多足步行机器人的结构设计及仿真【附赠CAD图纸】

附赠有CAD图纸,领取加Q 197216396 或 11970985 摘 要机器人的研究和制造水平逐渐成为一个国家或者地区综合科技实力的标志。如何实现机器人在复杂环境中顺利工作一直是研究人员关注的焦点。国内外工程技术人员一直致力于研究机器人的动态步行，如何降低结构自由度并简化控制一直是研究的难点。本课题从仿生学原理出发设计了一种能实现动态步行的新型四足步行机器人。本文对多足机器人的技术现状和特点进行了综合分析，确定了本课题的研究目标和预期结果。通过对马的对角小跑步态分析，完成了对四足步行机器人步态的分析与原理方案的设计，主要包括步行机构的原理方案和转弯机构的原理方案。基于上述的原理方案，对步行机器人的结构进行了设计，主要内容有总体装配图设计、腿部结构设计、转弯结构设计。在机构设计完成的基础上，对齿轮轴、直齿圆锥齿轮、轴承等关键零件进行了校核计算。最后运用Pro/E软件为机器人进行了三维建模和机器人的动作过程进行了仿真。本次设计完成的四足步行机器人在行走机构设计的基础上加入减震装置，对机器人的研究应用有一定的参考意义。关键词：四足机器人；仿马步态；转弯机构；减震装置XVABSTRACTThe research level of robot and manufacturing has become a symbol of a country or a regions comprehensive scientific and technological strength. 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目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外关于四足步行机器人的发展现状21.2.1 国外关于四足步行机器人的发展现状21.2.2 国内关于四足步行机器人的发展现状31.3 本设计的研究目标及完成的主要工作内容、预期结果51.3.1 研究目标51.3.2 设计完成的主要工作内容51.3.3 本设计的预期结果6第2章 机器人的步态分析与方案确定82.1 四足步行机器人的步态分析与规划82.1.1 四足步行机器人的步态分析82.1.2 四足步行机器人行走的步态规划92.1.3 四足步行机器人转弯步态规划92.2 四足机器人步行机构的原理设计102.2.1 大腿连杆组的设计102.2.2 小腿连杆组的设计112.2.3 脚底面的设计122.3 四足步行机器人总体方案的确定132.3.1 设计的基本原则及目标要求132.3.2 四足步行机器人的方案设计132.3.3 设计方案的选择和确定172.4 本章小结19第3章 四足步行机器人的结构设计203.1 四足步行机器人腿部结构设计203.2 四足步行机器人转弯结构设计203.3四足步行机器人减震装置的应用213.3.1 减振器的工作原理213.3.2 减振器的工作原理图223.4四足步行机器人整体结构方案233.5 本章小结24第4章 重要机构部件的参数计算与校核254.1 电机的计算与型号选取254.2 直齿圆锥齿轮传动设计与强度校核274.3 转弯机构传动轴的强度校核计算304.3.1电机输出端转轴的强度校核304.3.2传动轴的强度校核计算344.4 轴承的寿命校核计算374.4.1 电机输出端转轴轴承的寿命校核计算374.4.2 转弯机构传动轴轴承的寿命校核计算384.5转弯机构锥齿轮轴平键的校核计算384.6转弯机构与腿部机体连接螺栓的校核计算394.7本章小结40第5章 四足步行机器人的三维建模与运动仿真415.1 概述415.2 三维建模软件的介绍415.3 三维建模工作的主要内容425.4 本章小结45结论46参考文献47攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成果49致谢50第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义机器人技术是目前世界各国科研人员公认的的高新技术，它集合了机械设计、计算机与信息处理技术、自动化、传感器应用技术和人工智能技术等多门学科的最新研究成果，可以说机器人技术是当之无愧的机电一体化技术的综合体，所以研究人员对该领域的研究也是最活跃的。在不久的将来，科研人员对该技术的深入研究将直接推动机器人在生产生活中的推广和应用。目前各国研究的移动式机器人主要包括轮式机器人、足式机器人和履带式的机器人。无论哪种形式的机器人都可以平稳的通过波纹比较小的地面。但是当地面波纹比较大的时候，就会使轮式机器人的能量损耗现象加重，尤其需要指出的是轮式机器人在比较软的并且波纹浮动比较大的路面上根本无法正常工作。相比之下，履带式的机器人可以在比较软的并且波纹浮动比较大的路面上移动，但机动性会降低而且这种机器人的机身也会出现明显的振动使得运动不平稳。现在研制的足式机器人正好弥补了那两种移动机构的缺陷，研究人员从动物身上得到灵感设计了很多仿生足式机器人。