機(jī)械類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)-----步態(tài)機(jī)器人

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要……I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論3</b></p><p>　　1.1 課題的來源及研究的目的和意義3</p>&

2、lt;p>　　1.2 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析3</p><p>　　1.3 本文的主要研究內(nèi)容8</p><p>　　第2章 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.1 多運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人的工作原理9</p><p>　　2.2 工作要求及技術(shù)參數(shù)9</p><p>　　2.2.1 技術(shù)要求

3、9</p><p>　　2.2.2 技術(shù)參數(shù)9</p><p>　　2.3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10</p><p>　　2.3.1 傳動(dòng)方式10</p><p>　　2.3.2 主體結(jié)構(gòu)組成11</p><p>　　2.3.3 材料的選擇12</p><p>　　2.3.4 驅(qū)動(dòng)方式13

4、</p><p>　　2.3.5 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（足部）14</p><p>　　2.4 本章小結(jié)18</p><p>　　第3章 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.1 Pro/E簡介19</p><p>　　3.2 三維實(shí)體裝配22</p><p>　　3.2.1 三維實(shí)體裝配的基

5、本過程22</p><p>　　3.2.2 機(jī)器人的三維實(shí)體裝配23</p><p><b>　　3.3 小結(jié)27</b></p><p>　　第4章 運(yùn)動(dòng)方程與步態(tài)規(guī)劃28</p><p>　　4.1 多運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析28</p><p>　　4.1.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型28&l

6、t;/p><p>　　4.1.2 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)模型和運(yùn)動(dòng)方程28</p><p>　　4.1.3 串聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及其方程29</p><p>　　4.2 總體步態(tài)規(guī)劃31</p><p>　　4.2.1 步態(tài)術(shù)語31</p><p>　　4.2.2 穩(wěn)定性原32</p><p>　　4.2.3

7、 最佳步態(tài)33</p><p>　　4.3 本章小結(jié)36</p><p><b>　　結(jié)論37</b></p><p><b>　　致謝38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　附錄

8、41</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　課題的來源及研究的目的和意義</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，國際上移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的研究與開發(fā)速度明顯加快，同時(shí)人們也深刻地體會到移動(dòng)機(jī)器人的優(yōu)越性。如在核工業(yè)、化工行業(yè)代替工人進(jìn)行檢測、檢查等；在辦公室、醫(yī)院、賓館、家庭等從事服務(wù)；對

9、建筑、大型船體、罐體進(jìn)行清洗；在有毒環(huán)境下進(jìn)行自動(dòng)焊接作業(yè)；用于未知星球表面的探測等等。因此發(fā)達(dá)國家對移動(dòng)機(jī)器人的研究非常重視，其研究、開發(fā)、生產(chǎn)、銷售等所帶動(dòng)的行業(yè)已初步形成朝陽產(chǎn)業(yè)的雛形和態(tài)勢。同時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究涉及到先進(jìn)機(jī)構(gòu)（如仿生機(jī)構(gòu)、機(jī)器人機(jī)構(gòu)重構(gòu)等）、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、人工智能控制、先進(jìn)控制算法及理論、多傳感器融合技術(shù)、拓?fù)鋵W(xué)理論與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺等多交叉學(xué)科，對于移動(dòng)機(jī)器人的研究必將促進(jìn)各相關(guān)學(xué)科的發(fā)展[]

10、[][]。</p><p>　　國際上現(xiàn)有的移動(dòng)機(jī)器人一般都是足式或者輪式機(jī)器人。足式機(jī)器人有很好的運(yùn)動(dòng)靈活性，避障能力很強(qiáng)，但是現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)水平導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)速度普遍較低；輪式機(jī)器人有較高的運(yùn)動(dòng)速度，但是避障能力和非結(jié)構(gòu)環(huán)境下移動(dòng)性能不夠[]。而將開展的課題——多運(yùn)動(dòng)方式四足智能移動(dòng)機(jī)器人的研究能很好結(jié)合輪式機(jī)器人和足式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到良好的運(yùn)動(dòng)靈活性和較高的移動(dòng)速度，提供良好的應(yīng)用平臺。另外，我國目前在多足移動(dòng)機(jī)器

11、人領(lǐng)域的研究基本處于空白，而且研究工作沒有很好的連續(xù)性，因此，該課題的研究成功必將提升我國在該領(lǐng)域的國際競爭能力。</p><p>　　本課題主要的也是最直接的應(yīng)用領(lǐng)域是作為特種機(jī)器人平臺，由于具有靈活的運(yùn)動(dòng)方式和較高的運(yùn)動(dòng)速度，所以附加一定的功能裝置后可以涉足人類不宜的場所完成一些危險(xiǎn)任務(wù)，比如掃雷、探險(xiǎn)、排除核污染威脅等。此外，由于具有較強(qiáng)的環(huán)境識別能力和適應(yīng)能力，本課題還有一個(gè)潛在的重要應(yīng)用場所就是作為航天

12、探測機(jī)器人。</p><p>　　本課題來源于黑龍江省科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目。</p><p>　　國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人由于其靈活性、快速性，因此發(fā)達(dá)國家對移動(dòng)機(jī)器人的研究非常重視。國內(nèi)外就移動(dòng)機(jī)器人的控制算法、步態(tài)規(guī)劃都有深入地研究。下面就本課題研究的方向步態(tài)規(guī)劃，追溯一下國內(nèi)外的研究歷史、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢并加以分析。<

13、/p><p>　　因?yàn)闄C(jī)器人的仿生性，注定了步態(tài)的研究開始于對動(dòng)物的步態(tài)研究。步態(tài)規(guī)劃的研究最早來自于1872年，美國的動(dòng)物學(xué)家E.核帕瑞基（Huybridge）就使用拍攝動(dòng)物連續(xù)行走時(shí)各腿運(yùn)動(dòng)的連續(xù)照片來研究動(dòng)物的行走過程。1965年，M.漢丁勃瑞得（Hildobrand）用較先進(jìn)的照相機(jī)拍攝了四足動(dòng)物慢走、小跑、奔跑等不同運(yùn)動(dòng)情況下各腿運(yùn)動(dòng)的連續(xù)照片來研究四足動(dòng)物的慢走、小跑、奔跑的過程[]。1961年至1966

14、年南斯拉夫的R.特母維克（Tomovic）將有限狀態(tài)理論應(yīng)用到腿的行走運(yùn)動(dòng)過程中，認(rèn)為一條腿在某一時(shí)刻可處于支撐狀態(tài)和懸空狀態(tài)的其中一種步態(tài)[]。1968年R.B.麥吉（Meghee）系統(tǒng)的研究了以往的成果，用步態(tài)矩陣的方法來研究步態(tài)。同年，他又和A.A.弗蘭克（Frank）一起用步態(tài)公式和步態(tài)矩陣方法研究了四足直線行走爬行步態(tài)的穩(wěn)定性，并指出四足動(dòng)物和四足機(jī)器人的眾多步態(tài)中有一種穩(wěn)定性最好的步態(tài)就是對稱步態(tài)，并給出了這種步態(tài)的穩(wěn)定裕度

15、的數(shù)學(xué)表達(dá)式。1972年R.A.麥吉和A.K.驕恩（Jain）定義了另一種數(shù)學(xué)描述，他們用事件序列來描述步態(tài)，研究論文規(guī)則步態(tài)矩陣的一些性質(zhì)，給出了步態(tài)可實(shí)現(xiàn)</p><p>　　1995年西班牙P.Gonzalez De Santos and M.A.Jimwnezzai規(guī)劃了四足步行機(jī)器人的對稱規(guī)則步態(tài)[]。下圖1-1為該機(jī)器人一個(gè)周期內(nèi)的步態(tài)圖。首先軀體重心調(diào)整到1、2、3腿所組成的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)后邁4腿，接著

