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寧XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
小型智能移動(dòng)機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
近代的工業(yè)機(jī)器人是由目標(biāo)機(jī)械本體、控制器系統(tǒng)、傳感裝置系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和伺服動(dòng)力器系統(tǒng)組成，是一種模仿人的操作、自動(dòng)化控制、可多次編程、能在立體空間完成各式各樣作業(yè)的Mechatronics設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人對(duì)于提高和確保產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)的效率，改善工人的工作條件和快速更新產(chǎn)品起著非常重要的作用。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)結(jié)合了多們學(xué)科的知識(shí)。包含機(jī)構(gòu)學(xué)、計(jì)算機(jī)、控制論、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等。它是當(dāng)代十分活躍，應(yīng)用非常廣泛的領(lǐng)域。
機(jī)器人具有很多人類所不具有的能力，包括快速分析環(huán)境能力；抗干擾能力強(qiáng)，能長時(shí)間工作和工作精度高?？梢哉f機(jī)器人是工業(yè)進(jìn)步的產(chǎn)物，它也發(fā)揮了在當(dāng)今工業(yè)的至關(guān)重要的作用。如今，機(jī)器人工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。
隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，提出了新要求，為提高機(jī)器人教學(xué)教育的水平，我們研制出一套以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目的的機(jī)器人演示系統(tǒng)。
本文闡述了機(jī)器人的發(fā)展歷史，國內(nèi)外的應(yīng)用狀況，及其巨大的優(yōu)越性，提出了具體的機(jī)器人設(shè)計(jì)要求和進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)和各自由度的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算；
在分析國內(nèi)外智能移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種新型移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)——將輪式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和步行式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合，在兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過一些簡單的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)單方向的步態(tài)行走。同時(shí)配合車輪運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人不僅具有一般輪式機(jī)器人移動(dòng)速度快、控制簡單的特點(diǎn)，還具有較好的越障能力。本文對(duì)這種新型移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了越障功能的分析，并對(duì)步行機(jī)構(gòu)做了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。為了設(shè)計(jì)各部件的結(jié)構(gòu)，確定各車輪所需的驅(qū)動(dòng)力矩，在簡化車輪與地面接觸關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了機(jī)器人的準(zhǔn)靜態(tài)模型，進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)分析，從而獲得機(jī)器人在步態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)各部件的受力狀況。
關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人，步態(tài)行走，機(jī)器人；工業(yè)；傳動(dòng)；強(qiáng)度
V
Abstract
Industrial robot is composed of goal of modern mechanical body, control system, sensor system, control system and servo actuator system, is a kind of to imitate human operation, automatic control, but many programming, to every kind of operation Mechatronics device in three-dimensional space. Industrial robot to enhance and ensure the quality of products, improve production efficiency, plays a very important role in improving the working conditions of workers and the rapid updating of product. Industrial robot technology combines multiple subject knowledge. Contains the mechanism, computer, control theory, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics. It is very active, very broad application of the field.
The robot has a lot of people do not have, including rapid analysis of environmental capacity; strong anti-interference ability, can work for a long time and high precision work. The robot can be said is a product of industrial progress, it also plays a vital role in today's industry. Today, the robotics industry has become the world the concern of the industry.
With the rapid development of robot technology, is constantly expanding the scope of application of industrial robots, puts forward new requirements, in order to improve the robot teaching education level, we developed a set of experimental teaching for the purpose of demonstration of the robot system.
This paper expounds the developing history of robots, the application status at home and abroad, and its great superiority, proposed the design requirements of concrete and the concrete structure calculation design, overall design and various degrees of freedom;
Based on the analysis of domestic and international research status of the intelligent mobile robot, this paper designed a new type of mobile robot structure -- the wheel drive system and the movement mechanism of combining in walking, driving the two motors, through some simple transmission mechanism, so that the robot can realize single direction gait. At the same time with the movement of the wheels, the robot not only has the characteristics of mobile speed fast, simple control of wheeled robot obstacle crossing ability, also has the good. This paper analyzes the obstacle function of this new mobile robot, and the walking mechanism kinematic analysis. In order to each component design structure, determine the driving torque of each wheel is required, based on simplifying the wheel and the ground contact relationship, establish the quasi static model of the robot, quasi static analysis is carried out, so as to obtain the stress state of the robot components in the gait motion at.
