平行四边形双足步行机器人

题目：平行四边形双足步行机器人摘要机器人技术的进步与成熟可以给社会带来极大的影响和帮助。机器人设计主要用于攻克人类的多数工作以及任务，可以长时间工作以协助人类完成目标任务，本次毕业设计针对平行四边形双足步行机器人进行设计。本文详细介绍了平行四边形双足步行机器人的基本特点和相关知识内容；基于步行机器人的相关参数，总体设计其结构方案，并对实现其功能的有关机构进行设计；对设计所得机器人的基本工作原理进行阐述，介绍设备的工作流程；对其驱动机构和传动机构进行设计，并对相关设计参数进行校核计算，确保设计的机械设备具有足够的刚度以及强度，能够满足实际生产的需求；并借助计算机给图软件进行制图。关键词：机器人；结构方案；驱动机构

AbstractTheadvancementandmaturityofrobottechnologycanbringgreatinfluenceandhelptothesociety.Robotdesignismainlyusedtoconquermostofhuman'sworkandtasks,andcanworkforalongtimetoassisthumantocompletethetargettask.Thisgraduationprojectisdesignedforparallelogrambipedalwalkingrobot.Inthispaper,thebasiccharacteristicsandrelatedknowledgeoftheparallelogrambipedalwalkingrobotareintroducedindetail.Basedontherelatedparametersofthewalkingrobot,theoveralldesignofitsstructurescheme,andtherealizationofitsfunctionoftherelevantinstitutionsaredesigned;Thebasicworkingprincipleofthedesignedrobotisdescribedandtheworkingprocessofthedeviceisintroduced.Thedrivingmechanismandtransmissionmechanismaredesigned,andtherelevantdesignparametersarecheckedandcalculatedtoensurethatthedesignedmechanicalequipmenthasenoughrigidityandstrengthtomeettheactualproductionrequirements.Andwiththehelpofcomputertomapsoftwarefordrawing.Keywords:robot;Structuralprogrammes;Drivingmechanism

目录摘要 3Abstract 41绪论 71.1研究意义及目的 71.2国内外发展现状及趋势 71.3本设计工作内容 82平行四边形双足步行机器人设计方案 102.1设计内容 102.2设计总体方案 102.2.1构型设计 102.2.2驱动方式的选择 112.2.3摄像系统 113机器人构型的设计 133.1人体下肢生物骨骼模型 133.1.1人体的基本平面和基本轴 133.1.2下肢各关节的运动 143.2平行四边形双足步行机器人的构型设计 153.2.1机器人工作原理 153.2.2关节驱动原理 163.2.3关键尺寸和转角范围的设计 173.3摄像头的安装与选用 184机器人动力的设计 204.1电机的选用 204.1.1电机选型 204.1.2电机装置过载校核 204.2滚珠丝杠螺母副的设计 214.2.1滚珠丝杠选型计算 214.2.2滚动导轨选型设计 224.2.3计算导轨的寿命 23第5章标准件的选择 245.1选用轴承 245.2螺纹连接设计 24总结 26致谢 27参考文献 29

