四足行走小車的設(shè)計,行走,小車,設(shè)計 四足行走小車的設(shè)計摘要四足行走小車是當(dāng)今足式機械研究發(fā)展的一個分支，因其在載重、穩(wěn)定性方面比兩足好，在結(jié)構(gòu)方面比六足、八足簡單，所以受到眾多海內(nèi)外科研人員的關(guān)注。四足行走小車往大的方面可以應(yīng)用到星球探索、工廠生產(chǎn)線以及戰(zhàn)場輸送物資等；往小的方面來講也可作為模型小玩具，幫助孩子在簡單裝配過程中獲得樂趣以及提高孩子的動手能力。本課題研制的四足行走小車采用直流單電機驅(qū)動，運用齒輪傳動機構(gòu)將運動傳輸和分配給四組四連桿行走機構(gòu)。行走機構(gòu)的運動模仿馬匹的邁步動作，采用對角線運動一致的原則進行設(shè)計，經(jīng)由曲柄搖桿機構(gòu)帶動腿部機構(gòu)的運動，實現(xiàn)小車的交替行走。此四連桿行走機構(gòu)桿長根據(jù)足部行走軌跡要求利用圖解法設(shè)計出來。關(guān)鍵詞：四足行走，小車，連桿機構(gòu)，圖解法THE DESIGN OF WALKING MACHINE WITH FOUR LEGSAbstractThe quadruped walking carriage is a branch of foot mechanical research and development , because of the load, stability better than two feet, in structure than six eight feet, so the four walking carriage aroused the attention of many researchers at home and abroad. Four-legged walking carriage to the large side can be applied to planetary exploration, factory production lines and battlefields delivery of supplies; to small in terms but also as a model for small toys to help children have fun in a simple assembly process and improve the child's ability .This project developed four-legged single car DC motor drive, the use of the gear transmission mechanism motion transmission and distribution to the four groups of four-bar linkage running gear. Sports running gear imitate horses move action, consistent principle diagonal movement designed to drive the movement of the leg mechanism via rocker mechanism, realize the car alternating walking. This four-bar linkage mechanism lever length walking foot walking tracks designed according to the requirements of use graphical method.Key words: quadruped walking,carriage,linkage, graphic method目錄1 緒論 11.1 引言 11.2 發(fā)展概況 11.2.1 國內(nèi)發(fā)展概況 21.2.2 國外發(fā)展?fàn)顩r 31.3 課題背景 51.3.1 