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管內(nèi)步伐式行走機器人

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1、 1 管道機器人的發(fā)展 1.1課題的背景及來源 本課題來源于實際運輸煤氣作業(yè)中所遇到的困難,許多城市煤氣回收萘不徹底,造成在主管道內(nèi)結(jié)萘,管內(nèi)萘堵塞管內(nèi)面積超過50%以上,嚴重影響煤氣的運輸,以清除管內(nèi)結(jié)萘為目標,著手研制此管內(nèi)步伐式機器人。 1.2管內(nèi)機器人發(fā)展綜述 機器人是人類新世紀的偉大發(fā)明之一,是傳統(tǒng)的機構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是計算機科學(xué)、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物,它是一種仿人操作、高速運行、重復(fù)操作和精度較高的自動化設(shè)備,機器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)生根本性的變化,而且將對人類的社會生活產(chǎn)生深遠的影響

2、。科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力,在各國之間綜合國力的競爭,很大程度上取決于高技術(shù)之間的競爭,作為機電一體化的最高成就——機器人技術(shù)作為高技術(shù)的一個重要分支,普遍受到了各國的重視,隨著計算機技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計制造水平的不斷提高,極大的推進了機器人的發(fā)展,現(xiàn)代機器人已經(jīng)成為了一個龐大的家族。 1.2.1機器人的定義 機器人技術(shù)是一種面向未來的現(xiàn)代化技術(shù),機器人技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、基因技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)等一樣,屬于高新技術(shù)。它設(shè)計的學(xué)科有材料科學(xué)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等等很多學(xué)科,所以機器人的定義也是多種多樣的,其原因是它具有一定的模糊性。目

3、前有幾個國際公認的定義: 1979年美國機器人協(xié)會將機器人定義為:“可重復(fù)編程的多功能操縱器,設(shè)計成通過不同的編程動作為執(zhí)行多種任務(wù)移動原料、部件。工具或?qū)iT的設(shè)備。” 1984年12月國際標準化組織中的工業(yè)自動化系統(tǒng)委員會所屬工業(yè)用機器人分會作出的定義:機器人是一種自動控制下通過變成可完成某些操作或移動作業(yè)的機器。 1988年法國的埃斯皮奧將機器人學(xué)定義為:機器人學(xué)是指設(shè)計能根據(jù)傳感器信息實現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng),并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對象。 我國科學(xué)家對機器人的定義是:“機器人是一種自動化的機器,所不同的是這種機器人具備一些與人或生物相似的智能能力,如感知能力、規(guī)劃能力、動

4、作能力和協(xié)同能力,是一種具有高度靈活性的自動化機器”。 1.2.2我國管道機器人的發(fā)展、 哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授自1987年以來開展管內(nèi)機器人行走機構(gòu),在國家自然科學(xué)基金的資助下,較全面的研究了不同類型的管道機器人行走機構(gòu)模型,取得了很多的成果。在1995年哈工大與大慶油建公司合作研制成功的Φ660野外大孔徑管線對接焊縫工業(yè)X射線檢測系統(tǒng),于1996年通過黑龍江科委主持的鑒定,在陜京管線上進行了工業(yè)應(yīng)用,獲得成功。該機器人采用輪式行走機構(gòu),雙電機驅(qū)動,PWM直流脈寬調(diào)速,由工控機和MCS-552單片機共同控制,可自動進行圖像識別,在管內(nèi)移動距離300m,在技術(shù)上解決了收放線的控制

5、問題和長距離強弱信號混傳干擾問題。該項目以達到國際先進水平。 圖1.1哈爾濱工業(yè)大學(xué)Φ660管道機器人 哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1998年研制的水泥砂漿襯里噴涂補口作業(yè)機器人樣機(如下圖),該機器人采用輪履復(fù)合式行走方式,解決了穿越管內(nèi)凹型障礙的技術(shù)難題,針對水泥砂漿的流變學(xué)特性,所設(shè)計的螺旋送料裝置及離心噴涂裝置解決了水泥砂漿的補口難題。 圖1.2 清華大學(xué)于2001年研制出了一種輪式管道檢測機器人Pipesbot-I,如下圖所示,該機器人采用全驅(qū)動直進式結(jié)構(gòu),由三個直流電機通過蝸輪蝸桿副,帶動三個徑向均布的驅(qū)動輪,通過一個剪形彈簧壓緊機構(gòu)使驅(qū)動輪撐緊管壁,依靠摩擦力運動

