爬桿機器人課程設計書

一 設計題目：爬桿機器人為代替人高空作業(yè)，設計出爬上和爬下干裝的機器人。1.1設計目的 目前全國日益加快的現(xiàn)代化建設步伐，除了2008 年8 月在北京舉辦的奧運會、2010年將要在上海舉辦的世博會之外，隨著我國國民經(jīng)濟的飛速增長、人民生活水平日益提高，城鎮(zhèn)中隨之矗立起無數(shù)的高層城市建筑，各類集實用性與美觀性一體的市政、商業(yè)工程諸如電線桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索、廣告牌立柱等（圖1-1），它們通常530 米，有的甚至高達百米，壁面多采用油漆、電鍍、玻璃鋼結(jié)構(gòu)等，由于常年裸露在大氣之中，風沙長年累月的積累會形成灰塵層，該污染影響城市的美觀，同時空氣中混合的酸性物質(zhì)也會對這些城市建筑特別是金屬桿件造成損壞，加快它們的生銹，并縮短它們的使用壽命，需要定期進行壁面維護工作。為保持清潔，許多國際性城市如廈門、深圳、香港等地規(guī)定，每年至少清洗數(shù)次。目前傳統(tǒng)的清洗技術(shù)主要分為人工清洗（化學藥劑清洗）和高壓水槍清洗等方法。其中人工清洗是由清潔工人搭乘吊籃進行高空作業(yè)來完成，工人的工作環(huán)境惡劣，具有很大程度上的危險性，工作效率也很低，耗資巨大?；瘜W藥劑中所用的去污劑具有很強的毒副作用會對人造成潛在的危害，并易造成環(huán)境的二次污染；高壓水槍清洗耗能比較大、成本高，且對周邊環(huán)境有很大的影響。在利用高壓水進行清洗時，它的周邊不能有車輛、行人通過，且不能有過近的建筑物。其它高空作業(yè)諸如：各種桿狀城市建筑的油漆、噴涂料、檢查、維護，電力系統(tǒng)架設電纜、瓷瓶清潔等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。隨著機器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展以及人們自我安全保護意識的增強，迫切希望能用機器人代替人工進行這些高空危險作業(yè)，從而把人從危險、惡劣、繁重的勞動環(huán)境中解脫出來。1.2設計條件 攀爬對象為直徑150毫米左右的等直徑桿（學有余力的同學可以考慮攀爬對象為變截面桿，如電線桿）?？梢杂秒妱訖C，液壓站，氣壓站其中的任意一種做動力源，但要分析其應用場合和優(yōu)缺點。1.3設計任務及要求 1.3.1要求至少設計出三種能實現(xiàn)機器人爬桿運動要求的機構(gòu)，繪制所選機構(gòu)的機構(gòu)示意圖（繪制在說明書上），對其進行分析，比較其優(yōu)缺點（可靠性 經(jīng)濟性 空間尺寸等），并最終選出一個自己認為最合適的機構(gòu)進行綜合設計。 1.3.2所設計的機構(gòu)要考慮到攀爬對象的直徑略有改變時仍然能夠完成工作任務(通過調(diào)節(jié)裝置來達到要求)；還要考慮攀爬對象的直徑并不是非常精確地，攀爬對象可能是垂直的，也可能是傾斜的。 1.3.3如果以電動機為動力源，要設計減速裝置，如果用齒輪機構(gòu)進行減速，需要進行齒輪機構(gòu)的設計。 二原理分析 由模仿動物爬樹的運動原理。向上爬時，雙腳固定在樹干上，雙手向上攀爬，然后雙手固定，拉起雙腳上移。下滑時，雙手先固定，雙腳下滑，然后雙腳固定，手收回。手腳交替循環(huán)工作，實現(xiàn)身體上爬與下滑的功能。 工作原理流程圖如下所示： 上部松開，軀干靜止(最長)，下部夾緊軀干縮短，上部夾緊，下部松開下部松開，上部夾緊，軀干縮短(最短)下部夾緊，軀干靜止，上部松開經(jīng)過上述四步，在一個動作周期中向上爬一步，示意圖如圖因此，本小組設計的爬桿機器人，主要有三部分組成：上滑塊，下滑快，傳動部分。