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畢業(yè)設(shè)計(論文) 微小型步行四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計與研究 學(xué) 號： 姓 名： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 系 別： 機(jī)械工程系 指導(dǎo)教師： XXX 講師 XXX 副教授 二○一五年四月 摘 要 對于很多特殊地方，像危險性很大或我們難以到達(dá)的，比如拆除炸彈，未知探測等相應(yīng)領(lǐng)域，對以上危險狀況深入探尋通常需要機(jī)器人來實現(xiàn)。微小型步行機(jī)器人是機(jī)器人的一個重要分支，步行機(jī)器人與超過六英尺，八條腿的機(jī)器人相比，由于承載能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，所以，全球大批研究者，開始普遍重視它。 本文主要以四桿機(jī)構(gòu)作為主要執(zhí)行元件來設(shè)計微小型步行四桿機(jī)構(gòu)的整體方案。其原理為對角線同步，腿的活動由曲柄搖桿結(jié)構(gòu)傳遞，左右前腿動作同等，它詳細(xì)表現(xiàn)了連桿的弧線特點，當(dāng)直線段為對等弧線運動軌跡時，機(jī)器人就在地上固定不動，當(dāng)對角曲線的運動軌跡是斜斜線段時，機(jī)器人就做步行運動。該機(jī)器人主要由直流伺服電機(jī)驅(qū)動，從而通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動同步帶輪腿的動作。 關(guān)鍵詞：微小型步行機(jī)器人；結(jié)構(gòu)；四桿機(jī)構(gòu)；曲柄搖桿 ABSTRACT For a lot of special places, like the risk is very big, or we are difficult to reach, such as disarm bombs, unknown corresponding domains such as detection, probing deep of more dangerous situation usually need to implement the robot.It’s a main part of robot for micro pedipulator, walking robots and more than six feet, compared to the Eight Legged Robot, because of strong bearing capacity, good stability, which the meritss is simple construction, So, a large number of researchers around the world, start generally attach importance. This paper mainly to the four bar mechanism as the main execution elements to design of micro walking the whole scheme of the four bar mechanism. Its principle is diagonal synchronization, leg activity by the structure of the crank rocker, front leg movements around the same, it detailed performance curve characteristics of the connecting rod,when the curve trajectory diagonal straight line segment, the robot is stationary, the motion trajectory when the diagonal curve is slanting line do the walking motion, robot. The miniature walking robot is mainly driven by DC servo motor, so as to drive the leg action driven synchronous belt wheel by a crank and rocker mechanism. Key word: Micro walking robot；construction；four-bar linkage；crank-rocker iii 目 錄 摘 要 i ABSTRACT ii 目 錄 iii 1 緒論 1 1.1課題來歷與研究的目的以及意義 2 1.2 發(fā)展概況 4 1.2.1 國內(nèi)的發(fā)展概況 5 1.2.2 國外的發(fā)展概況 7 1.3本課題研究的內(nèi)容 9 2 微小型步行四桿機(jī)構(gòu)總體方案結(jié)構(gòu)的設(shè)計 12 2.1 微小型步行四桿機(jī)構(gòu)的總體方案圖 12 2.1.1 