6、。設(shè)計指標為:行走速度1km/h,探測長度1km/次,使用管徑Ф140mm-180mm。 圖1.3 2機器人總體設(shè)計方案 2.1模塊化設(shè)計理念 2.1.1模塊化設(shè)計理論基礎(chǔ) 模塊化設(shè)計是在產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)不斷發(fā)展的過程中逐步形成的,是一種設(shè)計方法。而模塊化設(shè)計思想?yún)s由來已久,其基本思想是以產(chǎn)品(系統(tǒng))的總功能為對象,以功能分析為基礎(chǔ),將整個產(chǎn)品分解為若干特定的模塊,然后通過模塊的不同組合,可以得到不同產(chǎn)品、不同功能的產(chǎn)品,以滿足市場的各種需求。 模塊化又稱模件化,模塊化的定義有很多種,但是按其概念有如下的定義:由若干具有不同用途(或性能)并可互換的模塊,經(jīng)不同的組合,以滿

7、足不同需要的這種方法稱之為模塊化。由此可見模塊化應(yīng)具有四個基本含義:①必須具有一定數(shù)量的模塊;②應(yīng)用系統(tǒng)組合原理;③最終要獲得能基本滿足各種不同功能的需要;④模塊化的可分性。 進行模塊化設(shè)計時,必須首先把產(chǎn)品劃分為若干模塊,然后以模塊為基本單元進行設(shè)計。因此,模塊合理劃分與否將直接影響產(chǎn)品的性能、外觀以及模塊通用化的程度和成本。模塊化產(chǎn)品,通常按功能將產(chǎn)品劃分為若干單元,并使功能單元獨立化,這些單元被稱為功能模塊,然后由功能棉毛褲系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品的總共能。 2.1.2管內(nèi)步伐機器人的模塊化設(shè)計 模塊的設(shè)計問題是模塊化設(shè)計的核心問題,因此合理的劃分模塊并構(gòu)造模塊的結(jié)構(gòu)是模塊化設(shè)計的關(guān)鍵。我們依

8、據(jù)功能劃分的模塊化設(shè)計方法,將管內(nèi)步伐式行走機器人劃分為加緊模塊和傳動模塊兩個主要部分,模塊之間除標準化的機械與電氣連接接口外,其設(shè)計相互獨立。 模塊化設(shè)計的核心思想是將產(chǎn)品進行模塊劃分后,通過對某些模塊進行重新設(shè)計或變異設(shè)計得到新的產(chǎn)品。根據(jù)此思想,我們可以對管內(nèi)步伐式行走機器人進行各種變異設(shè)計,滿足不同使用要求和應(yīng)用環(huán)境要求。 2.2管內(nèi)步伐式行走機器人的用途及工作原理 2.2.1管內(nèi)步伐式行走機器人的用途 近年來煤氣回收萘不徹底,造成主管道內(nèi)結(jié)萘,管內(nèi)結(jié)萘堵塞管內(nèi)大部分面積,嚴重影響煤氣輸送,以清除管內(nèi)萘為目標,研制管內(nèi)步伐機器人,該機器人可以完成自動清除結(jié)在煤氣管道內(nèi)壁的萘

9、,可實現(xiàn)在管道內(nèi)雙向行走、自動隨管道彎度轉(zhuǎn)向,可在重載條件下使用。、 2.2.2管內(nèi)步伐式機器人的工作原理 工作原理:管內(nèi)步伐式行走機器人的運動模仿人在井筒中四肢扶壁上下運動的模式。機器人由鏡面對稱的兩個單元組成, 二單元中間由萬向節(jié)鉸鏈連接,可以自動適應(yīng)管道彎度轉(zhuǎn)向,當(dāng)管道有彎道時,后腳踩住管壁向前推進,機器人的前腿機構(gòu)自動隨管道彎度轉(zhuǎn)向不需要專門控制。機器人的轉(zhuǎn)彎最小曲率半徑由機構(gòu)決定。所以這種機器人是可以雙向運動的自動轉(zhuǎn)彎步伐式管內(nèi)機器人。 主要工作過程: 圖2.1 A、初始狀態(tài):前腳踩在管壁上,后腳在抬起狀態(tài)前后腿外擺到最大角度.(見圖1.1a) B、第一前進步:前

10、后腿同時內(nèi)擺到最大角度,在腿內(nèi)擺過程中,前腳踩住管壁不動,連桿機構(gòu)拖動身軀和后單元向前移動一步(圖1.1a到b) C、第一次交換支撐腳:后腳外伸踩住管壁,同時前腳縮回抬起離開管壁,實現(xiàn)支撐腳轉(zhuǎn)換,在交換支撐腳過程中,機器人沒有前后運動。(圖1.1b到c) D、第二前進步:前后單元的腿同時外擺到最大角度,在擺腿過程中,后腳踩住管壁不動,連桿機構(gòu)拖動身軀和前單元向前移動了第二步.(圖1.1c到d) E、第二次交換支撐腳:后腳縮回抬起,前腳伸出踩住管壁, 同時前后腿外擺到最大角度恢復(fù)到初始位置,機器人沒有前后運動。(圖1.1d到a) 2.3管內(nèi)步伐式行走機構(gòu) 管內(nèi)步伐式機器人的機構(gòu)主要分為

