四足行走小車(chē)的設(shè)計(jì),行走,小車(chē),設(shè)計(jì) 四足行走小車(chē)的設(shè)計(jì)摘要四足行走小車(chē)是當(dāng)今足式機(jī)械研究發(fā)展的一個(gè)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(jiǎn)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(chē)往大的方面可以應(yīng)用到星球探索、工廠生產(chǎn)線(xiàn)以及戰(zhàn)場(chǎng)輸送物資等；往小的方面來(lái)講也可作為模型小玩具，幫助孩子在簡(jiǎn)單裝配過(guò)程中獲得樂(lè)趣以及提高孩子的動(dòng)手能力。本課題研制的四足行走小車(chē)采用直流單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)傳輸和分配給四組四連桿行走機(jī)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模仿馬匹的邁步動(dòng)作，采用對(duì)角線(xiàn)運(yùn)動(dòng)一致的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)腿部機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的交替行走。此四連桿行走機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)根據(jù)足部行走軌跡要求利用圖解法設(shè)計(jì)出來(lái)。關(guān)鍵詞：四足行走，小車(chē)，連桿機(jī)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(guó)內(nèi)發(fā)展概況 21.2.2 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 31.3 課題背景 51.3.1 課題來(lái)源 .51.3.2 實(shí)際應(yīng)用價(jià)值 .51.4 目的以及課題研究?jī)?nèi)容 62 四足小車(chē)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 72.1 小車(chē)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論分析 72.2 小車(chē)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(chē)整體結(jié)構(gòu)布置方案 92.4 小結(jié) 103 腿部四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 113.1 軌跡設(shè)計(jì) 113.2 四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí) 113.2.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 123.2.2 曲柄存在條件 123.2.3 急回運(yùn)動(dòng)特性和行程速比 K .123.2.4 壓力角與傳動(dòng)角 .133.2.5 死角 143.2.6 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)連續(xù)性 143.2.7 按預(yù)定軌跡設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu) 153.3 桿長(zhǎng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算 153.3.1 桿長(zhǎng)設(shè)計(jì)方案介紹與比較 153.3.2 作圖法設(shè)計(jì)四桿長(zhǎng)度 153.3.3 驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角 .173.3.4 運(yùn)動(dòng)分析 .183.4 小結(jié) 204 傳動(dòng)方案及電機(jī)選擇 204.1 電機(jī)的選擇 214.2 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 214.3 桿件的布局 224.4 減速箱的布局 235 小車(chē)零配件的選擇以及加工 245.1 四桿機(jī)構(gòu)各桿件的尺寸設(shè)計(jì) 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(xiàn) 3311 緒論1.1 引言四足行走小車(chē)是當(dāng)如今足式機(jī)械研究發(fā)展的一個(gè)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(jiǎn)單，所以受到眾多科研人員的關(guān)注。四足行走小車(chē)往大的方面可以用作星球探索、工廠生產(chǎn)線(xiàn)以及戰(zhàn)場(chǎng)輸送物資的作用；往小的方面來(lái)講也可以作為模型小玩具供孩子使用，幫助孩子在簡(jiǎn)單裝配過(guò)程中獲得樂(lè)趣以及提高孩子的動(dòng)手能力。