可变形仿生翻滚四足机器人结构设计【含CAD图纸、说明书】
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含CAD图纸、说明书
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仿生四足机器人
机器人结构设计
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第四章 机器人设计4.1 电机选择4.1.1 电机扭矩机器人在滚动过程中的动力学模型可以表示成如下形式，如图4.1所示。在该图中将足和小腿合并，对动力学模型进行了简化。机器人能够以滚动体的形式持续翻滚，就在于各关节驱动电机相对运动使机器人的质心相对于支撑点曲率圆中心有一个向前的偏置，此中心的偏置就叫做重心偏置矢量。重心偏置矢量决定了机器人滚动运行时的速度及加速度。本课题中机器人速度要求较低，即机器人以较低的速度滚动。由模型可知，当小腿作为支撑时，小腿关节处电机所需要的扭矩最大。图4.1 翻滚动力学模型本课题中机器人速度要求较低，即机器人以较低的速度滚动。由模型可知，当小腿作为支撑时，小腿关节处电机所需要的扭矩最大。机器人总共质量设为2.5Kg,可初步选取驱动电机的最大扭矩为24.7Kg.cm.4.1.2 确定电机型号选择的舵机型号为hitec HS-5805MG，其中MG表示金属齿轮（BB：滚珠轴承；TG：钛合金齿轮；TH：钛合金高电压齿轮；HB：带滚珠轴承，含碳尼龙齿轮），其基本参数如表2.1所示。表3.1 hitec HS-5805MG基本参数电机型号重量(g)拉力(kg.cm)转速(sec/600)尺寸(长*宽*高)操作温度轴承类型4.8V6.0V4.8V6.0V3极铁氧体15219.824.70.190.1466*30*58mm-200C-+600C双球轴承/item.htm?id=82509744214.1.3选择联轴器根据前面最小端直径的确定可以选择合适的联轴器。联轴器是一种常用的轴系部件，其功能是联接两轴，传递运动和转矩，机器运转时所联接的两轴不能分离，只有当机器停车并将联轴器拆开后，两轴才能分离。在选择标准联轴器时应根据使用要求和工作条件，如承载能力、转速、两轴相对位移、缓冲吸振以及装拆、维修更换易损元件等综合分析来确定。具体选择时可考虑以下因素：i原动机和工作机的机械特性原动机的类型不同，其输出功率和转速，有的是平稳恒定的，有的是波动不均匀的，而各种工作机的载荷性质差异更大，有的甚至是强烈冲击或振动，这将直接影响联轴器类型的选择，是选型的主要依据之一。对于载荷为平稳的，可选用刚性联轴器，否则宜选用挠性联轴器。ii联轴器连接的轴系及其运转情况对于连接轴系的质量大、转动惯量大，而又经常启动、变速或反转的，应考虑选用能承受较大瞬时过载，并能缓冲吸振的联轴器。iii工作机的转速高低对于需高速运转的两轴连接，应考虑选择联轴器的结构具有高平衡精度特性，以削除离心力产生的振动和噪声，避免相关元件因磨损和发热而降低传动质量和使用寿命。iv联轴器的对中和对保持程度保持良好的对中是正常运转的前提，可防止产生过大附加载荷及其他不良工况。选择的联轴器不但要补偿安装时难免存在的一定相对偏差，还应预计到能补偿两轴在运转中出现的相对位移。v联轴器的结构及工作特性联轴器的外形尺寸，安装、拆卸所需的空间大小和难易程度以及对维护的要求等都应与连接装置的具体配置和要求相适应。vi联轴器的可靠性、使用寿命和工作环境对于要求运转可靠，不允许运转工作临时中断的传动，最好选用不需润滑、无非金属弹性元件的联轴器。高温和含有腐蚀性介质的场所应避免使用橡胶弹性元件的联轴器。有灰尘、潮湿的环境应使用有罩壳的联轴器。vii联轴器的制造、安装和维护的成本。根据轴最小端装的为连轴器，所以联轴器的计算转矩为，查表并考虑到转矩变化很小，故取=1.3，则：=1.3180=234Nmm按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查标准GB/T5014-1985，选用HL1型弹性柱销联轴器，其公称转矩为300Nmm。半联轴器的d=19mm；半联轴器长度L=32mm,半联轴器与轴配合的毂孔长度=30mm。该联轴器标记为：4.2 机械结构设计4.2.1 材料选择可变形仿生翻滚四足机器人要求质量小，结构紧凑。使用舵机直接驱动，故而要求质量轻。将机器人的结构用板材来替代，可以大大降低机器人的质量。要求机器人的结构刚性好，便于加工，切能够尽量减少机器人制作的成本。在本课题中选择厚度为5mm的铝合金板材制作四足机器人。铝合金较之其它金属材料相比，具有以下一些优点：1、密度小。铝及铝合金的密度接近2.7g/,约为铁或铜的1/3。2、强度高。铝及铝合金的强度高。经过一定程度的冷加工可强化基体强度,部分牌号的铝合金还可以通过热处理进行强化处理。3、导电导热性好。铝的导电导热性能仅次于银、铜和金。4、耐蚀性好。铝的表面易自然生产一层致密牢固的AL2O3保护膜，能很好的保护基体不受腐蚀。通过人工阳极氧化和着色，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金。5、易加工。添加一定的合金元素后，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金。 4.2.2 机体设计可变形四足机器人要求机器人的外部轮廓曲线为圆弧形，故而作为机器人重要组成部分的本体也必须设计成圆弧外部轮廓。驱动电机安装圆弧直径为300mm,电机在水平方向的安装距离为280mm，机体最外沿的轮廓直径为360mm。机体的具体尺寸图详见图纸。由舵机外部安装特点，将舵机用螺栓固定在机体上。机体由图4.2所示的两块铝合金板所组成，中间用支撑架联接，支撑架的长度即机体的宽度为180mm。支撑架和电机联接螺栓的尺寸都取为直径6mm。图4.2 机体示意图电机联接螺栓的作用是固定电机，使电机与固定件间无相对运动。在连接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩作用下，螺栓除了受到预紧力的作用还受螺纹摩擦力矩，使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力下。因此在进行强度设计时，应综合考虑拉伸应力和扭转应力的作用。螺栓危险截面的拉伸应力为：式中，d1为螺栓危险截面的直径。预紧螺栓时由螺纹力矩T产生的扭转剪切应力为：近似为由于螺栓材料为塑性材料，根据第四强度理论，求出螺栓在预紧状态下的计算应力为故而螺栓危险截面直径尺寸的计算公式为取铝合金的许用拉伸应力为420MPa. 螺栓组（4个螺栓组成）承受的力为舵机的重量，约为200g. 故而由上述计算可以看出电机联接螺栓的强度合格。同理，显然机体联接螺栓也合格。在以下部件的螺栓联接校核部分省略，因为取的是同样的直径，故而同样合格。4.2.3 大腿机构设计机器人大腿也同样采用外轮廓为圆弧形。其最大外轮廓直径为360mm，电机安装圆弧直径为300mm。图4.3 大腿机构示意图4.2.4 小腿机构设计小腿机构的设计与大腿略有不同，因为在机器人运动规划中有一个环节需要小腿内侧触地，支撑整个机器人完成翻滚动作。小腿机构示意图如图4.4.图4.4 大腿机构示意图4.2.5 足部设计如前所
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