11、3部分,有撐腳機構(gòu)及其傳動、牽引機構(gòu)及傳動、轉(zhuǎn)向機構(gòu)等。下面分別介紹3種機構(gòu),下圖為管內(nèi)步伐式機器人的機構(gòu)簡圖。 圖2.2 2.3.1撐腳機構(gòu)及其傳動 撐腳機構(gòu)的作用是使管道機器人被支承在管道中心線上。其機構(gòu)及傳動由電機(16)、小齒輪(15)、齒圈及平面螺紋(14)、滑桿(13)、腳靴(12)組成。當(dāng)電機(16)帶動小齒輪(15)和齒圈(14)旋轉(zhuǎn)時,齒圈背面的平面螺紋驅(qū)動滑桿(13)在筒體(10)的徑向軌道內(nèi)外伸推動腳靴踩在管壁上,電機反向旋轉(zhuǎn)時,滑桿內(nèi)縮帶動腳靴徑向抬起離開管壁。腳靴三套在圓周上間隔120布置,三套腳靴同步伸縮,其動作與車床三爪卡盤的

12、動作類同。三套腳靴伸出踩在管壁上時,使機器人處在管道的中心線上。為了使機器人在腳靴縮回時, 仍能維持在中心線上,安裝4 組輔助支承輪(18),每組三套, 在圓周上間隔120安裝,支承輪通過支承柱(19)、彈簧(20)分別與支架(3)和筒體(10)固連。當(dāng)撐腳縮回時支承輪使機器人基本上維持在管道中心線上。當(dāng)機器人行走過程中支承輪遇到障礙時彈簧被壓縮通過障礙。 2.3.2牽引機構(gòu)及其傳動 牽引機構(gòu)的作用是拖動機器人前進。 牽引機構(gòu)(見圖2) 由電機( 1)、 螺桿(2)、螺母(5)撥銷(4)、撥桿(7)和支承桿(9)組成。當(dāng)電機(1)帶動螺桿轉(zhuǎn)動時,螺母受撥桿的約束不能轉(zhuǎn)動而沿螺桿軸向移動

13、,固連其上的撥銷(4) 撥動撥桿(7)順時針方向轉(zhuǎn)動, 由于腳靴(12) 鎖死在管壁上, 支承桿(9)不能向后運動,撥桿(7)通過銷(6)帶動支架(3)及其固連在(3)上的套筒(11)在筒體(10)內(nèi)向前滑動, 同時通過萬向節(jié)(21)拖動機器人的后單元,此時后單元的腳靴在抬起狀態(tài))向前運動,整個機器人前進。當(dāng)腳靴( 12)處在抬起位置時, 撥桿( 7)通過支承桿( 9)推動筒體在套筒(11)上向萬向節(jié)方向滑動改變了腿的姿勢。 2.3.3轉(zhuǎn)向機構(gòu)   轉(zhuǎn)向機構(gòu)的作用是使機器人能隨管道的彎曲自動轉(zhuǎn)向通過彎曲管道。管道行走機器人由兩個鏡面對稱的單元組成,兩個單元的套筒間由萬向節(jié)( 21)連接

14、, 這是一個十字萬向節(jié)機構(gòu),可使前后兩單元在任意方向上轉(zhuǎn)動。 當(dāng)管道彎曲時萬向節(jié)可自動轉(zhuǎn)向適應(yīng)彎曲管道,這樣機器人通過彎曲管道時無需專門進行檢測和控制。 2.4步伐機器人的本體技術(shù)要求 機器人設(shè)計的目的是靠行走來清除管道內(nèi)的堵塞物,因此,首要的目標是使機器人能夠在較長的管道空間內(nèi)安全可靠的爬行,在此基礎(chǔ)上,進一步的使機器人移動靈活,結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,滿足一定的技術(shù)經(jīng)濟性要求。 2.4.1支撐機構(gòu)的技術(shù)要求 根據(jù)步伐機器人的運動特點,撐腳機構(gòu)是主體,所產(chǎn)生的支撐力應(yīng)能保證機器人在單步運動中一端鎖定在管壁中,使機器人在單步工作中保持穩(wěn)定。在支撐-放松過程中能自

15、如的進行,有一定的機械自鎖能力提高安全性。 對撐腳機構(gòu)的要求是:能夠產(chǎn)生足夠大的支撐力;放松和支撐能夠收放自如;結(jié)構(gòu)簡單、輕量化。 2.4.2傳動機構(gòu) 傳動機構(gòu)應(yīng)能保證一定的驅(qū)動力和傳送速度,有較高的工作效率,能夠有較高的傳動穩(wěn)定性。因此擬采用滾珠絲桿副。實用滾珠絲桿副有很多有點: ①滾珠絲桿副是一種新型的螺旋傳動元件,能夠適應(yīng)高溫、低溫、無潤滑、水中,技術(shù)比較成熟。 ②滾珠絲桿副具有高效率和高精度的特點。 ③具有高速特性和耐磨損性及運動可逆性等特性,而且無回程間隙。 ④構(gòu)件間的可動聯(lián)接通常不是借助于運動副本身,而是在絲杠和螺母兩構(gòu)件間利用中間元件(滾珠)來實現(xiàn)。 ⑤軸向高度高

