机械设计制造及其自动化毕业论文-越障行走机的结构设计

第一章绪论在六十年代末，人们对移动机械人进行了大量的调查。斯坦福研究所的尼尔斯尼森和查尔斯·罗森等，于1966到1972年间发明了一种自动的自动移动机器人，命名为Shakey[1][2]，本论文的主要任务是探讨如何运用人工智能技术实现复杂的自动推理、规划与控制。一大群国际知名企业纷纷开发了可移动机械平台，它们大多是高校和科研院所的实验设备，推动了各种领域的发展[3][4]。由于其技术是多个领域的交叉、互相融合的前沿领域，其研究在实践中有着巨大的理论意义和广泛的应用前景[5]。如今，在工业机器人诞生三十余年后，人类已经把它视为一种重要的生产手段，而且由于科技的进步，人类的生存能力越来越强，它的作用已经不仅仅局限于一件简单的工作，它还具有许多不同的作用：它的工作地点已经由原来的工厂、车间变成了大海；一些空间和室外已经被送到了医院；在家里和休闲的地方。拥有智能化特征的自动机器人，如飞行机器人，海洋救援机器人，化肥和杀虫剂喷洒机器人，护理机器人等，都是面向非生产型的[6]。美国在机器人方面的技术仍然是世界上最先进的。其技术全面、先进、适应性较好，其特点：工作稳定、综合、精度高；在机械语言方面，机械语言发展迅速，语言种类繁多，应用范围广泛，在国际上处于领先地位；智能化技术迅速发展，其视觉、触觉等人工智能技术已被广泛地运用于航天和汽车工业；高度智能化，军事机械的高科技；空间机械人的发展很快，它们被广泛应用在扫雷、地雷、侦察、站岗和空间探索等领域[7-9]。

第二章移动机器人行走机构总体设计第二章移动机器人行走机构总体设计2.1行走机构总体方案设计本论文研制的步行装置，其作用是进行防爆测试；作为一个可用于应急巡逻和户外活动的可扩展性，它需要更好的适应多个领域和多个领域的适应性和生存率，不管是在荒野上，还是在城市中，都会遇到非常复杂的情况，目前，在多个领域中，已经有了很好的基础[11]。越障、避障等多项性能，但由于机器人体型和重量都比较轻，在翻山越障或翻山越岭时，其性能仍比较受限，因此，本论文的设计目标应该是能够在不同的地形条件下，具备攀岩、越障等多种条件下的适应性。该系统结构简单，性能可靠，在各种复杂的工作条件下，既可以实现自动或自动的在各种复杂的工作条件下进行操作，而且体积小、质量轻。整个机构的设计需要重点关注下列方面：对于长程平坦的道路移动，需要移动速度快、能量消耗小；在天然条件下，如：柔软的；泥泞的；崎岖的地形，陡峭的坡度；具备良好的越野性能，能够跨越一般的障碍物，在建筑内部的建筑中，如台阶、凸台、壕沟等；可在更多的柔性操纵作用下完成；结构紧密，重量轻，体积小，运动灵活。作为步行越障机器人的关键部件，它具有良好的运动、高的稳定性和最小的机械品质，它的结构是决定整个系统的主要功能。中所提出的机械臂的基本功能参数有：整体机械大小：700*450*230；自身重量：15公斤，运输能力：10公斤；最大转速：1米/秒1.5米/秒；能够跨越18cm的竖向障碍，能够攀登一般的标准阶梯；攀岩耐力30；最小可跨40厘米的战壕。2.2几种典型移动机构的特点和性能分析在目前国内外的机械臂的选用中，典型的是：轮、腿；多种类型的行走机械，如：履带。按应用情况可分为三轮、多轮、多腿、两条履带、多条履带和多条履带。另外，由于移动平台工作的复杂性，它的环境要素主要是自然条件和多种人为干扰的，称为无组织的生态系统。在运动机械中，无组织的环境是多种多样的，具有较大的复杂性，包括平坦的地面、斜坡、障碍、台阶、壕沟和浅坑等。