【正文】 節(jié)力矩的計(jì)算如下： M F L?? () 其中 4 0 0 4 9 .8 /F g N k g? ? ? 100 4 2L m m? ? ? M 既為力矩也是電機(jī)軸的扭 矩 = ： 9550nP ?? （ ） 以得出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為 度 /秒 ,由于設(shè)計(jì)方案確定單元體的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為： 10 度 /秒，故傳動比初步定為 2： 1。這就要求組成單元體的各零件在滿足強(qiáng)度要求的前提下材料選擇越輕越好 ，體積越小越好。為簡便起見，使前兩組齒輪的齒數(shù)相同，這樣以來只要使第一組齒輪（與電機(jī)相連的）與第三組齒輪的齒數(shù)之比為 2： 1 即可。 （圖 具體 傳動方案實(shí)體示意圖） 傘齒輪的具體參數(shù) 如圖 所示，由于特殊的傳動方案及裝配關(guān)系的要求，三個傘齒輪必須是完等徑傘形齒輪。 表 傘齒輪規(guī)格 : 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 表 傘齒輪的具體參數(shù)： 軸的設(shè)計(jì)及校核 在蛇形機(jī)器人的 所有傳動件中，與其他各零件之間起中心作用的是與其他零件裝配關(guān)系（見圖 ）最多的大軸（見圖 ）。 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 21 但由于軸的尺寸設(shè)計(jì)具體涉及到很多內(nèi)容以及很多零件之間的配合關(guān)系，軸的具體尺寸請?jiān)斠姳驹O(shè)計(jì)的零件圖。 （圖 大軸與其它零件的裝配關(guān)系） 表 大軸的主要參數(shù)：（單位： mm） 由于在本設(shè)計(jì)方案中大軸為固定心軸，所以只校核計(jì)算軸的剛度即可 公式 {暫時無 } 經(jīng)校核滿足強(qiáng)度要求。值得注意的是：在使用強(qiáng)力膠的 時候一定不要將電機(jī)軸與機(jī)身粘一起 ，更不要使齒輪與電機(jī)機(jī)身粘到一起，影響電機(jī)的正常轉(zhuǎn)動，甚至燒壞電機(jī)?？紤]到蛇形機(jī)器人單元體中第二組齒輪的實(shí)際所受力中沒有沿其軸的徑向力，所以可以忽略強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，而且由于第二組齒輪是中間的齒輪所以受的徑向力也不大。 具體的定位方案如圖 所示：軸承與軸之間通過公差實(shí)現(xiàn)過度配合并與軸肩一同實(shí)現(xiàn)軸承的定位。 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 23 雖然用這種定位在強(qiáng)度方面會有些降低，但比起其它方法卻可以減輕單元體的整體重量。這點(diǎn)對機(jī)器人而減輕整體的重量后，對單元體的強(qiáng)度要求也可以相對降低。 （圖 第二組齒輪與其軸的安裝方法） 摩擦輪的設(shè)計(jì)（如圖 ） （圖 摩擦輪示意圖） 如圖所示摩擦輪的形狀設(shè)計(jì)及其裝配位置，就單獨(dú)單元裝配而言，只依靠摩擦輪與地面的微少部分 理論上是點(diǎn)的接觸是不可能保證單元體的其他部分不與地面接觸， 甚至單元體有可能翻滾。由于蛇形機(jī)器人的整體運(yùn)動是由很多這樣的單元體組成的，而蛇形機(jī)器人的整體則是由很多點(diǎn)與地面接觸沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 的，而由于蛇的運(yùn)動曲線的特殊性（如圖 ），這些接觸點(diǎn)幾乎不可能在同一的直線上的，而是相互組成多邊形（如圖 ），這樣以來整個蛇形機(jī)器人就會很穩(wěn)定。 在此基礎(chǔ)上 ， 我們設(shè)計(jì)了耦合驅(qū)動的模塊化萬向單元 ， 此單元具有圓柱形鋁合金外殼 ， 具有 兩 個自由度見圖 分別是回轉(zhuǎn) ， 由位于中間位置的直流伺服電機(jī)直接驅(qū)動 ，俯仰和擺動 。 圖 其中差動輪系由三個傘齒輪組成 ， 通過與左右兩個電機(jī)相連的兩對傘齒輪驅(qū)動 ， 可以得出沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 25 ?