16、,摩擦阻力小,運動平穩(wěn)。 2.5本章小結(jié) 本章主要介紹了機器人的本體結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求,將機器人模塊劃分,為下面具體設(shè)計提供依據(jù)。 3管內(nèi)步伐式機器人的有關(guān)參數(shù)選擇 3.1步伐式機器人移動方式的選擇 各常用移動方式的優(yōu)缺點見表1.1 移動方式 優(yōu)點 缺點 輪式 移動速度快,控制方便,轉(zhuǎn)彎容易 與壁面接觸面積小,越障礙能力差,易產(chǎn)生打滑。 履帶式 與壁面接觸面積大,承載能力大,移動速度快,對壁面的適應(yīng)能力強 履帶磨損大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,機動性較差。 腿式 越障礙能力強,承載能力大,機動性好,具有很強的壁面適應(yīng)能力。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜,移動是間歇的,速

17、度慢,關(guān)節(jié)和足數(shù)多,控制復(fù)雜。 蠕動式 承載能力大,運動平穩(wěn),控制簡便,對壁面適應(yīng)能力比較強 運動速度慢,越障礙能力差 表3.1 我們經(jīng)過多方案比較,設(shè)計了一種步伐式行走結(jié)構(gòu)形式,該結(jié)構(gòu)形式有前后兩段相互獨立的主體,主體上的接觸腳可伸縮鎖死在管壁上,能承受大載荷,適合在重載中使用。在行走機器人結(jié)構(gòu)中用步伐式行走具有很多優(yōu)點,可實現(xiàn)在規(guī)則形狀的任意長的管道內(nèi)運動。結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行平穩(wěn),控制簡便,還可以根據(jù)使用要求,做各種變形設(shè)計,具有較好的經(jīng)濟技術(shù)效果。 此處省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和設(shè)計圖紙等.請聯(lián)系扣扣:九七一九二零八零零 另提供全套機械畢

18、業(yè)設(shè)計下載!該論文已經(jīng)通過答辯 3.2機器人驅(qū)動方案的選擇 目前對于機器人的動力系統(tǒng)有多種不同的選擇方案,可以采用電氣驅(qū) 動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、機械驅(qū)動等不同的方式。不同的動力系統(tǒng)具有不同的特點,根據(jù)不同的工作環(huán)境和應(yīng)用場合,按照具體的要求來選擇最合適的動力系統(tǒng)可以達到預(yù)定的目標。下表為不同的驅(qū)動方式的性能對照表。 項目 氣壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動 電氣驅(qū)動 機械驅(qū)動 技術(shù)要求 較低 較高 最高 較低 動作快慢 較快 較慢 快 慢 速度穩(wěn)定性 較差 良好 較好 很好 驅(qū)動力 中等 最大 較大 較大 環(huán)境要求 適應(yīng)性好 不怕震動

19、 要求高 一般 控制距離 中等 短 長 短 經(jīng)濟性 便宜 較貴 較貴 一般 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡單 復(fù)雜 復(fù)雜 稍復(fù)雜 使用維護 簡單 稍高 較高 簡單 速度調(diào)整 容易 很容易 稍困難 困難 表3.2 氣壓驅(qū)動使用壓力通常在0.4-0.6Mpa,最高可達1Mpa。氣壓驅(qū)動的優(yōu)點是響應(yīng)速度快,結(jié)構(gòu)簡單,控制方便。氣壓驅(qū)動的缺點是功率質(zhì)量比少,裝置體積大,同時由于空氣的可壓縮性使得機器人在任意定位時,位姿精度不高。氣壓驅(qū)動不可避免的存在漏氣的問題和氣壓裝置體積較大,這一點不符合本步伐式機器人的工作空間要求,不適合在本系統(tǒng)中使用。液壓驅(qū)動系統(tǒng)用

20、2-15Mpa的油液驅(qū)動,體積較氣壓驅(qū)動小,功率質(zhì)量比大,驅(qū)動平穩(wěn),液壓驅(qū)動的缺點是易漏油,這影響工作穩(wěn)定性和定位精度。由于有漏油的問題,也不適合在本系統(tǒng)中使用。 電氣驅(qū)動是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩,直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動負載,減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié),直接獲得要求的機器人運動。由于電氣驅(qū)動具有易于控制,運動精度高,響應(yīng)快,使用方便,信號檢測、傳遞和處理方便,成本低廉,驅(qū)動效率高,不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點,電氣驅(qū)動已經(jīng)成為最為普遍,應(yīng)用最多的驅(qū)動方式,符合本系統(tǒng)要求。所以選擇電氣驅(qū)動與機械驅(qū)動相結(jié)合的方案。 3.3電機類型的選擇 在上節(jié)中介紹到,電機驅(qū)動適合本步伐式機器人,在電動

