四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說明書】

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編號(hào)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 題 目： 四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 題目類型：¨理論研究 ¨實(shí)驗(yàn)研究 t工程設(shè)計(jì) ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā) 摘 要 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。對(duì)四足機(jī)器人的行走典型步態(tài)進(jìn)行必要的分析比較，選擇本次畢業(yè)設(shè)計(jì)四足機(jī)器人的步態(tài)——小跑步態(tài)，并對(duì)小跑步態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)腿關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)是使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)還是使用傳統(tǒng)的連桿機(jī)構(gòu)（四桿機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)、六桿機(jī)構(gòu)等）驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)的自由度進(jìn)行分析，選擇一個(gè)自由度的斯蒂芬森型機(jī)構(gòu)作為四足機(jī)器人的行走結(jié)構(gòu)，并且引用了已經(jīng)運(yùn)用成熟的腿機(jī)構(gòu)?？紤]到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安裝，選擇一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，通過同步帶驅(qū)動(dòng)四條腿，減少了電動(dòng)機(jī)的數(shù)目，減輕了四足機(jī)器人的負(fù)載，減少對(duì)腿關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的影響。本畢業(yè)設(shè)計(jì)通過渦輪蝸桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，設(shè)計(jì)出了蝸桿二級(jí)減速器，第一級(jí)減速為蝸桿渦輪減速，第二級(jí)減速為齒輪減速。并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行必要計(jì)算和校核，從而得到四足機(jī)器人穩(wěn)定步行所需要的速度，最終實(shí)現(xiàn)了四足機(jī)器人的步行。 關(guān)鍵詞：四足哺乳動(dòng)物；四足機(jī)器人；機(jī)器人步態(tài)；行走結(jié)構(gòu)；蝸桿二級(jí)減速器 Abstract Walking legs of quadruped robot has multiple degrees of freedom , points of the foot are discrete , it can be flexibly adjusted walking posture within the gamut reach for the toe point , and a reasonable choice of the anchor , it gets a higher obstacle and avoidance ability . It is necessary to analysis and compare typical gait of quadruped walking robot, trotting gait is selected to be this graduation project quadruped robot gait. To compare the driving articulation that the leg joints structure is driven by the motor or the use of traditional articulation linkage (four agencies, five agencies, six institutions, etc.), while the degree of freedom mechanism is analyzed,to choose one degree of freedom structure Stephenson type mechanism as walking quadruped robot, and refers to already is used of mature leg mechanism. Taking into account the installation of the drive system, to choose a motor drive mechanism of quadruped walking robot, by timing belt drive four legs，the number of motor is reduced , it reduces the load on the four-legged robot , it reduces the impact on the movement of the leg joints .Two worm reducer is designed by designing worm gear and gear in the graduation design , the first stage reduction is a worm and wheel reducer , the second stage reduction is a gear reducer . And it is necessary to carry out calculations and check of key components, and to get speed required of quadruped robot walking is stable , ultimately , walking of quadruped robot is achieved. Keywords: quadruped mammal;quadruped robot; gait; walking structure; two worm reducer 目 錄 1. 引言 5 1.1 步行機(jī)器人 5 1.2 步行機(jī)器人的發(fā)展 5 1.3 步行機(jī)器人常見的連桿機(jī)構(gòu) 6 2. 四足機(jī)器人步態(tài)的設(shè)計(jì) 6 3. 行走結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 7 3.1 四足機(jī)器人腿結(jié)構(gòu)的配置形式 7 3.2 開鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu) 7 3.3 閉鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu) 9 3.4 彈性腿結(jié)構(gòu) 10 3.5 機(jī)構(gòu)自由度 11 3.6 步行機(jī)構(gòu)的選擇方案 12 3.6.1 對(duì)腿機(jī)構(gòu)分析 13 3.6.2 分析絞鏈點(diǎn)D的軌跡 13 3.7 腿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 15 3.8 機(jī)器人腿足端的軌跡分析 16 4. 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18 4.1 驅(qū)動(dòng)方案 18 4.2 傳動(dòng)方案 18 4.3 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 19 4.4 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)及其選擇 20 4.5 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)承載能力的計(jì)算 21 4.5.1 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和常用材料 21 4.5.2 渦輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 22 4.5.3 渦輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 24 4.5.4 蝸桿的剛度計(jì)算 24 4.6 渦輪蝸桿傳動(dòng)的計(jì)算 25 4.7斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的計(jì)算 28 5. 