16、邁2腿。然后把軀體調(diào)整到1、2、4腿所組成的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)后邁3腿，接著邁1腿。</p><p>　　1989年北京航空航天大學(xué)的孫漢旭在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行了全方位水平行走和彎道行走的探討[]。2001年集美大學(xué)徐軼群對四足機(jī)器人的步態(tài)和穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了分析[]。如下圖1-2、圖1-3是中國集美大學(xué)徐軼群規(guī)劃出的四足運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖和一周期內(nèi)各腿相對機(jī)體的位置。</p><p>　　步態(tài)規(guī)劃首先遇到

17、的問題就是靜態(tài)穩(wěn)定，以上研究都是針對靜態(tài)穩(wěn)定進(jìn)行的。靜態(tài)規(guī)劃主要考慮的問題是移動(dòng)時(shí)重心應(yīng)落在其支撐面內(nèi)，主要思路是每單步結(jié)束時(shí)根據(jù)身體位姿調(diào)整重心，以便下一步移動(dòng)時(shí)能夠穩(wěn)定。靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)速度較慢,一般小于0.1m/s，但是直觀、容易控制、數(shù)學(xué)描述比較簡單。</p><p>　　隨著步態(tài)研究的深入和對速度及靈活性的要求，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定逐漸成為研究的主要對象。研究動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的方法以前主要是利用記錄人類行走的數(shù)據(jù)來進(jìn)行步態(tài)軌跡

18、合成和加平衡塊法，利用記錄人類行走的數(shù)據(jù)的方法是由日本在研究初期提出的[]。加平衡塊法是以通過調(diào)節(jié)平衡塊在兩個(gè)水平方向上的移動(dòng), 進(jìn)而控制機(jī)器人所受兩個(gè)水平方向慣性力的大小和方向得到期望的軌跡；再由軌跡規(guī)劃位姿。</p><p>　　下面圖 1-4是日本研制的CENTRUE機(jī)器人[]，此機(jī)器人是把身體作為平衡快來調(diào)節(jié)重心使其落在支撐區(qū)內(nèi)來達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制。軀體在上平臺上移動(dòng)，首先軀體調(diào)節(jié)到平臺的后端邁前腿，然后把

19、軀體調(diào)整到前端邁后腿。 </p><p>　　有時(shí)為了提高行走速度，非穩(wěn)定步態(tài)也常見于文獻(xiàn)。下圖1-5是上海交通大學(xué)的JTUWM---Ⅱ型機(jī)器人的行走過程[]。起始時(shí)對角線上兩擺動(dòng)腿1, 3 抬起向前擺動(dòng), 另兩條腿2, 4 支撐機(jī)體確保機(jī)器人原有重心位置在其支撐腿的對角線上（a）, 擺動(dòng)腿1，3向前跨步造成重心前移（b）, 此時(shí)機(jī)器人有摔倒趨勢. 支撐腿2, 4 一面支撐機(jī)體, 一面驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié),

20、使機(jī)體向前平移L/2 步長。此時(shí)機(jī)體重心已偏離對角線2, 4 中點(diǎn), 將至擺動(dòng)腿1, 3 的中點(diǎn)（c）。</p><p>　　九十年代以后國內(nèi)外對步態(tài)的研究主要是基于ZMP的規(guī)劃方法。1988年伍科布拉托維奇（M.Vukobratovic）給出了零力矩點(diǎn)ZMP的定義并給出零力矩點(diǎn)方程，從此開創(chuàng)了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定研究的新局面[]。</p><p>　　1994年日本學(xué)者Ahikiko在四足機(jī)器人的三

21、維補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)行走中（Three-dimensional Adaptive Dynamic Walking of a Quadruped Robot）論述了三維方向上的零力矩點(diǎn)的應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人平穩(wěn)的動(dòng)態(tài)行走。2001年日本學(xué)者 Ryo kurazume在基于前饋和反饋的四足移動(dòng)機(jī)器人疾走步態(tài)控制中（Feedforward and feedback dynamic trot gait control for quadruped wa

22、lking vehicle）中根據(jù)ZMP理論規(guī)劃了三維補(bǔ)償軌跡并從耗能的角度進(jìn)行了優(yōu)化[]。</p><p>　　這種規(guī)劃方法一般分為以下兩步:規(guī)劃出ZPM軌跡；規(guī)劃位姿。但由于耦合現(xiàn)象，使其規(guī)劃出精確的ZPNM軌跡非常困難，一般都進(jìn)行簡化，把機(jī)器人看作一個(gè)整體。首先由期望的ZMP軌跡先規(guī)劃出機(jī)器人重心運(yùn)動(dòng)參數(shù), 然后根據(jù)重心軌跡再規(guī)劃出機(jī)器人的行走姿態(tài)。步態(tài)規(guī)劃僅滿足平衡條件是不夠的, 實(shí)際軌跡的規(guī)劃需要精確地

23、規(guī)劃出ZMP的軌跡, 使形成的ZMP軌跡基本上落在支撐面的中間位置, 而且軌跡平滑、無尖點(diǎn), 以獲取足夠大的步行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定裕度, 保證擺動(dòng)和支撐狀態(tài)的平穩(wěn)過渡, 防止過渡時(shí)期運(yùn)動(dòng)軌跡、速度的突變和不連續(xù), 然而這一點(diǎn)也正是機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃的難點(diǎn)所在。所謂姿態(tài)的規(guī)劃, 是指機(jī)器人行走過程中其各組成部分運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃。比如說, 腳掌何時(shí)離開地面、擺動(dòng)相中整個(gè)腳掌在空中的軌跡、何時(shí)落地等等，一般來說姿態(tài)的規(guī)劃相對比較簡單。在這方面國內(nèi)的清華大學(xué)進(jìn)

24、行了深入的研究，圖1-6為研究的仿真結(jié)果。</p><p>　　圖1-7是日本東京大學(xué)研制TITAN-VIII機(jī)器人，此機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式為疾走。它對角線的雙腳同時(shí)離地，以達(dá)到其快速性。在線規(guī)劃出其ZMP軌跡，使其在支撐區(qū)內(nèi)，然后再規(guī)劃出位姿和各腿的軌跡。</p><p>　　圖1-8是2001年日本東京大學(xué)研制的TITAN-Ⅸ機(jī)器人的一個(gè)周期內(nèi)動(dòng)態(tài)行走過程。先規(guī)劃出邁腿軌跡，然后根據(jù)ZMP方

25、程求解出軀體的軌跡，該行走步態(tài)為對稱規(guī)則步態(tài)[]。</p><p>　　2001年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了一種基于地面反力的雙足機(jī)器人期望步態(tài)軌跡規(guī)劃方法。通過D’Alembert 定理推導(dǎo)出地面反力與機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。 結(jié)合ZMP（零力矩點(diǎn)） 穩(wěn)定性原則和其他物理性約束條件,給出了雙足機(jī)器人期望步態(tài)軌跡[]。該方案與傳統(tǒng)的雙足機(jī)器人步態(tài)軌跡生成方法不同之處是能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的行走,具有上體的運(yùn)動(dòng)范圍小,適用

26、于單、雙腳支撐期等優(yōu)點(diǎn)。其地面反力及力矩分配如圖1-9所示。</p><p><b>　　本文的主要研究內(nèi)容</b></p><p>　　1．對機(jī)器人進(jìn)行本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </p><p>　　本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括對其本體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，詳細(xì)論述了電機(jī)和傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算。</p><p><b&