该机器人对路况要求相对较低，仅需要有足够的离散立足点就可以实现稳定行走，但是这类机器人一般涉及较复杂的控制系统和一些复杂的新兴科技，所以相关的技术还有待补充和完善。足式机器人按照足的数量可以划分为分为双足机器人和多足机器人。自然界中多足动物比较常见，在自然选择的结构中存在下来，有其显著的优势。所以，多足人的研究较多，另外多足机器人的稳定性相对较好，承载能力强，控制容易实现。多足机器人的足数目前有四、六、八等。其中，足数为四的机器人与其他足数的机器人相比，具有明显的优势，例如对运动的控制形式和灵活能力，对环境的判别能力和适应能力；另外四足步行机器人不仅有很好的静态稳定性，而且还有超强的动态步行能力，所以研究人员一直很重视四足机器人的研究和发展。本课题所设计的连杆式四足步行机器人可以承载一定的重量，由于设计的独特性使得机器人的上机体保持平动，再加上减震装置的减震效果，使得该机器人可以作为良好的运输工具。在后期再加上视觉搭载系统和传感器，便可以实现机器人对周围环境的识别功能。1.2 国内外关于四足步行机器人的发展现状近年来，机器人技术迅猛发展，该技术的发展和创新可以算是本世纪最重要的科研成果之一。一直到1960年以后才出现真正意义上的四足机器人。早在1965年的时候Hildobran拍下了四足哺乳动物在不同运动状态下的照片，这为之后研究动物各种步态的具体过程打下良好的基础1。南斯拉夫的科学家 Tomovi曾在机器人的行走过程中用到了有限状态理论，并且明确的指出机器人在行走的时候腿部要么做支撑相要么做摆动相2。McGhee于1968 年用步态矩阵去研究四足步行机器人的步态3，并且给出了腿的跨距E、占空系数、相位等重要的概念，随后他和其他学者 一起对四足步行机器人的对称步态进行了研究，并把步态公式和步态矩阵有机结合在了一起4。1985年中国台湾的李祖天等人给出了对称步态变量之间的数学表达式以及稳定裕度的计算方法5。四足步行机器人的应用前景十分广阔，然而它的步态规划和控制系统的简化一直是研究的瓶颈。如何实现机器人的机构设计与步态的统一，是目前各国学者一直讨论研究的热点问题。1.2.1 国外关于四足步行机器人的发展现状从机器人诞生到现在，机器技术已经从最初的示教再现演变为全新型的智能机器人，该技术的应用也逐渐变得广泛。尤其是进入20世纪80年代之后，世界各国开始纷纷设计和生产机器人产品和相关的附属工具、零部件以及成熟的技术。很多科技公司也尝试着把机器人变成具有使用价值的产品，并将这些产品推销给大学或者研究部门来帮助科研人员相互学习，从而很好的创造了这样一个互助互惠的平台。这也就使得多足步行机器人的发展方向越来越多元化。日本东京工业大学研制的TITAN系列 610 是最具有代表性的四足步行机器人，如下图1.1 所示的是目前已经成功推出的 TITAN-IX 机型，该机器人能够完成扫雷排雷的作业。到了20世纪90年代，人们又对四足步行机器人进行了更深层次的研究，这次研究更加重视高自主性。例如微型机器人“Spider-bot”，它是由美国 NASA 研制的，可以像蜘蛛一样正常爬行于许多不规则的表面，该机器人的研究人员表示准备将其用于未来的太空探测11，如图1.2 所示。在2006年初Cornell 大学研制成功的机器人Cornell Ranger12是利用电机直接来驱动踝关节运动，随后又研制出了轮足结合的月球步行机器人ATHLETE13(图1.3 )和用于军用作战运输的步行机器人BigDog14(图1.4 )。 图1.1 四足机器人 TITAN-IX 图1.2 四足机器人 “Spider-bot” 图1.3 四足步行机器人 ATHLETE 图1.4 美国的大狗 Bigdog另外，还有一些国家的研究人员也取得了显著的研究成果。例如，2005年的时候，韩国庆北大学设计的一种新型机器人ELIRO-模仿蜥蜴的运动机理 15,16 ，可以在光滑的墙壁上爬行。被广泛应用于商业生产的步行机器人中最成功的是 Lynxmotion公司研制的17，该机器人的步行机构采用一个平面四杆缩放机构，而且每个机械腿都只具有二个自由度却成功实现了机器人的前进、后退、左右转弯，另外该机器人最具创新的地方就是它的记忆体有一半是留给客户去自由支配的。1.2.2 国内关于四足步行机器人的发展现状我国开始研究机器人比较晚，但是不可否认的是我国的机器人技术进步还是比较快的，已经取得不错的成绩的领域有工业机器人、特种机器人和水下机器人等等。针对四足步行机器人，上海交通大学机器人研究所研制的二种四足步行机器人比较典型，如图1.5所示。（a）图所示的是利用平面四杆机构作为腿部机构的四足步行机器人，该机器人可以完成跨越障碍和爬楼梯等多种高难度动作，这个机器人还能实现对周围环境的识别和相应步态的调整；（b）图所示的能够实现对角动态步行的四足机器人的步行机构是开环关节连杆机构, 在该机器人的每个足底均使用压电薄膜式力传感器来进行信息反馈。 (a)四连杆爬行机器人 (b) 多关节四足机器人图1.5 由上海交通大学自主研发的两种四足步行机器人另外，图1.6所展示的是清华大学机器人研制成功的两种四足机器人。