XXX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘要
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平行四邊形步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括本課題的研究現(xiàn)狀、目的及意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與成果應(yīng)用、平行四邊形步行機(jī)器人的功能分析、原理設(shè)計(jì)以及標(biāo)準(zhǔn)件的選用和關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)核對(duì)，通過(guò)參考相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，作出原理改進(jìn)，并進(jìn)行分析、計(jì)算、驗(yàn)證，得出了較為可靠地設(shè)計(jì)結(jié)論。此設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，主要采用了平面四桿機(jī)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)中的機(jī)器人變形機(jī)構(gòu)主要由四桿部分、動(dòng)力部分兩部分組成，采用伺服電機(jī)提供動(dòng)力支持。在此次設(shè)計(jì)中主要著手于動(dòng)力部分和四桿部分的傳動(dòng)分析與設(shè)計(jì)，對(duì)所用的幾個(gè)主要的零件做了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對(duì)主體進(jìn)行了虛擬樣機(jī)演示。
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關(guān)鍵詞 機(jī)器人；步行；四桿機(jī)構(gòu)
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Title The design of the parallel quadrilateral walking robot
ABSTRACK
The primary coverage about the design of the parallel quadrilateral walking robot is what the study about this topic at present and what the significance or purpose of this objective.Besides what the project discussed at home and abroad is also what we interested about.What is more is the analysis of this the parallel quadrilateral walking robot and the design of the principle.Also,it is contained the selecting and using of the standard parts and the design of the pivotal parts which is be checked.Though consulting the related experience of the robot changing its vehicle width which makes some improvements in this dissertation.What is more is that the article is also contained the analysis,the calculation and the confirmation. The key point of this design is about the part of the movement in this mechanism.It is adopted the four bar linkage for its mainly way of working.The design of the robot changing its vehicle width consists of two parts,including the four bar linkage part and the power part.It adopts servo motor to provide power support.It is be pay attention about the power part and the four bar linkage part’s analysis in this design.In this dissertation it makes a detailed designed and calculation about these parts which are primary and mainly.It also makes an demonstrate about the robot of changing vehicle width on virtual prototype.
Keywords: robot,walking,four-bar mechanism
1 引言
機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，近幾年來(lái)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。但我國(guó)對(duì)機(jī)器人研究起步較晚，大多數(shù)尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段，主要的研究項(xiàng)目有：清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于1994年通過(guò)鑒定，還有上海交通大學(xué)的地面移動(dòng)消防機(jī)器人已投入使用。北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)等單位承擔(dān)的總裝項(xiàng)目“地面軍用機(jī)器人技術(shù)”研究是以卡車(chē)、面包車(chē)作為平臺(tái)的，是大型智能作戰(zhàn)平臺(tái)。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的AGC和防爆機(jī)器人，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996年研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人等。模仿人的形態(tài)和行為而設(shè)計(jì)制造的機(jī)器人就是仿人機(jī)器人，一般分別或同時(shí)具有仿人的四肢和頭部。中國(guó)科技大學(xué)陳小平教授介紹，機(jī)器人一般根據(jù)不同應(yīng)用需求被設(shè)計(jì)成不同形狀，如運(yùn)用于工業(yè)的機(jī)械臂、輪椅機(jī)器人、步行機(jī)器人等。而仿人機(jī)器人研究集機(jī)械，電子，計(jì)算機(jī)，材料，傳感器，控制技術(shù)等多門(mén)科學(xué)于一體，代表著一個(gè)國(guó)家的高科技發(fā)展水平。從機(jī)器人技術(shù)和人工智能的研究現(xiàn)狀來(lái)看，要完全實(shí)現(xiàn)高智能，高靈活性的仿人機(jī)器人還有很長(zhǎng)的路要走，而且，人類對(duì)自身也沒(méi)有徹底地了解，這些都限制了仿人機(jī)器人的發(fā)展。
2 本課題的研究現(xiàn)狀、目的及意義
2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與成果應(yīng)用
