轮足复合式机器人设计

毕业设计(论文) 轮足复合式机器人的设计与研究学 号：姓 名：专 业：机械设计制造及其自动化系 别： 机械工程系指导教师：XXX讲师XXX副教授二一五年三月摘 要轮足复合式机器人是高科技产品的典型，是人们设置指定的程序通过中控系统实现机器人横移、越障或爬坡，跨沟、转弯等多种功能的高科技智能化产品。它可代替人类在某些领域力所不能及的地方实现特定的任务和功能，能在有害环境下代替人类工作，侦查，排险等，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本文主要进行了轮足复合式机器人的总体结构设计和控制系统设计。轮足复合式机器人的机械结构由直流电机、编码器和短臂、长臂、轮子等部分组成，可按预定程序运动，实现横移、越障、爬坡、跨沟、转弯等功能。控制系统部分的设计主要是选择合适的PLC中控系统，设计合理的PLC控制流程图，通过中控系统调节各个直流电机的转速来使轮足复合式机器人实现移动，爬坡，拐弯，越障等功能。关键词：轮足复合式机器人；智能化；控制系统；越障ABSTRACT Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a Plc reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedomiii目 录摘 要iABSTRACTii目 录iii 1绪论1 1.1课题的来源与研究的目的和意义2 1.2 轮足式复合机器人的研究现状4 1.2.1 轮足式复合机器人的结构的研究现状5 1.2.2 轮足式复合机器人控制系统的研究现状71.3本课题研究的内容9 2 轮足复合式机器人总体方案结构的设计12 2.1 轮足复合式机器人的总体方案图12 2.2 轮足的布置形式14 2.3 轮足的结构方案14 2.4越障机构的设计14 2.5 轮足的布置形式14 2.6越障机构的设计14 3 驱动装置的设计18 3.1车轮电机的选型计算20 3.2离合器的选型计算20 3.3轴承的选型计算20 3.4平键的选型计算20 4 轮足复合式机器人的三维结构设计21 4.1 Solidworks设计基础21 4.1.2 草图绘制21 4.1.3 基准特征，参考几何体的创建21 4.1.4 拉伸、旋转、扫描和放样特征建22 4.4.4 工程图的设计22 4.4.5 装配设计22 4.2轮子电机的三维建模22 4.3轮足组件的三维建模23 4.4短臂的三维建模24 4.5轮足复合式机器人的三维建模24 4.6三维软件设计总结25结论26致 谢26参考文献27附录 一32附录 二36北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）1 绪论随着人类探索自然界步伐的不断加速，各应用领域对具有复杂环境自主移动能力机器人的需求，日趋广泛而深入。理论上，轮足复合式机器人具有比轮式机器人更加卓越的应对复杂地形的能力，因而被给予了巨大的关注，但到目前为止，由于自适应步行控制算法匮乏等原因，轮足式移动方式在许多实际应用中还无法付诸实践。另一方面，作为地球上最成功的运动生物，多足昆虫则以其复杂精妙的肢体结构和简易灵巧的运动控制策略，轻易地穿越了各种复杂的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此，将多足昆虫的行为学研究成果，融入到轮足复合式机器人的结构设计与控制中，开发具有卓越移动能力的轮足复合式机器人，对于轮足复合式机器人技术的研究与应用具有重要的理论和现实意义。轮足复合式机器人地形适应能力强，具有冗余肢体，可以在失去若干肢体的情况下继续执行一定的工作，适合担当野外侦查、水下搜寻以及太空探测等对自主性、可靠性要求比较高的工作。1.1课题的来源与研究的目的和意义 目前，用于在人类不宜、不便或不能进入的地域进行独立探测的机器人主要分两种，一种是由轮子驱动的轮行机器人，另一种是基于仿生学的步行机器人。轮行机器人的不足之处在于对于未知的复杂自然地形，其适应能力很差，而步行机器人可以在复杂的自然地形中较为容易的完成探测任务。因此轮足式复合机器人有广阔的应用前景，如军事侦察、矿山开采、核能工业、星球探测、消防及营救、建筑业等领域。在步行机器人中，多足机器人是最容易实现稳定行走的。在众多机器人中，模仿昆虫以及其他节肢动物们的肢体结构和运动控制策略而创造出的轮足复合式机器人是极具代表性的一种。轮足复合式机器人与两足和轮足复合式机器人相比，具有控制结构相对简单、行走平稳、肢体冗余等特点，这些特点使轮足复合式机器人更能胜任野外侦查、水下搜寻以及太空探测等对独立性、可靠性要求比较高的工作。国内外对轮足复合式机器人进行了广泛的研究，现在已有70多种轮足复合式机器人问世，由于轮足复合式机器人多工作在非结构化、不确定的环境内，人们希望其控制系统更加灵活，并且具有更大的自主性。同时轮足复合式机器人肢体较多，运动过程中需要实现各肢体之间的协调工作，如何方便可靠的实现这种协调，也是轮足复合式机器人结构设计研究的一个热点。轮足复合式机器人是一种能够通过内、外传感器反馈信息感知环境及自身状态, 实现在有障碍物的环境中自主运动, 从而完成一定功能或任务的机器人系统。目前已广泛运用于野外考察、地震救灾、环境检测、娱乐生活等诸多行业，在安全、军事、生活以及科学研究中扮演着越来越重要角色。