上滑塊模仿雙手工作，下滑快模仿雙腳工作，傳動部分起連接上下滑快和傳遞動力的作用。要求其中某一滑塊運動時，另一滑塊必須固定自鎖。以使機器人在爬桿上能上下自如的平穩(wěn)運動而不至于滑落。以電動機為動力源，通過連接適當?shù)臏p速裝置，滿足運動要求三各執(zhí)行機構(gòu)的可能方案3.1傳動機構(gòu)功用：主要負責將電動機輸出的動力按一定的要求傳遞到各執(zhí)行機構(gòu)上，并控制其協(xié)調(diào)工作以達到設計目的。 3.2兩種設計傳動機構(gòu) 如下圖一所示的彈簧套筒組合傳動機構(gòu)，上下套筒分別固定在上下兩個滑塊上。下套筒直徑比爬桿略大1020mm，防止爬行過程中爬桿直徑突然發(fā)生變化時，套筒與爬桿之間接觸從而產(chǎn)生摩擦，影響傳動效率。上下套筒間用彈簧連接。電動機固定在上套筒外壁，驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)動。推程運動中，凸輪對下套筒有向下的作用力，當下套筒此時剛好固定時，則反作用力推動上套筒向上運動并拉伸彈簧。回程運動中，控制上套筒固定，凸輪對下套筒的作用逐漸減弱，利用彈簧的回復作用，拉住下套筒向上運動。 圖一如下圖二所示的為曲柄滑塊傳動機構(gòu)。與一般的曲柄滑塊不同的是，此機構(gòu)的曲柄端也與滑塊相連，即有上下兩個滑塊，但是在工作過程中可以通過控制夾緊裝置，使其中某一滑塊滑動時，另一滑塊恰好固定。如此，在任意時刻，分析該機構(gòu)的運動特性時可按照一般曲柄滑塊處理。電動機固定在曲柄端連接的滑塊上，帶動曲柄順時針旋轉(zhuǎn)。推程運動中，下滑塊固定，曲柄從最下端開始運動，轉(zhuǎn)動0180過程中，推動上滑塊運動至頂端。回程運動中，控制上滑塊固定，轉(zhuǎn)動180360過程中，拉動下滑塊向上運動 圖二3.3比較分析:3.3.1彈簧套筒組合傳動機構(gòu)優(yōu)點：1利用凸輪直徑變化推動前進，過度平緩，工作較平穩(wěn)。2上下滑塊間的連接僅依靠倆大小套筒彈簧套接而成，形式簡單，結(jié)構(gòu)簡便，無彎矩及扭矩，穩(wěn)定可靠。3.主要承受載荷部位在彈簧處，長時間工作后，彈簧可能疲勞受損，彈性減弱，此時只需更換彈簧即可恢復穩(wěn)定工作，互換性好。缺點：1.依靠凸輪傳動時，受凸輪大小尺寸的限制，工作效率太低。2.只能在直桿上運動，無法在彎截面桿上工作，工作范圍有限。3.3.2曲柄滑塊傳動機構(gòu)優(yōu)點：1.屬于平面連桿機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。2.運動副為低副，能承受較大載荷3.曲柄連桿鉸接，可彎曲，能在彎曲爬桿外爬行4.只要能滿足強度和剛度要求，曲柄連桿可盡量加長，提高工作效率缺點：1.連桿與滑塊用鉸鏈連接，接觸面太小，滑塊受力不均 2.以桿傳動，桿受彎矩較大，對桿的材料要求較高，以滿足工作強度 曲柄滑塊工作示意圖 3.4夾緊裝置功用：用來在攀爬過程中讓一端夾緊爬桿，形成固定端，另一端放松，為自由端，自由伸縮。并能交替改變兩端狀態(tài)。3.4.1梯形自鎖機構(gòu)如圖三（a），為一梯形自鎖機構(gòu)。帶有自動鎖緊的夾緊裝置。上下滑塊均如圖所示安裝，梯形大邊在上。