【《基于三自由度串并混联腿四足机器人结构设计案例》4600字】

基于三自由度串并混联腿四足机器人结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u13279基于三自由度串并混联腿四足机器人结构设计案例 1177601.1引言 1284951.2基于三自由度串并混联腿结构设计 2130271.2.1并联放大机构的选择 2199521.2.2输入布局设计 434801.2.3驱动方式设计 555381.2.4串并混联腿综合设计及尺寸确定 7317921.3混联腿结构关节连接方式 844671.4四足机器人机架及机身设计 10266511.4.1机架结构设计 1033931.4.2机身结构设计 1174561.5四足机器人静态有限元分析 12162511.6驱动轴强度校核 13129841.7关节伺服电机校核 1465371.7.1静止站立受力分析 14299961.7.2步态行走受力分析 15引言机器人的性能取决于机械腿的结构。机器人整体设计分为腿部机构设计和机身机架结构设计两部分。机器人的机身机架结构设计需要确定机器人的外形参数和工作性能要求。为了满足四足机器人腿部空间容量大、承载能力强、行走速度快的设计要求，采用一种新型串并联混合机构构建四足机器人腿部机构。混联腿机构中并联机构的设计方案来源于菱形四边形对角两点之间存在并联的结构特性，在具体设计方案中，采用双菱型并排布置作为输出结构，腿部与机身通过固定双菱型结构的U型框串联，实现腿部机构中串并联关系结合的要求。电机直接作用于双菱型结构的主动件作为输入机构，实现腿部机构并联机构的运动。电机直接作用于U型框实现串联机构的驱动。串联机构和并联机构的优势在该新型机构中得以结合，在保证运动灵活性的基础上，实现较大腿部活动空间能力要求，较高承载运输能力需求，并能快速行走的特性，能够满足该课题在运动位姿方面对四足机器人的要求。机身机架的设计采用了非承载式汽车设计理念，分开设计，以满足结构刚性要求和功能性要求。课题来源于国家“863”主题计划项目，因此，本文研究的四足机器人基本性能指标需与“863”主题计划项目中规定的性能指标保持一致，具体指标见表2-1。表2-1863计划四足机器人的物理参数指标和性能指标名称参考值样机长度≤1200样机宽度≤500样机高度≤1000样机自重≤120最大负重≥50腿部自由度≥12最高移动速度≥4最大行走坡度≥20°基于三自由度串并混联腿结构设计并联放大机构的选择在机械结构中，将行程进行放大的机构有很多，包括齿轮齿条机构，四连杆机构等。一般两侧运动采用由齿轮齿条组成的行程放大机构，但是该结构不适用于四足机器人腿部行程放大。因此，本小节中设计出一款新型并联行程放大机构。在普通的四连杆机构中，通常将一杆固定作为机架，其中一个连架杆作为主动件，其他杆则为从动件，所以该机构只有一个确定的自由度。但是如果不将杆件固定，只固定其中一个顶点作为旋转轴，旋转轴固定，旋转轴的两侧杆件作为主动件，那么此时对角顶点具有2个自由度，一个是绕固定旋转轴的旋转运动，另一个上下的平移运动，如图2-1所示。对于固定旋转轴的这种机构，正符合机器人腿部的前摆和迈步要求，可作为腿部机构的主要行程放大机构。若同时将一个侧摆机构与腿部机构串联，则可实现腿部机构的侧向摆动，满足了三自由度的设计要求，还降低了机器人的控制难度，如图2-2所示。通过“863”计划可知，机器人腿部机构的尺寸不能做得很大，单平行四边形作为快速行走机械腿的工作空间有限，如果将2个平行四边形叠加，则使末端的工作空间再次被放大。因此，本文采用2个平行四边形的叠加放大机构作为腿部机构主运动的基体。