目 录
1 引言………………………………………………………………………………… 1
2 本课题的研究现状、目的及意义………………………………………………… 2
2.1 国内外研究现状与成果应用…………………………………………………… 2
2.2 课题目标………………………………………………………………………… 6
2.3 研究意义………………………………………………………………………… 6
2.4 本章小结………………………………………………………………………… 7
3 功能分析与原理设计 …………………………………………………………… 8
3.1 平行四边形双足步行机器人的功能分析……………………………………… 8
3.1.1 平行四边形双足步行机器人的总共能……………………………………… 8
3.1.2 平行四边形双足步行机器人的分功能……………………………………… 8
3.1.3 平行四边形双足步行机器人的辅助功能…………………………………… 8
3.1.4 平行四边形双足步行机器人的控制功能…………………………………… 8
3.1.5 平行四边形双足步行机器人的功能结构图………………………………… 8
3.2 平行四边形双足步行机器人伸缩变形部分的原理设计……………………… 9
3.2.1 方案I………………………………………………………………………… 9
3.2.2 方案II…………………………………………………………………………11
3.2.3 方案对比选取以及初步设计…………………………………………………11
3.2.4 设计优化………………………………………………………………………14
3.3 平行四边形滑行机器人双足步行的原理设计…………………………………16
3.4 本章小结…………………………………………………………………………17
4 零件设计与运动仿真………………………………………………………………18
4.1 总体结构设计……………………………………………………………………18
4.2 各部分零件结构设计……………………………………………………………18
4.2.1 机架的设计……………………………………………………………………18
4.2.2 稳定部分的设计………………………………………………………………19
4.3 其他部分的零件设计……………………………………………………………24
4.4 强度校核…………………………………………………………………………26
4.5 基于机械三维软件SolidWorks的运动仿真……………………………………27
4.6 本章小结…………………………………………………………………………28
结论 ……………………………………………………………………………………29
参考文献 ………………………………………………………………………………30
致谢……………………………………………………………………………………31
1 引言
机器人是自动执行工作的机器装置，近几年来受到人们越来越多的关注。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。但我国对机器人研究起步较晚，大多数尚处于某个单项研究阶段，主要的研究项目有：清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定，还有上海交通大学的地面移动消防机器人已投入使用。北京理工大学、南京理工大学等单位承担的总装项目“地面军用机器人技术”研究是以卡车、面包车作为平台的，是大型智能作战平台。中国科学院沈阳自动化研究所的AGC和防爆机器人，中国科学院自动化自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统，哈尔滨工业大学于1996年研制成功的导游机器人等。模仿人的形态和行为而设计制造的机器人就是仿人机器人，一般分别或同时具有仿人的四肢和头部。中国科技大学陈小平教授介绍，机器人一般根据不同应用需求被设计成不同形状，如运用于工业的机械臂、轮椅机器人、步行机器人等。而仿人机器人研究集机械，电子，计算机，材料，传感器，控制技术等多门科学于一体，代表着一个国家的高科技发展水平。从机器人技术和人工智能的研究现状来看，要完全实现高智能，高灵活性的仿人机器人还有很长的路要走，而且，人类对自身也没有彻底地了解，这些都限制了仿人机器人的发展。
2 本课题的研究现状、目的及意义
2.1 国内外研究现状与成果应用