基本上，最常见的是斜坡、上下梯级，这些梯级可以被分解成三类，而运动机械则可以在三个典型的地形中，在复杂的立体空间中穿行。现有的机动机械有轮式、履带式、腿足式和车架式四个。由于采用了多采用的是间断的移动形式，因此被排除在外。本文的机械结构设计，在基本的性能指标上，不仅要兼顾攀岩障碍与多地形的适应性，还要兼顾速度与平稳性。在无构造条件下，其它三种运动机构均有各自的优点和优点，但也有一定的缺点，因此，必须结合其它有关的因素来进行设计与选用。2.2.1轮式移动机构通过采用轮子驱动，可以实现高速的高速运动。车轮具有最大的效率，快速的行驶，灵活的操纵，成本低，零件发生故障后，可以快速的替换，此外，在平整的土地上，车轮的运动有很大的优点，操作起来也比较容易，因此，它的用途非常广泛，是当今世界上最先进的一种运动机械[13]。常规车轮的运动装置是三个车轮；四个车轮；六轮式结构，特别是六轮结构，是当前应用最多的一种类型。而轮子的运动装置，也有一个很大的缺陷，那就是不适合公路，因为它与地面的接触面积很少，在松软的土层压力较低的地方，很可能会出现塌方和打滑现象。在大部分的野外复杂的工作条件下，轮子的运动性能都很有限。为了改善轮式步行装置的多地形适应性和穿透力，采用四轮加前后摆、六轮加前后摆、行星轮式等多种形式的步行装置。初期的机械臂不需要太多的道路，所以可以最大限度地利用车轮的优势。在城市道路上，车轮的确是最适合于机械行走的机械。但它的弊端也十分突出，过于依靠平坦的地势，不利于适应性。尤其是在一些特殊的道路环境中，如爬梯、爬坡等，轮子都不能适应。目前世界上关于轮子机器人的研究已经很成熟了，而且在这方面的经验也很丰富[10]。2.2.2履带式移动机构典型的行走机械是有一个传动轮，一个引导轮；牵引轮，履带板，履带架等部件组成。该装置适用于在较大的道路上运行，是轮子运动的扩展，其自身具有为轮子不断铺设道路的功能。履带运动结构的优势在于：大范围的支承、低的地线压力、低的滚动阻力、良好的通行性能、低的转向率、低的转向率、高的牵引附着性能、越野性能、爬坡性能和越沟性能都要好。以改进常规的履带结构，以改进其特性，以卡特比勒型；在不同的机械运动中，可调式的运动机构、履带式的前、后摆式等机械装置已陆续问世，并在不同的机械运动中得到了广泛的运用。近几年，各类加强的非合金化材料在轨道上的应用，极大地缓解了传统的拖动机械的笨拙，提高了其综合性能[13]。在现场使用时，采用的是一种新型的行走机械。履带型行走装置是一种较为中庸的机械装置，见图2.1，是目前使用最多的机械手之一。与车轮、腿部机械相比较，履带机械既具备其优势，也能解决其自身的不足。图2.1典型履带结构这是一种自行铺设的道路式行走机械，通过棘轮驱动轨道链条运动，在承载轮下的轨道上，产生一种自行铺设的“路面”，从而使其能够行走。与车轮机构比较，履带机构具有较好的道路适应性，采用轨道及阻尼装置，能减轻因道路不平整而产生的震动，适用于各种道路。越障能力强，越障能力强，使用了履带式的机械臂可以进行爬梯、爬坡等运动，而且它的防滑性能也很好。相对于脚踏机械，轨道与地表的接触面积较大，且地线压力较低，无需考虑在非硬质路面上行走时发生塌方现象。同时，履带传动比车轮传动的效能略低，而腿部传动的传动比车轮传动的传动效率更高。其不足之处在于：履带式机械结构复杂，维修难度大，造价昂贵；同时，使用履带式机械的机械往往具有很大的重量，振动特性和部件容易损伤[12]。在小型陆地移动机械中的运用，是当前在武装、排爆和特殊地形中使用的机动机器人的主要发展趋势。