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哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
智能機(jī)器狗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要
對(duì)于我們的未來(lái)生活，每個(gè)人有不同的構(gòu)想，但大多數(shù)人都相信，在將來(lái)的社會(huì)，機(jī)器狗將作為家庭的一員進(jìn)入我們的生活，與我們每天朝夕相處。可現(xiàn)在普遍存在人們心中的疑問是：將來(lái)機(jī)器狗將以何種身份進(jìn)入我們的生活，是玩伴還是傭人，智能機(jī)器狗的設(shè)計(jì)就是為了將來(lái)機(jī)器狗能進(jìn)入我們中國(guó)人的家庭生活，為我們的家庭生活帶來(lái)歡樂。
本設(shè)計(jì)采用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，成功地設(shè)計(jì)了智能機(jī)器狗的本體結(jié)構(gòu)。本機(jī)器狗具有前后行、平地側(cè)行等基本行走功能。另外機(jī)器狗頭部還裝有CD攝影機(jī)，胸腔內(nèi)部可裝備內(nèi)置電源和智能設(shè)備。本設(shè)計(jì)參考了狗的結(jié)構(gòu)組成，使得機(jī)器狗結(jié)構(gòu)盡量與狗的本體結(jié)構(gòu)相似，尤其在長(zhǎng)度配比方面。本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，關(guān)節(jié)數(shù)目眾多，為了力求優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者兼顧了關(guān)鍵部件的互換性和結(jié)構(gòu)緊湊的原則。所有的關(guān)節(jié)都用了2036型的直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，充分利用伺服電機(jī)的特性。伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)都采用了諧波減速器機(jī)構(gòu)，該減速方案減速比大、效率高，是比較理想的減速方案。
關(guān)鍵詞：智能機(jī)器狗； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 諧波傳動(dòng)
Intelligent robot dog frame design
Abstract
For our future life, everyone had different ideas, but most people believe that, in future society, the robot dog as a family into our lives, and we can now daily overnight with the common people's hearts Question is: what will be the future status of robot dog into our lives, playmates or servants, the design of intelligent robot dog is to the future robot can enter our Chinese people's family lives, for our happy family life.
The design of a joint structure, the successful design of intelligent robot dog, the body structure. The robot dog has before and after the trip, the ground adjacent to the basic operating functions. Another robot is also equipped with CD camera head, chest internal equipment can be built-in power supply, and intelligent. The reference design of the structure of the dog, making the structure as the robot dog, the dog's body similar to the structure, particularly in the area ratio of length. The design of the structure is more complicated, the large number of joints, in an effort to optimize the design, designers take into account the interchangeability of key components of the compact structure and principles. All joints are composed of a 2036-type of DC servo motor as a driver and make full use of servo motor characteristics. Servo motor drives are used harmonic reducer, the slowdown in the programme reduction ratio, high efficiency, The ideal slowdown is a good programme.
Keywords intelligent robot dog; structural design; harmonic drive
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- II -
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 本課題的來(lái)源、研究目的和意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外智能機(jī)器人的發(fā)展概況 3
1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 5
第2章 智能機(jī)器狗的設(shè)計(jì) 6
2.1自由度的分配及結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 6
2.1.1自由度的分配 6
2.1.2結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 6
2.2關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方案的選擇 9
2.3傳動(dòng)方案的選擇 10
2.3.1傳動(dòng)方式 10
2.3.2減速器和減速比的選擇 10
2.3.3電機(jī)與減速器的連接方式 13
2.4結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能參數(shù) 14
2.4.1智能機(jī)器狗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 14
2.4.2智能機(jī)器狗的結(jié)構(gòu)性能參數(shù) 14
第3章 部分關(guān)節(jié)部件設(shè)計(jì)計(jì)算 17
3.1各關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算 17
3.1.1膝關(guān)節(jié)靜力矩的計(jì)算 17
3.1.2髖關(guān)節(jié)向前后運(yùn)動(dòng)自由度的靜力矩的計(jì)算 17
3.1.3髖關(guān)節(jié)左右擺動(dòng)時(shí)靜力矩的計(jì)算 18
3.1.4頸關(guān)節(jié)擺動(dòng)時(shí)的靜力矩的計(jì)算 20
3.2諧波傳動(dòng)組件的選擇與計(jì)算 20
3.3圓柱齒輪減速器組件選擇與計(jì)算 20
3.4各關(guān)節(jié)所需電機(jī)的選擇與計(jì)算 21
第4章 其它部件的選擇 23
第5章 成本估算和環(huán)保分析 25
5.1成本估算 25
5.2環(huán)保與經(jīng)濟(jì)分析 25
結(jié)論 27
致謝 28
參考文獻(xiàn) 29
附錄 30
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- IV -
第1章 緒論
1.1 本課題的來(lái)源、研究目的和意義
本課題是機(jī)器人寵物項(xiàng)目之一。該項(xiàng)目從表演性和娛樂性方面著手，顯示其存在的價(jià)值和實(shí)力，同時(shí)又是從高技術(shù)方面展現(xiàn)其當(dāng)今科技的發(fā)展方面和前景。
