平行四邊形雙足步行機器人的設計與研究【附贈CAD圖紙、SW三維模型】

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附贈CAD圖紙和三維圖紙、說明書,領取加Q 197216396 或 11970985 目 錄 1 引言………………………………………………………………………………… 1 2 本課題的研究現(xiàn)狀、目的及意義………………………………………………… 2 2.1 國內外研究現(xiàn)狀與成果應用…………………………………………………… 2 2.2 課題目標………………………………………………………………………… 6 2.3 研究意義………………………………………………………………………… 6 2.4 本章小結………………………………………………………………………… 7 3 功能分析與原理設計 …………………………………………………………… 8 3.1 平行四邊形雙足步行機器人的功能分析……………………………………… 8 3.1.1 平行四邊形雙足步行機器人的總共能……………………………………… 8 3.1.2 平行四邊形雙足步行機器人的分功能……………………………………… 8 3.1.3 平行四邊形雙足步行機器人的輔助功能…………………………………… 8 3.1.4 平行四邊形雙足步行機器人的控制功能…………………………………… 8 3.1.5 平行四邊形雙足步行機器人的功能結構圖………………………………… 8 3.2 平行四邊形雙足步行機器人伸縮變形部分的原理設計……………………… 9 3.2.1 方案I………………………………………………………………………… 9 3.2.2 方案II…………………………………………………………………………11 3.2.3 方案對比選取以及初步設計…………………………………………………11 3.2.4 設計優(yōu)化………………………………………………………………………14 3.3 平行四邊形滑行機器人雙足步行的原理設計…………………………………16 3.4 本章小結…………………………………………………………………………17 4 零件設計與運動仿真………………………………………………………………18 4.1 總體結構設計……………………………………………………………………18 4.2 各部分零件結構設計……………………………………………………………18 4.2.1 機架的設計……………………………………………………………………18 4.2.2 穩(wěn)定部分的設計………………………………………………………………19 4.3 其他部分的零件設計……………………………………………………………24 4.4 強度校核…………………………………………………………………………26 4.5 基于機械三維軟件SolidWorks的運動仿真……………………………………27 4.6 本章小結…………………………………………………………………………28 結論 ……………………………………………………………………………………29 參考文獻 ………………………………………………………………………………30 致謝……………………………………………………………………………………31  摘要 ......................................................................... 平行四邊形步行機器人的設計主要內容包括本課題的研究現(xiàn)狀、目的及意義、國內外研究現(xiàn)狀與成果應用、平行四邊形步行機器人的功能分析、原理設計以及標準件的選用和關鍵零件的設計核對，通過參考相關設計經驗，作出原理改進，并進行分析、計算、驗證，得出了較為可靠地設計結論。此設計的重點在于機械運動部分，主要采用了平面四桿機構。本次設計中的機器人變形機構主要由四桿部分、動力部分兩部分組成，采用伺服電機提供動力支持。在此次設計中主要著手于動力部分和四桿部分的傳動分析與設計，對所用的幾個主要的零件做了詳細設計，并對主體進行了虛擬樣機演示。 ......................................................................... ......................................................................... 