摘 要

本文主要以生物狗为仿生对象，设计一个拟犬的四足机器狗，重点在于对四足机器狗的腿部设计与脊柱设计，尤其在脊柱部分，引入了‘变刚度’的概念，让机器狗在生物学上更加接近于生物狗，并对这种四足机器狗的运动特性作出简要的计算与分析。

地球路面多为崎岖不平的地面，因此，一种类似于生物狗的四足机器狗能够适应各种不平地面与恶劣环境。本文的主要内容包括：

1. 简要分析国内外四足机器人的发展现状和趋势
2. 根据设想的功能要求给出四足机器狗的脊柱部分结构与腿部结构
3. 采用三维造型软件solidworks建立四足机器狗的本体结构，然后在模型中突出之前设计的内容
4. 根据solidworks simulation2014和solidworks motion对所设计的四足机器狗结构进行简单的静力学，动力学分析。

关键词：四足机器狗 solidworks 机械设计 运动仿真

Abstract

This article mainly to biological dog for bionic object, design a quadruped robot dog dog, the emphasis is on of the quadruped robot dog leg and spine design, especially in the part of the spine, introduced the concept of 'variable stiffness, and let the robot dog in biology is more close to the dog, and the motion characteristics of the quadruped robot dog made a brief calculation and analysis.

The earth surface is rugged ground more, as a result, a quadruped robot dog similar to the biological dog can adapt to all kinds of uneven ground and bad environment, have the characteristics of flexible movement and good adaptability to terrain, it is based on this, the bionic quadruped robot dog study to become one of hotspots in the field of robotics research. The main content of this article is

1.This paper briefly analyzes the development status and trend of the four-legged robots at home and abroad

2.According to the function of the hypothesis, the structure of the spine of the four-legged robot dog and the structure of the legs

3.Using solidworks, a 3d modeling software, the body structure of a four-legged robot dog is developed, and the design is then highlighted in the model

4.According to solidworks simulation2014 and solidworks motion, the design of the four-legged robot dog structure is simple statics, dynamic analysis and motion simulation

Key words：four-legged robot dog solidworks mechanical design motion simulation

目录

第一章 绪论 1

1.1设计任务与要求 1

1.2国内外研究现状 3

1.2.1国外机器人技术的发展现状 3

1.2.2国外机器人技术的特色和趋势 3

1.2.3国内机器人技术的发展现状 4

1.2.4我国机器人技术正面临的挑战和未来的机遇 4

1.3生物狗的生理结构与运动特性 5

1.3.1．生物狗的骨骼 5

1.3.2生物狗的运动特性 5

1.4设计的主要内容与思路 6

第二章 四足机器狗的设计方案选择 7

2.1四足机器狗结构设计方案 7

2.2前体与后体的结构设计方案 8

第三章 四足机器狗的结构设计 9

3.1前体与后体的结构设计 9

3.1.1侧向板 10

3.1.2底座 11

3.1.3角钢架 11

3.1.4连接件 11

3.2脊柱的结构设计 12

3.2.1脊柱的基本结构 12

3.2.2脊柱材料的选择 13

3.2.3变刚度的基本概念 15

3.2.4变刚度概念在脊柱中的应用 15

3.3涡轮蜗杆的选型 18

3.4齿轮齿条的选型 22

3.5传动轴的设计 24

3.5.1轴材料的选择 25

3.5.2轴径的初步估算 25

3.5.3轴的结构设计与工艺性 26

3.5.4轴的强度与刚度校核 27

3.6.1腿部结构的初次设计 28

3.6.2腿部结构的最终设计 30

3.6.3腿部与前后体的连接 31

3.6.4带动单腿的电机选型 32

3.7同步带轮的选型 32

3.8腿部轴的结构设计 37

第四章 四足机器狗三维模型的建立 39

4.1.Solidworks软件介绍 39

4.2四足机器狗本体的三维模型 39

第五章 四足机器狗结构特性与运动特性 43

5.1传动轴的有限元分析 43

5.2.腿部轴的有限元分析 46

5.3脊柱的有限元分析 48

5.4单腿的运动特性 50

第六章 结果与展望 52

6.1 成果展示 52

6.2.设计中存在的问题 52

参考文献 54

致 谢 55

第一章 绪论

1.1设计任务与要求

我的毕业设计任务主要以生物狗为仿生对象，通过设计一个拟犬的四足机器狗，主要完成以下设计内容：（1）了解掌握生物狗的骨骼结构和运动原理；（2）设计四足机器狗，重点设计四足机构与脊柱机构；（3）分析机器狗的运动特性。

