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哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
步行四邊形機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘 要
隨著當(dāng)今科技不斷進步，越來越多的領(lǐng)域開始出現(xiàn)機器人，人們會利用機器人完成一些危險任務(wù)或者復(fù)雜情況下的工作，從而減少對人員產(chǎn)生的威脅和傷害?？v觀機器人行業(yè)的發(fā)展情況，步行四邊形機器人可謂是龐大的一個分支，因其具有穩(wěn)定性強，承載能力好以及結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單等優(yōu)勢，同時相對于超過六英尺，八條腿的機器人來說，更加的小巧輕便，所以近些年來備受機器人行業(yè)設(shè)計者的喜愛和重視。
本文所設(shè)計的機器人為六足機器人，采用六足昆蟲足的對稱分布形式，相對的兩條腿由同一根軸進行驅(qū)動，軸與軸之間通過同步帶輪進行連接來傳遞動力，直流伺服電機與中間軸通過同步帶輪連接充當(dāng)動力源。在進行步行時保證至少有三個足與地面相接觸，以滿足機器人在行走過程中的穩(wěn)定性，以此為條件規(guī)劃了對角步態(tài)，即同樣動作的三足的分布方式為對角線分布。步行運動采用四桿機構(gòu)來進行實現(xiàn)，通過分析各桿件的長度與桿件間的位置關(guān)系證明了四桿機構(gòu)可以實現(xiàn)步行動作；并通過對其壓力角、傳動角的分析研究，驗證了四桿機構(gòu)具有良好的運動性能。
關(guān)鍵詞 步行機器人；四桿機構(gòu)；步態(tài)規(guī)劃
-II-
Structure Design Of Walking Quadrilateral Robot
Abstract
With the continuous progress of science and technology，more and more fields begin to appear robots. People will use robots to complete some dangerous tasks or work in complex situations，so as to reduce the threat and harm to people. Looking at the development of the robot industry，walking quadrilateral robot is a huge branch，because it has the advantages of strong stability，good bearing capacity and simple structure design. At the same time，compared with the robot with more than six feet and eight legs，it is more compact and light，so in recent years，it is loved and valued by the designers of the robot industry.
The robot designed in this paper is a hexapod robot，which adopts the symmetrical distribution form of Hexapod insect foot. The two opposite legs are driven by the same shaft. The power is transmitted between the shaft and the shaft through the synchronous pulley. The DC servo motor and the intermediate shaft are connected through the synchronous pulley as the power source. In order to meet the stability of the robot in the process of walking，at least three feet should be contacted with the ground surface during walking. Based on this condition，the diagonal gait is planned，the distribution mode of the same three feet is diagonal distribution. The walking motion is realized by four-bar mechanism. By analyzing the relationship between the length of each bar and the position of the bar，it is proved that the four-bar mechanism can realize the walking motion. Through the analysis of its pressure angle and transmission angle，it is proved that the four-bar mechanism has good motion performance.
Key words walking quadrilateral robot; four-bar mechanism; crank rocke
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與研究的目的與意義 1
1.2 發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.3 本課題研究內(nèi)容 5
1.4 本章小結(jié) 5
第2章 步行四邊形機器人總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 6
2.1 擬定步行四邊形機器人總體方案 6
2.1.1 方案的比較 6
2.1.2 步行四邊形機器人步態(tài)規(guī)劃 8
2.1.3 方案的確定 9
2.2 本章小結(jié) 9
第3章 結(jié)構(gòu)的設(shè)計與校核 11
3.1 四桿機構(gòu)的設(shè)計 11
3.1.1 曲柄存在的條件 11
3.1.2 急回運動特性和行程運動速比K的關(guān)系 12
3.1.3 壓力角和傳動角 13
3.2 機械傳動的設(shè)計與計算 14
3.2.1 直流伺服電機的選型 14
3.2.2 同步帶輪的設(shè)計 15
