论文总字数：12046字

摘 要

多功能行走机器人是最典型的机电一体化的装备，是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的智能机器人。本文设计出了一种基于四足行走系统的多功能行走机器人。

首先阐述了机器人总体结构设计，以及关键部位的优化和驱动控制技术。然后结合对爬行动物行走步态的研究，规划了四足机器人行走的姿态及轨迹，推导了四足机器人稳定步行的条件实现了稳定的低速静态步行。以及对机器人能稳定行走的条件进行分析。最后进行模拟仿真，保证了零件的安全性以及提高了可靠性。

关键词：多足机器人；结构；有限元分析

Structural design and optimization of multi-functional walking robot

Abstract

Multi-functional walking robot is the most typical mechatronics equipment. It is an intelligent robot integrating mechanical, electronic, control, computer, sensor, artificial intelligence and other multi-disciplinary advanced technologies. This paper designs a multi-functional walking robot based on the four-legged walking system.
    Firstly, the overall structural design of the robot, as well as the optimization of the key parts and the drive control technology are described. Then combined with the research on the gait walking gait, the attitude and trajectory of the quadruped robot walking are planned, and the conditions for the stable walking of the quadruped robot are derived. Based on this, the physical experiment is carried out to achieve stable low-speed static walking. And analyze the conditions under which the robot can walk stably. Finally, the simulation is carried out to ensure the safety of the parts and improve the reliability.

Keywords: Multi-legged robot; Structure; Finite element analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1选题依据及研究意义 1

1.2国内外发展现状 1

1.4论文工作的主要内容 1

第二章 机器人机构设计方案 2

2.1 机构综合分析 2

2.1.1 本体材料选择 3

2.1.2 机构设计 3

2.2 机器人足数分析 4

2.3 初步机构设计方案 5

2.3.1主体机架 5

2.3.2肩部关节 5

2.3.3上腿与下腿 5

2.4本章小结 5

第三章 机构运动分析及其方案 6

3.1 机械足的自由度 6

3.2 动力控制系统 6

3.2.1 驱动控制选择 6

3.2.2驱动元件选择 7

3.2.2.1舵机的安装位置 7

3.2.2.2舵机的扭矩计算 7

3.3 步态规划与平衡 8

3.4 越障方式与路线 9

3.5 本章小结 9

第四章 机体详细设计与优化 10

4.1传动结构设计 10

4.1.1 肩关节设计 11

4.1.1.1主支架与肩关节的连接 11

4.1.1.2 肩关节与上腿的连接 12

4.1.2 膝关节设计 12

4.2重要零件的有限元分析及优化 12

4.2.1 有限元分析原理 13

4.2.2重要零件分析优化 13

4.3 本章小结 14

第五章 总结与展望 16

致谢 17

参考文献 18

绪论

1.1选题依据及研究意义

多功能行走机器人是是一个能实现连贯美观行走的机电一体化设备。他集成了控制，机械设计，材料力学，电子的知识。是机电一体化典型设备。在我们日常生活中有着重要的作用和广泛的用途。

而仿生机器人有着较高的灵活度能代替人的一些工作和操作。可以到一些危险的环境工作到达一些人们不易到达的地方。

1.2国内外发展现状

行走机器人是机器人学中一个重要分支。关于行走机器人的研究可以从很多方面入手 ,首先,要考虑移动方式,可以是轮式的、腿式的和履带式的等。

设计多足机器人时，首先要考虑两个问题：要完成什么运动；其次是选用什么机构来完成这种运动，这就属机构综合问题。多足机器人是一个多自由度、结构比较复杂的系统，为实现平稳行走这一基本动作，首先首先要有一个稳定紧凑的机械体，它的结构设计要满足以下的目标。

1) 能够实现平稳行走；

2) 机器人动作美观连贯；

3) 轻量化，小型化；

4) 结构简单，机器人轻量化；

5) 采用通用零件，降低制造成本；

6) 简洁美观，利于进行人机交互。

1.4论文工作的主要内容

本文的大概内容是了解的国内外的发展和前景，选择了有一定强度的材料和进行了可行的结构设计，给出了实际的行走方案和越障方式，并且对关键部位做了模拟仿真，保证了零件的强度和可靠性。

第二章 机器人机构设计方案

2.1 机构综合分析

所谓机构综合分析，即根据需要完成的运动，选择机构的类型，机构的几何尺寸也可以被确定，也就是要进行机构的结构综合和运动综合，然后给出能够完成所求运动的机构运动简图。对于高速和高精度的机构还应涉及到动态分析和综合运动对的材料和间隙影响等实际因素，才能更好地贴合实际情况。实质上，多足机器人是由一系列关节连接而成的空间联动开链机构，是一个多自由度、机构相对来说较为复杂的系统，为实现仿人行走的基本动作，首先要确定一个结构紧凑、配置合理的机械主体。

进过大量文献的研究，最后受到机器人Roller-Walker得到启发，得到了初步设计方案。Roller-Walker具有特殊的腿部机构，是由广濑实验室的研制的。具有两种移动模式：当机器人处于不平整的地形时，机器人采用行走模式前行；当机器人处于平坦路面时，将采用滑动模式移动，能适应各种地形。所以，本文采用了类似的四足机构。

2.1.1 本体材料选择

在选择机器人的材料时，首先应该满足机器人的性能要求，满足设计要求的同时也应该便于机器人的制造和加工，满足工艺要求。机器人本体用的材料首先要有一定的强度才能避免断裂和变形。为了运动更灵活，尽可能的轻量化，所以应该选择较轻的材料。综上，应该选择强度大，密度小的材料。其中非金属的材料有PEH和碳素纤维等，金属材料有铝合金，钛合金等等。选择正确的材料可以让机器人发挥更好的性能，降低成本的同时尽可能满足静力学和动力学的需求。

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