将以上内容变成具体要求就是：（1）查阅中文文献不少于10篇，英文文献不少于10篇。翻译一篇5000汉字的英文期刊文献，给出翻译的中英文稿；（2）分析掌握生物狗的骨骼特性和运动特性，给出机器狗的机构方案；（3）设计机器狗的四足机构和脊柱机构，给出设计计算和整个机器狗的机械图（合计不少于2张A0图纸）；（4）计算和分析机器狗机构的运动基本特性，给出机器狗运动的基本特性；（5）撰写不少于2.0万字的毕业设计说明书。

四足机器狗结合了仿生学与机器人学的许多内容，在进行四足机器狗的设计分析之前，我觉得相当有必要对于机器人有一个系统而直观的认识，这对我后面的设计工作会有很大的帮助，因此查阅机器人的相关资料就成为了我毕业设计的第一步工作：

【定义】：

机器人是一种靠动力和控制来实现所要求功能的机器。其实，为了给机器人一个精准的定义，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会的定义标准：“一种可编程和多功能的操作机；或者是为执行相关任务而具有微机（电脑）改变和编程-动作的专业化系统。”它能为人类带来许多方便之处！ 

组成部分： 

机器人的组成一般有驱动装置、执行机构、控制系统、检测装置和复杂机械等。执行机构：能完成指定任务的结构，即机器人本身，其关节部位一般采用空间开式连杆机构，其中的运动副（旋转副或者移动副）常称为关节，关节个数通常为机器人的空间自由度数。根据关节运动坐标形式和关节配置形式的差异，机器人执行机构又可进一步分为圆柱坐标式、直角坐标式、关节坐标式和极坐标式等等。从类人化的角度考虑，常常会把机器人本身的相关部位依次称为腰部、基座、腕部、臂部、手肘部（末端执行器或者夹持器）和运动部（对可移动机器人来说）等。 

【分类】： 

在这些特种机器人里，部分领域发展很快，逐步有着成独立体系的趋势，如水下机器人、服务机器人、微操作机器人、军用机器人等。一般也可这样分类：制造领域的工业机器人以及非制造领域的服务型和仿人型机器人，这和我国采用的分类标准是一致的。 

其中，所谓空中机器人又称无人机，在军用机器人领域内，无人机是科研活动最活跃、技术创新最可观、采购和科研经费投入最多、实战经验相对最为丰富的领域。回顾80多年的发展历程，世界无人机的发展其实是以美国无人机发展为主线向前不断发展的，无论从无人机的种类和数量还是技术含量来看，美国还是世界范围内之首位。

【具体分类】一般机器人可分为以下几种; 

1家务型：可以帮助人们管理生活，做一些简单家务如扫地等。 

2操作型：自动控制形，可重复多次编程，功能多样，2个以上自由度，固定或运动皆可，主要用在自动化相关领域中。 

3程控型：按照事先设计的顺序和条件，依次有先后顺序的控制机器人机械动作。

4数控型：不需要通过使机器人动作，而是通过语言、数值等对机器人进行示范教学，机器人可按照示教后接收到的信息进行有关作业。 

5搜救类：在发生一些灾难以后，可以进入人类无法进入的废墟中，使用红外线扫描废墟中的景象，然后把信息传递给废墟外面的搜救人员。 

6感觉控制型：需要使用传感器获取有用信息从而控制机器人动作。 

7适应控制型：能适应环境的变化，控制其自身的行动。

8学习控制型：能从工作中获取经验，具有一定学习能力，并将所获取的经验用在以后工作中。 

9智能型：以人工智能决定其行动的机器人。 

【能力评价】

机器人能力的评价标准包括：物理能，指速度、力、联用性和寿命、可靠性等。因此，可以认为机器人是具有生物学功能的一种空间运动工具，可以替代人类执行一些危险和较难以亲自进行的任务、劳作等。 

机器人与人 

有一种观点，越是高级的机器人越要做的和人类高度相似，其实非也。事实上，机器人利用微电子技术、机械传动组合而成的一种可以模仿人类某些技能的机械电子设备，它是在机械、电子和信息技术的基础上发展的。但是，并不是说机器人的模样必须类人，只要能独立完成人类所给予它的命令与任务，就应该属于机器人的一员。 

1.2国内外研究现状

机器人相关技术是网络控制技术和现代计算机技术的集合体，它能够充分展现当今世界各种先进的科技，在世界经济发展过程中，各种不同机器人对每个领域都有着非常大的促进与推动。机器人因为能够执行人类所无法完成的各种高精密性、高危险性以及大工作量的生产，一定程度上极大地解放了我们的劳动力，提高了我们的工作效率，同时也大大加快了人类的科技发展的速度.

