平面連桿式四足步行機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計【19張CAD圖紙+PDF圖】

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The robot how to realize to working in the complex environment has become the focus of researchers. All engineering and technical personnel in the world, has been committed to research dynamic walking robots, how to reduce the degree of freedom of the structure and simplifies the control has been the difficulty of the study. This topic depart from the principle of bionics and design a new type of dynamic quadruped walking robot. This paper analyzes the technical status and characteristics of multi-legged robots, identified the topic of research objectives and expected results. Through the horse trotting gait analysis, analysis of quadruped walking robot gait and design the principles of the program, including the principles of the program and turn the principles of agency programs walking institutions. Based on the above principle scheme, the structure of walking robots were designed, the main contents are the general assembly drawing design, structural design of the legs, turning structural design. On the basis of mechanism design is completed, check and calculate the gear shaft, straight bevel gears, bearings and other key parts. Finally using Pro/E software to make animation for the action process of robot. The innovative design of quadruped walking robot walking mechanism and the application of shock absorber have certain reference significance to study on the robot application. Keywords: imitation horse gait; quadruped walking robot; turning mechanism; shock absorber Ⅱ 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1 課題研究的目的和意義 1 1.2 國內(nèi)外關(guān)于四足步行機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2.1 國外關(guān)于四足步行機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2.2 國內(nèi)關(guān)于四足步行機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.3 本設(shè)計的研究目標及完成的主要工作內(nèi)容、預(yù)期結(jié)果 5 1.3.1 研究目標 5 1.3.2 設(shè)計完成的主要工作內(nèi)容 5 1.3.3 本設(shè)計的預(yù)期結(jié)果 6 第2章 機器人的步態(tài)分析與方案確定 8 2.1 四足步行機器人的步態(tài)分析與規(guī)劃 8 2.1.1 四足步行機器人的步態(tài)分析 8 2.1.2 四足步行機器人行走的步態(tài)規(guī)劃 9 2.1.3 四足步行機器人轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃 9 2.2 四足機器人步行機構(gòu)的原理設(shè)計 10 2.2.1 大腿連桿組的設(shè)計 10 2.2.2 小腿連桿組的設(shè)計 11 2.2.3 腳底面的設(shè)計 12 2.3 四足步行機器人總體方案的確定 13 2.3.1 設(shè)計的基本原則及目標要求 13 2.3.2 四足步行機器人的方案設(shè)計 13 2.3.3 設(shè)計方案的選擇和確定 17 2.4 本章小結(jié) 19 第3章 四足步行機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 3.1 四足步行機器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 3.2 四足步行機器人轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 3.3四足步行機器人減震裝置的應(yīng)用 21 3.3.1 減振器的工作原理 21 3.3.2 減振器的工作原理圖 22 3.4四足步行機器人整體結(jié)構(gòu)方案 23 3.5 本章小結(jié) 24 第4章 重要機構(gòu)部件的參數(shù)計算與校核 25 4.1 電機的計算與型號選取 25 4.2 直齒圓錐齒輪傳動設(shè)計與強度校核 27 4.3 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)傳動軸的強度校核計算 30 4.3.1電機輸出端轉(zhuǎn)軸的強度校核 30 4.3.2傳動軸的強度校核計算 34 4.4 軸承的壽命校核計算 37 4.4.1 電機輸出端轉(zhuǎn)軸軸承的壽命校核計算 37 4.4.2 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)傳動軸軸承的壽命校核計算 38 4.5轉(zhuǎn)彎機構(gòu)錐齒輪軸平鍵的校核計算 38 4.6轉(zhuǎn)彎機構(gòu)與腿部機體連接螺栓的校核計算 39 4.7本章小結(jié) 40 結(jié)論 46 參考文獻 47 致謝 48 第1章 緒論 第1章 緒論 1.1 課題研究的目的和意義 機器人技術(shù)是目前世界各國科研人員公認的的高新技術(shù)，它集合了機械設(shè)計、計算機與信息處理技術(shù)、自動化、傳感器應(yīng)用技術(shù)和人工智能技術(shù)等多門學科的最新研究成果，可以說機器人技術(shù)是當之無愧的機電一體化技術(shù)的綜合體，所以研究人員對該領(lǐng)域的研究也是最活躍的。在不久的將來，科研人員對該技術(shù)的深入研究將直接推動機器人在生產(chǎn)生活中的推廣和應(yīng)用。 目前各國研究的移動式機器人主要包括輪式機器人、足式機器人和履帶式的機器人。