下图(a)所展示的四足步行机器人起名为 QW-1，这是由清华大学机器人实验室最先推出的一个机器人，研究人员把平面四杆缩放机构作为该机器人的步行机构，机器人的全方位感应是通过脚底的压力传感器来实现的；图(b)所示为清华大学相继推出的仿蛙机器人，它的步行机构是开环连杆机构，该机器人可以实现上下坡和越障，即使在复杂的地面上仍然具有稳定的自主行走能力。 (a) QW-1 (b) 仿蛙机器人图1.6 由清华大学自主研发的机器人在2004年, 图1.7所示的是由华中科技大学自主研发的具有手臂融合机构的“42”步行机器人18,19。该步行机器人正常行走的时候才用六条腿协调运动，当需要进行工作任务的时候就会抬起前两条腿来变成机械手进行工作，另外四条腿则保持协调运动或者起到支撑架的作用。其外形尺寸为1240 mm920 mm550 mm。该机器人即能行走又能完成机械手功能的这一设计思想充分体现了机器人的多运动形式和多功能性。华中科技大学、哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学等高校也一直设计和研究四足步行机器人。例如哈工大研究人员巧妙的采用蜗轮蜗杆传动作为四足机器人的步行机构，如图 1.8 所示。 图1.7手脚融合型机器人 图1.8 涡轮蜗杆传动型机器人1.3 本设计的研究目标及完成的主要工作内容、预期结果1.3.1 研究目标本课题为主要用于在一定波形路面上行走的新型四足步行机器人的结构设计及仿真。首先应该对现有的四足步行机器人的运动原理和结构形式进行了解和分析，其次明确本次的设计任务，并采用合理的方法来完成四足步行机器人总体方案的设计。最后对机器人重要部位进行创新设计从而更好地满足机器人的功能要求。首先，现在国内外研制的四足步行机器人的结构一般相对简单，但是控制系统复杂，并且研究静态步行的机器人较多，很少有对动态步行的研究。所以本设计的目的在于简化结构的同时也相应的简化控制系统的设计，增加该类步行机器人的功能多样性，使得其适应性更强，成本更低，更加适用于市场推广。另外，本设计的一大特色是采用模块化设计思想。本设计中机器人的腿部结构可根据工况的变化而更换。比如，采用可在水平地面上的稳定行走的摩擦系数较大的轮式足结构；用连杆结构，可实现在多障碍场合进行轻松越障的行走工作，其实现形式就是在小腿部位换装不同结构的脚部结构。在本次设计中只采用一种结构，即通过设计一种合理的曲线来保证机器人行走时的腰部始终在同一水平线上的脚底形状。1.3.2 设计完成的主要工作内容1、四足步行机器人总体方案的确定与相关参数的确定（1）对目前现有的四足步行机器人查阅了相关的资料，全面地了解国内外的发展现状。先初步对四足步行机器人的总体方案进行确定，其任务主要包括步行机器人的整体结构、转弯机构的部分结构及步行机构的部分结构的方案设计，并简单叙述了最佳方案选择的全过程。（2）确定四足步行机器人总体方案的重要参数，主要包括机器人总体的结构尺寸、步行机构的尺寸、转弯机构的尺寸，各个驱动部分电机的选择，相关零部件参数的选择和校核计算等等；2、四足步行机器人结构的设计（1）总体结构的设计，规划本课题设计的步行机器人的行走及转弯步态，设计机器人四条腿的协调运动等等；（2）步行机构的设计，主要包括传动装置、小腿部分结构的设计，阐述机构工作原理，确定传动方案；（3）转弯机构的设计，主要包括转动机构传动装置的设计，阐述工作原理，确定传动方案。3、四足步行机器人主要零部件的校核与相关零件和元器件的选择（1）进行相关零部件和元器件的选择，包括电机选型、滚动轴承型号等；（2）直齿圆锥齿轮的尺寸参数的确定和强度校核的计算；（3）传动轴材料的选择、结构尺寸的设计及强度的校核计算；（4）轴承强度的校核与寿命的计算；（5）螺栓组强度和使用寿命的相关校核。4、四足步行机器人的工程图绘制按照机械制图的规范和要求来绘制四足步行机器人的总体装配图、步行机构的部件图和相关零件的零件图，用手工及计算机出图。5、四足步行机器人的三维建模与仿真通过三维模型的建立，可以避免机器人装配时存在的干涉和尺寸不合适等问题，并且做了运动动画，生动形象的了解该四足步行机器人运动过程。并与现有的同类步行机器人进行比较分析，从中找出本机器人的不足之处，并再次进行优化达到提高本机器人性能的目的，从而满足本设计所要求的目标，得到具备高灵活性、高效率的四足步行机器人的本体结构设计，从而实现小跑步态。1.3.3 本设计的预期结果本设计要求最终能够实现的预期目标主要是：确定总体方案，选择适合的电机型号，完成步行机器人的总体结构设计，使步行机构和转弯机构能够相互配合运动，从而让四足步行机器人实现小跑步态运动和避障等功能。要求该四足机器人的步行机构能够实现机器人四条腿的协调运动，保证四条腿及转弯机构能够在抬起的时候不会使机器人整体倾覆，并要求在运动过程中始终保证机器人的相对稳定性。四足步行机器人的四个步行机构分别采用一个电机驱动一个机械腿的形式是为了保证机器人在运动过程中控制更加方便可靠和使得相互之间耦合关系减弱而加上去的，该机器人每条腿的结构相似，四条腿之间相互配合运动，进而保证四足步行机器人相对稳定的运动。