浅析面向对象的多杆机构多目标多约束优化设计方法的论文（精选5篇）

第一篇：浅析面向对象的多杆机构多目标多约束优化设计方法的论文

0引言

多杆机构可以通过不同杆系的串联组合及对杆系参数的调整实现末端执行机构复杂的运动规律和运动轨迹，从而满足不同机械的结构设计要求，广泛应用于各种机械、仪表和机电一体化产品结构设计中。

多杆机构的传统杆系设计方法主要包括图解法，解析法，图谱法和模型实验法等，尤其是随着数值计算方法的发展，解析法成为各类多杆机构运动设计的一种有效方法。文献针对多杆机构末端执行机构运动存在非线性传递的问题提出了一种基于遗传算法的多杆压力机运动优化方法;文献通过对多杆系统的分级处理，借助杆系设计变量、约束函数和目标函数推导出最终的增广目标函数，从而计算得到系统的主要参数(运动参数和结构参数);文献通过建立了滑块位移，速度，加速度的数学模型，按滑块在工作行程内速度波动最小的原则建立了优化设计数学模型，最终运用复数矢量法对压力机双曲柄多杆机构进行了运动分析;文献以一种平面八连杆机构为例建立了平面多杆机构的运动分析数学模型，并利用MATLAB对其进行了优化设计和仿真分析。上述方法解决多杆机构运动设计问题的核心思想在于依赖建立能够客观反映机构运动学和动力学特性的代数解析方程(组)，借助系统耦合矩阵，实现对全系统状态方程的程式化推导，通过探讨方程(组)解的形式以及方程(组)解的存在条件等方式，实现对特定结构，特定参数变化条件下系统动态性能的定性描述与比较。然而，当多杆机构给定的运动设计要求较多或较复杂，难以用数学语言对其进行模型表达时，上述多杆结构优化设计方法表现出明显的建模周期长，模型可靠性差，模型重用性差等缺点，延长了产品的设计周期，增加了产品的设计成本。

自20世纪80年代以来，诸多学者提出从系统工程角度将计算机辅助设计优化技术应用于复杂产品研发，借助多种计算机辅助设计软件实现了不同领域仿真物理模型自动向数学模型的转化，并通过综合使用数值仿真技术、优化技术、统计技术、计算机和网络技术，最终实现多目标多约束条件下，产品综合性能和整体质量的改进，极大地提高了产品的设计效率，缩短了产品的设计周期。

1多杆机构优化设计问题

具有不等式约束的多杆机构优化设计问题的数学表达模型可以概括为:

min/maxf(x)=f(x1，x2，…，xn)

s.t.Rj(x··)=gj(x1，x2，…，xm)0≤(j=1，2，…，m)

即在满足m个不等式约束gj(x)≤0的限制条件下，求使目标函数f(x)趋于最小或最大的设计变量向量x=[x1，x2，…，xn]T，(x篟n，Rn为设计变量可行域)。其中目标函数f(x)可以是给定的滑块运动要求，也可以是机构整体的动力学输出特性要求。当给定的运动要求较多或杆系较复杂时，针对多杆机构结构优化设计可以归纳为典型的多目标多约束优化问题。

1.1双曲柄滑块机构

以一种由双曲柄机构与曲柄滑块机构串联组成的六连杆机构，即双曲柄滑块机构的优化设计问题为例。双曲柄滑块机构运动原理图，由于双曲柄机构ABCD的存在，双曲柄滑块机构的滑块运动输出特性得到了有效改善。在恒速驱动条件下，2种机构滑块运动输出特性对比。在相同滑块负载条件下，2种机构驱动电机扭矩对比。

在相同驱动条件下，双曲柄滑块机构与传统曲柄滑块机构相比，两者具有相同的工作周期，且在图示工作行程内，双曲柄滑块机构滑块运动速度趋于平稳，而传统曲柄滑块机构则表现出明显的速度波动。当上述机构应用于锻压机械传动系统，尤其是进行拉伸工艺操作时，传统曲柄滑块机构的上述运动特性极易造成拉伸件的拉裂，加剧模具的磨损。

在相同滑块负载条件下，双曲柄滑块机构与传统曲柄滑块机构相比，在图示负载作用周期内，双曲柄滑块机构驱动扭矩最大值明显小于传统曲柄滑块机构。双曲柄滑块机构上述动力学特性使其更适于作为需要实现大增力比的大型机械传动系统。

由于双曲柄滑块机构的上述特性，该机构被广泛应用于不同功能机床的传动系统，最典型的应用包括多连杆压力机的传动机构和插齿机传动机构，前者利用双曲柄滑块机构滑块加工工作行程内速度变化平稳的优点，相对传统锻压机械在相同加工效率的条件下，能够显著提高拉深工件的成形质量，同时降低模具的磨损;后者则利用相同负载条件下，双曲柄机构的加入能够显著降低系统对于驱动电机容量要求的特点，在不影响加工效率的前提下达到显著的增力效果，最大限度地提高相关加工设备的加工能力。

1.2多杆机构多目标多约束问题描述

以上述双曲柄滑块机构为例，作为多连杆压力机传动系统为适应不同加工工艺操作，不同加工材料，不同材料加工厚度对滑块加工运动轨迹的不同要求，往往需要针对特性的滑块运动轨迹对杆系结构参数进行优化设计;而作为插齿机传动机构，由于要综合考虑结构强度，齿刀寿命等因素，也需针对不同的结构增力要求对其结构参数进行优化。

如何针对不同加工应用领域，不同的功能设计要求，对同一多杆机构的尺寸参数进行优化，使其更合理地规划末端执行机构的运动学和动力学输出特性是多杆机构优化设计的核心问题。显然，上述双曲柄滑块机构针对不同加工应用领域，其优化目标侧重点不同，当双曲柄滑块机构应用于多连杆压力机时，其优化目标可以概括为:求使滑块运动输出满足特定曲线要求的连杆参数优化组合，侧重于对滑块运动学特性的优化;当双曲柄滑块机构应用于插齿机时，其优化目标则更侧重于提高双曲柄机构的增力效果，即求能够使机构输出扭矩最大化的杆系参数优化组合。

