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哈爾濱理工大學學士學位論文 智能機器狗結構設計 摘要 對于我們的未來生活，每個人有不同的構想，但大多數人都相信，在將來的社會，機器狗將作為家庭的一員進入我們的生活，與我們每天朝夕相處。可現在普遍存在人們心中的疑問是：將來機器狗將以何種身份進入我們的生活，是玩伴還是傭人，智能機器狗的設計就是為了將來機器狗能進入我們中國人的家庭生活，為我們的家庭生活帶來歡樂。 本設計采用關節(jié)型結構，成功地設計了智能機器狗的本體結構。本機器狗具有前后行、平地側行等基本行走功能。另外機器狗頭部還裝有CD攝影機，胸腔內部可裝備內置電源和智能設備。本設計參考了狗的結構組成，使得機器狗結構盡量與狗的本體結構相似，尤其在長度配比方面。本設計的結構比較復雜，關節(jié)數目眾多，為了力求優(yōu)化設計，設計者兼顧了關鍵部件的互換性和結構緊湊的原則。所有的關節(jié)都用了2036型的直流伺服電機作為驅動源，充分利用伺服電機的特性。伺服電機的驅動都采用了諧波減速器機構，該減速方案減速比大、效率高，是比較理想的減速方案。 關鍵詞：智能機器狗； 結構設計； 諧波傳動 Intelligent robot dog frame design Abstract For 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 不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印 - II - 目錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 本課題的來源、研究目的和意義 1 1.2 國內外智能機器人的發(fā)展概況 3 1.3 本設計的主要內容 5 第2章 智能機器狗的設計 6 2.1自由度的分配及結構方案的設計 6 2.1.1自由度的分配 6 2.1.2結構方案的設計 6 2.2關節(jié)驅動方案的選擇 9 2.3傳動方案的選擇 10 2.3.1傳動方式 10 2.3.2減速器和減速比的選擇 10 2.3.3電機與減速器的連接方式 13 2.4結構特點及性能參數 14 2.4.1智能機器狗的結構特點 14 2.4.2智能機器狗的結構性能參數 14 第3章 部分關節(jié)部件設計計算 17 3.1各關節(jié)力矩的計算 17 3.1.1膝關節(jié)靜力矩的計算 17 3.1.2髖關節(jié)向前后運動自由度的靜力矩的計算 17 3.1.3髖關節(jié)左右擺動時靜力矩的計算 18 3.1.4頸關節(jié)擺動時的靜力矩的計算 20 3.2諧波傳動組件的選擇與計算 20 3.3圓柱齒輪減速器組件選擇與計算 20 3.4各關節(jié)所需電機的選擇與計算 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 25 5.1成本估算 25 5.2環(huán)保與經濟分析 25 結論 27 致謝 28 參考文獻 29 附錄 30 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 - IV - 第1章 緒論 1.1 本課題的來源、研究目的和意義 本課題是機器人寵物項目之一。該項目從表演性和娛樂性方面著手，顯示其存在的價值和實力，同時又是從高技術方面展現其當今科技的發(fā)展方面和前景。 智能機器狗屬于機器人的范疇，要談論機器狗，有必要先了解機器人的概況。自從七十年代工業(yè)機器人應用與工業(yè)生產以來，機器人對工業(yè)生產的發(fā)展，勞動生產率、勞動市場、環(huán)境工程都產生了深遠的影響。幾十年來，機器人技術以驚人的速度發(fā)展起來。第一代示教機器人已廣泛應用于生產；第二代具有感知的機器人的研究已取得了很大的突破；第三代類人智能機器人的研究已成為許多國家的高科技前沿項目之一。在核工業(yè)場所，深海石油平臺的維護、戰(zhàn)場上排雷、彈藥運輸、火場救火等方面，機器人相對與人類來說都有很大的優(yōu)越性。機器人在其他工農業(yè)領域也正有越來越廣泛的應用[1]。 隨著社會的發(fā)展，社會分工越來越細，尤其在現代化的大生產中，有的人每天就只管擰同一個部位的一個螺母，有的人整天就是接一個線頭，就像電影《摩登時代》中演示的那樣，人們感到自己在不斷異化，各種職業(yè)病開始產生。于是人們強烈希望用某種機器代替自己工作。于是人們研制出了機器人，代替人完成那些枯燥、單調、危險的工作。由于機器人的問世，使一部分工人失去了原來的工作，于是有人對機器人產生了敵意?！皺C器人上崗，人將下崗。”不僅在我國，即使在一些發(fā)達國家如美國，也有人持這種觀念。其實這種擔心是多余的，任何先進的機器設備，都會提高勞動生產率和產品質量，創(chuàng)造出更多的社會財富，也就必然提供更多的就業(yè)機會，這已被人類生產發(fā)展史所證明。任何新事物的出現都有利有弊，只不過利大于弊，很快就得到了人們的認可。比如汽車的出現，它不僅奪了一部分人力車夫、挑夫的生意，還常常出車禍，給人類生命財產帶來威脅。雖然人們都看到了汽車的這些弊端，但它還是成了人們日常生活中必不可少的交通工具。