四足步行机器人的结构设计及仿真

目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究的目的和意义 1
1.2 国内外关于四足步行机器人的发展现状 2
1.2.1 国外关于四足步行机器人的发展现状 2
1.2.2 国内关于四足步行机器人的发展现状 3
1.3 本设计的研究目标及完成的主要工作内容、预期结果 5
1.3.1 研究目标 5
1.3.2 设计完成的主要工作内容 5
1.3.3 本设计的预期结果 6
第2章 机器人的步态分析与方案确定 8
2.1 四足步行机器人的步态分析与规划 8
2.1.1 四足步行机器人的步态分析 8
2.1.2 四足步行机器人行走的步态规划 9
2.1.3 四足步行机器人转弯步态规划 9
2.2 四足机器人步行机构的原理设计 10
2.2.1 大腿连杆组的设计 10
2.2.2 小腿连杆组的设计 11
2.2.3 脚底面的设计 12
2.3 四足步行机器人总体方案的确定 13
2.3.1 设计的基本原则及目标要求 13
2.3.2 四足步行机器人的方案设计 13
2.3.3 设计方案的选择和确定 17
2.4 本章小结 19
第3章 四足步行机器人的结构设计 20
3.1 四足步行机器人腿部结构设计 20
3.2 四足步行机器人转弯结构设计 20
3.3四足步行机器人减震装置的应用 21
3.3.1 减振器的工作原理 21
3.3.2 减振器的工作原理图 22
3.4四足步行机器人整体结构方案 23
3.5 本章小结 24
第4章 重要机构部件的参数计算与校核 25
4.1 电机的计算与型号选取 25
4.2 直齿圆锥齿轮传动设计与强度校核 27
4.3 转弯机构传动轴的强度校核计算 30
4.3.1电机输出端转轴的强度校核 30
4.3.2传动轴的强度校核计算 34
4.4 轴承的寿命校核计算 37
4.4.1 电机输出端转轴轴承的寿命校核计算 37
4.4.2 转弯机构传动轴轴承的寿命校核计算 38
4.5转弯机构锥齿轮轴平键的校核计算 38
4.6转弯机构与腿部机体连接螺栓的校核计算 39
4.7本章小结 40
第5章 四足步行机器人的三维建模与运动仿真 41
5.1 概述 41
5.2 三维建模软件的介绍 41
5.3 三维建模工作的主要内容 42
5.4 本章小结 45
结论 46
参考文献 47
1.3 本设计的研究目标及完成的主要工作内容、预期结果
1.3.1 研究目标
本课题为主要用于在一定波形路面上行走的新型四足步行机器人的结构设计及仿真。首先应该对现有的四足步行机器人的运动原理和结构形式进行了解和分析，其次明确本次的设计任务，并采用合理的方法来完成四足步行机器人总体方案的设计。最后对机器人重要部位进行创新设计从而更好地满足机器人的功能要求。
首先，现在国内外研制的四足步行机器人的结构一般相对简单，但是控制系统复杂，并且研究静态步行的机器人较多，很少有对动态步行的研究。所以本设计的目的在于简化结构的同时也相应的简化控制系统的设计，增加该类步行机器人的功能多样性，使得其适应性更强，成本更低，更加适用于市场推广。
另外，本设计的一大特色是采用模块化设计思想。本设计中机器人的腿部结构可根据工况的变化而更换。比如，采用可在水平地面上的稳定行走的摩擦系数较大的轮式足结构；用连杆结构，可实现在多障碍场合进行轻松越障的行走工作，其实现形式就是在小腿部位换装不同结构的脚部结构。在本次设计中只采用一种结构，即通过设计一种合理的曲线来保证机器人行走时的腰部始终在同一水平线上的脚底形状。
1.3.2 设计完成的主要工作内容
1、四足步行机器人总体方案的确定与相关参数的确定
（1）对目前现有的四足步行机器人查阅了相关的资料，全面地了解国内外的发展现状。先初步对四足步行机器人的总体方案进行确定，其任务主要包括步行机器人的整体结构、转弯机构的部分结构及步行机构的部分结构的方案设计，并简单叙述了最佳方案选择的全过程。
（2）确定四足步行机器人总体方案的重要参数，主要包括机器人总体的结构尺寸、步行机构的尺寸、转弯机构的尺寸，各个驱动部分电机的选择，相关零部件参数的选择和校核计算等等；
2、四足步行机器人结构的设计
（1）总体结构的设计，规划本课题设计的步行机器人的行走及转弯步态，设计机器人四条腿的协调运动等等；
（2）步行机构的设计，主要包括传动装置、小腿部分结构的设计，阐述机构工作原理，确定传动方案；
（3）转弯机构的设计，主要包括转动机构传动装置的设计，阐述工作原理，确定传动方案。
3、四足步行机器人主要零部件的校核与相关零件和元器件的选择
（1）进行相关零部件和元器件的选择，包括电机选型、滚动轴承型号等；
（2）直齿圆锥齿轮的尺寸参数的确定和强度校核的计算；
（3）传动轴材料的选择、结构尺寸的设计及强度的校核计算；
（4）轴承强度的校核与寿命的计算；
（5）螺栓组强度和使用寿命的相关校核。
4、四足步行机器人的工程图绘制
按照机械制图的规范和要求来绘制四足步行机器人的总体装配图、步行机构的部件图和相关零件的零件图，用手工及计算机出图。
5、四足步行机器人的三维建模与仿真
通过三维模型的建立，可以避免机器人装配时存在的干涉和尺寸不合适等问题，并且做了运动动画，生动形象的了解该四足步行机器人运动过程。并与现有的同类步行机器人进行比较分析，从中找出本机器人的不足之处，并再次进行优化达到提高本机器人性能的目的，从而满足本设计所要求的目标，得到具备高灵活性、高效率的四足步行机器人的本体结构设计，从而实现小跑步态。
1.3.3 本设计的预期结果
本设计要求最终能够实现的预期目标主要是：确定总体方案，选择适合的电机型号，完成步行机器人的总体结构设计，使步行机构和转弯机构能够相互配合运动，从而让四足步行机器人实现小跑步态运动和避障等功能。
要求该四足机器人的步行机构能够实现机器人四条腿的协调运动，保证四条腿及转弯机构能够在抬起的时候不会使机器人整体倾覆，并要求在运动过程中始终保证机器人的相对稳定性。
四足步行机器人的四个步行机构分别采用一个电机驱动一个机械腿的形式是为了保证机器人在运动过程中控制更加方便可靠和使得相互之间耦合关系减弱而加上去的，该机器人每条腿的结构相似，四条腿之间相互配合运动，进而保证四足步行机器人相对稳定的运动。
本课题设计的四足步行机器人的脚部机构不仅要尽量保证在支撑时与地面始终接触，还要要求支撑腿在支撑过程中配合摆动腿进行蹬地运动，保证步行机器人在行走时的协调运动。