爬桿機器人理論方案設(shè)計說明書

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1、經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流爬桿機器左磐方案設(shè)計說明書【經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改】經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流11+爬桿機器人理論方案設(shè)計說明書學(xué)校名稱:中國計量學(xué)院學(xué)生隊長:學(xué)生隊員:指導(dǎo)教師:聯(lián)系方式:二0 0五年一月目錄1 .方案構(gòu)思12 .機械部分33 .電控部分174 .設(shè)計小結(jié)19方案構(gòu)思我們通過三個手臂來抓緊桿件再通過手臂上的電機來實現(xiàn)機器人的爬升和下降。原理上兩個就能實現(xiàn)，但三個手臂是一作聯(lián)結(jié)，二可起穩(wěn)定作用。手臂上升下降是通過齒輪齒條來 實現(xiàn)的。二.機械部分1 .機器人的整體裝配圖如下:我們是通過三個手臂爬桿的，上手臂裝在一個

2、齒條的最上端，并且固定，在具 體設(shè)計時我們可以使上手臂有一定的上下和左右轉(zhuǎn)動范圍，具體的設(shè)計將在下面介 紹。下手臂裝在下桿C比齒條的下端，中間手臂固定在滑梢上，上手臂的上升和下降是通過裝在滑梢上端的電動機帶動齒輪嚙合齒條來實現(xiàn)的 .下手臂的上升和下降是 通過裝在滑梢下端的電動機帶動齒輪嚙合齒條來實現(xiàn)的 ，中間手臂的升降是通過上 下兩對齒輪齒條反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。2 .路面行走結(jié)構(gòu)在地上行走，我們通過裝在下手臂上的三個車輪來實現(xiàn)地面上的行走，動力由后車輪上的兩個電機來提供，用兩個電機主要是為了能實現(xiàn)走彎路，具體的三視圖形如下：2機器手臂的設(shè)計圖3 機械手的結(jié)構(gòu)我們設(shè)計的這個機器手采用了曲柄滑塊機構(gòu)，

3、A, B, C點處安裝了橡膠皮，1, 2兩點固定在支撐板上，當(dāng)滑塊 W向前移動時，根據(jù)桿子的結(jié)構(gòu)，A, B, C點將向 中心收縮，產(chǎn)生一個收縮的趨勢，就抓緊桿件。當(dāng)滑塊 W向后移動時，A, B, C點 會張開，即松開桿件。再配合機構(gòu)的移動構(gòu)件，機械手就能很好的實現(xiàn)上升和下降。在本方案中，由曲柄滑塊機構(gòu)的一系列動作，使機械手實現(xiàn)抱緊松開的動作， 機械手的夾緊依靠滑塊使3個橡膠皮與構(gòu)件緊緊地接觸。在接觸的時間內(nèi)實現(xiàn)另一 個機械手的升降，在松開桿件的時間內(nèi)實現(xiàn)自身的升降。 這兩段時間的長度很難控 制，可以說光靠電機是不可能實現(xiàn)的。此外考慮到機械手垂直夾緊桿件時支撐板所 受的力矩很大，難以鎖住桿件，因

4、此可以改變機械手臂與桿件的角度來減小力矩，但角度不能太小，太小的話就會使上升的速度變慢，因此角度應(yīng)在7080度之間為好，具體的角度要計算后為準(zhǔn)。機械手臂是這個機器人的主體，在這個設(shè)計過程中我們花了好多時間查閱了很多資料，最后選用了這個曲柄滑塊機構(gòu)，在設(shè)計時我們想了很多，最初設(shè)計時覺得,其中最主要的問題是如何使手臂按我們要求的實現(xiàn)放開和抓緊，特別是時間上 的控制最重要。我們剛開始時想到了凸輪來控制，凸輪能夠?qū)崿F(xiàn)，但是也有缺陷， 就是凸輪的設(shè)計難度較大，時間上的控制也很難，我大致算了一下，如果我的轉(zhuǎn)速 是10r/min ,那么轉(zhuǎn)一圈要六秒，那么抓緊的時間是 3秒，而放開的時間是1.5秒, 那么物體