智能機(jī)器狗屬于機(jī)器人的范疇，要談?wù)摍C(jī)器狗，有必要先了解機(jī)器人的概況。自從七十年代工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)以來(lái)，機(jī)器人對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，勞動(dòng)生產(chǎn)率、勞動(dòng)市場(chǎng)、環(huán)境工程都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。幾十年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)以驚人的速度發(fā)展起來(lái)。第一代示教機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)；第二代具有感知的機(jī)器人的研究已取得了很大的突破；第三代類人智能機(jī)器人的研究已成為許多國(guó)家的高科技前沿項(xiàng)目之一。在核工業(yè)場(chǎng)所，深海石油平臺(tái)的維護(hù)、戰(zhàn)場(chǎng)上排雷、彈藥運(yùn)輸、火場(chǎng)救火等方面，機(jī)器人相對(duì)與人類來(lái)說(shuō)都有很大的優(yōu)越性。機(jī)器人在其他工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也正有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。
隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)分工越來(lái)越細(xì)，尤其在現(xiàn)代化的大生產(chǎn)中，有的人每天就只管擰同一個(gè)部位的一個(gè)螺母，有的人整天就是接一個(gè)線頭，就像電影《摩登時(shí)代》中演示的那樣，人們感到自己在不斷異化，各種職業(yè)病開始產(chǎn)生。于是人們強(qiáng)烈希望用某種機(jī)器代替自己工作。于是人們研制出了機(jī)器人，代替人完成那些枯燥、單調(diào)、危險(xiǎn)的工作。由于機(jī)器人的問世，使一部分工人失去了原來(lái)的工作，于是有人對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生了敵意?！皺C(jī)器人上崗，人將下崗?！辈粌H在我國(guó)，即使在一些發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)，也有人持這種觀念。其實(shí)這種擔(dān)心是多余的，任何先進(jìn)的機(jī)器設(shè)備，都會(huì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，創(chuàng)造出更多的社會(huì)財(cái)富，也就必然提供更多的就業(yè)機(jī)會(huì)，這已被人類生產(chǎn)發(fā)展史所證明。任何新事物的出現(xiàn)都有利有弊，只不過(guò)利大于弊，很快就得到了人們的認(rèn)可。比如汽車的出現(xiàn)，它不僅奪了一部分人力車夫、挑夫的生意，還常常出車禍，給人類生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)威脅。雖然人們都看到了汽車的這些弊端，但它還是成了人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚慕煌üぞ?。英?guó)一位著名的政治家針對(duì)關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的這一問題說(shuō)過(guò)這樣一段話：“日本機(jī)器人的數(shù)量居世界首位，而失業(yè)人口最少，英國(guó)機(jī)器人數(shù)量在發(fā)達(dá)國(guó)家中最少，而失業(yè)人口居高不下”，這也從另一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了機(jī)器人是不會(huì)搶人飯碗的。
美國(guó)是機(jī)器人的發(fā)源地，機(jī)器人的擁有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于日本，其中部分原因就是因?yàn)槊绹?guó)有些工人不歡迎機(jī)器人，從而抑制了機(jī)器人的發(fā)展。日本之所以能迅速成為機(jī)器人大國(guó)，原因是多方面的，但其中很重要的一條就是當(dāng)時(shí)日本勞動(dòng)力短缺，政府和企業(yè)都希望發(fā)展機(jī)器人，國(guó)民也都?xì)g迎使用機(jī)器人。由于使用了機(jī)器人，日本也嘗到了甜頭，它的汽車、電子工業(yè)迅速崛起，很快占領(lǐng)了世界市場(chǎng)。從現(xiàn)在世界工業(yè)發(fā)展的潮流看，發(fā)展機(jī)器人是一條必由之路。沒有機(jī)器人，人將變?yōu)闄C(jī)器；有了機(jī)器人，人仍然是主人。
此次機(jī)器狗的設(shè)計(jì)可以借鑒以往的步行機(jī)器人來(lái)設(shè)計(jì)，尤其是在步態(tài)行走中，機(jī)器人的步態(tài)是在步行過(guò)程中，機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)在時(shí)序和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系，通常由各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)描述。步態(tài)規(guī)劃的目標(biāo)是產(chǎn)生期望步態(tài)，即產(chǎn)生在某個(gè)步行周期中能實(shí)現(xiàn)某種步態(tài)的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡，這個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)就依賴于有效而可靠的步態(tài)規(guī)劃方法。步態(tài)規(guī)劃是機(jī)器人穩(wěn)定步行的基礎(chǔ)，也是雙足步行機(jī)器人研究中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)和提高機(jī)器人的行走性能，必須研究實(shí)用而有效的步態(tài)規(guī)劃方法。雙足機(jī)器人自由度較多，運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，行走時(shí)各自由度之間的關(guān)系協(xié)調(diào)比較困難。采用傳統(tǒng)的兩步規(guī)劃法，將前向運(yùn)動(dòng)與側(cè)向運(yùn)動(dòng)分開進(jìn)行，雖然可以獲得穩(wěn)定步態(tài)，但機(jī)器人行走動(dòng)作不流暢。為解決此問題，在根據(jù)雙足機(jī)器人的自身特點(diǎn)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃時(shí)采用三步規(guī)劃法。三步規(guī)劃法在兩步規(guī)劃法基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行修正，獲得更加流暢的行走步態(tài)。第1步根據(jù)雙足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，規(guī)劃?rùn)C(jī)器人行走時(shí)的基本姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡；第2步則根據(jù)雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，確定其余各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)；第3步對(duì)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行修正，獲得更加流暢的步態(tài)靈活多樣的運(yùn)動(dòng)能力是生物體特有的一種屬性，沒有這種屬性，生物體無(wú)法獲取食物，無(wú)法逃脫危險(xiǎn)，無(wú)法繁衍生息。
雙足步行是高級(jí)生命的一種運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)這種運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)理研究及其機(jī)械再創(chuàng)造是一項(xiàng)極富挑戰(zhàn)的課題。雙足機(jī)器人是雙足生物運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械再創(chuàng)造，與其它移動(dòng)機(jī)器人(輪式、履帶式、爬行式等)相比，雙足機(jī)器人具有高度的適應(yīng)性與靈活性。雙足機(jī)器人與地面接觸點(diǎn)是離散的，可以選擇合適的落腳點(diǎn)來(lái)適應(yīng)崎嶇的路面，它既可以在平地行走，也可以在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中行走，如在凹凸不平的地面行走、在狹窄的空間里移動(dòng)、上下臺(tái)階和斜坡、跨越障礙等。然而，現(xiàn)實(shí)世界的地面情況是很難事先精確獲取的，這就需要雙足機(jī)器人的支撐踝關(guān)節(jié)能夠柔順。
