毕业设计（论文）-仿生弹跳机器人结构设计

仿生弹跳机器人结构设计绪论1.1研究背景与意义仿生机器人研究具有重要的理论价值和实践意义，对于机器人技术的进步和实际应用具有积极的影响。近些年来，仿生机器人领域经历了突破性的发展。人们对生物体的运动机理和结构特点进行深入研究，并将这些原理应用于机器人的设计中。特别是在弹跳机器人方面，吸引了越来越多的关注和研究。近年的发展成果使仿生弹跳机器人的性能得到显著提升，为机器人在复杂环境中的应用提供了更多可能。本论文的研究从前沿的仿生机器人研究成果出发，通过设计仿生弹跳机器人的机构，旨在提高机器人的弹跳能力和稳定性，并探索其在实际应用中的潜力。最近的研究表明，仿生机器人的弹跳能力不仅可以用于灾难搜救、勘测和探险等任务，还可以应用于体育训练、娱乐和服务机器人等领域。因此，本论文的研究内容与近期的发展趋势紧密相关，将为仿生弹跳机器人的未来发展提供关键的理论和实践支持。随着人们对机器人性能要求的提高，传统机器人的动作能力和灵活性已经不能满足日益复杂和多样化的任务需求。因此，设计高效的弹跳机器人机构具有重要的实践价值。通过对生物学原理的借鉴和仿生设计，可以提高机器人的运动能力和稳定性，使机器人能够应对更具挑战性的任务，提升工作效率、降低风险。仿生弹跳机器人的出现将促进机器人技术在工业、医疗、救援、农业等领域的应用，推动社会的智能化和自动化进程。本论文旨在设计仿生弹跳机器人机构，探索借鉴生物学原理实现高效弹跳机器人的设计，提高机器人的弹跳能力与稳定性，并在实践应用中发挥重要的作用。在近些年的发展背景下，本研究具有重要的理论价值和实践意义，对促进仿生机器人领域的进一步发展具有重要推动作用。同时，该研究也为机器人技术在各个领域的应用提供了新的思路和方法，对推动社会的智能化和工业化进程具有积极的意义。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外学者在跳跃机器人研究领域取得了一些研究成果，并成为该领域的先驱。1980年，美国麻省理工学院的Raibert教授以弹簧倒立摆模型为基础，研制出了单腿连续型跳跃机器人。虽然当时的科技水平存在一定的缺陷，但该结构为后续跳跃机器人的发展提供了重要的理论支持，从而开启了跳跃机器人的研究之路。随后，Raibert教授在单腿机器人的基础上进一步研究，成功制作出了两种不同的跳跃式机器人。一种是二维单腿仿生弹跳机器人，该机器人的腿部结构类似于袋鼠的后足，具备四个关节，并通过电动驱动控制起跳和落地。另一种是三维仿生弹跳机器人，该机器人能够跳跃1.1米高，重量达17.3千克，起跳速度高达2.2米每秒，并表现出良好的跳跃稳定性。瑞士洛桑联邦理工学院总结蚱蜢、跳蚤、蝗虫等昆虫的运动机理和能量传输规律，研发出了重量仅为7克的仿蚱蜢跳跃机器人。该机器人身长仅有3厘米，但可以跳跃高度达到1米，跳跃距离甚至是身长的27倍以上。它采用小型电机和微型电池作为驱动装置，通过减速箱驱动离心轮旋转，离心轮带动髋关节的扭簧储存能量，最后通过释放装置释放扭簧中的能量使机器人离地跳跃。研究人员可以通过调节该机器人的腿部结构来改变起跳角度、起跳速度和腿部结构的运动轨迹。此外，通过改变弹簧的固定位置，也可以调节机器人在小范围内的能量传输规律。通过这两种方式的协调，可以达到所期望的起跳速度和起跳角度。1.2.2国内研究现状国内学者在仿生跳跃机器人的研究方面起步较晚，目前仍处于发展初期。然而，随着时代的发展，国家对高新技术领域的支持越来越大，尤其是在仿生机器人领域。因此，越来越多的研究人员将他们的研究目光聚焦在这一领域，并取得了一定的研究成果。这些成果主要体现在各大高校和研究机构研制的不同类型的仿生跳跃机器人上。现有国内外有关仿生弹跳机器人的研究主要集中在对昆虫、青蛙、猴、袋鼠等仿生机器人的研究上。仿蝗虫弹跳机器人因为其移动速度快的特点，对户外的非结构路面适应性较传统运动方式的机器人更强，展现出优越的越障和跨越沟渠的能力。顾萍萍[1]基于对蝗虫的生理结构分析、运动过程分析、运动学分析、弹跳性能分析以及材料刚度强度的校核设计出了一种仿蝗虫弹跳机器人的机械结构，设计了如图1.1所示的机器人成品。图1.1仿蝗虫弹跳机器人的仿真模型图1.2仿蚱蜢弹跳机器人弹跳腿结构图熊勇刚等[13]以生物学蚱蜢的腿部构造为基础，建立仿蚱蜢腿部弹跳机器人杆件模型，模仿蝗虫后腿结构，设计了仿蚱蜢弹跳机器人弹跳腿，如图1.8所示。成威[14]在论文中以弹跳性能优秀的蚱蜢为仿生研究对象，将蚱蜢的运动机理和身体结构与机器人的应用研究通过仿生学原理相结合，在仿蚱蜢弹跳机器人腿部机构的基础上进行简化，构建起跳阶段的运动学模型和动力学模型，在虚拟样机ADAMS中进行仿真实验，构建仿蚱蜢弹跳机器人样机模型，并对样机的弹跳全过程进行仿真，获得相关的运动学和动力学参数，验证了仿蚱蜢弹跳机器人整体结构设计的可行性。设计了一款具有高爆发和出色弹跳性能的仿蚱蜢弹跳机器人，如图1.3所示。图1.3蚱蜢仿生弹跳机器人二维模型图1.4柔性框辅助被动复位弹跳机器人莫小娟等[12]结合国内外微小型弹跳机器人的研究现状，将弹跳机器人分为非仿生弹跳机器人和仿生弹跳机器人，如图1.4。葛文杰[2]提出了仿袋鼠弹跳机器人机构模型，设计模型如图1.5所示，进而进行了仿生弹跳运动学及动力学研究建立了仿袋鼠弹跳机器人机构分析理论及设计方法，从机构学角度揭示了袋鼠弹跳的运动机理为仿袋鼠弹跳机器人的实现解决其弹跳机构。图1.5袋鼠弹跳机器人图1.6单腿弹跳机器人整体结构李静等[5]根据弹跳机器人的设计需求和动物猴的弹跳特性，采用八连杆机构仿生动物猴的腿部结构，设计了一种仿生动物猴单腿弹跳机器人，如图1.6所示。吕延钊[7]以猴类中的狨猴为研究对象，探究其在树间的弹跳机理，研究了其骨骼的力学特性和肢体变化特点，量化了尾巴对其身体姿态的影响，结果表明尾巴对狨猴俯仰姿态的调节具有至关重要的作用，这一生物学特征可以提高弹跳机器人的姿态稳定性。设计了如图1.7所示的机械结构，以及对相应的机器人的结构设计与材料的研究进行相对应的解析。a.狨猴骨骼示意图以及对应的名称；b.对应于狨猴腿部骨骼的机械弹跳腿示意图图1.7狨猴骨骼及弹跳腿示意图青蛙因其弹跳性能卓越，也被广泛研究。章沁然[2]基于SLIP机器人模型提出了仿青蛙弹跳机器人的机构模型，通过分析机器人质心运动轨迹与各关节角的变化结果，验证了所建立机器人机构数学模型的正确性，其结构如图1.8所示。图1.8仿青蛙机器人的三维装配效果图图1.4仿青蛙弹跳机器人的机械系统装配模型顾益聪[4]设计了一种电机与弹簧驱动的仿青蛙弹跳机器人，如图1.9所示，在分析青蛙结构特征与各个运动过程的基础上总结重心与后肢对弹跳过程的影响，提出了结构简化模型。综上所述，现有研究主要集中在对昆虫、两栖动物、哺乳动物等生物的结构和运动机理进行仿生学研究，借鉴生物体的优秀弹跳本领，设计出不同种类的仿生弹跳机器人。