机器人技术的研究和应用，严格来说它应该说是科学技术发展综合性的结果，同时，也是使社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了对机器人研究的经济投入，加强了本国的经济的发展。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，随着人类的发展以及社会发展的情况，人们在越来越深的不断探讨自然的过程中，在改造自然的过程中，认识自然的过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。
20世纪60年代到70年代，想到工业机器人印入脑海的便是自动机械手。机器人移动功能的大力研究和开发是20世纪80年代以后才开始，现在作为移动机器人而研制的移动机械类型已远远超过了机械手。
中国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、娱乐机器人、农业机器人、水下机器人、军用机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、微操作机器人、军用机器人、水下机器人等。国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的仿人型与服务机器人，这种分类在国内外来说都是一致的。
在机器人的研发中主要有以下几种移动特征的应用：
轮式：
轮式移动机构是最为普通的运动方式，轮式机器人移动机构普遍具有结构简单、速度快、节能、灵活的特点，同时具有自重轻、不损坏路面、作业循环时间短和效率高等优势。并且编程简单可靠性高，每个轮子都可以独立驱动。与履带式移动机器人相比，当跨越不平坦地形时，轮式机器人则存在明显的不足，其稳定性和对环境的适应性完全依赖于环境本身的状况，对于进入复杂的环境完成既定任务存在严重的困难。轮式移动机构按轮的数量可分为2轮、3轮、4轮、6轮、8轮。该结构有一定的局限性，只能在相对平坦、表面较硬的路面上行驶，如遇到软性地面容易打滑、沉陷，但可根据具体地面环境采用一些预防措施来缓解该类情况的出现
腿足式：
腿足式移动机构分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移动机构优点有：
(1)腿式机器人的地形适应能力强。
(2)腿式机器人的腿部具有多个自由度，运动更具有灵活性，通过调节腿的长度可以控制机器人重心位置，因此不易翻倒，稳定性更高；
(3)腿式机器人的身体与地面分离，这种机械结构优点在于机器人身体可以平稳地运动而不必考虑地面的租糙程度和腿的放位置
履带式：
履带式移动机构分为l条履带、2条履带(履带可车体左右布置或者车体前后布置)、3条履带、4条履带．6条履带，移动方式优点在于机动性能好、越野性能强，缺点是结构复杂、重量大、摩擦阻力大，机械效率低，在自身重量比较大的情况下会对路面产生一定的破坏。履带式移动机构比较轮式移动机构有以下几个特点：
(1)撑面积大、接地比压小、滚动阻尼小、通过性比较好；
(2)越野机动性能好，爬坡越沟等性能均优于轮式结构；
(3)履带支撑面上有履齿不打滑，牵引附着性能好；
(4)结构较复杂重量大，运动惯性大，减震功能差，零件易损坏。
几何机器人有别于传统的仿人型两足、四足、多足、蛇形，以及轮式、履带式等广义机器人。特征是具有多边形、多面体等几何形状以及折叠、缩放等变形能力；其步态特征是集成滚动、步行、爬行等多种移动模式。具有强大变形与越障能力，预期用于现有机器人难以通过的极端复杂障碍环境—包括民用抢险救援严重破坏路面、军事野外作战动态变化地形，以及星球深度探测未知复杂表面，进行探测、运输或武装作战。国内对几何机器人的研究有以下常见的几种：
滚动三角形机器人
将三角形的顶点进行铰接(两条边在铰接点处可以转动)，各边采用电动推杆作为动力。通过调整电动推杆的长度，使机器人的重心发生变化，当重心超出底边的支撑区域时，机器人发生倾倒。重复这个过程，滚动三角形机器人即可以实现直线移动。如果在三角形机器人下方安装两只"脚"，那么它就可以实现步行了。
平行四边形步行机器人
外形为平行四边形，主要由两足和两个曲柄组成闭合的四杆机构。该机构通过控制电机带动曲柄转动使机器人两足交替前进而实现机器人的步行运动。提供了一个对几何形体及步行机构的认识。
六边形机器人