其中轮足式机器人结构简单，容易实现，具有移动速度快、转向性能好、行走效率高等特点。但同时适应地形 和避障的能力差。轮足式机器人对地形的适应能力较好，可以跨越障碍物、台阶等，但运动间歇大，速度慢。随着轮足复合式机器人的不断开发和应用范围的扩展，未来会在更多复杂且未知的环境中工作。仅仅依靠轮式或者足式的机器人已无法完全适应工作环境的复杂性和多样性了。为了配合对轮、足式机器人性能要求的逐渐提高，相继问世了许多复合式的移动机构，其中轮足式复合式机器人就融合了轮式足式机器人的特点。既可以保证在平坦地面的移动效率又具有了良好的跨越障碍的能力。但当轮足复合式机器人采用足式的方式行走时目前在技术上还存在许多困难，然而在自然界中存在的多足昆虫则可以通过它们长期进化得到的复杂且精妙的肢体结构和灵活的的运动方式，容易地通过了各种复杂的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此，将多足昆虫的行为学研究成果，融入到移动机器人的结构设计与控制中，开发具有卓越移动能力的轮足式复合式机器人，对于足式复合式机器人技术的研究与应用都具有重要的理论和现实意义。1.2 轮足式复合机器人的研究现状1.2.1 轮足式复合机器人的结构的研究现状20世纪60年代，轮足复合式机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了20世纪80年代，现代轮足复合式机器人的研制工作进入了广泛开展的阶段。世界上第一台真正意义的轮足复合式机器人是由Frank和McGhee于1977年制作的该机器人具有较好的步态运动稳定性，但其缺点是，该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定的运动形式。20世纪80、90年代最具代表性的轮足复合式机器人是日本ShigeoHirose实验室研制TITAN系列。19811984年Hirose教授研制成功脚部装有传感和信号处理系统的TITAN-III。它的脚底部由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应静态步行TITAN-机器人采用新型的直动型腿机构，避免了上楼梯过程中各腿间的干涉，并采用两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。国内四足机器人研制工作从世纪年代起步，取得一定成果的研究机构有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等。上海交通大学机器人研究所于年开展了系列仿壁虎式轮足复合式机器人的研究。年该研究所研制成功了，如图1所示。该机器人采用开式链腿机构，每条腿有个自由度，具有结构简单、外形灵巧、体积小、重量轻等特点。它采用力和位置混合控制，脚底装有测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，实现了对角线动态行走。但其步行速度较慢，极限步速仅为.；另外，其负重能力有限，故在实际作业时实用性较差。清华大学所研制的一款轮足复合式机器人，如图2所示。它采用开环关节连杆机构作为步行机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡行走、越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。综上所述，美国、日本的研究最具代表性，其技术水平已经较为先进，实用化程度也在逐步提高。国内四足步行机器的研究起步比较晚，在上个世纪年代以后才逐步有了成果，但研究水平据世界先进水平还有差距。 图一 图二1.2.2 轮足式复合机器人控制系统的研究现状 在现代战争中,各国都在尽力追求“零死亡”,在达到预期的军事目的情况下,要求伤亡率降到最低。在这种军事需求的牵引下,无人部队,包括无人飞机、无人地面武器搭载平台等将成为未来战争中的一支重要的力量。本文结合实验室项目“轮腿复合式机器人”,初步完成了以下的研究工作: 首先完成了轮腿复合式机器人控制系统的设计、安装以及调试工作。该机器人采用六套轮腿机构,每套轮腿机构分别由摆腿电机和行走电机控制机器人摆腿和车轮的运动。控制系统分为嵌入式计算机控制系统和运动控制器。嵌入式计算机控制系统实现机器人平面运动及越障算法,生成电机运动指令,如速度、位置等信息;运动控制器完成电机的运动控制,包括速度PID和位置PID等,二者采用CAN总线通信。 其次完成了轮腿复合式机器人运动学建模及分析。机器人的运动学分为两部分:平面行驶运动学和空间位姿运动学。平面行驶运动学中,建立了机器人差速转向的运动学模型,设计运动轨迹分析机器人车轮的速度分布。空间位姿运动学中,建立了机器人通用的空间运动学模型和质心运动学模型,并且针对机器人在越障过程中会出现的特殊姿态,简化了通用的质心运动学模型,得到不同的特殊姿态下的质心运动学模型,为机器人的越障稳定性控制提供了依据。 再次完成了轮腿复合式机器人针对典型障碍的越障分析。针对垂直障碍、壕沟障碍、斜坡障碍三种典型障碍,分析了机器人的越障能力,规划了机器人的越障动作,提出了综合考虑越障裕度、越障安全及越障稳定性的优化方法,对机器人的越障姿态进行数值优化。