《机械多腿运动机械原理课程设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械多腿运动机械原理课程设计（40页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机械原理课程设计说明书机械腿运动机构西南交通大学机械与自动化 专业设计者:20 年 月 日 目录一、背景资料.4二、设计分析.5三、执行机构的设计.6 3.1 蟹腿的设计.6 3.2 转向机构13 3.3 上下机架的设计.143.4 传动链设计.16四、零件的设计.21 五、Unigraphics NX软件运动仿真.23 六、方案的比较.27七、心得体会.30摘要 我们组设计的是一个六足机械螃蟹。此机械螃蟹由一个电机驱动，完全由机械结构控制，可以实现横向爬行、行进中左右转向及原地转向，并且可以适应多种路面状况，有较强的适应性、稳定性。本文将首先对自然中螃蟹的结构以及行走方式进行分析、研究，然后
2、提出总体的设计方案，再对机械螃蟹各个机构的具体设计方案、制作方法和Unigraphics NX软件仿真展开详细的介绍，最后对机械螃蟹做出总结、评价与比较。关键词：机械螃蟹，设计，Unigraphics仿真一、 背景资料一般的动物，身体都分成头、胸、腹三部份，而螃蟹的头部和胸部愈合在一起，称为头胸部。腹部退化，反折紧贴在头胸部的下方。头胸和腹部外面都包着硬硬的外壳，动物学家通称牠们为甲壳类。螃蟹总共有五对脚，牠们的共同特征是：有关节性附肢、外骨骼和十只脚。因此，动物学家在分类时将牠们归入动物界的节肢动物门、甲壳纲、十脚目。背甲是螃蟹外壳的一部份，它盖在头胸部的外面，所以又称为头胸甲。而盖在腹部的
3、外壳叫做腹甲。螃蟹大都有一对像钳子一样的大脚，我们称为螯，主要用于捕食和防御。其它的是四对朝着左右两侧伸出的是用于步行的步足。对于很多螃蟹来说，最后的那对步足已经演化为用于水中划行的划行足，只有中间的三对步足起主要爬行作用。螃蟹的步足由七个小节组成，可以看到螃蟹的足每两节的外骨骼之间有光滑柔软的薄膜相连，里面没有可供转动的关节，只有一条条肌肉束与外骨骼相连接。当节间肌肉伸缩时，依靠节间膜的弹性只能使足的各节产生上下方向的动作而不能前后转动，它由一侧足尖的爪节向下弯曲，抓住地面，再用另一侧的足尖向外伸直，支撑住身体，推动身体前进。但是螃蟹为什么总是横着爬呢？一种说法认为，以前的螃蟹是依靠地磁场来
4、判断方向的，在地球形成以后的漫长岁月中，地磁南北极已发生多次倒转。地磁极的倒转使许多生物无所适从，甚至造成灭绝。螃蟹是一种古老的回游性动物，它的内耳有定向小磁体，对地磁非常敏感。由于地磁场的倒转，使螃蟹体内的小磁体失去了原来的定向作用。为了使自己在地磁场倒转中生存下来，螃蟹采取“以不变应万变”的做法，干脆不前进，也不后退，而是横着走。从生物学的角度看，蟹的胸部左右比前后宽，八只步足伸展在身体两侧，它的前足关节只能向下弯曲，这些结构特征也使螃蟹只能横着走。 二、 设计分析a) 设计要求：全机械结构控制，利用一个电驱动动各类齿轮、连杆等机构运动，能够实现整个蟹身的横向移动和转向运动。做到结构简单紧
