【《某四足消防机器人的总体方案设计案例》3300字（论文）】

某四足消防机器人的总体方案设计案例目录某四足消防机器人的总体方案设计案例 11.1.四足消防机器人的总体功能及指标 11.1.1.四足消防机器人的总体功能 11.1.2.四足消防机器人的项目指标 11.2.机构方案的设计选择 22.2.1.12自由度的实现 21.3.1.电机执行动作的设计 41.4.小腿控制方案及电机连接结构方案的设计 51.4.1.小腿控制方案的选择 51.4.2.关节连接部位的结构方案 61.4.3.消防功能装置安装方案 7四足消防机器人的总体功能及指标四足消防机器人的总体功能本设计四足消防机器人的总体功能是能够完成正常足式机器人的行走，运动灵活，能够实现十二个自由度的动作、爬坡越障，主要是在山地丘壑地带自由活动。本设计旨在针对丘壑地带发生火灾时，研制一款四足消防机器人可以完成灭火任务，提前进入火灾现场将现场的环境情况如温度、火势大小、氧气浓度以及路况等实时返回火灾救援中心，以减少不必要的人员伤亡，为救援提供有效的信息。同时对于机器人上部携带的灭火罐也可以替换成氧气瓶，及时给消防救援人员提供补给。本项目的四足机器人通过携带氧气瓶或者灭火器进行消防救援灭火侦察任务，故对四足机器人有一定的要求，需要在崎岖不平的山地丘壑进行平稳的运动，需要机器人运动灵活，能够负载大重量，在恶劣的环境进行工作作业，同时需要配备一定数量的传感器，方便在火灾现场进行测量。以及常规四组机器人所拥有的路径导航和自主避障功能等。四足消防机器人的项目指标综合考虑实际环境要求，所设计的四足消防机器人主要是在丘壑地带进行消防作业，四足消防机器人的技术指标和功能如下表2-1所示。表2-SEQ表2-\*ARABIC1四足消防机器人的技术指标项目指标参数四足消防机器人重量≤60kg外形尺寸600×400×500负载重量≤30kg垂直方向障碍≤20cm大腿长280mm小腿长280mm行进速度1m/s续航时间4h自由度12机构方案的设计选择2.2.1.12自由度的实现该四足机器人其左右对称，存在虚约束，故分只需一边有12个自由度即可，平均下来每条腿拥有6个自由度。机器人的腿部可大致分为两个部分，分别为大腿和小腿。包括两个关节，分别为髋关节和膝关节。运动时可分为三个轴，分别为A轴、H轴、K轴，如下图所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC1四足消防机器人结构图由动物狗的解剖图，如图可知，其腿部结构分布，足端应有3个自由度，包括上下、前后、左右三个方向的位移，膝关节存在一个大腿与小腿之间的转动副为一个自由度及K轴的转动，髋关节处首先有一个大腿相对髋部在身体侧式平面的转动及H轴的转动，控制狗前进的转动，其次为控制狗左右平动的转动也在髋关节及Az轴的转动。综上所述，其每条腿6个自由度分别为髋关节处存在2个自由度，膝关节处存在1个自由度，小腿足端末处存在3个自由度。图2-SEQ图2-\*ARABIC2狗的解剖骨骼图12自由度应有12个执行元件。本次设计采用电机驱动方式，12个自由度应该有12个电机。每条腿上应有3个电机。电机放置方式共有两种方案。方案一：髋部处放两个电机，膝关节处放一个电机优点：能够实现对大腿、小腿的直接控制，效率高。缺点：电机相对分散，且位于膝盖处电机安装放置固定困难，容易造成干涉。图2-SEQ图2-\*ARABIC3方案一原理图方案二：三个电机全放置于髋关节处，通过电机之间的连接，然后使电机各输出完成相应的功能。优点：三个电机集中放置，腿部不会造成干涉。缺点：不能对小腿转动进行直接控制。图2-SEQ图2-\*ARABIC4方案二原理图综上所述，再加上参考国内外资料，经过对比筛选最终选择了方案二的电机摆放位置。有这样安装摆放电机，每条腿上3个电机共12个电机。12个执行元件与12个自由度相匹配，故可以使四足机器人运动动作稳定，保证12自由度的实现。电机执行动作的设计本设计将每条腿上的三个电机皆放在腿部的髋关节上，三个电机有着不同的功能，分别控制整个腿部的扭转、大腿的转动、小腿的转动。而整个腿部的扭转、大腿的转动都是通过电机直接驱动控制，小腿转动则是间接控制。