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1、机电系统设计与制造（A）第二模块机电系统设计与制造说明书设计题目 六足机器人设计 班级 姓名 学号 指导老师 目 录第一章.课程设计的目的与要求1.1现状分析 41.2六足机器人的意义 41.3课程设计的目的 41.4课程设计的基本要求 5第二章.系统总体设计方案2.1机构简化 62.2方案设计 7第三章.运动学计算3.1杆长分析 83.2杆长验证 93.3位置分析 113.4速度分析 19第四章.动力学计算4.1电机转矩计算 174.2杆件受力分析 184.2电机选择 19第五章.非标准件的尺寸确定及校核5.1轴的尺寸与校核 205.2主动杆的尺寸与校核 235.3其他杆件的尺寸与校核 24
2、5.4其他零件尺寸确定 25第六章.标准件选择6.1轴承的选择与校核 276.2联轴器的选择与校核 276.3螺栓的选择与部分承重螺栓的校核 276.4键的选择与校核 29第七章.设计总结7.1课程设计过程 317.2设计体会 32第八章.参考文献 33第九章 附录 34第一章 课程设计的目的与要求1.1 现状分析所谓多足机器人，简而言之，就是步行机。在崎岖路面上,步行车辆优于轮式或履带式车辆。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,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
3、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。因此对于多足机器人的研究与设计是非常有意义的一项工作。1.2 六足机器人的意义六足机器人作为多足机器人里面的代表。它具有多自由度，能进行多方向，多角度的移动，可以适应复杂的路况，并联机器人通过多个支链联接动平台和定平台, 从而增加了运动学的复杂性，因此其研究具有非常重要的意义。此次课程设计是围绕具有空间三自由度的六足机器人展开的，它由上平台、下平台、3根主动杆、3根平行四边形从动支链、3个电动机、连接板等组成。主动杆与平台通过转动副相连接，从动杆通过2个自由度的转动副与主动杆相连，3个这样的平行四边形从动支链保证了平台智能有三个方向的自由度。
4、1.3 课程设计的目的机电系统设计与制造中的机械设计部分，是机械类专业重要的综合性与实践性教学环节。其基本目的是：1. 通过机械设计，综合运用机械设计课程和其他选修课程的理论，结合生产实际知识，培养分析和解决一般工程实际问题的能力，并使所学知识得到进一步巩固、深化和拓展。2. 学习机械设计的一般方法，掌握通用机械零件部件、机械传动装置简单机械的设计原理和过程。3. 进行机械设计基本技能的训练，如计算、绘图，熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理等。1.4 课程设计的基本要求本设计的基本要求是：1. 能从机器功能要求出发，制定或分析设计方案，合理选
5、择电动机、传动机构和零件。2. 能按机器的工作状况分析和计算作用在零件上的载荷，合理选择零件材料，正确计算零件工作能力和确定零件主要参数及尺寸。3. 能考虑制造工艺、安装于调整、使用与维护、经济和安全等问题，对机器和零件进行结构设计。4. 图面符合制图标准，尺寸及公差标注正确，技术要求完整合理。第二章 系统总体设计方案2.1 机构简化下图为此次课程设计所要完成的任务的装配图：图2-1：六足机器人装配图为了研究其在运动学及动力学方面的方便，需要将机构简化为平面机构，在机器人只是向上抬腿时，因为机器人的下底盘不会前后左右移动，只会沿着z轴方向上下移动，因此，在上升过程中，可将上底盘固定，在下脚连电
6、机处加上一移动副和转动副，将机构转化为如下图所示的机构：图2-2：简化的平面机构图2.2 方案设计根据简化机构，我们制定如下设计方案:一：传动装置的方案设计：分析拟定传动系统方案，绘制机械系统运动简图。二：传动装置的总体设计：计算传动系统运动学和动力学参数，选择电动机。三：传动零件的设计：确定传动零件的材料，主要参数及结构尺寸，包括轴的设计及校核，轴承及轴承组合设计，选择键联接和联轴器。四：机器人装配图及零件图绘制：绘制机器人装配图和零件图，标注尺寸和配合。五：对整个设计过程进行总结。第三章 运动学计算3.1 杆长分析假设无限长，那么在图中机构,若杆绕A点逆时针旋转，则滑块上升。但此时，几乎不
