買文檔就送全套 紙 詢 414951605 最新最全的優(yōu)秀畢設(shè) 資料完 整 答辯通過 智能機(jī)器狗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 對于我們的未來生活，每個人有不同的構(gòu)想，但大多數(shù)人都相信，在將來的社會，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?？涩F(xiàn)在普遍存在人們心中的疑問是：將來機(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)就是為了將來機(jī)器狗能進(jìn)入我們中國人的家庭生活，為我們的家庭生活帶來歡樂。 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 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)動源，充分利用伺服電機(jī)的特性。伺服電機(jī)的驅(qū)動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。 買文檔送全套圖紙 扣扣 414951605 關(guān)鍵詞 ： 智 能機(jī)器狗； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 諧波傳動 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 最新最全的優(yōu)秀畢設(shè) 資料完 整 答辯通過 or in as a we s be of or of is to s of a of to is D be of of as s to in of of is of in an to of of of a 2036C as a of in is a 文檔就送全套 紙 詢 414951605 最新最全的優(yōu)秀畢設(shè) 資料完 整 答辯通過 目錄 摘要 . I . 1 章 緒論 . 1 課題的來源、研究目的和意義 . 1 內(nèi)外智能機(jī)器人的發(fā)展概況 . 3 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 由度的分配及結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) . 6 由度的分配 . 6 構(gòu)方案的設(shè)計(jì) . 7 節(jié)驅(qū)動方案的選擇 . 11 動方案的選擇 . 12 動方式 . 12 速器和減速比的選擇 . 13 機(jī)與減速器的連接方式 . 15 構(gòu)特點(diǎn)及性能參數(shù) . 17 能機(jī)器狗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) . 17 能機(jī)器狗的結(jié)構(gòu)性能參數(shù) . 17 第 3 章 部分關(guān)節(jié)部件設(shè)計(jì)計(jì)算 . 20 關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算 . 20 關(guān)節(jié)靜力矩的計(jì)算 . 20 關(guān)節(jié)向前后運(yùn)動自由度的靜力矩的計(jì)算 . 22 關(guān)節(jié)左右擺動時靜力矩的計(jì)算 . 22 關(guān)節(jié)擺動時的靜力矩的計(jì)算 . 24 波傳動組件的選擇與計(jì)算 . 25 柱齒輪減速器組件選擇與計(jì)算 . 25 關(guān)節(jié)所需電機(jī)的選擇與計(jì)算 . 26 第 4 章 其它部件的選擇 . 27 第 5 章 成本估算和環(huán)保分析 . 29 本估算 . 29 保與經(jīng)濟(jì)分析 . 29 結(jié)論 . 31 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 致謝 . 32 參考文獻(xiàn) . 33 附錄 . 34 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 1 - 第 1 章 緒論 本課題的來源、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，顯示其存在的價值和實(shí)力，同時又是從高技術(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，機(jī)器人對工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，勞動生產(chǎn)率、勞動市場、環(huán)境工程都產(chǎn)生了 深遠(yuǎn) 的影響。幾十年來，機(jī)器人技術(shù)以驚人的速度發(fā)展起來。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 許多國家的高科技 前沿 項(xiàng)目之一。在核工業(yè)場所，深海石油平臺的維護(hù)、戰(zhàn)場上排雷、彈藥運(yùn)輸、火場救火等方面，機(jī)器人相對與人類來說都有很大的優(yōu)越性。機(jī)器人在其他工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也正有越來越廣泛的應(yīng)用 1。 隨著社會的發(fā)展，社會分工越來越細(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部位的一個螺母，有的人整天就是接一個線頭，就像電影摩登時代中演示的那樣，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的工作，于是有人對機(jī)器人產(chǎn)生了敵意。“機(jī)器人上崗，人將下崗。 ”不僅在我國，即使在一些發(fā)達(dá)國家如美國，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，都會提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，創(chuàng)造出更多的社會財(cái)富，也就必然提供更多的就業(yè)機(jī)會，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?必不可少的交通工具。