3.2.3 傳動軸設(shè)計與計算 21
3.3 關(guān)鍵零部件的校核 22
3.3.1 軸的強度校核 22
3.3.2 鍵的強度校核 23
3.4 本章小結(jié) 24
第4章 主要零部件的3D建模與機器人的裝配 25
4.1 軸的3D建模 25
4.2 帶輪的3D建模 25
4.3 步行四邊形機器人的裝配 26
4.4 本章小結(jié) 28
結(jié)論 29
致謝 30
參考文獻 31
附錄A 33
附錄B 43
-47-
第1章 緒論
1.1 研究背景與研究的目的與意義
近年來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展速度越來越快，帶動了機器人技術(shù)的發(fā)展，使得機器人不再像從前那樣局限于某些領(lǐng)域，各種各樣的機器人融入到我們的生活中。現(xiàn)在最廣泛被人們使用的是輪式機器人以及履帶式機器人，多用于倉庫存儲、物資運輸?shù)鹊孛孑^為平坦且環(huán)境簡單的地方，例如快遞倉庫所使用的輪式機器人[1]。這類機器人在城市的工作效率很高，可以取代人類完成一些簡單、機械化的工作，但不適用于復(fù)雜環(huán)境在野外等環(huán)境工作效率大大降低。為了滿足人們的需求，足式機器人應(yīng)運而生。它相比于其他類型的機器人有更加強大的環(huán)境適應(yīng)性，可在凹凸不平的地面、沙灘等其他復(fù)雜地形進行移動[2]。
足式生物因其強大的機動能力與靈活性而遍布全世界的大陸，這種能力也足以支撐其在多種復(fù)雜環(huán)境之下行動自如。步行四邊形機器人則是模仿自然界中靈活性較強的四足生物而來，如典型的犬型機器人，可在山地、叢林、建筑廢墟中活動自如，進行物資運輸、偵查、搜救等工作[3]。其次，在同等體積的情況下步行機器人的穩(wěn)定性要強于輪式、履帶式機器人，在出錯的情況下也具有很強的自我調(diào)整能力。步行四邊形機器人的結(jié)構(gòu)決定了其質(zhì)量、靈活度、運動能力等多種重要參數(shù)，所以步行四邊形機器人機構(gòu)設(shè)計可以優(yōu)化機器人的各種性能，使其更加適應(yīng)地形、降低運動時的錯誤率，從而提高其工作效率，對人類社會進步和發(fā)展有著重大意義。
1.2 發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
我國對于機器人的研究要晚于美國、德國等技術(shù)基礎(chǔ)較強的發(fā)達國家，而步行機器人復(fù)雜程度較高，所以近十幾年來我國步行機器人技術(shù)才有所發(fā)展[4]。我國最初的一些四足機器人采用的傳動系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)，例如由上海交通大學(xué)開發(fā)的四足機器人，如圖1-1所示。在四足機器人的液壓缸與腿等重要零件上配備了各類傳感器，通過傳感器向系統(tǒng)反饋機器人的各部分運行情況與運動狀態(tài)再由系統(tǒng)控制液壓缸的輸出與腿部動作，以此來保證機器人的運動速度與穩(wěn)定性[5]。
由于步行機器人在某些特定的重要壞境中有著巨大的作用，以及此領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展空間與潛力，我國多個知名高校對此項技術(shù)進行了研究并取得了巨大的成果[6]。例如2017年5月，由浙江大學(xué)研發(fā)的“赤兔”的四足機器人，如圖1-2所示。赤兔與上海交通大學(xué)的四足機器人有著很大的區(qū)別，其中最主要的區(qū)別為腿部機構(gòu)，赤兔在腿部的設(shè)計上更加簡潔，每條腿僅需一個液壓缸作為動力源，且腿部的控制系統(tǒng)更加簡單。赤兔機器人重約60公斤，高約0.5米，可以實現(xiàn)小跑、小跳等動作，一般運行速度相當(dāng)于成年人的步行速度，還可以做出爬樓梯、越過障礙物等相對復(fù)雜的動作[7]。
同樣是浙江大學(xué)，2018年自主研發(fā)出了“赤兔”機器人的升級版“絕影”。在機器人“赤兔”的基礎(chǔ)上增加了高效的識別裝置，可以識別減速帶、臺階、防護欄桿等多種常見障礙物，還可以識別雪地、草地等高度差不均衡的地形，并通過傳感系統(tǒng)自動調(diào)整落地動作，加強自身的連貫性與平衡性。如圖1-3所示。
圖1-1上海交通大學(xué)四足機器人 圖1-2“赤兔”機器人
圖1-3“絕影”機器人 圖1-4鄭州大學(xué)四足機器人
經(jīng)過對步行機器人相關(guān)資料的查閱與積累，發(fā)現(xiàn)腿部是步行機器人設(shè)計的重點與難點，腿部結(jié)構(gòu)決定了機器人的運動方式，也決定了其主要功能。近年來我國相關(guān)學(xué)者對步行機器人腿部的研究投入了大量的時間與精力，并取得了優(yōu)秀的成果[8]。中國鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院研制出一種新型混合式四足機器人，如圖1-4。此機器人的腿部機構(gòu)是與其他機器人的主要區(qū)分點，它在大腿與小腿之間增加了液壓驅(qū)動桿，通過液壓驅(qū)動桿的運動來控制小腿部分的運動軌跡，使機器人的整體運動軌跡得到更好的調(diào)控[9]。其中連桿與人腿部大腿肌的工作方式十分相似，起支撐、調(diào)節(jié)作用，進一步提高了機器人的穩(wěn)定性。
同樣是對于步行機器人腿部的研究，重慶大學(xué)設(shè)計了一種由五桿機構(gòu)為主體部分的腿部機構(gòu)，與四桿機構(gòu)不同的是它具有兩個曲柄，可以通過兩個曲柄的配合運動來實現(xiàn)更加復(fù)雜的腿部運動，為步行機器人提供更多的運動軌跡來適應(yīng)不同的環(huán)境[10]，如圖1-5。除了雙曲柄外還運用了切比雪夫機構(gòu)，運行動作類似于步行，可使機器人腳部抬離地面，大大加強了機器人的越障能力。五桿機構(gòu)則優(yōu)化了具體運動軌跡，增強了運動時的穩(wěn)定性[11]。
對于腿部機構(gòu)的研究不僅可以應(yīng)用在機器人的行走上，還可以在醫(yī)療器械的研發(fā)中使用。我國知名大學(xué)研制了一種用于腿部康復(fù)的機器人機構(gòu)，該機構(gòu)的運動軌跡與人的腿部運動軌跡類似，如圖1-6。通過曲柄的轉(zhuǎn)動在推動下方連接小腿桿件部分的同時帶動上方桿件運動，機構(gòu)可以同時帶動人大腿與小腿的運動，不在一個地方施加力使得病人的腿部受力更加均勻，有利于病人的康復(fù)[12]。該機構(gòu)在不同人使用時進行小幅度的微調(diào)即可符合使用者的具體要求，并且運行幅度較小、穩(wěn)定性好，其運動軌跡符合人體腿部運動軌跡。
圖1-5連續(xù)電驅(qū)動腿部五桿機構(gòu) 圖1-6下肢康復(fù)機器人機構(gòu)
1.2.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀
由于國外的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)起步早于我國，早在19世紀70年代國外就有了關(guān)于步行機器人的研究。第一個步行機器人是由Mosher公司研發(fā)的“Walking Truck”，用來在一些復(fù)雜的地形中協(xié)助搬運物資[13]。但在那個時期步行機器人的研發(fā)受到技術(shù)、社會環(huán)境等多方面制約，其性能與近十幾年的步行機器人相差甚遠，并且沒有形成一個完善的體系。真正意義上開創(chuàng)步行機器人先河的是美國波士頓動力公司，研發(fā)的步行機器人被命名為“BigDog”，如圖1-7。它的驅(qū)動方式為原始的液壓驅(qū)動，腿部機構(gòu)與犬類的腿部相似，但只能進行簡單的移動并無復(fù)雜步態(tài)的運動方式。
圖1-7四足機器人“BigDog” 圖1-8四足機器人“Cheetah”
同樣是波士頓公司，即推出了首款步行機器人后又自主研發(fā)了第二款四足步行機器人“Cheetah”，如圖1-8?！癈heetah”與前幾代步行機器人最大的優(yōu)點是其速度遠高于前幾代機器人，平均時速可達16km/h，最大時速達到48km/h，高于人類速度的極限[14]。在此基礎(chǔ)上還可以在奔跑時進行穩(wěn)定的轉(zhuǎn)彎、急停等動作。“Cheetah”的結(jié)構(gòu)以及運動方式參考了自然界中速度最快的動物獵豹，其動力來源不同于之前的液壓驅(qū)動裝置，而是采用電擊的方式作為動力來源，其不同之處在于這種方式反應(yīng)更加的迅速敏捷。而“Cheetah”能達到高速的最重要原因是其對于每次奔跑時力量的控制，“Cheetah”可通過激光感應(yīng)器辨別障礙物的屬性，通過算法計算得出輸出力的大小，增強了其奔跑時的穩(wěn)定性。
步行機器人除了四足步行機器人還有其他分支，如雙足步行機器人、六足步行機器人、八足步行機器人等[15]。其中雙足步行機器人是現(xiàn)階段各國研究的重點，波蘭一所研究院仿照人的腿部研制的腿部機構(gòu)，如圖1-9。Marco Ceccarelli等人提出的一種以平面四連桿機構(gòu)為基礎(chǔ)的機器人腿部模型，如圖1-10。其中四連桿機構(gòu)在本機器人的腿部設(shè)計中有所應(yīng)用，這類機器人機構(gòu)相對于四足步行機器人較為簡單，成本低且易于操控，但在穩(wěn)定性、運行速度以及承載能力上要遜色于四足步行機器人[16]。雙足機器人一般為人型機器人，現(xiàn)階段對于此類機器人的應(yīng)用并不廣泛，僅在某些大型開放性的公共場所有所應(yīng)用。但可預(yù)測其未來在服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域有很大前景，人形機器人可能替代人們成為服務(wù)員或酒店的前臺，具有一定智能化的人形機器人還可以在飯店成為廚師，甚至還可以走進我們的家庭作為保姆幫助人們做家務(wù)、照看老人與孩子。
圖1-9波蘭機器人腿部機構(gòu) 圖1-10平面四連桿機構(gòu)腿部機構(gòu)
1.3 本課題研究內(nèi)容
本課題研究對象為步行四邊形機器人，主要對該機器人的運動方式、驅(qū)動方式等問題進行研究，具體研究步驟如下：
1、闡述課題背景，對國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀進行總結(jié)和分析；
2、根據(jù)主要技術(shù)指標(biāo)，在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上制定總體設(shè)計方案，并闡明方案制定依據(jù)；
3、選定步行四邊形機器人的結(jié)構(gòu)方案，確定整體結(jié)構(gòu)。按照擬定的功能要求，選定各對應(yīng)的功能單元；
4、根據(jù)擬定方案確定技術(shù)參數(shù)，設(shè)計主要零部件，并校核；
5、利用校核后的數(shù)據(jù)，加以設(shè)計繪制裝配圖，并依據(jù)實際需要，隨時改善。
6、得出設(shè)計結(jié)論。
第2章 步行四邊形機器人總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
2.1 擬定步行四邊形機器人總體方案
本次設(shè)計的步行四邊形機器人主要包括三大部分，分別是機器人主體、傳動機構(gòu)與運動機構(gòu)。其中主體部分使用常規(guī)的碳鋼板材料，各部分利用螺紋連接來實現(xiàn)固定。傳動部分則利用同步輪機構(gòu)來保持軸轉(zhuǎn)速一致，從而使動力的傳遞符合我的使用要求。而可以實現(xiàn)步行的運動機構(gòu)較多，如仿人形機器人常用的傳動機構(gòu)切比雪夫連桿機構(gòu)、各類越障機器人常用的平行四桿機構(gòu)、仿蜘蛛運動方式的克蘭連桿機構(gòu)，以及幾種在特殊領(lǐng)域使用的機構(gòu)：Jansen 連桿機構(gòu)、波塞利連桿機構(gòu)與瓦特連桿機構(gòu)[17]。本次選用的機構(gòu)為平行四桿機構(gòu)，其特點為結(jié)構(gòu)相對簡單容易，在運動過程中不會影響其他機構(gòu)的運行且容易實現(xiàn)，運動過程平穩(wěn)，具有一定的越障能力，符合步行四邊形機器人的功能要求。
2.1.1 方案的比較
根據(jù)指導(dǎo)老師給我的相關(guān)論文以及從知網(wǎng)、百度等互聯(lián)網(wǎng)渠道了解到的相關(guān)知識，我對步行機器人這一領(lǐng)域有了一定的了解，并發(fā)現(xiàn)步行機器人的種類主要是根據(jù)其運動機構(gòu)決定的，在此基礎(chǔ)上構(gòu)想了以下幾個方案并進行了比較。
方案一：運動機構(gòu)選用克蘭連桿機構(gòu)，如下圖所示：
圖2-1克蘭連桿機構(gòu)機器人
方案二：運動機構(gòu)選用瓦特連桿機構(gòu)，如下圖所示：
圖2-2瓦特連桿機構(gòu)機器人
方案三：運動機構(gòu)選用平行四桿機構(gòu)，如下圖所示：
圖2-3平行四桿機構(gòu)機器人
首先對方案一進行分析，方案一機器人實現(xiàn)步行的方式與蜘蛛類似，通過四條腿交替起落進行移動，并且每條腿有五個自由度，可以向各個方位移動十分靈活，適應(yīng)陸地上的各種復(fù)雜地形。該機器人通過中心的攝像頭以及各類傳感器將畫面與數(shù)據(jù)傳輸至信息處理端進行信息處理，再由信息處理端向其發(fā)送指令控制腿的運動[18]。此機器人的各項性能十分出色，但是設(shè)計本機器人需要大量有深度的電路知識、軟件編程知識與生物仿真學(xué)知識，還需要進行動力學(xué)分析等一系列復(fù)雜的工作，在電路、編程方面我的知識儲備很薄弱，而生物仿真方面更是我的知識盲區(qū)，本設(shè)計的工作量也遠遠超過了本科論文的工作量，以我的能力不足以設(shè)計此機器人，所以我放棄了此方案。