機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)它應(yīng)該說(shuō)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展綜合性的結(jié)果，同時(shí)，也是使社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門(mén)科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國(guó)加強(qiáng)了對(duì)機(jī)器人研究的經(jīng)濟(jì)投入，加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，隨著人類的發(fā)展以及社會(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)谠絹?lái)越深的不斷探討自然的過(guò)程中，在改造自然的過(guò)程中，認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過(guò)程中的一個(gè)客觀需要。
20世紀(jì)60年代到70年代，想到工業(yè)機(jī)器人印入腦海的便是自動(dòng)機(jī)械手。機(jī)器人移動(dòng)功能的大力研究和開(kāi)發(fā)是20世紀(jì)80年代以后才開(kāi)始，現(xiàn)在作為移動(dòng)機(jī)器人而研制的移動(dòng)機(jī)械類型已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了機(jī)械手。
中國(guó)的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括：服務(wù)機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨(dú)立成體系的趨勢(shì)，如服務(wù)機(jī)器人、微操作機(jī)器人、軍用機(jī)器人、水下機(jī)器人等。國(guó)際上的機(jī)器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的仿人型與服務(wù)機(jī)器人，這種分類在國(guó)內(nèi)外來(lái)說(shuō)都是一致的。
在機(jī)器人的研發(fā)中主要有以下幾種移動(dòng)特征的應(yīng)用：
輪式：
輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)是最為普通的運(yùn)動(dòng)方式，輪式機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)普遍具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、節(jié)能、靈活的特點(diǎn)，同時(shí)具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時(shí)間短和效率高等優(yōu)勢(shì)。并且編程簡(jiǎn)單可靠性高，每個(gè)輪子都可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。與履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比，當(dāng)跨越不平坦地形時(shí)，輪式機(jī)器人則存在明顯的不足，其穩(wěn)定性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，對(duì)于進(jìn)入復(fù)雜的環(huán)境完成既定任務(wù)存在嚴(yán)重的困難。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)按輪的數(shù)量可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。該結(jié)構(gòu)有一定的局限性，只能在相對(duì)平坦、表面較硬的路面上行駛，如遇到軟性地面容易打滑、沉陷，但可根據(jù)具體地面環(huán)境采用一些預(yù)防措施來(lái)緩解該類情況的出現(xiàn)
腿足式：
腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有：
(1)腿式機(jī)器人的地形適應(yīng)能力強(qiáng)。
(2)腿式機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)更具有靈活性，通過(guò)調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)度可以控制機(jī)器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高；
(3)腿式機(jī)器人的身體與地面分離，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)器人身體可以平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置
履帶式：
履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分為l條履帶、2條履帶(履帶可車(chē)體左右布置或者車(chē)體前后布置)、3條履帶、4條履帶．6條履帶，移動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)動(dòng)性能好、越野性能強(qiáng)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、摩擦阻力大，機(jī)械效率低，在自身重量比較大的情況下會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生一定的破壞。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)比較輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
(1)撐面積大、接地比壓小、滾動(dòng)阻尼小、通過(guò)性比較好；
(2)越野機(jī)動(dòng)性能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)；
(3)履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好；
(4)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜重量大，運(yùn)動(dòng)慣性大，減震功能差，零件易損壞。
幾何機(jī)器人有別于傳統(tǒng)的仿人型兩足、四足、多足、蛇形，以及輪式、履帶式等廣義機(jī)器人。特征是具有多邊形、多面體等幾何形狀以及折疊、縮放等變形能力；其步態(tài)特征是集成滾動(dòng)、步行、爬行等多種移動(dòng)模式。具有強(qiáng)大變形與越障能力，預(yù)期用于現(xiàn)有機(jī)器人難以通過(guò)的極端復(fù)雜障礙環(huán)境—包括民用搶險(xiǎn)救援嚴(yán)重破壞路面、軍事野外作戰(zhàn)動(dòng)態(tài)變化地形，以及星球深度探測(cè)未知復(fù)雜表面，進(jìn)行探測(cè)、運(yùn)輸或武裝作戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)對(duì)幾何機(jī)器人的研究有以下常見(jiàn)的幾種：
滾動(dòng)三角形機(jī)器人
將三角形的頂點(diǎn)進(jìn)行鉸接(兩條邊在鉸接點(diǎn)處可以轉(zhuǎn)動(dòng))，各邊采用電動(dòng)推桿作為動(dòng)力。通過(guò)調(diào)整電動(dòng)推桿的長(zhǎng)度，使機(jī)器人的重心發(fā)生變化，當(dāng)重心超出底邊的支撐區(qū)域時(shí)，機(jī)器人發(fā)生傾倒。重復(fù)這個(gè)過(guò)程，滾動(dòng)三角形機(jī)器人即可以實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)。如果在三角形機(jī)器人下方安裝兩只"腳"，那么它就可以實(shí)現(xiàn)步行了。