當(dāng)兩個電機(jī)同向同速轉(zhuǎn)動時 ， 共同驅(qū)動單元做擺動運(yùn)動 ； 當(dāng)同速反向轉(zhuǎn)動時 ， 共同驅(qū)動單元做俯仰運(yùn)動 ； 當(dāng)兩個電機(jī)以不同速度轉(zhuǎn)動時 ， 實(shí)現(xiàn)的是既有擺動又有俯仰的復(fù)合運(yùn)動 。蜿蜒運(yùn)動時，蛇依靠與地面的切向摩擦力和法向摩擦力的差推動自身運(yùn)動，需要身體的肌肉產(chǎn)生較大力矩和保持收縮與伸展的連續(xù)性。③收縮運(yùn)動：是蛇在比較光滑平面或狹小空間下采用的一種運(yùn)動方式。就蜿蜒運(yùn)動而言，日本的 HIROSE 教授最早提出了蛇形曲線(如圖 所示 )，該曲線是在對生物蛇進(jìn)行大量的運(yùn)動觀測后提出的。馬書根教授從肌肉的力學(xué)分析角度證明了此種曲線，并從動力學(xué)角度分析了采用蛇形曲線的蛇形機(jī)器人的運(yùn)動 。根據(jù)每個關(guān)節(jié)的周期變化，可 以推導(dǎo)出蛇頭關(guān)節(jié)運(yùn)動的函數(shù)為 ： ?h=?θ (s) = ?α cos(bs) (35) 寫成時間的函數(shù)為 ： 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 ( ) c o s[ ( 1 ) ] c o s[ ( 0 . 5 ) ]h t t n b l t n? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?（ ） 該函數(shù)使蛇形機(jī)器人頭部的方向始終與波形軸線方向平行。這樣就使后臺操作者能夠很容易根據(jù)圖像信息判斷機(jī)器人方位，隨時調(diào)整 由于各種原因引起的機(jī)器人方位偏離。當(dāng)機(jī)器人開始運(yùn)動時，首先對各個關(guān)節(jié)角度進(jìn)行插值，使其到達(dá)蛇形曲線的起始位置，然后按蛇形曲線開始運(yùn)動。所以，有必要對這一運(yùn)動規(guī)劃加以改進(jìn)。從而減少了規(guī)劃時間、限制了插值帶來的方向偏離，使得蛇形機(jī)器人的運(yùn)動更加有效。 (a) 參數(shù)為 α =?π/3,ω =1,β = π/6,λ = 的相對轉(zhuǎn)角變化 (a) The relative angle at α =?π/3,ω =1,β = π/6,λ = 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 29 (b) 參數(shù)為 α = ?π/3,ω =1,β = π/6,λ =1 的相 對轉(zhuǎn)角變化 (b) The relative angle at α = ?π/3,ω =1,β = π/6,λ =1 （ 圖 參數(shù)變化） 機(jī)器人抬頭運(yùn)動的動力學(xué)分析 當(dāng)蛇形機(jī)器人以較大速度運(yùn)動時，其慣性不可以忽略，必須對蛇形機(jī)器人抬頭運(yùn)動作動力學(xué)分析。與之相應(yīng)，求解動力學(xué)過程中也將其分為這靜止部分和運(yùn)動部分 (如圖 )。分析（如 下圖 ） 2 2 21111()22kki i iiiK m y z I ???? ? ??? 1kiiP m gz??? （ ） 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 30 （圖 蛇形機(jī)器人抬頭模型 ） 式中 K,P—— 分別為系統(tǒng)的動能和位能； m, I—— 分別為單元的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量； ki r jji? ? ???? ? —— 單元的絕對角度； rj? —— 單元之間的相對轉(zhuǎn)角； i = 1,2,Ln—— 單元標(biāo)號為 (見圖 )； k—— 表示當(dāng)前正在抬起的單元； ( yi , zi )—— 單元重心坐標(biāo) (設(shè)定在單元的中心 ) 蛇形機(jī)器人抬頭運(yùn)動的幾何約束方程為： 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 31 112 c o s c o ski k j ijiy y l l?????? ? ?? 