四足仿生移动机器人结构设计

-64-1概述1.1绪论随着机械制造行业技术水平的提高及机械电子、计算机、材料等学科的发展，促进了机器人应用到更广泛的行业领域内。由于人类探索活动的广度和深度不断提高，加速了机器人的发展与应用。自然环境中有约50％的地形，轮式或履带式车辆到达不了，而这些地方如森林，草地湿地，山林地等地域中拥有巨大的资源，要探测和利用且要尽可能少的破坏环境，足式机器人以其固有的移动优势成为野外探测工作的首选，另外，如海底和极地的科学考察和探索，足式机器人也具有明显的优势，因而足式机器人的研究得到世界各国的广泛重视。现研制成功的足式机器人有1足，2足，4足，6足，8足等系列，大于8足的研究很少。曾长期作为人类主要交通工具的马，牛，驴，骆驼等四足动物因其优越的野外行走能力和负载能力自然是人们研究足式机器人的重点仿生对象。因而四足机器人在足式机器人中占有很大的比例，一直以来也是国内外机器人领域的研究热点之一。作为机器人的一个极其重要分支，四足移动机器人相对与两足步行机器人具有较强的承载能力、较好的稳定性，而且结构又比六足、八足步行机器人简单，因而深受到各国研究人员的重视。在四足移动机器人中，机构重要部分之一足结构的设计，是机器人设计的关键，设计得当可使其机构简单大大简化控制方案。有学者认为：从稳定性和控制难易程度及制造成本等方面综合考虑，四足机是最佳的足式机器人形式，四足机器人的研究颇具实用价值和社会意义。1.2国内外研究现状及关键技术1.2.1国内外研究现状日本在四足机器人研究领域最具成果，最具有创新性的成果是电气通信大学研制成功的采用基于神经振荡子模型CPG(CentralPatternGenerator)的控制策略[1]而CPG是足式机器人近10年来在控制方面取得的最具突破性成果[2]。2000-2003年研制成功具有宠物狗外形的机器人用一台PC机系统控制，瑞士Maxon直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘、陀螺仪、倾角计和触觉传感器。基于CPG的控制器用于生成机体和四条腿的节律运动，而反射机制通过传感器信号的反馈，来改变CPG的周期和相位输出。机器人能够实现不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。美国的四足机的典型代表是卡耐基美隆大学研制的BigDog，外形体特和比例很像一条凶猛的猎犬，是仿生机器人中最像仿生对象的机器人之一，它能够在泥泞地面或粗糙的瓦砾地面以不同步态自如行走，最大负载52KG，具有很强的野外行走能力。最大的特点是在剧烈的侧面冲击作用下，仍具有很好的机体平衡能力，能保持平衡而不倒，如图1所示。现已计划深入研究BigDog四足移动机器人，使其性能达到实现多种动态移动，如平衡、走、爬行、跑等，并使其多方面达到一个新的水平[3]，具备识别粗糙地形、运载货物能力、自主控制能力等。图1美国卡耐基美隆大学研制的BigDog加拿大McGill大学智能机器中心机器人技术实验室研制了Scout-I与Scout-II两代四足移动机器人，Scout-I的每条腿仅有l个自由度，髋部也只有1个驱动器，主要被用来进行行走控制，它的机械结构虽然简单，却有着良好的动态稳定性，如图2；图3自主型奔跑机器人Scout-II，也是髋部只有1个驱动器，但只需改变前腿和后腿的触地力矩和触地角度4个参数，控制两个自由度的变量，进而就可以控制机器人的运动。图2Scout-I图3Scout-II1998年BISAM四足机器人由德国开发。该机器人主要结构由头部、4条腿和主体组成。四足机器人总重为14.5kg，内部装有立体摄像头、处理器、微控制器及电池。法国的Bourges(France)大学也研制成功SILO4系列四足机器人。韩国设计一款了从地面到墙壁的行走的四足爬墙机器人MRWALLSPECT-III，并完成了试验。从20世纪80年代我国开始了四足移动机器人的研究，并取得了一系列的研究成果，积累了丰富的研究经验。非常规行走机构的研究从70年代开始，由吉林工业大学陈秉聪教授和庄继德教授分别带领两个研究小组研究。1985年，一台具有两条平行四边形腿主要用于无硬底层的水田耕作的步行机耕船台车试验成功，并土槽中表现出较高的牵引效率。1991年，JTUWM系列四足步行机器人由上海交通大学马培荪等成功研制。JTUMM—III，仿制马腿的3个自由度，各个关节的运动由直流伺服电机分别驱动。该机器人采用两级分布式控制系统，有PVDF测力传感器装在脚底，采用模糊算法与人工神经网络相结合，位置和力混合控制，实现了四足步行机器人JTUMM—III的慢速动态行走，极限步速为1.7km／h。为了提高步行速度，将弹性步行机构应用于该四足步行机器人，起到缓冲和储能作用[4]。另外，1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下，孙汉旭博士进行了刚性足步行机的研究，试制成功了一台四足步行机，并进行了步行实验。清华大学机器人及智能自动化实验室正在研制QW-1四足全方位步行机器人。哈尔滨工业大学在对现有地面移动机器人特点分析及结构形式基础上，提出名为HIT-HYBTOR的轮足式四足移动机器人概念模型，3个自由度的轮腿机构被四个独立驱动的轮代替，构成2个自由度的髋关节，有1个自由度的膝关节，轮式机器人和足式移动可以根据环境需求切换。该模型结合了足式机器人和轮式机器人的优点，轮式和足式两种运动方式根据不同的环境变换，以达到较高的移动速度和良好的运动灵活性的统一，如图下4。图4HIT-HYBTOR1.2.2机器人研究的关键技术运动稳定性研究和步态规划行走稳定性和步态规划是研究足式机器人的不可分割两个基本问题。四足式机器人因满足三点支撑而容易保证静态稳定性,难点是如何实现动态稳定性[5]。四足机步态规划方面，目前研究较多的步态方式是模仿马等四足动物行走典型步态：如爬行（Crawl）,对角小跑（Trot）,溜蹄（Pace），跳跃（bounding），定点旋转（Rotation），转向（spinning）等。这几种步态在实验室条件下均有成功的试验记录。标准步态比较容易实现，现阶段大量的文献所研究的是这几种标准步态及其转换的规划和控制问题。如爬行步态（crawl）的规划与稳定性控制[6～9]；对角小跑稳定性步态规划控制（trot）[10～13]；溜蹄（pace）步态规划控制的有。跳跃步态稳定性与步态规划奔跑是足式机器人快速移动必不可少的一种步态,且机器人要想越过大于等于自身大小的障碍物，一般移动方式显得无能为力，而动物利用跳跃步态可轻易越过较大的障碍。另外在月球，火星等外太空微重力环境下，跳跃式前进的效率上具有明显的相对优势。目前对四足机步态研究，跳跃步态的研究是最具挑战性的难点问题，原因是：（1）需要复杂的机体和腿机构的协调动作控制，同时腿机构的摆动惯性力对机体姿态的动力学性能影响明显增大，成为系统不可忽略的动力学因素。