5、凑，运动灵活可靠、合理有效，尽量模仿实物运动过程，并应考虑到制造工艺要求、材料强度等因素，使方案真实合理，可实际执行。具体的结构设计将在下面的设计部分给出。b) 设计中，所有齿轮均采用标准备参数，各连杆、槽轮、机架等结构均根据工件制造加工工艺及材料强度要求设计。c) 设计方案简介：经过一些资料的分析和对其他机械螃蟹结构的考察，并对各种方案进行分析比较，我们最终决定设计一个六足的机械螃蟹。该螃蟹在一个电机驱动下可以实现横向爬行、行进中左右转向及原地转向，且可适应多种路面状况，有较强的稳定性。三、 执行机构的设计31蟹腿的设计：单独对一条蟹腿的运动进行研究，易知在螃蟹迈进的时候，足尖抓地，带动蟹身
6、前行，在运动到极限位置时则需抬起回复，为下一次迈进做准备。所以相对于蟹身，单条腿的运动轨迹应大致为如下曲线：若单纯采用连杆机构来直接实现该轨迹，将使得机构比较复杂，降低了机构的可靠度。若采用了这样的机构（如右图所示一类机构），即把整条腿的运动功能由一组连杆机构来实现，易知，自然中的螃蟹是可以在原地抬腿的，而此机构无法实现单独抬腿或迈腿的功能。而且在整个行进过程中，连杆机构都要提供支撑整个蟹身的力，这样会使得电机始终要提供一个很大的力，甚至有可能使电机无法负荷，一旦失去电机供力，为了保持蟹身的平稳，则需要另外加入固定装置，使机构更加复杂，进一步降低了可靠性。经分析，对蟹身的支撑作用仅发生在小腿接
7、触地面的过程中，而此时大腿可保持不动，联想到人类的走路方式，肌肉仅提供抬腿时所需的力，而支撑身体则主要由关节的“死点”位置来实现。所以我们在蟹腿中也引入一个类似“死点”的机构，便可大大减轻电机的负荷，提高机构的可靠性与合理性，同时把该曲线简化分解为蟹腿的摆动与抬落这两个单一的运动，更加符合实际蟹腿的运动情况，也降低了机构的复杂程度。 经过反复研究比较，我们把蟹腿简化为如下图所示的运动机构，将蟹腿结构中对行走起主要作用的肢节简化为大腿和小腿，大腿完成抬腿功能（由图中连杆1和2与偏心轮2共同实现），小腿完成摆动功能。其中，连杆1和2在图示位置中正好构成所需的“死点”，使大腿保持不动。下面具体分析蟹
8、腿的运动以确定驱动机构：首先设定蟹腿每2秒爬行一步，即小腿完成一次伸展、收回运动，小腿摆动的幅度设为60度。大腿上抬的不需要太大，且为了使电机驱动抬腿的力尽量小，支点的位置离连杆1较远。进一步分析，在小腿收回过程中，偏心轮1运动180度，大腿则要完成抬和落两个动作，所以偏心轮2需要运动360度，两者传动关系为1:2。而同时，根据运动循环图，大腿的运动是间歇的，所以与偏心轮2相连的机构必须具有间歇周期，且在大腿的“死点”位置能将偏心轮2卡住保持不动。经过努力，我们找到了能完成此功能的槽轮机构，并确定槽轮槽数为4，圆销数为2且夹角为90度，机构如下图：有了如此的思路后，我们便开始了机构的绘制。首先
9、我们统一将所有的中心孔直径定为1.5mm，小齿数齿轮厚2mm，大齿数齿轮厚1mm，小腿长50mm，宽3mm，厚3mm，大腿长60mm，宽3mm，厚2mm，为了避免铰链处产生力偶，我们均将铰链设计为外包的形式，如右图：然后我们分别设计了两腿的驱动机构，小腿的摆动如左下图：图中偏心轮1的齿数为30齿。大腿的摆动则相对复杂些，如上图（右）（图中槽轮部分与原先不同，将在下面说明）：图中大齿轮与小齿轮传动比为1:2，即槽轮的单次工作行程为180度，此时大腿完成一次抬落，即小齿轮转360度，由此得到该传动比。我们设定螃蟹2秒爬行一步，即小腿完成一个往复摆动，所以偏心轮1为180度/秒，由大小腿关系易知槽论
