四足行走小車的設(shè)計,行走,小車,設(shè)計 四足行走小車的設(shè)計摘要四足行走小車是當今足式機械研究發(fā)展的一個分支，因其在載重、穩(wěn)定性方面比兩足好，在結(jié)構(gòu)方面比六足、八足簡單，所以受到眾多海內(nèi)外科研人員的關(guān)注。四足行走小車往大的方面可以應(yīng)用到星球探索、工廠生產(chǎn)線以及戰(zhàn)場輸送物資等；往小的方面來講也可作為模型小玩具，幫助孩子在簡單裝配過程中獲得樂趣以及提高孩子的動手能力。本課題研制的四足行走小車采用直流單電機驅(qū)動，運用齒輪傳動機構(gòu)將運動傳輸和分配給四組四連桿行走機構(gòu)。行走機構(gòu)的運動模仿馬匹的邁步動作，采用對角線運動一致的原則進行設(shè)計，經(jīng)由曲柄搖桿機構(gòu)帶動腿部機構(gòu)的運動，實現(xiàn)小車的交替行走。此四連桿行走機構(gòu)桿長根據(jù)足部行走軌跡要求利用圖解法設(shè)計出來。關(guān)鍵詞：四足行走，小車，連桿機構(gòu)，圖解法THE DESIGN OF WALKING MACHINE WITH FOUR LEGSAbstractThe quadruped walking carriage is a branch of foot mechanical research and development , because of the load, stability better than two feet, in structure than six eight feet, so the four walking carriage aroused the attention of many researchers at home and abroad. Four-legged walking carriage to the large side can be applied to planetary exploration, factory production lines and battlefields delivery of supplies; to small in terms but also as a model for small toys to help children have fun in a simple assembly process and improve the child's ability .This project developed four-legged single car DC motor drive, the use of the gear transmission mechanism motion transmission and distribution to the four groups of four-bar linkage running gear. Sports running gear imitate horses move action, consistent principle diagonal movement designed to drive the movement of the leg mechanism via rocker mechanism, realize the car alternating walking. This four-bar linkage mechanism lever length walking foot walking tracks designed according to the requirements of use graphical method.Key words: quadruped walking,carriage,linkage, graphic method目錄1 緒論 11.1 引言 11.2 發(fā)展概況 11.2.1 國內(nèi)發(fā)展概況 21.2.2 國外發(fā)展狀況 31.3 課題背景 51.3.1 課題來源 .51.3.2 實際應(yīng)用價值 .51.4 目的以及課題研究內(nèi)容 62 四足小車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 72.1 小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論分析 72.2 小車腿部方案的介紹 72.2.1 方案比較 .82.2.2 腿部方案的選定 92.3 小車整體結(jié)構(gòu)布置方案 92.4 小結(jié) 103 腿部四桿機構(gòu)的設(shè)計 113.1 軌跡設(shè)計 113.2 四桿機構(gòu)設(shè)計的相關(guān)知識 113.2.1 曲柄搖桿機構(gòu) 123.2.2 曲柄存在條件 123.2.3 急回運動特性和行程速比 K .123.2.4 壓力角與傳動角 .133.2.5 死角 143.2.6 鉸鏈四桿機構(gòu)的運動連續(xù)性 143.2.7 按預(yù)定軌跡設(shè)計四桿機構(gòu) 153.3 桿長的設(shè)計及計算 153.3.1 桿長設(shè)計方案介紹與比較 153.3.2 作圖法設(shè)計四桿長度 153.3.3 驗證機構(gòu)的最小傳動角 .173.3.4 運動分析 .183.4 小結(jié) 204 傳動方案及電機選擇 204.1 電機的選擇 214.2 齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計 214.3 桿件的布局 224.4 減速箱的布局 235 小車零配件的選擇以及加工 245.1 四桿機構(gòu)各桿件的尺寸設(shè)計 255.2 關(guān)鍵零部件材料 265.3 關(guān)鍵零部件加工 285.4 小結(jié) 29小結(jié) 29致謝 32參考文獻 3311 緒論1.1 引言四足行走小車是當如今足式機械研究發(fā)展的一個的分支，因其在載重、穩(wěn)定性方面比兩足好，在結(jié)構(gòu)方面比六足、八足簡單，所以受到眾多科研人員的關(guān)注。