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1、哈尔滨工程大学毕业设计论文 步行机器人圆筒式腿部电机弹性驱动设计 摘要步行机器人有较好的机动性，灵活性、对地形的适应能力强等特点，是机器人研究领域的的热点之一。腿部结构是步行机器人结构中的重要部分。特别是在恶劣环境下，能够具有适应外界应力的控制的腿部结构是非常重要的。本文设计了一种圆筒式腿部弹性驱动装置，其作用是将电机的位置输出转化为驱动腿部运动的输出力；其特点是：轻便、低廉、功率大，最重要的是能够在在较大带宽的变动载荷的作用下，会较好地模仿生物肌肉，对所装配的步行机器人进行保护，避免其受到损伤。具体工作如下：首先，分析讨论了步行机器人结构中腿部弹性结构的作用，以及对几种常见的仿生驱动结构进行
2、分析比较，结合国内外发展状况，论证了圆筒式电机串联弹性器的研究价值和实用价值。其次，通过分析双串联弹性驱动结构、双并联弹性驱动结构和单刚度弹性驱动结构，得出圆筒式电机双串联弹性驱动结构设计的理论依据。并在此基础上，初步进行了总体结构的概念设计。再次，进行了驱动器的整体结构设计，设计了电机驱动装置、圆筒式结构、弹性单元结构。最后，对零部件进行设计计算和强度校核。然后用ANSYS软件进行模型创建并对弹性器关键部件进行简单的力学分析，证明其合理性。关键词：步行机器人；弹性驱动器；仿生；ANSYSABSTRACTLegged robot has good characteristics of mobi
3、lity, flexibility and adaptability to the terrain and it is one of the hot research fields. Leg structure of legged robot is the focus of this research. Especially in harsh environments, it is important to adapt to the outer stress and be controlled for the leg structure. The purpose of this design
4、is a leg elastic actuator whose role is to convert a form of energy into a output force of leg driving movement with the features of lightweight, cheap, large power, and the most important is it can imitate biological muscles under large bandwidth fluctuating load, and protect the walking robot from
5、 being injured. Specific tasks are as follows: First,the role of leg elastic structure of the walking robot and compares several common bionic drive structures. In addition, combined with the domestic and foreign development are discussed in this paper,the research value and practical value of the c
6、ylindrical motor series elastic device is demostrated in this paper. Second, by the analysis of the double series elastic drive, dual parallel elastic drive structure and the single rigidity elastic drive structure,the theory of two-cylinder motor-driven series elastic structure design is accomptish