本课题设计的四足步行机器人的脚部机构不仅要尽量保证在支撑时与地面始终接触，还要要求支撑腿在支撑过程中配合摆动腿进行蹬地运动，保证步行机器人在行走时的协调运动。第2章 机器人的步态分析与方案确定2.1 四足步行机器人的步态分析与规划2.1.1 四足步行机器人的步态分析从发展机器人技术之前，科学家就已经在努力研究动物和昆虫的行走方式，动物的步态实现形式一直是生物学家的研究难题2023。近几年从事机器人技术的研究人员一直在努力构造动物副本的步行行走姿态多足步行机器人。根据步行机器人结构的特殊性，开发出来了不同于动物行走步态的奇特行走姿态，从而实现机器人的功能。步态规划对四足步行机器人来说非常重要。在进行四足步行机器人结构设计之前，应该先合理的规划步行机器人的步态才能得出合理的机构设计。根据真实马的行走方式，设计出步行机器人的直线行走与转弯时各个部位间的相互运动的关系。为了能够更好的规划四足步行机器人的行走方式，本文首先研究了现实生活中马行走时的步态。首先，给出步态的定义：指步行机构中各个腿的动作顺序和方式的规律26。人们通常把步态划分为对称的和非对称的。如果四个腿中存在地时间相等的双腿，则被称为对称步态比如行走（walk）、溜蹄（pace）和对角小跑（trot）24；双腿着地时间不相等的，就是非对称步态比如奔跑（gallop）。有的研究文献中，把慢跑（canter）归为非对称步态25。本文将详细介绍一下马的对角小跑步态。四足动物最常使用的对角小跑步态是一种中等速度的步态，当它们由行走向奔跑变换步态的时候就会用对角小跑步态来提高行走速度。马在小跑时斜对角的两条腿同步动作。简单地说，当对角的两条腿同时作为支撑相时，另外两条腿作为摆动相。支撑相的两条腿着地点的连线在机器人机体的下方，可以说这种步态也是相对稳定的动态步行方式。对于某些两栖动物来说，由于它们的神经系统简单而无法控制稳定性相对较低的非对称步态，只能采用对角小跑步态来提高速度，所以这种步态成为它们躲避敌人或者捕食猎物时的最佳动作。如图 2.1 所示，马在小跑时，大部分时间是对角的两条腿作为支撑相，另外两条腿则作为摆动相，并且四条腿或者三条腿在相当短暂的时间内能够同时起到支撑作用。这种步态的移动速度中等。研究表明，正常情况下成年的马在完成一个步态周期所用的时间大约是1秒左右。25第2章 四足步行机器人的总体方案确定图2.1 马在小跑时的示意图2.1.2 四足步行机器人行走的步态规划图 2.2 所展示的是机器人小跑时的原理分析图。图2.2机器人小跑运动分析图如图 2.2 所示，机器人在小跑运动时四条腿的具体动作过程为：（1）初始位姿如图 2.2 第一个图，四条腿同时作为支撑相站立在地面上；（2）开始迈步的时候，右前腿3和左后腿1往前迈步，同时左前腿2和右后腿4往后蹬地从而实现第一个跨步；（3）当右前腿3和左后腿1再次着地的同时，左前腿2和右后腿4开始往前迈步，并且右前腿3和左后腿1往后蹬地；（4）四个腿成对依次完成迈步动作，形成一个步态周期。2.1.3 四足步行机器人转弯步态规划为了实现四足步行机器人的转弯，设计出用锥齿轮传动的系统安装在腿部机体上17，四个电机依次转动来实现机器人的转弯，如图 2.3 所示的是四足步行机器人的转弯步态过程，具体的过程可以描述为：（1）左前腿3和右后腿1在往前迈步的时候转过一定的角度；（2）当右前腿4和左后腿2往前迈步的时候也转过相同的角度；（3）当避开障碍后，右前腿4和左后腿2在往前迈步的时候电机反转相同的角度，左前腿3和右后腿1在迈步的时候也反转相同的角度；（4）这样在一个步态周期内就可以实现转弯，快速方便。图2.3四足机器人的转弯示意图2.2 四足机器人步行机构的原理设计步行机构设计至关重要。它的主要作用是实现机器人在路面上的行走，所以说该机构设计的好坏是评价整个步行机器人的结构性能和运动灵活性的重要标准。本课题设计的机器人在设计时用到了联动的平面六连杆机构。连杆机构不仅有可靠性高，运动准确，对装配误差不敏感，可以实现复杂的运动规律的优点，而且连杆机构制造简单，成本低，这符合设计一种适合市场推广的产品的思路。本次设计的四足机器人实现腿部各个关节联动的方式是通过连杆间的相互连接运动，由单个动力源驱动，双腿联动，减少了控制环节，进一步降低了成本。连杆的设计是设计本机构的关键，其中各连杆的尺寸是设计的主要内容，该机构的连杆大致可以分成两个四连杆机构，即大腿连杆组和小腿连杆组，可以对齐分别进行设计。设计连杆的方法有很多，本文采用作图法和解析法相结合的方法，具体设计方法如下。2.2.1 大腿连杆组的设计图 2.4 所展示的是机器人大腿部分的四连杆机构曲柄摇杆。由机架（连杆1），大腿（连杆2），大腿连杆（连杆3），曲柄（连杆4）构成。根据结构的需要确定连杆1为固定连杆，长度为L1，摇杆2长度为L2，应用两个极限位置可得曲柄4(L4)与连杆3(L3)的关系。于是得到各连杆的尺寸。并且得到机器人左右腿的两个曲柄的相位差始终为15，由于双腿联动，即一条腿到达最前的位置时另一条腿已经到达最后的位置，所以只要让左腿和右腿的曲柄机构成150-15=135夹角即可。图2.3大腿连杆组计算2.2.2 小腿连杆组的设计小腿连杆为双摇杆机构，由大腿连杆（连杆3），大腿（连杆2），连杆6，连杆7构成。