其中，M代表变量Loa，Lab，Lbc，Loc的可行域，双曲柄机构成立条件可以表述为:取最短杆为机架，且最短构件与最长构件长度之和小于或等于其他两构件长度之和，即:

Loc

Loc

Loc

Loa+Lab+Lbc-Loc-2max(Loa，Lab，Lbc，Loc)≤0

2基于Isight与ADAMS面向对象的多杆机构优化设计

通过Isight对用户建立的ADAMS参数化仿真模型的仿真分析流程进行集成和管理，借助Isight提供的多种优化搜索策略对多杆机构的多目标多约束优化问题进行求解，从而获得满足设计要求的整体优化结果。

2.1ADAMS参数化模型的建立

取双曲柄滑块机构从动曲柄水平位置为建模参考位置，利用优化参数对模型坐标点进行参数化，从而建立双曲柄滑块机构的仿真参数化模型。最终建立由杆系几何参数约束的ADAMS参数化模型。其中:α=cosLab2+Loa2+Loc2-Lbc22LoaLoa2槡+Loc()2，β=atanLocLoa()。

2.2双曲柄滑块机构优化

Isight具备试验设计方法(designofexperiment)，梯度优化算法(gradientoptimization)，直接搜索方法(directsearch)，全局优化算法(globaloptimization)等多个优化求解模块，考虑到上述双曲柄滑块机构设计参数不多，以梯度优化算法中的NLPQL算法为例，对双曲柄滑块相关目标函数的优化问题进行求解。

NLPQL算法将目标函数以二阶泰勒级数展开，并通过把约束条件线性化的方式二次规划得到下一个设计点，然后根据2个可供选择的优化函数执行一次线性搜索，其中Hessian矩阵由BFGS公式更新，该算法具有运行稳定，数据收敛速度快的特点。

3仿真结果分析

在Isight中设置好设计变量，约束条件和优化目标后调用ADAMS模型进行批处理运算，计算过程中对每个样本点进行迭代，以双曲柄滑块机构增力特性优化流程结果为例。

在NLPQL算法作用下，设计变量在所定义的变化限制范围内逐步收敛得到所限制范围内的局部最优解。，相同负载条件下，优化后的驱动扭矩较优化之前降低了35%，达到了良好的优化效果。

4结语

本文提出了一种基于Isight与ADAMS集成的面向对象的解决多杆机构多目标多约束条件下的优化设计方法，并以一种六连杆机构为例对上述方法进行了验证。与传统解析法解决类似问题相比，上述集成优化方法能够借助计算机软件将仿真物理模型自动转化为数学模型，并通过对仿真模型参数及分析结果的有效管理，达到解决多杆机构多目标多约束问题的目的。从而使工程设计人员从繁琐的数学模型建模和求解流程中解放出来，将精力集中在设计方案的选取和评价方面，能够显著提高产品的设计效率，缩短产品设计周期。

第二篇：沈阳理工大学 面向对象课程设计教学大纲

《面向对象课程设计》课程教学大纲

课程代码：030351003 课程英文名称：Course Design of oop 课程总学时：1周 讲课：□□ 实验：□□ 上机：□□ 适用专业：电子信息工程专业

大纲编写（修订）时间：2010年6月

一、大纲使用说明

本大纲根据电子信息工程专业2010版教学计划制定。

（一）适用专业

电子信息工程专业。

（二）课程设计性质

必修。

（三）主要先修课和后续课程

先修课：《计算机文化基础》、《C语言程序设计》、《面向对象程序设计》

后续课：《VB程序设计》、《毕业设计》

二、课程设计目的及基本要求

面向对象课程设计是一个对实践环节要求较高的课程。进行面向对象课程设计，一方面通过集中性的编程训练，使学生系统地掌握如何将客观实际问题与面向对象的编程语言及开发工具对应起来，将理论概念的学习转变成具体的程序开发的方法。另一方面，通过编写课程设计报告，锻炼学生编写文挡的能力，培养学生初步具备软件工程的基础技能。通过课程设计，学生应该具备五个方面的能力。

1、掌握面向对象的基本概念与理论 学生应该掌握面向对象的基本概念与理论，重点为面向对象系统的封装性、继承性和多态性理论。

2、具备算法的设计能力

学生应该掌握算法与数据结构的设计能力，重点为在类的成员函数的设计过程中，对于某一具体功能设计相应的算法。

3、具备类的设计能力

学生应该具备类与对象的设计能力，重点为如何针对给定的问题设计相应的类的成员以及类之间的关系。

4、具备高级语言编程能力

学生应该具备高级语言编程能力，主要是指使用高级语言编程解决各种问题的能力。

5、编写课程设计报告的能力

最终应该掌握编写课程设计报告等相关软件文档的能力，如何采用条理清楚、格式规范的方法编写课程设计报告，将自己的课程设计成果进行论述与总结也是非常重要的。

三、课程设计内容及安排

课程设计内容主要依托于面向对象程序设计课程，课程设计题目涉及了众多类的设计问题，具体内容应该由课程设计指导书进行详细阐述。课程设计的具体实施安排可以采用两种形式，一种是每人独立完成分配给自己的课程设计题目，这适用于题目工作量要求不高的情况；另一种是采用分组的方式，将学生2~3人为一组，完成一组综合题或一道工作量要求较高的题目。具体采用那种方式可以在进行课程设计安排时可以灵活掌握，要注意的是尽量争取学生课程设计的题目不一样，从而避免课程设计成果雷同，降低课程学习效果。