本課題《四足行走小車(chē)的設(shè)計(jì)》的來(lái)源正是導(dǎo)師參照現(xiàn)如今研究火熱的足式機(jī)器人，進(jìn)而挑選的適合本科生動(dòng)手設(shè)計(jì)并自己加工制作的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題。設(shè)計(jì)要求包括對(duì)四足行走小車(chē)的行走機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型與設(shè)計(jì)，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)形式的選擇，四足行走小車(chē)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及小車(chē)的加工制作。主要的目的在于機(jī)械原理課程理論知識(shí)的具體運(yùn)用，從而加深理解和掌握，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力及加工制作能力。1.2 發(fā)展概況行走機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方式大概有這幾種：足式、輪式、履帶式。輪式機(jī)械比較適合平坦的地面，適于高速運(yùn)動(dòng)，但遇到較為復(fù)雜的路況則凸顯了其弱點(diǎn)；履帶式則可適用于凹凸不平的地面，適于中低速運(yùn)動(dòng)，但遇到障礙物則無(wú)法通行；足式機(jī)械相對(duì)于前兩者而言，不管是其越障能力還是運(yùn)動(dòng)的靈活性都是較強(qiáng)的。四足機(jī)械又是足式機(jī)械中設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)器人腿部關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式大致有這三種:電驅(qū)動(dòng)、連桿驅(qū)動(dòng)、氣體驅(qū)動(dòng)以及液壓驅(qū)動(dòng)等。著名的美國(guó)波士頓動(dòng)力工程公司研制的小狗機(jī)器人2Little Dog 的腿部關(guān)節(jié)就是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的典型，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的好處是使得關(guān)節(jié)處十分靈活，缺點(diǎn)是無(wú)法準(zhǔn)確快速預(yù)測(cè)下一時(shí)刻關(guān)節(jié)的負(fù)載，所以腿部關(guān)節(jié)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)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(dòng)的日本東京工業(yè)大學(xué)研制的 TITAN-VⅢ以及美國(guó)的 Big dog 則在大多數(shù)情況下可以處在動(dòng)態(tài)平穩(wěn)當(dāng)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(guó)內(nèi)發(fā)展概況國(guó)內(nèi)四足機(jī)械最早的原型應(yīng)當(dāng)是三國(guó)時(shí)期諸葛亮用于運(yùn)送糧草的“木牛流馬”，我國(guó)于八十年代開(kāi)始對(duì)四足機(jī)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(jī)器人 [2]在 1996 年上海交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室被研制出來(lái)，如圖 1 所示，該機(jī)器人每條腿的足部都裝有測(cè)力傳感器，可以反饋并調(diào)整使之穩(wěn)定行走，時(shí)速可達(dá) 1.7km/h。這可以說(shuō)是當(dāng)時(shí)在四足機(jī)器人研究方面的一個(gè)非常顯著的進(jìn)步，成為了足式機(jī)器人在國(guó)內(nèi)研究開(kāi)發(fā)中比較著名的一臺(tái)樣機(jī)。圖 1 JTUWM-Ⅲ機(jī)器人哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(gè)可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的輪子，該機(jī)器融合了輪式機(jī)械以及足式機(jī)械的優(yōu)點(diǎn)，它的運(yùn)動(dòng)方式更加多樣 [3]，在不同的環(huán)境下可以自由切換兩種運(yùn)動(dòng)方式，使得3機(jī)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(jī)器人北京漢庫(kù)機(jī)器人技術(shù)有限公司研制的 BIO-12 四足機(jī)器人（圖 3），全身有12 個(gè)自由度，最大跨越高度約為 100mm[4],這個(gè)機(jī)構(gòu)選用的是強(qiáng)度、剛度比較優(yōu)良的材料，對(duì)崎嶇地形具有極強(qiáng)的適應(yīng)力。相較于其他足式機(jī)器人樣機(jī)而言，最大的特點(diǎn)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(jī)器樣機(jī)更接近于仿生對(duì)象的一個(gè)跳躍。