英國一位著名的政治家針對關于工業(yè)機器人的這一問題說過這樣一段話：“日本機器人的數量居世界首位，而失業(yè)人口最少，英國機器人數量在發(fā)達國家中最少，而失業(yè)人口居高不下”，這也從另一個側面說明了機器人是不會搶人飯碗的。 美國是機器人的發(fā)源地，機器人的擁有量遠遠少于日本，其中部分原因就是因為美國有些工人不歡迎機器人，從而抑制了機器人的發(fā)展。日本之所以能迅速成為機器人大國，原因是多方面的，但其中很重要的一條就是當時日本勞動力短缺，政府和企業(yè)都希望發(fā)展機器人，國民也都歡迎使用機器人。由于使用了機器人，日本也嘗到了甜頭，它的汽車、電子工業(yè)迅速崛起，很快占領了世界市場。從現在世界工業(yè)發(fā)展的潮流看，發(fā)展機器人是一條必由之路。沒有機器人，人將變?yōu)闄C器；有了機器人，人仍然是主人。 此次機器狗的設計可以借鑒以往的步行機器人來設計，尤其是在步態(tài)行走中，機器人的步態(tài)是在步行過程中，機器人各個關節(jié)在時序和空間上的一種協(xié)調關系，通常由各關節(jié)的運動軌跡來描述。步態(tài)規(guī)劃的目標是產生期望步態(tài)，即產生在某個步行周期中能實現某種步態(tài)的各關節(jié)運動軌跡，這個目標的實現就依賴于有效而可靠的步態(tài)規(guī)劃方法。步態(tài)規(guī)劃是機器人穩(wěn)定步行的基礎，也是雙足步行機器人研究中的一個關鍵技術。要實現和提高機器人的行走性能，必須研究實用而有效的步態(tài)規(guī)劃方法。雙足機器人自由度較多，運動鏈結構復雜，行走時各自由度之間的關系協(xié)調比較困難。采用傳統(tǒng)的兩步規(guī)劃法，將前向運動與側向運動分開進行，雖然可以獲得穩(wěn)定步態(tài)，但機器人行走動作不流暢。為解決此問題，在根據雙足機器人的自身特點進行步態(tài)規(guī)劃時采用三步規(guī)劃法。三步規(guī)劃法在兩步規(guī)劃法基礎上，通過對關節(jié)運動曲線進行修正，獲得更加流暢的行走步態(tài)。第1步根據雙足步行機器人的結構特點，規(guī)劃機器人行走時的基本姿態(tài)及運動軌跡；第2步則根據雙足機器人的運動學方程，確定其余各關節(jié)的運動；第3步對各關節(jié)的運動軌跡進行修正，獲得更加流暢的步態(tài)靈活多樣的運動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，無法繁衍生息。 雙足步行是高級生命的一種運動形式，對這種運動形式的機理研究及其機械再創(chuàng)造是一項極富挑戰(zhàn)的課題。雙足機器人是雙足生物運動形式的機械再創(chuàng)造，與其它移動機器人(輪式、履帶式、爬行式等)相比，雙足機器人具有高度的適應性與靈活性。雙足機器人與地面接觸點是離散的，可以選擇合適的落腳點來適應崎嶇的路面，它既可以在平地行走，也可以在復雜的非結構化環(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、上下臺階和斜坡、跨越障礙等。然而，現實世界的地面情況是很難事先精確獲取的，這就需要雙足機器人的支撐踝關節(jié)能夠柔順。 本題所研究的機器人并不同于一般的工業(yè)機器人。因為它不再固定在一個位置上。這種機器人具有靈活的行走系統(tǒng)，以便隨時走道需要的地方，完成人或智能系統(tǒng)預先設置指定的工作。機器人行走系統(tǒng)的靈活性和對地面的適應能力將直接形象機器人的工作范圍和工作能力，自然界的事實，仿生學以及力學分析表明，智能機器狗比類人型步行機器人容易實現得多，它主要體現在以下幾個方面： 1.智能機器狗能適應各種地面和具有較高的逾越障礙的能力，并且能夠作各種動作，如坐下、扭動身軀、點頭、擺尾巴，而這些動作機器人卻不能作到。 2.機能機器狗的能耗很小。因為該機器狗可具有獨立的能源裝置，同時要求隨時補給能源，因此在設計時就應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作。并且其技術已經相當成熟，而智能機器狗是四足行走，技術難度相對較底，因此機器狗的娛樂前景被普遍看好[2]。 仿狗機器狗對機器人的機械結構及驅動裝置提出了許多特殊要求，這將導致傳統(tǒng)機械的重大變革。仿狗機器狗是工程上少有的高價、非線形、非完整約素的多自由度系統(tǒng)，這對其動力學的研究可能導致力學領域中新觀念、新方法的生產。另外。其研究還可以推動仿生學的發(fā)展。 因此，智能機器狗的研究具有十分重大的價值和意義。 自然界中的萬物都是經過一個漫長的優(yōu)化過程，其中狗也不例外?？? 以肯定，智能機器人一定會有一個持續(xù)“優(yōu)化”和研制的前景[3]。 1.2 國內外智能機器人的發(fā)展概況 智能機器人的研制開始于本世紀六十年代，只有二十多年的歷史。然爾，智能機器人的研究工作進展迅速。如今已成為機器人技術領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叫“RIG”的操作雙步行機器人機械，從而揭開了雙足步行機器人研制的序幕。 1968年，日本早稻田大學加藤一郎教授在日本首先展開了雙足機器人的研制工作。1969年研制出WAP-1平面自由度步行機。該機具有六個自由度，每條腿有髖、膝、踝三個關節(jié)。利用人造橡膠肌肉為關節(jié)，通過注氣，排氣引起肌肉收縮牽引關節(jié)轉動從而邁步。由于氣體的可伸縮性，該機器人行走不穩(wěn)定。 