7、影响杆与x轴夹角b的变化。因此，可得如下结论：机构的抬腿高度此时完全由的长度决定，但在实际过程中，不可能选择为无限长，但当长度远远大于时，抬腿高度基本由的长度确定，再考虑上其他因素的影响，因此预先确定杆长。 图3-1 简化机构图由上图可看出，步距基本上由杆长和转角确定，假设的最大值为度，则此时。而，因此大体上。大体上，可由此预先确定杆长。 根据要求。抬腿高度为mm，步长为mm。根据上述，可预先确定杆长，圆整到，这样。3.2 杆长验证由图3-1所示：可得：用matlab编程模拟选的杆长是否可用，程序如下：%用杆长计算电机转角l1=270;l2=87;r=36;R=90;g=33;b=r-R;y=
8、250:0.1:285;a3=acos(l2*l2-l1*l1+y.*y+(r-R)2)./(2*l2*sqrt(y.*y+(r-R)2);a2=atan(y./(R-r);a=(pi-a2-a3)*180/piplot(y,a)title(用杆长计算电机转角 a- -y);xlabel(y,高度-抬腿高度);ylabel(a,电机转角);设定杆，,从变到。由此运行出下图结果：图3-2 抬腿高度与电机转角图电机转角最大值：当时，；电机转角最小值：当时，。这是上底盘不动，下底盘上升时，电机转角的变化范围。当下底盘不动，上底盘上升时，电机的转角变化也应是3.3 位置分析：根据电机转角与抬腿高度的关
9、系，验证在此杆长下，下底盘中心的运动范围。其结构图如下图所示。图3-3 结构示意图设,则点在坐标系中位置矢量为,点在坐标系中，位置矢量为,点在坐标系中，其中为点与轴的夹角。假设矢量在坐标中，则矢量在坐标系。因为， 图3-4 支链矢量图其中， 因为点，点投影在Y轴上，所以，通过坐标变换得（其中，分别为点横纵坐标），。即，则 根据式得位置反解：根据位置反解，我们得到了电机转角与步长之间的关系，我们用MATLAB进行了仿真，其关系如图3-5所示：图3-5 步长与转角关系图放大之后的图像如下图所示：图3-6 步长放大图其程序见附录一。与此同时，我们建立了另一个程序对最大步长进行了检验，图形如下图3-7
10、 角度与步长关系验证程序图3-8 角度与步长关系放大图同样，由图3-1可得y与a的关系如下： 其仿真图像如下图3-7所示图3-7 电机转角与抬腿高度图3.4 速度分析图3-8 速度分析图电机转角与速度关系如下图所示图3-9 速度与转角关系图第四章 动力学计算4.1电机转矩计算图4-1 受力分析图如图4-1所示，为力的分析图，可得电机转矩与电机转角之间的关系，以及L1杆上受力与电机转角的关系。公式如下：图4-2 电机转角与扭矩关系图4.2 杆件受力分析图4-3 电机转角与受力关系图4.3 电机选择根据所需的最大扭矩，以及电机的重量，查阅资料，可选择如下电机电机：86BYG9416 电机铭牌图4-
11、4 电机接线图第五章 非标准件尺寸确定及校核5.1 轴的尺寸与校核由受力分析可知，电机的最大扭矩为：。轴选择钢制实心轴，其轴截面的极惯性矩为 ： (1)对于钢制实心轴，其受的扭矩为： (2)轴受转矩作用时，其扭角: (3)由此可得，单位轴长的扭角为： (4)式子中为每米轴长的许可扭转角，在此，选择。轴材料的切变模量为：。由(1) 、(2) 、(3)、 (4)整理的： (5)所以，故可选轴的直径为。为简化计算，可将所有的轴的直径都选为，而在机构中轴又分为：短轴，电机轴。5.1.1短轴尺寸的确定 对于短轴，它属于阶梯轴，其结构设计如下：图6-1 短轴尺寸图轴所承受载荷为：对应的轴承可选：深沟球轴承
12、，其基本额定载荷为：。故轴承可用。5.1.2 电机轴尺寸的确定对于电机轴，它同样属于阶梯轴，其结构设计如下：图6-2 电机轴尺寸图轴所承受载荷为：5.2 主动杆（L2）的尺寸与校核图6-3 主动杆尺寸确定根据上图零件的简图，在受力分析时，可以简化为如下受力模型。图6-4 杆的受力分析图M=2.995 L1=50mm b=10mm h=16mm 材料：铝合金 合金牌号：ZAlSil2 合金代号：ZL102 =145MPa5.3 其他杆件的尺寸与校核平行四边形长杆（L3）校核：受力分析如下图：图6-5 杆件分析图校核公式如下因为 所以该此杆安全。5.4 其他零件尺寸确定轴承座尺寸如下端盖尺寸如下：上腿尺寸如下：连接板尺寸：其他尺寸分布见具体零件图。第六章 标准件选择6.1 轴承的选择与校核前面对轴已经进行的校核，根据轴的尺寸，查阅