本題所研究的機(jī)器人并不同于一般的工業(yè)機(jī)器人。因?yàn)樗辉俟潭ㄔ谝粋€(gè)位置上。這種機(jī)器人具有靈活的行走系統(tǒng)，以便隨時(shí)走道需要的地方，完成人或智能系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置指定的工作。機(jī)器人行走系統(tǒng)的靈活性和對(duì)地面的適應(yīng)能力將直接形象機(jī)器人的工作范圍和工作能力，自然界的事實(shí)，仿生學(xué)以及力學(xué)分析表明，智能機(jī)器狗比類人型步行機(jī)器人容易實(shí)現(xiàn)得多，它主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1.智能機(jī)器狗能適應(yīng)各種地面和具有較高的逾越障礙的能力，并且能夠作各種動(dòng)作，如坐下、扭動(dòng)身軀、點(diǎn)頭、擺尾巴，而這些動(dòng)作機(jī)器人卻不能作到。
2.機(jī)能機(jī)器狗的能耗很小。因?yàn)樵摍C(jī)器狗可具有獨(dú)立的能源裝置，同時(shí)要求隨時(shí)補(bǔ)給能源，因此在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)充分考慮其能耗問題。
3.雙足行走是生物界難度最高的步行動(dòng)作。并且其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而智能機(jī)器狗是四足行走，技術(shù)難度相對(duì)較底，因此機(jī)器狗的娛樂前景被普遍看好[2]。
仿狗機(jī)器狗對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)裝置提出了許多特殊要求，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)機(jī)械的重大變革。仿狗機(jī)器狗是工程上少有的高價(jià)、非線形、非完整約素的多自由度系統(tǒng)，這對(duì)其動(dòng)力學(xué)的研究可能導(dǎo)致力學(xué)領(lǐng)域中新觀念、新方法的生產(chǎn)。另外。其研究還可以推動(dòng)仿生學(xué)的發(fā)展。
因此，智能機(jī)器狗的研究具有十分重大的價(jià)值和意義。
自然界中的萬(wàn)物都是經(jīng)過(guò)一個(gè)漫長(zhǎng)的優(yōu)化過(guò)程，其中狗也不例外。可
以肯定，智能機(jī)器人一定會(huì)有一個(gè)持續(xù)“優(yōu)化”和研制的前景[3]。
1.2 國(guó)內(nèi)外智能機(jī)器人的發(fā)展概況
智能機(jī)器人的研制開始于本世紀(jì)六十年代，只有二十多年的歷史。然爾，智能機(jī)器人的研究工作進(jìn)展迅速。如今已成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。
1968年，美國(guó)的通用電氣公司試制了一臺(tái)叫“RIG”的操作雙步行機(jī)器人機(jī)械，從而揭開了雙足步行機(jī)器人研制的序幕。
1968年，日本早稻田大學(xué)加藤一郎教授在日本首先展開了雙足機(jī)器人的研制工作。1969年研制出WAP-1平面自由度步行機(jī)。該機(jī)具有六個(gè)自由度，每條腿有髖、膝、踝三個(gè)關(guān)節(jié)。利用人造橡膠肌肉為關(guān)節(jié)，通過(guò)注氣，排氣引起肌肉收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)從而邁步。由于氣體的可伸縮性，該機(jī)器人行走不穩(wěn)定。
1971年加藤一朗又研制出WAP-3型雙足機(jī)器人，仍采用人造肌肉驅(qū)動(dòng)，能在平地，斜坡和階梯上行走，具有11個(gè)自由度。
1972年，加藤一郎實(shí)驗(yàn)室研制出WL-5雙足步行機(jī)器人，該機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有11個(gè)自由度。下肢作三維運(yùn)動(dòng)，上身軀體左右擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人重心的左右移動(dòng)。該機(jī)器人重130kg，高90cm，可載荷30kg，可實(shí)現(xiàn)步幅15cm，每步45s的靜態(tài)步行。
1973年，加騰等人在WL-9DR雙足機(jī)器人上采用預(yù)先設(shè)計(jì)步行方式的程序控制方法，用步行運(yùn)動(dòng)分析及重量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步態(tài)軌跡，用以控制機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人采用以單腳支撐期為靜態(tài)。雙腳切換氣為動(dòng)態(tài)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步方案。實(shí)現(xiàn)了步幅45CM，每步9S的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。
1984年，加藤實(shí)驗(yàn)室又研制采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的WL-10RD雙足機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了步幅40cm，每步1.5s的平穩(wěn)動(dòng)態(tài)步行。
1986年，加騰實(shí)驗(yàn)室有研制成功了WL-12（R）步行機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)軀體運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動(dòng)，在軀體的平衡作用下，實(shí)現(xiàn)了步行周期1.3S，步幅30CM的平地動(dòng)態(tài)步行[4]。
近年來(lái)，日本許多研究單位正致力于雙足機(jī)器人的研制工作，其中本田公司最為突出。
本田公司于1996年推出了他們最新研制的雙足步行機(jī)器人，它能夠根據(jù)具體條件改變運(yùn)動(dòng)方向，并控制其自身的平衡，完成平穩(wěn)的動(dòng)態(tài)步行。該機(jī)器人具有平地前后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階、推車、抓取一定重物等功能。
本田公司于1997年又推出了經(jīng)改進(jìn)的雙足步行機(jī)器人，其功能更加齊全，機(jī)器人關(guān)節(jié)采用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，頭部裝有攝像機(jī)，手部和足部裝
有六維力矩傳感器，機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，定位精確。
日本在目前的仿人雙足機(jī)器人仍未達(dá)到完全使用的階段。他們的研制目標(biāo)是達(dá)到與人無(wú)異的動(dòng)態(tài)步行。相信人的智慧會(huì)使這個(gè)“進(jìn)化”實(shí)現(xiàn)。
此外，日本的有本卓，廣瀨茂男，小川清等人也在雙足步行機(jī)器人的理論研究方面作出了不少的貢獻(xiàn)。美國(guó)、英國(guó)、蘇聯(lián)、南斯拉夫、意大利、德國(guó)等國(guó)家，許多學(xué)者在步行機(jī)器人的力學(xué)，模型和型號(hào)研制方面也作出了相應(yīng)的工作。如英國(guó)于1970年研制成功的”witt”型雙足步行機(jī)器人，在蘇聯(lián)則研制出兩輪雙足行走機(jī)器人[5]。
國(guó)內(nèi)，仿人雙足步行機(jī)器人的研制工作起步較晚，1985年以來(lái)，相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)最為典型[6]。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1985年開始研制雙足步行機(jī)器人，已經(jīng)完成了三個(gè)型號(hào)的研制工作；
第一個(gè)型號(hào)為10個(gè)自由度，重100kg，高1.2m，關(guān)節(jié)由直流伺服電極驅(qū)動(dòng)，屬于靜態(tài)步行。
第二個(gè)型號(hào)為10個(gè)自由度，該機(jī)器人關(guān)節(jié)和腿部結(jié)構(gòu)采用了平行四邊形結(jié)構(gòu)。
第三個(gè)型號(hào)為12個(gè)自由度，關(guān)節(jié)采用兩電機(jī)相連，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度。
目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所的強(qiáng)文義，付佩深教授與機(jī)械電子工程教研室的謝濤副教授等老師合作，正在致力于功能齊全的仿人行走機(jī)器人的研制工作，該機(jī)器人包括行走機(jī)構(gòu)，上身及臀部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，共32個(gè)自由度。
國(guó)防科技大學(xué)也進(jìn)行了這方面的研究。在1989年研制成功了一臺(tái)雙足機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人具有10個(gè)自由度，能完成靜態(tài)步行，動(dòng)態(tài)步行[7]。
1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