平行四邊形步行機(jī)器人
外形為平行四邊形，主要由兩足和兩個(gè)曲柄組成閉合的四桿機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)通過(guò)控制電機(jī)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)器人兩足交替前進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)。提供了一個(gè)對(duì)幾何形體及步行機(jī)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。
六邊形機(jī)器人
與幾何學(xué)中的六邊形類似，在每個(gè)頂點(diǎn)處設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，使它獲得變形能力。從中不難發(fā)現(xiàn)，隨著邊數(shù)的增加，機(jī)器人的變形能力也在逐漸增強(qiáng)。六邊形機(jī)器人可變形為：三角形、四邊形、五邊形，甚至可以模仿履帶的方式進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。繼續(xù)增加邊數(shù)，我們可以獲得更為復(fù)雜多變的多邊形機(jī)器人，如模擬六角或八角雪花形狀的雪花型多邊形機(jī)器人等。以立體幾何中的空間多面體為基礎(chǔ)，可以構(gòu)造多面體機(jī)器人，包括四面體機(jī)器人、五面體機(jī)器人、六面體機(jī)器人，以及削楞截角多面體機(jī)器人等。此外，將折疊縮放技術(shù)與幾何機(jī)器人結(jié)合，還可構(gòu)造出各種外形可以變大或變小的機(jī)器人。下面的六變形機(jī)器人由六個(gè)長(zhǎng)度相等的連桿首尾通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接而成，通過(guò)控制交錯(cuò)的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，可以實(shí)現(xiàn)幾何變形，如：三角形、四邊形、五邊形、六邊形；也可以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)移動(dòng)的步態(tài)。控制部分舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
雪花機(jī)器人
源于“雪花機(jī)構(gòu)”，即呈現(xiàn)雪花形狀的連桿機(jī)構(gòu)，其基本構(gòu)型呈六角形，也可通過(guò)改變邊角數(shù)量的方式創(chuàng)造出八角、十角、十二角等系列化的多角雪花機(jī)構(gòu)。以電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，“連桿機(jī)構(gòu)”即成為一部“連桿機(jī)器”，“幾何機(jī)構(gòu)”也即成為一部“幾何機(jī)器”。在幾何機(jī)器的各連桿之中，需要選出一個(gè)桿作為固定的機(jī)架，稱為“機(jī)架桿”，其他各桿均參照機(jī)架桿做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如將“雪花機(jī)器”解除機(jī)架桿的束縛，整體置于地面，并以計(jì)算機(jī)進(jìn)行移動(dòng)控制，“雪花機(jī)器”即成為可移動(dòng)的“雪花機(jī)器人”。雪花機(jī)器人還具有另一大亮點(diǎn)——機(jī)械智能性：其一，傳統(tǒng)智能機(jī)器人如遇障礙，先由傳感器感應(yīng)到障礙的方位，將信息傳遞給控制器，再由控制器下達(dá)相關(guān)的避障命令。而雪花機(jī)器人可以通過(guò)自身結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性感知障礙物的存在，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避障；其二，雪花機(jī)器人具備被動(dòng)行走能力，即在未加裝電機(jī)的情況下，可以沿緩坡自動(dòng)行走，其步態(tài)優(yōu)雅靈慧，極具美感。以四個(gè)雪花機(jī)構(gòu)替代傳統(tǒng)輪式機(jī)器人的車(chē)輪，即可獲得變形輪機(jī)器人。變形輪機(jī)器人在常規(guī)路面上以圓形輪快速移動(dòng)，在障礙路面上則變大輪徑進(jìn)行攀爬。倏忽變化，越障如平地。
步行機(jī)器人是通過(guò)它的身體的重力感應(yīng)器和腳底的觸覺(jué)傳感器把地面的狀況送回電腦，電腦則根據(jù)路面情況作出判斷，進(jìn)而平衡身體，穩(wěn)定地前后左右行走。它不僅能走平路，還可以走臺(tái)階和傾斜的路。它站立穩(wěn)定，推不倒，腳底不平也能保持身體的直立姿態(tài)。1997年中國(guó)國(guó)務(wù)院總理李鵬前往日本本田公司總部參觀時(shí)，機(jī)器人P3接待了李鵬總理。當(dāng)李鵬總理一行抵達(dá)表演大廳時(shí)，一個(gè)身著宇宙服像宇航員一樣的機(jī)器人從投影電視的屏幕后面走了出來(lái)，其走路的樣子酷似頑童學(xué)步，步子雖然不快，但堅(jiān)實(shí)有力。它走到大廳當(dāng)中面對(duì)李鵬總理站好，伸出右手作歡迎狀。并用漢語(yǔ)自我介紹：“我是機(jī)器人P3，熱烈歡迎李鵬總理和夫人光臨，請(qǐng)?jiān)试S我與您握手”。機(jī)器人握住李鵬總理的手，連續(xù)搖動(dòng)三次，然后擺好姿勢(shì)供久候在那里的記者拍照。步行機(jī)器人如下圖（1）所示：
圖（1）
2.2 課題目標(biāo)
本畢業(yè)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)利用電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的仿人雙足步行移動(dòng)。采用平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，通過(guò)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)步行功能。
研究?jī)?nèi)容包括：
（1）功能分析與方案設(shè)計(jì)；
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維造型；
（3）運(yùn)動(dòng)仿真；
驅(qū)動(dòng)方式：電動(dòng)或氣動(dòng)；
運(yùn)動(dòng)速度：按常用參數(shù)選??；
設(shè)計(jì)要求：功能分析，工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)節(jié)方式、運(yùn)動(dòng)仿真等。
2.3 研究意義
各種類型的移動(dòng)機(jī)器人都被紛紛推出，然而滑行機(jī)器人由于結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式的獨(dú)特以及實(shí)現(xiàn)的較高難度一直處在曝光率極地的地位，本次設(shè)計(jì)即著手于滑行運(yùn)動(dòng)方式來(lái)設(shè)計(jì)該種機(jī)器人。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)將不斷擴(kuò)大，這一點(diǎn)是毋庸置疑的。這也從另一個(gè)側(cè)面說(shuō)面了為什么世界各大機(jī)器人公司紛紛登陸中國(guó)市場(chǎng)。?