5、上升的時間很短，難以實現(xiàn)。后來我們確定用電磁鐵來控制，電磁鐵很容易通過單片機來控制時間，特別是三個手臂之間的協(xié)調(diào)可以比較準(zhǔn)確的控制。 可用電磁鐵也有缺點，就是電磁 鐵的磁性會影響單片機的運行，那樣就會給電機控制帶來問題。但在外面加上一些 防磁場的裝置就會減少影響。因此最后確定用電磁鐵機構(gòu)，這樣在計算少的同時更 容易控制時間以及各方面的協(xié)調(diào)。電磁鐵手臂的設(shè)計圖及連桿機構(gòu)圖圖4電磁鐵手臂的設(shè)計圖5連桿機構(gòu)圖電磁鐵的工作過程：當(dāng)在地面行走時，通過單片機控制使手臂全都張開，這樣 就能在行進(jìn)后立刻抓住桿件。抓住后就通過編程來控制使手臂，使三個手臂松開和 抓緊的循環(huán)過程，同時通過電機的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)手臂的上升

6、和下降。 具體的過程如下:上手臂中手臂卜手臂地面行走過程松開松開松開上手臂上升松開抓緊抓緊中手臂上升抓緊松開抓緊下手臂上升抓緊抓緊松開上手臂上升松開抓緊抓緊表1機械手臂工作的具體過程為了實現(xiàn)抓不同直徑的桿件，我們設(shè)計了使裝在滑塊上的兩根桿的長度可以通 過一個滑桿機構(gòu)來改變，就是一根桿放在另一個滑筒內(nèi)，可以抽動來無級改變桿的 長度，然后用一個緊固螺釘來夾緊，結(jié)構(gòu)如下: 紫固螺 筒桿釘圖6滑桿機構(gòu)但我們設(shè)計的手臂不能爬無限桿的直徑， 它是有一定的范圍的，而我們設(shè)計的 手臂是可以爬升直徑40到50毫米的任何桿件，只要調(diào)節(jié)兩根桿的長度就能實現(xiàn), 在這我設(shè)計了兩個極限位置的桿件，設(shè)計如下:考慮到我們設(shè)計

7、機器人是從地面滑行的，因此我們手臂張開時要能夠抓住桿 件，即手臂B, C兩點的距離必須大與桿的直徑，否則就不能進(jìn)行下一步的運動。還有我們設(shè)計的手臂上的三點，要分別抓在圓的三等分上，這樣就能更加抓緊桿件, 由于抓不同直徑的桿件時，三個橡膠皮運動的距離是不一樣的， 因此每次都要調(diào)節(jié)滑塊兩端桿的長度，使三個橡膠皮能同時和桿件接觸抓緊。根據(jù)圖形我們知道滑塊移動的距離就是電磁鐵吸引鐵塊的距離，因此當(dāng)桿件是40毫米時，滑塊移動的距 離是17.03毫米，則電磁鐵和鐵塊之間的長度也是 17.03毫米，桿1的長度為19.07 毫米；當(dāng)直徑是50毫米時滑快移動的距離是 5.1毫米，則電磁鐵和鐵塊之間的長 度也是5

8、.1毫米，桿1的長度為29.93毫米。具體圖形如下:經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流12圖9機器人原始、極限狀態(tài)圖經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流13經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流6、下降過程與理論上與上升步驟相反，故不必再贅述。通過上面的運動步驟，機器人可實現(xiàn)垂直桿件上的攀爬。主要參數(shù)：桿A長a=133mm, 桿B長b=170mm, 桿C長c=a=133mm;驅(qū)動桿A的電機轉(zhuǎn)速為n1=48r/min, 上拉桿B的電機轉(zhuǎn)速為 n2=50r/min,驅(qū)動桿C的電機轉(zhuǎn) 速為 n3=n1=48r/min

9、 ;與A嚙合的的齒輪半徑為 r1=10mm,拉升桿B的電機的皮帶盤的半徑為r2=10mm,與C嚙合的齒輪半徑為 r3=10mm,計算步驟：尺寸及其質(zhì)量機械手質(zhì)量：1、有機玻璃板架質(zhì)量（2塊）m1=L*w*d* P =200*80*mm 3*1.4g/cm 3=22.4g2、電磁鐵質(zhì)量（2塊）m2=d* （11+12）* h- n*r2lP=5* （40+35）*20- 口*52 mm3*7.6 g/cm3=54g3、彈簧質(zhì)量（1只）m3=1g4、橡膠皮質(zhì)量（3只）圖11立體圖及其尺寸m4=v= F*r* *d*h=0.95 g/cm 3*25*（2*10 n/360）*7*20=0.58g5、