国外在该领域的研究起步较早，美国麻省理工学院、瑞士洛桑联邦理工学院等高校在单腿、双腿仿生弹跳机器人方面已取得较为成熟的研究成果，实现了较高的弹跳性能。国内对仿生弹跳机器人的研究起步较晚，但近年来也取得了一些进展，如仿蚱蜢、蝗虫、青蛙、袋鼠、猴等弹跳机器人的设计与仿真验证。现有研究大多集中在特定生物的结构与运动机理的建模与仿真，对于实际可操作的弹跳机器人机械结构设计与控制还需进一步深入研究。仿生弹跳机器人作为机器人技术与生物学原理相结合的产物，在提高机器人运动能力和环境适应性方面具有重要意义。但现有研究还主要停留在理论层面，距离实际应用还有一定差距。因此，本研究针对野兔等具有较强弹跳能力的生物体，设计一种四足仿生弹跳机器人机构，对其机械结构、运动学与动力学等方面进行深入研究与分析，以期为该领域的进一步发展提供参考。1.3设计主要内容本设计旨在研发一种高效、稳定和灵活的四足仿生弹跳机器人。设计的主要内容包括以下几个方面：（1）生物学原理分析深入研究野兔等动物的弹跳机理，包括肌肉骨骼结构、关节运动规律、动作过程分析等，为仿生设计提供理论基础。（2）机构总体方案设计综合考虑生物学特点、应用场景和性能指标，构思出具体的总体设计方案，确定机器人的整体布局、尺寸和运动形式等。（3）关键机构设计对机器人的腿部机构、驱动装置、弹性元件等关键机构开展详细的结构设计，涉及运动学、动力学、材料选择等多个方面。（4）动力学与运动学分析建立腿部机构运动学模型，推导出关节空间和笛卡尔空间的正逆运动学公式，为运动控制奠定理论基础。同时针对整个系统进行动力学分析，研究作用力和运动规律。2仿生弹跳机器人总体方案设计2.1基于仿生学的方案选择仿生学是一门研究生物机理并将其应用于工程设计的跨学科领域。在弹跳机器人的设计中，借鉴自然界中优秀的弹跳生物机理可以为我们提供重要启示。自然界中，许多生物都具备出色的弹跳能力，如蛙类、袋鼠、虎甲等。这些生物通过特殊的肢体结构和机理实现了高效的能量存储和释放，从而达到了优异的弹跳性能。通过对这些生物的深入研究和分析，我们可以总结出一些关键的仿生设计原则，为弹跳机器人的总体方案设计提供指导。首先，弹跳机器人应具备简单yet高效的弹跳机构，能够在小体积下实现大弹跳高度和远距离。这种机构通常由柔性材料构成，可有效存储和释放能量，同时减小整体质量。例如，蛙类的强劲蹬腿就是一种典型的柔性弹跳机构。其次，弹跳机器人应具备优异的着陆稳定性，能够在不同地形条件下平稳落地，避免倾覆。许多生物通过分散着陆冲力、提高着陆面积等方式实现了稳定着陆。第三，弹跳机器人应具备一定的方向调整能力，能够根据环境调整弹跳角度和方向，以更好地适应复杂环境。这方面的生物范例包括山羊和树獭等善于攀爬和跳跃的动物。基于上述仿生原则，我们可以进一步设计出具体的弹跳机器人方案。例如，采用类似蛙腿般的柔性蓄能机构，结合分体式结构实现稳定着陆，再通过关节结构调整弹跳角度，从而构建出一款全面性能优异的仿生弹跳机器人。当然，在实际设计过程中还需要充分考虑材料选择、控制算法、结构优化等诸多细节问题，但仿生学为我们提供了宝贵的设计思路和借鉴对象，将有助于开发出更加出色的弹跳机器人。2.1.1袋鼠的仿生研究袋鼠在自然界中经过漫长的演化后，其生物特性对于仿生弹跳机器人的设计具有极强的参考意义，研究袋鼠的身体结构、功能特性以及运动机理是设计仿生袋鼠机器人的前提。本章将在已有的袋鼠生物学研究文献及运动视频的基础上，首先从形态学和运动特点两个方面对袋鼠生物骨骼结构、质量分布、运动结构比例关系以及弹跳运动机理进行系统的分析，总结相应的运动结构特征和关节布局、运动范围及尺寸等运动学参数，并以此为设计准则，借助三维建模软件对仿生袋鼠机器人的结构进行针对性设计，使得所设计的仿生袋鼠机器人满足弹跳运动的要求。袋鼠是一种属于袋鼠目的有袋动物，是自然界弹跳性能（高度和远度）最好的哺乳动物，主要生活在澳大利亚大陆和巴布亚新几内亚的部分岛屿。袋鼠的种类繁多，约有17属52个品种，但随着自然界的长期进化和选择，许多物种濒临灭绝，本研究以现存袋鼠目中种类最多和人类最容易观察到的大袋鼠属为研究对象。自然界中的自然选择现象使得存活下来的动物都具有极强的环境适应能力，袋鼠作为弹跳性能最好的哺乳动物，其弹跳运动之所以具有运动速度快、竖直高度和水平跨度大、运动稳定性好以及耗能小的特点，主要是因为其特殊的运动结构和关节布局、合理的身体尺寸比例关系和质量分布规律以及科学的运动方式和运动机理。这是设计仿生机器人首先要研究和模仿的部分。本节以大袋鼠亚属中的西部灰袋鼠作为研究对象，对袋鼠的身体结构特点进行分析。如图2.1所示，为西部灰袋鼠的觅食状态下的骨骼结构示意图。图2.1袋鼠骨骼结构图由上图可知，袋鼠的运动结构主要由六部分组成，分别为头部、颈部、躯体、前肢、后肢以及尾巴组成。其中袋鼠的四肢同青蛙、跳蚤等多数以弹跳为主要的运动形式的动物一样是发展极不平衡的，具体表现为后肢极其的粗壮，主要由股骨、胫骨、腓骨、跗骨、跖骨和趾骨组成，含有A、B、C三个运动关节，分别表示髋关节、膝关节和踝关节；而前肢和后肢相比较短小，主要由肱骨、桡骨、尺骨和指骨组成，其关节组成与后肢相似。位于袋鼠的骶骨和肩胛骨之间的脊椎主要由胸椎和腰椎组成。袋鼠的尾部由近20节椎骨组成，并且尾巴呈现出从根部到末端由粗到细的结构。袋鼠的后肢在起跳过程中起到关键作用。后肢各运动关节间相互配合并通过脚掌作用于地面，为袋鼠弹跳运动提供了主要能量来源；前肢仅在袋鼠觅食和行走时起支撑作用，在袋鼠整个弹跳过程中，会将前肢收回到腹部下方，和袋鼠头部一样随其身体一起运动，并且在整个弹跳过程中并不与地面接触。袋鼠健壮而又灵活的尾巴不仅同前肢一样在觅食和行走时起支撑作用，而且在其弹跳运动过程中起着调整运动方向和维持平衡的作用。关于袋鼠身体各部分质量分布规律的研究，英国利兹大学应用动物学系的Alexander和Vernon等人通过解剖和测量袋鼠身体各个部分的质量，计算出了袋鼠各部分质量占总质量的比例，具体结果如图2.2所示。图2.2袋鼠质量分布图其中图中黑色实心圆圈代表的是袋鼠的质心，白色空心圆圈代表身体各部分质心，数字大小表示的即为袋鼠各部分占总质量的百分比（由于图中仅表示了一条后肢的质量比例，所以实际腿部质量是当前数据的两倍）。经过上文对袋鼠弹跳运动过程中头部、前肢功能的分析，可以把袋鼠的躯干、头部及两前肢当作一个独立的运动整体，并用其躯干来表示。此时整个袋鼠的质量可由躯干、两后肢以及尾部三个部分组成，且计算得所占比例分别为57.2%、35.8%、7%。擅长弹跳的生物其重要质量都集中在身体，腿部所占的比例比较小。因此袋鼠的躯干质量占总质量的比例大和后肢强壮有力是其弹跳运动结构上的另一大特点。