Keywords: mobile robot, gait, the robot industry; transmission; strength
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1 機(jī)器人概念 1
1.2 課題研究的背景和意義 1
1.3 國內(nèi)機(jī)器人的研究 2
1.4國外研究現(xiàn)狀 4
1.5機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù) 5
1.5.1 機(jī)器人的發(fā)展 5
1.5.2 機(jī)器人技術(shù) 5
1.6 本文主要研究內(nèi)容 6
第2章 小型智能移動(dòng)機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 7
2.1機(jī)器人工程概述 7
2.2 工業(yè)機(jī)器人車體機(jī)構(gòu)方案論述 8
2.3 小型智能移動(dòng)機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)原理 8
第3章 后輪驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 11
3.1 后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上部的四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.2 后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.2.1確定設(shè)計(jì)變量 18
3.2.2建立目標(biāo)函數(shù) 18
3.2.3確定約束條件 19
3.2.4寫出優(yōu)化數(shù)學(xué)模型 21
3.3 步行機(jī)構(gòu)受力分析 21
3.4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
3.4.1按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算 24
3.4.2按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算 25
3.4.3軸的剛度計(jì)算概念 26
3.4.4軸的設(shè)計(jì)步驟 26
3.5各軸的計(jì)算 26
3.5.1高速軸計(jì)算 26
3.5.2中間軸設(shè)計(jì) 29
3.5.3低速軸設(shè)計(jì) 32
3.6軸的設(shè)計(jì)與校核 35
3.6.1高速軸設(shè)計(jì) 35
3.6.2中間軸設(shè)計(jì) 35
3.6.3 低速軸設(shè)計(jì) 36
3.6.4高速軸的校核 36
3.7 軸承的設(shè)計(jì)及校核 37
3.7.1軸承種類的選擇 37
3.7.2深溝球軸承結(jié)構(gòu) 37
3.7.3軸承計(jì)算 39
第4章 整體車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 41
4.1 小車行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 41
4.1.1車體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇 41
4.1.2小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的確定 42
4.2 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算 45
4.2.1 蝸桿的選型 45
4.2.2 蝸桿副的材料 45
4.2.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 45
4.2.4 蝸桿和蝸輪的主要計(jì)算參數(shù)和幾何尺寸 48
4.2.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 49
4.3 車輪部位電機(jī)選擇 50
4.4 本章小結(jié) 50
總結(jié)與展望 52
參 考 文 獻(xiàn) 53
致 謝 54
第1章 緒論
第1章 緒論
1.1 機(jī)器人概念
機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。
機(jī)器人是近50年才迅速發(fā)展起來的一種有代表性的、機(jī)械和電子控制系統(tǒng)組成的、自動(dòng)化程度高的生產(chǎn)工具。在生產(chǎn)制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。它自動(dòng)化程度高，對(duì)改善勞動(dòng)條件，確保產(chǎn)品質(zhì)量和提升工作效率，起到非常重要的作用?？梢哉f他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術(shù)革命。
機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，仿人型機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究仿人型機(jī)器人需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。機(jī)器人是仿人型機(jī)器人的一種。
1959年，世界上誕生了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿人型機(jī)器人的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展。世界著名機(jī)器人專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是功能”。其中雙足是方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛迪生也曾說過這樣一句話：“上帝創(chuàng)造人類，兩條腿是最美妙的杰作”。系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)的環(huán)境要求很低，既能在平地上，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上，對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性。功能的具備為擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域開辟了無限廣闊的前景。
研究機(jī)器人的原因和目的，主要有以下幾個(gè)方面：希望研制出機(jī)構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動(dòng)領(lǐng)域；希望更多得了解和掌握人類得特性，并利用這些特性為人類服務(wù)，例如：人造假肢。系統(tǒng)具有豐富的動(dòng)力學(xué)特性，在這方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)器人的研究方向；機(jī)器人可以作為一種智能機(jī)器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用。
1.2 課題研究的背景和意義
由于現(xiàn)代科技的發(fā)展，無論是在工業(yè)生產(chǎn)中還是人類日常生活，機(jī)器人技術(shù)都得到廣泛的應(yīng)用。研究智能類人機(jī)器人是近年科學(xué)家一致致力于的方向。類人機(jī)器人是以人類模型的，它能仿照人類各種動(dòng)作和具有人類的外部特征。未來機(jī)器人管家將不是夢。
按機(jī)器人結(jié)構(gòu)的不同，機(jī)器人又可以分很多種。輪式移動(dòng)機(jī)器人、履帶機(jī)器人、機(jī)器手、步行機(jī)器人等等。值得一提的是步行機(jī)器人，他是近年來類人機(jī)器研究的重要成果。它的移動(dòng)方式跟大多數(shù)動(dòng)物一樣甚至可以跟人類一下。這是一種很復(fù)雜的自動(dòng)化程度很高的運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的輪式和履帶機(jī)器人，他對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。能在很小的空間作業(yè)，在不平的道路上如履平地，上下樓梯等等。 將來不久，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)得到非常廣泛應(yīng)用。
在機(jī)器人研究、制作中，運(yùn)用電腦對(duì)設(shè)計(jì)出來的機(jī)器人進(jìn)行仿真是一項(xiàng)非常重要的過程。機(jī)器人仿真包含零件建模，零件裝配，最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。通過仿真，設(shè)計(jì)員可以很直觀的觀察到各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況，知道有沒有出現(xiàn)干涉；可以清楚知道各個(gè)部件的受力情況，得出各種模擬數(shù)據(jù)。這種方法大大節(jié)約了研制時(shí)間和成本。
1.3 國內(nèi)機(jī)器人的研究
工業(yè)機(jī)器人在日本應(yīng)用的歷史非常悠久。在七十年代時(shí)工業(yè)機(jī)器人首先得到應(yīng)用，然后經(jīng)過十年的發(fā)展，在八十年代的時(shí)候工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)得到普及。相應(yīng)的他們工業(yè)年產(chǎn)值也得到了快速提高。1980年達(dá)到一千億日元，到1990年提高到六千億日元。在2004年時(shí)已達(dá)到了一萬八千五百億日元?？梢姽I(yè)機(jī)器人在提高生產(chǎn)效益方面的重要性。
在國際方面，各個(gè)國家已經(jīng)意識(shí)到工業(yè)機(jī)器人的重要性。所以工業(yè)機(jī)器人的訂單急速上升。在2003年的訂單量相對(duì)于2002年增長了百分之10。此后工業(yè)機(jī)器人的需求量仍然不斷上升。從2001年到2006年全球訂單增長多達(dá)90000多臺(tái)。平均年增長為7%。
國際工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向:
機(jī)器人涉及到非常多學(xué)科的知識(shí)和領(lǐng)域。包括：計(jì)算機(jī)、電子、控制、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)、控制、機(jī)械等等。機(jī)器人的發(fā)展離不開上述學(xué)科的發(fā)展。正是由于各個(gè)學(xué)科的相互影響和綜合集成，才能制造出自動(dòng)化程度高的及其人。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人在應(yīng)用得范圍越來越廣泛；技術(shù)也越來越得到調(diào)高，功能更加強(qiáng)大?，F(xiàn)在很對(duì)機(jī)器人的研究都往小型化發(fā)展。機(jī)器人將會(huì)更多的進(jìn)入到人們的日常生活中去?？傮w的發(fā)展趨勢是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、更加智能化。
工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，對(duì)提升產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)能、保障人員安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，降低勞動(dòng)的強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，起著一個(gè)十分重要的作用。工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用體現(xiàn)以人為本的原則，它的出現(xiàn)讓人們的生活更加便利和美好。