方案的比較 14 2.1.2 方案的確定 14 3 四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 18 3.1基礎(chǔ)理論知識 20 3.1.1曲柄存在的條件 20 3.1.2急回運動特性和行程運動速比K的關(guān)系 20 3.1.3壓力角和傳動角 20 4 機(jī)械傳動的設(shè)計計算 21 4.1 選擇直流伺服電機(jī) 21 4.2 同步帶傳動的設(shè)計計算 22 4.3 研究計算軸 23 結(jié)論 24 致 謝 25 參考文獻(xiàn) 26 附錄 一 32 附錄 二 37 XX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 從廣闊的視野、各種各樣的活動，還有和學(xué)術(shù)報告、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及另外別的角度的的詳細(xì)內(nèi)容，我們得到了包含定位、性質(zhì)以及應(yīng)用的機(jī)器人的大環(huán)境。機(jī)器人已發(fā)展到注重提高生產(chǎn)效率，成品質(zhì)量穩(wěn)定性和提升人類無法輕松靠近本地操作。最近，超過10000000000元的市場已經(jīng)建立了機(jī)器人的商業(yè)用途，像清潔機(jī)器人，它的應(yīng)用已經(jīng)滲透到醫(yī)療福利，農(nóng)業(yè)，等。對抗震救災(zāi)中的應(yīng)用和護(hù)理的期望，福利特別高，和出色的機(jī)器人技術(shù)不僅實現(xiàn)創(chuàng)建一個新的市場，也為保護(hù)世界環(huán)境的一個非常重要的貢獻(xiàn)。在一個國家或地區(qū)有機(jī)器人具有普遍偏向的方式。今后，會更加流行正在蓬勃發(fā)展的機(jī)器人。OMG國標(biāo)早就認(rèn)可中介范例，ISO資質(zhì)也授與了能幫人平時活動的機(jī)器人。即使在虛擬場景中的活動，這是越來越多的機(jī)器人的使用。根據(jù)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用在通訊，家電，汽車，醫(yī)療設(shè)備和其他，機(jī)器人已被廣泛認(rèn)可。它是一種動力，看來像它會導(dǎo)致一個新的行業(yè)。機(jī)器人研發(fā)情況固然都在被上述所整理，然而這些仍然是顯示出要把機(jī)器人推向消費者。歐美等發(fā)達(dá)國家成立有相應(yīng)計劃，本國也需求更好的戰(zhàn)略，方能維持積極地有力發(fā)展。新服務(wù)機(jī)器人對于市場具有應(yīng)用性很強(qiáng)的領(lǐng)域，比如孜孜不倦的創(chuàng)新產(chǎn)品、醫(yī)療項目、相關(guān)福利以及防不勝防的自然性或人為性災(zāi)難。在另一方面，雖然產(chǎn)自日本的工業(yè)機(jī)器人依然是行業(yè)里最好的，但其他國家都在奮起直追。在關(guān)于實際使用中，美國提出了很多觀點。在美國有建立國家計劃項目，歐洲也是，如Horizon2020，我們的國家也需要更好的政策，才能保持健康的發(fā)展前景。 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)品強(qiáng)度的可靠性得到了增強(qiáng)，有望應(yīng)用于教學(xué)，免費的產(chǎn)品系統(tǒng)和一些新的領(lǐng)域。 只有我們創(chuàng)建的模式可十分完美地與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合在一起，才能建立一個滿是生機(jī)的社會環(huán)境，幫助型機(jī)器人也才能服務(wù)大眾的各類活動。如果多個應(yīng)用程序可以為我們創(chuàng)造的，他們提供快速，安全的服務(wù)，滿足他們的需求，將是非常愉快的。所以，我們應(yīng)該抓緊實現(xiàn)建設(shè)這樣一個好的平臺。 此外，因為教育是人才的培養(yǎng)，社會和工業(yè)的各個領(lǐng)域也要由它來服務(wù)。教育以及教育系統(tǒng)以機(jī)器人為目標(biāo)的不僅得提高應(yīng)付難處的能力；他們也喜歡傳統(tǒng)的技術(shù)，在不同的方向、在合作領(lǐng)域，但關(guān)鍵是要把機(jī)器人技術(shù)對社會和高級人才使用。 1）實現(xiàn)的潛力 2010年，國家各部委進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和論證后認(rèn)為：智能機(jī)器人這個大產(chǎn)業(yè)在接下來的幾十年內(nèi)產(chǎn)值和市場占有率都會是井噴式的。 在2013七月，在測量市場大小的根本上行使2010之“機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的市場趨勢考查”后續(xù)。情況即中國市場正在急劇膨脹，然后韓國，日本和德國都在拼命瓜分市場。 2）工業(yè)機(jī)器人的定義和需求 在日本，工業(yè)機(jī)器人從開始普及到現(xiàn)在已然30年。