1971年加藤一朗又研制出WAP-3型雙足機器人，仍采用人造肌肉驅動，能在平地，斜坡和階梯上行走，具有11個自由度。 1972年，加藤一郎實驗室研制出WL-5雙足步行機器人，該機器人采用液壓驅動，具有11個自由度。下肢作三維運動，上身軀體左右擺動以實現雙足機器人重心的左右移動。該機器人重130kg，高90cm，可載荷30kg，可實現步幅15cm，每步45s的靜態(tài)步行。 1973年，加騰等人在WL-9DR雙足機器人上采用預先設計步行方式的程序控制方法，用步行運動分析及重量實驗設計步態(tài)軌跡，用以控制機器人的步行運動。該機器人采用以單腳支撐期為靜態(tài)。雙腳切換氣為動態(tài)的準動態(tài)步方案。實現了步幅45CM，每步9S的準動態(tài)步行。 1984年，加藤實驗室又研制采用踝關節(jié)力矩控制的WL-10RD雙足機器人，實現了步幅40cm，每步1.5s的平穩(wěn)動態(tài)步行。 1986年，加騰實驗室有研制成功了WL-12（R）步行機器人，該機器人通過軀體運動來補償下肢的任意運動，在軀體的平衡作用下，實現了步行周期1.3S，步幅30CM的平地動態(tài)步行[4]。 近年來，日本許多研究單位正致力于雙足機器人的研制工作，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器人，它能夠根據具體條件改變運動方向，并控制其自身的平衡，完成平穩(wěn)的動態(tài)步行。該機器人具有平地前后行、側行、轉彎、上下臺階、推車、抓取一定重物等功能。 本田公司于1997年又推出了經改進的雙足步行機器人，其功能更加齊全，機器人關節(jié)采用了伺服電機驅動，頭部裝有攝像機，手部和足部裝 有六維力矩傳感器，機器人結構緊湊，定位精確。 日本在目前的仿人雙足機器人仍未達到完全使用的階段。他們的研制目標是達到與人無異的動態(tài)步行。相信人的智慧會使這個“進化”實現。 此外，日本的有本卓，廣瀨茂男，小川清等人也在雙足步行機器人的理論研究方面作出了不少的貢獻。美國、英國、蘇聯、南斯拉夫、意大利、德國等國家，許多學者在步行機器人的力學，模型和型號研制方面也作出了相應的工作。如英國于1970年研制成功的”witt”型雙足步行機器人，在蘇聯則研制出兩輪雙足行走機器人[5]。 國內，仿人雙足步行機器人的研制工作起步較晚，1985年以來，相繼有幾所高校進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)大學和國防科技大學最為典型[6]。 哈爾濱工業(yè)大學自1985年開始研制雙足步行機器人，已經完成了三個型號的研制工作； 第一個型號為10個自由度，重100kg，高1.2m，關節(jié)由直流伺服電極驅動，屬于靜態(tài)步行。 第二個型號為10個自由度，該機器人關節(jié)和腿部結構采用了平行四邊形結構。 第三個型號為12個自由度，關節(jié)采用兩電機相連，同時實現兩個自由度。 目前，哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所的強文義，付佩深教授與機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器人的研制工作，該機器人包括行走機構，上身及臀部執(zhí)行機構，共32個自由度。 國防科技大學也進行了這方面的研究。在1989年研制成功了一臺雙足機器人，這臺機器人具有10個自由度，能完成靜態(tài)步行，動態(tài)步行[7]。 1.3 本設計的主要內容 本設計的智能機器狗的本體設計，是在參考國內外所做的研究的基礎上，在加上自己獨到的見解，從而單獨完成此課題，本設計的主要內容如下： 1、對腿關節(jié)實現一體化設計，即使寬關節(jié)和膝關節(jié)同時實現擺動動作，并且寬關節(jié)也可以向外擺動。擺動動作是由電機加諧波減速器傳動來實現的。 2、對頭部以及尾巴的結構進行設計，使其結構優(yōu)化，完成指定的技術要求。 3、選擇關節(jié)驅動方案及傳動方案。 4、對電機，齒輪減速器，以及偕波減速器的組件進行選擇和設計。 第2章 智能機器狗的設計 2.1自由度的分配及結構方案的設計 2.1.1自由度的分配 智能機器狗為了實現前后行走、側行，以及頭部的擺動，尾巴的上下運動等功能，腿部設計采用了12個自由度，分布如圖2-1所示。 圖2-1行走機構正面自由度分布圖 旋轉關節(jié)3和4可實現智能機器狗的大腿的向前或向后運動，它也可以帶動整個腿部的前后運動，而擺動關節(jié)2和5可實現智能機器狗大腿向身體的外側移動，而擺動關節(jié)1和6可實現機器狗的小腿向前或向后運動。頭部的自由度可使機器狗的頭能實現點頭的動作[8]。 2.1.2結構方案的設計 1、髖關節(jié)的設計 髖關節(jié)的設計要完成大腿的左右擺動和前后擺動。同時還要考慮到當一條腿抬起時，另外三條腿所產生的彎矩，以及重心的偏移，并要有較好的剛度和穩(wěn)定性。在機器狗的結構設計中，力求結構緊湊、重量輕。為此根據使用的電機和齒輪減速器，以及諧波減速器的特點采用了如圖2-2，2-3所示的結構形式。圖2-2可實現大腿的左右擺動，其結構為一電機直接和一齒輪減速器相連，使結構達到緊湊、輕巧。而圖2-3可實現大腿的前后擺動，其原理為一電機的軸通過脹緊套與諧波減速器相連，內殼與膝關節(jié)相連。