应用两个极限位置，将连杆5旋转到相同位置可以绘制出如2.5所示的图形，应用余弦定理可以很容易的计算出, 或者在CAD软件中直接测量。对三角形ABC和ABC应用余弦定理：联立，解得各连杆尺寸。 图2.4小腿连杆组计算 图2.5 脚底曲线设计2.2.3 脚底面的设计正常动物行走时腰部并不是始终在同一条水平线上，运动时腰部会有一定的起伏，显然对四足机器人刚性连接的机体上下运动是不方便的，所以通过设计合理的脚底曲线来保证机器人行走时的腰部始终在同一水平线上。脚底与地面的配合的要求并不是非常精确，故采用描点法设计脚底曲线。其设计方法是：在水平的地面上画一系列点，运动仿真后以这些点在小腿上画轨迹曲线，这些轨迹曲线的包络线的一部分就是我们所需要的脚底曲线，如图 2.6 所示。至此，腿部行走机构各个连杆尺寸和位置的设计计算完成。结构原理图如图 2.7所示。图2.7步行机构本体简图根据图2.7步行机构简图，电机直接带动曲柄旋转，曲柄作整周运动来实现大腿的摆动，曲柄带动的连杆作为摇杆再带动小腿的摆动，从而实现向前迈步和向后蹬地的连续动作。此步行机器人结构能模仿马在对角小跑时的步态。其工作原理为：电机组件（7）顺时针转动（主视图）从而带动曲柄（6）转过一定角度a，这样就会带动大腿和小腿相对摆动一定的角度，当曲柄被动整周转动时，小腿就会实现往前迈步和王后蹬地的循环动作，从初始位姿的与地面接触到抬腿，从抬腿到与地面接触，再到往后蹬地这几个过程转过的角度是相等的，所以换腿的时间也是相等的，所以该设计的机器人在运动的时候符合小跑步态时四条腿分布时序表，如图2.8所示。定义小跑步态的占空系数,根据小跑步态独特的特点和对时序分析参数的定义，设定。定义一个跨步周期是根据任意一条腿相邻两次落地的时间差。由于对角小跑步态比较独特，每条腿在同一时间内的跨步周期中依次完成着地及抬起动作，而且对角腿的着地和抬起时间和其它两条腿在下个周期中的着地和抬起时间位于同一个跨步周期。图 2.8小跑步态跨步周期时序表2.3 四足步行机器人总体方案的确定2.3.1 设计的基本原则及目标要求本设计的基本原则是在对马的小跑步态进行运动仿生的基础上，实现机构的行走和转弯运动，保证步行机器人运动的平稳性，同时还要保证步行机器人的各个模块易于拆卸维护，在满足机器人能适应具有一定波动的路面的基础上，形成一个在地面上灵活运动的四足步行机器人。本设计的目标要求是以四足哺乳动物-马的运动步态作为基本原理，进行四足步行机器人的基本机械结构设计，主要包括步行机构和转弯机构的设计，并在尽量减少附加动力和简化外部控制的基础上，使各个机构实现四足步行机器人的对角步态式的行走及转弯运动，并且通过控制电机转动相位差来保证设计的可行性。在保证步行机器人实现预定功能，运动平稳及方便维修的基础上，要做到尽量减少不必要的机构设计，使机构设计得到简化的同时又能很好的满足机器人的使用要求。2.3.2 四足步行机器人的方案设计1、四足步行机器人足数的方案设计步行机器人最重要的结构就是步行机构，所以对步行机构的合理设计是对机器人设计成功与否的重要标志26。目前所设计的机器人腿部数量越来越多。通过研究发现足数为偶数时容易产生相对稳定的步态。一般来说足数越多承载能力就会越大，而足数越少其运动就会相对的越灵活。总结对足数选择的主要影响因素主要包括：机器人运动稳定性的要求，机构冗余性要求(就是当步行机器人的腿部受到一定的损坏时还可以正常行走)，能量损耗情况，生产并制造机器人的成本，机器人的重量，旋转关节所需控制的复杂程度和机器人为了实现相应任务所需安装传感器的复杂程度。如果步行机器人的性能要求及对工作条件的要求不一样则在确定步行机器人足的数目时的侧重点也就会不一样。表 2.1 所列出的是机器人足数不同对应的几个不同性能对比分析。表 2.1 步行机器人的足数与性能评价分析表足数23468静态稳定行走的能力无无中等良好优秀动态稳定行走的能力较差中等优秀良好良好用自由度衡量的机械结构复杂程度优秀中等良好较差较差通过分析比较可以得出的结论：四足步行机器人相对于其他步行机器人来说其机械结构相对简单，而且四足机器人动态行走能力是最好的，故可以实现马的小跑步态。综和上述分析，本文最终选用四足步行机器人。2、四足步行机器人步行机构的方案设计本文所研究的对象是四足步行机器人，根据现有的技术方案，有很多种执行方式可供选择。国内外的一些四足机器人的步行机构大多采用开链式、闭链式以及其他形式的结构等。闭链式的步行机构有较好的承载力、刚性和较小的功耗，腿部末端在机体上部有较大的运动空间，从而给机构带来死点。研究人员有时会应用动物的四肢结构来设计步行机器人的步行结构。所以多是关节式的步行机构，这种机构结构简单而紧凑，足端相对运动空间大，运动时就算出现失稳状态也能很快恢复最初的姿态。它的缺点是四个腿的耦合运动导致协调控制变得复杂难实现，另外机器人的承载能力也会下降。由于本次设计的机器人是开链式的，所以本文仅简单分析以下两种开链式步行机构。（1）二自由度的腿部开链式连杆机构图 2.9（左）所展示的是具有两个自由度的腿部的三维模型。该开环式腿的组成有小腿、大腿和髋关节。