【正文】 其次要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計的高新明同學(xué)，他在本次設(shè)計中勤奮工作，克服了許多困難來完成此次畢業(yè)設(shè)計，如果沒有他的努力工作，此次設(shè)計的完成將變得非常困難。 在 這里首先要感謝我的導(dǎo)師朱龍英博士，她平時里工作繁多，但我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從外出實習(xí)到查閱資料，設(shè)計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設(shè)計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。著重說明了仿人機器人做舞蹈動作時的重力分析。各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動用步進電機來驅(qū)動，本次設(shè)計的傳動方式是用最為普遍的齒輪傳動，此傳動方式具有精度高、定位安裝方便、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。 由于我做的是仿人機器人上身，所以對于下肢的步態(tài)分析問題在這不詳細說明，但重心問題和上肢的重心分析基本一致。 求作用在手臂與身軀上的力 1F ， 2F 11 4F m g N? ? ? ? 22 2 .2 9 .8 2 1 .5 6F m g N? ? ? ? 假設(shè)重心在 AA截面上，根據(jù)平衡方程 仿人型機器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 24 ? ? ? ?1 2 1430 430 30F x F x F x? ? ? ? ? ? ? ? ?17 .6 4 21 .5 6 43 0 17 .6 4 43 0 30x x x? ? ? ? ? 得 mm? 由所得結(jié)果可知，如圖 62所示舞蹈動作的重心落在一個腳上，并沒有落在腳的外側(cè)，所以腰關(guān)節(jié)不需要偏移角度也能保證仿人機器人不倒。 當(dāng) 仿人機器人手臂達到如圖 52所示時，肩部電機轉(zhuǎn)動 180度。 另一方面 ， 由于通過運動學(xué)匹配和動力學(xué)匹配后得到的仿人型機器人動作可能與人體的動作大不相同 ， 若要求達到以人體的動作標準為樣本 ， 使其保持與人體動作的一致性 ， 還要滿足動作相似性約束條件 。由于仿人型機器人腳與地面之間接觸的約束條件是仿人型機器人穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，因此下肢動作的運動學(xué)約束條件還必須包括地面接觸約束條件。 鹽城工學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2021 23 仿人型機器人運動仿真 由于仿人型機器人的運動模型與人體的運動模型是不同的，所以捕獲的人體的動作數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用于仿人型機器人，需要通過運動學(xué)匹配將獲取的人體動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為滿足運動學(xué)約束的仿人型機器 人運動數(shù)據(jù)。下圖 61 是本次設(shè)計的仿人機器人三維造型。本次裝配是從肩部盒開始，首先把肩部盒從已做好的三維 造型中調(diào) 出 ，再把電機支撐板 也調(diào) 出 ，之后根據(jù)裝配關(guān)系，利用元件放置約束把裝配在一起時的 4 個螺釘孔對齊，就這樣肩部盒與電機支撐板裝配完成，再把步進電機調(diào)出，同樣也用一些約束把電機與電機支撐板裝配在一起，然后再把齒輪、軸套、軸逐個調(diào)出與裝配，就這樣一個肩部盒內(nèi)部的所以零件全部裝配結(jié)束。 仿人型機器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 22 6. 仿人型機器人 三維造型及 運動仿真 仿人型機器人三維造型 根據(jù)以上結(jié)構(gòu)的確定，我用 PRO/E 對仿人型機器人上所 有 結(jié)構(gòu)進行了三維造型 ，用 PRO/E 造型能夠清楚的體現(xiàn)出仿人型機器人的整體結(jié)構(gòu)，是機械設(shè)計中建模、裝配、工程圖、仿真、分析和制造的首選工具。 PVC 材料的密度為 ，可算得電機支撐板的質(zhì)量為 。 鹽城工學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2021 21 電機支撐板的設(shè)計與校核 電機支撐板 外形尺寸如圖 52，它主要起著電機與電機盒的連接作用，由于電機支撐板成 90 度形狀， 所以在拐角處是危 險截面，需一定的強度，現(xiàn)支撐板的厚度初定為 8mm，為了保證其彎曲強度不超過規(guī)定值，需對其進行強度校核。 圖 51 肩部連接板 結(jié)構(gòu)草圖 通過計算，單個手臂的重量 m=2kg，由于 肩部連接板左右打了 14? mm 和 7? mm 的孔，分別要對其所在截面處進 行強度校核。 其它軸用相同方法計算，結(jié)果都滿足要求。當(dāng) ? 為靜應(yīng)力時， 應(yīng)取 ? ? ，但考慮啟動、停機等 的影響， ? 仍可被視為脈動循環(huán)變應(yīng)力，估取 ? ? 。 e. 判斷危險截面 結(jié)合軸的結(jié)構(gòu)分析彎矩圖與扭矩圖，確定 11 為危險截面，只要 11 處滿足強度校核就行了。 c. 計算軸的支承 反力 由平衡方程 ，得 0yF?? ， 20A B rF F F F? ? ? ? 0AM?? ， 1 0 1 1 5 1 2 5 6 0 022BrFF FF? ? ? ? ? ? ? ? 