圖 3 BIO-12 機(jī)器人1.2.2 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外十九世紀(jì)由 Rygg 設(shè)計(jì)的“機(jī)械馬”，也是人類(lèi)對(duì)足式行走機(jī)械的早4期探索，現(xiàn)今國(guó)外最具代表性的四足行走機(jī)器人是卡耐基梅隆大學(xué)研發(fā)的Tekken[5]，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)研發(fā)的四足機(jī)器人 KOLT，以及美國(guó) Carnegie Mellon 大學(xué)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(xué)研制的 TITAN-VⅢ（如圖 4）最大的特點(diǎn)是其避障繞行的特點(diǎn)，采用的是直動(dòng)型腿機(jī)構(gòu)，上樓速度可達(dá) 5cm/s。相比于其它足式機(jī)器人樣機(jī)，TITAN-VⅢ的避障能力比較優(yōu)越，采取的是一個(gè)繞行的方式也是其一個(gè)特色。圖 4 TITAN-VⅢ機(jī)器人04 年美國(guó)波士頓動(dòng)力工程公司研制的小狗機(jī)器人 Little Dog(如圖 5)以四條腿的高敏捷性而著稱(chēng)，能夠像動(dòng)物一樣靈活地避障，遍布全身的電動(dòng)機(jī)以及自帶的 PC 級(jí)處理器和覆蓋全身的傳感器是小狗敏捷運(yùn)動(dòng)的重要憑借。傳感器對(duì)Little Dog 進(jìn)行全方位的檢測(cè)包括發(fā)動(dòng)機(jī)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(shuō) Little Dog 是當(dāng)前敏捷程度方面最為接近仿生對(duì)象的足式機(jī)器人，但是其他方面還有很長(zhǎng)的路要走，與真正仿生對(duì)象還是有一定的距離，要完全吸收仿生對(duì)象身上全部的優(yōu)點(diǎn)，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(gè)四足機(jī)器人在遭到外來(lái)撞擊時(shí)稍作休整能繼續(xù)行走。Big Dog 可以在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中發(fā)揮巨大的用處，在戰(zhàn)場(chǎng)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(dòng)機(jī)，用作動(dòng)力源。Big Dog 是目前來(lái)說(shuō)最像動(dòng)物的仿生機(jī)器人，其腿部的關(guān)節(jié)是深度模仿了仿生對(duì)象腿部關(guān)節(jié)的作用，具有減震以及釋能的特點(diǎn)。美軍尤其看重大狗的負(fù)重行走能力，即使大狗機(jī)器人在極其復(fù)雜的環(huán)境里負(fù)重 100公斤左右的東西也是沒(méi)有什么問(wèn)題的。目前唯一的缺點(diǎn)大狗的動(dòng)力部分采用的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)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(jī)器人61.3 課題背景1.3.1 課題來(lái)源我的課題《四足行走小車(chē)的設(shè)計(jì)》的來(lái)源即導(dǎo)師所給，參考當(dāng)前足式機(jī)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值 據(jù)可靠調(diào)查,在地球上相當(dāng)一部分地面并不適合于輪式或履帶式小車(chē)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(chē)與輪式及履帶式小車(chē)相比具有比較大的優(yōu)勢(shì)。足式小車(chē)對(duì)崎嶇路面具適應(yīng)性強(qiáng),足式小車(chē)的立足點(diǎn)是一個(gè)個(gè)離散的點(diǎn),可以調(diào)整整體的姿態(tài)在可能到達(dá)的地面選擇最為有效的支撐點(diǎn)。四足小車(chē)又是足式小車(chē)當(dāng)中的佼佼者，因此四足行走小車(chē)受到廣大研究人員的重視,已經(jīng)成為機(jī)器人研究中一個(gè)引人注目的研究領(lǐng)域。足式小車(chē)同樣可以制作成開(kāi)發(fā)智力的模型玩具，小孩子在成長(zhǎng)階段通過(guò)自己動(dòng)手制作足式小車(chē)不僅能收獲快樂(lè)而且可以鍛煉發(fā)展孩子的動(dòng)手能力以及眼與肢體的協(xié)調(diào)能力。相信足式小車(chē)模型會(huì)比其他成品玩加具有市場(chǎng)價(jià)值，受到家長(zhǎng)孩子們的喜愛(ài)。四足行走小車(chē)被認(rèn)為是最佳的足式小車(chē)的形式，四足交替行走小車(chē)比兩足行走小車(chē)的承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好,在結(jié)構(gòu)上和控制上來(lái)說(shuō)比六足和八足行走小車(chē)更加簡(jiǎn)易，將在各個(gè)領(lǐng)域有更加深入的應(yīng)用。