市場(chǎng)有了，但多是國(guó)外的，擁有了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)器人還很少，這一點(diǎn)要引起我們的高度重視。一方面國(guó)家要對(duì)國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人給予更多的扶持；另一方面也望企業(yè)使用國(guó)產(chǎn)機(jī)器人給國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人行業(yè)一個(gè)機(jī)會(huì)。?
在我國(guó)，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的大部分份額都被國(guó)外工業(yè)機(jī)器人企業(yè)占據(jù)著。在國(guó)際強(qiáng)手面前，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人企業(yè)都面臨著巨大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。由于國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的功能已經(jīng)與國(guó)外相差不大，只要有批量，一定能夠造就一個(gè)或幾個(gè)中國(guó)品牌的工業(yè)機(jī)器人。如今我國(guó)正從一個(gè)“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)，中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參與國(guó)際分工的問(wèn)題，這既是機(jī)遇又是巨大的挑戰(zhàn)，對(duì)我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)水平以及自動(dòng)化機(jī)器應(yīng)用率的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會(huì)加大對(duì)機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會(huì)給工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。
2.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了有關(guān)機(jī)器人方向相關(guān)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了幾類移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，特別是幾何機(jī)器人的各類相關(guān)的研究狀況，梳理了課題的要求與目的，針對(duì)機(jī)器人不同的應(yīng)用做出了分類，并結(jié)合當(dāng)前國(guó)情對(duì)該課題的研究意義做出了分析。
3 功能分析與原理設(shè)計(jì)
3.1 平行四邊形雙足步行機(jī)器人的功能分析
3.1.1 平行四邊形雙足步行機(jī)器人的總功能
本畢業(yè)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)利用電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的仿人雙足步行移動(dòng)。采用平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，通過(guò)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)步行功能。
對(duì)上述總共能的幾點(diǎn)說(shuō)明：
1） 步行運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，不發(fā)生側(cè)翻；
2） 結(jié)構(gòu)要求緊湊可靠，外觀大方美觀。
3.1.2 平行四邊形雙足步行機(jī)器人的分功能
平行四邊形雙足步行機(jī)器人的分功能包括以下幾點(diǎn)：
1） 可以控制向前向后兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)雙足步行運(yùn)動(dòng)；
2） 滿足以電動(dòng)或氣動(dòng)提供動(dòng)力的運(yùn)動(dòng)方式；
3） 運(yùn)行速度可控。
3.1.3 平行四邊形雙足步行機(jī)器人的輔助功能
規(guī)避障礙物功能：對(duì)于運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法通過(guò)的障礙物要能有效規(guī)避或者停止繼續(xù)運(yùn)行。
3.1.4 平行四邊形雙足步行機(jī)器人的控制功能
過(guò)載保護(hù)：當(dāng)雙足步行運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)如機(jī)構(gòu)卡死等意外情況要有過(guò)載保護(hù)裝置，以免動(dòng)力、傳動(dòng)或者結(jié)構(gòu)遭受不可逆的損壞；
人工控制：當(dāng)機(jī)器人處于向前步行運(yùn)動(dòng)的指令執(zhí)行時(shí)，當(dāng)人工發(fā)送向后運(yùn)動(dòng)
的指令時(shí)要能夠及時(shí)響應(yīng)執(zhí)行，從向前步行的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為向后步行的狀態(tài)；
3.1.5 平行四邊形雙足步行機(jī)器人的功能結(jié)構(gòu)圖
平行四邊形雙足步行機(jī)器人的功能結(jié)構(gòu)圖如圖（2）所示：
機(jī)動(dòng)信號(hào)
向前或者向后步行運(yùn)動(dòng)
四邊形變形
步行
四邊形變形
過(guò)載保護(hù)
電源
動(dòng)力系統(tǒng)
傳動(dòng)系統(tǒng)
噪音
控制系統(tǒng)
發(fā)熱
人工控制
……………………………………………………………………………
圖（2）
……………………………………………………………………………
3.2 平行四邊形雙足步行機(jī)器人伸縮變形部分的原理設(shè)計(jì)