（2）腿机构的缓冲装置是必不可少的，否则机体的关节将受到很大的冲击力，有可能损坏关节和驱动元件。（3）跳跃步态需要更大的瞬时驱动力，现有的腿机构的驱动元件的功率密度还不能达到设计要求。解决跳跃步态的有效方法是仿生学的应用。腿机构的设计：腿机构是足式机器人的关键部件，腿机构的自由度数和工作空间是足式机器人能够实现的可能步态的几何基础；另外足的布局形式，腿的质量都对稳定性和步态也有较大的影响。要适应野外环境的顺应行走，对腿机构有特殊的要求。行走效率及便携式能源：在运动过程中各关节的关节角在不断的变化中，力或力矩的传递效率平均值较低。且行走速度与负载有很大的关系。腿机构的效率和能量利用率目前还很低。高效的动物腿机构给研究提供了很好的借鉴，但机器人各关节的驱动方式与动物存在很大的不同，动物的肌腱肌肉均是具有弹性的储能元件。机器人的腿机构和关节均为刚性连接，不但不能储能，且因触地的冲击，要消耗掉许多能量。许多学者正在研究这一问题控制系统及控制方法：机器人与环境的交互时存在环境识别，导航，轨迹规划等移动机器人的共性问题，使得控制系统相当复杂。四足机器人从控制任务方面存在的困难是行走控制需要多个子系统的密切配合才能完成复杂的任务。1.3本课题主要研究内容本课题在了解移动机器人现状的基础上，分析各种机器人的结构特点，拟定总体方案，进行四足仿生移动机器人结构设计。利用三维软件绘制新型四足仿生移动机器人。机器人的结构设计是硬件设计的重要环节，通过对四足仿生机理的研究，综合考虑需要实现的功能和其他因素，设计出具有质量小运动灵活的四足仿生机器人单腿结构。2四足仿生移动机器人结构设计原则及要求2.1四足仿生移动机器人的总体方案确定腿结构是足式机器人设计的关键，腿机构的自由度数和工作空间是机器人可能实现步态的几何基础，另外腿的空间布局和质量都对稳定性和步态规划有很大影响。要实现复杂环境的顺应行走，对腿机构提出了基本的要求：实现运动的要求；承载负载的要求；机构实现和控制能力的要求。腿机构的设计准则是：腿机构至少应该有3个自由度，足端具备一个立体的三围工作空间；处于支撑状态的足端相对与机体有直线运动，避免因机身上下波动消耗不必要的能量要有足够的刚度且质量应尽量小自由度分析根据仿生学，腿结构一般分为髋关节、大腿、膝关节、小腿、腕部，其中髋关节有实现水平旋转和俯仰的两个自由度，膝关节实现俯仰，为使整条腿有较好的灵活度和利于整体的稳定性控制，采用两个自由度，腕部实现俯仰的一个自由度。综上拟定每条腿有5个自由度的四足仿生机器人，结构简图如下。图5结构简图总体方案的确定初步选定整体尺寸：长900mm宽1800mm高750mm为限制过载转矩起到保护作用和输出恒定转矩，采用带驱动系统，方案示意如下图6、图7。图6方案示意方案示意图1、腿2、从动带轮3、带固定点4、齿轮5、齿轮26、带1方案示意图7、齿轮38、惰轮9、齿轮410、带211、驱动带轮12、蜗轮13、蜗杆14、电机115、减速16、电机217、齿轮518、齿轮619、减速器20、电机321、机体图7方案示意图22、带固定点23、从动带轮24、带325、惰轮26、带427、惰轮28、带529、电机42.2机器人的主要性能参数2.2.1技术指标：平均机动速度：≥0.4m/s爬行能力：野外各种复杂地面操作方式：遥控动力特性：电池2.2.2足末端工作空间计算建立如图8所示坐标系图8坐标系由前置坐标系求取末端空间位姿列变量表连杆扭角连杆长度a连杆间距D转角变量0150045000150004500T=QUOTEQUOTEQUOTE=QUOTE可得腿部末端的空间位置为（X,Y,Z）2.2.3材料选择按工作要求，四足仿生移动机器人要实现全方位行走，且适应复杂地形。在保证足够强度、刚度的条件下，对整个腿的质量要加以限制，减少驱动源的动力消耗，使机器人轻便灵活，这要求足轻而且坚固LY2硬质铝合金作为腿结构材料。2.2.4其他技术参数的拟定其腿部结构尺寸为：髋关节长度：l1=150mm;大腿长度：l2=450mm膝关节长度：l3=150mm;小腿关节长度：l4=450mm；足长：l5=100mm其腿部质量参数为：单腿质量：1KG极限夹持重量：1.5KG髋关节质量：m1=0.15KG大腿质量：m2=0.3KG膝关节质量：m3=0.15KG;小腿关节质量：m4=0.3KG足质量：m5=0.1KG2.3机器人机械结构及传动设计根据本设计的要求，并对国内外四足仿生移动机器人的典型结构加以参考，对各个回转关节的传动方案和结构初步单独分析。2.3.1机器人腰部回转关节设计腰部外安放一驱动电机1，驱动内部齿轮2齿轮3传动装置，实现竖直主轴4的转动，从而实现大腿5，小腿6等工作部分的旋转自由度，如图9腰部设计,内部传动。612435612435图9腰部传动设计661-驱动电机2-齿轮3-齿轮4-竖直主轴5-大腿6-小腿2.3.2机器人大腿和小腿转动关节设计591078在大腿与肩部连接关节处安装一驱动电机7，带动与之相连的蜗轮8旋转，进而带动与蜗杆8啮合的蜗轮9旋转，蜗轮旋转使得与之相连的轴10旋转，这样最终转动大臂5，机构设计如图10大臂传动设计。而小臂与大臂之间通过膝关节连接，大腿上装有电机11，带动带轮12旋转，用一圆带13连接带轮14，带轮14与膝关节用键连接使其无相对旋转，电机旋转时膝关节与大腿便产生相对转角。齿轮15通过轴16及键固定在大腿上，膝关节与大腿的相对转角通过齿轮17、18传递给19，齿轮19与小腿无相对运动，这样小腿跟膝关节便产生一个与膝关节跟大腿相同大小的相对转角，且由齿轮传动的变相性小腿与膝关节的旋转方向一致，设计如图11小腿传动设计。591078图10大腿传动设计7-电机8-蜗轮9-蜗杆10-传动轴11815141112161514111216171718181313图11小腿传动设计11-电机12-带轮13-圆带14-带轮15-齿轮16-齿轮17-齿轮18-齿轮2.3.3机器人腕部活动关节的设计设计机器人手腕自由度数时，要根据作业需要来定[14]。要使机器人各关节的运动角度愈大，则手腕自由度数目应愈多，那么机器人的灵活性就愈高，在作业中就会表现出愈强的适应能力。，同时腕部结构的复杂性会随自由度的增加而增加，机器人的控制也就更困难，使其成本增加。因此，要根据实际作业要求来确定手腕的自由度数。在能达到作业要求的前提下，应尽可能的减少自由度数。一般的机器人手腕有2至3个自由度，有的则需要更多的自由度数，而有不需要自由度，实现作业的任务要求仅凭受腰部和臂的运动就能完成。所以要具体问题具体分析，考虑四足机器人的运动方案，多种布局，选择最简单的方案并使其满足要求，综上则该四足仿生移动机器人腕部采用一个自由度。机器人腕部安装在足式机器人手臂的末端，在设计时应尽量减少手腕的体积和重量，使其结构紧凑。采用分离传动驱动器的腕部机构，以减轻机器人腕部重量。腕部驱动器不采用直接驱动，一般在手臂上安装驱动器，并且采用铝合金等强度高材料制造。