四足行走小車往大的方面可以用作星球探索、工廠生產(chǎn)線以及戰(zhàn)場輸送物資的作用；往小的方面來講也可以作為模型小玩具供孩子使用，幫助孩子在簡單裝配過程中獲得樂趣以及提高孩子的動手能力。本課題《四足行走小車的設(shè)計》的來源正是導師參照現(xiàn)如今研究火熱的足式機器人，進而挑選的適合本科生動手設(shè)計并自己加工制作的畢業(yè)設(shè)計課題。設(shè)計要求包括對四足行走小車的行走機構(gòu)、傳動機構(gòu)的選型與設(shè)計，動力驅(qū)動形式的選擇，四足行走小車整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以及小車的加工制作。主要的目的在于機械原理課程理論知識的具體運用，從而加深理解和掌握，同時培養(yǎng)學生設(shè)計能力及加工制作能力。1.2 發(fā)展概況行走機械的運動方式大概有這幾種：足式、輪式、履帶式。輪式機械比較適合平坦的地面，適于高速運動，但遇到較為復(fù)雜的路況則凸顯了其弱點；履帶式則可適用于凹凸不平的地面，適于中低速運動，但遇到障礙物則無法通行；足式機械相對于前兩者而言，不管是其越障能力還是運動的靈活性都是較強的。四足機械又是足式機械中設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，載重能力等各方面都比較優(yōu)秀的一種，在航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、戰(zhàn)地救援等方面有更多的應(yīng)用。 [1]四足足式機器人腿部關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式大致有這三種:電驅(qū)動、連桿驅(qū)動、氣體驅(qū)動以及液壓驅(qū)動等。著名的美國波士頓動力工程公司研制的小狗機器人2Little Dog 的腿部關(guān)節(jié)就是采用電機驅(qū)動的典型，采用電機驅(qū)動的好處是使得關(guān)節(jié)處十分靈活，缺點是無法準確快速預(yù)測下一時刻關(guān)節(jié)的負載，所以腿部關(guān)節(jié)用電機驅(qū)動的機器人大多搖搖晃晃，平穩(wěn)性受影響而腿部采用液壓驅(qū)動的日本東京工業(yè)大學研制的 TITAN-VⅢ以及美國的 Big dog 則在大多數(shù)情況下可以處在動態(tài)平穩(wěn)當中，正是由于液壓系統(tǒng)的適應(yīng)能力起到了決定性的作用。1.2.1 國內(nèi)發(fā)展概況國內(nèi)四足機械最早的原型應(yīng)當是三國時期諸葛亮用于運送糧草的“木牛流馬”，我國于八十年代開始對四足機器深入研究，發(fā)展至今也是有了一定的積累。以仿生馬為原型研制的 JTUWM-Ⅲ系列的四足行走機器人 [2]在 1996 年上海交通大學實驗室被研制出來，如圖 1 所示，該機器人每條腿的足部都裝有測力傳感器，可以反饋并調(diào)整使之穩(wěn)定行走，時速可達 1.7km/h。這可以說是當時在四足機器人研究方面的一個非常顯著的進步，成為了足式機器人在國內(nèi)研究開發(fā)中比較著名的一臺樣機。圖 1 JTUWM-Ⅲ機器人哈爾濱工業(yè)大學研制的 HIT-HYBTOR（圖 2）采用的是腿輪式結(jié)構(gòu)，足端增加了四個可以獨立驅(qū)動的輪子，該機器融合了輪式機械以及足式機械的優(yōu)點，它的運動方式更加多樣 [3]，在不同的環(huán)境下可以自由切換兩種運動方式，使得3機器人可以持續(xù)穩(wěn)定、不受地面環(huán)境變化地行走。圖 2 HIT-HYBTOR 機器人北京漢庫機器人技術(shù)有限公司研制的 BIO-12 四足機器人（圖 3），全身有12 個自由度，最大跨越高度約為 100mm[4],這個機構(gòu)選用的是強度、剛度比較優(yōu)良的材料，對崎嶇地形具有極強的適應(yīng)力。相較于其他足式機器人樣機而言，最大的特點應(yīng)該是在跨越障礙物方面的提升，優(yōu)良的材料也是該機器樣機更接近于仿生對象的一個跳躍。圖 3 BIO-12 機器人1.2.2 國外發(fā)展狀況國外十九世紀由 Rygg 設(shè)計的“機械馬”，也是人類對足式行走機械的早4期探索，現(xiàn)今國外最具代表性的四足行走機器人是卡耐基梅隆大學研發(fā)的Tekken[5]，美國俄亥俄州立大學研發(fā)的四足機器人 KOLT，以及美國 Carnegie Mellon 大學與 Boston Dynamics 公司等聯(lián)合研制的 Little Dog 和 Big Dog [10] 等.日本東京工業(yè)大學研制的 TITAN-VⅢ（如圖 4）最大的特點是其避障繞行的特點，采用的是直動型腿機構(gòu)，上樓速度可達 5cm/s。相比于其它足式機器人樣機，TITAN-VⅢ的避障能力比較優(yōu)越，采取的是一個繞行的方式也是其一個特色。圖 4 TITAN-VⅢ機器人04 年美國波士頓動力工程公司研制的小狗機器人 Little Dog(如圖 5)以四條腿的高敏捷性而著稱，能夠像動物一樣靈活地避障，遍布全身的電動機以及自帶的 PC 級處理器和覆蓋全身的傳感器是小狗敏捷運動的重要憑借。傳感器對Little Dog 進行全方位的檢測包括發(fā)動機的狀態(tài)、關(guān)節(jié)部位以及足底與地面的接觸狀況?？