通过两周的课程设计，学生完成面向对象课程设计题目，教师最终对学生提交的软件和课程设计报告进行验收。

四、指导方式

由指导教师进行随堂上机答疑指导。

五、课程设计考核方法及成绩评定

课程设计考核成绩由三个方面组成：

（一）学生出勤成绩

学生出勤成绩根据学生在课程设计上课期间的出勤记录进行评定，占最终成绩的20%。

（二）课程设计答辩成绩

课程设计答辩成绩根据指导教师对于学生编写的程序质量及学生对于老师问题的回答情况进行评定，占最终成绩的40%。

（三）课程设计论文成绩

课程设计论文成绩根据学生的论文质量由指导教师进行评定，占最终成绩的40% 课程设计最终的成绩=学生出勤成绩×20%+课程设计答辩成绩×40%+课程设计论文成绩×40%。课程设计的成绩可以采用百分制整数形式，也可采用优良制形式。在采用优良制成绩时，由计算出的百分制成绩转换成相应的优良制成绩。

六、课程设计教材及主要参考书目

《Java 语言与面向对象程序设计（第2版）》印旻、王行言 清华大学出版社

《Java面向对象程序设计题解与上机指导》，王宏宇 贾仰理编，中国人民大学出版社，2009年3月

编写人： 王红 魏英姿 周帆 审核人： 胡玉兰 批准人： 张文波

第三篇：《信息处理方法多》教学设计

《信息处理方法多》教学设计

教学目标：

1、知道信息处理的发展过程。

2、能列举信息的表现形式和处理方法。

3、能根据需要恰当地选择信息表现形式。教学重点：信息处理方法与信息的表现形式。教学难点:信息表现形式的选择。教学方法：任务驱动式，自学探究。教学过程：

一、导入

1、音频导入：听这是什么声音？对这是发报机的声音。在战争年代，军人们通过他来传递信息。那什么是信息？信息是泛指社会中可以传播的一切内容。举例说明生活在信息世界里，每个人的大脑就像是一个信息处理系统，时刻都在处理不同的信息。

2、揭题：(出示课题)信息处理方法多

二、新知

1、信息处理的发展

诚信小故事：在很久很久以前，有一个朝代叫“周”，国王是周幽王，他有一个妃子叫褒姒。可是她有个苦瓜脸，不爱笑。为博取她的一笑，周幽王下令将都城附近20多座烽火台上点起烽火。烽火是边关报警的信号，只有在外敌入侵需召诸侯来救援的时候才能点燃。结果诸侯们见到烽火，率领

兵将们匆匆赶到。结果发现这是君王为博妻一笑的花招后又愤然离去。褒姒看到平日威仪赫赫的诸侯们手足无措的样子，终于开心的笑了。

可是五年后，外敌大举入侵，幽王再次点燃烽火而诸侯未到。因为谁也不愿再上第二次当了。结果幽王被逼自刎，褒姒也被俘虏。

过渡：在学习之前，我们一起来听一个小故事。在很久很久以前......这就是著名的诚信小故事——“烽火戏诸侯”。人无信不立，故事中的周幽王通过点然烽火传递假信息，国破家亡。古往今来，随着科学技术的不断发展，信息处理的工具不断更新，处理的方法和途径也多种多样。关键问题：从这个小故事你知道了什么道理？（初步感知信息处理重要性）

2、感受信息处理方法

过渡：我们从古代回现现代。关键问题：想一想，我们平时是如何处理信息的呢？

（1）我们平时是如何处理信息的？信息处理的方法多种多样，同一信息可以选择不同的方法处理。（2）看图说一说他们是如何处理信息的？

①传统邮件信息 ②手绘宣传信息③打个电话问好 ④用照相机拍照⑤打印机打印文件 ⑥网络视频交流

3、信息的主要表现形式

（1）过渡：信息处理的方式和方法有很多。关键问题：说一说下面每一种信息的处理方法和主要表现形式各有是什么？ 内 容 传统邮递信件 手绘宣传板报 打个电话问好 用照相机拍照 用打印机打印文件 网络视频交流 处理方法 用笔书写文字

信息表现的形式 文字

（2）填写记录表。

三、巩固应用，拓展提升

过渡：信息的处理方法和表现形式都是多种多样的。借下我来考验下大家刚才学的怎么样——闯关测评，谁登高峰。

1、判断题

2、填空题

3、读一读：“关注农村留守儿童”。⑴选择信息的表现形式。

①文字、图形、图像、声音、动画和视频都是信息呈现、交流的重要表现形式，根据宣传活动的需要，选择合适的信息表现形式。

②我们选择的信息表现形式有：。⑵确定传播载体。

①过渡：信息的载体多种多样，要达到宣传的效果，可以选择板报、宣传画、幻灯片、数字视频、网页等。

②我们选择的传播载体是：。⑶确定宣传内容。

①过渡：要取得好的宣传效果，选择恰当的宣传内容十分重要。②我们确定的宣传内容有：。

2、读一读：根据需要恰当地选择信息表现形式。

对于文字、图片、声音、动画和视频等表现形式，我们不能简单认为某一种表现形式最好，某一种表现形式最差。

在选择信息表现形式时必须根据需要表达的信息内容、呈现方式（载体）等，选择相应的信息表现形式。比如平面广告的制作，一般选择使用文字、图片，而网络广告就可以采用更加丰富的表现形式。当然，在选择信息表现形式时，还要考虑信息处理的经济与方便。

