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1、完整word版爬杆机器人说明书机械创新设计说明书设计名称：爬杆机器人的设计设 计 人：姜鸿学 号：110611010班 级：11机制本一班井冈山大学机电学院2013/11/23第一章 背景概述蠕行式仿生变直径杆爬行机器人的研究报告现代生活中，高空作业不断增加，如路灯杆、悬索桥索、杆状城市建筑的清洗、油漆、喷涂料、检查、维护、电力系统架设电缆、瓷瓶清洁等。目前的清洗、维护工作主要由人工和大型设备来完成，但它们都集中表现出效率低、劳动强度大、耗能高、二次污染严重等问题。市场上少量使用的气动蠕行式爬行器，其上升和下降运动的实现由气压控制，需要气源和气动控制系统，能量损耗大，并且一般伴有较大的噪声。因

2、为连接了大量的支持设备，气动蠕行爬行器的体积和活动范围都受到限制，而且设备成本较高。第二章 运动原理仿生设计在设计移动机器人系统时，首先应考虑机器人的用途，因为不同的用途，移动机器人的移动机构是不同的。 Jl-，还应考虑机器人的工作环境、耐久性、稳定性、机动性、可控性、复杂性、外型尺寸及制作费用等。作为杆件爬行机器人，根据现有的技术方案，有很多种移动方式可供选择。各种移动方案的比较见表1所示。表1 爬行机器人移动方案的比较移动方式优点缺点轮式运动速度快，控制方便，转弯容易。接触面积小，越障能力差，易打滑。履带式接触面积大，承载能力强，移动速度快。履带磨损大，结构复杂机动性差。磁吸式承载能力大，

3、具有很强的适应能力。越障能力差应，运动用范围窄。蠕动式承载能力大，运动平稳，控制简便，适应能力强。运动速度慢，结构复杂。我们所要设计的这种爬行机器人，它的工作对象为各种型号的城市杆状建筑，要求承载能力大、接触面积小、速度适中，适应能力强，能越障碍物。通过比较各种方案，笔者设计了一种尺蠖式蠕动爬行结构形式，这是一种新颖的变直径杆仿生爬行机构设计方案，该方案能基本满足我们设定的工作状况。该机器人是模仿人的爬树动作而设的。人爬树时，两脚夹紧树杆，两腿一蹬，两手抱住树杆，人向上移，然后两手抱紧树杆，收腿提脚上移，一步步向上爬行。该机器人的爬行动作原理示意如图1所示。既然是仿生尺蠖式蠕动，那么在本机器人

4、的设计中，将以实现机器人躯干的伸 缩为往复运动的主要动作为目标。往复运动的实现有很多种常见的机构有：不完全齿轮齿条双侧停歇机构、曲柄连杆机构、圆柱齿轮齿条机构、螺旋丝杆机构等。这 图2 机器人结构原理图几种机构各有自己的优缺点，曲柄连杆机构可以很好。地协调好机器人的整体工作。从图1中可以看出，机器人的爬行动作原理可分为以下5f ：1)在初始状态1时，下机械手夹紧、上机械手松开(见图2所示)。2)电机回转，驱动曲柄及和曲柄固接在一起的下并联盘形凸轮顺时针转动，推动下机械臂摆动，与此同时带动和连杆固接在一起的上移动凸轮向下移动，推动上机械臂摆动，当下并联盘形凸轮转过升程角时，下机械手松开；与此同时

5、上移动凸轮向下移动过空行程，上机械手抓紧，即状态2。3)电机继续回转，此时上机械手夹紧、下机械手松开，机器人下部在电机的提升拉力作用下向上移动，当曲柄和连杆重叠共线时，机器人下部被提升到极限位置，即状态3。4)电机继续回转，当下并联盘形凸轮转过回程角时，下机械手夹紧；与此同时上移动凸轮向上滑过空行程，上机械手松开，即状态4。5)电机继续回转，因为下机械手夹紧、上机械手松开，所以机器人上部在电机的提升推力作用下向上移动，当曲柄和连杆拉直共线时，机器人上部提升到极限位置，即状态5。从图2和图1可看出，减速电机每转动一圈，机器人整体向上爬行一次，重复状态15就可以准确实现机器人机械手之间的协调动作和

6、机器人整体的蠕行爬行。通过实验，证明了该机器人的可用性和稳定性。第三章 机器人爬行部分的结构设计1.工作现状 变直径杆爬行问题的提出现实生活中，由于结构和力学上的要求，均采用了变直径杆，如路灯杆、悬索桥钢索、杆状城市建筑等(如图3所示)。如今，国内外研制的各种电机机械式爬行器均有一个缺陷，它们大多采用凸轮机构夹紧，由于凸轮机构的不可伸缩性，它们均只能爬行等直径杆，而变直径杆的爬行则只能依靠昂贵、庞大的气动爬行器来解决。2.工作原理 变直径杆爬行问题的解决如图2和图6所示，机器人机械手的夹紧采用预紧弹簧使机械手夹紧在杆体上，采用凸轮的运动来控制夹爪的动作，避免了直接采用凸轮夹紧机构的不可变性。滚