本設(shè)計(jì)的智能機(jī)器狗的本體設(shè)計(jì)，是在參考國(guó)內(nèi)外所做的研究的基礎(chǔ)上，在加上自己獨(dú)到的見解，從而單獨(dú)完成此課題，本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下：
1、對(duì)腿關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，即使寬關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)同時(shí)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)動(dòng)作，并且寬關(guān)節(jié)也可以向外擺動(dòng)。擺動(dòng)動(dòng)作是由電機(jī)加諧波減速器傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
2、對(duì)頭部以及尾巴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)優(yōu)化，完成指定的技術(shù)要求。
3、選擇關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方案及傳動(dòng)方案。
4、對(duì)電機(jī)，齒輪減速器，以及偕波減速器的組件進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。
第2章 智能機(jī)器狗的設(shè)計(jì)
2.1自由度的分配及結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)
2.1.1自由度的分配
智能機(jī)器狗為了實(shí)現(xiàn)前后行走、側(cè)行，以及頭部的擺動(dòng)，尾巴的上下運(yùn)動(dòng)等功能，腿部設(shè)計(jì)采用了12個(gè)自由度，分布如圖2-1所示。
圖2-1行走機(jī)構(gòu)正面自由度分布圖
旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3和4可實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器狗的大腿的向前或向后運(yùn)動(dòng)，它也可以帶動(dòng)整個(gè)腿部的前后運(yùn)動(dòng)，而擺動(dòng)關(guān)節(jié)2和5可實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器狗大腿向身體的外側(cè)移動(dòng)，而擺動(dòng)關(guān)節(jié)1和6可實(shí)現(xiàn)機(jī)器狗的小腿向前或向后運(yùn)動(dòng)。頭部的自由度可使機(jī)器狗的頭能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頭的動(dòng)作[8]。
2.1.2結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)
1、髖關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)
髖關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)要完成大腿的左右擺動(dòng)和前后擺動(dòng)。同時(shí)還要考慮到當(dāng)一條腿抬起時(shí)，另外三條腿所產(chǎn)生的彎矩，以及重心的偏移，并要有較好的剛度和穩(wěn)定性。在機(jī)器狗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。為此根據(jù)使用的電機(jī)和齒輪減速器，以及諧波減速器的特點(diǎn)采用了如圖2-2，2-3所示的結(jié)構(gòu)形式。圖2-2可實(shí)現(xiàn)大腿的左右擺動(dòng)，其結(jié)構(gòu)為一電機(jī)直接和一齒輪減速器相連，使結(jié)構(gòu)達(dá)到緊湊、輕巧。而圖2-3可實(shí)現(xiàn)大腿的前后擺動(dòng)，其原理為一電機(jī)的軸通過(guò)脹緊套與諧波減速器相連，內(nèi)殼與膝關(guān)節(jié)相連。內(nèi)外殼體之間裝有密珠軸承。這樣電機(jī)的內(nèi)外表面之間就可以有相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)大腿向左右方向抬腿，外殼靜止，內(nèi)殼旋轉(zhuǎn)[9]。
圖2-2大腿的左右擺動(dòng)圖
圖2-3大腿的前后擺動(dòng)圖
2、膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
膝關(guān)節(jié)是聯(lián)系大腿和小腿的重要部件，設(shè)計(jì)它具有重要的意義。有兩種設(shè)計(jì)方案如下：
（1）與大腿前后擺動(dòng)時(shí)的自由度一樣，它的主要構(gòu)件是電機(jī)，諧波減速器，密珠軸承，以及測(cè)量前后擺動(dòng)角度的碼盤，其具體結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。
圖2-4膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)圖
（2）與大腿左右擺動(dòng)時(shí)情況一樣。它主要構(gòu)件是電機(jī)，齒輪減速器、密珠軸承，以及測(cè)量前后擺動(dòng)角度的碼盤，其具體結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。
圖2-5膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)圖
3、機(jī)器狗脖子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)器狗的頭部實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)器狗的膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)一樣。
4、機(jī)器狗的尾巴用彈簧做成[10]。
2.2關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方案的選擇
智能機(jī)器狗具有多個(gè)自由度，每個(gè)自由度都必須有一個(gè)驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)。目前常用的驅(qū)動(dòng)方式有：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)[11]。各自的特點(diǎn)如下：
1、液壓驅(qū)動(dòng)：
壓力高，可獲得較大的驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，并可獲得較高的位置精度。但成本較高，油路比較復(fù)雜，存在發(fā)熱問題，密封要求高。
2、氣壓驅(qū)動(dòng)：
壓縮空氣粘度小，易達(dá)到高速，介質(zhì)無(wú)污染，使用安全，工作壓力低，制造要求比液壓元件低，管理維護(hù)比較容易。但工作平穩(wěn)性差，速度及位置控制比較困難，而且壓縮空氣需要除水。
3、電力驅(qū)動(dòng)：
電力驅(qū)動(dòng)無(wú)泄露，控制方便，易與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連接，精度高，安全性好，維修方便。電機(jī)是配套的通用產(chǎn)品，規(guī)格齊全，不必另行設(shè)計(jì)制造。為了驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，一般電機(jī)需要配減速裝置。
本設(shè)計(jì)中采用電力驅(qū)動(dòng)方式，采用瑞士公司的系列直流伺服電機(jī)。這種電機(jī)的特點(diǎn)如下：
（1）體積小，重量輕；
（2）輸出較大的功率；
（3）調(diào)速范圍寬；
（4）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，控制精確可靠；
（5）慣量低，起動(dòng)力矩大，響應(yīng)性能好。
選取電機(jī)功率：根據(jù)以前步行機(jī)器人的研究經(jīng)驗(yàn)可知，智能機(jī)器狗的行走部分各個(gè)關(guān)節(jié)最大力矩是在靜態(tài)步行中，因此選電機(jī)時(shí)只考慮靜態(tài)狀態(tài)。步行電機(jī)功率由工件重量決定，具體計(jì)算見第3章第1節(jié)各個(gè)關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算。
2.3傳動(dòng)方案的選擇
傳動(dòng)精度是智能機(jī)器狗設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。傳動(dòng)精度的保證要依靠機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)鏈的精度和伺服系統(tǒng)的精度來(lái)保證。理論上轉(zhuǎn)動(dòng)鏈越短越好，驅(qū)動(dòng)方案越直接越好。
2.3.1傳動(dòng)方式