10、滑塊質(zhì)量（1只） m5=30g6、連桿質(zhì)量（5根）m6=,P (L1+L2+L3+L4+L5 )hd=7.8g/cm3*(250*20*3)mm=117g7、聯(lián)結(jié)螺栓螺母質(zhì)量(7只)m7=2g則一個機械手的質(zhì)量為 M1=2*m1+2*m2+m3+3*m4+m5+5*m6+7*m7=2*22.4+2*54+1+3*0.58+30+117+7*2=316.54g聯(lián)桿質(zhì)量經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流21TCP VIEW8.Q 二營 so-80 一8.悶一 UH二10.0010.00叫二7&00FRONT VIEW SIDE VIEW圖12 A桿視圖及其尺寸A桿 體積丫2%側(cè)+丫底

11、鋁材(密度 2.7 g/cm3) =2* (W1+W2+H1+H2*L*D+2* (10H1 + 10W2 *2D =2*(78+58+138+118)*28*1+2*2*(10*138+10*58 )=29.792cm3質(zhì)量 Ma=2.7*29.792=80.4384gS 匕77土OC當(dāng)FRONT V EWBACK VIEW圖13 B桿的視圖及尺寸B桿體積Vb整框 V1=117*1*(100+45*2+25*2+10*2+15*2+28*2+80)=49842 mm3截空 V2=1*117*80*2=18720 mm3擋板 V3=80*10*1=800 mm3則 Vb= V1- V2+ V3

12、=49842-18720+800=31922 mm3=31.922 cm3質(zhì)量 Mb=2.7*31.922=86.1894gC 桿 質(zhì)量 Mc=Ma=80.4384g電機質(zhì)量：我們共用到4個直流電機，每個電機質(zhì)量約為35g齒條質(zhì)量：我們共用到兩對齒輪齒條傳動每個齒條的質(zhì)量為m=LWH 卜 1=（14*118*6） mm 3*7.8 g/cm 3=77.3136gB桿上我們設(shè)計其半徑為 R=1mm,長L=60mm,材質(zhì)為鋼轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量M =nR2L P=（n*1 2*60） mm3*7.8 g/cm3=1.4703g（2只）運動計算1、距離L 預(yù)定一個動作周期的攀爬距離S=68mm（一個周期內(nèi)）2

13、、時間T上升過程 1、 桿 A 的攀爬時間 T1=L/V1 , V1=2nII r1/60(mm/s)=n n 1r1/30(mm/s),貝U T1=30SL(n1 n r1)=30*68/(80* 口 *6)=1.352817016s, 取 T1=1.36s ;2 、桿B的攀爬，由于齒輪齒條的運動與A桿上升時完全相反，故其上升時間為時間T2=T1=1.36s ;3 、桿C的的個參數(shù)與桿 A相同，故其攀爬時間與 A相等，即T3=1.36s；由以上各 段時間相 加就 是桿 每上 升完整的一段 距離 L所用的 時間，即總 時間 T=T1+T2+T3=1.36+1.36+1.36=4.08S ,由此

14、可得爬升的平均速度V=L/T=68/4.3=16.67mm/s 。下降過程設(shè)平均速度為V,攀爬桿長為P,在桿上時間為T=4min,扣除機器人本身的高度 300mm,則實際在桿上攀爬路程為(2P-2*300 ) mm下降過程我們有兩個方案備選。方案一：采用與上升過程相反的狀態(tài)，則下降的平均速度V =V=16.67mm/s,可由 2P-2*300=VT=16.67mm/s*4min*60s/min , 則可知攀爬桿長 P=2300.4mmi方案二：采用下滑的方式，(P-300) /15.81+ (P-300) / V =240假設(shè)V =16.67n,下滑時間為 T貝U P=240*16.67n/(