曲柄在底部轉(zhuǎn)至頂端的過程中，經(jīng)力的分析，上自鎖套受到向上的推力，自鎖套內(nèi)的兩個小球因重力掉至梯形底部，由于球的直徑小于梯形底邊長,圖三（a）小球與爬桿間無擠壓，它將無阻礙的被連桿往上頂起；與此同時，下自鎖套受的卻是向下的推力，與上面的相反，其具有向下運動的趨勢，內(nèi)部的小球脫離自鎖套的底部，因小球直徑大于梯形上邊長，那么小球就被卡在了梯形空間中，此時由于小球被固定而使整個自鎖套看作是一個機架鉸接曲柄；曲柄由頂端向低底端轉(zhuǎn)動時，上下滑塊受力情況恰與第一種情況相反，上自鎖套因受力自鎖而被固定，曲柄連桿拉動下自鎖套向上運動，在曲柄過最低端時又循環(huán)到第一種情況。如此上下滑塊周而復始交替上爬。 圖三（b）圖三（a）為上自鎖機構(gòu)，即只能實現(xiàn)單向上爬運動。為了解決機器人下爬的問題，可采用十字自鎖套機構(gòu)，即兩個自鎖套交叉垂直合并在一起，如圖三（b）所示，其中之一梯形大邊在上,如圖三（a）所示 ，另一個恰好相反，梯形大邊在下為下自鎖機構(gòu)，工作原理與上自鎖剛好相反，上升時不工作，下滑時工作。上爬時，通過繼電器使其中一對工作另一對暫時停止工作，下爬時，通過繼電器使兩對自鎖套工作狀態(tài)調(diào)換，實現(xiàn)下爬加緊運動。3.4.2機械爪子夾緊裝置如圖四，該裝置為擺桿變形機構(gòu)。通過外部受力拉動拉桿1，使得擺桿2和3向內(nèi)擺動時，拉動擺桿4和5擺動，帶動兩滾輪擠壓爬桿，實現(xiàn)加緊作用。外力撤去或減小時，通過套筒中彈簧的回復作用使桿件1復位，兩滾輪松開，實現(xiàn)放松的功能。滾輪8固定在箱體上，夾緊時，與4,5擺桿上滾輪一起實現(xiàn)三點定位。滾輪7固定在箱蓋上，與8之間距離可調(diào)基本尺寸為155毫米，其作用是放松時與滾輪8一起，前后頂住爬桿，防止裝置側(cè)翻，保證爬行時穩(wěn)定可靠。10963274851 圖四注釋：1.拉桿2，3，4，5.驅(qū)動搖桿6,9加緊滾輪7,8定位滾輪10，彈簧 3.4.3雙凸輪夾緊裝置如圖五，為雙凸輪夾緊裝置。上下滑塊內(nèi)各裝有一個凸輪，該凸輪由兩段直徑不同的圓弧和連接此兩段圓弧的過度圓弧構(gòu)成，當凸輪轉(zhuǎn)到大圓弧與爬桿相接觸時，頂緊爬桿固定，當轉(zhuǎn)到小圓弧與爬桿接觸時，凸輪與爬桿間形成間隙，起到放松的作用。通過電動機與齒輪組合裝置，如圖五（c）所示，驅(qū)動上下兩個 圖五（a） 圖五（b）俯視圖凸輪轉(zhuǎn)動，同時控制其中一個凸輪大徑與爬桿接觸時，另一個剛好小徑與凸輪接觸。實現(xiàn)一放松一夾緊的工作環(huán)境，兩凸輪由同一個電動機帶動，依靠齒輪傳遞動力。 圖五（c）3.5綜合分析表1 方案優(yōu)缺點對比優(yōu)點缺點梯形自鎖機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單實現(xiàn)自動鎖緊體積小單對不能實現(xiàn)往復運動成雙對使用控制繁瑣使用繼電器設計較為復雜且夾緊不可靠機械爪子夾緊裝置 可適應不同直徑的爬桿結(jié)構(gòu)較為簡單不能自動鎖緊，要加外控鎖緊裝置雙凸輪夾緊裝置原理簡單運動和夾緊可通過一個機構(gòu)實現(xiàn)兩個凸輪難以保證其轉(zhuǎn)速相同不易調(diào)節(jié)尺寸爬桿適用受限。四 運動方案分析方案一： 傳動機構(gòu)二與自鎖機構(gòu)二組合應用工作原理：自鎖爪夾緊和曲柄搖桿機構(gòu)的傳動實現(xiàn)爬行。優(yōu)點：1.屬于平面連桿機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。2.運動副為低副，能承受較大載荷3.曲柄連桿鉸接，可彎曲，能在彎曲爬桿外爬行4.只要能滿足強度和剛度要求，曲柄連桿可盡量加長，提高工作效率5. 可適應不同直徑的爬桿結(jié)構(gòu)較為簡單缺點：1.連桿與滑塊用鉸鏈連接，接觸面太小，滑塊受力不均2.