木馬游戲機(jī)器人

1、第五屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽作品設(shè)計(jì)說明書木馬robot-娛樂機(jī)器人設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)者：余勇，王杰，黃海兵，蔡昌俊，劉思林指導(dǎo)教師：劉咸超 張信禹（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川宜賓 644003）作品內(nèi)容簡介鑒于人們生活水平的不斷提高，為豐富人們的業(yè)余生活，家長對孩子的玩具也越來越高，為克服傳統(tǒng)娛樂行走機(jī)器的越障性差，不能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向等缺點(diǎn)，于是我們設(shè)計(jì)了一套越障礙性能高、能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向等的該娛樂機(jī)器。 改變了傳統(tǒng)的輪式行走方式，應(yīng)用仿生學(xué)原理，利用三角形的穩(wěn)定性和平行四邊形的不穩(wěn)定性，以及利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，組成了機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，從而替代車輪。利用桿端關(guān)節(jié)軸承連接各關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊、可靠，本項(xiàng)目通

2、過較為精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)高仿真的動物步履模擬，可以說是屬于仿生類機(jī)器馬，至少是在仿生的基礎(chǔ)上再加以發(fā)揮的機(jī)器人的特點(diǎn)。它的越障性能高，可以上下臺階，在非平整的路上和軟草地上行走，增加了活動范圍。馬是人們很喜歡的動物特別是小孩非常想體驗(yàn)下坐在馬背上的刺激感覺，但由于父母擔(dān)心小孩太小，怕出現(xiàn)意外而果斷的拒絕了孩子們的小小要求?，F(xiàn)在我們的作品也克服了這一難點(diǎn)，在我們作品上不僅可以讓你的孩子體會到坐在馬背那一感覺，而且還很安全，因?yàn)樵撟髌窙]有馬的野性并且速度也很慢，絕對安全。目 錄1 研制背景及意義11.1進(jìn)行仿生機(jī)械創(chuàng)新的意義12 現(xiàn)狀分析與改進(jìn)22.1 被仿生動物的描述22.1.1 描述22.2

3、 擬采用的機(jī)構(gòu)的描述22.2.1 整體描述22.2.2 局部描述33 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算43.1運(yùn)動指標(biāo)的確定43.1.1 指標(biāo)43.2 機(jī)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算43.2.1 計(jì)算143.2 .2行星齒輪球面半徑的確定63.2 .3行星齒輪球面半徑的確定63.2.4行星齒輪與半軸齒輪的選擇73.2.5差速器圓錐齒輪模數(shù)及半軸齒輪節(jié)圓直徑的初步確定83.2.6壓力角83.2.7 行星齒輪安裝孔的直徑及其深度L83.2.8 差速器齒輪的幾何計(jì)算93.2.9 差速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算114 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)124.1 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)12參考文獻(xiàn)13附錄14附錄1 整機(jī)二維平面底板圖14附錄2 三維圖16附錄3 STM32主控

4、芯片原理圖221 背景概況鑒于人們生活水平的不斷提高，為豐富人們的業(yè)余生活，為克服傳統(tǒng)娛樂行走機(jī)器的越障性差，不能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向等缺點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)了該娛樂機(jī)器人。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡潔靈巧，操作簡便，成本低廉，適合7歲至15歲的兒童使用。還可制造成玩具零件自行組裝，達(dá)到益智的目的。目前，市場上沒有該類產(chǎn)品，市場廣闊。同時本產(chǎn)品具備較強(qiáng)的發(fā)展前景，可給其加配單片機(jī)等控制元件，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。1.1進(jìn)行仿生機(jī)械創(chuàng)新的意義 早在地球上出現(xiàn)人類之前，各種生物已在大自然中生活了億萬年，在它們?yōu)樯娑窢幍拈L期進(jìn)化中，獲得了與大自然相適應(yīng)的能力。生物學(xué)的研究可以說明，生物在進(jìn)化過程中形成的極其精確和完善的機(jī)制，使它們