7、ed. And on this basis, general structure of the preliminary design concepts. Third,themeehanical structure of the elastic drive is designed in this paper with a sener motor selcetion,celcnderaltype support stracture and a springy elastic elementFinally, the motor system and transmission system are s
8、elected, and the parts have design calculation and intensity check. Then, ANSYS is used to produce the model and analyze the key parts of elastic device by simple mechanical analysis and prove its rationality.Key words: walking robots; elastic drive; simulation; ANSYS目录第1章 绪论11.1 课题研究背景及意义11.1.1 步行机
9、器人简介11.1.2 腿部弹性驱动结构的设计背景11.1.3 腿部弹性驱动结构的设计目的21.2 腿部弹性驱动结构的国内外发展现状及应用实例41.2.1 Gilla.Pratt等人设计的弹性驱动器41.2.2 行走机器人51.2.3 Gilla.Pratt辅助行走装置61.2.4 智能手臂71.3 论文的主要内容8第2章 圆筒式电机串联弹性驱动原理92.1 弹性驱动器设计的理论依据92.2 弹性驱动器力学分析102.2.1 单刚度弹性驱动器力学分析102.2.2 双串联刚度弹性驱动器力学分析122.3 圆筒式电机弹性驱动器的工作过程152.4 本章小结16第3章 圆筒式电机弹性驱动结构的总体设
10、计173.1 电机弹性驱动系统组成元素的选取173.1.1 电机弹性驱动系统弹性部件的选取原则173.1.2 电机弹性驱动系统各组成元素的选取173.2 圆筒式腿部电机弹性驱动系统的总体结构193.3 电机驱动器重要部件的设计计算203.3.1 丝杠螺母结构的设计计算203.3.2 弹簧的设计计算293.3.3 其他零部件的设计计算和选取353.4 本章小结36第4章 有限元分析374.1 ANSYS简介374.2 有限元理论基础374.3 驱动筒的有限元分析404.4 本章小结42结论43致谢44参考文献45附录47 第1章 绪论1.1 课题研究背景及意义1.1.1 步行机器人简介机器人是作
11、为现代高新技术的重要象征和发展结果，已经广泛应用于国民生产的各个领域，并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化，影响着人们生活的方方面面。步行机器人1（walking robot；legged）简称步行机，是一种智能机器人，它是涉及到生物科学、仿生学、机构学、传感技术、及信息处理技术等的一门综合性高科技。多足仿生机器人同轮式机器人、履带式机器人相比，具有在复杂地貌上行走运动独有的特点和优越性。这是因为第一，多足仿生机器人的运动轨迹是一系列离散的点，而轮式机器人和履带式机器人的运动轨迹则是一条连续的曲线。多足仿生机器人可以跨越岩石等较大的障碍物，通过较松软的路面，具有极强的环境适应性和运动灵活
12、性。第二，多足仿生机器人的躯体与地面是相对独立的，无论多足仿生机器人在平坦地貌还是复杂地貌上行走，都可以保证躯体平稳的运动。第三，多足仿生机器人在复杂地貌上运动，具有较低能耗和较快速度的特点。特别是在崎岖的、不规则的路面上，步行机明显会优于轮式或者履带式车辆。因此，多足仿生机器人具有更高的研究价值和实用价值（图1.1、图1.2）。 图1.1美国四足步行车 图1.2日本TITAN-VI步行机器人1.1.2 腿部弹性驱动结构的设计背景 2腿部结构设计与研究是步行机器人研究领域的一个重要内容。这是因为在未知环境操作中，能够适应外部环境力控制的机器人腿部结构重要的。当前，机器人的力控制方法有：1主动控