內外殼體之間裝有密珠軸承。這樣電機的內外表面之間就可以有相對的轉動，當大腿向左右方向抬腿，外殼靜止，內殼旋轉[9]。 圖2-2大腿的左右擺動圖 圖2-3大腿的前后擺動圖 2、膝關節(jié)的結構設計 膝關節(jié)是聯系大腿和小腿的重要部件，設計它具有重要的意義。有兩種設計方案如下： （1）與大腿前后擺動時的自由度一樣，它的主要構件是電機，諧波減速器，密珠軸承，以及測量前后擺動角度的碼盤，其具體結構如圖2-4所示。 圖2-4膝關節(jié)擺動圖 （2）與大腿左右擺動時情況一樣。它主要構件是電機，齒輪減速器、密珠軸承，以及測量前后擺動角度的碼盤，其具體結構如圖2-5所示。 圖2-5膝關節(jié)擺動圖 3、機器狗脖子的結構設計 機器狗的頭部實現上下擺動，因此其結構設計和機器狗的膝關節(jié)的設計一樣。 4、機器狗的尾巴用彈簧做成[10]。 2.2關節(jié)驅動方案的選擇 智能機器狗具有多個自由度，每個自由度都必須有一個驅動源驅動。目前常用的驅動方式有：液壓驅動、氣壓驅動、電力驅動[11]。各自的特點如下： 1、液壓驅動： 壓力高，可獲得較大的驅動力，實現無級調速，并可獲得較高的位置精度。但成本較高，油路比較復雜，存在發(fā)熱問題，密封要求高。 2、氣壓驅動： 壓縮空氣粘度小，易達到高速，介質無污染，使用安全，工作壓力低，制造要求比液壓元件低，管理維護比較容易。但工作平穩(wěn)性差，速度及位置控制比較困難，而且壓縮空氣需要除水。 3、電力驅動： 電力驅動無泄露，控制方便，易與計算機控制系統(tǒng)相連接，精度高，安全性好，維修方便。電機是配套的通用產品，規(guī)格齊全，不必另行設計制造。為了驅動關節(jié)機構，一般電機需要配減速裝置。 本設計中采用電力驅動方式，采用瑞士公司的系列直流伺服電機。這種電機的特點如下： （1）體積小，重量輕； （2）輸出較大的功率； （3）調速范圍寬； （4）運動平穩(wěn)，控制精確可靠； （5）慣量低，起動力矩大，響應性能好。 選取電機功率：根據以前步行機器人的研究經驗可知，智能機器狗的行走部分各個關節(jié)最大力矩是在靜態(tài)步行中，因此選電機時只考慮靜態(tài)狀態(tài)。步行電機功率由工件重量決定，具體計算見第3章第1節(jié)各個關節(jié)力矩的計算。 2.3傳動方案的選擇 傳動精度是智能機器狗設計的一項重要指標。傳動精度的保證要依靠機械轉動鏈的精度和伺服系統(tǒng)的精度來保證。理論上轉動鏈越短越好，驅動方案越直接越好。 2.3.1傳動方式 目前驅動機器人關節(jié)的傳動方式有兩種，智能機器狗也不例外，這兩種方式是：一種是將電機、減速器和關節(jié)同軸；另一種是將電機和減速器同軸，中間通過傳動裝置傳遞力和運動到關節(jié)軸。前者稱為直接驅動方式，后者稱為間接驅動方式。本設計只用到了直接驅動方式。 2.3.2減速器和減速比的選擇 智能機器狗要求減速器運動精度高、回轉穩(wěn)定、效率高、體積小、減速比大。經過分析比較，本設計中用大腿前后擺動的減速器應選擇諧波減速器，而其他關節(jié)所用的減速器應選擇和電機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。具體參數如下表2-1，表2-2，表2-3，表2-4，表2-5[12]。 1、行星齒輪 行星齒輪參數如表2-1。 表2-1 行星齒輪 參數名稱 參數值 參數名稱 參數值 傳動級數 3 輸出力矩 390N.M 傳動比 97.4 效率 85% 齒輪數量 13個 軸承參數 17套 節(jié)圓線速度 7.62m/s 齒滑動速度 12.7m/s 同時嚙合齒數 7% 齒面接觸應力 34.5mpa 齒的剪切力 172mpa 齒的安全系數 3 齒面接觸狀態(tài) 線性 運動平穩(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 質量 111kg 2、人字齒輪 人字齒輪參數如表2-2。 表2-2 人字齒輪 參數名稱 參數值 參數名稱 參數值 傳動級數 2 輸出力矩 390N.M 傳動比 96 效率 85% 齒輪數量 4個 軸承參數 6套 節(jié)圓線速度 7.62m/s 齒滑動速度 12.7m/s 同時嚙合齒數 5% 齒面接觸應力 34.5mpa 齒的剪切力 172mpa 齒的安全系數 3 齒面接觸狀態(tài) 線性 運動平穩(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 質量 127kg 3、蝸桿加螺旋齒輪 蝸桿加螺旋齒輪參數如下表2-3。 表2-3 蝸桿加螺旋齒輪 參數名稱 參數值 參數名稱 參數值 傳動級數 2 輸出力矩 390N.M 傳動比 100 效率 78% 齒輪數量 4個 軸承參數 6套 節(jié)圓線速度 7.62m/s 齒滑動速度 12.7m/s 同時嚙合齒數 3% 齒面接觸應力 34.5mpa 齒的剪切力 172mpa 齒的安全系數 2 齒面接觸狀態(tài) 線性 運動平穩(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 質量 92.5kg 4、圓柱齒輪 圓柱齒輪參數如下表2-4。 