第四章 機(jī)器人設(shè)計(jì)4.1 電機(jī)選擇4.1.1 電機(jī)扭矩機(jī)器人在滾動過程中的動力學(xué)模型可以表示成如下形式，如圖4.1所示。在該圖中將足和小腿合并，對動力學(xué)模型進(jìn)行了簡化。機(jī)器人能夠以滾動體的形式持續(xù)翻滾，就在于各關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)相對運(yùn)動使機(jī)器人的質(zhì)心相對于支撐點(diǎn)曲率圓中心有一個(gè)向前的偏置，此中心的偏置就叫做重心偏置矢量。重心偏置矢量決定了機(jī)器人滾動運(yùn)行時(shí)的速度及加速度。本課題中機(jī)器人速度要求較低，即機(jī)器人以較低的速度滾動。由模型可知，當(dāng)小腿作為支撐時(shí)，小腿關(guān)節(jié)處電機(jī)所需要的扭矩最大。圖4.1 翻滾動力學(xué)模型本課題中機(jī)器人速度要求較低，即機(jī)器人以較低的速度滾動。由模型可知，當(dāng)小腿作為支撐時(shí)，小腿關(guān)節(jié)處電機(jī)所需要的扭矩最大。機(jī)器人總共質(zhì)量設(shè)為2.5Kg,可初步選取驅(qū)動電機(jī)的最大扭矩為24.7Kg.cm.4.1.2 確定電機(jī)型號選擇的舵機(jī)型號為hitec HS-5805MG，其中MG表示金屬齒輪（BB：滾珠軸承；TG：鈦合金齒輪；TH：鈦合金高電壓齒輪；HB：帶滾珠軸承，含碳尼龍齒輪），其基本參數(shù)如表2.1所示。表3.1 hitec HS-5805MG基本參數(shù)拉力(kg.cm) 轉(zhuǎn)速(sec/600)電機(jī)型號 重量(g)4.8V 6.0V 4.8V 6.0V尺寸(長*寬*高)操作溫度 軸承類型3極鐵氧體 152 19.8 24.7 0.19 0.14 66*30*58mm -200C--+600C雙球軸承http://item.taobao.com/item.htm?id=82509744214.1.3選擇聯(lián)軸器根據(jù)前面最小端直徑的確定可以選擇合適的聯(lián)軸器。聯(lián)軸器是一種常用的軸系部件，其功能是聯(lián)接兩軸，傳遞運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所聯(lián)接的兩軸不能分離，只有當(dāng)機(jī)器停車并將聯(lián)軸器拆開后，兩軸才能分離。在選擇標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器時(shí)應(yīng)根據(jù)使用要求和工作條件，如承載能力、轉(zhuǎn)速、兩軸相對位移、緩沖吸振以及裝拆、維修更換易損元件等綜合分析來確定。具體選擇時(shí)可考慮以下因素：i．原動機(jī)和工作機(jī)的機(jī)械特性 原動機(jī)的類型不同，其輸出功率和轉(zhuǎn)速，有的是平穩(wěn)恒定的，有的是波動不均勻的，而各種工作機(jī)的載荷性質(zhì)差異更大，有的甚至是強(qiáng)烈沖擊或振動，這將直接影響聯(lián)軸器類型的選擇，是選型的主要依據(jù)之一。對于載荷為平穩(wěn)的，可選用剛性聯(lián)軸器，否則宜選用撓性聯(lián)軸器。ii．聯(lián)軸器連接的軸系及其運(yùn)轉(zhuǎn)情況 對于連接軸系的質(zhì)量大、轉(zhuǎn)動慣量大，而又經(jīng)常啟動、變速或反轉(zhuǎn)的，應(yīng)考慮選用能承受較大瞬時(shí)過載，并能緩沖吸振的聯(lián)軸器。iii．工作機(jī)的轉(zhuǎn)速高低 對于需高速運(yùn)轉(zhuǎn)的兩軸連接，應(yīng)考慮選擇聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)具有高平衡精度特性，以削除離心力產(chǎn)生的振動和噪聲，避免相關(guān)元件因磨損和發(fā)熱而降低傳動質(zhì)量和使用壽命。iv．聯(lián)軸器的對中和對保持程度 保持良好的對中是正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提，可防止產(chǎn)生過大附加載荷及其他不良工況。選擇的聯(lián)軸器不但要補(bǔ)償安裝時(shí)難免存在的一定相對偏差，還應(yīng)預(yù)計(jì)到能補(bǔ)償兩軸在運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的相對位移。v．聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)及工作特性 聯(lián)軸器的外形尺寸，安裝、拆卸所需的空間大小和難易程度以及對維護(hù)的要求等都應(yīng)與連接裝置的具體配置和要求相適應(yīng)。vi．聯(lián)軸器的可靠性、使用壽命和工作環(huán)境 對于要求運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，不允許運(yùn)轉(zhuǎn)工作臨時(shí)中斷的傳動，最好選用不需潤滑、無非金屬彈性元件的聯(lián)軸器。高溫和含有腐蝕性介質(zhì)的場所應(yīng)避免使用橡膠彈性元件的聯(lián)軸器。有灰塵、潮濕的環(huán)境應(yīng)使用有罩殼的聯(lián)軸器。vii．聯(lián)軸器的制造、安裝和維護(hù)的成本。根據(jù)軸最小端裝的為連軸器，所以聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為 ，查表并TKAca?考慮到轉(zhuǎn)矩變化很小，故取 =1.3，則：AK=1.3×180=234N·mmTKAca?按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩 應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，查標(biāo)準(zhǔn) GB/T5014-1985，ca選用 HL1 型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為 300N·mm。半聯(lián)軸器的 d=19mm；半聯(lián)軸器長度 L=32mm,半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度 =30mm。