工業(yè)機(jī)器人對全球制造業(yè)發(fā)展提供了很多的幫助，像戰(zhàn)勝了困難的，污濁的，無法掌握的應(yīng)用情況，供應(yīng)了優(yōu)秀的產(chǎn)品品質(zhì)，補(bǔ)充了貧乏的現(xiàn)場人力。 能理解，在將來數(shù)年，由于老齡化加劇，現(xiàn)場人力數(shù)目縮小，會發(fā)生很多的用人貧乏。因此，產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的希冀變得更多。產(chǎn)業(yè)機(jī)器人在全新范疇的施行（像食物，藥劑以及消費物的研發(fā)，建設(shè)以及制造范圍）亦然有很好的遠(yuǎn)景。特別是在醫(yī)學(xué)范疇，試劑以及樣品分析前處理，可能獲得類似于高度精準(zhǔn)的技術(shù)實驗數(shù)據(jù)。人力也能夠防止于在危急境況下作業(yè)，如病毒和細(xì)菌。 另一面來說，怎么去教依舊是產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的很大問題。利用口令進(jìn)行示范，必須鍛煉的非常好，方能嫻熟的操縱各式各樣產(chǎn)業(yè)機(jī)器人。在當(dāng)下的機(jī)器人體系里，多臂互相配合鏈接操縱的境況下，操縱要用去巨額的工夫。早前的機(jī)器人體系愈來愈艱巨，是讓教授更易學(xué)的一個大難點。在將來的時間里邊，達(dá)成不必講授成了終極的目的。更由于這樣，智能的機(jī)器人會成為不可或缺的。我們需求各式各類的研發(fā)成效，聯(lián)合科研院所的協(xié)助。 3）機(jī)器人在社會中的定義和需要 由于全球都邁進(jìn)了衰老型社會，想讓老弱病殘幼在存活和環(huán)境容納中獲得援手。估計機(jī)器人會給以充分的反饋，好比訊號的供應(yīng)以及撐持，幫助那些居家討生活的人，向組建社團(tuán)給以幫助，縮小休養(yǎng)之包袱，給身體功能施以幫助，以及增加商業(yè)設(shè)施。這會能使得老人以及殘疾人覺得就是貌似孩子們、孫子們和他們呆在一塊兒似的。歷經(jīng)實踐，這是愈來愈明朗，在以后，服務(wù)型機(jī)器人的成長會加快環(huán)境容納度，我們會使得延續(xù)康健的時期愈來愈長，用自幫自助的存在方法，有目的地工作和參與社會。所以有，它可以變成構(gòu)建更好環(huán)境以及衰老境況乃至世界上生長的能量。 B）機(jī)器人服務(wù)平臺 如果我們必須領(lǐng)會服務(wù)機(jī)器人體系的運作方法，就得懂得實際情況、顧客還有產(chǎn)品中的懸殊，包括領(lǐng)導(dǎo)大批機(jī)器人還給以幫助。不只是增添了很多額外花費，以及能否賺錢的疑惑。誠然我們可以建造出來服務(wù)機(jī)器人體系，若是服務(wù)的回報無法回本更無盈利，就更不能擴(kuò)大利用了。假如一個多服務(wù)系統(tǒng)機(jī)器人可以建造出來，可給他人用的嶄新的幫助方式已初露鋒芒，制造者才敢去想走到了這一步，得到的回報能否順利地抵消甚至超出用去的本金。所以，現(xiàn)在極大的障礙是創(chuàng)造出一個體系，這體系會滲透進(jìn)幫助型機(jī)器人的發(fā)展范疇，也更容易滲透進(jìn)IT行業(yè)。 　　4）機(jī)器人在教育中的定義和需求 C）機(jī)器人在教育中的需求 在日本，那樣的向來肩負(fù)著本國對外競爭力的研發(fā)科技、生產(chǎn)制造人員卻是在急劇銳減，現(xiàn)在，他們加快應(yīng)對著居民衰老化，真正境況是，依托相應(yīng)調(diào)研報告，眼下的事實卻是，日本群眾用在高端科技的精力以及會意程度非常明顯的愈來愈少了。即使如此，機(jī)器人和機(jī)器人應(yīng)用工程課堂展示教學(xué)也收獲了重視，是一種很好的鍛煉制造員工以及淡化對科學(xué)害怕的技術(shù)措施。機(jī)器人活動比賽被承辦在各式各樣的地區(qū)，傳統(tǒng)刊物也錄用了興趣者們的作品，還有機(jī)器人知識亦然在人民里邊傳播開來。 　　電機(jī)把持，傳感器科學(xué)和計算機(jī)應(yīng)用，機(jī)構(gòu)零部件和別的技術(shù)歸納在一塊，是為機(jī)器人技術(shù)。于是，途徑PBL——源自困難的進(jìn)修以及同等的要領(lǐng)，激發(fā)了察覺麻煩的本領(lǐng)以及處理的技巧，相當(dāng)順應(yīng)思維培養(yǎng)的組合，其也可增強(qiáng)優(yōu)化多組件科技以及提升歸納體系的優(yōu)點。要實現(xiàn)此方針，不妨面向基礎(chǔ)教育的同學(xué)達(dá)成科學(xué)培養(yǎng)，使培養(yǎng)方式和手段得以普遍使用，還有方針即是開始于小學(xué)和初中止于科技培養(yǎng)部門工程師。 　　D)機(jī)器人在教育中的挑戰(zhàn) 　　說起機(jī)器人培養(yǎng)的要求，如此3種方向在未來數(shù)年會當(dāng)作機(jī)器人培養(yǎng)的中心。首先是對各行各業(yè)的外部人力的教導(dǎo)。比方說，各個社區(qū)來負(fù)責(zé)踐諾開放向青少年的機(jī)器人培養(yǎng)行徑。全體地區(qū)的互動方式中都有他們的身影，比如地方廣電局以及私人單位的加入。 　　然后就是達(dá)成社會機(jī)器人培養(yǎng)觀念的引導(dǎo)。