与几何学中的六边形类似，在每个顶点处设置转动铰链，使它获得变形能力。从中不难发现，随着边数的增加，机器人的变形能力也在逐渐增强。六边形机器人可变形为：三角形、四边形、五边形，甚至可以模仿履带的方式进行滚动运动。继续增加边数，我们可以获得更为复杂多变的多边形机器人，如模拟六角或八角雪花形状的雪花型多边形机器人等。以立体几何中的空间多面体为基础，可以构造多面体机器人，包括四面体机器人、五面体机器人、六面体机器人，以及削楞截角多面体机器人等。此外，将折叠缩放技术与几何机器人结合，还可构造出各种外形可以变大或变小的机器人。下面的六变形机器人由六个长度相等的连杆首尾通过转动副连接而成，通过控制交错的3个转动副，可以实现几何变形，如：三角形、四边形、五边形、六边形；也可以实现滚动移动的步态。控制部分舵机进行驱动。
雪花机器人
源于“雪花机构”，即呈现雪花形状的连杆机构，其基本构型呈六角形，也可通过改变边角数量的方式创造出八角、十角、十二角等系列化的多角雪花机构。以电动机提供动力，“连杆机构”即成为一部“连杆机器”，“几何机构”也即成为一部“几何机器”。在几何机器的各连杆之中，需要选出一个杆作为固定的机架，称为“机架杆”，其他各杆均参照机架杆做相对运动。如将“雪花机器”解除机架杆的束缚，整体置于地面，并以计算机进行移动控制，“雪花机器”即成为可移动的“雪花机器人”。雪花机器人还具有另一大亮点——机械智能性：其一，传统智能机器人如遇障碍，先由传感器感应到障碍的方位，将信息传递给控制器，再由控制器下达相关的避障命令。而雪花机器人可以通过自身结构及力学特性感知障碍物的存在，实现主动避障；其二，雪花机器人具备被动行走能力，即在未加装电机的情况下，可以沿缓坡自动行走，其步态优雅灵慧，极具美感。以四个雪花机构替代传统轮式机器人的车轮，即可获得变形轮机器人。变形轮机器人在常规路面上以圆形轮快速移动，在障碍路面上则变大轮径进行攀爬。倏忽变化，越障如平地。
步行机器人是通过它的身体的重力感应器和脚底的触觉传感器把地面的状况送回电脑，电脑则根据路面情况作出判断，进而平衡身体，稳定地前后左右行走。它不仅能走平路，还可以走台阶和倾斜的路。它站立稳定，推不倒，脚底不平也能保持身体的直立姿态。1997年中国国务院总理李鹏前往日本本田公司总部参观时，机器人P3接待了李鹏总理。当李鹏总理一行抵达表演大厅时，一个身着宇宙服像宇航员一样的机器人从投影电视的屏幕后面走了出来，其走路的样子酷似顽童学步，步子虽然不快，但坚实有力。它走到大厅当中面对李鹏总理站好，伸出右手作欢迎状。并用汉语自我介绍：“我是机器人P3，热烈欢迎李鹏总理和夫人光临，请允许我与您握手”。机器人握住李鹏总理的手，连续摇动三次，然后摆好姿势供久候在那里的记者拍照。步行机器人如下图（1）所示：
2.2 课题目标
本毕业设计的目标是设计一种平行四边形四杆机构。该机构利用电机实现机构的仿人双足步行移动。采用平行四边形四杆机构作为设计基础，通过机构设计与仿真设计实现步行功能。
研究内容包括：
（1）功能分析与方案设计；
（2）结构设计与三维造型；
（3）运动仿真；
驱动方式：电动或气动；
运动速度：按常用参数选取；
设计要求：功能分析，工作原理、结构设计、调节方式、运动仿真等。
2.3 研究意义
各种类型的移动机器人都被纷纷推出，然而滑行机器人由于结构和运动方式的独特以及实现的较高难度一直处在曝光率极地的地位，本次设计即着手于滑行运动方式来设计该种机器人。
随着我国经济的快速发展，我国工业机器人的市场将不断扩大，这一点是毋庸置疑的。这也从另一个侧面说面了为什么世界各大机器人公司纷纷登陆中国市场。
市场有了，但多是国外的，拥有了自主知识产权的机器人还很少，这一点要引起我们的高度重视。一方面国家要对国产工业机器人给予更多的扶持；另一方面也望企业使用国产机器人给国产工业机器人行业一个机会。
在我国，工业机器人市场的大部分份额都被国外工业机器人企业占据着。在国际强手面前，我国的工业机器人企业都面临着巨大的竞争压力。由于国产工业机器人的功能已经与国外相差不大，只要有批量，一定能够造就一个或几个中国品牌的工业机器人。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的问题，这既是机遇又是巨大的挑战，对我国工业自动化技术水平以及自动化机器应用率的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给工业机器人产业发展注入新的动力。
2.4 本章小结
本章主要介绍了有关机器人方向相关研究与应用现状，总结了几类移动机器人的运动方式，特别是几何机器人的各类相关的研究状况，梳理了课题的要求与目的，针对机器人不同的应用做出了分类，并结合当前国情对该课题的研究意义做出了分析。
川公网安备: 51019002004831号