四足仿生步行机构的设计与仿真(附件)
在本文中，设计了不同于以往结构的腿部构造组成行走结构，和一个密封组件整体设计方案。在本文中，中心的设计思路是：齿轮五杆机构的跨步能力很强，由此我们可以以此作为行走机器人腿部部分的重要组成；分析以往四足机器人的各装置组合的方法，选用新的安装方法，用机体包住全部的控制系统，做到密封隔离；在密封状态下，为了确保步行机器人可以在下雨、刮风乃至水下安全稳定的工作；本文设计安设了特殊的传感器即动态扭矩传感器，用来监测机器人的周遭情况并做出相应的举动。 本文的中心设计思想：总结前人的设计思路和结构，最终选用齿轮五杆结构作为设计产品的重要基础。对所选结构加以具体解析，模拟运动曲线。本文最重要也是最新颖的是把机器人控制系统组装在其内部做到与外界隔绝；根据本文设计方案，用画图软件画出步行机构的单腿部分、提供功率的电动和监测传感器的三维实体模型，进行密封装配的模拟实验，采用传动轴来进行扭矩输出实现齿轮的转动；安装动态扭矩传感器，通过传感器感知步行机构脚部受力所产生的扭矩变化来提高机器人的控制反应能力。关键词：齿轮五杆机构；密封装配；仿真；动态扭矩传感器。 摘要 I目录
摘要 I
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.1.1 引言 1
1.1.2 步行机器人的应用与发展 2
1.2 产品发展的情况 4
1.2.1 常见几种步行机构解析 4
1.2.2 现有的结构的不足 8
1.3 课题的主要研究内容 8
第二章 几种行走结构的研究解析 10
2.1 步行机构综述 10
2.2 前人设计结构的总结与解析 10
2.2.1 开环关节连杆机构 10
2.2.2 闭环平面四杆机构 14
2.3 平面齿轮五杆结构的分析 15
2.4 机构对比 15
2.5 本章总结 16
第三章 平面齿轮五杆结构设计与分析 17
3.1 平面齿轮五杆结构的发展状况 17
3.2 平面齿轮五杆结构的运动学分析 17
3.2.1 运动学模型的建立 17
3.2.2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
构 14
2.3 平面齿轮五杆结构的分析 15
2.4 机构对比 15
2.5 本章总结 16
第三章 平面齿轮五杆结构设计与分析 17
3.1 平面齿轮五杆结构的发展状况 17
3.2 平面齿轮五杆结构的运动学分析 17
3.2.1 运动学模型的建立 17
3.2.2 运动学分析 18
3.3 平面齿轮五杆结构的运动曲线 20
3.4 本章总结 20
第四章 对行走结构的运动解析与仿真 21
4.1 足端轨迹规划 21
4.1.1 足端轨迹规划 21
4.1.2 建立步行机构模型 21
4.2 利用Matlab进行运动仿真 22
4.2.1 Matlab的简要介绍 22
4.2.2 软件程序的编写与系统建模 22
4.2.3 仿真分析 22
4.3 利用Solidworks进行输出曲线验证 24
4.3.1 Solidworks的简介 24
4.3.2 Solidworks的仿真分析 24
4.4步行机构有限元分析 24
4.5 本章总结 28
第五章 四足行走机器人的整体设计 29
5.1 方案设计 29
5.1.1 传统结构存在的不足 29
5.1.2 设计要求 30
5.1.3 整体方案设计 30
5.2 结构设计 31
5.2.1 零件模型的建立 31
5.2.2 传感器的设计安装 33
5.3 模型装配 33
5.4 本章总结 35
结论 36
致谢 37
参考文献 38
附录 40
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
在科学技术日益发展的今天，也随着人类发散性思维的扩展，有关机器人的设计与使用的想法也日渐深入人心。同时，由于当今社会好多工作环境的危险性，机器人的应用于发展亦是急不可待。
1.1.1 引言
伴随着科学技术的发展，人类的思想以及工作领域的需要，机器人的使用也逐渐受到大众的关注。根据现在社会上的主流思想，步行机器人通过跨越行走的方法是现今大部分轮式机器人所没法与之相比的。众所周知，步行机器人它是利用关节来进行像动物一样的爬行方式前进。一开始，选用机械结构充当旋转腿。美国制定登月计划时曾想过使用机械式步行机构，但最终发现这种想法很难实现，还是取消了。现在，纯机械式的不行机构已很小出现，大多是机械与控制的相结合。步行机器人能够单独的在大地上行走，但是轮式的机器人只能在持续不断的大地运动；步行机器人能够在不平稳的地域上安稳流利的行走，在遇到某些特殊的障碍是，步行机器人可以采用跨越的步行方式越过阻碍物，还能够做到不直接碰触阻拦的东西，不破坏地面的完整性完成一定的动作指令。比如楼梯、小河、泥泞的地面等等。