關鍵詞 機器人；步行；四桿機構 . .................................................................. Title The design of the parallel quadrilateral walking robot ABSTRACK The primary coverage about the design of the parallel quadrilateral walking robot is what the study about this topic at present and what the significance or purpose of this objective.Besides what the project discussed at home and abroad is also what we interested about.What is more is the analysis of this the parallel quadrilateral walking robot and the design of the principle.Also,it is contained the selecting and using of the standard parts and the design of the pivotal parts which is be checked.Though consulting the related experience of the robot changing its vehicle width which makes some improvements in this dissertation.What is more is that the article is also contained the analysis,the calculation and the confirmation. The key point of this design is about the part of the movement in this mechanism.It is adopted the four bar linkage for its mainly way of working.The design of the robot changing its vehicle width consists of two parts,including the four bar linkage part and the power part.It adopts servo motor to provide power support.It is be pay attention about the power part and the four bar linkage part’s analysis in this design.In this dissertation it makes a detailed designed and calculation about these parts which are primary and mainly.It also makes an demonstrate about the robot of changing vehicle width on virtual prototype. Keywords: robot,walking,four-bar mechanism 1 引言 機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，近幾年來受到人們越來越多的關注。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。但我國對機器人研究起步較晚，大多數尚處于某個單項研究階段，主要的研究項目有：清華大學智能移動機器人于1994年通過鑒定，還有上海交通大學的地面移動消防機器人已投入使用。北京理工大學、南京理工大學等單位承擔的總裝項目“地面軍用機器人技術”研究是以卡車、面包車作為平臺的，是大型智能作戰(zhàn)平臺。中國科學院沈陽自動化研究所的AGC和防爆機器人，中國科學院自動化自行設計、制造的全方位移動式機器人視覺導航系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學于1996年研制成功的導游機器人等。模仿人的形態(tài)和行為而設計制造的機器人就是仿人機器人，一般分別或同時具有仿人的四肢和頭部。中國科技大學陳小平教授介紹，機器人一般根據不同應用需求被設計成不同形狀，如運用于工業(yè)的機械臂、輪椅機器人、步行機器人等。而仿人機器人研究集機械，電子，計算機，材料，傳感器，控制技術等多門科學于一體，代表著一個國家的高科技發(fā)展水平。