机器人的末端执行器要联在手腕上，所以要有标准的法兰联接，在结构上使末端执行器装卸简便。在力与运动传递的过程当中，机器人的手腕机构要体现足够的刚度和强度，用以保证实现其动作。为减小空回间隙，提高传动精度，应设有可靠的传动间隙调整的机构。为避免超限造成机械损坏，在各关节轴转动处要有限位开关，且设置硬限位。综上腕部结构及传动初步设计如下：313028272625242322202129图12腕部转动设计31302827262524232220212920-传动电机21-带轮22-带23-带轮24-带25-带轮26-带27-带轮28-圆柱直齿轮29-圆柱直齿轮30-传动轴31-手腕部分电机20的旋转驱动带轮21，通过带22、带轮23、带24、带轮25、带26、带轮27将动力传递给齿轮28，与之啮合的圆柱直齿轮29旋转，并带动传动轴30从而可实现手腕部分31的旋转自由度，如图11、12腕部转动设计。该方案的结构相对复杂，但整体重量相对较轻，且紧凑性更好，可以自由选择电机类型。2827302827302931图13腕部俯仰设计293127-带轮28-圆柱直齿轮29-圆柱直齿轮30-传动轴31-手腕部分3电机的确定3.1各关节最大负载转矩计算3.1.1运动状态分析机器人一个步态周期由四条腿依次“抬起——摆动——放下”的动作构成，而每条腿得“抬起——摆动——放下”需要一个步态周期分成若干个阶段与之相对应，要保证行走的稳定性就需要合理控制每条腿来实现。机器人总重m=15KG，重心在机体中心。行走时三腿承受重量，一腿迈步。单腿承受力约F>QUOTE=75N负载转矩的计算腿撑地时负载转矩的计算L=QUOTE/2=2012.46mm撑地状态时最大负载转矩分析受力分析：G（L2+L3’）F1F2弯矩分析：yx则髋关节最大负载转矩QUOTE=QUOTE=41.7N.m此时膝关节最大负载转矩QUOTE=7.95N.m抬腿至水平时负载转矩的计算:抬腿至水平时状态如右图此时弯矩图如右：M2’=G1’+QUOTE<M2G2’QUOTEM2’M3=G3+QUOTE=1.925QUOTEG3QUOTEM3M4=G4+QUOTE=0.9QUOTEG4QUOTEM4综上髋关节、膝关节、腕关节最大负载转矩分别为M2=QUOTEM3=1.925QUOTEM4=0.9QUOTE3.2机器人驱动方案的对比分析及选择机器人通常有以下四种[15]驱动方式：（1）步进电机可以通过数字控制直接对其控制，可控性好，结构简单，并且成本低；一般情况下不需要反馈就能对位置和速度实现控制；且不会产生因积累形成的位置误差；它具备自锁能力（变磁阻式）及保持转矩（永磁式）的能力，对控制系统的定位有利。但是步进电机空间分辨率较低，并且基本上不具有过载能力，功率偏大的一般体积较大；功率较小的，仅适于传动功率小的小型或关节机器人。（2）液压伺服马达液压伺服马达负载能力很大，且具有较大的功率密度，其在保证抓住重负载不下滑的同时，能实现精度较高定位和平稳的运动，从关键技术包括体积、重量等的要求考虑，是一个最佳的选择方案。但其费用较高，而且其液压系统经常出现漏油现象，维护不方便。（3）交流伺服电机交流伺服电机的价格介于直流伺服电机和步进电机之间，其结构简单，体积较小而且运行可靠，使用起来维修方便。在调速性能方面交流伺服电机随着相关技术的发展（GTO可关断晶闸管，MOSFET场效应管和GTR大功率晶闸管等电子器件、计算机控制技术及脉冲调宽技术），有了很大提高。增量式码盘反馈，因其采用32位DSP三环（速度、位置、电流）和16位CPU全数字控制，可以达到很高的精度。启动功率在超过三倍过载输出扭矩时也可以达到很，并且提供较高的响应速度。（4）直流伺服电机在调速特性上直流伺服电机具有良好优势，它的特点是相对功率大，响应速度快且启动力矩大，而且控制技术成熟。虽然其结构相对复杂，但能够通过外围转换电路与微机配合实现数字控制。使用直流伺服电机，可以给机器人佩戴移动电源，提高其远程可操作性。由于本设计研究的四足仿生移动机器人的体积和重量均要求小且额定负载一般，也为了便于控制，经综合分析，决定采用直流伺服电机作为驱动。3.3驱动电机的选择3.3.1电机选型有关参数计算由于传动负载作回转运动负载额定的功率：（3-1）负载加速的功率：（3-2）负载力矩（折算到电机轴上）：（3-3）负载GD（折算到电机轴上）：（3-4）起动时间：（3-5）制动时间：（3-6）额定功率，KW；加速功率，KW；负载轴回转速度，r/min；电机轴回转速度，r/min；负载的速度，m/min；减速机效率；摩擦系数；负载转矩（负载轴），；电机启动最大转矩，；负载转矩（折算到电机轴上），；负载的，；负载（折算到电机轴上），；电机的，；髋关节转动惯量计算髋部水平旋转只存在摩擦力矩，没有其他转矩在回转圆周上，则在回转轴上有：（3-7）滚动轴承摩擦系数，取为0.005；负载与机械手本身的重量总和，取为1；轴承内径，R=10；移动速度>0.4m/s带入数据，计算得=0.5*QUOTE；由V=0.4m/s令最大摆脚QUOTE=120°=2QUOTE/3R=0.45mQUOTE由v=QUOTE=1\*GB3①QUOTE=2\*GB3②由=1\*GB3①=2\*GB3②联立得QUOTE=8.5r/min传动比定为1/120；负载转动惯量=4g(J1+J2)10mmJ1=QUOTE100mmQUOTE=2.7*QUOTED1=10CMD2=8CML=15CM得J1=QUOTEaL1段绕a旋转L1J2=QUOTE=0.102QUOTEl2L3L4则=4.083.3.2髋关节水平旋转电机选配L5由（3-1）得=4.54QUOTE其中传递效率取0.98=(1/120)²=2.8QUOTE由（3-2）可得TL=4.2QUOTETP(启动最大转矩)>1.3TL以保证电机可靠运行，TP=5.5QUOTEN.m机械系统的动态特性受惯量影响，惯量越小，系统的动态特性反应越好；惯量越大，马达的负载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和马达惯量相匹配才行，一般负载惯量建议应小于电机惯量的5倍。