13、制法，通过控制算法以及感测的外部信息来决定机器人的关节扭矩，使机器人对外部环境能够产生合适的作用力。2被动控制法，通过弹性缓冲装置避免过大的冲击作用力。本次设计属于一种被动控制法驱动装置，其特点是不能精确控制作用力，但是其适应的力变化带宽非常大，同时由于具有两个串联的刚度，当外部冲击力幅变化较大时，能够具有良好的适应性。驱动器作为一种设备或机械装置，是将某种形式的能量或者转化为机械力、力矩，或是转化为直线速度、旋转速度。作为机器人用驱动装置，首先应该注意重量要轻，输出功率大，能够提供较高的力或力矩，并且造价低廉。其次还应该注意与外部环境互动的过程中，在较宽的输出力范围内，为了避免引起机器人本身
14、或与之接触的外部设施的损害，机器人的驱动装置应该具有良好的力输出特性的一致性。最后，机器人在未知的环境工作时，所产生的冲击能量能够通过机器人的机构传递到驱动器中，以提高驱动器的抗冲击载荷的能力，避免机器人的整体结构和敏感零部件的震动损伤3。现阶段的机器人开发设计中，力控制的装置主要有直接驱动装置、齿轮驱动装置、绳索驱动装置等等4。在这些驱动装置中，本身就具有相互矛盾的地方。例如：齿轮减速机构在工作的时候，将电动机的高转速与低转矩转化为机器人所需要的低转速以及高转矩。但是，由于齿轮机构自身的摩擦、齿轮间隙等非线性因素，再加上增大了的负载转动惯量，使驱动装置输出来的力精准度下降，抗冲击载荷能力下降
15、。还有很多四足步行机器人的腿结构以及关节大多为刚性连接，不但不能储能，而且因为各种频繁的冲击，要消耗掉许多能量。1.1.3 腿部弹性驱动结构的设计目的如何设计出能够保证基本的速度与功率，结构简单稳定，在机器人的移动中较好地实现稳定与平衡，比较理想地实现能量的供给，具有缓冲功能的腿部弹性驱动系统一直是困扰世界上众多机器人研究人员与机器人爱好者的难题。人们通过多年的经验积累从仿生学中寻找到了很多答案。其中之一动物的肌腱肌肉就是高效储能和节能的理想元件，不但能够解决能量供给问题，还能保证高效的速度与稳定性能5。其实早在二十世纪六十年代美国、英国、日本等一些国家开始研究机器人之初，就有许多科研人员已经
16、注意到了弹性驱动器用在腿关节上带来的效果，现今腿部弹性驱动器结构的种类主要分为液压驱动、气压驱动、电机驱动以及人工肌肉等。驱动器作为一种设备或机械装置，是将某种形式的能量或者转化为机械力、力矩，或者转化为直线速度、旋转速度。作为机器人用驱动器首先应该重量轻，输出功率大，能够提供较高力或力矩，并且造价低。由于电机驱动器体积小、重量轻、应用灵活等诸多优点。然而液压驱动、气压驱动以及人工肌肉（图1.3、图1.4）较大的弱点就是驱动能量密度比较低，体积庞大，结构复杂，不方便将其放置于步行机器人本体结构上。所以现今机器人腿部驱动器以电机驱动最为普遍。本次设计的最终目的就是初步设计出一种结构简单稳定，运动
17、平稳，安全密封，适应大幅变化载荷以及在恶劣条件下工作的理想的腿部弹性结构。图1.3仿人肌肉的腿部结构6图1.4仿人肌肉的手臂结构61.2 腿部弹性驱动结构的国内外发展现状与应用实例1.2.1 Gilla.Pratt等人设计的弹性驱动器如图1.5、1.6所示，弹性驱动结构特点是在动力源与负载之间装有一组弹簧，使其单独单独承担动力源的驱动力及负载的反作用力。而在生物肢体中，软组织（如肌肉、肌腱、软骨等）是加强刚度的组织。当负载和变形增加时，相应的刚度也会随之增加。生物肌肉的这种变刚度特性使得由肌肉组成的关节运动具有很好的柔顺性和适应性，并且其刚度随着外界作用力的不同而变化，这一点是目前一段时间内的
18、弹性驱动结构很难做到的。 图1.5国内弹性驱动器 图1.6Gilla.Pratt等人设计的弹性驱动器21.2.2 行走机器人作为人类以及动物运动的驱动器肌肉，包括以下特征：低机械输出阻抗(Lower impedance)、高输出力精确度(high force-fidelity)， 低摩擦阻力(Lower friction)，较宽的控制带宽(Good bandwidth)等。弹性驱动器能够更好地模拟生物体的这些肌肉特性，因而适合作为机器人的腿部驱动器。麻省理工学院人工智能实验室(MIT Artificial Intelligence Lab)研制的两款双足行走机器人Spring Flamingo
19、和M2 (图1.7)，在每个关节上就采用弹性驱动器。其中，Spring Flamingo有6个自由度，M2有12个自由度。 图1.7Spring Flamingo (左)和M2(右)1.2.3 辅助行走装置作为人类假肢和助力器械，不能影响使用者正常、自然而流畅的运动。当使用者进行如爬楼梯、背重物等强烈运动时，该器械在关节供给辅助动力。当使用者进行轻微运动(如正常行走)，该器械又不约束关节自由转动。Yobotics公司研发的助力行走装置(图1.8)，大大增加使用者负重能力和耐久力。如图1.9所示，残疾人士在使用Yobotics公司生产的假肢，经过简单适应性训练后，运动时比其它同类产品更加灵活、自
