1657-智能機(jī)器狗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),智能,機(jī)器,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- I -本設(shè)計(jì)已經(jīng)通過答辯，如果需要圖紙請(qǐng)聯(lián)系 QQ 251133408 另專業(yè)團(tuán)隊(duì)代做畢業(yè)設(shè)計(jì)，質(zhì)量速度有保證。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- II -智能機(jī)器狗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要對(duì)于我們的未來生活，每個(gè)人有不同的構(gòu)想，但大多數(shù)人都相信，在將來的社會(huì)，機(jī)器狗將作為家庭的一員進(jìn)入我們的生活，與我們每天朝夕相處?？涩F(xiàn)在普遍存在人們心中的疑問是：將來機(jī)器狗將以何種身份進(jìn)入我們的生活，是玩伴還是傭人，智能機(jī)器狗的設(shè)計(jì)就是為了將來機(jī)器狗能進(jìn)入我們中國人的家庭生活，為我們的家庭生活帶來歡樂。本設(shè)計(jì)采用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，成功地設(shè)計(jì)了智能機(jī)器狗的本體結(jié)構(gòu)。本機(jī)器狗具有前后行、平地側(cè)行等基本行走功能。另外機(jī)器狗頭部還裝有 CD攝影機(jī)，胸腔內(nèi)部可裝備內(nèi)置電源和智能設(shè)備。本設(shè)計(jì)參考了狗的結(jié)構(gòu)組成，使得機(jī)器狗結(jié)構(gòu)盡量與狗的本體結(jié)構(gòu)相似，尤其在長度配比方面。本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，關(guān)節(jié)數(shù)目眾多，為了力求優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者兼顧了關(guān)鍵部件的互換性和結(jié)構(gòu)緊湊的原則。所有的關(guān)節(jié)都用了 2036 型的直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，充分利用伺服電機(jī)的特性。伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)都采用了諧波減速器機(jī)構(gòu)，該減速方案減速比大、效率高，是比較理想的減速方案。關(guān)鍵詞：智能機(jī)器狗； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 諧波傳動(dòng)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- III -Intelligent robot dog frame designAbstractFor our future life, everyone had different ideas, but most people believe that, in future society, the robot dog as a family into our lives, and we can now daily overnight with the common people's hearts Question is: what will be the future status of robot dog into our lives, playmates or servants, the design of intelligent robot dog is to the future robot can enter our Chinese people's family lives, for our happy family life.The design of a joint structure, the successful design of intelligent robot dog, the body structure. The robot dog has before and after the trip, the ground adjacent to the basic operating functions. Another robot is also equipped with CD camera head, chest internal equipment can be built-in power supply, and intelligent. The reference design of the structure of the dog, making the structure as the robot dog, the dog's body similar to the structure, particularly in the area ratio of length. The design of the structure is more complicated, the large number of joints, in an effort to optimize the design, designers take into account the interchangeability of key components of the compact structure and principles. All joints are composed of a 2036-type of DC servo motor as a driver and make full use of servo motor characteristics. Servo motor drives are used harmonic reducer, the slowdown in the programme reduction ratio, high efficiency, The ideal slowdown is a good programme.Keywords　 intelligent robot dog; structural design; harmonic drive哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- IV -目錄摘要 .......................................................................................................................IAbstract................................................................................................................II第 1 章 緒論 ........................................................................................................11.1 本課題的來源、研究目的和意義 ...........................................................11.2 國內(nèi)外智能機(jī)器人的發(fā)展概況 ...............................................................31.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 ...................................................................................5第 2 章 智能機(jī)器狗的設(shè)計(jì) ................................................................................62.1 自由度的分配及結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) ............................................................62.1.1 自由度的分配 .....................................................................................62.1.2 結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) .................................................................................62.2 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方案的選擇 ................................................................................92.3 傳動(dòng)方案的選擇 ......................................................................................102.3.1 傳動(dòng)方式 ...........................................................................................102.3.2 減速器和減速比的選擇 ...................................................................102.3.3 電機(jī)與減速器的連接方式 ...............................................................132.4 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能參數(shù) ..............................................................................142.4.1 智能機(jī)器狗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ...................................................................142.4.2 智能機(jī)器狗的結(jié)構(gòu)性能參數(shù) ...........................................................14第 3 章 部分關(guān)節(jié)部件設(shè)計(jì)計(jì)算 ......................................................................173.1 各關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算 ..................................................................................173.1.1 膝關(guān)節(jié)靜力矩的計(jì)算 .......................................................................173.1.2 髖關(guān)節(jié)向前后運(yùn)動(dòng)自由度的靜力矩的計(jì)算 ...................................173.1.3 髖關(guān)節(jié)左右擺動(dòng)時(shí)靜力矩的計(jì)算 ...................................................183.1.4 頸關(guān)節(jié)擺動(dòng)時(shí)的靜力矩的計(jì)算 .......................................................203.2 諧波傳動(dòng)組件的選擇與計(jì)算 ..................................................................203.3 圓柱齒輪減速器組件選擇與計(jì)算 ..........................................................203.4 各關(guān)節(jié)所需電機(jī)的選擇與計(jì)算 ..............................................................21第 4 章 其它部件的選擇 ..................................................................................23第 5 章 成本估算和環(huán)保分析 ..........................................................................255.1 成本估算 ..................................................................................................255.2 環(huán)保與經(jīng)濟(jì)分析 ......................................................................................25結(jié)論 ....................................................................................................................27致謝 ....................................................................................................................28哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- V -參考文獻(xiàn) ............................................................................................................29附錄 ....................................................................................................................30哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 1 -第 1 章 緒論1.1 本課題的來源、研究目的和意義本課題是機(jī)器人寵物項(xiàng)目之一。該項(xiàng)目從表演性和娛樂性方面著手，顯示其存在的價(jià)值和實(shí)力，同時(shí)又是從高技術(shù)方面展現(xiàn)其當(dāng)今科技的發(fā)展方面和前景。智能機(jī)器狗屬于機(jī)器人的范疇，要談?wù)摍C(jī)器狗，有必要先了解機(jī)器人的概況。自從七十年代工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)以來，機(jī)器人對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，勞動(dòng)生產(chǎn)率、勞動(dòng)市場、環(huán)境工程都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。幾十年來，機(jī)器人技術(shù)以驚人的速度發(fā)展起來。第一代示教機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)；第二代具有感知的機(jī)器人的研究已取得了很大的突破；第三代類人智能機(jī)器人的研究已成為許多國家的高科技前沿項(xiàng)目之一。在核工業(yè)場所，深海石油平臺(tái)的維護(hù)、戰(zhàn)場上排雷、彈藥運(yùn)輸、火場救火等方面，機(jī)器人相對(duì)與人類來說都有很大的優(yōu)越性。機(jī)器人在其他工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也正有越來越廣泛的應(yīng)用 [1]。隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)分工越來越細(xì)，尤其在現(xiàn)代化的大生產(chǎn)中，有的人每天就只管擰同一個(gè)部位的一個(gè)螺母，有的人整天就是接一個(gè)線頭，就像電影《摩登時(shí)代》中演示的那樣，人們感到自己在不斷異化，各種職業(yè)病開始產(chǎn)生。于是人們強(qiáng)烈希望用某種機(jī)器代替自己工作。于是人們研制出了機(jī)器人，代替人完成那些枯燥、單調(diào)、危險(xiǎn)的工作。由于機(jī)器人的問世，使一部分工人失去了原來的工作，于是有人對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生了敵意?！皺C(jī)器人上崗，人將下崗?！辈粌H在我國，即使在一些發(fā)達(dá)國家如美國，也有人持這種觀念。其實(shí)這種擔(dān)心是多余的，任何先進(jìn)的機(jī)器設(shè)備，都會(huì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，創(chuàng)造出更多的社會(huì)財(cái)富，也就必然提供更多的就業(yè)機(jī)會(huì)，這已被人類生產(chǎn)發(fā)展史所證明。