对于叠加的两个平行四边形的机构有三类：由2个邻边边长不相等的平行四边形叠加组成；由边长较大和边长较小的两个菱形叠加组成；图2-1图2-2图2-3图2-4图2-5由2个完全相等的菱形叠加组成。如图2-3所示中，机构采用的是2个邻边边长不相等的平行四边形叠加组成，优点是腿部工作空间大，缺点是结构不对称，沿平面内的各向同向性、对中性不好。如图2-4所示中，机构采用了上大下小的菱形放大机构。其缺点是上端尺寸较大，运动空间受限，且零件数目较多，加工难度较高。如图2-5所示的机构采用的是双菱形机构，结构对称，同向性较好，便于控制。综上所述同时进行对比，用双菱形结构作为机械腿行程放大机构最为合适。输入布局设计在驱动力的输入方式上，通常有两种选择，一种是在并联放大机构的两侧进行输入，另一种是在并联放大机构单侧输入。在此，先以RPR机构驱动为例来进行分析。从如图2-6、图2-7可以看出，一侧输入的结构尺寸较为紧凑，但是结构较为复杂。两侧输入的机构横向结构尺寸较大，但是结构简单，便于装配和结构优化，同时还可以提高整体对中性，提高四足机器人的整体平衡稳定性。因此，本图2-6图2-7设计选用双侧输入的结构布局。驱动方式设计由于单排双菱形结构难以实现双侧驱动力输入，同时承载能力也达不到设计要求。因此本设计在腿部采用两个双菱形并排排列的方式，如图2-9所示。由于双菱形结构需要两个主动件，因此采用双电机驱动，两个电机分别作用于两个并排的双菱形结构上，两个并排的双菱形结构之间通过固联杆实现固联，增强腿部刚性。一侧的驱动力输入是通过外杆驱动法兰盘与菱形上肢一个主动件固联实现同步驱动。另一侧的驱动力输入是通过电机与键驱动法兰盘固联，将动力通过键结构从电机传递至驱动轴；并排菱形上肢主动件与带键槽的内杆驱动法兰盘固联，通过键结构实现动力从驱动轴向并排菱形上肢主动件的传递。综上所述，通过上述结构实现电机到菱形上肢两个主动件的驱动力传递。具体结构见图2-8。图2-8传动方式设计示意图串并混联腿综合设计及尺寸确定在机架上安装的侧摆电机与用于固定驱动腿部运动双电机的U型框，通过法兰盘直接固联，这便实现了机身与腿部的串联。综上所述，驱动串联关节的电机直接安装于臀部关节，传动方式简单直接高效，在腿部的胯部关节安装双电机，用于驱动双菱形行程放大机构，由此实现了机械结构的简单最大化。在铰接孔处，均安装有滑动轴承，以用于减少运动中的磨损。同时在连杆之间采用推力轴承使之间隔开来，用于杆件的轴向定位和降低摩擦损耗。在尺寸确定方面，由于刚度需要，腿部双菱形结构中各连杆均采用10mm厚度铝合金板材，在铰接杆，驱动杆采用直径为10mm的铝合金圆杆。在安装电机的U形框也采用10mm厚度铝合金板材，提高腿部稳定性和耐冲击性能。如图2-9、2-10所示。图2-9图2-10混联腿结构关节连接方式串并混联机械腿部结构中，关节的连接方式决定机械腿的整体结构。关节的连接方式分为两种：串联连接与并联连接。在我们自然界中，大多数都是以串联实现足端与身体之间关节的连接。机器人的研究也是从串联腿机器人开始研究，串联腿机器人具有运动灵活，便于控制的优势，但是其承载能力弱，一旦串联中某一关节失效，便无法运动。因此，研究人员开始研制并联机器人，将关节与关节的连接方式改为并联，这样就克服了某一关节失效就无法运动的弊端，同时还极大的提高了承载运输能力，但是运动灵活性下降。近几年，开始了兼顾了串联、并联关系的串并混联机械腿的研究。串并混联机械腿各关节之间的联系既存在串联关系，也存在并联关系。如图2-11所示，通过关节1实现腿部机构与机身的串联，在腿部双菱型结构中，关节3、4与相对于关节2、3实现并联，关节6、7相对于关节5、8实现并联。正是通过这种串并混联的关节连接方式，串联机构和并联机构的优势在该新型机构中得以结合，在保证运动灵活性的基础上，实现较大腿部活动空间能力要求，较高承载运输能力需求，并能快速行走的特性，能够满足该课题在运动位姿方面对四足机器人的要求，成为如今研究的热门。