木马游戏机器人

1、第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书木马robot-娱乐机器人设计说明书设计者：余勇，王杰，黄海兵，蔡昌俊，刘思林指导教师：刘咸超 张信禹（宜宾职业技术学院，四川宜宾 644003）作品内容简介鉴于人们生活水平的不断提高，为丰富人们的业余生活，家长对孩子的玩具也越来越高，为克服传统娱乐行走机器的越障性差，不能实现原地转向等缺点，于是我们设计了一套越障碍性能高、能实现原地转向等的该娱乐机器。 改变了传统的轮式行走方式，应用仿生学原理，利用三角形的稳定性和平行四边形的不稳定性，以及利用曲柄摇杆机构，组成了机器人的行走机构，从而替代车轮。利用杆端关节轴承连接各关节，结构紧凑、可靠，本项目通

2、过较为精巧的机械结构去实现高仿真的动物步履模拟，可以说是属于仿生类机器马，至少是在仿生的基础上再加以发挥的机器人的特点。它的越障性能高，可以上下台阶，在非平整的路上和软草地上行走，增加了活动范围。马是人们很喜欢的动物特别是小孩非常想体验下坐在马背上的刺激感觉，但由于父母担心小孩太小，怕出现意外而果断的拒绝了孩子们的小小要求。现在我们的作品也克服了这一难点，在我们作品上不仅可以让你的孩子体会到坐在马背那一感觉，而且还很安全，因为该作品没有马的野性并且速度也很慢，绝对安全。目 录1 研制背景及意义11.1进行仿生机械创新的意义12 现状分析与改进22.1 被仿生动物的描述22.1.1 描述22.2

3、 拟采用的机构的描述22.2.1 整体描述22.2.2 局部描述33 系统详细设计计算43.1运动指标的确定43.1.1 指标43.2 机构参数的计算43.2.1 计算143.2 .2行星齿轮球面半径的确定63.2 .3行星齿轮球面半径的确定63.2.4行星齿轮与半轴齿轮的选择73.2.5差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定83.2.6压力角83.2.7 行星齿轮安装孔的直径及其深度L83.2.8 差速器齿轮的几何计算93.2.9 差速器齿轮的强度计算114 设计创新点124.1 设计创新点12参考文献13附录14附录1 整机二维平面底板图14附录2 三维图16附录3 STM32主控

4、芯片原理图221 背景概况鉴于人们生活水平的不断提高，为丰富人们的业余生活，为克服传统娱乐行走机器的越障性差，不能实现原地转向等缺点，我们设计了该娱乐机器人。该机构设计简洁灵巧，操作简便，成本低廉，适合7岁至15岁的儿童使用。还可制造成玩具零件自行组装，达到益智的目的。目前，市场上没有该类产品，市场广阔。同时本产品具备较强的发展前景，可给其加配单片机等控制元件，实现机电一体化。1.1进行仿生机械创新的意义 早在地球上出现人类之前，各种生物已在大自然中生活了亿万年，在它们为生存而斗争的长期进化中，获得了与大自然相适应的能力。生物学的研究可以说明，生物在进化过程中形成的极其精确和完善的机制，使它们

5、具备了适应内外环境变化的能力。生物界具有许多卓有成效的本领。如体内的生物合成、能量转换、信息的接受和传递、对外界的识别、导航、定向计算和综合等，显示出许多机器所不可比拟的优越之处。生物的小巧、灵敏、快速、高效、可靠和抗干扰性实在令人惊叹不已。仿生学的任务就是要研究生物系统的优异能力及产生的原理，并把它模式化，然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备。随着信息化时代的到来，信息普天盖地，地球越来越小，人与人之间越来越近，天上飞的是无人机群，地球上的国家都在研究机器人，年青人迷上的是“飞黄腾达，腾云驾雾”的网中人。现实是先进的更先进，落后的还更落后挨打，形势逼人追赶上去是硬道理。仿生步行机械就是仿

6、造牛马一样的生物用脚行走的机械，也是机器人。“车轮成为普通应用的运输机构的原因不一定是它的效率高，而可能是比较容易得到容许它在上面滚动的道理”，也就是说汽车之类的轮式机械并不是功效最高的运输工具，只是目前还没有找到效率更高的生产工具。“在自然界，除了原生动物以外，所有的生物运动都是一系列杆系运动“。生物的运行是能耗最低的。所有的生物都有脚，生物能到的地方汽车不一定能到，但汽车能到的地方生物都能到达。人类要了解自然界，适应大自然，就要到达地表上的所有地方，如全靠汽车 ，地表都成了路（无路汽车进不去），人就少了许多生产场所、发展空间，所以就需要有像仿生物一样运行的仿生机械，去地表上的任何地方,就不

