毕业设计（论文）-平行四边形双足步行机器人的设计与研究（全套图纸三维）.doc

毕业设计(论文) 平行四边形双足步行机器人的设计与研究学 号：姓 名：专 业：机械设计制造及其自动化系 别： 机械工程系指导教师：XXX讲师XXX副教授二一五年五月摘 要机械工业是一个国家的重要产业，机械工业的发展无时不刻都在影响着国家经济的发展，人类的进步离不开机械工业的发展。在全球经济发展的大环境下，中国各个行业被其他国家的先进技术影响的同时，越来越多的外国企业和品牌传播到中国已经成为现实。在新的市场需求的推动下，对平行四边形双足步行机器人进行改良和优化是当务之急，平行四边形双足步行机器人的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。 全套图纸，加153893706 国内平行四边形双足步行机构的研发及制造要与全球号召的高效经济、灵活、多样等主题保持一致。近期对机器人行业中平行四边形步行机构的使用情况进行了调查，发现在机械行业中，平行四边形连杆机构的使用非常普遍。自然而然在机械设备中它们的设计也非常频繁。传统的平行四边形连杆机构结构单一，实现的功能有限，所以设计一个专用的平行四边形双足步行机器人势在必行。 本文运用大学所学的知识，提出了平行四边形双足步行机器人的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，构建了平行四边形双足步行机器人总的指导思想，从而得出了该平行四边形双足步行机器人的优点是高效，经济，并且变化灵活，多样，运行平稳的结论。关键词：机械工业；结构；平行四边形双足步行机器人；结论iABSTRACTThe environment of global economic development, China industries affected by other countries advanced technology at the same time, foreign enterprises and brand spread to more and more Chinese has become an opportunity. Cap pressing machine in industry through a variety of ways have been working with the relevant technology, and constantly improve their own strength and core competitiveness, and narrow the gap with developed countries. In the new market demand, update the sleeve pressing machine is a pressing matter of the moment. The production of pipe pressing machine equipment manufacturing enterprises to fully tap the potential of the market, vigorously develop the sleeves of large low cost pressing special machinery and equipment, plays a positive role in the evolution of automatic assembly, the assembly of mechanical equipment. With the development of science and technology, interdisciplinary mutual infiltration, mutual exchanges between the various industry, extensive use of new structure, new materials, new technology, the sleeve pressing machine is large, efficient, Recently, the use of machinery industry, bearing and shaft sleeve shaft were investigated, found that the shaft, bearings and bushings in the machinery industry is one of the key parts. Come very naturally in the assembly of the installation is also very simple. In the installation if the use of artificial pressure with not only the labor intensity is too large and the size of each other is not easy to ensure the shaft, bearing and shaft sleeve, so the design of a special press be imperative. Graduation project this time is a tube axial compressive loading machine. This paper introduces the theoretical calculation to design sleeve pressing machine structure, working principle and main parts of the strength check and the advantages of the sleeve, pressing