第五科技根本設(shè)計的種種資料已然贊同社會達(dá)成了技能的看法。 　　末了一點，是關(guān)于重用高素質(zhì)的人力。2005年，日本的幾個部委在定期工作資料中早就說明，他的高管以及技能人力的減少源自于本國的群眾衰老在加劇。他呼吁必須善加利用那種高級人才，不要過于限制他們的歲數(shù)以及保持工作場所。這成為一個極度首要的困難，對校企培養(yǎng)來講。真正尊重知識人材是處理此困難的一個絕佳思維，針對日本眼下難處來講。我們應(yīng)該建造渠道，傳播知識人材得到的技巧、技能和經(jīng)歷的給接下來的工程師。機(jī)器人的培養(yǎng)愈加發(fā)展，熟練掌握每種能力的工程師已然能夠有所擔(dān)當(dāng)，接下來具備雄厚履歷的知識人材操作起來也是十分順手了。 　　2.2這些年來面臨的挑戰(zhàn)和建議 從上面的話，機(jī)器人的應(yīng)用情況中的大量看法被歸納出來，計議了產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的釋義以及用途，還有機(jī)器人進(jìn)行培養(yǎng)用處，給人類帶來了巨大好處。共同的希冀是讓機(jī)器人變成如此般用途的焦點，穩(wěn)定性很好，物美價廉，還可把感應(yīng)器與移動電話接洽為一，普遍增加機(jī)器人的服務(wù)率，如此方能使老弱病殘幼的生存容易實現(xiàn)醫(yī)療，權(quán)利福利得到完整保證，災(zāi)害虧損減到最少。 由于產(chǎn)業(yè)機(jī)器人知識的能力教育和傳授技巧是拿去交給很多熟能生巧的工人，還有品種眾多的智能化機(jī)器人，所以要強(qiáng)調(diào)可靠地，并樂意與別人溝通的機(jī)器人技能協(xié)作。接下來，還得尋求掌控接口技能以及平臺機(jī)器人服務(wù)打造服務(wù)型機(jī)器人，能讓其巧妙貼切的服務(wù)大眾，完成運輸以及系統(tǒng)IT的服務(wù)成長化。 　　機(jī)器人培養(yǎng)的效力可使大眾的求知欲以及發(fā)展性得到加強(qiáng)。所以必須得整合可靠地技能，激勵所有年齡段人的培養(yǎng)，平時實踐中的經(jīng)歷、事件加入、愛好趣味以及文明發(fā)展。要想提升機(jī)器人研究和建造的速度，就得沖出那些很能磨練人的職責(zé)障礙，一定會更好的服務(wù)大眾。 所以必須斟酌戰(zhàn)略、布局以及構(gòu)造等條件，以推動社會發(fā)展。 所以對于日常生活和野外中某些會置人于死地的地方，就像自然災(zāi)害、戰(zhàn)亂地區(qū)以及爆破現(xiàn)場這些不能進(jìn)入或容易受傷的區(qū)域，機(jī)器人必須出面進(jìn)行接觸，了解，判斷和處理。機(jī)器人系統(tǒng)憑借完美的可靠性以及簡便的遙控性，能充分貼合不同環(huán)境的要求。是以在電動座椅、太空研究、裝置轉(zhuǎn)移、石油開發(fā)、培訓(xùn)以及休閑等領(lǐng)域，發(fā)展?fàn)顩r十分之好。在機(jī)器人領(lǐng)域，全球都在進(jìn)行多條腿的行進(jìn)機(jī)器人的開發(fā)。四足步行機(jī)器人是機(jī)器人的一個重要分支，四足機(jī)器人與雙足步行機(jī)器人相比，由于承載能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，和超過六英尺，八英尺的步行機(jī)器人相比構(gòu)造更間接，于是全球的工程師都在加以更高的重視。作為一個孩子，從小對機(jī)器人有很大的興趣。本次畢業(yè)設(shè)計老師給我這個話題，讓我覺得很興奮，但也覺得真正地要設(shè)計機(jī)器人，實際上有很多困難。因為這是一個專業(yè)的課題，需要精湛的專業(yè)知識作為基礎(chǔ)，雖然知識是有限的，但我會盡我最大的努力去學(xué)習(xí)，去鉆研，努力完成這個課題。 1.1課題的來源與研究的目的和意義 現(xiàn)在有兩種類型的機(jī)器人可以到達(dá)我們難以接近或者不能接觸的復(fù)雜環(huán)境開展自主勘察。一個機(jī)器人是模仿多足昆蟲的行進(jìn)軌跡，另外一個機(jī)器人則是腳底裝上車輪依靠滾動行走。依靠車輪滾動機(jī)器人的缺點是無法吻合崎嶇不平整的路面，但模仿多足昆蟲行進(jìn)機(jī)器人則能在上述環(huán)境里輕巧的行使職責(zé)。所以將車輪與腿部結(jié)合為一體的機(jī)器人的未來極為明朗，像用于施工現(xiàn)場、煤炭挖掘、摸清敵情、事故救援、太空考察以及電力行業(yè)等環(huán)境。結(jié)合了車輪與腿部的機(jī)器人是各類機(jī)器人中極簡單完成順利爬行的。在眾多機(jī)器人中，通過仿照類似蜘蛛、蜥蜴等爬行動物的腿部組織以及爬行方式研發(fā)的微小型步行四桿機(jī)構(gòu)是極具代表性之一種。某些相對條件高、工作起來必須可靠的行為比如自然探測、天外考察和海洋營救的情況必須讓車輪和腿部相結(jié)合的復(fù)合機(jī)器人來操作，因為它與兩條腿及其他產(chǎn)品相比，構(gòu)成部分十分簡單，運行安全，行動迅速。世界上將小型步行四桿機(jī)構(gòu)開展了普遍的考查，目前有超過70種微走四桿機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，因為微走了四桿機(jī)構(gòu)作用在布局復(fù)雜，難以預(yù)料的情況，大家想要他的動力部分愈發(fā)先進(jìn)，還要達(dá)到極好的自給自足。