基于四杆机构的轮足复合式机器人的设计与研究论文说明书

XXX毕业设计（论文） 目 录1 引言 12 本课题的研究现状、目的及意义 22.1 国内外研究现状与成果应用 22.2 课题目标 52.3 研究意义 52.4 本章小结 53 功能分析与原理设计 63.1 轮足复合式机器人的功能分析 63.1.1 轮足复合式机器人的总共能 63.1.2 轮足复合式机器人的分功能 63.1.3 轮足复合式机器人的辅助功能 63.1.4 轮足复合式机器人的控制功能 63.1.5 轮足复合式机器人的功能结构图 63.2 轮足复合式机器人切换部分的原理设计 73.2.1 方案I73.2.2 方案II83.2.3 方案对比选取以及初步设计93.2.4 设计优化113.3 轮足复合式机器人其他部分的设计133.4 本章小结144 零件设计与运动仿真154.1 机构受力分析154.2 各部分零件结构设计174.2.1 机架的设计174.2.2 连杆部分的设计184.2.3 丝杆部分的设计214.3 基于SolidWorks软件的运动仿真234.4 本章小结24结论 25参考文献26致谢 27摘要. 基于四杆机构的轮足复合式机器人的设计主要包括对轮足复合式机器人的概况以及国内外研究成果的描述，和研究目的及意义的阐述。该设计主要涉及到轮足复合式机器人的功能分析与原理设计，对切换部分做了详细的受力分析，对电机选型做了详细计算，对各部分零件和控制机构做出了设计并且进行了虚拟样机的演示。.关键词 四杆机构；机器人；轮足切换.Title The design of the wheel and foot composite robot based on four-bar linkage ABSTRACT The primary content in the design of the wheel and foot composite robot based on four-bar linkage is the summarization about wheel and foot composite robot and the description about it at home and abroad.It is also related to purpose and its significance.The design of the wheel and foot composite robot based on four-bar linkage is concerned about the analysis of its functions and the plan of its principles.And then,a detailed force analysis about the switch part is be given.Besides there is a detailed analysis about how to make a choice for the electric motor which is suitable.What is more is that it is also contained the design of the parts and the control mechanism.Then,the virtual prototype is be demonstrated. Keywords: four-bar linkage,robot,wheel and foot composite1 引言机器人形象和机器人一词，最早出现在科幻和文学作品中。1920年，一名捷克作家发表了一部名为罗萨姆的万能机器人的剧本，剧中叙述了一个叫罗萨姆的公司把机器人作为人类生产的工业品推向市场，让它充当劳动力代替人类劳动的故事。从现代来说，机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”常见的机器人驱动器主要有以下几种：电器驱动器，包括直流伺服电机、步进电机和交流伺服电机；液压驱动器，包括电液步进马达和油缸；气动驱动器，包括气缸和气动马达；特种驱动器，包括压电体、超声波马达、橡胶驱动器和形状记忆合金等。机器人用途广泛，在人们日常生活中扮演着越来越重要的角色。2 本课题的研究现状、目的及意义2.1 国内外研究现状与成果应用机器人技术的研究，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。