表2-4 圓柱齒輪 參數名稱 參數值 參數名稱 參數值 傳動級數 3 輸出力矩 390N.M 傳動比 98.3 效率 93% 齒輪數量 6個 軸承參數 8套 節(jié)圓線速度 7.62m/s 齒滑動速度 12.7m/s 同時嚙合齒數 3% 齒面接觸應力 34.5mpa 齒的剪切力 172mpa 齒的安全系數 5 齒面接觸狀態(tài) 線性 運動平穩(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 質量 325kg 5、諧波齒輪 諧波齒輪參數如下表2-5。 表2-5 諧波齒輪 參數名稱 參數值 參數名稱 參數值 傳動級數 1 輸出力矩 390N.M 傳動比 100 效率 85% 齒輪數量 2個 軸承參數 5套 節(jié)圓線速度 0.094m/s 齒滑動速度 0.12m/s 同時嚙合齒數 30% 齒面接觸應力 4.12mpa 齒的剪切力 2.06mpa 齒的安全系數 36 齒面接觸狀態(tài) 面 運動平穩(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 質量 25kg 從以上五種減速器的比較中，可以發(fā)現諧波齒輪減速器的優(yōu)點突出。此外瑞士某公司產的電機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電機與減速器的連接方式 對于用以使機器狗的大腿前后的RS系列電機，其輸出的軸徑較小，如果采用鍵連接方式明顯不合適，因此本設計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。具體結構如圖2-6所示。這種方式的優(yōu)點如下圖2-6： 圖2-6脹緊套結構圖 （1）沒有反向間隙，傳動精度高； （2）定位方便，具有相位微量可調的優(yōu)點； （3）無鍵槽，傳遞扭矩大； （4）可多次裝卸，重復使用，安裝方便； 對于用以除了使大腿前后運動的電機，其他的電機都是2036型電機，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優(yōu)點： （1）沒有反向間隙，傳動精度更高（因為它們是一體的）； （2）傳動比可以調制； （3）輸出軸的軸徑是鍵槽相連，但傳遞扭矩足夠智能機器狗使用； （4）可任意次裝卸，且安裝非常方便。 2.4結構特點及性能參數 2.4.1智能機器狗的結構特點 1、本設計采用多關節(jié)多自由度結構。行走機構完成前后運動，左右運動，以及頭部的運動。 2、本設計采用了電機與諧波減速器相連的直接驅動方式。結構緊湊、體積小、重量輕、傳動精度高，而且大大增加了關節(jié)所能達到的運動角度。 3、本設計采用了電機和減速器一體的結構形式，使其體積小，重量輕，傳動精度高。 4、本設計采用了脹緊套連接電機軸與減速器的新形式。這種方式連接可靠、安裝方便、結構緊湊、體積小、重量輕。 5、本設計驅動源全部為電機驅動，易于集中控制與程序化控制。 6、設計中，整個結構采用鋁合金（LY12）材料，這種材料重量輕、硬度高、強度雖不如鋼，但卻大大高于普通鋁合金。 2.4.2智能機器狗的結構性能參數 1、電機 由于智能機器狗行走時要求速度變化大，調速范圍大，要求頻繁換向，且動態(tài)響應要求快，故應選用直流伺服電動機。其工作原理、結構和基本特性與普通直流電動機沒有原則性區(qū)別，有如下特點： (1).采用細長電樞，轉動慣量為普通直流電動機的1/3~1/2； (2).優(yōu)良的換向性能； (3).機械強度高； (4).電刷一般放在幾何中性面上，以確保正反轉特性對稱； 況且，為了克服低速不平衡性，也應該選用低慣量直流伺服電動機。與傳動直流伺服電動機相比，其特點有： (1).機電時間常數小，動態(tài)響應快； (2).繞組電感小、換向性能好，電氣噪音?。? (3).力矩波動小、運動平穩(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機，具體參數如下表2-6和表2-7[13]： 2036型參數如下表2-6。 表2-6 2036型 參數名稱 參數值 out Diameter 20mm Length 36mm shaft Diameter 2.0mm nominal voltage 12…….48v NoLoad speed 195000rpm stall torque 23mum output power 20w 2444-B型參數如下表2-7 表2-7 2444-B型 參數名稱 參數值 out Diameter 24m Length 36mm shaft Diameter 3.0mm nominal voltage 24……48v NoLoad speed 23000rpm stall torque 11.5mum output power 37w commutation B-D-S-M 2、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公司的產品，型號為1920/1和1923/1，其參數分別如下表2-8和表2-9[14]： 1920/1型參數如下表2-8。 