3、动手做一做。

四、课堂小结

通过本课的学习，我们知道了信息处理的方法是多种多样的。

1、说说这节课，你有哪些收获？

2、教师小结。《信息处理方法多》学习单

一、什么是信息？信息是泛指社会中可以传播的一切内容。举例说明生活在信息世界里，每个人的大脑就像是一个信息处理系统，时刻都在处理不同的信息。

二、说一说下面每一种信息的处理方法和主要表现形式各有是什么？ 内 容 传统邮递信件 手绘宣传板报 打个电话问好 用照相机拍照 用打印机打印文件 网络视频交流

三、自我测评 1)判断题

1、信息处理的方法是单一的。

2、我们每一个人的大脑就像是一个信息处理系统，时刻都在处理不同的信息。

3、古人曾经使用过“烽火”“狼烟”“信鸽”等方法传递紧急的信息。

4、信息传播的载体是多种多样的，可以选择板报、宣传画、幻灯片、网页等不同的载体达到宣传效果。

5、动画比文字好，更能达到良好的宣传效果。

6、要取得好的宣传效果，选择恰当的宣传内容十分重要。2)填空题

1、常见的信息处理方法有（）等。

2、常见的信息表现形式有（）等。

3、信息的传播载体多种多样，可以选择（）等不同的载体来达到不同的宣传效果。3)读一读：“关注农村留守儿童”。据全国妇联2009年统计，我国的农村留守儿童约5800万人，占全部农村留守儿童人口的28.29%。处理方法 用笔书写文字

信息表现的形式 文字

其中，14周岁以下的约有4000多万人。这是一个庞大的群体，需要更多人的关爱。

请以“全社会都来关注农村留守儿童”为主题，策划一次宣传活动。

⑴选择信息的表现形式。

②我们选择的信息表现形式有：

。⑵确定传播载体。

②我们选择的传播载体是：

。⑶确定宣传内容。

②我们确定的宣传内容有：。

第四篇：减速器设计方法优化策略论文解读

减速器设计方法优化策略论文

摘要：减速器是各类机械设备中广泛应用的传动装置。减速器设计的优劣直接影响机械设备的传动性能。本文通过对两种减速器主要优化设计方法的分析，提出了减速器设计中应考虑的约束条件、目标函数和变量等。关键词：减速器优化设计

传统的减速器设计一般通过反复的试凑、校核确定设计方案，虽然也能获得满足给定条件的设计效果，但一般不是最佳的。为了使减速器发挥最佳性能，必须对减速器进行优化设计，减速器的优化设计可以在不同的优化目标下进行。除了一些极为特殊的场合外，通常可以分为从结构形式上追求最小的体积(重量)、从使用性能方面追求最大的承载能力、从经济效益角度考虑追求最低费用等三大类目标。第一类目标与第二类目标体现着减速器设计中的一对矛盾，即体积(重量)与承载能力的矛盾。在一定体积下，减速器的承载能力是有限的；在承载能力一定时，减速器体积(重量)的减小是有限的。由此看来，这两类目标所体现的本质是一样的。只是前一类把一定的承载能力作为设计条件，把体积(重量)作为优化目标；后一类反之，把一定的体积(重量)作为设计条件，把承载能力作为优化目标。第三类目标的实现，将涉及相当多的因素，除减速器设计方案的合理性外，还取决于企业的劳动组织、管理水平、设备构成、人员素质和材料价格等因素。但对于设计人员而言，该目标最终还是归结为第一类或第二类目标，即减小减速器的体积或增大其承载能力。

一、单级圆柱齿轮减速器的优化设计

单级主减速器可由一对圆锥齿轮、一对圆柱齿轮或由蜗轮蜗杆组成，具有结构简单、质量小、成本低、使用简单等优点。但是其主传动比i0不能太大，一般i0≤7，进一步提高i0将增大从动齿轮直径，从而减小离地间隙，且使从动齿轮热处理困难。单级主减速器广泛应用于轿车和轻、中型货车的驱动桥中。单级圆柱齿轮减速器以体积最小为优化目标的优化设计问题，是一个具有16个不等式约束的6维优化问题，其数学模型可简记为： minf(x)x=[x1x2xj(x)≤0(j=1，2，3∧，16)

3x

4x

5x

6]T∈R6S.t.g采用优化设计方法后，在满足强度要求的前提下，减速器的尺寸大大地降低，减少了用材及成本，提高了设计效率和质量。优化设计法与传统设计密切相关，优化设计是以传统设计为基础，沿用了传统设计中积累的大量资料，同时考虑了传统设计所涉及的有关因素。优化设计虽然弥补了传统设计的某些不足，但该设计法仍有其局限性，因此可在优化设计中引入可靠性技术、模糊技术，形成可靠性优化设计或模糊可靠性优化设计等现代设计法，使工程设计技术由“硬”向“软”发展。

二、混凝土搅拌运输车减速器的优化设计 1.主要参数

混凝土搅拌运输车搅拌筒(罐)的设计容积为8～10m3，最大安装角度12°，工作转速2～4r/min和10～12r/min(卸料时的反向转速)；减速器设计传动比131∶1，最大输出转矩60kN·m，要求传动效率高、密封性好、噪声低、互换性强。2.2结构设计主要包括前盖组件、被动轮组件、第一级行星轮总成、第二级行星轮总成、机体中部组件和法兰盘组件6大部分。机体间采用螺栓和销钉连接与定位，机体与内齿圈之间采用弹性套销的均载机构。为便于用户在使用时装配与拆卸，减速器主轴线与安装面设计有15°的倾角，法兰盘轴线可以向X、Y和Z方向摆动±6°，并选用专用球面轴承作为支承。轴承装入行星轮中，弹簧挡圈装在轴承外侧且轴向间隙≤0.2mm，减速器最大外形尺寸467mm×460mm×530mm，总质量(不含油)为290kg。2.传动系统设计

该减速器采用3级减速方案：第一级为高速圆柱齿轮传动，其余两级为NGW型行星齿轮传动。其中，第二、三级分别有3个和4个中空式行星轮，行星轮安装在单臂式行星架上，行星架浮动且采用滚动轴承作为支承；第二级行星架与法兰盘之间采用鼓形齿双联齿轮联轴器连接，混凝土搅拌运输车减速器对齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度和齿面磨损等要求十分苛刻，因此合理地选择变位系数和进行修形计算十分重要。