27、gt;　　2．三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　通過對實(shí)體的分析和理解，利用Pro/E三維實(shí)體造型的方法，讓它更具有真實(shí)性，更容易理解它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。內(nèi)容主要是三維裝配過程。</p><p>　　3．運(yùn)動(dòng)分析和步態(tài)規(guī)劃 </p><p>　　運(yùn)動(dòng)分析包括建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、并聯(lián)運(yùn)動(dòng)模型和運(yùn)動(dòng)方程和串聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及其方程?？傮w步態(tài)規(guī)劃是整個(gè)步態(tài)規(guī)劃的基

28、礎(chǔ)，在本章在假定條件下證明平地穩(wěn)定行走的最佳步態(tài)并給出相應(yīng)的初始位姿。</p><p><b>　　機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　多運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人的工作原理</p><p>　　多運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人是有軀干和四條腿及其控制系統(tǒng)組成。每條腿又由小腿、大腿、髖關(guān)節(jié)三部分組成。髖關(guān)節(jié)和軀體間有一轉(zhuǎn)動(dòng)副約束，它能使腿能繞軀體前后轉(zhuǎn)動(dòng)，大腿

29、和髖關(guān)節(jié)之間、小腿和大腿之間各有一轉(zhuǎn)動(dòng)副，使得腿能夠抬起和放下，所以四個(gè)腿共有十二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。另外兩前腿足端裝有輪子以便能夠在平坦路面上滾動(dòng)。本機(jī)器人可以在足式移動(dòng)方式和輪式移動(dòng)方式之間進(jìn)行切換，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的多種運(yùn)動(dòng)方式。這樣就可以代替人類來運(yùn)輸、搬運(yùn)一些重的物品。其工作原理見圖2-1。</p><p><b>　　工作要求及技術(shù)參數(shù)</b></p><p><

30、b>　　技術(shù)要求</b></p><p>　　1. 機(jī)器人的重量有嚴(yán)格的要求，單個(gè)重量<110Kg，而負(fù)載很大，在國內(nèi)外同類型的多運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人在該負(fù)載下重量一般在250kg以上。</p><p>　　2. 危險(xiǎn)環(huán)境下（如在煤窯運(yùn)輸，探險(xiǎn)，星球考擦等），惡劣條件(如山路)下。</p><p><b>　　技術(shù)參數(shù)</b>

31、</p><p>　　自由度數(shù)：每條腿有3個(gè)，共有12個(gè)。</p><p>　　坐標(biāo)形式：垂直關(guān)節(jié)型</p><p><b>　　額定負(fù)荷：15kg</b></p><p>　　本體體重：<110Kg</p><p><b>　　主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p>

32、<p>　　多運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問題是選擇連桿和運(yùn)動(dòng)副組成的坐標(biāo)形式。最廣泛使用的機(jī)器人坐標(biāo)形式有：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式（包括平面坐標(biāo)式）。</p><p>　?。?）坐標(biāo)型 三個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向互相垂直，其控制方案和數(shù)控機(jī)床相似。這一結(jié)構(gòu)各軸線位移分辨率在操作空間內(nèi)任意點(diǎn)上均為恒定，但是操作靈活性較差。</p><p>　?。?）圓柱坐標(biāo)

33、型 在水平轉(zhuǎn)臺上裝有立柱，水平臂可沿立柱做上下運(yùn)動(dòng)并可在水平方向伸縮。這種結(jié)果優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作過程中負(fù)荷變動(dòng)少，容易控制，缺點(diǎn)是動(dòng)作區(qū)域狹窄。</p><p>　?。?）球坐標(biāo)型 和圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)更為靈活，占地面積小，工作空間大，但是移動(dòng)關(guān)節(jié)不易防護(hù)。</p><p>　?。?）關(guān)節(jié)型 這類機(jī)器人由兩個(gè)肩關(guān)節(jié)和一個(gè)軸關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由兩個(gè)或三個(gè)腕關(guān)節(jié)定向。其中一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)

34、，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰，這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線。這種結(jié)構(gòu)動(dòng)作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，手爪可獲得較高的線速度。目前中小型機(jī)器人多采用這種結(jié)構(gòu)。</p><p>　　此多運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人要求具有結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作靈活，工作空間大等特點(diǎn)，所以選擇關(guān)節(jié)型坐標(biāo)。</p><p><b>　　傳動(dòng)方式</b><

35、;/p><p>　　傳動(dòng)方式是指驅(qū)動(dòng)源及傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動(dòng)方式?；镜倪B接形式和驅(qū)動(dòng)方式有如下幾種：</p><p>　?。?）直接連接傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源或帶有機(jī)械傳動(dòng)裝置直接與關(guān)節(jié)相連。</p><p>　?。?）遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源通過遠(yuǎn)距離機(jī)械傳動(dòng)后與關(guān)節(jié)相連。</p><p>　　（3）間接驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源經(jīng)一個(gè)速比遠(yuǎn)大于1的機(jī)械

36、傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)相連。</p><p>　?。?）直接傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個(gè)速比等于1的機(jī)械傳動(dòng)這樣的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相連。</p><p>　　本設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)器人的技術(shù)要求，選擇了間接傳動(dòng)的傳動(dòng)方式和遠(yuǎn)距離機(jī)械傳動(dòng)方式，各運(yùn)動(dòng)部件傳動(dòng)方式如下圖2-2所示。</p><p>　　間接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和關(guān)節(jié)之間有一個(gè)速比遠(yuǎn)大于1的機(jī)械傳動(dòng)裝置。使用機(jī)械傳動(dòng)

37、裝置的理由是：</p><p>　?。?）多運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人與其他機(jī)械設(shè)備相比，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的速度不高，而驅(qū)動(dòng)力矩要求比較大。一般電機(jī)滿足不了要求，所以需要采用速比較大、傳動(dòng)效率較高的機(jī)械傳動(dòng)裝置作為電機(jī)和關(guān)節(jié)之間傳遞力矩和速度的中間環(huán)節(jié)。 </p><p>　?。?）直接驅(qū)動(dòng)對載荷變化十分敏感。</p><p>　?。?）采用機(jī)械傳動(dòng)裝置后，可選用高速低轉(zhuǎn)矩電機(jī)，對制動(dòng)

38、器設(shè)計(jì)和選用十分有利，制動(dòng)器尺寸小。</p><p>　?。?）可以通過機(jī)械傳動(dòng)裝置解決可能出現(xiàn)的傾斜軸之間、平行軸之間與以及轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　主體結(jié)構(gòu)組成</b></p><p>　　多運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人的主體組成如圖2-3所示。</p><p><b>　　材料的選擇<

39、;/b></p><p>　　結(jié)構(gòu)件材料選擇是工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要問題之一。正確選材不僅可以降低成本價(jià)格，更重要的是可適應(yīng)機(jī)器人的高速化、高載荷化及高精度化，滿足其靜力及動(dòng)力特性要求。</p><p>　　與一般機(jī)械設(shè)備相比，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是十分重要的，這是選材的出發(fā)點(diǎn)。材料選擇的基本要求是：</p><p>　?。?）強(qiáng)度高 機(jī)器人的腿是直

40、接受力的構(gòu)件，高強(qiáng)度材料不僅能滿足機(jī)器人腿的強(qiáng)度條件，還可望減少腿的截面尺寸，減輕重量。</p><p>　　（2）彈性模量大 構(gòu)件剛度與材料的彈性模量E，G有關(guān)，彈性模量越大，變形量越少，剛度越大。不同材料的彈性模量差異較大，而同一種差別不大。</p><p>　?。?）重量輕 在機(jī)器人手臂變形很大部分是自身重力產(chǎn)生的，與構(gòu)件質(zhì)量有關(guān)。也就是說為提高剛度選用彈性模量E較大而密度ρ也大

