仿生四足行走机械设计说明书.doc

四足步行机械
设计者:赵康, 张强,董小刚, 韩小晨
指导教师:郭鹏程
(陕西理工学院机械工程训练中心,汉中 723003)

作品内容简介
根据据我们了解国内外还没有气动系统控制的步行机械,我们探索将已气动控制这一控制系统用于实践,实现对四足机械的运动控制。运用到本科所学到的机械、液压、气动、电动等方面的知识,学****各中机械设计的技巧,锻炼自己的能力。本次设计的四足步行机械就是为了能够作为娱乐用途并能在危险环境中救人或者运输必须物品;项目意在研究设计并制造出一种仿生四足行走的机械,可真实模拟动物的动作实现行走的功能。它采用自给气动系统来实现前进越障功能,提高四足仿生行走机械对环境的自适应能力,增强了它的广泛性。通过对机械机构设计和运动步态控制,将仿生理念通过直立、行走等形象表达出来。运用气动控制和仿生学原理以及机械相关的专业知识,使仿生四足步行机械具有完全仿生的动作,可以行走、驮运物资、抢险救灾和作为在公众场合下的玩具等娱乐器具。这种仿生四足行走机械弥补我国在四足仿生机械领域的不足,增强我国科技竞争力和综合国力。赵康、**********、1346524569@
关键词:气动、四组机械、步行
【一】设计背景及意义
目前国内研制的四足机械有电控制和液压控制两种,如下图电控和液压控制的四足机械。
国内电控制步行四足机械马
山东大学液压液压控制四足机器人
国外最著名的有美国iRobot公司研究院研制的美国大狗机器人,如下。它是由液压系统实现控制的。
美国大狗机器人
现今国内外还没有机械结构控制系统实现机械运动的案例,我们所设计的是气动控制系统实现四足步行机械的行走、转弯等功能,填补控制领域机械控制系统实现四足运动的空白。现实中各类仿生的机械在当今社会并不少见,但大都不具有真正仿生的意义,自主性差,使人感觉到生硬,无趣。在不同路况时,现有的四足机械的适应能力差,不能复杂崎岖的路面上稳定行走。步行机械的设想就成为了在危险环境工作的必然选择。对行走路面的要求较低,它可以跨越障碍物,走过沙地、沼泽等特殊路面,用于工程探险勘测、反恐防爆、军事侦察等人类无法完成或危险的工作。对这些环境进行不断的探索和研究,寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。不规则和不平坦的地形是这些环境的共同特点,使得轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制,而多足步行机械能够在复杂崎岖的路面上稳定行走。
作品实物图
【二】设计方案
一、本作品主要创新点是气动控制原理。
气动控制系统的创新设计实现了四足步行机械不同运动姿态的展现;巧妙运用平行四边形机构和多气缸实现腿部的运动。
1、四足步行机械的设计原理

本作品的设计中根据运动机构中有两个自由度,有两个气缸控制仿照动物的腿部运动动作, 达到运动的目的。一般四肢动物的行动规律有这样的方式,以马为例,开始起步时如果是右前足先向前开步,对角线的左足就会跟着向前走,接着是左前足向前走,再就是右足跟着向前走,这样就完成一个循环。
接着又是另一次右前足向前,左后足跟着向前,左前足向前,右后足跟着,继续循环下去,就形成一个行走的运动。我们在画马的行走动作时,要注意身体的重心是放在三只稳定地站在地上的脚所构成的三角形内。

腿部设计图四足模拟图

根据腿部运动的时间差,我们根据气动的相关知识,设计制造出一个中央控制阀,来分配各个腿部气缸的气流分配,来实现不同运动的目的。
阀体实物图
气缸设计装配图

转向采用四足机械运动时走路抬腿时,利用气缸腿部运动向外运动,实现在指定时间内的转向,达到所要的目的和要求。
没转弯时设计图
向左转设计图
向右转设计图
【三】设计计算及校核
1、腿部连杆机构的设计
  连杆机构是最常用的机构,因此连杆机构优化设计在机构设计中十分重要,研究工作开展得也最为广泛。有大量的文献介绍有关平面四杆机构、平面五杆机构、柔性连杆机构、曲柄连杆机构、槽轮连杆机构、凸轮连杆组合机构和齿轮连杆等机构的优化。鉴于四连杆机构的典型性,本节结合四连杆机构的函数再现优化设计问题,阐述连杆机构优化问题的一般方法及流程。
    四连杆机构的优化设计就是对四连杆机构的参量进行优化调整,使得机构给定的运动和机构所实现的运动之间误差最小。因此四连杆机构的优化设计的过程,就是寻找使得四连杆机构运动误差最小的一组机构设计参量。四连杆机构设计参量确定后,就可认为实现了机构的优化设计。
    四连杆机构的优化设计包括四连杆机构优化模型建立和优化模型求解二个主要过程。通过对四连杆机构的分析确定优化方案,确定设计变量,给出目标函数,并将机构设计制约条件,如杆长条件、