受載荷的3倍，因此整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)所承受的最大載荷，即電動(dòng)機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)矩不小于。
根據(jù)公式，選取Z2系列直流電機(jī)，電動(dòng)機(jī)型號為Z2-52，電動(dòng)機(jī)額定功率為0.5KW，額定轉(zhuǎn)速為750r/min。電動(dòng)機(jī)的效果圖如圖3-5所示：
圖3-5電機(jī)外觀圖
外形尺寸70x121mm，電機(jī)輸出軸徑為15mm。
3.2.2 同步帶輪的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)共三處需要同步帶輪進(jìn)行連接，電動(dòng)機(jī)與中間軸間的鏈接、中間軸與前軸間的鏈接、前軸與后軸間的鏈接。電動(dòng)機(jī)與中間軸進(jìn)行減速傳動(dòng)，其余兩處均進(jìn)行同速傳動(dòng)。因此可將同步帶輪的設(shè)計(jì)分為兩組，一組為電動(dòng)機(jī)與中間軸間的減速同步帶輪設(shè)計(jì)，另一組為同速同步帶輪設(shè)計(jì)，后兩處的鏈接共用一組帶輪，即帶輪的齒數(shù)、大小相同，帶的型號與寬度相同，只有帶的長度不同。
第一組同步帶輪的設(shè)計(jì)：
已知電動(dòng)機(jī)額定功率為0.5kw，轉(zhuǎn)速為750r/min，傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速為360r/min，中心距a0約為94mm，每日運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為8~10h，根據(jù)此條件設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)。
1.求設(shè)計(jì)功率Pd
其中k0為載荷修正系數(shù)，根據(jù)機(jī)械性能與每日運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間查表3-1得出。Pm為傳動(dòng)名義功率，此處取0.5kw。
表3-1載荷修正系數(shù)表
工作機(jī)
第一組原動(dòng)機(jī)
第二組原動(dòng)機(jī)
運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間（小時(shí)/日）
運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間（小時(shí)/日）
3~5
8~10
16~24
3~5
8~10
16~24
計(jì)算機(jī)、醫(yī)療機(jī)
1.0
1.2
1.4
1.2
1.4
1.6
縫紉機(jī)、辦公機(jī)械
1.2
1.4
1.6
1.4
1.6
1.8
輕傳送機(jī)、包裝機(jī)
1.3
1.5
1.7
1.5
1.7
1.9
攪拌機(jī)、造紙機(jī)
1.4
1.6
1.8
1.6
1.8
2.0
印刷機(jī)、圓形帶鋸
1.4
1.6
1.8
1.6
1.8
2.0
注：第一組原動(dòng)機(jī)為：普通轉(zhuǎn)矩交流電機(jī)；并激直流電機(jī)；多缸內(nèi)燃機(jī)。第二組原動(dòng)機(jī)為：大轉(zhuǎn)矩交流電機(jī)；單缸內(nèi)燃機(jī)。
2.確定帶的型號和節(jié)距
根據(jù)設(shè)計(jì)功率Pd=0.75kw，n1=750r/min，以及機(jī)器人的具體需求，根據(jù)圖3-6可查得帶型為L型，根據(jù)表3-2查得對應(yīng)節(jié)距Pb=9.525mm。
圖3-6同步帶選型表
表3-2同步帶屬性表
帶型號
節(jié)距Pb(mm)
基準(zhǔn)寬度bac(mm)
拉力Ta（N）
質(zhì)量（kg/m）
帶寬b（mm）
MXL
2.032
6.4
3.0 4.8 6.4
XXL
3.175
6.4
31
0.010
3.0 4.8 6.4
XL
5.080
9.5
50.17
0.022
6.4 7.9 9.5
L
9.525
25.4
244.46
0.095
12.7 19.1 25.4
H
12.700
76.20
2100.85
0.448
19.1 25.4 38.1
50.8 76.2
表3-3同步帶齒數(shù)表
小帶輪轉(zhuǎn)速（r/min）
帶型號
MXL
XL