41、的材料是不合理的。因此，可用E/ρ指標(biāo)來衡量。表2-1列出了幾種材料的E/ρ值。</p><p>　?。?）阻尼大 由于構(gòu)件會產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，因而會產(chǎn)生振動(dòng)，為提高定位精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性，需要材料的阻尼大。</p><p>　　（5）材料價(jià)格低 材料價(jià)格越低，機(jī)器人經(jīng)濟(jì)性越高。</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)方式</b></p

42、><p>　　驅(qū)動(dòng)部分是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式可分為以下幾類:</p><p>　　氣壓驅(qū)動(dòng) 使用壓力通常在0.4～0.6Mpa，最高可達(dá)1Mpa。氣壓驅(qū)動(dòng)主要優(yōu)點(diǎn)是氣源方便（一般工廠都由壓縮空氣站供應(yīng)壓縮空氣），驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣的環(huán)境中工作。氣壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時(shí)由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器人在任意定位

43、時(shí)，位姿精度不高。適用于易燃、易爆和灰塵大的場合。</p><p>　　液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用2～15Mpa的油液驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，體積較氣壓驅(qū)動(dòng)小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速比較簡單，能在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。用電液伺服控制液體流量和運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，可以使機(jī)器人的軌跡重復(fù)性提高。液壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境。液壓驅(qū)動(dòng)多用于要求輸出力

44、較大，運(yùn)動(dòng)速度較低的場合。</p><p>　　電氣驅(qū)動(dòng) 電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。由于電氣驅(qū)動(dòng)具有易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，使用方便，信號監(jiān)測、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，電氣驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為最普遍、應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式，90年代后生產(chǎn)的機(jī)器人大多數(shù)采用這種驅(qū)動(dòng)方式。</p

45、><p>　　由于本論文所設(shè)計(jì)的多運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)負(fù)載較大，要求結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，所以選用了電氣驅(qū)動(dòng)方式。如圖2-2所示有腿驅(qū)動(dòng)和各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方案。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置為直流電機(jī)，它通過電機(jī)軸和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)配合，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到關(guān)節(jié)，減小了功率損耗。選用了電氣驅(qū)動(dòng)方式，使得整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，適合于本機(jī)器人。</p><p><b>　　1. 選擇電機(jī)類型

46、</b></p><p>　　電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩類。常用的交流電動(dòng)機(jī)由三相異步電動(dòng)機(jī)（或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）和同步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)容易，運(yùn)行可靠，價(jià)格便宜，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，因此，它是工業(yè)中使用的最為廣泛的一種電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)雖不及交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠，但由于長期以來交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問題未能得到滿意的解決，在此之前，直流電動(dòng)機(jī)具有交流電動(dòng)機(jī)不

47、能比擬的良好的啟動(dòng)性能。到目前為止，雖然交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問題已經(jīng)得到解決，但是在速度調(diào)節(jié)要求較高，正、反轉(zhuǎn)和啟、制動(dòng)頻繁或多單元同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械上，仍采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，機(jī)器人末端的最大負(fù)載為10kg，作用點(diǎn)距第一軸等校距離400mm。下面結(jié)合各軸所受的外力力矩以及自身的等效慣量來大致估算出各個(gè)軸處電機(jī)所需要的扭矩和電機(jī)功率，以此來選擇電機(jī)。由于機(jī)器人在完全伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)，其繞

48、自身軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，因此在計(jì)算中使用的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為該狀態(tài)下的值。</p><p>　?。?） 二軸和三軸電機(jī)相同</p><p>　　等效重量： 4.5Kg；</p><p>　　等效慣量：0.3274 kg.m2；</p><p>　　外力力矩 ：10Kg×400mm=40N.m；自身：4.5×20mm =0.9N.m

49、；</p><p>　　齒帶傳動(dòng)： 減速比：2.5；傳動(dòng)效率：90%；</p><p>　　加速度：≤1rad/s2；</p><p>　　運(yùn)動(dòng)所需力矩：τ==40.9N.m/(50%×400)=0.2045N.m； </p><p>　　確定電機(jī)型號：SGMAH A5A1A4E AC200V 16比特絕對值編碼器，帶油封，平

50、直，帶鍵，DC24V制動(dòng)，輸出功率0.05KW，額定輸出轉(zhuǎn)矩0.22N.m，瞬間最大輸出轉(zhuǎn)矩為：0.477N.m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：2.2×kg.，重量0.4kg； </p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)速：3000rpm；</p><p>　　額定輸出轉(zhuǎn)速：3000rpm/400=7.5rpm（45°/s）。</p><p>　?。?）一軸和四軸電機(jī)相同<

51、/p><p>　　等效重量14.5Kg </p><p>　　等效慣量：0.15kg. </p><p>　　外力力矩：當(dāng)工具垂直于軸線時(shí)最大：10Kg×400mm=40N.m；</p><p>　　蝸輪蝸桿傳動(dòng)：傳動(dòng)比150；傳動(dòng)效率80%~90%； </p><p>　　加速度：≤1rad/s2；</p

52、><p>　　運(yùn)動(dòng)所需力矩：τ= =0.2963N.m；</p><p>　　確定電機(jī)型號：SGMAH 01AAA4E AC200V 16比特絕對值編碼器，帶油封，平直，帶鍵，DC24V制動(dòng)，輸出功率0.1KW，額定輸出轉(zhuǎn)0.318 N.m瞬間最大輸出轉(zhuǎn)矩0.955 N.m,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：3.64×kg.，重量為0.5kg；</p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)速：3

53、000rpm；</p><p>　　額定輸出轉(zhuǎn)速：3000rpm/120=25 rpm（150°/s）。</p><p><b>　　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（足部）</b></p><p>　　足部驅(qū)動(dòng)部分的輸出軸為水平軸，機(jī)構(gòu)部分的關(guān)節(jié)軸為水平軸，傳遞此運(yùn)動(dòng)可選擇圓錐齒輪傳動(dòng)或者蝸輪蝸桿傳動(dòng)。考慮蝸輪蝸桿傳動(dòng)的效率過低，故本設(shè)計(jì)選擇標(biāo)準(zhǔn)圓錐齒輪傳

54、動(dòng)。</p><p>　　圓錐齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算</p><p><b>　　1．設(shè)計(jì)參數(shù)</b></p><p>　　選取標(biāo)準(zhǔn)圓錐齒輪傳動(dòng)：</p><p><b>　　傳動(dòng)比u=1：1，</b></p><p><b>　　軸交角=90度，</b>&l

55、t;/p><p>　　最大傳遞扭矩=300(N.m)，</p><p>　　轉(zhuǎn)速n=7.5rpm</p><p><b>　　試取齒數(shù)=25</b></p><p>　　齒數(shù)比u、錐距R、分度圓直徑、平均分度圓直徑、當(dāng)量齒數(shù)的分度圓直徑之間的關(guān)系分別為：</p><p>　　u====

56、 （2-1）</p><p>　　R= （2-2）</p><p>　　===1-0.5 （2-3）</p><p>　　(=，齒寬系數(shù)取=)</p><p><b>　　平均分度圓直徑： </b></p><p>　　=d(1-0

57、.5) （2-4）</p><p>　　當(dāng)量直齒圓柱齒輪的分度圓半徑：</p><p>　　= （2-5）</p><p><b>　　當(dāng)量齒數(shù):</b></p><p>　　=== (:平均模數(shù)) （2-

58、7）</p><p>　　== （2-8）</p><p>　　=(1-0.5) (:大端模數(shù)) （2-9）</p><p><b>　　2. 輪齒受力分析</b></p><p><b>　?。?-11）</b>&l