課題來源 .51.3.2 實際應(yīng)用價值 .51.4 目的以及課題研究內(nèi)容 62 四足小車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 72.1 小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論分析 72.2 小車腿部方案的介紹 72.2.1 方案比較 .82.2.2 腿部方案的選定 92.3 小車整體結(jié)構(gòu)布置方案 92.4 小結(jié) 103 腿部四桿機構(gòu)的設(shè)計 113.1 軌跡設(shè)計 113.2 四桿機構(gòu)設(shè)計的相關(guān)知識 113.2.1 曲柄搖桿機構(gòu) 123.2.2 曲柄存在條件 123.2.3 急回運動特性和行程速比 K .123.2.4 壓力角與傳動角 .133.2.5 死角 143.2.6 鉸鏈四桿機構(gòu)的運動連續(xù)性 143.2.7 按預(yù)定軌跡設(shè)計四桿機構(gòu) 153.3 桿長的設(shè)計及計算 153.3.1 桿長設(shè)計方案介紹與比較 153.3.2 作圖法設(shè)計四桿長度 153.3.3 驗證機構(gòu)的最小傳動角 .173.3.4 運動分析 .183.4 小結(jié) 204 傳動方案及電機選擇 204.1 電機的選擇 214.2 齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計 214.3 桿件的布局 224.4 減速箱的布局 235 小車零配件的選擇以及加工 245.1 四桿機構(gòu)各桿件的尺寸設(shè)計 255.2 關(guān)鍵零部件材料 265.3 關(guān)鍵零部件加工 285.4 小結(jié) 29小結(jié) 29致謝 32參考文獻 3311 緒論1.1 引言四足行走小車是當(dāng)如今足式機械研究發(fā)展的一個的分支，因其在載重、穩(wěn)定性方面比兩足好，在結(jié)構(gòu)方面比六足、八足簡單，所以受到眾多科研人員的關(guān)注。四足行走小車往大的方面可以用作星球探索、工廠生產(chǎn)線以及戰(zhàn)場輸送物資的作用；往小的方面來講也可以作為模型小玩具供孩子使用，幫助孩子在簡單裝配過程中獲得樂趣以及提高孩子的動手能力。本課題《四足行走小車的設(shè)計》的來源正是導(dǎo)師參照現(xiàn)如今研究火熱的足式機器人，進而挑選的適合本科生動手設(shè)計并自己加工制作的畢業(yè)設(shè)計課題。設(shè)計要求包括對四足行走小車的行走機構(gòu)、傳動機構(gòu)的選型與設(shè)計，動力驅(qū)動形式的選擇，四足行走小車整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以及小車的加工制作。主要的目的在于機械原理課程理論知識的具體運用，從而加深理解和掌握，同時培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力及加工制作能力。1.2 發(fā)展概況行走機械的運動方式大概有這幾種：足式、輪式、履帶式。輪式機械比較適合平坦的地面，適于高速運動，但遇到較為復(fù)雜的路況則凸顯了其弱點；履帶式則可適用于凹凸不平的地面，適于中低速運動，但遇到障礙物則無法通行；足式機械相對于前兩者而言，不管是其越障能力還是運動的靈活性都是較強的。四足機械又是足式機械中設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，載重能力等各方面都比較優(yōu)秀的一種，在航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、戰(zhàn)地救援等方面有更多的應(yīng)用。 [1]四足足式機器人腿部關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式大致有這三種:電驅(qū)動、連桿驅(qū)動、氣體驅(qū)動以及液壓驅(qū)動等。