梢哉f Little Dog 是當前敏捷程度方面最為接近仿生對象的足式機器人，但是其他方面還有很長的路要走，與真正仿生對象還是有一定的距離，要完全吸收仿生對象身上全部的優(yōu)點，然后轉(zhuǎn)化在 Little Dog 身上還有一定的困難，需要研究者們慢慢摸索。5圖 5 Little DogBig Dog（如圖 5）用的不是輪子而是依靠四條“鐵腿”行走 [5]，這個四足機器人在遭到外來撞擊時稍作休整能繼續(xù)行走。Big Dog 可以在戰(zhàn)場環(huán)境中發(fā)揮巨大的用處，在戰(zhàn)場上給士兵提供食物、彈藥等物資。其身上搭載的是汽油發(fā)動機，用作動力源。Big Dog 是目前來說最像動物的仿生機器人，其腿部的關(guān)節(jié)是深度模仿了仿生對象腿部關(guān)節(jié)的作用，具有減震以及釋能的特點。美軍尤其看重大狗的負重行走能力，即使大狗機器人在極其復(fù)雜的環(huán)境里負重 100公斤左右的東西也是沒有什么問題的。目前唯一的缺點大狗的動力部分采用的汽油發(fā)動機，會有一定的噪音以及影響受環(huán)境影響的因素提升，降低了可靠性。圖 5 Big Dog 機器人61.3 課題背景1.3.1 課題來源我的課題《四足行走小車的設(shè)計》的來源即導師所給，參考當前足式機器人的火熱研究，所確定的適合本科畢業(yè)生的課題。1.3.2 實際應(yīng)用價值 據(jù)可靠調(diào)查,在地球上相當一部分地面并不適合于輪式或履帶式小車行走,但是多足生物卻能在這些地區(qū)如履平地 [6]。因此,足式小車與輪式及履帶式小車相比具有比較大的優(yōu)勢。足式小車對崎嶇路面具適應(yīng)性強,足式小車的立足點是一個個離散的點,可以調(diào)整整體的姿態(tài)在可能到達的地面選擇最為有效的支撐點。四足小車又是足式小車當中的佼佼者，因此四足行走小車受到廣大研究人員的重視,已經(jīng)成為機器人研究中一個引人注目的研究領(lǐng)域。足式小車同樣可以制作成開發(fā)智力的模型玩具，小孩子在成長階段通過自己動手制作足式小車不僅能收獲快樂而且可以鍛煉發(fā)展孩子的動手能力以及眼與肢體的協(xié)調(diào)能力。相信足式小車模型會比其他成品玩加具有市場價值，受到家長孩子們的喜愛。四足行走小車被認為是最佳的足式小車的形式，四足交替行走小車比兩足行走小車的承載能力強、穩(wěn)定性好,在結(jié)構(gòu)上和控制上來說比六足和八足行走小車更加簡易，將在各個領(lǐng)域有更加深入的應(yīng)用。因其開發(fā)四足機器人的研究過程中涉及交叉了許多學科，并不僅僅是機械方面的學科，開發(fā)的過程當中也是對其他學科發(fā)展的一個不同程度地促進。四足機器人的開發(fā)成本以及難度來說也是較同類多足機器人當中比較小的，花費相對較少的科研成本以及降低科研難度來達到最終的對于仿生對象身上可取優(yōu)點的完美移植。之后的足式機器的研究方向勢必更加側(cè)重于四足機器領(lǐng)域的研究開發(fā)，最大程度得開發(fā)其使用價值，在各個領(lǐng)域進行應(yīng)用。71.4 目的以及課題研究內(nèi)容通過此次畢業(yè)設(shè)計，可以豐富學生在足式機器人研究領(lǐng)域的知識儲備；加強學生的理論知識以及鍛煉其解決實際問題的能力；綜合訓練學生在調(diào)查研究、查閱文獻和收集資料方面的能力；提高對研究成果的總結(jié)提煉和撰寫科技論文的能力等，加強學生的實踐動手能力，解決實際問題的能力。本次設(shè)計的研究內(nèi)容涵蓋以下內(nèi)容：（1）設(shè)計驅(qū)動四足行走的四連桿機構(gòu)，實現(xiàn)機器人的平穩(wěn)行走；（2）用 Solidworks 進行運動系統(tǒng)的仿真，驗證機構(gòu)是否干涉、機構(gòu)運動的可行性； （3）設(shè)計小車的整體結(jié)構(gòu)，選擇電機和傳動方式；（4）購買所需材料，進行小車的加工制作，裝配調(diào)試；(5) 撰寫論文。2 四足小車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計此章節(jié)主要設(shè)計小車的整體結(jié)構(gòu)，包括減速箱的安裝位置，以及腿部機構(gòu)在車體的位置等。2.1 小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論分析此次設(shè)計的過程分為方案設(shè)計、腿部桿件尺寸設(shè)計、軟件仿真是否干涉、小車整體結(jié)構(gòu)布局、加工制作。花費不少的時間參考了各種仿生機器人相關(guān)的研究資料，為本次課題想了不少的方案。確定方案之后，具體的四桿機構(gòu)的桿件的尺寸設(shè)計也是其中的難點，因?qū)τ跈C械原理中依據(jù)軌跡來設(shè)計平面連桿機8構(gòu)知識的欠缺，參考了機械原理課本中根據(jù)理論軌跡來設(shè)計連桿桿長。小車的整體結(jié)構(gòu)布局較為簡易，為了后面實物加工制作的方便。傳動系統(tǒng)設(shè)計主要是通過單電機-減速箱-曲柄搖桿來分配到各組四桿機構(gòu)上面主要應(yīng)用的理論知識有:機械原理當中平面四桿機構(gòu)的設(shè)計方法、機械設(shè)計當中齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計、互換性與技術(shù)測量中的尺寸公差配合關(guān)系等知識。2.2 小車腿部方案的介紹經(jīng)過大量資料的整理，最后挑選了兩種方案：方案 1：在車身左側(cè)采用兩個剛性連接的曲柄搖桿機構(gòu)，車身右側(cè)只需要用連桿把相對應(yīng)的腿連接起來，滿足對角線一致的原則。