machine is efficient, economical, and high safety, stable operation. The overall plan is: the relative position of two axle sleeve on the plane, the motor reducer to provide power through belt drives the screw rod to rotate, and drives the head movement, a nut, a rotary motion of the linear motion of press. Block type safety clutch overload protection with teeth, pressure distribution in the corresponding position of the pipe after drilling through the drilling template.Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedom目 录摘 要iABSTRACTii目 录iii1绪论1 1.1 课题的来源与研究的目的和意义1 1.2平行四边形双足步行机器人的发展现状2 1.3 双足步行机器人的研究趋势3 1.4 Solidworks设计基础4 1.4.1 草图绘制5 1.4.2 基准特征，参考几何体的创建6 1.4.3 拉伸、旋转、扫描和放样特征建7 1.4.4 工程图的设计10 1.4.5 装配设计112 平行四边形双足步行机器人总体结构的设计12 2.1 平行四边形双足步行机器人的总体方案图12 2.2 平行四边形双足步行机器人的步态规划133 机械传动部分的设计计算13 3.1电机的选型计算13 3.2转动轴的设计计算13 3.3轴承的选型计算144 各主要零部件强度的校核14 4.1转动轴强度的校核与计算15 4.2轴承强度的校核计算15结 论16致 谢17参考文献18附录 一32附录 二35iv1绪论1.1 课题的来源与研究的目的和意义 由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有，一些专业知识是必不可少的。但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任务。现代机械工程机械和机械设备创造出更多、更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。人类现在能成为天空的上游和宇宙，潜入海洋，数十亿光年的密切观察，细胞和分子。电子计算机硬件和软件，人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。人类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的工作，从而促进手功能。又一方面实践促进人脑智力。在人类的进化过程中，以及在每个人的成长过程中，大脑和手是互相促进和平行进化。 大脑和手之间的人工智能和机械工程的近似关系，唯一不同的是，智能硬件还需要使用机械制造。在过去，各种机械离不开人类的操作和控制，反应速度和运算精度的进化是非常缓慢的大脑和神经系统，人工智能将消除这种限制。相互促进，计算机科学和机械工程进展之间的平行，将在更高层次的新一轮发展的开始使机械工程。在第十九世纪，机械工程的知识总量仍然是有限的，大学在欧洲，它与一般的土木工程是一门综合性的学科，称为土木工程，下半场的第十九个世纪成为一门独立的学科。在第二十世纪，随着机械工程和知识增长的发展开始分解，机械工程专业，有分支机构。在第二十世纪中期趋势分解，在时间之前和之后的第二次世界大战结束时达到的峰值。由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所有，一些专业是必不可少的。但是过度的专业知识使分割，视野狭隘，可以查看和统筹大局和全球工程和技术交流，缩小范围，新技术的进步和整个块的技术，外部条件变化的适应能力差。封闭的专业知识的专家太狭，考虑的问题太特殊，在工作协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。综合职业分化和发展知识循环过程的合成，是合理和必要的。从不同的专业和专业知识的专家，也有综合的知识了解不够，看看其他学科和项目作为一个整体，从而形成一种相互强烈的集体工作。综合和专业水平。有机械工程全面而专业的冲突；在综合性工程技术也有综合和专业问题。在人类所有的知识，包括社会科学，自然科学和工程技术，有一个更高的水平，更广泛的综合性和专业性的问题。1.2平行四边形双足步行机器人的发展现状 20 世纪 60 年代，四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人 控制技术的研究和应用， 到了 20 世纪 80 年代， 现代四足步行机器人的研制工作进入了 广泛开展阶段。 世界上第一台真正意义的四组步行机器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。 该机器人具有较好的步态运动稳定性， 但缺点是， 该机器人的关节是由逻辑电路组成的 状态机控制的，因此机器人的运动受限制，只能呈现固定的运动形式。 20 世纪 80， 90 年代最具代表性的四足步行机器人是日本 Shigeo Hirose 实验室研制 的 TITAN 系列。19811984 年 Hirose 教授研制成功脚步装有传感和信号处理系统的 TITAN-III。它的脚底步由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。姿态传 感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应步行。 