2.3机器人运动基本理论2.3.1复合移动机构的运动条件在运动机械中，运动机械的地面穿越能力直接关系到其总体的运动性能；限制了移动机械臂的使用[15]。在无结构的环境下，运动机械的运动设计是其关键技术之一。在运动机械臂结构的分析与集成的理论与设计中，轮；在此基础上，对运动机构进行了全面的分析，提出了一种新型的、新型的、新型的、新型的、新型的运动机械系统。通过组合多种运动机械，可使其在无结构的情况下具有较大的适应性，其组合形式和适应性也存在差异。本文以轮形移动机械手为实例，对其运动机理进行了研究，并对其进行了力学性能的解析。图片中的移动机械人沿有障碍物的斜面行走。将运动机械与地面的各部位相联系，所形成的包络线称为地线，用F表示，地面线用S表示。若运动装置可以在不明的环境中行进，那么运动装置的F就应该包括相应的S,S可以由投射得到（这里只考虑所述的单侧面视图）。若F不能容纳相应的S，则运动机制将无法跨越障碍物，或局部悬停。F是一个多段的子曲线，每个子段的形状取决于一个移动机械的特性，并且在运动过程中会发生改变。在运动机械在地上步行时，设置在地上的运动装置的作用是N。在动力N达到运动需求时，可以进行前进、后退和转向等运动。而对于复合移动机构，地面作用力：（2-1）其中i=1.2……n，其中n为接触地面点的数目为权值，取决于移动机构与地面接触的方式。N为接触地面为移动机器人移动机构提供的作用力。图2.2行走机构受力分析2.3.2机构选型理论在进行机械手的机械结构时，最基本的原理就是机械手的机械结构。在设计具有特定功能需求的新的机械臂时，需要解决两个问题：第一，为实现特定的工作需要特定的运动方式和运动方式；其次要思考的是，使用何种机械装置才能完成这样的动作，它是一个整体的问题。所谓机械集成，就是按要求完成的动作选择机械的种类，再决定机械的几何大小，也就是进行机械的结构和运动的合成，最终绘制出机械的运动简化图表。在速度较快或较高的机械中，必须同时兼顾结构的动态和动态综合，如部件的弹性、动副的间距等。机械系统的综合也是机械设计的先决条件，机械系统的集成可以为机械臂的结构形式的选取和概念上的支撑。就手机而言，现在还没有对于各种移动机械的运动合成，有一个比较成熟的计算公式。目前关于平面机械设计的理论和实践，大多是将平面机械的最优组合问题扩展到空间机械设计中。如果采用多种方法组合单个运动机械，其表现也会有很大差别。通用的平面机械的结合形式有：串联、并联、叠合、叠合等。在此基础上，进一步扩展了这种结构形式的概念，并将其应用到运动机械结构的设计中。机械结构的串联式结构是将两个或多个基础结构用串行连接的方法，其结构可以分成两类：组件固结型串联：如果存在多个单一的基础机械，则前者的输出件与后者的输入件可以固定在一起（也就是前者的输出件是后者的输入件）。跟踪点的串行：如果前面的基本机械的输出是由一个平面移动部件上的一个点组成的轨道，再由一个跟踪点连接到另一个机械上，则叫做“轨道连接”。还有两种结构的并行结合。2.4行走机构方案设计该步行装置是一种新型的步行装置，它是一种新型的步行装置，它是一种新型的机械装置，它是一种新型的机械传动装置，它是一种新型的机械传动装置，它是一种新型的机械传动装置，它是一种新型的机械传动装置。该机器人整体的步行机构由4台步行驱动器组成，各由一台后车轮带动，利用差速控制步行机械的方向。