现今，世界上成功研究制造了多种腿数繁杂的行走结构。可是国内的开发研制能力相比于世界发达国家还有不小的差距。本文主要是研究其结构设计与装配方法。要想对其进行研究则必须要涉及多种机械、电子方面的技术。步行结构在实际生产生活里用途广泛，操作简便，远远减少人们的劳动成本和提高工作安全。所以步行机器人是最合适的研究对象。其动力学系统极其复杂，这是因为其结构多种多样，运动方式和轨迹亦是各不相同。在与环境的结合，结构失稳和机器人机构的动态平衡是必须要解决的问题。但是，现今社会上步行机器人仍然有着巨大的实用价值，它可以解决很多轮式机器人无法完成的任务。这也是至今为止其它任何一种运动机械没法达到的。
现实生活中要想真正将其利用起来为人们工作还不太成功。原因是，要想设计出一个系统既能够做到质量轻、输出高、传动好又能够多方面自主运动是一个极其复杂而又困难的事。步行机器人对触觉以及力传感器等其它的传感器对环境的认知要求非常高，以此才能实现智能化的行走。另外，虽然在现实生活中我们已经能够使用很多种高级的控制方法来对步行机器人进行各种动作的控制操作，但是我们仍然要知道步行机器人它本生的机构在现在还是有不少瑕疵的。在实际生活中，要想步行机器人得以使用需要克服很多的社会和人文问题。这是因为很多工作步行机器人并不能完全满足其需求，并且在很多现实应用中要使步行机器人能够真正的应用其造价将是极高的而且需要进行长期的开发实验。所以，环境的适应能力是步行机器人开发运用的一个重大障碍，这需要我们不断的努力以及长时间的开发周期才能跨越。
本篇论文是以现有步行机器人结构方面不完善的基础上，采用平面五杆齿轮结构作为步行机器人的腿部步行结构。借此来提高四足步行机器人在多个天气环境或各种与正常地面不同的地面环境上的行走的跨越的能力与运动的平稳。本次论文选用密封隔绝的组装方法，即将其全部控制中心内置于安全区域。对行走机构的关节力和力矩的变化可以通过添加传感器检测装置的感觉，提高了四足步行机器人在各种环境中的适应性，比如在雨水、水中、风沙中行走。
1.1.2 步行机器人的应用与发展
在近代社会初期，人们根据对动物以及人类行走时的形态、运动的节奏的研究衍生出了步行机器人的想法。十九世纪七十年代初，一名英国科学家发明出一款测量工具，这种机器可以感知物品运动时的个状态点的气流变化，确定其运动规律。他的方法是把传感器安装在运动结构的腿部，根据传感器的接触与反馈以此得
摘要 I
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.1.1 引言 1
1.1.2 步行机器人的应用与发展 2
1.2 产品发展的情况 4
1.2.1 常见几种步行机构解析 4
1.2.2 现有的结构的不足 8
1.3 课题的主要研究内容 8
第二章 几种行走结构的研究解析 10
2.1 步行机构综述 10
2.2 前人设计结构的总结与解析 10
2.2.1 开环关节连杆机构 10
2.2.2 闭环平面四杆机构 14
2.3 平面齿轮五杆结构的分析 15
2.4 机构对比 15
2.5 本章总结 16
第三章 平面齿轮五杆结构设计与分析 17
3.1 平面齿轮五杆结构的发展状况 17
3.2 平面齿轮五杆结构的运动学分析 17
3.2.1 运动学模型的建立 17
3.2.2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
构 14
2.3 平面齿轮五杆结构的分析 15
2.4 机构对比 15
2.5 本章总结 16
第三章 平面齿轮五杆结构设计与分析 17
3.1 平面齿轮五杆结构的发展状况 17
3.2 平面齿轮五杆结构的运动学分析 17
3.2.1 运动学模型的建立 17
3.2.2 运动学分析 18
3.3 平面齿轮五杆结构的运动曲线 20
3.4 本章总结 20
第四章 对行走结构的运动解析与仿真 21
4.1 足端轨迹规划 21
4.1.1 足端轨迹规划 21
4.1.2 建立步行机构模型 21
4.2 利用Matlab进行运动仿真 22
4.2.1 Matlab的简要介绍 22