即J1+J2：Jm<5:1Jm>0.0204QUOTE综上=4.54QUOTETP=5.5QUOTEN.mJm>0.0204QUOTEN=1020r/min3.3.3髋关节俯仰电机选配俯仰参数计算设最大摆脚QUOTE1=45°QUOTEQUOTEQUOTEQUOTE传动比i=1:150传递效率=0.99Nl=7.5r/minTl=M2=41.7N.mJl=J2=0.102KG.QUOTENm=Nl*150=1125r/minTl=TL/150.=0.28N.mVJ1JL=(Jl+J2)/QUOTE+J1J1J2=QUOTE=1.6*QUOTEkg.QUOTEJ1=QUOTE=6.57*QUOTEkg.QUOTE则JL=0.045kg.QUOTE计算得=33.08QUOTETP=0.364N.mJm>0.009QUOTEN=1125r/min3.3.4膝关节电机选配参数计算齿轮1=0.99J4J5J6带2=0.99J2减速器3=0.99J3大齿轮直径D1=8cmJ1小齿轮直径D2=6cm带轮直径D1=8cm带长L=2L2+QUOTEd3=925mm由设定条件知摆脚QUOTE2=45°时间t=1s由介轮条件知大小轮相对转角的2倍为膝关节变量Nl=3.75r/minTl=M3=1.925J1=(m4+m5)QUOTE=400QUOTEJ2=QUOTE=0.0016QUOTE=J5=J6J3=J4=QUOTE=0.0005QUOTEJL=J6+(QUOTE)QUOTE(J1+J2+J3+J4+J5)=0.01QUOTENm=Nl*300=1125r/minTL=Tl/300*=0.0065计算得=0.764QUOTETP=0.00845N.mJm>0.002QUOTEN=1125r/min3.3.5腕关节电机选配参数计算带1=0.99减速器2=0.99设定腕关节转速Nl=5r/min传动比为1:200电机转速Nm=1000r/minJ1=mQUOTE=3.3QUOTEJ2=J3=J4=J5=0.0016QUOTEJL=J5+(QUOTE)QUOTE(J1+J2*3)=0.0016QUOTETl=Tl/200*=0.0045计算得=0.47QUOTETP=0.0585N.mJm>0.00032QUOTEN=1000r/min综上选定电机型号参数如下：maxon电机，Re10系列输出功率1.1W,电压12V，出转速为1000转，015V可以使用，带直径10mm的减速器.带编码器6根线输出，可送编码器的接线资料。电机机身长度（含编码器.减速器）为46.5mm。输出轴为2mm，长度为12mm4.带传动设计4.1各参数设计及计算4.1.1参数设计L1腕关节带传动比为1L2腕关节转速Nl=5r/min传递扭矩T1=0.9N.mL3功率P1=0.47W4.1.2确定名义传动功率计算功率PC=KAP

式中KA--工作情况系数，取1.2；

PC--名义传动功率（kW）。

得PC1=P1*1.2=0.56w4.2带型选择及带轮设计4.2.1选择带型根据带传动的设计功率PC和小带轮转速n1初选带型为圆带，适合小功率低速使用4.2.2确定带轮基准直径当其它条件不变时，带轮基准直径越小，带传动越紧凑，但带内的弯曲应力越大，导致带的疲劳强度下降，传动效率下降。择小带轮基准直径时，应使d1≥dmin，并取标准直径。忽略滑动摩擦率的影响，则有d1=id2=d2，查机械设计手册可知d1=8cm>dmin满足要求。4.2.3验算带速带速的计算式为：=0.02m/s4.2.4确定中心距和带长中心距a的大小，直接关系到传动尺寸和带在单位时间内的绕转次数。中心距大，则传动尺寸大，但在单位时间内绕转次数可以减少，可以增加带的疲劳寿命，同时使包角增大，提高传动能力。设计第一、三条带长a1=a3=370mm,第二条带长a2=70mm,均符合要求。带长：

QUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTEmm4.2.5包角由传功比为1可知：QUOTE在大于QUOTE~QUOTE范围内4.2.6确定带根数QUOTE:包角修正系数QUOTE:带长修正系数QUOTE:单根基本额定功率取QUOTE4.2.7初拉力即发挥传动能力又保证单根带寿命初拉力：Q:带质量0.041QUOTEQUOTE:包角修正系数4.2.8轴压力4.2.9带轮结构设计图14带轮图15带轮由于小功率低速选用铸铝，带轮直径d1=80mm，轴孔直径D1=20mm，轮厚f=10mm，键槽宽w=4mm，深h=3mm,带槽直径d2=8mm结构如上图14、15。5工作装置的强度校核5.1轴的强度校核轴应按照弯扭合成应力校核轴的强度，材料是45号钢。由上述计算可知腰关节轴承受的弯扭力矩最大，且其他轴轴径均大于等于20mm,若此轴满足强度要求则其他轴均满足要求。此轴结构如下图16。图16腰关节轴剪力方程和弯矩方程：Fs=Fs(x)M=M（x）各分力的弯矩合成方程：轴的载荷分析图如下：图17图17载荷分析图通过以上计算得到得弯矩M=4.89N·mm，扭矩T=8.7QUOTEN.m选取弯矩和扭矩大而轴径小可能断的截面为危险截面做弯扭合成强度的校核计算。按第三强度理论的计算应力公式：为对称循环变应力为扭转切应力为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数α则扭转切应力为对称循环变应力时：取α=0.6对于直径为d的圆轴：扭转切应力代入与得： =11.3Mpa<=355Mpa式中：为对称循环变应力的轴的许用弯曲应力(MPa)，具体数值查机械设计手册B19.1-1为355Mpa为轴的计算应力MpaM为轴所受的弯矩N·mmT为轴所受的扭矩N·mmW为轴的抗弯截面系数()具体数值查机械设计手册B19.3-15-175.2轴承的选型选用轴承时，首先是选择标准轴承的基本特点，应合理的选择轴承类型时所考虑的主要因素。选择轴承的主要依据是轴承受的载荷大小、方向和性能。在本设计中轴承受的力不大的采用滑动轴承，以适应较小的安装空间。承受较大轴向力的采用圆锥棍子轴承。圆锥棍子轴承可以保证轴在纵向上承受的力，同时也防止了轴向窜动。轴承内圈与轴的配合采用的是过度配合，轴承外圈采用的是过盈配合。轴承的融滑采用的是脂融滑。图18四足仿生移动机器人二维装配图结论本次毕业设计给我带来了很大收获，它使我对机械设计等课程的理解进一步加深了，让我在理论上有了很大提高。调研阶段，通过在图书馆查资料进一步加深了对机械尤其是工程机械行业的了解，深刻体会到我国的机器人行业与国外发达国家的差距，也是对我的自我学习和自我完善的能力提高。本次设计最深刻的体会是实践对于机械课程学习的重要性，也是以后应该注意的本次毕业设计是我大学四年学习课程的一个总结，毕业设计让我系统地巩固了大学四年的学习课程，通过毕业设计使我更加了解到机械设计在实际生产中的重要作用。从2013年3到6月，我们历时近三个月，系统地巩固了如：《机械设计》、《工程图学》、《机械制造基础》等许多课程。全面的进行了一次工具书的使用和查阅的复习习，从分析零件图到模具的设计与装配图的绘制，在指导老师的带领下，每一个环节都是在老师的指导下自己完成的。在整个设计过程中，有不少同组同学给予了我很大的帮助，这让我深深地体会到团队力量的强大，学会了与大家探讨问题并虚心听取他人意见。参考文献1www-robot.mes.titech.ac.jp/research/paper_e.html2郑浩峻等.基于CPG原理的机器人运动控制方法.高技术通讯,2003(7):64-673/watch?v=mpBG-nSRcrQ4刘静,赵晓光,谭民.腿式机器人的研究综述.机器人，2006,28(1):81-88.5何冬青,马培荪,曹冲振,袁宝民,叶蓉石.四足机器人对角小跑起步姿态对稳定性的影响.