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編號 畢業(yè)設計 論文 外文翻譯 譯文 學 院 機電工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學生姓名 學 號 指導教師單位 姓 名 職 稱 2 運動 2 1 介紹 移動機器人需要運動的機制 使其能夠在其整個環(huán)境中移動無限 但也有大量的 各種可能的方式移動 因此機器人的方式來運動的選擇是移動機器人設計的一個重要 方面 在實驗室中 有研究機器人 可以行走 跳躍 奔跑 滑板 滑冰 游泳 飛 行 滾動 大多數(shù)這些運動機制已經啟發(fā)其生物同行 見圖 2 1 然而 一個例外 積極動力的車輪是人類發(fā)明的實現(xiàn)了在平地上極高的效率 這 種機制并不完全外來生物系統(tǒng) 我們的雙足行走系統(tǒng)可以通過滾動多邊形來近似 以 邊長度等于在步驟 圖 2 2 的跨度 作為工序尺寸減小 多邊形接近圓或車輪 但是 自然沒有發(fā)展一個完全旋轉 積極動力關節(jié) 這是必要的輪式運動的技術 生物系統(tǒng)通過各種惡劣環(huán)境下的移動成功 因此它可以是理想的復制自己的運動 的機制選擇 然而 在這方面 復制性質是有幾個原因非常困難 首先 機械復雜性 是很容易在生物系統(tǒng)中 通過結構的復制來實現(xiàn) 細胞分裂 與專業(yè)化相結合 可以 很容易地生產出幾百腿和數(shù)萬獨立感應纖毛的千足蟲 在人造結構中 每個部分必須 單獨制造 并且這樣規(guī)模的沒有這樣的經濟存在 此外 細胞是微觀構建塊 使極端 小型化 具有非常小的尺寸和重量 昆蟲實現(xiàn)魯棒性的水平 我們還沒有能夠以配合 人的制造技術 最后 生物能量存儲系統(tǒng)和大型動物和昆蟲所使用的肌肉和液壓激活 系統(tǒng)實現(xiàn)扭矩 響應時間 并遠遠超過類似縮放人造系統(tǒng)的轉換效率 運動類型 阻力運動 運動的基本運動學 流入頻道 流體運動 渦流 爬行 摩擦力 縱向振動 滑動 摩擦力 橫向振動 奔跑 動能的損失 振動性多連桿的運動擺動 跳躍 動能的損失 振動性多連桿的運動擺動 行走 引力 多邊形的滾動 見圖 2 2 圖 2 1 在生物系統(tǒng)中使用的運動的機制 由于這些限制 移動機器人通常使用輪式機制 一個公知的人類技術用于車輛 或者使用少量的關節(jié)的腿 最簡單的生物途徑運動 見圖 2 2 圖 2 2 人行走 在一般情況下 腿式移動需要更高的自由度 并因此更大機械復雜性比輪式運動 車輪 除了是簡單的 是極其適合最平坦的地面 如圖 2 3 描繪 在平坦的表面輪式 運動是要比腿式移動更有效的一到兩個數(shù)量級 這條鐵路是理想專為輪式運動 因為 滾動摩擦最小化的硬和扁鋼的表面 但隨著表面變得柔軟 輪式運動積累 由于滾動 摩擦的低效率而腿患有運動少得多 因為它僅由與地面點接觸 這表現(xiàn)在圖 2 3 效率 在軟土地基于輪胎的情況下是很大的消耗 圖 2 3 具體功率與各種運動機制實現(xiàn)的速度 圖 2 4 混合輪腿車輛崎嶇地形 實際上 輪式運動的效率在很大程度上取決于環(huán)境質量 尤其是平面度和地面的 硬度 同時腿式移動的效率取決于腿部質量和體重 這兩者的機器人必須在一個不同 點支持足步態(tài) 這是可以理解的 自然有利于腿運動 因為在自然界運動系統(tǒng)必須在 粗糙化和非結構化的地形操作 例如 在昆蟲在森林的情況下在地面高度的垂直變化 常常是數(shù)量級比昆蟲的總高度大一個數(shù)量級 由于同樣的原因 人的環(huán)境 往往由工 程改造 光滑的表面 在室內和室外 因此 這也是可以理解的 幾乎移動機器人的 所有工業(yè)應用中使用某種形式的輪式運動的 最近 更自然的室外環(huán)境中 出現(xiàn)了對 混合動力和腿的工業(yè)機器人的一些進展 如在圖 2 4 所示的林業(yè)機器人 在第 2 1 1 節(jié)中 我們提出了涉及所有形式的移動機器人運動的一般考慮 在此之后 在部分 2 2 和 2 3 中 我們提出腿式移動并移動機器人輪式運動技術的概述 2 1 1 運動的主要問題 運動是操縱的補碼 在操作中 機器人臂是固定的 但在工作區(qū)中通過賦予力以 將它們移動物體 在運動中 環(huán)境是固定的 所述機器人通過賦予力對環(huán)境移動 在 這兩種情況下 科學依據(jù)是 產生相互作用力實現(xiàn)所需的運動學和動態(tài)特性執(zhí)行機構 和機制的研究 運動和操縱從而分享穩(wěn)定 接觸特性和環(huán)保型相同的核心問題 穩(wěn)定性 數(shù)量和接觸點幾何 重心 靜態(tài) 動態(tài)穩(wěn)定 地形傾斜 聯(lián)系的特點 接觸點 通道的大小和形狀 接觸角 摩擦 環(huán)境類型 結構體 介質 例如水 空氣 軟或硬地面 運動的理論分析 首先是機械與物理研究所 從這個出發(fā)點 我們就可以正式定 義和分析移動機器人運動系統(tǒng)的所有方式 然而 這本書的重點是移動機器人的導航 問題 特別是強調感知 定位和認知 因此 我們不會深入到運動的物理基礎 然而 在這一章的腿運動 33 和輪式運動問題概述目前剩下的兩個部分 然后 第 3 章介紹 運動學和輪式移動機器人的控制的更詳細的分析 2 2 腿移動機器人 腿式移動的特征在于一系列機器人和地面之間點接觸 關鍵優(yōu)勢包括在崎嶇地形 的適應性和可操作性 因為只有一組點接觸是必需的 這些點之間的接地的質量并不 重要 只要該機器人能維持足夠的離地間隙 此外 行走機器人能夠跨過一個孔或中 斷區(qū) 只要其范圍超過孔的寬度 腿式移動的最后一個優(yōu)點是操縱在環(huán)境中的對象以 高超的技巧的潛力 一個很好的例子蟲 甲蟲 能夠滾動球 腿式移動的主要缺點包括電力和機械復雜性 腿 其可包括若干個自由度 必須 能承受機器人的總重量的一部分 并且在許多的機器人必須能夠升降的機器人 此外 高機動性將僅在腿有足夠數(shù)量的自由度 以賦予力在許多不同的方向來實現(xiàn) 圖 2 5 各種動物的腿的布置 2 2 1 腿配置和穩(wěn)定性 由于腿的機器人仿生 這是有益的生物研究成功腿系統(tǒng) 許多不同的腿配置已經 成功應用在多種生物體 圖 2 5 大型動物 如哺乳動物和爬行動物 有四條腿 而 昆蟲有六個或更多個腿 在一些哺乳動物 走在只有兩條腿的能力已經完善 特別是 在人類的情況下 平衡已經進展到 我們甚至可以用一條腿 1 跳點 這個特殊的可操 作性是有代價的 更加復雜的主動控制 以保持平衡 與此相反 用三條腿的生物可呈現(xiàn)姿勢提供了一種靜態(tài)的 穩(wěn)定的 它可以確保 其重心是地面接觸的三腳架之內 靜態(tài)穩(wěn)定性 由一個三條腿的凳子證明 這意味著 保持平衡 無需運動 從穩(wěn)定性 例如 輕輕推凳 小偏差被動地朝著穩(wěn)定的姿勢時 鐓粗力停止修正 但一個機器人必須能夠舉起它的腿實現(xiàn)行走 為了實現(xiàn)靜態(tài)行走 機器人必須至 少有六條腿 在這樣的結構 有可能設計一個步態(tài) 其中腿的靜態(tài)穩(wěn)定三角架是在任 何時候 圖 2 8 與地面接觸 昆蟲和蜘蛛都能夠立即出生的時候走路 對于他們來說 問題行走過程中的平衡 也比較簡單 哺乳動物 有四條腿 無法實現(xiàn)靜態(tài)走路 但能夠在四條腿站立容易 例如 花幾分鐘的時間試圖站在他們能夠做到這一點之前 再花幾個多分鐘的學習而 不墜走路 人類 用兩條腿走路 甚至不能站在一個地方靜態(tài)穩(wěn)定性 嬰兒需要幾個 月站立和行走 甚至更長的時間來學習跳 跑 并單腿站立 圖 2 6 腿與三個自由度的兩個例子 這里也有各個腿的復雜花樣繁多的潛力 再次 生物世界提供了兩個極端的例子 例如 在履帶的情況下 每條腿用液壓由收縮的體腔并迫使在壓力上升延伸 每個腿 由減輕的油壓 然后激活單個拉伸肌肉 拉縱向縮回腿朝向身體 每個腿具有唯一的 自由 其沿著腿縱向定向的單個程度 向前運動取決于在體內 延伸對腿之間的距離 的油壓 毛毛蟲的腿因此機械很簡單 用外在肌肉的最小數(shù)量來實現(xiàn)復雜的整體運動 在另一個極端 人腿具有多于七個主要自由度 與腳趾進一步致動相結合 超過 十五肌肉組織驅動 8 復雜的關節(jié) 在腿式移動機器人的情況下 最低的兩個自由度通常是由抬起腿向前擺動它向前 移動腿必需的 更常見的是在加入更多的復雜機動第三自由度 造成腿諸如圖 2 6 中 所示的 在創(chuàng)建雙足行走機器人最近取得的成功已在踝關節(jié)更多自由的第四個自由度 腳踝使得通過致動腳的鞋底的姿勢更一致的地面接觸 在一般情況下 加入自由度的機器人腿增加了機器人的可操作性 既充實的地形 上 它可以行駛的范圍 所述機器人具有多種步態(tài)的行進的能力 附加關節(jié)和執(zhí)行器 的主要缺點 當然是 能量 控制和質量 額外執(zhí)行機構需要能量和控制 并且它們 也增加了腿質量 進一步增加了對現(xiàn)有執(zhí)行機構的功率和負荷的要求 圖 2 7 二步法有四條腿 由于這種機器人有少于六條腿 靜態(tài)走路一般是不可能 在機器人移動的情況下 存在對運動腿協(xié)調 或步態(tài)控制的問題 步態(tài)的數(shù)量可 能取決于腿的數(shù)目 腿式移動機器人 可能發(fā)生的事件的一個步行機的總數(shù)為 一個兩足步行器腿 可能發(fā)生的事件的數(shù)量 是2 kN 六個不同的事件是 1 抬起右腿 2 抬起左腿 3 釋放右腿 4 釋放左腿 5 抬起雙腿在一起 6 釋放雙腿在一起 當然 這種快速增長相當大 例如 具有六個腿機器人具有更 步態(tài)理論上 圖 2 7 和 2 8 描繪幾個四條腿的步態(tài)和靜態(tài)六條腿的三角步態(tài) 2 2 2 腿機器人運動的例子 目前雖然沒有大批量工業(yè)應用 但腿式移動是長期研究的重要領域 一些有趣的 設計介紹如下 以獨腿機器人開始和六條腿的機器人完成 