两个自由度分别是：一个是大小腿组成的为了实现腿抬起和下落的平面连杆机构；另一个是为了实现腿的前后摆动的连接关节髋关节。右图中的圆柱为髋关节，大腿长度是，小腿长度是。小腿在 A 点绕轴转动。 图 2.9二自由度的开链式步行机构当机构处于某个位置，大腿关节转动角设为，小腿杆转角设为，p ,q分别表示为杆长在oxy平面内的投影和髋关节距离地面的高度。则可以得出足端B点的运动轨迹方程，式（2-1）中负号表示沿Z轴的负方向。 （2-1）（2）三自由度的腿部开链式连杆机构如图 2.10（左）所示为三自由度的开链式连杆机构的三维模型示意图。三个自由度分别是：髋关节绕 Z轴转动，旋转半径设为；大腿关节绕着与大小腿运动所成平面垂直轴旋转，杆长设为 ；小腿关节绕Y轴旋转，杆长设为 。 图 2.10 三自由度的开链式步行机构图 2.10（右）所展示的是机构处于某位置，小腿杆转角设为，大腿关节转角设为和髋关节夹角设为，则得出式（2-2）所示的足端C点的轨迹方程。 （2-2）式中： 从上式中可以得出结论是：在 X-Z 平面内足端运动曲线类似椭圆，机器人髋关节再转动就会使得足端的运动空间变成三维。所要设计的四足步行机器人，它的工作对象设定为一定较小波动和有较大障碍的地面，要求承载能力大、运动平稳、振动小、速度适中、适应能力强，并且要求结构设计简单，这样控制系统就会相对简单，从整体上降低设计和生产成本。在本设计中采用具有两自由度的开链式腿结构。表2.2是对几种具体的腿部结构形式的分析比较。表 2.2 不同腿部结构形式分析表 优点缺点单关节直接驱动式结构简单，转弯容易，易实现运动仿生电机数量多，控制复杂，平面连杆式运动形式多，传动压力小，磨损轻，制作简单，成本高惯性力难平衡，设计复杂，积累误差轮足一体式承载能力大，具有很强的适应能力对路面要求高，应用范围窄蜗轮蜗杆式承载能力大，运动平稳，控制简便，适应能力强运动速度慢，结构笨重，运动局限性大通过分析比较，决定采用平面连杆式结构，大腿和小腿采用联动方式，从而将减少驱动元件，也就会使得控制系统简化。3、四足机器人转弯机构的方案设计转弯机构是机器人的重要部分之一，主要功能是使机器人能实现转弯运动，从而成功避开较大的障碍物。在进行步行机器人的结构设计时要尽量减少自由度而且简化控制。初步确定机器人的驱动源都采用电机。转弯机构的电机分布方案有如下两种：（a）双电机分布式转弯机构这种双电机分布式转弯机构的主要工作原理是把两个一样的空心杯直流伺服电机分别安装在对角的两个腿部，一个电机控制两个转动关节，而在转弯机构的中间用同步带传动，但是这种布局会增加机器人机体的整体尺寸，也会使重心不在机体几何中心，这不符合小跑步态的重心要求。（b）四电机分布式转弯机构四电机分布式转弯机构的主要工作原理是每个腿部机构都单独由一个伺服电机来实现驱动，这样转弯机构会更加的灵活，相互之间不会产生运动干涉，也很好的控制了整体尺寸。转弯机构中最常见的传动方案有：（a）带传动：一般来说带传动具有良好的弹性，而且传动比较平稳，噪声小而且有很好的吸振和缓冲的作用；带传动会使机构简单化，制造、安装及维护都比较方便；一般使用于大中心距的传动；外形轮廓尺寸大且效率低。（b）齿轮传动：传动比准确，效率高，传动功率和速度范围广，工作可靠，结构紧凑；但是齿轮制造成本相对较高，精度低的时候噪声大。（c）蜗杆传动：能够实现大的传动比，并且工作较平稳；当蜗杆的导程角3.56时传动具有自锁性，传动效率较低，制造成本较高。（d）螺旋传动：传动精度高，但是加工精度也高，成本较高，主要将旋转运动变成直线运动，将转矩变成推力。2.3.3 设计方案的选择和确定1、方案评选的基本原则根据以下准则进行机器人最终方案的确定（a）整个运动系统的工作流程要能够充分体现高效化和自动化；（b）各个部分的机构部件设计在达到高可靠性和易装拆维护的基础上的同时，还要实现运动的相对平稳性和灵活性；（c）对工作环境适应性要强，而且应用范围要广；（d）在模仿生物运动机理的基础上，尽量用简单的机械结构来实现多种功能。在设计四足步行机器人的整体结构的过程中应该一直贯彻这样的设计思想：设计不仅要保证机器人的运动稳定性和可靠性，而且在此基础上要做到使各个机构的零部件能够保证机械传动衔接的合理性，并且最大限度的降低机器人在机械传动系统中所加入的外加动力源的数量。2、步行机构的方案评价和确定第一种两个自由度的开链式步行机器人是通过连杆平面运动和髋关节转动来实现直线行走和转弯避障的运动。第二种三自由度开链式步行机器人虽然动作灵活，使步行机器人适应于更广的范围与领域，但是足端运动轨迹较为复杂，再加上髋关节的转动，使得足端运动是一个空间轨迹，在控制各个关节的转动角度和时间时较为复杂。但第一种机器人和第二种机器人的结构形式都很具有参考价值。根据课题的相关要求和通过比较各种腿部具体结构，最终决定四足机器人的步行结构采用平面四连杆机构。设计一种新颖的四足步行机器人，并确定机构设计方案使得该机器人满足本应具有的性能。3、四足步行机器人转弯机构方案评价和确定（1）电机分布方案的确定四电机分布的转弯机构相对于两电机分布的转弯机构方案，虽然多出了两个电机，但是能更好的实现四足步行机器人的转弯姿态，更能体现四足步行机器人的运动平稳性及可控性，所以选择四电机驱动转弯机构。