因其開(kāi)發(fā)四足機(jī)器人的研究過(guò)程中涉及交叉了許多學(xué)科，并不僅僅是機(jī)械方面的學(xué)科，開(kāi)發(fā)的過(guò)程當(dāng)中也是對(duì)其他學(xué)科發(fā)展的一個(gè)不同程度地促進(jìn)。四足機(jī)器人的開(kāi)發(fā)成本以及難度來(lái)說(shuō)也是較同類(lèi)多足機(jī)器人當(dāng)中比較小的，花費(fèi)相對(duì)較少的科研成本以及降低科研難度來(lái)達(dá)到最終的對(duì)于仿生對(duì)象身上可取優(yōu)點(diǎn)的完美移植。之后的足式機(jī)器的研究方向勢(shì)必更加側(cè)重于四足機(jī)器領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)，最大程度得開(kāi)發(fā)其使用價(jià)值，在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。71.4 目的以及課題研究?jī)?nèi)容通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以豐富學(xué)生在足式機(jī)器人研究領(lǐng)域的知識(shí)儲(chǔ)備；加強(qiáng)學(xué)生的理論知識(shí)以及鍛煉其解決實(shí)際問(wèn)題的能力；綜合訓(xùn)練學(xué)生在調(diào)查研究、查閱文獻(xiàn)和收集資料方面的能力；提高對(duì)研究成果的總結(jié)提煉和撰寫(xiě)科技論文的能力等，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，解決實(shí)際問(wèn)題的能力。本次設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容涵蓋以下內(nèi)容：（1）設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)四足行走的四連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平穩(wěn)行走；（2）用 Solidworks 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的仿真，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)是否干涉、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可行性； （3）設(shè)計(jì)小車(chē)的整體結(jié)構(gòu)，選擇電機(jī)和傳動(dòng)方式；（4）購(gòu)買(mǎi)所需材料，進(jìn)行小車(chē)的加工制作，裝配調(diào)試；(5) 撰寫(xiě)論文。2 四足小車(chē)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)此章節(jié)主要設(shè)計(jì)小車(chē)的整體結(jié)構(gòu)，包括減速箱的安裝位置，以及腿部機(jī)構(gòu)在車(chē)體的位置等。2.1 小車(chē)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論分析此次設(shè)計(jì)的過(guò)程分為方案設(shè)計(jì)、腿部桿件尺寸設(shè)計(jì)、軟件仿真是否干涉、小車(chē)整體結(jié)構(gòu)布局、加工制作?；ㄙM(fèi)不少的時(shí)間參考了各種仿生機(jī)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(jī)構(gòu)的桿件的尺寸設(shè)計(jì)也是其中的難點(diǎn)，因?qū)τ跈C(jī)械原理中依據(jù)軌跡來(lái)設(shè)計(jì)平面連桿機(jī)8構(gòu)知識(shí)的欠缺，參考了機(jī)械原理課本中根據(jù)理論軌跡來(lái)設(shè)計(jì)連桿桿長(zhǎng)。小車(chē)的整體結(jié)構(gòu)布局較為簡(jiǎn)易，為了后面實(shí)物加工制作的方便。傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是通過(guò)單電機(jī)-減速箱-曲柄搖桿來(lái)分配到各組四桿機(jī)構(gòu)上面主要應(yīng)用的理論知識(shí)有:機(jī)械原理當(dāng)中平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、互換性與技術(shù)測(cè)量中的尺寸公差配合關(guān)系等知識(shí)。2.2 小車(chē)腿部方案的介紹經(jīng)過(guò)大量資料的整理，最后挑選了兩種方案：方案 1：在車(chē)身左側(cè)采用兩個(gè)剛性連接的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，車(chē)身右側(cè)只需要用連桿把相對(duì)應(yīng)的腿連接起來(lái)，滿(mǎn)足對(duì)角線(xiàn)一致的原則。圖 6 四足行走機(jī)械方案 2：采用曲柄搖桿的四連桿機(jī)構(gòu)，同側(cè)前后腿共用一個(gè)曲柄。左右曲柄之間相差 180 度，使得對(duì)角線(xiàn)足部的軌跡相同。