20、如。 图1.8Yobotics公司的助力行走装置图1.9Yobotics公司的腿部假肢1.2.4 智能手臂当机器人的手臂在不确定的环境操作时，特别是与人类互动时，弹性驱动器可以提高操作性和安全性。通过限制机器人在每个关节的最大输出力，为操作者提供了额外的安全措施。例如，操作者与机器人的任意一点接触时，报警信号立刻被记录下来，以防止出现不当操作。而传统的机器人手臂为了在未知环境安全操作，则需要大量的测力传感器。最后，弹性驱动器的高抗冲击载荷能力将机器人手臂撞损与之接触工件的可能性大大降低。如图1.10所示，Yobotics公司为麻省理工学院Media实验开发的一款基于力控制，6自由度机械手臂。该
21、臂能够感测到与操作者之间的互动，并加入了“反重力”模块以弥补手臂的重力影响，使其容易“学”会新的动作。 图1.10Yobotics公司的6自由度灵巧机械手臂1.3 论文的主要内容 本文从仿生学的角度出发，针对生物肌肉变刚度的特点，在研究以前的国内外弹性驱动器结构的基础上，采用双弹簧串联结构并且提出了圆筒式外壳的密封结构； 三维建模，运用solidworks设计出圆筒式电机弹性驱动器的机械结构； 对设计出的弹性驱动结构进行必要的强度校核计算以及各种性能进行了分析； 对所要装配该弹性驱动结构的四足步行机器人机型简单的整体结构设计，用以验证该弹性驱动结构的实际效果； 运用ANSYS有限元软件弹性驱动
22、器的关键部位进行力学分析，论证在工作状态下弹性驱动结构的受力状况。第2章 圆筒式腿部电机弹性驱动原理2.1 弹性驱动机构设计的理论依据弹性驱动机构是一种用于步行机器人的关节、基于力控制的驱动器，它提供一种具有低输出阻尼、摩擦，进而完成精确力控制。理想的基于力控制驱动器应是一个纯粹的力源，但在现实情况下，各种基于力控制驱动器由于各样的限制而不是纯粹的力源。这些限制包括机械输出阻抗(Impedance)、控制带宽(Bandwidth)和静态摩擦(Stiction)等7。在机器人的应用中，要求驱动器的重要属性是低机械输出阻抗(Mechanical Output Impedance)。机械输出阻抗是在
23、给定的负载运动下，驱动器的刚度衡量标准。例如，弹簧的阻抗就是其刚度系数，因为刚度系数反映弹簧变形量与输入力之间的关系。低输出阻抗意味着驱动器作为纯粹的力源，可以忽视系统内部动力学特性，因此阻抗越低越好。控制带宽(Bandwidth)影响驱动器的控制性能，它受到驱动器各器件的饱和特性，系统机械刚度，控制系统增益等限制。静态摩擦(Stiction)则限制了驱动器的向外输出的最小力矩。理想情况下，驱动器作为纯粹的力源，输出阻抗、静态摩擦为零，控制带宽为无限大。生物体的肌肉具有低的输出阻抗和静态摩擦以及适当控制带宽。在长期自然进化中，人和其它动物适应各种复杂的环境和地貌，其行走肌体具有良好的抗冲击性和
24、对振动进行缓冲的能力。在这些生物肢体中，软图2.1单刚度弹性驱动器原理图组织(如肌、腱、软骨)是加强刚度的组织。当负荷和变形增加时，相应的刚度也会随着增加8。人类肌肉的最大刚度和肌肉放松状态下的刚度比约为59。生物肌肉的这种变刚度特性使得由肌肉组成的关节运动具有很好的柔顺性和适应性。图2.2双并联弹性驱动器原理图 图2.3双串联弹性驱动器原理图本次设计在单刚度弹性驱动器（图2.1）基础上，结合双并联弹性驱动器（图2.2）、双串联弹性驱动器（图2.3）改变成串联弹簧的圆筒式密封结构，其结构特点是在动力源与负载之间装有一组串联弹簧。并且保证弹簧有一定的预紧力，驱动器输出力弹簧的缓冲带动负载，从而在
25、驱动过程中，不论是向前伸出还是向后收缩的时都可以严格地保证串联弹簧对机构的保护，以更好地模拟生物体的肌肉特性。2.1 弹性器力学分析102.2.1 单刚度弹性驱动器力学分析图2.1是电机驱动单刚度弹性驱动器的原理图，控制器通过接收给定信号Fd和测力传感器反馈回来的向外输出力大小信号Fl后，产生控制电机电流量的控制信号，使电机输出期望转矩以压缩弹簧。其中，kp和kd分别为PD控制器的比例系数、微分系数，ka是电机放大系数，m1为伺服电机转动部分质量，bm为粘滞摩擦阻力系数。下面，为了简化公式的复杂程度进而便于集中精力研究驱动器的性质本身，假定电机放大系数ka=1，则电机电磁力： (2-1)图2.