TITAN-VI 机器人采用新型的直动性腿机构，避免了上楼梯过程中两腿的干涉，并采用 两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。 2000-2003 年，日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器 人 Tekken-IV,它的每个关节安装了一个光电码盘，陀螺仪，倾角计和触觉传感器。系统 控制是由基于 CPG 的控制器通过反射机制来完成的。Tekken-IV 能够实线不规则地面 的自适应动态步行， 显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。 它 的另一特点是利用了激光和 CCD 摄像机导航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够 在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。 目前最具代表性的四组步行机器人是美国 Boston dynamics 实验室研制的 BigDog,它能以不同的步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达 52KG 的重量，爬升斜坡可达 35。其腿关节类似动物腿关节，安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时，腿部连 有很多传感器，其运动通过伺服电机控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能 力极佳。但由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当 机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。 国内四足机器人研制工作从 20 世纪 80 年代起步，取得一定成果的有上海交通大 学、清华大学、哈尔滨工业大学等。 上海交通大学机器人研究所于 1991 年开展了 JTUWM 系列四足步行机器人的研究。 1996 年该研究所研制成功了JTUWM-III， 该机器人采用开式链腿机构， 每个腿有 3 个自 由度，具有结构简单，外形轻巧，体积小，质量轻等特点。它采用力和位置混合控制， 脚底装有 PVDF 测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，实线了对角动态行 走。但行走速度极慢，极限步速仅为 1.7KM/h,另外其负重能力有限，故在实际作业时 实用性较差。 清华大学所研制的一款四足步行机器人，它采用开环关节连杆机构作为步进机构， 通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件， 完成上下坡行走，越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，而且承载能 力较小。 综上所述，美国，日本的研究最具代表性，其技术水平已经较为先进，实用化程度 也在不断提高。国内四足步行机器的研究起步比较晚，在上个世纪 90 年代以后才逐渐 有了成果，但研究水平距世界先进水平还有差距。 四足步行机器人的研究趋势： （1） 实现腿机构的高能，高效性； （2） 轮，足运动相结合； （3）步行机器人微型化； （3） 增强四足步行机器人的负载能力； （5）机器人仿生的进一步深化；1.3双足步行机器人的研究趋势 本论文主要研究运用SolidWorks对平行四边形双足步行机器人进行设计。在设计过程中，了解平行四边形步行机构的结构特征和三维软件的使用要领。当今社会，双足步行机器人的研究趋势主要分为以下几个方面：（1） 实现腿机构的高能，高效性； （2）轮，足运动相结合； （3）步行机器人微型化； （4）增强双足步行机器人的负载能力； （5）机器人仿生的进一步深化；1.4 Solidworks设计基础1.4.1草图绘制 掌握点、直线、矩形、弧度圆等基本图形的绘制方法；掌握样条、文字等高级几何图形的绘制方法；理解集合约束的概念并在草图绘制中熟练应用几何约束；熟练应用阵列、实体转换等草图绘制工具；能综合应用各种草图绘制实体和利用草图绘制工具完成草图绘。1.4.2 基准特征-参考几何体的创建 清楚明白基于特征的建模方式、参数化思想等概念；灵活运用各种建立基准点的方法；灵活运用各种建立基准轴方法；灵活运用各种建立基准面的方法；灵活运用坐标系的建立方法；能根据建模需要综合应用各种参考几何体。1.4.3拉伸、旋转、扫描和放样特征建模 灵活运用拉伸特征的概念与建立方法；灵活运用旋转特征的概念与建立方法；掌握扫描特征的概念与建立方法；灵活运用放样特征的概念与建立方法；通过实践能够准确分析零件的特征，灵活运用拉伸和旋转也正建立三维模型。综合应用扫描、放样、弯曲、镜向、阵列等特征建立各种实体。1.4.4工程图设计 灵活运用用户自定义工程图格式文件的方法；灵活运用建立标准三视图，剖视图，断面图，局部图，辅助视图等方法；灵活运用各种注释的方法。1.4.5装配设计 灵活运用自底向上的装配方法；灵活运用生成装配体爆炸图的方法；灵活运用SolidWorks智能装配技术；灵活运用装配体零部件的状态和属性控制，并能够在装配体中设计子装配体；灵活运用干涉检查；灵活运用自上向下的装配方法；灵活运用在装配模型工程图中添加零件序号；灵活运用生成装配体材料明细表的方法。2 平行四边形双足步行机器人总体结构的设计2.1 平行四边形双足步行机器人的总体方案图本次设计的平行四边形双足步行机器人采取的方案是：采用碳钢板通过螺纹连接的方式来制作主体，通过主体里面的直流电机带动T型腿的摆动从而来实现机器人的步行功能，该机器人为双足，通过连杆机构分别将两条T型腿相连，通过控制系统的控制从而来实现机器人的步行功能，该机器人控制灵活，运行平稳。