圖 6 四足行走機械方案 2：采用曲柄搖桿的四連桿機構(gòu)，同側(cè)前后腿共用一個曲柄。左右曲柄之間相差 180 度，使得對角線足部的軌跡相同。9圖 7 四足連桿機構(gòu)2.2.1 方案比較上述兩種方案，兩種方案原理大致相同，都是采用曲柄搖桿機構(gòu)用作主要傳動機構(gòu)。第一種方案桿件層數(shù)比較多，體積相對龐大，且通過一側(cè)驅(qū)動，平穩(wěn)性有待考證；第二種則更像仿生四足動物，且桿件布局較清晰，運行時的穩(wěn)定性相對第一種方案應(yīng)當是比較好的。綜上所述，取用第二種方案作為本次課題腿部的設(shè)計方案。2.2.2 腿部方案的選定 這個方案的原理即采用對角線原則，前后兩對足同步運動。四條腿的軌跡是一樣的，只是安裝的相位不同。每條腿的軌跡都是由一段直線跟一段曲線組成，在一組腳跨步的時候形成的是曲線軌跡，另一組則支撐在地面上則行程一條直線靜止的軌跡，然后兩組腿交替邁步，類似于動物行走運動。2.3 小車整體結(jié)構(gòu)布置方案小車的整體布局見圖 8 行走小車俯視圖 ，圖 9 行走小車正視圖。10圖 8 小車整體結(jié)構(gòu)俯視圖圖 9 小車整體結(jié)構(gòu)正視圖2.4 小結(jié)小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計中選取一臺直流電機來做動力部分，為了設(shè)計的簡單一點，為后面的實物制作作鋪墊。傳動機構(gòu)根據(jù)桿件尺寸以及設(shè)計的轉(zhuǎn)速可以確定，四組連桿機構(gòu)可以通過曲柄搖桿機構(gòu)加在一根主軸上驅(qū)動，其余各軸均是從動軸，通過直流減速電機經(jīng)由主軸把動力分配到各連桿上。113 腿部四桿機構(gòu)的設(shè)計本章主要對腿部運動執(zhí)行機構(gòu)進行設(shè)計，通過已設(shè)定的理論足部軌跡來設(shè)計四桿桿長，并利用軟件仿真驗證軌跡的可行性以及設(shè)計結(jié)果的正確性。3.1 軌跡設(shè)計足部的軌跡是一條封閉的曲線當動物身體作為參考系坐標遠點時，曲線分為直線段與彎曲段，直線段對應(yīng)的是動物行進當中足部靜止支撐身體的階段；彎曲段則是動物在邁步的過程。如圖 10 所示，把動物足部軌跡曲線一圈作為一個周期，那么直線段可以定義為支撐段，彎曲段定義為邁步段。據(jù)生物學上的研究，足部支撐時間占到半個周期以上才能在前進當中更好得調(diào)整身體的穩(wěn)定程度。12圖 10 足部軌跡圖對于行走機械來說，足部軌跡曲線在機構(gòu)對地面的適應(yīng)能力和前進當中的穩(wěn)定程度有很大的影響，所以應(yīng)當認真考慮。下面依據(jù)仿生的角度給出小車足部的理輪軌跡要求：（1）足部軌跡曲線須是一條封閉并且圓滑的曲線；（2）為了保持重心的穩(wěn)定，足部軌跡曲線的靜止段曲線應(yīng)接近于直線段；（3）為了提升機器的跨越障礙物的能力，足部軌跡曲線的跨越高度要大；（4）為了增加邁步的前進長度，足部軌跡曲線的邁步要長；3.2 四桿機構(gòu)設(shè)計的相關(guān)知識3.2.1 曲柄搖桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)的兩根連架桿中倘若存在一根是曲柄另一根是搖桿則稱其為曲柄搖桿機構(gòu)（crank-rocker mechanism ） [7]。3.2.2 曲柄存在條件曲柄存在的條件是:（1）連架桿或機架是最短桿；13（2）滿足桿長條件倘若四桿機構(gòu)不滿足桿長條件的話，就不存在曲柄，兩連架桿都是搖桿。倘若最短桿為機架，那么是雙曲柄機構(gòu)；倘若機架的相鄰桿件是最短桿，那么是曲柄搖桿機構(gòu)；倘若取機架是最短桿，那么則是雙搖桿機構(gòu)?；谝陨显瓌t，最短桿與機架相連，并且滿足桿長條件則是曲柄搖桿機構(gòu)。3.2.3 急回運動特性和行程速比 K當曲柄是主動桿作勻速運動，搖桿則作往復(fù)速率不一致的擺動，其中定義正行程是平均速率較小的行程；范形成是平均速率較大的行程。這種正反行程速率不想等的特性我們稱之為急回運動特性。圖 11 曲柄搖桿機構(gòu)如圖 9 所示，曲柄作主動軸轉(zhuǎn)動時，搖桿來回擺動的左右兩邊的極限位置時連桿相對應(yīng)位置所夾成銳角 稱之為極位夾角，?根據(jù)行程速比系數(shù)的定義有：（3-1）???????otcvK180212（3-2）80?Ko?（1） 若存在急回特性，那么 不能等于零。14（2） 因為 是銳角，故理論上 K 可以最大為 3。實際工程中 K 1.4，因?為被最小傳動角所限制。常根據(jù) K 值來對有急回特性要求的機構(gòu)算出 角，隨之再確定桿長。3.2.4 壓力角與傳動角F 與 兩者所夾的銳角稱之為壓力角，用 來表示；傳動角是壓力角的余角，t用 來表示。隨著曲柄的轉(zhuǎn)動，曲柄搖桿機構(gòu)的傳動角 跟著變化。 的大小與機械的效??率成正比關(guān)系，為了使 大于 40°，所以我們在設(shè)計曲柄搖桿機構(gòu)時需要對進行驗算。min?分析如下：如圖所示，BD 是 ADB 與 BCD 的公共邊?（3-3）??cos2cos2324121 llll ?????3241132coscosll???（3-4）15可證得：倘若機架上 A 點和點 D 都在在 C'、C“連線的一邊，那么 時，o0??，得到最小值 等于 的最小值；min???機架上 A 點和 D 點位于 C'C“連線的異側(cè)時，那么 時的 最大，得o180??=180°- 。即連桿與搖桿所夾的最小銳角當曲柄為主動件時的曲柄搖桿機構(gòu)。