以桿傳動，桿受彎矩較大，對桿的材料要求較高，以滿足工作強度3. 不能自動鎖緊，要加外控鎖緊裝置方案二：傳動機構(gòu)二與自鎖機構(gòu)三的組合。工作原理：雙凸輪夾緊和曲柄搖桿機構(gòu)的傳動實現(xiàn)爬行。優(yōu)點：1.屬于平面連桿機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。2.運動副為低副，能承受較大載荷3.曲柄連桿鉸接，可彎曲，能在彎曲爬桿外爬行4.只要能滿足強度和剛度要求，曲柄連桿可盡量加長，提高工作效率5. 原理簡單運動和夾緊可通過一個機構(gòu)實現(xiàn)缺點：1.連桿與滑塊用鉸鏈連接，接觸面太小，滑塊受力不均2.以桿傳動，桿受彎矩較大，對桿的材料要求較高，以滿足工作強度 3. 兩個凸輪難以保證其轉(zhuǎn)速相同不易調(diào)節(jié)尺寸爬桿適用受限方案三：傳動機構(gòu)一和自鎖機構(gòu)一的組合。工作原理：梯形自鎖機構(gòu)的自鎖與彈簧套筒機構(gòu)的傳動實現(xiàn)爬行。優(yōu)點：1利用凸輪直徑變化推動前進，過度平緩，工作較平穩(wěn)。2上下滑塊間的連接僅依靠倆大小套筒彈簧套接而成，形式簡單，結(jié)構(gòu)簡便，無彎矩及扭矩，穩(wěn)定可靠。3.主要承受載荷部位在彈簧處，長時間工作后，彈簧可能疲勞受損，彈性減弱，此時只需更換彈簧即可恢復穩(wěn)定工作，互換性好4. 結(jié)構(gòu)簡單實現(xiàn)自動鎖緊體積小。缺點：1.依靠凸輪傳動時，受凸輪大小尺寸的限制，工作效率太低。2.只能在直桿上運動，無法在彎截面桿上工作，工作范圍有限3.單對不能實現(xiàn)往復運動成雙對使用控制繁瑣使用繼電器設計較為復雜且夾緊不可靠綜上所述,本小組經(jīng)過討論后最終決定：選最優(yōu)方案為方案一，機構(gòu)簡單，滿足工藝制造要求；推程大，工作效率高；夾緊牢固可靠，安全穩(wěn)定。五 動力系統(tǒng)方案研究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)境和應用場合，按照具體的要求來選擇最適合的動力系統(tǒng)，可以達到預定的目標。表3-1 為不同的驅(qū)動方式的性能對照表。5.1氣壓驅(qū)動使用壓力通常在 0.40.6Mpa，最高可達1Mpa。氣壓驅(qū)動的優(yōu)點是響應速度快，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便；缺點是功率質(zhì)量比小，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，這一點不符合本爬行機器人的工作空間的要求，不適合在本系統(tǒng)中使用5.2液壓驅(qū)動系統(tǒng)用 215Mpa 的油液驅(qū)動影響工作穩(wěn)定性和定位精度，但由于有漏油的問題，也不適合在本系統(tǒng)中使用。5.3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，響應快，使用方便，信號監(jiān)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)動己經(jīng)成24為最普遍，應用最多的驅(qū)動方式，符合本系統(tǒng)要求。所以選擇電氣驅(qū)動的方案。由于設計機構(gòu)不適合用于高速運動場合，故查資料得，出產(chǎn)電動機最低轉(zhuǎn)速為56rmin。用齒輪機構(gòu)進行減速，設計減速裝置如下圖所示1432電動機一級減速：i2i1=4二級減速：i3i4=7.5最終電動機輸出工作轉(zhuǎn)速為10 rmin，足以滿足工作要求。