21、執(zhí)行機構(gòu)中,有直流電機、交流電機、步進電機和直接驅(qū)動電機等實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的電動機,以及實現(xiàn)直線運動的直線電機。目前在機器人的運動控制中較為常用的電機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機,他們的特性、工作原理與控制方式如下表。 電機類型 主要特點 構(gòu)造與工作原理 控制方式 直流伺服電機 接通直流電即可工作,控制簡單;啟動轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制、效率高;需要定時維護和更換電刷,使用壽命短、噪聲大 由永磁體定子、線圈轉(zhuǎn)子、電刷和轉(zhuǎn)向器構(gòu)成。通過電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度而變化,實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。 轉(zhuǎn)速控制采用電壓控制方式,兩者成正比。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控

22、制方式,兩者成正比。 交流伺服電機 沒有電刷和換向器,無需維護,驅(qū)動電路復(fù)雜,價格高 按結(jié)構(gòu)分為同步和異步電機。無刷直流電機結(jié)構(gòu)與同步電機相同,特性與直流電機相同。 分為電壓控制與頻率控制兩種方式。異步電機通常采用電壓控制 步進電機 直接用數(shù)字信號控制,與計算機接口簡單,沒有電刷,維護方便,壽命長,缺點是能量轉(zhuǎn)換效率低,易失歩,過載能力弱 按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可分為:永磁式。反映式和混合式 永磁式是單向勵磁,精度高,但容易失步,反應(yīng)式是雙相勵磁,輸出轉(zhuǎn)矩大,轉(zhuǎn)子過沖小,但效率低,混合式是單雙相勵磁,分辨率高,運轉(zhuǎn)平穩(wěn) 表3.3 步進電機作為一種新型的自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu),得到

23、越來越廣泛的應(yīng)用,進入了一些高、精、尖的控制領(lǐng)域。步進電機雖然有一些不足,如啟動頻率過高或負載過大時易出現(xiàn)失步或堵轉(zhuǎn),停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖,且一般無過載能力,往往需要選取有較大轉(zhuǎn)矩的電機來克服慣性力矩。但步進電機點位控制性能好,沒有累積誤差,易于實現(xiàn)開環(huán)控制,能夠在負載力矩適當(dāng)?shù)那闆r下,以較小的成本與復(fù)雜度,實現(xiàn)電機的同步控制。綜合考慮控制要求、成本等多方面因素,本系統(tǒng)選用步進電機作為驅(qū)動電機。 3.4 夾緊機構(gòu)設(shè)計 在管內(nèi)步伐機器人當(dāng)中,夾緊機構(gòu)是保證機器人具有良好的爬坡能力和越障能力的關(guān)鍵。夾緊機構(gòu)分為機械式和液壓式兩種,機械式夾緊機構(gòu)采用平面螺旋副。驅(qū)動在圓周上均布的三個接觸腳壓

24、向管壁達到鎖緊的目的。平面螺旋盤的驅(qū)動靠電機一凸輪副或電機一輪副驅(qū)動。液壓式夾緊機構(gòu)采用液性介質(zhì)彈性夾緊機構(gòu)。為此我們提出了三種結(jié)構(gòu)方案: ①電機一凸輪副結(jié)構(gòu)方案 圖3.4 電機--凸輪服結(jié)構(gòu)圖 工作原理為:電機經(jīng)偏心圓弧凸輪,驅(qū)動平面螺旋盤在一定的角度內(nèi)轉(zhuǎn)動,再推動接觸腳外伸或回縮從而與管道鎖緊與放松。此結(jié)構(gòu)需在平面螺旋盤的背面徑向開一個配合凸輪的滑槽。 ②液壓式夾緊機構(gòu) 液壓式夾緊機構(gòu)是利用液性介質(zhì)將壓力傳遞給薄壁彈性套筒,使薄壁套筒產(chǎn) 生均勻的徑向

25、變形,與管壁夾緊。如圖 所示為液壓式夾緊機構(gòu)。其工作原理為電機經(jīng)柱塞驅(qū)動液性介質(zhì),使基體外圓四周的薄壁發(fā)生彈性變形,夾緊管道內(nèi)壁。 液性介質(zhì)一般采用液性塑料或油液。 圖3.5 液壓式夾緊機構(gòu) ③電機一齒輪副結(jié)構(gòu)方案 圖3.6 電機--齒輪副結(jié)構(gòu)圖 工作原理為:電機經(jīng)內(nèi)齒輪副,驅(qū)動平面螺旋盤回轉(zhuǎn)。推動接觸腳外伸或回縮,與管道內(nèi)壁夾緊或放松。 總結(jié): 相比較幾種夾緊機構(gòu),液壓夾緊機構(gòu)可在管壁的一個環(huán)形帶上獲得較大且均