图2.3行走机构总体方案这种机械装置的最大优势是：机械装置采用了一条轨道与一根曲轴连接，它可以通过一根曲轴连杆来控制运动装置的运动方向，从而提高了它的移动性能，并利用它的变形和速度来调整它的运动方向，从而提高了它的稳定性，使得它可以在移动的时候继续前进，并且由于它的形状和转速的变化而发生翻滚。2.5行走机构越障运动分析2.5.1爬坡运动分析坡道的越障能力一直是机动车辆的一个主要性能参数，在路面复杂、坡道多的情况下尤为突出。移动机器人只有在驱动力克服各种阻力的情况下才能正常运行，如图2.4所示，其关系表达式为：（2-2）式中：Fk—驱动力；Ff—摩阻力；Fw—空气阻力；Fi—上坡阻力；Fa—加速阻力。当移动机器人匀速上坡时,空气阻力Fw和加速阻力Fa可忽略不计，则式（2-3）简化为：（2-4）其中：（2-5）式中：f—摩阻力系数，取值范围0.0076-0.010，取0.008；m—机构总质量；g—重力加速度，9.8m/s2；a—坡度角。（2-6）所以（2-7）对于行走机构在穿越斜坡所需的驱动力Fk需要从两个方面考虑，一为受发动机驱动力限制，二为受驱动轮与路面附着力限制两种情况。2.5.1.1受电动机驱动力限制的斜坡穿越能力分析电动机最大驱动力为：（2-8）式中：p——电机最大扭矩时功率，kW；——机械传动效率，0.94-0.98，取0.96；V——发动机最大扭矩时速度，km/h。将式（2.5）（2.6）代入式（2.7）化简得到：（2-9）设β=arctanf，则：（2-10）图2.4斜坡穿越示意图2.5.1.1.2受驱动轮与地面附着力限制的斜坡穿越能力分析在分析受附着力限制的斜坡穿越时，通常分为前轮驱动，后轮驱动和前后轮驱动来讨论，本论文所设计行走机构为前后驱动，所以我们只分析第三种情况。如图所示，可得驱动力为：（2-11）式中：h——机构重心到地面的高度。（2-12）如果机构变形如图2.5所示，则式（2.11）变为：（2-13）式中L1——曲柄履带机构曲柄长度。图2.5斜坡穿越示意图因此，只要附着充分，则机器人的最大坡道跨越角可以用公式2.9来求出，相反地，如果马达的电力充足，则机械手的最大坡道越过角与重量没有关系，而从公式（2.11）可知，机械手的坡道横切角也与机械手的中心和重心之间的间距相关，因此，利用上述公式（2.11）可知，所述行走装置能够利用变形来增加坡道的穿透性。2.5.2跨越壕沟运动分析2.5.2.1通过障碍的机制通过移动机械穿越战壕时，如所述，在移动机械的重心超过战壕的关键支撑位置前，机械的前端移动至达壕沟的末端，机器人可以通过战壕，而在整个身体的重量还未进入战壕的那一瞬间，机器人的移动机械就会翻转越障。图2.6壕沟穿越示意图2.5.2.2越障极限分析如图所示，机构最大跨越壕沟距离为：（2-14）其中：L1——曲柄履带曲柄长度；L2——曲柄履带连杆长度；L3——壕沟跨越重心临界时前曲柄履带后轮与重心水平距离；L4——前后曲柄履带间距。2.5.2.3越障动作分析在机械臂的整体重量到达壕沟的临界位置时，机械臂的移动装置的总重量超过了凹槽，为了避免后的移动，机械臂的整体重量超过了凹槽，为了避免机械臂的整体倾翻，使机械臂向前移动，在机械臂进入到了图C的位置后，使机械臂的整体长度得到了提高，这样，整个战壕的横移就结束了。图2.7机器人壕沟跨越a图2.8机器人壕沟跨越b图2.9机器人壕沟跨越c图2.10机器人壕沟跨越d图2.11机器人壕沟跨越e2.5.3高台跨越运动分析2.5.3.1越障机理分析当机器人在陡峭的阶梯上行驶时，采用了曲轴式的曲轴，从而避免了车轮与障碍物之间的“顶起失效”，从而增加了机械的粘合性能。