在ADAMS中对所规划的机器人越障动作进行虚拟仿真,验证了所规划越障动作的正确性。 最后,编制了控制机器人的人机交互界面,完成了机器人平面行驶运动学及越障实验,验证了本文提出的机器人控制理论的正确性。1.3本课题研究的内容 本论文主要研究运用SolidWorks对轮足复合式机器人进行设计。在设计过程中，了解轮足复合式机器人的结构特征和三维软件的使用要领。本文的设计目标是设计一种轮足式复合机器人。该机器人结合了轮式机器人和足式机器人的具多优点，能够在不同的底面实现考察，检测等等功用。其研究内容包括：（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；（4）控制系统设计。2 轮足复合式机器人总体方案结构的设计2.1 轮足复合式机器人的总体方案图本次设计的轮足复合式机器人采取的方案是：采用铸铁刚度好的铸铁机架作为主体，通过车轮电机实现机器人的移动，通过程序控制各个车轮电机的转速实现机器人的转弯，通过涡轮装置实现电机的自锁从而控制机器人的轮足的转动实现机器人的越障跨沟等等功能，总之，轮足复合式机器人是人们设置指定的程序通过中控系统实现机器人横移、越障或爬坡，跨沟、转弯等多种功能。具体方案布局图如下：2.2 轮足的布置形式 本次设计，是讲6个轮子分成三组，每一组轮子具有相同的运动轨迹，分别为前排轮、中排轮、后排轮，其具体的布置结构简图如下：2.3 轮足的结构方案 轮足是机器人的核心部件轮足的摆动是通过机架立面的电机实现，而轮子的转动是通过外侧的直流电机实现的，轮足复合式机器人就是通过控制电机的转速以及相关的制动器、离合器的配合来实现跨沟，转弯，越障等等功能。其具体结构图如下： 2.4越障机构的设计为了使机器人能够顺利地跨越一定宽度的障碍物，应该将轮足的结构设计成可以越障的结构。考虑到四连杆机构的设计较为简单，在这里我们选择四连杆机构（图1）作为轮足复合式机器人的越障机构，最主要的一点就是平行四边形连杆机构更容易控制机构的角速度，这对于机器人的整个的控制来说是最大的优点。设计平行四边形连杆机构时，将每一组轮足设计成长臂和短臂连接。并且长臂和短臂在同一平面内转动，其平面在车身的侧面，该机构具有两个自由度。由于机构具有自锁的特点，所以当机器人越障时，只需要控制电机的转停和速度既可，而当机器人需要移动时，控制轮足的电机不让它转动而车轮电机转动就行了。轮足复合机器人越障示意图如图2所示。 图1 平行四边形连杆机构 图2 越障示意图3 驱动装置的设计3.1车轮电机的选型计算 已知整个轮足复合式机器人的总重量150KG,其他重量50KG，我们取总重量为200Kg，移动速度为12r/min。即：具体的电机设计计算如下:1、确定运行时间本次设计加速时间 负载速度（m/min）有速度可知每秒上升50mm，电机转速 3.负载转矩式中：4.电机转矩启动转矩必须转矩S为安全系数，这里取1.0。 根据以上得出数据，我们选用电机型号为160BL-A，此无电机厂家为机电产品。根据电机的特性曲线以及参数表如下： 根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用电机型号为160BL-4030H1-LK-B，电机额定功率为0.1KW，额定转矩为7.62N.m，最大转矩为9N.m，额定转速为 3000r/min。电机大致图如下：外形尺寸130x160，电机输出轴径为25mm。3.2离合器的选型计算离合器借助通入磁轭内励磁线圈中的电流产生磁力吸引衔铁，从而使与磁轭和衔铁相连的两上牙形齿爪接合传递转矩。牙嵌式电磁离合器可分为线圈旋转（有滑环式）和线圈静止（无滑环式）两种，前一种的励磁线圈回转，电流经滑环引入，后一种励磁线圈静止，电流直接通入线圈。为了使离、合容易，一般采用三角形牙或梯形牙。如下图所示为线圈旋转牙嵌式电磁离合器，图上部为接合状态，下部为分离状态。主动齿轮1安装在轴9的滚动轴承上，衔铁3和磁轭8的相对端面上有三角形齿，励磁线圈6置于磁轭内。件2、3间的内啮合齿轮副有导向和传扭的双重作用。线圈通电建立磁场后磁轭将衔铁吸住，端面齿啮合，动力由齿轮1经齿圈2传给已接合的衔铁和磁轭，由轴9输出。离合器断电时，压缩弹簧7使衔铁复位，两半离合器牙分开，隔磁环4的作用是使磁力线构成回路，减少磁损失，提高接合力。3.2轴承的选型计算根据根据条件，轴承预计寿命163658=48720小时；(1）已知n=458.2r/min两轴承径向反力：FR1=FR2=500.2N；初先两轴承为深沟球轴承6204型。根据课本P265（11-12）得轴承内部轴向力FS=0.63FR则FS1=FS2=0.63FR1=315.1N；(2)FS1+Fa=FS2Fa=0 故任意取一端为压紧端，现取1端为压紧端 FA1=FS1=315.1NFA2=FS2=315.1N；(3)计算当量载荷P1、P2根据课本P263表（11-9）取fP=1.5;根据课本P262（11-6）式得P1=fP(x1FR1+y1FA1)=1.5(1500.2+0)=750.3N；P2=fp(x2FR1+y2FA2)=1.5(1500.2+0)=750.3N；(4)轴承寿命计算P1=P2故取P=750.3N；深沟球轴承 =3；3.4键的选型计算键联结是通过键实现轴和轴上零件的周向固定以传递运动和转矩。