爬桿機(jī)器人說(shuō)明 書(shū)作者：日期:機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)說(shuō)明 書(shū)設(shè)計(jì)名稱(chēng)：爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)人: 姜鴻學(xué)號(hào):110611010班級(jí)：11機(jī) 制本一班井岡山大學(xué)機(jī)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(jī)器人的研究報(bào)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(hù)、電力系統(tǒng)架設(shè)電纜、瓷瓶清潔等。 目前的清洗、維護(hù)工作主要由人工和大型設(shè)備來(lái)完成，但它們都集中表 現(xiàn)出效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗能高、二次污染嚴(yán)重等問(wèn)題。市場(chǎng)上少量 使用的氣動(dòng)蠕行式爬行器，其上升和下降運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)由氣壓控制，需 要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(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(dòng)蠕行爬行器的體積和 活動(dòng)范圍都受到 限制，而且設(shè)備成本較高。第二章 運(yùn)動(dòng)原理一仿生設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器 人系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)考慮機(jī)器人的用途，因?yàn)椴煌挠猛?，移?dòng)機(jī)器人 的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是不同的。 J' 1還應(yīng)考慮機(jī) 器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費(fèi)用等。作 為桿件爬行機(jī)器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案，有很多種移動(dòng)方式可供選 擇。各種移動(dòng)方案的比較見(jiàn)表1所示。表1爬行機(jī)器人移動(dòng)方案的比較移動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)輪式運(yùn)動(dòng)速度快，控制方便，轉(zhuǎn)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(qiáng)，移履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜機(jī)動(dòng)動(dòng)速度快。性差。磁吸式承載能力大，具有很強(qiáng)的適應(yīng) 能力。越障能力差應(yīng)，運(yùn)動(dòng)用范圍窄。蠕動(dòng)式承載能力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，控 制簡(jiǎn)便，適應(yīng)能力強(qiáng)。運(yùn)動(dòng)速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。我們所要設(shè)計(jì)的這種爬行機(jī)器人，它的工作對(duì)象為各種型號(hào)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(qiáng)， 能越障礙物。通過(guò)比較各種方案，筆者設(shè)計(jì)了一種尺蟾式蠕動(dòng)爬行結(jié) 構(gòu)形式,這是一種新穎的變直徑桿仿生爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案能基 本滿(mǎn)足我們?cè)O(shè)定的工作狀況。該機(jī)器人是模仿人的爬樹(shù)動(dòng)作而設(shè)的。人 爬樹(shù)時(shí)，兩腳夾緊樹(shù)桿，兩腿一蹬，兩手抱住樹(shù)桿，人向上移然后兩 手抱緊樹(shù)桿，收腿提腳上移，一步步向上爬行。該機(jī)器人的爬 行動(dòng)作原 理示意如圖1所示。2345圖I機(jī)器人爬行動(dòng)作原理"意圖既然是仿生尺蟆 式蠕動(dòng)，那么在本機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，將以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軀干的伸 縮為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)幼鳛槟繕?biāo)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)有很多種常見(jiàn)的機(jī) 構(gòu)有：不完全齒輪齒條雙側(cè)停歇機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、圓柱 齒輪齒條 機(jī)構(gòu)、螺旋絲桿機(jī)構(gòu)等。這圖2機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理圖幾種 機(jī)構(gòu)各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以很好。地協(xié)調(diào)好機(jī)器人的整體工作。從圖1中可以看出，機(jī)器人的爬行動(dòng)作原理可分為以下5f :1）在初始狀態(tài)1時(shí)，下機(jī)械手夾緊、上機(jī)械手松開(kāi)（見(jiàn)圖2所示）2 ）電機(jī)回轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)曲柄及和曲柄固接在一起的下并聯(lián)盤(pán)形凸輪順時(shí) 針 轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)下機(jī)械臂擺動(dòng)，與此同時(shí)帶動(dòng)和連桿固接在一起的上移動(dòng)凸 輪向下移動(dòng)，推動(dòng)上機(jī)械臂擺動(dòng)，當(dāng)下并聯(lián)盤(pán)形凸輪轉(zhuǎn)過(guò)升程角時(shí)， 下機(jī)械手松開(kāi)；與此同時(shí)上移動(dòng)凸輪向下移動(dòng)過(guò)空行程，上機(jī)械手抓 緊，即狀態(tài)2。