還有，小型行走四桿體的腿數(shù)量大，完成每條腿的順利行進(jìn)必須處理好彼此的運動關(guān)系，小型四桿行走體研究與設(shè)計的關(guān)鍵在于怎樣才能完美的達(dá)成那樣的協(xié)作關(guān)系。小型四桿走型體，作為一個可以通過經(jīng)歷內(nèi)、外感知工具傳遞訊號何時到達(dá)和具體情況, 達(dá)到能順利行進(jìn)在復(fù)雜地形下的目的，然后實現(xiàn)自己的使命及效用的機(jī)器人體系。已經(jīng)被普遍使用在多個領(lǐng)域，自然侵害，實地調(diào)查，污染查證和文體活動，在國防，存在，人身平安和科技開發(fā)里起了愈來愈關(guān)鍵的作用。然而依靠車輪的機(jī)器人的長處是運行速率高，容易拐彎，運動性能好，制造方便，用料低廉，然而難以適應(yīng)地形，避障能力不好。車輪和腿相結(jié)合的機(jī)器可完美地適應(yīng)地形，能一步一步越過障礙和不明物體，可是間歇的行進(jìn)，效率和速度都較小。 隨著微小型步行四桿機(jī)構(gòu)的不斷開發(fā)和應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，未來會在更多復(fù)雜且未知的環(huán)境中工作。紛繁龐雜、種類繁多的實際應(yīng)用只是依賴于車輪或腿機(jī)構(gòu)般機(jī)器人的話并不能滿足需求。種類齊全的結(jié)合型運行結(jié)構(gòu)紛紛出臺，可以共同慢慢增長車輪和多腿機(jī)器人的技術(shù)規(guī)范，這些特色已被車輪多腿結(jié)合型機(jī)器人吸收并加以應(yīng)用，它不但能提高在光滑陸地的運行功用，逾越困難環(huán)境的本領(lǐng)也得到加強(qiáng)?？墒乾F(xiàn)在微小型步行四桿機(jī)構(gòu)在原理層面尚有大量障礙，倘若選取腳式運動的話。但是，多條腿的爬蟲在多足向自然提供能體布局是龐大和纖巧的，經(jīng)歷其持久的演變和活動的輕巧性，很簡單就可逾越各式各樣的惡劣境況，甚至可在光滑的表面上倒立行走。所以有，把多腳爬蟲步履運動結(jié)論摻和進(jìn)行進(jìn)機(jī)器人的布局研發(fā)和掌管里邊，制造兼?zhèn)渫昝雷龉ず托羞M(jìn)本領(lǐng)的車輪與腿部結(jié)合型機(jī)器人，這將提供給多機(jī)構(gòu)結(jié)合型機(jī)器人的開發(fā)和制造完備且杰出的知識以及實際的道理。 1.2 發(fā)展概況 1.2.1 國內(nèi)的發(fā)展概況 我們在1986之木牛流馬基礎(chǔ)鉆研四腳機(jī)器人制造的來歷，來自于王健的以前的資料，他數(shù)十年的廢寢忘食建造了一個單體七環(huán)節(jié)機(jī)構(gòu)，開純機(jī)械行走機(jī)。王健更設(shè)計出單腿八桿機(jī)構(gòu)，創(chuàng)建王木車馬。在這之后，臺灣教授顏洪森以木制車馬為基礎(chǔ)，開發(fā)了一系列的步行機(jī)，如四連桿式，六連桿式等等步行機(jī)，查建中和其他人一起以單腿八桿機(jī)構(gòu)為對象，共同鉆研考慮怎樣改良按壓力引發(fā)的角度以及零部件的分理?？傊?，傳統(tǒng)的對象加上科學(xué)的分析和先進(jìn)的理論，使得機(jī)器人在國內(nèi)的研究范圍和深度得到了極大的豐富和發(fā)展。 1.2.2 國外的發(fā)展概況 何人最先取得此項專利已無可知曉，只了解到外國科學(xué)家在十九世紀(jì)末建造出了一部類似于騾馬，整體部分是用齒輪以及連接桿件機(jī)構(gòu)組裝，人可以騎在上面用腳蹬踏板推動運行的機(jī)器人，但是卻沒有做出實物來加以佐證.20世紀(jì)初又有人運用齒輪以及連接桿件體系制造出類似的機(jī)器人，然而相關(guān)資料中并沒有找到對這個作品的介紹，所以那個時候有關(guān)機(jī)器人的研究還僅能思索腿的組成以及運動起來的行程路徑。20世紀(jì)中期Shigley已然放進(jìn)步態(tài)研究的思維制造出來在每一條腿上都用成組的連接桿件體系拼裝而且安裝兩個搖桿體系結(jié)構(gòu)以操縱機(jī)器人的步伐軌跡，已然加入步態(tài)設(shè)計的思路。同期，又有兩位發(fā)明家麥吉以及弗蘭科創(chuàng)作了首部徹底用計算機(jī)操縱的行走機(jī)器人。接下來幾年有關(guān)此機(jī)器的設(shè)計被充分的融入了運行操縱理論。1979年席羅思在行進(jìn)機(jī)器人里加入了操縱水平行走的儀器，同樣在腿上加入了保持和校對偏向的裝置。20世紀(jì)末布朗、羅布特以及莎普恩斯研究了加入了液壓部件和直流電機(jī)的相應(yīng)機(jī)器人。這都意味著人類對四桿動力體系的認(rèn)識已從簡單的考慮邁入了整體操縱、計算機(jī)和高新科技的相互融匯貫通的康莊大道。 1.3本課題研究的內(nèi)容 我的微小型步行四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計重點是依靠SOLIDWORKS。在設(shè)計過程中，了解微小型步行四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征和三維軟件的使用要領(lǐng)。 