國內(nèi)機(jī)器人的研制工作起步較晚，我國是從20世紀(jì)80年代開始機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃，1987年，我國的“863”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國從事機(jī)器人研究與應(yīng)用開發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后取得了一定的成就。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1986年開始研究機(jī)器人，先研制成功靜態(tài)雙足機(jī)器人HIT-I，高 110cm，重70kg，有10個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)平地上的前進(jìn)、左右側(cè)行以及上下樓梯的運(yùn)動(dòng)，步幅45cm，步速為10秒/步，后來又相繼研制成功了HIT-II和HIT-III，重42kg，高 103cm，有12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了步長24cm，步速2.3步每秒的。目前正在研制的HI下IV機(jī)器人，全身可有52個(gè)自由度，其在運(yùn)動(dòng)速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型機(jī)器人[3～7]。
國防科技大學(xué)在1988年春成功地研制了一臺(tái)平面型6自由度的雙足機(jī)器人KDW-1，它能前進(jìn)、后退和上下樓梯，最大步幅為40cm，步速為4步每秒，1989年又研制出空間型 KDW-II，有10個(gè)自由度，高69cm，重13kg實(shí)現(xiàn)進(jìn)退、上下臺(tái)階的靜態(tài)穩(wěn)定以及左右的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)。1990年在KDW-II的平臺(tái)上增加兩個(gè)垂直關(guān)節(jié)，發(fā)展成KDW-III，有12個(gè)自由度，具備了轉(zhuǎn)彎功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的全方位。1995年實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)，步速0.8步每秒，步長為20cm～22cm，最大斜坡角度達(dá)13度。2000年底在KDW-III的基礎(chǔ)上研制成功我國首臺(tái)仿人形機(jī)器人“先行者”，動(dòng)態(tài)，可在小偏差、不確定的環(huán)境，周期達(dá)每秒兩步，高1.4m，重20kg，有頭、眼、脖、身軀、雙臂、雙足，且具備一定的語言功能[8～13]。
此外，清華大學(xué)正在研制仿人形機(jī)器人THBIP-I，高1.7m，重130kg，32個(gè)自由度，在清華大學(xué)985計(jì)劃的支持下，項(xiàng)目也在不斷取得進(jìn)展。南京航空航天大學(xué)曾研制了一臺(tái)8自由度空間型機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)功能[13,14]。
本課題源于“第一屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中機(jī)器人。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是機(jī)器人還是鳳毛麟角。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。
1.4國外研究現(xiàn)狀
最早系統(tǒng)地研究人類和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像機(jī)，即一組電動(dòng)式觸發(fā)照相機(jī)，并在1877年成功地拍攝了許多四足動(dòng)物和奔跑的連續(xù)照片。后來這種采用攝像機(jī)的方法又被Demeny用來研究人類的運(yùn)動(dòng)。從本世紀(jì)30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動(dòng)力學(xué)的角度也對(duì)人類和動(dòng)物的機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并就運(yùn)動(dòng)作了非常形象化的描述。
真正全面、系統(tǒng)地開展機(jī)器人的研究是始于本世紀(jì)60年代．迄今，不僅形成了機(jī)器人一整套較為完善的理論體系，而且在一些國家，如日本、美國和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的機(jī)器人樣機(jī)。這一部分，我們主要介紹隊(duì)60年代到1985年這一時(shí)期，在機(jī)器人領(lǐng)域所取得的最重要進(jìn)展。
在60年代和70年代，對(duì)機(jī)器人控制理論的研究產(chǎn)生了3種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這3種控制方法對(duì)各種類型的機(jī)器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來的 ，模型參考控制是由美國的Farnsworth在1975年提出來的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅·鮑賓研究所著名的機(jī)器人學(xué)專家Vukobratovic博士在1969年至1972年問提出來的。這3種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況[1]。
在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的Bessonov和Umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)”，Kugushev和Jaro-
shevskij定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于而且也適應(yīng)于多足機(jī)器人。其中，自由步態(tài)是相對(duì)于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么機(jī)器人在時(shí)，下一步腳應(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來考慮，而是應(yīng)該象登山運(yùn)動(dòng)員那樣走一步看一步，通過某一優(yōu)化準(zhǔn)則來確定，這就是所謂的自由步態(tài)。
在機(jī)器人的穩(wěn)定性研究方面，美國的Hemami等人曾提出將系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡化模型看作是一個(gè)倒立振子(倒擺)，從而可以將的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)解釋為使振子直立的問題。此外，從減小控制的復(fù)雜性考慮，Hemami等人還曾就機(jī)器人的“降階模型”問題進(jìn)行了研究。
前面我們?cè)赋鯲ukobratovic也對(duì)類人型系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個(gè)系統(tǒng)的功率隨時(shí)間的變化關(guān)系，并沒有過多地涉及能耗最優(yōu)這個(gè)問題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個(gè)有用的結(jié)論，即姿態(tài)越平滑，類人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。
1.5機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù)
1.5.1 機(jī)器人的發(fā)展
20世紀(jì)40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。60年代美國的ConsolidatedContr01公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機(jī)器人。20世紀(jì)70年代以來，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機(jī)器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學(xué)哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文。1970年，第一次國際機(jī)器人會(huì)議在美國舉行。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化階段。目前，盡管關(guān)于機(jī)器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認(rèn)為機(jī)器人的發(fā)展按照從低級(jí)到高級(jí)經(jīng)歷了三代。第一代機(jī)器人，主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人，其只能依靠人們給定的程序，重復(fù)進(jìn)行各種操作。目前的各類工業(yè)機(jī)器人大都屬于第一代機(jī)器人。第二代機(jī)器人是具有一定傳感器反饋功能的機(jī)器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對(duì)象的簡單信息，通過計(jì)算機(jī)處理、分析，機(jī)器人按照己編好的程序做出一定推理，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)的智能。當(dāng)前，對(duì)第二代機(jī)器人的研究著重于實(shí)際應(yīng)用與普及推廣上。第三代機(jī)器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機(jī)器人。它具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨(dú)立行動(dòng)。第三代機(jī)器人又稱為智能機(jī)器人，并己成為機(jī)器人學(xué)科的研究重點(diǎn)，但目前還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段。機(jī)器人技術(shù)己成為當(dāng)前科技研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用。可以預(yù)見到，機(jī)器人將在21世紀(jì)人類社會(huì)生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。
1.5.2 機(jī)器人技術(shù)
機(jī)器人學(xué)是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學(xué)科，該學(xué)科涉及領(lǐng)域廣泛，集中了機(jī)械工程、電氣與電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程、生物科學(xué)以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最新成就。機(jī)器人充分體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長，它比傳統(tǒng)機(jī)器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。目前，機(jī)器人及其自動(dòng)化成套裝備己成為國內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，與此同時(shí)它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂等各個(gè)領(lǐng)域滲透。目前，雖然機(jī)器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學(xué)科的發(fā)展和社會(huì)需要的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢，如網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)、虛擬機(jī)器人技術(shù)、協(xié)作機(jī)器人技術(shù)、微型機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等。
1.6 本文主要研究內(nèi)容
第1章 緒論 主要介紹機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)和本課題研究的任務(wù)和要求.
