课 程 设 计
--------基于纯机械的简单爬行机器人
姓名：柏 胜 学号：2011080070020
姓名：周林海 学号：2011080070014
指导：凌 丹
2014年6月
基于纯机械的简单爬行机器人 一、功能介绍
1、功能：简单模仿六足昆虫的爬行，以便在地形不规则和崎岖不平的环境下，实现对危险环境探索和研究。
2、实现手段：
（1）动力：以微型直流电机作驱动源，轴间均以齿轮来传动。我们根据市场上有的微型直流电动机，结合其参数性质，选取了DS-280SB微型电机为驱动源。参数如下表
（2）运动方式：三角步态方式爬行、四杆机构关节 a、三角步态方式爬行 示意图如下，即机器6条腿对称分布在身体的两侧，身体左侧的前、后足及右侧的中足，即A、D、 E为一组，右侧的前、后足和左侧的中足，即B、C、F为另一组，分别组成两个三角形支架，每组腿离地时间段，都由另一组腿构成的三角形的三个顶点支撑，可保证机器随时的平稳。两组腿的交替运动，实现机器人的支撑和前进。 b、四杆机构关节 四杆机构实现将轴的转动，转化为腿的上下前后往复摆动。机器依靠腿前后划动实现支撑、摆动和前进交替过程。AE杆为齿轮轴，BAE形成一个刚性L形曲柄，四杆机构可以看成是线段AB、BC、CD、DA构成，DA杆为机架。（四杆机构的尺寸比例详见后四杆机构设计) 齿轮轴 转动副 连接 （3）、齿轮与轴之间的连接，采用紧拧螺钉实现紧固。 对曲柄（杆AB）、中腿齿轮与轴的连接，在轴上开出小平台，紧拧螺钉底部顶住平台，紧固后更加牢靠，也可传递更大的转矩。同时在前后齿轮与轴连接处，紧拧螺钉与圆柱面接触拧紧，以便在保证各腿运动关系固定协调的前提下，调节前后齿轮与惰轮的良好啮合。 平台拧紧与圆柱面拧紧示意图如下： 螺钉与轴 螺钉与轴 平台紧固 圆柱面紧固 二、运动简图及自由度计算 1、运动简图 （1）单侧运动简图示意-左侧 铰链连接 左前腿 左中腿 左后腿 （2）啮合传动示意图 惰轮与轴用 转动副连接 齿轮与轴 刚性连接 2、自由度计算 可动元件数： N =5*3+2+1=18 转动副数： Pl =4*2*3+2+1 =27 齿轮高副数： Ph=5 虚约束数：前、中、后各自多引入一个转动副，没有引入多的可动元件， 因此虚约束P’=3*2=6 则机构自由为：F=3*N-(2*Pl+Ph-P’)=3*18-（2*27+5-6）=1 自由度=原动件数=1，则该机构具有唯一确定运动。 三、Pro/E三维造型图 1、左视步态图 （图示曲柄均为逆时针转动） （1）步态一(左前腿组支撑，即将离地；左中腿组向下运动，即将触地) （2）、步态二 (左前腿组抬至最高；左中腿组下至最低，支撑)
（3）、步态三 (左前腿组向下，即将触地；左中腿组支撑，即将离地)
（4）步态四（左前腿组降至最低，支撑；左中腿组抬至最高）
（5）步态五（回到步态一，然后重复步态一至四）
2、模型零件及结构 （1）关键零件
（a） 电机模型及其驱动齿轮 (b) 齿轮
(c) 连杆BC （d）连杆AB（曲柄） 加装半透 （2）整体装配 明顶盖 （3）连杆关节细节图 四、参数设计 1、四杆机构的设计---即机器人足端运动轨迹的确定 （1）、根据爬行机器人行走要求 ，初步确定足端运动的粗略轨迹曲线，然后利用四杆机构的连杆曲线图谱，找到符合要求的的运动轨迹曲线，并从图谱中直接确定该轨迹对应的四杆机构的各杆长比例，最后更具设计的尺寸要求，按该比例确定各杆长。所选曲线图谱如下， 比例为ab : bc : ca : da = 1：3：3.5：3.5 。 c 所选曲线 d b a 注：来自“李学荣 等编著的《连杆曲线图谱》重庆出版社，1993” （2）、在确定各杆尺寸后，延长bc杆以放大轨迹曲线，以达到在较小尺寸连杆时，机器人的步距较大。经过观察和几次尝试，得到如下图的尺寸比例较合适。经过多次模型试验，得到实际取尺寸为： AB=11mm，BC=30mm，CD=35mm，DA=35mm，并且在该尺寸下，模型试验，运动流畅。 2、齿轮传动设计 （1）、结构参数设计 由四杆机构尺寸得出，前、中、后相邻齿轮轴间的距离不得小于65mm。为尽量减小机器人尺寸，取间距为70mm，即齿轮1、2的安装中心距为70mm，如下图： 齿轮1 （黑色） 所有轴的直径为6mm 两轴中心距a0 = d1+d2 = m*(z1+z2)=70 齿轮2 （粉红色） 为确保齿轮不变位，不跟切，则z1>=17、z2>=17， 为增强齿轮强度，模数m尽量大， 结合模数表，则可取m=2，z1=17，z2=18 则两齿轮详细参数如下： 取分度圆压力角 ɑ=20° 分度圆直径 d1=m*z1=34 d2=m*z2=36 齿顶高系数 ha*=1，顶隙系数 c*=0.25 齿顶高 ha1=ha2=（ha*）*m=2 齿根高 hf1=hf2=（ha*+c*）*m=2.5 齿顶圆直径 da1=[z1+2*（ha*）]*m=38 da2=[z2+2*（ha*）]*m=40 齿根圆直径 df1=[z1-2*（ha*）-2*（c*）]*m=29 Df2=[z2-2*（ha*）-2*（c*）]*m=31 基圆直径 db1=d1*cosɑ=34*cos20°=31.95 Db2=d1*cosɑ=36*cos20°=33.83 啮合齿轮的理论中心距 a=（d1+d2)/2=35 则可取实际安装中心距 a’=a+1=36 （2）、材料选择及结构设计 驱动源为DS-280SB微型电机，在正常的情况下，我们取电机的输入功率为4.6W，取齿轮1转速为900r/min，由齿轮1与齿轮2的传动比为u=17:18，可得齿轮2转速为850r/min。 