1绪论1.1研究意义及目的本次课题定位平行四边形步进机器人，即设计出机器人中较为常见的类别——步进机器人，采用平行四边形特性模拟机器人行走。机器人是近代科学主要研究方向，机器人技术的进步与成熟可以给社会带来极大的影响和帮助。作为自动执行工作的机械装置，机器人恶意接受人类指挥，也可以执行预先编排的程序，或者根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人设计主要用于攻克人类的多数工作以及任务，可以长时间工作以协助人类完成目标任务，在一些特殊工作领域甚至可以取代人类进行高强度作业例如制造业、建筑业或危险工作。历经毕业设计整个过程的锻炼和学习，需要能够初步掌握机械设计的基本流程和设计所用的相关方法，需要能够使得知识贮备也迈上新台阶，需要能够结合实际情况综合运用各种不同的知识，能够更好的理论结合实践，将所学知识服务于生产实际，需要培养创新意识和提高设计能力。结合实际工况完成整套平行四边形步进机器人的设计，设计所得的机械人需要基于现有的实际生产水平，能够实现量化生产，能够为生产设计切实的解决问题，具有现实价值。设计的过程是学习的过程，需要培养构思设计方案的能力，需要培养机械制图的能力，总结收获各种进行机械设计的有关方法，为今后的机械设计工作打下基础。1.2国内外发展现状及趋势机器人可以是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物但是日本不同意这种说法。日本人认为“机器人就是任何高级的自动机械”，这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。因此，很多日本人概念中的机器人，并不是欧美人所定义的。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。机器人是指采用传感器、智能和控制系统以及驱动系统三种基本技术的智能机械系统1。日本机器人在传统制造业，以及劳动力严重不足的护理、医疗、基础设施和灾难响应等领域均有广泛应用。当前，随着人工智能等新技术与机器人不断深度融合，先进人才培养等举措的积极推进，智能机器人正为工业4.0进程注入新活力。目前研制中的智能机器人智能水平并不高，只能说是智能机器人的初级阶段。智能机器人研究中当前的核心问题有两方面：一方面是，提高智能机器人的自主性，这是就智能机器人与人的关系而言，即希望智能机器人进一步独立于人，具有更为友善的人机界面。从长远来说，希望操作人员只要给出要完成的任务，而机器能自动形成完成该任务的步骤，并自动完成它。另一方面是，提高智能机器人的适应性，提高智能机器人适应环境变化的能力，这是就智能机器人与环境的关系而言，希望加强它们之间的交互关系。本次课题为步进多足机器人中双足机器人的一种改进应用，足式机器人在机器人运动中可以实现较为复杂的运动，在对不同地形的考察，或者困难地形中的货物运送具有协助或者代替人类的特点与优势。利用所学基础知识和专业知识进行设计分析与解决问题，做到巩固与提高多种知识的综合运用水平。通过本次设计，可以将知识与实际设计运用结合，更加具体地展示出科技带来的直接有利影响，对解决实际问题有具有十分重要的意义。1.3本设计工作内容本次毕业设计针对针对平行四边形双足步行机器人进行设计。调查分析现有机器人的相关产品，对其进行研究对比，总结各个设备的优缺点，存优取缺，结合新型技术设计确定机械设备的新方案，然后借助计算机绘图软件对机器人的相关图纸进行绘制。本文设计的主要工作内容如下：1）结合实际情况，综合各项因素，确定总体平行四边形双足步行机器人的结构方案，初步设计确定它的驱动机构和传动机构，并对整套设备的工作原理以及基本构成进行详细介绍,绘制机器人的结构草图，为后续机械设计流程做好铺垫。2）基于先前确定的整套结构方案，详细设计机械人的动力机构，对设备所用电动机装置进行选型设计，并对主要部件的结构参数进行设计。3）校核计算机械人的主要机构和主要零部件。4）借助计算机绘图软件绘制整套机械人的零件图和装配图。5）完成设备设计说明书的编写。

