一 設(shè)計題目：爬桿機(jī)器人為代替人高空作業(yè)，設(shè)計出爬上和爬下干裝的機(jī)器人。1.1設(shè)計目的 目前全國日益加快的現(xiàn)代化建設(shè)步伐，除了2008 年8 月在北京舉辦的奧運(yùn)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(jì)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(dá)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(fēng)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(jìn)行壁面維護(hù)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(xué)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(jìn)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(xué)藥劑中所用的去污劑具有很強(qiáng)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(jìn)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(hù)，電力系統(tǒng)架設(shè)電纜、瓷瓶清潔等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(qiáng)度大、耗能高、二次污染嚴(yán)重等問題。隨著機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展以及人們自我安全保護(hù)意識的增強(qiáng)，迫切希望能用機(jī)器人代替人工進(jìn)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(shè)計條件 攀爬對象為直徑150毫米左右的等直徑桿（學(xué)有余力的同學(xué)可以考慮攀爬對象為變截面桿，如電線桿）。可以用電動機(jī)，液壓站，氣壓站其中的任意一種做動力源，但要分析其應(yīng)用場合和優(yōu)缺點(diǎn)。1.3設(shè)計任務(wù)及要求 1.3.1要求至少設(shè)計出三種能實現(xiàn)機(jī)器人爬桿運(yùn)動要求的機(jī)構(gòu)，繪制所選機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)示意圖（繪制在說明書上），對其進(jìn)行分析，比較其優(yōu)缺點(diǎn)（可靠性 經(jīng)濟(jì)性 空間尺寸等），并最終選出一個自己認(rèn)為最合適的機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合設(shè)計。 1.3.2所設(shè)計的機(jī)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(wù)(通過調(diào)節(jié)裝置來達(dá)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(jī)為動力源，要設(shè)計減速裝置，如果用齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速，需要進(jìn)行齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計。 二原理分析 由模仿動物爬樹的運(yùn)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(shè)計的爬桿機(jī)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(yùn)動時，另一滑塊必須固定自鎖。以使機(jī)器人在爬桿上能上下自如的平穩(wěn)運(yùn)動而不至于滑落。以電動機(jī)為動力源，通過連接適當(dāng)?shù)臏p速裝置，滿足運(yùn)動要求三各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可能方案3.1傳動機(jī)構(gòu)功用：主要負(fù)責(zé)將電動機(jī)輸出的動力按一定的要求傳遞到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，并控制其協(xié)調(diào)工作以達(dá)到設(shè)計目的。 3.2兩種設(shè)計傳動機(jī)構(gòu) 如下圖一所示的彈簧套筒組合傳動機(jī)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(jī)固定在上套筒外壁，驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)動。推程運(yùn)動中，凸輪對下套筒有向下的作用力，當(dāng)下套筒此時剛好固定時，則反作用力推動上套筒向上運(yùn)動并拉伸彈簧?；爻踢\(yùn)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(fù)作用，拉住下套筒向上運(yùn)動。 圖一如下圖二所示的為曲柄滑塊傳動機(jī)構(gòu)。與一般的曲柄滑塊不同的是，此機(jī)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性時可按照一般曲柄滑塊處理。電動機(jī)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(yùn)動中，下滑塊固定，曲柄從最下端開始運(yùn)動，轉(zhuǎn)動0180過程中，推動上滑塊運(yùn)動至頂端?；爻踢\(yùn)動中，控制上滑塊固定，轉(zhuǎn)動180360過程中，拉動下滑塊向上運(yùn)動 圖二3.3比較分析:3.3.1彈簧套筒組合傳動機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：1利用凸輪直徑變化推動前進(jìn)，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(fù)穩(wěn)定工作，互換性好。缺點(diǎn)：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(yùn)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(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：1.屬于平面連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。2.運(yùn)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(qiáng)度和剛度要求，曲柄連桿可盡量加長，提高工作效率缺點(diǎn)：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(qiáng)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(jī)構(gòu)如圖三（a），為一梯形自鎖機(jī)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(yùn)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(jī)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(yùn)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(fù)始交替上爬。 圖三（b）圖三（a）為上自鎖機(jī)構(gòu)，即只能實現(xiàn)單向上爬運(yùn)動。為了解決機(jī)器人下爬的問題，可采用十字自鎖套機(jī)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(jī)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(yùn)動。3.4.2機(jī)械爪子夾緊裝置如圖四，該裝置為擺桿變形機(jī)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(fù)作用使桿件1復(fù)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(diǎn)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(dāng)凸輪轉(zhuǎn)到大圓弧與爬桿相接觸時，頂緊爬桿固定，當(dāng)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(jī)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(jī)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(diǎn)對比優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)梯形自鎖機(jī)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(fù)運(yùn)動成雙對使用控制繁瑣使用繼電器設(shè)計較為復(fù)雜且夾緊不可靠機(jī)械爪子夾緊裝置 可適應(yīng)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(yùn)動和夾緊可通過一個機(jī)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(yùn)動方案分析方案一： 傳動機(jī)構(gòu)二與自鎖機(jī)構(gòu)二組合應(yīng)用工作原理：自鎖爪夾緊和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的傳動實現(xiàn)爬行。