四足步行机器人机械结构设计(附件)【字数：5696】
摘 要直至目前，关于四足步行机器人的研究已有了很长的历史，并且取得了一系列的研究成果。此类机构的设计的主要是从仿生学的角度出发，通过研究四足生物的行走规律来获取设计灵感。在多数研究中，四足步行机器人通常由机械系统、驱动系统、控制系统、感知系统组成。本文主要研究四足步行机器人的机械结构，具体内容包括驱动装置选择、传动装置设计与步行机构设计。首先针对机器人四足步行特征，本文利用两个曲柄滑块连杆机构并配合他们180°的相位差，模拟出普通四足动物四肢交替行走的特点。确立形式之后，绘制其运动机构简图，并根据预期步行效果设定具体动力参数。其次就是选取合适的电动机与设计传动装置来实现步行目标。除此之外，对主要零部件的校核也是必不可少。
目 录
第一章 绪论1
1.1四足步行机器人发展历程1
1.2 足式机器人发展的意义1
1.3四足步行机器人组成1
第二章 行走结构设计3
第三章 电机与计算4
3.1机器人尺寸参数4
3.2腿部结构分析4
3.3 电机选择4
3.4 分配传动比5
3.5 运动及动力参数计算5
第四章 齿轮传动设计7
4.1高速级齿轮传动设计7
4.2低速级齿轮传动设计10< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
br /> 第五章 传动轴及轴上零件13
5.1高速轴设计与校核13
5.2低速轴设计与校核17
5.3选用轴承的校核19
5.4键的校核20
结束语21
致谢22
参考文献23
第一章 绪论
1.1四足步行机器人发展历程
文献记载，早在19世纪末人们就开始了对足式机构的研发，研究的内容仅为纯机械结构的设计。1968年，一款名为“Talking Truck”的四足机器人应用于美国军方，但约束于当时有限的科技水平，机器人的控制方式依旧是人为操纵。仅隔一年，另一个来自于美国通用电气公司的步行机器人“Big Mushie”诞生，并运用于工业，实现商业化。其后不久，MeGhee与Frank研制出由电子计算机技术控制的四足步行机器人“Phony Pony”,说明了越来越多的机构参与到步行机器人的研究项目。
随着对步行机器人不断深入的研究和计算机技术的成熟，机器人领域已经整合了控制论、计算机、电气、机械与仿生学等多个学科，到20世纪末，涌现许多四足步行机器人。其中较为典型的是日本Shigeo Hirose实验室研制的TITAN系列，它能通过足下传感系统的信号来控制调整自身的姿态，由此来适应不平整的地面。
21世纪初，日本电气通信大学研制出机器狗TekkenⅣ,机器人的系统变得更加复杂。TekkenⅣ不但包含了诸多传感器、检测装置与控制器，还运用了激光技术和CCD摄像机，这使它能够独立自主的步行在不规则路面同时还可以避开前方障碍。
之后，极具代表性的四足机器人是波士顿公司研制的“Big Dog”。它体现出了极高仿生水平，能够克服恶劣的环境。它具有良好的机动性、反应快、优秀的平衡能力、负载能力强等特点。
国内的四足步行机器人研究始于20世纪80、90年，初见成效的仅为一些出名的大学与研究机构。其后，随着机器人知识的不断积累与政府的鼓励，以及各种竞赛的出现，呈现出了一股良好的研究态势。直至今日，具有不同功用的各式四足步行机器人涌现出来。
1.2足式机器人发展的意义
在移动机构上，机器人有多种移动方式，诸如轮式、履带式、振动冲击式等。较为经典的是轮式与足式，轮式具有速度快和平稳且易于控制的特点，但是要求地形平坦。与之相比，足式运动借助离散的立足点即可行走，能克服通过复杂的地面。而且足式机器人的腿部结构具有多个自由度，这大大增强了机器人的灵活性，也可通过伸展腿部来使重心稳定从而身体平衡。因此足式机器人可以代替人类完成许多事情，尤其是在人类无法到达和存在生命危险的特殊场合，这使得它的发展意义重大。
1.3四足步行机器人组成
一般四足步行机器人由以下几个部分组成
机械本体：四足步行机器人的机械本体是移动型机构，以足腿式结构为主，而足腿式结构通常是通过多连杆组合形成的。
驱动机构：驱动机构是将运动传递到四足步行机器人的腿部，包含驱动源与传动装置。
控制系统：主要是根据接收到的指令以及传感器反馈的信号控制四足步行机器人的行动。
感知系统：感知系统的任务是采集外部环境和自身状态信息，并反馈给控制系统。主要部件为各类传感器。
第二章 行走结构设计
本文采用了曲柄滑块连杆机构来组成四足步行机器人的足式结构，左右两个曲柄的相位相差180°，因此四足机器人对角的两条腿做同样的动作。当对角的一组腿从地面抬起向前运动时，另一组腿开始向后运动，等第一组腿刚落到地面，第二组腿准备从地面抬起向前运动，此时机器人走完了一步，就这样动作依次重复，四足机器人在动态的平衡下行走。具体动作如下图21：
/
图21 四组步行机器人对角动态
根据上述说明，初步画出四足步行机器人行走结构简图，如图22：
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图22 行走结构简图
第三章 电机与计算
3.1机器人尺寸参数
根据设计要求已知，机器人的长宽高以此为240mm、148mm、170mm，机身材料以铝为主，重量约为1Kg。机器人的前肢长度为103mm，后肢长度为140mm，连杆长度为153mm，曲柄的直径为30mm。
3.2腿部结构分析
图31为腿部曲柄滑块机构平面运动简图：