图2.12高台越障a、b图2.13高台越障c、d图2.14高台越障示意图当机器人最大限度的爬越高台，机器人行走机构与水平地面形成的俯仰角的极限角为a，如图所示，机器人理论上的跨越极限高度H为：（2-15）其中，H1-重心与后曲柄履带摆臂的切线长度；L1-连杆长度；L2-曲柄长度；L3-水平状态时重心到地面的距离；a-机构水平时重心与重心摆臂切线的角度；R-轮半径。至此我们对机器人行走机构在几个典型地形斜坡、壕沟以及台阶的适应性和越障能力进行了分析。2.5.4转向分析2.5.4.1转向分析假设由于机器人行走机构采用履带式移动机构，使得其实际运动非常复杂，尤其是在转弯运动时，由于履带压力分布不均匀，在转弯过程中车体产生滑移和刮土，这些因素都使得对履带式移动人的运动学分析极为困难。因此对其进行运动学分析，必须建立在适当的假设和简化基础上。假设一个刚性履带式机器人运行在水平面上，对于此履带式机器人，其运动的任何一个瞬间都可以看成绕某一点A的转动，A点称为机器人运动的瞬时转动中心，简称瞬心。机器人直线运动时，可以认为瞬心A位于无穷远处。由于运动学只分析运动，而不考虑受力，在此可作以下假设：不考虑结构变形，将移动平台结构各部分视为刚体；履带传动机构的履带轮与履带之间没有滑转，即驱动轮滑转δ=0，履带与地面之间不发生侧滑；两侧履带均匀着地；前摆机构主要用于辅助越障、爬坡，对机器人转向运动学分析没有影响，因此在转向运动学分析中不考虑机器人的前摆机构。如图所示，XOY为固连与地面的固定坐标系。在履带机器人上建立车载坐标系，坐标系的点O'位于机器人质心位置，Y'轴沿机器人中轴线指向前进方向。B为左右履带中心线之间的距离，V和ω为移动平台几何中心O'的瞬时线速度和角速度，w1和w2分别表示左右驱动带轮的角速度，r表示驱动带轮的半径，移动机器人在地面固定坐标系XOY的位姿用(x,y,O’)的来表示。2.5.4.2正运动学模型图2.15转向运动分析类问题被称为运动学的逆问题。因此必须对机器人转向的逆运动学问题进行分析。由机器人左右轮速度v2和v1可以求出机器人理论转向半径R：（2-16）由上节式，可得到：（2-17）由上式即可实现对机器人转向运动的控制。进行分析：v=0,w=0，机器人静止不动；v≠0,w=0，机器人则处于直线行使状态；v≠0,w≠0（2-18）2.6小结最后给出了整个系统的设计目的。目前主要针对目前常用的几种类型的行走机械轮；在此基础上，结合机器人的运动原理，设计了一种新的运动学结构，并对爬坡、翻沟等障碍进行了仿真。为下一阶段的运动控制系统的结构和模拟计算打下了理论依据。

第三章行走机构结构设计及参数化建模第三章行走机构结构设计及参数化建模3.1行走机构驱动系统的设计3.1.1驱动系统的计算在平坦路面行走时，机械臂的受力比较单一。本文对机械手的曲轴轨道装置的后轮是主动轮，而前轮是摆臂齿轮，其它两个车轮都是由诱导轮组成，并且具有相同的直径。假定机械臂在不计风阻的条件下，以1.5米/秒的最大速度线性行进时，其作用力状况，如图3.1所示：图3.1驱动系统其中：m1为行走机构质量，m2为搭载平台及搭载质量。Mf：作用于驱动轮的驱动力矩（mNm）；N：地面对机器人的摩擦阻力（N）；f：地面对机器人的摩擦阻力。Mf：驱动轮滚动摩擦力矩（mNm）根据理论力学平衡条件，有平衡方程：（3-1）X方向受力平衡：（3-2）Y方向受力平衡：（3-3）以O点为对象力矩平衡：（3-4）滚动摩阻力矩：（3.5）其中：地面履带滚动摩阻系数7mm。设机器人行走机构在3秒内达到最大速度，则加速度：a=0.3m/s2。