第2章 總體方案設(shè)計(jì),介紹該機(jī)器人各部分的相關(guān)知識(shí)和總體設(shè)計(jì).
第3章 機(jī)器人各部分設(shè)計(jì)的介紹
第4章 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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第2章 小型智能移動(dòng)機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.1機(jī)器人工程概述
從系統(tǒng)功能的觀點(diǎn)來看，將一部復(fù)雜的機(jī)器看成是一個(gè)系統(tǒng)，它由若干個(gè)子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機(jī)地聯(lián)系在一起，是一個(gè)不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一個(gè)整體的特定功能。因此，在設(shè)計(jì)一部較復(fù)雜的機(jī)器時(shí)，從機(jī)器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有如下特性：
（1） 整體性 由若干個(gè)不同性能的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)總的機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有作為一個(gè)整體的特定功能。
（2） 相關(guān)性 系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間有機(jī)聯(lián)系、有機(jī)作用，具有某種相互關(guān)聯(lián)的特性。
（3） 目的性 每個(gè)系統(tǒng)都應(yīng)有明確的目的和功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的組合方式?jīng)Q定于系統(tǒng)的目的和功能。
（4） 環(huán)境適應(yīng)性 任何一個(gè)系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應(yīng)外部環(huán)境的變化。
因此，在進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要重視組成機(jī)器人系統(tǒng)的各個(gè)部件、零件的設(shè)計(jì)，更應(yīng)該按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)，根據(jù)機(jī)器人的功能要求，將組成機(jī)器人系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良適于工作需要的機(jī)器人產(chǎn)品。在比較復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中大致包括如下:操作機(jī)，它是完成機(jī)器人工作任務(wù)的主體，包括機(jī)座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和機(jī)構(gòu)等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包括作為動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)單元，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由各種傳動(dòng)零、部件組成的傳動(dòng)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)，它主要包括具有運(yùn)算、存儲(chǔ)功能的電子控制裝置（計(jì)算機(jī)或其他可編程編輯控制裝置），人——機(jī)接口裝置（鍵盤、示教盒等），各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設(shè)備的輸入/輸出通訊接口，內(nèi)部和外部傳感器以及其他通用或?qū)Ｓ玫耐鈬O(shè)備［14］。
工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)在于它在功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性，因而工業(yè)機(jī)器人能有效地應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)中來完成傳送零件或材料，進(jìn)行裝配或其他操作。在柔性制造系統(tǒng)中，基本工藝設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床、鍛壓、焊接、裝配等生產(chǎn)設(shè)備）、輔助生產(chǎn)設(shè)備、控制裝置和工業(yè)機(jī)器人等一起形成了各種不同形式地工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合體地工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門，如建筑、采礦、交通運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)領(lǐng)域引用機(jī)器人系統(tǒng)亦是如此。
2.2 工業(yè)機(jī)器人車體機(jī)構(gòu)方案論述
負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對(duì)象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設(shè)計(jì)給的設(shè)計(jì)參數(shù)可初估本次設(shè)計(jì)屬于小負(fù)載。
驅(qū)動(dòng)方式
由于伺服電機(jī)具有控制性能好，控制靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，對(duì)環(huán)境沒有影響，體積小，效率高，適用于運(yùn)動(dòng)控制要求嚴(yán)格的中、小型機(jī)器人等特點(diǎn)，故本次設(shè)計(jì)采用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)
（三）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
機(jī)器人傳動(dòng)裝置中應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，在傳動(dòng)鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和位置控制精度。在機(jī)器人中常采用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)、同步齒形帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、行星齒輪傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)和鋼帶傳動(dòng)等，由于齒輪傳動(dòng)具有效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，且大學(xué)學(xué)習(xí)掌握的比較扎實(shí)，故本次設(shè)計(jì)選用齒輪傳動(dòng)。
（四）工作范圍
工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過程中操作范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡來確定，用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇
（五） 運(yùn)動(dòng)速度