上海交通大学学报,2005,39(6):880-8826刘洋,陈佳品,程君实.基于OpenGL的四足机器人步态仿真系统.计算机工程,2002,28(10):53-717陈学东,郭鸿颂,渡边桂吾.四足机器人爬行步态的正运动学分析.机械工程学报,2003,39(2):8-128徐轶群,万隆君.四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制.机械科学与技术,2003,22(1):8-129王新杰,李培根,陈学东陈宏娟.四足步行机器人关节位姿和稳定性研究.中国机械工程,16(17):1561-156610何冬青,马培荪.四足机器人动态步行仿真及步行稳定性分析.计算机仿真,2005,22(2):146-14911陈佳品,程君实,冯萍,马培荪,潘俊民,席裕庚.四足机器人对角小跑步态的研究.上海交通大学学报,1997,31(6):18-2312何冬青,马培荪,曹曦,曹冲振,于会涛.四足机器人对角小跑起步姿态对稳定步行的影响.机器人,2004,26(6):530-53713陈佳品,程君实,席裕庚.四足机器人对角小跑直线步行的虚拟模型.上海交通大学学报报,2001,35(12):1771-177514吴振彪.工业机器人[M].武汉:华中理工人学出版社，199715王庭树.机器人运动学与动力学[M].西安电子科技大学出版社，1990致谢本毕业设计是在张老师的精心指导下完成的。在此，向他表示衷心的感谢。从陌生到开始接触，从了解到熟悉，这是每个人学习事物所必经的一般过程，我对四足机器人的认识过程亦是如此。经过三个月的努力，这次毕业设计划上了一个圆满的句号，为以后的工作打下了基础。同时，希望各位读者在对此文的不足给抒指导，批评和提出宝贵的意见和建议。在此，对关心和指导过我各位老师和帮助过我的同学表示衷心的感谢!至此，为期三月的毕业设计接近尾声了，我们在校的学习生涯也即将结束，马上就要步入自己的人生旅途了。这次毕业设计是我们走向工作岗位的最后一次全面的练兵，让我们对自己这四年来学的知识进行了全面、详细地整理，又一次运用所学知识来解决实际问题，这种能力是以后工作所必须的。相信通过这次设计，自己的能力有了进一步提高。为以后的工作打下了坚实的基础，为将来的工作积累了丰富的知识库。经过四年的学习，自己的专业技能和处理问题的能力都有了很大的提高，坚信自己在以后的工作中会很顺利的。最后，对关心和指导过我各位老师和帮助过我的同学再次表示衷心的感谢!TOC\o"1-3"\h\u30777摘要 4203401绪论 653831.1综述 665781.2发展概况 697181.2.1国内发展概况 789751.2.2国外发展概况 7133241.3课题背景 8241741.4目的及意义 893901.5本文主要的研究工作 9106022设计内容 10239812.1理论依据 10242382.2方案实施 1047992.2.1方案比较： 12245762.2.2方案的选定 12204323四杆机构的设计 13322163.1基础理论知识 13119813.1.1曲柄存在条件 1342123.1.2急回运动特性和行程速比K 13237693.1.3压力角和传动角 14304113.2轨迹设计 15291913.3方案四杆机构的设计与计算 1645533.3.1四杆尺寸 16307393.3.2最小传动角计算 17181043.3.3步态分析 18107054传动机构设计 19249144.1传动方案及电机选择 19149014.2同步带传动设计 19281104.2.1确定计算功率 1989364.2.2选择同步带型号 20132704.2.3确定带轮齿数、和带轮节圆直径、 20206204.2.4验算带速 20110954.2.5确定中心距和同步带节线长度及齿数 20271064.2.6作用在轴上的压力 21236675主轴组件设计 22269695.1主轴组件的总体布置 2218655.2主轴的结构设计 22184975.2.1主轴的材料和热处理 23150875.2.2初估轴径 23287565.2.3轴的结构设计 23238825.2.4轴的强度验算 2537556箱体设计 27293566.1箱体材料的选择 27315956.3箱体的加工 28111037杆件布层 30173088操作与安装 3111910小结 323860致谢 345368参考文献 35摘要在自然界或人类社会中，存在人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合，如工地、防灾救援等许多领域，对这些复杂环境不断的探索和研究往往需要有机器人的介入。四足步行机器人是机器人的一个重要分支，由于四足机器人比两足步行机器人承载能力强、稳定性好，同时又比六足、八足步行机器人结构简单，因而更加受到各国研究人员的重视。整个设计方案主要执行构件为四杆机构。本机构采用对角线一致的原则，通过曲柄摇杆机构带动腿部运动，左前腿与右前腿一致，右前腿与左前腿一致。它是利用连杆曲线特性，当一对角足运动处于曲线的直线段时则着地不动，而另一对角足则处在曲线段做迈足运动，从而可实现类似动物的迈足运动。采用直流伺服电机驱动，通过同步带轮带动曲柄摇杆机构运动。关键词：曲柄摇杆对角线一致传动件主轴组件箱体设计杆件布层AbstractInthenaturalandhumansociety,therearemanyplacesthathumanbeingscannotreachorspecialoccationsthatmayendangerthelivesofhumanbeings,suchasworkingsiteormanyotherareasofdisasterrelief.Weoftenrequirerobotinterventionduringcontinuousexplorationsandstudiesofinthesecomplexenvironment.4feetwalkingrobotisanimportantbranchofrobot.Since4feetwalkingrobothasgreatadvantagesover2feetrobotincarryingcapacityandstability,whilehavingamoresimplestructurethan6,8feetwalkingrobots,manyresearchersattachgreatimportanceto4feetwalkingrobot.Theexecutivebodyofthedesignispar4institutions.Theagenciesadoptthediagonalprinciples.Thepowergoesthroughcrankrockertothelegs.Themovementofleftfrontlegkeepinconsensuswithrightlatterleg,assuch.Thedesigntakeuseoftherodcurvefeatures,whileonepartofthelegsareinthestraightlineandstandstill,theotherpartareinthecurveparttakingstepsforward,soastoachievemovementsimilartoanimals'movement.ThedesignispoweredbyDCServoMotor,whiletransmittedthroughsynchronouspulleys.Keywords:CrankrockeradiagonallinetransmissionPartsthemainshaftcomponentsbodydesignstickarrangement1绪论1.1综述在自然界或人类社会中，存在人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合，如工地、防灾救援等许多领域，对这些复杂环境不断的探索和研究往往需要有机器人的介入。腿式系统有很大的优越性，较好的机动性、崎岖路面上乘坐的舒适性及对地形的适应能力强。所以这类机器人在军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行业，有非常广阔的应用前景，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一。四足步行机器人是机器人的一个重要分支，由于四足机器人比两足步行机器人承载能力强、稳定性好，同时又比六足、八足步行机器人结构简单，因而更加受到各国研究人员的重视。作为一个男生，自小时候其就对于机器人有着莫大的兴趣。此次毕业设计老师分配给我这个题目，让我感觉到特别兴奋，同时也感觉到了真正动起手来设计机器人也还有许多实际上的难处。由于本专业是机械自动化方面的，此次设计应该是一次简单的机械结构的设计。对于更加精确的控制理论没有过多的研究，设计的主要作用也是作为危险环境下的托运物品。虽然所学知识有限，但我会尽全力去钻研，决定从自己能解决的机械方面的问题着手。1.2发展概况关于四足步行机器的制作的文献，最早见于东汉学者王充的«论衡»第八卷«儒增篇»，“鲁班巧工为母做木马车，木人御者，机关备具，载母其上，一驱不还，遂失其母……”三国时期，诸葛亮处于战争的需要，造出了用于托运粮草的“木牛流马”.目前,机器人的移动方式主要包括:轮式、履带式和足式。其中,轮式和履带式机器人的越障能力弱,不能充分实现运动的灵活性。四足机器人步行腿具有多个自由度,落足点是离散的,故能在足尖点可达域范围内灵活调整行走姿态,并合理选择支撑点,具有更高的避障和越障能力。为此,四足机器人的研究已成为机器人学中一个引人注目的研究领域,而且运动学的研究是步行机器人各项研究的基础。1.2.1国内发展概况国内对于四足步行机器的研究则起源于对木牛流马的复原,1986年王湔在古文献的基础上经过20余年的潜心研究,创制出了单侧十七连杆,并由人力推动的王氏木牛流马,首开了国内研制纯机构步行机器的先河.1992年，王湔更以单腿八连杆机构,加上马车,创作出王氏木车马.在此之后,台湾的颜鸿森教授带领他的弟子,以王氏木车马为基础,研制出了一系列的步行机器,如陈氏的四连杆型和六连杆型,邱氏,黄氏,沈氏步行机器,大陆的王旭辉和查建中等人则以单腿八连杆机构为对象,对其压力角的优化和杆件布层进行了研究和探讨.总之,传统的对象加上科学的分析和先进的理论,使得展.国内在步行机器的研究范围和深度上得到了极大的丰富和拓展.1.2.2国外发展概况关于四足步行机器的研究,最早申请专利的当属1893年由Rygg创作的步行机器马,该机构由齿轮和连杆机构组成,由人坐在马背上脚踏前进,但是却没有做出实物来加以佐证.1913年Gechtolsheim申请专利,也是用齿轮和连杆机构组成的步行机器,但是文献中没有实物的描述,故此时对于步行机器的设计,仅只考虑腿部机构与轨迹的曲线而已.1960年Shigley创作出以连杆组设计四足腿部机构,并利用一组双摇杆机构来控制步行机器的步态,此时对于步行机器的设计,已经加入步态设计的理论.1966年,McGhee和Frank制造出第一台完全以电脑控制的步行机器人,之后对于步行机器的设计,则广泛地应用控制理论.1978年,Hirose将水平控制器装在步行机器上,并在足部装设了维持水平方向行走及修正方向的感应器.1986年Raibert,Chepponis和Brown以液压缸及伺服马达,制造出RUNNINGMACHINE步行机器.对于四足步行机器的研究从单纯的机构逐渐向综合控制,软件,电子等多学科融合的方向发展.1.3课题背景在社会物质文明高度发达的今天，人类虽然能够创造出比较良好的生活环境，但是对于大自然的探索与了解，以及自然灾害的防治，各种危险情况下的工作却一直束手无策。因此机器人的设想就成为了在危险环境工作的必然选择。足式移动机器人对行走路面的要求较低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测、反恐防爆、军事侦察等人类无法完成或危险的工作。对这些环境进行不断的探索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。不规则和不平坦的地形是这些环境的共同特点，使得轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制，而多足步行机器人能够在复杂崎岖的路面上稳定行走。我所设计的四足步行机器就是为了在危险环境中的救人或者运输必须物品，为人类更好的改造大自然。1.4目的及意义本次设计的目的是在毕业设计阶段充分的运用到本科所学到的机械方面的知识，锻炼自己的能力，学习各中机械设计的技巧和电子图版的使用。设计出一款比较简单实用的四足步行机器，能够在各种危机情况中发挥应有的作用。四足步行机器的设计其意义体现在：一：在设计四足步行机器的过程中，我参考了各种机器人设计的资料，学习到了很多关于自动机器人的知识。还在老师的指点下参观了老师指导的机器人大赛作品，对于机器人的机构和机理有了深刻的认识，充分发挥了机械设计中的知识。二：对于四杆机构的设计和研究有了比较深的了解，汲取了比较多的前人理论，学习到了许多以前不曾学习过的东西。三：设计出了一款简单实用的四足步行机器，使在危险情况下的运输和工作有了比较好的一种选择。1.5本文主要的研究工作作为一个简单的四足步行机器的设计，我的主要工作就是设计出整个四足步行机器的主体结构，成为各种危险环境中的一个好工具。具体工作主要有：1、四足步行机器人整体设计,选定合理易行的方案，设计出具体尺寸结构，画总装图;2、对主要零件进行结构设计，画零件图;3、对主要零件进行强度计算;4、撰写设计说明书，字数一万字以上；5、英文翻译５千汉字以上。