英國一位著名的政治家針對關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的這一問題說過這樣一段話：“日本機(jī)器人的數(shù)量居世界首位，而失業(yè)人口最少，英國機(jī)器人數(shù)量在發(fā)達(dá)國家中最少，而失業(yè)人口居高不下”，這也從另一個側(cè)面說明了機(jī)器人是不會搶人飯碗的。 美國是機(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行┕と瞬粴g迎機(jī)器人，從而抑制了機(jī)器人的發(fā)展。日本買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 2 - 之所以能迅速成為機(jī)器人大國，原因是多方面的，但其中很重要的一條就是當(dāng)時日本勞動力短缺，政府和企業(yè)都希望發(fā)展機(jī)器人，國民也都?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。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)是在步行過程中，機(jī)器人各個關(guān)節(jié)在時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)動軌跡來描述。步態(tài)規(guī)劃的目標(biāo)是產(chǎn)生期望步態(tài)，即產(chǎn)生在某個步行周期中能實(shí)現(xiàn)某種步態(tài)的各關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡，這個目標(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)動鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，行走時各自由度之間的關(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)動與側(cè)向運(yùn)動分開進(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，通過對關(guān)節(jié)運(yùn)動曲線進(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)劃機(jī)器人行走時的基本姿態(tài)及運(yùn)動軌跡；第 2 步則根據(jù)雙足機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程，確定其余各關(guān)節(jié)的運(yùn)動；第 3 步對各關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行修正，獲得更加流暢的步態(tài)靈活多樣的運(yùn)動能力是生物體特有的一種屬性，沒有這種屬性，生物體無法獲取食物，無法逃脫危險(xiǎn)，無法繁衍生息。 雙足步行是高級生命的一種運(yùn)動形式，對這種運(yùn)動形式的機(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)動形式的機(jī)械再創(chuàng)造，與其它移動機(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、上下臺階和斜坡、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€位置上。這種機(jī)器人具有靈活的行走系統(tǒng)，以便隨時走道需要的地方，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)在以下幾個方面： 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 3 - 且能夠作各種動作，如坐下、扭動身軀、點(diǎn)頭、擺尾巴，而這些動作機(jī)器人卻不能作到。 為該機(jī)器狗可具有獨(dú)立的能源裝置，同時要求隨時補(bǔ)給能源，因此在設(shè)計(jì)時就應(yīng)充分考慮其能耗問題。 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)器狗對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動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、非線形、非完整約素的多自由度系統(tǒng)，這對其動力學(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值和意義。 自然界中的萬物都是經(jīng)過一個漫長的優(yōu)化過程，其中狗也不例外?？?以肯定，智能機(jī)器人一定會有一個持續(xù)“優(yōu)化”和研制的前景 3。 國內(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，美國的通用 電氣公 司試制了一臺叫“ 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 面自由度步行機(jī)。該機(jī)具有六個自由度， 每條腿有髖、膝、踝三個關(guān)節(jié)。利用人造橡膠肌肉為關(guān)節(jié)，通過注氣，排氣引起肌肉收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動從而邁步 。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 雙足機(jī)器人，仍采用人造肌肉驅(qū)動，能在平地，斜坡和階梯上行走，具有 11 個自由度。 1972 年，加藤一郎實(shí)驗(yàn)室研制出 足步行機(jī)器人，該機(jī)器人采用液壓驅(qū)動，具有 11 個自由度。下肢作三維運(yùn)動，上身軀體左右擺動以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人重心的左右移動。該機(jī)器人重 130 90載荷30實(shí)現(xiàn)步幅 15步 45s 的靜態(tài)步行。 1973 年，加騰等人在 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。該機(jī)器人采用以單腳 支撐期為靜態(tài)。雙腳切換氣為動態(tài)的準(zhǔn)動態(tài)步方案。實(shí)現(xiàn)了步幅 45步 9S 的準(zhǔn)動態(tài)步行。 