26、 布的夾緊力。采用液性塑料介質(zhì),單位壓力可達而且還有較高的 定心精度,一般可保證同軸度在,但是液壓夾緊機構(gòu)夾緊效果但是 不易放松.還有一個不可忽視的問題是油漏,這特性不適合爬行機器人的工作空 間的要求。電機一凸輪副雖然可以達到夾緊的功能要求,但是只能在一定的角度 內(nèi)回轉(zhuǎn),性能不優(yōu)越且對制造的要求較高。齒輪副的傳動精度和效率較高,控制方便??僧a(chǎn)生較大的動力,適應(yīng)性能好,所以爬行機器人本體的夾緊機構(gòu)選用電機一齒輪副夾緊結(jié)構(gòu)。即方案③ 3.5 減速結(jié)構(gòu)設(shè)計 常用的機械傳動裝置有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動等 圖3.7 鏈傳動的特點:①和齒輪傳動比較,它可以在

27、兩軸中心相距較遠的情況下傳遞運動和動力;②能在低速、重載和高溫條件下及灰土飛揚的不良環(huán)境中工作;③和帶傳動比較,它能保證準確的平均傳動比,傳遞功率較大,且作用在軸和軸承上的力較小;④傳遞效率較高,一般可達0.95~0.97;⑤鏈條的鉸鏈磨損后,使得節(jié)距變大造成脫落現(xiàn)象;⑥安裝和維修要求較高.鏈輪材料一般是結(jié)構(gòu)鋼等. 圖3.8 帶傳動(皮帶傳動)特點(優(yōu)點和缺點):①結(jié)構(gòu)簡單,適用于兩軸中心距較大的傳動場合;②傳動平穩(wěn)無噪聲,能緩沖、吸振;③過載時帶將會在帶輪上打滑,可防止薄弱零部件損壞,起到安全保護作用;④不能保證精確的傳動比.帶輪材料一般是鑄鐵等. 圖3.9

28、 齒輪傳動的特點:①能保證瞬時傳動比恒定,平穩(wěn)性較高,傳遞運動準確可靠;②傳遞的功率和速度范圍較大;③結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠,可實現(xiàn)較大的傳動比;④傳動效率高,使用壽命長;⑤齒輪的制造、安裝要求較高.齒輪材料一般是鑄鐵等. 圖3.10 渦輪蝸桿傳動最主要的特點就是具有反向自鎖的功能,而且相比其它傳動具有較大的速比,渦輪蝸桿的輸入、輸出軸不在同一軸線上,甚至不在同一個平面上。自身的缺點,那就是渦輪蝸桿的傳動效率不夠高,精度也不是很高。 3.6本章小結(jié) 本章介紹了有關(guān)機器人一些參數(shù)數(shù)據(jù)的選擇,包括移動方式、驅(qū)動方式、及電動機的選擇,對整體方案比

29、較選型給出了依據(jù)和要求,確定了動力系統(tǒng)的方案,選擇步進電機作為驅(qū)動元件。 4管內(nèi)步伐式行走機器人的力學(xué)分析 4.1機器人腳底對管壁的壓緊力(見圖2.2){機器人結(jié)構(gòu)簡圖} 根據(jù)虛位移原理撐腳電機6的有效虛功與腳底虛功相等 =3 η1T1△θ= 3F1△L1 其中: T1——電機6 的扭矩    F1——單腳在管壁上的壓力 ——電機的微小轉(zhuǎn)角  ——電機 6微小轉(zhuǎn)角對應(yīng)的腳底伸出量   ——傳動效率 由于

30、 其中,i——電機6到腳的傳動比;P1——平面螺紋的節(jié)距。 將機器人參數(shù)T1=6kgcm,n1=159,p1=1cm, =0.5代入方程 得F1=8.37kgf 4.2 管內(nèi)步伐式器人的牽引力 根據(jù)虛位移原理牽引電機1的有效虛功與牽引虛功相等: 其中,T2——電機1的扭矩; ——電機1的微小轉(zhuǎn)角; ——電機1微小轉(zhuǎn)角對應(yīng)的螺母3相對于螺桿的移動量;

31、 ——傳動效率; L1——擺桿4上臂長度; L2——擺桿4下臂長度 F2——牽引力 由于: 將機器人參數(shù)T2=9kgcm,L1=75mm,P2=3mm, =0.8 代入方程 得:F2=209kgf 4.3 無防滑機構(gòu)條件下管壁壓力與牽引力的關(guān)系及打滑條件 其中,f支撐腳底與管壁的摩擦系數(shù)。 又有: 將該機器人參數(shù)帶入不等式右端并取得:

