（精品）六足机器人设计毕业论文

机电系统设计与制造说明书

设计题目 六足机器人设计

班级

姓名 学号 指导老师

目 录

第一章.课程设计的目的与要求

1.1现状分析 ………………………………………………4 1.2六足机器人的意义 …………………………………………4 1.3课程设计的目的 …………………………………………4 1.4课程设计的基本要求 ………………………………………5 第二章.系统总体设计方案

2.1机构简化 ……………………………………………6 2.2方案设计 …………………………………………………7 第三章.运动学计算

3.1杆长分析 ……………………………………………………8 3.2杆长验证 ……………………………………………………9 3.3位置分析 ……………………………………………………11 3.4速度分析 ……………………………………………………19 第四章.动力学计算

4.1电机转矩计算 ………………………………………………17 4.2杆件受力分析 ………………………………………………18 4.2电机选择 ………………………………………………19 第五章.非标准件的尺寸确定及校核

5.1轴的尺寸与校核 ……………………………………………20 5.2主动杆的尺寸与校核 ………………………………………23 5.3其他杆件的尺寸与校核 ……………………………………24

5.4其他零件尺寸确定 ……………………………………25 第六章.标准件选择

6.1轴承的选择与校核 …………………………………………27 6.2联轴器的选择与校核 ………………………………………27 6.3螺栓的选择与部分承重螺栓的校核 ………………………27 6.4键的选择与校核 …………………………………………29 第七章.设计总结

7.1课程设计过程 ………………………………………………31 7.2设计体会 …………………………………………………32 第八章.参考文献 ……………………………………………33 第九章 附录 …………………………………………………34

1.1 现状分析

所谓多足机器人，简而言之，就是步行机。在崎岖路面上,步行车辆优于轮式或履带式车辆。腿式系统有很大的优越性：较好的机动性,崎岖路面上乘坐的舒适性,对地形的适应能力强。所以,这类机器人在军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行业,有非常广阔的应用前景,多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一。因此对于多足机器人的研究与设计是非常有意义的一项工作。

1.2 六足机器人的意义

六足机器人作为多足机器人里面的代表。它具有多自由度，能

进行多方向，多角度的移动，可以适应复杂的路况，并联机器人通过多个支链联接动平台和定平台, 从而增加了运动学的复杂性，因此其研究具有非常重要的意义。此次课程设计是围绕具有空间三自由度的六足机器人展开的，它由上平台、下平台、3根主动杆、3根平行四边形从动支链、3个电动机、连接板等组成。主动杆与平台通过转动副相连接，从动杆通过2个自由度的转动副与主动杆相连，3个这样的平行四边形从动支链保证了平台智能有三个方向的自由度。

1.3 课程设计的目的

机电系统设计与制造中的机械设计部分，是机械类专业重要的综合性与实践性教学环节。其基本目的是：

1. 通过机械设计，综合运用机械设计课程和其他选修课程的理论，结合生产实际知识，培养分析和解决一般工程实际问题的能力，并使所学知识得到进一步巩固、深化和拓展。

2. 学习机械设计的一般方法，掌握通用机械零件部件、机械传动装置简单机械的设计原理和过程。

3. 进行机械设计基本技能的训练，如计算、绘图，熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理等。

1.4 课程设计的基本要求

本设计的基本要求是：

1. 能从机器功能要求出发，制定或分析设计方案，合理选择

电动机、传动机构和零件。

2. 能按机器的工作状况分析和计算作用在零件上的载荷，合理选择零件材料，正确计算零件工作能力和确定零件主要参数及尺寸。

3. 能考虑制造工艺、安装于调整、使用与维护、经济和安全等问题，对机器和零件进行结构设计。

4. 图面符合制图标准，尺寸及公差标注正确，技术要求完整合理。

2.1 机构简化

下图为此次课程设计所要完成的任务的装配图：

图2-1：六足机器人装配图

为了研究其在运动学及动力学方面的方便，需要将机构简化为平面机构，在机器人只是向上抬腿时，因为机器人的下底盘不会前后左右移动，只会沿着z轴方向上下移动，因此，在上升过程中，可将上底盘固定，在下脚连电机处加上一移动副和转动副，将机构转化为如下图所示的机构：

xl1bRAl2ar

图2-2：简化的平面机构图

2.2 方案设计

根据简化机构，我们制定如下设计方案:

一：传动装置的方案设计：分析拟定传动系统方案，绘制机械系统运动简图。

二：传动装置的总体设计：计算传动系统运动学和动力学参数，选择电动机。

三：传动零件的设计：确定传动零件的材料，主要参数及结构尺寸，包括轴的设计及校核，轴承及轴承组合设计，选择键联接和联轴器。

四：机器人装配图及零件图绘制：绘制机器人装配图和零件图，标注尺寸和配合。

五：对整个设计过程进行总结。

3.1 杆长分析

假设无限长，那么在图中机构,若杆绕A点逆时针旋转，则滑块上升。但此时，几乎不影响杆与x轴夹角b的变化。因此，可得如下结论：机构的抬腿高度此时完全由的长度决定，但在实际过程中，不可能选择为无限长，但当长度远远大于时，抬腿高度基本由的长度确定，再考虑上其他因素的影响，因此预先确定杆长。

xl1bRl2ahry

图3-1 简化机构图

由上图可看出，步距基本上由杆长和转角确定，假设的最大值为度，则此时Δx?l3cos450cos300?大体上，可由此预先确定杆长。

6l3。而，因此大体上。 4

根据要求。抬腿高度为mm，步长为mm。根据上述，可预先确定杆长，，圆整到，这样l1?2l5?l3?180?2?41?262mm。

3.2 杆长验证

由图3-1所示：可得：

cosa3?22l22?l1?y??r?R?22l2y??r?R?22

用matlab编程模拟选的杆长是否可用，程序如下： %用杆长计算电机转角 l1=270; l2=87; r=36; R=90; g=33; b=r-R;

y=250:0.1:285;

a3=acos((l2*l2-l1*l1+y.*y+(r-R)^2)./(2*l2*sqrt(y.*y+(r-R)^2)));

a2=atan(y./(R-r)); a=(pi-a2-a3)*180/pi plot(y,a)

title('用杆长计算电机转角 a- -y'); xlabel('y,高度-抬腿高度'); ylabel('a,电机转角'); 设定杆，，，,从变到。 由此运行出下图结果：

图3-2 抬腿高度与电机转角图

电机转角最大值：当时，； 电机转角最小值：当时，。

这是上底盘不动，下底盘上升时，电机转角的变化范围。 当下底盘不动，上底盘上升时，电机的转角变化也应是

3.3 位置分析：

根据电机转角与抬腿高度的关系，验证在此杆长下，下底盘中心的运动范围。其结构图如下图所示。

图3-3 结构示意图

设,则点在坐标系中位置矢量为

?rcos?i??,??4i?3?,i?(1,2,3), bio??rsin?i??i6??0??点在坐标系中，位置矢量为

?rcos?i??,??4i?3?,i?(1,2,3), aio??rsin?i?i?6??0??点在坐标系中

，其中为点与轴的夹角。

假设矢量在坐标中，则矢量在坐标系。

?(R?l２sin?i?r)cos?i?x???????因为，BiPi??(R?l2sin?i?r)sin?i?y??

???l2cos?i?z??(R?l2sin?i?r)cos?i?x???(R?l2sin?i?r)sin?i?y??(l2cos?i?z)2?l1i2 ①

22

图3-4 支链矢量图

其中，，

l1i2?l32?4l52?4l3l5cos?i ②

因为点，点投影在Y轴上，所以

，通过坐标变换得（其中，，分别为点横纵坐标）

xB1cos240??yB1sin240??l3sin?1，xB2cos120??yB2sin120??l3sin?2。 ?4l32?(?x?3y)2?cos?1?2l3??4l32?(x?3y)2?即，则?cos?2? ③

2l3??22l?x3?cos??3?l3?