L
H
XH
XXH
900以下
10
10
12
14
22
22
900~1200
12
10
12
16
24
24
1200~1800
14
12
14
18
26
26
1800~3600
16
12
16
20
30
-
3600~4800
18
15
18
22
-
-
3.確定小帶輪齒數(shù)
根據(jù)轉(zhuǎn)速n1=750r/min與帶型為L型帶，查表3-3，得出小帶輪最小許用齒數(shù)z1=12。大小帶輪傳動(dòng)比，大帶輪齒數(shù)z2=z1i=12×2.08=24.16，取z2=24。
4.確定帶輪節(jié)圓直徑
d1=Pbz1/π=9.525×12/π=36.4mm
d2=Pbz2/π=9.525×24/π=72.8mm
5.確定同步帶的節(jié)線長度Lp
其中==0.202=12°（a=90mm）解得Lp=234.7mm，根據(jù)具體需求取LP0=238.125mm。
6.計(jì)算同步帶齒數(shù)Zb
Zb=Lp/Pb=238.125/9.525=25
7.傳動(dòng)中心距a的計(jì)算
a= a0+(Lp0-Lp)/2=94+1.71=95.71mm
中心距可調(diào)范圍
amax=a+0.03Lp0=102.85mm
amin=a-0.015Lp0=92.14mm
最終取a=94mm
8.確定同步帶設(shè)計(jì)功率為Pd時(shí)所需帶寬
（1）計(jì)算所選型號同步帶的基準(zhǔn)額定功率P0
P0=(Ta-mv2）v/1000kw
其中Ta為許用工作拉力，查表3-2得Ta=244.46N。
m為帶的單位長度質(zhì)量，查表3-2得m=0.022kg/m。
v為線速度，根據(jù)公式，求得v=13.65m/s。
將數(shù)據(jù)代入公式最終求得P0=3.28kw
（2）計(jì)算小帶輪嚙合齒數(shù)zm
（3） 確定實(shí)際所需要帶寬b
P≈P0KzKw
其中P為帶所能傳遞的功率單位為kw
Kz為嚙合系數(shù)，當(dāng)zm>6時(shí)，Kz=1；當(dāng)zm<6時(shí)Kz=1-0.2（6-zm）本設(shè)計(jì)中zm=4.46<6，Kz取0.7。
Kw=，查表3-2得bac=25.40mm
將P計(jì)算公式代入P≥Pd可得b≥bac=11.48mm，查表3-2取標(biāo)準(zhǔn)帶寬b=12.7mm。
9.驗(yàn)算
P>P0，額定功率大于設(shè)計(jì)功率，說明此帶的傳動(dòng)能力符合使用要求。
10.結(jié)果整理
（1）帶的相關(guān)參數(shù)：選用L型帶，Pb=9.525mm，zb=25，LP=238.125mm，b=12.7mm。
（2）帶輪的相關(guān)參數(shù)：z1=12，d1=36.4mm；z2=24，d2=72.8mm。
（3）傳動(dòng)中心距a=94mm。
第二組同步帶輪的設(shè)計(jì)：
中間軸輸出功率P0=P額×nb=0.5×0.98=0.49kw，nb為同步帶傳動(dòng)效率取0.98，轉(zhuǎn)速為360r/min；從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速與中間軸一致，進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)。中心距a0約為130mm，每日運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為8~10h，根據(jù)此條件設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)。
1.求設(shè)計(jì)功率Pd
其中k0為載荷修正系數(shù)，根據(jù)機(jī)械性能與每日運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間查表3-1得出。Pm為傳動(dòng)名義功率，此處取0.49kw。
2.確定帶的型號和節(jié)距
根據(jù)設(shè)計(jì)功率Pd=0.735kw，n1=360r/min，以及機(jī)器人的具體需求，根據(jù)圖3-6可查得帶型為L型，根據(jù)表3-2查得對應(yīng)節(jié)距Pb=9.525mm。
3.確定帶輪齒數(shù)
根據(jù)轉(zhuǎn)速n1=750r/min與帶型為L型帶，查表3-3得出小帶輪最小許用齒數(shù)z1=12。大小帶輪傳動(dòng)比，大帶輪齒數(shù)z2=z1i=12×1=12，取z2=12。
4.確定帶輪節(jié)圓直徑