方案二的原理極其簡單，前足與后足利用兩根桿進行連接，小電動機帶動其中一根連接桿進行移動，使兩端的前后足進行交替式的運動，而兩端的運動規(guī)律恰好相反，即一邊做舒張動作向機器人提供向前運動的動力，另一邊進行收縮動作為機器人的下一次運動做準(zhǔn)備，并一定程度上的保持小車的穩(wěn)定性。但此方案缺點也十分顯著，首先機器人依靠足與地面之間的摩擦來實現(xiàn)運動，如果在光滑表面行走會出現(xiàn)打滑、偏離運動路線等現(xiàn)象[19]。并且機器人腿部自由度過低，每條腿只有兩個自由度，一個是向前后方向移動的自由度，一個是繞固定點小幅度轉(zhuǎn)動的自由度，并沒有垂直方向上的自由度，說明機器人只能在平地上進行移動，不能應(yīng)用在有高度差的環(huán)境。綜合來看，機器人結(jié)構(gòu)簡單設(shè)計難度小，但缺點大實用性不高，工作量和難度達不到畢業(yè)設(shè)計的要求，所以我放棄了此方案。
方案三使用的是平行四桿機構(gòu)來實現(xiàn)機器人的運動，在該機構(gòu)中曲柄充當(dāng)動力源，將動力傳給長連桿，長連桿將動力傳遞給腿使腿進行運動，其中短連桿對長連桿的運動進行約束，使其保持一定的運動規(guī)律從而使腿保持運動規(guī)律。該機器人的腿有三個自由度，一個是前后方向的自由度，一個是垂直方向的自由度，還有一個繞關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)動的自由度。機器人每條腿的運動狀態(tài)可以分為兩個階段，第一階段是上升階段，處于該階段時機器人由其他腿支撐本條腿則抬離地面，同時向前運動，與人類邁步抬起一條腿時的運動狀態(tài)相同；第二階段是下降階段，腿由最高點向下運動，并且足在接觸地面時使腿向后方移動，利用足與地面之間的摩擦力推動機器人向前運動，并提供向上的推力抬高機器人，對應(yīng)人類行走時支撐腿的運動狀態(tài)。這種運動規(guī)律可以保證運動的平穩(wěn)性，還可以使機器人在復(fù)雜程度不高的非平面環(huán)境下行走。本方案也滿足畢業(yè)設(shè)計的難度與工作量，因此選用此方案。
2.1.2 步行四邊形機器人步態(tài)規(guī)劃
步態(tài)規(guī)劃的目的是使機器人按一定的運動規(guī)律在一定的時間內(nèi)完成機器人周期內(nèi)的移動動作，其中足與地面相接觸的的狀態(tài)為支撐態(tài)，足未與地面相接觸的狀態(tài)為擺動態(tài)。為保持步行四邊形機器人運動的穩(wěn)定性，在運動時需同時有三條腿保持支撐態(tài)，并且在進行狀態(tài)變換時需六條腿同時處于支撐態(tài)，再由之前處于擺動態(tài)的三條腿進行支撐，保證機器人在進行狀態(tài)變換時的穩(wěn)定性[20]。
為滿足以上條件，將機器人步態(tài)規(guī)劃為對角步態(tài)，在此步態(tài)運動過程中機器人對角線位置上的腿同時保持在支撐態(tài)或擺動態(tài)，而處于同一軸上的兩條腿所處狀態(tài)相反，且位置也正好相反。將機器人的六條腿按從左到右，從前向后的順序分別記為1號腿、2號腿、3號腿、4號腿、5號腿、6號腿，則機器人運動時1號腿、4號腿、5號腿的狀態(tài)狀態(tài)一致，2號腿、3號腿、6號腿運動狀態(tài)一致，且當(dāng)1號腿為支撐態(tài)運動至最低位置時與其同軸的2號腿處于擺動態(tài)并運動至最高位置。
根據(jù)上述結(jié)論所繪制的步行四邊形機器人對角步態(tài)的邁步時序圖如圖2-4所示：
圖2-4機器人步態(tài)順序表
當(dāng)腿處于上升狀態(tài)時，各部分運動情況如圖2-5所示，當(dāng)腿處于下降狀態(tài)時，各部分運動情況如圖2-6所示。
圖2-5上升動作 圖2-6下降動作
2.1.3 方案的確定
本方案中運動部分采用四桿機構(gòu)，通過曲柄的轉(zhuǎn)動與桿的約束，使其腿部運動規(guī)律符合步行機器人的設(shè)計要求。傳動部分，機器人兩條相對的腿由一根軸進行驅(qū)動，機器人內(nèi)部共三根軸通過帶輪機構(gòu)進行連接，由中間軸與電動機進行連接，再由中間軸將動力通過同步帶傳給兩側(cè)的軸，另外的兩根軸都變成從動軸。具體機理是電機-減速帶輪-同步帶輪-曲柄-搖桿-腿部構(gòu)件-四足步行實現(xiàn)。
2.2 本章小結(jié)
本章介紹了各種步行機器人常用的運動機構(gòu)與一些機構(gòu)的運用，在這些運動機構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計了幾種不同的步行機器人的結(jié)構(gòu)方案，通過分析幾種方案的運動原理，對比其難度與可行性最終確定了以四桿機構(gòu)為運動機構(gòu)的設(shè)計方案。
第3章 結(jié)構(gòu)的設(shè)計與校核
3.1 四桿機構(gòu)的設(shè)計
3.1.1 曲柄存在的條件
鉸鏈四桿機構(gòu)是常用在各種工程中的一種機構(gòu)，它可以分為三大類：曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)。在進行三種機構(gòu)的判斷時曲柄是否存在是其中的關(guān)鍵點，也是設(shè)計曲柄搖桿機構(gòu)的難點。
圖3-1曲柄示意圖
如上圖所示，桿件AB可進行360°轉(zhuǎn)動為曲柄，桿件CD只能進行小于360°的擺動為搖桿，可以判斷出此機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)。從《機械設(shè)計》中可知曲柄存在的條件是：第一：四桿中最短桿或最短桿相鄰的一桿為機架；第二：四桿中最長與最短的兩個桿件長度之和≤剩余兩桿的長度之和。其中最短桿為機架的情況下則此機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)，最短桿是與機架相鄰的一桿則機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)。如上圖中若AB為機架，桿AD、桿BC進行轉(zhuǎn)動，則此機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)；若將桿AB或桿BC進行延長，使其長度和大于桿AD和桿CD則不存在曲柄為雙搖桿機構(gòu)。
在本次設(shè)計中，圓盤上與長連桿進行連接的孔洞與圓盤中心的距離為曲柄對應(yīng)上圖桿AB桿，圓盤中心到短連桿與箱體連接處之間的平面距離為機架的長度對應(yīng)上圖桿AD桿，短連桿的長度為搖桿的長度對應(yīng)上圖CD桿，圓盤上的孔洞與長短連桿相連接處的長度（此處將其長度設(shè)定為長連桿長度的一半）則對應(yīng)上圖BC桿。若想利用曲柄搖桿機構(gòu)完成動作，需要保證各長度之間的關(guān)系符合上述曲柄搖桿機構(gòu)存在的條件。
3.1.2 急回運動特性和行程運動速比K的關(guān)系