從機器人技術和人工智能的研究現(xiàn)狀來看，要完全實現(xiàn)高智能，高靈活性的仿人機器人還有很長的路要走，而且，人類對自身也沒有徹底地了解，這些都限制了仿人機器人的發(fā)展。 2 本課題的研究現(xiàn)狀、目的及意義 2.1 國內外研究現(xiàn)狀與成果應用 機器人技術的研究和應用，嚴格來說它應該說是科學技術發(fā)展綜合性的結果，同時，也是使社會經濟發(fā)展產生了一個重大影響的一門科學技術，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強了對機器人研究的經濟投入，加強了本國的經濟的發(fā)展。另一方面它也是生產力發(fā)展的需求的必然結果，也是人類自身發(fā)展的必然結果，隨著人類的發(fā)展以及社會發(fā)展的情況，人們在越來越深的不斷探討自然的過程中，在改造自然的過程中，認識自然的過程中，實現(xiàn)人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。 20世紀60年代到70年代，想到工業(yè)機器人印入腦海的便是自動機械手。機器人移動功能的大力研究和開發(fā)是20世紀80年代以后才開始，現(xiàn)在作為移動機器人而研制的移動機械類型已遠遠超過了機械手。 中國的機器人專家從應用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人。特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務于人類的各種先進機器人，包括：服務機器人、娛樂機器人、農業(yè)機器人、水下機器人、軍用機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務機器人、微操作機器人、軍用機器人、水下機器人等。國際上的機器人學者，從應用環(huán)境出發(fā)將機器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的仿人型與服務機器人，這種分類在國內外來說都是一致的。 在機器人的研發(fā)中主要有以下幾種移動特征的應用： 輪式： 輪式移動機構是最為普通的運動方式，輪式機器人移動機構普遍具有結構簡單、速度快、節(jié)能、靈活的特點，同時具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時間短和效率高等優(yōu)勢。并且編程簡單可靠性高，每個輪子都可以獨立驅動。與履帶式移動機器人相比，當跨越不平坦地形時，輪式機器人則存在明顯的不足，其穩(wěn)定性和對環(huán)境的適應性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，對于進入復雜的環(huán)境完成既定任務存在嚴重的困難。輪式移動機構按輪的數量可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。該結構有一定的局限性，只能在相對平坦、表面較硬的路面上行駛，如遇到軟性地面容易打滑、沉陷，但可根據具體地面環(huán)境采用一些預防措施來緩解該類情況的出現(xiàn) 腿足式： 腿足式移動機構分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移動機構優(yōu)點有： (1)腿式機器人的地形適應能力強。 (2)腿式機器人的腿部具有多個自由度，運動更具有靈活性，通過調節(jié)腿的長度可以控制機器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高； (3)腿式機器人的身體與地面分離，這種機械結構優(yōu)點在于機器人身體可以平穩(wěn)地運動而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置 履帶式： 履帶式移動機構分為l條履帶、2條履帶(履帶可車體左右布置或者車體前后布置)、3條履帶、4條履帶．6條履帶，移動方式優(yōu)點在于機動性能好、越野性能強，缺點是結構復雜、重量大、摩擦阻力大，機械效率低，在自身重量比較大的情況下會對路面產生一定的破壞。履帶式移動機構比較輪式移動機構有以下幾個特點： (1)撐面積大、接地比壓小、滾動阻尼小、通過性比較好； (2)越野機動性能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結構； (3)履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好； (4)結構較復雜重量大，運動慣性大，減震功能差，零件易損壞。 