確定各軸的最小直徑及軸承 35 6. 軸的校核 35 6.1 蝸桿上的作用力及校核軸徑 35 6.2 渦輪軸上的作用力及校核軸徑 37 6.3 輸出軸上的作用力及校核軸徑 40 7. 鍵連接與計(jì)算校核 41 8. 三維建模及平衡校核 42 9. 結(jié)論 43 9.1 論文完成的主要工作 44 9.2 結(jié)論 44 謝 辭 45 參考文獻(xiàn) 46 1. 引言 1.1 步行機(jī)器人 在人類社會(huì)和大自然界中，有許多危險(xiǎn)的地方，危及到人類自身生命安全，是我們?nèi)祟悷o法直接到達(dá)的，于是人類研發(fā)出步行機(jī)器人，代替人類進(jìn)行探索研究。步行機(jī)器人是多個(gè)學(xué)科結(jié)合研究。研究者對(duì)付在各類差別的運(yùn)動(dòng)環(huán)境比如地形不規(guī)則或者高低不平，設(shè)計(jì)出不同運(yùn)動(dòng)方式的足式機(jī)器人。目前研究設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式常見的有5種類型的，分別是輪式、履帶式、足式、混合式和一些仿生方式0。其中研究使用最多的是輪式和足式，同時(shí)這2種運(yùn)動(dòng)方式是典型的運(yùn)動(dòng)方式。查閱一些相關(guān)的文獻(xiàn)資料，研究表明了足式運(yùn)動(dòng)往往只需要一些離散的、斷續(xù)的落足點(diǎn)，就具有了跨越凸凹不平、斜坡等地面障礙能力。足式機(jī)器人的足數(shù)可以分奇數(shù)和偶數(shù)，奇數(shù)中常見的有單足機(jī)器人、三足機(jī)器人等，偶數(shù)中常見的有雙足機(jī)器人、四足機(jī)器人、六足機(jī)器人、八足機(jī)器人等0。足式機(jī)器人就是模擬動(dòng)物或者人類的運(yùn)動(dòng)形式，采取腿足關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)來完成行走的，比如雙足機(jī)器人是模擬人類雙腿的運(yùn)動(dòng)形式，四足機(jī)器人就是模擬哺乳類動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)形式，六足機(jī)器人和八足機(jī)器人多數(shù)是模擬螃蟹、蜘蛛等爬行類動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)形式。本畢業(yè)設(shè)計(jì)是從模仿四足哺乳動(dòng)物行走的角度思考，設(shè)計(jì)出四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。 1.2 步行機(jī)器人的發(fā)展 步行機(jī)器人是近50年來發(fā)展起來的一種高科技產(chǎn)物。上世紀(jì)70年代，人類第一次研究出可以實(shí)現(xiàn)行走的步行機(jī)器人0。1972年研究者設(shè)計(jì)制造出了第一個(gè)雙足步行機(jī)器人0。1976年，研究者設(shè)計(jì)制造出了第一個(gè)四足步行機(jī)器人。從20世紀(jì)80年代之后，世界各國重視對(duì)步行機(jī)器人的研究，投入了大量的科研資金，使得機(jī)器人的研究技術(shù)得到了高速的發(fā)展，同時(shí)從這個(gè)時(shí)期開始步行機(jī)器人采用行走機(jī)構(gòu)。2004年，科學(xué)家應(yīng)用“小狗”來探索步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。2009年5月，根據(jù)美國軍隊(duì)的戰(zhàn)爭環(huán)境，改善美國士兵的作戰(zhàn)環(huán)境，增強(qiáng)裝備在復(fù)雜地形的運(yùn)輸。美國設(shè)計(jì)制造出了“大狗”Error! Reference source not found.。它展示了跟士兵一樣的行走作戰(zhàn)能力和運(yùn)輸物資能力，對(duì)于一些普通高度的障礙物可以輕松搞定，具有良好的使用性能。加拿大的大學(xué)機(jī)器人研究室（Ambulatory Robotics Laboratory）研究設(shè)計(jì)出了一種結(jié)構(gòu)簡單的四足步行機(jī)器人，該機(jī)器人可以行走甚至可以跨越高度的障礙物，不足之處就是該機(jī)器人的可靠性是差了一點(diǎn)0。最近的三十年時(shí)間，世界各國為了適應(yīng)現(xiàn)代制造技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的需要，不斷加大對(duì)步行機(jī)器人的研究進(jìn)而使得步行機(jī)器人的研究技術(shù)發(fā)生了巨大的改變。 1.3 步行機(jī)器人常見的連桿機(jī)構(gòu) 選擇使用平面四桿機(jī)構(gòu)。某公司研究設(shè)計(jì)制造出了一種選擇使用平面四桿縮放機(jī)構(gòu)的四足步行機(jī)器人，該機(jī)器人能向前伸開腿實(shí)現(xiàn)行走，可以向后伸開腿完成行走，同時(shí)該步行機(jī)器人還可以左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，并預(yù)留55%的記憶可提供給客戶做進(jìn)一步的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)和開發(fā)利用[3]。 選擇使用平面六桿機(jī)構(gòu)。六桿機(jī)構(gòu)可以分為兩大類——瓦特型和斯蒂芬森型0。其中常見的斯蒂芬森型，以二桿機(jī)構(gòu)為腿機(jī)構(gòu)、四桿機(jī)構(gòu)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)做成機(jī)器人的連桿機(jī)構(gòu)。 2. 四足機(jī)器人步態(tài)的設(shè)計(jì) 四足哺乳類動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)可以簡化為五種規(guī)劃步態(tài)。 小跑步態(tài),對(duì)角腿同相，左右腿、前后腿異相0,該步態(tài)已經(jīng)有很多的研究，尤其是上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)出版的期刊對(duì)于小跑步態(tài)進(jìn)行了深入的研究分析Error! Reference source not found.，包括了小跑步態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡的分析，小跑步態(tài)腿部角度的分析，研究表明了小跑步態(tài)實(shí)現(xiàn)了行走且行走沒有左右搖動(dòng)，順利平穩(wěn)的向前行走。 行走步態(tài)，各足依次升降，任意兩腿之間為異相關(guān)系，順次兩腿的相位差為1/4周期0。 遛步步態(tài)，同側(cè)的兩腿同相，左右腿、對(duì)角腿異相，同側(cè)的腿成對(duì)升降，兩對(duì)之間相位差為1/20。該步態(tài)也有深入的研究，還在期刊上發(fā)表了，機(jī)器人出版的期刊對(duì)遛步步態(tài)進(jìn)行了研究，該研究包括了遛步步態(tài)力學(xué)模型的建立與分析，遛步步態(tài)角速度補(bǔ)償法的分析Error! Reference source not found.，最后通過步行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了遛步步態(tài)的可行性，實(shí)驗(yàn)研究表明遛步步態(tài)可以實(shí)現(xiàn)在平直路面的行走。 奔跑步態(tài)，前腿同相，后腿也同相，同側(cè)腿和對(duì)角腿異相，前面的2條腿同時(shí)向前運(yùn)動(dòng)，后面的2條腿同時(shí)站立支撐0。奔跑步態(tài)的實(shí)現(xiàn)需要考慮很多的要求，目前查閱文獻(xiàn)資料很少發(fā)現(xiàn)有關(guān)于奔跑步態(tài)的研究。 彈跳步態(tài)，指四足同時(shí)起落的彈跳步態(tài)，這個(gè)種步態(tài)很少見，甚至是稀有的步態(tài)，一般不會(huì)用于實(shí)現(xiàn)行走0。 上面的五種步態(tài)按照運(yùn)動(dòng)的節(jié)奏也可以劃分為： 1　 單拍步態(tài)（彈跳），=0； 2　 雙拍步態(tài)（小跑、遛步、奔跑），=1/2； 3　 四拍步態(tài)（行走），=1/4。 每種步態(tài)都在某個(gè)領(lǐng)域或者方面有自身的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，選擇步態(tài)時(shí)要根據(jù)設(shè)定的要求出發(fā)。