15、n+1)+300當(dāng) n=2 時，P=2967.2mm, T =240/3=80s當(dāng) n=3 時，P=3300.6mm, T =240/4=60s當(dāng) n=4 時，P=3500.64mm, T =240/5=48s當(dāng) n=5 時，P=3634mm, T =240/6=40s雖然采用方案二能大大增加機器人的爬升高度，但考慮到下滑速度較快，不穩(wěn)定因素 較多，為保險起見，我們決定采用方案一。有關(guān)齒輪齒條傳動的計算：齒輪一一模數(shù)齒數(shù) z1=20齒頂高系數(shù) ha*=1頂隙系數(shù)分度圓壓力角 分度圓直徑 齒頂圓直徑 齒根圓直徑齒條一一齒形角齒厚、齒槽寬m=1mmc*=0.250d=mz=1*20=20mmda=

16、m(z+2ha*)=1*(20+2*1)=22mmdf=mz-2m(ha*+c*)=1*20-2*1*(1+0.25)=17.5mms=e= n m/2=n *1/2=1.57mm齒頂高 ha=(ha*+c*)m=(1+0.25)*1=1.25mm齒輪齒條的重合度1=20* (tana1-tan ) +2ha*/(sin 0 *cos 0 )/2 n=20* (tanarc(cos20/22)-tan20 ) +2*1/(sin0 *cos 0 )/2 口=1.290530458Vmax=1.981完全符合要求電磁鐵的吸力計算：圖14G為重力G=14.7N, F為電磁鐵的吸力，U為摩擦系數(shù)U=

17、1.2, F3為最大彈簧彈力 F3=2N , 皿轉(zhuǎn)距，F(xiàn)1為壓 力，貝U F4=F-F3, G=F4*COS10 *U= F4=G/ (COS10 *U),貝U F=F4+F3=G/ (COS10 *U) + F3=14.7/(COS10 *1.2 ) +2=14.44N因為每次有兩根桿是抓緊的，因此每根桿上的吸力為14.44/2=7.22N電磁鐵的吸力要大于 7.22N。三電機控制部分我們的機器手臂控制是通過單片機來定時來控制電機和電磁鐵的通電和斷電，具體的時間控制我們通過計算如下行程時間段電動機控制電磁鐵控制單位(S)車輪上手臂下手臂上手臂中手 臂下手臂地面行程0-28開關(guān)關(guān)I關(guān)關(guān)關(guān)調(diào)整過

18、程28-30關(guān)關(guān)關(guān)一關(guān)開開爬升過程30-132關(guān)/暫停過程132-168關(guān)關(guān)關(guān)開開開下降過程168-270關(guān)調(diào)整過程270-272關(guān)關(guān)關(guān)1開開開回程272-300開關(guān)關(guān)關(guān)關(guān)關(guān)表 2整個爬管過程的時間分布進(jìn)程時間段電動機控制電磁鐵的控制單位（S）上手臂下手臂上手臂中手 臂下手臂上手臂上升0-1.36開（正）關(guān)關(guān)開開中手臂上升1.36-2.73(1.36 )開（反）開（反）開關(guān)1開下手臂上升2.73 4.08 ( 1.36 )關(guān)開（正）開開關(guān)下手臂下降0-1.36關(guān)開（反）開開關(guān)中手臂下降1.36-2.73(1.36 )開（正）開（正）開關(guān)開上手臂下降2.73-4.08(1.36 )開（反）關(guān)關(guān)開

19、開表3爬管過程的時間分布注：手臂的電動機正轉(zhuǎn)是使本身手臂上升的狀態(tài)，反轉(zhuǎn)則是與其相反的轉(zhuǎn)動 這是按我們的要求設(shè)計的。雖然我們完全可以通過單片機來控制時間，可是我們?yōu)榱朔乐乖谥型境霈F(xiàn)我們沒有遇到的問題，因此我 們有加入了一些優(yōu)先級，通過遙控來控制或者用電線直接控制。具體的手臂爬升編程如下:P1.0控制上手臂的電機正轉(zhuǎn)P1.4控制上手臂的電磁鐵P1.1控制上手臂的電機反轉(zhuǎn)P1.5控制中手臂的電磁鐵P1.2控制下手臂的電機正轉(zhuǎn)P1.6控制下手臂的電磁鐵P1.3控制下手臂的電機反轉(zhuǎn)經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流24