機(jī)器人操作機(jī)手臂的各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定后，按照循環(huán)時(shí)間安排確定每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，就能進(jìn)一步確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度，用m/s或（°）/s表示，各動(dòng)作的時(shí)間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時(shí)間的長短，各動(dòng)作之間順序是依序進(jìn)行還是同時(shí)進(jìn)行等。應(yīng)試做各動(dòng)作時(shí)間的分配方案表，進(jìn)行比較，分配動(dòng)作時(shí)間除考慮工藝動(dòng)作的要求外，還應(yīng)考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動(dòng)和控制方式、定位方式和精度等要求。
2.3 小型智能移動(dòng)機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)原理
三個(gè)車輪著地。由于始終有三個(gè)車輪著地，即使行走速度較慢，也可以保證整個(gè)車體的穩(wěn)定性。另外，當(dāng)機(jī)器人處于六個(gè)車輪同時(shí)著地時(shí)，可以通過各車輪上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)各車輪，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。
采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車輪一體化結(jié)構(gòu)，即電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)。在部分車輪與連桿機(jī)構(gòu)的連接處裝有舵機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。在車體上設(shè)有中央控制單元，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行控制。這樣，六個(gè)車輪在結(jié)構(gòu)上集驅(qū)動(dòng)、減速、傳動(dòng)和位置監(jiān)測于一身，減少了傳動(dòng)環(huán)節(jié)和車體重量，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。
控制模式考慮采用自主導(dǎo)航和遠(yuǎn)距離控制相結(jié)合的模式。車上設(shè)有傳感和視覺系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，機(jī)器人本身具有一定自主導(dǎo)航能力，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。同時(shí)視覺系統(tǒng)可以把視覺內(nèi)容通過無線設(shè)備傳遞給遙控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙控功能。
機(jī)器人自帶蓄電池等能源設(shè)備，可以在一定時(shí)間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源的自動(dòng)供給，保證機(jī)器人在失去外部電源的情況下能自動(dòng)返回出發(fā)地。驅(qū)動(dòng)元件在機(jī)器人中的作用相當(dāng)于人體的肌肉。為了完成預(yù)定的動(dòng)作，機(jī)器人必須具備前進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵。在所有的驅(qū)動(dòng)元件中，電機(jī)是最常用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)前許多仿生機(jī)器人也有用液壓元件、氣動(dòng)元件以及一些特殊材料來作驅(qū)動(dòng)器。本文主要采用電機(jī)作為該新型智能移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件。對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制，才能使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)。
目前，電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置主要有以下兩種布置方式： ’
(1)集中驅(qū)動(dòng)方式。即把驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在車體上，在通過傳動(dòng)裝置，將動(dòng)力輸出到每個(gè)車輪上，使車輪運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)汽車便是典型的集中驅(qū)動(dòng)方式。對(duì)于智能移動(dòng)機(jī)器人，集中驅(qū)動(dòng)方式并不合適，主要是由于其難以實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向，對(duì)車體進(jìn)行精確定位。
(2)集中控制——分布驅(qū)動(dòng)方式。即在每個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪上都設(shè)置電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)向。電機(jī)由安裝在車體上的中央控制元件控制其轉(zhuǎn)動(dòng)速度。這種結(jié)構(gòu)簡單，而且便于實(shí)現(xiàn)，有利于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能的發(fā)揮引。目前各國的空間探測車均采用這種驅(qū)動(dòng)方式。
本方案采用集中控制——分散驅(qū)動(dòng)方式。車輪和前進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)做成一體式結(jié)構(gòu)，即為電動(dòng)輪。在車輪和支架連接處，裝設(shè)轉(zhuǎn)向電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)向。車輪的直徑對(duì)機(jī)器人的速度和越障能力都有很大的影響。使用同樣的電機(jī)，車輪直徑增加，機(jī)器人的速度會(huì)同時(shí)增加，二者之間是一種線性關(guān)系。另外，按照車輛理論的分析，車輪的直徑增大可以明顯提高機(jī)器人的越障能力。但是，車輪直徑變大的同時(shí)，車輪表面所受的電機(jī)轉(zhuǎn)矩卻會(huì)下降。根據(jù)車輛地面力學(xué)理論，剛性車輪的寬度越寬，車輪的土壤沉陷量越小，土壤的壓實(shí)阻力也就越。不過，車輪變寬后，機(jī)器人的轉(zhuǎn)向阻力也會(huì)變大。另外，增加車輪的直徑比增加車輪寬度對(duì)減小壓實(shí)阻力更為有效。因此，必須根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定車輪直徑和寬度，不能盲目加大車輪直徑和寬度。
本智能機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)為多連桿機(jī)構(gòu)，擬采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)端點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，通過連桿傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)落足點(diǎn)周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退以及一定范圍內(nèi)的越障。步行機(jī)構(gòu)如圖3．1所示。為了簡化示意圖，現(xiàn)將連桿用直線表示，鉸接點(diǎn)用圓圈表示。連桿機(jī)構(gòu)簡圖如圖3．2所示。
現(xiàn)取各桿件的長度為L1=L8=224mm、L2=L5=L9=L4=200mm、L3=L7=100mm、L6=L10=330mm、L11=100mm、固定點(diǎn)A、B間的距離為240mm。