在曲柄搖桿機構(gòu)中，曲柄的擺動速度一般為定值，而其所帶動的搖桿的擺動速度通常會隨曲柄所在位置的不同而不同，并且搖桿來回擺動的速度也不相同。如果把行程平均轉(zhuǎn)速較低的當(dāng)成運動行程，把平均轉(zhuǎn)速較高的當(dāng)成非運動行程，于是就可將曲柄搖桿機構(gòu)的這兩種平均速度不相同的行程特性定義成急回特性。此種特性經(jīng)常使用行程速比系數(shù) K（搖桿平均轉(zhuǎn)速低、平均轉(zhuǎn)速高的行程平均速度之比）作為衡量。如下圖所示：曲柄機構(gòu)做均速正方向轉(zhuǎn)動，那么搖桿機構(gòu)就做水平來回擺動（正方向是運動行程，反方向是為非運動行程）?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)搖桿處于這兩個位置時，曲柄端點處與搖桿端點處所形成的兩條直線之間存在一個夾角θ，我們將其定義為極位夾角。為了更加直觀的表達出極位夾角θ對急回運動特性的影響，我們引入一個用θ來表示的概念叫做行程運動速比用K來表示，K與θ的關(guān)系可以表達為。
綜上所述可以得出結(jié)論：第一：急回特性表示的是搖桿來回運動的速度比，K越大搖桿來回運動的速比越大；第二：因極位夾角θ的值≤90°根據(jù)公式，可以得出K≤3，若K值為0則不存在急回特性，即此機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)。在本設(shè)計中曲柄搖桿機構(gòu)為整個運動機構(gòu)最重要的組成部分，曲柄搖桿機構(gòu)的運動軌跡決定了整個機器人的運動軌跡，為使機器人平穩(wěn)運行需要兩組腿之間的動作交替平穩(wěn)進行，因此需保證搖桿來回運動的速比K越小越好，使機器人盡量平穩(wěn)運行。
初擬定圓盤中心到圓盤與長連桿相連接的孔的距離為27.5mm，圓盤與長連桿相連接的孔到長連桿與短連桿相連接的孔的距離為70.0mm，短連桿與長連桿相連接的孔到短連桿與箱壁相連接的孔的距離為57.0mm，圓盤中心到短連桿與箱壁相連接的孔的距離為90.0mm。根據(jù)長度用做圖法求極位夾角如圖3-2：
由圖可得極位夾角θ為6°，代入公式中得出K=1.07，滿足機器人運動平穩(wěn)性的需求。
6°
圖3-2四桿機構(gòu)極位夾角圖
3.1.3 壓力角和傳動角
壓力角是連接曲柄與搖桿之間的連桿的運動方向與其和曲柄相接端的受力方向所成的夾角，我們用α來表示。與其相對應(yīng)的角稱為傳動角，用γ來表示。α與γ間的大小關(guān)系為，壓力角越大則傳動角越小。
壓力角α是一個因變量，影響其大小的主要因素是曲柄的位置，一般來講壓力角會隨著曲柄位置的變化逐漸增大或減小，當(dāng)壓力角減小到最小值即0°時，被傳動件的受力方向與其運動方向完全重合，若不考慮摩擦力等因素此時的傳動效率為百分之百，動力與能量沒有損耗，此時機構(gòu)的傳動效率最高。當(dāng)壓力角達到最小值后會隨著曲柄的位置的改變逐漸增大到最大值，一般來講設(shè)計時壓力角最大不超過50°，若壓力角大于50°則機構(gòu)的傳動效率會過低，還會造成應(yīng)力集中等一系列問題，若壓力角持續(xù)增大，被傳動件所受的力小于其另一端所受載荷不足以推動下個受力件，則會使機構(gòu)自鎖，嚴重影響機構(gòu)的運動能力。
因此在設(shè)計時壓力角越小，則機構(gòu)的效率越高運動性能越好，最大不超過50°。在給定曲柄搖桿機構(gòu)各桿件長度時可求壓力角的最大值，但壓力角并不直觀難以求解，一般情況下求解其對應(yīng)的傳動角。傳動角為搖桿與連桿之間所成銳角的角度，根據(jù)公式可知傳動角最小時壓力角最大，根據(jù)上一章節(jié)滿足曲柄搖桿存在條件的四根桿的長度，同樣利用作圖法求其最小壓力角，如圖3-3所示：
當(dāng)曲柄處于兩處極點位置時所得的傳動角的值分別為51°與65°，曲柄處于極點位置并向下一個極點位置移動過程中，傳動角會經(jīng)過由小變大再由大變小這樣一個過程，所以當(dāng)其處于某一極點時傳動角取51°為本機構(gòu)的最小傳動角。最大壓力角為，其值小于50°滿足最大壓力角的條件。
圖3-3四桿機構(gòu)傳動角圖
3.2 機械傳動的設(shè)計與計算
3.2.1 直流伺服電機的選型
已知步行四邊形機器人長度為400mm、寬度為230mm、高度為220mm，外殼選用密度較低的鋁合金1035，同步帶輪、傳動軸、四桿機構(gòu)材料均選用45號鋼，通過查找資料得鋁合金1035的密度為2.75g/cm3，45號鋼密度為7.85g/cm3,由此估算整個機器人的質(zhì)量約為15KG，其中外殼由6塊板組成約為10KG，傳動軸、同步帶輪等其他部件加上電動機本體的質(zhì)量約為5KG。機器人曲柄處每轉(zhuǎn)動一圈帶動機器人前進約5cm，步行機器人的移動速度約為20m/min，因此擬定傳動軸轉(zhuǎn)速為360r/min。
步行四邊形機器人在運動過程中始終由三條腿進行支撐，因此每條腿所提供的支持力FN=mg=5×10=50N，通過對機器人腿部運動軌跡與受力情況進行分析，當(dāng)腿與地面接觸并達到某一位置時機構(gòu)傳動效率最小此時傳動軸所承受的載荷最大，估算此時的傳動效率為70％則曲柄處需施加力的大小約為70N，則傳動軸處所輸出的最大力矩為。在傳動系統(tǒng)中中間軸將動力傳動給兩側(cè)的軸，中間軸所承受的載荷為兩側(cè)軸承受載荷的3倍，因此整個傳動系統(tǒng)所承受的最大載荷，即電動機所輸出的轉(zhuǎn)矩不小于。
根據(jù)公式，選取Z2系列直流電機，電動機型號為Z2-52，電動機額定功率為0.5KW，額定轉(zhuǎn)速為750r/min。電動機的效果圖如圖3-5所示：
圖3-5電機外觀圖
外形尺寸70x121mm，電機輸出軸徑為15mm。
3.2.2 同步帶輪的設(shè)計
本設(shè)計傳動系統(tǒng)共三處需要同步帶輪進行連接，電動機與中間軸間的鏈接、中間軸與前軸間的鏈接、前軸與后軸間的鏈接。電動機與中間軸進行減速傳動，其余兩處均進行同速傳動。因此可將同步帶輪的設(shè)計分為兩組，一組為電動機與中間軸間的減速同步帶輪設(shè)計，另一組為同速同步帶輪設(shè)計，后兩處的鏈接共用一組帶輪，即帶輪的齒數(shù)、大小相同，帶的型號與寬度相同，只有帶的長度不同。
第一組同步帶輪的設(shè)計：
已知電動機額定功率為0.5kw，轉(zhuǎn)速為750r/min，傳動軸的轉(zhuǎn)速為360r/min，中心距a0約為94mm，每日運轉(zhuǎn)時間為8~10h，根據(jù)此條件設(shè)計同步帶傳動。
1.求設(shè)計功率Pd
其中k0為載荷修正系數(shù)，根據(jù)機械性能與每日運轉(zhuǎn)時間查表3-1得出。Pm為傳動名義功率，此處取0.5kw。
表3-1載荷修正系數(shù)表
工作機
第一組原動機
第二組原動機
運轉(zhuǎn)時間（小時/日）
運轉(zhuǎn)時間（小時/日）
3~5
8~10
