六足机器人设计毕业设计.doc

1、( 此文档为 word 格式，下载后您可任意编辑修改！)机电系统设计与制造说明书设计题目六足机器人设计班级姓名学号指导老师1目录.1.141.241.341.45.2.162.27.3.183.293.3113.419.4.1174.2184.219.5.1205.22325.3245.425.6.1276.2276.3276.429.7.1317.232.33341.1现状分析 , ,1.2六足机器人的意义3六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

2、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

3、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：41. 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

4、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：5xbRl1Al2ar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

5、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。63.1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。xbRl1l 2ahry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

6、 xl 3 cos45 0 cos30 06 l 3 。而，因此大体上。4大体上，可由此预先确定杆长。7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l 1 2l 5 l 3 180 2 41 262mm。3.2杆长验证由图 3-1 所示：可得：l 22l 12y2rR 2cosa 3y 2R 22l 2r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

7、.*y+(r-R)2);a2=atan(y.(R-r);a=(pi-a2-a3)*180piplot(y,a)8title( 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。9图 3-3 结构示意图设, 则点在坐标

8、系中位置矢量为r cosbior sin0i34i,i , i, i (1,2,3)6点在坐标系中，位置矢量为r cosaior sin0i4i 3 , i (1,2,3) ,i , i6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。(Rl sin i因为， Bi Pi(Rl 2 sinil2 cos izr )cos r )siniixy(R lsinr)cos2(R lsinr)sin2cosz)2 l 22iix2iiy (l2i1i10图 3-4 支链矢量图其中，l1i 2l 3 24l 5 24 l3 l5 cosi因为点，点投影在Y 轴上，所以，通过坐标变换得

9、（其中， ，分别为点横纵坐标）xB1 cos 240yB 1 sin 240l3 sin1 ， xB 2 cos120 yB 2 sin120l3 sin 2 。cos4l 32( x3y) 212l3即，则 cos4l32(x3 y)222l3l32x2cos 3l311l112l 324l 522l 54l32( x3 y)2l122l 324l 522l54l 32( x3 y) 2l132l 324l 524l 5 l 32x2根据式得位置反解：1arcsin(l112( Rr ) 2( Rr )(3xy)l22x2y 2z2) arctan2l 2 z2222l2 (Rr )3l2

10、x yl22l 2Rr3l2 xyl24zl22arcsin(l122(Rr )2(Rr )(3xy)l22x2y2z2)arctan2l2 z2l2Rr3l2 xyl224z222l2 ( R r )3l2 x yl2l23arcsin(l132(Rr )22(Rr ) yl22x2y2z2)arctan2l2 z4l 2 (Rry)24z2l222l2 (R r y)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：12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

11、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：13yl 2 sin(wt )l12rRl 2 cos(wt ) 2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xbRl1l 2vary图3-8 速度分析图141x = l 2cos(wt)w +l1 2 - (r - R + l 2 cos(wt) 2 (r - R + l 2 cos(wt)(l 2 sin(wt)w)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15如

12、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：m = g l 2 (tan(wt) (r - R + l 2 cos(wt) + l12 - r - R + l 2 cos(wt) 2 l1图 4-2 电机转角与扭矩关系图4.2杆件受力分析l12 - (r - R + l 2 cos(wt) 2 )sinb =l116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： 86BYG9416电机铭牌17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

13、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：18(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：d9.55106 1000 4 P4 P(5)4A4nn8.11057.332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19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

14、。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 电机轴尺寸图轴所承受载荷为：5.2主动杆（ L2）的尺寸与校核图 6-3 主动杆尺寸确定20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=2.995 L1=50mm b=10mm(l32+4*l52+2*l5*sqrt(4*l32-(-x+sqrt(3)*y).2)-(R-r)2+(R-r)*(sqrt(3)*x+y)-l22-x.2-y.2-z.2).sqrt(2*l2*(R-r)-sqrt(3)*x*l2-y*l2).2+4*z.2*l22)+atan(2*l2*

15、z).(2*l2*(R-r)-sqrt(3)*l2*x-y*l2);a5=asin(l32+4*l52+2*l5*sqrt(4*l32-(x+sqrt(3)*y).2)-(R-r)2+(R-r)*(-sqrt(3)*x+y)-l22-x.2-y.2-z.2).sqrt(2*l2*(R-r)+sqrt(3)*x*l2-l2*y).2+4*z.2*l22)+atan(2*l2*z).(2*l2*(R-r)+sqrt(3)*l2*x-y*l2);a6=asin(l32+4*l52+4*l5*sqrt(l32-x.2)-(R-r)2-2*(R-r)*y-l22-x.2-y.2-z.2).(sqrt(4