任何新事物的出現(xiàn)都有利有弊，只不過利大于弊，很快就得到了人們的認(rèn)可。比如汽車的出現(xiàn)，它不僅奪了一部分人力車夫、挑夫的生意，還常常出車禍，給人類生命財(cái)產(chǎn)帶來威脅。雖然人們都看到了汽車的這些弊端，但它還是成了人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚慕煌üぞ?。英國一位著名的政治家針?duì)關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的這一問題說過這樣一段話：“日本機(jī)器人的數(shù)量居世界首位，而失業(yè)人口最少，英國機(jī)器人數(shù)量在發(fā)達(dá)國家中最少，而失業(yè)人口居高不下”，這也從另一個(gè)側(cè)面說明了機(jī)器人是不會(huì)搶人飯碗的。美國是機(jī)器人的發(fā)源地，機(jī)器人的擁有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于日本，其中部分原因就是因?yàn)槊绹行┕と瞬粴g迎機(jī)器人，從而抑制了機(jī)器人的發(fā)展。日本哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 2 -之所以能迅速成為機(jī)器人大國，原因是多方面的，但其中很重要的一條就是當(dāng)時(shí)日本勞動(dòng)力短缺，政府和企業(yè)都希望發(fā)展機(jī)器人，國民也都?xì)g迎使用機(jī)器人。由于使用了機(jī)器人，日本也嘗到了甜頭，它的汽車、電子工業(yè)迅速崛起，很快占領(lǐng)了世界市場。從現(xiàn)在世界工業(yè)發(fā)展的潮流看，發(fā)展機(jī)器人是一條必由之路。沒有機(jī)器人，人將變?yōu)闄C(jī)器；有了機(jī)器人，人仍然是主人。此次機(jī)器狗的設(shè)計(jì)可以借鑒以往的步行機(jī)器人來設(shè)計(jì)，尤其是在步態(tài)行走中，機(jī)器人的步態(tài)是在步行過程中，機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)在時(shí)序和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系，通常由各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡來描述。步態(tài)規(guī)劃的目標(biāo)是產(chǎn)生期望步態(tài)，即產(chǎn)生在某個(gè)步行周期中能實(shí)現(xiàn)某種步態(tài)的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡，這個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)就依賴于有效而可靠的步態(tài)規(guī)劃方法。步態(tài)規(guī)劃是機(jī)器人穩(wěn)定步行的基礎(chǔ)，也是雙足步行機(jī)器人研究中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)和提高機(jī)器人的行走性能，必須研究實(shí)用而有效的步態(tài)規(guī)劃方法。雙足機(jī)器人自由度較多，運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，行走時(shí)各自由度之間的關(guān)系協(xié)調(diào)比較困難。采用傳統(tǒng)的兩步規(guī)劃法，將前向運(yùn)動(dòng)與側(cè)向運(yùn)動(dòng)分開進(jìn)行，雖然可以獲得穩(wěn)定步態(tài)，但機(jī)器人行走動(dòng)作不流暢。為解決此問題，在根據(jù)雙足機(jī)器人的自身特點(diǎn)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃時(shí)采用三步規(guī)劃法。三步規(guī)劃法在兩步規(guī)劃法基礎(chǔ)上，通過對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行修正，獲得更加流暢的行走步態(tài)。第1 步根據(jù)雙足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，規(guī)劃機(jī)器人行走時(shí)的基本姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡；第 2 步則根據(jù)雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，確定其余各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)；第 3 步對(duì)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行修正，獲得更加流暢的步態(tài)靈活多樣的運(yùn)動(dòng)能力是生物體特有的一種屬性，沒有這種屬性，生物體無法獲取食物，無法逃脫危險(xiǎn)，無法繁衍生息。雙足步行是高級(jí)生命的一種運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)這種運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)理研究及其機(jī)械再創(chuàng)造是一項(xiàng)極富挑戰(zhàn)的課題。雙足機(jī)器人是雙足生物運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械再創(chuàng)造，與其它移動(dòng)機(jī)器人(輪式、履帶式、爬行式等)相比，雙足機(jī)器人具有高度的適應(yīng)性與靈活性。雙足機(jī)器人與地面接觸點(diǎn)是離散的，可以選擇合適的落腳點(diǎn)來適應(yīng)崎嶇的路面，它既可以在平地行走，也可以在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中行走，如在凹凸不平的地面行走、在狹窄的空間里移動(dòng)、上下臺(tái)階和斜坡、跨越障礙等。然而，現(xiàn)實(shí)世界的地面情況是很難事先精確獲取的，這就需要雙足機(jī)器人的支撐踝關(guān)節(jié)能夠柔順。本題所研究的機(jī)器人并不同于一般的工業(yè)機(jī)器人。因?yàn)樗辉俟潭ㄔ谝粋€(gè)位置上。這種機(jī)器人具有靈活的行走系統(tǒng)，以便隨時(shí)走道需要的地方，完成人或智能系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置指定的工作。機(jī)器人行走系統(tǒng)的靈活性和對(duì)地面的適應(yīng)能力將直接形象機(jī)器人的工作范圍和工作能力，自然界的事實(shí)，仿生學(xué)以及力學(xué)分析表明，智能機(jī)器狗比類人型步行機(jī)器人容易實(shí)現(xiàn)得多，它主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 3 -1.智能機(jī)器狗能適應(yīng)各種地面和具有較高的逾越障礙的能力，并且能夠作各種動(dòng)作，如坐下、扭動(dòng)身軀、點(diǎn)頭、擺尾巴，而這些動(dòng)作機(jī)器人卻不能作到。2.機(jī)能機(jī)器狗的能耗很小。因?yàn)樵摍C(jī)器狗可具有獨(dú)立的能源裝置，同時(shí)要求隨時(shí)補(bǔ)給能源，因此在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)充分考慮其能耗問題。3.雙足行走是生物界難度最高的步行動(dòng)作。并且其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而智能機(jī)器狗是四足行走，技術(shù)難度相對(duì)較底，因此機(jī)器狗的娛樂前景被普遍看好 [2]。仿狗機(jī)器狗對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)裝置提出了許多特殊要求，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)機(jī)械的重大變革。仿狗機(jī)器狗是工程上少有的高價(jià)、非線形、非完整約素的多自由度系統(tǒng)，這對(duì)其動(dòng)力學(xué)的研究可能導(dǎo)致力學(xué)領(lǐng)域中新觀念、新方法的生產(chǎn)。另外。其研究還可以推動(dòng)仿生學(xué)的發(fā)展。因此，智能機(jī)器狗的研究具有十分重大的價(jià)值和意義。自然界中的萬物都是經(jīng)過一個(gè)漫長的優(yōu)化過程，其中狗也不例外?？梢钥隙ǎ悄軝C(jī)器人一定會(huì)有一個(gè)持續(xù)“優(yōu)化”和研制的前景 [3]。1.2 國內(nèi)外智能機(jī)器人的發(fā)展概況智能機(jī)器人的研制開始于本世紀(jì)六十年代，只有二十多年的歷史。