7、会减少生存空间与发展空间。2 现状分析与改进2.1 被仿生动物的描述2.1.1 描述马的身型十分匀称，肌肉结实，步态优美。从远古时期人类就把马当做驮运货物的工具,不仅因为他们很温顺最重要的是他们能乡村小路、崎岖山路等阻碍比较多地方自由跑动.它们熟练地前进、停止、倒退、转弯、爬坡，像机器一样的精准，如图2-1所示。图2-12.2 拟采用的机构的描述2.2.1 整体描述有图1和图2从整体的运动方式来说，这是一个八足机器人，本项目是典型的六足步态，即：两组处于对称位置的脚，每组是四只脚，利用“四只脚更能够保持平衡稳定”的原理，同一时间都有其中一组四只脚支撑住身体，两组脚交。替离地迈步。以下是当前步履

8、机器人爬行步态的分解，以前进方向为例进行说明： 1、静止时十二条腿都是同时着地（本项目机器人省略该状态）；2、前进时，先迈出第1组四条腿（左边2号4号6号、右边2号4号6号），第2组四条腿着地（左边1号3号5号、右边1和3号5号）；3、第1组四条腿（左边2号4号6号、右边2号4号6号）往前迈出着地后保持不动，然后换第2组四条腿（左边两只、右边两只）往前迈出；4、第2组四条腿（左边1号3号5号、右边1和3号5号）往前迈出着地后保不动，再换第1组如此循环往复，同一时间都保证有一组四条腿着地以保持身体的平衡，并不断往前进。2.2.2 局部描述 多连杆复合机构主要包括几个部分：（1）四边形结构连杆：四

9、根连杆通过关节铰链连结在一起组成一个四边形，四边形是不稳定的结构，即该结构可以在矩形、平行四边形之间变化，随着腿部关节角度的变化当前四边形连杆的结构也会不断变化形状的； （2）上三角结构连杆：上三角结构的两根连杆以及四边形结构顶上的连杆，三根连杆通过关节铰链连结在一起组成一个三角形，三角形是稳定的结构，则该结构的形状是固定不变的； （3）下三角结构连杆：下三角结构的两根连杆以及四边形结构顶部的连杆，三根连杆通过关节铰链连结在一起组成一个三角形，三角形是稳定的结构，则该结构的形状也是固定不变的；（4）传动连杆：两根传动连杆，加上上三角结构中竖直的一根连杆，以及四边形结构中内侧竖直的一根连杆，总共

10、四根连杆也是通过铰链连结在一起组成一个四边形，四边形是不稳定的结构，即该结构可以在任意四边形中变化。特别的，传动连杆上的传动铰链是直接接在曲柄上的，也相当于说传动铰链固定在一个圆形的离心轴上，围绕圆心转动的。在曲柄转动的过程中，就会通过传动连杆带动整个多连杆复合机构联动，实现自然顺畅的步履运动，如图2-2所示。图2-23 系统详细设计计算3.1运动指标的确定3.1.1 指标 执行机构:能实行连杆机构的运动来实现机器马的走动。驱动传动机构:电机要能带动执行机构(连杆机构)的运动。 智能系统: 智能系统则由感知系统传感器及软件来控制电机和传动机构从而实现机器脚的运动。 自由度: 确定脚部相对机座的

11、位置和姿态的独立参变数的数目，保证脚的运动。 工作空间: 即操作机的工作范围在1-1.2m之间。 灵活度: 能实现前后运动和左右转弯运动。3.2 机构参数的计算3.2.1 计算1一只脚的自由度 n=8， PL=11，PH=0，F=3×8-2×11-0=2由于普通锥齿轮式差速器结构简单、工作平稳可靠，所以广泛应用于一般使用条件的汽车驱动桥中。图5-19为其示意图，图中为差速器壳的角速度；、分别为左、右两半轴的角速度；为差速器壳接受的转矩；为差速器的内摩擦力矩；、分别为左、右两半轴对差速器的反转矩。根据运动分析可得 图1：普通锥齿轮式差速器示意图示意图显然，当一侧半轴不转时，另

12、一侧半轴将以两倍的差速器壳体角速度旋转；当差速器壳体不转时，左右半轴将等速反向旋转。根据力矩平衡可得（3-2）差速器性能常以锁紧系数来表征，定义为差速器的内摩擦力矩与差速器壳接受的转矩之比，由下式确定（3-3）结合（2-2）可得：（3-4）定义半轴转矩比，则与之间有（3-5）普通锥齿轮差速器的锁紧系数忌一般为O.05O.15，两半轴转矩比足b为111135，这说明左、右半轴的转矩差别不大，故可以认为分配给两半轴的转矩大致相等，这样的分配比例对于在良好路面上行驶的汽车来说是合适的。3.2 .2行星齿轮球面半径的确定圆锥行星齿轮差速器的结构尺寸，通常取决于行星齿轮的背面的球面半径，它就是行星齿轮的

13、安装尺寸，实际上代表了差速器圆锥齿轮的节锥距，因此在一定程度上也表征了差速器的强度。球面半径可按如下的经验公式确定：mm (3-6)式中：行星齿轮球面半径系数，可取2.53.0，对于有2个行星齿轮的汽车取小值；T计算转矩，取Tce和Tcs的较小值，N·m.3.2 .3行星齿轮球面半径的确定 (3-7)式中：Tce计算转矩，Nm；Temax发动机最大转矩；Temax=372Nmn计算驱动桥数，1；由发动机到所计算的主减速器从动齿轮之间的传动系最低挡传动比， =6.29变速器传动效率，=0.9； 由于猛接离合器而产生的动载系数，=1；代入上式，有： Tce=2102.56 N.m根据上式