躯干质量占总质量的比重较大给袋鼠弹跳运动带来的优势是，使其整体质心位置比较靠上，当后肢向后蹬地做伸展运动时，将比其它生物获得更大的起跳速度；同时，具有轻质量的腿部在腾空阶段中更容易调整腿部姿态，增加了运动的稳定性。2.1.2青蛙的仿生研究青蛙大腿部肌肉的柔韧程度比大多数动物强很多。起跳阶段，青蛙身体下蹲降低重心，这使得后肢大腿肌肉拉伸从而使青蛙获得巨大能量，最后释放身体完成跳跃以摆脱自身周边存在的危险。图2.3青蛙骨骼解剖图图2.3是青蛙的骨骼解剖图，从图中我们可以看出，青蛙由3个部分组成：头部、躯干和四肢。青蛙的重量主要分布在躯干，头部，四肢则比重很小。然而青蛙的弹跳过程四肢的作用：后肢肌肉用于储能弹跳，前肢用于缓冲落地。前肢上的关节主要是肘、肩和腕关节，但腕几乎不起作用，自由度方面：肩关节3个，肘关节和腕关节各1个。后肢上的关节主要是髋、膝、跗跖和踝，自由度方面：髋关节3个，膝和跗跖关节各1个。每个关节都由一个或多个肌肉组织来驱动其转动，由此可见，青蛙的生理结构合理而且多变，为其弹跳奠定了良好的基础。起跳阶段是青蛙准备起跳到将要脱离接触面的时段。在此过程中，青蛙的后肢负责存储起跳所需的的能量，前肢负责平衡和改变方向。神经信号由中枢神经传到后腿肌肉群，后腿肌肉群会产生收缩，同时髋、膝、踝关节之间角度变大，当弹跳力达到一定角度时，后腿结构由压缩状态瞬时变为伸展状态，重心前移，并且把前肢和躯干推向空中，此时后脚底板仍然地面存在支持力，保持身体平衡。腾空阶段是青蛙脱离接触面到将要落地的时段。后腿和前肢在此阶段负责空中姿态和落地姿态的调整。后腿基本保持伸展状态。前肢则是先向躯干两侧收缩，然后逐渐伸展向前。此阶段，青蛙的转动惯量相比其他时间段要大，运动相对平稳。落地阶段是青蛙落地到准备下一次起跳的时段。在此阶段，前肢先落地起主要作用，负责落地支撑和缓冲的作用，后肢稍后落地起到辅助支撑的作用。前肢与后肢相互协调，青蛙的重心也随着后肢着陆而偏向后侧，同时改变位姿和方向，为接下来的弹跳做好必要的工作。2.1.3野兔的仿生结构野兔之所以具备卓越的跳跃能力，关键在于其独特的骨骼和肌肉结构。数百万年的进化使野兔形成了轻便yet强韧的骨架，占体重比例仅为7%-8%，远低于其他哺乳动物。这种轻盈的骨骼结构减小了无关质量，有利于提高跳跃效率。与此同时，野兔的腿部骨骼又相当粗壮，后肢长骨如股骨、胫骨都较发达，并配以良好的关节结构，能够产生强劲的蹬力。这种"轻盈躯干+发达肢体"的混合结构恰好契合了跳跃运动的需求。除了骨骼之外，野兔肌肉的分布和力学性能也体现了跳跃优化。其后肢拥有大量强壮的肌肉，能够高效存储和释放能量。特别是股四头肌和腘肌肉，在收缩时可以瞬间释放巨大的弹力，推动身体高高跃起。与此同时，野兔的前肢相对纤细，主要用于稳定姿态，这也是减轻负重的一种体现。此外，野兔脚掌底部存在厚实的脂肪垫，能够有效缓冲着陆冲力，确保稳定落地。野兔的肢体骨骼结构非常适合跳跃运动。其后肢骨骼相当发达，包括股骨、胫骨和足骨等。这些骨骼不仅长而且粗壮，能够为肌肉提供有力的支撑和作用点。特别值得一提的是，野兔的足部骨骼如跗骨、跖骨、趾骨都极为发达，这使其后足底部面积较大，有利于在起跳和落地时与地面获得更大的摩擦力。此外，野兔后肢的结构类似一个预压的弹簧装置，以踝关节为转动中心，在蹬腿时能高效地将肌肉能量转化为动能，推动身体高高跃起。野兔的前肢骨骼则相对纤细，主要用于支撑和保持平衡。这一设计也是为了减轻整体质量，优化跳跃效率。我们在仿生设计中，可以效仿这种"强力驱动+轻量支撑"的不对称结构，既能确保跳跃动力，又能控制整机质量。野兔运动中的肌肉配置及协调性也值得借鉴。它的后肢拥有大量强壮的肌群，如股四头肌、跟腱肌等，能高效储存能量。更重要的是，这些肌肉的收缩释能是完全协同一致的，共同产生巨大的推进力。同时，腰椎及关节的柔韧性也使野兔能灵活调整身体姿态适应不同跳跃环境。在仿生设计时可以采用模块化、柔性的驱动系统，利用类似肌腱肌肉的机构储能运动。整个驱动系统应具备足够的柔性，能够协调运动，并根据环境变化灵活调节输出力。与此同时，关节部分也需要具备一定的柔顺性，以适应复杂的动作需求。如图2.4所示，野兔腿部主要由膝关节和踝关节两部分组成，两侧各有多块肌肉与肌腱相连。其中，臀大肌、臀中肌等大型肌群主要负责产生蹬腿的主要动力，通过收缩使肌腱也伸长储能。而小腿部的腓肠肌、比目鱼肌等肌肉虽体积较小，但在跳跃过程中也扮演着重要角色，主要负责调节踝关节的运动方向和幅度。这些肌肉并非都直接与骨骼相连，而是通过肌腱这一"能量传递带"来实现作用。肌腱本身是一种密集的纤维组织，具有很强的拉伸能力和复原力。在起跳时，肌肉先通过收缩将肌腱拉长并储存能量；待到需要蹬腿时，肌腱迅速释放这部分弹性能量，从而为身体提供强大的瞬时加速度。这种"肌肉蓄能-肌腱释能"的生物机理，使得野兔能够高效利用肌肉能量，实现高质量的弹跃动作。韧带由致密的胶原蛋白组织构成，能够坚固地连接骨骼关节，保证整体骨骼结构的稳定性。与此同时，韧带具备一定的弹性，能够吸收和缓冲部分冲击力，防止关节在剧烈运动时受损。这对于像野兔这样经常做落地动作的动物尤为重要。在设计仿生弹跳机器人时可以借鉴以下思路：整体采用模块化、串联式的驱动结构，将"肌肉-肌腱-骨骼"系统分别对应为"驱动器-拉索/弹簧-连杆"。驱动器可设计为柔性人工肌肉或压电致动器等，用于蓄能和释能；拉索或弹簧则充当能量传递和释放的作用；而连杆骨架负责最终的运动输出。1.落地2.肌肉舒张3.肌肉收缩4.起跳5.肌肉6.肌腱图2.4跳跃运动过程的肌肉与肌腱综上所述，本研究基于当前仿生弹跳机器人的主要研究方向，设计了三种弹跳机器人的设计方案，并进行最终比选。方案一：基于袋鼠的弹跳方式，设计弹性腿部结构的弹跳机器人。该方案中，机器人的下半身由类似于袋鼠弹性腿的结构构成，通过腿部的压缩和释放来实现弹跳。上半身则是由控制模块和传感器组成，用于控制弹跳的力度和方向。该方案的优点是弹跳高度和距离较大，且机械结构相对简单；缺点是需要较高的机械弹性，同时需要精确的控制。方案二：基于野兔的弹跳方式。该方案中，机器人通过摆臂的摆动来实现弹跳。上半身则是由控制模块和传感器组成，用于控制弹跳的力度和方向。该方案的优点是机械结构相对简单，适用于小型机器人；缺点是弹跳高度和距离有限。方案三：基于青蛙的弹跳方式，设计摆臂式弹跳机器人。该方案中，机器人的下半身由两条摆臂构成，通过摆臂的摆动来实现弹跳。上半身则是由控制模块和传感器组成，用于控制弹跳的力度和方向。该方案的优点是弹跳高度和距离较大，且机械结构相对简单；缺点是需要较高的机械弹性，同时需要精确的控制。从以上三种方案中，可以根据应用场景和机器人尺寸的要求进行选择。如果需要较为稳定的机器人，则可以选择方案二或方案三；如果需要弹跳高度和距离较大的机器人，则可以选择方案一或方案三。对此，本文根据具体的实际情况，选择方案二。