然爾，智能機(jī)器人的研究工作進(jìn)展迅速。如今已成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。1968 年，美國的通用電氣公司試制了一臺(tái)叫“RIG ”的操作雙步行機(jī)器人機(jī)械，從而揭開了雙足步行機(jī)器人研制的序幕。1968 年，日本早稻田大學(xué)加藤一郎教授在日本首先展開了雙足機(jī)器人的研制工作。1969 年研制出 WAP-1 平面自由度步行機(jī)。該機(jī)具有六個(gè)自由度，每條腿有髖、膝、踝三個(gè)關(guān)節(jié)。利用人造橡膠肌肉為關(guān)節(jié)，通過注氣，排氣引起肌肉收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)從而邁步。由于氣體的可伸縮性，該機(jī)器人行走不穩(wěn)定。1971 年加藤一朗又研制出 WAP-3 型雙足機(jī)器人，仍采用人造肌肉驅(qū)動(dòng)，能在平地，斜坡和階梯上行走，具有 11 個(gè)自由度。1972 年，加藤一郎實(shí)驗(yàn)室研制出 WL-5 雙足步行機(jī)器人，該機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有 11 個(gè)自由度。下肢作三維運(yùn)動(dòng)，上身軀體左右擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人重心的左右移動(dòng)。該機(jī)器人重 130kg，高 90cm，可載荷30kg，可實(shí)現(xiàn)步幅 15cm，每步 45s 的靜態(tài)步行。1973 年，加騰等人在 WL-9DR 雙足機(jī)器人上采用預(yù)先設(shè)計(jì)步行方式的程序控制方法，用步行運(yùn)動(dòng)分析及重量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步態(tài)軌跡，用以控制機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人采用以單腳支撐期為靜態(tài)。雙腳切換氣為動(dòng)態(tài)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步方案。實(shí)現(xiàn)了步幅 45CM，每步 9S 的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 4 -1984 年，加藤實(shí)驗(yàn)室又研制采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的 WL-10RD 雙足機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了步幅 40cm，每步 1.5s 的平穩(wěn)動(dòng)態(tài)步行。 1986 年，加騰實(shí)驗(yàn)室有研制成功了 WL-12（ R）步行機(jī)器人，該機(jī)器人通過軀體運(yùn)動(dòng)來補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動(dòng)，在軀體的平衡作用下，實(shí)現(xiàn)了步行周期 1.3S，步幅 30CM 的平地動(dòng)態(tài)步行 [4]。近年來，日本許多研究單位正致力于雙足機(jī)器人的研制工作，其中本田公司最為突出。本田公司于 1996 年推出了他們最新研制的雙足步行機(jī)器人，它能夠根據(jù)具體條件改變運(yùn)動(dòng)方向，并控制其自身的平衡，完成平穩(wěn)的動(dòng)態(tài)步行。該機(jī)器人具有平地前后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階、推車、抓取一定重物等功能。本田公司于 1997 年又推出了經(jīng)改進(jìn)的雙足步行機(jī)器人，其功能更加齊全，機(jī)器人關(guān)節(jié)采用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，頭部裝有攝像機(jī)，手部和足部裝有六維力矩傳感器，機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，定位精確。 日本在目前的仿人雙足機(jī)器人仍未達(dá)到完全使用的階段。他們的研制目標(biāo)是達(dá)到與人無異的動(dòng)態(tài)步行。相信人的智慧會(huì)使這個(gè)“進(jìn)化”實(shí)現(xiàn)。此外，日本的有本卓，廣瀨茂男，小川清等人也在雙足步行機(jī)器人的理論研究方面作出了不少的貢獻(xiàn)。美國、英國、蘇聯(lián)、南斯拉夫、意大利、德國等國家，許多學(xué)者在步行機(jī)器人的力學(xué)，模型和型號(hào)研制方面也作出了相應(yīng)的工作。如英國于 1970 年研制成功的”witt”型雙足步行機(jī)器人，在蘇聯(lián)則研制出兩輪雙足行走機(jī)器人 [5]。國內(nèi)，仿人雙足步行機(jī)器人的研制工作起步較晚，1985 年以來，相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國防科技大學(xué)最為典型 [6]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)自 1985 年開始研制雙足步行機(jī)器人，已經(jīng)完成了三個(gè)型號(hào)的研制工作； 第一個(gè)型號(hào)為 10 個(gè)自由度，重 100kg，高 1.2m，關(guān)節(jié)由直流伺服電極驅(qū)動(dòng)，屬于靜態(tài)步行。第二個(gè)型號(hào)為 10 個(gè)自由度，該機(jī)器人關(guān)節(jié)和腿部結(jié)構(gòu)采用了平行四邊形結(jié)構(gòu)。第三個(gè)型號(hào)為 12 個(gè)自由度，關(guān)節(jié)采用兩電機(jī)相連，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度。目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所的強(qiáng)文義，付佩深教授與機(jī)械電子工程教研室的謝濤副教授等老師合作，正在致力于功能齊全的仿人行走機(jī)器人的研制工作，該機(jī)器人包括行走機(jī)構(gòu)，上身及臀部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，共 32個(gè)自由度。國防科技大學(xué)也進(jìn)行了這方面的研究。在 1989 年研制成功了一臺(tái)雙哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 5 -足機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人具有 10 個(gè)自由度，能完成靜態(tài)步行，動(dòng)態(tài)步行 [7]。1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)的智能機(jī)器狗的本體設(shè)計(jì)，是在參考國內(nèi)外所做的研究的基礎(chǔ)上，在加上自己獨(dú)到的見解，從而單獨(dú)完成此課題，本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下： 1、對(duì)腿關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，即使寬關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)同時(shí)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)動(dòng)作，并且寬關(guān)節(jié)也可以向外擺動(dòng)。擺動(dòng)動(dòng)作是由電機(jī)加諧波減速器傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。2、對(duì)頭部以及尾巴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)優(yōu)化，完成指定的技術(shù)要求。3、選擇關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方案及傳動(dòng)方案。4、對(duì)電機(jī)，齒輪減速器，以及偕波減速器的組件進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 6 -第 2 章 智能機(jī)器狗的設(shè)計(jì)2.1 自由度的分配及結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)2.1.1 自由度的分配智能機(jī)器狗為了實(shí)現(xiàn)前后行走、側(cè)行，以及頭部的擺動(dòng)，尾巴的上下運(yùn)動(dòng)等功能，腿部設(shè)計(jì)采用了 12 個(gè)自由度，分布如圖 2-1 所示。