3.2.5 死角在圖 9 所示的曲柄搖桿機構(gòu)當中，設(shè)搖桿 D 為主動件，那么連桿 和2C2CB從動曲柄 A 共線時，機構(gòu)的 = ,此時 D 通過連桿作用在 A 上的力正好2B?O02通過回轉(zhuǎn)中心，因此出現(xiàn)了使得桿件 A “頂死” 的現(xiàn)象 [8]，這種位置叫做死2B點。3.2.6 鉸鏈四桿機構(gòu)的運動連續(xù)性所謂的連桿機構(gòu)的運動連續(xù)性，是指連桿的運動過程當中是否依次按順序經(jīng)過給定的各個點位。曲柄搖桿機構(gòu)中，當曲柄 AB 連續(xù)轉(zhuǎn)動時，搖桿 CD 能夠在 或 范圍內(nèi)來回往復(fù)擺動。 或 的范圍稱為機構(gòu)的可行域， 和 的3?' 3?' 3?'范圍稱為機構(gòu)的不可行域。連桿設(shè)計當中，不能要求從動件在兩個各自獨立的可行域中連續(xù)運動，連桿機構(gòu)的這種運動稱之為錯位不連續(xù)。在連桿機構(gòu)運動的時候，經(jīng)過連桿曲線上的各點位置的順序一般是固定的，若原動件不能按次序通過各點位，那么這也是一種運動不連續(xù)，稱之為錯序不連續(xù)。16在設(shè)計連桿機構(gòu)當中，必須檢查設(shè)計的連桿機構(gòu)是否存在錯位不連續(xù)、錯序不連續(xù)。3.2.7 按預(yù)定軌跡設(shè)計四桿機構(gòu)如果要按照預(yù)定軌跡上的五個點位來設(shè)計的話，則只能在給定軌跡線上取五個點來進行設(shè)計，也就是這些點經(jīng)過四桿機構(gòu)的某一連桿曲線。在設(shè)計當中用到了反轉(zhuǎn)法原理和點位歸并。3.3 桿長的設(shè)計及計算3.3.1 桿長設(shè)計方案介紹與比較平面四桿機構(gòu)設(shè)計方法探析平面四桿機構(gòu)的設(shè)計方法有作圖法、解析法和實驗法三種。用作圖法來設(shè)計四桿機構(gòu)就是要利用鉸鏈間的相對運動的關(guān)系，想方設(shè)法通過幾何關(guān)系確定鉸鏈的位置，從而推出桿的長度。優(yōu)點顯而易見，即直觀、簡單、快速，當然也存在不足，相較于解析法而言精度上差了點。用解析法來設(shè)計四桿機構(gòu)是通過已知變量來對解析式求解的方法得出四桿機構(gòu)的尺寸，通常采用計算機輔助求解，因其復(fù)雜程度較高。解析法的優(yōu)點是精度高，但解法比較繁瑣復(fù)雜。實驗法的話比作圖法更復(fù)雜，比解析法精度上差。通過比較這三種方法，我認為作圖法是適于本人在這次畢業(yè)設(shè)計當中用來設(shè)計桿長的。173.3.2 作圖法設(shè)計四桿長度圖 12 四桿尺寸設(shè)計圖已知條件： 如圖 12 所示，設(shè)計要求的理論軌跡為 ，在理論軌跡Mf上依次取點 、 、 、 、Mf )5.10,36( )5.107,2(M)1,39()1,5(4，嘗試來設(shè)計此四連桿機構(gòu)。)10,6(5設(shè)計過程：181） 固定鉸鏈點 A、D 的確定。為了在設(shè)計當中能夠進行點位歸并，在 5個點當中取兩個相對的點（譬如 與 、 與 ），分別作它們的中垂線1M524和 ，兩中垂線的交點即為固定鉸鏈 D。為了確認另外的一個固定鉸鏈 A，15l24通過點 D 作一條射線 ，然后再作一條射線 、 （其中射線 與 之間的夾0a1a20a1角為 的一半，即 = ；射線 與 之間的夾角為51M?15?251?01的一半，即 = ）；在射線 上選取 作為活動鉸鏈，42244DMB這樣 就作為連桿上的一個標線，在射線 上找到 ,使通過 的 =1B2a22M2，然后作點 與 的中垂線，中垂線和 的交點就是所求的固定鉸鏈112B0A。依次按照 的長度通過點 、 、 在以 A 為圓心的圓上找到相應(yīng)345的 、 、 。可證，兩組對點 與 、 與 分別關(guān)于 AD 對稱。3B451B242）活動鉸鏈 C 的確定?？梢酝ㄟ^機構(gòu)反轉(zhuǎn)法來確定點 C 的位置?？梢郧蟪龉潭ㄣq鏈 D 的另外 4 個對應(yīng)的位置 、 、 、 ，可知兩組對應(yīng)點的2D345D 重合，所以由 D（ ）、 、 （ ）三點分別作中垂線，中垂線的交點534即為活動鉸鏈 。這樣 AD 即是所求的四桿機構(gòu)。1C1B因為射線 與 在射線 上的可選擇性導致有無數(shù)解的產(chǎn)生。 在通過多0a11a次的選取射線 的位置以及 在射線 上的位置試驗作圖，最終得到了滿足的1桿長，尺寸如下所示：A =10mm,1BCD=38mm,C=46mm,1BAD=57mm,19C =58mm，四桿長度滿足 A +AD=10+57 CD+ C=38+46 。1M1B?1B3.3.3 驗證機構(gòu)的最小傳動角依據(jù)上面的傳動角 的公式（3-4），當曲柄 AB 與 AD 重疊共線或者是拉?直共線時，即有極值 [9]。（3-5）obcad 246382)1057(rcos2)(arcosDCB21 ?????????（3-6）?8.1)(ars)(arcs 22c可得最小傳動角 ，通常情況下要求 ，為的是保證機構(gòu)的??84.1min? ??40min?良好傳動性，此機構(gòu)雖然單個四桿機構(gòu)的傳動角不利于良好地傳動，但是左右兩側(cè)四個四連桿機構(gòu)互相彌補傳動上的不足，整體上機構(gòu)仍然可以展現(xiàn)良好的傳動性。在曲柄搖桿機構(gòu)中，倘若機構(gòu)出現(xiàn)了死點位置則對機構(gòu)是很不利的，應(yīng)采取相應(yīng)的辦法來使得機構(gòu)避過死點位置。本次設(shè)計正是考慮到這一點所以設(shè)計了兩套機構(gòu)巧妙得錯開死點位置，讓整個機械連續(xù)運行。3.3.4 運動分析通過作圖法求得的四桿機構(gòu)的尺寸與軌跡曲線之后，得到完整的四連桿機構(gòu)，經(jīng)過 Solidworks 軟件 Motion 模塊進行仿真得出此次求得的連桿機構(gòu)是可以滿足設(shè)計需求的。