9圖 7 四足連桿機(jī)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(jī)構(gòu)用作主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。第一種方案桿件層數(shù)比較多，體積相對(duì)龐大，且通過(guò)一側(cè)驅(qū)動(dòng)，平穩(wěn)性有待考證；第二種則更像仿生四足動(dòng)物，且桿件布局較清晰，運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性相對(duì)第一種方案應(yīng)當(dāng)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(jì)方案。2.2.2 腿部方案的選定 這個(gè)方案的原理即采用對(duì)角線(xiàn)原則，前后兩對(duì)足同步運(yùn)動(dòng)。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(xiàn)跟一段曲線(xiàn)組成，在一組腳跨步的時(shí)候形成的是曲線(xiàn)軌跡，另一組則支撐在地面上則行程一條直線(xiàn)靜止的軌跡，然后兩組腿交替邁步，類(lèi)似于動(dòng)物行走運(yùn)動(dòng)。2.3 小車(chē)整體結(jié)構(gòu)布置方案小車(chē)的整體布局見(jiàn)圖 8 行走小車(chē)俯視圖 ，圖 9 行走小車(chē)正視圖。10圖 8 小車(chē)整體結(jié)構(gòu)俯視圖圖 9 小車(chē)整體結(jié)構(gòu)正視圖2.4 小結(jié)小車(chē)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選取一臺(tái)直流電機(jī)來(lái)做動(dòng)力部分，為了設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單一點(diǎn)，為后面的實(shí)物制作作鋪墊。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)桿件尺寸以及設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速可以確定，四組連桿機(jī)構(gòu)可以通過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)加在一根主軸上驅(qū)動(dòng)，其余各軸均是從動(dòng)軸，通過(guò)直流減速電機(jī)經(jīng)由主軸把動(dòng)力分配到各連桿上。113 腿部四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)本章主要對(duì)腿部運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)已設(shè)定的理論足部軌跡來(lái)設(shè)計(jì)四桿桿長(zhǎng)，并利用軟件仿真驗(yàn)證軌跡的可行性以及設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。3.1 軌跡設(shè)計(jì)足部的軌跡是一條封閉的曲線(xiàn)當(dāng)動(dòng)物身體作為參考系坐標(biāo)遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，曲線(xiàn)分為直線(xiàn)段與彎曲段，直線(xiàn)段對(duì)應(yīng)的是動(dòng)物行進(jìn)當(dāng)中足部靜止支撐身體的階段；彎曲段則是動(dòng)物在邁步的過(guò)程。如圖 10 所示，把動(dòng)物足部軌跡曲線(xiàn)一圈作為一個(gè)周期，那么直線(xiàn)段可以定義為支撐段，彎曲段定義為邁步段。據(jù)生物學(xué)上的研究，足部支撐時(shí)間占到半個(gè)周期以上才能在前進(jìn)當(dāng)中更好得調(diào)整身體的穩(wěn)定程度。12圖 10 足部軌跡圖對(duì)于行走機(jī)械來(lái)說(shuō)，足部軌跡曲線(xiàn)在機(jī)構(gòu)對(duì)地面的適應(yīng)能力和前進(jìn)當(dāng)中的穩(wěn)定程度有很大的影響，所以應(yīng)當(dāng)認(rèn)真考慮。下面依據(jù)仿生的角度給出小車(chē)足部的理輪軌跡要求：（1）足部軌跡曲線(xiàn)須是一條封閉并且圓滑的曲線(xiàn)；（2）為了保持重心的穩(wěn)定，足部軌跡曲線(xiàn)的靜止段曲線(xiàn)應(yīng)接近于直線(xiàn)段；（3）為了提升機(jī)器的跨越障礙物的能力，足部軌跡曲線(xiàn)的跨越高度要大；（4）為了增加邁步的前進(jìn)長(zhǎng)度，足部軌跡曲線(xiàn)的邁步要長(zhǎng)；3.2 四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)3.2.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)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(chēng)其為曲柄搖桿機(jī)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(jī)架是最短桿；13（2）滿(mǎn)足桿長(zhǎng)條件倘若四桿機(jī)構(gòu)不滿(mǎn)足桿長(zhǎng)條件的話(huà)，就不存在曲柄，兩連架桿都是搖桿。