從查閱的資料和實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，平行四邊形步行機(jī)器人四邊形的變形伸縮可采取以下幾種方案來(lái)滿足本課題要求：直線氣缸組件控制四邊形變形伸縮；絲桿滑塊組件控制四邊形變形伸縮等。
下面就兩種擬定的初步設(shè)計(jì)方案做出分析比較與選用：
3.2.1 方案I
直線氣缸組件控制四邊形變形伸縮:
A.變形伸縮氣缸的原理設(shè)計(jì)：
利用壓縮機(jī)提供高壓氣壓對(duì)氣缸進(jìn)行增壓，使連接于氣缸活動(dòng)部分的四邊形對(duì)角的伸縮組件往兩邊伸展，當(dāng)氣缸控制閥方向轉(zhuǎn)變，氣缸氣壓減小，由于四邊形變形伸縮組件受另一邊氣缸的壓力進(jìn)而往內(nèi)側(cè)收縮，達(dá)到控制四邊形變形伸縮的目的。
其主要結(jié)構(gòu)如下圖（3）所示：
圖（3）
……………………………………………………………………
該部分工作過(guò)程簡(jiǎn)述：氣體由左進(jìn)氣口進(jìn)入時(shí)，氣缸活塞受到壓力向右推動(dòng)連桿，使連桿伸長(zhǎng)，讓四邊形變形伸縮組件伸展進(jìn)入長(zhǎng)對(duì)角距離的狀態(tài)；氣體由右進(jìn)氣口進(jìn)入時(shí)，氣缸活塞受到壓力向左推動(dòng)連桿，使連桿縮短，讓四邊形變形伸縮組件收縮進(jìn)入短對(duì)角距離的狀態(tài)。
B.氣缸電磁閥的原理設(shè)計(jì)：
采用二位五通電磁閥如圖（4）來(lái)控制由壓縮機(jī)經(jīng)氣路輸送過(guò)來(lái)的高氣壓，
圖（4）
電磁閥4號(hào)位連接氣缸左進(jìn)氣口，2號(hào)位連接氣缸右進(jìn)氣口，1號(hào)位連接壓縮機(jī)，當(dāng)線圈通電時(shí)，4號(hào)位被接通，氣缸左部充氣，連桿伸出，四邊形變形伸縮組件進(jìn)入伸展長(zhǎng)對(duì)角距離狀態(tài)；當(dāng)線圈斷電時(shí)，2號(hào)位被接通，氣缸右部充氣，連桿收縮，四邊形變形伸縮組件進(jìn)入收縮短對(duì)角距離的狀態(tài)。
3.2.2 方案II
絲桿滑塊組件控制四邊形變形伸縮：
控制伸縮機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)部分原理設(shè)計(jì)：
通過(guò)永磁直流電機(jī)由聯(lián)軸器帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿螺母把旋轉(zhuǎn)方向的運(yùn)動(dòng)通過(guò)導(dǎo)柱固定轉(zhuǎn)化成直線方向的運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖（5）所示：
運(yùn)動(dòng)方向
圖（5）
該部分工作過(guò)程簡(jiǎn)述：永磁直流電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器使絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，連接于導(dǎo)柱上的絲桿螺母把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，從而控制四邊形變形伸縮機(jī)構(gòu)。
3.2.3 方案對(duì)比選取及初步設(shè)計(jì)
兩種方案的比較：
如下表格（1）所示：
比較項(xiàng)目
伸縮過(guò)程的穩(wěn)定性
伸縮過(guò)程的可控性
傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜度
機(jī)構(gòu)安裝難易程度
動(dòng)力系統(tǒng)
制造成本
方案I
（直線氣缸組件控制四邊形變形伸縮）
通過(guò)控制氣缸運(yùn)動(dòng)來(lái)控制伸縮組件的伸長(zhǎng)和縮短，受氣路氣密性影響，穩(wěn)定性較差
只能調(diào)節(jié)至氣缸最大行程和最小行程，整個(gè)伸縮過(guò)程不可控
主要由壓縮機(jī)、氣缸氣路組件和、伸縮組件構(gòu)成，復(fù)雜度一般
需要用到的機(jī)構(gòu)數(shù)量一般，安裝的難易程度一般
使用氣壓作為伸縮機(jī)構(gòu)的動(dòng)力，符合課題要求
根據(jù)設(shè)計(jì)以及各類型零件的估算價(jià)格，由于壓縮機(jī)的使用，成本偏高
方案II
（絲桿滑塊組件控制四邊形變形伸縮）
通過(guò)絲桿滑塊的組合運(yùn)動(dòng)控制伸縮，機(jī)械配合牢固，穩(wěn)定性較好
可以通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)至最大寬度和最小寬度之間的任意寬度狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程可控性較高
主要由電動(dòng)機(jī)、絲桿、滑塊和聯(lián)軸器組件構(gòu)成，復(fù)雜程度一般
需要用到的機(jī)構(gòu)數(shù)量一般，安裝的難易程度一般
使用電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，符合課題要求
根據(jù)設(shè)計(jì)以及各類型零件的估算價(jià)格，由于壓縮機(jī)的使用，成本較低
表（1）
兩種方案的分析：根據(jù)上表各種項(xiàng)目的比較和分析可看出方案I的變形伸縮過(guò)程的穩(wěn)定性是比方案II要低的，其變形伸縮過(guò)程的可控性也不如方案II，傳動(dòng)系統(tǒng)各有優(yōu)劣，機(jī)構(gòu)安裝的難易程度不相上下，動(dòng)力系統(tǒng)都能滿足課題要求，制造成本方案I由于壓縮機(jī)的使用，成本較高。綜合各項(xiàng)條件來(lái)說(shuō)方案II更具優(yōu)勢(shì)。
方案的選用：綜合實(shí)際情況以及預(yù)算成本考慮選用方案II進(jìn)行設(shè)計(jì)。
……………………………………………………………………………
初步設(shè)計(jì)：
1） 變形伸縮整體結(jié)構(gòu)如下圖（6）所示，通過(guò)絲桿螺母的組合達(dá)到變形伸縮的目的。
絲桿
絲桿螺母
伸縮運(yùn)動(dòng)方向
圖（6）
2) 平行四邊形步行機(jī)器人的步行機(jī)架結(jié)構(gòu)示意如下圖（7）所示