圖 13 為足部軌跡圖，表 1 為觀察點的坐標。20圖 13 足部軌跡圖下面的表 1 給出了四桿機構(gòu)運動仿真中得出的觀察點 、1M、 、 、 的坐標。2M345表 1 觀察點的坐標點位中誤差 =1M22)()(yx??= 22).10938.(85.370. ?=0.73點位中誤差 =2M22)9.106345.().794.6( ???21=0.63點位中誤差 =3M22)4.109875.().3874.( ???=1.57點位中誤差 =4 22)64.107.()4.537.2( ???=1.32點位中誤差 =5M22)9.103847.()6.4273.6( ???=1.65經(jīng)過計算判斷，本設(shè)計結(jié)果與理論設(shè)計軌跡誤差較小，此機構(gòu)的設(shè)計結(jié)構(gòu)是正確的。3.4 小結(jié)本章節(jié)設(shè)計了行走小車的腿部四桿機構(gòu)，按照小車行進的理論軌跡來設(shè)計桿長，然后通過軟件仿真驗證了設(shè)計結(jié)果的正確性。224 傳動方案及電機選擇本章節(jié)設(shè)計小車的傳動方案以及動力裝置電機的選擇。 4.1 電機的選擇為了簡化加工制作過程，選取的是 130 直流電機，該電機多用在玩具，其具體參數(shù)如下：【電壓范圍】1-6V【額定電壓】3V【參考電流】0.35-0.4A【3V 轉(zhuǎn)速】17000-18000 rpm【3V 空載電流】350mA【3V 堵截電流】1.3A【軸徑】2 mm【軸長】9 mm【重量】14.24g4.2 齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計23也采用 130 減速箱，通過齒輪兩級減速，達到減速比為 1：94。其中第一級直齒輪與冠齒之間簡易嚙合，齒輪傳動減速比為 = = = =4.375；第12iw12z835二級兩漸開線直齒圓柱齒輪之間的嚙合,齒輪減速比為= = = =21.49。 I= * = =4.375 21.49=94。3'2iw'23z81712i3'12z?'3四足行走小車主軸的轉(zhuǎn)速為 n=17000/94 = 181 r/min。 可以滿足小車的運行要求。圖 14 為齒輪傳動系統(tǒng)示意圖，圖 15 為 130 減速箱爆炸圖。圖 14 齒輪傳動系統(tǒng)示意圖一、畢業(yè)設(shè)計（論文）的目的與要求：目的:通過本畢業(yè)設(shè)計，可以鞏固和深化學生所學的基本理論、基礎(chǔ)知識以 及基本，培養(yǎng)學生綜合運用所學理論基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)課程和專業(yè)知識分析和解決 工程技術(shù)問題的能力；綜合訓練學生調(diào)查研究、查閱文獻和收集資料的能力；提 高學生總結(jié)提煉和撰寫科技論文的能力等。要求： 日常工作方面， 要求學生要明確課題任務(wù)，按照畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書規(guī)定的工作進度安排，按時完成各階段任務(wù)；畢業(yè)設(shè)計過程中做好工作日記，定時與指導老師聯(lián)系和溝通，確保工作效率與工作質(zhì)量；妥善管理個人課題工作中的各種文檔 資料，如調(diào)研報告、外文翻譯、查閱論文、軟件源和各種筆記；課題研究方面 ，學生運用圖解法、計算機輔助設(shè)計、計算機運動仿真等技術(shù) 設(shè)計四足交替行走小車的虛擬設(shè)計，然后繪制工程圖紙，最后加工和裝配調(diào)試。 通過該課題研究，使學生熟悉小型機械系統(tǒng)的設(shè)計過程，包括電機選擇、傳動系 統(tǒng)設(shè)計、執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計，整體的布局，鞏固四連桿機構(gòu)的設(shè)計方法。在此過程 中，學生還會對機械加工、裝配的工藝、過程進行進一步的熟悉和掌握。二．畢業(yè)設(shè)計（論文）的內(nèi)容： 主要內(nèi)容：采 用 單 電 機 驅(qū) 動 ， 運 用 傳 動 機 構(gòu) 將 運 動 傳 輸 和 分 配 給 四 組 四 連 桿 行 走 機 構(gòu) ， 實現(xiàn)四足交替行走小車的設(shè)計和制作，具體包括：1.設(shè)計四連桿機構(gòu)，實現(xiàn)行走機構(gòu)的運動；2.使用計算機仿真軟件進行運動系統(tǒng)的仿真，驗證機構(gòu)是否干涉、機構(gòu)運動 的可行性；3.電機的選擇，整個小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動系統(tǒng)設(shè)計；4.對關(guān)鍵零部件進行加工制作、和購買，安裝調(diào)試。三、畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)完成的工作:1. 與課題相關(guān)的一萬字符以上的外文翻譯；2. 課題調(diào)研，熟悉連桿機構(gòu)的設(shè)計原理、方法，連桿行走機構(gòu)的類型，設(shè)計原理和方法，理解自己的課題研究內(nèi)容，撰寫開題報告；3. 設(shè)計行走四連桿機構(gòu)，計算機運動仿真，驗證其可行性；4. 設(shè)計四足行走小車的整體結(jié)構(gòu)，加工制作；5. 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。四．