倘若最短桿為機(jī)架，那么是雙曲柄機(jī)構(gòu)；倘若機(jī)架的相鄰桿件是最短桿，那么是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；倘若取機(jī)架是最短桿，那么則是雙搖桿機(jī)構(gòu)。基于以上原則，最短桿與機(jī)架相連，并且滿(mǎn)足桿長(zhǎng)條件則是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。3.2.3 急回運(yùn)動(dòng)特性和行程速比 K當(dāng)曲柄是主動(dòng)桿作勻速運(yùn)動(dòng)，搖桿則作往復(fù)速率不一致的擺動(dòng)，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(chēng)之為急回運(yùn)動(dòng)特性。圖 11 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)如圖 9 所示，曲柄作主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搖桿來(lái)回?cái)[動(dòng)的左右兩邊的極限位置時(shí)連桿相對(duì)應(yīng)位置所夾成銳角 稱(chēng)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?yàn)?是銳角，故理論上 K 可以最大為 3。實(shí)際工程中 K 1.4，因?為被最小傳動(dòng)角所限制。常根據(jù) K 值來(lái)對(duì)有急回特性要求的機(jī)構(gòu)算出 角，隨之再確定桿長(zhǎng)。3.2.4 壓力角與傳動(dòng)角F 與 兩者所夾的銳角稱(chēng)之為壓力角，用 來(lái)表示；傳動(dòng)角是壓力角的余角，t用 來(lái)表示。隨著曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角 跟著變化。 的大小與機(jī)械的效??率成正比關(guān)系，為了使 大于 40°，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)時(shí)需要對(duì)進(jìn)行驗(yàn)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(jī)架上 A 點(diǎn)和點(diǎn) D 都在在 C'、C“連線(xiàn)的一邊，那么 時(shí)，o0??，得到最小值 等于 的最小值；min???機(jī)架上 A 點(diǎn)和 D 點(diǎn)位于 C'C“連線(xiàn)的異側(cè)時(shí)，那么 時(shí)的 最大，得o180??=180°- 。即連桿與搖桿所夾的最小銳角當(dāng)曲柄為主動(dòng)件時(shí)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。3.2.5 死角在圖 9 所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)當(dāng)中，設(shè)搖桿 D 為主動(dòng)件，那么連桿 和2C2CB從動(dòng)曲柄 A 共線(xiàn)時(shí)，機(jī)構(gòu)的 = ,此時(shí) D 通過(guò)連桿作用在 A 上的力正好2B?O02通過(guò)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(diǎn)。3.2.6 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)連續(xù)性所謂的連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)連續(xù)性，是指連桿的運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中是否依次按順序經(jīng)過(guò)給定的各個(gè)點(diǎn)位。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄 AB 連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搖桿 CD 能夠在 或 范圍內(nèi)來(lái)回往復(fù)擺動(dòng)。 或 的范圍稱(chēng)為機(jī)構(gòu)的可行域， 和 的3?' 3?' 3?'范圍稱(chēng)為機(jī)構(gòu)的不可行域。連桿設(shè)計(jì)當(dāng)中，不能要求從動(dòng)件在兩個(gè)各自獨(dú)立的可行域中連續(xù)運(yùn)動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)的這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)之為錯(cuò)位不連續(xù)。在連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，經(jīng)過(guò)連桿曲線(xiàn)上的各點(diǎn)位置的順序一般是固定的，若原動(dòng)件不能按次序通過(guò)各點(diǎn)位，那么這也是一種運(yùn)動(dòng)不連續(xù)，稱(chēng)之為錯(cuò)序不連續(xù)。16在設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)當(dāng)中，必須檢查設(shè)計(jì)的連桿機(jī)構(gòu)是否存在錯(cuò)位不連續(xù)、錯(cuò)序不連續(xù)。