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 4 - 1984 年，加藤實(shí)驗(yàn)室又研制采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的 足機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了步幅 40步 平穩(wěn)動態(tài)步行。 1986 年，加騰實(shí)驗(yàn)室有研制成功了 R）步行機(jī)器人，該機(jī)器人通過軀體運(yùn)動來補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動，在軀體的平衡作用下，實(shí)現(xiàn)了步行周期 幅 30平地動態(tài)步行 4。 近年來，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)動方向，并控制其自身的平衡，完成平穩(wěn)的動態(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，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)到與人無異的動態(tài)步行。相信人的智慧會使這個“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、英國、蘇聯(lián)、南斯拉夫、意大利、德國等國家，許多學(xué)者在步行機(jī)器人的力學(xué)，模型和型號研制方面也作出了相應(yīng)的工作。如英國于 1970 年研制成功的 ”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，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 成了三個型號的研制工作； 第一個型號為 10 個自由度，重 100 節(jié)由直流伺服電極驅(qū)動，屬于靜態(tài)步行。 第二個型號為 10 個自由度，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)。 第三個型號為 12 個自由度，關(guān)節(jié)采用兩電機(jī)相連，同時實(shí)現(xiàn)兩個自由度。 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個自由度。 國防科技大學(xué)也進(jìn)行 了這方面的研究。在 1989 年研制成功了一臺雙買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 5 - 足機(jī)器人，這臺機(jī)器人具有 10 個自由度，能完成靜態(tài)步行，動態(tài)步行 7。 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)同時實(shí)現(xiàn)擺動動作，并且寬關(guān)節(jié)也可以向外擺動。擺動動作是由電機(jī)加諧波減速器傳動來實(shí)現(xiàn)的。 2、對頭部以及尾巴的結(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)動方案及傳動方案。 4、對電機(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)。 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 6 - 第 2 章 智能機(jī)器狗的設(shè)計(jì) 由度的分配及結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 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，尾巴的上下運(yùn)動等功能，腿部設(shè)計(jì)采用了 12 個自由度，分布如圖 2示。 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 7 - 圖 2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，它也可以帶動整個腿部的前后運(yùn)動，而擺動關(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，而擺動關(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。頭部的自由度可使機(jī)器狗的頭能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頭的動作 8。 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和前后擺動。同時還要考慮到當(dāng)一條腿抬起時，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示的結(jié)構(gòu)形式。圖 2實(shí)現(xiàn)大腿的左右擺動，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實(shí)現(xiàn)大腿的前后擺動，其原理為一電機(jī)的軸通過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 間就可以有相對的轉(zhuǎn)動，當(dāng)大腿向左右方向抬腿，外殼靜止，內(nèi)殼旋轉(zhuǎn) 9。 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 8 - 圖 2腿的左右擺動圖 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 9 - 圖 2腿的前后擺動圖 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）與大腿前后擺動時的自由度一樣，它的主要構(gòu)件是電機(jī)，諧波減速器，密珠軸承，以及測量前后擺動角度的碼盤，其具體結(jié)構(gòu)如圖 2 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 10 - 圖 2關(guān)節(jié)擺動圖 （ 2）與大腿左右擺動時情況一樣。它主要構(gòu)件是電機(jī)，齒輪減速器、密珠軸承，以及測量前后擺動角度的碼盤，其具體結(jié)構(gòu)如圖 2示。 