其中有类型也可以实现轴向固定和传递轴向力，有些类型并能实现轴向动联结，于在圆锥筛的轴上主要通过键来实现传递转矩和轴向固定所以，只需选用常见的普通平键，键的类型可根据使用要求、工作条件和联结的结构特点选定，键的长度根据轴毂的长度从标准中选取，键的bh根据径来确定。轴和轮子的联结，d=30mm, 参考资料2P5-194表5-3-18 (GB/T1095-1979)选用B10105，4 轮足复合式机器人的三维结构设计4.1 Solidworks设计基础 熟悉SolidWorks的工作环境；了解SolidWorks的命令，掌握在SolidWorks工作环境中文件的打开、保存、导入等基本操作，掌握三维建模流程。4.1.1草图绘制掌握点、直线、矩形、弧度圆等基本图形的绘制方法；掌握样条、文字等高级几何图形的绘制方法；理解集合约束的概念并在草图绘制中熟练应用几何约束；熟练应用阵列、实体转换等草图绘制工具；能综合应用各种草图绘制实体和利用草图绘制工具完成草图绘。4.1.2 基准特征-参考几何体的创建清楚明白基于特征的建模方式、参数化思想等概念；灵活运用各种建立基准点的方法；灵活运用各种建立基准轴方法；灵活运用各种建立基准面的方法；灵活运用坐标系的建立方法；能根据建模需要综合应用各种参考几何体。4.1.3拉伸、旋转、扫描和放样特征建模灵活运用拉伸特征的概念与建立方法；灵活运用旋转特征的概念与建立方法；掌握扫描特征的概念与建立方法；灵活运用放样特征的概念与建立方法；通过实践能够准确分析零件的特征，灵活运用拉伸和旋转也正建立三维模型。综合应用扫描、放样、弯曲、镜向、阵列等特征建立各种实体。4.1.4工程图设计灵活运用用户自定义工程图格式文件的方法；灵活运用建立标准三视图，剖视图，断面图，局部图，辅助视图等方法；灵活运用各种注释的方法。4.1.5装配设计灵活运用自底向上的装配方法；灵活运用生成装配体爆炸图的方法；灵活运用SolidWorks智能装配技术；灵活运用装配体零部件的状态和属性控制，并能够在装配体中设计子装配体；灵活运用干涉检查；灵活运用自上向下的装配方法；灵活运用在装配模型工程图中添加零件序号；灵活运用生成装配体材料明细表的方法。4.2轮子电机的三维建模4.3轮足组件的三维建模4.4短臂的三维建模4.5轮足复合式机器人的三维建模4.6三维软件设计总结通过此次设计，又一次提升了运用三维软件的水平，并吸收了不少经验，总结为一下几点。（1） 有零件图纸作图与空想设计作图不同，零件尺寸已经给出，作图时先不考虑尺寸是否真的合适，根据尺寸作出零件的三维图，但到装配时必须要考虑尺寸是否合适，由于AutoCAD图纸效果不好，导致尺寸会有出错，甚至有出现欠定义尺寸，所以，此时必须通过配合后在衡量尺寸，再进行修改，直到满足配合要求。（2） 工具集的确方便了作图，通过选择零件类型，输入数据，就能生成出标准零件，但有时需要用到的零件在工具集上也未必能找到，所以此时要随机应变，运用其他零件代替并通过修改或添加零件使其满足要求。（3） 作三维图时要灵活变通，解决问题的方法总比问题多，当一种方法不能正常作图时，试试另一种方法，这不但能完成零件制作，同时也可以培养出更好的作图思路，和打破规矩的新想法。（4） 规则的零件，要学会使用一些能够节省时间的命令，如镜向，阵列等，“能省则省”。（5） 关于装配，曾经带给我很大的阻碍，花了很多时间才弄清原因所在。在一可活动子装配体上，即使活动范围会产生干涉，也不能对其设定活动范围，如高级配合里的距离范围，和角度范围，即使在该活动范围并不影响父配体，也不可设定。因为一旦设定范围后，在父装配体上会将子装配体视为完全定义的模型，这样会对子装配体之间的配合产生矛盾，将不能完成装配。 看懂图是作图的首要任务，看图就是了解零件的工具，没有工具则无法制出 零件，所以画图不能急于下笔，想透了零件的结构，想透图中的虚实线，这才是高效作图的重中之重。进行零件建模前，一般应进行深入的特征分析，搞清零件是由那几个特征组成，明确各个特征的形状，他们之间的相对位置和表面连接关系，然后按照特征的主次关系，按一定的顺序进行建模。一个复杂的零件，可能是许多个简单特征经过相互之间的叠加、切除或相交组成。所以零件建模时，特征的生成顺序十分重要，不同的建模过程虽然可以构造出同样的实体零件，但其造型过程及实体的构型结构却直接影响到实体模型的稳定性、可修改性、可理解性及实体模型的应用。 尤其在二维图纸上，我们能看到的只是零件的平面图，而内部特征则以虚线给予表示，另外还有零件的相贯线，这表示了各个特征相交时出现线段。在零件的草图绘制过程中，必须要选好第一个草绘平面，这很关键，这个平面决定了往后建模的所用到的命令，简单的说，一个圆柱可以作一个圆形然后拉伸，也可以作一个长方体旋转，虽然他们的结果都一样，但所用的草绘平面和命令就截然不同。如果我们要的是一条轴，那我们就应该选择第二种方法为好了。由于此设计的零件都是比较规则的零件，所用到的命令大部分是拉伸命令和旋转命令，而且很多零件都是拥有对称关系，所以为了节省时间，提高效率，经常会用到镜向特征命令。一张完整的工程图应具备以下4方面的内容。（1） 一组视图：用一组视图（其中包括视图、剖视图、断面图、局部放大图）正确、完整、清晰地表达零件各部分的结构形状。（2） 尺寸：确定零件各部分形状的大小和位置（3） 技术要求：表明零件在制造和检验是应达到的一些要求，如表面粗糙度、尺寸公差、形位公差、材料热处理方式和指标等。（4） 标题栏：注明零件名称、材料、数量、图样比例以及图号等内容。 