六足机器人设计Word格式文档下载.docx

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4.2电机选择………………………………………………19

第五章.非标准件的尺寸确定及校核

5.1轴的尺寸与校核……………………………………………20

5.2主动杆的尺寸与校核………………………………………23

5.3其他杆件的尺寸与校核……………………………………24

5.4其他零件尺寸确定……………………………………25

第六章.标准件选择

6.1轴承的选择与校核…………………………………………27

6.2联轴器的选择与校核………………………………………27

6.3螺栓的选择与部分承重螺栓的校核………………………27

6.4键的选择与校核…………………………………………29

第七章.设计总结

7.1课程设计过程………………………………………………31

7.2设计体会…………………………………………………32

第八章.参考文献……………………………………………33

第九章附录…………………………………………………34

1.1现状分析

所谓多足机器人，简而言之，就是步行机。

在崎岖路面上,步行车辆优于轮式或履带式车辆。

腿式系统有很大的优越性：

较好的机动性,崎岖路面上乘坐的舒适性,对地形的适应能力强。

所以,这类机器人在军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行业,有非常广阔的应用前景,多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一。

因此对于多足机器人的研究与设计是非常有意义的一项工作。

1.2六足机器人的意义

六足机器人作为多足机器人里面的代表。

它具有多自由度，能进行多方向，多角度的移动，可以适应复杂的路况，并联机器人通过多个支链联接动平台和定平台,从而增加了运动学的复杂性，因此其研究具有非常重要的意义。

此次课程设计是围绕具有空间三自由度的六足机器人展开的，它由上平台、下平台、3根主动杆、3根平行四边形从动支链、3个电动机、连接板等组成。

主动杆与平台通过转动副相连接，从动杆通过2个自由度的转动副与主动杆相连，3个这样的平行四边形从动支链保证了平台智能有三个方向的自由度。

1.3课程设计的目的

机电系统设计与制造中的机械设计部分，是机械类专业重要的综合性与实践性教学环节。

其基本目的是：

1.通过机械设计，综合运用机械设计课程和其他选修课程的理论，结合生产实际知识，培养分析和解决一般工程实际问题的能力，并使所学知识得到进一步巩固、深化和拓展。

2.学习机械设计的一般方法，掌握通用机械零件部件、机械传动装置简单机械的设计原理和过程。

3.进行机械设计基本技能的训练，如计算、绘图，熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理等。

1.4课程设计的基本要求

本设计的基本要求是：

1.能从机器功能要求出发，制定或分析设计方案，合理选择电动机、传动机构和零件。

2.能按机器的工作状况分析和计算作用在零件上的载荷，合理选择零件材料，正确计算零件工作能力和确定零件主要参数及尺寸。

3.能考虑制造工艺、安装于调整、使用与维护、经济和安全等问题，对机器和零件进行结构设计。

4.图面符合制图标准，尺寸及公差标注正确，技术要求完整合理。

2.1机构简化

下图为此次课程设计所要完成的任务的装配图：

图2-1：

六足机器人装配图

为了研究其在运动学及动力学方面的方便，需要将机构简化为平面机构，在机器人只是向上抬腿时，因为机器人的下底盘不会前后左右移动，只会沿着z轴方向上下移动，因此，在上升过程中，可将上底盘固定，在下脚连电机处加上一移动副和转动副，将机构转化为如下图所示的机构：

图2-2：

简化的平面机构图

2.2方案设计

根据简化机构，我们制定如下设计方案:

一：

传动装置的方案设计：

分析拟定传动系统方案，绘制机械系统运动简图。

二：

传动装置的总体设计：

计算传动系统运动学和动力学参数，选择电动机。

三：

传动零件的设计：

确定传动零件的材料，主要参数及结构尺寸，包括轴的设计及校核，轴承及轴承组合设计，选择键联接和联轴器。

四：

机器人装配图及零件图绘制：

绘制机器人装配图和零件图，标注尺寸和配合。

五：

对整个设计过程进行总结。

3.1杆长分析

假设无限长，那么在图中机构,若杆绕A点逆时针旋转，则滑块上升。

但此时，几乎不影响杆与x轴夹角b的变化。

因此，可得如下结论：

机构的抬腿高度此时完全由的长度决定，但在实际过程中，不可能选择为无限长，但当长度远远大于时，抬腿高度基本由的长度确定，再考虑上其他因素的影响，因此预先确定杆长。

图3-1简化机构图

由上图可看出，步距基本上由杆长和转角确定，假设的最大值为度，则此时。

而，因此大体上。

大体上，可由此预先确定杆长。

根据要求。

抬腿高度为mm，步长为mm。

根据上述，可预先确定杆长，，圆整到，这样。

3.2杆长验证

由图3-1所示：

可得：

用matlab编程模拟选的杆长是否可用，程序如下：

%用杆长计算电机转角

l1=270;

l2=87;

r=36;

R=90;

g=33;

b=r-R;

y=250:

0.1:

285;

a3=acos（（l2*l2-l1*l1+y.*y+（r-R）^2）.（2*l2*sqrt（y.*y+（r-R）^2）））;

a2=atan（y.（R-r））;

a=（pi-a2-a3）*180pi

plot（y,a）

title（'