7、子只在凸轮的远休止角处(凸轮大径)和凸轮接触。而在其它位置，滚子处于悬空状态，如图4，虚线所围区域为滚子的活动范围，它随着机器人爬行的杆件直径尺寸的变化而自适应，这样，机器人就可以依靠弹簧的预紧力爬行一定尺寸范围内的变直径杆。 图53.机器人主体尺寸参数的确定 机器人整体的协调动作在此类爬行机器人的设计中，我们要注意的一个关键点就是机构的连贯协调动作的完成，特别是机械手的协调动作、机械手和躯干(曲柄连杆机构)之间的协调动作。而机械手之间的协调动作又要依赖于曲柄连杆机构、凸轮摆杆机构之间的协调动作。设计中还采用了SolidWorks软件来进行机构的尺寸参数的确定。特别是上移动凸轮和下并联盘形凸轮

8、的设计，它们都要依靠曲柄、连杆的相对运动以及工作范围来确定尺寸参数，而曲柄、连杆的尺寸参数的设计依赖于它们的运动规律和机构整体的尺寸。从图1、图5中可以看出曲柄、连杆的尺寸和上移动凸轮、下并联盘形凸轮尺寸之间有着紧密的联系。4. 机器人的结构设计机器人的机械结构如图6所示。整个机体长约250mm，宽约150 mm，高约400 mm，总重不超过5 kg(包括电机重3 kg)。爬行部分主体结构为2根长为400 mm的铝合金管(可以用硬塑料管代替)作为机架和机器人上部滑动的导杆，同时作为旋转部分的轴，结构紧凑、零件多功能。以导杆为转动轴和固定支架，其上下分别设置有上、下机械手连接臂，两对机械臂以导杆

9、为转动轴，其上装有上、下机械手。在上、下机械臂的另一端分别设置有弹簧，弹簧的作用是使机械手产生足够的摩擦力抱紧立柱。在导杆的下部设置有电机，其输出轴上安装有并联盘形凸轮和曲柄。曲柄通过连杆与移动凸轮相连。曲柄连杆机构带动机构上部的移动凸轮运动，实现机构的上升和相对运动。凸轮联动机构由两套凸轮摆杆机构构成，其中一套由上机械臂和移动凸轮构成，另一套由下机械臂和并联盘形凸轮构成，它们分别装在导杆的上、下部。通过曲柄、连杆将并联盘形凸轮、移动凸轮连接起来，使整个机构形成一个整体，上部的摆杆机构在曲柄连杆机构的作用下可以沿导杆上下移动。在电机的驱动下，上、下部机械臂摆动并带动机械手依次实现夹紧和放松的联

10、动。设计中还要注意以下2点：一是机器人的动力应足够；二是机器人的运行要平稳、无抖动。第四章 机器人主体运动建模及仿真31 运动学建模和仿真 曲柄滑块机构的运动规律曲柄滑块机构运动原理见图7。曲柄滑块机构将曲柄的回转运动转变为滑块(移动凸轮)的往复直线运动。曲柄长r：60 mm，连杆长Z=220 mm，电机转速09= 25 rm ino取0为坐标原点，P在 轴上的坐标为 ，用表示滑块的位移。利用三角关系得：rcos0+z41一(r2 )sin 0 (1)由于0=tot，故滑块速度 和加速度a分别为= (dxdt)=(dxd )(dOld )=CO(dxd )=一oJrsin 【1+rcos04

11、r2sin 0】 (2)a=(dvdt)= (dvd0)= 一 rCOS0+ r(os20+r2sin4 )( 一r2sin ) (3)同时基于关系式lsin口=rsln则摆角的表达式口=arcsin【(rZ)sin0】 (4)对式(3)、(4)中t两次求导d dt = 一 sin ( 一r2)( 一产sin。 ) ，2(5)式(3)、(5)比较复杂，不易求解。因式(1)中，r21，由(1+ ) =1+ + ，l l1，可将滑块位移的模型(1)近似为1=rcos0+Z(1一( 2 Z )sin 0】 (6)从而有响应的近似速度 与近似加速度al=d ldt：(d 1d )(dOdt)= 一 r

12、sin0+(r2 Z)sin20】 (7)a1=d ldt= 一 r【COS0+(，z)cos2 1 (8)图8为滑块位移和行程曲线图，图9为滑块速度曲线图，图l0为滑块加速度曲线图。对摆角口可以利用幂级数展开的麦克劳林公式：arcsin = 占+ 6 + 1 I 1得到摆角的近似模型届=(rZ)sin0相应近似角速度dfldt= (rZ)COS0 (9)近似角加速度d2JBIdt = 一 。(rZ)sin0 (10)图11为连杆摆角 的角速度曲线图，图l2为连杆摆角口的角加速度曲线图。从以上可以看出，在一个周期内，滑块和连杆摆角口的速度曲线和加速度曲线均平滑、无拐点，整个机构模拟运动平稳，无

13、抖动。32 力学建模和仿真 连杆受力分析电机旋转过程中，连杆对上连接件的力分为水平分力和竖直分力，竖直分力就是电机的提升力，水平分力对机构的稳定性来讲是有害的。电机旋转过程中，电机的提升力为：Fl=Fcos(90。一0一 )cosfl=Fsin(0+卢)cos3(11)图l3为电机的提升力曲线图。图中可以看出，当上机械手夹紧、下机械手放松，机器人下部向上运动时，上机械手产生的提升力为左边(图上显示为0125s)的曲线，下部设计重量为50 N，即曲柄转过175。参考文献1 徐生，张立彬，杨庆华气动蠕动爬杆机器人【J】机械工程师，2004 (3)2 赵松年现代机械创新产品分析与设计【M】北京：机械工业出版社，20003 王永贞，沈坚，谈士力球形壁面爬行机器人的运动学分析与仿真【J】机电一体化，2001(5)4 王晓光，陈明森，张青立柱清洗机器人【P】中国专利，2008100466025