三、减速器优化设计的数学模型 1.目标函数

对于C型问题，目标函数是A=min{f(x)}=min{f(x1，x2，…，xn)}式中：A——减速器总中心距，即各级中心距之和；x——各设计变量(包括各级中心距、模数、螺旋角、齿数、齿宽和变位系数等)；n——设计变量的个数。对于P型问题，目标函数是P=max{f(x)}=max{f(x1，x2，…，xn)}。式中：P——减速器的许可承载功率；x——同C型；n——同C型。2.约束条件

约束条件是判断目标函数中设计变量的取值是否可行的一些规定，因此减速器优化设计过程中提出的每一个供选择的设计方案；都应当由满足全部约束条件的优化变量所构成。对于减速器来说，在列出优化设计的约束条件时，应当从各个方面细致周全的予以考虑。例如，设计变量本身的取值规则，齿轮与其它零件之间应有的关系等等。减速器优化设计应考虑以下约束条件：（1）设计变量取值的离散性约束 齿数：每个齿轮的齿数应当是整数；模数：齿轮模数应符合标准模数系列(GB1357-78)；中心距：为避免制造和维护中的各种麻烦，中心距以10mm为单位步长。

（2）设计变量取值的上下界约束

螺旋角：对直齿轮为零，斜齿轮按工程上的使用范围取8°~15°；总变位系数：由于总变位系数将影响齿轮的承载能力，常取为0~0.8。（3）齿轮的强度约束

齿轮强度约束是指齿轮的齿面接触疲劳强度与轮齿的弯曲疲劳强度，这两项计算根据国家标准GB3480-83中的方法进行。强度是否够，根据实际安全系数是否达到或超出预定的安全系数进行检验。（4）齿轮的根切约束

为避免发生根切，规定最小齿数，直齿轮为17，斜齿轮为14~16。（5）零件的干涉约束

要求中心距、齿顶圆和轴径这三者之间满足无干涉的几何关系。对于三级传动的减速器(如图1)，干涉约束相当于两个约束：第二级中心距应大于第一级大齿轮齿顶圆半径与第三级小齿轮顶圆半径之和；第三级中心距应大于第二级大齿轮顶圆半径与第4轴半径之和。而二级齿轮传动类推。

四、结语

机械优化设计是在常规机械设计的基础上发展和延伸的新设计方法，而减速器的优化就是其中之一，是以传统设计为基础、沿用了传统设计中积累的大量资料，同时考虑了传统设计所涉及的有关因素。在实际应用中已产生了较好的技术经济效果，减少了用材及成本，提高了设计效率和质量，使减速器发挥了最佳性能。参考文献：

[1]孙元骁等著.圆柱齿轮减速器优化设计.机械工业出版社，1988.[2]胡新华.单级圆柱齿轮减速器的优化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2006.[3]陈立平，张云清，任卫群等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程.清华大学出版社，2005.[4]梁晓光.优化设计方法在齿轮减速器设计中的应用[J].山西机械，2003.[5]范顺成，马治平，马洛刚.机械设计基础.机械工业出版社，2002.[6]马晓芸.混凝土搅拌车减速器制造专家[J].商用汽车杂志(CommercialVehicleMagazine)，2007，(8)：84-85

第五篇：多足机器人行走机构设计(论文)

高职学生毕业设计 题目： 多足机器人行走机构设计

学 院: 专 业: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 日 期:

机械自动化学院

武汉科技大学高职生毕业设计(论文)

摘要

本文旨在设计一种能够实现灵活、全方位运动的机器人的行走机构。本文设计的多足步行机器人具有冗余驱动、运动拓扑的特点。为实现其步行全方位机动性及作业多功能性，需要解决一系列的技术问题，而结构设计是其中的关键。

首先，对于国内外机器人的发展现状进行阐述和比较，并分析了多足机器人的研究趋势；接着，从机构自由度入手，明确设计思路，确定行走机构结构，对主要零件、构件进行设计，分析机构的受力情况，找出较危险的零件，并对其强度进行校核。最后,初步研究了机器人的行动方式，拟定了简单的步态规划方案，规划了机器人直线行走步态、定点转弯步态。

关键词：多足机器人；机构自由度；行走机构；机构设计 武汉科技大学高职生毕业设计(论文)

Abstract

This paper aims to design a travelling mechanism of a flexible and omnibearing motorial robot.The multiped walking robot referred to this paper has the characteristics of redandant drive and topological motion.In order to achieve its omnibearing walking mobility and working polyfunctionality, a series of technique questions need to resolved, of which the structural design is the key point.Firstly, the paper states the current situation of the robots development and compares the differences of the robots both domestic and overseas.Moreover ,it analyses the research trend of multiped robots.Secondly, it make clear of the designing ideas and confirm the travelling mechanism in terms of the structural variance,as well as designing the major parts and constuctional elements.Besides ,it analyses the stress state of the mechanism,trying to find out the rather dangerous parts and checking their intensity.Finally, it initially research the walking patterns of the robots and make out a simple tread program, which plans out the robot tread of linear walking and fixed point swerving.Keyword：Multiped robot;Degree of freedom;travelling mechanism;Mechanical design 武汉科技大学高职生毕业设计(论文)

目录

第一章 绪论……………………………………………………………1 1.1 引言……………………………………………………………1 1.2 国内外多足机器人发展概况………………………………1 1.3 多足机器人研究发展趋势……………………………………3 第二章 多足机器人行走机构的设计及校核…………………………5 2.1 多足机器人行走机构结构的拟定……………………………5 2.2 重要组件的设计及校核………………………………………6 2.2.1 重要组件的选定………………………………………6 2.2.2 圆柱凸轮的设计………………………………………7 2.2.3 凸轮滚子轴的强度校核………………………………7 第三章 其它部分设计…………………………………………………9 3.1 电机和减速器的选用…………………………………………9 3.2 机器人步态初步规划…………………………………………9 设计总结………………………………………………………………11 参考文献………………………………………………………………12 致谢……………………………………………………………………13 武汉科技大学高职生毕业设计(论文)