畢業(yè)設(shè)計（論文）進程的安排：序號 設(shè)計（論文）各階段名稱 日 期 備 注1 外文翻譯 2015.12.18-2016.1.8完成英文翻譯1 月 1 號翻譯好，并交給指 導老師文 獻 查 閱 ， 熟 悉 連 桿 機 構(gòu) 設(shè) 計 原 理 、 星 座 機 構(gòu) 的 類 型 、 設(shè) 計 原 理 和方法，撰寫開題報告2016.1.9-2016.2.20完 成 開 題 報 告 撰 寫 ， 2 月 20 日 開 題 報 告 發(fā) 給 指 導 老 師 ； 準備 3 月 11 日之前開題2 四 連 桿 行 走 機 構(gòu) 的 設(shè) 計 和 運 動 仿 真，四足行走小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2016.2.21-2016.3.20 3 月 20 日 之 前 提 交 小 車 整 體三維造型3 四足行走小車模型的加工制作 2016.3.21-2016.5.1 4 月 22 日 之 前 完 成 中 期 檢 查4 撰寫畢業(yè)論文，答辯 2016.5.2-2016.5.10 5 月 11 日 將 畢 業(yè) 論 文 交 給 指導老師五．應(yīng)收集的資料及主要參考文獻：[1] 孫 恒 ， 陳 作 模 ， 葛 恩 杰 ， 機 械 原 理 （ 第 八 版 ） ， 北 京 ： 高 教 教 育 出 版 社 ，2013[2]濮良貴，機械設(shè)計（第九版），北京：高等教育出版社，2013 [3]真，趙永生，趙鐵石，高等空間機構(gòu)學，北京：高等教育出版社，2006 [4]周建軍，胡濤，陳耀，單自由度腿部機構(gòu)的四足機器人穩(wěn)定性的研究，浙江： 杭州電子科技大學機械電子工程研究所，2014.9.18 [ 5]江 洪 ， 酈 祥 林 ， 金 志 揚 ， Solidworks2011 基 礎(chǔ) 教 程 （ 第 四 版 ） ， 北 京 ： 機 械 工業(yè)出版[6] 社，2012[7]張 忠 將 ， Solidworks2011 機 械 設(shè) 計 完 全 實 例 教 程 ， 北 京 ： 機 械 工 業(yè) 出 版 社 ， 2012六、任務(wù)執(zhí)行日期：自 20XX年 12 月 15 日 起 ， 至 20XX 年 6 月 1 日 止 。學 生 （ 簽 字 ） 指 導 教 師 （ 簽 字 ） 系 主 任 （ 簽 字 ） 四足行走小車的設(shè)計一、課題背景1.1 課題來源我的課題《四足行走小車的設(shè)計》的來源即導師所給，參考當前足式機器人的火熱研究，所確定的適合本科畢業(yè)生的課題。1.2 實際應(yīng)用價值 根據(jù)調(diào)查,在地球上近一半的地面不適合于傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛行走,但是一般多足動物卻能在這些地方行動自如。因此,足式小車與輪式及履帶式小車相比具有獨特的優(yōu)勢。足式小車對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力,足式小車的立足點是離散的點,可以調(diào)整姿態(tài)在可能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐點。足式小車還具有主動隔振能力,允許機身運動軌跡和足式運動軌跡解耦。盡管地面高低不平,足式小車仍然可以相當平穩(wěn)地行走。因此足式小車受到各國研究人員的普遍重視,已經(jīng)成為機器人研究中一個引人注目的研究領(lǐng)域。四足行走小車被認為是最佳的足式小車的形式，四足交替行走小車比兩足行走承小車載能力強、穩(wěn)定性好,同時又比六足、八足行走小車結(jié)構(gòu)簡單、易于控制。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)四足步行機器有一種是通過多桿機構(gòu)的創(chuàng)意組合來達到模仿馬匹的行走動作的機構(gòu)基于仿生機構(gòu)原理設(shè)計,具有不同于一般輪式交通工具的特點,能夠跨越障礙;對于該機器的研究為復(fù)雜步行機器人的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，從仿生設(shè)計的角度出發(fā),對真馬的腿部骨骼、步態(tài)、足部軌跡、重心補償特性進行了分析總結(jié)； 采用幾何解法,把空間幾何問題分解成若干個平面幾何問題,給出各個]1[關(guān)節(jié)角給定量的計算方法。然后對運動學正、逆問題以及工作空間進行了計算-1-機仿真以及實驗研究,實驗結(jié)果表明了該方法的正確性。 ]4[研究者們對四足機器人行走過程的仿真分析,建立了四足機器人的三維軟件模型,導入仿真軟件 ADAMS 中,通過加入約束和動力分析 ,以一定形式的步態(tài)分析實現(xiàn)了機器人在平面上的行走。并以機器狗模型為例子分析了穩(wěn)定性以及在行走過程中各部分動作產(chǎn)生的影響,為研究智能化玩具程序開發(fā)和四足機器人提供借鑒。 [2]還有一種基于 AIBO 四足機器人提出了一整套運動控制方法。方法包括正向運動學計算,反向運動學計算,運動軌跡的平滑插值方法以及全向行走的實時軌跡規(guī)劃。為實現(xiàn)四足機器人平滑的行走軌跡,本文同時給出了一種改進型三維拉格朗日插值方法,可有效平滑腿部末端運動軌跡,減少機械損傷。 [3]目前國外最具代表性的足式步行機器人有某電信通信大學研發(fā)的 Tekken ，美國俄亥俄州立大學研發(fā)的四足機器人 KOLT ，以及美國 Carnegie Mellon 大學與 Boston Dynamics 公司等聯(lián)合研制的 Little Dog 和 Big Dog [23] 等.Big Dog 不依靠輪子而是依靠四條“鐵腿”行走 [5]，這個四足機器人在遭到橫加猛踹之后，打個趔趄，能繼續(xù)前行。