中国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和中国的分类是一致的。空中机器人又叫无人机器，在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。80多年来，世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位。捕食者无人机如下图（1）所示：图（1）从机器人的用途来分，可以分为两大类：军用机器人和民用机器人。军用机器人主要用于军事上代替或辅助军队进行作战、侦察、探险等工作。根据不同的作战空间可分为地面军用机器人、空中军用机器人(即无人飞行机)、水下军用机器人和空间军用机器人等。军用机器人的控制方式一般有自主操控式、半自主操控式、遥控式等多种方式。在民用机器人中，各种生产制造领域中的工业机器人在数量上占绝对多数，成为机器人家族中的主力军；其它各种种类的机器人也开始在不同的领域得到研究开发和应用。总体看来，若按用途分，民用机器人可以分为以下几个主要类别：工业机器人制造工业部门应用机器人的主要目的在于削减人员编制和提高产品质量。机器人无论是否与其它机器一起运用，与传统的机器相比，它具有两个主要优点：1生产过程的几乎完全自动化。2生产设备的高度适应能力。现在工业机器人主要用于汽车工业、机电工业（包括电讯工业）、通用机械工业、建筑业、金属加工、铸造以及其它重型工业和轻工业部门。机器人的工业应用分为四个方面，即材料加工、零件制造、产品检验和装配。其中，材料加工往往是最简单的。零件制造包括锻造、点焊、捣碎和铸造等。检验包括显式检验（在加工过程中或加工后检验产品表面图像和几何形状、零件和尺寸的完整性）和隐式检验（在加工中检验零件质量上或表面上的完整性）两种。装配是最复杂的应用领域，因为它可能包含材料加工、在线检验、零件供给、配套、剂压和紧固等工序。在农业方面，已把机器人用于水果和蔬菜嫁接、收获、检验与分类，剪羊毛和挤牛奶等。这是一个潜在的产业机器人应用领域。服务机器人在一些科幻影片、电视片或影碟中，多少具有外形的机器人常被用来协助或代替人去执行人不乐意做或危险和困难的任务。今天在现实生活中能够看到的最接近于人类的机器人可能要算家用机器人了。家用机器人能够清扫地板而不碰到家具。不过它的价格目前还较高，影响到它的推广应用。随着家用机器人造价的大幅度降低，它将获得日益广泛的应用。服务机器人尚处于开发及普及的早期阶段，目前国际上对它还没有普遍承认的严格定义，它的定义是由操作型工业机器人引伸而来的。根据国际机器人联合会（IFR）采用的初步定义，所谓服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它完成的是有益于人类健康的服务工作，但不包括那些从事生产的设备。另一种定义把服务机器人看做一种可自由编程的移动装置，它至少有三个运动轴，可以部分地或全自动地完成服务工作。这些服务工作为个人或单位完成的，不指工业生产服务。根据这个定义，操作型工业机器人也可以看作是服务机器人，如果它们装备在非制造业的话。服务机器人往往是可以移动的（并非总是移动的）。在某些情况下，服务机器人是由一个移动平台构成，在它上面装有一只或几只手臂，其控制方式与工业机器人手臂的控制方式相同。海宝（HaiBao）中国2010年上海世博会吉祥物。2007年12月18日晚上8点，万众瞩目的2010年上海世博会吉祥物“海宝”终于掀开了神秘面纱，蓝色“人”字的可爱造形让所有人耳目一新。海宝，以汉字“人”字为核心创意，配以代表生命和活力的海蓝色。他的欢笑，展示着中国积极乐观、健康向上的精神面貌；他挺胸抬头的动作和双手的配合，显示着包容和热情；他翘起的大拇指，是对来自世界各地的朋友发出的真诚邀请。会场、宾馆、商场、科技馆、大型活动等迎宾机器人放置会场、宾馆、商场、科技馆、大型活动等活动及促销现场的迎宾机器人， 结合语音识别、人脸识别等技术进行迎宾。具体如下图（2）所示： 图（2）2.2 课题目标本课题目标是拟设计出一种基于四杆机构的轮足复合式机器人。该机器人以四连杆机构作为足端，用以实现轮式足式两种行走状态的切换。研究内容包括：（1）功能分析与方案设计；（2）结构设计与三维造型；（3）运动仿真；驱动方式：电动或气动；运动速度：按常用参数选取；设计要求：功能分析，工作原理、结构设计、调节方式、运动仿真等。