圖 2-1 行走機(jī)構(gòu)正面自由度分布圖旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 3 和 4 可實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器狗的大腿的向前或向后運(yùn)動(dòng)，它也可以帶動(dòng)整個(gè)腿部的前后運(yùn)動(dòng)，而擺動(dòng)關(guān)節(jié) 2 和 5 可實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器狗大腿向身體的外側(cè)移動(dòng)，而擺動(dòng)關(guān)節(jié) 1 和 6 可實(shí)現(xiàn)機(jī)器狗的小腿向前或向后運(yùn)動(dòng)。頭部的自由度可使機(jī)器狗的頭能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頭的動(dòng)作 [8]。2.1.2 結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)1、髖關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)髖關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)要完成大腿的左右擺動(dòng)和前后擺動(dòng)。同時(shí)還要考慮到當(dāng)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 7 -一條腿抬起時(shí)，另外三條腿所產(chǎn)生的彎矩，以及重心的偏移，并要有較好的剛度和穩(wěn)定性。在機(jī)器狗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。為此根據(jù)使用的電機(jī)和齒輪減速器，以及諧波減速器的特點(diǎn)采用了如圖 2-2，2-3 所示的結(jié)構(gòu)形式。圖 2-2 可實(shí)現(xiàn)大腿的左右擺動(dòng)，其結(jié)構(gòu)為一電機(jī)直接和一齒輪減速器相連，使結(jié)構(gòu)達(dá)到緊湊、輕巧。而圖 2-3 可實(shí)現(xiàn)大腿的前后擺動(dòng)，其原理為一電機(jī)的軸通過脹緊套與諧波減速器相連，內(nèi)殼與膝關(guān)節(jié)相連。內(nèi)外殼體之間裝有密珠軸承。這樣電機(jī)的內(nèi)外表面之間就可以有相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)大腿向左右方向抬腿，外殼靜止，內(nèi)殼旋轉(zhuǎn) [9]。圖 2-2 大腿的左右擺動(dòng)圖哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 8 -圖 2-3 大腿的前后擺動(dòng)圖2、膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)膝關(guān)節(jié)是聯(lián)系大腿和小腿的重要部件，設(shè)計(jì)它具有重要的意義。有兩種設(shè)計(jì)方案如下：（1）與大腿前后擺動(dòng)時(shí)的自由度一樣，它的主要構(gòu)件是電機(jī)，諧波減速器，密珠軸承，以及測量前后擺動(dòng)角度的碼盤，其具體結(jié)構(gòu)如圖 2-4所示。圖 2-4 膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)圖哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 9 -（2）與大腿左右擺動(dòng)時(shí)情況一樣。它主要構(gòu)件是電機(jī)，齒輪減速器、密珠軸承，以及測量前后擺動(dòng)角度的碼盤，其具體結(jié)構(gòu)如圖 2-5 所示。圖 2-5 膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)圖3、機(jī)器狗脖子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器狗的頭部實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)器狗的膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)一樣。4、機(jī)器狗的尾巴用彈簧做成 [10]。2.2 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方案的選擇智能機(jī)器狗具有多個(gè)自由度，每個(gè)自由度都必須有一個(gè)驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)。目前常用的驅(qū)動(dòng)方式有：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng) [11]。各自的特點(diǎn)如下：1、液壓驅(qū)動(dòng)：壓力高，可獲得較大的驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，并可獲得較高的位置精度。但成本較高，油路比較復(fù)雜，存在發(fā)熱問題，密封要求高。2、氣壓驅(qū)動(dòng)：壓縮空氣粘度小，易達(dá)到高速，介質(zhì)無污染，使用安全，工作壓力低，制造要求比液壓元件低，管理維護(hù)比較容易。但工作平穩(wěn)性差，速度及位哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 10 -置控制比較困難，而且壓縮空氣需要除水。3、電力驅(qū)動(dòng)：電力驅(qū)動(dòng)無泄露，控制方便，易與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連接，精度高，安全性好，維修方便。電機(jī)是配套的通用產(chǎn)品，規(guī)格齊全，不必另行設(shè)計(jì)制造。為了驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，一般電機(jī)需要配減速裝置。本設(shè)計(jì)中采用電力驅(qū)動(dòng)方式，采用瑞士公司的系列直流伺服電機(jī)。這種電機(jī)的特點(diǎn)如下：（1）體積小，重量輕；（2）輸出較大的功率；（3）調(diào)速范圍寬；（4）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，控制精確可靠；（5）慣量低，起動(dòng)力矩大，響應(yīng)性能好。選取電機(jī)功率：根據(jù)以前步行機(jī)器人的研究經(jīng)驗(yàn)可知，智能機(jī)器狗的行走部分各個(gè)關(guān)節(jié)最大力矩是在靜態(tài)步行中，因此選電機(jī)時(shí)只考慮靜態(tài)狀態(tài)。步行電機(jī)功率由工件重量決定，具體計(jì)算見第 3 章第 1 節(jié)各個(gè)關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算。2.3 傳動(dòng)方案的選擇傳動(dòng)精度是智能機(jī)器狗設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。傳動(dòng)精度的保證要依靠機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)鏈的精度和伺服系統(tǒng)的精度來保證。理論上轉(zhuǎn)動(dòng)鏈越短越好，驅(qū)動(dòng)方案越直接越好。2.3.1 傳動(dòng)方式目前驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方式有兩種，智能機(jī)器狗也不例外，這兩種方式是：一種是將電機(jī)、減速器和關(guān)節(jié)同軸；另一種是將電機(jī)和減速器同軸，中間通過傳動(dòng)裝置傳遞力和運(yùn)動(dòng)到關(guān)節(jié)軸。前者稱為直接驅(qū)動(dòng)方式，后者稱為間接驅(qū)動(dòng)方式。本設(shè)計(jì)只用到了直接驅(qū)動(dòng)方式。2.3.2 減速器和減速比的選擇智能機(jī)器狗要求減速器運(yùn)動(dòng)精度高、回轉(zhuǎn)穩(wěn)定、效率高、體積小、減速比大。經(jīng)過分析比較，本設(shè)計(jì)中用大腿前后擺動(dòng)的減速器應(yīng)選擇諧波減速器，而其他關(guān)節(jié)所用的減速器應(yīng)選擇和電機(jī)相匹配的齒輪減速器。這里有四種普通減速器與諧波齒輪減速器性能做了以下比較，從中不難看其中的優(yōu)劣。具體參數(shù)如下表 2-1，表 2-2，表 2-3，表 2-4，表 2-5[12]。1、行星齒輪哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 11 -行星齒輪參數(shù)如表 2-1。