d1=Pbz1/π=9.525×12/π=36.4mm
d2=Pbz2/π=9.525×12/π=36.4mm
5.確定同步帶的節(jié)線長度Lp
其中==0°（a=130mm）解得LP=296.4mm，根據(jù)具體需求取295.275mm。
6.計(jì)算同步帶齒數(shù)zb
zb=Lp/Pb=295.275/9.525=31
7.傳動(dòng)中心距a的計(jì)算
a= a0+(Lp0-Lp)/2=130-0.56=129.44mm
中心距可調(diào)范圍
amax=a+0.03Lp0=138.30mm
amin=a-0.015Lp0=125.01mm
最終取a=130mm
8.確定同步帶設(shè)計(jì)功率為Pd時(shí)所需帶寬
（1）計(jì)算所選型號同步帶的基準(zhǔn)額定功率P0
P0=（Ta-mv2）v/1000（kw）
其中Ta為許用工作拉力，查表3-2得Ta=244.46N；
m為帶的單位長度質(zhì)量，查表3-2得m=0.022kg/m；
v為線速度，根據(jù)公式，求得v=13.65m/s；
將數(shù)據(jù)代入公式最終求得P0=3.28kw。
（2）計(jì)算小帶輪嚙合齒數(shù)zm
zm==6
（3）確定實(shí)際所需要帶寬b
P≈P0KzKw
其中P為帶所能傳遞的功率單位為kw
Kz為嚙合系數(shù)，當(dāng)zm>6時(shí)，Kz=1；當(dāng)zm<6時(shí)Kz=1-0.2（6-zm）本設(shè)計(jì)中zm=6，Kz取1。
Kw=，查表3-2得bac=25.40mm
將P計(jì)算公式代入P≥Pd可得b≥bac=8.20mm，查表3-2取標(biāo)準(zhǔn)帶寬b=7.90mm。
9.驗(yàn)算
P>P0，額定功率大于設(shè)計(jì)功率，說明此帶的傳動(dòng)能力符合使用要求。
10.結(jié)果整理
（1）帶的相關(guān)參數(shù)：選用L型帶，Pb=9.525mm，zb=31，LP=295.275mm，b=7.90mm。
（2）帶輪的相關(guān)參數(shù)：z1=12，d1=36.4mm；z2=12，d2=36.4mm。
（3）傳動(dòng)中心距a=130mm。
第三組帶輪的中心距為260mm，與第二組相比除帶的節(jié)線長度與同步帶齒數(shù)發(fā)生變化，其余數(shù)據(jù)無變化。
第三組同步帶節(jié)線長度Lp
解得Lp=556.4mm，根據(jù)具體需求取Lp=561.975mm
第三組同步帶齒數(shù)Zb
Zb=Lp/Pb=561.975/9.525=59
第三組結(jié)果整理
（1）帶的相關(guān)參數(shù)：選用L型帶，Pb=9.525mm，zb=59，LP=561.975mm，b=7.90mm。
（2）帶輪的相關(guān)參數(shù)：z1=12，d1=36.4mm；z2=12，d2=36.4mm。
（3）傳動(dòng)中心距a=260mm。
3.2.3 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)與計(jì)算
在本設(shè)計(jì)中軸需要與多個(gè)零件進(jìn)行連接，其中包括同步帶輪、軸承與四桿機(jī)構(gòu)的曲柄部分。軸所需承受的載荷有兩類分別是扭矩與彎矩。通過查閱資料了解到軸可按照承受載荷的種類與大小分為三大類，其中性能最優(yōu)秀的是轉(zhuǎn)軸可同時(shí)承受兩種較大的載荷，心軸只可以承受彎矩而不承受扭矩，傳動(dòng)軸可承受較大扭矩與較小的彎矩。根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體需求將軸設(shè)計(jì)為傳動(dòng)軸。確定了軸的類型后還需要考慮是否將軸設(shè)計(jì)為階梯軸，設(shè)計(jì)階梯軸的目的是方便安裝在軸上零件的定位，而本設(shè)計(jì)中軸上最多所需要安裝的帶輪只有兩個(gè)，因此不使用軸肩進(jìn)行定位，使用方便安裝與拆卸的卡簧對帶輪進(jìn)行定位，軸的主體部分軸徑相同。帶輪部分不需要依靠階梯軸來進(jìn)行定位，但在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到安裝在軸兩側(cè)的軸承也需要進(jìn)行定位，因此在軸承部分將軸設(shè)計(jì)為階梯軸依靠軸肩與箱體對軸承進(jìn)行定位。