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 11 - 圖 2關(guān)節(jié)擺動圖 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，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。 節(jié)驅(qū)動方案的選擇 智能機(jī)器狗具有多個自由度，每個自 由度都必須有一個驅(qū)動源驅(qū)動。目前常用的驅(qū)動方式有：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電力驅(qū)動 11。各自的特點(diǎn)買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 12 - 如下： 1、液壓驅(qū)動： 壓力高，可獲得較大的驅(qū)動力，實(shí)現(xiàn)無級調(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： 壓縮空氣粘度小，易達(dá)到高速，介質(zhì)無污染，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： 電力驅(qū)動無泄露，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)動平穩(wěn)，控制精確可靠； （ 5）慣量低，起動力矩大，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關(guān)節(jié)最大力矩是在靜態(tài)步行中，因此選電機(jī)時只考慮靜態(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 關(guān)節(jié)力矩 的計(jì)算。 動方案的選擇 傳動精度是智能機(jī)器狗設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。傳動精度的保證要依靠機(jī)械轉(zhuǎn)動鏈的精度和伺服系統(tǒng)的精度來保證。理論上轉(zhuǎn)動鏈越短越好，驅(qū)動方案越直接越好。 動方式 目前驅(qū)動機(jī)器人關(guān)節(jié)的傳動方式有兩種，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，中間通過傳動裝置傳遞力和運(yùn)動到關(guān)節(jié)軸。前者稱為直接驅(qū)動方式，后者稱為間接驅(qū)動方式。 本設(shè)計(jì)只用到了直接驅(qū)動方式。 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 13 - 速器和減速比的選擇 智能機(jī)器狗要求減速器運(yùn)動精度高、回轉(zhuǎn)穩(wěn)定、效率高、體積小、減速比大 。經(jīng)過分析比較，本設(shè)計(jì)中用大腿前后擺動的減速器應(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 2 2 2 22。 1、行星齒輪 行星齒輪參數(shù)如表 2 表 2星齒輪 參數(shù) 名稱 參數(shù)值 參數(shù)名稱 參數(shù)值 傳動級數(shù) 3 輸出力矩 動比 率 85% 齒輪數(shù)量 13 個 軸承參數(shù) 17 套 節(jié)圓線速度 s 齒滑動速度 s 同時嚙合齒數(shù) 7% 齒面接觸應(yīng)力 的剪切力 172的安全系數(shù) 3 齒面接觸狀態(tài) 線性 運(yùn)動平穩(wěn)性 中 力的平衡 好 外形尺寸高 形尺寸長 形尺寸寬 積 40000量 111、人字齒輪 人字齒輪參數(shù)如表 2 表 2字齒輪 參數(shù)名稱 參數(shù)值 參數(shù)名稱 參數(shù)值 傳動級數(shù) 2 輸出力矩 動比 96 效率 85% 齒輪數(shù)量 4 個 軸承參數(shù) 6 套 節(jié)圓線速度 s 齒滑動速度 s 同時嚙合齒數(shù) 5% 齒面接觸應(yīng)力 的剪切力 172的安全系數(shù) 3 齒面接觸狀態(tài) 線性 運(yùn)動平穩(wěn)性 好 力的平衡 好 外形尺寸高 形尺寸長 形尺寸寬 文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 14 - 體積 146000量 127、蝸桿加螺旋齒輪 蝸桿加螺旋齒輪參數(shù)如下表 2 表 2桿加螺旋齒輪 參數(shù)名稱 參數(shù)值 參數(shù)名稱 參數(shù)值 傳動級數(shù) 2 輸出力矩 動比 100 效率 78% 齒輪數(shù)量 4 個 軸承參數(shù) 6 套 節(jié)圓線速度 s 齒滑動速度 s 同時嚙合齒數(shù) 3% 齒面接觸應(yīng)力 的剪切力 172的安全系數(shù) 2 齒面接觸狀態(tài) 線性 運(yùn)動平穩(wěn)性 好 力的平衡 不好 外形尺寸高 形尺寸長 形尺寸寬 積 44000量 、圓柱齒輪 圓柱齒輪參數(shù)如下表 2 表 2柱齒輪 參數(shù)名稱 參數(shù)值 參數(shù)名稱 參數(shù)值 傳動級數(shù) 3 輸出力矩 動比 率 93% 齒輪數(shù)量 6 個 軸承參數(shù) 8 套 節(jié)圓線速度 s 齒滑動速度 s 同時嚙合齒數(shù) 3% 齒面接觸應(yīng)力 的剪切力 172的安全系數(shù) 5 齒面接觸狀態(tài) 線性 運(yùn)動平穩(wěn)性 中 力的平衡 好 外形尺寸高 形 尺寸長 91形尺寸寬 文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 15 - 體積 185000量 325、諧波齒輪 諧波齒輪參數(shù)如下表 2 表 2波齒輪 參數(shù)名稱 參數(shù)值 參數(shù)名稱 參數(shù)值 傳動級數(shù) 1 輸出力矩 動比 100 效率 85% 齒輪數(shù)量 2 個 軸承參數(shù) 5 套 節(jié)圓線速度 s 齒滑動速度 s 同時嚙合齒數(shù) 30% 齒面接觸應(yīng)力 的剪切力 的安全系數(shù) 36 齒面接觸狀態(tài) 面 運(yùn)動平穩(wěn)性 好 力 的平衡 好 外形尺寸高 形尺寸長 28形尺寸寬 積 5500量 25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。 機(jī)與減速器的連接方式 對于用以使機(jī)器狗的大腿前后的 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示。