表 2-1 行星齒輪參數(shù)名稱 參數(shù)值 參數(shù)名稱 參數(shù)值傳動(dòng)級(jí)數(shù) 3 輸出力矩 390N.M傳動(dòng)比 97.4 效率 85%齒輪數(shù)量 13 個(gè) 軸承參數(shù) 17 套節(jié)圓線速度 7.62m/s 齒滑動(dòng)速度 12.7m/s同時(shí)嚙合齒數(shù) 7% 齒面接觸應(yīng)力 34.5mpa齒的剪切力 172mpa 齒的安全系數(shù) 3齒面接觸狀態(tài) 線性 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 中力的平衡 好 外形尺寸高 33.1cm外形尺寸長 38.1cm 外形尺寸寬 33.1cm體積 40000cm3 質(zhì)量 111kg2、人字齒輪人字齒輪參數(shù)如表 2-2。表 2-2 人字齒輪參數(shù)名稱 參數(shù)值 參數(shù)名稱 參數(shù)值傳動(dòng)級(jí)數(shù) 2 輸出力矩 390N.M傳動(dòng)比 96 效率 85%齒輪數(shù)量 4 個(gè) 軸承參數(shù) 6 套節(jié)圓線速度 7.62m/s 齒滑動(dòng)速度 12.7m/s同時(shí)嚙合齒數(shù) 5% 齒面接觸應(yīng)力 34.5mpa齒的剪切力 172mpa 齒的安全系數(shù) 3齒面接觸狀態(tài) 線性 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 好力的平衡 好 外形尺寸高 35.6cm外形尺寸長 50.8cm 外形尺寸寬 25.4cm體積 146000cm3 質(zhì)量 127kg3、蝸桿加螺旋齒輪哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 12 -蝸桿加螺旋齒輪參數(shù)如下表 2-3。表 2-3 蝸桿加螺旋齒輪參數(shù)名稱 參數(shù)值 參數(shù)名稱 參數(shù)值傳動(dòng)級(jí)數(shù) 2 輸出力矩 390N.M傳動(dòng)比 100 效率 78%齒輪數(shù)量 4 個(gè) 軸承參數(shù) 6 套節(jié)圓線速度 7.62m/s 齒滑動(dòng)速度 12.7m/s同時(shí)嚙合齒數(shù) 3% 齒面接觸應(yīng)力 34.5mpa齒的剪切力 172mpa 齒的安全系數(shù) 2齒面接觸狀態(tài) 線性 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 好力的平衡 不好 外形尺寸高 40.6cm外形尺寸長 25.4cm 外形尺寸寬 43.2cm體積 44000cm3 質(zhì)量 92.5kg4、圓柱齒輪圓柱齒輪參數(shù)如下表 2-4。表 2-4 圓柱齒輪參數(shù)名稱 參數(shù)值 參數(shù)名稱 參數(shù)值傳動(dòng)級(jí)數(shù) 3 輸出力矩 390N.M傳動(dòng)比 98.3 效率 93%齒輪數(shù)量 6 個(gè) 軸承參數(shù) 8 套節(jié)圓線速度 7.62m/s 齒滑動(dòng)速度 12.7m/s同時(shí)嚙合齒數(shù) 3% 齒面接觸應(yīng)力 34.5mpa齒的剪切力 172mpa 齒的安全系數(shù) 5齒面接觸狀態(tài) 線性 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 中力的平衡 好 外形尺寸高 58.8cm外形尺寸長 91cm 外形尺寸寬 34.6cm體積 185000cm3 質(zhì)量 325kg哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 13 -5、諧波齒輪諧波齒輪參數(shù)如下表 2-5。表 2-5 諧波齒輪參數(shù)名稱 參數(shù)值 參數(shù)名稱 參數(shù)值傳動(dòng)級(jí)數(shù) 1 輸出力矩 390N.M傳動(dòng)比 100 效率 85%齒輪數(shù)量 2 個(gè) 軸承參數(shù) 5 套節(jié)圓線速度 0.094m/s 齒滑動(dòng)速度 0.12m/s同時(shí)嚙合齒數(shù) 30% 齒面接觸應(yīng)力 4.12mpa齒的剪切力 2.06mpa 齒的安全系數(shù) 36齒面接觸狀態(tài) 面 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 好力的平衡 好 外形尺寸高 18.5cm外形尺寸長 28cm 外形尺寸寬 16.5cm體積 5500cm3 質(zhì)量 25kg從以上五種減速器的比較中，可以發(fā)現(xiàn)諧波齒輪減速器的優(yōu)點(diǎn)突出。此外瑞士某公司產(chǎn)的電機(jī)和減速器是配套用的，雖然他們是圓柱齒輪減速器，但不可同日而語。2.3.3 電機(jī)與減速器的連接方式對(duì)于用以使機(jī)器狗的大腿前后的 RS 系列電機(jī)，其輸出的軸徑較小，如果采用鍵連接方式明顯不合適，因此本設(shè)計(jì)中采用目前國外比較流行的新型連接方式，用脹緊套連接方式。具體結(jié)構(gòu)如圖 2-6 所示。這種方式的優(yōu)點(diǎn)如下圖 2-6：圖 2-6 脹緊套結(jié)構(gòu)圖（1）沒有反向間隙，傳動(dòng)精度高；（2）定位方便，具有相位微量可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)；哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 14 -（3）無鍵槽，傳遞扭矩大；（4）可多次裝卸，重復(fù)使用，安裝方便；對(duì)于用以除了使大腿前后運(yùn)動(dòng)的電機(jī)，其他的電機(jī)都是 2036 型電機(jī)，與之配套的是 1920/1 型的圓柱齒輪減速器，它的配合也有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）沒有反向間隙，傳動(dòng)精度更高（因?yàn)樗鼈兪且惑w的） ；（2）傳動(dòng)比可以調(diào)制；（3）輸出軸的軸徑是鍵槽相連，但傳遞扭矩足夠智能機(jī)器狗使用；（4）可任意次裝卸，且安裝非常方便。2.4 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能參數(shù)2.4.1 智能機(jī)器狗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、本設(shè)計(jì)采用多關(guān)節(jié)多自由度結(jié)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)完成前后運(yùn)動(dòng)，左右運(yùn)動(dòng)，以及頭部的運(yùn)動(dòng)。2、本設(shè)計(jì)采用了電機(jī)與諧波減速器相連的直接驅(qū)動(dòng)方式。結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、傳動(dòng)精度高，而且大大增加了關(guān)節(jié)所能達(dá)到的運(yùn)動(dòng)角度。3、本設(shè)計(jì)采用了電機(jī)和減速器一體的結(jié)構(gòu)形式，使其體積小，重量輕，傳動(dòng)精度高。4、本設(shè)計(jì)采用了脹緊套連接電機(jī)軸與減速器的新形式。這種方式連接可靠、安裝方便、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。5、本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)源全部為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，易于集中控制與程序化控制。6、設(shè)計(jì)中，整個(gè)結(jié)構(gòu)采用鋁合金（LY12）材料，這種材料重量輕、硬度高、強(qiáng)度雖不如鋼，但卻大大高于普通鋁合金。2.4.2 智能機(jī)器狗的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)1、電機(jī)由于智能機(jī)器狗行走時(shí)要求速度變化大，調(diào)速范圍大，要求頻繁換向，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求快，故應(yīng)選用直流伺服電動(dòng)機(jī)。其工作原理、結(jié)構(gòu)和基本特性與普通直流電動(dòng)機(jī)沒有原則性區(qū)別，有如下特點(diǎn)：(1).采用細(xì)長電樞，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為普通直流電動(dòng)機(jī)的 1/3~1/2；(2).優(yōu)良的換向性能；(3).機(jī)械強(qiáng)度高；(4).電刷一般放在幾何中性面上，以確保正反轉(zhuǎn)特性對(duì)稱；況且，為了克服低速不平衡性，也應(yīng)該選用低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)。