對于登山和步行機器人的 一個很好的概述 請參閱 http www uwe ac uk clawar 2 2 2 1 一條腿 腿式機器人可具有腿的最小數(shù)目 最小化腿的數(shù)目為幾個原因是有益的 體重是 尤為重要 行走機器 單腿減少腿部累積的質量 當機器人具有多個腿腿協(xié)調是必需 的 但有一個腿不需要這種協(xié)調 或許最重要的是 一腿式機器人最大化腿式移動的 基本優(yōu)點 腿有代替整個軌道的與地面接觸的單點 單足機器人只需要一個觸點 使 它適合于最惡劣的地形 此外 跳躍機器人可以動態(tài)地穿過缺口比通過采取運行開始 它的步幅較大 而步行機器人由于其覆蓋面大不能運行僅限于交叉差距 創(chuàng)建一個單一的腿機器人的主要挑戰(zhàn)是平衡 用于與一個機器人腿 靜態(tài)走路不 僅是不可能的 但是靜態(tài)穩(wěn)定靜止時也不可能 機器人必須由改變其重心或通過賦予 矯正力主動均衡本身 因此 成功的單腿式機器人必須是動態(tài)穩(wěn)定 圖 2 8 靜態(tài)行走六腿 圖 2 9 示出了 Raibert 料斗 28 124 中 最廣為人知的單一腿跳躍機器人 該機 器人通過相對于所述主體調整腿角度使得連續(xù)修正車體姿態(tài)和機器人速度 驅動是液 壓 包括姿態(tài)中的腿的高功率縱向延伸到跳回到空氣中 雖然強大 這些致動器需要 大 離板液壓泵在任何時候都可以連接到機器人 圖 2 10 示出了最近 46 開發(fā)了一種更節(jié)能的設計 代替通過一個非車載液壓泵 裝置供給電力的 弓腿料斗是設計為捕獲所述機器人的動能作為它的土地 使用高效 的弓形彈簧腿 此彈簧返回的能量的大約 85 這意味著穩(wěn)定跳頻僅需要在每一跳中 加入所需的能量的 15 這種機器人 它是由一個懸臂沿一個軸的限制 已經證明連 續(xù)跳頻用于使用一組在船上承載的機器人電池 20 分鐘 作為與 Raibert 料斗 弓腿料 斗控制通過在髖關節(jié)改變腿的角度 身體的速度 圖 2 9 Raibert 料斗 28 124 圖 2 10 二維單弓腿斗 圖 2 11 索尼 SDR 4X II 機器人 林格羅塞的論證力學中非常重要的兩重性和適用于單足跳機的控制 經常巧妙的 機械設計可以作為復雜的有源控制電路執(zhí)行相同的操作 在該機器人中 腳的物理形 狀是完全正確的曲線 這樣 當沒有被完全垂直的機器人的土地中 從沖擊提供適當 的矯正力 使機器人由下一個著陸垂直 該機器人是動態(tài)穩(wěn)定的 并且還被動 校正 由機器人及其環(huán)境之間的物理相互作用提供 沒有計算機或在循環(huán)中的任何主動控制 2 2 2 2 兩條腿 雙足 在過去的十年各種成功的雙足機器人已被證明 兩足機器人已經被證明跑 跳 行走上下樓梯 甚至做空中技巧 如翻跟頭 在商業(yè)領域 本田和索尼公司都取得了 那些啟用了精干的雙足機器人在過去十年顯著的進步 兩家公司設計的小型 供電接 頭是實現(xiàn)電力 重量性能聞所未聞的 在市售的伺服電機 這些新的 智能 舵機采 用力矩傳感和閉環(huán)控制方式不僅提供了強有力的激勵 也兼容驅動 圖 2 12 日本的人形機器人 P2 索尼夢機器人 型號 SDR 4X II 見圖 2 11 該電流模式是在 1997 年開始與移動 娛樂和通信娛樂 即 跳舞和唱歌 的基本目標研究的結果 這種機器人 38 自由度有 七個麥克風聲音的精細定位 基于圖像人識別 板上微型立體聲深度圖重建 和有限 的語音識別 給的流體和娛樂運動的目標 索尼花了考慮 能夠努力設計一個運動原 型應用系統(tǒng) 以使他們的工程師編寫腳本以直接的方式跳舞 注意 SDR 4X II 是比較 小的 站立高度 58 厘米 體重只有 6 5 公斤 本田人形項目有顯著的歷史 但同樣 先后攻克了很動的重要的工程挑戰(zhàn) 圖 2 12 示出了模型的 P2 這是一個前任到最近的 Asimo 機器人模型 創(chuàng)新先進步流動性 從這張照片的本田人形比大得多注意 SDR 4X 在 120 厘米高和重 52 公斤 這使得在 樓梯和暗礁的人類世界的實際流動性 同時保持一個沒有威脅的大小和姿勢 也許第 一次機器人展示著名仿生雙足爬樓梯降 這些人形本田系列機器人被設計不是為了娛 樂的目的 但在整個社會中的人類輔助工具 本田指 例如 以阿西莫的高度為最小 高度使其能夠仍然管理人類世界的操作中 例如 光開關的控制 圖 2 13 人形機器人 WABIAN R III 雙足機器人的一個重要特征是它們的擬人化的形狀 它們可建為具有相同的近似 尺寸為人類 這使得它們優(yōu)良的車輛在人機交互研究 WABIAN 是在早稻田大學日 本 圖 2 13 建為這樣的研究 75 的機器人 WABIAN 旨在模擬人體運動 而且甚至 還設計跳舞像一個人 雙足機器人只能在一定的限度之內靜態(tài)穩(wěn)定 因此機器人 如 P2 和一般 WABIAN 必須即使進行連續(xù)的平衡校正伺服 此外 每條腿必須有足夠的容量來支持 的全部重量的機器人 在四足機器人的情況下 平衡的問題是伴隨著促進各腿的負載 要求 一個雙足機器人的一個優(yōu)雅的設計是麻省理工學院 圖 2 14 的春季火烈鳥 這個機器人插入彈簧串聯(lián)腿執(zhí)行器實現(xiàn)了更有彈性的步態(tài) 與限制膝關節(jié)角度 膝蓋 相結合 實現(xiàn)了火烈鳥仿生出奇運動 2 2 2 3 四條腿 四足動物 圖 2 14 麻省理工學院火烈鳥 雖然仍站在四條腿是被動的穩(wěn)定 走路仍然具有挑戰(zhàn)性因為要保持穩(wěn)定重心機器 人的中心必須步態(tài)過程中積極轉變 索尼公司最近投資數(shù)百萬美元開發(fā)了一個名為 AIBO 圖 2 15 四條腿的機器人 為了創(chuàng)建這種機器人 索尼產生兩個新的機器人 操作系統(tǒng)是近實時和新齒輪伺服電動機是足夠高的轉矩 以支持該機器人中 用于安 全尚未回驅動 除了開發(fā)定制的電機和軟件 索尼成立的彩色視覺系統(tǒng) 使 AIBO 追逐 光亮的彩球 該機器人能夠需要再充電之前為最多一小時運行 機器人的早期銷售一 直非常強勁 第一年銷量超過 60000 臺 然而 電機的數(shù)量 這種機器狗背后的技術 投資產生了非常高的價格大約為 1500 四足機器人在作為有效的有潛力研究對象進行人類與機器人互動 圖 2 16 人類 可以治療索尼機器人 例如 作為寵物 并可能發(fā)展人與狗之間類似情緒的關系 此 外 索尼 AIBO 設計的行走方式和一般的行為模仿學習和成熟 從而隨著時間的推移是 誰可以跟蹤變化的行為 車主更有趣的動態(tài)行為 作為高能量儲存和馬達技術所面臨 的挑戰(zhàn)是解決了 它很可能是四足機器人比 AIBO 更有能力在很大程度上將整個人類環(huán) 境變得很普遍 2 2 2 4 六條腿 昆蟲 六足結構已經在移動機器人非常流行 因為步行期間它們的靜態(tài)穩(wěn)定性 從而降 低了控制的復雜性 圖 2 17 和 1 3 在大多數(shù)情況下 每個腿具有三個自由度 包括髖關節(jié)屈曲 膝屈曲 和髖部外 展 見圖 2 6 成吉思汗是具有六個腿 每一個都具有兩個自由度由嗜好伺服提供 圖 2 18 市售嗜好機器人 這樣的機器人 它僅包括髖關節(jié)屈曲及髖關節(jié)外展 在 崎嶇的地形較少的可操作性 但在平地上表現(xiàn)相當好 因為它是由伺服電動機和直腿 的一個簡單的安排 這種機器人可以容易地由機器人愛好者建造 圖 2 15 機器狗 圖 2 16 東京工業(yè)大學開發(fā)的四足機器人 產品規(guī)格 最大速度 0 5 米 秒 重量 16 千克 身高 0 3 米 長度 0 7 米 腿數(shù) 6 自由度總數(shù) 6 3 消耗功率 10 瓦 圖 2 17 德國卡爾斯魯厄大學開發(fā)的六足平臺 圖 2 18 麻省理工學院最有名的步行機器人 采用伺服電機的愛好作為其執(zhí)行機構 http www ai mit edu projects genghis 這 是從上面的例子清楚地表明腿的機器人有很大的進步 使之前 他們對自己的生物等 效競爭力 然而 顯著增益最近已經實現(xiàn)了 這主要是由于在馬達設計的進步 創(chuàng)建 該接近動物的肌肉的效率驅動系統(tǒng)從仍遠到達機器人一樣 儲能與有機生命中發(fā)現(xiàn)的 能量密度形式 2 3 輪式移動機器人 車輪已經是移動機器人和一般人造車最流行的運動機制 它可以達到很好的效率 如圖 2 3 論證 并以相對簡單的機械實現(xiàn)這樣做 此外 平衡不是通常在輪式機器人設計研究的問題 因為輪式機器人幾乎總是設 計成使得所有的車輪在任何時候都接觸地面 于是 三個輪子足以保證穩(wěn)定的平衡 但正如我們將在下面看到 兩個輪子的機器人也能保持穩(wěn)定 當使用三個以上的車輪 需要懸掛系統(tǒng) 以允許所有車輪當機器人遇到不平地形保持接觸地面 從而不必擔心 平衡 輪式機器人的研究往往側重于牽引力和穩(wěn)定性 可操作性和控制的問題 可以 在機器人輪子的機器人 以覆蓋所有需要的地形提供足夠的牽引力和穩(wěn)定性 并且做 機器人的輪子配置允許通過機器人的速度足以控制 圖 2 19 四種基本的車輪類型 a 標準輪 兩個自由度的 周圍的旋轉 電動化 輪軸和接觸點 b 腳輪 兩個自由度 圍繞旋轉膠印轉向節(jié) c 瑞典輪 三個自由度 周圍的旋轉 電動 輪軸 繞輥子 和周圍的接觸點 d 球或球形輪 實現(xiàn)技術上的困難 2 3 1 輪式運動 設計空間 正如我們看到的 有當一個人認為的移動機器人運動可能的技術可能車輪的配置 非常大的空間 我們首先討論了詳細的車輪 因為有許多不同類型的車輪與特定的長 處和短處 然后 我們研究完整的車輪配置 可提供運動的特殊形式的移動機器人 2 3 1 1 輪轂設計 共有四種主要輪類如圖 2 19 他們有很大的不同其 運動學 因此車輪類型的選擇對移動機器人的整體運動有很大影響 標準輪和腳 輪有旋轉的主軸 因而高度定向 以在不同的方向上移動時 車輪必須首先沿一垂直 