目前驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方式有兩種，智能機(jī)器狗也不例外，這兩種方式是：一種是將電機(jī)、減速器和關(guān)節(jié)同軸；另一種是將電機(jī)和減速器同軸，中間通過(guò)傳動(dòng)裝置傳遞力和運(yùn)動(dòng)到關(guān)節(jié)軸。前者稱為直接驅(qū)動(dòng)方式，后者稱為間接驅(qū)動(dòng)方式。本設(shè)計(jì)只用到了直接驅(qū)動(dòng)方式。
2.3.2減速器和減速比的選擇
智能機(jī)器狗要求減速器運(yùn)動(dòng)精度高、回轉(zhuǎn)穩(wěn)定、效率高、體積小、減速比大。經(jīng)過(guò)分析比較，本設(shè)計(jì)中用大腿前后擺動(dòng)的減速器應(yīng)選擇諧波減速器，而其他關(guān)節(jié)所用的減速器應(yīng)選擇和電機(jī)相匹配的齒輪減速器。這里有四種普通減速器與諧波齒輪減速器性能做了以下比較，從中不難看其中的優(yōu)劣。具體參數(shù)如下表2-1，表2-2，表2-3，表2-4，表2-5[12]。
1、行星齒輪
行星齒輪參數(shù)如表2-1。
表2-1 行星齒輪
參數(shù)名稱
參數(shù)值
參數(shù)名稱
參數(shù)值
傳動(dòng)級(jí)數(shù)
3
輸出力矩
390N.M
傳動(dòng)比
97.4
效率
85%
齒輪數(shù)量
13個(gè)
軸承參數(shù)
17套
節(jié)圓線速度
7.62m/s
齒滑動(dòng)速度
12.7m/s
同時(shí)嚙合齒數(shù)
7%
齒面接觸應(yīng)力
34.5mpa
齒的剪切力
172mpa
齒的安全系數(shù)
3
齒面接觸狀態(tài)
線性
運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性
中
力的平衡
好
外形尺寸高
33.1cm
外形尺寸長(zhǎng)
38.1cm
外形尺寸寬
33.1cm
體積
40000cm3
質(zhì)量
111kg
2、人字齒輪
人字齒輪參數(shù)如表2-2。
表2-2 人字齒輪
參數(shù)名稱
參數(shù)值
參數(shù)名稱
參數(shù)值
傳動(dòng)級(jí)數(shù)
2
輸出力矩
390N.M
傳動(dòng)比
96
效率
85%
齒輪數(shù)量
4個(gè)
軸承參數(shù)
6套
節(jié)圓線速度
7.62m/s
齒滑動(dòng)速度
12.7m/s
同時(shí)嚙合齒數(shù)
5%
齒面接觸應(yīng)力
34.5mpa
齒的剪切力
172mpa
齒的安全系數(shù)
3
齒面接觸狀態(tài)
線性
運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性
好
力的平衡
好
外形尺寸高
35.6cm
外形尺寸長(zhǎng)
50.8cm
外形尺寸寬
25.4cm
體積
146000cm3
質(zhì)量
127kg
3、蝸桿加螺旋齒輪
蝸桿加螺旋齒輪參數(shù)如下表2-3。
表2-3 蝸桿加螺旋齒輪
參數(shù)名稱
參數(shù)值
參數(shù)名稱
參數(shù)值
傳動(dòng)級(jí)數(shù)
2
輸出力矩
390N.M
傳動(dòng)比
100
效率
78%
齒輪數(shù)量
4個(gè)
軸承參數(shù)
6套
節(jié)圓線速度
7.62m/s
齒滑動(dòng)速度
12.7m/s
同時(shí)嚙合齒數(shù)
3%
齒面接觸應(yīng)力
34.5mpa
齒的剪切力
172mpa
齒的安全系數(shù)
2
齒面接觸狀態(tài)
線性
運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性
好
力的平衡
不好
外形尺寸高
40.6cm
外形尺寸長(zhǎng)
25.4cm
外形尺寸寬
43.2cm
體積
44000cm3
質(zhì)量
92.5kg
4、圓柱齒輪
圓柱齒輪參數(shù)如下表2-4。
表2-4 圓柱齒輪
參數(shù)名稱
參數(shù)值
參數(shù)名稱
參數(shù)值
傳動(dòng)級(jí)數(shù)
3
輸出力矩
390N.M
傳動(dòng)比
98.3
效率
93%
齒輪數(shù)量
6個(gè)
軸承參數(shù)
8套
節(jié)圓線速度
7.62m/s
齒滑動(dòng)速度
12.7m/s
同時(shí)嚙合齒數(shù)
3%
齒面接觸應(yīng)力
34.5mpa
齒的剪切力
172mpa
齒的安全系數(shù)
5
齒面接觸狀態(tài)
線性
運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性
中
力的平衡
好
外形尺寸高
58.8cm
外形尺寸長(zhǎng)
91cm
外形尺寸寬
34.6cm
體積
185000cm3
質(zhì)量
325kg
5、諧波齒輪
諧波齒輪參數(shù)如下表2-5。
表2-5 諧波齒輪
參數(shù)名稱
參數(shù)值
參數(shù)名稱
參數(shù)值
傳動(dòng)級(jí)數(shù)
1
輸出力矩
390N.M
傳動(dòng)比
100
效率
85%
齒輪數(shù)量
2個(gè)
軸承參數(shù)
5套
節(jié)圓線速度
0.094m/s
齒滑動(dòng)速度
0.12m/s
同時(shí)嚙合齒數(shù)
30%
齒面接觸應(yīng)力
4.12mpa
齒的剪切力
2.06mpa
齒的安全系數(shù)
36
齒面接觸狀態(tài)
面
運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性
好
力的平衡
好
外形尺寸高
18.5cm
外形尺寸長(zhǎng)
28cm
外形尺寸寬
16.5cm
體積
5500cm3
質(zhì)量
25kg
從以上五種減速器的比較中，可以發(fā)現(xiàn)諧波齒輪減速器的優(yōu)點(diǎn)突出。此外瑞士某公司產(chǎn)的電機(jī)和減速器是配套用的，雖然他們是圓柱齒輪減速器，但不可同日而語(yǔ)。
2.3.3電機(jī)與減速器的連接方式
對(duì)于用以使機(jī)器狗的大腿前后的RS系列電機(jī)，其輸出的軸徑較小，如果采用鍵連接方式明顯不合適，因此本設(shè)計(jì)中采用目前國(guó)外比較流行的新型連接方式，用脹緊套連接方式。具體結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。這種方式的優(yōu)點(diǎn)如下圖2-6：
圖2-6脹緊套結(jié)構(gòu)圖
（1）沒有反向間隙，傳動(dòng)精度高；
（2）定位方便，具有相位微量可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)；
（3）無(wú)鍵槽，傳遞扭矩大；
（4）可多次裝卸，重復(fù)使用，安裝方便；
對(duì)于用以除了使大腿前后運(yùn)動(dòng)的電機(jī)，其他的電機(jī)都是2036型電機(jī)，與之配套的是1920/1型的圓柱齒輪減速器，它的配合也有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：
（1）沒有反向間隙，傳動(dòng)精度更高（因?yàn)樗鼈兪且惑w的）；
（2）傳動(dòng)比可以調(diào)制；
（3）輸出軸的軸徑是鍵槽相連，但傳遞扭矩足夠智能機(jī)器狗使用；
（4）可任意次裝卸，且安裝非常方便。
2.4結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能參數(shù)
2.4.1智能機(jī)器狗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1、本設(shè)計(jì)采用多關(guān)節(jié)多自由度結(jié)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)完成前后運(yùn)動(dòng)，左右運(yùn)動(dòng)，以及頭部的運(yùn)動(dòng)。
2、本設(shè)計(jì)采用了電機(jī)與諧波減速器相連的直接驅(qū)動(dòng)方式。結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、傳動(dòng)精度高，而且大大增加了關(guān)節(jié)所能達(dá)到的運(yùn)動(dòng)角度。
3、本設(shè)計(jì)采用了電機(jī)和減速器一體的結(jié)構(gòu)形式，使其體積小，重量輕，傳動(dòng)精度高。
4、本設(shè)計(jì)采用了脹緊套連接電機(jī)軸與減速器的新形式。這種方式連接可靠、安裝方便、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。
5、本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)源全部為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，易于集中控制與程序化控制。
6、設(shè)計(jì)中，整個(gè)結(jié)構(gòu)采用鋁合金（LY12）材料，這種材料重量輕、硬度高、強(qiáng)度雖不如鋼，但卻大大高于普通鋁合金。
2.4.2智能機(jī)器狗的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)
1、電機(jī)
由于智能機(jī)器狗行走時(shí)要求速度變化大，調(diào)速范圍大，要求頻繁換向，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求快，故應(yīng)選用直流伺服電動(dòng)機(jī)。其工作原理、結(jié)構(gòu)和基本特性與普通直流電動(dòng)機(jī)沒有原則性區(qū)別，有如下特點(diǎn)：