1L該聯(lián)軸器標(biāo)記為： 19325048JAHLGB??4.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.1 材料選擇可變形仿生翻滾四足機(jī)器人要求質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)緊湊。使用舵機(jī)直接驅(qū)動，故而要求質(zhì)量輕。將機(jī)器人的結(jié)構(gòu)用板材來替代，可以大大降低機(jī)器人的質(zhì)量。要求機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛性好，便于加工，切能夠盡量減少機(jī)器人制作的成本。在本課題中選擇厚度為5mm的鋁合金板材制作四足機(jī)器人。鋁合金較之其它金屬材料相比，具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：1、密度小。鋁及鋁合金的密度接近2.7g/,約為鐵或銅的1/3。2、強(qiáng)度高。鋁及鋁合金的強(qiáng)度高。經(jīng)過一定程度的冷加工可強(qiáng)化基體強(qiáng)度,部分牌號的鋁合金還可以通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化處理。3、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好。鋁的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能僅次于銀、銅和金。4、耐蝕性好。鋁的表面易自然生產(chǎn)一層致密牢固的AL2O3保護(hù)膜，能很好的保護(hù)基體不受腐蝕。通過人工陽極氧化和著色，可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好的變形鋁合金。5、易加工。添加一定的合金元素后，可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好的變形鋁合金。 4.2.2 機(jī)體設(shè)計(jì)可變形四足機(jī)器人要求機(jī)器人的外部輪廓曲線為圓弧形，故而作為機(jī)器人重要組成部分的本體也必須設(shè)計(jì)成圓弧外部輪廓。驅(qū)動電機(jī)安裝圓弧直徑為300mm,電機(jī)在水平方向的安裝距離為280mm，機(jī)體最外沿的輪廓直徑為360mm。機(jī)體的具體尺寸圖詳見圖紙。由舵機(jī)外部安裝特點(diǎn)，將舵機(jī)用螺栓固定在機(jī)體上。機(jī)體由圖4.2所示的兩塊鋁合金板所組成，中間用支撐架聯(lián)接，支撐架的長度即機(jī)體的寬度為180mm。支撐架和電機(jī)聯(lián)接螺栓的尺寸都取為直徑6mm。圖 4.2 機(jī)體示意圖電機(jī)聯(lián)接螺栓的作用是固定電機(jī)，使電機(jī)與固定件間無相對運(yùn)動。在連接裝配時(shí)，螺母需要擰緊，在擰緊力矩作用下，螺栓除了受到預(yù)緊力的作用還受螺紋摩擦力矩，使螺栓處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力下。因此在進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮拉伸應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用。螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸應(yīng)力為： 00214FAd???式中，d1為螺栓危險(xiǎn)截面的直徑。預(yù)緊螺栓時(shí)由螺紋力矩T產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力為： ??023 2111/6/4vFdtgd???????近似為 0.5?由于螺栓材料為塑性材料，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，求出螺栓在預(yù)緊狀態(tài)下的計(jì)算應(yīng)力為 22223(0.5) 1.ca????故而螺栓危險(xiǎn)截面直徑尺寸的計(jì)算公式為 014.[]Fd????取鋁合金的許用拉伸應(yīng)力 為 420MPa. 螺栓組（4 個(gè)螺栓組成）承受的力為舵[]?機(jī)的重量，約為 200g. 故而0 614.30.2981.[].9.Fm??????由上述計(jì)算可以看出電機(jī)聯(lián)接螺栓的強(qiáng)度合格。同理，顯然機(jī)體聯(lián)接螺栓也合格。在以下部件的螺栓聯(lián)接校核部分省略，因?yàn)槿〉氖峭瑯拥闹睆?，故而同樣合格?.2.3 大腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人大腿也同樣采用外輪廓為圓弧形。其最大外輪廓直徑為 360mm，電機(jī)安裝圓弧直徑為 300mm。圖 4.3 大腿機(jī)構(gòu)示意圖4.2.4 小腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)小腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與大腿略有不同，因?yàn)樵跈C(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃中有一個(gè)環(huán)節(jié)需要小腿內(nèi)側(cè)觸地，支撐整個(gè)機(jī)器人完成翻滾動作。小腿機(jī)構(gòu)示意圖如圖 4.4.圖 4.4 大腿機(jī)構(gòu)示意圖4.2.5 足部設(shè)計(jì)如前所述，在小腿觸地使機(jī)器人翻滾過程中，為了使小腿與地面的摩擦足夠大，應(yīng)使小腿內(nèi)側(cè)與地面完全接觸，而非契形接觸。這樣有利于增加受力面積，改善其動力學(xué)性能。為了使小腿內(nèi)側(cè)邊與地面完全接觸，設(shè)計(jì)使足關(guān)節(jié)的高度與小腿電機(jī)安裝中心點(diǎn)到內(nèi)側(cè)平面的距離相當(dāng)。足部的示意圖如圖 4.5 所示。圖 4.5 足部結(jié)構(gòu)圖