由（3.2）（3.3）（3.4）（3.5），可解得：（3-6）同时根据公式：（3-7）代入V、R值得出：（3-8）又根据设计要求的行驶最大速度V，初步确定电机的最大输出转速：（3-9）总之，在最大运行转速条件下，各侧马达必须提供1.33175牛米的转矩，并能满足转速需求。利用爬斜角来估算电动机的动力：与常规的行车相比，爬升性能是机动车辆的主要性能参数，因此在进行车辆传动系统的设计中，需要考虑爬升指数的确定。假定在A的斜面上，不计气流的阻尼，假定车辆的前后方向均对称，以车身整体为研究目标，进行了机械臂的力计算，如下所述。图3.2爬斜角估算假设在运动过程中，车体以1m/s的速度行驶，图中各参数意义与平地受力时相同。根据理论力学平衡条件公式（3.1），可列平衡方程如下：X方向静力平衡：（3-10）Y方向静力平衡：（3-11）以点O为对象力矩平衡：（3-12）其中：地面履带滚动摩阻系数δ=7mm。由式（3.10）（3.11）（3.12）可以解得：（3-13）在最大斜率条件下，在各侧电动机减慢后，所需的最大转矩为3.1899牛顿。通过与最大转速下的电动机的转矩进行对比，得出了在爬坡时电动机的转矩需要更大的转矩。同时，在平地上，对马达的输出速度也要高。综合来看，电动机在最大水平行驶时的最大转速和所需要的电动机的转矩的选取。根据要求的行驶最大速度v=1.5m/s，初步确定电机经过减速后的最大输出转速：（3-14）初步确定单个电机的功率P：（3-15）式中n为当最终输出转矩为Ml时的最终输出速度，则有此时的转速为：（3-16）η为0.94-0.96，取η=0.95，并将Ml、n的值代入（3.16），可得：（3-17）则所需电机的输出功率为：（3-18）其中P为电机的输出总效率，此处包括电机的效率、减速器的传动效率、履带的牵引效率以及履带的传动效率，以上各值分别取为：0.85，0.96，0.92，0.85，则η：（3-19）将参数P，η值代入到式（3.18），可得如下：（3-20）3.1.2电机及减速器的选取当前，在机械手的运动控制中使用最多的是直流伺服马达和交流伺服马达；其主要特征是：采用DC驱动方式，通过DC电源驱动，操作方便；起动力矩大，体积小，重量轻，容易控制转矩，效率高；使用寿命短，噪音大，定期维修。无刷子、整流子的AC伺服马达，无须维修；它的驱动线路很繁琐，而且成本很高。步进马达采用数码方式，与电脑连接，无刷子，维修保养，使用寿命长久。但其不足之处在于其能量转化效率较差、容易失速、超负荷等。经过全面的分析，最终选择了采用DC型的伺服马达。DC伺服马达分为有刷马达与无刷马达两种。无刷电动机没有碳刷，使用寿命长，而且电动机的容量也不大，但是它的负载比一般的有刷电动机要低，所以它的负载容量很低。当遇到障碍时，当遇到障碍时，当受到撞击时，电动机会承受很大的负荷，这就需要电动机具有很大的瞬间超负荷，所以在设计时应选择有刷直流电动机。3.1.3电机的校验3.1.3.1电机转速校核在电动机的类型被选定之后，检查电动机的输出转速。通过选择传动装置，选择了16:1的减速率，并按所需的最大转速来计算：（3-21）而实际电机额定转速为10500rpm，满足要求。3.1.3.2电机转矩校核按照机构在斜坡上加速计算在3秒内达到最大速度，则加速度为：（3-22）根据理论力学平衡条件公式（3.1），列平衡方程如下：X方向受力平衡：（3-23）Y方向受力平衡：（3-24）以O点为对象力矩平衡：（3-25）滚动摩阻力矩：（3-26）其中：地面履带滚动摩阻系数7mm。