59、t;/p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　?。?-13）</b></p><p><b>　　（2-14）</b></p><p><b>　?。?-15）</b></p><p><b>

60、　?。悍ㄏ蜉d荷</b></p><p>　　：切與分度圓錐面的周向分力</p><p>　?。捍怪迸c分度圓錐母線的分力</p><p><b>　　：的徑向力</b></p><p><b>　?。旱妮S向力</b></p><p>　　式中與及與大小相等，方向相

61、反。</p><p>　　3. 齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　?。狠d荷系數(shù) </b></p><p>　　：使用系數(shù)，=1.00</p><p>　?。簞?dòng)載荷系數(shù)，=1.00</p><p

62、>　　齒間載荷分配系數(shù)取1</p><p><b>　　齒向載荷分布系數(shù)：</b></p><p>　　（：軸承系數(shù) 取=1.25 ）</p><p>　　即： </p><p><b>　　K=1.875</b></p><p>　　查表可

63、得齒形系數(shù)及分別為2.544、1.613</p><p>　　引入式： </p><p><b>　　b=R=m</b></p><p>　　將以上數(shù)據(jù)代入下式：</p><p>　　mm （2-17）</p><p>　　由式（2.13）得：</p><p

64、><b>　　1.87mm</b></p><p>　　取 m = 2 mm</p><p>　　4. 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算</p><p>　　選取=的直齒圓錐齒輪，</p><p>　　Mpa （2-18）</p><p><b>　　MPa </b>

65、</p><p>　　由式（2.14）可得</p><p>　　mm （2-19）</p><p>　　將各參數(shù)代如式（2.15）得： </p><p><b>　　mm</b></p><p><b>　　取=60mm</b></p&g

66、t;<p><b>　　5. 結(jié)論</b></p><p>　　綜上所述，應(yīng)選取模數(shù)m=2mm，齒數(shù)25，傳動(dòng)比1：1的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪，其機(jī)構(gòu)幾何尺寸如下：</p><p>　　表2-2 圓錐齒輪參數(shù)</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章根據(jù)多運(yùn)動(dòng)

67、方式機(jī)器人的工作要求，對其本體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，詳細(xì)論述了電機(jī)和傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算。并對材料的選擇進(jìn)行了論述。</p><p><b>　　三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　Pro/E簡介</b></p><p>　　Pro/E是美國參數(shù)技術(shù)公司PTC推出的新一代CAD/CAM/CAE

68、軟件，它具有基于特征、全參數(shù)、全相關(guān)和單一數(shù)據(jù)庫等特點(diǎn)。自推出以來，由于其強(qiáng)大的功能，很快得到業(yè)內(nèi)人士的普遍歡迎，并迅速成為當(dāng)今世界最為流行的CAD軟件之一。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化，PTC公司于世紀(jì)末又成功推出了i-系列產(chǎn)品。在i-系列產(chǎn)品中，PTC引入了新的建模技術(shù)—行為建模技術(shù)，此技術(shù)現(xiàn)已成為Pro/E的核心技術(shù)。另外，由于其的微機(jī)版本的推出和操作界面的完全視窗化，使初學(xué)者學(xué)習(xí)更為便利。目前Pro/E已成為易學(xué)易用的百萬級CAD

69、/CAM/CAE應(yīng)用軟件，并風(fēng)靡歐美和日本等地區(qū)。在中國，自20世紀(jì)90年代以來，許多大型企業(yè)都開始選用Pro/E，發(fā)展至今已形成相當(dāng)規(guī)模的用戶群。同時(shí)，國內(nèi)許多大學(xué)也紛紛選用Pro/E作為其教學(xué)和研究開發(fā)的基礎(chǔ)軟件平臺。</p><p>　　參數(shù)化實(shí)體造型技術(shù)是Pro/E系統(tǒng)的核心技術(shù)，其主要特點(diǎn)如下。</p><p>　?。?）基于特征：將某些具有代表性的實(shí)體幾何形狀定義為特征，并將其

70、所有尺寸存為可變參數(shù)，以此為基礎(chǔ)來進(jìn)行更為復(fù)雜的幾何形體的構(gòu)造。</p><p>　　（2）全尺寸約束：將形狀和尺寸聯(lián)合起來考慮，通過尺寸約束實(shí)現(xiàn)對幾何形狀的控制。造型必須以完整的尺寸參數(shù)為出發(fā)點(diǎn)（全約束），不能漏標(biāo)尺寸（欠約束），不能多標(biāo)尺寸（過約束）。</p><p>　?。?）尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改：通過編輯尺寸數(shù)值來驅(qū)動(dòng)幾何形狀的改變。</p><p>　　（4）

71、全數(shù)據(jù)相關(guān)：尺寸參數(shù)的修改導(dǎo)致其他相關(guān)模塊的相關(guān)尺寸得以全盤更新。采用參數(shù)化技術(shù)的好處在于它徹底改變了自由建模的無約束狀態(tài)，幾何形狀均以尺寸的形式而被有效控制。如打算修改零件形狀時(shí)，只需編輯一下尺寸的數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)形狀的改變。尺寸驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為大改進(jìn)造型系統(tǒng)的基本功能，無此功能的造型系統(tǒng)已不復(fù)存在。</p><p>　　Pro/E與傳統(tǒng)的僅提供繪圖工具的CAD系統(tǒng)有著極大的不同，它提供了一個(gè)完整的機(jī)械產(chǎn)品解決方案，包

72、括工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、加工制造、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理，甚至包括產(chǎn)品生命周期的管理。圖3-1是Pro/E功能簡圖?？梢哉fPro/E為業(yè)界專業(yè)人士提供了一個(gè)理想的設(shè)計(jì)環(huán)境，使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期大為縮短，有力推動(dòng)了企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。</p><p>　　Pro/E是建立在單一數(shù)據(jù)庫上的大型CAD/CAM/CAE軟件，它不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中

73、的數(shù)據(jù)全部來自一個(gè)數(shù)據(jù)庫，使得多個(gè)獨(dú)立用戶可以同時(shí)為同一個(gè)產(chǎn)品的造型而工作。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中任何一處發(fā)生參數(shù)改動(dòng)，可以反應(yīng)至整個(gè)設(shè)計(jì)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)，此種功能成為全相關(guān)。舉例來說，如果二維工程圖有改變，零件的三維模型會相應(yīng)改變，NC加工路徑也會自動(dòng)更新。單一數(shù)據(jù)庫技術(shù)和全相關(guān)功能，為并行工程的實(shí)施提供了一個(gè)很好的軟件平臺。</p><p>　　Pro/E版本更新較快，最新的Pro/E2001除界面環(huán)境有所變

74、化外，其功能也隨之增加。在特征繪制方面，Pro/E2001導(dǎo)入了所謂設(shè)計(jì)意圖管理器（Intent Manager）功能。在繪制草圖時(shí)，系統(tǒng)將會自動(dòng)加入約束條件并標(biāo)注尺寸，用戶也可自己定義幾何約束條件，使幾何關(guān)系滿足自己的實(shí)際要求。同時(shí)新系統(tǒng)提供完整的自上而下的實(shí)際程序（Top-Down），讓用戶能夠方便掌握由設(shè)計(jì)到制造的完整程序。另外更為重要的一點(diǎn)便是行為建模技術(shù)的引入。</p><p>　　行為建模是這樣一種技