本設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)共三根軸，其中中間軸承受較大的載荷其他兩根軸承受較小的載荷。因此主要對中間軸進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核，其他兩軸的尺寸形狀與中間軸保持一致，只有鍵槽的位置不同。
確定了軸的類型與基本形態(tài)后需要確定軸的材料，本設(shè)計(jì)中傳動(dòng)軸主要承受轉(zhuǎn)矩，無其他特殊要求。因此將材料選為常用的45號鋼，并通過正火回火等熱處理保證其力學(xué)性能。
1.計(jì)算最小軸徑
（1）計(jì)算該軸傳動(dòng)軸的輸出功率
P1=P額×nb=0.5×0.98=0.49kw
nb----同步帶傳動(dòng)效率取0.98
（2）軸徑設(shè)計(jì)與選取
根據(jù)公式mm，估算軸的最小直徑。
式中A0=，查表3-10可得，取110；
P----傳動(dòng)軸所傳遞的功率
N----軸的轉(zhuǎn)速
將數(shù)據(jù)代入dmin=12.19mm。
在選取軸徑時(shí)不僅要考慮轉(zhuǎn)矩對軸的影響，還要考慮鍵槽對于軸強(qiáng)度的影響，根據(jù)實(shí)際需求選取軸的直徑d=15mm。
2.根據(jù)軸向定位的要求確定軸各段長度
為了滿足軸承的定位需求軸兩側(cè)需制出軸肩，軸肩處的直徑差設(shè)置為4mm，倒角長度為1.414mm角度為45°。
3.軸承的選擇
軸在運(yùn)動(dòng)過程中主要承受較強(qiáng)的徑向載荷，軸承類型選為常用的深溝球軸承。根據(jù)軸徑的大小選擇（0）2尺寸系列軸承，軸承代號為6200 GB/T 276—1994。軸承基本參數(shù)：d=10mm，D=30mm，B=9mm。
4.鍵的選擇
本設(shè)計(jì)選用圓頭普通平鍵，根據(jù)軸的直徑以及帶輪厚度選擇大小合適的鍵。電動(dòng)機(jī)軸與帶輪輪轂相連接處選擇鍵的型號為GB/T 鍵 8×7×12；中間軸與第一組帶輪輪轂連接處選擇鍵的型號為GB/T 鍵 5×5×12；中間軸與第二組帶輪輪轂連接處選擇鍵的型號為GB/T 鍵 5×5×8。
3.3 關(guān)鍵零部件的校核
3.3.1 軸的強(qiáng)度校核
在進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核時(shí)，需根據(jù)軸的具體受力情況以及軸的類型對其進(jìn)行校核。在本設(shè)計(jì)中軸的類型均為傳動(dòng)軸，其中中間軸承受較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力與，因此對中間軸所受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最大的截面進(jìn)行強(qiáng)度校核。
軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
式中：τT----扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；
T----軸所受扭矩，N.mm；
WT---軸的抗扭截面系數(shù)，mm；
N----軸的轉(zhuǎn)速，r/min；
P----軸所傳遞的功率，kw；
d----截面處軸的直徑，mm；
[τT]---需用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。見表4-1。
表4-1需用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力表
軸的材料
Q235-A、20
Q275、35
45
40Cr、35SiMn
[τT]/MPa
15~25
20~35
25~45
35~55
將數(shù)據(jù)代入得τT=1.91MPa≤[τT],滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的使用需求。
中間軸承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的同時(shí)還需要承受一定的彎矩，因此對中間軸進(jìn)行受力分析，求出其彎矩并進(jìn)行強(qiáng)度校核。
3.3.2 鍵的強(qiáng)度校核
鍵在工作時(shí)工作面會(huì)承受剪切應(yīng)力，因此對鍵進(jìn)行校核。在本設(shè)計(jì)中鍵所受的載荷均勻分布，其滿足擠壓強(qiáng)度的條件為：
式中：T----鍵所承受的轉(zhuǎn)矩，N.mm；
D----軸徑，mm；
H----鍵高，mm；
L----鍵的工作長度，mm；
[σp]----許用擠壓應(yīng)力，MPa。見表4-2，取130MPa；