軸線轉向 這兩個輪之間的關鍵區(qū)別在于 標準輪可完成無副作用該轉向運動 作為 旋轉的中心穿過與地面接觸印痕 而腳輪圍繞偏移軸線旋轉 造成的力轉向期間賦予 給機器人底盤 圖 2 20 汽車上的輪轂 瑞典輪和球形輪是較少受方向性比常規(guī)標準輪約束兩種設計 瑞典輪用作正常輪 但是 有時在中間角度提供在另一個方向低電阻 以及 有時在垂直于常規(guī)的方向 如在瑞典 90 如在瑞典 45 繞輪的圓周附小滾筒被動和車輪的主軸線作為唯一積極供電 接頭 這種設計的主要優(yōu)點是 雖然車輪旋轉僅沿一個主軸線供電 通過軸 該輪可 運動地用很少的摩擦移動沿著許多可能的軌跡 不只是前進和后退 球形輪是一個真正的全向車輪 常常設計成使得它可以是積極動力沿任意方向旋 轉 用于實現(xiàn)該球面設計一種機制仿計算機鼠標 提供積極驅動輥即靠在球體的頂部 表面并賦予旋轉力 不管什么輪被使用 適用于所有地形環(huán)境和三個以上的輪子的機器人 懸浮系統(tǒng) 通常需要保持與地面輪接觸 一對懸掛的最簡單的辦法是設計的靈活性入輪本身 例 如 在使用腳輪一些四輪室內機器人的情況下 制造商已應用軟橡膠的可變形的輪胎 到輪以創(chuàng)建原始懸浮液 當然 這種限制的解決方案不能用在應用程序的復雜的懸掛 系統(tǒng) 其中 機器人需要為顯著非平坦地形更加動態(tài)懸浮競爭 2 3 1 2 輪幾何 輪類型的用于在移動機器人的選擇強烈掛輪的選擇安排 或輪的幾何形狀 移動 機器人設計者必須設計一個輪式機器人的機制時 同時考慮到這兩個問題 為什么輪 式和輪幾何關系嗎 機器人的三個基本特性由這些選擇決定 機動性 可控性 和穩(wěn) 定性 不同于汽車 這在很大程度上是專為一個高度標準化的環(huán)境 道路網絡 移動機 器人被設計用于在各種情況下的應用程序 汽車都有著類似的輪結構 因為在最大化 的可操作性 可控性和穩(wěn)定性的標準環(huán)境設計的空間區(qū)域 鋪成的巷道 但是 存在 的各種面對不同的移動機器人 你將在移動機器人的車輪配置看到極大各種環(huán)境中最 大限度地提高這些性質沒有單一的輪配置 事實上 很少使用的機器人汽車的車輪阿 克曼配置 因為其可操作性差 與專為道路系統(tǒng) 圖 2 20 移動機器人的除外 表 2 1 給出了由輪的數(shù)量有序車輪配置的概述 此表顯示特定車輪類型都選擇和機器人底盤上它們的幾何構型 請注意 一些示 出的配置是在移動機器人的應用很少使用 例如 這兩個輪子的自行車裝置具有適度 的可操作性和控制性差 就像一個單跳腿的機器 它永遠停滯不前 然而 該表提供 了大量的各種輪的配置 在移動機器人的設計是可能的指示 表 2 1 變異的數(shù)量是相當大的 但是 也有重要的趨勢和分組 可以在理解的優(yōu) 點和每個配置的缺點幫助 下面 我們確定我們前面已經確定的三個問題方面有一些 關鍵的權衡 穩(wěn)定性 可操作性 和可控性 2 3 1 3 穩(wěn)定性 出人意料的是 對于靜態(tài)穩(wěn)定性所需車輪的最小數(shù)量為兩個 兩輪差分驅動機器 人可以實現(xiàn)靜態(tài)穩(wěn)定性 如果質量中心是輪軸的下方 CYE 是使用該輪配置 圖 2 21 商用移動機器人 然而 在一般情況下這樣的解決方案 需要車輪直徑的是不 切實際的大 動力學也能引起二輪車機器人求取地板與第三接觸點 例如 與從待機 足夠高的電機轉矩 靜穩(wěn)定性需要至少三個輪子的 與重心必須包含由車輪的地面接 觸點形成的三角形內的附加警告 穩(wěn)定性可以通過添加更多的車輪得到進一步改善 雖然曾經接觸點的數(shù)目超過 3 幾何性質的超靜將需要某種形式的不平坦的地形靈活的 懸架 表 2 1 對于車輛軋車輪配置 車輪排名 布局 描述 典型的例子 一方向盤在前方 在后一個牽引輪 自行車 摩托車 2 與大眾 COM 的軸 下方的中間兩輪差 分驅動 CYE 個人機器人 接觸的第三點兩輪 中心差分驅動 游牧偵察員 在后方 前方兩個獨 立驅動的車輪 前 后 1 無動力全向輪 許多室內機器人 包括 EPFL 機器人 皮格馬利翁和愛麗 絲 3 兩個連接的牽引輪 差 的后方 1 轉 向自由輪在前面 比亞喬微型車 在后兩個自由輪 1 轉向曳引輪在前面 海王星 卡內 基 梅隆 大學 英雄 1 安排在一個三角形 的三個機動瑞典或 球形車輪 全向運動 是可能的 斯坦福輪 Tribolo EPFL Palm Pilot 掌上電腦機器人套 件 CMU 三同步機動和轉向 車輪 方向是不可控 的 同步驅動器 丹寧 MR2 佐治亞理 工學院 I B24 機器 人 游牧 200 2 3 1 4 機動性 一些機器人全向的 這意味著它們可以在沿著接地平面的任何方向隨時走動其垂 直軸機器人的取向無關 可操作性的這個級別要求輪子可在不止一個方向上移動 并 且因此全向機器人通常采用被供電瑞典語或球形輪 一個很好的例子是天王星 如圖 所示 2 24 該機器人使用四個輪子瑞典旋轉 獨立和沒有約束的轉換 圖 2 21 市售的家用機器人 在一般情況下 與瑞典和球形輪機器人的離地間隙是比較有限由于構成全向車輪 的機械約束 一個有趣的最近溶液 同時解決該地面凈空問題全向導航的問題是四腳 輪結構 其中每一個腳輪積極轉向積極翻譯 在這種結構中 機器人是真正的全向因 為 即使腳輪都垂直于行進的所需方向朝向的方向 機器人可以仍然在所希望的方向 上被操縱這些輪子運動 因為垂直軸是從地面接觸路徑偏移 該轉向運動的結果是機 器人的運動 在研究界 其他類移動機器人很受歡迎因為實現(xiàn)很高的可操作性 只有略劣于全 向結構 在這樣的機器人 在特定方向上的運動開始時可能需要的旋轉運動 具有圓 形底盤和在機器人的中心旋轉軸 這種機器人可以旋轉而不改變其地面足跡 最流行 的這樣的機器人是兩輪差分驅動機器人 其中兩個輪子繞機器人的中心點旋轉 可用 于穩(wěn)定一個或兩個額外的接地接觸點的基礎上 應用程序的細節(jié) 相較于上述配置 考慮轉向梯形配置 通用汽車 這種車輛典型地具有一轉彎直徑比所述車大 另外 對于車輛側向移 動需要駐車操作方向包括反復修改前進和后退 盡管如此 轉向梯形幾何一直在愛好 機器人市場 一個機器人可以通過一個遙控賽車套件開始 增加感知和自主現(xiàn)行機制 建設特別受歡迎 此外 阿克曼轉向的有限的可操作性有重要的優(yōu)勢 其方向性和轉 向幾何它提供在高速轉彎非常良好的橫向穩(wěn)定性 2 3 1 5 可控性 一般有可控性和可操作性之間的負相關性 對于例如 全向設計 如四腳輪結構 需要顯著處理以期望的旋轉和平移速度轉換為單個車輪的命令 此外 這樣的全向設 計通常有更大的自由度 在車輪 例如 瑞典輪有一組沿車輪周長自由輥 這些自由 度引起滑移的累積 傾向于減少推算定位精度 并增加了設計的復雜性 相比較少機動性設計時控制裝置 用于旅行的特定方向的全向機器人也比較困難 的 往往不太準確 例如 阿克曼轉向車輛可通過鎖定轉向輪和駕駛驅動輪直行簡單 在差驅動車輛 附連到兩個車輪的兩個馬達必須沿完全相同的速度分布 其可以是具 有挑戰(zhàn)性的車輪 馬達 和環(huán)境的差異之間考慮變化來驅動 如天王星機器人 它具 有四個瑞典輪子 這個問題就更加困難 因為全部四個車輪必須以完全相同的速度驅 動機器人在一個完美的直線行進 總之 就是同時最大限度地提高臺站沒有 理想的 驅動器配置相容性 可操作 性 和可控性 每一個移動機器人應用獨特的地方在機器人設計問題的限制 以及設 計師的任務是可以從妥協(xié)的這個空間當中選擇最相應的驅動器的配置 2 3 2 輪式運動 案例研究 下面 我們描述四個特定車輪的配置 為了說明的具體上面討論到對于真實世界 的活動建移動機器人的概念的應用程序 2 3 2 1 同步驅動器 在同步驅動器配置 圖 2 22 是在室內移動機器人的應用車輪的流行安排 這是 一個非常有趣的配置 因為盡管有三個驅動和轉向輪 只有兩個馬達總使用 所述一 個平移電機設置所有三個輪子的速度一起 和所述一個轉向馬達旋轉全部車輪一起關 于每個其個別豎直轉向軸 但請注意 在車輪正在轉向相對于所述機器人底盤 因此 有重新取向所述機器人機架的沒有直接的方法 事實上 底盤取向不隨時間漂移由于 輪胎打滑不均勻 造成旋轉推算定位誤差 圖 2 22 同步驅動器 同步傳動 機器人可以在任意方向上移動 然而 機箱的取向是不可控的 同步驅 動器是在無指向性的情況下尋求特別有利 只要每個豎直轉向軸與每個輪胎的接觸路 徑對齊 機器人可以總是調整其車輪和沿一個新的軌跡移動 而不改變它的尺打印 當然 如果機器人底盤具有方向性和設計者打算目的地重定向底盤 然后同步傳動當 與獨立旋轉轉臺 重視對輪底盤結合僅為合適的 商業(yè)研究機器人 如 Nomadics150 或 RWI B21r 已經售出這種配置 圖 1 12 在航位推算而言 同步驅動系統(tǒng)一般優(yōu)于 真正的全向定向配置 但不如差分驅動和阿克曼轉向系統(tǒng) 這有兩個主要原因 首先 翻譯馬達通常驅動用單個皮帶三個輪子 由于以濺和間隙中的傳動系 每當驅動馬達 嚙合 最接近輪開始最遠車輪前轉動 從而導致在機箱的取向的小的變化 隨著電機 轉速其他更改 這些小角度的變化積累航位推算過程中創(chuàng)建的方向一個大錯誤 第二 該移動機器人具有在底盤的取向沒有直接控制 取決于底盤的方向 車輪推力可以是 高度不對稱的 在一側的兩個輪子和單獨的第三輪 或對稱的 每邊一個輪子和一個 輪直行或后面 如圖 2 所示 不對稱的情況下 導致多種時 可能發(fā)生輪胎打滑地面 再次引起機器人定位航位推算錯誤的錯誤 圖 2 23 球形的軸承和電機 2 3 2 2 全向驅動器 正如我們將在 3 4 2 節(jié)后面看到的 全方位的運動是完整的機動性極大的興趣 全向機器人能夠在任何方向上移動 在任何時候也完整約束 參見 3 4 2 yx 節(jié) 他們可以通過實現(xiàn)使用球形 蓖麻 或瑞典的車輪 這種機器人中完整的三個例 子如下 全方位運動三個球形車輪 全方位機器人在圖 2 23 示出基于三個球形輪 各由一 個電機致動 在此設計中 球形輪由三個接觸點 二經球面軸承和一個由連接到馬達 