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1、爬桿機(jī)器人說明 書 作者： 日期: 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)說明 書 設(shè)計(jì)名稱：爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)人: 姜鴻學(xué)號:110611010班級：11機(jī) 制本一班 井岡山大學(xué)機(jī)電學(xué)院 2013/11/2 3 第一章背景概述 蠕行式仿生變直徑桿爬行機(jī)器人的研究報(bào)告現(xiàn)代生活 中，高空作業(yè)不斷增加，如路燈桿、懸索橋索、桿 狀城市建筑的清 洗、油漆、噴涂料、檢查、維護(hù)、電力系統(tǒng)架設(shè)電纜、瓷瓶清潔等。 目前的清洗、維護(hù)工作主要由人工和大型設(shè)備來完成，但它們都集中表 現(xiàn)出效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗能高、二次污染嚴(yán)重等問題。市場上少量 使用的氣動(dòng)蠕行式爬行器，其上升和下降運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)由氣壓控制，需 要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制

2、系統(tǒng)，能量損耗大，并且一般伴有較大的噪聲。因 為連接了大量的支持設(shè)備，氣動(dòng)蠕行爬行器的體積和 活動(dòng)范圍都受到 限制，而且設(shè)備成本較高。 第二章 運(yùn)動(dòng)原理一仿生設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器 人系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)考慮機(jī)器人的用途，因?yàn)椴煌挠猛?，移?dòng)機(jī)器人 的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是不同的。~ J' 1 還應(yīng)考慮機(jī) 器人的工作環(huán)境、耐 久性、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費(fèi)用等。作 為桿件爬行機(jī)器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案，有很多種移動(dòng)方式可供選 擇。各種移動(dòng)方案的比較見表1所示。 表1爬行機(jī)器人移動(dòng)方案的比較 移動(dòng)方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 輪式 運(yùn)動(dòng)速度快，控制方便，轉(zhuǎn) 容易。 接觸面積小，越障能力

3、差， 打滑。 履帶式 接觸面積大，承載能力強(qiáng)，移 履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜機(jī)動(dòng)  動(dòng)速度快。 性差。 磁吸式 承載能力大，具有很強(qiáng)的適應(yīng) 能力。 越障能力差應(yīng)，運(yùn)動(dòng)用范圍 窄。 蠕動(dòng)式 承載能力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，控 制簡便，適應(yīng)能力強(qiáng)。 運(yùn)動(dòng)速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 我們所要設(shè)計(jì)的這種爬行機(jī)器人，它的工作對象為各種型號的城 市桿狀建筑，要求承載能力大、接觸面積小、速度適中，適應(yīng)能力強(qiáng)， 能越障礙物。通過比較各種方案，筆者設(shè)計(jì)了一種尺蟾式蠕動(dòng)爬行結(jié) 構(gòu)形式,這是一種新穎的變直徑桿仿生爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案能基 本滿足我們設(shè)定的工作狀況。該機(jī)器人是模仿人的爬樹動(dòng)作而設(shè)的。人

4、 爬樹時(shí)，兩腳夾緊樹桿，兩腿一蹬，兩手抱住樹桿，人向上移然后兩 手抱緊樹桿，收腿提腳上移，一步步向上爬行。該機(jī)器人的爬 行動(dòng)作原 理示意如圖1所示。 2 3 4 5 ▲圖I機(jī)器人爬行動(dòng)作原理"〈意圖 既然是仿生尺蟆 式蠕動(dòng)，那么在本機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，將以實(shí)現(xiàn)機(jī)器 人軀干的伸 縮為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)幼鳛槟繕?biāo)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)有很多 種常見的機(jī) 構(gòu)有：不完全齒輪齒條雙側(cè)停歇機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、圓柱 齒輪齒條 機(jī)構(gòu)、螺旋絲桿機(jī)構(gòu)等。這▲圖2機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理圖幾種 機(jī)構(gòu)各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以很好。地協(xié)調(diào)好機(jī)器人的 整體工作。 從圖1中可以看出，機(jī)器人的爬行動(dòng)作原理可分為以

5、下5 f :1）在初始狀態(tài)1時(shí)，下機(jī)械手夾緊、上機(jī)械手松開（見圖2 所示） 2 ）電機(jī)回轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)曲柄及和曲柄固接在一起的下并聯(lián)盤形凸輪順時(shí) 針 轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)下機(jī)械臂擺動(dòng)，與此同時(shí)帶動(dòng)和連桿固接在一起的上移動(dòng)凸 輪向下移動(dòng)，推動(dòng)上機(jī)械臂擺動(dòng)，當(dāng)下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過升程角時(shí)， 下機(jī)械手松開；與此同時(shí)上移動(dòng)凸輪向下移動(dòng)過空行程，上機(jī)械手抓 緊，即狀態(tài)2。 3）電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，此時(shí)上機(jī)械手夾緊、下機(jī)械手松開，機(jī)器人下部在 電機(jī)的提升拉力作用下向上移動(dòng)，當(dāng)曲柄和連桿重疊共線時(shí)，機(jī)器人 下部被提升到極限位置，即狀態(tài)3。 4）電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，當(dāng)下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過回程角時(shí)，下機(jī)械手夾緊； 與此同時(shí)上移動(dòng)

