爬杆机器人说明书.doc

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。~ J'l-，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，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1～5就可以准确实现机器人机械手之间的协调动作和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5
3.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
3．1 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 r／m 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= (dx／dt)=(dx／d )(dOld )=C．O(dx／d )=一oJrsin 【1+rcos0／4 —r2sin 0】 (2)
a=(dv／dt)= (dv／d0)= 一 r[COS0+ 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【(r／Z)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，r2／<<1，由(1+ ) =1+ +⋯ ，l l<1，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 l／dt：(d 1／d )(dO／dt)
= 一 r[sin0+(r／2 Z)sin20】 (7)a1=d l／dt= 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=(r／Z)sin0相应近似角速度dfl／dt= (r／Z)COS0 (9)近似角加速度
d2JBI／dt = 一 。(r／Z)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，无抖动。
3．2 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)cos／3(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0～1．25s)的曲线，下部设计重量为50 N，即曲柄转过17．5。

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，2000．
3 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，
200810046602．5