表2-8 1920/1型 參數名稱 參數值 constraction planetray Outer Diameter 20mm Length withmotor 59.9……74.8mm Shaft Diameter 4.0mm Reduction ratios 4:1…..1526:1 MAX.inputspeed 5000rpm Torque continuous 500mnm Torque intermittent 1000mnm 1923/1型參數如下表2-9 表2-9 1923/1型 參數名稱 參數值 Outer Diameter 23mm Length with motor 53.8……76.6mm shaft Diameter 6.0mm Reduction ratios 4:1…..1526:1 MAX. inputspeed 4000rpm Torque continuous 700mnm Torque intermittent 1000mnm 4、大腿長度130mm；小腿長度180mm。 5、兩個前腿，以及兩個后腿的中心距280mm。 6、機器狗的身體長438.9mm;寬180.5mm;高200.4mm。 7、各關節(jié)擺幅為正負20°。 8、機器狗總重：＜15kg 。 9、機器狗的總高為592mm;總長724.8mm。 第3章 部分關節(jié)部件設計計算 3.1各關節(jié)力矩的計算 3.1.1膝關節(jié)靜力矩的計算 因設計要求無動態(tài)特性要求，故設計時參考最大靜力矩選擇電機與減速器。智能機器狗是一個四足支撐的機器，當它行走時，假定僅一條腿向前后運動，或者左右運動，而其它三條腿不動，這給計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膝關節(jié)擺動力矩圖 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.m 3.1.2髖關節(jié)向前后運動自由度的靜力矩的計算 因為髖關節(jié)有兩個自由度，一個自由度使機器狗向前后運動，而另一個自由度使機器狗向左右運動，因此所需的電機的作用目的有所不同，進而在計算兩個電機的靜力矩的方法也有所不同，具體如下圖3-2所示： 圖3-2髖關節(jié)前后擺動力矩圖 由力矩原理可得髖關節(jié)前后擺動的力矩公式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.m 3.1.3髖關節(jié)左右擺動時靜力矩的計算 當髖關節(jié)向左右擺動時，為了計算出最大的靜力矩，假設智能機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： 圖3-3髖關節(jié)左右擺動力矩圖 由力矩原理可得髖關節(jié)左右擺動時的力矩公式3-3，即： M3=m2gl2sinθ1+m2gl1sinθ1+m1gl1sinθ1 (3-3) =m2gsinθ1(l1+l2)+m1gl1sinθ1 m2=0.6kg l2=180mm θ3=20° m1=0.4kg l1=130mm g=9.8m/s2 M3=0.4×9.8×sin20°×(0.13+0.18)+0.6×9.8×0.13×sin20° =0.778N.M 3.1.4頸關節(jié)擺動時的靜力矩的計算 圖3-4頸關節(jié)擺動力矩圖 由力矩原理可得到頸關節(jié)擺動時的力矩公式3-4[11]，即： M4=m3gl4sinθ3 (3-4) 其中 m3=0.4kg l4=190mm θ3=30° g=9.8m/s2 M4=0.4×9.8×0.19×sin30° =0.3724N.m 3.2諧波傳動組件的選擇與計算 由(3-1)的計算可知，用到諧波減速器的關節(jié)所需的輸出轉矩，即為使智能機器狗的大腿能前后擺動時所需的轉矩，也就是M1即 M1=0.995N.m 因此可選用最小型號XB-25，輸出力矩14N.m。 3.3圓柱齒輪減速器組件選擇與計算 圓柱齒輪減速器的傳動屬于定軸輪系的一種，又因為其各輪的軸線都互相平行，又稱這樣的輪系為平面定軸輪系。由定軸輪系的原理可知，定軸輪系的傳動比為組成該輪系的各對嚙合輪齒傳動比的連乘積，也可以表示成各對嚙合齒輪中所有從動輪齒數的連乘積與所有主動輪齒數的連乘積之比。 設A表示輸入軸，B表示輸出軸，則一般定軸輪系的傳動比計算公式為3-5： iAB=WA/WB (3-5) 上式等于從A到B所有從動輪齒數連乘積/從A到B所有主動輪齒數連乘積。 此設計中所有的電機是2036型，其轉速高達195000rpm，而所需的轉速為150-200rpm，因此必須有一個減速器，若用諧波減速器，其傳動比達不到所要求的，即使能夠達到，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相匹配的減速器，其所需的總的傳動比范圍為： i1=WA/ W B=195000/150=130 i2=WA/ W B=195000/200=975 而1920/1型減速器的傳動比4：1-1526：1，所以選擇此類型的減速器符合要求。 3.4各關節(jié)所需電機的選擇與計算 根據工作機械工藝參數計算電機的功率，依此選電機[15]。 一般旋轉運動的機械所需的公式3-6： Pz=Tzn/9550 (3-6) Tz ------負載施加到電機軸上的轉矩 Nm n------電機軸的轉速 r/min Pz-------工作機需要的功率 kW 1.膝關節(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11.082W 2.髖關節(jié)前后擺動的功率如下： Pz=Tzn/9550=0.995×365/9550=0.03615kW Tz=0.995Nm 所需的功率大概為36.15W 3.