6、凸輪向上滑過空行程，上機(jī)械手松開，即狀態(tài)4o 5）電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，因?yàn)橄聶C(jī)械手夾緊、上機(jī)械手松開，所以機(jī)器人上 部在電機(jī)的提升推力作用下向上移動(dòng)，當(dāng)曲柄和連桿拉直共線時(shí)，機(jī) 器人上部提升到極限位置，即狀態(tài)5O從圖2和圖1可看出，減速電機(jī) 每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，機(jī)器人整體向上爬行一次，重復(fù)狀態(tài) 廣5就可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn) 機(jī)器人機(jī)械手之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作和機(jī)器人整體的蠕行爬行。通過實(shí)驗(yàn)，證 明了該機(jī)器人的可用性和穩(wěn)定性。 第三章機(jī)器人爬行部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1. 工作現(xiàn)狀 變直徑桿爬行問題的提出 現(xiàn)實(shí)生活中，由于結(jié)構(gòu)和力學(xué)上的要求，均采用了變直徑桿，如 路燈桿、懸索橋鋼索、桿狀城市建筑等（如圖3所示）。如今，國內(nèi) 外研

7、制的各種電機(jī)機(jī)械式爬行器均有一個(gè)缺陷，它們大多采用凸輪機(jī) 構(gòu)夾緊，由于凸輪機(jī)構(gòu)的不可伸縮性，它們均只能爬行等直徑桿，而變 直徑桿的爬行則只能依靠昂貴、龐大的氣動(dòng)爬行器來解決。2.工作 原理 變直徑桿爬行問題的解決 如圖2和圖6所示，機(jī)器人機(jī)械手的夾緊采用預(yù)緊彈簧使機(jī)械手 夾緊在桿體上，采用凸輪的運(yùn)動(dòng)來控制夾爪的動(dòng)作，避免了直接采用 凸輪夾緊機(jī)構(gòu)的不可變性。滾子只在凸輪的遠(yuǎn)休止角處（凸輪大徑） 和凸輪接觸。而在其它位置，滾子處于懸空狀態(tài)，如圖4,虛線所圍區(qū) 域?yàn)闈L子的活動(dòng)范圍，它隨著機(jī)器人爬行的桿件直徑尺寸的變化而自 適應(yīng)，這樣，機(jī)器人就可以依靠彈簧的預(yù)緊力爬行一定尺寸范圍內(nèi)的 變直徑桿

8、 圖5 3 . 機(jī)器人主體尺寸參數(shù)的確定——機(jī)器人整體的協(xié)調(diào)動(dòng)作在此 類爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，我們要注意的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是機(jī)構(gòu) 的連貫協(xié) 調(diào)動(dòng)作的完成，特別是機(jī)械手的協(xié)調(diào)動(dòng)作、機(jī)械手和軀干（曲柄連 桿機(jī)構(gòu)）之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作。而機(jī)械手之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作又要依賴于曲柄 連桿機(jī)構(gòu)、凸輪擺桿機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作。設(shè)計(jì)中還采用了S。 HdWorks軟件來進(jìn)行機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)的確定。特別是上移動(dòng)凸輪和下 并聯(lián)盤形凸輪的設(shè)計(jì)，它們都要依靠曲柄、連桿的相對運(yùn)動(dòng)以及工作 范圍來確定尺寸參數(shù)，而曲柄、連桿的尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)依賴于它們的 運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)構(gòu)整體的尺寸。從圖1、圖5中可以看出曲柄、連桿的 尺寸和上移動(dòng)凸輪

9、、下并聯(lián)盤形凸輪尺寸之間有著緊密的聯(lián)系。 4 .機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖6所示。整個(gè)機(jī)體長約2 5 0 nlm寬，約1 50 mm,高約4 0 0 mm,總重不超過5 k g （包括電機(jī)重3 k g ）。爬行部分主體結(jié)構(gòu)為2根長為4 00 mm的鋁合金管（可以用 硬塑料管代替）作為機(jī)架和機(jī)器人上部滑動(dòng)的導(dǎo)桿，同時(shí)作為旋轉(zhuǎn)部 分的軸，結(jié)構(gòu)緊湊、零件多功能。以導(dǎo)桿為轉(zhuǎn)動(dòng)軸和固定支架，其上 下分別設(shè)置有上、下機(jī)械手連接臂，兩對機(jī)械臂以導(dǎo)桿為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其 上裝有上、下機(jī)械手。在上、下機(jī)械臂的另一端分別設(shè)置有彈簧，彈 簧的作用是使機(jī)械手產(chǎn)生足夠的摩擦力抱緊立柱。在導(dǎo)桿的下部設(shè)置有 電機(jī)