26、4单刚度弹性驱动器能量域模型如图2.4所示的两自由度系统，其运动微分方程式为： (2-2)做式(2-2)初始条件为零的拉氏变换得： (2-3)合并式(2-3)中的两式得： (2-4)合并式(2-1)、(2-4)得系统闭环控制下，单刚度弹性驱动器输出力Fl和给定力Fd之间的传递函数： (2-5)固定负载端以消除其运动，由式(2-4)、式(2-5)分别得： (2-6) (2-7)设给定力= 0，由式(2-7)得到在闭环控制下，负载运动与驱动器输出力之间的传递函数： (2-8)2.2.2双串联刚度弹性驱动器力学分析10图2.5双串联弹性驱动器模型弹簧刚度系数不同的双串联弹性驱动器作为双刚度弹性驱动器
27、的一种结构形式，可以保证在不同压缩量的前提下得到不同的弹簧刚度。如图2.5所示，与单刚度弹性驱动器相比，双串联弹性驱动器是将两根线性弹簧串联布置在外部负载与伺服驱动电机之间。开始工作时，驱动器的动力源先同时压缩软弹簧k1和硬弹簧k2，整个系统的刚度系数为软弹簧和硬弹簧的合成刚度。随着动力源继续压缩弹簧，软弹簧k1被完全压缩而与垫片接触，此时认为软弹簧的刚度就变成了无穷大，那么整个系统的刚度系数为硬弹簧k2的刚度。这样驱动器在不同的弹簧压缩量的前提下，可以改变系统弹簧的刚度。为了便于与单刚度弹性驱动器对比分析，我们同样采用PD控制器且系数kp、kd与单刚度弹性驱动器相同，假定电机放大倍数ka=1
28、，则双串联弹性驱动器的伺服电机电磁力与单刚度驱动器相同，那么： (2-9)图2.6双串联弹性驱动器能量域模型如图2.6所示的三自由度系统，其运动微分方程式为： (2-10)整理得： (2-11)做式(2-11)初始条件为零的拉氏变换并写成矩阵形式： (2-12)则，它的阻抗矩阵为： (2-13)传递函数矩阵为： (2-14)传递函数矩阵为(33)阶，可写为：其中：任意元素表示第i个物理坐标的响应与第j个物理坐标激励之间的传递函数。当i = j时，称为原点传递函数；ij时，则称为跨点传递函数。取跨点传递函数进行分析，得： (2-15)取原点传递函数进行分析，得： (2-16)式(2-15)、(2
29、-16)中：称为串联弹簧的等效刚度。由式(2-15)、(2-16)得系统在开环控制下，驱动器输出力与电机电磁力之间的传递函数： (2-17)由式(2-17)、(2-1)得： (2-18)由式(2-15)、(2-9)并假设=0，得系统在闭环控制下，负载运动与驱动器输出力之间的传递函数： (2-19)由于本次设计只考虑驱动系统稳定性，所以在串联弹簧的选择上采用同一型号相同尺寸规格的压缩弹簧。即=。则等效刚度系数： = (2-20) 驱动器输出力与电机电磁力之间的传递函数：= (2-21)闭环控制下，负载运动与驱动器输出力之间的传递函数： (2-22)2.3 圆筒式电机弹性驱动器的工作过程 图2.7
30、圆筒式电机弹性驱动器工作简图本次设计的弹性器的主要工作方式如图2.7所示 ：1、电机带动丝杠转动，螺母沿丝杠轴线方向上滑动。2、两个弹簧均处于压紧状态，螺母移动压缩弹簧，两个弹簧受力不均产生变形为回复原状将推动驱动筒移动。此处注意，在做往复运动的时候一定要保证弹簧始终保持压缩以达到弹性减震的目的。3、动力传动次序为：电机丝杠螺母弹簧驱动筒输出。原则上动力输出的轨迹在严格的直线上，通过一组用来固定弹簧端部的挡板与外壳上的滑槽保证。2.4 本章小结本章首先简单介绍了单刚度和双串联刚度弹性驱动结构的理论依据，通过双串联弹性驱动结构、双并联弹性驱动结构和单刚度弹性驱动结构的对比充分论证了在不利条件下，