如果選擇小跑步態(tài)，那本畢業(yè)設(shè)計(jì)只需要一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)腿關(guān)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)小跑；如果選擇奔跑步態(tài)，那至少是需要2個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)腿關(guān)節(jié)才可以實(shí)現(xiàn)奔跑；如果選擇遛步步態(tài)，也至少是需要2個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)腿關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)遛步，并且腿關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)工程中，由于同一側(cè)的2條腿都離開地面，容易出現(xiàn)機(jī)器人不平衡而向側(cè)邊跌倒的情況。所以通過比較分析，選出與設(shè)定要求最為接近的步態(tài)，再對(duì)該步態(tài)進(jìn)行符合畢業(yè)設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)以四足哺乳類動(dòng)物為例，行走步態(tài)一般用于慢速行走0；而小跑步態(tài)一般是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的小跑運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在常見的機(jī)器人步態(tài)中，小跑步態(tài)的性能最優(yōu)0。本畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇機(jī)器人的步態(tài)為小跑步態(tài) 3. 行走結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 在大自然中，許多動(dòng)物具有精巧的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)及強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)功能，好比四足哺乳類動(dòng)物，依靠各腿的循環(huán)交替，以及軀體脊椎、頸椎等部位的配合，實(shí)現(xiàn)行走的運(yùn)動(dòng)功能0。在四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)中，行走結(jié)構(gòu)支撐著機(jī)器人機(jī)體，又同時(shí)作為運(yùn)動(dòng)部件，推動(dòng)機(jī)器人機(jī)體向前方向移動(dòng)，所以行走結(jié)構(gòu)是四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 3.1 四足機(jī)器人腿結(jié)構(gòu)的配置形式 根據(jù)腿的主運(yùn)動(dòng)平面與機(jī)體運(yùn)動(dòng)方向之間的相對(duì)關(guān)系（水平面內(nèi)），關(guān)節(jié)式腿結(jié)構(gòu)的配置形式分為三種。 1　 平行布置形式。平行布置：腿的主運(yùn)動(dòng)平面與機(jī)體運(yùn)動(dòng)方向一致，這種布置形式容易實(shí)現(xiàn)靈活快速行走，在沒有偏轉(zhuǎn)自由度時(shí)主要作縱向行走0。 2　 垂直布置形式。垂直布置：腿的主運(yùn)動(dòng)平面與機(jī)體運(yùn)動(dòng)方向垂直0，既可作縱向行走也可作橫向行走。 3　 斜置布置形式。斜置布置：腿的主運(yùn)動(dòng)平面與機(jī)體運(yùn)動(dòng)方向存在一個(gè)夾角，可以增大支撐區(qū)域的面積，獲得更好的穩(wěn)定性0。 由于已經(jīng)選擇了小跑步態(tài)，考慮到整體結(jié)構(gòu)，腿關(guān)節(jié)主運(yùn)動(dòng)平面與機(jī)體運(yùn)動(dòng)方向一致更符合本設(shè)計(jì)0；如果腿關(guān)節(jié)主運(yùn)動(dòng)平面與機(jī)體運(yùn)動(dòng)方向垂直0，那安裝腿關(guān)節(jié)復(fù)雜并且也影響整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，工作量也會(huì)加大。本畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇平行布置形式作為腿結(jié)構(gòu)的配置形式。 3.2 開鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu) 開鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)： 1　 工作空間大； 2　 結(jié)構(gòu)較簡單； 3　 具有較強(qiáng)的姿態(tài)修復(fù)能力。 開鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)： 1　 承載能力有限； 2　 各腿的運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制復(fù)雜。 早期的開鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)很多采取近似動(dòng)物的腿結(jié)構(gòu)，即關(guān)節(jié)式腿結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)比較直觀0。如圖3.2.1所示。 圖3.2.1 開鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu) 圖3.2.2 開鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡分析 如圖3.2.2所示，對(duì)開鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡分析，其運(yùn)動(dòng)軌跡方程： 其中： 3.3 閉鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu) 閉鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：承載能力大；功耗小；閉鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)：工作空間有局限性。 閉鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)分為平面閉鏈機(jī)構(gòu)和空間閉鏈機(jī)構(gòu)，其中，平面閉鏈腿結(jié)構(gòu)使用較廣，空間閉鏈腿結(jié)構(gòu)分析及實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜0。如圖3.3.1所示為一種閉鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)的三維模型。 圖3.3.1 閉鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu) 圖3.3.2 閉鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡分析 建立如圖3.3.2所示，對(duì)閉鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡分析，其運(yùn)動(dòng)軌跡方程為： 其中： 3.4 彈性腿結(jié)構(gòu) 在受到重力情況下，動(dòng)物運(yùn)動(dòng)時(shí)腿落地會(huì)受到?jīng)_擊，地面施加的反作用力可能遠(yuǎn)大于動(dòng)物自重0。可以把類似動(dòng)物肌腱的結(jié)構(gòu)運(yùn)用于機(jī)器人的腿結(jié)構(gòu)，就可以構(gòu)成彈性腿結(jié)構(gòu)，即彈性腿結(jié)構(gòu)既包含剛性元件，又包含彈性元件0。 彈性腿結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)： 1　 彈性阻尼元件具有緩沖和消振作用，能減少驅(qū)動(dòng)力矩（力）以及驅(qū)動(dòng)功率的峰值0； 2　 可增加步行過程的穩(wěn)定性。 經(jīng)過對(duì)上面的3種腿結(jié)構(gòu)的分析比較，閉鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)比較符合要求，本畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇閉鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)。 