T=9550000=13260N.mm
將數(shù)據(jù)代入得σp=58.95MPa≤[σp]，符合強(qiáng)度使用需求。
表4-2需用載荷取值表
許用值
輪轂材料
載荷性質(zhì)
靜載荷
動(dòng)載荷
沖擊
[σp]
鋼
鑄鐵
125~150
70~80
110~120
50~60
60~90
30~45
3.4 本章小結(jié)
本章設(shè)計(jì)了步行四邊形機(jī)器人腿部的四桿機(jī)構(gòu)，并通過分析其急回特性、壓力角等驗(yàn)證了四桿機(jī)構(gòu)的可行性。通過對機(jī)器人質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力進(jìn)行分析，選取了合適的電動(dòng)機(jī)。根據(jù)所選電動(dòng)機(jī)型號與機(jī)器人的尺寸設(shè)計(jì)了同步帶輪與軸，根據(jù)軸與帶輪的尺寸選取合適的鍵。
第4章 主要零部件的3D建模與機(jī)器人的裝配
4.1 軸的3D建模
本設(shè)計(jì)三根軸基本尺寸一致只有鍵槽位置不同，因此在進(jìn)行3D建模時(shí)先繪制軸的本體，再根據(jù)各軸的鍵槽所在位置繪制鍵槽。具體繪制步驟如下：
1.選定平面根據(jù)軸的直徑繪制圓并根據(jù)軸的長度進(jìn)行拉伸。
2.選定軸向平分圓柱體的一平面，選擇合適的位置繪制倒角形狀并進(jìn)行切除旋轉(zhuǎn)。
3.選定之前已完成拉伸的圓柱體的端面，以此為基礎(chǔ)面根據(jù)需求繪制圓進(jìn)行拉伸。
4.以再次拉伸完成的圓柱端面為基準(zhǔn)面，根據(jù)需求繪制圖形并根據(jù)曲柄的厚度做切除拉伸。
5.選定2~4步所繪制的部分，以最先拉伸的圓柱體中間面為基準(zhǔn)面進(jìn)行鏡像操作。
6.選擇合適的位置為基準(zhǔn)面，根據(jù)所選擇鍵的型號繪制圖形并根據(jù)軸的軸徑進(jìn)行切除拉伸，至此軸本體部分繪制完成。
完成一根軸的建模后將前五步進(jìn)行復(fù)制，其余兩根軸在前五步的基礎(chǔ)上選擇合適的位置進(jìn)行第六步，得到所需要的三根軸。軸的3D建模圖如下：
圖4-1軸
4.2 帶輪的3D建模
帶輪是本次3D建模中最難的一部分，在建模過程中遇到了許多困難的點(diǎn)，通過查閱資料觀看視頻等方式了解了如何對帶輪進(jìn)行3D建模。但在繪制過程中仍舊不順利，最終選擇在零件庫中插入標(biāo)準(zhǔn)件的方式將帶輪安裝至裝配體，這也是本次設(shè)計(jì)過程中的遺憾。學(xué)習(xí)到的帶輪具體繪制步驟如下：
1.選擇一個(gè)平面繪制圓，圓的直徑為帶輪側(cè)視圖可見的最大輪廓的直徑，根據(jù)帶輪側(cè)壁的厚度進(jìn)行拉伸。
2.以拉伸出的圓柱體的一面為基準(zhǔn)面向內(nèi)側(cè)做圓臺并選擇切除拉伸，圓臺的高度根據(jù)需求取合適值，圓臺小圓的直徑根據(jù)帶輪的節(jié)圓直徑繪制。
3.以切除拉伸出的圓臺的小圓為基準(zhǔn)面繪制圓進(jìn)行拉伸，圓的大小與拉伸的高度根據(jù)需求取合適值。
4.以軸向平分圓柱的平面為基準(zhǔn)面，在合適的位置分別繪制小圓柱的倒角與大圓柱的傾角并進(jìn)行切除旋轉(zhuǎn)。
5.以大圓內(nèi)側(cè)為基準(zhǔn)面繪制同步帶輪的輪齒，輪齒的數(shù)量、節(jié)圓直徑與拉伸的高度根據(jù)論文中的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制。
6.選取1~4步所繪制的部分，以徑向平分第五步所繪制輪齒的平面為基準(zhǔn)面進(jìn)行鏡像操作。
7.以第三步所拉伸出的圓柱端面為基準(zhǔn)面，繪制孔與鍵槽并向內(nèi)切除拉伸至另一平面；孔的直徑大小為軸的軸徑，鍵槽的高度與寬度根據(jù)所選鍵進(jìn)行繪制。
根據(jù)以上方法所繪制的同步帶輪3D建模圖如下：
圖4-2 同步帶輪
4.3 步行四邊形機(jī)器人的裝配
在進(jìn)行機(jī)器人的裝配時(shí)需要以某一個(gè)或一部分零件為基準(zhǔn)，再將其他零部件按合適的配合方式進(jìn)行裝配。在此次裝配中以機(jī)器人的底板為基準(zhǔn)，以此基準(zhǔn)進(jìn)行其他零件的裝配。具體裝配步驟如下：
1.以底板為基準(zhǔn)使用重合指令安裝機(jī)器人的前板、后板與兩面?zhèn)劝?，板與板之間通過螺母進(jìn)行連接。