幾何機器人有別于傳統(tǒng)的仿人型兩足、四足、多足、蛇形，以及輪式、履帶式等廣義機器人。特征是具有多邊形、多面體等幾何形狀以及折疊、縮放等變形能力；其步態(tài)特征是集成滾動、步行、爬行等多種移動模式。具有強大變形與越障能力，預期用于現(xiàn)有機器人難以通過的極端復雜障礙環(huán)境—包括民用搶險救援嚴重破壞路面、軍事野外作戰(zhàn)動態(tài)變化地形，以及星球深度探測未知復雜表面，進行探測、運輸或武裝作戰(zhàn)。國內對幾何機器人的研究有以下常見的幾種： 滾動三角形機器人 將三角形的頂點進行鉸接(兩條邊在鉸接點處可以轉動)，各邊采用電動推桿作為動力。通過調整電動推桿的長度，使機器人的重心發(fā)生變化，當重心超出底邊的支撐區(qū)域時，機器人發(fā)生傾倒。重復這個過程，滾動三角形機器人即可以實現(xiàn)直線移動。如果在三角形機器人下方安裝兩只"腳"，那么它就可以實現(xiàn)步行了。 平行四邊形步行機器人 外形為平行四邊形，主要由兩足和兩個曲柄組成閉合的四桿機構。該機構通過控制電機帶動曲柄轉動使機器人兩足交替前進而實現(xiàn)機器人的步行運動。提供了一個對幾何形體及步行機構的認識。 六邊形機器人 與幾何學中的六邊形類似，在每個頂點處設置轉動鉸鏈，使它獲得變形能力。從中不難發(fā)現(xiàn)，隨著邊數的增加，機器人的變形能力也在逐漸增強。六邊形機器人可變形為：三角形、四邊形、五邊形，甚至可以模仿履帶的方式進行滾動運動。繼續(xù)增加邊數，我們可以獲得更為復雜多變的多邊形機器人，如模擬六角或八角雪花形狀的雪花型多邊形機器人等。以立體幾何中的空間多面體為基礎，可以構造多面體機器人，包括四面體機器人、五面體機器人、六面體機器人，以及削楞截角多面體機器人等。此外，將折疊縮放技術與幾何機器人結合，還可構造出各種外形可以變大或變小的機器人。下面的六變形機器人由六個長度相等的連桿首尾通過轉動副連接而成，通過控制交錯的3個轉動副，可以實現(xiàn)幾何變形，如：三角形、四邊形、五邊形、六邊形；也可以實現(xiàn)滾動移動的步態(tài)。控制部分舵機進行驅動。 雪花機器人 源于“雪花機構”，即呈現(xiàn)雪花形狀的連桿機構，其基本構型呈六角形，也可通過改變邊角數量的方式創(chuàng)造出八角、十角、十二角等系列化的多角雪花機構。以電動機提供動力，“連桿機構”即成為一部“連桿機器”，“幾何機構”也即成為一部“幾何機器”。在幾何機器的各連桿之中，需要選出一個桿作為固定的機架，稱為“機架桿”，其他各桿均參照機架桿做相對運動。如將“雪花機器”解除機架桿的束縛，整體置于地面，并以計算機進行移動控制，“雪花機器”即成為可移動的“雪花機器人”。雪花機器人還具有另一大亮點——機械智能性：其一，傳統(tǒng)智能機器人如遇障礙，先由傳感器感應到障礙的方位，將信息傳遞給控制器，再由控制器下達相關的避障命令。而雪花機器人可以通過自身結構及力學特性感知障礙物的存在，實現(xiàn)主動避障；其二，雪花機器人具備被動行走能力，即在未加裝電機的情況下，可以沿緩坡自動行走，其步態(tài)優(yōu)雅靈慧，極具美感。以四個雪花機構替代傳統(tǒng)輪式機器人的車輪，即可獲得變形輪機器人。變形輪機器人在常規(guī)路面上以圓形輪快速移動，在障礙路面上則變大輪徑進行攀爬。倏忽變化，越障如平地。 步行機器人是通過它的身體的重力感應器和腳底的觸覺傳感器把地面的狀況送回電腦，電腦則根據路面情況作出判斷，進而平衡身體，穩(wěn)定地前后左右行走。它不僅能走平路，還可以走臺階和傾斜的路。它站立穩(wěn)定，推不倒，腳底不平也能保持身體的直立姿態(tài)。1997年中國國務院總理李鵬前往日本本田公司總部參觀時，機器人P3接待了李鵬總理。當李鵬總理一行抵達表演大廳時，一個身著宇宙服像宇航員一樣的機器人從投影電視的屏幕后面走了出來，其走路的樣子酷似頑童學步，步子雖然不快，但堅實有力。它走到大廳當中面對李鵬總理站好，伸出右手作歡迎狀。并用漢語自我介紹：“我是機器人P3，熱烈歡迎李鵬總理和夫人光臨，請允許我與您握手”。機器人握住李鵬總理的手，連續(xù)搖動三次，然后擺好姿勢供久候在那里的記者拍照。步行機器人如下圖（1）所示： 圖（1） 2.2 課題目標 本畢業(yè)設計的目標是設計一種平行四邊形四桿機構。該機構利用電機實現(xiàn)機構的仿人雙足步行移動。采用平行四邊形四桿機構作為設計基礎，通過機構設計與仿真設計實現(xiàn)步行功能。 研究內容包括： （1）功能分析與方案設計； （2）結構設計與三維造型； （3）運動仿真； 驅動方式：電動或氣動； 運動速度：按常用參數選?。? 設計要求：功能分析，工作原理、結構設計、調節(jié)方式、運動仿真等。 