(1).采用細(xì)長(zhǎng)電樞，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為普通直流電動(dòng)機(jī)的1/3~1/2；
(2).優(yōu)良的換向性能；
(3).機(jī)械強(qiáng)度高；
(4).電刷一般放在幾何中性面上，以確保正反轉(zhuǎn)特性對(duì)稱；
況且，為了克服低速不平衡性，也應(yīng)該選用低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)。與傳動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)相比，其特點(diǎn)有：
(1).機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；
(2).繞組電感小、換向性能好，電氣噪音小；
(3).力矩波動(dòng)小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。
綜合以上所述，我選用瑞士MINI MOTOR公司的2036型和244型直流無(wú)刷伺服電動(dòng)機(jī)，具體參數(shù)如下表2-6和表2-7[13]：
2036型參數(shù)如下表2-6。
表2-6 2036型
參數(shù)名稱
參數(shù)值
out Diameter
20mm
Length
36mm
shaft Diameter
2.0mm
nominal voltage
12…….48v
NoLoad speed
195000rpm
stall torque
23mum
output power
20w
2444-B型參數(shù)如下表2-7
表2-7 2444-B型
參數(shù)名稱
參數(shù)值
out Diameter
24m
Length
36mm
shaft Diameter
3.0mm
nominal voltage
24……48v
NoLoad speed
23000rpm
stall torque
11.5mum
output power
37w
commutation
B-D-S-M
2、諧波減速器
XB-輸出力矩14N.m,減速比為63；
XB-輸出力矩18N.m,減速比為80。
3、圓柱齒輪減速器
這類的減速器選自瑞士MINI MOTOR公司的產(chǎn)品，型號(hào)為1920/1和1923/1，其參數(shù)分別如下表2-8和表2-9[14]：
1920/1型參數(shù)如下表2-8。
表2-8 1920/1型
參數(shù)名稱
參數(shù)值
constraction
planetray
Outer Diameter
20mm
Length withmotor
59.9……74.8mm
Shaft Diameter
4.0mm
Reduction ratios
4:1…..1526:1
MAX.inputspeed
5000rpm
Torque continuous
500mnm
Torque intermittent
1000mnm
1923/1型參數(shù)如下表2-9
表2-9 1923/1型
參數(shù)名稱
參數(shù)值
Outer Diameter
23mm
Length with motor
53.8……76.6mm
shaft Diameter
6.0mm
Reduction ratios
4:1…..1526:1
MAX. inputspeed
4000rpm
Torque continuous
700mnm
Torque intermittent
1000mnm
4、大腿長(zhǎng)度130mm；小腿長(zhǎng)度180mm。
5、兩個(gè)前腿，以及兩個(gè)后腿的中心距280mm。
6、機(jī)器狗的身體長(zhǎng)438.9mm;寬180.5mm;高200.4mm。
7、各關(guān)節(jié)擺幅為正負(fù)20°。
8、機(jī)器狗總重：＜15kg 。
9、機(jī)器狗的總高為592mm;總長(zhǎng)724.8mm。
第3章 部分關(guān)節(jié)部件設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1各關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算
3.1.1膝關(guān)節(jié)靜力矩的計(jì)算
因設(shè)計(jì)要求無(wú)動(dòng)態(tài)特性要求，故設(shè)計(jì)時(shí)參考最大靜力矩選擇電機(jī)與減速器。智能機(jī)器狗是一個(gè)四足支撐的機(jī)器，當(dāng)它行走時(shí)，假定僅一條腿向前后運(yùn)動(dòng)，或者左右運(yùn)動(dòng)，而其它三條腿不動(dòng)，這給計(jì)算它們的靜力矩帶來(lái)了非常大的好處，具體的分析如圖3-1：
圖3-1膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)力矩圖
其力矩的公式3-1可得：
M2=m2gl2sinθ2 (3-1)
其中 m2=0.6kg l2=180mm θ2=20°
.g=9.8m/s2代入之中：
M2=0.6×0.18×9.8×sin20°
=0.5292N.m
3.1.2髖關(guān)節(jié)向前后運(yùn)動(dòng)自由度的靜力矩的計(jì)算
因?yàn)轶y關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度，一個(gè)自由度使機(jī)器狗向前后運(yùn)動(dòng)，而另一個(gè)自由度使機(jī)器狗向左右運(yùn)動(dòng)，因此所需的電機(jī)的作用目的有所不同，進(jìn)而在計(jì)算兩個(gè)電機(jī)的靜力矩的方法也有所不同，具體如下圖3-2所示：
圖3-2髖關(guān)節(jié)前后擺動(dòng)力矩圖
由力矩原理可得髖關(guān)節(jié)前后擺動(dòng)的力矩公式3-2，即：
M1=m2gl2sinθ3+m2gl1sinθ1+m1gl1sinθ1 (3-2)
=m2g(l2sinθ3+l1sinθ1)+m1gl1sinθ1
其中 m2=0.6kg l2=180mm θ3=50°
m1=0.4kg l1=130mm θ1=20°
M1=[0.6×(0.18×sin50°+0.13×sin20°)+0.4×0.13×sin20°]×9.8
= 0.995N.m
3.1.3髖關(guān)節(jié)左右擺動(dòng)時(shí)靜力矩的計(jì)算
當(dāng)髖關(guān)節(jié)向左右擺動(dòng)時(shí)，為了計(jì)算出最大的靜力矩，假設(shè)智能機(jī)器狗的大腿和小腿在一條直線上，具體情況如下圖3-3所示：
圖3-3髖關(guān)節(jié)左右擺動(dòng)力矩圖
由力矩原理可得髖關(guān)節(jié)左右擺動(dòng)時(shí)的力矩公式3-3，即：
M3=m2gl2sinθ1+m2gl1sinθ1+m1gl1sinθ1 (3-3)
=m2gsinθ1(l1+l2)+m1gl1sinθ1
m2=0.6kg l2=180mm θ3=20°
m1=0.4kg l1=130mm g=9.8m/s2
M3=0.4×9.8×sin20°×(0.13+0.18)+0.6×9.8×0.13×sin20°
=0.778N.M
3.1.4頸關(guān)節(jié)擺動(dòng)時(shí)的靜力矩的計(jì)算
圖3-4頸關(guān)節(jié)擺動(dòng)力矩圖
由力矩原理可得到頸關(guān)節(jié)擺動(dòng)時(shí)的力矩公式3-4[11]，即：
M4=m3gl4sinθ3 (3-4)
其中 m3=0.4kg l4=190mm θ3=30°
g=9.8m/s2
M4=0.4×9.8×0.19×sin30°
=0.3724N.m
3.2諧波傳動(dòng)組件的選擇與計(jì)算
由(3-1)的計(jì)算可知，用到諧波減速器的關(guān)節(jié)所需的輸出轉(zhuǎn)矩，即為使智能機(jī)器狗的大腿能前后擺動(dòng)時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩，也就是M1即
M1=0.995N.m
因此可選用最小型號(hào)XB-25，輸出力矩14N.m。
3.3圓柱齒輪減速器組件選擇與計(jì)算
圓柱齒輪減速器的傳動(dòng)屬于定軸輪系的一種，又因?yàn)槠涓鬏喌妮S線都互相平行，又稱這樣的輪系為平面定軸輪系。由定軸輪系的原理可知，定軸輪系的傳動(dòng)比為組成該輪系的各對(duì)嚙合輪齒傳動(dòng)比的連乘積，也可以表示成各對(duì)嚙合齒輪中所有從動(dòng)輪齒數(shù)的連乘積與所有主動(dòng)輪齒數(shù)的連乘積之比。
設(shè)A表示輸入軸，B表示輸出軸，則一般定軸輪系的傳動(dòng)比計(jì)算公式為3-5：
iAB=WA/WB (3-5)
上式等于從A到B所有從動(dòng)輪齒數(shù)連乘積/從A到B所有主動(dòng)輪齒數(shù)連乘積。
此設(shè)計(jì)中所有的電機(jī)是2036型，其轉(zhuǎn)速高達(dá)195000rpm，而所需的轉(zhuǎn)速為150-200rpm，因此必須有一個(gè)減速器，若用諧波減速器，其傳動(dòng)比達(dá)不到所要求的，即使能夠達(dá)到，其體積過(guò)于龐大，有悖于體積小，重量輕的宗旨。因此只能選用于電機(jī)相匹配的減速器，其所需的總的傳動(dòng)比范圍為：
i1=WA/ W B=195000/150=130
i2=WA/ W B=195000/200=975
