爬桿機器人說明書

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1、爬桿機器人說明 書 作者： 日期: 機械創(chuàng)新設(shè)計說明 書 設(shè)計名稱：爬桿機器人的設(shè)計設(shè)計人: 姜鴻學(xué)號:110611010班級：11機 制本一班 井岡山大學(xué)機電學(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器人的研究報告現(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、電力系統(tǒng)架設(shè)電纜、瓷瓶清潔等。 目前的清洗、維護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、勞動強度大、耗能高、二次污染嚴重等問題。市場上少量 使用的氣動蠕行式爬行器，其上升和下降運動的實現(xiàn)由氣壓控制，需 要氣源和氣動控制

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，氣動蠕行爬行器的體積和 活動范圍都受到 限制，而且設(shè)備成本較高。 第二章 運動原理一仿生設(shè)計在設(shè)計移動機器 人系統(tǒng)時，首先應(yīng)考慮機器人的用途，因為不同的用途，移動機器人 的移動機構(gòu)是不同的。~ J' 1 還應(yīng)考慮機 器人的工作環(huán)境、耐 久性、穩(wěn)定性、機動性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費用等。作 為桿件爬行機器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案，有很多種移動方式可供選 擇。各種移動方案的比較見表1所示。 表1爬行機器人移動方案的比較 移動方式 優(yōu)點 缺點 輪式 運動速度快，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，移 履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜機動  動速度快。 性差。 磁吸式 承載能力大，具有很強的適應(yīng) 能力。 越障能力差應(yīng)，運動用范圍 窄。 蠕動式 承載能力大，運動平穩(wěn)，控 制簡便，適應(yīng)能力強。 運動速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 我們所要設(shè)計的這種爬行機器人，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， 能越障礙物。通過比較各種方案，筆者設(shè)計了一種尺蟾式蠕動爬行結(jié) 構(gòu)形式,這是一種新穎的變直徑桿仿生爬行機構(gòu)設(shè)計方案，該方案能基 本滿足我們設(shè)定的工作狀況。該機器人是模仿人的爬樹動作而設(shè)的。人

4、 爬樹時，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。該機器人的爬 行動作原 理示意如圖1所示。 2 3 4 5 ▲圖I機器人爬行動作原理"〈意圖 既然是仿生尺蟆 式蠕動，那么在本機器人的設(shè)計中，將以實現(xiàn)機器 人軀干的伸 縮為往復(fù)運動的主要動作為目標(biāo)。往復(fù)運動的實現(xiàn)有很多 種常見的機 構(gòu)有：不完全齒輪齒條雙側(cè)停歇機構(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)、圓柱 齒輪齒條 機構(gòu)、螺旋絲桿機構(gòu)等。這▲圖2機器人結(jié)構(gòu)原理圖幾種 機構(gòu)各有自己的優(yōu)缺點，曲柄連桿機構(gòu)可以很好。地協(xié)調(diào)好機器人的 整體工作。 從圖1中可以看出，機器人的爬行動作原理可分為以