與傳動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)相比，其特點(diǎn)有：(1).機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 15 -(2).繞組電感小、換向性能好，電氣噪音??；(3).力矩波動(dòng)小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。綜合以上所述，我選用瑞士 MINI MOTOR 公司的 2036 型和 244 型直流無刷伺服電動(dòng)機(jī)，具體參數(shù)如下表 2-6 和表 2-7[13]：2036 型參數(shù)如下表 2-6。表 2-6 2036 型參數(shù)名稱 參數(shù)值out Diameter 20mmLength 36mmshaft Diameter 2.0mmnominal voltage 12…….48vNoLoad speed 195000rpmstall torque 23mumoutput power 20w2444-B 型參數(shù)如下表 2-7表 2-7 2444-B 型參數(shù)名稱 參數(shù)值out Diameter 24mLength 36mmshaft Diameter 3.0mmnominal voltage 24……48vNoLoad speed 23000rpmstall torque 11.5mumoutput power 37wcommutation B-D-S-M2、諧波減速器XB-輸出力矩 14N.m,減速比為 63；XB-輸出力矩 18N.m,減速比為 80。3、圓柱齒輪減速器這類的減速器選自瑞士 MINI MOTOR 公司的產(chǎn)品，型號(hào)為 1920/1 和1923/1，其參數(shù)分別如下表 2-8 和表 2-9[14]：1920/1 型參數(shù)如下表 2-8。表 2-8 1920/1 型哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 16 -參數(shù)名稱 參數(shù)值constraction planetrayOuter Diameter 20mmLength withmotor 59.9……74.8mmShaft Diameter 4.0mmReduction ratios 4:1…..1526:1MAX.inputspeed 5000rpmTorque continuous 500mnmTorque intermittent 1000mnm1923/1 型參數(shù)如下表 2-9表 2-9 1923/1 型參數(shù)名稱 參數(shù)值Outer Diameter 23mmLength with motor 53.8……76.6mmshaft Diameter 6.0mmReduction ratios 4:1…..1526:1MAX. inputspeed 4000rpmTorque continuous 700mnmTorque intermittent 1000mnm4、大腿長度 130mm；小腿長度 180mm。5、兩個(gè)前腿，以及兩個(gè)后腿的中心距 280mm。6、機(jī)器狗的身體長 438.9mm;寬 180.5mm;高 200.4mm。7、各關(guān)節(jié)擺幅為正負(fù) 20°。8、機(jī)器狗總重：＜15kg 。9、機(jī)器狗的總高為 592mm;總長 724.8mm。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 17 -第 3 章 部分關(guān)節(jié)部件設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 各關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算 3.1.1 膝關(guān)節(jié)靜力矩的計(jì)算因設(shè)計(jì)要求無動(dòng)態(tài)特性要求，故設(shè)計(jì)時(shí)參考最大靜力矩選擇電機(jī)與減速器。智能機(jī)器狗是一個(gè)四足支撐的機(jī)器，當(dāng)它行走時(shí)，假定僅一條腿向前后運(yùn)動(dòng)，或者左右運(yùn)動(dòng)，而其它三條腿不動(dòng)，這給計(jì)算它們的靜力矩帶來了非常大的好處，具體的分析如圖 3-1：圖 3-1 膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)力矩圖其力矩的公式 3-1 可得：M2=m2gl2sinθ2 (3-1)其中 m2=0.6kg l2=180mm θ2=20° .g=9.8m/s2 代入之中：M2=0.6×0.18×9.8×sin20°=0.5292N.m3.1.2 髖關(guān)節(jié)向前后運(yùn)動(dòng)自由度的靜力矩的計(jì)算因?yàn)轶y關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度，一個(gè)自由度使機(jī)器狗向前后運(yùn)動(dòng)，而另一哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 18 -個(gè)自由度使機(jī)器狗向左右運(yùn)動(dòng)，因此所需的電機(jī)的作用目的有所不同，進(jìn)而在計(jì)算兩個(gè)電機(jī)的靜力矩的方法也有所不同，具體如下圖 3-2 所示：圖 3-2 髖關(guān)節(jié)前后擺動(dòng)力矩圖由力矩原理可得髖關(guān)節(jié)前后擺動(dòng)的力矩公式 3-2，即：M1=m2gl2sinθ3+m2gl1sinθ1+m1gl1sinθ1 (3-2)=m2g(l2sinθ3+l1sinθ1)+m1gl1sinθ1其中 m2=0.6kg l2=180mm θ3=50°m1=0.4kg l1=130mm θ1=20°M1=[0.6×(0.18×sin50°+0.13×sin20°)+0.4×0.13×sin20°]×9.8= 0.995N.m3.1.3 髖關(guān)節(jié)左右擺動(dòng)時(shí)靜力矩的計(jì)算當(dāng)髖關(guān)節(jié)向左右擺動(dòng)時(shí)，為了計(jì)算出最大的靜力矩，假設(shè)智能機(jī)器狗的大腿和小腿在一條直線上，具體情況如下圖 3-3 所示：哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 19 -圖 3-3 髖關(guān)節(jié)左右擺動(dòng)力矩圖由力矩原理可得髖關(guān)節(jié)左右擺動(dòng)時(shí)的力矩公式 3-3，即：M3=m2gl2sinθ1+m2gl1sinθ1+m1gl1sinθ1 (3-3)=m2gsinθ1(l1+l2)+m1gl1sinθ1m2=0.6kg l2=180mm θ3=20°m1=0.4kg l1=130mm g=9.8m/s2M3=0.4×9.8×sin20°×(0.13+0.18)+0.6×9.8×0.13×sin20°=0.778N.M哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 20 -3.1.4 頸關(guān)節(jié)擺動(dòng)時(shí)的靜力矩的計(jì)算圖 3-4 頸關(guān)節(jié)擺動(dòng)力矩圖由力矩原理可得到頸關(guān)節(jié)擺動(dòng)時(shí)的力矩公式 3-4[11]，即：M4=m3gl4sinθ3 (3-4)其中 m3=0.4kg l4=190mm θ3=30°g=9.8m/s2M4=0.4×9.8×0.19×sin30°=0.3724N.m3.2 諧波傳動(dòng)組件的選擇與計(jì)算由(3-1)的計(jì)算可知，用到諧波減速器的關(guān)節(jié)所需的輸出轉(zhuǎn)矩，即為使智能機(jī)器狗的大腿能前后擺動(dòng)時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩，也就是 M1 即M1=0.995N.m因此可選用最小型號(hào) XB-25，輸出力矩 14N.m。3.3 圓柱齒輪減速器組件選擇與計(jì)算圓柱齒輪減速器的傳動(dòng)屬于定軸輪系的一種，又因?yàn)槠涓鬏喌妮S線都互相平行，又稱這樣的輪系為平面定軸輪系。由定軸輪系的原理可知，定軸輪系的傳動(dòng)比為組成該輪系的各對(duì)嚙合輪齒傳動(dòng)比的連乘積，也可以表示成各對(duì)嚙合齒輪中所有從動(dòng)輪齒數(shù)的連乘積與所有主動(dòng)輪齒數(shù)的連乘積之比。設(shè) A 表示輸入軸，B 表示輸出軸，則一般定軸輪系的傳動(dòng)比計(jì)算公式哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 21 -為 3-5：iAB=WA/WB (3-5)上式等于從 A 到 B 所有從動(dòng)輪齒數(shù)連乘積/從 A 到 B 所有主動(dòng)輪齒數(shù)連乘積。此設(shè)計(jì)中所有的電機(jī)是 2036 型，其轉(zhuǎn)速高達(dá) 195000rpm，而所需的轉(zhuǎn)速為 150-200rpm，因此必須有一個(gè)減速器，若用諧波減速器，其傳動(dòng)比達(dá)不到所要求的，即使能夠達(dá)到，其體積過于龐大，有悖于體積小，重量輕的宗旨。