軸上的輪定暫停 這個概念提供了極好的操作性和設計簡單 然而 它僅限于平坦表 面和小負荷 這是相當困難的發(fā)現(xiàn)圓輪具有高摩擦系數(shù) 全方位運動有四個輪子 如 圖 2 24 所示的全方位安排已成功應用于多個研究機器人 包括卡內基 梅隆天王星 該配置包括四個瑞典 45 度輪 分別由單獨的電動機驅動 通過改變旋轉和相對的方向 四個車輪的速度 該機器人可沿在平面任何軌跡和移動 更令人印象深刻 可同時旋 轉繞其垂直軸線 圖 2 24 卡內基梅隆大學機器人天王星 卡內基梅隆大學機器人天王星 全向機器人有四個供電瑞典 45 輪 例如 當所有 四個車輪旋轉 前進 或 后退 的機器人的整體移動以直線向前或向后 分別 然 而 當一個對角線對車輪的在同一方向上被旋轉 另一對角線對在相反方向上旋轉 機器人橫向移動 這個瑞典車輪的四輪布置不是最小的控制方面電機 因為只有三個自由度 在飛 機上 可以建立使用三個瑞典 90 度輪三輪全向機器人底盤見表 2 1 然而 如天王星 現(xiàn)有例子已經設計由于能力和穩(wěn)定性的考慮四個車輪一個應用此種全方位的設計是特 別適合的移動操作 在這種情況下 理想的是降低的自由度 機械臂通過移動機器人 的運動底盤減少手臂質量 如與人類 這將是理想的 如果基于可以在不大大影響操 縱器尖端的位置全方向移動 如天王星可以承受正是這樣的能力 全方位運動有四個腳輪和八個馬達 為無指向另一解決方案是使用腳輪 這是從 游牧技術游牧 XR4000 圖 2 25 來完成 給它良好的機動性 不幸的是 游牧已停 止生產移動機器人 上述三個實施例是從表 2 1 延伸 但是這不是一個詳細的列出所有輪式運動特性 結合了腿和輪式運動 或履帶式和輪式運動混合方法 還可以提供特別的優(yōu)勢 下面 是專門的應用程序創(chuàng)建了兩個獨特的設計 圖 2 25 游牧 XR4000 從游牧技術游牧 XR4000 有四個腳輪為完整約束運動的安排 所有的腳輪被驅動 和轉向 因此需要精確的同步和協(xié)調 以獲得精確的運動 和 yx 2 3 2 3 履帶打滑 滑行運動 在上面討論的車輪構造中 我們已經提出 車輪表面不允許打滑的假設 轉向的 另一種形式 稱為空轉 滑行 也可以使用通過紡絲正面臨以不同的速度或在相反的方 向相同的方向車輪重新定位的機械手 軍隊坦克操作這種方式 并且 Nanokhod 是基于 相同的概念的移動機器人的一個例子 相比傳統(tǒng)輪式設計 機器人使胎面的使用具有大得多的地面接觸印痕 并且這可 以顯著改善其在松散地形的機動性 然而 由于這大的地面接觸印痕 改變所述機器 人的取向通常需要打滑轉 其中 所述軌道的一個大的部分必須針對地形滑動 這樣的配置的缺點是聯(lián)接到空轉 滑行的轉向 因為大量的轉彎時打滑的 機器人 的旋轉的正中心是很難預測和位置和方向的精確變化也受到取決于地面摩擦的變化 因此 這種機器人航位推算是非常不準確的 這是權衡即以換取極其良好的可操作性 和牽引在粗糙和松散的地形制成 此外 在使用上的高摩擦表面上的空轉 滑行的方法 可以快速地克服電機的扭矩能力 在功率效率方面 這種做法在松散的地形相當有效 的 但非常低效的 編號 畢業(yè)設計說明書 題 目 四足機器人結構設計 學 院 專 業(yè) 學生姓名 學 號 指導教師 職 稱 題目類型 理 論 研 究 實 驗 研 究 工 程 設 計 工 程 技 術 研 究 軟 件 開 發(fā) 摘 要 四足機器人步行腿具有多個自由度 落足點是離散的 故能在足尖點可達域范圍內 靈活調整行走姿態(tài) 并合理選擇支撐點 具有更高的避障和越障能力 對四足機器人的 行走典型步態(tài)進行必要的分析比較 選擇本次畢業(yè)設計四足機器人的步態(tài) 小跑步 態(tài) 并對小跑步態(tài)進行設計 對腿關節(jié)結構是使用電動機驅動關節(jié)運動還是使用傳統(tǒng) 的連桿機構 四桿機構 五桿機構 六桿機構等 驅動關節(jié)運動進行比較 同時對機 構的自由度進行分析 選擇一個自由度的斯蒂芬森型機構作為四足機器人的行走結構 并且引用了已經運用成熟的腿機構 考慮到驅動系統(tǒng)的安裝 選擇一個電動機驅動四 足機器人的行走機構 通過同步帶驅動四條腿 減少了電動機的數(shù)目 減輕了四足機 器人的負載 減少對腿關節(jié)運動的影響 本畢業(yè)設計通過渦輪蝸桿傳動和齒輪傳動 設計出了蝸桿二級減速器 第一級減速為蝸桿渦輪減速 第二級減速為齒輪減速 并 對關鍵零部件進行必要計算和校核 從而得到四足機器人穩(wěn)定步行所需要的速度 最 終實現(xiàn)了四足機器人的步行 關鍵詞 四足哺乳動物 四足機器人 機器人步態(tài) 行走結構 蝸桿二級減速器 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 步行機器人 5 1 2 步行機器人的發(fā)展 5 1 3 步行機器人常見的連桿機構 6 2 四足機器人步態(tài)的設計 6 3 行走結構的設計 7 3 1 四足機器人腿結構的配置形式 7 3 2 開鏈式腿結構 7 3 3 閉鏈式腿結構 9 3 4 彈性腿結構 10 3 5 機構自由度 11 3 6 步行機構的選擇方案 12 3 6 1 對腿機構分析 13 3 6 2 分析絞鏈點 D 的軌跡 13 3 7 腿機構優(yōu)化設計 15 3 8 機器人腿足端的軌跡分析 16 4 傳動結構的設計 18 4 1 驅動方案 18 4 2 傳動方案 18 4 3 驅動電動機 19 4 4 普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)及其選擇 20 4 5 普通圓柱蝸桿傳動承載能力的計算 21 4 5 1 蝸桿傳動設計準則和常用材料 21 4 5 2 渦輪齒面接觸疲勞強度計算 22 4 5 3 渦輪齒根彎曲疲勞強度計算 24 4 5 4 蝸桿的剛度計算 24 4 6 渦輪蝸桿傳動的計算 25 4 7 斜齒圓柱齒輪傳動的計算 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 鍵連接與計算校核 41 8 三維建模及平衡校核 42 9 結論 43 9 1 論文完成的主要工作 44 9 2 結論 44 謝 辭 45 參考文獻 46 1 引言 1 1 步行機器人 在人類社會和大自然界中 有許多危險的地方 危及到人類自身生命安全 是我 們人類無法直接到達的 于是人類研發(fā)出步行機器人 代替人類進行探索研究 步行 機器人是多個學科結合研究 研究者對付在各類差別的運動環(huán)境比如地形不規(guī)則或者 高低不平 設計出不同運動方式的足式機器人 目前研究設計的移動機器人的運動方 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 同時這 2 種運動方式是典型的運動方式 查閱一些相 關的文獻資料 研究表明了足式運動往往只需要一些離散的 斷續(xù)的落足點 就具有 了跨越凸凹不平 斜坡等地面障礙能力 足式機器人的足數(shù)可以分奇數(shù)和偶數(shù) 奇數(shù) 中常見的有單足機器人 三足機器人等 偶數(shù)中常見的有雙足機器人 四足機器人 六足機器人 八足機器人等 0 足式機器人就是模擬動物或者人類的運動形式 采取腿 足關節(jié)結構來完成行走的 比如雙足機器人是模擬人類雙腿的運動形式 四足機器人 就是模擬哺乳類動物的運動形式 六足機器人和八足機器人多數(shù)是模擬螃蟹 蜘蛛等 爬行類動物的運動形式 本畢業(yè)設計是從模仿四足哺乳動物行走的角度思考 設計出 四足機器人的結構 1 2 步行機器人的發(fā)展 步行機器人是近 50 年來發(fā)展起來的一種高科技產物 上世紀 70 年代 人類第一 次研究出可以實現(xiàn)行走的步行機器人 0 1972 年研究者設計制造出了第一個雙足步行 機器人 0 1976 年 研究者設計制造出了第一個四足步行機器人 從 20 世紀 80 年代 之后 世界各國重視對步行機器人的研究 投入了大量的科研資金 使得機器人的研 究技術得到了高速的發(fā)展 同時從這個時期開始步行機器人采用行走機構 2004 年 科學家應用 小狗 來探索步行機器人的運動 2009 年 5 月 根據(jù)美國軍隊的戰(zhàn)爭環(huán) 境 改善美國士兵的作戰(zhàn)環(huán)境 增強裝備在復雜地形的運輸 美國設計制造出了 大 狗 Error Reference source not found 它展示了跟士兵一樣的行走作戰(zhàn)能力和運輸物資能力 對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 加拿大的大學機器 人研究室 Ambulatory Robotics Laboratory 研究設計出了一種結構簡單的四足步行機 器人 該機器人可以行走甚至可以跨越高度的障礙物 不足之處就是該機器人的可靠 性是差了一點 0 最近的三十年時間 世界各國為了適應現(xiàn)代制造技術和工業(yè)生產自動 化的需要 不斷加大對步行機器人的研究進而使得步行機器人的研究技術發(fā)生了巨大 的改變 1 3 步行機器人常見的連桿機構 選擇使用平面四桿機構 某公司研究設計制造出了一種選擇使用平面四桿縮放機 構的四足步行機器人 該機器人能向前伸開腿實現(xiàn)行走 可以向后伸開腿完成行走 同時該步行機器人還可以左轉和右轉 并預留 55 的記憶可提供給客戶做進一步的機器 人實驗和開發(fā)利用 3 選擇使用平面六桿機構 六桿機構可以分為兩大類 瓦特型和斯蒂芬森型 0 其 中常見的斯蒂芬森型 以二桿機構為腿機構 四桿機構為驅動機構做成機器人的連桿 機構 2 四足機器人步態(tài)的設計 四足哺乳類動物的運動可以簡化為五種規(guī)劃步態(tài) 小跑步態(tài) 對角腿同相 左右腿 前后腿異相 0 該步態(tài)已經有很多的研究 尤其是 上海交通大學學報出版的期刊對于小跑步態(tài)進行了深入的研究分析 Error Reference source not found 