2平行四边形双足步行机器人设计方案2.1设计内容1）制定平行四边形双足步行机器人的总体设计方案；2）设计机器人的驱动机构以及传动机构；3）对机器人的主要零部件进行设计，对设备中的标准件进行选型设计；4）设计计算主要机构和核心零部件的相关尺寸，并对设备的强度和刚度进行校核计算，确保设计制造的机器人能够满足实际使用需求。2.2设计总体方案2.2.1构型设计 构型设计是平行四边形双足步行机器人研究的首要环节，也是极其重要的一步，构型设计的好坏将直接影响到整个系统的最终功能实现的好坏。本章在人体下肢生物骨骼模型的基础上，设计了一种8自由度的外骨骼双足步行机器人，包括驱动原理的设计，驱动形式的结构设计等等。双足步行机器人构型设计应满足以下几点原则：1.构型设计首先要能实现机器人的行走；2.构型设计必须确保机器人行走的稳定性；3.在确保机器人强度和刚度的前提下，外骨骼的本体要尽可能的轻便化。为了降低研发成本，缩短开发周期，简化研发过程，采用了虚拟样机技术对机器人的结构进行设计。机器人结构简图如2-1所示。图2-1机器人结构简图2.2.2驱动方式的选择关节驱动器按传动方式可分为直线驱动和旋转驱动两大类。气动驱动器具有结构简单、轻便、使用方便、清洁无污染等优点，但由于气体是可压缩的，气缸运行的精确性和响应平稳性较差。液压缸驱动器具有结构简单、使用方便、运行平稳、可实现大功率输出等优点，但存在液压油易泄露、易污染、笨重、对控制要求较高等缺点。根据分析比较，采用了控制精度高、运行噪声小、清洁卫生的电机带动丝杠的直线驱动器。平行四边形双足步行机器人结构图如图2-2所示。图2-2平行四边形双足步行机器人结构图1-左脚板2-右脚板绊3-丝杆4-电机5-摄像头6-丝杆轴承7-电机8-右脚板9-左脚板2.2.3摄像系统摄像系统安装在机器人的头部，摄像机红外线发射器捕捉到外部环境，由图像处理软件模块提取分析，建立图像特征与行走相关模型，并对图像信息进行运算，从而判定行走方式。

3机器人构型的设计构型设计是双足步行机器人研究的首要环节，也是极其重要的一步，构型设计的好坏将直接影响到整个系统的最终功能实现的好坏。本章在人体下肢生物骨骼模型的基础上，设计了一种8自由度的步行机器人，包括驱动原理的设计，驱动形式的结构设计等等。并对其进行运动学分析，为后续奠定基础。3.1人体下肢生物骨骼模型了解人体下肢生物骨骼模型，分析人体运动时下肢各关节的转动情况，为机器人构型设计的自由度配置，关键尺寸和转动角范围的确定奠定基础。3.1.1人体的基本平面和基本轴在研究人体运动之前，首先必须建立参考坐标系。本设计结合人体运动学以及临床医学等相关学科得到人体在行走过程中的运动空间，其基本轴和基本平面如图3-1所示。图3-1人体基本平面和基本轴人体的基本平面包含三个，分别为矢状面、冠状面和水平面。矢状面是指沿着人体前后径且与地面垂直的切面，它将人体分为左右两个部分。冠状面是指沿着人体左右径且与地面垂直的切面，它将人体分为前后两个部分。水平面是指横切竖直人体且与地面平行的切面，它将人体分为上下两个部分。人体的基本轴包括三个，分别为矢状轴X、冠状轴Y和垂直轴Z。矢状轴是指垂直于额状面且位于矢状面内的轴，即矢状面与水平面的交线；额状轴是指垂直于矢状面且位于额状面内的轴，即额状面与水平面的交线；垂直轴是指垂直于水平面，即额状面与矢状面的交线。3.1.2下肢各关节的运动人体下肢关节包括髋关节、膝关节、踝关节以及不动和少动的关节。其中，髋关节、膝关节以及踝关节的运动起决定性作用，而其它关节只起到一定的调节功能。为了便于建立模型，只考虑髋关节、膝关节和踝关节。人体下肢关节的运动形式主要有三种：内收/外展、屈曲/伸展、内旋/外旋。