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图31 曲柄滑块机构平面运动简图
假使四足步行机器人四足受力均匀且质心稳定，设定其腿每秒行走2步，计算它的受力情况。
μ=0.4
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目 录
第一章 绪论1
1.1四足步行机器人发展历程1
1.2 足式机器人发展的意义1
1.3四足步行机器人组成1
第二章 行走结构设计3
第三章 电机与计算4
3.1机器人尺寸参数4
3.2腿部结构分析4
3.3 电机选择4
3.4 分配传动比5
3.5 运动及动力参数计算5
第四章 齿轮传动设计7
4.1高速级齿轮传动设计7
4.2低速级齿轮传动设计10< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
br /> 第五章 传动轴及轴上零件13
5.1高速轴设计与校核13
5.2低速轴设计与校核17
5.3选用轴承的校核19
5.4键的校核20
结束语21
致谢22
参考文献23
第一章 绪论
1.1四足步行机器人发展历程
文献记载，早在19世纪末人们就开始了对足式机构的研发，研究的内容仅为纯机械结构的设计。1968年，一款名为“Talking Truck”的四足机器人应用于美国军方，但约束于当时有限的科技水平，机器人的控制方式依旧是人为操纵。仅隔一年，另一个来自于美国通用电气公司的步行机器人“Big Mushie”诞生，并运用于工业，实现商业化。其后不久，MeGhee与Frank研制出由电子计算机技术控制的四足步行机器人“Phony Pony”,说明了越来越多的机构参与到步行机器人的研究项目。
随着对步行机器人不断深入的研究和计算机技术的成熟，机器人领域已经整合了控制论、计算机、电气、机械与仿生学等多个学科，到20世纪末，涌现许多四足步行机器人。其中较为典型的是日本Shigeo Hirose实验室研制的TITAN系列，它能通过足下传感系统的信号来控制调整自身的姿态，由此来适应不平整的地面。
21世纪初，日本电气通信大学研制出机器狗TekkenⅣ,机器人的系统变得更加复杂。TekkenⅣ不但包含了诸多传感器、检测装置与控制器，还运用了激光技术和CCD摄像机，这使它能够独立自主的步行在不规则路面同时还可以避开前方障碍。
之后，极具代表性的四足机器人是波士顿公司研制的“Big Dog”。它体现出了极高仿生水平，能够克服恶劣的环境。它具有良好的机动性、反应快、优秀的平衡能力、负载能力强等特点。
国内的四足步行机器人研究始于20世纪80、90年，初见成效的仅为一些出名的大学与研究机构。其后，随着机器人知识的不断积累与政府的鼓励，以及各种竞赛的出现，呈现出了一股良好的研究态势。直至今日，具有不同功用的各式四足步行机器人涌现出来。
1.2足式机器人发展的意义
在移动机构上，机器人有多种移动方式，诸如轮式、履带式、振动冲击式等。较为经典的是轮式与足式，轮式具有速度快和平稳且易于控制的特点，但是要求地形平坦。与之相比，足式运动借助离散的立足点即可行走，能克服通过复杂的地面。而且足式机器人的腿部结构具有多个自由度，这大大增强了机器人的灵活性，也可通过伸展腿部来使重心稳定从而身体平衡。因此足式机器人可以代替人类完成许多事情，尤其是在人类无法到达和存在生命危险的特殊场合，这使得它的发展意义重大。
1.3四足步行机器人组成
一般四足步行机器人由以下几个部分组成
机械本体：四足步行机器人的机械本体是移动型机构，以足腿式结构为主，而足腿式结构通常是通过多连杆组合形成的。
驱动机构：驱动机构是将运动传递到四足步行机器人的腿部，包含驱动源与传动装置。
控制系统：主要是根据接收到的指令以及传感器反馈的信号控制四足步行机器人的行动。
感知系统：感知系统的任务是采集外部环境和自身状态信息，并反馈给控制系统。主要部件为各类传感器。
第二章 行走结构设计
本文采用了曲柄滑块连杆机构来组成四足步行机器人的足式结构，左右两个曲柄的相位相差180°，因此四足机器人对角的两条腿做同样的动作。当对角的一组腿从地面抬起向前运动时，另一组腿开始向后运动，等第一组腿刚落到地面，第二组腿准备从地面抬起向前运动，此时机器人走完了一步，就这样动作依次重复，四足机器人在动态的平衡下行走。具体动作如下图21：
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图21 四组步行机器人对角动态
根据上述说明，初步画出四足步行机器人行走结构简图，如图22：
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图22 行走结构简图
第三章 电机与计算
3.1机器人尺寸参数
根据设计要求已知，机器人的长宽高以此为240mm、148mm、170mm，机身材料以铝为主，重量约为1Kg。机器人的前肢长度为103mm，后肢长度为140mm，连杆长度为153mm，曲柄的直径为30mm。
3.2腿部结构分析
图31为腿部曲柄滑块机构平面运动简图：
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图31 曲柄滑块机构平面运动简图
假使四足步行机器人四足受力均匀且质心稳定，设定其腿每秒行走2步，计算它的受力情况。
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