2.3 研究意義 各種類型的移動機器人都被紛紛推出，然而滑行機器人由于結構和運動方式的獨特以及實現(xiàn)的較高難度一直處在曝光率極地的地位，本次設計即著手于滑行運動方式來設計該種機器人。 隨著我國經濟的快速發(fā)展，我國工業(yè)機器人的市場將不斷擴大，這一點是毋庸置疑的。這也從另一個側面說面了為什么世界各大機器人公司紛紛登陸中國市場。 市場有了，但多是國外的，擁有了自主知識產權的機器人還很少，這一點要引起我們的高度重視。一方面國家要對國產工業(yè)機器人給予更多的扶持；另一方面也望企業(yè)使用國產機器人給國產工業(yè)機器人行業(yè)一個機會。 在我國，工業(yè)機器人市場的大部分份額都被國外工業(yè)機器人企業(yè)占據著。在國際強手面前，我國的工業(yè)機器人企業(yè)都面臨著巨大的競爭壓力。由于國產工業(yè)機器人的功能已經與國外相差不大，只要有批量，一定能夠造就一個或幾個中國品牌的工業(yè)機器人。如今我國正從一個“制造大國”向“制造強國”邁進，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的問題，這既是機遇又是巨大的挑戰(zhàn)，對我國工業(yè)自動化技術水平以及自動化機器應用率的提高迫在眉睫，政府務必會加大對機器人的資金投入和政策支持，將會給工業(yè)機器人產業(yè)發(fā)展注入新的動力。 2.4 本章小結 本章主要介紹了有關機器人方向相關研究與應用現(xiàn)狀，總結了幾類移動機器人的運動方式，特別是幾何機器人的各類相關的研究狀況，梳理了課題的要求與目的，針對機器人不同的應用做出了分類，并結合當前國情對該課題的研究意義做出了分析。 3 功能分析與原理設計 3.1 平行四邊形雙足步行機器人的功能分析 3.1.1 平行四邊形雙足步行機器人的總功能 本畢業(yè)設計的目標是設計一種平行四邊形四桿機構。該機構利用電機實現(xiàn)機構的仿人雙足步行移動。采用平行四邊形四桿機構作為設計基礎，通過機構設計與仿真設計實現(xiàn)步行功能。 對上述總共能的幾點說明： 1） 步行運動時運行平穩(wěn)，不發(fā)生側翻； 2） 結構要求緊湊可靠，外觀大方美觀。 3.1.2 平行四邊形雙足步行機器人的分功能 平行四邊形雙足步行機器人的分功能包括以下幾點： 1） 可以控制向前向后兩個方向實現(xiàn)雙足步行運動； 2） 滿足以電動或氣動提供動力的運動方式； 3） 運行速度可控。 3.1.3 平行四邊形雙足步行機器人的輔助功能 規(guī)避障礙物功能：對于運行過程中無法通過的障礙物要能有效規(guī)避或者停止繼續(xù)運行。 3.1.4 平行四邊形雙足步行機器人的控制功能 過載保護：當雙足步行運行過程出現(xiàn)如機構卡死等意外情況要有過載保護裝置，以免動力、傳動或者結構遭受不可逆的損壞； 人工控制：當機器人處于向前步行運動的指令執(zhí)行時，當人工發(fā)送向后運動 的指令時要能夠及時響應執(zhí)行，從向前步行的狀態(tài)轉化為向后步行的狀態(tài)； 3.1.5 平行四邊形雙足步行機器人的功能結構圖 平行四邊形雙足步行機器人的功能結構圖如圖（2）所示： 機動信號 向前或者向后步行運動 四邊形變形 步行 四邊形變形 過載保護 電源 動力系統(tǒng) 傳動系統(tǒng) 噪音 控制系統(tǒng) 發(fā)熱 人工控制 …………………………………………………………………………… 圖（2） …………………………………………………………………………… 3.2 平行四邊形雙足步行機器人伸縮變形部分的原理設計 從查閱的資料和實際應用情況來看，平行四邊形步行機器人四邊形的變形伸縮可采取以下幾種方案來滿足本課題要求：直線氣缸組件控制四邊形變形伸縮；絲桿滑塊組件控制四邊形變形伸縮等。 下面就兩種擬定的初步設計方案做出分析比較與選用： 3.2.1 方案I 直線氣缸組件控制四邊形變形伸縮: A.變形伸縮氣缸的原理設計： 利用壓縮機提供高壓氣壓對氣缸進行增壓，使連接于氣缸活動部分的四邊形對角的伸縮組件往兩邊伸展，當氣缸控制閥方向轉變，氣缸氣壓減小，由于四邊形變形伸縮組件受另一邊氣缸的壓力進而往內側收縮，達到控制四邊形變形伸縮的目的。 其主要結構如下圖（3）所示： 圖（3） …………………………………………………………………… 該部分工作過程簡述：氣體由左進氣口進入時，氣缸活塞受到壓力向右推動連桿，使連桿伸長，讓四邊形變形伸縮組件伸展進入長對角距離的狀態(tài)；氣體由右進氣口進入時，氣缸活塞受到壓力向左推動連桿，使連桿縮短，讓四邊形變形伸縮組件收縮進入短對角距離的狀態(tài)。 B.