5、具備了適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化的能力。生物界具有許多卓有成效的本領(lǐng)。如體內(nèi)的生物合成、能量轉(zhuǎn)換、信息的接受和傳遞、對外界的識別、導(dǎo)航、定向計(jì)算和綜合等，顯示出許多機(jī)器所不可比擬的優(yōu)越之處。生物的小巧、靈敏、快速、高效、可靠和抗干擾性實(shí)在令人驚嘆不已。仿生學(xué)的任務(wù)就是要研究生物系統(tǒng)的優(yōu)異能力及產(chǎn)生的原理，并把它模式化，然后應(yīng)用這些原理去設(shè)計(jì)和制造新的技術(shù)設(shè)備。隨著信息化時代的到來，信息普天蓋地，地球越來越小，人與人之間越來越近，天上飛的是無人機(jī)群，地球上的國家都在研究機(jī)器人，年青人迷上的是“飛黃騰達(dá)，騰云駕霧”的網(wǎng)中人?，F(xiàn)實(shí)是先進(jìn)的更先進(jìn)，落后的還更落后挨打，形勢逼人追趕上去是硬道理。仿生步行機(jī)械就是仿

6、造牛馬一樣的生物用腳行走的機(jī)械，也是機(jī)器人。“車輪成為普通應(yīng)用的運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的原因不一定是它的效率高，而可能是比較容易得到容許它在上面滾動的道理”，也就是說汽車之類的輪式機(jī)械并不是功效最高的運(yùn)輸工具，只是目前還沒有找到效率更高的生產(chǎn)工具?！霸谧匀唤?，除了原生動物以外，所有的生物運(yùn)動都是一系列桿系運(yùn)動“。生物的運(yùn)行是能耗最低的。所有的生物都有腳，生物能到的地方汽車不一定能到，但汽車能到的地方生物都能到達(dá)。人類要了解自然界，適應(yīng)大自然，就要到達(dá)地表上的所有地方，如全靠汽車 ，地表都成了路（無路汽車進(jìn)不去），人就少了許多生產(chǎn)場所、發(fā)展空間，所以就需要有像仿生物一樣運(yùn)行的仿生機(jī)械，去地表上的任何地方,就不

7、會減少生存空間與發(fā)展空間。2 現(xiàn)狀分析與改進(jìn)2.1 被仿生動物的描述2.1.1 描述馬的身型十分勻稱，肌肉結(jié)實(shí)，步態(tài)優(yōu)美。從遠(yuǎn)古時期人類就把馬當(dāng)做馱運(yùn)貨物的工具,不僅因?yàn)樗麄兒軠仨樧钪匾氖撬麄兡茑l(xiāng)村小路、崎嶇山路等阻礙比較多地方自由跑動.它們熟練地前進(jìn)、停止、倒退、轉(zhuǎn)彎、爬坡，像機(jī)器一樣的精準(zhǔn)，如圖2-1所示。圖2-12.2 擬采用的機(jī)構(gòu)的描述2.2.1 整體描述有圖1和圖2從整體的運(yùn)動方式來說，這是一個八足機(jī)器人，本項(xiàng)目是典型的六足步態(tài)，即：兩組處于對稱位置的腳，每組是四只腳，利用“四只腳更能夠保持平衡穩(wěn)定”的原理，同一時間都有其中一組四只腳支撐住身體，兩組腳交。替離地邁步。以下是當(dāng)前步履

8、機(jī)器人爬行步態(tài)的分解，以前進(jìn)方向?yàn)槔M(jìn)行說明： 1、靜止時十二條腿都是同時著地（本項(xiàng)目機(jī)器人省略該狀態(tài)）；2、前進(jìn)時，先邁出第1組四條腿（左邊2號4號6號、右邊2號4號6號），第2組四條腿著地（左邊1號3號5號、右邊1和3號5號）；3、第1組四條腿（左邊2號4號6號、右邊2號4號6號）往前邁出著地后保持不動，然后換第2組四條腿（左邊兩只、右邊兩只）往前邁出；4、第2組四條腿（左邊1號3號5號、右邊1和3號5號）往前邁出著地后保不動，再換第1組如此循環(huán)往復(fù)，同一時間都保證有一組四條腿著地以保持身體的平衡，并不斷往前進(jìn)。2.2.2 局部描述 多連桿復(fù)合機(jī)構(gòu)主要包括幾個部分：（1）四邊形結(jié)構(gòu)連桿：四