著名的美國波士頓動力工程公司研制的小狗機器人2Little Dog 的腿部關(guān)節(jié)就是采用電機驅(qū)動的典型，采用電機驅(qū)動的好處是使得關(guān)節(jié)處十分靈活，缺點是無法準(zhǔn)確快速預(yù)測下一時刻關(guān)節(jié)的負(fù)載，所以腿部關(guān)節(jié)用電機驅(qū)動的機器人大多搖搖晃晃，平穩(wěn)性受影響而腿部采用液壓驅(qū)動的日本東京工業(yè)大學(xué)研制的 TITAN-VⅢ以及美國的 Big dog 則在大多數(shù)情況下可以處在動態(tài)平穩(wěn)當(dāng)中，正是由于液壓系統(tǒng)的適應(yīng)能力起到了決定性的作用。1.2.1 國內(nèi)發(fā)展概況國內(nèi)四足機械最早的原型應(yīng)當(dāng)是三國時期諸葛亮用于運送糧草的“木牛流馬”，我國于八十年代開始對四足機器深入研究，發(fā)展至今也是有了一定的積累。以仿生馬為原型研制的 JTUWM-Ⅲ系列的四足行走機器人 [2]在 1996 年上海交通大學(xué)實驗室被研制出來，如圖 1 所示，該機器人每條腿的足部都裝有測力傳感器，可以反饋并調(diào)整使之穩(wěn)定行走，時速可達 1.7km/h。這可以說是當(dāng)時在四足機器人研究方面的一個非常顯著的進步，成為了足式機器人在國內(nèi)研究開發(fā)中比較著名的一臺樣機。圖 1 JTUWM-Ⅲ機器人哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的 HIT-HYBTOR（圖 2）采用的是腿輪式結(jié)構(gòu)，足端增加了四個可以獨立驅(qū)動的輪子，該機器融合了輪式機械以及足式機械的優(yōu)點，它的運動方式更加多樣 [3]，在不同的環(huán)境下可以自由切換兩種運動方式，使得3機器人可以持續(xù)穩(wěn)定、不受地面環(huán)境變化地行走。圖 2 HIT-HYBTOR 機器人北京漢庫機器人技術(shù)有限公司研制的 BIO-12 四足機器人（圖 3），全身有12 個自由度，最大跨越高度約為 100mm[4],這個機構(gòu)選用的是強度、剛度比較優(yōu)良的材料，對崎嶇地形具有極強的適應(yīng)力。相較于其他足式機器人樣機而言，最大的特點應(yīng)該是在跨越障礙物方面的提升，優(yōu)良的材料也是該機器樣機更接近于仿生對象的一個跳躍。圖 3 BIO-12 機器人1.2.2 國外發(fā)展?fàn)顩r國外十九世紀(jì)由 Rygg 設(shè)計的“機械馬”，也是人類對足式行走機械的早4期探索，現(xiàn)今國外最具代表性的四足行走機器人是卡耐基梅隆大學(xué)研發(fā)的Tekken[5]，美國俄亥俄州立大學(xué)研發(fā)的四足機器人 KOLT，以及美國 Carnegie Mellon 大學(xué)與 Boston Dynamics 公司等聯(lián)合研制的 Little Dog 和 Big Dog [10] 等.日本東京工業(yè)大學(xué)研制的 TITAN-VⅢ（如圖 4）最大的特點是其避障繞行的特點，采用的是直動型腿機構(gòu)，上樓速度可達 5cm/s。相比于其它足式機器人樣機，TITAN-VⅢ的避障能力比較優(yōu)越，采取的是一個繞行的方式也是其一個特色。圖 4 TITAN-VⅢ機器人04 年美國波士頓動力工程公司研制的小狗機器人 Little Dog(如圖 5)以四條腿的高敏捷性而著稱，能夠像動物一樣靈活地避障，遍布全身的電動機以及自帶的 PC 級處理器和覆蓋全身的傳感器是小狗敏捷運動的重要憑借。傳感器對Little Dog 進行全方位的檢測包括發(fā)動機的狀態(tài)、關(guān)節(jié)部位以及足底與地面的接觸狀況?？梢哉f Little Dog 是當(dāng)前敏捷程度方面最為接近仿生對象的足式機器人，但是其他方面還有很長的路要走，與真正仿生對象還是有一定的距離，要完全吸收仿生對象身上全部的優(yōu)點，然后轉(zhuǎn)化在 Little Dog 身上還有一定的困難，需要研究者們慢慢摸索。