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

6、凸輪向上滑過空行程，上機械手松開，即狀態(tài)4o 5）電機繼續(xù)回轉(zhuǎn)，因為下機械手夾緊、上機械手松開，所以機器人上 部在電機的提升推力作用下向上移動，當(dāng)曲柄和連桿拉直共線時，機 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 每轉(zhuǎn)動一圈，機器人整體向上爬行一次，重復(fù)狀態(tài) 廣5就可以準(zhǔn)確實現(xiàn) 機器人機械手之間的協(xié)調(diào)動作和機器人整體的蠕行爬行。通過實驗，證 明了該機器人的可用性和穩(wěn)定性。 第三章機器人爬行部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1. 工作現(xiàn)狀 變直徑桿爬行問題的提出 現(xiàn)實生活中，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、制的各種電機機械式爬行器均有一個缺陷，它們大多采用凸輪機 構(gòu)夾緊，由于凸輪機構(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，機器人機械手的夾緊采用預(yù)緊彈簧使機械手 夾緊在桿體上，采用凸輪的運動來控制夾爪的動作，避免了直接采用 凸輪夾緊機構(gòu)的不可變性。滾子只在凸輪的遠休止角處（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) 域為滾子的活動范圍，它隨著機器人爬行的桿件直徑尺寸的變化而自 適應(yīng)，這樣，機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 . 機器人主體尺寸參數(shù)的確定——機器人整體的協(xié)調(diào)動作在此 類爬行機器人的設(shè)計中，我們要注意的一個關(guān)鍵點就是機構(gòu) 的連貫協(xié) 調(diào)動作的完成，特別是機械手的協(xié)調(diào)動作、機械手和軀干（曲柄連 桿機構(gòu)）之間的協(xié)調(diào)動作。而機械手之間的協(xié)調(diào)動作又要依賴于曲柄 連桿機構(gòu)、凸輪擺桿機構(gòu)之間的協(xié)調(diào)動作。設(shè)計中還采用了S。 HdWorks軟件來進行機構(gòu)的尺寸參數(shù)的確定。特別是上移動凸輪和下 并聯(lián)盤形凸輪的設(shè)計，它們都要依靠曲柄、連桿的相對運動以及工作 范圍來確定尺寸參數(shù)，而曲柄、連桿的尺寸參數(shù)的設(shè)計依賴于它們的 運動規(guī)律和機構(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 .機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機器人的機械結(jié)構(gòu)如圖6所示。整個機體長約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）作為機架和機器人上部滑動的導(dǎo)桿，同時作為旋轉(zhuǎn)部 分的軸，結(jié)構(gòu)緊湊、零件多功能。以導(dǎo)桿為轉(zhuǎn)動軸和固定支架，其上 下分別設(shè)置有上、下機械手連接臂，兩對機械臂以導(dǎo)桿為轉(zhuǎn)動軸，其 上裝有上、下機械手。在上、下機械臂的另一端分別設(shè)置有彈簧，彈 簧的作用是使機械手產(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

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 凸輪相連。曲柄連桿機構(gòu)帶動機構(gòu)上部的移動凸輪運動，實現(xiàn)機構(gòu)的 上升和相對運動。凸輪聯(lián)動機構(gòu)由兩套凸輪擺桿機構(gòu)構(gòu)成，其中一套 由上機械臂和 移動凸輪構(gòu)成，另一套由下機械臂和并聯(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 凸輪連接起來，使整個機構(gòu)形成一個整體，上部的擺桿機構(gòu)在曲柄連 桿機構(gòu)的作用下可以沿導(dǎo)桿上下移動。在電機的驅(qū)動下，上、下部機 械臂擺動并帶動機械手依次實現(xiàn)夾緊和放松的聯(lián)動。設(shè)計中還要注意 以下2點：一是機器人的動力應(yīng)足夠；二是機器人的運行要平穩(wěn)、無 抖動。 第四章 機器人主體運動

11、建模及仿真 3 . 1運動學(xué)建模和仿真 曲柄滑塊機構(gòu)的運動規(guī)律曲柄滑塊機構(gòu) 運動原理見圖7。曲柄滑塊機構(gòu)將曲柄的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K(移動 凸輪)的往復(fù)直線運動。曲柄長r:60 mm,連桿長Z= 2 2 0 mm,電 機 轉(zhuǎn)速0 9=2 5 r/m ino取0為坐標(biāo)原點，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 )同時基于關(guān)系式1 sin 口二r s 1 n則 擺角的表達 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，整個機構(gòu)模擬運動平穩(wěn)，無抖動。 3.2力學(xué)建模和仿真——連桿受力分析電機旋轉(zhuǎn)過程中，連桿對上 連接件的力分為水平分力和豎直分力，豎直分力就是電機的提升力， 水平分力對機構(gòu)的穩(wěn)定性來講是有害的。電機旋轉(zhuǎn)過程中，電機的提 升力為：F1 =Feos (90。一 0一) c o sf 1= Fsin (

15、0+ 盧)cos /3 (11)圖1 3為電機的提升力曲線圖。圖中可以看出，當(dāng)上機械 手夾緊、下機械手放松，機器人下部向上運動時，上機械手產(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曲柄滑塊機構(gòu)運動瓊理圖 參考文獻 徐生，張立彬，楊慶華.氣動蠕動爬桿機器人【J】.機械工程師，2004 (3 ). 2趙松年.現(xiàn)代機械創(chuàng)新產(chǎn)品分析與設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版 社,20 0 0. 3王永貞，沈堅，談士力.球形壁面爬行機器人的運動學(xué)分析與仿真 [J] .機電一體化，2001(5). 4王曉光，陳明森，張青.立柱清洗機器人【P】.中國專利， 2.5