而1920/1型減速器的傳動(dòng)比4：1-1526：1，所以選擇此類型的減速器符合要求。
3.4各關(guān)節(jié)所需電機(jī)的選擇與計(jì)算
根據(jù)工作機(jī)械工藝參數(shù)計(jì)算電機(jī)的功率，依此選電機(jī)[15]。
一般旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械所需的公式3-6：
Pz=Tzn/9550 (3-6)
Tz ------負(fù)載施加到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩 Nm
n------電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速 r/min
Pz-------工作機(jī)需要的功率 kW
1.膝關(guān)節(jié)所需的功率如下：
Pz=Tzn/9550=0.5292×200/9550=0.011082kW Tz=0.5292Nm
所需功率大概為11.082W
2.髖關(guān)節(jié)前后擺動(dòng)的功率如下：
Pz=Tzn/9550=0.995×365/9550=0.03615kW Tz=0.995Nm
所需的功率大概為36.15W
3.髖關(guān)節(jié)左右擺動(dòng)的功率如下：
Pz=Tzn/9550=0.778×200/9550=0.016293kW Tz=0.778Nm
所需的功率大概為18.293W
4.頸關(guān)節(jié)所需的功率如下：
Pz=Tzn/9550=0.3724×200/9550=0.007798kW Tz=0.3724Nm
所需的功率大概為7.798kW
電動(dòng)機(jī)的選擇要根據(jù)工作環(huán)境和工作負(fù)載情況來(lái)進(jìn)行選擇，在正常環(huán)境下，一般選用開啟式電動(dòng)機(jī)，當(dāng)然為了安全也可選用防護(hù)型電動(dòng)機(jī)。在多塵或腐蝕性氣體的環(huán)境中，則應(yīng)選擇封閉式電動(dòng)機(jī)，本設(shè)計(jì)中的智能機(jī)器狗的工做環(huán)境一般是在室內(nèi)環(huán)境下來(lái)進(jìn)行，溫度及濕度都比較適宜工作，因此選擇電動(dòng)機(jī)不需考慮在惡劣的環(huán)境下工作的電動(dòng)機(jī)，可以忽略其在惡劣環(huán)境工作的所需條件，這給電動(dòng)機(jī)的選擇帶來(lái)了極大的方便。而且在工作環(huán)境相對(duì)好的情況下，如果對(duì)啟動(dòng)、制動(dòng)及調(diào)速有較高要求的機(jī)械，應(yīng)該選用直流的電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)中選用的電動(dòng)機(jī)都是提供功率比較平穩(wěn)的，這可以使智能機(jī)器狗的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性能良好，對(duì)控制系統(tǒng)的選擇也帶來(lái)了極大的方便。
為了各關(guān)節(jié)能成功的擺動(dòng)，因此髖關(guān)節(jié)所需的電機(jī)為2444B型，功率為37W。對(duì)于其他關(guān)節(jié)，雖然每個(gè)關(guān)節(jié)的所需要的功率不同，但是為了使智能機(jī)器狗的各個(gè)部分的形狀及規(guī)格相統(tǒng)一，這樣從實(shí)際的角度中看上去也可以達(dá)到美觀的效果，因此其他各個(gè)關(guān)節(jié)所需的電機(jī)為2036型電機(jī)，功率為20W。
第4章 其它部件的選擇
當(dāng)智能機(jī)器狗的主要部件設(shè)計(jì)完成時(shí)，對(duì)于其它部件的選擇，其具體情況如下：
1、接觸感應(yīng)器（touchsensor）：位于頭頂，從“摸頭”到“打頭”，判斷主人友善與否。
2、紅外線感應(yīng)器（infrand distance sensor）：測(cè)量與物體之間的距離，要避開障礙物時(shí)最有用。
3、燈眼：以紅眼、綠眼分別表示發(fā)怒與開心。
4、麥克風(fēng)（steree microph的one）：藏在耳朵內(nèi)，能分別辨別左右的聲音，玩熟之后識(shí)別主人的口哨聲。
5、尾：經(jīng)常左搖右擺，與其他狗一樣，兩邊搖尾代表興奮。
6、彩色攝影機(jī)（ccd color camera）：180，000像素CCD位于狗鼻，主要用來(lái)認(rèn)物體顏色及形狀。
7、揚(yáng)聲器（speaker）：狗口里面有一個(gè)微型揚(yáng)聲器，會(huì)用叫聲表示喜怒哀樂。
8、加速感應(yīng)器：置于體內(nèi)，用來(lái)調(diào)校四腳行走速度，保持平衡。
9、后門后面是用來(lái)充電的。
10、開關(guān)：一按開關(guān)，會(huì)即時(shí)停止所有活動(dòng)，緊急情況下才用。
11、散熱器：散熱風(fēng)扇位于背部。
12、電源：ERA-110B鋰電池，每枚可用1.5小時(shí)。
13、腳掌：4只腳每只都有一個(gè)滾球，配合關(guān)節(jié)三種幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)，及內(nèi)置程式中，4腳動(dòng)作配合運(yùn)動(dòng)，可以穩(wěn)定的向前后左右行走，具備4只腿部及頸部的共十三個(gè)自由度。
14、溫度感應(yīng)器：置于體內(nèi)，可以判斷在各種環(huán)境下的溫度，及時(shí)的調(diào)整工作狀態(tài)。
15、碼盤：用來(lái)測(cè)量移動(dòng)的角度，其型號(hào)為03B3型，具體參數(shù)為如下表4-1[16]：
03B3型碼盤參數(shù)如下表4-1。
表4-1 03B3型碼盤
參數(shù)名稱
參數(shù)值
Number of channels
2
Line sper revolution
15
Signal out put squarewave
2 channels
Supply voltage
4.5……5.5 Vdc
Current consuruption
12mA
Pulse width
180±30°e
Phase shiftchannelAtoB
90±30°e
Logic state width
90±30°e
cycle
360±10°e
Signal rise/fauty pical
0.3/0.1us
Frenque ncyrange
up to5 KHZ
Nitertiao fcodedisc
1.2gcm2
operatingtemperature
-20......+85℃
21世紀(jì)將是生命科學(xué)的世紀(jì)，機(jī)械科學(xué)和生命科學(xué)的深度融合將產(chǎn)生全新概念的產(chǎn)品(如智能仿生結(jié)構(gòu))，開發(fā)出新工藝(如生長(zhǎng)成形工藝)和開辟一系列的新產(chǎn)業(yè)，并為解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程和系統(tǒng)中一系列難題提供新的解決方法。這是一個(gè)極富創(chuàng)新和挑戰(zhàn)的前沿領(lǐng)域。
地球上的生物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化中所積累的優(yōu)良品性為解決人類制造活動(dòng)中的各種難題提供了范例和指南。從生命現(xiàn)象中學(xué)習(xí)組織與運(yùn)行復(fù)雜系統(tǒng)的方法和技巧，是今后解決目前制造業(yè)所面臨許多難題的一條有效出路。仿生制造指的是模仿生物器官的自組織、自愈合、自增長(zhǎng)與自進(jìn)化等功能結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的一種制造系統(tǒng)與制造過(guò)程。如果說(shuō)制造過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化延伸了人類的體力，智能化延伸了人類的智力，那么，"仿生制造"則可以說(shuō)延伸了人類自身的組織結(jié)構(gòu)和進(jìn)化過(guò)程。
仿生制造所涉及的科學(xué)問題是生物的"自組織"機(jī)制及其在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用問題。所謂"自組織"是指一個(gè)系統(tǒng)在其內(nèi)在機(jī)制的驅(qū)動(dòng)下，在組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式上不斷自我完善、從而提高對(duì)于環(huán)境適應(yīng)能力的過(guò)程。仿生制造的"自組織"機(jī)制為自下而上的產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)、制造工藝規(guī)程的自動(dòng)生成、生產(chǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重組以及產(chǎn)品和制造系統(tǒng)的自動(dòng)趨優(yōu)提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)條件。仿生制造屬于制造科學(xué)和生命科學(xué)的"遠(yuǎn)緣雜交"，它將對(duì)
21世紀(jì)的制造業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。