氣缸電磁閥的原理設計： 采用二位五通電磁閥如圖（4）來控制由壓縮機經氣路輸送過來的高氣壓， 圖（4） 電磁閥4號位連接氣缸左進氣口，2號位連接氣缸右進氣口，1號位連接壓縮機，當線圈通電時，4號位被接通，氣缸左部充氣，連桿伸出，四邊形變形伸縮組件進入伸展長對角距離狀態(tài)；當線圈斷電時，2號位被接通，氣缸右部充氣，連桿收縮，四邊形變形伸縮組件進入收縮短對角距離的狀態(tài)。 3.2.2 方案II 絲桿滑塊組件控制四邊形變形伸縮： 控制伸縮機構的直線運動部分原理設計： 通過永磁直流電機由聯(lián)軸器帶動絲桿轉動，絲桿螺母把旋轉方向的運動通過導柱固定轉化成直線方向的運動。其結構簡圖如下圖（5）所示： 運動方向 圖（5） 該部分工作過程簡述：永磁直流電機通過聯(lián)軸器使絲桿轉動，連接于導柱上的絲桿螺母把旋轉運動轉化為直線運動，從而控制四邊形變形伸縮機構。 3.2.3 方案對比選取及初步設計 兩種方案的比較： 如下表格（1）所示： 比較項目 伸縮過程的穩(wěn)定性 伸縮過程的可控性 傳動系統(tǒng)的復雜度 機構安裝難易程度 動力系統(tǒng) 制造成本 方案I （直線氣缸組件控制四邊形變形伸縮） 通過控制氣缸運動來控制伸縮組件的伸長和縮短，受氣路氣密性影響，穩(wěn)定性較差 只能調節(jié)至氣缸最大行程和最小行程，整個伸縮過程不可控 主要由壓縮機、氣缸氣路組件和、伸縮組件構成，復雜度一般 需要用到的機構數量一般，安裝的難易程度一般 使用氣壓作為伸縮機構的動力，符合課題要求 根據設計以及各類型零件的估算價格，由于壓縮機的使用，成本偏高 方案II （絲桿滑塊組件控制四邊形變形伸縮） 通過絲桿滑塊的組合運動控制伸縮，機械配合牢固，穩(wěn)定性較好 可以通過調節(jié)電動機的轉動來調節(jié)至最大寬度和最小寬度之間的任意寬度狀態(tài)，整個過程可控性較高 主要由電動機、絲桿、滑塊和聯(lián)軸器組件構成，復雜程度一般 需要用到的機構數量一般，安裝的難易程度一般 使用電動機提供動力，符合課題要求 根據設計以及各類型零件的估算價格，由于壓縮機的使用，成本較低 表（1） 兩種方案的分析：根據上表各種項目的比較和分析可看出方案I的變形伸縮過程的穩(wěn)定性是比方案II要低的，其變形伸縮過程的可控性也不如方案II，傳動系統(tǒng)各有優(yōu)劣，機構安裝的難易程度不相上下，動力系統(tǒng)都能滿足課題要求，制造成本方案I由于壓縮機的使用，成本較高。綜合各項條件來說方案II更具優(yōu)勢。 方案的選用：綜合實際情況以及預算成本考慮選用方案II進行設計。 …………………………………………………………………………… 初步設計： 1） 變形伸縮整體結構如下圖（6）所示，通過絲桿螺母的組合達到變形伸縮的目的。 絲桿 絲桿螺母 伸縮運動方向 圖（6） 2) 平行四邊形步行機器人的步行機架結構示意如下圖（7）所示 圖（7） … 3.2.4 設計優(yōu)化 根據機械設計原則以及行業(yè)標準對以上的初步設計內容進行優(yōu)化，改進不合理結構，細化每個部分的具體設計。 1） 兩種電機安裝形式的選擇與運用 常見推桿形式有兩種電機的安裝方案可供參考，如下圖（8）所示 電動機 絲桿螺母組件 （8-a） 絲桿螺母組件 電動機 （8-b） 圖（8） 其中圖8-a為電動機與絲桿組件并排平行安裝；圖8-b為電動機與絲桿組件同軸安裝；并排安裝能節(jié)省空間，讓機器人更為緊湊，而同軸安裝則能減少傳動裝置，電動機效率更高。 通過比較，為了達到使平行四邊形步行機器人整體強度更為可靠，節(jié)省機構空間等目的，選擇圖8-a所示的并排平行安裝方式作為本次設計的安裝方式。 2）平行四邊形與推桿的組合 為了使機器人在步行的過程中重心更為可控，采用對角鉸接的方式安裝推桿，如下圖（9）所示： 圖（9） 3.3 平行四邊形雙足步行機器人步行的原理設計 本項目機器人的雙足直立行走的運動方式，大家肯定都很熟悉，畢竟我們人類本身就是靠雙足直立行走的。兩者在本質的運動原理上是類似的，只不過說由于人類的肢體結構比較復雜，在行走的過程中可以做很多細節(jié)調整，所以動作很靈活流暢；而本項目機器人結構相對還是比較簡單，活動方式也比較機械，所以動作相對也會顯得比較僵硬。 　　即： 　　1、先邁左腳，左腳離地，身體重心轉移到右腳，由右腳支撐身體； 　　2、右腳產生一個后蹬趨勢，支撐身體前移； 　　3、左腳著地，身體重心轉移到兩腳之間，身體完成一段距離的移動； 　　4、再邁右腳，右腳離地，身體重心轉移到左腳，由左腳支撐身體； 　　5、左腳產生一個后蹬趨勢，支撐身體前移； 　　6、右腳著地，身體重心轉移到兩腳之間，身體再完成一段距離的移動； 　　7、繼續(xù)邁左腳…… 如此往復循環(huán)，實現(xiàn)雙足行走。以下圖（10）為本項目機器人運動方式的分解圖。 