图2-11串并混联腿结构示意图四足机器人机架及机身设计为了提高四足机器人整体的刚度和强度，在设计时借鉴了非承载式汽车的设计思路，采用机架和机身的分别设计。有以下优点:1. 机身和机架分开装配，分别装配好后再进行总装，简化了装配工艺，同时还便于产品规模化生产协作。2. 机架作为整个四足机器人的基础，便于机器人上各总成和零部件的安装，同时面对不同的工作环境和应对不同的工作情况，易于改装其四足机器人机身设备。3. 机架会对机身产生一定的保护作用，机身也可以提高机架的强度和刚度。机架结构设计在四足机器人中，机架的性能决定机器人的工作寿命和工作能力。在面对不同的环境和情况下，本课题设计的四组机器人需要具有承载一定重物的承载力，因此该四足机器人机架需要较高的强度。在行走和在复杂情况下，该四足机器人需要具有一定的抗扭和耐冲击的能力，因此机架需要具有较高的刚性。为了优化机架空间，采用筋条+筋板+壳体的设计，均采用铝合金材质，构建起“工”字型结构。在连接机械腿的2个筋板之间，增加了6根加强筋设计，以满足不同作业条件下对四足机器人机身的性能要求。如图2-12所示。采用10mm厚度铝合金板材作为筋板，在筋条的选型上，利用直径为10mm的铝合金圆杆，直径为14mm的铝合金圆杆用来做加强筋。壳体则采用壁厚3mm的铝合金板材制作。铝合金材质在保证强度、刚度的前提下，极大的减轻了四足机器人的重量。图2-12机架结构示意图机身结构设计该四足机器人需要满足在多种环境下，能够执行多种操作动作，因此设计了一款可以实现自动化操作，远程控制的机身。在机身顶部设计有机械臂底座，用于安装不同功能的机械臂。同时在靠近机架处设计有电源区，可以实现长时间户外作业，也可以与同类机器人实现协作，更换电池等动作。还设计有工具区，盖板通过电机驱动实现自动开合，便于机械臂操作时工具的自动更换。同时在机身前端安装有摄像头，内部安装有陀螺仪等传感器，用于随时监测四足机器人机身态势，及时做出反馈，保持平衡。在机身承载部分都布置有加强筋等，在板材之间采用焊接工艺进行连接固定，整体强度刚度得到进一步提升。如图2-13所示。图2-13机身结构设计四足机器人静态有限元分析在整个四足机器人的静止站立状态以及运动状态中，整个重力作用于四足机器人机架部分，具体作用点即在筋板筋条处，而平衡力是地面给四个足部末端支撑力。在Solidworks中利用Simulate对在平衡静止状态下的四足机器人进行了有限元分析，给壳体施加了2000N竖直向下的重力，同时在筋板安装电机处施加500NM的扭矩。设定好载荷，通过仿真运算，得到了平衡静止状态下的应力与变形量云图。如图2-14、图2-15所示。在图2-15中重点展示了应力集中以及变形较大的区域。图2-14静止状态下的应力与变形量云图图2-15静止状态下的应力与变形量云图驱动轴强度校核图2-16驱动轴结构图、受力图、弯矩图、转矩图、当量弯矩图许用应力：查表得σ许用应力值：σ应力矫正系数：α当量弯矩：αT在A截面处M符合强度要求。关节伺服电机校核静止站立受力分析如图2-17。在该双菱形并联结构中，其模型可以化简为一个大的单菱形结构进行分析。图2-17静止站立受力分析图根据受力分析，设腿部结构长度d，地面给腿部的支持力为F，两个主动件夹角为α，关节伺服电机所能提供的转矩为Me。可建立如下转矩不等式：M四足机器人重量m1为40kg，初步设定负载m2为60kg，则：F根据其不同站立高度确定其两个极限位置：αα将式2-6、2-7分别代入式2-4，得：MM故在最低姿态站立时取到极限值。初步确定电机选用50Nm。根据式2-4、2-5，可推得最大负载为75.28kg。步态行走受力分析