1.2.1国外机器人技术的发展现状

机器人一般因其用途的不同被分为工业机器人和服务机器人两大类，其中工业机器人主要指的就是在工业生产、农业生产过程中在流水线上进行制造工作的各类机器人；所谓服务机器人主要是指在日常生活中为人们提供相关卫生、医疗、产品介绍和通讯等相关方面服务的机器人。国外机器人在其研发历程中，在早期也是工业机器人为主，近些年是服务型机器人为主。通过研究调查，日本从1994年到1999年的5年间，针对工业机器人的设计与生产量较以前翻了1倍，不过2008年之后，这种增长趋势开始减慢，从2012年开始工业机器人的生产量就已经服务机器人赶超。根据其它有关统计显示，在日本工作的机器人总数在21世纪初是全球机器人总数量的一半以上，现在已经发生了很大的减少，这也从一个侧面说明世界各国都已经不断加大对机器人技术的重视。截至2012年，在北美的机器人数量已经大幅度增长，并且市场份额达到了亚洲机器人出口总量的40%还要更多，使得日本的亚洲机器人霸主地位受到了相当的冲击。此外，从2013年的有关调查来看，世界主要国家2013年机器人年出口总量已经合计达到了25万台，其中主要是服务型机器人，其中医疗服务型机器人的比例大概在45%，同时这也是现代医疗不断发展的标志。与此同时，人们对生活质量的要求越来越高，多种居家服务型机器人开始大量出现在人们的应用中，主要包括除草机器人、真空吸尘机器人和室内卫生机器人等等，这些类型的机器人的价格横向来看比较低，在以后的发展中拥有巨大的市场，所以国外的一些企业开始在这几年将业务的重心转向服务型机器人。

1.2.2国外机器人技术的特色和趋势

1.2.2.1研发方向转移

各国经济结构在不断调整，各个行业的商业重心都在不断发生转变，机器人的一些研发企业当然也不例外。企业的设计应该能够被更多的客户所接受，因为现代人消费观念转变很快，使大家对居家生活质量要求越来越高，所以对此类机器人的需求在不断扩大。

1.2.2.2结构材料的转变

以往的工业机器人大多数结构材料选择的往往是坚实耐用的金属材料，主要原因是想要保证工业机器人在工作稳定和更持久。随着材料科学技术的发展，大多数机器人的结构材料转变为了轻质、性能更好的复合材料，进一步延长了机器人的工作寿命。另外这类材料的抗老化和抗磨损性也较好，足以保证机器人工作稳定，避免其机械结构出现损伤，从而减低维修成本。

1.2.2.3技术性能的提高

相对于传统的机器人技术，国外现代的机器人技术得到了极大程度的提高，不论是在处理器、远程控制系统、移动设备、信息采集系统、自动设备系统等方面都有了显著的提升。从而使机器人技术离我们的生活更接近，进一步增多了机器人的潜在客户。

1.2.3国内机器人技术的发展现状

我国是发展中大国，相关科学技术的发展和发达国家相比比较落后，当然也有机器人技术。近年来，我国无人机技术迅猛发展，已然成为亚洲无人机第一出口国。同时，我国的工业机器人、农业机器人的发展也非常快，在其中也包括机器人抓取结构、识别系统以及触觉传感系统等都取得了长足的进步。

1.2.4我国机器人技术正面临的挑战和未来的机遇

现代技术不断发展，国际上机器人相关技术也得到了很大的发展，我国是世界最大经济体之一，同时，因为市场经济竞争越来越激烈，各公司都会努力提高自身的效率，同时提高员工的合理利用率，减少生产成本，从而对机器人的需求会不断增加。如此就会给我国机器人技术发展提供了良好土壤。另外，由于现代科学研究的逐渐深入，对于一些人力所无法探索的领域（例如深海、峡谷、隧道以及人体内等）均有了一定的研究，并期望能够更加深入的研究，而这也就为相关机器人技术的发展提供了一定的动力。

1.3生物狗的生理结构与运动特性

1.3.1．生物狗的骨骼

狗的骨骼一般分为四肢骨和中轴骨两部分，中轴骨一般又由躯干骨和头骨组成，而四肢骨骼则包括后肢骨和前肢骨。从结果来看，头骨变化很大，有的狗头形狭且长，有的狗头形宽却短。狗的头骨一般连着颈椎，颈椎有 7节，胸椎有13节，腰椎有7节，而每3 节在一起的脊椎就成为骶骨，尾椎有8-22个。犬类都无锁骨，前肢骨中的肩胛骨通过骨骼肌连接躯体，后肢则通过骨关节联结骨盆。