其具体方案布局图如下：2.2 平行四边形双足步行机器人的步态规划平行四边形双足步行机器人由两个“T”形足组成，通过电机带动足的旋转，从而实现两个足的轮流着地，其中该机器人的前进是靠底部的驱动电机通过驱动这个平行四边形连杆机构来实现的。根据两足的着地状态，一个周期可分为五个状态：1）、初始时：两足着地 。2）、右足迈步，从初始时刻开始，电机带动右足压向地面，左足充当机架。在反作用力的情况下，左边部分被抬起。当电机转过最高点时，左边部分抬至最高点，电机带动下，向前迈步。3）、右足落地，两足同时着地。4）、左足迈步，和过程2一样。5）、左足落地，回到状态。3 机械传动的设计计算3.1 电机的选型计算 已知整个平行四边形双足步行机器人的总重量150KG,其他重量50KG，我们取总重量为200Kg，移动速度为12r/min。即：具体的电机设计计算如下:1、确定运行时间本次设计加速时间 负载速度（m/min）有速度可知每秒上升50mm，电机转速 3.负载转矩式中：4.电机转矩启动转矩必须转矩S为安全系数，这里取1.0。 根据以上得出数据，我们选用电机型号为160BL-A，此电机厂家为机电产品。根据电机的特性曲线以及参数表如下： 根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用电机型号为160BL-4030H1-LK-B，电机额定功率为0.2KW，额定转矩为7.62N.m，最大转矩为9N.m，额定转速为 3000r/min。电机大致图如下：外形尺寸110x150，电机输出轴径为12mm。3.2转动轴的设计计算 轴是组成精密机械的重要零件之一。一切作为回转运动的零件，都必须在轴上才能传递运动和动力。在本课题所使用的轴，承受的负荷比较小，尺寸也比较小，制造精度高，要求材料具有足够高的机械强度和良好的加工性能。因此，选用材料45#，传动轴最大外圆直径15，热处理为对轴进行调质处理。此转轴大致图形如下：3.3轴承的选型计算根据根据条件，轴承预计寿命163658=48720小时；（1）已知n=458.2r/min两轴承径向反力：FR1=FR2=500.2N；初先两轴承为深沟球轴承6205型。根据课本P265（11-12）得轴承内部轴向力FS=0.63FR则FS1=FS2=0.63FR1=315.1N；(2)FS1+Fa=FS2Fa=0 故任意取一端为压紧端，现取1端为压紧端 FA1=FS1=315.1NFA2=FS2=315.1N；(3)计算当量载荷P1、P2根据课本P263表（11-9）取fP=1.5;根据课本P262（11-6）式得P1=fP(x1FR1+y1FA1)=1.5(1500.2+0)=750.3N；P2=fp(x2FR1+y2FA2)=1.5(1500.2+0)=750.3N；(4)轴承寿命计算P1=P2故取P=750.3N；深沟球轴承 =3；4 各主要零部件强度的校核4.1转动轴强度的校核与计算1、轴的特点: 轴是组成机械的主要零件之二。一切作回转运动的传动零件，都必须装在轴上刁能进行运动及.力的传递，同时它又通过轴承和机架联接，由此形成个以轴为基准的组合体一轴系部件。2、轴的种类1、根据承受载荷的不同分为: 1)转轴:定义既能承受弯矩又承受扭矩的轴2)心轴:定义:只承受弯矩而不承受扭矩的轴3)传送轴:定义:只承受扭矩而不承受弯矩的轴z、根据轴的外形，可以将直轴分为光轴和阶梯轴3、根据轴内部状况，又可以将直轴分为实心轴和空。4、轴的设计重点1、轴的设计W轴的工作能力设计。主要进行轴的强度设计、刚度设计，对于转速较高的轴还要进行振动稳定性的计算。轴的结构设计。 根据轴的功能，轴必须保证轴上零件的安装固定和保证轴系在机器中的支撑要求，同时应具有良好的工艺性。一般的设计步骤为: 选择材料，初估轴径，结构设计，强度校核，必要时要进行刚度校核和稳定性计算。2、轴的材料 轴是主要的支承件，常采用机械性能较好的材料。常用材料包括:碳素钢:该类材料对应力集中的敏感性较小，价格较低，是轴类零件最常用的材料常用牌号有:30、35、40、45、50。采用优质碳钢时，一般应进行热处理以改善其性能。.力较小或不重要的轴，也可以选用X235,Q255等普通碳钢。合金钢:对于要求重载、高温、结构尺寸小、重量轻等使用场合的轴，可以选用合金纲合金钢具有史好的机械性能和热处理性能，但对应力集中较敏感，价格也较高。设计中尤其要汁意从结构上减小应力集中，并提高其表面质量。铸铁:对于形状比较复杂的轴，可以选用球铸铁和高强度。铸铁。它们具有较好的加工性和吸振性，经济性好且.力集中不敏感，但铸造质量不易保证。3、轴的结构设计 根据轴在工作中的作用，轴的结构取决于:轴在机器中的安装位置和形式，轴上零件的类型和尺寸，载荷的性质、大小、方向和分布状况，轴的加工工艺等多个因素。合理的结构设计应满足:轴上零件布置合理，从而轴受力合理有利于提高强度和刚度;轴和轴上零件必须有准确的工作位置;轴上零件装拆调整方便;轴具有良好的加工工。艺性;节省材料等。1).轴的组成 轴的毛坯一般采用圆钢、锻造或焊接获得，由于铸造品质不易保证，较少选用铸造毛坯。轴主要由三部分组成。轴上被支承，安装轴承的部分称为轴颈; 支承轴上零件，安装轮毅的部分称为轴头;联结轴头和轴颈的部分称为轴身。轴颈上安装滚动轴承时，直径尺寸必须按滚动轴承的国标尺寸选择，尺寸公差和表面粗糙度须按规定选择;轴头的尺寸要参考轮毅的尺寸进行选择，轴身尺寸确定时应尽量使轴颈与轴头的过渡合理，避免截面尺寸变化过大，同时具有较好的工艺性。.结构一设计步骤设计中常采用以下的设计步骤: 1、分析所设计轴的工作状况，拟定轴上零件的装配方案和轴在机器中的安装情况。2、根据已知的轴上近似载荷，初估轴的直径或根据经验确定轴的某径向尺寸。3、根据轴上零件受力情况、安装、固定及装配时对轴的表面要求等确定轴的径向(直径)尺寸。4、根据轴上零件的位置、配合长度、支承结构和形式确定轴的轴向尺寸。5、考虑加工和装配的工艺性，使轴的结构更合理。3)零件在轴上的安保证轴上零件可靠工作，需要在工作过程中有准确的位置，即零件在轴上必须有