2.3 研究意义随着我国经济的快速发展，我国工业机器人的市场将不断扩大，这一点无容置疑。这也从另一个侧面说面了为什么世界各大机器人公司纷纷登陆中国市场。市场有了，但多是国外的，拥有了自主知识产权的机器人还很少，这一点要引起我们的高度重视。一方面国家要对国产工业机器人给予更多的扶持；另一方面也望企业使用国产机器人给国产工业机器人行业一个机会。由于国产工业机器人的功能已经与国外相当，只要有批量，一定能够造就一个或几个中国品牌的工业机器人。在我国，工业机器人市场份额大部分被国外工业机器人企业占据着。在国际强手面前，国内的工业机器人企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给工业机器人产业发展注入新的动力。2.4 本章小结本章主要介绍了机器人方向相关研究与应用现状，梳理了课题的要求与目的，针对机器人不同的应用做出了分类，并结合当前国情对该课题的研究意义做出了分析。3 功能分析与原理设计3.1 轮足复合式机器人的功能分析3.1.1 轮足复合式机器人的总功能机器人以轮式或足式式作为移动方式，两种方式可以进行互换。该机器人以四连杆机构作为足端，根据需要可改变轮式与足式的运动方式。对上述总共能的几点说明：1） 外形尺寸自行安排；2） 结构要求紧凑可靠，外观大方美观。3.1.2 轮足复合式机器人的分功能轮足复合式机器人的分功能包括以下几点：1） 切换机构简单可靠；2） 满足以电动或气动提供动力的运动方式；3） 运行过程不易倾倒。3.1.3 轮足复合式机器人的辅助功能规避障碍物功能：对于运行过程中无法通过的障碍物要能有效规避。3.1.4 轮足复合式机器人的控制功能 过载保护：当轮足切换的运行过程出现如机构卡死等意外情况要有过载保护装置，以免动力、传动或者结构遭受不可逆的损坏；3.1.5 轮足复合式机器人的功能结构图轮足复合式机器人的功能结构图如图（3）所示：轮足的切换适应不同交通状况 切换信号 运动继续 轮足切换 运动停止yundongtingzhi 过载保护电源 伺服电机 传动系统噪音 控制系统发热图（3）3.2 基于四杆机构的轮足复合式机器人切换部分的原理设计从查阅的资料和实际应用情况来看，机器人进行轮足切换可采取以下几种方案来满足本课题要求：以高度为切换目标，通过改变轮和足的相对高度来达到轮足相互替换的目的；以角度为切换目标，通过改变安装于连杆不同角度的轮和足的角度来实现轮足相互交替的目的。下面就两种拟定的初步设计方案做出分析比较与选用：3.2.1 方案I以高度为切换目标:利用四杆机构的特性，通过竖直方向的着地水平高度的切换来达到轮足切换的目的。其主要结构如下图（4）所示： 图（4） 该部分工作过程简述：如图（4）所示的，机器人第一状态为轮式，四杆机构保持向上，足部组件被抬高，其相对高度高于轮式组件，轮式组件工作，则此时的状态为轮式机器人，由箭头往下，当四连杆机构向下变形运动，足式组件被放下，其相对高度低于轮式组件，这时轮式组件停止工作，取而代之的是足式组件，则此时的状态为足式机器人。3.2.2 方案II以角度为切换目标：利用四连杆的特性，以角度为切换目标，通过改变安装于连杆不同角度的轮和足的角度来实现轮足相互交替的目的。其主要结构如下图（5）所示：轮足切换电机轮式运动电机足式组件轮式组件 图（5）该部分工作过程简述：如图（5）所示的，机器人轮足组件都安装在同一连杆边上，角度为90度，当基于四连杆机构的轮足切换组件电机工作时，通过带动螺杆，使丝杆螺母左右运动，丝杆带动丝杆螺母向右运动时，足式组件被收起，轮式组件被放下，则此时的状态为轮式机器人；丝杆带动丝杆螺母向左运动时，足式组件被放下，轮式组件被收起，则此时的状态为足式机器人。3.2.3 方案对比选取及初步设计 两种方案的比较：如下表格（1）所示：比较项目切换过程的稳定性切换过程控制传动系统的复杂度机构安装难易程度动力系统制造成本方案I（以高度为切换目标）通过控制竖直方向四连杆机构的变形，达到控制上下高度方向运动的目的，其稳定性较好由于上下的切换方式，受重力影响传动机构需要加自锁机构做控制主要由四连杆机构组成，传动系统较为简单包括电机减速器蜗轮蜗杆机构和四连杆机构等，安装难易程度一般。