1）、材料选择：六足爬行机器人为一般精密工作机器，速度要求不高，故选用7级精度（GB 10095-88）。查表可知，在满足齿轮材料特性及其力学特性的各种材料中，考虑实际可操作并且成本低廉的情况下，我们选择齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，齿轮2材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。 2）、按齿面接触强度设 由如下公式经行计算，即 ≥2.32
确定公式内的各计算数值 a. 试选载荷系数
=1.3
b. 计算齿轮1的传递转矩
==
=1
N·mm=45.76 N·mm
c.查表选取齿宽系数
d.查表得出材料的弹性影响系数=189.8Me.按齿轮硬度查得齿轮1的接触疲劳强度极限
=550MPa
=600MPa；齿轮2的接触疲劳强度极限
f.计算应力循环次数（取工作寿命20年，每年300天，每天8小时）=60j=60*900*1*(8*300*20)=2.448*=
=2.312*
g.取接触疲劳寿命系数=0.90;=0.95
h.计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1%，安全系数S=1，则
=
*
=0.9*600MPa=540MPa
=
2）计算
*=0.95*550MPa=522.5MPa
a.校核小齿轮分度圆直径，带入 中较小值
≥2.32=2.32=12.32mm.取=34mm
b.计算圆周速度 V=
=
m/s=1,51m/s
c. 计算齿宽b.
b=
=1X34.00mm=34.00mm
d. 计算齿宽与齿高之比b/h 模数
=
=34.00/17=2.00mm
齿高 =2.25*2.00mm=5.50mm
e. 计算载荷系数
=6.18
根据v=1.51m/s,7级精度，查表得动载系数置为十分精密齿轮装置； 直齿轮，
=
=1;
=1;
=1.09.并且得知，=1.09小于1.10，因此该装
由查表得。使用系数
查表，用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称不知时，=1.423
由 =6.18, =1.423,得=1.28；故载荷系数
=1*1.12*1*1.423=1.594
f.按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径， =
=34.00*
=36.39mm
f. 计算模数m。
=
mm=2.14mm
3)按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公式为
A. 确定公式内各计算数值
；齿轮2的弯曲强度极限
a. 查得齿轮1的弯曲疲劳强度极限
；
b. 取弯曲疲劳寿命系数
=0.85，
=0.88;
c. 计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数S=1.4.得
=
=
MPa=303.57MPa
==MPa=238.86MPa
d. 计算载荷系数K。 e. 查取齿形系数。
=2.65；
=2.65.
=1*1.12*1.28=1.434
f. 查取应力校正系数。
=1.58；
.
g. 计算齿轮1,2 的
=
并加以比较。
=
齿轮2的数值大。 B. 设计计算
m≥
=1.72mm
对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根疲劳强度计算的模数，犹豫齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.72并就近圆整为标准值m=2mm，按接触强度算得的分度圆直径=36.39mm，但由于机械实际设计所需，取=34.00mm.
这样设计出的齿轮传功，既能满足齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度。并做到结构紧凑，避免浪费。
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