联立（3.2）（3.3）（3.4）（3.5）解得：（3-27）行走驱动电机能提供的最大持续转矩为：（3-28）行走机构单个驱动电机能提供的最大堵转转矩为：（3-29）满足使用要求。3.2三维建模软件UG3.2.1三维软件UGNX概述UG是美国UGS公司的主要生产设备，是目前世界上使用最广泛的CAD；CAD/CAM集成的一种软件在世界范围内得到了广泛的应用，并被应用于机械，汽车，飞机，电器，化工等领域。它的主要特征是：产品的综合开发平台；于组装中的产品技术；整体的关联度；协作；以知识为基础的专家系统；一个开放的界面，以符合顾客的需求。3.2.2UG的三维造型策略UG的立体建模一般有4个阶段：对设计模式的认识：这一步是让使用者掌握设计的基本参数，关键设计构造以及设计限制。主体机构的建模：在这个时候，使用者要找到模型的主体构造，比如主体的外形、关键点的位置等。关键结构的选择是决定使用者的建模的重要因素。在建模过程中，建模过程中最重要的是建模过程。若无法通过3D模型进行模型化，则必须先确定模型的两维外形，再通过拉伸旋转、扫掠、弧形等方式实现。UG可以让使用者在建模完毕后，重新构建部件间的参数，但是更为直观的方式在模型中，直接参考有关的参数。对较为复杂的外形特点，要尽早地完成。如果使用者可以遇到不能满足的外形特点，那么就可以把它放到最早的位置去完成。这能及早的找到问题，并找到解决办法。细部特点的造型通常是在造型的晚期，通常不会在前期就进行这种细部的设计，因为那样会使使用者的时间大为延长。3.3机器人行走机构结构设计在设计机器人的机械臂时，应遵循下列基本原理：机械结构的大小应符合设计规范；零件加工方便，测量方便；机械零件的结构设计符合机械结构的刚性和强度；机构的安装、调试和维修方便；在机器人的活动平台上，应为将来的传感器、功能元件如蓄电池等提供适当的安装空间及位置；确保各总成和总成易于拆卸和组装，并确保各机械结构能达到设计动作的需要，彼此之间没有任何干涉。根据UG的建模方法，我们先对机器人的步行系统进行整体的机械设计，如下一张完整的步行机械系统，包括：车架、四个摆臂轴系统、四个电机减速系统和三个手摇运动装置。底盘系统曲柄连杆机构承载轮机构驱动电机、减速器驱动系统连杆摆臂履带摆臂电机、减速器摆臂系统行走机构图3.3机器人行走机构示意图3.3.1底盘的设计机器人运动机构的地面是整个机械臂的载体，也是机械零件的总成和总成。底盘结构的优劣将直接关系到机械臂的驱动和驱动的准确性以及运动零件的使用寿命。在进行底盘结构的优化时，不仅要充分地考虑到在行驶中所受到的振动和其他荷载的影响，还要兼顾到车身本身的刚性和强度。本论文所述的步行机构底盘，包括：步行机构驱动系统、摆臂驱动系统、搬运系统等三大系统，而在此基础上，必须对驱动轮和摆臂的负荷加以减少。这就需要在整体的设计需求下，对各个零件的装配进行合理的布置与设计。该系统不仅可以实现本文所述的运动路径，而且可以按规定的大小进行零件的装配。另外，由于微型移动机械的特点，在综合各种工况和工作条件下，需要车身尺寸小、质量轻等方面的需要，为了节省成本和实用性，我们选用了铝合金材质，在车身的设计中既要保证车身的重量，又要保证车身的重量轻，又要保证车身的重量。本文最终底盘的设计尺寸为：710、345、48（长宽高mm）。其机构如图3.4所示。图3.4底盘机构示意图3.3.2履带的设计履带是车辆行驶时的主要部件，其制造工艺设计费用较高，因此通常选用标准部件。通过对某一特定调查，并参考最近发表的论文和杂志，我们可以看出，因为体重；费用；由于适应性等因素的影响，常规的轨道系统无法适应小型陆地移动机械。