目前關(guān)于平面機(jī)構(gòu)用作腿結(jié)構(gòu)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)者提出了兩類--運(yùn)動(dòng)要求和性能評(píng)判。 查閱相關(guān)機(jī)器人文獻(xiàn)總結(jié)了腿的必要條件0： 1　 機(jī)構(gòu)中至少要有轉(zhuǎn)動(dòng)副或者至少要有移動(dòng)副，特別是運(yùn)動(dòng)型關(guān)節(jié)處0； 2　 結(jié)構(gòu)自由度最好不要小于20； 3　 結(jié)構(gòu)桿件數(shù)目要盡量減少，數(shù)量少有利于運(yùn)動(dòng)的分析； 4　 必須有連桿曲線為直線的點(diǎn)，以確保在支撐相中足端做平行于機(jī)身的直線運(yùn)動(dòng)0； 5　 機(jī)身高度發(fā)生改變時(shí)，結(jié)構(gòu)中上的點(diǎn)還能作直線運(yùn)動(dòng)，且與上面的點(diǎn)的直線軌跡平行0； 6　 結(jié)構(gòu)需要有腿的基本形狀。 查閱有關(guān)機(jī)器人性能要求的文獻(xiàn)資料，根據(jù)機(jī)器人的性能有如下項(xiàng)目： 1　 各運(yùn)動(dòng)是分開的，相互不干涉不影響，特別是前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和抬腳運(yùn)動(dòng)要分開0； 2　 為使控制簡單，機(jī)器人的輸入運(yùn)動(dòng)函數(shù)不要太復(fù)雜，同時(shí)輸出運(yùn)動(dòng)的函數(shù)關(guān)系應(yīng)也不要太復(fù)雜0； 3　 平面連桿機(jī)構(gòu)不應(yīng)與第三維運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)發(fā)生干涉0； 4　 足端在水平和垂直方向上有較大的運(yùn)動(dòng)范圍，近似直線運(yùn)動(dòng)軌跡在較長范圍內(nèi)直線近似程度較好0。 滿足上述條件的連桿機(jī)構(gòu)有很多，比如平面四連桿機(jī)構(gòu)是一種常見的直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)這種機(jī)構(gòu)具有多種衍生形式，往往需要附加其他機(jī)構(gòu)，才能成為腿結(jié)構(gòu)0。 3.5 機(jī)構(gòu)自由度 本任務(wù)要求從模仿四足哺乳動(dòng)物行走的角度思考，設(shè)計(jì)出四條腿具有相應(yīng)自由度的四足機(jī)器人。本畢業(yè)設(shè)計(jì)只對(duì)平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算進(jìn)行討論。在平面機(jī)構(gòu)中，各構(gòu)件不會(huì)做空間運(yùn)動(dòng)只作平面運(yùn)動(dòng)，因此每個(gè)自由構(gòu)件具有3個(gè)自由度0，每個(gè)平面低副（包含轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副）各提供2個(gè)約束，每個(gè)平面高副1個(gè)約束0。故平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算為 式中，為活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目； 為平面低副的數(shù)目； 為平面高副的數(shù)目。 3.6 步行機(jī)構(gòu)的選擇方案 方案一：步行機(jī)構(gòu)選擇電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)腿關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。 方案二：步行機(jī)構(gòu)選擇傳統(tǒng)連桿驅(qū)動(dòng)腿關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。 如果選擇方案一，那腿關(guān)節(jié)中的大腿需要一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，小腿也需要一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，1條腿就需要2個(gè)電動(dòng)機(jī)，本畢業(yè)設(shè)計(jì)有4條腿，那需要的電動(dòng)機(jī)的數(shù)量為8個(gè)，電動(dòng)機(jī)的數(shù)量多，會(huì)加重腿關(guān)節(jié)的承載從而影響關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。 如果選擇方案二，目前為止，研究并且運(yùn)用比較成熟的連桿機(jī)構(gòu)有縮放機(jī)構(gòu)、斯蒂芬森型六桿機(jī)構(gòu)、瓦特型機(jī)構(gòu)0。并且連桿機(jī)構(gòu)中對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)特征也有相當(dāng)成熟的研究分析，包括了傳動(dòng)角、關(guān)節(jié)尺寸、安裝角度等數(shù)據(jù)的研究。 經(jīng)過上面2種方案的對(duì)比分析，本畢業(yè)設(shè)計(jì)中，選擇采用斯蒂芬森型六桿機(jī)構(gòu)，其裝配后的簡化圖形為圖3.6.1所示。 圖3.6.1 斯蒂芬森型六桿機(jī)構(gòu) 3.6.1 對(duì)腿機(jī)構(gòu)分析 以二桿組作為小腿機(jī)構(gòu)，如圖 3.6.2所示，跨關(guān)節(jié)A，膝關(guān)節(jié)B，足端CError! Reference source not found.。 圖3.6.2 腿機(jī)構(gòu)示意圖 表3-1 坐標(biāo)值表 通過查閱現(xiàn)有的研究資料《基于SolidWorks四足行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及動(dòng)畫模擬設(shè)計(jì)》Error! Reference source not found.的數(shù)據(jù)取AB=9cm，BC=17cm。 3.6.2 分析絞鏈點(diǎn)D的軌跡 按照?qǐng)D7所示建立的坐標(biāo)，首先建立D的位置方程 (3-1) (3-2) 因?yàn)锳B為大腿的長度，其為所取的定長，列方程 （3-3） 把式(3-1),(3-2)代入式(3-3)，并簡化得 （3-4） 式(3-4)相關(guān)的手冊(cè)，可以解得： (3-5) 將β用C點(diǎn)的位置坐標(biāo)表示后，可得D點(diǎn)的位置坐標(biāo)Error! Reference source not found.： (3-6) (3-7) 取，，如圖3.6.3所示為四桿機(jī)構(gòu)。 圖3.6.3 四桿機(jī)構(gòu)圖 選擇現(xiàn)有資料《基于SolidWorks四足行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及動(dòng)畫模擬設(shè)計(jì)》Error! Reference source not found.的數(shù)據(jù) 3.7 腿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 據(jù)幾何圖形列出方程： (3-8) (3-9) (3-10) (3-11) (3-12) (3-13) (3-14) (3-15) (3-16) (3-17) (3-18) (3-19) (3-20) (3-21) (3-22) （3-23） 腿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)需要考慮的條件Error! Reference source not found.： 3.8 機(jī)器人腿足端的軌跡分析 如圖3.8.1建立坐標(biāo)系： 圖3.8.1 腿結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系 向量方程為： （3-24) 寫到坐標(biāo)系xoy中： (3-25) 引入中間角度變量： 上式中 (3-26) (3-27) 4. 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 常見的機(jī)械傳動(dòng)有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)0。 4.1 驅(qū)動(dòng)方案 初步分析3種驅(qū)動(dòng)方案如下： 1　 一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)部件，通過同步帶實(shí)現(xiàn)機(jī)器人4條腿的行走。該方案需要的電動(dòng)機(jī)數(shù)量最少，容易實(shí)現(xiàn)。 