32、 T1/T2>11.1 在無防滑機構(gòu)情況下,撐腳電機扭矩要大于扭矩11.1倍,機器人才能不打滑正常牽引行走,即該機器人產(chǎn)生209kg牽引力,牽引電機扭矩9kgcm,撐腳電機扭矩需100kgcm以上。 4.4 管內(nèi)步伐式機器人的防滑機構(gòu)及力學(xué)分析 如前分析由加大腳底對管壁的正壓力,使腳底與管壁間存在足夠的摩擦力,以保證機器人行走時不打滑的條件為:撐腳電機的扭矩大于牽引電機扭矩11.1 倍。這必然導(dǎo)致?lián)文_傳動機構(gòu)龐大,機器人自重增加,這樣機器人可轉(zhuǎn)彎的最小半徑將加大,通過彎曲管道的能力減小,而且非主要做功電機遠遠大于主要做功電機是不合理的,因此設(shè)計了撐腳防滑機構(gòu)。 4.

33、4.1撐腳防滑機構(gòu)的工作原理 撐腳防滑機構(gòu)如圖3所示.其中長銷(2)靠過盈配合固連在膠靴(3)上,當(dāng)滑桿(1)與膠靴(3)相對移動時,長銷(2)在滑桿(1)的長槽中滑動,在膠靴踩上管壁前,由于彈簧(6)的作用使滑桿(1)相對于膠靴上移,固聯(lián)在滑桿(1)上的短銷(5)迫使兩擺桿(4)的夾角增大,使兩擺桿(4)的端部縮回到膠靴底面以上。當(dāng)滑桿外伸時首先膠靴底與管壁接觸,膠靴底接觸管壁后,滑桿壓縮彈簧(6)繼續(xù)下移,短銷也隨滑桿下移,放松了兩擺桿(4),在彈簧(7)的作用下,兩擺桿(4)的夾角減小,兩擺桿的端部從膠靴底面上伸出壓在管壁上,擺桿長度設(shè)計保證擺桿此時與種新鮮的夾角小于擺桿材料與管壁摩擦

34、角,膠靴左右滑動時右擺桿起作用,向左滑動擺桿起作用,被鎖死在管壁上不能左右滑動,起防滑作用。 圖4.1 4.4.2防滑機構(gòu)受力分析, 防滑機構(gòu)受力分析圖如下圖: 當(dāng)機器人受力F 時支撐腳上的擺桿OA 和O′A′有分別繞 O 和 O′向右轉(zhuǎn)動傾向,A 點和A′ 點受管壁限制,管壁產(chǎn)生了反作用力Q, 銷軸產(chǎn)生反作用力Q′ , Q 和Q′ 的作用線在擺桿與管壁的接觸點A、銷軸磨擦圓的相切線上。當(dāng)角小于磨擦角時,接觸點A 不能移動,而使O 和 O′ 有向管道中心運動的趨向而將機器人支撐機構(gòu)鎖死,當(dāng)牽引力F消失后Q 也隨之消失。

35、 圖4.2 防滑機構(gòu)受力分析 4.5 有防滑機構(gòu)情況下支撐電機計算 按支承電機維持機器人在管道中心的要求 其中: Q——機器人的半重量  P1——平面螺紋的節(jié)距 ——傳動效率 機器人的半重量Q= 21kg ,將機器人參數(shù)代入上式得 T1>4.2kgcm 本機選用的支撐電機扭矩為6kgcm. 4.6本章小結(jié) 本章主要對機器人的力學(xué)設(shè)計做了分析,對壓緊力,牽引力等做了分析,按照模塊化設(shè)計思想進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,便于后續(xù)工作。對本體進行了受力分析,推導(dǎo)出壓緊力和牽引力計算公式,對電機扭矩進行了計

36、算。 5管內(nèi)步伐行走機器人控制系統(tǒng) 5.1控制系統(tǒng)的具體要求及控制對象 5.1.1控制系統(tǒng)的要求 ①控制系統(tǒng)應(yīng)有快速響應(yīng)性。 ②可靠性高,控制簡單,成本低 ③良好的速度、位移控制能力。 5.1.2具體的控制對象 ①機器人支撐機構(gòu)的控制。步伐行走機器人采用前部和后部相互配合的一種尺蠖蠕動爬行機構(gòu),前部和后部的支撐機構(gòu)采用平面螺旋副來進行工作,通過小齒輪來驅(qū)動平面螺旋副,前部和后部分別有一個電機作為動力源。因此需要控制2個步進電機。 ②機器人的傳動機構(gòu)的控制。步伐行走機器人的傳動機構(gòu)是滾珠絲桿副,絲桿與前部相連,螺母與后部相連,用一個步進電機通過齒輪副來驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn),靠軸