本文的設(shè)計目標(biāo)是設(shè)計一種微小型步行四桿機(jī)器人。該機(jī)器人能夠在不同的底面實現(xiàn)考察，檢測等等功用。其研究內(nèi)容包括： （1）功能分析與方案設(shè)計； （2）結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維造型； （3）運動仿真； （4）控制系統(tǒng)設(shè)計。 2 微小型步行四桿機(jī)構(gòu)總體方案結(jié)構(gòu)的設(shè)計 2.1 微小型步行四桿機(jī)構(gòu)的總體方案圖 本次設(shè)計的微小型步行四桿機(jī)構(gòu)采取的方案是：采用碳鋼板通過螺紋連接的方式來制作主體，主體里面安裝步進(jìn)電動機(jī)作為動力源，驅(qū)使同步輪機(jī)構(gòu)運動，然后曲柄連桿機(jī)構(gòu)開始運動，使得我的機(jī)器人的步行功效得以實現(xiàn)，我的大致計劃構(gòu)造是： 2.1.1 方案的比較 在仔細(xì)查看了老師給的以及自己收集到的論文，研究了機(jī)器人的入門知識后，通過與指導(dǎo)老師以及小組長交流討論，構(gòu)想出三個方案，各方案如下圖所示： 方案一 方案二 方案三 看圖后不難得出：方案一的機(jī)器人腿部設(shè)計十分精巧復(fù)雜，它像四腿的爬蟲一樣用先后四條腿互換行進(jìn)，他用到了大量電腦控制和生物仿真知識，因為我的控制系統(tǒng)、電路和相應(yīng)原理知識很薄弱，不得已舍棄掉它。方案二之于方案一其構(gòu)造靈活方便，然而大小符合不了運送東西的目的，況且它在不平的路面行進(jìn)的話顯然達(dá)不到要求。最后選擇了第三種方案來做，其結(jié)構(gòu)明了，原理清楚，運行時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯而易見。 2.1.1 方案的確定 本方案中采用了對角線原則，即是對角線上的兩條腿通過連接桿連接在一起保持運動一致性。 一段弧以及一條直線表達(dá)出了這六條腿的活動路線，前后共四條腿平行于地面時就支撐在地上不作運動，中間那兩條腿同步的在沿著直線開始進(jìn)行活動，然后這兩組腿就在弧和直線之間進(jìn)行類似于昆蟲的六腳活動。本設(shè)計經(jīng)過直流伺服電機(jī)固定在箱體的內(nèi)部驅(qū)動，因為一致性的對角線原理如果兩邊一邊安裝一個電機(jī)，就會使運動過程復(fù)雜化，出現(xiàn)干預(yù)運動和不穩(wěn)定的現(xiàn)象。故經(jīng)過考慮使 用一臺伺服電機(jī)即可滿足要求，并且這樣做結(jié)構(gòu)也顯得比較輕巧。 傳動部分，按照詳細(xì)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速以及各部件的尺寸不難判斷，因為桿件機(jī)構(gòu)把四根傳動軸鏈接到了一塊，所以能夠把全部驅(qū)動力施加給靠近電機(jī)的那根軸，另外的三根軸都變成從動軸，簡化了設(shè)計。具體機(jī)理是電機(jī)--減曲柄--搖桿--腿部構(gòu)件--四足步行實現(xiàn)。 3 四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 3.1 基礎(chǔ)理論知識 3.1.1曲柄存在的條件 在實際工程中，提出了各種各樣的機(jī)構(gòu)運動性能的要求，并能滿足這些要求取決于機(jī)構(gòu)本身。以下對曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特性進(jìn)行了討論和分析。我們都知道，曲柄存在的條件是：第一：為短桿架桿或框架；第二：短桿、長桿的長度≤另外二根桿件的長度。如果四桿機(jī)構(gòu)的最短和最長的桿的長度和較大的其他兩個桿比，長度一樣的話，則曲柄存在的條件成立，否則則不成立。基于上述原理，短桿與長桿比短，并且比曲柄的回轉(zhuǎn)半徑相當(dāng)，則存在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。 3.1.2急回運動特性和行程運動速比K的關(guān)系 曲柄機(jī)構(gòu)做勻速擺動的時候， 相應(yīng)的搖桿就做不勻速的轉(zhuǎn)動，而且來回轉(zhuǎn)動的平均速度存在差別。如果把行程平均轉(zhuǎn)速較低的當(dāng)成運動行程，吧平均轉(zhuǎn)速較高的當(dāng)成非運動行程，于是就可將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的這兩種平均速度不相同的行程特性定義成急回特性。此種特性經(jīng)常使用行程速比系數(shù) K（搖桿平均轉(zhuǎn)速低、平均轉(zhuǎn)速高的行程平均速度之比）作為衡量。就想下圖顯示的：曲柄機(jī)構(gòu)做均速正方向轉(zhuǎn)動，那么搖桿機(jī)構(gòu)就做水平來回擺動（正方向是運動行程，反方向是為非運動行程）。我們把搖桿處于兩極限位置時連桿對應(yīng)位置所夾的銳角稱為極位夾角，使用K來做表示。依據(jù)各個行程速度之比系數(shù)其定義可得出： ① 存在急回特性的條件是K不等于零。 ② 因為是銳角，即 ≤90，故理論上 K 可以最大為 3。但由于最小傳動角的限制，實用中 K 小于等于 1.4。 