機器騾子能在山地執(zhí)行任務(wù)。這種大狗機器人能夠在戰(zhàn)場上發(fā)揮非常重要的作用：在交通不便的地區(qū)為士兵運送彈藥、食物和其他物品。它不但能夠行走和奔跑，而且還可跨越一定高度的障礙物。該機器人的動力來自一部帶有液壓系統(tǒng)的汽油發(fā)動機。-2-三、課題研究的內(nèi)容及解決的關(guān)鍵問題通過本畢業(yè)設(shè)計，可以生鞏固和深化我所學的基本理論、基礎(chǔ)知識以及基本，培養(yǎng)學生綜合運用所學理論基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)課程和專業(yè)知識分析和解決工程技術(shù)問題的能力；綜合訓練我的調(diào)查研究、查閱文獻和收集資料的能力；提高我的總結(jié)提煉和撰寫科技論文的能力等。本課題的研究內(nèi)容包括以下幾個方面：（1）設(shè)計四連桿機構(gòu)，實現(xiàn)機構(gòu)的平穩(wěn)行走；（2）用 Solidworks 進行運動系統(tǒng)的仿真，驗證機構(gòu)是否干涉、機構(gòu)運動的可行性； （3）選擇電機，整個小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動系統(tǒng)設(shè)計；（4）購買所需材料，進行小車的加工制作，裝配調(diào)試。-3-4、技術(shù)路線具體過程如下：（1）利用圖解法直觀、簡單、快捷的優(yōu)點完成四連桿機構(gòu)的初步設(shè)計；（2）對小車電機進行選擇，以及傳動系統(tǒng)設(shè)計，完成小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計；（3）利用三維軟件完成產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)，設(shè)計中主要使用SolidWorks 軟件對零部件進行虛擬設(shè)計，提高產(chǎn)品的設(shè)計效率，并生成相關(guān)零件的實體模型； （4）利用虛擬樣機技術(shù)對產(chǎn)品進行運動仿真設(shè)計中將應(yīng)用SolidWorks軟件對小車足部機構(gòu)進行運動模擬和分析，導出其運動軌跡曲線，驗證是否達到預(yù)期的設(shè)計要求，并優(yōu)化；（5）利用制圖軟件繪制產(chǎn)品工程圖設(shè)計中將應(yīng)用SolidWorks工程圖等制圖軟件繪制產(chǎn)品各部件的零件圖及裝配圖；五、關(guān)鍵技術(shù)介紹本課題主要基于圖解法進行四足交替行走小車的設(shè)計，并利用軟件的虛擬仿真技術(shù)進行運動分析。5.1 作圖法設(shè)計四桿機構(gòu)對于四桿機構(gòu)來說，當其鉸鏈中心位置確定后，各桿的長度也就確定了。用作圖法進行設(shè)計，就是利用各鉸鏈之間相對運動的幾何關(guān)系，通過作圖確定各鉸鏈的位置，從而定出各桿的長度。圖解法的優(yōu)點是直觀、簡單、快捷，對三個設(shè)計位置以下的設(shè)計是十分方便的，其設(shè)計精度也能滿足工作要求，并能為解析法精確求解和優(yōu)化設(shè)計提供初始值。-4-5.2 SolidWorks 造型技術(shù)在目前市場上所見到的三維 CAD 解決方案中，SolidWorks 是設(shè)計過程比較簡便而方便的軟件之一。（1）在 SolidWorks 中，當生成新零件時，可以直接參考其他零件并保持這種參考關(guān)系。在裝配的環(huán)境里，可以方便地設(shè)計和修改零部件。（2）SolidWorks 可以動態(tài)地查看裝配體的所有運動，并且可以對運動的零部件進行動態(tài)的干涉檢查和間隙檢測。（3）用交替位置顯示視圖能夠方便地顯示零部件的不同的位置，以便了解運動的順序。交替位置顯示視圖是專門為具有運動關(guān)系的裝配體而設(shè)計的獨特的工程圖功能。六、進度安排序號各階段名稱 起止日期 備注1 文獻翻譯 2015.12.18-2016.1.8完成英文翻譯，1 月 1 號翻譯好，并交給指導老師2文獻查閱，熟悉連桿機構(gòu)設(shè)計原理、星座機構(gòu)的類型、設(shè)計原理和方法，撰寫開題2016.1.9-2016.2.20完成開題報告撰寫，2 月 20 日開題報告發(fā)給指導老師；準備 3 月 11日之前開題-5-報告3四連桿行走機構(gòu)的設(shè)計和運動仿真，四足行走小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計2016.2.21-2016.3.203 月 20 日之前提交小車整體三維造型4四足行走小車模型的加工制作2016.3.21-2016.5.1 4 月 22 日之前完成中期檢查5 撰寫畢業(yè)論文，答辯 2016.5.2-2016.5.10 5 月 11 日將畢業(yè)論文交給指導老師七、參考文獻[1]雷雄韜. 四足步行機器的研制[D]. 華中科技大學: 雷雄韜, 2006[2]汪秉權(quán), 章正偉. 基于虛擬仿真的四足機器人行走研究[J]. 輕工機械, 2009, 27(3): 5-7[3]許濤. 一種四足機器人全向行走運動控制方法[J]. 電子制作, 2014,(9):20-21[4]藍益鵬, 王雷. 馬型四足行走智能機器人的研究[J]. 組合機床與自動化加工技-6-術(shù), 2009,(11):9-16[5] 林寒. 美軍機器狗 :現(xiàn)實版 “木牛流馬”[N]. 世界報. 2008-12-10 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