完整版六足机器人设计毕业设计Word格式.docx

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7.1

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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：

xbR

l1

A

l2

a

r

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。

h

y

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

6l

3。

而，因此大体

上。

大体上，可由此预先确定杆长。

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l12l5l3180241262mm。

3.2杆长验证

由图3-1所示：

可得：

l22

l12

y2

rR2

cosa3

2l

2

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

biorsin

i

4i3,i（1,2,3）,

i,i

点在坐标系中，位置矢量为

aiorsin

3

4i

i（1,2,3）

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。

（Rl２sini

因为，BiPi（Rl2sini

l2cosiz

r）cosr）sin

x

（Rl2sinir）cosix

（Rl2sinir）siniy（l2cosiz）2l1i

①

图

3-4

支链矢量图

其中，，

l1i

l3

4l

4l3l5

cos

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）

xB1cos240yB1sin240l3sin1，xB2cos120yB2sin120l3sin2。

cos1

4l32

（x

3y）2

2l3

即，则cos

4l3

3y）

③

l32

x2

l112

4l52

2l5

4l32

l122

4l52

3y）2

④

l132

4l5l32

x2

根据①②③式得位置反解：

1

arcsin（l112

（R

r）2

r）（

3x

y）

z2

）arctan

2l2z

2l2（Rr）

3l2xyl2

2l2

R

3l2x

yl2

4z

l2

arcsin（l122

（R

l22

y2

）

arctan

3l2x

2l2（Rr）

arcsin（l132

2（R

r）y

4l2（Rry）2

4z2l22

2l2（Rry）

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