對一些有急回特性要求的機(jī)械，常根據(jù)K的大小用公式θ=180（k-1）/（k+1）計算出角度，然后得出各個桿件的尺寸。 3.1.3壓力角和傳動角 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，受力與運動方向得到銳角叫做壓力角，常用α表示。壓力角的余角稱為傳動角，常用表示。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的傳動角隨曲柄的轉(zhuǎn)動而變。傳動角愈大，機(jī)械的效率愈高。動力系統(tǒng)的傳動過程中，一般規(guī)定最小傳動角度 >40。 因此設(shè)計曲柄搖桿機(jī)構(gòu)時值。那么，最小傳動角在什么位置出現(xiàn)呢？通過分析：我們能證實：如果機(jī)架上的 A點與D點處在 C點和C"點二者連線的同一側(cè)，那么最小時角度為0，如果機(jī)架上 A點與D點各處在 C點與C"點連線的一邊，則 =180時的 最大(鈍角)，有 =180。我們可清楚的認(rèn)識到對于這種曲柄主動運動的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，連桿與搖桿之間的銳角最小值即為最小傳動角。 4 機(jī)械傳動的設(shè)計計算 4.1 直流伺服電機(jī)的選型計算 已知整個微小型步行四桿機(jī)構(gòu)的總重量150KG,其他重量50KG，我們?nèi)】傊亓繛?00Kg，移動速度為1~2r/min。即： 具體的電機(jī)設(shè)計計算如下: 1、確定運行時間 本次設(shè)計加速時間 負(fù)載速度（m/min） 有速度可知每秒上升50mm， 電機(jī)轉(zhuǎn)速 3.負(fù)載轉(zhuǎn)矩 式中： 4.電機(jī)轉(zhuǎn)矩 啟動轉(zhuǎn)矩 必須轉(zhuǎn)矩 S為安全系數(shù)，這里取1.0。 根據(jù)以上得出數(shù)據(jù)，我們選用電機(jī)型號為160BL-A，此電機(jī)廠家為機(jī)電產(chǎn)品。依據(jù)電動機(jī)參數(shù)和特性曲線可得： 根據(jù)計算和特性曲線以及電機(jī)基本參數(shù)表，我們選用電機(jī)型號為160BL-4030H1-LK-B，電機(jī)額定功率為0.1KW，額定轉(zhuǎn)矩為7.62N.m，最高的轉(zhuǎn)矩是9N.m，額定的轉(zhuǎn)速是3000r/min，以下是電動機(jī)的效果圖： 外形尺寸130x160，電機(jī)輸出軸徑為25mm。 4.2 同步帶輪傳動設(shè)計計算 (1)傳動名義功率P_=0.2kW (2)主動輪的轉(zhuǎn)速N1為1500r／min，從動輪的轉(zhuǎn)速N2 為350r／min (3)中心距a=130mm左右 (4)工作情況， 24小時運轉(zhuǎn)． 求設(shè)計功率P=K0 Pm=0.22= 0.4Kw，式中Ko為載荷修正系數(shù) 根據(jù)設(shè)計的功率為0.4Kw ，n 為1500r／min，可查表得知傳動帶的型號為L型，對應(yīng)節(jié)距P =9.525mm （1）選擇小帶輪齒數(shù) 根據(jù)小帶輪的轉(zhuǎn)速n=1500r/min和L型傳動帶，配合查表可知小帶輪最小的可用齒數(shù)為Z1為14，大帶輪的齒數(shù) Z2為 i Z1，i= n1／n2=1500／350=4．286。Z2=4．28614=60所以取標(biāo)準(zhǔn)帶得輪齒數(shù)為60。 （2）確定帶輪節(jié)圓直徑 dI==Pb Z1/π=42.736mm d2= Pb Z2/π=182mm （3）確定同步帶的節(jié)線長度L， L= 2acosψ +π(d2+d1 )／2+πψ( d2-d1)／180 式中：ψ =sin-1 (d2-d1)/2a =0．218；12.6 (代入a=100mm) 故L =150.54， 采取距計算所得數(shù)值最近的準(zhǔn)則。 節(jié)線長(見表4)L=160.20mm （4）計算同步帶齒數(shù)z Zb=Lp/Pb=160.20/9.525=17 （5）傳動中心距n的計算 a=Pb( Z2-Z1)／2zcosθ 式子中： inV =3．14l6 inVθ=tgθ-θ用逐步逼近法計算，θ=1．351 8(弧度)代進(jìn)上述公式， 得出a=102.45與精確計算結(jié)果相似。 最后測量裝置同步帶選用L型同步帶P= 9.525mm ZB=17， L,= 150．20ram b．= 25.4mm 同步帶輪： Z1=14，Z2=60，dI==Pb Z1/π=42.736mm d2= Pb Z2/π=182mm 4.3 軸的設(shè)計 軸作為機(jī)器的一個關(guān)鍵組成部分，其為各類傳動部件的安裝，傳動的扭矩和旋轉(zhuǎn)運動圍繞軸進(jìn)行，而且經(jīng)過軸承和機(jī)架連接。為了滿足定位軸上的緊固件和容易加工和裝配的軸類零件和拆卸，通常軸設(shè)計成階梯軸。軸系的零件是由軸和它上邊的零部件構(gòu)成一個裝配體系，研究軸的過程中不僅要研究軸體自己的數(shù)據(jù)，還要將系統(tǒng)里的全部零碎部件融合在一起。 因為用于振動的傳遞的軸體不僅要傳送扭矩，還得經(jīng)受住彎矩，是以本人研究的階梯性軸是轉(zhuǎn)動軸。