单击【新建文件】图标，系统显示新建SolidWorks文件对话框，双击该对话框中得装配体选项，即可进入装配体工作模式。 调入第一个零件模型并放置在装配体的原点处，即零件原点与装配体原点重合。 调入一个与第一个零件模型有装配关系的零件模型。分析两个零件之间的装配约束关系，然后选取相应的约束选项进行零件操作。调入其他与已装配零件有装配关系的零件模型并进行装配。全部零件装配完毕后，将装配体模型存盘。22北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）结论在最近的一段时间的毕业设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度，本文所设计的是轮足复合式机器人的设计，通过初期的定稿，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。致 谢 在论文完成之际，我首先向我的导师致以衷心的感谢和崇高的敬意！在这期间，导师在学业上严格要求，精心指导，在生活上给了我无微不至的关怀，给了我人生的启迪，使我在顺利的完成学业阶段的学业的同时，也学到了很多做人的道理，明确了人生目标。导师严谨的治学态度，渊博的学识，实事求是的作风，平易近人、宽以待人和豁达的胸怀，深深感染着我，使我深受启发，必将终生受益。经过近半年努力的设计与计算，论文终于可以完成了，我的心里无比的激动。虽然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因为它是我用心、用汗水成就的，也是我在大学四年来对所学知识的应用和体现。四年的学习和生活，不仅丰富了我的知识，而且锻炼了我的能力，更重要的是从周围的老师和同学们身上潜移默化的学到了许多。在此，向他们表示深深的谢意与美好的祝愿。参考文献1张福学编著.轮足复合式机器人技术及其应用.北京：电子工业出版社，2000。2何发昌著，邵远编著.机器人的原理及应用.北京：高等教育出版社，1996。3宋学义著. 轮足复合式机器人控制系统设计. 北京：机械工业出版社，1995.3。4陈奎生著. 气与气压传动. 武汉：武汉理工大学出版社，2008.5。5SMC（中国）有限公司. 轮足复合式机器人实用技术. 北京：机械工业出版社，2003.106徐文灿著. 轮式机器人系统设计. 北京：机械工业出版社，1995。7曾孔庚.轮式机器人的发展趋势. 机器人技术与应用论坛。8寿庆丰 机械设计1999年第3期，第3卷。9高微,杨中平,赵荣飞等.轮足复合式机器人臂结构优化设计. 机械设计与制造2006.1。10孙兵,赵斌,施永辉.机器人的研制. 中国期刊全文数据库。11马光,申桂英.工业机器人的现状及发展趋势. 中国期刊全文数据库2002年。12李如松.轮足复合式机器人的应用现状与展望. 中国期刊全文数据库1994年第4期。13李明.轮足机器人设计.制造技术与机床2005年第7期。14李杜莉，武洪恩，刘志海.轮足复合式机器人的运动学分析. 煤矿机械2007年2月15成大先主编.机械设计手册（第三版）.北京：化学工业出版社，1994。16Hirohiko Arai, Kazuo Tanie, and Susumu Tachi. Dynamic Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space. 17Abhinandan Jain and Guillermo Roderguez. An Analysis of the Kinematicsnd Dynamics of Underactuated Manipulators.附录 一机械设计理论机械设计是一门通过设计新产品或者改进老产品来满足人类需求的应用技术科学。它涉及工程技术的各个领域，主要研究产品的尺寸、形状和详细结构的基本构思，还要研究产品在制造、销售和使用等方面的问题。进行各种机械设计工作的人员通常被称为设计人员或者机械设计工程师。机械设计是一项创造性的工作。设计工程师不仅在工作上要有创造性，还必须在机械制图、运动学、工程材料、材料力学和机械制造工艺学等方面具有深厚的基础知识。如前所诉，机械设计的目的是生产能够满足人类需求的产品。发明、发现和科技知识本身并不一定能给人类带来好处，只有当它们被应用在产品上才能产生效益。因而，应该认识到在一个特定的产品进行设计之前，必须先确定人们是否需要这种产品。应当把机械设计看成是机械设计人员运用创造性的才能进行产品设计、系统分析和制定产品的制造工艺学的一个良机。掌握工程基础知识要比熟记一些数据和公式更为重要。仅仅使用数据和公式是不足以在一个好的设计中做出所需的全部决定的。另一方面，应该认真精确的进行所有运算。例如，即使将一个小数点的位置放错，也会使正确的设计变成错误的。一个好的设计人员应该勇于提出新的想法，而且愿意承担一定的风险，当新的方法不适用时，就使用原来的方法。因此，设计人员必须要有耐心，因为 所花费的时间和努力并不能保证带来成功。一个全新的设计，要求屏弃许多陈旧的，为人们所熟知的方法。由于许多人墨守成规，这样做并不是一件容易的事。一位机械设计师应该不断地探索改进现有的产品的方法，在此过程中应该认真选择原有的、经过验证的设计原理，将其与未经过验证的新观念结合起来。新设计本身会有许多缺陷和未能预料的问题发生，只有当这些缺陷和问题被解决之后，才能体现出新产品的优越性。