六 運動循環(huán)圖以曲柄處最下端為初始位置，順時針旋轉(zhuǎn)曲柄轉(zhuǎn)角（度） 0 90 180 270 360自鎖機構(gòu)上爪松開下爪夾緊上爪夾緊下爪松開 上滑塊上移固定下滑快固定上移電動機反轉(zhuǎn)，逆時針旋轉(zhuǎn)。即可實現(xiàn)控制機器人穩(wěn)定下滑曲柄轉(zhuǎn)角（度） 0 90 180 270 360自鎖機構(gòu)上爪夾緊下爪松開上爪松開下爪夾緊上滑塊固定下移下滑快下移固定七 設計計算分析7.1執(zhí)行系統(tǒng)運動簡圖：7.2設計計算與評價7.2.1自由度F的計算 自由度，即使機構(gòu)具有確定運動所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。在平面機構(gòu)中，在未用運動副玉其他機構(gòu)連接之前，每個構(gòu)件都有三個自由度，但每個低副的引入兩個約束，使機構(gòu)失去兩個自由度；每個高副的引入一個約束，是機構(gòu)失去一個自由度，保留兩個自由度。故計算自由度的公式為F=3n-2p1-ph而由機構(gòu)簡圖我們可以知道，活動構(gòu)件n=3，低副p1=4，高副ph=0.因此該執(zhí)行系統(tǒng)的自由度F=3n-2p1-ph=3*3-2*4-0=17.2.2機構(gòu)運動的確定 在機構(gòu)中，按照獨立的運動參數(shù)給定的運動規(guī)律運動的構(gòu)件稱為原動件，一般而言，動該等于機構(gòu)的自由度數(shù)目。這就是機構(gòu)具有確定運動的條件。由自由度的自己我們可知，F(xiàn)=1.如圖當只有曲柄作為原動件（等速轉(zhuǎn)動）時，機構(gòu)有確定的運動，即實現(xiàn)本機構(gòu)向上和向下的爬行，完成機器人爬桿的動作。7.2.3行程速度系數(shù) 本設計曲柄滑塊機構(gòu)偏心距為0.故不存在急回特性，能保證推程時與回程時上下滑塊均能平穩(wěn)傳動，穩(wěn)定運動。 7.2.4死點位置由于執(zhí)行系統(tǒng)采用的是曲柄作為原動件，故不會出現(xiàn)“頂死”現(xiàn)象，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，能較好的實現(xiàn)機器人的爬桿行為八 個人小結(jié)經(jīng)過一周的奮戰(zhàn)我們的課程設計終于完成了，在這次課程設計中我學到得不僅是專業(yè)的知識，還有的是如何進行團隊的合作，因為任何一個作品都不可能由單獨某一個人來完成，它必然是團隊成員的細致分工完成某一小部分，然后在將所有的部分緊密的結(jié)合起來，并認真調(diào)試它們之間的運動關系之后形成一個完美的作品。這次課程設計，由于理論知識的不足，再加上平時沒有什么設計經(jīng)驗，一開始的時候有些手忙腳亂，不知從何入手。在設計過程中，我通過查閱大量有關資料，與同學交流經(jīng)驗和自學，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設計中我懂得了許多東西，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設計做的可能不太好，但是在設計過程中所學到的東西是這次課程設計的最大收獲和財富，使我終身受益。九 參考資料【1】彭文生 機械設計 高等教育出版社 2008年11月【2】王三民 機械原理與設計課程設計 機械工業(yè)出版社 2005年1月【3】唐增寶 機械設計課程設計 華中科技大學出版社 2006年9月【4】孫桓 機械原理 高等教育出版社 2006年12月