2设计内容2.1理论依据本次设计的主要过程分为方案设计、杆件尺寸设计、绘制装配图及零件图。即先确定四足步行机器的方案原理。这一阶段主要参考了网上各种机器人的视频，比较了许多机器人方案，最终确定适合自己的做毕业设计。而在明确了自己的方案之后尺寸设计过程是难点，因为以前四杆机构的设计我们学习的不是很深刻，参考了很多这方面的书籍。最后就是根据以前课程设计的相关知识作出整个的装配图和零件图，其中包括了直流电机选型、传动方式选择和计算、主轴及传动轴的设计、箱体的设计及结构工艺性考虑。主要应用的理论知识有：机械设计、机械原理、机械制造技术基础、机械设计课程设计、机电一体化、机电传动控制等等。2.2方案实施经过长时间的搜集资料和学习四足步行机器的有关设计，分析其工作原理，特拟定了一下集中方案：A.方案一：B.方案二：图2skywalker建议机器人C.方案三：图3连杆机器人2.2.1方案比较：如图所示的三种方案，第一种方案是通过比较精密的腿部机构设计，通过前后两对足类似双人搭肩是式的行走方式来实现四足机器的步态拟合。是仿生技术以及计算机仿真的精密结果。在这里由于本人专业知识的缺乏以及经验的不足故放弃了这种方案。第二种方案结构简单轻巧，但是其运动明显存在不够稳定的缺点，体积太小难以胜任运载的要求。最后选择了第三种方案来做，其结构明了，原理清楚，运行时结构稳定性显而易见。2.2.2方案的选定先介绍一下这个方案的基本原理。本方案中采用了对角线原则，即是对角线上的两条腿通过连接杆连接在一起保持运动一致性。而每一对足的运动轨迹都是有一条弧线和一段直线段组成的。当其中一对足轨迹处于水平线上的时候就处于着地状态，停止不动。同时另一对足相应的处于直线段的上方实现迈足运动。最终通过两队的交替处于直线段及弧线段上实现动物式的四足运动。如下图所示图4运动轨迹本设计通过装在箱体内部的直流减速电机驱动，由于对角线一致原则，若两侧各使用一个电机驱动控制，则可能造成步态的冲突、干涉。故经过考虑使用一台伺服电机即可满足要求，并且这样做结构也显得比较轻巧。传动机构根据具体的要求转速和杆件尺寸可以确定，由于四根轴之间通过杆结构连接在一起，因此可以将所有的驱动力都加在一根轴上，其他的轴均是从动轴看，简化设计。具体机理是电机--减速装置--曲柄--摇杆--腿部构件四足步行实现。3四杆机构的设计3.1基础理论知识3.1.1曲柄存在条件在工程实际中，对机构提出了各种各样的运动要求，而能否满足这些要求取决于机构本身的属性。下面就曲柄摇杆机构的特性进行讨论和分析。我们都知道，曲柄存在的条件是:1.架杆或机架为最短杆；2.最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。若四杆机构中最短杆和最长杆之和大于其他两杆长度之和，则无曲柄存在，两连架杆均为摇杆。若最短杆为机架，则的双曲柄机构；若最短杆的任一相邻的构件为机架，则的曲柄摇杆机构；若取最短杆位机架，则得双摇杆机构。基于以上原则，最短杆与机架相连，并且满足长度关系可得曲柄摇杆机构。3.1.2急回运动特性和行程速比K当曲柄匀速转动时，摇杆作变速摆动，而且往复摆动的平均速度是不同的。若将平均速度小的行程作为工作行程（正行程），将平均速度大的行程作为非工作行程（反行程），那么，我们把曲柄摇杆机构这种正、反行程平均速度不等的特性称为急回特性。图5曲柄摇杆机构急回特性常用行程速比系数K（摇杆反、正行程平均速度之比）来度量。如图所示，曲柄顺时针匀速转动，摇杆左右摆动（顺时针为正行程，逆时针为反行程）。我们把摇杆处于两极限位置时连杆对应位置所夹的锐角称为极位夹角，用表示。根据行程速比系数的定义有：

①存在急回特性的条件是不等于零。②因为是锐角，即小于等于90°，故理论上K可以最大为3。但由于最小传动角的限制，实用中K小于等于1.4。对一些有急回特性要求的机械，常根据K值按式(2-2)算出角，再确定各杆尺寸。3.1.3压力角和传动角作用力和力作用点运动线速度方向之间所夹的锐角称为压力角，常用表示；压力角的余角称为传动角，常用表示。曲柄摇杆机构的传动角随曲柄的转动而变。传动角越大则机械效率越高，动力传动中一般要求传动角最小值应大于40°。因此设计曲柄摇杆机构时有必要检验值。那么，最小传动角在什么位置出现呢？分析如下：可以证明：若机架上A、D两点位于C'、C"连线的同一侧，则当=0°时，最小，有=；

机架上A、D两点位于C'、C"连线的两侧，则=180°时的最大(钝角)，有=180°-。不难看出，对于曲柄主动的曲柄摇杆机构，最小传动角就是连杆和摇杆所夹的最小锐角。3.2轨迹设计足部轨迹是指动物在行进的过程中，完成一个循环动作的足部所产生的运动轨迹。若以动物的身体为参考坐标系，则该运动轨迹应为以封闭曲线。而动物在行进的过程中，根据其所需完成的动作可分为支撑于跨越，故将其足部轨迹曲线分为支撑段和跨越段（如图6）。若将足部沿着既定轨迹循环一遍的时间称之为一个周期，那么我们将足部接触地面的时间称为支撑段；反之，若足部在空中运动的时间段称为跨越段。根据生物学上的定义，动物在行进时其腿部花在支撑段的时间要占到一半以上，目的是加强在行进过程中的稳定度。图6足部轨迹对于任一步行机器，其足部轨迹曲线是首要考虑的重要条件，因为它直接影响到不行机器对地面的适应能力以及行进时的稳定度。为此，从仿生学的角度给出足部理想轨迹的要求：1.轨迹曲线必须唯一封闭且不交叉的曲线，以避免产生无效的轨迹曲线；2.轨迹曲线中的支撑段曲线应为直线段，以避免机构的重心产生起伏；3.轨迹曲线的跨高尽量高，以提高机构跨越障碍的能力；4.轨迹曲线的跨距尽量远，以增加机构跨步的前进距离。3.3方案四杆机构的设计与计算3.3.1四杆尺寸经过参考众多的四杆机构设计的资料，最终认识到使用解析法来设计此次毕设来说难度太大，耗费时间太多。在这么短的时间内要完成这种设计只有使用作图法来进行设计工作。在长时间的尝试和作图之后最终的到了满足我需要的四杆机构的尺寸。参考图三上面的标注，尺寸如下:============500mm====177.5mm==392.5mm===317mm3.3.2最小传动角计算根据上述的传动角的计算方式，当曲柄AB转到机架AD重叠共线和拉直共线两位置时，即出现极值。比较两个位置的传动角，可得最小传动角。当机构运转时，其传动角的大小是变化的，为保证机构传动机构传动良好，设计时通常应该使最小传动角。但是在此次设计中，由于传动功率比较小，设计的最小传动角也能够满足使用要求。在曲柄摇杆机构中，当机构曲柄与连杆在一条直线上，出现了传动角的情况。这是传动力矩为0。因此，机构在此位置是，无论驱动力多大，也不能使曲柄转动，机构的此种位置称为死点位置。对于传动机构来说，机构有死点位置是不利的，应该采取措施使机构顺利通过死点位置。对于连续运转的机器，可以利用从动件的惯性来通过死点位置。而本设计采用两组机构组合起来，使左右两侧的机构的死点位置相互错开，因此本设计能够顺利的通过死点位置。