9、根連桿通過關(guān)節(jié)鉸鏈連結(jié)在一起組成一個四邊形，四邊形是不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，即該結(jié)構(gòu)可以在矩形、平行四邊形之間變化，隨著腿部關(guān)節(jié)角度的變化當(dāng)前四邊形連桿的結(jié)構(gòu)也會不斷變化形狀的； （2）上三角結(jié)構(gòu)連桿：上三角結(jié)構(gòu)的兩根連桿以及四邊形結(jié)構(gòu)頂上的連桿，三根連桿通過關(guān)節(jié)鉸鏈連結(jié)在一起組成一個三角形，三角形是穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，則該結(jié)構(gòu)的形狀是固定不變的； （3）下三角結(jié)構(gòu)連桿：下三角結(jié)構(gòu)的兩根連桿以及四邊形結(jié)構(gòu)頂部的連桿，三根連桿通過關(guān)節(jié)鉸鏈連結(jié)在一起組成一個三角形，三角形是穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，則該結(jié)構(gòu)的形狀也是固定不變的；（4）傳動連桿：兩根傳動連桿，加上上三角結(jié)構(gòu)中豎直的一根連桿，以及四邊形結(jié)構(gòu)中內(nèi)側(cè)豎直的一根連桿，總共

10、四根連桿也是通過鉸鏈連結(jié)在一起組成一個四邊形，四邊形是不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，即該結(jié)構(gòu)可以在任意四邊形中變化。特別的，傳動連桿上的傳動鉸鏈?zhǔn)侵苯咏釉谇系?，也相?dāng)于說傳動鉸鏈固定在一個圓形的離心軸上，圍繞圓心轉(zhuǎn)動的。在曲柄轉(zhuǎn)動的過程中，就會通過傳動連桿帶動整個多連桿復(fù)合機(jī)構(gòu)聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)自然順暢的步履運(yùn)動，如圖2-2所示。圖2-23 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算3.1運(yùn)動指標(biāo)的確定3.1.1 指標(biāo) 執(zhí)行機(jī)構(gòu):能實(shí)行連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)機(jī)器馬的走動。驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu):電機(jī)要能帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)(連桿機(jī)構(gòu))的運(yùn)動。 智能系統(tǒng): 智能系統(tǒng)則由感知系統(tǒng)傳感器及軟件來控制電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器腳的運(yùn)動。 自由度: 確定腳部相對機(jī)座的

11、位置和姿態(tài)的獨(dú)立參變數(shù)的數(shù)目，保證腳的運(yùn)動。 工作空間: 即操作機(jī)的工作范圍在1-1.2m之間。 靈活度: 能實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動和左右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動。3.2 機(jī)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算3.2.1 計(jì)算1一只腳的自由度 n=8， PL=11，PH=0，F(xiàn)=3×8-2×11-0=2由于普通錐齒輪式差速器結(jié)構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)可靠，所以廣泛應(yīng)用于一般使用條件的汽車驅(qū)動橋中。圖5-19為其示意圖，圖中為差速器殼的角速度；、分別為左、右兩半軸的角速度；為差速器殼接受的轉(zhuǎn)矩；為差速器的內(nèi)摩擦力矩；、分別為左、右兩半軸對差速器的反轉(zhuǎn)矩。根據(jù)運(yùn)動分析可得 圖1：普通錐齒輪式差速器示意圖示意圖顯然，當(dāng)一側(cè)半軸不轉(zhuǎn)時，另