無論哪種形式的機器人都可以平穩(wěn)的通過波紋比較小的地面。但是當?shù)孛娌y比較大的時候，就會使輪式機器人的能量損耗現(xiàn)象加重，尤其需要指出的是輪式機器人在比較軟的并且波紋浮動比較大的路面上根本無法正常工作。相比之下，履帶式的機器人可以在比較軟的并且波紋浮動比較大的路面上移動，但機動性會降低而且這種機器人的機身也會出現(xiàn)明顯的振動使得運動不平穩(wěn)?，F(xiàn)在研制的足式機器人正好彌補了那兩種移動機構(gòu)的缺陷，研究人員從動物身上得到靈感設(shè)計了很多仿生足式機器人。該機器人對路況要求相對較低，僅需要有足夠的離散立足點就可以實現(xiàn)穩(wěn)定行走，但是這類機器人一般涉及較復(fù)雜的控制系統(tǒng)和一些復(fù)雜的新興科技，所以相關(guān)的技術(shù)還有待補充和完善。 足式機器人按照足的數(shù)量可以劃分為分為雙足機器人和多足機器人。自然界中多足動物比較常見，在自然選擇的結(jié)構(gòu)中存在下來，有其顯著的優(yōu)勢。所以，多足人的研究較多，另外多足機器人的穩(wěn)定性相對較好，承載能力強，控制容易實現(xiàn)。多足機器人的足數(shù)目前有四、六、八等。其中，足數(shù)為四的機器人與其他足數(shù)的機器人相比，具有明顯的優(yōu)勢，例如對運動的控制形式和靈活能力，對環(huán)境的判別能力和適應(yīng)能力；另外四足步行機器人不僅有很好的靜態(tài)穩(wěn)定性，而且還有超強的動態(tài)步行能力，所以研究人員一直很重視四足機器人的研究和發(fā)展。 本課題所設(shè)計的連桿式四足步行機器人可以承載一定的重量，由于設(shè)計的獨特性使得機器人的上機體保持平動，再加上減震裝置的減震效果，使得該機器人可以作為良好的運輸工具。在后期再加上視覺搭載系統(tǒng)和傳感器，便可以實現(xiàn)機器人對周圍環(huán)境的識別功能。 1.2 國內(nèi)外關(guān)于四足步行機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 近年來，機器人技術(shù)迅猛發(fā)展，該技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新可以算是本世紀最重要的科研成果之一。一直到1960年以后才出現(xiàn)真正意義上的四足機器人。早在1965年的時候Hildobran拍下了四足哺乳動物在不同運動狀態(tài)下的照片，這為之后研究動物各種步態(tài)的具體過程打下良好的基礎(chǔ)[1]。南斯拉夫的科學家 Tomovi曾在機器人的行走過程中用到了有限狀態(tài)理論，并且明確的指出機器人在行走的時候腿部要么做支撐相要么做擺動相[2]。McGhee于1968 年用步態(tài)矩陣去研究四足步行機器人的步態(tài)[3]，并且給出了腿的跨距E、占空系數(shù)β、相位等重要的概念，隨后他和其他學者 一起對四足步行機器人的對稱步態(tài)進行了研究，并把步態(tài)公式和步態(tài)矩陣有機結(jié)合在了一起[4]。1985年中國臺灣的李祖天等人給出了對稱步態(tài)變量之間的數(shù)學表達式以及穩(wěn)定裕度的計算方法[5]。四足步行機器人的應(yīng)用前景十分廣闊，然而它的步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)的簡化一直是研究的瓶頸。如何實現(xiàn)機器人的機構(gòu)設(shè)計與步態(tài)的統(tǒng)一，是目前各國學者一直討論研究的熱點問題。 1.2.1 國外關(guān)于四足步行機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 從機器人誕生到現(xiàn)在，機器技術(shù)已經(jīng)從最初的示教再現(xiàn)演變?yōu)槿滦偷闹悄軝C器人，該技術(shù)的應(yīng)用也逐漸變得廣泛。尤其是進入20世紀80年代之后，世界各國開始紛紛設(shè)計和生產(chǎn)機器人產(chǎn)品和相關(guān)的附屬工具、零部件以及成熟的技術(shù)。很多科技公司也嘗試著把機器人變成具有使用價值的產(chǎn)品，并將這些產(chǎn)品推銷給大學或者研究部門來幫助科研人員相互學習，從而很好的創(chuàng)造了這樣一個互助互惠的平臺。這也就使得多足步行機器人的發(fā)展方向越來越多元化。日本東京工業(yè)大學研制的TITAN系列 [6~10] 是最具有代表性的四足步行機器人，如下圖1.1 所示的是目前已經(jīng)成功推出的 TITAN-IX 機型，該機器人能夠完成掃雷排雷的作業(yè)。 到了20世紀90年代，人們又對四足步行機器人進行了更深層次的研究，這次研究更加重視高自主性。例如微型機器人“Spider-bot”，它是由美國 NASA 研制的，可以像蜘蛛一樣正常爬行于許多不規(guī)則的表面，該機器人的研究人員表示準備將其用于未來的太空探測[11]，如圖1.2 所示。在2006年初Cornell 大學研制成功的機器人Cornell Ranger[12]是利用電機直接來驅(qū)動踝關(guān)節(jié)運動，隨后又研制出了輪足結(jié)合的月球步行機器人ATHLETE[13](圖1.3 )和用于軍用作戰(zhàn)運輸?shù)牟叫袡C器人BigDog[14](圖1.4 )。 圖1.1 四足機器人 TITAN-IX 圖1.2 四足機器人 “Spider-bot” 圖1.3 四足步行機器人 ATHLETE 圖1.4 美國的大狗 Bigdog 另外，還有一些國家的研究人員也取得了顯著的研究成果。例如，2005年的時候，韓國慶北大學設(shè)計的一種新型機器人ELIRO-Ⅱ模仿蜥蜴的運動機理 [15,16] ，可以在光滑的墻壁上爬行。被廣泛應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)的步行機器人中最成功的是 Lynxmotion公司研制的[17]，該機器人的步行機構(gòu)采用一個平面四桿縮放機構(gòu)，而且每個機械腿都只具有二個自由度卻成功實現(xiàn)了機器人的前進、后退、左右轉(zhuǎn)彎，另外該機器人最具創(chuàng)新的地方就是它的記憶體有一半是留給客戶去自由支配的。 1.2.2 國內(nèi)關(guān)于四足步行機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 我國開始研究機器人比較晚，但是不可否認的是我國的機器人技術(shù)進步還是比較快的，已經(jīng)取得不錯的成績的領(lǐng)域有工業(yè)機器人、特種機器人和水下機器人等等。針對四足步行機器人，上海交通大學機器人研究所研制的二種四足步行機器人比較典型，如圖1.5所示。（a）圖所示的是利用平面四桿機構(gòu)作為腿部機構(gòu)的四足步行機器人，該機器人可以完成跨越障礙和爬樓梯等多種高難度動作，這個機器人還能實現(xiàn)對周圍環(huán)境的識別和相應(yīng)步態(tài)的調(diào)整；（b）圖所示的能夠?qū)崿F(xiàn)對角動態(tài)步行的四足機器人的步行機構(gòu)是開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機構(gòu), 在該機器人的每個足底均使用壓電薄膜式力傳感器來進行信息反饋。 (a)四連桿爬行機器人 (b) 多關(guān)節(jié)四足機器人 圖1.5 由上海交通大學自主研發(fā)的兩種四足步行機器人 另外，圖1.6所展示的是清華大學機器人研制成功的兩種四足機器人。下圖(a)所展示的四足步行機器人起名為 QW-1，這是由清華大學機器人實驗室最先推出的一個機器人，研究人員把平面四桿縮放機構(gòu)作為該機器人的步行機構(gòu)，機器人的全方位感應(yīng)是通過腳底的壓力傳感器來實現(xiàn)的；圖(b)所示為清華大學相繼推出的仿蛙機器人，它的步行機構(gòu)是開環(huán)連桿機構(gòu)，該機器人可以實現(xiàn)上下坡和越障，即使在復(fù)雜的地面上仍然具有穩(wěn)定的自主行走能力。 (a) QW-1 (b) 仿蛙機器人 圖1.6 由清華大學自主研發(fā)的機器人 在2004年, 圖1.7所示的是由華中科技大學自主研發(fā)的具有手臂融合機構(gòu)的“4＋2”步行機器人[18,19]。該步行機器人正常行走的時候才用六條腿協(xié)調(diào)運動，當需要進行工作任務(wù)的時候就會抬起前兩條腿來變成機械手進行工作，另外四條腿則保持協(xié)調(diào)運動或者起到支撐架的作用。其外形尺寸為1240 mm×920 mm×550 mm。該機器人即能行走又能完成機械手功能的這一設(shè)計思想充分體現(xiàn)了機器人的多運動形式和多功能性。華中科技大學、xxx工程大學、xxx工業(yè)大學等高校也一直設(shè)計和研究四足步行機器人。例如哈工大研究人員巧妙的采用蝸輪蝸桿傳動作為四足機器人的步行機構(gòu)，如圖 1.8 所示。 圖1.7手腳融合型機器人 圖1.8 渦輪蝸桿傳動型機器人 1.3 本設(shè)計的研究目標及完成的主要工作內(nèi)容、預(yù)期結(jié)果 1.3.1 研究目標 本課題為主要用于在一定波形路面上行走的新型四足步行機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真。首先應(yīng)該對現(xiàn)有的四足步行機器人的運動原理和結(jié)構(gòu)形式進行了解和分析，其次明確本次的設(shè)計任務(wù)，并采用合理的方法來完成四足步行機器人總體方案的設(shè)計。最后對機器人重要部位進行創(chuàng)新設(shè)計從而更好地滿足機器人的功能要求。 首先，現(xiàn)在國內(nèi)外研制的四足步行機器人的結(jié)構(gòu)一般相對簡單，但是控制系統(tǒng)復(fù)雜，并且研究靜態(tài)步行的機器人較多，很少有對動態(tài)步行的研究。所以本設(shè)計的目的在于簡化結(jié)構(gòu)的同時也相應(yīng)的簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計，增加該類步行機器人的功能多樣性，使得其適應(yīng)性更強，成本更低，更加適用于市場推廣。 另外，本設(shè)計的一大特色是采用模塊化設(shè)計思想。本設(shè)計中機器人的腿部結(jié)構(gòu)可根據(jù)工況的變化而更換。比如，采用可在水平地面上的穩(wěn)定行走的摩擦系數(shù)較大的輪式足結(jié)構(gòu)；用連桿結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)在多障礙場合進行輕松越障的行走工作，其實現(xiàn)形式就是在小腿部位換裝不同結(jié)構(gòu)的腳部結(jié)構(gòu)。在本次設(shè)計中只采用一種結(jié)構(gòu)，即通過設(shè)計一種合理的曲線來保證機器人行走時的腰部始終在同一水平線上的腳底形狀。 1.3.2 設(shè)計完成的主要工作內(nèi)容 1、四足步行機器人總體方案的確定與相關(guān)參數(shù)的確定 （1）對目前現(xiàn)有的四足步行機器人查閱了相關(guān)的資料，全面地了解國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。先初步對四足步行機器人的總體方案進行確定，其任務(wù)主要包括步行機器人的整體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的部分結(jié)構(gòu)及步行機構(gòu)的部分結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計，并簡單敘述了最佳方案選擇的全過程。 （2）確定四足步行機器人總體方案的重要參數(shù)，主要包括機器人總體的結(jié)構(gòu)尺寸、步行機構(gòu)的尺寸、轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的尺寸，各個驅(qū)動部分電機的選擇，相關(guān)零部件參數(shù)的選擇和校核計算等等； 2、四足步行機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計 （1）總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，規(guī)劃本課題設(shè)計的步行機器人的行走及轉(zhuǎn)彎步態(tài)，設(shè)計機器人四條腿的協(xié)調(diào)運動等等； （2）步行機構(gòu)的設(shè)計，主要包括傳動裝置、小腿部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計，闡述機構(gòu)工作原理，確定傳動方案； （3）轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的設(shè)計，主要包括轉(zhuǎn)動機構(gòu)傳動裝置的設(shè)計，闡述工作原理，確定傳動方案。 3、四足步行機器人主要零部件的校核與相關(guān)零件和元器件的選擇 （1）進行相關(guān)零部件和元器件的選擇，包括電機選型、滾動軸承型號等； （2）直齒圓錐齒輪的尺寸參數(shù)的確定和強度校核的計算； （3）傳動軸材料的選擇、結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計及強度的校核計算； （4）軸承強度的校核與壽命的計算； （5）螺栓組強度和使用壽命的相關(guān)校核。 4、四足步行機器人的工程圖繪制 按照機械制圖的規(guī)范和要求來繪制四足步行機器人的總體裝配圖、步行機構(gòu)的部件圖和相關(guān)零件的零件圖，用手工及計算機出圖。 5、四足步行機器人的三維建模與仿真 通過三維模型的建立，可以避免機器人裝配時存在的干涉和尺寸不合適等問題，并且做了運動動畫，生動形象的了解該四足步行機器人運動過程。并與現(xiàn)有的同類步行機器人進行比較分析，從中找出本機器人的不足之處，并再次進行優(yōu)化達到提高本機器人性能的目的，從而滿足本設(shè)計所要求的目標，得到具備高靈活性、高效率的四足步行機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而實現(xiàn)小跑步態(tài)。 1.3.3 本設(shè)計的預(yù)期結(jié)果 本設(shè)計要求最終能夠?qū)崿F(xiàn)的預(yù)期目標主要是：確定總體方案，選擇適合的電機型號，完成步行機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，使步行機構(gòu)和轉(zhuǎn)彎機構(gòu)能夠相互配合運動，從而讓四足步行機器人實現(xiàn)小跑步態(tài)運動和避障等功能。 要求該四足機器人的步行機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)機器人四條腿的協(xié)調(diào)運動，保證四條腿及轉(zhuǎn)彎機構(gòu)能夠在抬起的時候不會使機器人整體傾覆，并要求在運動過程中始終保證機器人的相對穩(wěn)定性。 四足步行機器人的四個步行機構(gòu)分別采用一個電機驅(qū)動一個機械腿的形式是為了保證機器人在運動過程中控制更加方便可靠和使得相互之間耦合關(guān)系減弱而加上去的，該機器人每條腿的結(jié)構(gòu)相似，四條腿之間相互配合運動，進而保證四足步行機器人相對穩(wěn)定的運動。 