如图3-2所示。内收/外展：绕着矢状轴运动且运动关节位于冠状面内的运动方式。屈曲/伸展:绕着冠状轴运动且运动关节位于矢状面内的运动方式。内旋/外旋：绕着垂直轴运动且运动关节位于水平面内的运动方式。图3-2人体关节运动示意图髋关节具有3个自由度，即可作外展/内收、屈/伸和内旋/外旋旋运动；膝关节具有1个自由度，即在矢状面内的屈/伸运动；踝关节具有3个自由度，可作拓屈/背屈、内收/外收和外展/外翻运动，如图3-3所示。图3-3人体下肢各关节的基本运动(a)大腿、小腿的屈/伸(b)大腿的外展/内收(c)大腿的旋内/旋外(d)踝关节的运动人体在矢状面的运动主要是靠髋、膝、踝三个关节的屈/伸来完成。其下肢各关节的运动范围如表3-1所示。表3-1下肢各关节活动范围3.2平行四边形双足步行机器人的构型设计3.2.1机器人工作原理平行四边形双足步行机器人构型设计应满足以下几点原则：1.构型设计首先要能实现机器人的行走；2.构型设计必须确保机器人行走的稳定性；3.在确保机器人强度和刚度的前提下，外骨骼的本体要尽可能的轻便化。为了降低研发成本，缩短开发周期，简化研发过程，采用了虚拟样机技术对机器人的结构进行设计。由于人体的行走运动主要是在矢状面内进行，即通过髋关节的屈/伸运动、膝关节的屈/伸运动、踝关节的背屈/跖屈运动来完成。同时，为了实现行走过程中机器人在冠状面内的重心转换，在机器人足底施加了一个可进行重心调整的旋转自由度。因此单腿具有4个自由度，即髋、膝、踝在矢状面内屈/伸以及冠状面内的足底转角的旋转运动。整个机器人系统共有8个自由度，如图3-4所示。图3-4机器人结构简图3.2.2关节驱动原理单腿结构原理：机器人的单腿结构原理如图3-5所示。其中，髋、膝、踝3个关节采用同样的驱动模块，利用曲柄滑块机构将驱动器的直线运动转化为关节的旋转运动。图3-5机器人的单腿结构原理髋、膝、踝结构原理：外骨骼的髋、膝、踝关节采用了相同的曲柄滑块驱动原理，以髋关节例，如图3-6所示。假设AD为机架，丝杠固定转动，丝母在丝杠上滑动，从而带A的转动，转动角为α。图3-6髋关节结构原理3.2.3关键尺寸和转角范围的设计1）相关尺寸双足步行机器人外形尺寸是根据人体各主要部位之间相对比例来设计。由于不同人的身高、体重是不同的，同时也有胖瘦之分，身体各部分尺寸也有一定的差异。但是在一般规律上，人体各主要部位尺寸间相对比例是固定的。如图3-7表示人体各主要部分占身高的比例。其中肩部至地面的尺寸为0.818H，髋关节至地面的尺寸为0.530H，膝关节至地面的尺寸为0.246H，踝关节至地面的尺寸为0.039H，两胯之间的尺寸为0.191H。根据以上的身材比例，计算出身高在165cm至185cm范围内的人的大腿和小腿尺寸的变化范围约为5cm，踝关节至地面尺寸变化范围约为0.8cm。由于变化范围相对于整体较小，设计的外骨骼双足步行机器人关键部位尺寸以175cm身高的人为参考，即大腿尺寸为450mm,小腿尺寸为440mm，踝关节至脚面75mm。图3-7人体各部位占身高H的比例(2)关节转角设计的双足步行机器人关节活动范围应满足人平底行走和上、下楼梯的旋转角度。由实验测得常人平地行走和上下楼梯的关节在矢状面内的活动范围如表2.2所示。因此外关节转角范围为髋关节-18°~18°，膝关节0°~91°，踝关节-26°~18°。同时，为了保证机器人在行走过程中重心在冠状面内能够左右转移，足底重心转移模块的角度范围为-12°~12°。表3-2人各关节在矢状面的转动范围3.3摄像头的安装与选用摄像头安装在机器人的头部，视觉范围必须尽可能扩大。当摄像机红外线发射器捕捉到外部环境，由图像处理软件模块提取分析，建立图像特征与行走相关模型，并对图像信息进行运算，从而判定行走方式。TE968H是新一代无线迷你DVR录像系统。5英寸超大高清显示屏，可接收和录制无线和有线摄像机AV信号，并具备拍照、移动侦测录像、自动覆盖功能。无论是安全防范，还是掌握证据，此款便携式无线迷你DVR都是最佳之选。