12、一側(cè)半軸將以兩倍的差速器殼體角速度旋轉(zhuǎn)；當(dāng)差速器殼體不轉(zhuǎn)時，左右半軸將等速反向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)力矩平衡可得（3-2）差速器性能常以鎖緊系數(shù)來表征，定義為差速器的內(nèi)摩擦力矩與差速器殼接受的轉(zhuǎn)矩之比，由下式確定（3-3）結(jié)合（2-2）可得：（3-4）定義半軸轉(zhuǎn)矩比，則與之間有（3-5）普通錐齒輪差速器的鎖緊系數(shù)忌一般為O.05O.15，兩半軸轉(zhuǎn)矩比足b為111135，這說明左、右半軸的轉(zhuǎn)矩差別不大，故可以認(rèn)為分配給兩半軸的轉(zhuǎn)矩大致相等，這樣的分配比例對于在良好路面上行駛的汽車來說是合適的。3.2 .2行星齒輪球面半徑的確定圓錐行星齒輪差速器的結(jié)構(gòu)尺寸，通常取決于行星齒輪的背面的球面半徑，它就是行星齒輪的

13、安裝尺寸，實(shí)際上代表了差速器圓錐齒輪的節(jié)錐距，因此在一定程度上也表征了差速器的強(qiáng)度。球面半徑可按如下的經(jīng)驗(yàn)公式確定：mm (3-6)式中：行星齒輪球面半徑系數(shù)，可取2.53.0，對于有2個行星齒輪的汽車取小值；T計(jì)算轉(zhuǎn)矩，取Tce和Tcs的較小值，N·m.3.2 .3行星齒輪球面半徑的確定 (3-7)式中：Tce計(jì)算轉(zhuǎn)矩，Nm；Temax發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；Temax=372Nmn計(jì)算驅(qū)動橋數(shù)，1；由發(fā)動機(jī)到所計(jì)算的主減速器從動齒輪之間的傳動系最低擋傳動比， =6.29變速器傳動效率，=0.9； 由于猛接離合器而產(chǎn)生的動載系數(shù)，=1；代入上式，有： Tce=2102.56 N.m根據(jù)上式

14、=2.55=32.67mm ，取整為34mm=0.98 =34mm.3.2.4行星齒輪與半軸齒輪的選擇為了獲得較大的模數(shù)從而使齒輪有較高的強(qiáng)度，應(yīng)使行星齒輪的齒數(shù)盡量少。但一般不少于10。半軸齒輪的齒數(shù)采用1425，大多數(shù)汽車的半軸齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比/在1.52.0的范圍內(nèi)。 差速器的各個行星齒輪與兩個半軸齒輪是同時嚙合的，因此，在確定這兩種齒輪齒數(shù)時，應(yīng)考慮它們之間的裝配關(guān)系，在任何圓錐行星齒輪式差速器中，左右兩半軸齒輪的齒數(shù)，之和必須能被行星齒輪的數(shù)目所整除，以便行星齒輪能均勻地分布于半軸齒輪的軸線周圍，否則，差速器將無法安裝，即應(yīng)滿足的安裝條件為：(3-8)式中：，左右半軸齒輪的齒數(shù)

15、，對于對稱式圓錐齒輪差速器來說，= 行星齒輪數(shù)目； 任意整數(shù)。在此=12，=20 滿足以上要求。3.2.5差速器圓錐齒輪模數(shù)及半軸齒輪節(jié)圓直徑的初步確定首先初步求出行星齒輪與半軸齒輪的節(jié)錐角，=30.96°=90°-=59.04° 再按下式初步求出圓錐齒輪的大端端面模數(shù)mm=2.92, 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值取為3mm得=36mm =3*20=60mm3.2.6壓力角目前，汽車差速器的齒輪大都采用22.5°的壓力角，齒高系數(shù)為0.8。最齒數(shù)可減少到10，并且在小齒輪（行星齒輪）齒頂不變尖的條件下，還可以由切向修正加大半軸齒輪的齒厚，從而使行星齒輪與半軸齒輪趨于等強(qiáng)度