本課題設(shè)計的四足步行機器人的腳部機構(gòu)不僅要盡量保證在支撐時與地面始終接觸，還要要求支撐腿在支撐過程中配合擺動腿進行蹬地運動，保證步行機器人在行走時的協(xié)調(diào)運動。 第2章 機器人的步態(tài)分析與方案確定 2.1 四足步行機器人的步態(tài)分析與規(guī)劃 2.1.1 四足步行機器人的步態(tài)分析 從發(fā)展機器人技術(shù)之前，科學家就已經(jīng)在努力研究動物和昆蟲的行走方式，動物的步態(tài)實現(xiàn)形式一直是生物學家的研究難題[20~23]。近幾年從事機器人技術(shù)的研究人員一直在努力構(gòu)造動物副本的步行行走姿態(tài)—多足步行機器人。根據(jù)步行機器人結(jié)構(gòu)的特殊性，開發(fā)出來了不同于動物行走步態(tài)的奇特行走姿態(tài)，從而實現(xiàn)機器人的功能。步態(tài)規(guī)劃對四足步行機器人來說非常重要。 在進行四足步行機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，應(yīng)該先合理的規(guī)劃步行機器人的步態(tài)才能得出合理的機構(gòu)設(shè)計。根據(jù)真實馬的行走方式，設(shè)計出步行機器人的直線行走與轉(zhuǎn)彎時各個部位間的相互運動的關(guān)系。 為了能夠更好的規(guī)劃四足步行機器人的行走方式，本文首先研究了現(xiàn)實生活中馬行走時的步態(tài)。首先，給出步態(tài)的定義：指步行機構(gòu)中各個腿的動作順序和方式的規(guī)律[26]。人們通常把步態(tài)劃分為對稱的和非對稱的。如果四個腿中存在地時間相等的雙腿，則被稱為對稱步態(tài)比如行走（walk）、溜蹄（pace）和對角小跑（trot）[24]；雙腿著地時間不相等的，就是非對稱步態(tài)比如奔跑（gallop）。有的研究文獻中，把慢跑（canter）歸為非對稱步態(tài)[25]。本文將詳細介紹一下馬的對角小跑步態(tài)。 四足動物最常使用的對角小跑步態(tài)是一種中等速度的步態(tài)，當它們由行走向奔跑變換步態(tài)的時候就會用對角小跑步態(tài)來提高行走速度。馬在小跑時斜對角的兩條腿同步動作。簡單地說，當對角的兩條腿同時作為支撐相時，另外兩條腿作為擺動相。支撐相的兩條腿著地點的連線在機器人機體的下方，可以說這種步態(tài)也是相對穩(wěn)定的動態(tài)步行方式。對于某些兩棲動物來說，由于它們的神經(jīng)系統(tǒng)簡單而無法控制穩(wěn)定性相對較低的非對稱步態(tài)，只能采用對角小跑步態(tài)來提高速度，所以這種步態(tài)成為它們躲避敵人或者捕食獵物時的最佳動作。 如圖 2.1 所示，馬在小跑時，大部分時間是對角的兩條腿作為支撐相，另外兩條腿則作為擺動相，，并且四條腿或者三條腿在相當短暫的時間內(nèi)能夠同時起到支撐作用。這種步態(tài)的移動速度中等。研究表明，正常情況下成年的馬在完成一個步態(tài)周期所用的時間大約是1秒左右。 25 第2章 四足步行機器人的總體方案確定 圖2.1 馬在小跑時的示意圖 2.1.2 四足步行機器人行走的步態(tài)規(guī)劃 圖 2.2 所展示的是機器人小跑時的原理分析圖。 圖2.2機器人小跑運動分析圖 如圖 2.2 所示，機器人在小跑運動時四條腿的具體動作過程為： （1）初始位姿如圖 2.2 第一個圖，四條腿同時作為支撐相站立在地面上； （2）開始邁步的時候，右前腿3和左后腿1往前邁步，同時左前腿2和右后腿4往后蹬地從而實現(xiàn)第一個跨步； （3）當右前腿3和左后腿1再次著地的同時，左前腿2和右后腿4開始往前邁步，并且右前腿3和左后腿1往后蹬地； （4）四個腿成對依次完成邁步動作，形成一個步態(tài)周期。 2.1.3 四足步行機器人轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃 為了實現(xiàn)四足步行機器人的轉(zhuǎn)彎，設(shè)計出用錐齒輪傳動的系統(tǒng)安裝在腿部機體上[17]，四個電機依次轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎，如圖 2.3 所示的是四足步行機器人的轉(zhuǎn)彎步態(tài)過程，具體的過程可以描述為： （1）左前腿3和右后腿1在往前邁步的時候轉(zhuǎn)過一定的角度； （2）當右前腿4和左后腿2往前邁步的時候也轉(zhuǎn)過相同的角度； （3）當避開障礙后，右前腿4和左后腿2在往前邁步的時候電機反轉(zhuǎn)相同的角度，左前腿3和右后腿1在邁步的時候也反轉(zhuǎn)相同的角度； （4）這樣在一個步態(tài)周期內(nèi)就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，快速方便。 圖2.3四足機器人的轉(zhuǎn)彎示意圖 2.2 四足機器人步行機構(gòu)的原理設(shè)計 步行機構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。它的主要作用是實現(xiàn)機器人在路面上的行走，所以說該機構(gòu)設(shè)計的好壞是評價整個步行機器人的結(jié)構(gòu)性能和運動靈活性的重要標準。 本課題設(shè)計的機器人在設(shè)計時用到了聯(lián)動的平面六連桿機構(gòu)。連桿機構(gòu)不僅有可靠性高，運動準確，對裝配誤差不敏感，可以實現(xiàn)復(fù)雜的運動規(guī)律的優(yōu)點，而且連桿機構(gòu)制造簡單，成本低，這符合設(shè)計一種適合市場推廣的產(chǎn)品的思路。本次設(shè)計的四足機器人實現(xiàn)腿部各個關(guān)節(jié)聯(lián)動的方式是通過連桿間的相互連接運動，由單個動力源驅(qū)動，雙腿聯(lián)動，減少了控制環(huán)節(jié)，進一步降低了成本。連桿的設(shè)計是設(shè)計本機構(gòu)的關(guān)鍵，其中各連桿的尺寸是設(shè)計的主要內(nèi)容，該機構(gòu)的連桿大致可以分成兩個四連桿機構(gòu)，即大腿連桿組和小腿連桿組，可以對齊分別進行設(shè)計。設(shè)計連桿的方法有很多，本文采用作圖法和解析法相結(jié)合的方法，具體設(shè)計方法如下。 2.2.1 大腿連桿組的設(shè)計 圖 2.4 所展示的是機器人大腿部分的四連桿機構(gòu)—曲柄搖桿。由機架（連桿1），大腿（連桿2），大腿連桿（連桿3），曲柄（連桿4）構(gòu)成。 根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要確定連桿1為固定連桿，長度為L1，搖桿2長度為L2，應(yīng)用兩個極限位置可得曲柄4(L4)與連桿3(L3)的關(guān)系。于是得到各連桿的尺寸。并且得到機器人左右腿的兩個曲柄的相位差始終為15°，由于雙腿聯(lián)動，即一條腿到達最前的位置時另一條腿已經(jīng)到達最后的位置，所以只要讓左腿和右腿的曲柄機構(gòu)成150°-15°=135°夾角即可。 圖2.3大腿連桿組計算 2.2.2 小腿連桿組的設(shè)計 小腿連桿為雙搖桿機構(gòu)，由大腿連桿（連桿3），大腿（連桿2），連桿6，連桿7構(gòu)成。應(yīng)用兩個極限位置，將連桿5旋轉(zhuǎn)到相同位置可以繪制出如2.5所示的圖形，應(yīng)用余弦定理可以很容易的計算出, 或者在CAD軟件中直接測量。 對三角形ΔABC和ΔA′B′C′應(yīng)用余弦定理： 聯(lián)立，解得各連桿尺寸。 圖2.4小腿連桿組計算 圖2.5 腳底曲線設(shè)計 2.2.3 腳底面的設(shè)計 正常動物行走時腰部并不是始終在同一條水平線上，運動時腰部會有一定的起伏，顯然對四足機器人剛性連接的機體上下運動是不方便的，所以通過設(shè)計合理的腳底曲線來保證機器人行走時的腰部始終在同一水平線上。