【正文】 以單腿八連桿機(jī)構(gòu)為對(duì)象 ,對(duì)其壓力角的優(yōu)化和桿件布層進(jìn)行了研究和探討 .總之 ,傳統(tǒng)的對(duì)象加上科學(xué)的分析和先進(jìn)的理論 ,使得展 .國(guó)內(nèi)在步行機(jī)器的研究范圍和深度上得到了極大的豐富和拓展 . 國(guó)外發(fā)展概況 關(guān)于四足 步行機(jī)器的研究 ,最早申請(qǐng)專利的當(dāng)屬 1893 年由 Rygg 創(chuàng)作的步行機(jī)器馬 ,該機(jī)構(gòu)由齒輪和連桿機(jī)構(gòu)組成 ,由人坐在馬背上腳踏前進(jìn) ,但是卻沒有做出實(shí)物來(lái)加以佐證 .1913年 Gechtolsheim申請(qǐng)專利 ,也是用齒輪和連桿機(jī)構(gòu)組成的步行機(jī)器 ,但是文獻(xiàn)中沒有實(shí)物的描述 ,故此時(shí)對(duì)于步行機(jī)器的設(shè)計(jì) ,僅只考慮腿部機(jī)構(gòu)與軌跡的曲線而已 .1960年 Shigley創(chuàng)作出以連桿組設(shè)計(jì)四足腿部機(jī)構(gòu) ,并利用一組雙搖桿機(jī)構(gòu)來(lái)控制步行機(jī)器的步態(tài) ,此時(shí)對(duì)于步行機(jī)器的設(shè)計(jì) ,已經(jīng)加入步態(tài)設(shè)計(jì)的理論 .1966年 ,McGhee和 Frank制造出第一 臺(tái)完全以電腦控制的步行機(jī)器人 ,之后對(duì)于步行機(jī)器的設(shè)計(jì) ,則廣泛地應(yīng)用控制理論 .1978 年 ,Hirose 將水平控制器裝在步行機(jī)器上 ,并在足部裝設(shè)了維持水平方向行走及修正方向的感應(yīng)器 .1986年 Raibert,Chepponis和 Brown以液壓缸及伺服馬達(dá) ,制造出 RUNNING MACHINE步行機(jī)器 .對(duì)于四足步行機(jī)器的研究從單純的機(jī)構(gòu)逐漸向綜合控制 ,軟件 ,電子等多學(xué)科融合的方向發(fā)展 . 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） ———————————————————————————————————————————— 課題背景 在社會(huì)物質(zhì)文明高度發(fā)達(dá)的今天，人類雖然能夠創(chuàng)造出比較良好的生活環(huán)境，但是對(duì)于大自然的探索與了解，以及自然災(zāi)害的 防治，各種危險(xiǎn)情況下的工作卻一直束手無(wú)策。因此機(jī)器人的設(shè)想就成為了在危險(xiǎn)環(huán)境工作的必然選擇。足式移動(dòng)機(jī)器人對(duì)行走路面的要求較低，它可以跨越障礙物，走過沙地、沼澤等特殊路面，用于工程探險(xiǎn)勘測(cè)、反恐防爆、軍事偵察等人類無(wú)法完成或危險(xiǎn)的工作。對(duì)這些環(huán)境進(jìn)行不斷的探索和研究，尋求一條解決問題的可行途徑成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類社會(huì)進(jìn)步的需要。不規(guī)則和不平坦的地形是這些環(huán)境的共同特點(diǎn)，使得輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人的應(yīng)用受到限制，而多足步行機(jī)器人能夠在復(fù)雜崎嶇的路面上穩(wěn)定行走。我所設(shè)計(jì)的四足步行機(jī)器就是為了在危險(xiǎn)環(huán)境中的救 人或者運(yùn)輸必須物品，為人類更好的改造大自然。 目的及意義 本次設(shè)計(jì)的目的是在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段充分的運(yùn)用到本科所學(xué)到的機(jī)械方面的知識(shí)，鍛煉自己的能力，學(xué)習(xí)各中機(jī)械設(shè)計(jì)的技巧和電子圖版的使用。設(shè)計(jì)出一款比較簡(jiǎn)單實(shí)用的四足步行機(jī)器，能夠在各種危機(jī)情況中發(fā)揮應(yīng)有的作用。 四足步行機(jī)器的設(shè)計(jì)其意義體現(xiàn)在： 一：在設(shè)計(jì)四足步行機(jī)器的過程中，我參考了各種機(jī)器人設(shè)計(jì)的資料，學(xué)習(xí)到了很多關(guān)于自動(dòng)機(jī)器人的知識(shí)。還在老師的指點(diǎn)下參觀了老師指導(dǎo)的機(jī)器人大賽作品，對(duì)于機(jī)器人的機(jī)構(gòu)和機(jī)理有了深刻的認(rèn)識(shí)，充分發(fā)揮了機(jī)械設(shè)計(jì)中的知識(shí)。 二：對(duì)于四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究有了比較深的了解，汲取了比較多的前人理論，學(xué)習(xí)到了許多以前不曾學(xué)習(xí)過的東西。 三：設(shè)計(jì)出了一款簡(jiǎn)單實(shí)用的四足步行機(jī)器，使在危險(xiǎn)情況下的運(yùn)輸和工作有了比較好的一種選擇。