?l2?l2?4l2?2l4l2?(?x?3y)2113553??22222?l12?l3?4l5?2l54l3?(x?3y) ④ ?22222l?l?4l?4ll?x133553??根据①②③式得位置反解：

22??l11?(R?r)2?(R?r)(3x?y)?l2?x2?y2?z22l2z???1?arcsin()?arctan?2l(R?r)?3lx?yl?22222??22l2?R?r??3l2x?yl2?4zl2??22??l12?(R?r)2?(R?r)(3x?y)?l2?x2?y2?z22l2z???2?arcsin()?arctan??22?2l2(R?r)?3l2x?yl2?2l2?R?r??3l2x?yl2?4z2l2??22??l13?(R?r)2?2(R?r)y?l2?x2?y2?z22l2z ??3?arcsin()?arctan?2l(R?r?y)??2224l2(R?r?y)?4zl2?2?根据位置反解，我们得到了电机转角与步长之间的关系，我们用MATLAB进行了仿真，其关系如图3-5所示：

图3-5 步长与转角关系图

放大之后的图像如下图所示：

图3-6 步长放大图

其程序见附录一。与此同时，我们建立了另一个程序对最大步长进行了检验，图形如下

图3-7 角度与步长关系验证程序

图3-8 角度与步长关系放大图

同样，由图3-1可得y与a的关系如下：

y?l2sin(wt)?l12??r?R?l2cos(wt)?2 其仿真图像如下图3-7所示

图3-7 电机转角与抬腿高度图

3.4 速度分析

xl1bRl2avry

图3-8 速度分析图

x=l2cos(wt)w+1l1-(r-R+l2cos(wt)2(r-R+l2cos(wt))(l2sin(wt)w)2

电机转角与速度关系如下图所示

图3-9 速度与转角关系图

4.1电机转矩计算

图4-1 受力分析图

如图4-1所示，为力的分析图，可得电机转矩与电机转角之间的关系，以及L1杆上受力与电机转角的关系。公式如下：

m=g l22(tan(wt)?(r-R+l2cos(wt))+l1-r-R+l2cos(wt)2l1

图4-2 电机转角与扭矩关系图

4.2 杆件受力分析

sinb=l1-(r-R+l2cos(wt))2)l12

图4-3 电机转角与受力关系图

4.3 电机选择

根据所需的最大扭矩，以及电机的重量，查阅资料，可选择如下电机 电机：86BYG9416 电机铭牌

图4-4 电机接线图

5.1 轴的尺寸与校核

由受力分析可知，电机的最大扭矩为：。 轴选择钢制实心轴，其轴截面的极惯性矩为 ：

(1)

对于钢制实心轴，其受的扭矩为：

(2)

轴受转矩作用时，其扭角:

(3)

由此可得，单位轴长的扭角为：

(4)

式子中为每米轴长的许可扭转角，在此，选择。轴材料的切变模量为：。

由(1) 、(2) 、(3)、 (4)整理的：

d?9.55?106?100048.1?104??3257.3????4PP?A4 (5) nn所以，，故可选轴的直径为。

为简化计算，可将所有的轴的直径都选为，而在机构中轴又分为：短轴，电机轴。

5.1.1短轴尺寸的确定

对于短轴，它属于阶梯轴，其结构设计如下：

图6-1 短轴尺寸图

轴所承受载荷为：

对应的轴承可选：深沟球轴承，其基本额定载荷为：。故轴承可用。

5.1.2 电机轴尺寸的确定

对于电机轴，它同样属于阶梯轴，其结构设计如下：

图6-2 电机轴尺寸图

轴所承受载荷为：

5.2 主动杆（L2）的尺寸与校核

图6-3 主动杆尺寸确定

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