5圖 5 Little DogBig Dog（如圖 5）用的不是輪子而是依靠四條“鐵腿”行走 [5]，這個四足機器人在遭到外來撞擊時稍作休整能繼續(xù)行走。Big Dog 可以在戰(zhàn)場環(huán)境中發(fā)揮巨大的用處，在戰(zhàn)場上給士兵提供食物、彈藥等物資。其身上搭載的是汽油發(fā)動機，用作動力源。Big Dog 是目前來說最像動物的仿生機器人，其腿部的關(guān)節(jié)是深度模仿了仿生對象腿部關(guān)節(jié)的作用，具有減震以及釋能的特點。美軍尤其看重大狗的負(fù)重行走能力，即使大狗機器人在極其復(fù)雜的環(huán)境里負(fù)重 100公斤左右的東西也是沒有什么問題的。目前唯一的缺點大狗的動力部分采用的汽油發(fā)動機，會有一定的噪音以及影響受環(huán)境影響的因素提升，降低了可靠性。圖 5 Big Dog 機器人61.3 課題背景1.3.1 課題來源我的課題《四足行走小車的設(shè)計》的來源即導(dǎo)師所給，參考當(dāng)前足式機器人的火熱研究，所確定的適合本科畢業(yè)生的課題。1.3.2 實際應(yīng)用價值 據(jù)可靠調(diào)查,在地球上相當(dāng)一部分地面并不適合于輪式或履帶式小車行走,但是多足生物卻能在這些地區(qū)如履平地 [6]。因此,足式小車與輪式及履帶式小車相比具有比較大的優(yōu)勢。足式小車對崎嶇路面具適應(yīng)性強,足式小車的立足點是一個個離散的點,可以調(diào)整整體的姿態(tài)在可能到達的地面選擇最為有效的支撐點。四足小車又是足式小車當(dāng)中的佼佼者，因此四足行走小車受到廣大研究人員的重視,已經(jīng)成為機器人研究中一個引人注目的研究領(lǐng)域。足式小車同樣可以制作成開發(fā)智力的模型玩具，小孩子在成長階段通過自己動手制作足式小車不僅能收獲快樂而且可以鍛煉發(fā)展孩子的動手能力以及眼與肢體的協(xié)調(diào)能力。相信足式小車模型會比其他成品玩加具有市場價值，受到家長孩子們的喜愛。四足行走小車被認(rèn)為是最佳的足式小車的形式，四足交替行走小車比兩足行走小車的承載能力強、穩(wěn)定性好,在結(jié)構(gòu)上和控制上來說比六足和八足行走小車更加簡易，將在各個領(lǐng)域有更加深入的應(yīng)用。因其開發(fā)四足機器人的研究過程中涉及交叉了許多學(xué)科，并不僅僅是機械方面的學(xué)科，開發(fā)的過程當(dāng)中也是對其他學(xué)科發(fā)展的一個不同程度地促進。四足機器人的開發(fā)成本以及難度來說也是較同類多足機器人當(dāng)中比較小的，花費相對較少的科研成本以及降低科研難度來達到最終的對于仿生對象身上可取優(yōu)點的完美移植。之后的足式機器的研究方向勢必更加側(cè)重于四足機器領(lǐng)域的研究開發(fā)，最大程度得開發(fā)其使用價值，在各個領(lǐng)域進行應(yīng)用。71.4 目的以及課題研究內(nèi)容通過此次畢業(yè)設(shè)計，可以豐富學(xué)生在足式機器人研究領(lǐng)域的知識儲備；加強學(xué)生的理論知識以及鍛煉其解決實際問題的能力；綜合訓(xùn)練學(xué)生在調(diào)查研究、查閱文獻和收集資料方面的能力；提高對研究成果的總結(jié)提煉和撰寫科技論文的能力等，加強學(xué)生的實踐動手能力，解決實際問題的能力。本次設(shè)計的研究內(nèi)容涵蓋以下內(nèi)容：（1）設(shè)計驅(qū)動四足行走的四連桿機構(gòu)，實現(xiàn)機器人的平穩(wěn)行走；（2）用 Solidworks 進行運動系統(tǒng)的仿真，驗證機構(gòu)是否干涉、機構(gòu)運動的可行性； （3）設(shè)計小車的整體結(jié)構(gòu)，選擇電機和傳動方式；（4）購買所需材料，進行小車的加工制作，裝配調(diào)試；(5) 撰寫論文。