髖關節(jié)左右擺動的功率如下： Pz=Tzn/9550=0.778×200/9550=0.016293kW Tz=0.778Nm 所需的功率大概為18.293W 4.頸關節(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 電動機的選擇要根據工作環(huán)境和工作負載情況來進行選擇，在正常環(huán)境下，一般選用開啟式電動機，當然為了安全也可選用防護型電動機。在多塵或腐蝕性氣體的環(huán)境中，則應選擇封閉式電動機，本設計中的智能機器狗的工做環(huán)境一般是在室內環(huán)境下來進行，溫度及濕度都比較適宜工作，因此選擇電動機不需考慮在惡劣的環(huán)境下工作的電動機，可以忽略其在惡劣環(huán)境工作的所需條件，這給電動機的選擇帶來了極大的方便。而且在工作環(huán)境相對好的情況下，如果對啟動、制動及調速有較高要求的機械，應該選用直流的電動機。本設計中選用的電動機都是提供功率比較平穩(wěn)的，這可以使智能機器狗的運動平穩(wěn)性能良好，對控制系統(tǒng)的選擇也帶來了極大的方便。 為了各關節(jié)能成功的擺動，因此髖關節(jié)所需的電機為2444B型，功率為37W。對于其他關節(jié)，雖然每個關節(jié)的所需要的功率不同，但是為了使智能機器狗的各個部分的形狀及規(guī)格相統(tǒng)一，這樣從實際的角度中看上去也可以達到美觀的效果，因此其他各個關節(jié)所需的電機為2036型電機，功率為20W。 第4章 其它部件的選擇 當智能機器狗的主要部件設計完成時，對于其它部件的選擇，其具體情況如下： 1、接觸感應器（touchsensor）：位于頭頂，從“摸頭”到“打頭”，判斷主人友善與否。 2、紅外線感應器（infrand distance sensor）：測量與物體之間的距離，要避開障礙物時最有用。 3、燈眼：以紅眼、綠眼分別表示發(fā)怒與開心。 4、麥克風（steree microph的one）：藏在耳朵內，能分別辨別左右的聲音，玩熟之后識別主人的口哨聲。 5、尾：經常左搖右擺，與其他狗一樣，兩邊搖尾代表興奮。 6、彩色攝影機（ccd color camera）：180，000像素CCD位于狗鼻，主要用來認物體顏色及形狀。 7、揚聲器（speaker）：狗口里面有一個微型揚聲器，會用叫聲表示喜怒哀樂。 8、加速感應器：置于體內，用來調校四腳行走速度，保持平衡。 9、后門后面是用來充電的。 10、開關：一按開關，會即時停止所有活動，緊急情況下才用。 11、散熱器：散熱風扇位于背部。 12、電源：ERA-110B鋰電池，每枚可用1.5小時。 13、腳掌：4只腳每只都有一個滾球，配合關節(jié)三種幅度的轉動，及內置程式中，4腳動作配合運動，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自由度。 14、溫度感應器：置于體內，可以判斷在各種環(huán)境下的溫度，及時的調整工作狀態(tài)。 15、碼盤：用來測量移動的角度，其型號為03B3型，具體參數為如下表4-1[16]： 03B3型碼盤參數如下表4-1。 表4-1 03B3型碼盤 參數名稱 參數值 Number of channels 2 Line sper revolution 15 Signal out put squarewave 2 channels Supply voltage 4.5……5.5 Vdc Current consuruption 12mA Pulse width 180±30°e Phase shiftchannelAtoB 90±30°e Logic state width 90±30°e cycle 360±10°e Signal rise/fauty pical 0.3/0.1us Frenque ncyrange up to5 KHZ Nitertiao fcodedisc 1.2gcm2 operatingtemperature -20......+85℃ 21世紀將是生命科學的世紀，機械科學和生命科學的深度融合將產生全新概念的產品(如智能仿生結構)，開發(fā)出新工藝(如生長成形工藝)和開辟一系列的新產業(yè)，并為解決產品設計、制造過程和系統(tǒng)中一系列難題提供新的解決方法。這是一個極富創(chuàng)新和挑戰(zhàn)的前沿領域。 地球上的生物在漫長的進化中所積累的優(yōu)良品性為解決人類制造活動中的各種難題提供了范例和指南。從生命現象中學習組織與運行復雜系統(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、自增長與自進化等功能結構和運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械化、自動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構和進化過程。 仿生制造所涉及的科學問題是生物的"自組織"機制及其在制造系統(tǒng)中的應用問題。所謂"自組織"是指一個系統(tǒng)在其內在機制的驅動下，在組織結構和運行模式上不斷自我完善、從而提高對于環(huán)境適應能力的過程。仿生制造的"自組織"機制為自下而上的產品并行設計、制造工藝規(guī)程的自動生成、生產系統(tǒng)的動態(tài)重組以及產品和制造系統(tǒng)的自動趨優(yōu)提供了理論基礎和實現條件。