得 V B VF F N?? 水平方向的支反力 162tAH BH FF F N? ? ? d. 畫彎矩圖 見圖 42 彎矩圖。許用切應(yīng)力主要用于軸的強度計算和初步估算軸 的最小直徑，許用彎曲應(yīng)力計算包括彎曲強度計算和彎扭合成強度計算，安全系數(shù)校核計算包括軸的疲勞強度安全系數(shù)校核計算和靜強度安全系數(shù)校核計算。 根據(jù)螺母的寬度及承載處的寬度取 1l =8mm，考慮到裝配要求及結(jié)構(gòu)要求取 2l =121mm， 3l =8mm， 4l =5mm。軸段 4同樣起軸向固定作用，并開有 2個孔，用螺釘與連接板固定，估 4d =30mm。 軸段 2左右兩端要承受載荷，估 2d =10mm。通常從初步估算的軸端最小直徑 mind 開始，考慮軸上配合零部件的標準尺寸、結(jié)構(gòu)特點和定位、固定、裝拆、受力情況等對軸結(jié)構(gòu)的要求，依次確定各軸段（包括軸肩、軸環(huán)等）的直徑。 表 43 頭 部齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 d 11 1 35 35d m z m m? ? ? ? 22 1 70 70d z m m? ? ? ? 齒頂高 ah 1 1 1aah h m mm?? ? ? ? 齒根高 fh ? ? ? ?1 0 .2 5 1 1 .2 5afh h c m m m??? ? ? ? ? ? 全齒高 h mmhhhfa ????? 齒頂圓直徑 ad 11 2 37aad d h mm? ? ? 22 2 72aad d h mm? ? ? 齒根圓直徑 fd 11 2 32 .5ffd d h m m? ? ? 22 2 67 .5ffd d h m m? ? ? 基圓直徑 bd 11 c os 32. 89bd d m m??? 22 c os 65. 78bd d m m??? 齒距 P mmmp ???? ? 齒厚 s mmms ?? ? 齒槽寬 e mmme ?? ? 中心距 a ? ?12 / 2 52 .5a d d m m? ? ? 頂隙 c 1 c m?? ? ? ? 鹽城工學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2021 15 軸的 設(shè)計與計算 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ??3 根據(jù) 肩部 電機輸出扭矩，選擇 肩部 軸的材料為 PVC。 表 42 肘腕部齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 d 11 1 20 20d m z m m? ? ? ? 22 1 40 40d z m m? ? ? ? 齒頂高 ah 1 1 1aah h m mm?? ? ? ? 齒根高 fh ? ? ? ?1 0 .2 5 1 1 .2 5afh h c m m m??? ? ? ? ? ? 全齒高 h mmhhhfa ????? 齒頂圓直徑 ad 11 2 22aad d h mm? ? ? 22 2 42aad d h mm? ? ? 齒根圓直徑 fd 11 2 1 7 .5ffd d h m m? ? ? 22 2 37 .5ffd d h m m? ? ? 基圓直徑 bd 11c o s 1 8 .8bd d m m??? 22 c os 37. 6bd d m m??? 仿人型機器人總體及臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 14 齒距 P mmmp ???? ? 齒厚 s mmms ?? ? 齒槽寬 e mmme ?? ? 中心距 a ? ?12 / 2 30a d d m m? ? ? 頂隙 c 1 c m?? ? ? ? 頭部齒輪的設(shè)計 齒輪采用 PVC，齒輪精度等級為 7級，取 1 35Z? ，則 2 2 35 70Z ? ? ? ，經(jīng)計算齒輪滿足要求。 表 41 肩關(guān)節(jié)齒輪的 幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 d mmmzd 2525111 ???? mmmzd 5050122 ???? 齒頂高 ah 1 1 1aah h m mm?? ? ? ? 齒根高 fh ? ? ? ?1 0 .2 5 1 1 .2 5afh h c m m m??? ? ? ? ? ? 鹽城工學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2021 13 全齒高 h mmhhhfa ????? 齒頂圓直徑 ad mmhddaa 27211 ??? mmhdd aa 52222 ??? 齒根圓直徑 fd mmhddff ??? mmhdd ff ??? 基圓直徑 bd mmddb o s11 ?? ? mmdd b o s22 ?? ? 齒距 P mmmp ???? ? 齒厚 s mmms ?? ? 齒槽寬 e mmme ?? ? 中心距 a ? ?12 / 2 37 .5a d d m m? ? ? 頂隙 c 1 c m?? ? ? ? 肘腕部齒輪設(shè)計 齒 輪采用 PVC，齒輪精度等級為 7級，取 1 20Z? ，則 2 2 20 40Z ? ? ? ，經(jīng)計算齒輪滿足要求。則載荷系數(shù) 1 1 .0 8 1 .1 5 1 .2 4 2AvK K K K ?? ? ? ? ? （ 45） 校核并確定模數(shù) 33 / 0 .4 2 6 1 .2 4 2 / 1 .5 0 .4ttm m K K m m? ? ? ? （ 46） 取模數(shù) 1m mm? 。 小齒輪傳遞的扭矩 1T 為 1 390T T N mm? ? ?電 查圖可得大、小齒輪的彎曲疲勞強度極限 lim1 80FaMP? ? 、 lim 2 70FaMP? ? ， 彎曲疲勞