14、=2.55=32.67mm ，取整为34mm=0.98 =34mm.3.2.4行星齿轮与半轴齿轮的选择为了获得较大的模数从而使齿轮有较高的强度，应使行星齿轮的齿数尽量少。但一般不少于10。半轴齿轮的齿数采用1425，大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比/在1.52.0的范围内。 差速器的各个行星齿轮与两个半轴齿轮是同时啮合的，因此，在确定这两种齿轮齿数时，应考虑它们之间的装配关系，在任何圆锥行星齿轮式差速器中，左右两半轴齿轮的齿数，之和必须能被行星齿轮的数目所整除，以便行星齿轮能均匀地分布于半轴齿轮的轴线周围，否则，差速器将无法安装，即应满足的安装条件为：(3-8)式中：，左右半轴齿轮的齿数

15、，对于对称式圆锥齿轮差速器来说，= 行星齿轮数目； 任意整数。在此=12，=20 满足以上要求。3.2.5差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定首先初步求出行星齿轮与半轴齿轮的节锥角，=30.96°=90°-=59.04° 再按下式初步求出圆锥齿轮的大端端面模数mm=2.92, 根据标准值取为3mm得=36mm =3*20=60mm3.2.6压力角目前，汽车差速器的齿轮大都采用22.5°的压力角，齿高系数为0.8。最齿数可减少到10，并且在小齿轮（行星齿轮）齿顶不变尖的条件下，还可以由切向修正加大半轴齿轮的齿厚，从而使行星齿轮与半轴齿轮趋于等强度

16、。由于这种齿形的最小齿数比压力角为20°的少，故可以用较大的模数以提高轮齿的强度。在此选22.5°的压力角。3.2.7 行星齿轮安装孔的直径及其深度L行星齿轮的安装孔的直径与行星齿轮轴的名义尺寸相同，而行星齿轮的安装孔的深度就是行星齿轮在其轴上的支承长度，通常取： (3-9) (3-10)式中：差速器传递的转矩，N·m；由上可知为13271.7N·m 行星齿轮的数目；在此为4 行星齿轮支承面中点至锥顶的距离，mm， 0.5d， d为半轴齿轮齿面宽中点处的直径，而d0.8； 支承面的许用挤压应力，在此取69 MPa根据上式 =24mm 17mm 19mm3

17、.2.8 差速器齿轮的几何计算差速器直齿锥齿轮的几何尺寸计算用表序号项目计算公式计算结果1行星齿轮齿数10，应尽量取最小值=122半轴齿轮齿数=1425，且需满足式（1-4）=203模数=3mm4齿面宽F=(0.250.30)A;b10m10.2mm5工作齿高=4.8mm6全齿高5.4157压力角22.5°8轴交角·9节圆直径； 10节锥角，=37.13°，11节锥距=34mm12周节=3.1416=9.42mm13齿顶高;=3.11mm=1.69mm14齿根高=1.788-;=1.788-=2.254mm;=3.674mm15径向间隙=-=0.188+0.051

18、=0.615mm16齿根角=;=43.79° =6.17°17面锥角；=37.13°=62.83°18根锥角；=27.17°=41.452.87°19外圆直径；mmmm20节圆顶点至齿轮外缘距离mmmm21理论弧齿厚 =5.16 mm=4.26 mm22齿侧间隙=0.2450.330 mm=0.12mm23弦齿厚=5.08mm=4.20mm24弦齿高=3.1327mm=1.73mm3.2.9 差速器齿轮的强度计算差速器齿轮的尺寸受结构限制，而且承受的载荷较大，它不像主减速器齿轮那样经常处于啮合状态，只有当汽车转弯或左右轮行驶不同的路程

19、时，或一侧车轮打滑而滑转时，差速器齿轮才能有啮合传动的相对运动。因此对于差速器齿轮主要应进行弯曲强度校核。轮齿弯曲强度为 MPa (3-6) 式中：差速器一个行星齿轮传给一个半轴齿轮的转矩，其计算式在此：为315.381N·m； 差速器的行星齿轮数； 半轴齿轮齿数；尺寸系数，反映材料的不均匀性，与齿轮尺寸和热处理有关，当时，在此0.59载荷分配系数，当两个齿轮均用骑马式支承型式时，1.001.1；其他方式支承时取1.101.25。支承刚度大时取最小值。质量系数，对于汽车驱动桥齿轮，当齿轮接触良好，周节及径向跳动精度高时，可取1.0; 计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数，由图1-1可查得=0.231 4 设计创新点4.1 设计创新点(1)该娱乐机器人在原有娱乐机器人的基础上，改变了传统的轮式行走方式，应用仿生学原理，利用三角形的稳定性和平行四边形的不稳定性，以及利用曲柄摇杆机构，组成了机器人的行走机构，从而替代车轮。 (2)利用杆端关节