圖（10） 3.4 本章小結 本章主要對平行四邊形雙足步行機器人四邊形變形伸縮部分的功能原理進行了分析，討論了各部分的工作內容和設計方案，并對可行度較高的兩種具體方案做了詳細的分析與比較，最終確定了本課題使用的方案且做出了機構總體設計與設計優(yōu)化。 4 零件設計與運動仿真 4.1 總體結構設計 結合《機械原理》、《機械設計》中的理論，參考《機械設計手冊》和《機械設計圖冊》中的相關結構設計，根據本次擬定的結構尺寸對平行四邊形滑行機器人的總體設計如下圖（11）所示： 圖（11） 機器人由兩組各邊兩個平行四邊形組件結合而成，收縮狀態(tài)平行四邊形步行機器人總長度為3.6米左右，總高度為4.2米左右，總寬度為2.5米左右，體積較大結構比較緊湊。 4.2 各部分零件結構設計 4.2.1 機架的設計 結合《機械原理》、《機械設計》中的理論，參考《機械設計手冊》和《機械設計圖冊》中的相關結構設計，根據本次擬定的結構尺寸對平行四邊形步行機器人的機架的設計如下圖（12）所示： 圖(12) 整體采用熱軋鋼板和45號鋼調質處理后加工成軸連桿框架，強度高，結構穩(wěn)定可靠。 4.2.2 穩(wěn)定部分的設計 I.推桿部分的總體設計： 由于本設計中機構的特點，根據《機械原理》中的要求和《機械設計手冊》中相關設計，推桿部分的總體設計如下圖（13）所示 圖（13） 采用合金框架，雙連桿支撐的結構，穩(wěn)定牢固。電機與絲桿螺母組件并排安裝節(jié)省空間，達到結構緊湊的設計目標。 1）減速齒輪組件的設計： 由于本設計中機構的特點，根據《機械原理》中的要求和《機械設計手冊》中相關設計，減速齒輪組件的具體設計如下圖（14）所示 圖（14） 采用45號鋼加工而成，齒部淬火硬度220-230HRC，采用斜齒圓柱齒輪，斜齒圓柱齒輪傳動則優(yōu)于直齒，且可湊緊中心距用于高速重載。斜齒輪減速機是新穎減速傳動裝置。采用最優(yōu)化，模塊組合體系先進的設計理念，具有體積小、重量輕、傳遞轉矩大、起動平穩(wěn)、傳動比分級精細。 2）絲桿螺母座的設計： 由于本設計中機構的特點，根據《機械原理》中的要求和《機械設計手冊》中相關設計，絲桿螺母座的具體設計如下圖（15）所示 圖（15） 采用黃銅加工，受力性能好，配合絲桿磨損量小，側邊開導槽加裝導柱設計，使螺母旋轉時不發(fā)生自傳。 3）連接導桿的設計： 由于本設計中機構的特點，根據《機械原理》中的要求和《機械設計手冊》中相關設計，連接導桿的具體設計如下圖（16）所示 圖（16） 采用鋁合金1100-H12棒材加工，根據設計要求和零件配合特性追加合適的形狀公差和尺寸公差，表面陽極氧化本色處理，達到美觀的設計目標。 II.連接件的設計 1）連接導桿的設計： 由于本設計中機構的特點，根據《機械原理》中的要求和《機械設計手冊》中相關設計，連桿的具體設計如下圖（17）所示 圖（17） 采用15mm厚度的熱軋鋼板做兩邊桿件，45號鋼做為中間的加強支撐柱，起到穩(wěn)定結構的作用。 2） 連接軸的設計 由于本設計中機構的特點，根據《機械原理》中的要求和《機械設計手冊》中相關設計，連接軸的具體設計如下圖（18）所示 圖（18） 采用45號鋼調質處理，硬度220-230HRC，中間與推桿配合的部位采用過盈配合。 4.3 其他部分的零件設計 1）電機 電機選用伺服電機。具體如下圖（19）所示 圖（19） 2）電機安裝板的設計： 由于本設計中機構的特點，根據《機械原理》中的要求和《機械設計手冊》中相關設計以及選型電機的具體安裝尺寸，電機安裝板的具體設計如下圖（20）所示： 圖（20） 采用45號鋼銑削加工而成，表面氧化發(fā)黑防銹處理。 3） 托板的設計： 由于本設計中機構的特點，根據《機械原理》中的要求和《機械設計手冊》中相關設計，托板的具體設計如下圖（21）所示 圖（21） 由于機器人步行時有單腿著地的情況，加裝托板能讓機器人更為穩(wěn)定，重心位置以及受力可控，不摔倒。采用15mm熱軋鋼板加工而成。 4.4 強度校核 根據步行原理的受力分析部分可知平行四邊形步行機器人的主要受力零件為鉸鏈處的連接軸，根據設計數據，機器人總體質量，取重力加速度 鉸鏈處連接軸的強度校核： 由于機器人運行時的結構變化和設計參數，以機器人總體承重位于底部內 側的兩根連接軸上做強度校核即可,受力分析如下圖（22）所示： 圖（22） 由于連接件和被連接件在接觸面上相互壓緊，故可看做連接軸受擠壓作用，查《機械設計手冊》有45號鋼調質處理的許用擠壓應力為，那么有如下計算： 那么根據擠壓強度條件有 由于,則鉸鏈處連接軸滿足強度要求。 4.5 基于機械三維軟件SolidWorks的運動仿真 機械制造工業(yè)水平的高低直接代表了了該國家或地區(qū)的經濟、科技、國防等方面水平的高低。