因此，一个性能优越的产品诞生的同时，也伴随着较高的风险。应该强调的是，如果设计本身不要求采用全新的方法，就没有必要仅仅为了变革的目的而采用新方法。在设计的初始阶段，应该允许设计人员充分发挥创造性，不受各种约束。即使产生了许多不切实际的想法，也会在设计的早期，即绘制图纸之前被改正掉。只有这样，才不致于堵塞创新的思路。通常，要提出几套设计方案，然后加以比较。很有可能在最后选定的方案中，采用了某些未被接受的方案中的一些想法。心理学家经常谈论如何使人们适应他们所操作的机器。设计人员的基本职责是努力使机器来适应人们。这并不是一项容易的工作，因为实际上并不存在着一个对所有人来说都是最优的操作范围和操作过程另一个重要问题，设计工程师必须能够同其他有关人员进行交流和磋商。在开始阶段，设计人员必须就初步设计同管理人员进行交流和磋商，并得到批准。这一般是通过口头讨论，草图和文字材料进行的。为了进行有效的交流 ，需要解决下列问题（1） 所设计的这个产品是否真正为人们所需要？（2） 此产品与其他公司的现有同类产品相比有无竞争能力？（3） 生产这种产品是否经济？ （4） 产品的维修是否方便？（5） 产品有无销路？是否可以盈利？只有时间能对上述问题给出正确答案。但是， 产品的设计、制造和销售只能在对上述问题的初步肯定答案的基础上进行。设计工程师还应该通过零件图和装配图，与制造部门一起对最终设计方案进行磋商。通常 ，在制造过程中会出现某个问题。可能会要求对某个零件尺寸或公差作一些更改，使零件的生产变得容易。但是，工程上的更改必须要经过设计人员批准，以保证不会损伤产品的功能。有时，在产品的装配时或者装箱外运前的试验中才发现设计中的某种缺陷。这些事例恰好说明了设计是一个动态过程。总是存在着更好的方法来完成设计工作，设计人员应该不断努力，寻找这些更好的方法。近些年来，工程材料的选择已经显得重要。此外，选择过程应该是一个对材料的连续不断的重新评价过程。新材料不断出现，而一些原有的材料的能够获得的数量可能会减少。环境污染、材料的回收利用、工人的健康及安全等方面经常会对材料选择附加新的限制条件。为了减轻重量或者节约能源，可能会要求使用不同的材料。来自国内和国际竞争、对产品维修保养方便性要求的提高和顾客的反馈等方面的压力，都会促使人们对材料进行重新评价。由于材料选用不当造成的产品责任诉讼，已经产生了深刻的影响。此外，材料与材料加工之间的相互依赖关系已经被人们认识得更清楚。因此，为了能在合理的成本和确保质量的前提下获得满意的结果，设计工程师的制造工程师都必须认真仔细地选择、确定和使用材料。制造任何产品的第一步工作都是设计。设计通常可以分为几个明确的阶段：（a）初步设计；（b）功能设计；（c）生产设计。在初步设计阶段，设计者着重考虑产品应该具有的功能。通常要设想和考虑几个方案，然后决定这种思想是否可行；如果可行，则应该对其中一个或几个方案作进一步的改进。在此阶段，关于材料选择唯一要考虑的问题是：是否有性能符合要求的材料可供选择；如果没有的话，是否有较大的把握在成本和时间都允许的限度内研制出一种新材料。在功能设计和工程设计阶段，要做出一个切实可行的设计。在这个阶段要绘制出相当完整的图纸，选择并确定各种零件的材料。通常要制造出样机或者实物模型，并对其进行试验，评价产品的功能、可靠性、外观和维修保养性等。虽然这种试验可能会表明，在产品进入到生产阶段之前，应该更换某些材料，但是，绝对不能将这一点作为不认真选择材料的借口。应该结合产品的功能，认真仔细地考虑产品的外观、成本和可靠性。一个很有成就的公司在制造所有的样机时，所选用的材料应该和其生产中使用的材料相同，并尽可能使用同样的制造技术。这样对公司是很有好处的。功能完备的样机如果不能根据预期的销售量经济地制造出来，或者是样机与正式生产的装置在质量和可靠性方面有很大不同，则这种样机就没有多大的价值。设计工程师最好能在这一阶段完全完成材料的分析、选择和确定工作，而不是将其留到生产设计阶段去做。因为，在生产设计阶段材料的更换是由其他人进行的，这些人对产品的所有功能的了解不如设计工程师。在生产设计阶段中，与材料有关的主要问题是应该把材料完全确定下来，使它们与现有的设备相适应，能够利用现有设备经济地进行加工，而且材料的数量能够比较容易保证供应。在制造过程中，不可避免地会出现对使用中的材料做一些更改的情况。经验表明，可采用某些便宜材料作为替代品。然而，在大多数情况下，在进行生产以后改换材料要比在开始生产前改换材料所花费的代价要高。在设计阶段做好材料选择工作，可以避免多数这样的情况。在生产制造开始后出现了可供使用的新材料是更换材料的最常见的原因。当然，这些新材料可能降低成本、改进产品的性能。但是，必须对新材料进行认真的评价，以确保其所有性能都满足要求。应当记住，新材料的性能和可靠性很少像现有材料那样为人们所了解。大部分的产品失效和产品责任事故案件是由于在选用新材料作为替代材料之前，没有真正了解它们的长期使用性能而引起的。产品的责任诉讼迫使设计人员和公司在选择材料时，采用最好的程序。在材料过程中，五个最常见的问题为：（a）不了解或者不会使用关于材料应用方面的最新最好的信息资料；(b)未能预见和考虑擦黑年品可能的合理用途（如有可能，设计人员还应进一步预测和考虑由于产品使用方法不当造成的后果。