3.2.7 按預(yù)定軌跡設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)如果要按照預(yù)定軌跡上的五個(gè)點(diǎn)位來(lái)設(shè)計(jì)的話(huà)，則只能在給定軌跡線(xiàn)上取五個(gè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是這些點(diǎn)經(jīng)過(guò)四桿機(jī)構(gòu)的某一連桿曲線(xiàn)。在設(shè)計(jì)當(dāng)中用到了反轉(zhuǎn)法原理和點(diǎn)位歸并。3.3 桿長(zhǎng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算3.3.1 桿長(zhǎng)設(shè)計(jì)方案介紹與比較平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法探析平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法有作圖法、解析法和實(shí)驗(yàn)法三種。用作圖法來(lái)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)就是要利用鉸鏈間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，想方設(shè)法通過(guò)幾何關(guān)系確定鉸鏈的位置，從而推出桿的長(zhǎng)度。優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，即直觀、簡(jiǎn)單、快速，當(dāng)然也存在不足，相較于解析法而言精度上差了點(diǎn)。用解析法來(lái)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)是通過(guò)已知變量來(lái)對(duì)解析式求解的方法得出四桿機(jī)構(gòu)的尺寸，通常采用計(jì)算機(jī)輔助求解，因其復(fù)雜程度較高。解析法的優(yōu)點(diǎn)是精度高，但解法比較繁瑣復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)法的話(huà)比作圖法更復(fù)雜，比解析法精度上差。通過(guò)比較這三種方法，我認(rèn)為作圖法是適于本人在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中用來(lái)設(shè)計(jì)桿長(zhǎng)的。173.3.2 作圖法設(shè)計(jì)四桿長(zhǎng)度圖 12 四桿尺寸設(shè)計(jì)圖已知條件： 如圖 12 所示，設(shè)計(jì)要求的理論軌跡為 ，在理論軌跡Mf上依次取點(diǎn) 、 、 、 、Mf )5.10,36( )5.107,2(M)1,39()1,5(4，嘗試來(lái)設(shè)計(jì)此四連桿機(jī)構(gòu)。)10,6(5設(shè)計(jì)過(guò)程：181） 固定鉸鏈點(diǎn) A、D 的確定。為了在設(shè)計(jì)當(dāng)中能夠進(jìn)行點(diǎn)位歸并，在 5個(gè)點(diǎn)當(dāng)中取兩個(gè)相對(duì)的點(diǎn)（譬如 與 、 與 ），分別作它們的中垂線(xiàn)1M524和 ，兩中垂線(xiàn)的交點(diǎn)即為固定鉸鏈 D。為了確認(rèn)另外的一個(gè)固定鉸鏈 A，15l24通過(guò)點(diǎn) D 作一條射線(xiàn) ，然后再作一條射線(xiàn) 、 （其中射線(xiàn) 與 之間的夾0a1a20a1角為 的一半，即 = ；射線(xiàn) 與 之間的夾角為51M?15?251?01的一半，即 = ）；在射線(xiàn) 上選取 作為活動(dòng)鉸鏈，42244DMB這樣 就作為連桿上的一個(gè)標(biāo)線(xiàn)，在射線(xiàn) 上找到 ,使通過(guò) 的 =1B2a22M2，然后作點(diǎn) 與 的中垂線(xiàn)，中垂線(xiàn)和 的交點(diǎn)就是所求的固定鉸鏈112B0A。依次按照 的長(zhǎng)度通過(guò)點(diǎn) 、 、 在以 A 為圓心的圓上找到相應(yīng)345的 、 、 ?？勺C，兩組對(duì)點(diǎn) 與 、 與 分別關(guān)于 AD 對(duì)稱(chēng)。3B451B242）活動(dòng)鉸鏈 C 的確定?？梢酝ㄟ^(guò)機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)法來(lái)確定點(diǎn) C 的位置?？梢郧蟪龉潭ㄣq鏈 D 的另外 4 個(gè)對(duì)應(yīng)的位置 、 、 、 ，可知兩組對(duì)應(yīng)點(diǎn)的2D345D 重合，所以由 D（ ）、 、 （ ）三點(diǎn)分別作中垂線(xiàn)，中垂線(xiàn)的交點(diǎn)534即為活動(dòng)鉸鏈 。這樣 AD 即是所求的四桿機(jī)構(gòu)。1C1B因?yàn)樯渚€(xiàn) 與 在射線(xiàn) 上的可選擇性導(dǎo)致有無(wú)數(shù)解的產(chǎn)生。 在通過(guò)多0a11a次的選取射線(xiàn) 的位置以及 在射線(xiàn) 上的位置試驗(yàn)作圖，最終得到了滿(mǎn)足的1桿長(zhǎng)，尺寸如下所示：A =10mm,1BCD=38mm,C=46mm,1BAD=57mm,19C =58mm，四桿長(zhǎng)度滿(mǎn)足 A +AD=10+57 CD+ C=38+46 。