因為確定了小帶輪的參數(shù)，相應(yīng)的大帶輪隨之確定。接下來的工作就是計算軸體的直徑了。軸體的研究需要憑借扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來調(diào)整彎曲的強(qiáng)度，因為可用作軸的原料比較多，所以必須得明確軸的應(yīng)用環(huán)境，還有規(guī)定諸如剛度，強(qiáng)度以及別的機(jī)構(gòu)機(jī)能?？梢允褂脽崽幚磉@種方法，當(dāng)然也要琢磨怎樣使加工簡單并且花費較少，用研究計算所得的數(shù)據(jù)以確定軸體的用料，故采取45號鋼當(dāng)成軸體的原料，它需要40MPa的切應(yīng)力。然后需要做正火或者調(diào)質(zhì)處理來確保它的力學(xué)性能。 1、初步計算軸的直徑 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估計軸的最小直徑d，軸的最小直徑mm，查表16.2，c=112, p=20.35, n=851,代入設(shè)計公式得=17.26mm?？紤]鍵槽等要素對軸的影響，軸的直徑應(yīng)增加以彌補(bǔ)軸的鍵槽強(qiáng)度減弱。取軸直徑d=20mm，就是最右邊裝帶輪處直徑等于20mm。裝有密封元件和滾動軸承處的直徑，應(yīng)與密封元件和軸承的內(nèi)孔徑尺寸保持一致。軸體上面存在兩支點的軸承要選用一樣的標(biāo)準(zhǔn)，方便加工軸承的座孔。挨著的軸段，應(yīng)使直徑不一樣構(gòu)成軸肩，軸肩在軸體上部件定位以及承受軸向力時要提供相應(yīng)的高度，軸肩的直徑差通常選5到10mm，本文軸肩處采取5毫米的直徑差，接著把每段軸體的長度尺寸匹配到一塊，還要注意軸承座的安裝以及結(jié)構(gòu)是否合理，同樣，螺釘?shù)炔考拈L度和別的的因素，這樣即可確定出軸的各段長度了。 20 XX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 結(jié)論 在最近的一段時間的畢業(yè)設(shè)計，使我們充分把握的設(shè)計方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設(shè)計，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時的指導(dǎo)，確保設(shè)計進(jìn)度，本文所設(shè)計的是微小型步行四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計和研究，通過初期的定題，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進(jìn)取才可能做的好，總之，本設(shè)計完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 致 謝 在導(dǎo)師李劍鋒教授的大力幫助與支持下，我的畢業(yè)論文得以完成。老師對于事業(yè)的熱情，學(xué)術(shù)上的嚴(yán)謹(jǐn)以及細(xì)節(jié)里的嚴(yán)格讓本人受益匪淺。在相關(guān)的實際問題的討論中，李教授總是孜孜不倦的引導(dǎo)著我，幫助著我。每周一次的進(jìn)度檢查和問題討論，促使我在正確的道路上大步前進(jìn)，不僅工作的按時保質(zhì)保量的完成得到了保證，我本人的研究能力，工作的態(tài)度也得到了充分的鍛煉和提高。這些寶貴的品質(zhì)影響著我，毫無疑問，它們對我以后的工作，學(xué)習(xí)，生活都會起到深遠(yuǎn)而長久的良好影響。也能為人生打下一個夯實地基礎(chǔ)！在此致以李劍鋒教授我的深切感激和真摯感謝！ 在具體的研究設(shè)計過程中，關(guān)永翰老師，代偉業(yè)老師，段振坤同學(xué)，韓宇同學(xué)，劉欣星同學(xué)，尹韓松同學(xué)也在平日的學(xué)習(xí)與生活中提供了無私與周到的幫助，充分用他們的工作熱情感染著我，鼓勵著我，讓我少走了很多彎路，再次一并致謝！ 另外也感謝我的父母，朋友和同學(xué)們的幫助。在做設(shè)計感覺受挫，枯燥與迷茫時，是他們在悉心的為我釋放壓力，鼓勵我不要氣餒，勇敢面對。每周一次和父母的通話，與朋友和同學(xué)的長談后都使我精神放松，斗志倍增，以飽滿的熱情重新投入到工作中去，感謝他們，正是他們的不懈支持和充分理解才能使我順利完成畢業(yè)設(shè)計。 最后，感謝學(xué)校各位領(lǐng)導(dǎo)與老師給了我在海濱學(xué)院學(xué)習(xí)生活四年以及參加這次畢業(yè)設(shè)計的寶貴的鍛煉機(jī)會，它使我深刻認(rèn)識到在知識的汪洋大海面前我是多么無知和微不足道。這是一個最好的時代，也是尊重知識，充分學(xué)習(xí)知識，掌握知識的時代。只有持續(xù)的不間斷地學(xué)習(xí)，才不會在激烈的競爭中落后于別人，也才能用自己的真才實學(xué)為社會做出自己應(yīng)有的貢獻(xiàn)。知識是無止境的，無價的，我愿在求真的道路上下而求索！ 參考文獻(xiàn) [1] 張華 機(jī)械設(shè)備設(shè)計 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