優(yōu)點(diǎn)：1.屬于平面連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。2.運(yùn)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(qiáng)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(yīng)不同直徑的爬桿結(jié)構(gòu)較為簡單缺點(diǎn)：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(qiáng)度3. 不能自動鎖緊，要加外控鎖緊裝置方案二：傳動機(jī)構(gòu)二與自鎖機(jī)構(gòu)三的組合。工作原理：雙凸輪夾緊和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的傳動實現(xiàn)爬行。優(yōu)點(diǎn)：1.屬于平面連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。2.運(yùn)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(qiáng)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(yùn)動和夾緊可通過一個機(jī)構(gòu)實現(xiàn)缺點(diǎn)：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(qiáng)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(jī)構(gòu)一和自鎖機(jī)構(gòu)一的組合。工作原理：梯形自鎖機(jī)構(gòu)的自鎖與彈簧套筒機(jī)構(gòu)的傳動實現(xiàn)爬行。優(yōu)點(diǎn)：1利用凸輪直徑變化推動前進(jìn)，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(fù)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(diǎn)：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(yùn)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(fù)運(yùn)動成雙對使用控制繁瑣使用繼電器設(shè)計較為復(fù)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(jī)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(jī)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(diǎn)，根據(jù)不同的工作環(huán)境和應(yīng)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(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。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(dá)1Mpa。氣壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便；缺點(diǎn)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(jī)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(diǎn)不符合本爬行機(jī)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(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動負(fù)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(jī)器人運(yùn)動。由于電氣驅(qū)動具有易于控制，運(yùn)動精度高，響應(yīng)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(diǎn)，電氣驅(qū)動己經(jīng)成24為最普遍，應(yīng)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(shè)計機(jī)構(gòu)不適合用于高速運(yùn)動場合，故查資料得，出產(chǎn)電動機(jī)最低轉(zhuǎn)速為56rmin。用齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速，設(shè)計減速裝置如下圖所示1432電動機(jī)一級減速：i2i1=4二級減速：i3i4=7.5最終電動機(jī)輸出工作轉(zhuǎn)速為10 rmin，足以滿足工作要求。六 運(yùn)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(jī)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(jī)反轉(zhuǎn)，逆時針旋轉(zhuǎn)。即可實現(xiàn)控制機(jī)器人穩(wěn)定下滑曲柄轉(zhuǎn)角（度） 0 90 180 270 360自鎖機(jī)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(shè)計計算分析7.1執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)動簡圖：7.2設(shè)計計算與評價7.2.1自由度F的計算 自由度，即使機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目。在平面機(jī)構(gòu)中，在未用運(yùn)動副玉其他機(jī)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(jī)構(gòu)失去兩個自由度；每個高副的引入一個約束，是機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)運(yùn)動的確定 在機(jī)構(gòu)中，按照獨(dú)立的運(yùn)動參數(shù)給定的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動的構(gòu)件稱為原動件，一般而言，動該等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目。這就是機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件。由自由度的自己我們可知，F(xiàn)=1.如圖當(dāng)只有曲柄作為原動件（等速轉(zhuǎn)動）時，機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動，即實現(xiàn)本機(jī)構(gòu)向上和向下的爬行，完成機(jī)器人爬桿的動作。7.2.3行程速度系數(shù) 本設(shè)計曲柄滑塊機(jī)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(yùn)動。 7.2.4死點(diǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，能較好的實現(xiàn)機(jī)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(shè)計終于完成了，在這次課程設(shè)計中我學(xué)到得不僅是專業(yè)的知識，還有的是如何進(jìn)行團(tuán)隊的合作，因為任何一個作品都不可能由單獨(dú)某一個人來完成，它必然是團(tuán)隊成員的細(xì)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(rèn)真調(diào)試它們之間的運(yùn)動關(guān)系之后形成一個完美的作品。這次課程設(shè)計，由于理論知識的不足，再加上平時沒有什么設(shè)計經(jīng)驗，一開始的時候有些手忙腳亂，不知從何入手。在設(shè)計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)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(shè)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(xué)習(xí)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(shè)計做的可能不太好，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)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(jī)械設(shè)計 高等教育出版社 2008年11月【2】王三民 機(jī)械原理與設(shè)計課程設(shè)計 機(jī)械工業(yè)出版社 2005年1月【3】唐增寶 機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計 華中科技大學(xué)出版社 2006年9月【4】孫桓 機(jī)械原理 高等教育出版社 2006年12月