腳底與地面的配合的要求并不是非常精確，故采用描點法設(shè)計腳底曲線。其設(shè)計方法是：在水平的地面上畫一系列點，運動仿真后以這些點在小腿上畫軌跡曲線，這些軌跡曲線的包絡(luò)線的一部分就是我們所需要的腳底曲線，如圖 2.6 所示。 至此，腿部行走機構(gòu)各個連桿尺寸和位置的設(shè)計計算完成。結(jié)構(gòu)原理圖如圖 2.7所示。 圖2.7　步行機構(gòu)本體簡圖 根據(jù)圖2.7步行機構(gòu)簡圖，電機直接帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄作整周運動來實現(xiàn)大腿的擺動，曲柄帶動的連桿作為搖桿再帶動小腿的擺動，從而實現(xiàn)向前邁步和向后蹬地的連續(xù)動作。此步行機器人結(jié)構(gòu)能模仿馬在對角小跑時的步態(tài)。其工作原理為：電機組件（7）順時針轉(zhuǎn)動（主視圖）從而帶動曲柄（6）轉(zhuǎn)過一定角度a，這樣就會帶動大腿和小腿相對擺動一定的角度，當曲柄被動整周轉(zhuǎn)動時，小腿就會實現(xiàn)往前邁步和王后蹬地的循環(huán)動作，從初始位姿的與地面接觸到抬腿，從抬腿到與地面接觸，再到往后蹬地這幾個過程轉(zhuǎn)過的角度是相等的，所以換腿的時間也是相等的，所以該設(shè)計的機器人在運動的時候符合小跑步態(tài)時四條腿分布時序表，如圖2.8所示。定義小跑步態(tài)的占空系數(shù),根據(jù)小跑步態(tài)獨特的特點和對時序分析參數(shù)的定義，設(shè)定。定義一個跨步周期是根據(jù)任意一條腿相鄰兩次落地的時間差。由于對角小跑步態(tài)比較獨特，每條腿在同一時間內(nèi)的跨步周期中依次完成著地及抬起動作，而且對角腿的著地和抬起時間和其它兩條腿在下個周期中的著地和抬起時間位于同一個跨步周期。 圖 2.8　小跑步態(tài)跨步周期時序表 2.3 四足步行機器人總體方案的確定 2.3.1 設(shè)計的基本原則及目標要求 本設(shè)計的基本原則是在對馬的小跑步態(tài)進行運動仿生的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)機構(gòu)的行走和轉(zhuǎn)彎運動，保證步行機器人運動的平穩(wěn)性，同時還要保證步行機器人的各個模塊易于拆卸維護，在滿足機器人能適應(yīng)具有一定波動的路面的基礎(chǔ)上，形成一個在地面上靈活運動的四足步行機器人。 本設(shè)計的目標要求是以四足哺乳動物-馬的運動步態(tài)作為基本原理，進行四足步行機器人的基本機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括步行機構(gòu)和轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的設(shè)計，并在盡量減少附加動力和簡化外部控制的基礎(chǔ)上，使各個機構(gòu)實現(xiàn)四足步行機器人的對角步態(tài)式的行走及轉(zhuǎn)彎運動，并且通過控制電機轉(zhuǎn)動相位差來保證設(shè)計的可行性。 在保證步行機器人實現(xiàn)預(yù)定功能，運動平穩(wěn)及方便維修的基礎(chǔ)上，要做到盡量減少不必要的機構(gòu)設(shè)計，使機構(gòu)設(shè)計得到簡化的同時又能很好的滿足機器人的使用要求。 2.3.2 四足步行機器人的方案設(shè)計 1、四足步行機器人足數(shù)的方案設(shè)計 步行機器人最重要的結(jié)構(gòu)就是步行機構(gòu)，所以對步行機構(gòu)的合理設(shè)計是對機器人設(shè)計成功與否的重要標志[26]。 目前所設(shè)計的機器人腿部數(shù)量越來越多。通過研究發(fā)現(xiàn)足數(shù)為偶數(shù)時容易產(chǎn)生相對穩(wěn)定的步態(tài)。一般來說足數(shù)越多承載能力就會越大，而足數(shù)越少其運動就會相對的越靈活?？偨Y(jié)對足數(shù)選擇的主要影響因素主要包括：機器人運動穩(wěn)定性的要求，機構(gòu)冗余性要求(就是當步行機器人的腿部受到一定的損壞時還可以正常行走)，能量損耗情況，生產(chǎn)并制造機器人的成本，機器人的重量，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所需控制的復(fù)雜程度和機器人為了實現(xiàn)相應(yīng)任務(wù)所需安裝傳感器的復(fù)雜程度。如果步行機器人的性能要求及對工作條件的要求不一樣則在確定步行機器人足的數(shù)目時的側(cè)重點也就會不一樣。表 2.1 所列出的是機器人足數(shù)不同對應(yīng)的幾個不同性能對比分析。 表 2.1 步行機器人的足數(shù)與性能評價分析表 足數(shù) 2 3 4 6 8 靜態(tài)穩(wěn)定行走的能力 無 無 中等 良好 優(yōu)秀 動態(tài)穩(wěn)定行走的能力 較差 中等 優(yōu)秀 良好 良好 用自由度衡量的機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度 優(yōu)秀 中等 良好 較差 較差 通過分析比較可以得出的結(jié)論：四足步行機器人相對于其他步行機器人來說其機械結(jié)構(gòu)相對簡單，而且四足機器人動態(tài)行走能力是最好的，故可以實現(xiàn)馬的小跑步態(tài)。綜和上述分析，本文最終選用四足步行機器人。 2、四足步行機器人步行機構(gòu)的方案設(shè)計 本文所研究的對象是四足步行機器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案，有很多種執(zhí)行方式可供選擇。國內(nèi)外的一些四足機器人的步行機構(gòu)大多采用開鏈式、閉鏈式以及其他形式的結(jié)構(gòu)等。閉鏈式的步行機構(gòu)有較好的承載力、剛性和較小的功耗，腿部末端在機體上部有較大的運動空間，從而給機構(gòu)帶來死點。研究人員有時會應(yīng)用動物的四肢結(jié)構(gòu)來設(shè)計步行機器人的步行結(jié)構(gòu)。所以多是關(guān)節(jié)式的步行機構(gòu)，這種機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單而緊湊，足端相對運動空間大，運動時就算出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)也能很快恢復(fù)最初的姿態(tài)。它的缺點是四個腿的耦合運動導致協(xié)調(diào)控制變得復(fù)雜難實現(xiàn)，另外機器人的承載能力也會下降。由于本次設(shè)計的機器人是開鏈式的，所以本文僅簡單分析以下兩種開鏈式步行機構(gòu)。 （1）二自由度的腿部開鏈式連桿機構(gòu) 圖 2.9（左）所展示的是具有兩個自由度的腿部的三維模型。該開環(huán)式腿的組成有小腿、大腿和髖關(guān)節(jié)。兩個自由度分別是：一個是大小腿組成的為了實現(xiàn)腿抬起和下落的平面連桿機構(gòu)；另一個是為了實現(xiàn)腿的前后擺動的連接關(guān)節(jié)—髖關(guān)節(jié)。右圖中的圓柱為髖關(guān)節(jié)，大腿長度是，小腿長度是。小腿在 A 點繞軸轉(zhuǎn)動。 圖 2.9二自由度的開鏈式步行機構(gòu) 當機構(gòu)處于某個位置，大腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角設(shè)為，小腿桿轉(zhuǎn)角設(shè)為，p ,q分別表示為桿長在oxy平面內(nèi)的投影和髖關(guān)節(jié)距離地面的高度。則可以得出足端B點的運動軌跡方程，式（2-1）中負號表示沿Z軸的負方向。 （2-1） （2）三自由度的腿部開鏈式連桿機構(gòu) 如圖 2.10（左）所示為三自由度的開鏈式連桿機構(gòu)的三維模型示意圖。三個自由度分別是：髖關(guān)節(jié)—繞 Z軸轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)半徑設(shè)為；大腿關(guān)節(jié)—繞著與大小腿運動所成平面垂直軸旋轉(zhuǎn)，桿長設(shè)為 ；小腿關(guān)節(jié)—繞Y軸旋轉(zhuǎn)，桿長設(shè)為 。 圖 2.10 三自由度的開鏈式步行機構(gòu) 圖 2.10（右）所展示的是機構(gòu)處于某位置，小腿桿轉(zhuǎn)角設(shè)為，大腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角設(shè)為和髖關(guān)節(jié)夾角設(shè)為，則得出式（2-2）所示的足端C點的軌跡方程。 （2-2） 式中： 從上式中可以得出結(jié)論是：在 X-Z 平面內(nèi)足端運動曲線類似橢圓，機器人髖關(guān)節(jié)再轉(zhuǎn)動就會使得足端的運動空間變成三維。 所要設(shè)計的四足步行機器人，它的工作對象設(shè)定為一定較小波動和有較大障礙的地面，要求承載能力大、運動平穩(wěn)、振動小、速度適中、適應(yīng)能力強，并且要求結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，這樣控制系統(tǒng)就會相對簡單，從整體上降低設(shè)計和生產(chǎn)成本。在本設(shè)計中采用具有兩自由度的開鏈式腿結(jié)構(gòu)。表2.2是對幾種具體的腿部結(jié)構(gòu)形式的分析比較。 表 2.2 不同腿部結(jié)構(gòu)形式分析表 優(yōu)點 缺點 單關(guān)節(jié)直接驅(qū)動式 結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)彎容易，易實現(xiàn)運動仿生 電機數(shù)量多，控制復(fù)雜， 平面連桿式 運動形式多，傳動壓力小，磨損輕，制作簡單，成本高 慣性力難平衡，設(shè)計復(fù)雜， 積累誤差 輪足一體式 承載能力大，具有很強的適應(yīng)能力 對路面要求高，應(yīng)用范圍窄 蝸輪蝸桿式 承載能力大，運動平穩(wěn)，控制簡便， 適應(yīng)能力強 運動速度慢，結(jié)構(gòu)笨重， 運動局限性大 通過分析比較，決定采用平面連桿式結(jié)構(gòu)，大腿和小腿采用聯(lián)動方式，從而將減少驅(qū)動元件，也就會使得控制系統(tǒng)簡化。 3、四足機器人轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的方案設(shè)計 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)是機器人的重要部分之一，主要功能是使機器人能實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運動，從而成功避開較大的障礙物。在進行步行機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計時要盡量減少自由度而且簡化控制。初步確定機器人的驅(qū)動源都采用電機。 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的電機分布方案有如下兩種： （a）雙電機分布式轉(zhuǎn)彎機構(gòu) 這種雙電機分布式轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的主要工作原理是把兩個一樣的空心杯直流伺服電機分別安裝在對角的兩個腿部，一個電機控制兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，而在轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的中間用同步帶傳動，但是這種布局會增加機器人機體的整體尺寸，也會使重心不在機體幾何中心，這不符合小跑步態(tài)的重心要求。 （b）四電機分布式轉(zhuǎn)彎機構(gòu) 四電機分布式轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的主要工作原理是每個腿部機構(gòu)都單獨由一個伺服電機來實現(xiàn)驅(qū)動，這樣轉(zhuǎn)彎機構(gòu)會更加的靈活，相互之間不會產(chǎn)生運動干涉，也很好的控制了整體尺寸。 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)中最常見的傳動方案有： （a）帶傳動：一般來說帶傳動具有良好的彈性，而且傳動比較平穩(wěn)，噪聲小而且有很好的吸振和緩沖的作用；帶傳動會使機構(gòu)簡單化，制造、安裝及維護都比較方便；一般使用于大中心距的傳動；外形輪廓尺寸大且效率低。 （b）齒輪傳動：傳動比準確，效率高，傳動功率和速度范圍廣，工作可靠，結(jié)構(gòu)緊湊；但是齒輪制造成本相對較高，精度低的時候噪聲大。 （c）蝸桿傳動：能夠?qū)崿F(xiàn)大的傳動比，并且工作較平穩(wěn)；當蝸桿的導程角≤3.5°～6°時傳動具有自鎖性，傳動效率較低，制造成本較高。 （d）螺旋傳動：傳動精度高，但是加工精度也高，成本較高，主要將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，將轉(zhuǎn)矩變成推力。 2.3.3 設(shè)計方案的選擇和確定 1、方案評選的基本原則 根據(jù)以下準則進行機器人最終方案的確定 （a）整個運動系統(tǒng)的工作流程要能夠充分體現(xiàn)高效化和自動化； （b）各個部分的機構(gòu)部件設(shè)計在達到高可靠性和易裝拆維護的基礎(chǔ)上的同時，還要實現(xiàn)運動的相對平穩(wěn)性和靈活性； （c）對工作環(huán)境適應(yīng)性要強，而且應(yīng)用范圍要廣； （d）在模仿生物運動機理的基礎(chǔ)上，盡量用簡單的機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)多種功能。 在設(shè)計四足步行機器人的整體結(jié)構(gòu)的過程中應(yīng)該一直貫徹這樣的設(shè)計思想：設(shè)計不僅要保證機器人的運動穩(wěn)定性和可靠性，而且在此基礎(chǔ)上要做到使各個機構(gòu)的零部件能夠保證機械傳動銜接的合理性，并且最大限度的降低機器人在機械傳動系統(tǒng)中所加入的外加動力源的數(shù)量。 2、步行機構(gòu)的方案評價和確定 第一種兩個自由度的開鏈式步行機器人是通過連桿平面運動和髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)直線行走和轉(zhuǎn)彎避障的運動。第二種三自由度開鏈式步行機器人雖然動作靈活，使步行機器人適應(yīng)于更廣的范圍與領(lǐng)域，但是足端運動軌跡較為復(fù)雜，再加上髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，使得足端運動是一個空間軌跡，在控制各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度和時間時較為復(fù)雜。但第一種機器人和第二種機器人的結(jié)構(gòu)形式都很具有參考價值。根據(jù)課題的相關(guān)要求和通過比較各種腿部具體結(jié)構(gòu)，最終決定四足機器人的步行結(jié)構(gòu)采用平面四連桿機構(gòu)。設(shè)計一種新穎的四足步行機器人，并確定機構(gòu)設(shè)計方案使得該機器人滿足本應(yīng)具有的性能。 