在近年来的许多产品责任诉讼案件中，由于错误地使用产品而受到伤害的原告控告生产厂家，并且赢得判决）；(c)所使用的材料的数据不全或是有些数据不确定，尤其是当其长期性能数据是如此的时候；(d)质量控制方法不适当和未经验证；(e)由一些完全不称职的人员选择材料。通过对上述五个问题的分析，可以得出这些问题是没有充分理由存在的结论。对这些问题的研究分析可以为避免这些问题的出现指明方向。尽管采用最好的材料选择方法也不能避免发生产品责任诉讼，设计人员和工业界按照适当的程序进行材料选择，可以大大减少诉讼的数量。从以上的讨论可以看出，选择材料的人们应该对材料的性质，特点和加工方法有一个全面而基本的了解。附录 二Machine design theoryThe machine design is through designs the new product or improves the old product to meet the human need the application technical science. It involves the project technology each domain, mainly studies the product the size, the shape and the detailed structure basic idea, but also must study the product the personnel which in aspect the and so on manufacture, sale and use question. Carries on each kind of machine design work to be usually called designs the personnel or machine design engineer. The machine design is a creative work. Project engineer not only must have the creativity in the work, but also must in aspect and so on mechanical drawing, kinematics, engineerig material, materials mechanics and machine manufacture technology has the deep elementary knowledge. If front sues, the machine design goal is the production can meet the human need the product. The invention, the discovery and technical knowledge itself certainly not necessarily can bring the advantage to the humanity, only has when they are applied can produce on the product the benefit. Thus, should realize to carries on before the design in a specific product, must first determine whether the people do need this kind of product Must regard as the machine design is the machine design personnel carries on using creative ability the product design, the system analysis and a formulation product manufacture technology good opportunity. Grasps the project elementary knowledge to have to memorize some data and the formula is more important than. The merely service data and the formula is insufficient to the completely decision which makes in a good design needs. On the other hand, should be earnest precisely carries on all operations. For example, even if places wrong a decimal point position, also can cause the correct design to turn wrongly A good design personnel should dare to propose the new idea, moreover is willing to undertake the certain risk, when the new method is not suitable, use