第5章 成本估算和環(huán)保分析
5.1成本估算
本設(shè)計(jì)的機(jī)器狗的所有部件要求都比較高，所以成本相對(duì)來(lái)說(shuō)比較高。成本參考價(jià)如下（不計(jì)電機(jī)）：
硬鋁合金：220元/公斤，原材料（包括加工余量）共20公斤，總計(jì)費(fèi)用為4400元；
鋼：20元/公斤，原材料（包括加工余量）共5公斤，總計(jì)費(fèi)用100元；
諧波減速器：400元/套，共6套（包括各2套備件），總計(jì)費(fèi)用為24000元；
薄壁密珠軸承：1000元/對(duì)，共9對(duì)，總計(jì)費(fèi)用為9000元；
圓柱齒輪減速器：500元/個(gè)，共11個(gè)（包括各2個(gè)備件），總計(jì)費(fèi)用為5500元；
滾動(dòng)軸承：30元/個(gè)，共4個(gè)，總計(jì)費(fèi)用為120元；
螺釘：0.2元/個(gè)，共840個(gè)，總計(jì)費(fèi)用為168元；
螺母：0.05元/個(gè)，共60個(gè)，總計(jì)費(fèi)用3元；
加工費(fèi)：15000元；
設(shè)計(jì)費(fèi)：3000元；
裝配調(diào)試費(fèi)：3000元；
管理費(fèi)：4000元；
總計(jì)：68171元。
5.2環(huán)保與經(jīng)濟(jì)分析
目前，我國(guó)加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，奧運(yùn)場(chǎng)所建設(shè)，開發(fā)大西部，大力整治大江大河等政策環(huán)境影響下，市場(chǎng)對(duì)智能產(chǎn)品的需求亦相應(yīng)的大量增加，這是本設(shè)計(jì)的主要產(chǎn)生原因之一。
產(chǎn)品的價(jià)值工程的目的在于以最低的成本，可靠的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品必要的功能，從而達(dá)到用戶滿意，增加制造企業(yè)和用戶的經(jīng)濟(jì)效益，將價(jià)值工程運(yùn)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中，從分析產(chǎn)品的功能出發(fā)，然后分析產(chǎn)品的成本，進(jìn)行功能與成本比較，從而判斷產(chǎn)品的價(jià)值，使智能機(jī)器狗的性價(jià)比更高，為解決在不同環(huán)境下的行走而研制，在設(shè)計(jì)中盡可能的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本。
在市場(chǎng)前景廣闊和成本降低的措施下，本設(shè)計(jì)可以達(dá)到預(yù)期的目的，具有開發(fā)價(jià)值。
本設(shè)計(jì)的機(jī)器狗部分零件需經(jīng)過(guò)表面處理，表面處理的廢水、廢液對(duì)環(huán)境有不利的影響，所以排放需經(jīng)過(guò)凈化處理。
機(jī)器狗工作時(shí)的噪聲約為20分貝，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，對(duì)外界環(huán)境影響比較小。
總的來(lái)說(shuō)，本設(shè)計(jì)的機(jī)器狗對(duì)環(huán)境影響較小，只要加工和工作時(shí)注意控制和清除其不利因素，就會(huì)做到對(duì)環(huán)境基本上無(wú)影響。
不同科學(xué)之間的交叉融合將產(chǎn)生新的科學(xué)聚集，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步對(duì)科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了新的要求和期望，從而形成前沿科學(xué)。前沿科學(xué)也就是已解決的和未解決的科學(xué)問題之間的界域。前沿科學(xué)具有明顯的時(shí)域、領(lǐng)域和動(dòng)態(tài)特性。工程前沿科學(xué)區(qū)別于一般基礎(chǔ)科學(xué)的重要特征是它涵蓋了工程實(shí)際中出現(xiàn)的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。超聲電機(jī)、超高速切削、綠色設(shè)計(jì)與制造等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了大量的研究工作，但創(chuàng)新的關(guān)鍵是機(jī)械科學(xué)問題還不明朗。大型復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)、智能機(jī)器人及其動(dòng)力學(xué)、納米摩擦學(xué)、制造過(guò)程的三維數(shù)值模擬和物理模擬、超精度和微細(xì)加工關(guān)鍵工藝基礎(chǔ)、大型和超大型精密儀器裝備的設(shè)計(jì)和制造基礎(chǔ)、虛擬制造和虛擬儀器、納米測(cè)量及儀器、并聯(lián)軸機(jī)床、微型機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外雖然已做了不少研究，但仍有許多關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題有待解決。
信息科學(xué)、納米科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、管理科學(xué)和制造科學(xué)將是改變21世紀(jì)的主流科學(xué)，由此產(chǎn)生的高新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)將改變世界的面貌。因此，與以上領(lǐng)域相交叉發(fā)展的制造系統(tǒng)和制造信息學(xué)、納米機(jī)械和納米制造科學(xué)、仿生機(jī)械和仿生制造學(xué)、制造管理科學(xué)和可重構(gòu)制造系統(tǒng)等會(huì)是21世紀(jì)機(jī)械工程科學(xué)的重要前沿科學(xué)。
研究仿生制造系統(tǒng)的自組織機(jī)制與方法，例如：基于充分信息共享的仿生設(shè)計(jì)原理，基于多自律單元協(xié)同的分布式控制和基于進(jìn)化機(jī)制的尋優(yōu)策略；研究仿生制造的概念體系及其基礎(chǔ)，例如：仿生空間的形式化描述及其信息映射關(guān)系，仿生系統(tǒng)及其演化過(guò)程的復(fù)雜度計(jì)量方法。
研究生命現(xiàn)象的一般規(guī)律和模型，例如人工生命、細(xì)胞自動(dòng)機(jī)、生物的信息處理技巧、生物智能、生物型的組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式以及生物的進(jìn)化和趨優(yōu)機(jī)制等；
隨著電子、信息等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)需求個(gè)性化與多樣化，未來(lái)現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)是向精密化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化、綠色集成化、全球化的方向發(fā)展。
千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印?！敖Y(jié)論”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫在此行之前。
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結(jié)論
本設(shè)計(jì)采用關(guān)節(jié)型，完成了13個(gè)自由度的智能機(jī)器狗的本體設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)巧妙地將電機(jī)和諧波減速器裝在同一個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)，以及電機(jī)和圓柱齒輪減速器直接聯(lián)合在一起而裝在一個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)，根據(jù)具體情況采用了間接驅(qū)動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、傳動(dòng)精度高。
盡管本設(shè)計(jì)諧波減速器比已取的較大，但輸出力矩仍不大，以后的設(shè)計(jì)為增大輸出力矩可在諧波減速器后再加一級(jí)行星傳動(dòng)。本設(shè)計(jì)中殼體結(jié)構(gòu)采用了硬鋁合金LY12，但仍有些重，可采用其他高強(qiáng)度、高鋼度合金，如采用超硬鋁合金LC4，這樣可減小殼體厚度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
對(duì)于我們的未來(lái)生活，每個(gè)人有不同的構(gòu)想，但大多數(shù)人都相信，在將來(lái)的社會(huì)，機(jī)器狗將作為家庭的一員進(jìn)入我們的生活，與我們每天朝夕相處。智能機(jī)器狗的設(shè)計(jì)就是為了將來(lái)機(jī)器狗能夠進(jìn)入我們中國(guó)人的家庭生活，為我們的家庭生活帶來(lái)歡樂。