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 mobility, 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 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 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 cylindrical 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 accomptished. 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,celcnderal—type support stracture and a springy elastic elementFinally, the motor system and transmission system are selected, 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[6]1.2 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弹性驱动结构很难做到的 图1.5 国内弹性驱动器 图1.6 Gilla.Pratt等人设计的弹性驱动器[2]1.2.2 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1.7 Spring 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、自如 图1.8 Yobotics公司的助力行走装置图1.9 Yobotics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1.10 Yobotics公司的6自由度灵巧机械手臂1.3 论文的主要内容① 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；② 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；③ 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；④ 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；⑤ 运用ANSYS有限元软件弹性驱动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5[9]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[10]2.2.1 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2.4 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，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)、(2-16)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 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，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-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9W2)，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B2. 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30kg1-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ａ=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]：① 导程设计计算滑动式丝杠螺母副的导程可以根据公式（3-2）计算： （3-2）。
根据实际情况，选取② 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5﹪90﹪5﹪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： ③ 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。
④ 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10～12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，R2=4mm图3.3 螺母剖面结构图⑤ 基本动态额定负载计算基本动态额定负载是滑动式丝杠螺母副最重要的参数之一，如果其动态负载大于基本动态额定负载，丝杠螺母副很容易被损坏，所以要使丝杠螺母副正常、长久的工作，必须选择其基本动态额定负载大于动态负载的丝杠螺母副基本动态额定负载按公式（3-9）计算： （3-9）式中：——寿命时间（h）——基本动态额定负载——轴向平均负载——平均转速——运行系数计算得根据以上计算数据，初步选择型号为直径是8mm，导程是4mm的双线滑动式丝杠副，通常这种类型丝杠副的基本额定负载值为1000N。
丝杠的长度D初步设计为190mm，其中D的组成如下：D=最大行程+余量+两个末端尺寸=60+94+36=190mm⑥ 容许屈服载荷校验滑动式丝杠副的容许屈服载荷就是容许轴向负载，其正常工作时，轴向负载应该小于最大容许屈服载荷，当丝杠副的基本参数确定后，其最大屈服载荷也随之确定如图3.4所示，是其滑动式丝杠螺母传动机构的示意图，丝杠两端使用滚动轴承支撑，图中虚线的构件是螺母取负载作用点间距，滑动式丝杠副正常工作时的轴向负载按公式（3-10）和（3-11）计算： （3-10）式中：——开始引起压曲的负载 ——负载作用点间距——杨氏弹性模量（2.06×104）I——滑动丝杠轴螺纹牙根直径截面的最小惯性矩 （3-11）d——滑动丝杠公称直径（）n——滑动式丝杠机构的支撑方式系数n=4（固定—固定） （3-12）式中：——安全系数计算得：将求得的轴向负载值到容许屈服载荷线图中对照，完全符合其使用要求图3.4 滑动式丝杠螺母传动机构的示意图⑦ 滑动式丝杠副危险转速校核滑动式丝杠副正常工作时，丝杠的旋转速度应小于其危险转速。
取校核转速的支撑间距，丝杠的旋转速度按公式（3-13）计算： （3-13）式中：——支撑间距——安全系数——杨氏弹性模量（2.06×104）I——滑动丝杠轴螺纹牙根直径截面的最小惯性矩 （3-14）d——滑动丝杠公称直径——比重A——滑动丝杠轴螺纹牙根直径截面积——滑动丝杠的支撑方式系数（固定—铰支）计算得：将求得的丝杠的旋转速度到危险转速线图中对照，完全符合其使用要求⑧ 滑动式丝杠副工作压强校核滑动式丝杠副正常工作时，螺母对其丝杠的应力应小于许用压强，其压强计算结果为： 求得，故满足其工作压强⑨ 滑动式丝杠副设计精度选择根据国家标准GB785—65规定，对于梯形螺纹滑动式丝杠副按其公称直径公差的大小分为l、2、3三个精度等级由于本机构需要一定的传动精度，故选用2级精度综上所述，滑动式丝杠副的设计参数如表3.4所示表3.4 滑动式丝杠副的设计参数参数直径导程有效行程螺母长度两端余量两末端长度总长度精度数值8mm4mm60mm14.5mm94mm36Mm190mm2级丝杠螺母机构的丝杠两端采取轴承支撑的方式固定。
轴承主要有两种，滑动轴承和滚动轴承本丝杠螺母机构采用滚动轴承，滚动轴承的支撑方式主要有3种方式，分别是两端固定支撑方式、固定游动支撑方式和两端游动支撑方式本丝杠螺母机构采用滚动轴承固定游动支撑方式，如图3.5所示，固定一端的轴承采用深沟球轴承，类型代号为GB/T292 7000AC/DB，游动的一端因为既要有圆周运动又要有直线运动，所以不用轴承，而是用一个圆筒形滑块套在丝杠上，使丝杠在高速旋转运动的时候，不会剧烈的震动该滑块套在丝杠上，通过轴肩和卡簧固定轴承的固定方案，如图3.5所示，采用固定游动支撑方式固定端通过深沟球轴承1固定在轴承座上，轴承座2通过管螺纹与外壳4固定，在步行机器人的设计安装过程中，是将外壳4固定在机器人的躯干上所以在丝杠3的另一端，即游动端不需要放置轴承，仅是需要用卡簧7固定一个滑块6，顺利进行转动的同时又能顺利进行直线的滑动即可 图 3.5 工作示意图3.3.2 弹簧的设计计算 在前面的的分析中，我们知道了弹性驱动器的弹簧刚度的控制性能和力的输出性能因此，选取适当的弹簧刚度ks是整个设计工作的关键，由于本次设计需要加工实物，所以在初步计算的基础上走访市场并且咨询老师及加工中心的师傅，购买到适合的弹簧。
并以此为基准进行以后的设计计算[23]弹簧是一种很常见的机械零件，虽然外形简单，但是在机械中却起到至关重要的作用，目前在世界各地对弹簧的设计选材设计制造热处理和检验都已经有了严格的技术标准弹簧的功能总的来讲就是利用材料的弹性和弹簧的结构特点是他在产生或者恢复变形的时候能够把机械功或者动能转变为变性能，或者把变性能转变为机械功或者动能，这是由于这种特性，使弹簧可广泛用于机械产品的减震或缓冲控制运动储存能量测量力和扭矩并可作为机械的动力，从广义来讲凡是利用弹性的两件都属于弹簧范围本着实用、便于购买加工的原则，本次设计中采用碳素弹簧钢材料、在普通环境下使用的冷卷或冷压形成的Ⅱ级精度右旋圆柱螺旋压缩弹簧，两端并紧磨平，必要时自行热处理设计过程如下：①设计要求：在工作过程中必须保证弹簧一直保持压缩如图3.6所示，弹簧串联，当不工作时，F=0，弹簧安装载荷=150 (N)机构平衡图3.6 不加载时弹簧状态 当中心螺母最大工作载荷F=300N，如图3.7所示，左侧弹簧压缩量为： （3-15）右侧弹簧伸长量 （3-16）实际上右侧弹簧已经没有受力，所及经过验证我们发现弹簧的最大工作载荷可定为F=300N，安装载荷=150N。