16、。由于這種齒形的最小齒數(shù)比壓力角為20°的少，故可以用較大的模數(shù)以提高輪齒的強(qiáng)度。在此選22.5°的壓力角。3.2.7 行星齒輪安裝孔的直徑及其深度L行星齒輪的安裝孔的直徑與行星齒輪軸的名義尺寸相同，而行星齒輪的安裝孔的深度就是行星齒輪在其軸上的支承長度，通常?。?(3-9) (3-10)式中：差速器傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·m；由上可知為13271.7N·m 行星齒輪的數(shù)目；在此為4 行星齒輪支承面中點(diǎn)至錐頂?shù)木嚯x，mm， 0.5d， d為半軸齒輪齒面寬中點(diǎn)處的直徑，而d0.8； 支承面的許用擠壓應(yīng)力，在此取69 MPa根據(jù)上式 =24mm 17mm 19mm3

17、.2.8 差速器齒輪的幾何計(jì)算差速器直齒錐齒輪的幾何尺寸計(jì)算用表序號項(xiàng)目計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果1行星齒輪齒數(shù)10，應(yīng)盡量取最小值=122半軸齒輪齒數(shù)=1425，且需滿足式（1-4）=203模數(shù)=3mm4齒面寬F=(0.250.30)A;b10m10.2mm5工作齒高=4.8mm6全齒高5.4157壓力角22.5°8軸交角·9節(jié)圓直徑； 10節(jié)錐角，=37.13°，11節(jié)錐距=34mm12周節(jié)=3.1416=9.42mm13齒頂高;=3.11mm=1.69mm14齒根高=1.788-;=1.788-=2.254mm;=3.674mm15徑向間隙=-=0.188+0.051

18、=0.615mm16齒根角=;=43.79° =6.17°17面錐角；=37.13°=62.83°18根錐角；=27.17°=41.452.87°19外圓直徑；mmmm20節(jié)圓頂點(diǎn)至齒輪外緣距離mmmm21理論弧齒厚 =5.16 mm=4.26 mm22齒側(cè)間隙=0.2450.330 mm=0.12mm23弦齒厚=5.08mm=4.20mm24弦齒高=3.1327mm=1.73mm3.2.9 差速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算差速器齒輪的尺寸受結(jié)構(gòu)限制，而且承受的載荷較大，它不像主減速器齒輪那樣經(jīng)常處于嚙合狀態(tài)，只有當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎或左右輪行駛不同的路程

19、時，或一側(cè)車輪打滑而滑轉(zhuǎn)時，差速器齒輪才能有嚙合傳動的相對運(yùn)動。因此對于差速器齒輪主要應(yīng)進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。輪齒彎曲強(qiáng)度為 MPa (3-6) 式中：差速器一個行星齒輪傳給一個半軸齒輪的轉(zhuǎn)矩，其計(jì)算式在此：為315.381N·m； 差速器的行星齒輪數(shù)； 半軸齒輪齒數(shù)；尺寸系數(shù)，反映材料的不均勻性，與齒輪尺寸和熱處理有關(guān)，當(dāng)時，在此0.59載荷分配系數(shù)，當(dāng)兩個齒輪均用騎馬式支承型式時，1.001.1；其他方式支承時取1.101.25。支承剛度大時取最小值。質(zhì)量系數(shù)，對于汽車驅(qū)動橋齒輪，當(dāng)齒輪接觸良好，周節(jié)及徑向跳動精度高時，可取1.0; 計(jì)算汽車差速器齒輪彎曲應(yīng)力用的綜合系數(shù)，由圖1-1可查得=0.231 4 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)4.1 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)(1)該娛樂機(jī)器人在原有娛樂機(jī)器人的基礎(chǔ)上，改變了傳統(tǒng)的輪式行走方式，應(yīng)用仿生學(xué)原理，利用三角形的穩(wěn)定性和平行四邊形的不穩(wěn)定性，以及利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，組成了機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，從而替代車輪。 (2)利用桿端關(guān)節(jié)