机械原理课程设计报告机器马 第4页
但是无论是在其运动特性方面还是其足尖所要求的轨迹都是不
能满足的。而且大腿和小腿应该是可以相对弯曲的。所以绝对不可以
一个四杆机构。
所以，我们放弃了启用四杆机构的方案，开始考虑用六杆机构是
否可以达到我们对马腿预期的效果。
和四杆机构相比，六杆机构的优点在于将大腿和小腿分开，用两
根连杆表示。如下图：
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在图中，我们将最上方右侧的杆件长度减少，从而其形成了曲柄。
与中间紫色杆件和左侧兰色杆件构成曲柄摇杆机构。但是，足尖的运
动轨迹和我们要求的还是相差很远的。此时，我们想到了之前提到的
一篇论文中的马腿的八连杆机构，所以，我们决定放弃六杆机构，为
了得到预期的足尖运动轨迹，考虑八连杆机构。
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为了外形方面与实物更为相似，我们将表示大腿部分的杆件更换
为三角形实体。而在右侧添加了一个三角形实体，所以，右侧的两个
固结在基架上的杆件和三角形实体与基架本身构成了四杆机构，可以
满足我们需要的急回特性，而这个急回特性通过中间部分的杆件传递
给了最左边表示大腿部分和小腿部分的两个杆件上。通过利用 ADAMS
做的动态模拟进行观察，大概得到了要求的轨迹。为了得到更精确的
轨迹，我们之后要对各个杆件的尺寸长度进行确定。
下面两图分别为前足尖和后足尖的大致运动轨迹。
后足尖轨迹 前足尖轨迹
以下两图为前后两腿的机构运动简图：
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（注：到目前为止，我们已经得到了我们想要马腿的大概结构。但是，
马的腿有前后之分，通过观察，我们发现马的前足尖和后足尖的运动
轨迹并不是完全一致的。前腿向前跨的时候，抬起的高度在整个周期
最高点是比较高的，相比较而言，后腿的足尖轨迹虽然也要求要有一
定的高度，但是比较平坦。）
至此，马腿的结构已经确定，通过 ADAMS 画出其最终模型的仿真
图及足尖运动轨迹如下：
最终模型：
后腿
前腿
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运动轨迹二、马头的设计及优化过程
在之前已经提到过，由于马头的运动特性，我们想到了可能可以
用凸轮机构实现。
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从本学期前面所学到的知识分析可以知道，凸轮机构让杆件的运
动产生了远端休止和近端休止。当我们设定了相应的远休止角和近休
止角，可以利用所学的知识得到我们需要的凸轮轮廓曲线。具体的计
算过程将在之后的部分给出。由于马头在一个运动周期里面是抬起一
次然后下落一次；所以，我们不妨先假定远休止角φ1 =80°\u65292X而近休
止角φ2=50°\u12290X马头部分的构件如图：若图片无法显示请联系QQ3249114,本论文免费,转发请注明源于www.751com.cn
三、主轴、传动系统设计及各部分组装配合
为了实现马四条腿运动的周期性，各腿主动件的运动规律应该是
一样的，以避免由于周期时间长短不一而造成不存在的相位差。所以，
我们想到应该用一个蜗杆带动四条腿的主动件，而四对蜗杆涡轮传动
副的传动比应该是一样的，从而保证所需要的精度。
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根据腿部机构运动的最大特点—对角线换步法，最容易想到的机
构莫过于可以实现间歇运动的机构：齿轮和凸轮。而在最初设计的时
候，我们首先想到的方案也的确如此。组里第一次讨论时大家几乎一
致认为可以用不完全齿轮成功实现我们的设计要求，当时确定的方案
可概括如下：用四个不完全齿轮来实现马的四条腿的运动时间间隔，
即腿部的从动齿轮为不完全齿轮，而每个不完全齿轮均为 1/4 齿轮，
以此来保证整个腿部运动的连续性。这个方案的缺点是一但不完全齿
轮在啮合的时候被主动轮带动离开初始位置，再也没有动力使其返回
原来的位置等待下一个周期的啮合，即每个马腿只能主动运动一个周
期，这显然与本次设计的要求相差太远。经过讨论之后，为解决刚刚
提到的问题，我们又想到了令主动齿轮为四分之一齿轮，这样就可以
使得运动周期地进行下去。但是，同样的，这个方案仍然存在致命的
缺陷，那就是每条腿在运动的四分之一个周期之外是完全静止的，而
实际马腿相对于身体是一直运动的，也就是说这个方案与实际情况并
不完全相符。而随后又考虑到的凸轮同样遇到了这个问题。从另一个
方面说，用齿轮和凸轮来实现马部机构就可以被完全否定了，因为如
果用不完全齿轮或者凸轮来传动，其运动必定是间歇性的，即必定是
不满足条件的，这是由它们的原理决定的，解决这种问题显然比较困
难。所以，由于这个问题的出现，我们决定放弃通过使用全齿轮-不
完全齿轮或凸轮传动，而决定从腿部机构的设计入手，利用杆组的急
回特性成功地解决了这一问题。也就是说，在具体设计腿部结构的时
候，这一部分是为我们最后确定的机构的成型起到了很重要的指导作
用。这样以来，腿部间歇运动的实现就不再依靠传动了，而是由机构
的固有特性——急回特性确定。也就是说，传动方面其实就可以不必
再考虑运动间歇性的问题，这就使总体结构框架的设计趋于简单明
朗。
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