图3.7 最大工作载荷时弹簧状态在弹性结构设计的结构中，必须保证弹簧内径不大于25mm；安装高度=35mm；安装载荷=150 N 工作载荷；F=300 N；工作行程 h=12 mm左右；刚度 k'=12.5 N/mm左右；载荷类型Ⅱ类②材料参数：材料：阀门用油淬火回火碳素弹簧钢丝；切变模量 G=79000 (MPa)；弹性模量 E=206000 (MPa)；抗拉强度=1422 (MPa)；许用切应力=455 (MPa)③端部型式端部型式：YⅠ（压紧磨平）；压并圈取值范围 n'=1～2.5，确定压并圈数取n'=2④钢丝直径d的计算： （3-17） （3-18） （3-19） （3-20） （3-21）所以可得钢丝直径： （3-22）其他计算结果：钢丝直径算值 d=3.81 mm 旋绕比 C=7.11 曲度系数 K=1.21查询GBT2089-2009普通圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数，选择标准钢丝直径d=4mm,同时修正弹簧弹簧基本参数： 钢丝直径 d=4.0 mm 弹簧中径 D=32.00 mm 旋绕比 C=8 曲度系数 K=1.18计算有效圈数： （3-29）有效圈数 n=3.25 压并圈数n'=2 弹簧总圈数=5.25 实际刚度 k=23.74 N/mm。
⑤校核与分析： 要求刚度 k'=12.5 N/mm 实际刚度 k=23.74 N/mm满足要求 安装载荷(设计) =150 N 工作变形量=12.64 mm 工作载荷(设计) =300 N 试验变形量=17.36 mm 最小变形比/=0.36 弹簧特性(安装)满足要求 最大变形比/=0.73 弹簧特性(工作)满足要求 最小切应力 τmin=225.36 MPa 最大切应力 τmax=450.73 MPa 切应力特性系数 γ=0.5 最大切应力比抗拉强度 τmax/=0.32 弹簧疲劳强度满足要求 稳定性要求满足要求安全系数 S=1.79 强迫机械振动频率=0 Hz 弹簧自振频率=427.88 Hz 共振满足要求⑥其余尺寸参数： 自由高度 H=38.36 mm 安装高度=35 mm 工作高度=25.73 mm 压并高度=21 mm 试验高度 Hs=21 mm 节距 p=9.96 mm 螺旋角=5.656926 ° 弹簧材料展开长度 L=527.79 mm⑦由于本次设计的重点是加工实物，所以设计人员根据所计算出来的弹簧尺寸进行市场调查，通过对工厂师傅老师师兄的咨询以及对五金弹簧公司商店等的调查先列出几款较合适的弹簧（见附录C），相互比较选用。
最后购买到一组比较合适的弹簧，为本次设计所选用，结构如图3.8所示其中：D=29.5mm，H=45mm，p=10mm，d=4mm图3.8 弹簧尺寸结构3.3.3 其他零部件的计算设计和选取①联轴器的选择同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接 图3.9 刚性联轴器 结合实际情况，我们选择刚性联轴器（图3.9），用来连接电机以及丝杠其特点为：一体设计，体积小，质量小，惯性低灵敏度高；抗油污耐腐蚀免维修；抱紧连接，必要时可自行加工其具体结构如图3.10所示 图3.9 联轴器尺寸规格型号：SB（硬质铝合金）D=25mm，L=35mm，d1=6mm，d2=10mm，L1=7mm，M=3mm，额定扭矩2NM，最大扭矩4NM，轴角偏角1°，偏心误差0.2mm，最高转速12000r/min②轴承选择：由于轴承只受极小轴向力，几乎没有径向力影响，估根据结构要求，选择深沟球轴承：GB/T276-94，02系列，型号626。
轴承内径d=6mm；轴承外径D=19mm；轴承高度H=6mm⑤管螺纹连接由于本次设计要求总装配体质量小，且连接牢固，所以在若干连接（电机座与轴承座、电机座与外壳、外壳与输出端盖，驱动筒与内外螺母）处使用55°非密封管螺纹连接参照GB/T 7307 2001进行设计3.4 本章小结本章首先按照需求选取弹性驱动结构中电机系统和传动系统的重要元素并通过比较，选中伺服电机和滑动螺旋传动然后在此基础上，初步设想圆筒式电机串联腿部弹性驱动结构的总体结构最后设计计算重要零部件如丝杠螺母、弹簧等等第4章 有限元分析4.1 ANSYS简介ANSYS是大型通用有限元软件[24]有限元法是一种采用电子计算机求解结构静、动态力学特性等问题的数值解法由于有限元具有高精度、适应性强以及计算格式规范统一等优点，故已广泛应用于机械、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等许多领域，成为现代机械产品设计中的一种重要工具ANSYS是对物理现象（几何及载荷工况）的模拟，是对真实情况的数值近似。