4.2.2 软件程序的编写与系统建模 22
4.2.3 仿真分析 22
4.3 利用Solidworks进行输出曲线验证 24
4.3.1 Solidworks的简介 24
4.3.2 Solidworks的仿真分析 24
4.4步行机构有限元分析 24
4.5 本章总结 28
第五章 四足行走机器人的整体设计 29
5.1 方案设计 29
5.1.1 传统结构存在的不足 29
5.1.2 设计要求 30
5.1.3 整体方案设计 30
5.2 结构设计 31
5.2.1 零件模型的建立 31
5.2.2 传感器的设计安装 33
5.3 模型装配 33
5.4 本章总结 35
结论 36
致谢 37
参考文献 38
附录 40
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
在科学技术日益发展的今天，也随着人类发散性思维的扩展，有关机器人的设计与使用的想法也日渐深入人心。同时，由于当今社会好多工作环境的危险性，机器人的应用于发展亦是急不可待。
1.1.1 引言
伴随着科学技术的发展，人类的思想以及工作领域的需要，机器人的使用也逐渐受到大众的关注。根据现在社会上的主流思想，步行机器人通过跨越行走的方法是现今大部分轮式机器人所没法与之相比的。众所周知，步行机器人它是利用关节来进行像动物一样的爬行方式前进。一开始，选用机械结构充当旋转腿。美国制定登月计划时曾想过使用机械式步行机构，但最终发现这种想法很难实现，还是取消了。现在，纯机械式的不行机构已很小出现，大多是机械与控制的相结合。步行机器人能够单独的在大地上行走，但是轮式的机器人只能在持续不断的大地运动；步行机器人能够在不平稳的地域上安稳流利的行走，在遇到某些特殊的障碍是，步行机器人可以采用跨越的步行方式越过阻碍物，还能够做到不直接碰触阻拦的东西，不破坏地面的完整性完成一定的动作指令。比如楼梯、小河、泥泞的地面等等。
现今，世界上成功研究制造了多种腿数繁杂的行走结构。可是国内的开发研制能力相比于世界发达国家还有不小的差距。本文主要是研究其结构设计与装配方法。要想对其进行研究则必须要涉及多种机械、电子方面的技术。步行结构在实际生产生活里用途广泛，操作简便，远远减少人们的劳动成本和提高工作安全。所以步行机器人是最合适的研究对象。其动力学系统极其复杂，这是因为其结构多种多样，运动方式和轨迹亦是各不相同。在与环境的结合，结构失稳和机器人机构的动态平衡是必须要解决的问题。但是，现今社会上步行机器人仍然有着巨大的实用价值，它可以解决很多轮式机器人无法完成的任务。这也是至今为止其它任何一种运动机械没法达到的。
现实生活中要想真正将其利用起来为人们工作还不太成功。原因是，要想设计出一个系统既能够做到质量轻、输出高、传动好又能够多方面自主运动是一个极其复杂而又困难的事。步行机器人对触觉以及力传感器等其它的传感器对环境的认知要求非常高，以此才能实现智能化的行走。另外，虽然在现实生活中我们已经能够使用很多种高级的控制方法来对步行机器人进行各种动作的控制操作，但是我们仍然要知道步行机器人它本生的机构在现在还是有不少瑕疵的。在实际生活中，要想步行机器人得以使用需要克服很多的社会和人文问题。这是因为很多工作步行机器人并不能完全满足其需求，并且在很多现实应用中要使步行机器人能够真正的应用其造价将是极高的而且需要进行长期的开发实验。所以，环境的适应能力是步行机器人开发运用的一个重大障碍，这需要我们不断的努力以及长时间的开发周期才能跨越。
本篇论文是以现有步行机器人结构方面不完善的基础上，采用平面五杆齿轮结构作为步行机器人的腿部步行结构。借此来提高四足步行机器人在多个天气环境或各种与正常地面不同的地面环境上的行走的跨越的能力与运动的平稳。本次论文选用密封隔绝的组装方法，即将其全部控制中心内置于安全区域。对行走机构的关节力和力矩的变化可以通过添加传感器检测装置的感觉，提高了四足步行机器人在各种环境中的适应性，比如在雨水、水中、风沙中行走。
1.1.2 步行机器人的应用与发展
在近代社会初期，人们根据对动物以及人类行走时的形态、运动的节奏的研究衍生出了步行机器人的想法。十九世纪七十年代初，一名英国科学家发明出一款测量工具，这种机器可以感知物品运动时的个状态点的气流变化，确定其运动规律。他的方法是把传感器安装在运动结构的腿部，根据传感器的接触与反馈以此得
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