机械多腿运动机械原理课程设计方案

机械原理课程设计说明书机械腿运动机构

西南交通大学

机械与自动化专业

设计者:

20年月日

/ 31

０．

目录

一、背景资料 (4)

二、设计分析 (5)

三、执行机构的设计 (6)

.......................................................................6 3.1 蟹腿的设计........................................................................13 3.2 转向机构.................................................................14 3.3 上下机架的设计. (16)

传动链设计3.4

四、零件的设计 (21)

五、Unigraphics NX软件运动仿真 (23)

六、方案的比较 (27)

七、心得体

会 (30)

/ 31

１．

摘要

我们组设计的是一个六足机械螃蟹。此机械螃蟹由一个电机驱动，完全由机械结构控制，可以实现横向爬行、行进中左右转向及原地转向，并且可以适应多种路面状况，有较强的适应性、稳定性。本文将首先对自然中螃蟹的结构以及行走方式进行分析、研究，然后提出总体的设计方案，再对机械螃蟹各个机构的具体设计方案、制作方法和Unigraphics

软件仿真展开详细的介绍，最后对机械螃蟹做出总结、评价与比较。NX

关键词：机械螃蟹，设计，Unigraphics仿真

/ 31

２．

一、背景资料

一般的动物，身体都分成头、胸、腹三部份，而螃蟹的头部和胸部愈合在一起，称为头胸部。腹部退化，反折紧贴在头胸部的下方。头胸和腹部外面都包着硬硬的外壳，动物学家通称牠们为甲壳类。螃蟹总共有五对脚，牠们的共同特征是：有关节性附肢、外骨骼和十只脚。因此，动物学家在分类时将牠们归入动物界的节肢动物门、甲壳纲、十脚目。背甲是螃蟹外壳的一部份，它盖在头胸部的外面，所以又称为头胸甲。而盖在腹部的外壳叫做腹甲。

螃蟹大都有一对像钳子一样的大脚，我们称为「螯」，主要用于捕食和防御。其它的是四对朝着左右两侧伸出的是用于步行的步足。对于很多螃蟹来说，最后的那对步足已经演化为用于水中划行的划行足，只有中间的三对步足起主要爬行作用。螃蟹的步足由七个小节组成，可以看到螃蟹的足每两节的外骨骼之间有光滑柔软的薄膜相连，里面没有可供转动的关节，只有一条条肌肉束与外骨骼相连接。当节间肌肉伸缩时，依靠节间膜的弹性只能使足的各节产生上下方向的动作而不能前后转动，它由一侧足尖的爪节向下弯曲，抓住地面，再用另一侧的足/ 31

３．

尖向外伸直，支撑住身体，推动身体前进。

但是螃蟹为什么总是横着爬呢？一种说法认为，以前的螃蟹是依靠地磁场来判断方向的，在地球形成以后的漫长岁月中，地磁南北极已发生多次倒转。地磁极的倒转使许多生物无所适从，甚至造成灭绝。螃蟹是一种古老的回游性动物，它

的内耳有定向小磁体，对地磁非常敏感。由于地磁场的倒转，使螃蟹体内的小磁体失去了原来的定向作用。为了使自己在地磁场倒转中生存下来，螃蟹采取“以不变应万变”的做法，干脆不前进，也不后退，而是横着走。从生物学的角度看，蟹的胸部左右比前后宽，八只步足伸展在身体两侧，它的前足关节只能向下弯曲，这些结构特征也使螃蟹只能横着走。

二、设计分析

设计要求：全机械结构控制，利用一个电驱动动各类齿轮、连杆等机构运动，a)能够实现整个蟹身的横向移动和转向运动。做到结构简单紧凑，运动灵活可靠/ 31

４．

、合理有效，尽量模仿实物运动过程，并应考虑到制造工艺要求、材料强度等因素，使方案真实合理，可实际执行。具体的结构设计将在下面的设计部分给出。

b)设计中，所有齿轮均采用标准备参数，各连杆、槽轮、机架等结构均根据工件制造加工工艺及材料强度要求设计。

c)设计方案简介：经过一些资料的分析和对其他机械螃蟹结构的考察，并对各种方案进行分析比较，我们最终决定设计一个六足的机械螃蟹。该螃蟹在一个电机驱动下可以实现横向爬行、行进中左右转向及原地转向，且可适应多种路面状况，有较强的稳定性。

三、执行机构的设计

3．1蟹腿的设计：

单独对一条蟹腿的运动进行研究，易知在螃蟹迈进的时候，足尖抓地，带动蟹身前行，在运动到极限位置时则需抬起回复，为下一次迈进做准备。所以相对于蟹身，单条腿的运动轨迹应大致为如下曲线：

若单纯采用连杆机构来直接实现该轨迹，将使得机构比较复杂，降低了机构的可靠度。若采用了这如右图所示一类机构），样的机构<即把整条腿的运动功能由一组连杆机构来实现，易知，自然中的螃蟹是可以在原地抬腿的，而此机构无法实现单独抬腿或迈腿的功能。而且在整个行进过程中，连杆机构都要提供支撑整个蟹身的力，这样会/ 31

５．

使得电机始终要提供一个很大的力，甚至有可能使电机无法负荷，一旦失去电机供力，为了保持蟹身的平稳，则需要另外加入固定装置，使机构更加复杂，进一步降低了可靠性。经分析，对蟹身的支撑作用仅发生在小腿接触地面的过程中，而此时大腿可保持不动，联想到人类的走路方式，肌肉仅提供抬腿时所需的力，而支撑身体则主要由关节的“死点”位置来实现。所以我们在蟹腿中也引入一个类似“死点”的机构，便可大大减轻电机的负荷，提高机构的可靠性与合理性，同时把该曲线简化分解为蟹腿的摆动与抬落这两个单一的运动，更加符合实际蟹腿的运动情况，也降低了机构的复杂程度。

经过反复研究比较，我们把蟹腿简化为如下图所示的运动机构，将蟹腿结构中对行走起主要作用的肢节简化为大腿和小腿，大腿完成抬腿功能<由图中连杆1和2与偏心轮2共同实现），小腿完成摆动功能。其中，连杆1和2在图示位置中正好构成所需的“死点”，使大腿保持不动。

下面具体分析蟹腿的运动以确定驱动机构：/ 31

６．

秒爬行一步，即小腿完成一次伸展、收回运动，小腿摆动的幅2首先设定蟹腿每度。大腿上抬的不需要太大，且为了使电机驱动抬腿的力尽量小，支点的位60