包括了小跑步態(tài)運動軌跡的分析 小跑步態(tài)腿部角度的分析 研究表明了小 跑步態(tài)實現(xiàn)了行走且行走沒有左右搖動 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系 順次兩腿的相位差為 1 4 周期 0 遛步步態(tài) 同側的兩腿同相 左右腿 對角腿異相 同側的腿成對升降 兩對之 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 機器人出版的期刊對 遛步步態(tài)進行了研究 該研究包括了遛步步態(tài)力學模型的建立與分析 遛步步態(tài)角速 度補償法的分析 Error Reference source not found 最后通過步行實驗驗證了遛步步態(tài)的可行 性 實驗研究表明遛步步態(tài)可以實現(xiàn)在平直路面的行走 奔跑步態(tài) 前腿同相 后腿也同相 同側腿和對角腿異相 前面的 2 條腿同時向 前運動 后面的 2 條腿同時站立支撐 0 奔跑步態(tài)的實現(xiàn)需要考慮很多的要求 目前查 閱文獻資料很少發(fā)現(xiàn)有關于奔跑步態(tài)的研究 彈跳步態(tài) 指四足同時起落的彈跳步態(tài) 這個種步態(tài)很少見 甚至是稀有的步態(tài) 一般不會用于實現(xiàn)行走 0 上面的五種步態(tài)按照運動的節(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)都在某個領域或者方面有自身的應用優(yōu)點 選擇步態(tài)時要根據(jù)設定的要 求出發(fā) 如果選擇小跑步態(tài) 那本畢業(yè)設計只需要一個電動機驅動腿關節(jié)就可以實現(xiàn) 小跑 如果選擇奔跑步態(tài) 那至少是需要 2 個電動機驅動腿關節(jié)才可以實現(xiàn)奔跑 如 果選擇遛步步態(tài) 也至少是需要 2 個電動機驅動腿關節(jié)實現(xiàn)遛步 并且腿關節(jié)運動工 程中 由于同一側的 2 條腿都離開地面 容易出現(xiàn)機器人不平衡而向側邊跌倒的情況 所以通過比較分析 選出與設定要求最為接近的步態(tài) 再對該步態(tài)進行符合畢業(yè)設計 要求的設計 本次畢業(yè)設計以四足哺乳類動物為例 行走步態(tài)一般用于慢速行走 0 而 小跑步態(tài)一般是用于實現(xiàn)機器人的小跑運動 同時在常見的機器人步態(tài)中 小跑步態(tài) 的性能最優(yōu) 0 本畢業(yè)設計選擇機器人的步態(tài)為小跑步態(tài) 3 行走結構的設計 在大自然中 許多動物具有精巧的運動結構及強大的運動功能 好比四足哺乳類 動物 依靠各腿的循環(huán)交替 以及軀體脊椎 頸椎等部位的配合 實現(xiàn)行走的運動功 能 0 在四足機器人結構中 行走結構支撐著機器人機體 又同時作為運動部件 推動 機器人機體向前方向移動 所以行走結構是四足機器人結構設計的關鍵 3 1 四足機器人腿結構的配置形式 根據(jù)腿的主運動平面與機體運動方向之間的相對關系 水平面內 關節(jié)式腿結 構的配置形式分為三種 1 平行布置形式 平行布置 腿的主運動平面與機體運動方向一致 這種布置形 式容易實現(xiàn)靈活快速行走 在沒有偏轉自由度時主要作縱向行走 0 2 垂直布置形式 垂直布置 腿的主運動平面與機體運動方向垂直 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 腿的主運動平面與機體運動方向存在一個夾角 可 以增大支撐區(qū)域的面積 獲得更好的穩(wěn)定性 0 由于已經選擇了小跑步態(tài) 考慮到整體結構 腿關節(jié)主運動平面與機體運動方向 一致更符合本設計 0 如果腿關節(jié)主運動平面與機體運動方向垂直 0 那安裝腿關節(jié)復 雜并且也影響整體結構的設計 工作量也會加大 本畢業(yè)設計選擇平行布置形式作為 腿結構的配置形式 3 2 開鏈式腿結構 開鏈式腿結構的優(yōu)點 1 工作空間大 2 結構較簡單 3 具有較強的姿態(tài)修復能力 開鏈式腿結構的缺點 1 承載能力有限 2 各腿的運動的協(xié)調控制復雜 早期的開鏈式腿結構很多采取近似動物的腿結構 即關節(jié)式腿結構 這樣的結構 比較直觀 0 如圖 3 2 1 所示 圖 3 2 1 開鏈式腿結構 圖 3 2 2 開鏈式腿結構運動軌跡分析 如圖 3 2 2 所示 對開鏈式腿結構的運動軌跡分析 其運動軌跡方程 vzuyxcc sino 其中 cos s321 LLuini v 90 3 3 閉鏈式腿結構 閉鏈式腿結構的優(yōu)點 承載能力大 功耗小 閉鏈式腿結構的缺點 工作空間有 局限性 閉鏈式腿結構分為平面閉鏈機構和空間閉鏈機構 其中 平面閉鏈腿結構使用較 廣 空間閉鏈腿結構分析及實現(xiàn)比較復雜 0 如圖 3 3 1 所示為一種閉鏈式腿結構的三 維模型 圖 3 3 1 閉鏈式腿結構 圖 3 3 2 閉鏈式腿結構運動軌跡分析 建立如圖 3 3 2 所示 對閉鏈式腿結構的運動軌跡分析 其運動軌跡方程為 vzuyxA sinco 其中 coss321LLu iniv 3 4 彈性腿結構 在受到重力情況下 動物運動時腿落地會受到沖擊 地面施加的反作用力可能遠 大于動物自重 0 可以把類似動物肌腱的結構運用于機器人的腿結構 就可以構成彈性 腿結構 即彈性腿結構既包含剛性元件 又包含彈性元件 0 彈性腿結構的優(yōu)點 1 彈性阻尼元件具有緩沖和消振作用 能減少驅動力矩 力 以及驅動功率的峰 值 0 2 可增加步行過程的穩(wěn)定性 經過對上面的 3 種腿結構的分析比較 閉鏈式腿結構比較符合要求 本畢業(yè)設計 選擇閉鏈式腿結構 目前關于平面機構用作腿結構評判標準 學者提出了兩類 運動要求和性能評判 查閱相關機器人文獻總結了腿的必要條件 0 1 機構中至少要有轉動副或者至少要有移動副 特別是運動型關節(jié)處 0 2 結構自由度最好不要小于 20 3 結構桿件數(shù)目要盡量減少 數(shù)量少有利于運動的分析 4 必須有連桿曲線為直線的點 以確保在支撐相中足端做平行于機身的直線 運動 0 5 機身高度發(fā)生改變時 結構中上的點還能作直線運動 且與上面的點的直 線軌跡平行 0 6 結構需要有腿的基本形狀 查閱有關機器人性能要求的文獻資料 根據(jù)機器人的性能有如下項目 1 各運動是分開的 相互不干涉不影響 特別是前進運動和抬腳運動要分開 0 2 為使控制簡單 機器人的輸入運動函數(shù)不要太復雜 同時輸出運動的函數(shù) 關系應也不要太復雜 0 3 平面連桿機構不應與第三維運動的關節(jié)發(fā)生干涉 0 4 足端在水平和垂直方向上有較大的運動范圍 近似直線運動軌跡在較長范 圍內直線近似程度較好 0 滿足上述條件的連桿機構有很多 比如平面四連桿機構是一種常見的直線運動的 機構這種機構具有多種衍生形式 往往需要附加其他機構 才能成為腿結構 0 3 5 機構自由度 本任務要求從模仿四足哺乳動物行走的角度思考 設計出四條腿具有相應自由度 的四足機器人 本畢業(yè)設計只對平面機構自由度計算進行討論 在平面機構中 各構 件不會做空間運動只作平面運動 因此每個自由構件具有 3 個自由度 0 每個平面低副 包含轉動副和移動副 各提供 2 個約束 每個平面高副 1 個約束 0 故平面機構自由 度計算為 2 31pnF 式中 為活動構件的數(shù)目 n 為平面低副的數(shù)目 1p 為平面高副的數(shù)目 2 3 6 步行機構的選擇方案 方案一 步行機構選擇電動機驅動腿關節(jié)實現(xiàn)運動 方案二 步行機構選擇傳統(tǒng)連桿驅動腿關節(jié)實現(xiàn)運動 如果選擇方案一 那腿關節(jié)中的大腿需要一個電動機驅動 小腿也需要一個電動 機驅動 1 條腿就需要 2 個電動機 本畢業(yè)設計有 4 條腿 那需要的電動機的數(shù)量為 8 個 電動機的數(shù)量多 會加重腿關節(jié)的承載從而影響關節(jié)運動 如果選擇方案二 目前為止 研究并且運用比較成熟的連桿機構有縮放機構 斯 蒂芬森型六桿機構 瓦特型機構 0 并且連桿機構中對運動軌跡和運動特征也有相當成 熟的研究分析 包括了傳動角 關節(jié)尺寸 安裝角度等數(shù)據(jù)的研究 經過上面 2 種方案的對比分析 本畢業(yè)設計中 選擇采用斯蒂芬森型六桿機構 其裝配后的簡化圖形為圖 3 6 1 所示 圖 3 6 1 斯蒂芬森型六桿機構 3 6 1 對腿機構分析 以二桿組作為小腿機構 如圖 3 6 2 所示 跨關節(jié) A 膝關節(jié) B 足端 CError Reference source not found 圖3 6 2 腿機構示意圖 表3 1 坐標值表 通過查閱現(xiàn)有的研究資料 基于 SolidWorks 四足行走機構的設計及動畫模擬設計 Error Reference source not found 的數(shù)據(jù)取 AB 9cm BC 17cm 3 6 2 分析絞鏈點 D 的軌跡 按照圖 7 所示建立的坐標 首先建立 D 的位置方程 3 1 cos2lxb 3 2 cos2lyb 因為 AB 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 相關的手冊 可以解 得 3 5 將 用 C 點的位置坐標表示后 可得 D 點的位置坐標 Error Reference source not found 3 6 cos 3 lxbd 3 7 ly 取 如圖 3 6 3 所示為四桿機構 cml5 13 9 21lyxlzc1b ccxzzyartg 222 圖 3 6 3 四桿機構圖 選擇現(xiàn)有資料 基于 SolidWorks 四足行走機構的設計及動畫模擬設計 Error Reference source not found 的數(shù)據(jù) 12 45 1 2 05 1 3 edcba 