112 s i n s i nki k j ijiz z l l?????? ? ?? （ ） 12 s i n s i nki j j i ijiz l l? ? ? ???? ? ?? 12 c o s c o ski j j i ijiz l l? ? ? ?????? （ ） Lagrange 動力學(xué)方程為 ( L = K ? P )： ( 1 , 2 , . . . )ir i r id L L ikdt ??????? ? ? ??????? （ ） 將公式 ()，公式 ()，公式 ()代入公式 ()，可以計(jì)算出運(yùn)動部 分的關(guān)節(jié)力矩 τ ?？梢园凑障旅娴姆椒▉砬蟮脻M足條件的一組解：方法1(見圖 )：將第 k 個關(guān)節(jié)作為靜止部分在地面上的支點(diǎn)。設(shè)靜止部分第 h +1 個單元之前的重力用來平衡抬起部分力矩，可以得到如下力矩平衡不等式： 22( ) ( 1 )kh k m g l h k m g l?? ? ? ? ? ? （ ） 該式的前部分表示用 h ? k 個單元不能平衡抬起部分的運(yùn)動力矩，后部分表示當(dāng)再加一個 單 元的時候可以平衡抬起部分的運(yùn)動力矩。由該 不等式可以解出 h 的值，如果 h = n 機(jī)器人將失去平衡而翻倒。方法 2(見圖 )：將在地面上靜止放置的所有單元作為一個連桿來進(jìn)行受力分析，然后按照材料力學(xué)的均勻受力情況求解各個位置的力矩。對靜止部分的每一個單元進(jìn)行受力分析得到關(guān)節(jié)力矩為： 2 ( ) 20 ( ) ( ) , 1 , . . . , 1n i li q y y d y n i m g l i k n? ?? ? ? ? ? ?? （ ） 進(jìn)而，蛇形機(jī)器人抬頭運(yùn)動動力學(xué) 總 的表達(dá)式為： 2 ( ) 20() 1 , 2 , . . . ,( ) ( )r i r i r ii n i lL a g r a n g e ikq y y d y n i m g l k i n?????? ???? ?? ???? ? （ ） 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 34 雖然兩種方法都能夠保證蛇形機(jī)器人的動態(tài)平衡，但很顯然由方法 2 得到的各個單元的關(guān)節(jié)力矩比較平均，有利于機(jī)器人的平衡，也有利于保護(hù)電機(jī)。 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 35 寄語 經(jīng)過 16 周緊張畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我進(jìn)一步地加強(qiáng)了對大學(xué)四年所學(xué)的機(jī)械方面知識 的綜合運(yùn)用能力。 經(jīng)過 16 周的畢業(yè)設(shè)計(jì)，馬上就要離開生活四年的沈陽航空工業(yè)學(xué)院，與在一起朝夕相處的機(jī)械與汽車學(xué)院的老 師同學(xué)們分開了。要實(shí)現(xiàn)高的環(huán)境適應(yīng)性，除了設(shè)計(jì)有效的運(yùn)動步伐外，還需要控制方法和傳感器的有效的設(shè)計(jì)和選擇。 系統(tǒng)平臺的建立：本文剛剛建立起蛇形機(jī)器人系統(tǒng)，然而要實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的有效控制還需要建立獲得環(huán)境信息和機(jī)器人信息的通訊系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等系統(tǒng)平臺。這部分需要大量的工作。對于本文提出的新型蛇形機(jī)器人還有很多步伐和控制方法可以開發(fā)。因此必須進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性和實(shí)際應(yīng)用能力。 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 37 參考文獻(xiàn) . Yokoyama, H. Handa, T. Isozumi, Y. Fukase, K. Kaneko, F. Kanehiro, ,