10、，其輸出軸上安裝有并聯(lián)盤形凸輪和曲柄。曲柄通過連桿與移動(dòng) 凸輪相連。曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)上部的移動(dòng)凸輪運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的 上升和相對運(yùn)動(dòng)。凸輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩套凸輪擺桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其中一套 由上機(jī)械臂和 移動(dòng)凸輪構(gòu)成，另一套由下機(jī)械臂和并聯(lián)盤形凸輪構(gòu)成， 它們分別裝在導(dǎo)桿的上、下部。通過曲柄、連桿將并聯(lián)盤形凸輪、移動(dòng) 凸輪連接起來，使整個(gè)機(jī)構(gòu)形成一個(gè)整體，上部的擺桿機(jī)構(gòu)在曲柄連 桿機(jī)構(gòu)的作用下可以沿導(dǎo)桿上下移動(dòng)。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，上、下部機(jī) 械臂擺動(dòng)并帶動(dòng)機(jī)械手依次實(shí)現(xiàn)夾緊和放松的聯(lián)動(dòng)。設(shè)計(jì)中還要注意 以下2點(diǎn)：一是機(jī)器人的動(dòng)力應(yīng)足夠；二是機(jī)器人的運(yùn)行要平穩(wěn)、無 抖動(dòng)。 第四章 機(jī)器人主體運(yùn)動(dòng)

11、建模及仿真 3 . 1運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和仿真 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)原理見圖7。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K(移動(dòng) 凸輪)的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。曲柄長r:60 mm,連桿長Z= 2 2 0 mm,電 機(jī) 轉(zhuǎn)速0 9=2 5 r/m ino取0為坐標(biāo)原點(diǎn)，P在 軸上的坐標(biāo)為，用 表示 滑塊的位移。利用三角關(guān)系得:rcos0+z41 一(r 2 / ) sin 0 (1 )由于O = tot,故滑塊速度 和加速度a分別為二(dx / dt) =(dx / d ) (dOl d ) =C. 0 (d x / d )二—ojrsi n [1+rcos 0 /4 —r 2s i

12、 n 0 ] ( 2 ) a=(dv / dt) = (dv/dO) = [COS 0 + r ( / % o s 2 0+r 2 s i n4 ) (一 r2s i n ) ( 3 )同時(shí)基于關(guān)系式1 sin 口二r s 1 n則 擺角的表達(dá) 式口二arc si n [ (r / Z) s i nO] (4)對式 (3) 、(4)中 t 兩次求導(dǎo) d/dt 二一 s i n (一 r2)/ (一產(chǎn) s in。) ,2 (5)式(3 )、(5) 比較復(fù)雜，不易求解。因式(1)中，r2/?l,由(1+ ) =1+ +? , 1 1 <1,可將滑塊位移 的模型(1 )近似為 1=

13、 r co s 0+Z (1 —( / 2 Z ) si n 0 ] (6)從 而有響應(yīng)的近似速度 與近似加速度a 1 =d 1 / d t: (d 1 / d ) (d 0 / dt) 二一 r [ s i n0+ (r / 2 Z) sin20 ] (7) a 1 =d 1/d t 二 -r [C 0 S0+ (,/ z ) c os2 1 (8 )圖8為滑塊位移和行程 曲線圖，圖9為滑塊速 度曲線圖，圖10為滑塊加速度曲線圖。對擺 角口可以利用事級數(shù)展開的麥克勞林公式：arcsin=占+ / 6 + ? . 1 K 1得到擺角的近似模型屆=(r / Z) sinO相應(yīng)近 似角速度df

14、l/ d t= ( r /Z) CO S 0 (9 )近似角加速度 d 2JBI / dt 二一。(r / Z ) s inO ( 10)圖 1 1 為連桿擺角 的角速度曲線圖，圖12為連桿擺角口的角加速度曲線圖。從以上可以 看出，在一個(gè)周期內(nèi)，滑塊和連桿擺角口的速度曲線和加速度曲線均平 滑、無拐點(diǎn)，整個(gè)機(jī)構(gòu)模擬運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無抖動(dòng)。 3.2力學(xué)建模和仿真——連桿受力分析電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，連桿對上 連接件的力分為水平分力和豎直分力，豎直分力就是電機(jī)的提升力， 水平分力對機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性來講是有害的。電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，電機(jī)的提 升力為：F1 =Feos (90。一 0一) c o sf 1= Fsin (

15、0+ 盧)cos /3 (11)圖1 3為電機(jī)的提升力曲線圖。圖中可以看出，當(dāng)上機(jī)械 手夾緊、下機(jī)械手放松，機(jī)器人下部向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，上機(jī)械手產(chǎn)生的提升 力為左邊 (圖 上顯示為0~l. 2 5s)的曲線，下部設(shè)計(jì)重量為5 0 N,即曲柄轉(zhuǎn)過 17. 5 30。 1M 0 -100 ?300 -500 ▲圖7曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)瓊理圖 參考文獻(xiàn) 徐生，張立彬，楊慶華.氣動(dòng)蠕動(dòng)爬桿機(jī)器人【J】.機(jī)械工程師，2004 (3 ). 2趙松年.現(xiàn)代機(jī)械創(chuàng)新產(chǎn)品分析與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版 社,20 0 0. 3王永貞，沈堅(jiān)，談士力.球形壁面爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真 [J] .機(jī)電一體化，2001(5). 4王曉光，陳明森，張青.立柱清洗機(jī)器人【P】.中國專利， 2.5