使用电动机提供动力，动力系统满足课题要求总体造价较为适中方案II（以角度为切换目标）通过控制水平方向四连杆机构的变形，达到控制角度的切换目的，其稳定性较好水平方向做切换，只要不受外界横力干扰可不做自锁机构控制主要由四连杆机构组成，传动系统较为简单包括电机减速器和四连杆机构等，安装难易程度较为简单使用电动机提供动力，动力系统满足课题要求总体造价较为适中表（1）两种方案的分析：根据上表（1）中各种项目的比较和分析可看出方案I和方案II在切换的稳定性和机构的复杂度上面都是差不多的，切换过程的控制方面方案I稍逊色于方案II，其制造成本两者也相差不大，总体来看，方案II在某些细节方面更具优势。 方案的选用：综合实际生产考虑选用方案II进行设计。 初步设计：1） 切换机构的总体设计如下图（6）所示，通过连杆滑块的组合达到切换的目的。图（6）当四杆机构随着滑块的推动而运动时，滑块向右，足式组件被收起，轮式组件被放下，则此时的状态为轮式机器人；滑块左运动时，足式组件被放下，轮式组件被收起，则此时的状态为足式机器人。3.2.4 设计优化根据机械设计原则以及行业标准对以上的初步设计内容进行优化，改进不合理结构，细化每个部分的具体设计。1） 多足系统的运用为了使机器人运行时更加稳定，特别是在轮足切换时不摔倒以及在以足式状态向前运动时的可靠，作出如下优化，如下图（7）所示：多足系统机器人主体足部组件图（7）使用3对足部组件做成多足系统，由单边两端的足部组件和对边中间的足部组件三处一起构成一个运动单元，此时无论是切换还是行走的过程，每一步都有三点支撑，依据三点确定一个面的理论可见按此方案优化的机器人在稳定性方面有了巨大的提升。2） 减速电机与单轮直连的运用考虑到传动要求和机械设计合理设计的要求，每个轮式组件的轮子都配备一个减速电机，如图（8）所示：图（8） 减速电机的扭矩大，受力特性和速度响应特性较好，以此设计配合多足系统的使用，机器人就成为6轴可调，当以轮式状态运动过程中出现最多单边两轮悬空的状态都是不妨碍运动继续进行的，对不确定路面风险抗力极高，而且通过两对边轮的相对转动还可以进行原地360无死角转向。3.3 轮足复合式机器人其他部分的设计 I. 足式状态时给足部加装地脚根据机器人移动的特性和要求，足部组件中加设地脚装置，设计如下图（9）所示： 图（9）铰接处采用缓冲弹簧，以增加机器人运动过程中的稳定性，适应更多更复杂的路面和交通状况。II.功能性部件的设计根据设计要求，增加图像接收器和机器手臂，如下图（10）所示：图像信息收集摄像头机器手臂 图（10）3.4 本章小结 本章主要对轮足复合式机器人切换部分的功能原理进行了分析，讨论了各部分的工作内容和设计方案，并对可行度较高的两种具体方案做了详细的分析与比较，最终确定了本课题使用的方案且做出了机构总体设计与设计优化。4 零件设计与运动仿真4.1 机构受力分析依据理论力学相关理论，我们对轮足切换机构的两种状态做出简要受力分析，来确认机构的受力性能是否良好。具体分析如下：拟定轮足复合式机器人切换机构所承受的总质量为，铅蓄电池或者锂电池等电源质量；控制主机；驱动器、机械手、各类传感器和线材总质量；机架等其他部件总质量为，则可得轮足切换机构的总体受力为，取重力加速度由于设计上采用六组切换机构，当轮足切换时保持三组切换机构处于同一工作状态，那么此时每组切换机构所受力为 当机构处于轮式状态时：转点A地面支撑 可简化为如下受力：转点A电机通过丝杆组件产生的拉力重力的反作用力连杆运动方向的力其中重力的反作用力 车轮到转点A的水平距离为，则传递给转点A的力矩为 连杆运动方向与转点A的距离为，那么由此状态的平衡可以得到连杆运动方向的力矩为 那么 其与滑块受力方向的夹角为a=30，则可得为 由旋转运动转化为直线运动的扭矩T和推力F关系为（不计损耗，不计加速）： 由于导程为1，则电机的额定扭矩为 那么根据所选减速电机类型，查表（2） 表（2） 确定减速电机型号为：FH-37GB520-24-54.2 各部分零件结构设计4.2.1 机架的设计 依据机械设计以及机械设计手册中相关设计，机架的具体设计如图（11）所示： 图(11)4.2.2 连杆部分的设计1）连接架的设计 依据机械设计以及机械设计手册中相关设计，连接架的具体设计如图（12）所示： 图（12）2）连杆的设计依据机械设计以及机械设计手册中相关设计，连杆的具体设计如图（13）所示： 图（13）3）足部套筒的设计依据机械设计以及机械设计手册中相关设计，足部套筒的具体设计如图（14）所示： 图（14）4） 地脚连接杆的设计依据机械设计以及机械设计手册中相关设计，地脚连接杆的具体设计如图（15）所示： 图（15）5） 地脚的设计依据机械设计以及机械设计手册中相关设计，地脚的具体设计如图（16）所示： 