具有无干扰5.8G频率；黄铜的外壳，高贵耐用；和原光学猫眼一样的外观，更换之后外观保持原样；0.008LUX超低照度，在微光下看清访客；90°宽视角；13.8mm超小尺寸直径，侦察单元变焦倍数为30，刷新率30fps，获取图像像素1200万。使用方便，不用钻洞，直接安装；低功耗，保证长时间的工作寿命；操作方便、无需穿孔引线，无线监视器或DVR在客厅或房间进行监控,方便快捷。打开无线监视器或DVR，调到与猫眼摄像机相同的频道即可进行监控。本次设计采用TE968H型摄像机。

4机器人动力的设计关节驱动器按传动方式可分为直线驱动和旋转驱动两大类。气动驱动器具有结构简单、轻便、使用方便、清洁无污染等优点，但由于气体是可压缩的，气缸运行的精确性和响应平稳性较差。液压缸驱动器具有结构简单、使用方便、运行平稳、可实现大功率输出等优点，但存在液压油易泄露、易污染、笨重、对控制要求较高等缺点。根据分析比较，采用了控制精度高、运行噪声小、清洁卫生的电机带动丝杠的直线驱动器。4.1电机的选用4.1.1电机选型结合本文设计机械设备的实际使用情况，所用电机装置的载荷大小需要达到，设定它在旋转运动作业过程中的转速大小为。机械设备的有效功率是设备在满载情况下进行正常工作需要的功率大小，本文设计机械设备的有效功率大小为：P由于功率会在传动过程中发生损耗，故需测定各级传动中的传递效率，设由动力设备至工作设备之间的总效率大小是，η1和ηη=本文设计机械设备所用电动机装置的所需功率大小为：P结合本文设计机械设备的实际使用情况，综合各种因素，最终选用额定功率大小为1.5kw的步进电机20BYG250-33型号电机。4.1.2电机装置过载校核由下列公式对本文设计机械设备所用电机装置的过载能力进行校验：──；──；──，；──；──本文设计机械设备所用电机装置的静功率大小为：──；FQ=2KN──；──=0.7015；得：PP通过上述计算可知，本文设计采用混步进电机20BYG250-33型电动机设备能够满足实际使用需求。由于本文设计机械设备的使用频率相对较低，电机装置的发热情况相对较少，故无需校核计算装置发热情况。4.2滚珠丝杠螺母副的设计4.2.1滚珠丝杠选型计算1）计算最大工作载荷Fm本章将就横向丝杠螺母副进行设计。根据实际工作环境，设需要移动的部件质量是80kg，则重量为Ｇ＝800N，横向丝杠螺母副承载的横向载荷要大于垂直载荷，设FX=1400N根据矩形导轨设计计算，取，=0.005。计算可得工作载荷最大值：F2）计算工作载荷FQ 本设计设备的最快运转速度是v=400r/min，初步定丝杠的导程是,可得丝杠对应转速是。设定滚珠丝杠的使用寿命,进行计算6,可求该设计丝杠对应的寿命系数是。已知：,该设计的导轨副的滚道硬度能够达到，，计算可得动载荷最大值是：FQ=3）型号选择按动载荷的最大值以及丝杠导程进行分析确定，采用G系列丝杠中型号为的滚珠丝杠副，其内循环采用的是单螺母式固定反向器，对应的公称直径尺寸是，其对应导程是，内部选用的循环滚珠是系列的循环滚珠，该循环滚珠制造精度选的是5级精度，设定其可承受的额定动载荷，该值超过FQ，设计符合要求。4.2.2滚动导轨选型设计正常工作中所受到载荷能够直接影响到直线滚动导轨副的寿命长短，其是非常重要的因素之一。此次设计将工作台使用双导轨二滑块进行支撑。其中最为不好的状况就是，一个滑块承担了所有垂直方向的工作载荷，此时这个滑块受力是处于最大值，可得该滑块所受载荷是：F需要移动的部件质量是80kg，则重量为Ｇ＝800N；外加载荷Fy=800N计算可得工作载荷：=2.6kN。已知=2.6kN，直线滚动导轨副在KL系列中进行选型，考虑本设计，选择型较为合适，该型号导轨副额定动载荷，额定静载荷是。根据设计要求，该设备加工范围在之中，根据设计手册的表，确定本设计导轨副导轨的长度200mm。4.2.3计算导轨的寿命本设计选用型号为的直线滚动导轨副，该设计的导轨副的滚道硬度能够达到，该轨道正常工作的温度要小于C，同时单根导轨配合2个滑块，该导轨的制造精度为4级精度，滑块的工作速度不高，所受到的载荷比较小。查数据得精度系数f=0.9，硬度系数f，接触系数f=0.81，温度系数f，载荷系数f，代入式（3-33），计算可得距离寿命是：L=本设计的期望值是50Km，通过计算，该计算值远远超过期望值，设计满足条件