2.根據(jù)側(cè)板上螺紋孔的位置使用同軸指令裝配電動(dòng)機(jī)，使用重合指令使電動(dòng)機(jī)連接柱的端面與側(cè)板重合，并通過電動(dòng)機(jī)底面與底板的重合配合關(guān)系進(jìn)一步確定發(fā)動(dòng)機(jī)的位置。
3.以電動(dòng)機(jī)輸出軸為基準(zhǔn)使用同軸與重合指令安裝同步帶輪。
4.以側(cè)板上的孔洞為基準(zhǔn)使用同軸、重合指令安裝深溝球軸承與軸 承座，其中軸承座通過螺栓與側(cè)板進(jìn)行連接。
5.以軸承的孔為基準(zhǔn)使用同軸指令安裝軸，使用重合指令使軸肩處與軸承內(nèi)側(cè)相接進(jìn)一步確定軸的位置。
6.以軸為基準(zhǔn)使用同軸指令與重合指令安裝其余的同步帶輪。
7.以同步帶輪為基準(zhǔn)使用同軸與重合指令安裝同步帶，至此機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配完成。
8.以軸末端的凸臺為基準(zhǔn)使用重合指令安裝曲柄。
9.以曲柄上的小孔為基準(zhǔn)使用同軸與重合指令安裝長連桿，長連桿與曲柄之間通過銷軸進(jìn)行連接。
10.以側(cè)板上的孔為基準(zhǔn)使用同軸與重合指令安裝銷軸、軸套，并以銷軸為基準(zhǔn)安裝短連桿。
11.以短連桿末端的孔為基準(zhǔn)使用同軸指令進(jìn)一步約束長連桿的位置，短連桿與長連桿之間使用銷軸進(jìn)行連接。
12.以長連桿末端孔為基準(zhǔn)使用同軸與重合指令安裝軸套與腿，長連桿、軸套、腿之間通過銷軸進(jìn)行連接，再將足與腿使用同軸與重合指令連接，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配完成。
13.重復(fù)8~12步安裝另外五處運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或通過局部陣列的方式來實(shí)現(xiàn)，最后使用重合指令安裝上板步行四邊形機(jī)器人的裝配完成。
步行四邊形機(jī)器人3D總裝配圖如圖所示：
圖4-3 步行機(jī)器人總裝配圖側(cè)視圖
4.4 本章小結(jié)
本章使用SolidWorks軟件對步行四邊形機(jī)器人進(jìn)行了3D建模，建模步驟大致為選取平面后繪制草圖再進(jìn)行拉伸，其中小部分零件為標(biāo)準(zhǔn)件使用插入標(biāo)準(zhǔn)件的方法直接插入至裝配圖。
結(jié)論
本文對步行四邊形機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，前期通過查閱大量資料與文獻(xiàn)對步行機(jī)器人這一領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了大致的了解，確定了主要設(shè)計(jì)對象為步行四邊形機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了方案的設(shè)計(jì)與選擇。
中期按照所選擇的方案進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，確定了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中各個(gè)主要零部件的尺寸，并選取直流電機(jī)與同步帶輪的組合為傳動(dòng)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的可行性分析，對傳動(dòng)系統(tǒng)的主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核。
后期則使用SolidWorks軟件對各個(gè)零部件進(jìn)行建模，組成裝配體。同時(shí)對論文與二維圖紙根據(jù)老師的指導(dǎo)意見進(jìn)行調(diào)整與修改。
本設(shè)計(jì)理論上可以實(shí)現(xiàn)步行動(dòng)作，但由于個(gè)人能力有限，各個(gè)部分的設(shè)計(jì)無法做到完全合理，有待繼續(xù)研究。
致謝
在趙金濤老師的大力幫助與支持下，我的畢業(yè)論文得以完成。老師對于事業(yè)的熱情，學(xué)術(shù)上的嚴(yán)謹(jǐn)以及細(xì)節(jié)里的嚴(yán)格讓本人受益匪淺。在相關(guān)的實(shí)際問題的討論中，趙老師總是孜孜不倦的引導(dǎo)著我，幫助著我。每周一次的進(jìn)度檢查和問題討論，促使我在正確的道路上大步前進(jìn)，使工作按時(shí)保質(zhì)保量的完成，我本人的研究能力，