2 四足小車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計此章節(jié)主要設(shè)計小車的整體結(jié)構(gòu)，包括減速箱的安裝位置，以及腿部機構(gòu)在車體的位置等。2.1 小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論分析此次設(shè)計的過程分為方案設(shè)計、腿部桿件尺寸設(shè)計、軟件仿真是否干涉、小車整體結(jié)構(gòu)布局、加工制作?；ㄙM不少的時間參考了各種仿生機器人相關(guān)的研究資料，為本次課題想了不少的方案。確定方案之后，具體的四桿機構(gòu)的桿件的尺寸設(shè)計也是其中的難點，因?qū)τ跈C械原理中依據(jù)軌跡來設(shè)計平面連桿機8構(gòu)知識的欠缺，參考了機械原理課本中根據(jù)理論軌跡來設(shè)計連桿桿長。小車的整體結(jié)構(gòu)布局較為簡易，為了后面實物加工制作的方便。傳動系統(tǒng)設(shè)計主要是通過單電機-減速箱-曲柄搖桿來分配到各組四桿機構(gòu)上面主要應(yīng)用的理論知識有:機械原理當(dāng)中平面四桿機構(gòu)的設(shè)計方法、機械設(shè)計當(dāng)中齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計、互換性與技術(shù)測量中的尺寸公差配合關(guān)系等知識。2.2 小車腿部方案的介紹經(jīng)過大量資料的整理，最后挑選了兩種方案：方案 1：在車身左側(cè)采用兩個剛性連接的曲柄搖桿機構(gòu)，車身右側(cè)只需要用連桿把相對應(yīng)的腿連接起來，滿足對角線一致的原則。圖 6 四足行走機械方案 2：采用曲柄搖桿的四連桿機構(gòu)，同側(cè)前后腿共用一個曲柄。左右曲柄之間相差 180 度，使得對角線足部的軌跡相同。9圖 7 四足連桿機構(gòu)2.2.1 方案比較上述兩種方案，兩種方案原理大致相同，都是采用曲柄搖桿機構(gòu)用作主要傳動機構(gòu)。第一種方案桿件層數(shù)比較多，體積相對龐大，且通過一側(cè)驅(qū)動，平穩(wěn)性有待考證；第二種則更像仿生四足動物，且桿件布局較清晰，運行時的穩(wěn)定性相對第一種方案應(yīng)當(dāng)是比較好的。綜上所述，取用第二種方案作為本次課題腿部的設(shè)計方案。2.2.2 腿部方案的選定 這個方案的原理即采用對角線原則，前后兩對足同步運動。四條腿的軌跡是一樣的，只是安裝的相位不同。每條腿的軌跡都是由一段直線跟一段曲線組成，在一組腳跨步的時候形成的是曲線軌跡，另一組則支撐在地面上則行程一條直線靜止的軌跡，然后兩組腿交替邁步，類似于動物行走運動。2.3 小車整體結(jié)構(gòu)布置方案小車的整體布局見圖 8 行走小車俯視圖 ，圖 9 行走小車正視圖。10圖 8 小車整體結(jié)構(gòu)俯視圖圖 9 小車整體結(jié)構(gòu)正視圖2.4 小結(jié)小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計中選取一臺直流電機來做動力部分，為了設(shè)計的簡單一點，為后面的實物制作作鋪墊。傳動機構(gòu)根據(jù)桿件尺寸以及設(shè)計的轉(zhuǎn)速可以確定，四組連桿機構(gòu)可以通過曲柄搖桿機構(gòu)加在一根主軸上驅(qū)動，其余各軸均是從動軸，通過直流減速電機經(jīng)由主軸把動力分配到各連桿上。113 腿部四桿機構(gòu)的設(shè)計本章主要對腿部運動執(zhí)行機構(gòu)進行設(shè)計，通過已設(shè)定的理論足部軌跡來設(shè)計四桿桿長，并利用軟件仿真驗證軌跡的可行性以及設(shè)計結(jié)果的正確性。3.1 軌跡設(shè)計足部的軌跡是一條封閉的曲線當(dāng)動物身體作為參考系坐標(biāo)遠(yuǎn)點時，曲線分為直線段與彎曲段，直線段對應(yīng)的是動物行進當(dāng)中足部靜止支撐身體的階段；彎曲段則是動物在邁步的過程。