65 4 08 78 87654 lllll 7 ffyx 3 7 腿機構優(yōu)化設計 據(jù)幾何圖形列出方程 3 8 0 cossini sincos 2682517282517 lllllll 0 cossin sin sisin ico 2183242517 lxlllll yff 3 9 3 10 0sinco12121 wvu 3 11 i33 3 12 sinco8171llu 3 13 sillv 3 14 5187 2652781 sin lllw 3 15 si cos scos 2 82425173 fylllu 3 16 coiniin2 fxllllv 3 17 213 2232 llvluw 2iidiyxl 3 18 fd xllli cos sin ssn8242527 3 19 fyllllyi incoco1 3 20 si sin323 iiii llxdc 3 21 co iiii llyc 3 22 2241 i cciiii yxkXF 3 821 ffyxllX 23 腿機構優(yōu)化設計需要考慮的條件 Error Reference source not found 00 3176855687521lllllli 3 8 機器人腿足端的軌跡分析 如圖 3 8 1 建立坐標系 圖 3 8 1 腿結構坐標系 向量方程為 3 24 23457lllrc 寫到坐標系 xoy 中 3 25 jlllll irc 23142517 cosscossos niiniin 引入中間角度變量 8080221 32 上式中 13 8 54 18 3 26 1 2212wuvarctg 3 27 223rt 4 傳動結構的設計 常見的機械傳動有帶傳動 鏈傳動 齒輪傳動 蝸桿傳動 0 4 1 驅動方案 初步分析 3 種驅動方案如下 1 一臺電機驅動 電動機驅動傳動部件 通過同步帶實現(xiàn)機器人 4 條腿的行走 該方案需要的電動機數(shù)量最少 容易實現(xiàn) 2 兩臺電機驅動 電動機驅動傳動部件 通過 2 根軸實現(xiàn)機器人 4 條腿的行走 該方案不需要同步帶就可以實現(xiàn) 3 四臺電機驅動 電動機驅動傳動部件 一個電動機驅動機器人的 1 條腿 該方 案需要的電動機數(shù)量多 并且難以保證每個電動機的轉速基本一致 經過上面的分析比較 選擇的驅動方案是一臺電動機作為驅動 4 2 傳動方案 常見的機械傳動有帶傳動 鏈傳動 齒輪傳動 蝸桿傳動 0 帶傳動是一種撓性傳動 帶傳動由帶輪 主動帶輪和從動帶輪 和傳送帶組成 根據(jù)工作原理的差別 帶傳動可以分為摩擦型帶傳動和嚙合型帶傳動 0 由于本畢 業(yè)設計選擇一個電機驅動四足機器人的四條腿行走 所以選擇嚙合型帶傳動 在帶傳 動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 考慮到同步帶的張緊 選擇使 用 3 個同步帶齒輪 第 3 個同步帶齒輪可調 通過調節(jié)第 3 個同步帶齒輪的位置 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輪直徑尺 寸小 通常安裝在大傳動輪的附近 通過齒輪傳動 可以獲得需要的速度 可以是加速也可以是減速 更多的應用是 減速 比如減速器的使用 齒輪傳動的主要特點 效率高 結構緊湊 傳動比穩(wěn)定 0 齒輪的設計和計算量很大 符合畢業(yè)設計的工作量 直齒的設計與計算要比斜齒的設 計與計算簡單多 還是考慮因為到工作量的情況 選擇斜齒圓柱齒輪進行設計和計算 蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構 兩軸線交錯的 夾角可以為任意值 最常用的是兩軸交錯角 的減速傳動 0 蝸桿傳動的主要特 90 點 蝸桿作為原動件時 渦輪的速度可以降到很低 傳動是特別平穩(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 可以得到的傳動比范圍很大 并且結構緊湊 因為蝸桿嚙合齒之間的相對滑動速率較 大 導致摩擦大 使得齒根容易磨損 同時蝸桿傳動效率較低 容易發(fā)熱 0 渦輪蝸桿 機構反行程還有具有自鎖性 普通圓柱蝸桿傳動應用于載荷較小 速度低 精度要求 不高的傳動 0 選擇普通圓柱蝸桿傳動 經過上面常見的機械傳動的特點比較分析 本畢業(yè)設計選擇同步帶傳動 齒輪傳 動 蝸桿傳動結合組成傳動結構 方案一 第一級設計為齒輪傳動減速 第二級設計為渦輪蝸桿減速 0 方案二 第一級設計為渦輪蝸桿減速 第二級設計為齒輪傳動減速 0 方案三 由于蝸桿頭數(shù)少 渦輪齒數(shù)多 可能會出現(xiàn)蝸桿傳動減速的速度低于最 后需要的速度 所以第二級設計齒輪加速獲得最后輸出需要的速度 本畢業(yè)設計選擇第一級設計為渦輪蝸桿減速 第二級設計為齒輪傳動減 加 速 的方案 傳動方案如圖 4 2 1 所示 1 大齒輪 2 小齒輪 3 渦輪 4 蝸桿 圖 4 2 1 傳動方案簡圖 4 3 驅動電動機 電動機選擇包括選擇類型 結構型式 容量 功率 和轉速 并確定型號 0 本次 畢業(yè)設計 電機的選擇主要是參照容量 功率 和轉速兩個參數(shù) 初步設計機器人總質量 行走速度 斜坡角度 則功率Kgm20 smv 3 0 3 為 3tan2 vgP 04 8920 W6 1 在選擇電動機 還需要考慮電動機質量和轉速 本畢業(yè)設計總質量不大 為了不 影響四足機器人行走 應該選擇質量輕 轉速中高的電動機 根據(jù)這些要求 選擇 JSCC 電機中的 80YR25GV11 型號電動機 電動機質量 轉速 Kg6 1min 710r 表 4 1 所選電動機參數(shù)表 4 4 普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)及其選擇 1 模數(shù) m 和壓力角 21tam ZA 蝸桿的軸向壓力角 為標準值 其余三種 ZN ZI ZK 蝸桿的法向a 0 壓力角 為標準值 蝸桿軸向壓力角與法向壓力角的關系為 n costant 2 蝸桿的分度圓直徑 1d 蝸桿的直徑系數(shù) 已經有標準值了 常用的標準模數(shù) m 和蝸桿分度mq q與 圓直徑 查表可得對應的參數(shù) 0 1d 3 蝸桿頭數(shù) 1z 蝸桿頭數(shù) 可按照要求的傳動比和效率來選擇 0 通常蝸桿頭數(shù)取為 1 2 4 6 0 表 4 2 蝸桿頭數(shù) 與渦輪齒數(shù) 的推薦使用值1z2z12zi 2z5 631 9 7463042 82 9182 9 4 導程角 1tandmz 5 傳動比 和齒數(shù)比iu 傳動比 式中 為蝸桿的轉速 為渦輪的轉速 21 ni 1min r2min r 齒數(shù)比 式中 為渦輪齒數(shù) 12 zu2z 當蝸桿為主動件時 21ni u 6 渦輪齒數(shù) 2z 渦輪齒數(shù) 1i 7 蝸桿傳動的標準中心距 a 蝸桿傳動的標準中心距為 mzqd 21 1 4 5 普通圓柱蝸桿傳動承載能力的計算 4 5 1 蝸桿傳動設計準則和常用材料 在開式傳動中 通常的主要設計準則是按照齒根彎曲疲勞強度設計 0 在閉式傳動中 通常按照齒面接觸疲勞強度進行設計 按照齒根彎曲疲勞強度進 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 但是價格較高 用于滑動速度 的smvs 3 重要傳動 鋁鐵青銅 耐磨性較錫青銅差一點 但是價格便宜 一般用于滑動速度 的傳動svs 4 灰鑄鐵 效率要求不高 用于滑動速度不高 的傳動smvs 2 4 5 2 渦輪齒面接觸疲勞強度計算 渦輪齒面接觸疲勞強度計算的原始公式 0 EnHZLKF 0VA 表 4 4 使用系數(shù) A 載荷性質 每小時啟動次數(shù) 起動載荷 AK 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 nFN 2 為接觸線總長 0 0Lm 3 青銅或者鑄鐵渦輪與鋼鐵蝸桿配合時 0 取 160 EZ21aMP 將 代入上式 得 2Zd 108 dn sico2 HHZmdKT 21480 式中 為渦輪齒面的接觸應力 0 H MPa 表 4 5 許用接觸應力 H 材料 滑動速度 smvs 蝸桿 渦輪 45HRC 灰鑄鐵 HT150 172 139 125 106 79 45 鋼或 Q275 灰鑄鐵 HT200 208 168 152 128 96 渦輪主要是接觸疲勞失效 當渦輪材料使用錫青銅 強度極限 時 MPaB30 根據(jù) 計算出接觸應力的值 式中 H TNK8 710NKH hLjn26 1 為接觸強度的壽命系數(shù) 0 2 為渦輪每轉一轉 每個齒輪嚙合的次數(shù) 0 j 3 為渦輪轉速 r min 2n 4 為工作壽命 hL 表 4 6 鑄錫青銅渦輪的基本許用接觸應力 0 TH 蝸桿螺旋面的硬度渦輪材料 鑄造方法 RC45 RC45 砂模鑄造 150 180鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1 金屬模鑄造 220 268 砂模鑄造 113 135鑄錫鋅鉛青銅 ZCuSn5Pb5Zn5 金屬模鑄造 128 140 4 5 3 渦輪齒根彎曲疲勞強度計算 渦輪齒根的彎曲應力計算公式 0 YmdbKTYmbKFSaFnSant 2222 式中 1 為渦輪輪齒弧長 可以按照 計算 2b 10 2 為法面模數(shù) 0 n 3 為齒根應力校正系數(shù) 0 2SaY 4 可以取 67 0 5 為螺旋角影響系數(shù) 0 Y 140 Y 將上面的 5 個參數(shù)代入上式 整理后得 FFaFYmdKT 2153 4 5 4 蝸桿的剛度計算 蝸桿需要進行剛度校核 主要是校核蝸桿的彎曲強度 0 蝸桿剛度條件為 yLEIFyrt 3 2148 式中 1 為蝸桿受到的圓周力 N 0 1tF 2 為蝸桿受到的徑向力 N 0 r 3 E 為蝸桿材料的彈性模量 0 MPa 4 641fdI 