75、術(shù)：它在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，綜合考慮產(chǎn)品所要求的功能行為、設(shè)計(jì)背景和幾何圖形。它采用知識捕捉和迭代求解的智能化方法，使工程師可以面對不斷變化的要求，追求高度創(chuàng)新的、能滿足行為和完善性要求的設(shè)計(jì)。</p><p>　　行為建模技術(shù)的強(qiáng)大功能體現(xiàn)在3個(gè)方面：智能模型、目標(biāo)驅(qū)動(dòng)式設(shè)計(jì)工具和一個(gè)開放式可擴(kuò)展的環(huán)境。</p><p>　?。?）智能模型——能捕捉設(shè)計(jì)和過程信息以及定義以一件名品所需要的各種工

76、程規(guī)范。它是一些智能設(shè)計(jì)，提供了一組遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)核心幾何特征范圍的自適應(yīng)過程特征，這些特征有兩個(gè)不同的類型：一個(gè)是應(yīng)用特征，它封裝了產(chǎn)品和過程信息；另一個(gè)是行為特征，它包括工程和功能規(guī)范。自適應(yīng)過程特征提供了大量信息，進(jìn)一步詳細(xì)確定了設(shè)計(jì)意圖，是產(chǎn)品模型的一個(gè)完整部分，它們使得智能模型具有高度靈活性，從而對環(huán)境的變化反應(yīng)迅速。</p><p>　?。?）目標(biāo)驅(qū)動(dòng)式設(shè)計(jì)─—能優(yōu)化每件產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以滿足使用自適應(yīng)過程特

77、征從智能模型中捕捉的多個(gè)目標(biāo)和不斷變化的市場需求。同時(shí)，它還能解決互相沖突的目標(biāo)問題，而采用傳統(tǒng)的方法不可能完成這一工作。由于規(guī)范是智能模型特征中所固有的，所以模型一旦被修改，工程師就能快速和簡單地重新生成和重新校驗(yàn)是否符合規(guī)范，所以工程師可以集中精力設(shè)計(jì)更高性能、更多功能的產(chǎn)品。在保證解決方案能滿足基本設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提下，工程師能夠自由發(fā)揮創(chuàng)造力和專業(yè)技能，改進(jìn)設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）開放式可擴(kuò)展環(huán)境—

78、—開放式可擴(kuò)展環(huán)境是行為建模技術(shù)的第三大支柱，它提供無縫工業(yè)設(shè)計(jì)工程，能保證產(chǎn)品不會丟失設(shè)計(jì)意圖，并避免了繁瑣。為了盡可能發(fā)揮行為建模方法的優(yōu)勢，在允許工程師充分利用企業(yè)現(xiàn)有外部系統(tǒng)、應(yīng)用程序、信息和過程的地方，都要應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。這些外部資源對滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的過程很有幫助，并能返回結(jié)果，這樣它們就能成為最終設(shè)計(jì)的一部分。一個(gè)開放式可擴(kuò)展環(huán)境通過在整個(gè)獨(dú)特的工程中提供連貫性，從而增強(qiáng)設(shè)計(jì)的靈活性，并生成更可靠的設(shè)計(jì)[7]。</p>

79、;<p>　　Pro/E有很多功能模塊，且功能強(qiáng)大，下面將分別介紹它的幾種功能模塊。</p><p>　　1. Pro/E的基本模塊</p><p>　　該模塊包括下列的功能：</p><p>　?。?）基于參數(shù)化的特征零件設(shè)計(jì)</p><p>　　（2）基本裝配功能鈑金設(shè)計(jì)</p><p>　?。?）工

80、程圖設(shè)計(jì)及二維圖說明</p><p>　?。?）自動(dòng)生成相關(guān)圖紙說明繪制（中文）</p><p>　　（5）照片及效果圖生成</p><p>　?。?）焊接模型建立及文本生成</p><p>　　（7）Web超文本鏈接及VRML/HTML格式輸出</p><p><b>　?。?）標(biāo)準(zhǔn)件庫</b>

81、</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)大的建模能力，開放、柔性獨(dú)立，用戶易于快速實(shí)施。</p><p>　　2. 運(yùn)動(dòng)仿真模塊</p><p>　　該模塊包括下列功能：</p><p>　?。?）Pro/M機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能的仿真。</p><p>　?。?）運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析</p><p>　　（3

82、）凸輪，滑槽，摩擦，彈簧，沖擊，分析與模擬。</p><p>　?。?）干涉與沖突檢查。</p><p>　?。?）載荷與反作用力。</p><p>　?。?）參數(shù)優(yōu)化結(jié)果研究。</p><p>　　（7）全相關(guān)H單元FEA結(jié)算器。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：盡早對設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析與改進(jìn)，共設(shè)計(jì)人員與專業(yè)分析人員使用，

83、減少實(shí)物樣機(jī)成本，可不斷升級企業(yè)解決方案。</p><p>　　3. 復(fù)雜產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)工具</p><p>　　該模塊包括下列功能：</p><p>　?。?）將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及任務(wù)傳遞給不同模塊設(shè)計(jì)隊(duì)伍強(qiáng)大工具。</p><p>　　（2）大裝配的操作即可視化能力。</p><p><b>　?。?）裝配流程

84、。</b></p><p>　?。?）定義及文本生成。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：由上層管理裝配設(shè)計(jì)，對大型、復(fù)雜裝配設(shè)計(jì)進(jìn)行快書檢查及信息交流，捕捉并發(fā)布裝配流程信息。</p><p>　　此外，Pro/E還包括以下功能模塊：</p><p>　　4. 工業(yè)外觀造型強(qiáng)有力工具 5. 復(fù)雜零件的曲面設(shè)計(jì)工具<

85、;/p><p>　　6. 機(jī)構(gòu)強(qiáng)度仿真模塊 7. 疲勞分析工具</p><p>　　8. 塑料流動(dòng)分析工具 9. 熱分析工具</p><p>　　10. 公差分析及優(yōu)化工具 11.基本數(shù)控編程包</p><p>　　12. 多軸數(shù)控編程包

86、 13. 通用數(shù)控后處理</p><p>　　14. 數(shù)控鈑金加工編程 15. NC仿真及優(yōu)化</p><p>　　16. 模具設(shè)計(jì) 17. 二次開發(fā)工具包</p><p><b>　　三維實(shí)體裝配</b></p><p>　　三維實(shí)體裝配的基

87、本過程</p><p><b>　　1. 選取新建命令</b></p><p>　　在工具欄中單擊新建文件圖標(biāo) 。</p><p>　　2. 選取文件類型、子類型、輸入文件名、取消使用裝配默認(rèn)模版</p><p>　　在彈出的文件“新增”對話框中，進(jìn)行下列操作：</p><p>　?。?）

88、選擇“類型”選項(xiàng)組下的；</p><p>　?。?）選擇“子類型”選項(xiàng)下的 ；</p><p>　　（3）在“名字”問本框中輸入文件名up20motorman.asm；</p><p>　?。?）通過取消的“√”號，來取消“使用默認(rèn)模版” ； </p><p>　　（5）單擊“確定” 。</p><p>&

89、lt;b>　　3. 選取裝配模版</b></p><p>　　在系統(tǒng)彈出的“新文件選項(xiàng)”對話框的“模版”中選取“mmns_asm_design”模版。單擊“確定” ，系統(tǒng)進(jìn)入裝配模式環(huán)境。</p><p>　　機(jī)器人的三維實(shí)體裝配</p><p><b>　　機(jī)器腿的裝配</b></p><p>　　1

90、. 引入第一個(gè)零件：齒輪</p><p>　　在“菜單管理器”的“組件”中，單擊“元件” ，再在“元件”菜單中選擇“裝配” 。這時(shí)系統(tǒng)彈出文件“打開”對話框，選取齒輪模型文件chilun .part，單擊“打開”。</p><p>　　2. 完全約束放置第一個(gè)零件</p><p>　　完成上步操作后，系統(tǒng)彈出 “元件放置”對話框。單擊圖標(biāo) ，將其固定放置，此時(shí)