original method. Therefore, designs the personnel to have to have to have the patience, because spends the time and the endeavor certainly cannot guarantee brings successfully. A brand-new design, the request screen abandons obsoletely many, knows very well the method for the people. Because many person of conservativeness, does this certainly is not an easy matter. A mechanical designer should unceasingly explore the improvement existing product the method, should earnestly choose originally, the process confirmation principle of design in this process, with has not unified it after the confirmation new idea.Newly designs itself can have the question occurrence which many flaws and has not been able to expect, only has after these flaws and the question are solved, can manifest new goods come into the market the product superiority. Therefore, a performance superior product is born at the same time, also is following a higher risk. Should emphasize, if designs itself does not request to use the brand-new method, is not unnecessary merely for the goal which transform to use the new method.In the design preliminary stage, should allow to design the personnel fully to display the creativity, not each kind of restraint. Even if has had many impractical ideas, also can in the design early time, namely in front of the plan blueprint is corrected. Only then, only then does not send to stops up the innovation the mentality. Usually, must propose several sets of design proposals, then perform the comparison. Has the possibility very much in the plan which finally designated, has used certain not in plan some ideas which accepts. How does the psychologist frequently discuss causes the machine which the people adapts them to operate. Designs personnels basic responsibility is diligently causes the machine to adapt the people. This certainly is not an easy work, because certainly does not have to all people to say in fact all is the most superior operating area and the operating process. Another important question, project engineer must be able to carry on the exchange and the consultation with other concerned personnel. In the initial stage, designs the personnel to have to carry on the exchange and the consultation on the preliminary design with