第5章标准件的选择5.1选用轴承滑动和滚动是生产实际中轴承装置最为常见的两种不同的摩擦类型，两种不同类型的轴承各具优点，需要结合机械设备的实际使用情况进行合理选择。其中滚动轴承装置的摩擦阻力小、故其在正常使用过程中产生的功率损失也较低。该种类型轴承装置的设计安装过程较为容易，因为它在使用过程中产生的磨损情况较少，故其具有较长的寿命周期。总而言之，滚动轴承装置安装可靠，轴承的使用过程相对较为稳定，易于实现批量生产，故广泛应用于各种机械设备中。滑动轴承装置所需的设计安装尺寸较小，故使用该类轴承能够有效缩减机械设备的体积和质量，加之它的加工制造成本费用相对较低，多数机械设备选用该种轴承装置进行设计制造。结合本文设计机械设备的实际情况，综合各项因素，本文设计机械设备最终选用型圆柱滚珠轴承装置。5.2螺纹连接设计结合本文设计机械设备的实际情况，综合各项因素，最终选择45钢材料加工制造螺栓零件。在本文设计机械设备所用螺栓零件在结构尺寸确定后，需要结合机械设备的实际工况校核计算连接强度，确保设计的螺栓零件能够符合实际使用需求。结合本文设计机械设备的实际情况，综合各项因素，最终选择4.8级螺纹螺栓零件连接相关部件。依据，结合本文设计机械设备的实际情况，综合各项因素，最终选定公称直径尺寸为的螺栓零件用于本文设计机械设备的部件连接。

总结本次毕业设计的学习过程综合复习了大学期间所学的各项知识，并将各门学科的相应知识进行总结，结合本文设计的实际情况加以应用,有效锻炼了我进行机械设计的工程能力。历经本次毕业设计整个过程的学习和总结,使得自身机械设计能力水平得到显著提高，是真正接触社会工作的一次锻炼。设计完成本文机械设备装置之后，我已经能够掌握机械制图的相关绘图要领，也加深了机械设计相关理论知识的学习，本文设计的整个过程应用到计算机辅助设计，让我对机械设计有了全新的认识，机械设计过程能够借助计算机软件辅助完成，能够在一定程度上简化机械设计的难以程度。除此之外，我对各种常见机械运动机构也有了更深的认知，能够根据各种不同的实际需求，合理进行机构选用，设计制造最为适宜的机械装置。通过计算机软件solidworks完成整套机械装置图纸的绘制，并绘制完成其主要机构和主要零部件的图纸，使得我计算机绘图能力得到显著提高，设计制造简单机械装置的设计效率也得到提升，这为我今后的学习和机械设计制造工作奠定了坚实的基础。经过整个毕业设计过程的学习和总结，得到一次全新的锻炼与提升，我能够较好的运用SW等计算机绘图软件设计机械机构和整套设备，已经能够较好的掌握机械设计制造的相关知识内容，这为我今后的机械设计工作奠定了坚实的基础，这也是毕业设计的初衷。

致谢历经数月的毕业设计在我的不懈努力下终于顺利完成，虽然在整个设计过程中遇到诸多难题，但是在老师的悉心指导下都得到顺利的解决，非常感谢指导老师的付出，没有您的指导和帮助，我很难完成本次毕业设计的全部内容。也非常感谢同班同学，大家为了塑造了一个良好的学习环境，正是大家的互帮互助，才让毕业设计的进程顺利进行，才能保质保量的完成本次毕业设计。在设计过程中我也遇到了很多难以单独解决的问题，在设计经验上，我们学生只进行过以小组形式的课程设计，并且课程设计都有老师的任务分配与设计参考书作为样本，我们只需要在设计上按老师要求进行改动，并且按照自身分配到的任务进行合理修改，就可以得到符合课程设计要求的最终设计结果。但是毕业设计与课程设计不同，除了时间跨度不同以外，多数情况下每个学生都是单独课题，一般情况下与同学课题的关联性也很小，就导致无法通过合作来完成自身课题，虽然