机械原理课程设计报告机器马 第3页

三、功能结构分解

机械原理课程设计

根据前述对机械马功能和结构的分析，我们决定将设计分为三个

主要部分，分别予以考虑。这三个部分分别为马腿、马头以及马的主

传动系统及其组合装配。而因为马前后腿的区别，设计中也对两者也

进行了不同的参数选择以更好地实现对真实运动的模拟。

一、马腿部分

既然是步行机器的设计，那么毫无疑问，腿部结构的设计将是最

为重要同时也是最基本的一环。只有设计出性能优良的腿部结构，才

能保证后面设计的顺利进行。而我们已经知道，腿部运动应该是周期

动作，也就是说其足尖的运动轨迹应该是一个封闭的曲线，下面报告

中称其为足尖运动轨迹。通过观察我们知道，设计中可以将每条腿的

足尖运动轨迹分为两部分各自考虑：一是足尖与地面接触的区间，即

支撑段；二是其在空中运动的区间，即为跨越段。根据行走时的稳定

性要求，支撑段的时间应该至少占据整个周期时间的一半。

足尖运动轨迹曲线的确定是设计中很重要的一环。因为它直接关

系到机械马的性能和适应地形的能力。也就是说，要合成机械马的机

构杆件尺寸，首先要指定出足尖运动轨迹曲线。

我们在网上找了相关图片，如下：

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经过我们实际观察，并参考相关文献资料，我们总结出了如下对

马足尖运动轨迹的要求：

1、 轨迹曲线必须是一个封闭的曲线，而且不能够有交叉点。

2、 腿部抬起的高度应在满足与实际相似的条件下越高越好，从而

可以提高跨越能力。

3、 马腿在与地面接触的时间段里，轨迹应尽量保持水平。避免上

下颠簸。

4、 水平宽度应尽可能的宽，可以增加每一步的跨越前进距离。

5、 足尖落地的瞬间，轨迹与地面的夹角不能够小，避免对腿部产

生过大的冲击。

所以，我们可以根据以上的要求和条件来设计马的腿部机构。

 

二、马头部分

经过观察，马头的运动规律是和腿部运动的时间有一定的关联

的。所以，我们不能单单是把马头孤立，而是应该将两个机构部分联

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系起来。我们知道，马腿运动一个周期的时间里，马头抬起一次，落

下一次。而且当马头抬到最高点和下落到最地点的时候，都有一定的

停留时间，这样的话，我们想到用简单的四杆机构是不能实现上述两

处的停留的。所以我们想到了凸轮机构中的远休止和近休止。为我们

之后的设计也奠定了一定的基础。

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三、马的整体组合装配

当马的腿部和头部都设计好的时候，我们就可以考虑整体装配的

问题。前面已经提到，马的四条腿运动顺序是这样的：

左前腿 → 右后腿 → 右前方 → 左后方 → 左前方……

（注：上述循环中左右方向是以观察方向面对马头时所得）

为了保证马的四条腿的周期性，我们觉得应该用一个蜗杆统一带动四

腿，以免产生周期误差。这样的话，我们初步设想将四腿的主动件由

蜗杆带动。如下简图：

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之前已经述及马头和腿的运动有关联，所以马头部分的凸轮机构

应该由马前腿的主动件带动或者作为该运动传动链的原动件，争取实

现关联。具体的时间运动对应分析在后面将会有详细介绍。

综上所述，我们大概确定了机械马的设计方向，为了我们课程设

计奠定了坚实的基础。各个功能模块已经分解，在之后的过程中，我

们将分步骤具体设计。 

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四、各部分结构设计及优化

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前面已经提到，我们的主体将分为三个部分进行设计：

1、 马腿的结构设计及优化

2、 马头的结构设计及优化

3、 整体结构协调的结构设计及优化

下面就按上述顺序分别介绍一下每个部分设计的分析过程。

马腿部分的优化过程

在起初，我们想到的马腿结构比较简单，因为马腿的摆动是存在

急回特性的，所以我们马上想到了四杆机构。这样的简单机构只是可

以实现马腿的前后摆动，并实现急回特性。其机构运动简图如下：

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