5 為蝸桿兩端支承間的跨矩 2 9 0L 6 為許用最大撓度 y 10dy 4 6 渦輪蝸桿傳動的計算 本畢業(yè)設計要求中 并沒有對行走機構作出速度要求 所以考慮使四足機器人平 穩(wěn)行走 設計與四足機器人腿機構連接的輸出軸轉速 本畢業(yè)設計總質量min 713r 不大 為了不影響四足機器人行走 應該選擇質量輕 轉速中高的電動機 0 根據(jù)這些 要求 選擇 JSCC 電機中的 80YR25GV11 型號電動機 電動機質量 轉速Kg6 輸出功率是 min 710rW25 1 確定傳動比 電動機轉速 輸出軸轉速 總傳動比 min 710r min 713r 1073 ni 對于齒輪 蝸桿減速器 通常是取低速級圓柱齒輪傳動比 0 所以可以ii 6 2 取低速圓柱齒輪傳動比 從而得到蝸桿傳動比 5 01 05 2 ii 205 121 i 計算得到的傳動比進行合理分析 根據(jù)下表傳動比進行比較分析 發(fā)現(xiàn)各級傳動比分 配合理 0 并且此時可以得出蝸桿頭數(shù) 21z 表 4 7 蝸桿頭數(shù) 與渦輪齒數(shù) 的推薦使用值表2z12zi 1 2z5 631 9 7463042829182 2 確定各級轉速 蝸桿轉速 渦輪軸轉速 輸出軸轉速min 7101rn min 5 320712rin i 723rin 3 確定各軸的輸入功率 計算各軸的輸入功率要考慮到傳動效率 查閱到聯(lián)軸器傳動效率 一對9 01 軸承傳動效率 蝸桿傳動效率 蝸桿頭數(shù) 0 圓柱斜齒輪傳動98 02 8 03 21z 效率 0 5 4 蝸桿的輸入功率 WP75 249 0511 渦輪軸的輸入功率 8132 輸出軸的輸入功率 43 9 0 423 4 各軸的輸入轉矩 蝸桿的轉矩 mNnPT 0 2715 25 9105 9 3 661 渦輪軸的轉矩 48 65 3890 6262 輸出軸的轉矩 mNnPT 48 27910438 05 9105 9 3 6363 5 確定蝸桿頭數(shù)和各齒輪的齒數(shù) 已經得到了蝸桿頭數(shù) 渦輪齒數(shù) 選取渦輪軸上的另21 z 40212 zi 一個齒輪齒數(shù) 則輸出軸上的齒輪齒數(shù) 43z 15 34 6 渦輪蝸桿材料 考慮到蝸桿傳動效率 不高 速度也是中等 故選擇蝸桿材料為 45 鋼 蝸8 03 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HRC5 4 ZCuSn10P 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 T1 found 7 確定載荷系數(shù) K 蝸桿渦輪傳動時候 載荷不均勻 小沖擊 選擇使用系數(shù) 但是工作表15 AK 面良好的磨合 選擇齒向載荷分布系數(shù) 因為轉速不是很高 沖擊不大 選擇1 動載系數(shù) 所以確定載荷系數(shù) 05 1 VK 2 05 VAK 8 確定彈性影響系數(shù) EZ 因為選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) 160 EZ21aMP 9 確定許用接觸應力 H 渦輪材料為鑄錫磷青銅 金屬模鑄造 0 蝸桿硬度為 選ZCuSn10PHRC5 4 取蝸桿硬度大于 查表可以得到渦輪的基本許用應力 R45 PaTH268 應力循環(huán)次數(shù) 72 156 25 36 hLjN 接觸強度的壽命系數(shù) 893 0 10878 7KHN 許用接觸應力 MPaPaT 24 2693 10 確定模數(shù) 和蝸桿分度圓直徑m1d 渦輪齒面接觸疲勞強度的驗算公式 HHZmdKT 21480 變換為 332222 89 16 4 380 4 5361 480 mH 因為蝸桿頭數(shù) 查表可以得到模數(shù) 蝸桿分度圓直徑 1 z md01 11 中心距 ada2606 21 蝸桿軸向齒距 分度圓導程角 024 561 3 mPa 2509 直徑系數(shù) 2 01dq 蝸桿齒頂圓直徑 mmhdaaa 36 111 蝸桿齒根圓直徑 cdff 16 250 20 蝸桿軸向齒厚 sa 51 64 321 渦輪分度圓直徑 mzd0 2 渦輪喉圓直徑 haa 2 67 142 渦輪齒根圓直徑 ff 052 渦輪喉圓直徑 渦輪做成實心式渦輪 mdaa 1 2 渦輪齒寬 取渦輪齒寬 mBa 4 17 375 0 1 B7 12 校核齒根彎曲疲勞強度 0 FFaFYmdKT 2153 當量齒數(shù) 根據(jù)當量齒數(shù) 查表可以得到齒形系51 4 209 cos3 32 zv 數(shù) 螺旋角系數(shù) 38 2a FY 9357 0142 01 Y 壽命系數(shù) 6 5 2097 696 NKF MPaaTF 05 397 MPaaYmdFFa 74 10936 0826 142 53 12 F 彎曲強度是滿足的 13 渦輪蝸桿主要設計結論 模數(shù) 蝸桿頭數(shù) 蝸桿分度圓直徑 渦輪齒數(shù) 蝸6 1 m21 z md201 402 z 桿齒寬 取 蝸桿材料b 4 6 40 0 2 b1 為 45 鋼 齒面淬火 渦輪材料為鑄錫磷青銅 金屬模鑄造 Error Reference ZCuSnP source not found 4 7 斜齒圓柱齒輪傳動的計算 齒輪的材料 小齒輪用40Cr 大齒輪用45號鋼 0 大齒輪 正火處理 小齒輪調質 均用軟齒面 小齒輪硬度為280HBS 大齒輪硬度為240HBS 0 齒輪精度用7級 軟齒面 閉式傳動 失效形式為點蝕 0 按齒面接觸疲勞強度設計 由公式試算渦輪軸上的另外一個齒輪 齒輪 3 分度圓直徑 既 2322 1HEdHtt ZiTK 確定公式中各參數(shù)值 試選載荷系數(shù) 1 4 輕微振動 Ht 查取區(qū)域系數(shù) 2 433 Z 計算 562 014cos 20tanrcos tanrc t 974 21cos4 rs331tat hz 30 6s2 56 20cos1arcos2 cosr442 antat z tttatn 22 1 tatzz 457 12 56 0tan3 6156 0n974 2 9 ta ta3 zd 735 04 1905 1347 1 Z 螺旋角系數(shù) Z8 cos 查表取材料的彈性影響系數(shù) EZ 192 1Mpa 計算接觸疲勞許用應力 H 查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為 MpapaHH50602lim1lim 計算應力循環(huán)次數(shù) 77212 102 50 156 6 30 iNjLnh 查表取接觸疲勞壽命系數(shù) 2 9 HNHNK MpaSKHNH56102 1 lim22li1 取兩者中小者作為齒輪副的接觸疲勞許用應力 既 MpaH521 試算渦輪軸上的另外一個齒輪 齒輪 3 分度圓直徑 232 1HEdHtt ZiTK m413 25 52 985 073 81943 2 5 08 6 2 調整齒輪分度圓直徑 計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準備 圓周速度 v smndt 0472 160534 216023 齒寬 btd 53 計算實際載荷系數(shù) HK 查表得使用系數(shù) 1 5 A 根據(jù) 7 級精度 查表得動載荷系數(shù) smv 042 1 VK 齒輪的圓周力 NdTFtt 9413 25 8 36323 mbKtA 0 194 查表取齒間載荷分配系數(shù) H 查表取 1 417 H 則載荷系數(shù)為 273 41 51 HVAK 按實際載荷系數(shù)算得分度圓直徑 mdHtKt 728 34 13 2533 相應的齒輪模數(shù) zdmn 364 1 cos cos33 1 按齒根彎曲疲勞強度設計 0 試算齒輪模數(shù) 323 s FsadFtnt YzYTK 確定公式中的各參數(shù)值 試選載荷系數(shù) 1 3 Ft 計算 Y 140 3562 0cos14tanrccostanrctb 536 140 3cos 457 1cos 22 bv 78 0 05 vY 計算彎曲疲勞強度的螺旋角系數(shù) Y78 120495 120 計算 FsaY 由當量齒數(shù) 查圖136 4cos 12cs 27 614cos 2cs 334333 zz vv 10 17 得齒形系數(shù) 由圖查得應力修正系數(shù) 8 3FaFaY 84 sasaY 小齒輪的齒根彎曲疲勞極限為 MpaF503lim 大齒輪的齒根彎曲疲勞極限為 84li 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 92 7 3FNFNK 取彎曲疲勞安全系數(shù) S 1 4 則 016 7 2498135 3671 24980 15 434lim43li3 FsasFFNFYMpaSK 因為輸出軸齒輪的 大于渦輪軸上的另外一個齒輪 所以取 FsaY FsaY 016 4 FsaY 試算齒輪模數(shù) 323 cos FsadFtnt YzYTKm m61 0 24114cos78 03 8564 123 2 調整齒輪模數(shù) 計算實際載荷系數(shù) 0 圓周速度 v mZmdnt 09 154cos261 0cos33 s 8 39562 齒寬 bd 3 寬高比 h mmcnta 3725 1602512 9 7 0915 b 計算實際載荷系數(shù) FK 根據(jù) 7 級精度 查圖得動載荷系數(shù) 1 09 smv 028 VK 由 NdTt 96 705 1 48 532633 mbFKtA 1 09 1 查表得 1 4 查表用插值法查得 1 415 結合 10 99 查圖得 1 34 Hhb FK 則載荷系數(shù)為 067 34 109 51 FVAFK 