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1、爬桿機器人說明 書作者：日期:機械創(chuàng)新設計說明 書設計名稱：爬桿機器人的設計設計人: 姜鴻學號:110611010班級：11機 制本一班井岡山大學機電學院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 要氣源和氣動控制系統(tǒng)，能量損耗大，并且一般伴有較
2、大的噪聲。因 為連接了大量的支持設備，氣動蠕行爬行器的體積和 活動范圍都受到 限制，而且設備成本較高。第二章 運動原理一仿生設計在設計移動機器 人系統(tǒng)時，首先應考慮機器人的用途，因為不同的用途，移動機器人 的移動機構是不同的。 J 1還應考慮機 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，轉容易。接觸面積小，越障能力差，打滑。履帶式接觸面積大，承載能力強，移履帶磨損大，結構復雜機動動速度快。性
3、差。磁吸式承載能力大，具有很強的適應 能力。越障能力差應，運動用范圍窄。蠕動式承載能力大，運動平穩(wěn)，控 制簡便，適應能力強。運動速度慢，結構復雜。我們所要設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，適應能力強， 能越障礙物。通過比較各種方案，筆者設計了一種尺蟾式蠕動爬行結 構形式,這是一種新穎的變直徑桿仿生爬行機構設計方案，該方案能基 本滿足我們設定的工作狀況。該機器人是模仿人的爬樹動作而設的。人 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
4、示。2345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計中，將以實現(xiàn)機器人軀干的伸 縮為往復運動的主要動作為目標。往復運動的實現(xiàn)有很多種常見的機 構有：不完全齒輪齒條雙側停歇機構、曲柄連桿機構、圓柱 齒輪齒條 機構、螺旋絲桿機構等。這圖2機器人結構原理圖幾種 機構各有自己的優(yōu)缺點，曲柄連桿機構可以很好。地協(xié)調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下5f :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，驅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
5、凸 輪向下移動，推動上機械臂擺動，當下并聯(lián)盤形凸輪轉過升程角時， 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，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，當下并聯(lián)盤形凸輪轉過回程角時，下機械手夾緊； 與此同時上移動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，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
6、出，減速電機 每轉動一圈，機器人整體向上爬行一次，重復狀態(tài) 廣5就可以準確實現(xiàn) 機器人機械手之間的協(xié)調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構設計1. 工作現(xiàn)狀變直徑桿爬行問題的提出現(xiàn)實生活中，由于結構和力學上的要求，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 外研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 構夾緊，由于凸輪機構的不可伸縮性，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
7、械手的夾緊采用預緊彈簧使機械手 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，這樣，機器人就可以依靠彈簧的預緊力爬行一定尺寸范圍內的 變直徑桿圖53 .機器人主體尺寸參數(shù)的確定機器人整體的協(xié)調動作在此 類爬行機器人的設計中，我們要注意的一個關鍵點就是機構 的連貫協(xié) 調動作的完成，特別是機械手的協(xié)調動作、機械手和軀干（曲柄連 桿機構）之間的協(xié)調動作。而機械手之間的協(xié)調動作又要依賴于曲柄 連桿機
8、構、凸輪擺桿機構之間的協(xié)調動作。設計中還采用了S。HdWorks軟件來進行機構的尺寸參數(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)的設計依賴于它們的 運動規(guī)律和機構整體的尺寸。從圖1、圖5中可以看出曲柄、連桿的 尺寸和上移動凸輪、下并聯(lián)盤形凸輪尺寸之間有著緊密的聯(lián)系。4 .機器人的結構設計機器人的機械結構如圖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 kg ）。爬行部分主體結構為2根長為4 00 mm的鋁合金管（可以用 硬塑料管代替
9、）作為機架和機器人上部滑動的導桿，同時作為旋轉部 分的軸，結構緊湊、零件多功能。以導桿為轉動軸和固定支架，其上 下分別設置有上、下機械手連接臂，兩對機械臂以導桿為轉動軸，其 上裝有上、下機械手。在上、下機械臂的另一端分別設置有彈簧，彈 簧的作用是使機械手產生足夠的摩擦力抱緊立柱。在導桿的下部設置有 電機，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。曲柄連桿機構帶動機構上部的移動凸輪運動，實現(xiàn)機構的 上升和相對運動。凸輪聯(lián)動機構由兩套凸輪擺桿機構構成，其中一套 由上機械臂和 移動凸輪構成，另一套由下機械臂和并聯(lián)盤形凸輪構成， 它們分別裝在導桿的上、下部。通過曲柄、連桿將并聯(lián)
10、盤形凸輪、移動 凸輪連接起來，使整個機構形成一個整體，上部的擺桿機構在曲柄連 桿機構的作用下可以沿導桿上下移動。在電機的驅動下，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。設計中還要注意 以下2點：一是機器人的動力應足夠；二是機器人的運行要平穩(wěn)、無 抖動。第四章 機器人主體運動建模及仿真3 . 1運動學建模和仿真曲柄滑塊機構的運動規(guī)律曲柄滑塊機構運動原理見圖7。曲柄滑塊機構將曲柄的回轉運動轉變?yōu)榛瑝K(移動 凸輪)的往復直線運動。曲柄長r:60 mm,連桿長Z= 2 2 0 mm,電 機轉速0 9=2 5 r/m ino取0為坐標原點，P在 軸上的坐標為，用 表示 滑塊的位移。利用
11、三角關系得: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 n1+rcos 0 /4 r 2s i n0 ( 2 )a=(dv / dt) = (dv/dO) =COS 0 + r ( / % o s 2 0+r 2 s in4 )(一 r2s i n )( 3 )同時基于關系式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 d/dt 二
12、一 s i n (一 r2)/(一產 s in。) ,2 (5)式(3 )、(5)比較復雜，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= r co s 0+Z (1 ( / 2 Z ) si n 0 (6)從 而有響應的近似速度 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
13、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相應近 似角速度dfl/ 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，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，整個機構模擬運動平穩(wěn)，無抖動。3.2力學建模和仿真連桿受力分析電機旋轉過程中，連桿對上 連接件的力分為水平分力和豎
14、直分力，豎直分力就是電機的提升力， 水平分力對機構的穩(wěn)定性來講是有害的。電機旋轉過程中，電機的提 升力為：F1 =Feos (90。一 0一) c o sf 1= Fsin (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，上機械手產生的提升 力為左邊(圖 上顯示為0l. 2 5s)的曲線，下部設計重量為5 0 N,即曲柄轉過17. 530。1M 0-100300-500圖7曲柄滑塊機構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)新產品分析與設計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
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