16~24
3~5
8~10
16~24
計算機、醫(yī)療機
1.0
1.2
1.4
1.2
1.4
1.6
縫紉機、辦公機械
1.2
1.4
1.6
1.4
1.6
1.8
輕傳送機、包裝機
1.3
1.5
1.7
1.5
1.7
1.9
攪拌機、造紙機
1.4
1.6
1.8
1.6
1.8
2.0
印刷機、圓形帶鋸
1.4
1.6
1.8
1.6
1.8
2.0
注：第一組原動機為：普通轉(zhuǎn)矩交流電機；并激直流電機；多缸內(nèi)燃機。第二組原動機為：大轉(zhuǎn)矩交流電機；單缸內(nèi)燃機。
2.確定帶的型號和節(jié)距
根據(jù)設(shè)計功率Pd=0.75kw，n1=750r/min，以及機器人的具體需求，根據(jù)圖3-6可查得帶型為L型，根據(jù)表3-2查得對應(yīng)節(jié)距Pb=9.525mm。
圖3-6同步帶選型表
表3-2同步帶屬性表
帶型號
節(jié)距Pb(mm)
基準(zhǔn)寬度bac(mm)
拉力Ta（N）
質(zhì)量（kg/m）
帶寬b（mm）
MXL
2.032
6.4
3.0 4.8 6.4
XXL
3.175
6.4
31
0.010
3.0 4.8 6.4
XL
5.080
9.5
50.17
0.022
6.4 7.9 9.5
L
9.525
25.4
244.46
0.095
12.7 19.1 25.4
H
12.700
76.20
2100.85
0.448
19.1 25.4 38.1
50.8 76.2
表3-3同步帶齒數(shù)表
小帶輪轉(zhuǎn)速（r/min）
帶型號
MXL
XL
L
H
XH
XXH
900以下
10
10
12
14
22
22
900~1200
12
10
12
16
24
24
1200~1800
14
12
14
18
26
26
1800~3600
16
12
16
20
30
-
3600~4800
18
15
18
22
-
-
3.確定小帶輪齒數(shù)
根據(jù)轉(zhuǎn)速n1=750r/min與帶型為L型帶，查表3-3，得出小帶輪最小許用齒數(shù)z1=12。大小帶輪傳動比，大帶輪齒數(shù)z2=z1i=12×2.08=24.16，取z2=24。
4.確定帶輪節(jié)圓直徑
d1=Pbz1/π=9.525×12/π=36.4mm
d2=Pbz2/π=9.525×24/π=72.8mm
5.確定同步帶的節(jié)線長度Lp
其中==0.202=12°（a=90mm）解得Lp=234.7mm，根據(jù)具體需求取LP0=238.125mm。
6.計算同步帶齒數(shù)Zb
Zb=Lp/Pb=238.125/9.525=25
7.傳動中心距a的計算
a= a0+(Lp0-Lp)/2=94+1.71=95.71mm
中心距可調(diào)范圍
amax=a+0.03Lp0=102.85mm
amin=a-0.015Lp0=92.14mm
最終取a=94mm
8.確定同步帶設(shè)計功率為Pd時所需帶寬
（1）計算所選型號同步帶的基準(zhǔn)額定功率P0
P0=(Ta-mv2）v/1000kw
其中Ta為許用工作拉力，查表3-2得Ta=244.46N。
m為帶的單位長度質(zhì)量，查表3-2得m=0.022kg/m。
v為線速度，根據(jù)公式，求得v=13.65m/s。
將數(shù)據(jù)代入公式最終求得P0=3.28kw
（2）計算小帶輪嚙合齒數(shù)zm
（3） 確定實際所需要帶寬b
P≈P0KzKw
其中P為帶所能傳遞的功率單位為kw
Kz為嚙合系數(shù)，當(dāng)zm>6時，Kz=1；當(dāng)zm<6時Kz=1-0.2（6-zm）本設(shè)計中zm=4.46<6，Kz取0.7。
Kw=，查表3-2得bac=25.40mm
將P計算公式代入P≥Pd可得b≥bac=11.48mm，查表3-2取標(biāo)準(zhǔn)帶寬b=12.7mm。
9.驗算
P>P0，額定功率大于設(shè)計功率，說明此帶的傳動能力符合使用要求。
10.結(jié)果整理
（1）帶的相關(guān)參數(shù)：選用L型帶，Pb=9.525mm，zb=25，LP=238.125mm，b=12.7mm。
（2）帶輪的相關(guān)參數(shù)：z1=12，d1=36.4mm；z2=24，d2=72.8mm。
（3）傳動中心距a=94mm。
第二組同步帶輪的設(shè)計：
中間軸輸出功率P0=P額×nb=0.5×0.98=0.49kw，nb為同步帶傳動效率取0.98，轉(zhuǎn)速為360r/min；從動軸轉(zhuǎn)速與中間軸一致，進行同步轉(zhuǎn)動。中心距a0約為130mm，每日運轉(zhuǎn)時間為8~10h，根據(jù)此條件設(shè)計同步帶傳動。
1.求設(shè)計功率Pd
其中k0為載荷修正系數(shù)，根據(jù)機械性能與每日運轉(zhuǎn)時間查表3-1得出。Pm為傳動名義功率，此處取0.49kw。
2.確定帶的型號和節(jié)距
根據(jù)設(shè)計功率Pd=0.735kw，n1=360r/min，以及機器人的具體需求，根據(jù)圖3-6可查得帶型為L型，根據(jù)表3-2查得對應(yīng)節(jié)距Pb=9.525mm。
3.確定帶輪齒數(shù)
根據(jù)轉(zhuǎn)速n1=750r/min與帶型為L型帶，查表3-3得出小帶輪最小許用齒數(shù)z1=12。大小帶輪傳動比，大帶輪齒數(shù)z2=z1i=12×1=12，取z2=12。
4.確定帶輪節(jié)圓直徑
d1=Pbz1/π=9.525×12/π=36.4mm
d2=Pbz2/π=9.525×12/π=36.4mm
5.確定同步帶的節(jié)線長度Lp
其中==0°（a=130mm）解得LP=296.4mm，根據(jù)具體需求取295.275mm。
6.計算同步帶齒數(shù)zb
zb=Lp/Pb=295.275/9.525=31
7.傳動中心距a的計算
a= a0+(Lp0-Lp)/2=130-0.56=129.44mm
中心距可調(diào)范圍
amax=a+0.03Lp0=138.30mm
amin=a-0.015Lp0=125.01mm
最終取a=130mm
8.確定同步帶設(shè)計功率為Pd時所需帶寬
（1）計算所選型號同步帶的基準(zhǔn)額定功率P0
P0=（Ta-mv2）v/1000（kw）
其中Ta為許用工作拉力，查表3-2得Ta=244.46N；
m為帶的單位長度質(zhì)量，查表3-2得m=0.022kg/m；
v為線速度，根據(jù)公式，求得v=13.65m/s；
將數(shù)據(jù)代入公式最終求得P0=3.28kw。
（2）計算小帶輪嚙合齒數(shù)zm
zm==6
（3）確定實際所需要帶寬b
P≈P0KzKw
其中P為帶所能傳遞的功率單位為kw
Kz為嚙合系數(shù)，當(dāng)zm>6時，Kz=1；當(dāng)zm<6時Kz=1-0.2（6-zm）本設(shè)計中zm=6，Kz取1。