圖（7）
…
3.2.4 設(shè)計(jì)優(yōu)化
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)原則以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)以上的初步設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)不合理結(jié)構(gòu)，細(xì)化每個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)。
1） 兩種電機(jī)安裝形式的選擇與運(yùn)用
常見(jiàn)推桿形式有兩種電機(jī)的安裝方案可供參考，如下圖（8）所示
電動(dòng)機(jī)
絲桿螺母組件
（8-a）
絲桿螺母組件
電動(dòng)機(jī)
（8-b）
圖（8）
其中圖8-a為電動(dòng)機(jī)與絲桿組件并排平行安裝；圖8-b為電動(dòng)機(jī)與絲桿組件同軸安裝；并排安裝能節(jié)省空間，讓機(jī)器人更為緊湊，而同軸安裝則能減少傳動(dòng)裝置，電動(dòng)機(jī)效率更高。
通過(guò)比較，為了達(dá)到使平行四邊形步行機(jī)器人整體強(qiáng)度更為可靠，節(jié)省機(jī)構(gòu)空間等目的，選擇圖8-a所示的并排平行安裝方式作為本次設(shè)計(jì)的安裝方式。
2）平行四邊形與推桿的組合
為了使機(jī)器人在步行的過(guò)程中重心更為可控，采用對(duì)角鉸接的方式安裝推桿，如下圖（9）所示：
圖（9）
3.3 平行四邊形雙足步行機(jī)器人步行的原理設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目機(jī)器人的雙足直立行走的運(yùn)動(dòng)方式，大家肯定都很熟悉，畢竟我們?nèi)祟惐旧砭褪强侩p足直立行走的。兩者在本質(zhì)的運(yùn)動(dòng)原理上是類似的，只不過(guò)說(shuō)由于人類的肢體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在行走的過(guò)程中可以做很多細(xì)節(jié)調(diào)整，所以動(dòng)作很靈活流暢；而本項(xiàng)目機(jī)器人結(jié)構(gòu)相對(duì)還是比較簡(jiǎn)單，活動(dòng)方式也比較機(jī)械，所以動(dòng)作相對(duì)也會(huì)顯得比較僵硬。
即：
1、先邁左腳，左腳離地，身體重心轉(zhuǎn)移到右腳，由右腳支撐身體；
2、右腳產(chǎn)生一個(gè)后蹬趨勢(shì)，支撐身體前移；
3、左腳著地，身體重心轉(zhuǎn)移到兩腳之間，身體完成一段距離的移動(dòng)；
4、再邁右腳，右腳離地，身體重心轉(zhuǎn)移到左腳，由左腳支撐身體；
5、左腳產(chǎn)生一個(gè)后蹬趨勢(shì)，支撐身體前移；
6、右腳著地，身體重心轉(zhuǎn)移到兩腳之間，身體再完成一段距離的移動(dòng)；
7、繼續(xù)邁左腳……
如此往復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)雙足行走。以下圖（10）為本項(xiàng)目機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的分解圖。
圖（10）
3.4 本章小結(jié)
本章主要對(duì)平行四邊形雙足步行機(jī)器人四邊形變形伸縮部分的功能原理進(jìn)行了分析，討論了各部分的工作內(nèi)容和設(shè)計(jì)方案，并對(duì)可行度較高的兩種具體方案做了詳細(xì)的分析與比較，最終確定了本課題使用的方案且做出了機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)優(yōu)化。
4 零件設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真
4.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)合《機(jī)械原理》、《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的理論，參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》和《機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)》中的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)本次擬定的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)平行四邊形滑行機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)如下圖（11）所示：
圖（11）
機(jī)器人由兩組各邊兩個(gè)平行四邊形組件結(jié)合而成，收縮狀態(tài)平行四邊形步行機(jī)器人總長(zhǎng)度為3.6米左右，總高度為4.2米左右，總寬度為2.5米左右，體積較大結(jié)構(gòu)比較緊湊。
4.2 各部分零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.2.1 機(jī)架的設(shè)計(jì)
結(jié)合《機(jī)械原理》、《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的理論，參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》和《機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)》中的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)本次擬定的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)平行四邊形步行機(jī)器人的機(jī)架的設(shè)計(jì)如下圖（12）所示：
圖(12)
整體采用熱軋鋼板和45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理后加工成軸連桿框架，強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。