第3章 后輪驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)
3.1 后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上部的四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
連桿機(jī)構(gòu)是最常用的機(jī)構(gòu)，因此連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中十分重要，研究工作開展得也最為廣泛。有大量的文獻(xiàn)介紹有關(guān)平面四桿機(jī)構(gòu)、平面五桿機(jī)構(gòu)、柔性連桿機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、槽輪連桿機(jī)構(gòu)、凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)和齒輪連桿等機(jī)構(gòu)的優(yōu)化。鑒于四連桿機(jī)構(gòu)的典型性，本節(jié)結(jié)合四連桿機(jī)構(gòu)的函數(shù)再現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，闡述連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化問題的一般方法及流程。
四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的參量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使得機(jī)構(gòu)給定的運(yùn)動(dòng)和機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)之間誤差最小。因此四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程，就是尋找使得四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)誤差最小的一組機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參量。四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參量確定后，就可認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化模型建立和優(yōu)化模型求解二個(gè)主要過程。通過對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的分析確定優(yōu)化方案，確定設(shè)計(jì)變量，給出目標(biāo)函數(shù)，并將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制約條件，如桿長條件、傳動(dòng)角條件等，寫成相應(yīng)的約束條件，即可建立機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。
下面介紹四連桿機(jī)構(gòu)函數(shù)再現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的建立。連桿機(jī)構(gòu)函數(shù)再現(xiàn)設(shè)計(jì)主要通過選取輸人構(gòu)件和輸出構(gòu)件相對(duì)應(yīng)若干位置、采用機(jī)構(gòu)圖解法或分析法確定機(jī)構(gòu)各參數(shù)。圖1是典型的平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，、、和分別表示于四個(gè)構(gòu)件的長度，桿AB是輸入構(gòu)件。假設(shè)圖1所示的平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)再現(xiàn)給定函數(shù)為，即，則機(jī)構(gòu)位置取決于、、、鉸鏈A的位置、AD與機(jī)架x軸夾角以及輸人構(gòu)件轉(zhuǎn)角等七個(gè)變量。
為簡化問題，可令A(yù)的位置為，，構(gòu)件的長度為1(參考構(gòu)件)，由此可將問題維數(shù)降為四維，并不影響構(gòu)件輸入、輸出的函數(shù)關(guān)系。由此可以得到輸出構(gòu)件轉(zhuǎn)角外與輸入構(gòu)件轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系式：
（1）
機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)就是使得輸出構(gòu)件轉(zhuǎn)角與給定值在，所有位置上的誤差最小。因此機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)可用下式表示
（2）
當(dāng)輸入構(gòu)件轉(zhuǎn)角為時(shí)，輸出構(gòu)件轉(zhuǎn)角外可由下式求得，
（3）
式中：
所以
（4）
將上式代入式（3），并令代表設(shè)計(jì)變量、、及，機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)可寫為：
（5）
????機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件應(yīng)根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況確定。例如曲柄搖桿式四連桿機(jī)構(gòu)必須滿足如下關(guān)系式：
或
（6）
????如果機(jī)構(gòu)要求傳動(dòng)靈活可靠，則傳動(dòng)角應(yīng)滿足：
或
其中
從上式可知，傳動(dòng)角隨的變化而變化，當(dāng)為最大值時(shí)，為最小，為最小值時(shí)，為最大。要滿足上式條件，約束方程應(yīng)為：
曲柄搖桿機(jī)構(gòu)有，因此，約束方程為
（7）
????當(dāng)所選定的設(shè)計(jì)變量為構(gòu)件長度時(shí)，則構(gòu)件長度必須是正數(shù)，即約束方程為
式中是為了使構(gòu)件長度不小于而設(shè)的。
????此外，由于具體結(jié)構(gòu)尺寸的限制，往往對(duì)某些構(gòu)件的長度限定在某一范圍內(nèi)選取，例如連桿BC的長度最短為的倍，最長為的倍，即
則約束方程為
（8）
????下面介紹再現(xiàn)函數(shù)為的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
????先變換給定函數(shù)為，并設(shè)輸人構(gòu)件初始角為，輸出構(gòu)件初始角為，選取輸入構(gòu)件的轉(zhuǎn)角為,輸出構(gòu)件的轉(zhuǎn)角為。當(dāng)輸入構(gòu)件從轉(zhuǎn)到時(shí)，輸出構(gòu)件從轉(zhuǎn)到，輸入構(gòu)件從轉(zhuǎn)到時(shí)，輸出構(gòu)件則從回到。顯然有及，即及。代入函數(shù)式得：
設(shè)將輸入構(gòu)件的轉(zhuǎn)角均分成20等分，則，取權(quán)因子，再令代表設(shè)計(jì)變量、、及，則由式（5）得曲柄連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為
????曲柄搖桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件如下：
????由式（6）得：
要求傳動(dòng)角滿足，由式（7）得：
根據(jù)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸，要求各構(gòu)件長度相對(duì)機(jī)架的尺寸在給定的范圍內(nèi)，由式(8)得
因此曲柄搖桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型如下：
Min.
s.t.
????采用內(nèi)點(diǎn)懲罰函數(shù)法和POWELL法求解曲柄搖桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。選擇初始懲罰參數(shù)，遞減函數(shù)e = 0.01，初始點(diǎn)，取懲罰函數(shù)法收斂精度，POWELL法目標(biāo)函數(shù)值收斂精度，一維搜索精度。