10、拨盘也为180度/秒。同时我们为蟹腿与蟹身的固结设计了机架，并根据传动比设计了相互间的传动齿轮，结合右图作以说明：因偏心齿轮为30齿，与拨盘双联的齿轮（简称拨盘齿轮）带动拨盘与偏心轮1同速转动，根据机架位置，我们设计了齿数为20和18的双联齿轮，拨盘齿轮为27齿，即20齿齿轮与偏心轮1啮合，18齿齿轮（图中被20齿齿轮遮住）与拨盘齿轮啮合，以实现偏心轮1与拨盘同速转动。在运动仿真中，我们发现了新的问题，该腿的下一时刻动作为离地抬腿，由于槽轮运动非并匀速，所以使得小腿伸展时，大腿还没抬起来，小腿收回带动螃蟹爬行时，大腿还没落下，所以我们将运动循环图修改如下：经过调试，我们将大腿的动作周期修改为不
11、连续，抬和落分别提前和滞后了15度，使得下一刻蟹腿能很快的抬起来并即时回落。同时槽轮机构中的拨盘改为如图所示，即两圆销夹角为120度，同时调好拨轮与槽轮的初始位置。我们完成了一条蟹腿的设计，附上整图供参考。（如右图）考虑了螃蟹的初始位置及腿的相互协调运动，我们将六条腿分为两组，一组编号为：l-d-m，l-d-a，l-d-b，一组编号为：l-u-m，l-u-a，l-u-b。以下是六条腿的运动循环图，图中黑色虚线为螃蟹装配时的初始位置。由以上运动循环图可知，两组腿共四种情况，一种为上述设计的初始位置，为即将抬腿向行进方向迈进，对应编号为l-u-a，l-u-b；一种为大腿保持不动，小腿收回，带动螃蟹
12、爬进的腿，对应编号为l-d-m；一种为大腿保持不动，小腿伸展，推动螃蟹行进的腿，对应编号为l-d-a，l-d-b；另一种为即将抬腿，小腿收回跟随螃蟹运动，对应编号为l-u-m。示意图如下：根据初始位置不同，只需将已完成的腿做出相应调整即可，下面给出l-d-m的获得过程，其他位置同理可得：首先将小腿摆过60度，相应偏心轮1转动180度，大腿部分拨盘顺时针转135度，并将槽轮与之啮合即可。如下图：至此，所有腿都已设计完毕。32转向机构：螃蟹的转向是一个很复杂的过程。我们分析了多种方案，如果用腿部动作来实现，发现时序都十分复杂，而且转向过程中机械螃蟹身体很不稳定。再加上我们的螃蟹被限定为由一个电机驱
13、动、全机械结构控制，这样会使得螃蟹的机械控制结构十分复杂，而且意义也不大，因为实际中这样的复杂运动都是要用到机电控制的。为了简化机构，提高螃蟹运行时的可靠性、稳定性，我们决定采用其他方法来实现螃蟹的转向。联想到现实中的某种重型起重机的前向爬行机构，该机构是将起重机下盘分为两层，每层交替和地面接触、抬高并前移来实现前进的。由此，我们受到很大启发，我们把螃蟹的身体也分为上下两层机架，如图，六条腿分成两组，分别固定在两层机架上, u组腿（l-u-m,l-u-a,l-u-b）固定在上机架上，d组腿（l-d-m,l-d-a,l-d-b）固定在下机架上。两层机架可以绕着中心轴做小幅转动，当下机架的腿抓地时，上机架的腿抬起，同时，上机架绕中心轴做一个10度的转动，然后放下腿，让腿抓地，这时，下机架的腿抬起来，同时下机架绕中心轴向刚才的方向再转10度，然后放下腿抓地。如此往复，螃蟹就可以完成转向动作了。具体结构设计：以地面为参考，若螃蟹右转时，两层机架都是向右转动的，但是，驱动电机必然是与某一层机架固定的，所以设计时应该研究的是两层机架的相对转动，假设电机固定在下机架上，螃蟹右转时，若上机架先相对于地面向右转了