第一章 绪论

1.1 引言

步行机器人是模仿动物的运动形式，采用腿式结构来完成多种移动功能的一类特种机起人。参照工业机器人的标准定义，可以把步行机器人理解为“一种由计算机控制的用足机构推进的地面移动装置”以区别于行走式机械玩具及固定行走模式的机械装置。通常足数多于或等于四的步行机器人称为多足步行机器人，该类机器人能够在不平的路面上稳定地行走，可以取代轮式车完成在一些复杂环境中的运输作业，因此多足步行机器人在军事运输及探测、矿山开采、水下建筑、核工业、星球探测、农业及森林采伐、教育、艺术及娱乐等许多行业有着非常广阔的应用前景。长期以来，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域研究的热点之一。为了探索多足步行机器人技术的研究前沿，给我国多足步行机器人工程实用化开发提供关键技术的支持，开展多足步行机器人相关理论和技术的研究具有十分重要的科学意义和应用价值。

1.2 国内外多足机器人发展概况

多足步行车最早可以追溯到中国古代的“木牛流马”。Muybridge在1899年用连续摄影的方法研究动物的行走，则是人们研究多足机器人步态的开端。

二十世纪六十年代，机器人技术的研究进入了以机械和液压控制实现运动的发展阶段。美国的Shigley(1960年)和Baldwin(1966年)就使用凸轮连杆机构设计出比轮式车或履带车更为灵活的步行机。这一阶段比较典型的是美国的Mosher于1968年设计的四足车“Walking Truck”（如图1所示）[1]，步行车的四条腿由液压伺服马达系统驱动，安装在驾驶员手臂和脚上的位置传感器完成位置检测功能。虽然整机操作比较费力，但实现了步行及爬越障碍的功能，被视为是现代步行机发展史上的一个里程碑。从步态规划及控制的角度来说，这种要人跟随操纵的步行机并没有体现步行机器人的实质性意义，只能算作是人操作的机械移动装置。武汉科技大学高职生毕业设计(论文)

图1 四足车“Walking Truck”

第二阶段，由于计算机大计算量的复杂数据处理能力的提高，机器人技术进入了全面发展的阶段。1987年，K.J.Waldron等研制成功了ASV六足步行机器人；1989年，W.Whittake等成功研制了用于外星探测的六足机器人AMBLER；1993年1月，八足步行机器人DANTE用于对南极的埃里伯斯火山的考察，而后，其改进型DANTE-II也在实际中得到使用。在航空领域，美国NASA研制了爬行机器人“spider-bot”；英国在1993研制了六足步行机器人“MARV”（如图2所示）[2]；印度也于2002年研制了六足行走式机器人“舞王”，（如图3所示）[2]。

图2 六足步行机器人“MARV” 武汉科技大学高职生毕业设计(论文)

图3 六足行走式机器人“舞王”

第三阶段，多功能性和自主性的要求使得机器人技术进入新的发展阶段。由于许多危险工作可以由机器人来完成，这就要求机器人不但要具备完成各种任务的功能，还必须有自适应的运动规划和控制性能。所以，多足步行机器人的研究也进入了融合感知、规划和行动与交互的自主或与人共存的新一代机器人研究阶段。

在国内，中科院沈阳自动化研究所、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学等单位和院校都先后开展了机器人技术的研究，并在多足步行机器人技术的发展上也取得了较大的成果。但与工业机器人相比，三十多年来步行机器人的研究进展缓慢，除很少几台投入实际试用外，大多数研究开发工作基本上没有走出实验室。制约多足步行机器人技术进一步发展的基础理论问题并没有得到根本的解决。

1.3 多足机器人研究发展趋势

随着对多足步行机器人的研究的日益深入和发展，多足步行机器人在速度、稳定性、机动性和对地面的适应能力等方面的性能都将不断提高，自主化和智能化也将逐步的实现，从而使其能够在更多特殊环境和场合中使用，因而具有广阔的应用前景。[1]

纵览当前多足步行机器人的发展，多足步行机器人有以下几个值得关注的趋势：

(1)多足步行机器人群体协作

多个多足步行机器人协调合作共同完成某项任务。与单个多足步行机器人相比，多个多足步行机器人的总负荷更大，可以携带的仪器和工具更多，功能性更强。它们之间通过通信进行协调，也可以按照某种规则指定主机器人和从机器人，从而按照一定的队形和顺序对目标进行不同的测量和操作。而当其中某一多足步行机器人出现故障时，其它机器人还可以照常工作，大大提高了工作效率和可靠性。武汉科技大学高职生毕业设计(论文)

(2)多足步行机器人的智能化

传统步态规划的方法是在机器人逆运动学的基础上，并且己知步行环境，来计算机器人各驱动关节转角的。这就提出了在机器人对未知环境的识别后，具有普遍实用意义的智能化的自主步态规划生成及控制的研究，以及对机器人实现步行空间精度定位问题的研究。

(3)多足步行机器人的模块化和可重组

针对不同的工作环境，机器人需要根据环境的变化对自己的姿态进行调整。而模块化设计的多足步行机器人则可以根据环境的不同进行自重构。自重构多足步行机器人比起固定结构的多足步行机器人对地形的适应性更强，可应用的场合更多。因此，自重构机器人是多足步行机器人的发展方向之一。武汉科技大学高职生毕业设计(论文)第二章 多足机器人行走机构的设计及校核