如下图所示的车轮联动机构所示：图7车轮联动消除四点机构3.3.3步态分析经过使用作图法作出四杆机构的尺寸与轨迹曲线之后，得到前后腿机构的运动特性。使用的对角线一直原则，经过作图法计算，可以完全证明此次设计左前腿与右后腿轨迹完全一致，左后腿与右前腿轨迹完全一致，能够达到迈步要求左前腿右后腿轨迹线：图8左前腿右后腿步态左后腿与右前腿轨迹线：图10左后腿右前腿步态4传动机构设计4.1传动方案及电机选择经过作图法设计，求得主轴每旋转一周，前后跨距为875mm,经过计算选主轴转速为50r/min,此时机器人行走速度可得为：即可满足设计任务所需求。主轴旋转转速为50r/min.，据此可以选出所需直流减速伺服电机，经查阅资料，选取直流电机J110SZ(ZYT)-PX，减速比为60，输出轴转速为3000r/min，功率为2.47KW,能够满足需求。因此设计的传动路线如下：直流减速电机--同步带轮--主轴--连杆机构--机器人腿部.4.2同步带传动设计同步带传动的主要失效形式有承载绳疲劳拉断、打滑与跳齿、带齿的过度磨损。因此同步带传动设计计算准则是带在不打滑的情况下具有较高的抗拉强度，保证承载绳不被拉断。此外，在灰尘、杂质较多的工作条件下，应对带齿进行耐磨性计算。4.2.1确定计算功率的确定方法与普通V带相同，即式中为工况系数（参考机械设计表）取为1.0，P为传递的名义功率0.247KW，带入计算可得4.2.2选择同步带型号根据计算功率和小带轮转速，由机械设计参考图例选择带型为H性。根据标准同步带的带宽系列，有19.1、25.4、38.1、50.8、76.2五个系列，本次设计选择带宽为50.8mm,圆整为50mm.4.2.3确定带轮齿数、和带轮节圆直径、一般取小带轮齿数（参考机械设计表8-13）。当带速和安装尺寸允许时，应尽可能选得多些。大轮齿数,并取为整数。根据表上数据，，本次设计传动比为1:1，取.为同步带的基本参数，查机械设计表8-2知=12.7带入公式计算得4.2.4验算带速式中个符号单位同前。通常，XL、L型的；H型的；XH、XXH型的。将各数据带入公式计算的，远远满足于带速要求。4.2.5确定中心距和同步带节线长度及齿数按结构要求或按下式初定中心距：即取即可4.2.6作用在轴上的压力试中为皮带轮传递功率,单位为KW，V为带速,单位为m/s,的单位为N。代入计算可得.带轮的材料可根据使用要求和传递功率的大小采用钢、铸铁、粉末冶金或铸铝合金；传递功率小的高速带轮的材料可以采用工程塑料和尼龙。为了保证带与带轮轮齿的正确啮合，两者的节距和齿形角应相等。工作是为了防止同步带轮侧面脱落，在带轮不同侧面各装单挡圈或者轴肩定位。5主轴组件设计5.1主轴组件的总体布置对于机器中的一般转轴，主要应满足强度和机构的要求；对于刚度要求高的轴，主要应满足刚度的要求；对于一些高速机械的轴（如高速磨床主轴、汽轮机主轴等），要考虑满足振动稳定性的要求。在转轴设计中，其特点是不能首先通过精确计算确定轴的截面尺寸。因为转轴工作时，收弯矩和转矩联合作用，而弯矩又与轴上载荷的大小及轴上零件相互位置有关，所以当轴的结构尺寸未确定前，无法求出轴所受的弯矩。因此转轴设计时，开始只能按扭转强度或经验公式估算轴的直径，然后进行轴的结构设计，最后进行轴的强度验算。主轴组件通常由主轴，箱体，轴承和安装在主轴上的皮带轮及附件组成。经过仔细设计四足步行机器的工作特点和载荷分析，主轴组件的布置及机构形式可初步定为：图11主轴组件的布置图5.2主轴的结构设计四足步行机器的主轴在工作中主要受到的是扭转载荷和弯曲应力，同时受到中等程度得冲击载荷，对材料的要求既要有较高的强度，又要有高的塑性，同时还应有相当高的冲击韧性与疲劳强度。轴颈安装轴承和皮带轮处还要有一定的表面硬度，防止更换轴承和带轮是主轴受到磨损。主轴两端与外面曲柄杆件以固定铰链连接，轴端打出螺纹孔用轴端挡圈固定住曲柄。另外在主轴设计和制造中，应根据工艺条件提高主轴表面粗糙度，这样可以提高主轴的耐磨性，提高尺寸的稳定性，提高主轴的接触刚度，还可以提高主轴的疲劳强度。5.2.1主轴的材料和热处理选择轴的材料应该考虑下列因素：1.轴的强度、刚度及耐磨性；2.热处理方法；3.材料来源；4.材料加工工艺性；5.材料价格等。本次设计的主轴主要是受到扭转载荷，无特殊要求，因而选用调质处理的45刚。主轴的加工工序可设定为：下料——打中心孔——粗车——调质处理——精车——圆磨5.2.2初估轴径零件在轴上的布置方案确定后，可初步估算轴所需的最小直径（通常是轴端段），进而初步确定阶梯轴各段的直径、长度和配合类型。轴径的初步估算常用如下两种方法：按扭转强度初步估算轴径；按经验公式估算轴径。根据我所需要的功率和相关数据，初步的定出轴端段的轴径为。5.2.3轴的结构设计根据图10确定的轴上主要零件的布置图和轴的初步估算定出的轴径，进行轴的机构设计。轴上零件的轴向定位同步带轮的一段靠轴肩定位，另一端靠套筒定位，装拆、传力均较方便；两端轴承常用统一尺寸，以便于加工、安装和维修；为便于装拆轴承，轴承处轴肩不宜太高（其高度的最大值可从轴承标准中查得）。轴承一端使用套筒定位，另外一端使用套杯进行定位。（2）轴上零件的周向定位带轮与轴、轴端与曲柄端的周向定位均采用平键连接。根据轴的直径由有关设计手册查得带轮处键为C型平键,轴端和曲柄连接处使用普通平键A型，配合均为；滚动轴承内圈有轴的配合采用基孔制，轴的尺寸公差为。（3）确定各段轴径和长图12主轴的结构设计图定位轴肩高度按机械设计有关表格选取，非定位轴肩一般取1~2.5mm，所以对于所有的轴径，从轴端向右取对于轴长，取决于零件的宽度及它们的相对位置。从左端起，平键的长度为20mm,外端曲柄厚度为30mm,并且考虑到箱体厚度33mm以及箱体外垫片等因素，此段轴长定为52mm。按从左到右的顺序来看，段的轴上装轴承，角接触球轴承70000型，宽度为14mm,此段轴长为14mm。第三段轴为，此段轴装皮带轮。皮带轮宽度为50mm.再皮带轮左侧有挡圈定位，再加上一段套筒的长度为16mm，此段轴长为70mm。第四段轴为，主要是考虑到箱体的宽度问题以及强度问题，此段轴的长度为344mm。第五段是一段过渡轴，考虑到整个轴的结构设计，定位20mm。第六段、七段分别于左侧的第二段、第一段相对应，长度分别为14mm和52mm。（4）考虑轴的结构工艺性考虑轴的结构工艺性，在轴的左端于右端均制成倒角；两端装轴承处为磨削加工，留有砂轮越程槽；为便于加工，带轮、两端的键槽布置在同一母线上，并取同一截面尺寸。5.2.4轴的强度验算先作出轴的收力计算简图（即力学模型）如图13a示，取集中载荷作用于带轮及轴承的重点。（1）带轮上作用力的大小转矩先计算传递到带轮的功率,直流电机的功率为,而皮带轮传递效率为，由公式知：带轮直径为转速为由公式计算得圆周力式中为上步计算得到的转矩，为带轮的节圆直径为110mm。带入得到816.19N带轮传动没有径向力和轴向力。求轴承的支反力