按實際載荷系數(shù)算得的齒輪模數(shù) 0 mKmFtnt 81 3 671 3 對比計算結果 由齒面接觸疲勞強度計算的法面模數(shù)大于齒根彎曲疲勞強度計算 的法面模數(shù) 0 從滿足彎曲疲勞強度出發(fā) 從標準中就近取 為了同時滿足mn2 接觸疲勞強度 需按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑 來計算齒輪的齒數(shù)md728 3 0 既 36 12 4cos78 3 cos3 nmdz 取 245 0z 計算中心距 man10 374cos2cos43 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 35 1724arcos2arcos43mzn 計算小 大齒輪的分度圓直徑 mzdn67 2435 1cos 9 43 計算齒輪寬度 db 4 考慮不可避免的安裝誤差 所以從保證設計齒寬 和節(jié)省材料出發(fā) 一般將小齒b 輪稍微加寬 0 取m 1 5 25 3034 圓整中心距后的強度校核 齒面接觸疲勞強度校核 按前述方式查表得一下參數(shù) 2 182 5326 48 1 49 33mm 0 5HK2TN d 1i 2 433 189 8 0 735 0 985 ZE2 1Mpa Z 則 985 073 81943 25 03 491861223 ZidTEHH HPa 25 經過計算校核結果是滿足齒面接觸疲勞強度條件 齒根彎曲疲勞強度校核 按前述方式計算查表得一下參數(shù) 2 629 2 62 1 6FKmNT 48 53261FaY1Sa 2 18 1 84 0 738 0 778 2aYSa 35 1d mn2 41z 則有 23 22323 4135 cos78 0 6 248 629 cos zmYTKndsaFF 3 13FMpa 23 224324 4135 1cos78 0 8 24 5629 cos zmYTKndsaFF 4 13Fpa 滿足齒根接觸疲勞強度條件 2 齒輪的結構設計 齒輪3的齒頂圓直徑 齒輪3做mmhdaa 1605 3 23 49 23 成實心式齒輪 齒輪4的齒頂圓直徑 齒輪4做aa 7 8 67 4 成實心式齒輪 3 主要設計 齒數(shù) 模數(shù) 壓力角 螺旋角 1243 z m2 20 2135 1 齒輪變位系數(shù) 中心距 齒寬 小齒輪選用0 xa37mb3 543 40Cr 調質 大齒輪選用 45 鋼 調質 0 齒輪按 7 級精度設計 5 確定各軸的最小直徑及軸承 蝸桿最小直徑 mnPAd 6 37105 243 310min1 渦輪軸最小直徑 2 95 83 320in2 輸出軸最小直徑 mPAd 14 70413 3 30min3 根據(jù)計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 所以需同時選取聯(lián)軸器型號 0 聯(lián)軸器的計算轉矩 根據(jù)計算轉矩mNTKAca 7 4329 32 1 應小于聯(lián)軸器公稱轉矩的前提條件 選擇對應型號的聯(lián)軸器 再根據(jù)對應的軸徑 Tca 軸轉速選擇對應的輕載 中載 重載型軸承 蝸桿兩邊的軸承選擇米思米 型H 60 號軸承 其尺寸為 基本額定動載荷 渦輪兩邊mBDd860 459 的軸承選擇米思米 型號軸承 其尺寸為 其基H 62BDd1230 本額定動載荷為 輸出軸兩邊的軸承選擇米思米 型號軸承 其尺寸為N195 6 基本額定動載荷 mBDd80 N459 6 軸的校核 6 1 蝸桿上的作用力及校核軸徑 蝸桿 NTFt 29 30 2d1 nt 45 123 costan29 3cosar NF907t t 計算支反力 垂直面支反力 XZ平面 計算 繞支點B的力矩和 得0 BZM N03 798 20 7495 12 49 249 1 dFRarAZ 同理 0 AZMarBZ 4 5 8 校核 計算無誤 02451037 BZrAZRF 水平平面 XY平面 計算 同樣 繞支點B的力矩和 得BYMNFRtAY 25 698 45 1298 4 同理 0 AYMNFRtY 25 698 4 1B 校核 計算無誤 052 6r Z 垂直平面內的彎矩 C處彎矩 mNRBZ 8 649 CL 7307MA 水平面彎矩圖 C處彎矩 NRBY 025 4925 649C 合成彎矩圖 C處 mMCYZL 4 0 25 3 58 262L NC 160473RR 計算當量轉矩 應力校正系數(shù) 58 9 01 ba 213 258 T D處 mNaMCL 60 1 460 22212L mNR 60 校核軸徑 剖面 滿足強度條件 mMdbCLc 108 451 062 331 6 2 渦輪軸上的作用力及校核軸徑 渦輪 N45 168 532F2t dTnr 2 3 cos0tan416csta22 NFta 78 145 t 2 齒輪3 9 23 49632tdTFnr 78 05 1costancsta13 Nta 25 13t923 計算支反力 垂直面支反力 XZ平面 繞支點B的力矩和 得0 BZMN49 128 5 7 8023 495 12678 14526 R32 raarAZ FdF 同理 0 AZMN03 9128 5 6 23 4925 1678 14578 0 R323 raarBZ FdF 校核 計算無誤 03 9 2678 049 23 BZrAZRFR 水平平面 XY平面 同樣 繞支點B的力矩和 得 BYM N05 182 5 9 215 764 128 5 7632 ttAYFR 同理 0AYM 3 94 4 9 523ttBY 校核 計算無誤 05 1 65 210 823 BYttAYRFR 垂直平面內的彎矩 C處彎矩 mNRMAZCL 8 7354 519 51 dFRMaAZC 26 4 2 5 1 D處彎矩 mNaBZL 01 79 3 45 103 9 3 RMBZD 25 水平面彎矩 C處彎矩 NAYC 57 9684 10 8 1 D處彎矩 mRBD 3 02 35 4 2 合成彎矩 C處 mNMCYZLL 96 457 968473 4 2222 RCR15 D處 mNMDYZLL 86 10235 102 7922 MDRR 4305 42 計算當量轉矩 應力校正系數(shù) 8 9 01 ba mNT 360453268 2 C處 MCL 9 mNaTR 40 1653 085 64 2212 D處 aTML 0 1693 086 123 222L mNDR 4 C剖面 dbCR 5027 15 061 033 滿足強度條件 D剖面 mMdbDL 3548 125 0691 033 滿足強度條件 6 3 輸出軸上的作用力及校核軸徑 齒輪 4 N70 4tan13 50 2tanF19cos2cos 67 48294a43 trtdT 計算支反力 垂直面支反力 XZ 平面 繞支點 B 的力矩和 得0 BZMN96 53128 76 40 819 75 84 284 4 dFRarAZ 同理 0AZ N23 18 267 40 419 75 28 4 4 dFRarBZ 校核 計算無誤 3634 BZrAZR 水平平面 XY 平面 同理 繞支點 B 的力矩和 得0 BYMNFRtAY 91 328 41 208 4 同理 得 AYFRtY 10 6928 401 28 4B 校核 計算無誤 01 69 3Yt BARFZ 垂直平面內的彎矩 C 處彎矩 mNRBZ 52 938 42 1 MCL 6658A 水平面彎矩 C 處彎矩 mNRBY 4 301 94 合成彎矩 C 處 MCYZL 96 318 4 0 52 938 222L mNMCYZ 06 374 0 64 53 222R2CR 計算當量轉矩 應力校正系數(shù) 8 09 01 b mNaT 143 2758 3MCL 96 mNaTR 81 390 1486 307 2222 校核軸 C 剖面 mdbCRc 5 1 09 331 滿足強度條件 7 鍵連接與計算校核 本畢業(yè)設計中鍵連接選擇平鍵連接 圓頭平鍵 平鍵的工作面是兩側面 依靠 鍵和鍵槽側面的擠壓來傳遞轉矩 0 平鍵連接的強度條件為 輕微沖擊 查表得 pphldTkl 402 圓頭平鍵 MPap120 bL 蝸桿上的平鍵校核 蝸桿上的平鍵尺寸為 mhb62 所以 滿足強度 pp MPaaldTkl 645 10 9 34020 3 111 條件 渦輪軸上的平鍵尺寸分別為 mLhb2080 416 所以 滿足強度條件 pp MPahldTkl 8 30 12 8 56020 2 滿足強度條件 pp MPahldTkl 78 150 164 08 32420 3 23 滿足強度條件 pplkl 6 3 2 8 224 輸出軸上平鍵的尺寸分別為 mLhb103 4 所以 滿足強度條 pp MPahldTkl 23 4710 3 48 27920 3 335 件 滿足強度條pplkl 2 4 04 3 336 件 8 三維建模及平衡校核 8 1 三維建模 本畢業(yè)設計運用 SolidWorks2011 軟件進行三維建模 繪制了蝸桿 齒輪 軸 平 鍵 套筒 上箱體 下箱體 連桿等關鍵零件的模型 并且運用 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)設計無法 修改以及設計尺寸過大 3D 建模在裝配時出現(xiàn)了零件之間的干涉 比如在設計 2 個齒 輪之間的中心距小了一點 導致 2 個端蓋裝配發(fā)生了干涉 不過可以改變端蓋結構 把干涉的部分切除再安裝就不影響裝配了 由于對 SolidWorks2011 軟件的掌握程度和 運用程度不夠 3D 運動仿真未能成功 這也是本畢業(yè)設計的不足 8 2 平衡校核 四足機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 對四足機器人進行平衡校核 包21lml 021 lml 括軸向平衡校核和縱向平衡校核 重