2.2设计要求与技术参数仿生弹跳机器人的设计原则如下：（1）模仿自然：仿生弹跳机器人应该模仿自然界中弹跳动物的运动方式和身体结构，以便于实现更高效、更稳定的弹跳运动。（2）轻量化设计：由于弹跳是一种高强度的运动，因此机器人的结构应该尽可能轻量化，以便于减少机器人自身的负担，提高弹跳效率。（3）强大的动力系统：为了实现更高效、更稳定的弹跳运动，机器人需要具备强大的动力系统，包括强大的电机、电池和控制系统等。（4）智能控制系统：机器人的控制系统应该具备智能化的功能，能够根据不同的弹跳场景和弹跳目标，自动调整机器人的弹跳参数和运动路径，以确保机器人能够顺利地完成弹跳任务。（5）安全可靠：机器人应该具备安全可靠的设计，包括防止机器人失控、防止机器人碰撞等安全保护措施，以保障操作者和机器人本身的安全。（6）可维护性和可扩展性：机器人的设计应该具备可维护性和可扩展性，以便于对机器人进行维护和升级，提高机器人的性能和适应性。总的来说，仿生弹跳机器人的设计需要考虑到机器人的结构、动力系统、控制系统、安全性和可维护性等方面，以便于实现更高效、更稳定、更安全的弹跳运动。本课题所设计的仿生弹跳机器人的主要技术参数如表2.1所示，其中机器人的重力为2.284kg。表2.1仿生弹跳机器人基本参数长度质量小腿0.200mm0.289kg足掌0.200mm0.282kg机身长0.380mm机身宽0.302mm30kg机身高0.150mm2.3工作原理与结构组成通过分析弹跳动物的腿部尺寸，结合实际情况规划弹跳执行机构的基本尺寸。通过比较不同拓扑结构的优势与劣势，结合弹跳运动实际问题，确定本机构的拓扑结构，比较各个驱动方式的特点，选用较为合适电机驱动布置方式。野兔弹跳时，通过腿部发力，肌肉和肌腱带动腿部运动，并借助后脚和踝关节的转动，完成整个身体的飞跃。野兔的后腿非常发达，长度与腿部相当，包括髋关节、膝关节和踝关节三个转动关节；前腿包括髋关节、肘关节和腕关节。然而，由于关节数量越多，执行难度和控制复杂度就越高。因此，仿生野兔的后腿采用了简化的运动执行机构，即通过前后腿关节的布置来实现二自由度连杆机构。由于主要考虑平面弹跳运动，该机构仅由腿部旋转关节和脚部旋转关节组成。执行机构规划的自由度如图2.5所示。1.髋关节；踝关节；3.足端图2.5弹跳执行机构自由度本设计所设计的的仿生弹跳机器人，其腿部长度为20cm，脚部长度也为20cm。为了方便模块化安装和运动规划，前后运动结构的尺寸相同。在腿部与脚部连接处和腿部与机身连接处，都存在一俯仰自由度。整个弹跳机构为二自由度连杆结构，以满足在平面上运动的需求。在选择弹跳机构的驱动形式时，本设计选择了电机驱动的形式，可以输出大转矩，方便实现无极调速，而且在相同的功率条件下，传动装置的体积小、结构紧凑、重量较轻。电机驱动件在安装时也更灵活，安装位置更易选择，而且传动平稳、冲击小，有利于过载保护和控制。相比之下，小型气压驱动设备的工作压力较低，速度稳定性较差，驱动力不足，需要较大的气缸来实现爆发性较高的运动机构，且气动信号传递较慢，控制难度较大。而查找能够提供所需力矩的电机时，发现其体积过大。综上，本课题选择电机驱动作为弹跳机构的驱动方式，以满足设计条件，如图2.6。仿生弹跳机器人的结构设计中，电机通常通过齿轮传动来驱动机器人的两条腿进行弹跳。机器人的两条腿通常由电机、减速器、连杆、支撑杆和弹簧等部件组成，其中电机通过减速器将高速低扭的电机输出转化为低速高扭的输出，然后再通过连杆和支撑杆的转动来带动弹簧和机器人进行弹跳。需要注意的是，机器人的弹跳高度和距离是由电机输出的扭矩、弹簧的刚度以及弹跳角度等因素共同决定的。1.髓关节驱动液压缸；2.髋关节；3.机架4.躁关节驱动；5.腿部杆；6.跺关节；7.脚部连杆8.地面图2.6单腿驱动示意图根据上述方案的选择，本设计的腿部尺寸结构来确定整个机身的尺寸，两腿的宽度为302mm，长度为380mm。腿部臂关节的驱动电机被固定在机架上，而机架内部则放置着电机驱动和控制系统等部件。整个机身的前后腿部结构是相同的，这样方便了腿部结构的更换和维修。弹跳仿生弹跳机器人的结构如图2.7所示，机身骨架的基本结构已经确定。整个机架的材料是7075超硬铝，通过螺栓连接装配制成。需要说明的是，这里展示的只是相应的机械虚拟样机。该模型由一个机身和四个腿部执行机构组成，前腿和后腿都由模块化部件组成，这样方便了安装和拆卸。图2.7机身骨架基本结构3仿生弹跳机器人主要结构的设计与计算3.1主要机构设计3.1.1腿部机构弹跳仿生机器人的腿部组件作为运动执行机构的一部分，位于机身和足部模块之间，与足部模块一起完成弹跳运动。相对于足端模块的恶劣受力状况，腿部模块的受力情况要好得多。腿部模块的上部通过骸关节与机身相连，下部通过跺关节与足部模块相连。腿部模块与散关节驱动和足部驱动进行连接，是传递受力和直接支撑机身受力的主要部分。参照野兔等动物的肌肉和腿部骨骼进行了腿部模块的结构设计。腿部组件的结构如图3.1所示，由关节轴承、螺栓、腿部侧板、跺关节连接柱和髓关节连接柱等零件组成。采用了“夹板式”结构进行设计，这种结构可以将驱动放置在两侧板中间，从而降低了机构的臃肿程度，有利于避免腿部各个部件之间的干涉。两夹板通过螺栓和关节轴进行连接，同时还有减重槽降低自身重量。夹板的左右两端有轴承孔用于安装关节轴承，其中左侧关节轴承用于连接足部杆，并通过足部关节轴和关节轴承的配合，以及拉伸来带动足部杆件的运动；右侧关节轴承则是髓关节连接部位，用于与机身连接。跺关节连接柱用于固定躁关节驱动，而骸关节连接柱则用于连接骸关节驱动。通过这样的装配方式，可以保证轴的连接可靠性，同时还可以减轻腿部质量，为运动留下足够的空间。1.关节轴承；2.螺母；3.连接螺栓；4.腿部夹板；5.躁关节连接柱；6.髓关节连接柱；图3.1腿部组件3.1.2足部机构在仿生弹跳机器人中，足部组件是直接接触地面的结构，它在弹跳运动中首先承受地面的摩擦力和冲击力，所受载荷较大且较为复杂。另外，特殊的地形也会极大地影响足部组件的工作状况。因此，需要设计出适应复杂地形环境的足部组件，同时还要求其能够抵抗较大的冲击力并且实现平稳起跳，以满足弹跳这种爆发力较大的运动的要求。野兔长而有弹性的脚掌能够为弹跳提供有力的支撑，故也采用弹性元件降低冲击载荷的理念来设计足部组件。弹跳仿生仿生弹跳机器人的足部模块如图3.2所示，主要分为三大部分：跺关节、足部弹性组件与足部足端，三个部分通过螺纹进行连接。图3.2足部组件关节如图3.3所示由连接柱、踩关节轴、躁关节块、关节轴承等组成。躁关节用于连接上面的腿部组件，踩关节驱动通过连接柱与关节进行连接，关节轴与腿部组件关节轴承连接。1.螺母；2.连接柱；3.关节块；4.踝关节轴；5.