91、“放置狀態(tài)”選項(xiàng)組顯示的信息為“完整約束”。然后單擊“確定”。</p><p>　　3. 取第二個(gè)零件：一軸</p><p>　　按照圖3-2所示裝配一軸和齒輪：步驟如下（1）定義插入約束。（2）定義匹配約束，最后單擊“確定”完成軸的裝配。</p><p>　　4. 取第三個(gè)零件：軀干和第一節(jié)組件連接板</p><p>　　步驟如下（1）定義

92、插入約束。（2）定義匹配約束，最后單擊“確定”完成連接板的裝配如圖3-3所示。</p><p>　　5. 取第一腿節(jié)組件</p><p>　　按照圖3-4所示：（1）定義插入約束。（2）定義匹配約束，最后單擊“確定”完成軸與第一腿節(jié)組件的裝配。</p><p><b>　　6. 取第二腿組件</b></p><p>　　

93、按照圖3-5所示完成裝配。步驟如下（1）定義插入約束。（2）定義匹配約束，最后單擊“確定”完成裝配。</p><p>　　7. 取蝸桿和電機(jī)組件</p><p>　　按照圖3-6所示完成蝸桿和電機(jī)組件與第二腿節(jié)的連接，步驟如上。</p><p>　　8. 取第三腿兩隔板</p><p>　　按照圖3-7所示完成和第三軸的連接，步驟如上。<

94、;/p><p><b>　　9. 取電機(jī)組件</b></p><p>　　按照圖3-8所示完成于兩隔板的連接，此連接有螺釘固定連接。</p><p>　　10. 取驅(qū)動(dòng)錐齒輪</p><p>　　按照圖3-9所示完成電機(jī)和錐齒輪的裝配。</p><p><b>　　11. 取足組件</

95、b></p><p>　　按照圖3-10所示完成腿足的連接裝配。</p><p>　　3.2.2.2機(jī)器人整體裝配</p><p>　　1. 引入第一個(gè)零件軀干</p><p>　　在“菜單管理器”的“組件”中，單擊“元件” ，再在“元件”菜單中選擇“裝配” 。這時(shí)系統(tǒng)彈出文件“打開”對話框，選軀干取模型文件qugan .part，單擊

96、“打開”。</p><p>　　2. 完全約束放置第一個(gè)零件</p><p>　　完成上步操作后，系統(tǒng)彈出 “元件放置”對話框。單擊圖標(biāo) ，將其固定放置，此時(shí)“放置狀態(tài)”選項(xiàng)組顯示的信息為“完整約束”。然后單擊“確定”。</p><p><b>　　3. 取電機(jī)固定座</b></p><p>　　按照圖3-11所示

97、裝配固定座和軀干，孔對其匹配螺栓國定裝配。</p><p><b>　　4. 取電機(jī)與齒輪</b></p><p>　　按照圖3-12所示裝配電機(jī)和齒輪。</p><p><b>　　5. 取腿組件</b></p><p>　　按照圖3-13所示裝配四條腿。</p><p>

98、<b>　　小結(jié)</b></p><p>　　本章對主要是依據(jù)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，基于Pro/E軟件對多運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維特征的裝配過程。</p><p><b>　　運(yùn)動(dòng)方程與步態(tài)規(guī)劃</b></p><p>　　多運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析</p><p><b>　　運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

99、</b></p><p>　　在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，能控制的是安裝在各個(gè)腿、各個(gè)關(guān)節(jié)上的伺服電機(jī)，而實(shí)際要控制的是各足趾、軀體在世界坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)軌跡和位姿，因此必須首先建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，將各個(gè)腿的關(guān)節(jié)坐標(biāo)和世界坐標(biāo)聯(lián)系起來，再通過逆運(yùn)算將在世界坐標(biāo)系中的位姿映影射到關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中，所以首先建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。</p><p>　　并聯(lián)運(yùn)動(dòng)模型和運(yùn)動(dòng)方程</p>&

100、lt;p>　　由上面分析可知，當(dāng)四腿支撐和三腿支撐時(shí)該機(jī)構(gòu)為并聯(lián)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)模型建立如上圖1-1所示，下平臺坐標(biāo)系O-XYZ為世界坐標(biāo)系，它是建立在地面上；上平臺坐標(biāo)系Oc-XcYcZc為活動(dòng)坐標(biāo)系，它建立在軀體上。并聯(lián)模型可以描述軀體在世界坐標(biāo)系下的位姿和足趾的相對位置關(guān)系。</p><p>　　上平臺坐標(biāo)系在下平臺坐標(biāo)系中的位姿令為，當(dāng)機(jī)器人水平前進(jìn)時(shí)：</p><p>　　根據(jù)并

101、聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解公式得：</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p><b>　　同理可得：</b></p><p><b>　　；；</b></p><p>　　當(dāng)機(jī)器人原地繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)：</p><p><b>　　(4-2)

102、</b></p><p>　　當(dāng)機(jī)器人側(cè)向移動(dòng)時(shí)：</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　在不同的運(yùn)動(dòng)形式下把不同的帶入并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解公式分別可解得不同的。</p><p>　　串聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及其方程</p><p>　　上面是并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及方程，它求解

103、出位姿和各支鏈位置之間的關(guān)系。但要具體求解出個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，還要建立單腿串聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型機(jī)器方程。Denavit-Hartengerg（D-H）法是建立機(jī)器人廣義連桿模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ) []。下面是對單腿進(jìn)行廣義連桿簡化后，利用D-H法建立單腿的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。如圖4-1所示，它由三個(gè)連桿和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副構(gòu)成，坐標(biāo)原點(diǎn)建立在軀體上。 </p><p>　　其中：=97.5; =560;=146.7; 單位(mm)

104、</p><p>　　由上圖可得出各變換矩陣如下: </p><p>　　式中：——第個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)變量的余弦 （ = 1…3）</p><p>　　——第個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)變量的正弦 （ = 1…3）</p><p>　　、為第二個(gè)關(guān)節(jié)移動(dòng)變量；為第三個(gè)關(guān)節(jié)移動(dòng)變量。</p><p>　　各關(guān)節(jié)坐標(biāo)變換矩陣相乘，則可

105、得到單腿的坐標(biāo)變換矩陣：</p><p>　　所以足趾A在參考坐標(biāo)系下的位置為：</p><p>　　由上式可得如下三個(gè)方程：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　?。?-6）&l

106、t;/b></p><p>　　由（4-4）、（4-5）可得： （4-7） 由（4-4）、（4-5）變換可得如下式：</p><p><b>　　（4-8）</b></p>

107、<p>　　由（4-6）可得： （4-9）</p><p>　　由（4-8）、（4-9）變換可得如下式：</p><p>　　(4-10) </p><p>　　由（4-10）平方和得：</p><p>　　(4-11)

108、 </p><p><b>　　由（4-10）得：</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　總體步態(tài)規(guī)劃</b></p><p><b>　　步態(tài)術(shù)語</b></p><p>　　步態(tài)：步態(tài)

109、就是各腿相繼抬跨的順序和各足趾相對機(jī)體的位移關(guān)系。</p><p>　　步距：各腿循環(huán)一次, 機(jī)器人機(jī)體相對地面的位移。</p><p>　　跨距：單腿從抬起到落地過程中, 足趾相對機(jī)器人機(jī)體的位移。</p><p>　　足趾間距：前后腿之間的距離。</p><p>　　絕對跨距：單腿從抬起到落地過程中, 足趾相對地面的位移。</p&g