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） ———————————————————————————————————————————— 本文主要的研究工作 作為一個(gè)簡(jiǎn)單的四足步行機(jī)器的設(shè)計(jì)，我的主要工作就是設(shè)計(jì)出整個(gè)四足步行機(jī)器的主體結(jié)構(gòu)，成為各種危險(xiǎn)環(huán)境中的一個(gè)好工具。具體工作主要有： 四足步行機(jī)器人整體設(shè)計(jì) ,選定合理易行的方案，設(shè)計(jì)出具體尺寸結(jié)構(gòu)， 畫總裝圖 。 對(duì)主要零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，畫零件圖 。 對(duì)主要零件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算 。 撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書，字?jǐn)?shù)一萬(wàn)字以上； 英文翻譯５千漢字以上。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） ———————————————————————————————————————————— 2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 理論依據(jù) 本次設(shè)計(jì)的主要過程分為方案設(shè)計(jì) 、桿件尺寸設(shè)計(jì)、繪制裝配圖及零件圖。即先確定四足步行機(jī)器的方案原理。這一階段主要參考了網(wǎng)上各種機(jī)器人的視頻，比較了許多機(jī)器人方案，最終確定適合自己的做畢業(yè)設(shè)計(jì) 。而在明確了自己的方案之后尺寸設(shè)計(jì)過程是難點(diǎn)，因?yàn)橐郧八臈U機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)我們學(xué)習(xí)的不是很深刻，參考了很多這方面的書籍。最后就是根據(jù)以前課程設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)作出整個(gè)的裝配圖和零件圖，其中包括了直流電機(jī) 選型、傳動(dòng)方式選擇和計(jì)算、主軸及傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)、箱體的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)工藝性考慮。 主要應(yīng)用的理論知識(shí)有：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化、機(jī)電傳動(dòng)控制等等。 方案實(shí)施 經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的搜集資料和學(xué)習(xí)四足步行機(jī)器的有關(guān)設(shè)計(jì)，分析其工作原理，特?cái)M定了一下集中方案： ： 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） ———————————————————————————————————————————— ： 圖 2 skywalker 建議機(jī)器人 ： 圖 3 連桿機(jī)器人 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） ———————————————————————————————————————————— 方案比較 ： 如圖所示的三種方案，第一種方案是通過比較精密的腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過前后兩對(duì)足 類似雙人搭肩是式的行走方式來(lái)實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器的步態(tài)擬合。是仿生技術(shù)以及計(jì)算機(jī)仿真的精密結(jié)果。在這里由于本人專業(yè)知識(shí)的缺乏以及經(jīng)驗(yàn)的不足故放棄了這種方案。第二種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧，但是其運(yùn)動(dòng)明顯存在不夠穩(wěn)定的缺點(diǎn)，體積太小難以勝任運(yùn)載的要求。最后選擇了第三種方案來(lái)做，其結(jié)構(gòu)明了，原理清楚，運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯而易見。 方案的選定 先 介紹一下這個(gè)方案的基本原理。本方案中采用了對(duì)角線原則，即是對(duì)角線上的兩條腿通過連接桿連接在一起保持運(yùn)動(dòng)一致性。而每一對(duì)足的運(yùn)動(dòng)軌跡都是有一條弧線和一段直線段組成的。當(dāng)其中一對(duì)足軌 跡處于水平線上的時(shí)候就處于著地狀態(tài)，停止不動(dòng)。同時(shí)另一對(duì)足相應(yīng)的處于直線段的上方實(shí)現(xiàn)邁足運(yùn)動(dòng)。最終通過兩隊(duì)的交替處于直線段及弧線段上實(shí)現(xiàn)動(dòng)物式的四足運(yùn)動(dòng)。