如圖 10 所示，把動物足部軌跡曲線一圈作為一個周期，那么直線段可以定義為支撐段，彎曲段定義為邁步段。據(jù)生物學(xué)上的研究，足部支撐時間占到半個周期以上才能在前進當(dāng)中更好得調(diào)整身體的穩(wěn)定程度。12圖 10 足部軌跡圖對于行走機械來說，足部軌跡曲線在機構(gòu)對地面的適應(yīng)能力和前進當(dāng)中的穩(wěn)定程度有很大的影響，所以應(yīng)當(dāng)認(rèn)真考慮。下面依據(jù)仿生的角度給出小車足部的理輪軌跡要求：（1）足部軌跡曲線須是一條封閉并且圓滑的曲線；（2）為了保持重心的穩(wěn)定，足部軌跡曲線的靜止段曲線應(yīng)接近于直線段；（3）為了提升機器的跨越障礙物的能力，足部軌跡曲線的跨越高度要大；（4）為了增加邁步的前進長度，足部軌跡曲線的邁步要長；3.2 四桿機構(gòu)設(shè)計的相關(guān)知識3.2.1 曲柄搖桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)的兩根連架桿中倘若存在一根是曲柄另一根是搖桿則稱其為曲柄搖桿機構(gòu)（crank-rocker mechanism ） [7]。3.2.2 曲柄存在條件曲柄存在的條件是:（1）連架桿或機架是最短桿；13（2）滿足桿長條件倘若四桿機構(gòu)不滿足桿長條件的話，就不存在曲柄，兩連架桿都是搖桿。倘若最短桿為機架，那么是雙曲柄機構(gòu)；倘若機架的相鄰桿件是最短桿，那么是曲柄搖桿機構(gòu)；倘若取機架是最短桿，那么則是雙搖桿機構(gòu)?；谝陨显瓌t，最短桿與機架相連，并且滿足桿長條件則是曲柄搖桿機構(gòu)。3.2.3 急回運動特性和行程速比 K當(dāng)曲柄是主動桿作勻速運動，搖桿則作往復(fù)速率不一致的擺動，其中定義正行程是平均速率較小的行程；范形成是平均速率較大的行程。這種正反行程速率不想等的特性我們稱之為急回運動特性。圖 11 曲柄搖桿機構(gòu)如圖 9 所示，曲柄作主動軸轉(zhuǎn)動時，搖桿來回擺動的左右兩邊的極限位置時連桿相對應(yīng)位置所夾成銳角 稱之為極位夾角，?根據(jù)行程速比系數(shù)的定義有：（3-1）???????otcvK180212（3-2）80?Ko?（1） 若存在急回特性，那么 不能等于零。14（2） 因為 是銳角，故理論上 K 可以最大為 3。實際工程中 K 1.4，因?為被最小傳動角所限制。常根據(jù) K 值來對有急回特性要求的機構(gòu)算出 角，隨之再確定桿長。3.2.4 壓力角與傳動角F 與 兩者所夾的銳角稱之為壓力角，用 來表示；傳動角是壓力角的余角，t用 來表示。隨著曲柄的轉(zhuǎn)動，曲柄搖桿機構(gòu)的傳動角 跟著變化。 的大小與機械的效??率成正比關(guān)系，為了使 大于 40°，所以我們在設(shè)計曲柄搖桿機構(gòu)時需要對進行驗算。min?分析如下：如圖所示，BD 是 ADB 與 BCD 的公共邊?（3-3）??cos2cos2324121 llll ?????3241132coscosll???（3-4）15可證得：倘若機架上 A 點和點 D 都在在 C'、C“連線的一邊，那么 時，o0??，得到最小值 等于 的最小值；min???機架上 A 點和 D 點位于 C'C“連線的異側(cè)時，那么 時的 最大，得o180??=180°- 。即連桿與搖桿所夾的最小銳角當(dāng)曲柄為主動件時的曲柄搖桿機構(gòu)。3.2.5 死角在圖 9 所示的曲柄搖桿機構(gòu)當(dāng)中，設(shè)搖桿 D 為主動件，那么連桿 和2C2CB從動曲柄 A 共線時，機構(gòu)的 = ,此時 D 通過連桿作用在 A 上的力正好2B?O02通過回轉(zhuǎn)中心，因此出現(xiàn)了使得桿件 A “頂死” 的現(xiàn)象 [8]，這種位置叫做死2B點。3.2.6 鉸鏈四桿機構(gòu)的運動連續(xù)性所謂的連桿機構(gòu)的運動連續(xù)性，是指連桿的運動過程當(dāng)中是否依次按順序經(jīng)過給定的各個點位。