3、四足步行機器人轉(zhuǎn)彎機構(gòu)方案評價和確定 （1）電機分布方案的確定 四電機分布的轉(zhuǎn)彎機構(gòu)相對于兩電機分布的轉(zhuǎn)彎機構(gòu)方案，雖然多出了兩個電機，但是能更好的實現(xiàn)四足步行機器人的轉(zhuǎn)彎姿態(tài)，更能體現(xiàn)四足步行機器人的運動平穩(wěn)性及可控性，所以選擇四電機驅(qū)動轉(zhuǎn)彎機構(gòu)。 （2）傳動方案的確定 考慮到步行機器人的轉(zhuǎn)彎運動是通過相交軸傳動來實現(xiàn)的，并且要求結(jié)構(gòu)要緊湊、高效率和低成本，最終決定采用錐齒輪傳動方案來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的傳動。 4、總體原理方案的確定 在本課題的四足步行機器人的設(shè)計基礎(chǔ)上，由于采用平面連桿機構(gòu)實現(xiàn)直線行走和轉(zhuǎn)彎避障的思想，由此確定在設(shè)計中主要存在如下兩個設(shè)計難點：步行機構(gòu)和轉(zhuǎn)彎機構(gòu)。首先，對于步行結(jié)構(gòu)來說已確定為電機驅(qū)動。具體采用曲柄搖桿機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)實現(xiàn)大腿和小腿的聯(lián)動。一個電機驅(qū)動一個步行機構(gòu)，不僅使得電機的數(shù)量大大減少，關(guān)節(jié)自由度數(shù)降低，而且運動形式單一，從而使得該機器人方便控制，而且這樣的設(shè)計也使機器人結(jié)構(gòu)更加緊湊。 其次，針對機身部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，將轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計在機體上從而增加腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這樣的設(shè)計較容易，驅(qū)動較少，易于實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)體。但是，腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的加入，不僅會降低機器人的承載能力，而且在實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運動時，腿的相互協(xié)調(diào)非常困難，尤其是針對本設(shè)計采用的小跑步態(tài)。將轉(zhuǎn)彎機構(gòu)設(shè)計在腿與機體的連接部位，雖然增加了驅(qū)動數(shù)量但是運動實現(xiàn)形式簡單化，所以最終確定采用四電機分布的轉(zhuǎn)彎機構(gòu)。 2.4 本章小結(jié) 本章主要對機器人的步態(tài)進行了重點研究，同時完成了四足步行機器人系統(tǒng)方案的提出和論證及最終方案的確定。采用平面四連桿機構(gòu)和齒輪傳動的轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計方案，在最大程度上滿足了四足步行機器人系統(tǒng)設(shè)計的基本原則，最大程度的簡化結(jié)構(gòu)。這符合四足步行機器人設(shè)計的目的及基本原則，同時也充分的體現(xiàn)了創(chuàng)新型設(shè)計的要求，為下一章節(jié)具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計做了準備。 第3章 四足步行機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 四足步行機器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計 本課題設(shè)計的機器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點是行走機構(gòu)，采用聯(lián)動的平面六連桿機構(gòu)。由單個動力源驅(qū)動，雙腿聯(lián)動，控制系統(tǒng)得到簡化,具體結(jié)構(gòu)見圖3.1。 1-腳部 2-減震裝置 3-大腿桿件 4-小腿桿件 5-大腿連桿 6-曲柄 7-電機組件 8-軸承端蓋 圖 3.1　步行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)詳圖 3.2 四足步行機器人轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)設(shè)計 本設(shè)計中的步行機器人轉(zhuǎn)彎機構(gòu)不僅是機器人腿部和機體的連接機構(gòu)，而且直接利用電機驅(qū)動直齒圓錐齒輪進而帶動傳動軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎運動。 本設(shè)計的機器人轉(zhuǎn)彎機構(gòu)利用四個直流空心杯伺服調(diào)速電機相互配合完成機器人的轉(zhuǎn)彎動作，同時四個電機相配合也增加了機器人的限制度，可以達到僅使用電機就能智能控制步行機器人進行正常的工作。 本設(shè)計中的機器人轉(zhuǎn)彎機構(gòu)是在機器人的步行機構(gòu)的基礎(chǔ)上添加齒輪傳動來實現(xiàn)的，具體結(jié)構(gòu)形式如圖 3.2 所示。 四足步行機器人轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的工作原理如下：當機器人在比較平整的路面想走時，僅由腿部電機驅(qū)動曲柄運動，實現(xiàn)機器人的行走；當機器人遇到較大的障礙物無法跨越的時候，在抬腿過程中相應(yīng)擺動相的腿部轉(zhuǎn)體電機驅(qū)動錐齒輪轉(zhuǎn)動，從而由傳動軸帶動機 第3章 四足步行機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 器人的腿進行轉(zhuǎn)彎運動，四個腿依次轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，當避開障礙物的時候，電機再依次反轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度使得機器人復(fù)位，然后繼續(xù)向前直線行走。 1-法蘭盤 2-圓柱銷 3-滾動軸承 4-軸套1 5-大齒輪軸 6-悶蓋 7-軸套2 8-角接觸球軸承 9-小錐齒輪 10-凸緣聯(lián)軸器 11-電機座 12-減速器 13-電機 14-編碼器 圖 3.2　轉(zhuǎn)彎機構(gòu) 3.3四足步行機器人減震裝置的應(yīng)用 3.3.1 減振器的工作原理 減振器的兩個組成部分是彈簧及阻尼器，其中彈簧用來承受機器人的重量，阻尼器則是對機器人的振動起緩解作用。阻尼器的種類有很多，其中最常用的阻尼器有電磁阻尼器、空氣阻尼器和液壓阻尼器，本課題中步行機器人的減振系統(tǒng)使用的就是液壓阻尼器。彈簧受到壓力就會收縮壓力消失就會回彈，這樣會使得機器人機體發(fā)生更加嚴重的跳動。所以說如果沒有阻尼器，機器人就算加上彈簧來減振在運動過程中仍會產(chǎn)生振動，這不僅對機體損害很大，降低重要零部件的壽命，而且會在運輸過程中對所運物品造成損壞；有了阻尼器的阻尼作用會使彈簧變形過程進行的相對緩慢，使得本來多次的彈跳變形減弱，這就達到了減振的目的。 液壓阻尼器減緩沖擊是利用油孔中的油液在流動時所產(chǎn)生的阻力。內(nèi)油缸被活塞分割成兩部分。當外部的減振彈簧被壓縮時活塞被動向下運動，活塞下部的空間就會減小使得油液被擠壓通過閥門向上流動；反之向下流動。