如下圖所示 圖 4 運(yùn)動(dòng)軌跡 本設(shè)計(jì)通過裝在箱體內(nèi)部的直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于對(duì)角線一致原則，若兩側(cè)各使用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，則可能造成步態(tài)的沖突、干涉。故經(jīng)過考慮使用一臺(tái)伺服電機(jī)即可滿足要求，并且這樣做結(jié)構(gòu)也顯得比較輕巧。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)具體的要求轉(zhuǎn)速和桿件尺寸可以確定，由于四根軸之間通過桿結(jié)構(gòu)連接在一起，因此可以將所有的驅(qū)動(dòng) 力都加在一根軸上，其他的軸均是從動(dòng)軸看，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。具體機(jī)理是電機(jī) 減速裝置 曲柄 搖桿 腿部構(gòu)件 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） ———————————————————————————————————————————— 四足步行實(shí)現(xiàn)。 3 四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 基礎(chǔ)理論知識(shí) 曲柄存在條件 在工程實(shí)際中，對(duì)機(jī)構(gòu)提出了各種各樣的運(yùn)動(dòng)要求，而能否滿足這些要求取決于機(jī)構(gòu)本身的屬性。下面就曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特性進(jìn)行討論和分析。 我們都知道，曲柄存在的條件是 :； 長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和。 若四桿機(jī)構(gòu)中最短桿和最長(zhǎng)桿之和大于其他兩桿長(zhǎng)度之和，則無(wú)曲柄存在，兩連架桿均為搖桿。若 最短桿為機(jī)架，則的雙曲柄機(jī)構(gòu)；若最短桿的任一相鄰的構(gòu)件為機(jī)架，則的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；若取最短桿位機(jī)架，則得雙搖桿機(jī)構(gòu)。 基于以上原則，最短桿與機(jī)架相連，并且滿足長(zhǎng)度關(guān)系可得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。 急回運(yùn)動(dòng)特性和行程速比 K 當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搖桿作變速擺動(dòng)，而且往復(fù)擺動(dòng)的平均速度是不同的。若將平均速度小的行程作為工作行程（正行程），將平均速度大的行程作為非工作行程（反行程），那么，我們把曲柄搖桿機(jī)構(gòu)這種 正、反行程平均速度不等的特性稱為急回特性。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） ———————————————————————————————————————————— 圖 5曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 急回特性常用行程速 比系數(shù) K（搖桿反、正行程平均速度之比）來(lái)度量。 如圖所示，曲柄順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿左右擺動(dòng)（順時(shí)針為正行程，逆時(shí)針為反行程）。我們把搖桿處于兩極限位置時(shí)連桿對(duì)應(yīng)位置所夾的銳角稱為極位夾角，用 表示。根據(jù)行程速比系數(shù)的定義有： ① 存在急回特性的條件是 不等于零。 ② 因?yàn)?是銳角，即 小于等于 90176。 ，故理論上 K可以最大為 3。但由于最小傳動(dòng)角的限制，實(shí)用中 K小于等于 。 對(duì)一些有急回特性要求的機(jī)械，常根據(jù) K值按式 (22)算出 角，再確定各桿尺寸。 壓力角和傳動(dòng)角 作用力和力作用點(diǎn)運(yùn)動(dòng)線速度方向之間所夾的銳角稱為壓力角，常用 表示；壓力角的余角稱為傳動(dòng)角，常用 表示。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） ———————————————————————————————————————————— 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角隨曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)而變。傳動(dòng)角越大則機(jī)械效率越高，動(dòng)力傳動(dòng)中一般要求傳動(dòng)角最小值 應(yīng)大于 40176。 。因此設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)時(shí)有必要檢驗(yàn) 值。那么，最小傳動(dòng)角在什么位置出現(xiàn)呢？分析如下： 可以證明：若機(jī)架上 A、 D兩點(diǎn)位于 C39。、 C連線的同一側(cè)，則當(dāng) =0176。 時(shí)，最小，有 = ； 機(jī)架上 A、 D兩點(diǎn)位于 C39。、 C連線的兩側(cè)，則 =180176。 