电机1控制整条腿的扭动，通过采用髋关节连接结构，带动电机2与整条腿相对于整个机器人在左右方向的扭动。这样可以使机器人完成两腿并拢、张开，左右平移的动作。如下图所示，电机1带动电机2及整条腿的扭动，从而使机器人的动作发生变化，达到腿部扭转从而使机器实现左右位移或者脚部足端位置的改变，这也是腿部在A轴的转动。图2-SEQ图2-\*ARABIC5电机1输出展示图电机2为将其与电机3通过零件连接，从而将电机2的输出带动电机3和大腿的转动，实现大腿在H轴的转动。其中电机3与大腿是通过螺栓等连接，故电机3转动会带动大腿相对于髋关节的转动。由于电机3是控制小腿实现转动功能的，而小腿的转动则是围绕膝关节转动的，与电机3相隔一条大腿的距离，故不能直接控制驱动，则需通过传动装置将电机3的输出动力传递到膝关节处。该传动装置方案共有三种机构，分别为四连杆机构、滚珠丝杠机构以及带传动。电机3通过其传动装置将输出传递给膝关节从而实现小腿围绕膝关节的转动，也是K轴的转动。小腿控制方案及电机连接结构方案的设计小腿控制方案的选择由于小腿的控制是间接控制，故需要对其传动机构进行设计。而控制小腿转动的关键为使其与膝关节发生转动，膝关节与电机3由大腿相连，存在一定距离，故不可能通过电机3直接驱动小腿围绕膝关节转动。这便需要通过传动动力的机构来充当中间环节。由于电机输出的为转动，小腿实现的动作也为转动，通过研究分析最终得出了以下三种方案来实现电机对小腿的控制。方案一：四连杆机构通过曲柄摇杆来传动动力，电机3在其偏心位置处与四连杆中的最短杆相连接，该四连杆机构为曲柄摇杆机构，通过曲柄摇杆机构的急回特性来带动摇杆的转动，而摇杆与膝关节相连，从而通过膝关节的旋转副带动小腿的转动。其结构优点为机构简单，易实现。缺点为占空间大易损坏。方案二：连杆机构加滚珠丝杠其原理与四连杆机构相同，也是通过电机3在其偏心位置处与连杆相连输出转动，在此处为滚珠丝杠，电机输出的转动通过滚珠丝杆将其转动变为丝杠末端的移动，其末端与膝关节相连，从而使膝关节旋转带动小腿的转动。其优点为精度高，寿命长，工作平稳，可靠性高；丝杆传动机构，具有简单可靠的优点。缺点为不适用于重型负载，安装成本高。方案三：同步带传动该方案则是通过将电机的输出直接驱动带轮，通过同步带传递到另一个带轮上，使其旋转，小腿也与带轮连接，故可使小腿进行旋转。同步带传动具有传动准确平稳、具有缓冲减震、传动效率高维护方便，综合了皮带传动链传动等优点。其缺点为易疲劳断裂、带侧带齿磨损。综上所述，通过对比分析研究，本设计的四足消防机器人采用同步带传动来控制小腿的转动，同步带传动能保证传动效率，且适用于本设计的机器人具有较大的扭矩。同步带传动也是具有很好的吸震能力，易维护。关节连接部位的结构方案由于本设计的四足消防机器人关节部位是需要将电机的输出采用传动连接装置，由于每条腿的三个电机都是有各自的输出，如下图所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC6三个电机连接关系图其中A为电机1，B为电机2，C为电机3。由图可以得出三个电机两两连接，电机的连接首先是从电机输出轴考虑，由于电机输出的为旋转运动，这就可以确定在电机的输出轴一端采取轴筒与电机输出轴相连，进而将电机的输出传递给电机间相用于连接的零部件，再传递给目标电机。其次电机相连的零件与目标电机的连接，则需要考虑传递的输出与目标电机的关系及图中所示，电机1与电机2的关系是，电机1输出的动力是让电机2与3以及整条大腿进行扭转，从而实现四足消防机器人的左右运动。电机2与电机3则是电机2输出带动电机3旋转，电机3与大腿锁定旋转从而实现大腿的旋转。从上面的电机之间的关系可以得出，电机1与电机2布置为垂直关系，电机2与电机3为平行并联的形式。电机3与大腿为固定连接，同步旋转的形式，电机3输出为带轮，故通过其不同的电机布置确定不同的连接零件，AB之间的连接为连接轴筒加电机侧边的弧形装置，BC之间的连接为连接轴筒加电机正面的连接装置。消防功能装置安装方案本次设计的四足消防机器人其消防功能为自带一个灭火器或者氧气瓶到火灾现场进行作业，故需要在机器人的上面设计一个用于安装灭火器或者氧气瓶的安装底座。由于灭火器以及氧