Kw=，查表3-2得bac=25.40mm
將P計算公式代入P≥Pd可得b≥bac=8.20mm，查表3-2取標(biāo)準(zhǔn)帶寬b=7.90mm。
9.驗算
P>P0，額定功率大于設(shè)計功率，說明此帶的傳動能力符合使用要求。
10.結(jié)果整理
（1）帶的相關(guān)參數(shù)：選用L型帶，Pb=9.525mm，zb=31，LP=295.275mm，b=7.90mm。
（2）帶輪的相關(guān)參數(shù)：z1=12，d1=36.4mm；z2=12，d2=36.4mm。
（3）傳動中心距a=130mm。
第三組帶輪的中心距為260mm，與第二組相比除帶的節(jié)線長度與同步帶齒數(shù)發(fā)生變化，其余數(shù)據(jù)無變化。
第三組同步帶節(jié)線長度Lp
解得Lp=556.4mm，根據(jù)具體需求取Lp=561.975mm
第三組同步帶齒數(shù)Zb
Zb=Lp/Pb=561.975/9.525=59
第三組結(jié)果整理
（1）帶的相關(guān)參數(shù)：選用L型帶，Pb=9.525mm，zb=59，LP=561.975mm，b=7.90mm。
（2）帶輪的相關(guān)參數(shù)：z1=12，d1=36.4mm；z2=12，d2=36.4mm。
（3）傳動中心距a=260mm。
3.2.3 傳動軸設(shè)計與計算
在本設(shè)計中軸需要與多個零件進行連接，其中包括同步帶輪、軸承與四桿機構(gòu)的曲柄部分。軸所需承受的載荷有兩類分別是扭矩與彎矩。通過查閱資料了解到軸可按照承受載荷的種類與大小分為三大類，其中性能最優(yōu)秀的是轉(zhuǎn)軸可同時承受兩種較大的載荷，心軸只可以承受彎矩而不承受扭矩，傳動軸可承受較大扭矩與較小的彎矩。根據(jù)本設(shè)計的具體需求將軸設(shè)計為傳動軸。確定了軸的類型后還需要考慮是否將軸設(shè)計為階梯軸，設(shè)計階梯軸的目的是方便安裝在軸上零件的定位，而本設(shè)計中軸上最多所需要安裝的帶輪只有兩個，因此不使用軸肩進行定位，使用方便安裝與拆卸的卡簧對帶輪進行定位，軸的主體部分軸徑相同。帶輪部分不需要依靠階梯軸來進行定位，但在設(shè)計時考慮到安裝在軸兩側(cè)的軸承也需要進行定位，因此在軸承部分將軸設(shè)計為階梯軸依靠軸肩與箱體對軸承進行定位。
本設(shè)計傳動機構(gòu)共三根軸，其中中間軸承受較大的載荷其他兩根軸承受較小的載荷。因此主要對中間軸進行設(shè)計與校核，其他兩軸的尺寸形狀與中間軸保持一致，只有鍵槽的位置不同。
確定了軸的類型與基本形態(tài)后需要確定軸的材料，本設(shè)計中傳動軸主要承受轉(zhuǎn)矩，無其他特殊要求。因此將材料選為常用的45號鋼，并通過正火回火等熱處理保證其力學(xué)性能。
1.計算最小軸徑
（1）計算該軸傳動軸的輸出功率
P1=P額×nb=0.5×0.98=0.49kw
nb----同步帶傳動效率取0.98
（2）軸徑設(shè)計與選取
根據(jù)公式mm，估算軸的最小直徑。
式中A0=，查表3-10可得，取110；
P----傳動軸所傳遞的功率
N----軸的轉(zhuǎn)速
將數(shù)據(jù)代入dmin=12.19mm。
在選取軸徑時不僅要考慮轉(zhuǎn)矩對軸的影響，還要考慮鍵槽對于軸強度的影響，根據(jù)實際需求選取軸的直徑d=15mm。
2.根據(jù)軸向定位的要求確定軸各段長度
為了滿足軸承的定位需求軸兩側(cè)需制出軸肩，軸肩處的直徑差設(shè)置為4mm，倒角長度為1.414mm角度為45°。
3.軸承的選擇
軸在運動過程中主要承受較強的徑向載荷，軸承類型選為常用的深溝球軸承。根據(jù)軸徑的大小選擇（0）2尺寸系列軸承，軸承代號為6200 GB/T 276—1994。軸承基本參數(shù)：d=10mm，D=30mm，B=9mm。
4.鍵的選擇
本設(shè)計選用圓頭普通平鍵，根據(jù)軸的直徑以及帶輪厚度選擇大小合適的鍵。電動機軸與帶輪輪轂相連接處選擇鍵的型號為GB/T 鍵 8×7×12；中間軸與第一組帶輪輪轂連接處選擇鍵的型號為GB/T 鍵 5×5×12；中間軸與第二組帶輪輪轂連接處選擇鍵的型號為GB/T 鍵 5×5×8。
3.3 關(guān)鍵零部件的校核
3.3.1 軸的強度校核
在進行軸的強度校核時，需根據(jù)軸的具體受力情況以及軸的類型對其進行校核。在本設(shè)計中軸的類型均為傳動軸，其中中間軸承受較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力與，因此對中間軸所受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最大的截面進行強度校核。
軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為：
式中：τT----扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；
T----軸所受扭矩，N.mm；
WT---軸的抗扭截面系數(shù)，mm；
N----軸的轉(zhuǎn)速，r/min；
P----軸所傳遞的功率，kw；
d----截面處軸的直徑，mm；
[τT]---需用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。見表4-1。
表4-1需用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力表
軸的材料
Q235-A、20
Q275、35
45
40Cr、35SiMn
[τT]/MPa
15~25
20~35
25~45
35~55
將數(shù)據(jù)代入得τT=1.91MPa≤[τT],滿足扭轉(zhuǎn)強度的使用需求。
中間軸承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的同時還需要承受一定的彎矩，因此對中間軸進行受力分析，求出其彎矩并進行強度校核。
3.3.2 鍵的強度校核
鍵在工作時工作面會承受剪切應(yīng)力，因此對鍵進行校核。在本設(shè)計中鍵所受的載荷均勻分布，其滿足擠壓強度的條件為：
式中：T----鍵所承受的轉(zhuǎn)矩，N.mm；
D----軸徑，mm；
H----鍵高，mm；
L----鍵的工作長度，mm；
[σp]----許用擠壓應(yīng)力，MPa。見表4-2，取130MPa；
T=9550000=13260N.mm
將數(shù)據(jù)代入得σp=58.95MPa≤[σp]，符合強度使用需求。
表4-2需用載荷取值表
許用值
輪轂材料
載荷性質(zhì)
靜載荷
動載荷
沖擊
[σp]
鋼
鑄鐵
125~150
70~80
110~120
50~60
60~90
30~45
3.4 本章小結(jié)
本章設(shè)計了步行四邊形機器人腿部的四桿機構(gòu)，并通過分析其急回特性、壓力角等驗證了四桿機構(gòu)的可行性。通過對機器人質(zhì)量與運動時的受力進行分析，選取了合適的電動機。根據(jù)所選電動機型號與機器人的尺寸設(shè)計了同步帶輪與軸，根據(jù)軸與帶輪的尺寸選取合適的鍵。