节轴承图3.3关节足部的弹性组件可以选取较为成熟弹黄减震形式对其进行设计，如图3.4所示，弹性组件由弹性组件上筒、内筒止推块、内筒、内筒弹簧、外筒、外筒弹簧、滑动轴承等零件组成。通过内外筒弹簧的压缩与舒张，减轻放声弹跳机器人的运动冲击力。1.弹性组件件上筒；2.内简锁止块；3.螺纹块；4.外筒弹簧5.内简；6.滑动轴承；7.内简弹黄：8.性组件外筒图3.4弹性组件弹性组件主要原理为：当机器人足端落地时，通过弹性组件的外筒向上运动，外筒弹簧压缩量增大，内筒压缩量减少来吸收冲击力；起跳过程中，足端快速离开地面时外筒弹簧快速恢复，外筒相对于内筒向下运动，内筒弹簧压缩进行缓冲从而避免起跳时的撞击。3.1.3零件的材料腿部夹板是采用高强度铸造铝合金经过精密铸造而成的，这样就可以获得精度较高的关节轴承孔，以用于安装关节轴承。电动驱动连接柱由于承受较大的载荷和冲击，所以其制造材料为20CrMnTi，通过粗车、精车并进行热处理加工制造。髋关节块是由7075超硬铝制成的，外形通过线切割加工，而与弹性组件连接部分则通过钻孔和精镗加工内螺纹。弹性组件中的弹性组件上筒、内筒和弹性组件外筒都采用了7075超硬铝材料制造，这三种零件可以通过车削、镗孔等多种工艺进行制造。足端结构件则采用7075超硬铝制造，可以通过车床粗车、精车、钻孔、镗孔等方式加工制成。3.2驱动装置设计3.2.1电机的选择仿生弹跳机器人的驱动源应该根据具体的工作场景选择驱动方式，因为不同的工作条件需要使用不同的驱动方式，包括电气驱动、和气压驱动。当特殊工作条件下需要同时满足多种要求时，可以将这三种方式结合起来，以应对复杂的工作环境。表3.1中列出了不同驱动方式的特点。在连接方式上，驱动装置可以直接连接到机械结构系统，也可以通过同步带、齿轮等过渡连接。表3.1驱动方式比较种类特点气动驱动总体结构相对简单，技术要求低，造价低，动作迅捷，获取空气方便，维护方便。但体积较大，气体的压力也较小，稳定性差，抓举力小。液压驱动输出力较大，可抓举几百公斤，结构复杂，低速平稳，但需要注意防火，对密封要求高，造价高。电气驱动步进电机驱动输出角度精度高，功率较小，惯性小，体积较大，控制简单，开环控制，对力矩不能动态调整，基本不具有过载能力。直流电机驱动控制原理简单，可以快速响应，体积相对比较大、结构繁杂，缺点是电刷换向以及产生磨损微粒。交流电机驱动转动惯量小，几乎不发热，动态响应好，几乎无震荡，可精确定位，运行可靠。相比于直流伺服电动机，交流伺服电动机有更多独特的优势。比如，工作可靠，没有电刷和换向器，避免产生换向火花，维护保养更为方便。转子的转动惯量不大，动态响应速度快，可做到平滑控制，无振荡，精度高，运行稳定，适合高速大转矩工作。由于控制的要求和结构的限制，本仿生弹跳机器人的电机拟采用交流伺服电动机。（1）电动机功率①工作机所需功率②传动装置总效率式中，为从上下运动电动机至蜗轮蜗杆减速器输出轴之间的各传动机构和轴承的效率，由机械传动和轴承效率概略值可得：传动=0.97，轴承=0.98，梅花形弹性联轴器=0.98，蜗轮蜗杆减速器（油润滑）=0.90，则。直线导轨=0.95，则③所需电动机输出功率④电动机额定功率按Ped≥Pd，取Ped=0.75kW（2）电动机选型在选择交流伺服电动机时，需要从实际应用的角度出发，综合考虑多种因素，例如电机脉冲和速度响应的快慢、安全可靠性以及维护保养的便利性等。对于仿生弹跳机器人而言，电动机需要频繁启停和正反转，因此必须具备大的力矩转动惯量和一定的抗电磁干扰能力。为了满足这些需求，可以参考松下交流伺服电动机选型手册，初步选用松下MINASA6家族MSMF系列的MSMF082L1A1型号，并搭配相应的伺服驱动器MCDLT35NF。电机的详细规格参数详见表3.2。表3.2MSMF082L1A1电机参数电压规格额定输出额定电流额定转矩额定转速转子惯量200V750W4.1A2.39N⋅m3000r/min0.96×10-4kg⋅m²3.2.2减速器的选择本设计需要使用机械传动来传递两个交错轴间的运动和功率，以实现仿生弹跳机器人的上下运动。因此，决定采用涡轮蜗杆机构作为减速器。同时，需要减速器输入轴能够正向和反向旋转。查询机械设计手册后，我们决定选择CW型圆弧圆柱蜗杆减速器。但由于使用条件与机械设计手册中额定输入功率P1及额定输出转矩T2适用的工作条件不同，因此需要进行修正计算：式中：P1J——减速器计算输入机械功率；kW；P1R——减速器计算输入热功率，kW；P1B——减速器实际输入功率，kW；f1——工作载荷系数，查表选定f1=1.5；f2——启动频率系数，查表选定f2=1.3；f3——小时载荷率系数，查表选定f3=1；f4——环境温度系数，查表选定f4=1.33。按计算结果最大值P1J=1.46kW及i=16、n1=1000r/min，查表初选减速器为中心距a=63mm，额定输入功率P1=1.56kW，大于要求值，符合要求。查表得减速器输出轴轴伸许用径向载荷FR和许用轴向载荷FA均为3500N，大于同步带作用在轴上的力Fr=141.5N。则减速器输出轴的轴端载荷满足要求，故最后选定减速器的型号为CW60-16-IVF和CW60-16-VF。查表得减速器效率η=82%，润滑油牌号（黏度等级）为680。3.3弹簧结构设计3.3.1弹簧刚度计算涡卷螺旋弹簧是一种变刚度弹簧，受偏移量的改变而改变。通过计算涡卷螺旋弹簧在不同偏移量时的刚度生成F-x特性曲线，以此可通过积分求导得出在任意偏移量下弹簧所能存储的变形能，进而计算弹簧能够弹跳的理论最大高度。设弹簧总偏移量为h，对应载荷为P，处对应载荷为M，在偏移量h下弹簧刚度为S。螺旋角变化率设置为z，小大圈螺旋半径比设置为q：式中：——弹簧最外圈螺旋角；——弹簧最内圈螺旋角；——弹簧最外圈螺旋半径；——弹簧最内圈螺旋半径。式中：n—弹簧圈数；—弹簧最外圈螺旋半径；—弹簧最内圈螺旋角；F—系数，式中：G—弹簧弹性模量；b—弹簧片宽度；t—弹簧片厚度；Q—系数，；上式联立，可得3.3.2弹簧结构设计方案由上可以看出，涡卷螺旋弹簧的刚度与弹性模量、弹簧钢片的宽度及厚度、弹簧圈数、弹簧内外径的关系有关。在保证弹簧蓄能能力的同时适当减小弹簧钢片的厚度、适当增加圈数可以得到更小的刚度，使其压缩起来更容易。综合以上考虑，设计出弹簧结构。该弹簧圈数n=4，采用等螺距式弹簧，螺距为50mm，钢板厚度为0.5mm，宽度为80mm。3.4齿轮的设计3.4.1齿轮的设计在两个轴之间，用最大转矩和最少齿的一对小齿轮进行弯曲和啮合强度的检查。本文提出了一种基于齿面接触强度和齿根弯矩的计算方法，该方法是以轮齿法面上的等值齿轮为基础。（1）一级级大小齿轮的设计1）材料一级啮合齿轮为圆柱齿轮进行啮合。查高速级小齿轮选用45优质碳素钢调质，齿面硬度为220HBS。高速级大齿轮选用45#钢正火，齿面硬度为190HBS。