2　 兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)部件，通過2根軸實(shí)現(xiàn)機(jī)器人4條腿的行走。該方案不需要同步帶就可以實(shí)現(xiàn)。 3　 四臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)部件，一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的1條腿。該方案需要的電動(dòng)機(jī)數(shù)量多，并且難以保證每個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速基本一致。 經(jīng)過上面的分析比較，選擇的驅(qū)動(dòng)方案是一臺(tái)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。 4.2 傳動(dòng)方案 常見的機(jī)械傳動(dòng)有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)0。 帶傳動(dòng)是一種撓性傳動(dòng)。帶傳動(dòng)由帶輪（主動(dòng)帶輪和從動(dòng)帶輪）和傳送帶組成。 根據(jù)工作原理的差別，帶傳動(dòng)可以分為摩擦型帶傳動(dòng)和嚙合型帶傳動(dòng)0。由于本畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人的四條腿行走，所以選擇嚙合型帶傳動(dòng)。在帶傳動(dòng)過程中不能忽視傳送帶的張緊程度，如果傳送帶松弛，影響傳動(dòng)效果，如果傳送帶過緊，說需要的力矩就變大，影響傳送帶的正常工作?？紤]到同步帶的張緊，選擇使用3個(gè)同步帶齒輪，第3個(gè)同步帶齒輪可調(diào)。通過調(diào)節(jié)第3個(gè)同步帶齒輪的位置，從而得到我們需要的張緊程度。還需要注意的是張緊輪直徑尺寸最好是比傳動(dòng)輪直徑尺寸小，通常安裝在大傳動(dòng)輪的附近。 通過齒輪傳動(dòng)，可以獲得需要的速度，可以是加速也可以是減速，更多的應(yīng)用是減速，比如減速器的使用。齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)：效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；傳動(dòng)比穩(wěn)定0。齒輪的設(shè)計(jì)和計(jì)算量很大，符合畢業(yè)設(shè)計(jì)的工作量。直齒的設(shè)計(jì)與計(jì)算要比斜齒的設(shè)計(jì)與計(jì)算簡單多，還是考慮因?yàn)榈焦ぷ髁康那闆r，選擇斜齒圓柱齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。 蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯(cuò)的夾角可以為任意值，最常用的是兩軸交錯(cuò)角的減速傳動(dòng)0。蝸桿傳動(dòng)的主要特點(diǎn)：蝸桿作為原動(dòng)件時(shí)，渦輪的速度可以降到很低，傳動(dòng)是特別平穩(wěn)的，齒輪的嚙合之處受到的沖擊很小，也不發(fā)出有很大的聲音即噪音小0。蝸桿的頭數(shù)少，渦輪次數(shù)多，可以得到的傳動(dòng)比范圍很大，并且結(jié)構(gòu)緊湊。因?yàn)槲仐U嚙合齒之間的相對(duì)滑動(dòng)速率較大，導(dǎo)致摩擦大，使得齒根容易磨損，同時(shí)蝸桿傳動(dòng)效率較低，容易發(fā)熱0。渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)反行程還有具有自鎖性。普通圓柱蝸桿傳動(dòng)應(yīng)用于載荷較小、速度低、精度要求不高的傳動(dòng)0，選擇普通圓柱蝸桿傳動(dòng)。 經(jīng)過上面常見的機(jī)械傳動(dòng)的特點(diǎn)比較分析，本畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇同步帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)結(jié)合組成傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。 方案一：第一級(jí)設(shè)計(jì)為齒輪傳動(dòng)減速，第二級(jí)設(shè)計(jì)為渦輪蝸桿減速0。 方案二：第一級(jí)設(shè)計(jì)為渦輪蝸桿減速，第二級(jí)設(shè)計(jì)為齒輪傳動(dòng)減速0。 方案三：由于蝸桿頭數(shù)少，渦輪齒數(shù)多，可能會(huì)出現(xiàn)蝸桿傳動(dòng)減速的速度低于最后需要的速度，所以第二級(jí)設(shè)計(jì)齒輪加速獲得最后輸出需要的速度。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇第一級(jí)設(shè)計(jì)為渦輪蝸桿減速，第二級(jí)設(shè)計(jì)為齒輪傳動(dòng)減（加）速的方案。傳動(dòng)方案如圖4.2.1所示。 1--大齒輪；2--小齒輪；3--渦輪；4--蝸桿 圖4.2.1 傳動(dòng)方案簡圖 4.3 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)選擇包括選擇類型、結(jié)構(gòu)型式、容量（功率）和轉(zhuǎn)速，并確定型號(hào)0。本次 畢業(yè)設(shè)計(jì)，電機(jī)的選擇主要是參照容量（功率）和轉(zhuǎn)速兩個(gè)參數(shù)。 初步設(shè)計(jì)機(jī)器人總質(zhì)量，行走速度，斜坡角度則功率 為： 在選擇電動(dòng)機(jī)，還需要考慮電動(dòng)機(jī)質(zhì)量和轉(zhuǎn)速，本畢業(yè)設(shè)計(jì)總質(zhì)量不大，為了不影響四足機(jī)器人行走，應(yīng)該選擇質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)速中高的電動(dòng)機(jī)。根據(jù)這些要求，選擇JSCC電機(jī)中的80YR25GV11型號(hào)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)質(zhì)量，轉(zhuǎn)速。 表4-1 所選電動(dòng)機(jī)參數(shù)表 4.4 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)及其選擇 1.模數(shù)m和壓力角 ZA蝸桿的軸向壓力角為標(biāo)準(zhǔn)值（），其余三種（ZN、ZI、ZK）蝸桿的法向壓力角為標(biāo)準(zhǔn)值，蝸桿軸向壓力角與法向壓力角的關(guān)系為： 2.蝸桿的分度圓直徑 蝸桿的直徑系數(shù)，已經(jīng)有標(biāo)準(zhǔn)值了，常用的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m和蝸桿分度圓直徑查表可得對(duì)應(yīng)的參數(shù)0。 3.蝸桿頭數(shù) 蝸桿頭數(shù)可按照要求的傳動(dòng)比和效率來選擇0。通常蝸桿頭數(shù)取為1、2、4、60。 表4-2 蝸桿頭數(shù)與渦輪齒數(shù)的推薦使用值 4.導(dǎo)程角 5.傳動(dòng)比和齒數(shù)比 傳動(dòng)比，式中，為蝸桿的轉(zhuǎn)速（），為渦輪的轉(zhuǎn)速（）。 齒數(shù)比 ，式中，為渦輪齒數(shù)。 當(dāng)蝸桿為主動(dòng)件時(shí)， 6.渦輪齒數(shù) 渦輪齒數(shù)。 7.蝸桿傳動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)中心距 蝸桿傳動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)中心距為 4.5 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)承載能力的計(jì)算 4.5.1 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和常用材料 在開式傳動(dòng)中，通常的主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是按照齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)0。 在閉式傳動(dòng)中，通常按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核0。 蝸桿常用的材料為鑄造錫青銅、鑄造鋁鐵青銅、灰鑄鐵等0。 