仿生制造屬于制造科學和生命科學的"遠緣雜交"，它將對 21世紀的制造業(yè)產生巨大的影響。 第5章 成本估算和環(huán)保分析 5.1成本估算 本設計的機器狗的所有部件要求都比較高，所以成本相對來說比較高。成本參考價如下（不計電機）： 硬鋁合金：220元/公斤，原材料（包括加工余量）共20公斤，總計費用為4400元； 鋼：20元/公斤，原材料（包括加工余量）共5公斤，總計費用100元； 諧波減速器：400元/套，共6套（包括各2套備件），總計費用為24000元； 薄壁密珠軸承：1000元/對，共9對，總計費用為9000元； 圓柱齒輪減速器：500元/個，共11個（包括各2個備件），總計費用為5500元； 滾動軸承：30元/個，共4個，總計費用為120元； 螺釘：0.2元/個，共840個，總計費用為168元； 螺母：0.05元/個，共60個，總計費用3元； 加工費：15000元； 設計費：3000元； 裝配調試費：3000元； 管理費：4000元； 總計：68171元。 5.2環(huán)保與經濟分析 目前，我國加大基礎設施建設，奧運場所建設，開發(fā)大西部，大力整治大江大河等政策環(huán)境影響下，市場對智能產品的需求亦相應的大量增加，這是本設計的主要產生原因之一。 產品的價值工程的目的在于以最低的成本，可靠的實現產品必要的功能，從而達到用戶滿意，增加制造企業(yè)和用戶的經濟效益，將價值工程運用到實際設計中，從分析產品的功能出發(fā)，然后分析產品的成本，進行功能與成本比較，從而判斷產品的價值，使智能機器狗的性價比更高，為解決在不同環(huán)境下的行走而研制，在設計中盡可能的簡化結構，降低成本。 在市場前景廣闊和成本降低的措施下，本設計可以達到預期的目的，具有開發(fā)價值。 本設計的機器狗部分零件需經過表面處理，表面處理的廢水、廢液對環(huán)境有不利的影響，所以排放需經過凈化處理。 機器狗工作時的噪聲約為20分貝，相對來說比較小，對外界環(huán)境影響比較小。 總的來說，本設計的機器狗對環(huán)境影響較小，只要加工和工作時注意控制和清除其不利因素，就會做到對環(huán)境基本上無影響。 不同科學之間的交叉融合將產生新的科學聚集，經濟的發(fā)展和社會的進步對科學技術產生了新的要求和期望，從而形成前沿科學。前沿科學也就是已解決的和未解決的科學問題之間的界域。前沿科學具有明顯的時域、領域和動態(tài)特性。工程前沿科學區(qū)別于一般基礎科學的重要特征是它涵蓋了工程實際中出現的關鍵科學技術問題。超聲電機、超高速切削、綠色設計與制造等領域，國內外已經做了大量的研究工作，但創(chuàng)新的關鍵是機械科學問題還不明朗。大型復雜機械系統(tǒng)的性能優(yōu)化設計和產品創(chuàng)新設計、智能結構和系統(tǒng)、智能機器人及其動力學、納米摩擦學、制造過程的三維數值模擬和物理模擬、超精度和微細加工關鍵工藝基礎、大型和超大型精密儀器裝備的設計和制造基礎、虛擬制造和虛擬儀器、納米測量及儀器、并聯軸機床、微型機電系統(tǒng)等領域國內外雖然已做了不少研究，但仍有許多關鍵科學技術問題有待解決。 信息科學、納米科學、材料科學、生命科學、管理科學和制造科學將是改變21世紀的主流科學，由此產生的高新技術及其產業(yè)將改變世界的面貌。因此，與以上領域相交叉發(fā)展的制造系統(tǒng)和制造信息學、納米機械和納米制造科學、仿生機械和仿生制造學、制造管理科學和可重構制造系統(tǒng)等會是21世紀機械工程科學的重要前沿科學。 研究仿生制造系統(tǒng)的自組織機制與方法，例如：基于充分信息共享的仿生設計原理，基于多自律單元協(xié)同的分布式控制和基于進化機制的尋優(yōu)策略；研究仿生制造的概念體系及其基礎，例如：仿生空間的形式化描述及其信息映射關系，仿生系統(tǒng)及其演化過程的復雜度計量方法。 研究生命現象的一般規(guī)律和模型，例如人工生命、細胞自動機、生物的信息處理技巧、生物智能、生物型的組織結構和運行模式以及生物的進化和趨優(yōu)機制等； 隨著電子、信息等高新技術的不斷發(fā)展，市場需求個性化與多樣化，未來現代制造技術發(fā)展的總趨勢是向精密化、柔性化、網絡化、虛擬化、智能化、綠色集成化、全球化的方向發(fā)展。 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印?！敖Y論”以前的所有正文內容都要編寫在此行之前。 - 47 - 結論 本設計采用關節(jié)型，完成了13個自由度的智能機器狗的本體設計。本設計巧妙地將電機和諧波減速器裝在同一個關節(jié)內，以及電機和圓柱齒輪減速器直接聯合在一起而裝在一個關節(jié)內，根據具體情況采用了間接驅動方式，結構緊湊、體積小、重量輕、傳動精度高。 盡管本設計諧波減速器比已取的較大，但輸出力矩仍不大，以后的設計為增大輸出力矩可在諧波減速器后再加一級行星傳動。本設計中殼體結構采用了硬鋁合金LY12，但仍有些重，可采用其他高強度、高鋼度合金，如采用超硬鋁合金LC4，這樣可減小殼體厚度，優(yōu)化結構設計。 對于我們的未來生活，每個人有不同的構想，但大多數人都相信，在將來的社會，機器狗將作為家庭的一員進入我們的生活，與我們每天朝夕相處。智能機器狗的設計就是為了將來機器狗能夠進入我們中國人的家庭生活，為我們的家庭生活帶來歡樂。