查得：查得：查得：查得：故：2）齿面接触强度设计8级精度制造，查得：均匀载荷，载荷系数；由于是非对称分布，取齿宽系数：取高速级传动比：，区域系数：计算中心距：可取160，165，170等；m可以取2.5，3，4等。；当取，取m＝2.5时，反求不合理当取，取m＝3时，反求很接近调整数据，令，返回运算验证，得当取，取m＝3时，反求不合理当取，取m＝3时，反求不合理所以令，m＝3，，传动比：分度圆直径：齿宽：取，高速级大齿轮：，，高速级小齿轮：，3）验算轮齿弯曲强度查得：，，按最小齿宽所以安全。齿轮的圆周速度：4）高速级齿轮各参数尺寸；；；；；；；；由于斜齿圆柱齿轮传动的重合度较大，同时相啮合的轮齿较多，在法面内斜齿轮的当量齿轮的分度圆半径比较大，因此斜齿轮的接触强度和弯曲强度均比直齿轮传动高。可按直齿轮的强度理论直接写出经简化处理的斜齿轮强度计算公式。3.4.2齿跟弯曲疲劳强度计算在载荷作用下，齿根弯矩达到最大值，而齿顶弯矩则达到最小值。在双齿啮合区域，因为在齿顶啮合时弯矩的力臂最大而力不是最大，所以扭矩不会达到最大值。根据分析，当弯曲与斜齿接触点位于单齿对的最高点时，牙根暴露的量最大。因此，在考虑齿根的抗弯强度的同时，还必须考虑两个齿之间的最大间隙。在齿面啮合时，齿面接触线的位置和危险部位经常发生变化。精确地计算根应力是困难的。这只能近似于一个等效的正齿轮与直齿在正常的表面。将等效齿轮的相应参数代入圆柱齿轮的弯曲强度计算公式，给出了螺旋齿轮疲劳弯曲强度的计算与校核公式。使用系数KA=1.0动载荷系数Kv=1.2齿间载荷分配系数Ka：Ka=1.0齿向载荷分配系数KB：KB=1.4载荷系数：齿形系数YFa：YFa=2.92校正系数YSa：YSa=1.4YB为螺旋角影响系数：YB=0.7端面重合度：=1.211校核齿根弯曲强度：选取20Cr为齿轮材料；弯曲强度最小安全系数：=1.25计算弯曲疲劳许用应力：KFN——弯曲疲劳寿命系数KFN=1.5可得，=1.5×850/1.25=1020MPa所以该方案满足了齿轮齿面接触疲劳强度及齿轮的弯曲疲劳强度，达到了设计的目的。3.4.3齿面接触疲劳强度计算校核公式：弹性系数ZE=189.8MPa区域系数：ZH=2.5螺旋角系数：小齿轮接触疲劳强度极限许用接触应力：=1500MPa当失效概率为1%时，计算接触疲劳许用应力，得到安全系数S=1。由此可得：虽然齿轮所选的参数粗略满足齿轮设计的齿面接触疲劳强度要求，但是非常接近最高许用值，根据经验公式选取齿宽B=40mm。3.5轴的设计3.5.1输出轴的设计（1）计算轴上转矩和齿轮的作用力轴传递的转矩齿轮的圆周力：齿轮的径向力：齿轮的轴向力：（2）初算轴的最小直径选取轴的材料为45钢，调质处理。由表15-3，选A0=112则轴的最小直径为：轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径，需开键槽，故将最小轴径增加5%，变为14.11mm，查《机械设计手册》取d=16mm。（3）选择联轴器取载荷系数KA=1.3，则联轴器的计算转矩为：根据计算转矩、最小轴径、轴的转速，按照计算转矩Tca应小于联轴器公称转矩的条件，选用弹性柱销联轴器，其型号为：HL1联轴器16*42GB5014-85。半联轴器孔径dⅠ=16mm；孔径d=16mm；半联轴器长度L=40mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度L1=30mm。3.5.2输出轴的结构设计（1）拟定轴上零件的装配方案根据轴上零件定位、加工要求参考轴的结构设计的基本要求，得出如3-8图所示的装配方案。图3.5轴示例图（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1）为了满足半联轴器的轴向定位要求，1-2轴段右端需制出一轴肩，故取2-3段的直径d2-3=21mm；半联轴器与轴配合的毂孔长度L1=30mm，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故取1-2段的长度应比L1略短些，现取l1-2=28mm2）初步选择滚动轴承。因轴承左端仅受轴向力的作用，故选用碳钢深沟球轴承。参照工作要求并根据d2-3=21mm，由轴承产品目录中初步选取6305CS，其尺寸为d×D×T=25×62×17，故d2-5=25mm；而l3-4=17mm3）取齿轮轮毂的宽度为L=d6-7=36mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取l6-7=34mm。齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度h>0.07d，取h=5mm，则轴环处的直径d5-6=46mm。轴环宽度b≥1.4h，取l5-6=10mm4）轴承端盖的总宽度为20mm。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm，故取d2-3=50mm5）再选滚动轴承。因轴承右端受径向及轴向力的作用，故选用角接触球轴承。参照工作要求并根据d2-3=27mm，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列角接触球轴承7206C，其尺寸为d×D×B=30×62×16，故d4-5=30mm。（3）轴上零件的周向定位齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接。平键截面半联轴器与轴的联接b*h=5mm*5mm，长为25mm；齿轮与轴配的联接b*h=10mm*8mm；半联轴器与轴的配合为H7/k6，滚动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。（4）确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角为0.8*45°，各轴肩处的圆角半径见图轴3.6。（5）求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承的支点位置时，应从手册中查取a值。对于7206C型角接触球轴承，由手册中查得a=12.9mm。因此，作为简支梁的轴的支承跨距L2+L3=46mm+55mm=101mm。根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。图3.6受力图从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面C是轴的危险截面。先将计算出的截面C处的MH、MV及M的值列于下表。