4.2.2 穩(wěn)定部分的設(shè)計(jì)
I.推桿部分的總體設(shè)計(jì)：
由于本設(shè)計(jì)中機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，根據(jù)《機(jī)械原理》中的要求和《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中相關(guān)設(shè)計(jì)，推桿部分的總體設(shè)計(jì)如下圖（13）所示
圖（13）
采用合金框架，雙連桿支撐的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定牢固。電機(jī)與絲桿螺母組件并排安裝節(jié)省空間，達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
1）減速齒輪組件的設(shè)計(jì)：
由于本設(shè)計(jì)中機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，根據(jù)《機(jī)械原理》中的要求和《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中相關(guān)設(shè)計(jì)，減速齒輪組件的具體設(shè)計(jì)如下圖（14）所示
圖（14）
采用45號(hào)鋼加工而成，齒部淬火硬度220-230HRC，采用斜齒圓柱齒輪，斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)則優(yōu)于直齒，且可湊緊中心距用于高速重載。斜齒輪減速機(jī)是新穎減速傳動(dòng)裝置。采用最優(yōu)化，模塊組合體系先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，具有體積小、重量輕、傳遞轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比分級(jí)精細(xì)。
2）絲桿螺母座的設(shè)計(jì)：
由于本設(shè)計(jì)中機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，根據(jù)《機(jī)械原理》中的要求和《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中相關(guān)設(shè)計(jì)，絲桿螺母座的具體設(shè)計(jì)如下圖（15）所示
圖（15）
采用黃銅加工，受力性能好，配合絲桿磨損量小，側(cè)邊開(kāi)導(dǎo)槽加裝導(dǎo)柱設(shè)計(jì)，使螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生自傳。
3）連接導(dǎo)桿的設(shè)計(jì)：
由于本設(shè)計(jì)中機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，根據(jù)《機(jī)械原理》中的要求和《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中相關(guān)設(shè)計(jì)，連接導(dǎo)桿的具體設(shè)計(jì)如下圖（16）所示
圖（16）
采用鋁合金1100-H12棒材加工，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和零件配合特性追加合適的形狀公差和尺寸公差，表面陽(yáng)極氧化本色處理，達(dá)到美觀的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
II.連接件的設(shè)計(jì)
1）連接導(dǎo)桿的設(shè)計(jì)：
由于本設(shè)計(jì)中機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，根據(jù)《機(jī)械原理》中的要求和《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中相關(guān)設(shè)計(jì)，連桿的具體設(shè)計(jì)如下圖（17）所示
圖（17）
采用15mm厚度的熱軋鋼板做兩邊桿件，45號(hào)鋼做為中間的加強(qiáng)支撐柱，起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。
2） 連接軸的設(shè)計(jì)
由于本設(shè)計(jì)中機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，根據(jù)《機(jī)械原理》中的要求和《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中相關(guān)設(shè)計(jì)，連接軸的具體設(shè)計(jì)如下圖（18）所示
圖（18）
采用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度220-230HRC，中間與推桿配合的部位采用過(guò)盈配合。
4.3 其他部分的零件設(shè)計(jì)
1）電機(jī)
電機(jī)選用伺服電機(jī)。具體如下圖（19）所示
圖（19）
2）電機(jī)安裝板的設(shè)計(jì)：
由于本設(shè)計(jì)中機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，根據(jù)《機(jī)械原理》中的要求和《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中相關(guān)設(shè)計(jì)以及選型電機(jī)的具體安裝尺寸，電機(jī)安裝板的具體設(shè)計(jì)如下圖（20）所示：
圖（20）
采用45號(hào)鋼銑削加工而成，表面氧化發(fā)黑防銹處理。
3） 托板的設(shè)計(jì)：
由于本設(shè)計(jì)中機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，根據(jù)《機(jī)械原理》中的要求和《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中相關(guān)設(shè)計(jì)，托板的具體設(shè)計(jì)如下圖（21）所示
圖（21）
由于機(jī)器人步行時(shí)有單腿著地的情況，加裝托板能讓機(jī)器人更為穩(wěn)定，重心位置以及受力可控，不摔倒。采用15mm熱軋鋼板加工而成。