傳統(tǒng)的機械設計主要以靜態(tài)分析、近似計算、經驗設計、手工勞動偉特種的設計方法，存在著設計周期長、人為影響因數多、穩(wěn)定性和可靠性差等一系列問題。 計算機輔助設計在現(xiàn)代機械設計中應用，不僅可以借助一些仿真軟件，可以在設計過程中即可分析出機構、設備的薄弱點、干涉區(qū)域等等一些傳統(tǒng)設計方法無法實現(xiàn)的功能，還可以有效的縮短設計周期。 SolidWorks是一款使用率非常高的機械三維設計軟件，為達索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負責研發(fā)與銷售機械設計軟件的視窗產品。SolidWorks軟件也是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)。本次設計虛擬樣機模擬使用的為SolidWorks2014版本。SolidWorks2014建立在過去20個版本的成功基礎之上，它包含了SolidWorks解決方案的諸多功能：3D設計、模擬、技術傳播、產品數據管理和可持續(xù)性設。新功能如‘歷史標簽’可以使多個用戶通過點擊鼠標即可查看并追溯最近的設計變更，這些功能對協(xié)同工作來說至關重要。增強功能如‘裝配組合’（快捷菜單中的‘常用組合’）可以基于之前的使用模式，提供智能配對，并在裝配時應用新的模式。本次運動仿真以運動零件的機械組合為基礎，包括面與面的相交，孔與孔的同軸配合等，運用運動算列功能完成。具體請見以下文件： BX1.0-001-A 平行四邊形雙足步行機器人.avi 4.6 本章小結 本章主要對基平行四邊形雙足步行機器人的動力機構、傳動機構等部分零件做出了具體設計和優(yōu)化并且做了虛擬樣機演示。 結 論 本次針對平行四邊形步行機器人的設計，通過功能原理分析、結構設計、傳動設計和設計優(yōu)化等通過虛擬樣機演示得出該設計基本滿足本課題要求的結論。 參 考 文 獻 [1] 吳宗澤、高志、羅圣國、李威.機械設計課程設計手冊[M].北京：高等教育出版社，2012 [2] 龔溎義.機械設計課程設計圖冊[M].北京：高等教育出版社，2011 [3] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社,2000 [4] 濮良貴、陳國定、吳立言.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2013 [5] 楊叔子.機械加工工藝師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001 [6] Neil Sclater、Nicholas P.Chironis. 機械設計實用機構與裝置圖冊（鄒平 譯）[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007 [7] 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學[M].北京:高等教育出版社，2009 [8] 劉鴻文.材料力學[M].北京:高等教育出版社，2011 [9] 周明衡.減速器選用手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社，2002 [10] 朱孝錄.機械傳動裝置選用手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，1999 [11] 盤存云.機械原理[M].長沙:中南大學出版社，2012 [12] 殷鴻梁、朱邦賢.間歇運動機構設計[M].上海:上海科學技術出版社，1996 [13] 呂庸厚.組合機構設計與應用創(chuàng)新[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008 [14] 朱孝錄.齒輪傳動設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社，2005 [15] 汪德濤、林亨耀.設備潤滑手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009 [16] 謝聯(lián)先 C B.機械零件的承載能力和強度計算（汪一麟 等譯）[M].北京:機械工業(yè)出版社，1984 致 謝 畢業(yè)設計是大學最后一次非常難得的理論結合實際的學習機會，在這次學習中不僅鍛煉了自己查閱文獻資料和軟件制圖的能力，還拓寬了自己機械方面的視野與見識。非常感謝我的指導老師XXX老師和其他老師在我完成畢業(yè)設計這幾個月來不辭辛勞的親切指導和設計過程中提出的寶貴意見與建議。