表3.3轴的危险截面载荷水平面H垂直面V支反力FFNH1=227.17N，FNH2=520.28NFNV1=33.07N，FNV2=75.75N弯矩MMH=17741.977N.mmMV1=2582.767N.mm，MV2=2583.075N.mm总弯矩17928.98N.mm17929.03N.mm扭矩TTⅡ=28590N.mm（6）按弯扭合成应力校核轴的强度取α=0.6，轴的计算应力：前已选定轴的材料为45钢，调质处理，[σ-1]=60MPa。因此σca<[σ-1]，故安全（7）校核轴的疲劳强度1）判断危险截面只需要校核截面Ⅶ的左右两侧2）截面Ⅶ右侧抗弯截面系数：抗扭截面系数：截面Ⅶ右侧的弯矩M为截面Ⅶ上的扭矩为TⅡ=28590N.mm截面上的弯曲应力截面上的扭转矩应力轴的材料为45钢，调质处理。查得σB=640MPa，σb-1=275MPa，τT=155MPa截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数ασ及ατ按《机械设计》附表3-2查取。因为EQ\F(r,d)=EQ\F(1.0,30)=0.033，EQ\F(D,d)=EQ\F(36,30)=1.2，经插值后可查得又由《机械设计》附图3-1可得轴的材料的敏感系数为故有效应力集中系数按式（附3-4）为由《机械设计》附图3-2查得尺寸系数εσ=0.85；由附图3-3得扭转尺寸系数ετ=0.87轴按加工，由附图3-4得表面质量系数为轴未经表面强化处理，即βq=1，则按上式得综合系数值为又由参考文献得碳钢的特性系数Ψσ=0.1~0.2，取Ψσ=0.1Ψτ=0.05~0.1，取Ψτ=0.05于是，计算安全系数Sca值，得故可知其安全。3）截面Ⅶ左侧抗弯截面系数：抗扭截面系数：截面Ⅶ右侧的弯矩M为：截面Ⅶ上的扭矩为：截面上的弯曲应力截面上的扭转矩应力过盈配合处的EQ\F(kσ,εσ)，由附表3-8用插入法求出，并取EQ\F(kT,εT)=0.8EQ\F(kσ,εσ)，于是得轴加工，由附图3-4得表面质量系数为故得综合系数值为又由参考文献得碳钢的特性系数Ψσ=0.1~0.2，取Ψσ=0.1Ψτ=0.05~0.1，取Ψτ=0.05于是，计算安全系数Sca值，得故该轴在截面Ⅶ左侧的强度也是够的。3.5.3输入轴的设计（1）计算轴上转矩和齿轮的作用力轴传递的转矩齿轮的圆周力齿轮的径向力齿轮的轴向力（2）初算轴的最小直径选取轴的材料为45钢，调质处理。由表15-3，选A0=112则轴的最小直径为：轴的最小直径显然是安装大带轮的直径，需开键槽，故将最小轴径增加5%，变为13.44mm，查《机械设计手册》取d=15mm，V带轮与轴配合的毂孔长度L1=52mm。3.5.4输入轴的结构设计（1）拟定轴上零件的装配方案根据轴上零件定位、加工要求参考轴的结构设计的基本要求，得出如图所示的装配方案。图3.7轴示意图（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1）为了满足V带轮的轴向定位要求，1-2轴段右端需制出一轴肩，故取2-3段的直径d2-3=30mm；V带轮与轴配合的毂孔长度L7-8=52mm，因此可取l7-8=52mm。2）初步选择滚动轴承。因轴承同时受径向力和轴向力的作用，故选用角接触球轴承。由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列角接触球轴承7206C，其尺寸为d×D×B=30×62×16，故d5-6=30mm。3）两滚动轴承之间采用套筒定位，为了使套筒端面可靠地压紧两滚动轴承的端面，故安装轴承处的轴段应略短于两轴承的宽度，取l5-6=l1-2=17mm。4）轴承端盖的总宽度为20mm。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm，故取l6-7=20mm5）右端轴承的右端面采用轴肩定位，轴肩高度h>0.07d，取h=3mm，则轴环处的直径d5-6=45mm。轴环宽度b≥1.4h，取l3-4=10mm。（3）轴上零件的周向定位V带轮与轴的周向定位采用平键联接。按d1-2由手册查得平键截面b*h=6mm*6mm，键槽用键槽铣刀加工，长为45mm，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为H7/n6。滚动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。（4）确定轴上圆角和倒角尺寸参考《机械式设计》表15-2，取轴端倒角为1*45°。（5）求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承的支点位置时，应从手册中查取a值。对于7206C型角接触球轴承，由手册中查得a=12.9mm。因此，作为简支梁的轴的支承跨距L2=L3-4-2a=58mm-2*12.9mm=45.1mm。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。图3.8受力图从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面C是轴的危险截面。先将计算出的截面C处的MH、MV及M的值列于下表。表3.4轴的危险截面载荷水平面H垂直面V支反力FFNH1=218.65N，FNH2=585.23NFNV1=67.82N，FNV2=181.52N弯矩MMH=15742.8N.mmMV1=4883.04N.mm，MV2=4882.89N.mm总弯矩16482.7N.mm16482.7N.mm扭矩TTⅠ=14520N.mm（6）按弯扭合成应力校核轴的强度根据《机械式设计》式（15-5）及上表中的数值，并取α=0.6，轴的计算应力前已选定轴的材料为45钢，调质处理，由《机械式设计》表15-1查得[σ-1]=60MPa。因此σca<[σ-1]，故安全。4仿生弹跳机器人的动力学分析机器人运动学分析，根据机器人结构尺寸的基本参数，通过空间坐标转换关系，从而分析运动杆件的运动学。运动学的分析包括机构的正运动分析与逆运动学分析。机器人的正运动学，在机器人的基本尺寸参数以及相关关节变量确定的情况下，计算出位移末端对于基坐标系下的位置姿态机器人的逆运动学，根据机器人的基本尺寸参数以及末端相对应基坐标系的位置姿态，求解相关关节变量。弹跳仿生弹跳机器人的机械机构可以看作是多个连杆组成的并联机构，腿部机构运动控制，需要计算腿部运动的关节参数。通过分析计算弹跳仿生弹跳机器人的运动学，并运用相关的控制算法得以对机构运动实时控制。对其腿部结构的运动学推导是其动力学求解的基础。建立腿部机构关节点的坐标系，通过不同坐标系间的变换，求解各个末端在基坐标系下的位置参数。