4.4 強(qiáng)度校核
根據(jù)步行原理的受力分析部分可知平行四邊形步行機(jī)器人的主要受力零件為鉸鏈處的連接軸，根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，機(jī)器人總體質(zhì)量，取重力加速度
鉸鏈處連接軸的強(qiáng)度校核：
由于機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)變化和設(shè)計(jì)參數(shù)，以機(jī)器人總體承重位于底部?jī)?nèi)
側(cè)的兩根連接軸上做強(qiáng)度校核即可,受力分析如下圖（22）所示：
圖（22）
由于連接件和被連接件在接觸面上相互壓緊，故可看做連接軸受擠壓作用，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》有45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理的許用擠壓應(yīng)力為，那么有如下計(jì)算：
那么根據(jù)擠壓強(qiáng)度條件有
由于,則鉸鏈處連接軸滿足強(qiáng)度要求。
4.5 基于機(jī)械三維軟件SolidWorks的運(yùn)動(dòng)仿真
機(jī)械制造工業(yè)水平的高低直接代表了了該國(guó)家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、科技、國(guó)防等方面水平的高低。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)主要以靜態(tài)分析、近似計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、手工勞動(dòng)偉特種的設(shè)計(jì)方法，存在著設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、人為影響因數(shù)多、穩(wěn)定性和可靠性差等一系列問(wèn)題。
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用，不僅可以借助一些仿真軟件，可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中即可分析出機(jī)構(gòu)、設(shè)備的薄弱點(diǎn)、干涉區(qū)域等等一些傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，還可以有效的縮短設(shè)計(jì)周期。
SolidWorks是一款使用率非常高的機(jī)械三維設(shè)計(jì)軟件，為達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門(mén)負(fù)責(zé)研發(fā)與銷(xiāo)售機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的視窗產(chǎn)品。SolidWorks軟件也是世界上第一個(gè)基于Windows開(kāi)發(fā)的三維CAD系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)模擬使用的為SolidWorks2014版本。SolidWorks2014建立在過(guò)去20個(gè)版本的成功基礎(chǔ)之上，它包含了SolidWorks解決方案的諸多功能：3D設(shè)計(jì)、模擬、技術(shù)傳播、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和可持續(xù)性設(shè)。新功能如‘歷史標(biāo)簽’可以使多個(gè)用戶通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可查看并追溯最近的設(shè)計(jì)變更，這些功能對(duì)協(xié)同工作來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。增強(qiáng)功能如‘裝配組合’（快捷菜單中的‘常用組合’）可以基于之前的使用模式，提供智能配對(duì)，并在裝配時(shí)應(yīng)用新的模式。本次運(yùn)動(dòng)仿真以運(yùn)動(dòng)零件的機(jī)械組合為基礎(chǔ)，包括面與面的相交，孔與孔的同軸配合等，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)算列功能完成。具體請(qǐng)見(jiàn)以下文件：
BX1.0-001-A 平行四邊形雙足步行機(jī)器人.avi
4.6 本章小結(jié)
本章主要對(duì)基平行四邊形雙足步行機(jī)器人的動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分零件做出了具體設(shè)計(jì)和優(yōu)化并且做了虛擬樣機(jī)演示。
結(jié) 論
本次針對(duì)平行四邊形步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)，通過(guò)功能原理分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)優(yōu)化等通過(guò)虛擬樣機(jī)演示得出該設(shè)計(jì)基本滿足本課題要求的結(jié)論。
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致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)最后一次非常難得的理論結(jié)合實(shí)際的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，在這次學(xué)習(xí)中不僅鍛煉了自己查閱文獻(xiàn)資料和軟件制圖的能力，還拓寬了自己機(jī)械方面的視野與見(jiàn)識(shí)。非常感謝我的指導(dǎo)老師XXX老師和其他老師在我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)這幾個(gè)月來(lái)不辭辛勞的親切指導(dǎo)和設(shè)計(jì)過(guò)程中提出的寶貴意見(jiàn)與建議。
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