3）電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，此時(shí)上機(jī)械手夾緊、下機(jī)械手松開(kāi)，機(jī)器人下部在 電機(jī)的提升拉力作用下向上移動(dòng)，當(dāng)曲柄和連桿重疊共線時(shí)，機(jī)器人 下部被提升到極限位置，即狀態(tài)3。4）電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，當(dāng)下并聯(lián)盤(pán)形凸輪轉(zhuǎn)過(guò)回程角時(shí)，下機(jī)械手夾緊； 與此同時(shí)上移動(dòng)凸輪向上滑過(guò)空行程，上機(jī)械手松開(kāi)，即狀態(tài)4o 5）電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，因?yàn)橄聶C(jī)械手夾緊、上機(jī)械手松開(kāi)，所以機(jī)器人上 部在電機(jī)的提升推力作用下向上移動(dòng)，當(dāng)曲柄和連桿拉直共線時(shí)，機(jī) 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(jī) 每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，機(jī)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(shí)現(xiàn) 機(jī)器人機(jī)械手之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作和機(jī)器人整體的蠕行爬行。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證 明了該機(jī)器人的可用性和穩(wěn)定性。第三章機(jī)器人爬行部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. 工作現(xiàn)狀變直徑桿爬行問(wèn)題的提出現(xiàn)實(shí)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(guó)內(nèi) 外研制的各種電機(jī)機(jī)械式爬行器均有一個(gè)缺陷，它們大多采用凸輪機(jī) 構(gòu)夾緊，由于凸輪機(jī)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(dòng)爬行器來(lái)解決。2.工作 原理變直徑桿爬行問(wèn)題的解決如圖2和圖6所示，機(jī)器人機(jī)械手的夾緊采用預(yù)緊彈簧使機(jī)械手 夾緊在桿體上，采用凸輪的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制夾爪的動(dòng)作，避免了直接采用 凸輪夾緊機(jī)構(gòu)的不可變性。滾子只在凸輪的遠(yuǎn)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?yàn)闈L子的活動(dòng)范圍，它隨著機(jī)器人爬行的桿件直徑尺寸的變化而自適應(yīng)，這樣，機(jī)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 變直徑桿圖53 .機(jī)器人主體尺寸參數(shù)的確定機(jī)器人整體的協(xié)調(diào)動(dòng)作在此 類(lèi)爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，我們要注意的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是機(jī)構(gòu) 的連貫協(xié) 調(diào)動(dòng)作的完成，特別是機(jī)械手的協(xié)調(diào)動(dòng)作、機(jī)械手和軀干（曲柄連 桿機(jī)構(gòu)）之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作。而機(jī)械手之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作又要依賴(lài)于曲柄 連桿機(jī)構(gòu)、凸輪擺桿機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作。設(shè)計(jì)中還采用了S。HdWorks軟件來(lái)進(jìn)行機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)的確定。特別是上移動(dòng)凸輪和下并聯(lián)盤(pán)形凸輪的設(shè)計(jì)，它們都要依靠曲柄、連桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及工作范圍來(lái)確定尺寸參數(shù)，而曲柄、連桿的尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)依賴(lài)于它們的 運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)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(dòng)凸輪、下并聯(lián)盤(pán)形凸輪尺寸之間有著緊密的聯(lián)系。4 .機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖6所示。整個(gè)機(jī)體長(zhǎng)約2 5 0 nlm寬，約1 50 mm,高約4 0 0 mm,總重不超過(guò)5 k g （包括電機(jī)重3 kg ）。