（2）传动方案的确定考虑到步行机器人的转弯运动是通过相交轴传动来实现的，并且要求结构要紧凑、高效率和低成本，最终决定采用锥齿轮传动方案来实现转弯机构的传动。4、总体原理方案的确定在本课题的四足步行机器人的设计基础上，由于采用平面连杆机构实现直线行走和转弯避障的思想，由此确定在设计中主要存在如下两个设计难点：步行机构和转弯机构。首先，对于步行结构来说已确定为电机驱动。具体采用曲柄摇杆机构和双摇杆机构实现大腿和小腿的联动。一个电机驱动一个步行机构，不仅使得电机的数量大大减少，关节自由度数降低，而且运动形式单一，从而使得该机器人方便控制，而且这样的设计也使机器人结构更加紧凑。其次，针对机身部分的结构设计来说，将转体结构设计在机体上从而增加腰部回转关节，这样的设计较容易，驱动较少，易于实现机器人的转体。但是，腰部回转关节的加入，不仅会降低机器人的承载能力，而且在实现转弯运动时，腿的相互协调非常困难，尤其是针对本设计采用的小跑步态。将转弯机构设计在腿与机体的连接部位，虽然增加了驱动数量但是运动实现形式简单化，所以最终确定采用四电机分布的转弯机构。2.4 本章小结本章主要对机器人的步态进行了重点研究，同时完成了四足步行机器人系统方案的提出和论证及最终方案的确定。采用平面四连杆机构和齿轮传动的转弯机构的结构系统设计方案，在最大程度上满足了四足步行机器人系统设计的基本原则，最大程度的简化结构。这符合四足步行机器人设计的目的及基本原则，同时也充分的体现了创新型设计的要求，为下一章节具体的结构设计做了准备。第3章 四足步行机器人的结构设计3.1 四足步行机器人腿部结构设计本课题设计的机器人腿部结构设计的重点是行走机构，采用联动的平面六连杆机构。由单个动力源驱动，双腿联动，控制系统得到简化,具体结构见图3.1。1-脚部 2-减震装置 3-大腿杆件 4-小腿杆件 5-大腿连杆 6-曲柄 7-电机组件 8-轴承端盖 图 3.1步行机构的结构详图3.2 四足步行机器人转弯结构设计本设计中的步行机器人转弯机构不仅是机器人腿部和机体的连接机构，而且直接利用电机驱动直齿圆锥齿轮进而带动传动轴转动来实现机器人的转弯运动。本设计的机器人转弯机构利用四个直流空心杯伺服调速电机相互配合完成机器人的转弯动作，同时四个电机相配合也增加了机器人的限制度，可以达到仅使用电机就能智能控制步行机器人进行正常的工作。本设计中的机器人转弯机构是在机器人的步行机构的基础上添加齿轮传动来实现的，具体结构形式如图 3.2 所示。四足步行机器人转弯机构的工作原理如下：当机器人在比较平整的路面想走时，仅由腿部电机驱动曲柄运动，实现机器人的行走；当机器人遇到较大的障碍物无法跨越的时候，在抬腿过程中相应摆动相的腿部转体电机驱动锥齿轮转动，从而由传动轴带动机第3章 四足步行机器人的结构设计器人的腿进行转弯运动，四个腿依次转动相应的角度，当避开障碍物的时候，电机再依次反转相应的角度使得机器人复位，然后继续向前直线行走。1-法兰盘 2-圆柱销 3-滚动轴承 4-轴套1 5-大齿轮轴6-闷盖 7-轴套2 8-角接触球轴承 9-小锥齿轮 10-凸缘联轴器 11-电机座 12-减速器 13-电机 14-编码器图 3.2转弯机构3.3四足步行机器人减震装置的应用3.3.1 减振器的工作原理减振器的两个组成部分是弹簧及阻尼器，其中弹簧用来承受机器人的重量，阻尼器则是对机器人的振动起缓解作用。阻尼器的种类有很多，其中最常用的阻尼器有电磁阻尼器、空气阻尼器和液压阻尼器，本课题中步行机器人的减振系统使用的就是液压阻尼器。弹簧受到压力就会收缩压力消失就会回弹，这样会使得机器人机体发生更加严重的跳动。所以说如果没有阻尼器，机器人就算加上弹簧来减振在运动过程中仍会产生振动，这不仅对机体损害很大，降低重要零部件的寿命，而且会在运输过程中对所运物品造成损坏；有了阻尼器的阻尼作用会使弹簧变形过程进行的相对缓慢，使得本来多次的弹跳变形减弱，这就达到了减振的目的。液压阻尼器减缓冲击是利用油孔中的油液在流动时所产生的阻力。内油缸被活塞分割成两部分。当外部的减振弹簧被压缩时活塞被动向下运动，活塞下部的空间就会减小使得油液被挤压通过阀门向上流动；反之向下流动。但是无论油液怎样流动，都必须通过活塞上的阀孔，这样就会受到一定的阻力迫使活塞的运行速度变缓，一部分的冲击力量被油液吸收从而减缓了。减振器具体的减振过程分析：当减振器受弹簧压力被压缩的时候，液压缸处于压缩行程而使得活塞下行，迫使流通阀打开，这时油缸下面的油液就会因为压力的原因通过流通阀而向上流动，如果继续压缩使得压力达到设定值就会触发压缩阀，该阀的作用是帮助油缸下面来不及向上流动的油液通过压缩阀流动到外油缸的存储空间。当减震器在弹簧的作用下被动恢复原状的时候，液压缸又处于了伸张行程，就是活塞向上运动使得伸张阀打开，这时油缸里的油液通过伸张阀向下流动，活塞继续向上运动使得油压达到设定值就会使补偿阀打开，原先流到外部油缸的油液又会流回内部油缸。3.3.2 减振器的工作原理图如下图 3.3所展示的是减振器内部的详细结构图。