3.2 后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1確定設(shè)計(jì)變量
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，由機(jī)械原理知識(shí)可知，設(shè)計(jì)變量有L1、L2、L3、L4、。將曲柄的長度取為一個(gè)單位長度1，其余三桿長可表示為L1的倍數(shù)。由圖1所示的幾何關(guān)系可知
為桿長的函數(shù)。另外，根據(jù)機(jī)構(gòu)在機(jī)器中的許可空間，可以適當(dāng)預(yù)選機(jī)架L4的長度，取L4=5，經(jīng)以上分析，只剩下L2、L3兩個(gè)獨(dú)立變量，所以，該優(yōu)化問題的設(shè)計(jì)變量為
因此。本優(yōu)化設(shè)計(jì)為一個(gè)二維優(yōu)化問題。
3.2.2建立目標(biāo)函數(shù)
按軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以將連桿上M點(diǎn)與預(yù)期軌跡點(diǎn)坐標(biāo)偏差最小為尋優(yōu)目標(biāo)，其偏差為和，如圖2。為此，把搖桿運(yùn)動(dòng)區(qū)間2到5分成S等分，M點(diǎn)坐標(biāo)有相應(yīng)分點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)。將各分點(diǎn)標(biāo)號(hào)記作，根據(jù)均方根差可建立其目標(biāo)函數(shù)，即
，S為運(yùn)動(dòng)區(qū)間的分段數(shù)
于是由以上表達(dá)式便構(gòu)成了一個(gè)目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案（即給定），即可計(jì)算出均方根差。
圖 2
3.2.3確定約束條件
根據(jù)設(shè)計(jì)條件，該機(jī)構(gòu)的約束條件有兩個(gè)方面：一是傳遞運(yùn)動(dòng)過程中的最小傳動(dòng)角應(yīng)大于50度；二是保證四桿機(jī)構(gòu)滿足曲柄存在的條件。以此為基礎(chǔ)建立優(yōu)化線束條件。
①保證傳動(dòng)角
圖 3
按傳動(dòng)條件，根據(jù)圖3可能發(fā)生傳動(dòng)角最小值的位置圖，由余弦定理
（見圖3（a））
所以
（a）
（見圖3（b））
所以
（b）
式（a）、（b）為兩個(gè)約束條件，將，，，代入式（a）、（b），得
②曲柄存在的條件
按曲柄存在條件，由機(jī)械原理知識(shí)可知
，，
，
把它們寫成不等式約束條件（將，，，代入上式），得
經(jīng)過分析，上述七個(gè)約束條件式中，和為緊約束條件，為松約束條件，即滿足和的，必滿足不等式，所以本優(yōu)化問題實(shí)際起作用的只有和兩個(gè)不等式約束條件。
3.2.4寫出優(yōu)化數(shù)學(xué)模型
綜上所述，可得本優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型為
即本優(yōu)化問題具有兩個(gè)不等式約束的二維約束優(yōu)化問題。
3.3 步行機(jī)構(gòu)受力分析
該步行機(jī)構(gòu)的受力情況如圖3．12所示。由于該機(jī)構(gòu)中所有連桿均為二力桿，
即只受軸向力作用。設(shè)圖中所有連桿所受的拉力為正，壓力為負(fù)。Ⅳ為地面對(duì)
車輪的支撐力，月川為11個(gè)連桿的內(nèi)力，矽】、汐2分別為連桿9和連桿5與水
平線的夾角， y1、r2分別為連桿10和連桿6與水平線的夾角，妒為曲軸11
與水平線的夾角。由力的平衡條件可得方程組：
將以上5個(gè)方程組聯(lián)立方程組3．1和3-6，可以解得當(dāng)?shù)孛鎸?duì)車輪的支撐力為Ⅳ，曲軸11與水平線的夾角為≯時(shí)，該支腿步行機(jī)構(gòu)中各連桿的內(nèi)力大小。假設(shè)地面對(duì)車輪的支撐力不變，當(dāng)曲軸11轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各連桿的內(nèi)力也會(huì)隨之變化。利用MATLAB軟件來解這個(gè)大型～次方程組，并且進(jìn)行曲軸旋轉(zhuǎn)一周的仿真。即可得到曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，該支腿機(jī)構(gòu)各連桿的內(nèi)力變化曲線。根據(jù)各連桿受力的情況便可以合理設(shè)計(jì)各連桿的截面積大小，從而對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
齒輪傳動(dòng)計(jì)算
齒輪模數(shù)取2，齒輪為50. 傳動(dòng)比1：1
解：1. 選擇齒輪精度等級(jí)、材料、齒數(shù)
1）屬于一般機(jī)械，且轉(zhuǎn)速不高，故選擇8級(jí)精度。
2）因載荷平穩(wěn)，傳遞功率較小，可采用軟齒面齒輪。參考表11-1，小齒輪選用45鋼調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度217~255HBS，σHLim1=595MPa，σFE1=460MPa；大齒輪選用45鋼正火處理，齒面硬度162~217HBS，σHLim2=390MPa，σFE2=320MPa。
3）選小齒輪齒數(shù)z1=50，則z2=iz1=50，取z2=50。故實(shí)際傳動(dòng)比i=z2/z1=1，與要求的傳動(dòng)比0%。齒數(shù)比u=i=1。
對(duì)于齒面硬度小于350 HBS的閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)，應(yīng)按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲強(qiáng)度校核。
2. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)公式11-3
1）查表11-3，原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，工作機(jī)械是輸送機(jī)，且工作平穩(wěn)，取載荷系數(shù)K=1.2。
2）小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
3）查表11-6，齒輪為軟齒面，對(duì)稱布置，取齒寬系數(shù)φd=1。
4）查表11-4，兩齒輪材料都是鍛鋼，故取彈性系數(shù)ZE=189.8 MPa1/2。
5）兩齒輪為標(biāo)準(zhǔn)齒輪，且正確安裝，故節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH=2.5。
6）計(jì)算許用接觸應(yīng)力
①應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
小齒輪N1=60n1jLh=60×350×1×(2×8×300×10)=10.08×108
大齒輪N2= N1/i=10.08×108/3.58=2.82×108
②據(jù)齒輪材料、熱處理以及N1、N2，查接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕，得接觸疲勞壽命系數(shù)ZN1=1，ZN2=1。
③查表11-5，取安全系數(shù)SH=1.1。
④計(jì)算許用接觸應(yīng)力
取小值[σH2]代入計(jì)算。
7）計(jì)算
3. 驗(yàn)算輪齒彎曲強(qiáng)度
按公式11-5校核
1）由z1=24，z2=86查圖11-8，得齒型系數(shù)YFa1=2.77，YFa2=2.23。
2）由z1=24，z2=86查圖11-9，得應(yīng)力集中系數(shù)YSa1=1.58，YSa2=1.77
3）計(jì)算許用彎曲應(yīng)力
①據(jù)齒輪材料、熱處理以及N1、N2，查彎曲疲勞壽命系數(shù)圖表，得彎曲疲勞壽命系數(shù)YN1=1，YN2=1。
②查表11-5，取安全系數(shù)SF=1.25。
③計(jì)算許用彎曲應(yīng)力
4）校核計(jì)算
彎曲強(qiáng)度足夠。
4. 驗(yàn)算齒輪的圓周速度
對(duì)照表11-2可知，選用9級(jí)精度較為合宜。