但是無論油液怎樣流動，都必須通過活塞上的閥孔，這樣就會受到一定的阻力迫使活塞的運行速度變緩，一部分的沖擊力量被油液吸收從而減緩了。 減振器具體的減振過程分析：當減振器受彈簧壓力被壓縮的時候，液壓缸處于壓縮行程而使得活塞下行，迫使流通閥打開，這時油缸下面的油液就會因為壓力的原因通過流通閥而向上流動，如果繼續(xù)壓縮使得壓力達到設(shè)定值就會觸發(fā)壓縮閥，該閥的作用是幫助油缸下面來不及向上流動的油液通過壓縮閥流動到外油缸的存儲空間。當減震器在彈簧的作用下被動恢復(fù)原狀的時候，液壓缸又處于了伸張行程，就是活塞向上運動使得伸張閥打開，這時油缸里的油液通過伸張閥向下流動，活塞繼續(xù)向上運動使得油壓達到設(shè)定值就會使補償閥打開，原先流到外部油缸的油液又會流回內(nèi)部油缸。 3.3.2 減振器的工作原理圖 如下圖 3.3所展示的是減振器內(nèi)部的詳細結(jié)構(gòu)圖。 1-外缸體 2-內(nèi)缸體 3-回復(fù)補償閥 4-壓縮補償閥 5-擋板 6-彈簧1 7-環(huán)1 8-螺帽 9-回復(fù)閥體 10-活塞 11-壓縮閥體 12-彈簧 13-支撐套 14-環(huán)2 15-彈簧2 16-環(huán)3 17-橡膠墊 18-密封圈 19-上蓋 20-減震彈簧 21-活塞桿 圖3.3　減振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 從圖中可以清晰的看到減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，對減振器在工作過程中油液的流動了解的更加清楚，這對機器人的減震系統(tǒng)有很好的了解。本機器人的減震裝置是在現(xiàn)有的減震器中選擇的型號尺寸。在今后的學習研究中，需要更加進一步的去研究減震裝置，這樣才能更好的應(yīng)用于機械系統(tǒng)中。 3.4四足步行機器人整體結(jié)構(gòu)方案 在四足步行機器人的腿部結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)都設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，需要對機器人的總體布局進行最終的確定。具體內(nèi)容包括：四條腿的相對位置關(guān)系，步行腿和機體的連接關(guān)系以及機體的具體結(jié)構(gòu)形式。下面給出四足機器人的具體結(jié)構(gòu)圖。 圖3.4　腿的位置布局圖 圖3.5　腿和機體連接結(jié)構(gòu)圖 圖3.6　前后腿的結(jié)構(gòu)圖 圖3.7　左右腿機體結(jié)構(gòu)圖 從圖中可以清晰的看到每個腿的位置以及步行機構(gòu)和轉(zhuǎn)彎機構(gòu)以及機器人機體三部分的具體連接形式。這對機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計來說至關(guān)重要。至此，設(shè)計出了機器人的整體結(jié)構(gòu)。 3.5 本章小結(jié) 本章主要對四足步行機器人進行了本體結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析，其中主要包括步行機器人步行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、步行機器人轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對減振裝置做了簡要分析，最重要的是對步行機器人的四條腿的布置情況進行了優(yōu)化設(shè)計。在完成各機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計之后讓我更加清晰的認識到整個四足步行機器人。 49 第4章 重要機構(gòu)部件的參數(shù)計算與校核 第4章 重要機構(gòu)部件的參數(shù)計算與校核 4.1 電機的計算與型號選取 1、步行機構(gòu)的電機選擇 根據(jù)馬的真實小跑步態(tài)的分析，步行機器人在行走時需要把大腿和小腿抬起，所以只用計算腿抬起時需要的最大力矩即可。 初步估計四足步行機器人的總體質(zhì)量為80kg。在該步行機構(gòu)的設(shè)計中只需要電機帶動曲柄作整周運動就可實現(xiàn)機器人的行走，大體估算需抬起部分的質(zhì)量大約是20kg，所以這部分受力圖如圖 4.1 所示。 1-編碼器 2-步行機構(gòu)電機 3-減速器 4-電機座 5-聯(lián)軸器 6-機體 圖4.1 行走機構(gòu)的受力分析圖 所以電機能帶動曲柄轉(zhuǎn)動的最小力矩為： （4-1） 式（4-1）中，——行走機構(gòu)的電機需要輸出的轉(zhuǎn)矩； ——行走機構(gòu)所需要的力矩； ——行走機構(gòu)的估算質(zhì)量； ——步行機構(gòu)的質(zhì)心與輸出軸估算的距離； 其中，估算為20kg，估算為150mm，故通過式（4-1）計算得到 ==300000 為了使步行機器人運動平穩(wěn)所以選取減速器級數(shù)為3級，估算減速比為114.00，所以需要電機的輸出額定轉(zhuǎn)矩為： 從直流空心杯伺服電機的選取表中選取的電機型號為BCL-48.68.48.45.B.C.01。這類電機的基本參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速是3250rpm，額定轉(zhuǎn)矩是3000，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩可達9930，電機重量為420g，最大輸出功率為114W。 根據(jù)選取的伺服電機選擇直流空心杯伺服減速器型號為APG36，選擇傳動比為114.00。選取的編碼器為MME30-04-1024-B，重量達4g，輸出相為ABZ兩相，輸出波形為方波。 2、轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的電機選擇 根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)定機器人在機械腿抬起后轉(zhuǎn)彎電機啟動完成轉(zhuǎn)彎，初步設(shè)定轉(zhuǎn)彎需要克服的力與重力相等，則轉(zhuǎn)彎電機可以與步行機構(gòu)處用的電機型號相同。如圖 4.2所展示的是轉(zhuǎn)彎部分的受力分析圖。 1-齒輪軸 2-聯(lián)軸器 3-減速器 4-電機座 5-電機 6-編碼器 圖4.2 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)受力圖 根據(jù)式4-1算出所需力矩。其中估算為20kg，為100mm。 ==200000 為了使步行機器人運動更加平穩(wěn)，所以選取減速器的級數(shù)為3級，減速比為76.00，計算得出電機輸出的額定轉(zhuǎn)矩為： 從直流空心杯伺服電機的選取表中選取的電機型號為BCL-48.68.48.45.B.C.01。該電機基本的參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速是3250rpm，額定轉(zhuǎn)矩是3000，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩是9930，重量是420g，最大輸出功率是114W。 根據(jù)選取的電機選取直流空心杯伺服減速器的型號為APG36，選擇該減速器的傳動比為76.00。選取的編碼器為MME30-04-1024-B，重量達4g，輸出相為ABZ兩相，輸出波形為方波。 4.2 直齒圓錐齒輪傳動設(shè)計與強度校核 一般都用圓錐齒輪來傳遞相交軸間的動力，這種傳動方式可以有效地控制尺寸。在機