16、*l22*(R-r+y).2+4*z.2*l22)+atan(2*l2*z.(2*l2*(R-r+y);a1=(a4=(10*pi180)&a5=(10*pi180)&a6=(10*pi180).*a4;a2=(a4=(10*pi180)&a5=(10*pi180)&a6=(10*pi180).*a5;a3=(a4=(10*pi180)&a5=(10*pi180)&a6=(10*pi180).*a6;subplot(3,3,1);mesh(x,y,(a1*180pi);xlabel(x);ylabel(y);zlabel(a1);grid;subplot(3,3,2);plot(x,(a1*1

17、80pi);xlabel(x);ylabel(a1);grid;subplot(3,3,3);plot(y,(a1*180pi);21xlabel(y);ylabel(a1);grid;subplot(3,3,4);mesh(x,y,(a2*180pi);xlabel(x);ylabel(y);zlabel(a2)grid;subplot(3,3,5);plot(x,(a2*180pi);xlabel(x);ylabel(a2);grid;subplot(3,3,6);plot(y,(a2*180pi);xlabel(y);ylabel(a2);grid;subplot(3,3,7);mesh

18、(x,y,(a3*180pi);xlabel(x);ylabel(y);zlabel(a3)grid;subplot(3,3,8);plot(x,(a3*180pi);xlabel(x);ylabel(a3);grid;subplot(3,3,9);plot(y,(a3*180pi);xlabel(y);ylabel(a3);grid;附录二%用时间确定上升高度，速度，转矩以及L1杆（上杆）的受力（ F）图l1=270;l2=87;r=90;22R=36;g=33;w=1;t=12.2981*pi180:0.001:32.6098*pi180;y=l2*sin(w*t)+sqrt(l1.*l1

19、-(30+l2*cos(w*t).2);m=g*l2l1.*(tan(w*t).*(r-R+l2*cos(w*t)+sqrt(l1.*l1-(r-R+l2*cos(w*t).2); x=l2*cos(w*t)*w+1.(l12-(30+l2*cos(w*t).2).(12).*(30+l2*cos(w*t).*(l2*sin(w*t) *w); %x ?subplot(2,2,1);plot(t*180pi,y);title( 用电机转角计算上升高度y- -a);ylabel(y, 高度 - 抬腿高度 );xlabel(t,时间（ a, 电机转角） );subplot(2,2,2);plot(

20、t*180pi,m);title( 用电机转角计算电机扭矩m- -a);ylabel(m, 电机扭矩 );xlabel(t,时间（ a, 电机转角） );subplot(2,2,3);plot(t*180pi,x);title( 用电机转角计算速度x- -a);ylabel(x, 上升速度 );xlabel(t,时间（ a, 电机转角） );s=30(38.6*pi180-6.6*pi180)b=asin(sqrt(l1.*l1-(30+l2*cos(w*t).2)l1);c=pi2-w*t-b;f=m.(l2*cos(c);subplot(2,2,4);plot(t*180pi,f);tit

21、le( 用电机转角计算L1上的力f- -a);ylabel(f,L1上的力 );xlabel(at,时间（ a, 电机转角） );设定杆，。最大步距空间点阵程序%链 -综合，空间、xoz 、 xoz 限制%第一条链在空间坐标系中的范围l3=input( 电机杆长度 L3=); l1=input( 连杆长度 L1=); l=input( 平行四边形机构竖杆长度L= ); r1=input( 上盘半径r1=); r2=input( 下盘半径r2=);g=input( 电机杆 a1 最大值 = );(c1);z1=(2*l1+l*cos(c1)*sin(a1)+l3*sin(b1);subplot(

22、2,3,1);plot3(x1,y1,z1,b.)23;endendendxlabel(x),ylabel(y),zlabel(z);grid;%在 xoz 平面内，第一条链限制下02 的范围未加 X限制fora1=0:0.1:gforb1=0:0.1:(c1);z1=(2*l1+l*cos(c1)*sin(a1)+l3*sin(b1);subplot(2,3,2);plot3(x1,y1,z1,b.);endendxlabel(x),ylabel(y),zlabel(z);grid;%在 xoz 平面内，第一条链限制下 02 的范围，在 X=0 附近时 Z 的变化范围 e=0;e1=1000

23、0;fora1=0:0.01:gforb1=0:0.01:(c1);z1=(2*l1+l*cos(c1)*sin(a1)+l3*sin(b1);if(x1=-2)%X=0附近if(ez1)e1=z1;endsubplot(2,3,3);plot3(x1,y1,z1,b.);endendendaxis(-150 150 -5 5 0 400)%坐标系设置xlabel(x),ylabel(y),zlabel(z);griddisp(2?);(e-e1)2e=(e+e1)2;disp(3? ?Z);e24%在立体坐标系中，三条链分别可达的空间点阵xlabel(x);ylabel(y);zlabel(z)%第一条链可达的空间点阵fora1=0:0.5:gforb1=0:0.3:(c1);z1=(2*l1+l*cos(c1)*sin(a1)+l3*sin(b1);subplot(2,3,4);plot3(x1,y1,z1,b.);endendend%第二条链可达的空间点阵fora2=0:0.5:gforb2=