37、向力使機器人不斷的進行運動。 在管內(nèi)步伐行走機器人中,所有部件的運動均是通過電機進行動力傳遞的,對支撐機構(gòu)和傳動機構(gòu)有穩(wěn)定性好、操作方便的要求,因此對電機的控制方式選擇是非常重要的,根據(jù)系統(tǒng)的具體要求,選用采用可編程控制器(PLC)對電機進行控制。 5.2PLC的組成結(jié)構(gòu)與特點 從機構(gòu)上分,PLC分為固定式和模塊式兩種。固定PLC板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等,這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架,這些模塊可以按照一定的規(guī)則組合配置。圖4.1為PLC的結(jié)構(gòu)框圖。 圖5.1PLC結(jié)構(gòu)框圖

38、本系統(tǒng)選用采用PLC對電機進行控制,主要是因為它有下列優(yōu)點:①PLC的軟硬件功能非常強大,其內(nèi)部具有很多功能;②使用維護方便,PLC不需要像用計算機控制那樣在輸入輸出接口上做大量工作,它的輸入輸出接口是已經(jīng)按不同需求做好的,可以直接與控制現(xiàn)場的設(shè)備相連接的接口;③運行穩(wěn)定可靠,同時采用了微電子技術(shù),大量的開關(guān)動作由無觸電點的半導(dǎo)體電路來完成,同時還才用了屏蔽、濾波、隔離等抗干擾措施,所以其平均為故障時間在兩萬小時以上;④設(shè)計施工周期短,PLC采用面向控制過程和面向問題的梯形語言編程方法,既繼承了傳統(tǒng)控制路線清晰直觀的優(yōu)點,又考慮了大多數(shù)電氣控制技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及應(yīng)用微機水平,很容易被電氣技術(shù)

39、人員接受。 5.3PLC控制單元的組成 PLC控制單元主要有PC+PLC的上下位機、點擊驅(qū)動器、電機四大部分組成。上位機為高性能的PC機,下位機PLC通過位置模塊控制各個步進電機的運動,通過開關(guān)量輸入/輸出模塊接受和輸出各類開關(guān)量;上下位機之間的通過串行通訊進行數(shù)據(jù)聯(lián)系。本系統(tǒng)選用了LG公司的MasterK200系列中的K3P-07BS PLC。其組成框圖如4.2所示。系統(tǒng)的主要配置如下,PLC硬件配置。 CPU模塊 K3P-07BS 電源模塊 G6M-PAFA 輸入模塊 1 G6I-D222A 輸入模塊 2 G6Q-RY2A 輸出模塊 1 G6Q-RY2A 輸

40、出模塊 2 G6Q-RY2A 位置模塊 1 G6F-PP30 位置模塊 2 G6F-PP30 圖5.2 PLC控制單元組成框圖(The structure of PLC control system) 5.4 PLC控制單元工作流程及程序框圖 PLC控制單元的工作流程是:首先通過PLC控制頭部的夾緊電機工作,使頭部鎖止在管壁中,傳動電機是絲桿帶動尾部前進,達到指定位置時,尾部夾緊電機工作,使其鎖止在管壁中,頭部夾緊電機逆向轉(zhuǎn)動使頭部放松,使頭部向前移動。 程序控制框圖如 5.3 所示 。 圖5.3

41、 5.5本章小結(jié) 本章主要介紹了機器人的控制系統(tǒng),對控制系統(tǒng)提出了設(shè)計要求及PLC電機控制單元分析。 6結(jié)論 本文提出了管道步伐式機器人的設(shè)計方案,對系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進行了深入的分析,成功地完成了系統(tǒng)的設(shè)計。對移動方式及受力分析等進行了分析,對系統(tǒng)技術(shù)單元的穩(wěn)定性、可靠性進行了分析。 本文的主要研究成果如下: ①廣泛的查閱了當(dāng)前有關(guān)管內(nèi)機器人的文獻,了解了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,通過對管內(nèi)機器人的移動結(jié)構(gòu)的對比、分析和設(shè)計,結(jié)合本課題的設(shè)計要求,提出了一種管內(nèi)步伐式行走機器人。 ②系統(tǒng)的研究了管內(nèi)機器人的運動原理、驅(qū)動方式以及結(jié)構(gòu)形式,詳細的討論了管內(nèi)機器人本體研制的相關(guān)技術(shù)問題。管內(nèi)機器人的本體結(jié)構(gòu)是本文的重點內(nèi)容,對本體的支撐結(jié)構(gòu)和傳動機構(gòu)進行了具體的分析設(shè)計,在動力系統(tǒng)的驅(qū)動下在規(guī)定的管道中做步伐運動。機器人本體部分按功能劃分的模塊化設(shè)計方法進行設(shè)計,將本體結(jié)構(gòu)分為支撐結(jié)構(gòu)和傳動結(jié)構(gòu)兩大模塊,對獨立的模塊可進行相應(yīng)的變形設(shè)計。 ③設(shè)計了一種自鎖式安全保護裝置。 ④應(yīng)用PLC作為控制核心,實現(xiàn)準確控制。 25

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