3.4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.4.1按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算
這種方法是只按軸所受的扭矩來計(jì)算軸的強(qiáng)度。如果還受不大的彎矩時(shí)，則采用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法予以考慮。并且應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。
在進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常用這種方法初步估算軸徑。對(duì)于不大重要的軸，也可作為最后計(jì)算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
強(qiáng)度條件： Mpa
設(shè)計(jì)公式： （mm）
軸上有鍵槽： 放大：3~5%一個(gè)鍵槽；7~10%二個(gè)鍵槽。并且取標(biāo)準(zhǔn)植
式中：[τ]——許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力（N/mm2），
C為由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)。
3.4.2按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算
通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸、軸上零件的位置以及外載荷和支反力的作用位置均已確定，軸上的載荷（彎矩和扭矩）已可以求得，因而可按彎扭合成強(qiáng)度條件對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。
對(duì)于鋼制的軸，按第三強(qiáng)度理論，強(qiáng)度條件為：
設(shè)計(jì)公式：（mm）
式中、：бe為當(dāng)量應(yīng)力，Mpa。 d為軸的直徑，mm; 為當(dāng)量彎矩；M為危險(xiǎn)截面的合成彎矩；； MH為水平面上的彎矩；MV為垂直面上的彎矩；W為軸危險(xiǎn)截面抗彎截面系數(shù)；——為將扭矩折算為等效彎矩的折算系數(shù)
∵彎矩引起的彎曲應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)的變應(yīng)力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力往往為非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力
∴與扭矩變化情況有關(guān)
——扭矩對(duì)稱循環(huán)變化
= ——扭矩脈動(dòng)循環(huán)變化
——不變的扭矩
，，分別為對(duì)稱循環(huán)、脈動(dòng)循環(huán)及靜應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力。
對(duì)于重要的軸，還要考慮影響疲勞強(qiáng)度的一些因素而作精確驗(yàn)算。內(nèi)容參看有關(guān)書籍。
3.4.3軸的剛度計(jì)算概念
軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度，就會(huì)影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能。軸的彎曲剛度是以撓度y或偏轉(zhuǎn)角θ以及扭轉(zhuǎn)角ф來度量，其校核公式為：
y≤[y]; θ≤[θ]; ф≤[ф]。
式中：[y]、 [θ]、 [ф]分別為軸的許用撓度、許用轉(zhuǎn)角和許用扭轉(zhuǎn)角。
3.4.4軸的設(shè)計(jì)步驟
設(shè)計(jì)軸的一般步驟為：
（1）選擇軸的材料 根據(jù)軸的工作要求，加工工藝性、經(jīng)濟(jì)性，選擇合適的材料和熱處理工藝。
（2）初步確定軸的直徑 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算公式，計(jì)算出軸的最細(xì)部分的直徑。
（3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 要求：①軸和軸上零件要有準(zhǔn)確、牢固的工作位置；②軸上零件裝拆、調(diào)整方便；③軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。④盡量避免應(yīng)力集中；根據(jù)軸上零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先要預(yù)定出主要零件的裝配方向、順序和相互關(guān)系，它是軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，擬定裝配方案，應(yīng)先考慮幾個(gè)方案，進(jìn)行分析比較后再選優(yōu)。
原則：1）軸的結(jié)構(gòu)越簡單越合理；2）裝配越簡單越合理。
3.5各軸的計(jì)算
3.5.1高速軸計(jì)算
（1）查得C=118（低速軸彎矩較大），由公式
取高速軸的直徑d=45mm。
（2）求作用在齒輪上的力
齒輪分度圓直徑為
齒輪所受的轉(zhuǎn)矩為
齒輪作用力 圓周力
徑向力
軸向力
（3）畫軸的計(jì)算簡圖并計(jì)算支反力(圖 a)
水平支反力 垂直支反力
（4）畫彎矩圖
a水平面內(nèi)彎矩圖M(b圖)
截面c
b垂直面內(nèi)彎矩圖MC（c圖）
截面c
C合成彎矩（d圖）
d 畫扭矩圖（e圖）
又根據(jù)
查得
則
e 繪當(dāng)量彎矩圖（f圖）
3.5.2中間軸設(shè)計(jì)
（1）查得C=118（低速軸彎矩較大），由公式
取高速軸的直徑d=60mm。
（2）求作用在齒輪上的力
齒輪分度圓直徑為
齒輪所受的轉(zhuǎn)矩為
齒輪作用力 圓周力
徑向力
軸向力
（3）畫軸的計(jì)算簡圖并計(jì)算支反力(圖 a)
水平支反力
垂直支反力
（4）畫彎矩圖
a水平面內(nèi)彎矩圖M(b圖)
截面c
截面D
b垂直面內(nèi)彎矩圖MC（c圖）
截面c
截面D
C合成彎矩（d圖）
D合成彎矩
d 畫扭矩圖（e圖）
又根據(jù)
查得
則
e 繪當(dāng)量彎矩圖（f圖）
3.5.3低速軸設(shè)計(jì)
（1）查得C=118，由公式
取高速軸的直徑d=75mm。
（2）求作用在齒輪上的力
齒輪分度圓直徑為
齒輪所受的轉(zhuǎn)矩為
齒輪作用力 圓周力
徑向力
軸向力
（3）畫軸的計(jì)算簡圖并計(jì)算支反力(圖 a)
水平支反力
垂直支反力
（4）畫彎矩圖
a水平面內(nèi)彎矩圖M(b圖)
截面c
b垂直面內(nèi)彎矩圖MC（c圖）
截面c
C合成彎矩（d圖）
d 畫扭矩圖（e圖）
又根據(jù)
查得
則
e 繪當(dāng)量彎矩圖（f圖）
3.6軸的設(shè)計(jì)與校核
3.6.1高速軸設(shè)計(jì)
初定最小直徑，選用材料45δ鋼，調(diào)質(zhì)處理。取A0=112（不同）
則Rmin=A0=16.56mm
最小軸徑處有鍵槽
Rmin’ = 1.07dmin = 17.72mm
最小直徑為安裝聯(lián)軸器外半徑，取KA=1.7，同上所述已選用TL4彈性套柱聯(lián)軸器，軸孔半徑R=20mm。
取高速軸的最小軸徑為R=20mm。
由于軸承同時(shí)受徑向和軸向載荷，故選用6300滾子軸承按國標(biāo)T297-94 D*d*T=17.25
軸承處軸徑d =36mm
高速軸簡圖如下：
取L1=38+46=84mm,取擋圈直徑D=43mm,取d2=d4=54mm,d3=67mm,d1=d5=67mm。
聯(lián)軸器用鍵：圓頭普通平鍵。
B*h=6*6,長L=91 mm
齒輪用鍵：同上。B*h=6*6, 長L=10mm,倒角為2*45度
3.6.2中間軸設(shè)計(jì)
中間軸簡圖如下：
初定最小直徑dmin=20mm
選用6303軸承，
d*D*T=25*62*18.25
d1=d6=25mm,取 L1==26mm,
L2=19，L4=120mm,d2=d4=35mm,L3=12mm
D3=50mm,d5=30mm,L5=1.2*d5=69mm，L6=55mm
齒輪用鍵：圓頭普通鍵：b*h=12*8,長L=61mm
3.6.3 低速軸設(shè)計(jì)
初定最小直徑：
dmin=25mm
取小軸徑處有鍵槽
dm