2.1 多足机器人行走机构结构的拟定

步行机器人的机械部分是机器人所有控制及运动的载体，其结构特点直接决定了机器人的运动学特征，其性能的好坏也直接决定了功能可行性[4]。多足步行机器人的机构系统主要包括机器人腿部件的布局、腿部件的结构形式、腿的数量等，而其中腿部件的结构形式是多足步行机器人机构的重要组成部分，是机械设计的关键之一。因此，从某种意义上说，对多足步行机器人机构的分析主要集中在对其腿机构的分析。一般地，从机器人结构设计要求看，腿机构不能过于复杂，杆件过多的腿机构形式会引起结构和传动的实现产生困难。因此对多足步行机器人腿机构的基本要求可以归纳为：

（1）实现运动的要求；

（2）承载能力的要求；

（3）结构实现和方便控制的要求。

为了设计行走机构的结构，我们首先引入空间自由的的概念：

一个杆件（刚体），在空间上完全没有约束，那么它可以在3个正交方向上平动，还可以有三个正交方向的转动，那么就有6个自由度。若在二维空间中有n个完全不受约束的物体，选其中的一个为固定参照物，因每个物体相对参照物都有6个运动自由度，则n个物体相对参照物共有6(n-1)个运动自由度，若在所有的物体之间用运动副联接起来，设第1个运动副的约束为ui如果所有n个物体之间的运动副数目为g，这时的运动自由度应减去所有的约束数的总和。

gM6(n1)u

（1）

ii1一般地，多足步行机器人能实现灵活的行走动作，其腿机构至少必须有两个自由度，即前后的摆动和上下的抬放运动。构成两个自由度地方法可以都采用回转副，或是采用一个回转副和一个可伸缩的移动副，还有就是采用两个移动副，将前后的摆动变为前后滑移。目前，这种两自由度的腿机构多足机器人的研究中以有了较多的应用，但是想利用腿的转动改变前进方向，或是在原地旋转，那腿部机构就至少三个自由度，即在两自由度腿上加一个水平旋转自由度。也就是说机构空间自由度M=3。

基于空间三自由度机构，我们设计出如下结构，结构图如图4所示 武汉科技大学高职生毕业设计(论文)

图4 行走机构结构简图

以A点实现第一个自由度，即控制机器人腿的上下抬放运动，B为摆动中心轴，A处上下循环运动，带动连杆机构周期性的上下抬放。

以C点实现第二个自由度，即处控制机器人腿的前后运动，C点前后循环运动带动连杆机构周期性前后摆动。

第三个自由度，机器人的转向无需在增加原动件，只需在步态控制上就能达到，简单地说如果左侧腿摆动比右侧慢，则机器人向左拐，反之亦然。

2.2 重要组件的设计及校核

2.2.1 重要组件的选定

行走机构的主体部分由连杆组成，这里不作赘述。

本文主要考虑图4所示A点和C点处控制行走机构分别做上下抬放运动和前后摆动的组件。在整个机构中，此两处起到了传动和实现规定步态的重要作用，并且是受力比较复杂的组件之一，所以本文将其作为整个机构设计的基础。

本文选用圆柱凸轮来实现A、C处的运动，不但运动循环性好，而且凸轮机构使机器人足部落地静止时平衡自身整体重力所需的转矩无需有电机转动来实现，大大提高了机器人的承载能力和电机的使用寿命。武汉科技大学高职生毕业设计(论文)2.2.2 圆柱凸轮的设计

A点、C点处控制机器人的抬放腿、前后摆腿选用圆柱凸轮来实现。

考虑到结构的紧凑，凸轮理论周长S0不宜过大；同时，为了保证凸轮和凸轮滚子的强度，理论周长S0也不能太小，经过多次设计选择，考虑结构和强度的关系最后确定理论周长S0取120mm，相应的理论直径d0约为38.2mm。

由于凸轮的槽深与凸轮的直径大小有直接关系，所以最后确定外径为46mm内径28mm槽深9mm。（见附图一）

2.2.3 凸轮滚子轴的强度校核

在整个机构中，凸轮滚子是力从电机传递到腿的中心零件（见附图二），而目由于其尺寸较小，属于比较危险的容易失效零件，所以对其进行校核非常必要。而在分别负责上下摆动和前后摆动的两组凸轮中，又以负责上下摆动的凸轮起滚子轴受力最大，这是因为在腿的落地阶段，即凸轮的静止行程，机器人整体的重力是由凸轮轴承受的。所以这里我们考虑图4中A点处负责机器人腿上下运动的凸轮的校核。

机器人自身的重力支反力由足传到A处滚子轴，以3+3六足机器人为例： 机器人自身估重30kg，由于三条腿在身体两侧同时着地，其中一侧只有一条腿着地，承受的力为机器人重力的一半。Fz 3F2g(2)

450N330g2

F——凸轮轴的支反力 zFg——机器人重力的支反力，Fg =30g，g取10 MF'zL(3)Fz1.33L4501.33127.2Nm

F——凸轮滚子轴的当量载荷，考虑冲击的影响，在F的基础上乘以系数1.33 zz'轴的剪切弹性模量

Wd323(4)武汉科技大学高职生毕业设计(论文)

d——轴的直径

循环应力的特性值分别为 maxM3.14103320.0982106m3

(5)

W=7.20.0982=73.32MPa74MPa

10-6minmax

=-74MPa 轴采用24Cr深渗碳淬火，疲劳极限为

1273MPa

安全系数

n1k(6)

max 2732.73.5

0.87374k——有效应力集中系数，取2.7 ——尺寸因数，取0.87 ——表面质量因数，渗碳淬火取3 考虑到工作情况安全系数取n=3，小于计算得到的安全系数，所以满足强度条件。武汉科技大学高职生毕业设计(论文)

第三章 其它部分设计

3．1 电机和减速器的选用

为了实现整体结构的紧凑和性能的良好，本文设计的机器人选用了瑞士FAULHABER集团生产的直流电动机和精密减速器作为机器人的心脏。FAULHABER集团产品代表着当今世界微电机制造工艺和指标的最高标准。FAULHABER产品与传统的直流电机相比，其优异性关键在于电机转子的不同上。FAULHABER直流电机采用斜绕方式的空心杯转子，没有齿槽效应以及非常轻的重量，这使得转子转动惯量极小。对小功率产品，FAULHABER电机采用精密合金换向器，因其接触电阻低而使性能优良。