時(shí)的 最大 (鈍角 )，有 =180176。 。 不難看出，對(duì)于曲柄主動(dòng)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，最小傳動(dòng)角就是連桿和搖桿所夾的最小銳角。 軌跡設(shè)計(jì) 足部軌跡是指動(dòng)物在行進(jìn)的過程中，完成一個(gè)循環(huán)動(dòng)作的足部所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡。若以動(dòng)物的 身體為參考坐標(biāo)系，則該運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為以封閉曲線。而動(dòng)物在行進(jìn)的過程中，根據(jù)其所需完成的動(dòng)作可分為支撐于跨越，故將其足部軌武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） ———————————————————————————————————————————— 跡曲線分為支撐段和跨越段（如圖 6）。若將足部沿著既定軌跡循環(huán)一遍的時(shí)間稱之為一個(gè)周期，那么我們將足部接觸地面的時(shí)間稱為支撐段；反之，若足部在空中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間段稱為跨越段。根據(jù)生物學(xué)上的定義，動(dòng)物在行進(jìn)時(shí)其腿部花在支撐段的時(shí)間要占到一半以上，目的是加強(qiáng)在行進(jìn)過程中的穩(wěn)定度。 圖 6 足部軌跡 對(duì)于任一步行機(jī)器，其足部軌跡曲線是首要考慮的重要條件，因?yàn)?它直接影響到不行機(jī)器對(duì)地面的適應(yīng)能力以及行進(jìn)時(shí)的穩(wěn)定度。為此，從仿生學(xué)的角度給出足部理想軌跡的要求： ，以避免產(chǎn)生無(wú)效的軌跡曲線； ，以避免機(jī)構(gòu)的重心產(chǎn)生起伏； ，以提高機(jī)構(gòu)跨越障礙的能力； ，以增加機(jī)構(gòu)跨步的前進(jìn)距離。 方案四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 四桿尺寸 經(jīng)過參考眾多的四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的資料，最終認(rèn)識(shí)到使用解析法來(lái)設(shè)計(jì)此次畢設(shè)來(lái)說(shuō)難度太大，耗費(fèi)時(shí)間太多。在這么短的時(shí)間內(nèi)要完 成這種設(shè)計(jì)只有使用作圖法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。在長(zhǎng)時(shí)間的嘗試和作圖之后最終的到了滿足我需要的四桿機(jī)構(gòu)的尺寸。參考圖三上面的標(biāo)注，尺寸如下 : A1 B1 =B1 C =B1 M1 =A2 B2 =B2 C =B2 M2 =A3 B3 =B3 C1 = 武漢理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） ———————————————————————————————————————————— B3 M3 =A4 B4 =B4 C1 =B4 M4 =500 mm A1 c/ =A2 c/ =A3 c/1 =A4 c/1 = C c/ =C1 c/1 = A2 A4 =A1 A3 =c/ c/1 =317mm 最小傳動(dòng)角計(jì)算 根據(jù)上述的傳動(dòng)角的計(jì)算方式，當(dāng)曲柄 AB轉(zhuǎn)到機(jī)架 AD重疊共線和拉直共線兩位置時(shí)，即出現(xiàn)極值。 ???? ????????? )(500500a rc c os2 )(a rc c osDCB 22222211 bc adcb ???? ????????? )(500500a rc c os2 )(a rc c osDCB 22222222 bc adcb 比較兩個(gè)位置的傳動(dòng)角，可得最小傳動(dòng)角 ?? ? 。當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其傳動(dòng)角的大小是變化的，為保證機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)良好，設(shè)計(jì)時(shí)通常應(yīng)該使最小傳動(dòng)角 ??40min? 。但是在此次設(shè)計(jì) 中，由于傳動(dòng)功率比較小，設(shè)計(jì)的最小傳動(dòng)角也能夠滿足使用要求。 在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)機(jī)構(gòu)曲柄與連桿在一條直線上，出現(xiàn)了傳動(dòng)角 ??0?的情況。這是傳動(dòng)力矩為 0。因此，機(jī)構(gòu)在此位置是，無(wú)論驅(qū)動(dòng)力多大，也不能使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)的此種位置稱為死點(diǎn)位置。對(duì)于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，機(jī)構(gòu)有死點(diǎn)位置是