這種方式的優(yōu)點(diǎn)如下圖 2 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 16 - 圖 2（ 1）沒有反向間隙，傳動精度高； （ 2）定位方便，具有相位微量可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)； （ 3）無鍵槽，傳遞扭矩大； （ 4）可多次裝卸，重復(fù)使用，安裝方便； 對于用以除了使大腿前后運(yùn)動的電機(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，傳動精度更高（因?yàn)樗鼈兪且惑w的）； （ 2）傳動比可以調(diào)制； 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 17 - （ 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。 構(gòu)特點(diǎn)及性能參數(shù) 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，左右運(yùn)動，以及頭部 的運(yùn)動。 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)動方式。結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、傳動精度高，而且大大增加了關(guān)節(jié)所能達(dá)到的運(yùn)動角度。 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)動源全部為電機(jī)驅(qū)動，易于集中控制與程序化控制。 6、設(shè)計(jì)中，整個結(jié)構(gòu)采用鋁合金（ 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。 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)器狗行走時要求速度變化大，調(diào)速范圍大，要求頻繁換向，且動態(tài)響應(yīng)要求快，故應(yīng)選用直流伺服電動機(jī)。其工作原理、結(jié)構(gòu)和基本特性與普通直流電動機(jī)沒有原則性區(qū)別，有如下特點(diǎn)： (1)動慣量為普通直流電動機(jī)的 1/31/2； (2) (3) (4)確保正反轉(zhuǎn)特性對稱； 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機(jī)。與傳動 直流伺服電動機(jī)相比，其特點(diǎn)有： (1)態(tài)響應(yīng)快； (2)向性能好，電氣噪音??； (3)動平穩(wěn)。 綜合以上所述，我選用瑞士 司的 2036 型和 244 型直流無刷伺服電動機(jī)，具體參數(shù)如下表 2表 23： 2036 型參數(shù)如下表 2 表 2036 型 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 18 - 參數(shù)名稱 參數(shù)值 06mm 29500030w 2444參數(shù)如下表 2 2444 參數(shù)名稱 參數(shù)值 4m 6mm 448v 30007w 、諧波減速器 速比為 63； 速比為 80。 3、圓柱齒輪減速器 這類的減速器選自瑞士 司的產(chǎn)品，型號為 1920/1 和1923/1，其參數(shù)分別如下表 2表 24： 1920/1 型參數(shù)如下表 2 表 2920/1 型 參數(shù)名稱 參數(shù)值 0:1. 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 19 - 00000000923/1 型參數(shù)如下表 2 2923/1 型 參數(shù)名稱 參數(shù)值 3:1. 00000000、大腿長度 130腿長度 180 5、兩個前腿，以及兩個后腿的中心距 280 6、機(jī)器狗的身體長 7、各關(guān)節(jié)擺幅為正負(fù) 20。 8、機(jī)器狗總重： 15 9、機(jī)器狗的總高為 592長 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 20 - 第 3 章 部分關(guān)節(jié)部件設(shè)計(jì)計(jì)算 關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算 關(guān)節(jié)靜力矩的計(jì)算 因設(shè)計(jì)要求無動態(tài)特性要求，故設(shè)計(jì)時參考最大靜力矩選擇電機(jī)與減速器。智能機(jī)器狗是一個四足支撐的機(jī)器，當(dāng)它行走時，假定僅一條腿向前后運(yùn)動，或者左右運(yùn)動，而其它三條腿不動，這 給計(jì)算它們的靜力矩帶來了非常大的好處，具體的分析如 圖 3 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 21 - 圖 3關(guān)節(jié)擺動力矩圖 其力矩的公式 3得： M2= (3其中 80 2=20 入之中： .8=文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 22 - 關(guān)節(jié)向前后運(yùn)動自由度的靜力矩的計(jì)算 因?yàn)轶y關(guān)節(jié)有兩個自由度 ，一個自由度使機(jī)器狗向前后運(yùn)動，而另一個自由度使機(jī)器狗向左右運(yùn)動，因此所需的電機(jī)的作用目的有所不同，進(jìn)而在計(jì)算兩個電機(jī)的靜力矩的方法也有所不同，具體如下圖 3示： 圖 3關(guān)節(jié)前后擺動力矩圖 由力矩原理可得髖關(guān)節(jié)前后擺動的力矩公式 3： M1= (3=中 80 3=50 30 1=20 + 髖關(guān)節(jié)左右擺動時靜力矩的計(jì)算 當(dāng)髖關(guān)節(jié)向左右擺動時，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示： 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 23 - 圖 3關(guān)節(jié)左右擺動力矩圖 由力矩原理可得髖關(guān)節(jié)左右擺動時的力矩公式 3： M3= (3=l1+ 80 3=20 30 g=3=.8(=文檔就送全套 紙 詢 414951605 - 24 - 關(guān)節(jié)擺動時的靜