1-外缸体 2-内缸体 3-回复补偿阀 4-压缩补偿阀 5-挡板 6-弹簧1 7-环1 8-螺帽 9-回复阀体 10-活塞 11-压缩阀体 12-弹簧 13-支撑套 14-环2 15-弹簧2 16-环3 17-橡胶垫 18-密封圈 19-上盖 20-减震弹簧 21-活塞杆图3.3减振器的内部结构图从图中可以清晰的看到减振器内部结构图，对减振器在工作过程中油液的流动了解的更加清楚，这对机器人的减震系统有很好的了解。本机器人的减震装置是在现有的减震器中选择的型号尺寸。在今后的学习研究中，需要更加进一步的去研究减震装置，这样才能更好的应用于机械系统中。3.4四足步行机器人整体结构方案在四足步行机器人的腿部结构和转弯结构都设计完成的基础上，需要对机器人的总体布局进行最终的确定。具体内容包括：四条腿的相对位置关系，步行腿和机体的连接关系以及机体的具体结构形式。下面给出四足机器人的具体结构图。 图3.4腿的位置布局图 图3.5腿和机体连接结构图 图3.6前后腿的结构图 图3.7左右腿机体结构图从图中可以清晰的看到每个腿的位置以及步行机构和转弯机构以及机器人机体三部分的具体连接形式。这对机器人结构设计来说至关重要。至此，设计出了机器人的整体结构。3.5 本章小结本章主要对四足步行机器人进行了本体结构设计的分析，其中主要包括步行机器人步行机构的结构设计、步行机器人转弯机构的结构设计，对减振装置做了简要分析，最重要的是对步行机器人的四条腿的布置情况进行了优化设计。在完成各机构的结构设计之后让我更加清晰的认识到整个四足步行机器人。59第4章 重要机构部件的参数计算与校核第4章 重要机构部件的参数计算与校核4.1 电机的计算与型号选取1、步行机构的电机选择根据马的真实小跑步态的分析，步行机器人在行走时需要把大腿和小腿抬起，所以只用计算腿抬起时需要的最大力矩即可。初步估计四足步行机器人的总体质量为80kg。在该步行机构的设计中只需要电机带动曲柄作整周运动就可实现机器人的行走，大体估算需抬起部分的质量大约是20kg，所以这部分受力图如图 4.1 所示。1-编码器 2-步行机构电机 3-减速器 4-电机座 5-联轴器 6-机体图4.1 行走机构的受力分析图所以电机能带动曲柄转动的最小力矩为： （4-1）式（4-1）中，行走机构的电机需要输出的转矩；行走机构所需要的力矩；行走机构的估算质量；步行机构的质心与输出轴估算的距离；其中，估算为20kg，估算为150mm，故通过式（4-1）计算得到=300000 为了使步行机器人运动平稳所以选取减速器级数为3级，估算减速比为114.00，所以需要电机的输出额定转矩为：从直流空心杯伺服电机的选取表中选取的电机型号为BCL-48.68.48.45.B.C.01。这类电机的基本参数为：额定转速是3250rpm，额定转矩是3000，堵转转矩可达9930，电机重量为420g，最大输出功率为114W。根据选取的伺服电机选择直流空心杯伺服减速器型号为APG36，选择传动比为114.00。选取的编码器为MME30-04-1024-B，重量达4g，输出相为ABZ两相，输出波形为方波。2、转弯机构的电机选择根据机器人的结构特点，设定机器人在机械腿抬起后转弯电机启动完成转弯，初步设定转弯需要克服的力与重力相等，则转弯电机可以与步行机构处用的电机型号相同。如图 4.2所展示的是转弯部分的受力分析图。1-齿轮轴 2-联轴器 3-减速器 4-电机座 5-电机 6-编码器图4.2 转弯机构受力图根据式4-1算出所需力矩。其中估算为20kg，为100mm。=200000为了使步行机器人运动更加平稳，所以选取减速器的级数为3级，减速比为76.00，计算得出电机输出的额定转矩为：从直流空心杯伺服电机的选取表中选取的电机型号为BCL-48.68.48.45.B.C.01。该电机基本的参数为：额定转速是3250rpm，额定转矩是3000，堵转转矩是9930，重量是420g，最大输出功率是114W。根据选取的电机选取直流空心杯伺服减速器的型号为APG36，选择该减速器的传动比为76.00。选取的编码器为MME30-04-1024-B，重量达4g，输出相为ABZ两相，输出波形为方波。4.2 直齿圆锥齿轮传动设计与强度校核一般都用圆锥齿轮来传递相交轴间的动力，这种传动方式可以有效地控制尺寸。在机器人本体结构设计中，四个转弯机构结构相同，均用相同的直齿圆锥齿轮来实现传动，这样不仅可以有效地减少纵向尺寸，而且简化了设计环节。在齿轮传动的设计计算中只需校核一对啮合的齿轮即可。已知：高速轴输入端的连续输出转矩，在这一对直齿锥齿轮中小齿轮和大齿轮受到的接触应力较大，所以在设计计算齿轮时用齿面接触疲劳强度，在校核时使用齿根弯曲疲劳强度公式即可。1、确定齿轮材料和热处理方式，精度等级要求及齿数 小齿轮用40Cr并且进行调质处理使得硬度可达到241246HBS。大齿轮用ZG35CrMo材料，热处理方式为调质处理使得硬度达190240HBS。因为是机器人转动机构的精密传动，选择精度等级为7级。取2、根据齿面接触强度设计 (4-2)式中：齿宽系数，取； 节点系数，标准的锥齿轮传动一般选取; 弹性系数；