1M1B?1B3.3.3 驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角依據(jù)上面的傳動(dòng)角 的公式（3-4），當(dāng)曲柄 AB 與 AD 重疊共線(xiàn)或者是拉?直共線(xiàn)時(shí)，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(dòng)角 ，通常情況下要求 ，為的是保證機(jī)構(gòu)的??84.1min? ??40min?良好傳動(dòng)性，此機(jī)構(gòu)雖然單個(gè)四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角不利于良好地傳動(dòng)，但是左右兩側(cè)四個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)互相彌補(bǔ)傳動(dòng)上的不足，整體上機(jī)構(gòu)仍然可以展現(xiàn)良好的傳動(dòng)性。在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，倘若機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了死點(diǎn)位置則對(duì)機(jī)構(gòu)是很不利的，應(yīng)采取相應(yīng)的辦法來(lái)使得機(jī)構(gòu)避過(guò)死點(diǎn)位置。本次設(shè)計(jì)正是考慮到這一點(diǎn)所以設(shè)計(jì)了兩套機(jī)構(gòu)巧妙得錯(cuò)開(kāi)死點(diǎn)位置，讓整個(gè)機(jī)械連續(xù)運(yùn)行。3.3.4 運(yùn)動(dòng)分析通過(guò)作圖法求得的四桿機(jī)構(gòu)的尺寸與軌跡曲線(xiàn)之后，得到完整的四連桿機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò) Solidworks 軟件 Motion 模塊進(jìn)行仿真得出此次求得的連桿機(jī)構(gòu)是可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求的。圖 13 為足部軌跡圖，表 1 為觀察點(diǎn)的坐標(biāo)。20圖 13 足部軌跡圖下面的表 1 給出了四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真中得出的觀察點(diǎn) 、1M、 、 、 的坐標(biāo)。2M345表 1 觀察點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)位中誤差 =1M22)()(yx??= 22).10938.(85.370. ?=0.73點(diǎn)位中誤差 =2M22)9.106345.().794.6( ???21=0.63點(diǎn)位中誤差 =3M22)4.109875.().3874.( ???=1.57點(diǎn)位中誤差 =4 22)64.107.()4.537.2( ???=1.32點(diǎn)位中誤差 =5M22)9.103847.()6.4273.6( ???=1.65經(jīng)過(guò)計(jì)算判斷，本設(shè)計(jì)結(jié)果與理論設(shè)計(jì)軌跡誤差較小，此機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是正確的。3.4 小結(jié)本章節(jié)設(shè)計(jì)了行走小車(chē)的腿部四桿機(jī)構(gòu)，按照小車(chē)行進(jìn)的理論軌跡來(lái)設(shè)計(jì)桿長(zhǎng)，然后通過(guò)軟件仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。224 傳動(dòng)方案及電機(jī)選擇本章節(jié)設(shè)計(jì)小車(chē)的傳動(dòng)方案以及動(dòng)力裝置電機(jī)的選擇。 4.1 電機(jī)的選擇為了簡(jiǎn)化加工制作過(guò)程，選取的是 130 直流電機(jī)，該電機(jī)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(zhǎng)】9 mm【重量】14.24g4.2 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)23也采用 130 減速箱，通過(guò)齒輪兩級(jí)減速，達(dá)到減速比為 1：94。其中第一級(jí)直齒輪與冠齒之間簡(jiǎn)易嚙合，齒輪傳動(dòng)減速比為 = = = =4.375；第12iw12z835二級(jí)兩漸開(kāi)線(xiàn)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(chē)主軸的轉(zhuǎn)速為 n=17000/94 = 181 r/min。 可以滿(mǎn)足小車(chē)的運(yùn)行要求。圖 14 為齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖，圖 15 為 130 減速箱爆炸圖。圖 14 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