110、t;<p>　　單腿步距：單腿從抬起到落地過程中, 機(jī)器人機(jī)體相對地面的位移。</p><p>　　占空比：單腿在地面支撐時(shí)間和四條腿作一次循環(huán)時(shí)間的比值。</p><p>　　穩(wěn)定裕度：機(jī)器人的穩(wěn)定點(diǎn)（重心在足支撐平面上的垂直投影點(diǎn)或）到各支撐點(diǎn)構(gòu)成的多邊形的最短距離，但通常不用垂直距離，而是用前進(jìn)方向上的距離，如圖4-2所示。它是衡量步行機(jī)器人在行走時(shí)的穩(wěn)定程度[][]。

111、穩(wěn)定裕度是步態(tài)規(guī)劃中最重要的概念。</p><p>　　對四足機(jī)器人來說上面各參數(shù)有如下關(guān)系：</p><p><b>　??；；</b></p><p>　　圖4-2中表示足1和足3交換時(shí)不通過重心調(diào)整所能獲得的最大穩(wěn)定裕度，表示抬起足1時(shí)的最大穩(wěn)定裕度，表示抬起足3時(shí)的最大穩(wěn)定裕度，表示絕對跨距，表示前后足之間的距離。</p>

112、<p>　　通過幾何關(guān)系可以證明，當(dāng)時(shí)，，兩次支撐區(qū)重合的面積最大，即可為了不通過重心調(diào)整而能達(dá)到更大的穩(wěn)定裕度，絕對跨距應(yīng)等于前后足之間的距離，此時(shí)足1和足3時(shí)重合的。這僅僅在理論上成立，實(shí)際上足1和足3是不可能重合的，但是距離越小越好。</p><p><b>　　穩(wěn)定性原</b></p><p>　　4.2.2.1靜態(tài)穩(wěn)定性原理</p>

113、<p>　　當(dāng)物體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，其平衡的充要條件是其重心在地面的投影落在支撐區(qū)域內(nèi)。重心在足支撐平面上的垂直投影點(diǎn)在前后方向上到各支撐點(diǎn)構(gòu)成的多邊形的最短距離為穩(wěn)定裕度。機(jī)器人靜態(tài)穩(wěn)定的充分必要條件是需穩(wěn)定裕度,但一般為了提高其穩(wěn)定性，越大越好，一般高度下應(yīng)大于。</p><p>　　4.2.2.2動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性原理</p><p>　　根據(jù)力學(xué)原理可知：當(dāng)物體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，其平

114、衡的充要條件是其重心在地面的投影落在支撐區(qū)域內(nèi)。而廣義上說，當(dāng)物體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其平衡的必要條件是所受重力和慣性力的合力的延長線通過支撐區(qū)域。其延長線與支撐區(qū)域的交點(diǎn)稱為也就是點(diǎn)落在支撐區(qū)域內(nèi)，如圖4-3所示[]。在前后方向上到各支撐點(diǎn)構(gòu)成的多邊形的最短距離為穩(wěn)定裕度。機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的充分必要條件是需穩(wěn)定裕度，但一般為了提高其穩(wěn)定性，越大越好，一般高度下應(yīng)大于。</p><p>　　重心投影點(diǎn)和通稱穩(wěn)定點(diǎn)。在靜

115、態(tài)規(guī)劃中穩(wěn)定點(diǎn)指重心投影點(diǎn)，動(dòng)態(tài)規(guī)劃中穩(wěn)定點(diǎn)指。若要機(jī)器人在穩(wěn)定行走，則需。</p><p><b>　　最佳步態(tài)</b></p><p>　　一般來說步行機(jī)的步態(tài)都是模仿自然界的動(dòng)物的行走步態(tài)，因?yàn)樽匀唤绲膭?dòng)物的行走方式是幾千萬年進(jìn)化的結(jié)果。前人對四足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行了大量的研究，他們根據(jù)運(yùn)動(dòng)過程中占空比β的不同，把運(yùn)動(dòng)步態(tài)分為以下三種：1、行走（β≥0.75）；

116、2、疾走 （0.5≤β<0.75）；3、飛奔（β<0. 5）。其中行走步態(tài)是穩(wěn)定步態(tài)，疾走和飛奔時(shí)不穩(wěn)定步態(tài)[]。本次研究的步態(tài)是穩(wěn)定步態(tài)，因此，其運(yùn)動(dòng)的任一時(shí)刻至少應(yīng)有3條腿與地面接觸支撐機(jī)體，且機(jī)體根據(jù)穩(wěn)定區(qū)間作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使重心落在3足支撐點(diǎn)構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)。在這個(gè)前提下4條腿才能按一定的順序抬起和落地，實(shí)現(xiàn)行走。在行走的時(shí)候， 4條腿輪流抬跨，不斷改變足落地位置，構(gòu)成新的穩(wěn)定三角形來保證穩(wěn)定。此種運(yùn)動(dòng)過程是占空比β

117、≥0.75的行走步態(tài)。</p><p>　　在分析前進(jìn)行走步態(tài)之前，為了闡述方便先作如下圖4-4所示的約定：1代表左前腿，2代表右前腿，3代表左后腿，4代表右后腿。圖中X為其前進(jìn)方向上足1和足2之間的距離,且X≤L/2。</p><p>　　作如下假設(shè)：1）四個(gè)足趾點(diǎn)構(gòu)成平行四邊形，且重心只在前進(jìn)方向上運(yùn)動(dòng)；</p><p>　　2）各個(gè)腿的跨距相等且邁腿一次的時(shí)間

118、相等；</p><p>　　3）初始位置為抬腿前的最佳位置；</p><p>　　4）重心在軀體的中心。</p><p>　　四個(gè)腿依次序各邁一次，根據(jù)排列組合共有24種可能步態(tài)[]（如表4-2），表中1-2-3-4指邁腿順序?yàn)?234。</p><p>　　首先討論穩(wěn)定行走最佳步態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，在達(dá)到一定的穩(wěn)定裕度時(shí)移動(dòng)機(jī)器人行走的越快

119、、所消耗的能量越少則該步態(tài)就越佳。一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的時(shí)間可分為兩部分：邁腿時(shí)間和調(diào)整時(shí)間。行走快慢和以下幾個(gè)方面有關(guān)：絕對跨距的大小、邁腿時(shí)間、為了穩(wěn)定裕度所進(jìn)行的重心調(diào)整量。首先做如下聲明：此處的重心調(diào)整是指四足著地進(jìn)行的重心調(diào)整，而非三腿著地軀體的隨動(dòng)調(diào)整。顯而易見邁腿時(shí)間越小越好，但這僅和機(jī)器人的機(jī)械性能有關(guān)與步態(tài)無關(guān)。上面已經(jīng)證明跨距越大越好，為L時(shí)最佳，這也僅和機(jī)器人的機(jī)械性能有關(guān)與步態(tài)無關(guān)。所以行走的快慢以在一個(gè)周期內(nèi)為達(dá)到一

120、定穩(wěn)定裕度所需要重心最小調(diào)整量來衡量，最小調(diào)整量越小，則步態(tài)的效率就越高。所消耗的能量與一個(gè)周期內(nèi)重心的最小移動(dòng)量有關(guān)，整個(gè)周期內(nèi)重心最小移動(dòng)量越小則這種步態(tài)行走的所消耗的能量就越小。具體的可以用如下方法來衡量步態(tài)的好壞：在一個(gè)行走周期內(nèi)，計(jì)算整個(gè)周期所需重心最小調(diào)整量的總和以及整個(gè)周期內(nèi)的重心的最小移動(dòng)量的總和，這兩個(gè)總和越小，該步態(tài)就越好。下面以步態(tài)1-2-3-4為例來計(jì)算整個(gè)周期所需重心最小調(diào)整量的總和以及重心的最小移動(dòng)量總和，其