爬行部分主體結(jié)構(gòu)為2根長(zhǎng)為4 00 mm的鋁合金管（可以用 硬塑料管代替）作為機(jī)架和機(jī)器人上部滑動(dòng)的導(dǎo)桿，同時(shí)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(dòng)軸和固定支架，其上 下分別設(shè)置有上、下機(jī)械手連接臂，兩對(duì)機(jī)械臂以導(dǎo)桿為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其 上裝有上、下機(jī)械手。在上、下機(jī)械臂的另一端分別設(shè)置有彈簧，彈 簧的作用是使機(jī)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(jī)，其輸出軸上安裝有并聯(lián)盤(pán)形凸輪和曲柄。曲柄通過(guò)連桿與移動(dòng) 凸輪相連。曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)上部的移動(dòng)凸輪運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的 上升和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。凸輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩套凸輪擺桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其中一套 由上機(jī)械臂和 移動(dòng)凸輪構(gòu)成，另一套由下機(jī)械臂和并聯(lián)盤(pán)形凸輪構(gòu)成， 它們分別裝在導(dǎo)桿的上、下部。通過(guò)曲柄、連桿將并聯(lián)盤(pán)形凸輪、移動(dòng) 凸輪連接起來(lái)，使整個(gè)機(jī)構(gòu)形成一個(gè)整體，上部的擺桿機(jī)構(gòu)在曲柄連 桿機(jī)構(gòu)的作用下可以沿導(dǎo)桿上下移動(dòng)。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，上、下部機(jī) 械臂擺動(dòng)并帶動(dòng)機(jī)械手依次實(shí)現(xiàn)夾緊和放松的聯(lián)動(dòng)。設(shè)計(jì)中還要注意 以下2點(diǎn)：一是機(jī)器人的動(dòng)力應(yīng)足夠；二是機(jī)器人的運(yùn)行要平穩(wěn)、無(wú) 抖動(dòng)。第四章 機(jī)器人主體運(yùn)動(dòng)建模及仿真3 . 1運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和仿真曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理見(jiàn)圖7。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K(移動(dòng) 凸輪)的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。曲柄長(zhǎng)r:60 mm,連桿長(zhǎng)Z= 2 2 0 mm,電 機(jī)轉(zhuǎn)速0 9=2 5 r/m ino取0為坐標(biāo)原點(diǎn)，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 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(shí)基于關(guān)系式1 sin 口二r s 1 n則擺角的表達(dá) 式口二arc si n (r / Z) s i nO (4)對(duì)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= 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(duì)擺 角口可以利用事級(jí)數(shù)展開(kāi)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(gè)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(wú)拐點(diǎn)，整個(gè)機(jī)構(gòu)模擬運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)抖動(dòng)。3.2力學(xué)建模和仿真連桿受力分析電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，連桿對(duì)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(jī)的提升力， 水平分力對(duì)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性來(lái)講是有害的。電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，電機(jī)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(jī)的提升力曲線圖。圖中可以看出，當(dāng)上機(jī)械 手夾緊、下機(jī)械手放松，機(jī)器人下部向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，上機(jī)械手產(chǎn)生的提升 力為左邊(圖 上顯示為0l. 2 5s)的曲線，下部設(shè)計(jì)重量為5 0 N,即曲柄轉(zhuǎn)過(guò)17. 530。1M 0-100300-500圖7曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)瓊理圖參考文獻(xiàn)徐生，張立彬，楊慶華.氣動(dòng)蠕動(dòng)爬桿機(jī)器人【J】.機(jī)械工程師，2004 (3 ).2趙松年.現(xiàn)代機(jī)械創(chuàng)新產(chǎn)品分析與設(shè)計(jì)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版 社,20 0 0.3王永貞，沈堅(jiān)，談士力.球形壁面爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真J .機(jī)電一體化，2001(5).4王曉光，陳明森，張青.立柱清洗機(jī)器人【P】.中國(guó)專(zhuān)利，2.5