31、圆筒式电机双串联弹性驱动结构的优越性。然后，分别对其进行力学分析，进一步论证了本次设计的弹性驱动结构在较大带宽的变动载荷的作用下，驱动器利用输出力弹簧的缓冲带动负载，在工作过程中，会较好地模仿生物肌肉，对所装配的步行机器人进行保护。第3章 圆筒式电机弹性驱动结构的总体设计3.1 电机弹性驱动系统组成元素的选取3.1.1 电机弹性驱动系统弹性部件的选取原则本次设计的目一种新型的圆筒式串联弹性驱动结构，因此本次设计中一切工作的出发点在于在于加工装配与工艺。本次设计的原则就是以加工装配为核心，对于所有的设计部件要注意：第一，满足结构功能；第二，与学校加工中心交流，便于加工，满足精度要求；第三，结合合
32、适的加工工艺，设计合理方案。对于所有需要购买的零部件要注意：第一，要满足结构要求，强度要求；第二，在经过初步计算后，要经过市场调查，选取能够买到的，尽可能质量可靠、经济实惠的零部件。3.1.2 电机弹性驱动系统各组成元素的选择1. 动力源的选择10到目前为止，广泛应用于机器人设计开发的驱动技术主要有：电机驱动、形状记忆合金驱动器(Shape Memory Alloy astuator)、液压驱动、气压驱动、压电驱动(Piezo electric actuator)、聚合材料人工肌肉驱动器(Polymeric Artificial Muscle actuator)和磁致伸缩驱动器(Magneto
33、-strictive effect actuator)等等。考虑驱动元件的动态性能、功率质量比、可控性等因素，采用直流伺服电机作为弹性驱动器的动力源是一种比较可行的方法。伺服电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一， 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，伺服电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。伺服电机具有下垂的机械特性和线性调节特性，对控制信号响应迅速，能够较好地满足快速响应的要求，从而达到准确定位的目的11。电机驱动弹性驱动器是利用伺服电机产生的力和力矩，经过传动机构以压缩弹簧，这样驱动器输出力经过弹簧的缓冲带动负载。那么，对驱动电机的主要要求规纳
34、如下16：(1) 快速性。伺服电机从获得指令信号到完成所要求的目标工作状态的时间应尽量短。响应指令信号的时间愈短，伺服电机的快速响应性能愈好。(2) 控制特性的连续性和直线性。随着控制信号的变化，伺服电机的转速也能随之变化。有的时侯，还需伺服电机的转速与控制信号成正比或近似成正比。(3) 体积小、质量小。制作出来的弹性驱动器的尺寸大小和质量主要由伺服电机的外形尺寸和质量决定，因此需要伺服电机的质量、体积尽量小。(4) 伺服电机在控制系统的调节下进行频繁的正反向和加减速运行，具有较大的短时过载。所以要求电机能经受得起苛刻的运行条件，且运行起来具有较高的可靠性和稳定性等。本次设计中(1)，由于最大
35、工作载荷F为30 g，载荷的移动速度v为30 mm/s。弹性驱动器的功率为：P=Fv （3-1）P=8.82 W初定功率大约为9W。(2)，螺母的移动速度v=30 mm/s，丝杠的导程，丝杠转速。经过市场调查，弹性驱动器的动力源采用永磁直流行星齿轮电机，型号：45ZY68-2430，完整的配置型号为45JX100K5.18G10J27/45ZY68-2430。该电机具有小体积，高转矩，低振动的特点，性能参数以及尺寸形状见附录A、附录B。2. 传动方式选择目前，常用的减速机构有：RV齿轮减速机构、谐波齿轮减速机构、摆线针轮减速机构、行星齿轮减速机构、链轮传动机构、螺母丝杠机构、金属带齿形带减速机