第4章 主要零部件的3D建模與機器人的裝配
4.1 軸的3D建模
本設(shè)計三根軸基本尺寸一致只有鍵槽位置不同，因此在進行3D建模時先繪制軸的本體，再根據(jù)各軸的鍵槽所在位置繪制鍵槽。具體繪制步驟如下：
1.選定平面根據(jù)軸的直徑繪制圓并根據(jù)軸的長度進行拉伸。
2.選定軸向平分圓柱體的一平面，選擇合適的位置繪制倒角形狀并進行切除旋轉(zhuǎn)。
3.選定之前已完成拉伸的圓柱體的端面，以此為基礎(chǔ)面根據(jù)需求繪制圓進行拉伸。
4.以再次拉伸完成的圓柱端面為基準(zhǔn)面，根據(jù)需求繪制圖形并根據(jù)曲柄的厚度做切除拉伸。
5.選定2~4步所繪制的部分，以最先拉伸的圓柱體中間面為基準(zhǔn)面進行鏡像操作。
6.選擇合適的位置為基準(zhǔn)面，根據(jù)所選擇鍵的型號繪制圖形并根據(jù)軸的軸徑進行切除拉伸，至此軸本體部分繪制完成。
完成一根軸的建模后將前五步進行復(fù)制，其余兩根軸在前五步的基礎(chǔ)上選擇合適的位置進行第六步，得到所需要的三根軸。軸的3D建模圖如下：
圖4-1軸
4.2 帶輪的3D建模
帶輪是本次3D建模中最難的一部分，在建模過程中遇到了許多困難的點，通過查閱資料觀看視頻等方式了解了如何對帶輪進行3D建模。但在繪制過程中仍舊不順利，最終選擇在零件庫中插入標(biāo)準(zhǔn)件的方式將帶輪安裝至裝配體，這也是本次設(shè)計過程中的遺憾。學(xué)習(xí)到的帶輪具體繪制步驟如下：
1.選擇一個平面繪制圓，圓的直徑為帶輪側(cè)視圖可見的最大輪廓的直徑，根據(jù)帶輪側(cè)壁的厚度進行拉伸。
2.以拉伸出的圓柱體的一面為基準(zhǔn)面向內(nèi)側(cè)做圓臺并選擇切除拉伸，圓臺的高度根據(jù)需求取合適值，圓臺小圓的直徑根據(jù)帶輪的節(jié)圓直徑繪制。
3.以切除拉伸出的圓臺的小圓為基準(zhǔn)面繪制圓進行拉伸，圓的大小與拉伸的高度根據(jù)需求取合適值。
4.以軸向平分圓柱的平面為基準(zhǔn)面，在合適的位置分別繪制小圓柱的倒角與大圓柱的傾角并進行切除旋轉(zhuǎn)。
5.以大圓內(nèi)側(cè)為基準(zhǔn)面繪制同步帶輪的輪齒，輪齒的數(shù)量、節(jié)圓直徑與拉伸的高度根據(jù)論文中的數(shù)據(jù)進行繪制。
6.選取1~4步所繪制的部分，以徑向平分第五步所繪制輪齒的平面為基準(zhǔn)面進行鏡像操作。
7.以第三步所拉伸出的圓柱端面為基準(zhǔn)面，繪制孔與鍵槽并向內(nèi)切除拉伸至另一平面；孔的直徑大小為軸的軸徑，鍵槽的高度與寬度根據(jù)所選鍵進行繪制。
根據(jù)以上方法所繪制的同步帶輪3D建模圖如下：
圖4-2 同步帶輪
4.3 步行四邊形機器人的裝配
在進行機器人的裝配時需要以某一個或一部分零件為基準(zhǔn)，再將其他零部件按合適的配合方式進行裝配。在此次裝配中以機器人的底板為基準(zhǔn)，以此基準(zhǔn)進行其他零件的裝配。具體裝配步驟如下：
1.以底板為基準(zhǔn)使用重合指令安裝機器人的前板、后板與兩面?zhèn)劝?，板與板之間通過螺母進行連接。
2.根據(jù)側(cè)板上螺紋孔的位置使用同軸指令裝配電動機，使用重合指令使電動機連接柱的端面與側(cè)板重合，并通過電動機底面與底板的重合配合關(guān)系進一步確定發(fā)動機的位置。
3.以電動機輸出軸為基準(zhǔn)使用同軸與重合指令安裝同步帶輪。
4.以側(cè)板上的孔洞為基準(zhǔn)使用同軸、重合指令安裝深溝球軸承與軸 承座，其中軸承座通過螺栓與側(cè)板進行連接。
5.以軸承的孔為基準(zhǔn)使用同軸指令安裝軸，使用重合指令使軸肩處與軸承內(nèi)側(cè)相接進一步確定軸的位置。
6.以軸為基準(zhǔn)使用同軸指令與重合指令安裝其余的同步帶輪。
7.以同步帶輪為基準(zhǔn)使用同軸與重合指令安裝同步帶，至此機器人的傳動機構(gòu)裝配完成。
8.以軸末端的凸臺為基準(zhǔn)使用重合指令安裝曲柄。
9.以曲柄上的小孔為基準(zhǔn)使用同軸與重合指令安裝長連桿，長連桿與曲柄之間通過銷軸進行連接。
10.以側(cè)板上的孔為基準(zhǔn)使用同軸與重合指令安裝銷軸、軸套，并以銷軸為基準(zhǔn)安裝短連桿。
11.以短連桿末端的孔為基準(zhǔn)使用同軸指令進一步約束長連桿的位置，短連桿與長連桿之間使用銷軸進行連接。
12.以長連桿末端孔為基準(zhǔn)使用同軸與重合指令安裝軸套與腿，長連桿、軸套、腿之間通過銷軸進行連接，再將足與腿使用同軸與重合指令連接，運動機構(gòu)的裝配完成。
13.重復(fù)8~12步安裝另外五處運動機構(gòu)或通過局部陣列的方式來實現(xiàn)，最后使用重合指令安裝上板步行四邊形機器人的裝配完成。
步行四邊形機器人3D總裝配圖如圖所示：
圖4-3 步行機器人總裝配圖側(cè)視圖
4.4 本章小結(jié)
本章使用SolidWorks軟件對步行四邊形機器人進行了3D建模，建模步驟大致為選取平面后繪制草圖再進行拉伸，其中小部分零件為標(biāo)準(zhǔn)件使用插入標(biāo)準(zhǔn)件的方法直接插入至裝配圖。
結(jié)論
本文對步行四邊形機器人進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，前期通過查閱大量資料與文獻對步行機器人這一領(lǐng)域的發(fā)展進行了大致的了解，確定了主要設(shè)計對象為步行四邊形機器人的腿部機構(gòu)與傳動機構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進行了方案的設(shè)計與選擇。
中期按照所選擇的方案進行了運動機構(gòu)與傳動機構(gòu)的設(shè)計，確定了機器人運動機構(gòu)中各個主要零部件的尺寸，并選取直流電機與同步帶輪的組合為傳動系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上進行了運動系統(tǒng)的可行性分析，對傳動系統(tǒng)的主要零部件進行了設(shè)計與校核。
后期則使用SolidWorks軟件對各個零部件進行建模，組成裝配體。同時對論文與二維圖紙根據(jù)老師的指導(dǎo)意見進行調(diào)整與修改。
本設(shè)計理論上可以實現(xiàn)步行動作，但由于個人能力有限，各個部分的設(shè)計無法做到完全合理，有待繼續(xù)研究。
致謝
在趙金濤老師的大力幫助與支持下，我的畢業(yè)論文得以完成。老師對于事業(yè)的熱情，學(xué)術(shù)上的嚴謹以及細節(jié)里的嚴格讓本人受益匪淺。在相關(guān)的實際問題的討論中，趙老師總是孜孜不倦的引導(dǎo)著我，幫助著我。每周一次的進度檢查和問題討論，促使我在正確的道路上大步前進，使工作按時保質(zhì)保量的完成，我本人的研究能力，