考虑到是平面运动，即采用几何解析法进行验证。通过运动学的推导得出各个关节点的关节变量与末端相对于基坐标系的位姿关系，规划了弹跳仿生弹跳机器人的腿部拓扑结构，由于其前后腿部结构相同，因此以后腿机械结构为例进行相应的坐标转换与运动学分析。采用D-H坐标转换法对弹跳仿生弹跳机器人构件的进行推导4.1腿部构件的D-H坐标转换D-H坐标转换法是Denavit和Hartenberg于1955年提出一种通用的坐标转换方法，将仿生弹跳机器人每个连杆设立一个坐标系，并用齐次矩阵确立两相邻连杆之间的空间关系。各杆件之间的矩阵变换确定出足端末端相对于基坐标系的位姿，由此来建立整个机构的运动学方程，式（3-1）为相应的坐标转换公式。式中，R一旋转矩阵；I一比例变换；一位置矩阵；0-透视矩阵。其中，式中，轴方向所求坐标系与参考坐标系的方向余弦；0-轴方向所求坐标系与参考坐标系的方向余弦；轴方向所求坐标系与参考坐标系的方向余弦。由于仅考虑弹跳过程的坚直平面运动，设轴为旋转轴，下式中设表示参考坐标系，设为相对坐标系，为绕着旋转的坐标轴，每次相对旋转的角度为，则矩阵可以表示为：相邻两个坐标系与的坐标转换为如下式式中，一为坐标轴的旋转矩阵；Trans一为坐标系的平移矩阵。单腿构件的正运动学分析前需要进行：（1）建立腿部关节的D-H坐标系；（2）通过相应的矩阵变化，对各坐标系建立相应的变换。动物弹跳运动姿态中，其弹跳过程从起跳准备，到离地进行飞跃，紧接着落地调整进行下一阶段的弹跳或者停止运动。可以将其弹跳运动分为两个部分：飞跃阶段与触地阶段，而触地阶段中又可分为起跳阶段与落地阶段，起跳阶段与落地阶段的D-H坐标系相同，因此可以仅考虑起跳阶段的相关计算。4.2起跳阶段的D-H坐标转换当仿生弹跳机器人进行起跳时，在起跳阶段整个腿部绕足端进行运动，设起跳时足端没有滑动，则整个腿部运动是以足端为基点的转动。仿生弹跳机器人的起跳阶段时后腿结构简化如图4.1所示，为足端坐标系原点，以建立基坐标系，足端与地面的夹解为为踝关节，为䯛关节，为脚部连杆长度，为腿部长度。以、建立的坐标系中轴为关节绕相应点旋转的旋转轴。图4.1起跳状态的D-H坐标系以该简化机构建立相应起跳状态的D-H参数公式（3-5）中为脚部连杆的坐标转换矩阵，式中为腿部的坐标转换矩阵。末端姿态与基坐标的转换公式如下：起跳阶段的木端在基坐标的转换：式中4.3腾空阶段的D-H坐标转换将腾空状态的仿生弹跳机器人模型进行简化，腾空状态的模型简图中后腿的腿部各关节的D-H坐标系如图4.2所示，为髋关节简化节点，为踝关节简化节点，为足端节点，分别在处按照右手螺旋法则，建立相应的坐标系。腾空状态中，以髋关节为建立的基坐标系，以足端为末端坐标系，为腿部连杆，为脚部连杆，为机身与腿部杆的角度，为腿部杆与脚部连杆之间的角度，为腿部杆的长度，为脚部连杆的长度。图4.2腾空状态的D-H坐标系将表D-H参数代入到式可以计算得到相邻的坐标系之间的转换矩阵，计算可得式中，。4.4起跳阶段与腾空阶段的正运动学分析在起跳阶段中，经过前两小节对相应的两个阶段进行坐标系转换计算，根据上面的转换矩阵式可知为末端到基坐标系的转换矩阵，因此可以得到起跳阶段仿生弹跳机器人腿部结构末端在基坐标的坐标转换式：式中，因为前面已经确定相应得脚部连杆关节尺寸，即，其弹跳运动仅在xoy平面内，则为0，因此可以由公式可以得到腿部结构运动学关系式：在腾空阶段中，前面已经计算相应的变化矩阵。根据式可以求得其腾空状态得末端姿态：式中，将仿生弹跳机器人的尺寸代入，即可计算：4.5起跳阶段与腾空阶段的逆运动学分析弹跳仿生弹跳机器人腿部结构的逆运动学是通过末端姿态来求解各个关节的转角或者关节的其他参数。前面求出腿部机构与脚部连杆机构的坐标转换，但是从上面的计算出来的转换矩阵看，相对复杂，通过末端在基坐标系的坐标转换法来求解相应的转角有一定的难度；可以看出，仅考虑仿生弹跳机器人在坚直平面上的弹跳运动，可将其看作是平面运动，采用几何解析法将大大简化计算过程。如图4.3所示，该图为仿生弹跳机器人起跳简图，脚部连杆与地面的夹角为，腿部杆与脚部连杆夹角为，脚部连杆长度为，腿部杆长度为。在起跳阶段，前面已经分析过，足端相当于固定点，而骼关节绕足端旋转。足端设为原点，末端的坐标为已知即。两个关节点与足端构成的三角形，通过已知条件，可以计算与和末端坐标的关系。图4.3起跳状态腿示意图由三点构成的三角形，通过三角函数关系可以计算：根据式可以求得：可根据几何关系进行解算：如图4.4，该图为仿生弹跳机器人腾空状态腿机构简图，腿部机构与机身的夹角为，腿部杆与脚部连杆夹角为，脚部连杆长度为，腿部杆长度为。当腾空时，前面已经分析过，相当于髋关节为固定点，而足端绕髋关节旋转，即髋关节设为原点，末端的坐标为已知即，所以根据两个关节点与足端，构成的三角形通过已知条件，可以计算与和足端坐标的关系。图4.4腾空状态腿机构简化图其根据三角形的三角关系可以计算得到：根据几何关系解算：结论仿生机器人作为机器人技术与生物学原理相结合的新兴交叉学科，近年来受到了广泛关注和研究。传统机器人在复杂环境下的适应性和机动性往往较差，而仿生机器人通过借鉴生物体的优秀运动机能，赋予了机器人卓越的运动性能和环境适应能力，从而可以更好地应对特殊工况和极端环境。其中，弹跳运动作为生物进化的重要成果，体现了生物在能量利用、结构设计等方面的独特优势，对提升仿生机器人的机动性和通过性具有重要意义。本设计基于此背景，以野兔等动物为仿生对象，针对四足仿生弹跳机器人展开了全面的理论分析和结构设计。本设计首先深入研究了野兔等动物的骨骼肌肉结构和运动规律，揭示了其独特的弹跳机理和优势，为仿生设计奠定了生物学理论基础。其次，结合应用场景和性能指标，构思出了整体的设计方案，确定了四足布局和摆臂式弹跳方式。在此基础上，针对腿部机构、驱动装置、弹性元件等关键部件开展了详细的结构设计，并给出了运动学和动力学建模分析。总的来说，本设计为四足仿生弹跳机器人的发展提供了理论支撑和技术储备，对推动仿生机器人技术在特殊领域的应用具有重要意义。虽然本设计取得了一定的研究成果，但仍然存在一些不足之处，本设计主要侧重于机械设计和分析，而对于电子电路、传感器等系统的集成设计还不够完善。未来，需要进一步加强实验验证，深化控制算法研究，完善整机集成设计，使该研究成果朝着产品化和工程化方向发展。相信随着仿生机器人理论和技术的不断发展，这一领域必将迎来新的突破和飞跃。参考文献五、主要参考文献顾萍萍.仿蝗虫弹跳机器人结构优化及起跳阶段运动学仿真[D].浙江理工大学,2021.葛文杰.仿袋鼠弹跳机器人运动学及动力学研究[D].西北工业大学,2006.章沁然.仿育蛙弹跳机器人的结构优化与运动综合[D].北方工业大学,2016.顾益聪.仿青蛙弹跳机器人的设计与研究[D].大连交通大学,2020.李静,李贵,孙伟等.仿婴猴单腿弹跳