表4-3蝸桿常用材料表 材料 特性 使用場合 錫青銅 耐磨性好，但是價(jià)格較高 用于滑動(dòng)速度的重要傳動(dòng) 鋁鐵青銅 耐磨性較錫青銅差一點(diǎn)，但是價(jià)格便宜 一般用于滑動(dòng)速度的傳動(dòng) 灰鑄鐵 效率要求不高 用于滑動(dòng)速度不高（）的傳動(dòng) 4.5.2 渦輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 渦輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的原始公式0： 表4-4 使用系數(shù) 載荷性質(zhì) 每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù) 起動(dòng)載荷 均勻、無沖擊 小于25 小 1 不均勻、小沖擊 25至50 較大 1.15 不均勻、大沖擊 大于50 大 1.2 1　 為嚙合齒面上的法向載荷（）0。 2　 為接觸線總長（)0。 3　 青銅或者鑄鐵渦輪與鋼鐵蝸桿配合時(shí)0，取。 將，，代入上式，得： 式中，為渦輪齒面的接觸應(yīng)力（）0。 表4-5 許用接觸應(yīng)力 材料 滑動(dòng)速度 蝸桿 渦輪 <0.25 0.25 0.5 1 2 3 4 20或者20Cr滲碳、淬火，45鋼淬火，齒面硬度>45HRC 灰鑄鐵HT150 206 166 150 127 95 - - 灰鑄鐵HT200 250 202 182 154 115 - - 鑄鋁鐵青銅ZCuAl10Fe3 - - 250 230 210 180 160 45鋼或Q275 灰鑄鐵HT150 172 139 125 106 79 - - 灰鑄鐵HT200 208 168 152 128 96 - - 渦輪主要是接觸疲勞失效，當(dāng)渦輪材料使用錫青銅，強(qiáng)度極限時(shí)，根據(jù)=計(jì)算出接觸應(yīng)力的值。，。式中： 1　 為接觸強(qiáng)度的壽命系數(shù)0。 2　 為渦輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，每個(gè)齒輪嚙合的次數(shù)0。 3　 為渦輪轉(zhuǎn)速（r/min）。 4　 為工作壽命。 表4-6 鑄錫青銅渦輪的基本許用接觸應(yīng)力0 渦輪材料 鑄造方法 蝸桿螺旋面的硬度 鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1 砂模鑄造 150 180 金屬模鑄造 220 268 鑄錫鋅鉛青銅 ZCuSn5Pb5Zn5 砂模鑄造 113 135 金屬模鑄造 128 140 4.5.3 渦輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 渦輪齒根的彎曲應(yīng)力計(jì)算公式0： 式中： 1　 為渦輪輪齒弧長，可以按照計(jì)算。 2　 為法面模數(shù)0。 3　 為齒根應(yīng)力校正系數(shù)0。 4　 可以取。 5　 為螺旋角影響系數(shù)0， 將上面的5個(gè)參數(shù)代入上式，整理后得： 4.5.4 蝸桿的剛度計(jì)算 蝸桿需要進(jìn)行剛度校核，主要是校核蝸桿的彎曲強(qiáng)度0。蝸桿剛度條件為： 式中： 1　 為蝸桿受到的圓周力（N）0。 2　 為蝸桿受到的徑向力（N）0。 3　 E為蝸桿材料的彈性模量（）0。 4　 。 5　 ，為蝸桿兩端支承間的跨矩。 6　 為許用最大撓度，。 4.6 渦輪蝸桿傳動(dòng)的計(jì)算 本畢業(yè)設(shè)計(jì)要求中，并沒有對(duì)行走機(jī)構(gòu)作出速度要求，所以考慮使四足機(jī)器人平穩(wěn)行走，設(shè)計(jì)與四足機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)連接的輸出軸轉(zhuǎn)速。本畢業(yè)設(shè)計(jì)總質(zhì)量不大，為了不影響四足機(jī)器人行走，應(yīng)該選擇質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)速中高的電動(dòng)機(jī)0。根據(jù)這些要求，選擇JSCC電機(jī)中的80YR25GV11型號(hào)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)質(zhì)量，轉(zhuǎn)速，輸出功率是。 1) 確定傳動(dòng)比 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出軸轉(zhuǎn)速?？倐鲃?dòng)比。對(duì)于齒輪-蝸桿減速器，通常是取低速級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)比0，所以可以取低速圓柱齒輪傳動(dòng)比，從而得到蝸桿傳動(dòng)比。計(jì)算得到的傳動(dòng)比進(jìn)行合理分析。根據(jù)下表傳動(dòng)比進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)各級(jí)傳動(dòng)比分配合理0。并且此時(shí)可以得出蝸桿頭數(shù)。 表4-7 蝸桿頭數(shù)與渦輪齒數(shù)的推薦使用值表 2) 確定各級(jí)轉(zhuǎn)速 蝸桿轉(zhuǎn)速，渦輪軸轉(zhuǎn)速，輸出軸轉(zhuǎn)速。 3) 確定各軸的輸入功率 計(jì)算各軸的輸入功率要考慮到傳動(dòng)效率。查閱到聯(lián)軸器傳動(dòng)效率；一對(duì)軸承傳動(dòng)效率；蝸桿傳動(dòng)效率（蝸桿頭數(shù)）0；圓柱斜齒輪傳動(dòng)效率0。 蝸桿的輸入功率。 渦輪軸的輸入功率。 輸出軸的輸入功率。 4) 各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 蝸桿的轉(zhuǎn)矩 渦輪軸的轉(zhuǎn)矩。 輸出軸的轉(zhuǎn)矩。 5) 確定蝸桿頭數(shù)和各齒輪的齒數(shù) 已經(jīng)得到了蝸桿頭數(shù)，渦輪齒數(shù)。選取渦輪軸上的另一個(gè)齒輪齒數(shù)，則輸出軸上的齒輪齒數(shù)。 6) 渦輪蝸桿材料 考慮到蝸桿傳動(dòng)效率不高，速度也是中等，故選擇蝸桿材料為45鋼；蝸桿螺旋齒面要求耐磨性較好，效率高一些，所以蝸桿螺旋齒面淬火，硬度為；渦輪材料為鑄錫磷青銅，金屬模鑄造0。渦輪齒圈材料為青銅，輪芯材料為灰鑄鐵，這樣可以節(jié)約貴重的有色金屬Error! Reference source not found.。 7) 確定載荷系數(shù) 蝸桿渦輪傳動(dòng)時(shí)候，載荷不均勻、小沖擊，選擇使用系數(shù)；但是工作表面良好的磨合，選擇齒向載荷分布系數(shù)；因?yàn)檗D(zhuǎn)速不是很高，沖擊不大，選擇動(dòng)載系數(shù)。所以確定載荷系數(shù)。 8) 確定彈性影響系數(shù) 因?yàn)檫x擇的是鑄錫磷青銅和鋼蝸桿相配合0，所以確定彈性影響系數(shù)。 9) 確定許用接觸應(yīng)力 渦輪材料為鑄錫磷青銅，金屬模鑄造0，蝸桿硬度為，選取蝸桿硬度大于，查表可以得到渦輪的基本許用應(yīng)力。 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 接觸強(qiáng)度的壽命系數(shù)。 許用接觸應(yīng)力=。 10) 確定模數(shù)和蝸桿分度圓直徑 渦輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的驗(yàn)算公式： 變換為： 因?yàn)槲仐U頭數(shù)，查表可以得到模數(shù)，蝸桿分度圓直徑。 11) 中心距 蝸桿軸向齒距，分度圓導(dǎo)程角， 直徑系數(shù)， 蝸桿齒頂圓直徑， 蝸桿齒根圓直徑， 蝸桿軸向齒厚。 渦輪分度圓直徑， 渦輪喉圓直徑， 渦輪齒根圓直徑， 渦輪喉圓直徑，渦輪做成實(shí)心式渦輪。 渦輪齒寬，取渦輪齒寬。 12) 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度0 當(dāng)量齒數(shù)，根據(jù)當(dāng)量齒數(shù)，查表可以得到齒形系數(shù)。螺旋角系數(shù)， 壽命系數(shù) 彎曲強(qiáng)度是滿足的。 13) 渦輪蝸桿主要設(shè)計(jì)結(jié)論 模數(shù)，蝸桿頭數(shù)，蝸桿分度圓直徑，渦輪齒數(shù)，蝸桿齒寬，取，蝸桿材料為45鋼，齒面淬火，渦輪材料為鑄錫磷青銅，金屬模鑄造Error! Reference source not found.。 4.7斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的計(jì)算 齒輪的材料，小齒輪用40Cr，大齒輪用45號(hào)鋼0，大齒輪、正火處理，小齒輪調(diào)質(zhì)，均用軟齒面，小齒輪硬度為280HBS，大齒輪硬度為240HBS0。齒輪精度用7級(jí)，軟齒面閉式傳動(dòng)，失效形式為點(diǎn)蝕0。 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由公式試算渦輪軸上的另外一個(gè)齒輪（齒輪3）分度圓直徑，既 確定公式中各參數(shù)值。 ①試選載荷系數(shù)=1.4。（輕微振動(dòng)） ②查取區(qū)域系數(shù)=2.433。 ③計(jì)算。 ④螺旋角系數(shù) ⑤查表取材料的彈性影響系數(shù)。 ⑥計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 查表取接觸疲勞壽命系數(shù) 取兩者中小者作為齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力，既 試算渦輪軸上的另外一個(gè)齒輪（齒輪3）分度圓直徑 調(diào)整齒輪分度圓直徑 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。 ①圓周速度 ②齒寬。 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)。 ①查表得使用系數(shù)=1.5。 ②根據(jù)、7級(jí)精度，查表得動(dòng)載荷系數(shù)。 ③齒輪的圓周力 查表取齒間載荷分配系數(shù)。 ④查表取=1.417。 則載荷系數(shù)為 按實(shí)際載荷系數(shù)算得分度圓直徑 相應(yīng)的齒輪模數(shù) 1) 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)0 試算齒輪模數(shù) 確定公式中的各參數(shù)值。 ①試選載荷系數(shù)=1.3。 ②計(jì)算。 ③計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度的螺旋角系數(shù)。 ④計(jì)算。 由當(dāng)量齒數(shù) ，查圖10-17得齒形系數(shù)。由圖查得應(yīng)力修正系數(shù)。 小齒輪的齒根彎曲疲勞極限為。 大齒輪的齒根彎曲疲勞極限為。 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)。 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4 則 因?yàn)檩敵鲚S齒輪的大于渦輪軸上的另外一個(gè)齒輪，所以取= 試算齒輪模數(shù) 調(diào)整齒輪模數(shù) 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)0 ①圓周速度 ②齒寬 ③寬高比 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù) ①根據(jù)，7級(jí)精度，查圖得動(dòng)載荷系數(shù)1.09。 ②由 查表得=1.4。 ③查表用插值法查得=1.415，結(jié)合=10.99查圖得=1.34。 則載荷系數(shù)為 按實(shí)際載荷系數(shù)算得的齒輪模數(shù)0 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)0，從滿足彎曲疲勞強(qiáng)度出發(fā)，從標(biāo)準(zhǔn)中就近取；為了同時(shí)滿足接觸疲勞強(qiáng)度，需按接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑來計(jì)算齒輪的齒數(shù)0，既 。 取，。 計(jì)算中心距 考慮到模數(shù)增大，為此將中心距減小圓整為。 按圓整后的中心距修正螺旋角 計(jì)算小，大齒輪的分度圓直徑 計(jì)算齒輪寬度 考慮不可避免的安裝誤差，所以從保證設(shè)計(jì)齒寬和節(jié)省材料出發(fā)，一般將小齒輪稍微加寬0，取 圓整中心距后的強(qiáng)度校核 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核 按前述方式查表得一下參數(shù)： =2.182，=5326.48，=1，=49.33mm ,=0.5 =2.433,=189.8,=0.735 ,=0.985 。 則 經(jīng)過計(jì)算校核結(jié)果是滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件。 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 按前述方式計(jì)算查表得一下參數(shù): =2.629 ,,=2.62,=1.6 =2.18,=1.84,=0.738,=0.778,,,, 則有 滿足齒根接觸疲勞強(qiáng)度條件。 2) 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 齒輪3的齒頂圓直徑，齒輪3做成實(shí)心式齒輪。 齒輪4的齒頂圓直徑，齒輪4做成實(shí)心式齒輪。 3) 主要設(shè)計(jì) 齒數(shù)，模數(shù)，壓力角，螺旋角，齒輪變位系數(shù)，中心距，齒寬，小齒輪選用40Cr(調(diào)質(zhì)）大齒輪選用45鋼（調(diào)質(zhì)）0。齒輪按7級(jí)精度設(shè)計(jì)。 5. 確定各軸的最小直徑及軸承 蝸桿最小直徑 渦輪軸最小直徑 輸出軸最小直徑 根據(jù)計(jì)算出來的蝸桿的最小直徑來選擇聯(lián)軸器的孔徑，保證我們所選的軸直徑與聯(lián)軸器的孔徑相匹配，所以需同時(shí)選取聯(lián)軸器型號(hào)0。 聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的前提條件，選擇對(duì)應(yīng)型號(hào)的聯(lián)軸器。再根據(jù)對(duì)應(yīng)的軸徑、軸轉(zhuǎn)速選擇對(duì)應(yīng)的輕載、中載、重載型軸承。蝸桿兩邊的軸承選擇米思米型號(hào)軸承，其尺寸為，基本額定動(dòng)載荷；渦輪兩邊的軸承選擇米思米型號(hào)軸承，其尺寸為，其基本額定動(dòng)載荷為；輸出軸兩邊的軸承選擇米思米型號(hào)軸承，其尺寸為，基本額定動(dòng)載荷。 6. 軸的校核 6.1 蝸桿上的作用力及校核軸徑 蝸桿： 計(jì)算支反力： 垂直面支反力（XZ平面）計(jì)算 繞支點(diǎn)B的力矩和，得 同理， 校核：，計(jì)算無誤。 水平平面（XY平面）計(jì)算 同樣，繞支點(diǎn)B的力矩和，得 同理，： 校核：，計(jì)算無誤。 垂直平面內(nèi)的彎矩 C處彎矩： 水平面彎矩圖： C處彎矩： 合成彎矩圖： C處： 計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 應(yīng)力校正系數(shù)： D處: ； 校核軸徑 剖面：。滿足強(qiáng)度條件。 6.2 渦輪軸上的作用力及校核軸徑 渦輪： 齒輪3： 計(jì)算支反力 垂直面支反力（XZ平面） 繞支點(diǎn)B的力矩和，得 同理， 校核： ，計(jì)算無誤。 水平平面（XY平面） 同樣，繞支點(diǎn)B的力矩和，得 同理， 校核：，計(jì)算無誤。 垂直平面內(nèi)的彎矩 C處彎矩： D處彎矩： 水平面彎矩 C處彎矩： D處彎矩： 合成彎矩 C處： D處： 計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 應(yīng)力校正系數(shù)： C處： D處： C剖面： 滿足強(qiáng)度條件。 D剖面： 滿足強(qiáng)度條件。 6.3 輸出軸上的作用力及校核軸徑 齒輪4： 計(jì)算支反力 垂直面支反力（XZ平面） 繞支點(diǎn)B的力矩和，得 同理， 校核：，計(jì)算無誤 。 水平平面（XY平面） 同理，繞支點(diǎn)B的力矩和，得 同理，，得 校核：，計(jì)算無誤。 垂直平面內(nèi)的彎矩 C處彎矩： 水平面彎矩 C處彎矩： 合成彎矩 C處： 計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 應(yīng)力校正系數(shù)： 校核軸 C剖面 滿足強(qiáng)度條件。 7. 鍵連接與計(jì)算校核 本畢業(yè)設(shè)計(jì)中鍵連接選擇平鍵連接（圓頭平鍵），平鍵的工作面是兩側(cè)面，依靠鍵和鍵槽側(cè)面的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩0。 平鍵連接的強(qiáng)度條件為，輕微沖擊，查表得，圓頭平鍵 蝸桿上的平鍵校核： 蝸桿上的平鍵尺寸為 所以，滿足強(qiáng)度條件。 渦輪軸上的平鍵尺寸分別為 所以 ，滿足強(qiáng)度條件。 ，滿足強(qiáng)度條件。 ，滿足強(qiáng)度條件。 輸出軸上平鍵的尺寸分別為 所以 ，滿足強(qiáng)度條件。 ，滿足強(qiáng)度條件。 8. 三維建模及平衡校核 8.1 三維建模 本畢業(yè)設(shè)計(jì)運(yùn)用SolidWorks2011軟件進(jìn)行三維建模，繪制了蝸桿、齒輪、軸、平鍵、套筒、上箱體、下箱體、連桿等關(guān)鍵零件的模型。并且運(yùn)用SolidWorks2011軟件建立工程圖，從零件的三維模型生成零件的二維工程圖。但是由于一些參數(shù)設(shè)計(jì)無法修改以及設(shè)計(jì)尺寸過大，3D建模在裝配時(shí)出現(xiàn)了零件之間的干涉，比如在設(shè)計(jì)2個(gè)齒輪之間的中心距小了一點(diǎn)，導(dǎo)致2個(gè)端蓋裝配發(fā)生了干涉。不過可以改變端蓋結(jié)構(gòu)，把干涉的部分切除再安裝就不影響裝配了。由于對(duì)SolidWorks2011軟件的掌握程度和運(yùn)用程度不夠，3D運(yùn)動(dòng)仿真未能成功，這也是本畢業(yè)設(shè)計(jì)的不足。 