图（16）6）轮式驱动电机安装座的设计依据机械设计以及机械设计手册中相关设计，轮式驱动电机安装座的具体设计如图（17）所示： 图（17）4.2.3 丝杆部分的设计1) 丝杆螺母导柱的设计：依据机械设计以及机械设计手册中相关设计，丝杆螺母导柱的具体设计如图（18）所示： 图（18）2） 丝杆组件安装基座的设计：依据机械设计以及机械设计手册中相关设计，丝杆组件安装基座的具体设计如图（19）所示： 图（19）3）联轴器的设计：依据机械设计以及机械设计手册中相关设计，丝杆组件安装基座的具体设计如图（20）所示：图（20）4.3 基于SolidWorks软件的运动仿真机械制造工业水平的高低直接代表了了该国家或地区的经济、科技、国防等方面水平的高低。传统的机械设计主要以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动伟特种的设计方法，存在着设计周期长、人为影响因数多、稳定性和可靠性差等一系列问题。 计算机辅助设计在现代机械设计中应用，不仅可以借助一些仿真软件，可以在设计过程中即可分析出机构、设备的薄弱点、干涉区域等等一些传统设计方法无法实现的功能，还可以有效的缩短设计周期。 SolidWorks是一款使用率非常高的机械三维设计软件，为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。SolidWorks软件也是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。本次设计虚拟样机模拟使用的为SolidWorks2014版本。SolidWorks2014建立在过去20个版本的成功基础之上，它包含了SolidWorks解决方案的诸多功能：3D设计、模拟、技术传播、产品数据管理和可持续性设。新功能如历史标签可以使多个用户通过点击鼠标即可查看并追溯最近的设计变更，这些功能对协同工作来说至关重要。增强功能如装配组合（快捷菜单中的常用组合）可以基于之前的使用模式，提供智能配对，并在装配时应用新的模式。本次运动仿真以运动零件的机械组合为基础，包括面与面的相交，孔与孔的同轴配合等，运用运动算列功能完成。具体请见以下文件： 附件-LZ1.0-001-A-轮足复合式机器人虚拟样机演示.avi4.4 本章小结 本章主要对轮足复合式机器人连杆、丝杆等部分零件做出了具体设计和优化并且针对切换部分的受力和电机的选型做出了详细计算。结 论本次基于四杆机构的轮足复合式机器人的设计与研究，通过功能原理分析、结构设计、受力分析和电机选型计算等过程，得出结果基本符合课题要求的结论。参 考 文 献1 吴宗泽、高志、罗圣国、李威.机械设计课程设计手册M.北京：高等教育出版社，2012 2 龚溎义.机械设计课程设计图册M.北京：高等教育出版社，2011 3 成大先.机械设计手册M.北京：化学工业出版社,20004 濮良贵、陈国定、吴立言.机械设计M.北京：高等教育出版社，20135 杨叔子.机械加工工艺师手册M.北京：机械工业出版社，20016 Neil Sclater、Nicholas P.Chironis. 机械设计实用机构与装置图册（邹平 译）M.北京:机械工业出版社,20077 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学M.北京:高等教育出版社，20098 刘鸿文.材料力学M.北京:高等教育出版社，20119 周明衡.减速器选用手册M.北京:化学工业出版社，200210 朱孝录.机械传动装置选用手册M.北京:机械工业出版社，199911 盘存云.机械原理M.长沙:中南大学出版社，201212 殷鸿梁、朱邦贤.间歇运动机构设计M.上海:上海科学技术出版社，199613 吕庸厚.组合机构设计与应用创新M.北京:机械工业出版社，200814 朱孝录.齿轮传动设计手册M.北京:化学工业出版社，200515 汪德涛、林亨耀.设备润滑手册M.北京:机械工业出版社，200916 谢联先 C B.机械零件的承载能力和强度计算（汪一麟 等译）M.北京:机械工业出版社，1984致 谢毕业设计是大学最后一次非常难得的理论结合实际的学习机会，在这次学习中不仅锻炼了自己查阅文献资料和软件制图的能力，还拓宽了自己机械方面的视野与见识。非常感谢我的指导老师XXX老师和其他老师在我完成毕业设计这几个月来不辞辛劳的亲切指导和设计过程中提出的宝贵意见与建议。第 30 页