36、构、球减速机构等。针对弹性驱动器的特点，如何合理布置伺服电机，减小驱动器整体的径向和轴向尺寸，是电机传动方式选取的关键问题之一。经过比较可以看到，在小空间、传动线路比较简洁的情况下选择螺母丝杠传动的方式具有更多的优势。螺母丝杠传动主要用来将回转运动变为直线运动，同时传递运动和动力。通常由螺杆、螺母、机架及其它附件组成，应用十分广泛。按使用要求不同，分为以下三种类型17： (1)传力螺旋：主要用以传递动力。如千斤顶。 (2)传导螺旋：主要用以传递运动。如机床的进给机构(丝杆)。 (3)调整螺旋：主要用以调整、固定零件的相对位置。螺旋传动的特点：具有传动平稳、增力显著、容易自锁、结构紧凑、噪声低等
37、特点，也存在效率较低，螺纹牙间摩擦、摩损较大等缺点。传动螺旋通常采用牙型为矩形、梯形或锯齿形的右旋螺纹。特殊情况也采用左旋螺纹，如为了符合操作习惯，车床横向进给丝杠螺纹即采用左旋螺纹18。传动螺纹的种类有锯齿形螺纹和梯形螺纹。锯齿形螺纹只能传递单向动力，常用于各种轧机及螺旋压力机的传动；梯形螺纹用于承受两个方向均有轴向力的传动，具有工艺性好，牙根强度高，对中性好的特点，常用为传动螺纹。3.2 圆筒式腿部电机弹性驱动系统的总体结构腿部电机弹性驱动结构是一个特别重要的机构，直接决定其四足仿生机器人整个机构运动性能的好坏，从某种程度上说，对移动关节式四足仿生机器人结构的设计和研究就是对其腿部结构的设
38、计和研究，其核心就在于弹性驱动器。腿部机构的主要设计指标如下：总质量为2kg左右，竖直方向的最大有效位移为60mm左右（即螺母在丝杠上运动的有效行程是60mm），运动的额定速度是30mm/s最大工作载荷30kg。1-电机 2-电机座 3-联轴器 4-轴承 5-丝杠6、11-螺母 7、10-弹簧挡板 8、9-弹簧12-驱动筒 13-输出端盖 14-螺母 15-外壳 16-轴承座图3.1弹性器装配剖面图如图3.1所示，纵杠机构主要由丝杠螺母机构和直流驱动电机1组成。直流电机1通过控制系统控制产生旋转运动，并通过联轴器3把旋转运动传递给丝杠5，丝杠5带动螺母14运动，把旋转运动转换成直线运动，在驱动
39、筒12内部，螺母14的移动推动一组串联弹簧8、9，造成串联弹簧的变形，弹簧8、9会将驱动力传递到各自的弹簧挡板7、10上面，挡板7、10被螺母6、11固定在驱动筒上，可与驱动筒看成同一刚体。因此挡板7、10的作用之一就是将驱动力传递到驱动筒上，挡板7、10的第二个作用是是通过外壳15内部的滑槽控制驱动筒沿轴线方向移动，将驱动载荷控制在直线范围内。电机1通过电机座2固定在轴承座16上，丝杠5通过轴承4固定在轴承座上。同时轴承座与输出端盖都通过螺纹连接固定在内部有滑槽的外壳上。3.3 电机驱动弹性器重要部件的设计计算3.3.1 丝杠螺母结构的设计计算 丝杠螺母机构主要由丝杆、螺母、驱动筒、深沟球轴