根据不同角度的参照，根据实际应用，得出了采用标准同步齿形皮带作步行装置的方案。目前常见的同步齿形皮带，其材质和齿轮类型各不相同。目前，它的主要物理特性是由骨架和填料构成，目前的主流材质有：牛筋、钢丝、玻纤、纱线等。它们在伸长性、吸附性、热稳定性和曲率半径等性能上均存在差异，一般的骨架都能够达到其功能性要求。填料与地面的直接接触，不仅决定着其与地面的摩擦，而且还会产生抗磨损、抗腐蚀性等特性，其材质的物性对其动态特性有着重要的作用。首先选用了高耐磨性、耐磨损、不容易变形、重量也比较小的聚氨酯做轮胎。该机器人的轨道本体是M型Robot机器人的轨道，它是由内、外啮合的。内齿轮的作用是与主动轮相配合，以完成传动。内齿比履带略窄，设置时尚套夹于车轮两边的档位，如此可保证履带外侧齿条与地板充分接触。并使其总体宽度增大，使其脱轨几率大为减少。3.3.3行走机构的三维建模装配基于ADAMS的动态特性，建立了基于ADAMS的运动模型，该模型的准确性将直接关系到ADAMS系统的动态模拟效果。因此，建立一个基于3D立体的地表移动机械人是至关重要的。基于多种零件组装的机械手的步行机械，UG的Assembly组件主要有两种方式。3.3.3.1自下向上装配如图3.5所示，其基本思想就是先把零件组装好，再从小的开始，逐渐地进行组装。在由下至上的组装设计中，首先要对各零件进行3D模型化，再利用它们进行组装。在组装设计时，可以按要求调整已组装好的部件。在全部部件都已完全限制后，该装配是一个参数性装配。图3.5装配件参数3.3.3.2自上向下装配如图3.6所示，从上到下的组装是从宏观上确立组装的思想，并根据整体计划对各个部件进行一步一步的进行。这个想法虽然简单，但在产品的设计上并不现实，毕竟在设计的时候，还不能将所有的部件都分解到最基础的部分，只能得到一个大致的概念，再根据具体的细节来进行。部件按照最初的设计图纸来组装，在安装过程中，只需对其进行一些改动即可实现。图3.6零配件这个项目中的移动机器人是用大量的部件组装起来的。在具体的模型制作中，我们采取了前一步组装的方式，首先确定了整个地面移动机械人的组装，并逐一组装，最终完成整个组装。机器人行走机构的最终总装配如图3.7所示：图3.7机器人行走机构总装配图3.4小结本文从提高环境适应能力和提高越障能力的角度，对步行机械在地面和坡道上的动力进行了计算，选择了相应的电动机和减速装置，并结合越障的运动学和各部分的参数，对其进行了传动、曲柄履带、车架和履带的机械结构的设计。利用UG三维仿真程序，实现了基于UG的步态动力学仿真。

第四章结论与展望第四章结论与展望本论文针对移动机械手的步行机械系统进行了设计与分析，其工作内容包括：在对目前国内外的各种行走机构进行了深入的研究与分析后，给出了能够适应特定工作功能的步行机构的总体结构和性能指标。设计了一种能确保其在斜面上、翻过战壕的新型机器人步行机制；在高台等非结构性条件下，其穿越障碍的性能更好。该系统集轮式、腿式、履带式等多种优点于一身，不仅可以维持高速行驶，而且可以根据需要变化的轨迹形态，极大地改善了步行机械在不同的环境下的穿行性能。完成了步行机械的结构设计，利用UG软件对步行机械进行了参数化模型，并利用ADAMS进行了多刚体动力学模拟，并通过ADAMS对其进行了动态模拟。

参考文献参考文献[1]李磊,叶涛.移动机器人技术研究现状与未来[J].机器人,2002,24(5):475-480.[2] 王握文.世界机器人发