用杆长计算电机转角a--y'

）;

xlabel（'

y,高度-抬腿高度'

ylabel（'

a,电机转角'

设定杆，，，,从变到。

由此运行出下图结果：

图3-2抬腿高度与电机转角图

电机转角最大值：

当时，；

电机转角最小值：

当时，。

这是上底盘不动，下底盘上升时，电机转角的变化范围。

当下底盘不动，上底盘上升时，电机的转角变化也应是

3.3位置分析：

根据电机转角与抬腿高度的关系，验证在此杆长下，下底盘中心的运动范围。

其结构图如下图所示。

图3-3结构示意图

设,则点在坐标系中位置矢量为

点在坐标系中，位置矢量为

点在坐标系中

，其中为点与轴的夹角。

假设矢量在坐标中，则矢量在坐标系。

因为，

①

图3-4支链矢量图

其中，，

②

因为点，点投影在Y轴上，所以

，通过坐标变换得（其中，，分别为点横纵坐标）

，。

即，则③

④

根据①②③式得位置反解：

根据位置反解，我们得到了电机转角与步长之间的关系，我们用MATLAB进行了仿真，其关系如图3-5所示：

图3-5步长与转角关系图

放大之后的图像如下图所示：

图3-6步长放大图

其程序见附录一。

与此同时，我们建立了另一个程序对最大步长进行了检验，图形如下

图3-7角度与步长关系验证程序

图3-8角度与步长关系放大图

同样，由图3-1可得y与a的关系如下：

其仿真图像如下图3-7所示

图3-7电机转角与抬腿高度图

3.4速度分析

图3-8速度分析图

电机转角与速度关系如下图所示

图3-9速度与转角关系图

4.1电机转矩计算

图4-1受力分析图

如图4-1所示，为力的分析图，可得电机转矩与电机转角之间的关系，以及L1杆上受力与电机转角的关系。

公式如下：

图4-2电机转角与扭矩关系图

4.2杆件受力分析

图4-3电机转角与受力关系图

4.3电机选择

根据所需的最大扭矩，以及电机的重量，查阅资料，可选择如下电机

电机铭牌

图4-4电机接线图

5.1轴的尺寸与校核

由受力分析可知，电机的最大扭矩为：

。

轴选择钢制实心轴，其轴截面的极惯性矩为：

（1）

对于钢制实心轴，其受的扭矩为：

（2）

轴受转矩作用时，其扭角:

（3）

由此可得，单位轴长的扭角为：

（4）

式子中为每米轴长的许可扭转角，在此，选择。

轴材料的切变模量为：

由

（1）、

（2）、（3）、（4）整理的：

（5）

所以，，故可选轴的直径为。

为简化计算，可将所有的轴的直径都选为，而在机构中轴又分为：

短轴，电机轴。

5.1.1短轴尺寸的确定

对于短轴，它属于阶梯轴，其结构设计如下：

图6-1短轴尺寸图

轴所承受载荷为：

对应的轴承可选：

深沟球轴承，其基本额定载荷为：

故轴承可用。

5.1.2电机轴尺寸的确定

对于电机轴，它同样属于阶梯轴，其结构设计如下：

图6-2电机轴尺寸图

5.2主动杆（L2）的尺寸与校核

图6-3主动杆尺寸确定

根据上图零件的简图，在受力分析时，可以简化为如下受力模型。

图6-4杆的受力分析图

M=2.995L1=50mmb=10mm（（（l3^2+4*l5^2+2*l5*sqrt（4*l3^2-（-x+sqrt（3）*y）.^2）-（R-r）^2+（R-r）*（sqrt（3）*x+y）-l2^2-x.^2-y.^2-z.^2）.sqrt（（2*l2*（R-r）-sqrt（3）*x*l2-y*l2）.^2+4*z.^2*l2^2）））+atan（（2*l2*z）.（（2*l2*（R-r）-sqrt（3）*l2*x-y*l2）））;

a5=asin（（（l3^2+4*l5^2+2*l5*sqrt（4*l3^2-（x+sqrt（3）*y）.^2）-（R-r）^2+（R-r）*（-sqrt（3）*x+y）-l2^2-x.^2-y.^2-z.^2）.sqrt（（2*l2*（R-r）+sqrt（3）*x*l2-l2*y）.^2+4*z.^2*l2^2）））+atan（（（2*l2*z）.（2*l2*（R-r）+sqrt（3）*l2*x-y*l2）））;

a6=asin（（l3^2+4*l5^2+4*l5*sqrt（l3^2-x.^2）-（R-r）^2-2*（R-r）*y-l2^2-x.^2-y.^2-z.^2）.（sqrt（4*l2^2*（R-r+y）.^2+4*z.^2*l2^2）））+atan（2*l2*z.（2*l2*（R-r+y）））;

a1=（a4>

=（10*pi180）&

a5>

a6>

=（10*pi180））.*a4;

a2=（a4>

=（10*pi180））.*a5;

a3=（a4>

=（10*pi180））.*a6;

subplot（3,3,1