40、承以及其它轴承固定件构成。丝杠螺母传动机构主要设计参数如表3.1所示，下面对其进行设计计算。表3.1丝杠螺母机构主要设计参数19 最大工作载荷30 kg纵向丝杠有效行程（S）60 mm螺母运动额定速度（V）30 mm/s加速度时间常数（t）0.1 s丝杠螺母希望寿命（L）30000 h直线运动丝杠螺母摩擦系数 ()0.21四足仿生机器人与地面摩擦系数 ()0.26丝杠的输入转速（n）482 r/min丝杠螺母副主要有两种20形式，分别是滑动丝杠副和滚珠丝杠副。滑动丝杠副虽然机械效率相对滚珠丝杠副较差，但其结构简单，容易制造，并且由于将旋铣及辊轧技术应用到其加工过程中，使传动性能大大提高。在本丝
41、杠螺母传动机构中，使用的丝杠螺母都不是传统标准丝杠副形式，而是要根据弹性器结构的实际情况并且考虑其加工的难易程度和成本，自行加工制造或改进，故本次设计选用滑动形式的丝杠螺母副。另外，滑动形式的丝杠螺母副也具有它自身的优点，其丝杠和螺母之间存在一定的间隙，有利于防止电机弹性驱动器在工作的过程中，由于其他构件的加工精度问题产生的同轴度问题，以致使其丝杠副卡死。其次滑动形式的丝杠螺母副具有自锁性，当装配弹性器腿部结构的四足仿生机器人停止运动时，可以关掉电机，使其不借助外驱动力的情况下静止在地面上。由于梯形螺纹的一些自身结构特点21，包括：较高的传动效率，精度好，加工方便等因素，因此滑动丝杠普遍应用这
42、种螺纹牙形，标准梯形螺纹的牙形角为30，对于传动精度要求较高的丝杠传动，可选用牙形角小于30，这是因为牙形角越小螺距的测量误差就越小，对于本次设计选用牙形角=30的牙形角即可。丝杠与直径的关系可按GB784-65梯形螺纹标准进行查询。并根据传动进给的实际需要进行选取，也可根据传动比的要求确定，必要的时候比如在特殊要求下，允许采用非标准尺寸。本次设计中的丝杠的主要参数如表3.2所示：表3.2丝杠螺母机构参数螺纹类型梯形螺纹线数n2螺旋升角2o旋向右旋螺纹中径7.25mm螺距P2mm主要参数计算如丝杠直径、导程、行程长度、螺母的尺寸以及一些校验计算如下22： 导程设计计算滑动式丝杠螺母副的导程可以
43、根据公式（3-2）计算： （3-2）。根据实际情况，选取。 基本动态额定负载计算丝杠做旋转运动时，分为启动阶段、匀速运动阶段和制动阶段，假设其速度曲线如图3.2所示。图3.2丝杠旋转运动速度示意图 （3-3） 加速时的加速度：加速时的轴向负载： （3-4）可知。其中：，i是安全系数，i=1.25恒速时的轴向负载:减速时的轴向负载表3.3丝杠旋转运动数据动作模式启动阶段匀速运动阶段制动阶段所需时间0.1s1.8s0.1s轴向负载25.25N24.5N0.75N转速241r/min482r/min241r/min所需时间比5905丝杠在整个旋转运动的过程中，每个运动阶段的运动时间、所受轴向载荷以及
44、转速等如表3.3所示。根据各个运动阶段的转速计算平均转速以及各个运动阶段的载荷条件计算轴向平均负载： （3-5） （3-6） 计算得： 丝杆公称直径d设计计算丝杠的公称直径可以先计算其中径，再根据中径确定其公称直径的大小，中径的计算公式如（3-7）所示： （3-7）式中：梯形螺纹螺母形式许用压强将其数据代入（3-7）中得： 根据整体结构实际情况需要取公称直径。 螺母尺寸设计计算螺母的尺寸计算包括其长度、宽度、高度和旋合圈数，本次设计中参考千斤顶的螺母结构以及实际情况，进行计算可知螺母高度： 由于整体结构的限制，再加上滑动丝杠螺母的可加工性，本次设计中螺母的应力定大大小于千斤顶中的情况，故取其螺母高度为，旋合圈数z根据螺母高度计算，通常螺母的旋合圈数小于1012圈，计算公式如下： （3-8）计算得。根据计算将圈数圆整，取螺母旋合圈数，螺母的其他结构设计如图3.3所示。其中，H=12mm，b=36mm，L1=4.5mm，L2=10mm，R1=8mm，R