8.2 平衡校核 四足機(jī)器人在行走過程中保持重心平衡是非常重要的。平衡原理圖如下圖所示。 圖8.2.1 平衡原理圖 平衡公式：或者。對(duì)四足機(jī)器人進(jìn)行平衡校核，包括軸向平衡校核和縱向平衡校核。重心位置設(shè)在機(jī)體的中心，通過計(jì)算進(jìn)行必要的配置使重心位置保持在機(jī)體的中心。 軸向平衡校核：機(jī)體關(guān)于重心是對(duì)稱的，主動(dòng)軸和從動(dòng)軸也關(guān)于重心對(duì)稱。故只需要計(jì)算中間軸、蝸桿、渦輪、齒輪、電動(dòng)機(jī)、支撐板、墊板的平衡即可。質(zhì)量，為密度，為體積。中間軸質(zhì)量，蝸桿質(zhì)量，渦輪質(zhì)量，大齒輪質(zhì)量，小齒輪，已知電動(dòng)機(jī)質(zhì)量，支撐板質(zhì)量，墊板的質(zhì)量未知設(shè)為，需計(jì)算。根據(jù)平衡原理有： 計(jì)算出。 縱向校核：套筒質(zhì)量可以忽略不計(jì)，縱向需要設(shè)計(jì)一個(gè)配重塊設(shè)為，使縱向平衡。配重塊的位置與齒輪的位置對(duì)稱。所以。 腿結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度校核，為了保證拉壓桿在工作時(shí)不致因強(qiáng)度不夠而破壞，桿內(nèi)的最大工作應(yīng)力不得超過許用應(yīng)力，即要求，腿結(jié)構(gòu)受到的力為機(jī)體自身的重力，機(jī)體總質(zhì)量約為。 即 最小截面面積 已知 ，滿足強(qiáng)度。 9. 結(jié)論 9.1 論文完成的主要工作 1. 四足機(jī)器人步態(tài)的選擇與設(shè)計(jì)，對(duì)4種典型的步態(tài)進(jìn)行比較分析，選擇符合畢業(yè)設(shè)計(jì)的步態(tài)——小跑步態(tài)，并對(duì)小跑步態(tài)設(shè)計(jì)，引用現(xiàn)成的設(shè)計(jì)方案。 2. 行走機(jī)構(gòu)的選擇，從傳統(tǒng)的連桿機(jī)構(gòu)中選擇使用比較成熟的斯蒂芬森型機(jī)構(gòu)作為四足機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)。 3. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇，選擇渦輪蝸桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的組合形式，對(duì)渦輪蝸桿、齒輪、軸進(jìn)行了計(jì)算和校核。 4. 使用SolidWorks2011軟件進(jìn)行繪制三維，但是運(yùn)用插件生成渦輪時(shí)候，一些參數(shù)無法修改，導(dǎo)致裝配配合出現(xiàn)了干涉的問題。 9.2 結(jié)論 1. 四足機(jī)器人步態(tài)選擇是合理的，使用一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過同步帶實(shí)現(xiàn)了小跑步態(tài)，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的數(shù)量少，增加了四足機(jī)器人的承載能力。 2. 行走機(jī)構(gòu)的選擇是合理的，在行走過程中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)以及跨越一定的高度，符合畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求。 3. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇是合理的，通過渦輪蝸桿以及齒輪，獲得了設(shè)計(jì)需要的速度。 4. 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿傳動(dòng)，經(jīng)過渦輪蝸桿以及齒輪傳動(dòng)，輸出軸獲得了需要的速度，再通過同步帶傳動(dòng)，最后實(shí)現(xiàn)了四足機(jī)器人的行走。 謝 辭 感謝指導(dǎo)老師，感謝同學(xué)。 首先，感謝指導(dǎo)老師——?jiǎng)⑷A東老師。從最初的畢業(yè)設(shè)計(jì)方案，遇到不懂的，指導(dǎo)指導(dǎo)老師會(huì)耐心解答，同時(shí)關(guān)注畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的進(jìn)度，到最后的提出畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的修改和二維工程圖紙的細(xì)節(jié)修改。 其次好好感謝自己。自從我拿到畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書開始，仔細(xì)閱讀相關(guān)的要求，按照進(jìn)度填寫了《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告》，對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)整體設(shè)計(jì)方案有了一定的了解。首先是四足機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，選擇連桿機(jī)構(gòu)，選擇斯蒂芬森型機(jī)構(gòu)作為四足機(jī)器人的行走結(jié)構(gòu)；其次是四足機(jī)器人傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，選擇蝸桿渦輪二級(jí)減速器，實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人的傳動(dòng)；最后考慮四足機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，選擇電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過同步帶實(shí)現(xiàn)一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人的四條腿。 在寫畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)候，對(duì)四足機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的分析與對(duì)比，選擇符合四足機(jī)器人平穩(wěn)步行的步態(tài)，最終選擇了小跑步態(tài)作為四足機(jī)器人的步態(tài)，并對(duì)小跑步態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)傳統(tǒng)的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，選擇符合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的連桿機(jī)構(gòu)類型，同時(shí)考慮到機(jī)構(gòu)的自由度，選擇一個(gè)自由度的機(jī)構(gòu)，最終選了連桿結(jié)構(gòu)中的蒂芬森型機(jī)構(gòu)作為四足機(jī)器人的行走結(jié)構(gòu)，對(duì)該腿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)特征分析和運(yùn)動(dòng)軌跡分析，當(dāng)然在計(jì)算上不夠精確，不擅長對(duì)數(shù)學(xué)建模的分析。在對(duì)蝸桿渦輪二級(jí)減速器設(shè)計(jì)和計(jì)算校核上所花費(fèi)的時(shí)間是最長的，其中涉及到很多是計(jì)算公式和一些必要的數(shù)據(jù)是需要查對(duì)應(yīng)的表才可以得到，最后是完成了必要的校核計(jì)算，雖然校核計(jì)算很繁瑣，還是堅(jiān)持完成了。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不足之處：對(duì)行走機(jī)構(gòu)（退機(jī)構(gòu)）的運(yùn)動(dòng)特征分析和運(yùn)動(dòng)軌跡分析，主要是查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，引用大量的公式，同時(shí)沒有直接運(yùn)用等仿真軟件進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真。 最后，感謝同學(xué)。在撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的時(shí)候也遇到很多不懂的，向同學(xué)尋求幫助，同學(xué)大方耐心解答，幫助我。在繪制工程圖的時(shí)候，也提供了幫助。 參考文獻(xiàn) [1] 鄭浩俊，張秀麗.足式機(jī)器人生物控