选取抬落电机的型号为2224-006SR型精密减速电机，参数如下: 名义电压 6V 最大输出功率 4.55 W 最大效率 82% 输出转速 100r/min 选取前后摆电机的型号为2232-O15SR精密减速电机，参数如下: 名义电压 15V 最大输出功率 8.41 W 最大效率 85% 输出转速 120r/min 3.2 机器人步态初步规划

本文以3+3型六足机器人为例，为了方便阐述，我们把左侧的三条腿分为A组，右侧的则分为B组。[5,6,9,10]（1）直线行走步态规划: 直线行走步态的摆腿顺序虽可分为A组-B组或B组-A组，但其步行的效果上是一致的，这单以A组-B组的摆腿顺序为例，规划机器人在一个步态周期中的步行。

阶段1:机器人六条腿都着地，机身前移，重心前移；

阶段2:A组腿作摆动腿，摆起；B组腿作支撑腿；重心继续前移；

阶段3:机器人六条腿着地，做姿态调整，重心前移；

阶段4:B组腿作摆动腿，摆起；A组腿作支撑腿；重心继续前移，完成一个步态周武汉科技大学高职生毕业设计(论文)期。

（2）定点转弯步态规划: 定点转弯步态也将步态周期划分为4个执行阶段，其摆腿顺序也有两种:A组-B组或B组-A组。若A组腿先摆动，机器人右转，若B组腿先摆动，则左转。这里机器人的摆腿顺序B-A，左传转动ψ个角度为例来规划。

阶段1:机器人做姿态调整，六条腿站地支撑，站地点不变，机身转动；

阶段2:B组腿摆起，转动，A组腿支撑；

阶段3:机器人做姿态调整，六条腿站地支撑，支撑点不变，机身转动；

阶段4:A组腿摆起，转动，B组腿支撑。武汉科技大学高职生毕业设计(论文)

设计总结

本文针对自行设计的多足仿真机器人行走机构，完成了如下工作：

（1）综合分析了目前多足机器人的步行机构，理解所研制的六足步行机器人的结构特点，并进行运动学分析。

（2）设计了机器人的机械部分，并进行了校核。

（3）初步研究了机器人的行动方式，拟定了简单的步态规划方案。

在上述的工作中主要体现了如下几点创新:（1）传动部分的凸轮机构使机器人足部落地静止时平衡自身整体重力所需的转矩无需由电机转动来实现，大大提高了机器人的承载能力和电机的使用寿命。

（2）凸轮滚子的轴承外置方式使凸轮的尺寸减小同时增加了滚子轴的强度。

在高技术发展的推动下，针对多功能的应用情况和复杂的工作环境，对机器人机械结构的设计和研究应该更加深入和全面，只有在良好的机械平台上，结合合理、有效地控制策略，才能更好的规划机器人的步行，体现其作为足式机器人的优点和特点。武汉科技大学高职生毕业设计(论文)

参考文献

[1] 黄俊军，葛世荣，曹为.多足步行机器人研究状况及展望.机床与液压，2008年5月 第36卷第5期.[2] [3] 王新杰.多足步行机器人运动及力规划研究.华中科技大学 博士学位论文 迟冬祥，颜国正.仿生机器人的研究状况及其未来发展.机器人，第23卷第5期 2001年9月.[4] [5] 蒋新松，机器人学导论[M] ,辽宁，辽宁科学技术出版社，1993.汪劲松，张伯鹏.全方位双二足步行机器人(I)——步行原理、机构及控制系统，清华大学学报(自然科学版),1994,No.2:102-107.[6] 汪劲松，张伯鹏.全方位双二足步行机器人(H)——步行模式规划，清华大学学报(自然科学版),1994,Vol34,No.5:63-71 [7] 雷静桃，高峰，崔莹.多足步行机器人的研究现状及展望.机械设计，第23卷第9期 2006年9月

[8] 臧红彬.一种新型的多足仿生机器人的机构设计与研究.机械设计与制造，第8期 2010年8月

[9](美)R.西格沃特(Roland Siegwart)(美)I.R.诺巴克什(IllahR.Nourbakhsh).自主移动机器人导论.西安交通大学出版社 2006 [10] 广茂达编写组.智能机器人.中国社会出版社 2003 [11] D.E.Orin.Supervisory Control of Research,1982,Vo1.1,No.l,pp.79-91 [12] N.Koyachi.The World of Multi-Legged Robots,J.of Robotics Society of

Japan,1993,Vo1.11,No.3,pp.379-384 [13] R.B McGhee.Some finite state aspects of legged locomotion, Mathematics Bioscientes,1968,2: 67-84 [14]

Dominiek Reynaerts,Tan Peirs,Hendrik Vau Brussel.Sliape memory micro-actuation for a gastro-intestuial uitercention system.Sensors and Actuators 77 1999 157-166

a Multilegged Robot,Int.J.Robotics 武汉科技大学高职生毕业设计(论文)

致谢

本篇论文虽然凝聚着自己的汗水，但却不是个人智慧的产品，没有导师的指引和赠予，没有同学和朋友的帮助和支持，我在大学的学术成长肯定会大打折扣。当我打完毕业论文的最后一个字符，涌上心头的不是长途跋涉后抵达终点的欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。我首先要感谢我的导师，对我的构思以及论文的内容不厌其烦的进行多次指导和悉心指点，使我在完成论文的同时也深受启发和教育。此外，还要各位同学对我的帮助。我也在努力的积蓄着力量，尽自己的微薄之力回报母校的培育之情，争取使自己的人生对社会产生些许积极的价值！