因此只能選用于電機(jī)相匹配的減速器，其所需的總的傳動(dòng)比范圍為：i1=WA/ W B=195000/150=130i2=WA/ W B=195000/200=975而 1920/1 型減速器的傳動(dòng)比 4：1-1526：1，所以選擇此類型的減速器符合要求。3.4 各關(guān)節(jié)所需電機(jī)的選擇與計(jì)算根據(jù)工作機(jī)械工藝參數(shù)計(jì)算電機(jī)的功率，依此選電機(jī) [15]。一般旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械所需的公式 3-6：Pz=Tzn/9550 (3-6)Tz ------負(fù)載施加到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩 Nmn------電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速 r/minPz-------工作機(jī)需要的功率 kW1.膝關(guān)節(jié)所需的功率如下：Pz=Tzn/9550=0.5292×200/9550=0.011082kW Tz=0.5292Nm所需功率大概為 11.082W2.髖關(guān)節(jié)前后擺動(dòng)的功率如下：Pz=Tzn/9550=0.995×365/9550=0.03615kW Tz=0.995Nm所需的功率大概為 36.15W3.髖關(guān)節(jié)左右擺動(dòng)的功率如下：Pz=Tzn/9550=0.778×200/9550=0.016293kW Tz=0.778Nm所需的功率大概為 18.293W4.頸關(guān)節(jié)所需的功率如下：Pz=Tzn/9550=0.3724×200/9550=0.007798kW Tz=0.3724Nm所需的功率大概為 7.798kW電動(dòng)機(jī)的選擇要根據(jù)工作環(huán)境和工作負(fù)載情況來進(jìn)行選擇，在正常環(huán)境下，一般選用開啟式電動(dòng)機(jī)，當(dāng)然為了安全也可選用防護(hù)型電動(dòng)機(jī)。在多塵或腐蝕性氣體的環(huán)境中，則應(yīng)選擇封閉式電動(dòng)機(jī)，本設(shè)計(jì)中的智能機(jī)器狗的工做環(huán)境一般是在室內(nèi)環(huán)境下來進(jìn)行，溫度及濕度都比較適宜工作，因此選擇電動(dòng)機(jī)不需考慮在惡劣的環(huán)境下工作的電動(dòng)機(jī)，可以忽略其在惡哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 22 -劣環(huán)境工作的所需條件，這給電動(dòng)機(jī)的選擇帶來了極大的方便。而且在工作環(huán)境相對(duì)好的情況下，如果對(duì)啟動(dòng)、制動(dòng)及調(diào)速有較高要求的機(jī)械，應(yīng)該選用直流的電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)中選用的電動(dòng)機(jī)都是提供功率比較平穩(wěn)的，這可以使智能機(jī)器狗的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性能良好，對(duì)控制系統(tǒng)的選擇也帶來了極大的方便。為了各關(guān)節(jié)能成功的擺動(dòng)，因此髖關(guān)節(jié)所需的電機(jī)為 2444B 型，功率為 37W。對(duì)于其他關(guān)節(jié)，雖然每個(gè)關(guān)節(jié)的所需要的功率不同，但是為了使智能機(jī)器狗的各個(gè)部分的形狀及規(guī)格相統(tǒng)一，這樣從實(shí)際的角度中看上去也可以達(dá)到美觀的效果，因此其他各個(gè)關(guān)節(jié)所需的電機(jī)為 2036 型電機(jī)，功率為 20W。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 23 -第 4 章 其它部件的選擇當(dāng)智能機(jī)器狗的主要部件設(shè)計(jì)完成時(shí)，對(duì)于其它部件的選擇，其具體情況如下：1、接觸感應(yīng)器（touchsensor ）：位于頭頂，從“ 摸頭”到“打頭” ，判斷主人友善與否。2、紅外線感應(yīng)器（infrand distance sensor）：測量與物體之間的距離，要避開障礙物時(shí)最有用。3、燈眼：以紅眼、綠眼分別表示發(fā)怒與開心。4、麥克風(fēng)（steree microph 的 one）：藏在耳朵內(nèi)，能分別辨別左右的聲音，玩熟之后識(shí)別主人的口哨聲。5、尾：經(jīng)常左搖右擺，與其他狗一樣，兩邊搖尾代表興奮。6、彩色攝影機(jī)（ccd color camera）：180，000 像素 CCD 位于狗鼻，主要用來認(rèn)物體顏色及形狀。7、揚(yáng)聲器（speaker ）：狗口里面有一個(gè)微型揚(yáng)聲器，會(huì)用叫聲表示喜怒哀樂。8、加速感應(yīng)器：置于體內(nèi)，用來調(diào)校四腳行走速度，保持平衡。9、后門后面是用來充電的。10、開關(guān)：一按開關(guān)，會(huì)即時(shí)停止所有活動(dòng)，緊急情況下才用。11、散熱器：散熱風(fēng)扇位于背部。12、電源：ERA-110B 鋰電池，每枚可用 1.5 小時(shí)。13、腳掌：4 只腳每只都有一個(gè)滾球，配合關(guān)節(jié)三種幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)，及內(nèi)置程式中，4 腳動(dòng)作配合運(yùn)動(dòng)，可以穩(wěn)定的向前后左右行走，具備 4 只腿部及頸部的共十三個(gè)自由度。14、溫度感應(yīng)器：置于體內(nèi)，可以判斷在各種環(huán)境下的溫度，及時(shí)的調(diào)整工作狀態(tài)。15、碼盤：用來測量移動(dòng)的角度，其型號(hào)為 03B3 型，具體參數(shù)為如下表 4-1[16]：哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 24 -03B3 型碼盤參數(shù)如下表 4-1。表 4-1 03B3 型碼盤參數(shù)名稱 參數(shù)值Number of channels 2Line sper revolution 15Signal out put squarewave 2 channelsSupply voltage 4.5……5.5 VdcCurrent consuruption 12mAPulse width 180±30°ePhase shiftchannelAtoB 90±30°eLogic state width 90±30°ecycle 360±10°eSignal rise/fauty pical 0.3/0.1usFrenque ncyrange up to5 KHZNitertiao fcodedisc 1.2gcm2operatingtemperature -20......+85℃21 世紀(jì)將是生命科學(xué)的世紀(jì)，機(jī)械科學(xué)和生命科學(xué)的深度融合將產(chǎn)生全新概念的產(chǎn)品(如智能仿生結(jié)構(gòu))，開發(fā)出新工藝(如生長成形工藝)和開辟一系列的新產(chǎn)業(yè)，并為解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程和系統(tǒng)中一系列難題提供新的解決方法。這是一個(gè)極富創(chuàng)新和挑戰(zhàn)的前沿領(lǐng)域。地球上的生物在漫長的進(jìn)化中所積累的優(yōu)良品性為解決人類制造活動(dòng)中的各種難題提供了范例和指南。從生命現(xiàn)象中學(xué)習(xí)組織與運(yùn)行復(fù)雜系統(tǒng)的方法和技巧，是今后解決目前制造業(yè)所面臨許多難題的一條有效出路。仿生制造指的是模仿生物器官的自組織、自愈合、自增長與自進(jìn)化等功能結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的一種制造系統(tǒng)與制造過程。如果說制造過程的機(jī)械化、自動(dòng)化延伸了人類的體力，智能化延伸了人類的智力，那么，"仿生制造"則可以說延伸了人類自身的組織結(jié)構(gòu)和進(jìn)化過程。仿生制造所涉及的科學(xué)問題是生物的"自組織 "機(jī)制及其在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用問題。所謂"自組織 "是指一個(gè)系統(tǒng)在其內(nèi)在機(jī)制的驅(qū)動(dòng)下，在組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式上不斷自我完善、從而提高對(duì)于環(huán)境適應(yīng)能力的過程。仿生制造的