曲柄搖桿機構(gòu)中，當(dāng)曲柄 AB 連續(xù)轉(zhuǎn)動時，搖桿 CD 能夠在 或 范圍內(nèi)來回往復(fù)擺動。 或 的范圍稱為機構(gòu)的可行域， 和 的3?' 3?' 3?'范圍稱為機構(gòu)的不可行域。連桿設(shè)計當(dāng)中，不能要求從動件在兩個各自獨立的可行域中連續(xù)運動，連桿機構(gòu)的這種運動稱之為錯位不連續(xù)。在連桿機構(gòu)運動的時候，經(jīng)過連桿曲線上的各點位置的順序一般是固定的，若原動件不能按次序通過各點位，那么這也是一種運動不連續(xù)，稱之為錯序不連續(xù)。16在設(shè)計連桿機構(gòu)當(dāng)中，必須檢查設(shè)計的連桿機構(gòu)是否存在錯位不連續(xù)、錯序不連續(xù)。3.2.7 按預(yù)定軌跡設(shè)計四桿機構(gòu)如果要按照預(yù)定軌跡上的五個點位來設(shè)計的話，則只能在給定軌跡線上取五個點來進行設(shè)計，也就是這些點經(jīng)過四桿機構(gòu)的某一連桿曲線。在設(shè)計當(dāng)中用到了反轉(zhuǎn)法原理和點位歸并。3.3 桿長的設(shè)計及計算3.3.1 桿長設(shè)計方案介紹與比較平面四桿機構(gòu)設(shè)計方法探析平面四桿機構(gòu)的設(shè)計方法有作圖法、解析法和實驗法三種。用作圖法來設(shè)計四桿機構(gòu)就是要利用鉸鏈間的相對運動的關(guān)系，想方設(shè)法通過幾何關(guān)系確定鉸鏈的位置，從而推出桿的長度。優(yōu)點顯而易見，即直觀、簡單、快速，當(dāng)然也存在不足，相較于解析法而言精度上差了點。用解析法來設(shè)計四桿機構(gòu)是通過已知變量來對解析式求解的方法得出四桿機構(gòu)的尺寸，通常采用計算機輔助求解，因其復(fù)雜程度較高。解析法的優(yōu)點是精度高，但解法比較繁瑣復(fù)雜。實驗法的話比作圖法更復(fù)雜，比解析法精度上差。通過比較這三種方法，我認(rèn)為作圖法是適于本人在這次畢業(yè)設(shè)計當(dāng)中用來設(shè)計桿長的。173.3.2 作圖法設(shè)計四桿長度圖 12 四桿尺寸設(shè)計圖已知條件： 如圖 12 所示，設(shè)計要求的理論軌跡為 ，在理論軌跡Mf上依次取點 、 、 、 、Mf )5.10,36( )5.107,2(M)1,39()1,5(4，嘗試來設(shè)計此四連桿機構(gòu)。)10,6(5設(shè)計過程：181） 固定鉸鏈點 A、D 的確定。為了在設(shè)計當(dāng)中能夠進行點位歸并，在 5個點當(dāng)中取兩個相對的點（譬如 與 、 與 ），分別作它們的中垂線1M524和 ，兩中垂線的交點即為固定鉸鏈 D。為了確認(rèn)另外的一個固定鉸鏈 A，15l24通過點 D 作一條射線 ，然后再作一條射線 、 （其中射線 與 之間的夾0a1a20a1角為 的一半，即 = ；射線 與 之間的夾角為51M?15?251?01的一半，即 = ）；在射線 上選取 作為活動鉸鏈，42244DMB這樣 就作為連桿上的一個標(biāo)線，在射線 上找到 ,使通過 的 =1B2a22M2，然后作點 與 的中垂線，中垂線和 的交點就是所求的固定鉸鏈112B0A。依次按照 的長度通過點 、 、 在以 A 為圓心的圓上找到相應(yīng)345的 、 、 ?？勺C，兩組對點 與 、 與 分別關(guān)于 AD 對稱。3B451B242）活動鉸鏈 C 的確定?？梢酝ㄟ^機構(gòu)反轉(zhuǎn)法來確定點 C 的位置。可以求出固定鉸鏈 D 的另外 4 個對應(yīng)的位置 、 、 、 ，可知兩組對應(yīng)點的2D345D 重合，所以由 D（ ）、 、 （ ）三點分別作中垂線，中垂線的交點534即為活動鉸鏈 。這樣 AD 即是所求的四桿機構(gòu)。1C1B因為射線 與 在射線 上的可選擇性導(dǎo)致有無數(shù)解的產(chǎn)生。 在通過多0a11a次的選取射線 的位置以及 在射線 上的位置試驗作圖，最終得到了滿足的1桿長，尺寸如下所示：A =10mm,1BCD=38mm,C=46mm,1BAD=57mm,19C =58mm，四桿長度滿足 A +AD=10+57 CD+ C=38+46 。1M1B?1B3.3.3 驗證機構(gòu)的最小傳動角依據(jù)上面的傳動角 的公式（3-4），當(dāng)曲柄 AB 與 AD 重疊共線或者是拉?直共線時，即有極值 [9]。（3-5）obcad 246382)1057(rcos2)(arcosDCB21 ?????????（3-6）?8.1)(ars)(arcs 22c可得最小傳動角 ，通常情況下要求 ，為的是保證機構(gòu)的??84.1min? ??40min?良好傳動性，此機構(gòu)雖然單個四桿機構(gòu)的傳動角不利于良好地傳動，但是左右兩側(cè)四個四連桿機構(gòu)互相彌補傳動上的不足，整體上機構(gòu)仍然可以展現(xiàn)良好的傳動性。在曲柄搖桿機構(gòu)中，倘若機構(gòu)出現(xiàn)了死點位置則對機構(gòu)是很不利的，應(yīng)采取相應(yīng)的辦法來使得機構(gòu)避過死點位置。本次設(shè)計正是考慮到這一點所以設(shè)計了兩套機構(gòu)巧妙得錯開死點位置，讓整個機械連續(xù)運行。3.3.4 運動分析通過作圖法求得的四桿機構(gòu)的尺寸與軌跡曲線之后，得到完整的四連桿機構(gòu)，經(jīng)過 Solidworks 軟件 Motion 模塊進行仿真得出此次求得的連桿機構(gòu)是可以滿足設(shè)計需求的。圖 13 為足部軌跡圖，表 1 為觀察點的坐標(biāo)。20圖 13 足部軌跡圖下面的表 1 給出了四桿機構(gòu)運動仿真中得出的觀察點 、1M、 、 、 的坐標(biāo)。2M345表 1 觀察點的坐標(biāo)點位中誤差 =1M22)()(yx??= 22).10938.(85.370. ?=0.73點位中誤差 =2M22)9.106345.().794.6( ???21=0.63點位中誤差 =3M22)4.109875.().3874.( ???=1.57點位中誤差 =4 22)64.107.()4.537.2( ???=1.32點位中誤差 =5M22)9.103847.()6.4273.6( ???=1.65經(jīng)過計算判斷，本設(shè)計結(jié)果與理論設(shè)計軌跡誤差較小，此機構(gòu)的設(shè)計結(jié)構(gòu)是正確的。3.4 小結(jié)本章節(jié)設(shè)計了行走小車的腿部四桿機構(gòu)，按照小車行進的理論軌跡來設(shè)計桿長，然后通過軟件仿真驗證了設(shè)計結(jié)果的正確性。224 傳動方案及電機選擇本章節(jié)設(shè)計小車的傳動方案以及動力裝置電機的選擇。 4.1 電機的選擇為了簡化加工制作過程，選取的是 130 直流電機，該電機多用在玩具，其具體參數(shù)如下：【電壓范圍】1-6V【額定電壓】3V【參考電流】0.35-0.4A【3V 轉(zhuǎn)速】17000-18000 rpm【3V 空載電流】350mA【3V 堵截電流】1.3A【軸徑】2 mm【軸長】9 mm【重量】14.24g4.2 齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計23也采用 130 減速箱，通過齒輪兩級減速，達到減速比為 1：94。其中第一級直齒輪與冠齒之間簡易嚙合，齒輪傳動減速比為 = = = =4.375；第12iw12z835二級兩漸開線直齒圓柱齒輪之間的嚙合,齒輪減速比為= = = =21.49。 I= * = =4.375 21.49=94。3'2iw'23z81712i3'12z?'3四足行走小車主軸的轉(zhuǎn)速為 n=17000/94 = 181 r/min。 可以滿足小車的運行要求。圖 14 為齒輪傳動系統(tǒng)示意圖，圖 15 為 130 減速箱爆炸圖。圖 14 齒輪傳動系統(tǒng)示意圖