畢業(yè)設(shè)計（論文）爬桿機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、【精品】畢業(yè)設(shè)計（論文）--爬桿機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 爬桿機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘要 論文在比較幾類爬行機構(gòu)的優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，確定了機器人本體的大致結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上詳細闡述了仿生爬行的原理和機器人模塊化設(shè)計的理念。根據(jù)路燈桿的尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)計機器人的三維模型。機器人建模的過程 功能的實現(xiàn)與機械結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化 包括以下幾個關(guān)鍵點：爬桿機器人設(shè)計中的功能機構(gòu)的協(xié)調(diào)配合、攀爬手臂夾持重合度的選擇、攀爬力的變化與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系、攀爬力零點的渡過等難點的設(shè)計方法和設(shè)計準(zhǔn)則，為此類爬行機器人的設(shè)計提供參考。 關(guān)鍵詞：爬桿機器人 變直徑桿 仿

2、生學(xué) Mechanical Structure design of Pole-Climbing-Robot Abstract In the paper，the wormlike imitated pole-climbing robot what the author designed and manufactured is non-intelligence mechanical crawler. Based on compared the merits and demerits of several kind of crawling mechanism，confirmed the

3、general structure of robot body. Based on above-mentioned，expatiated the principle of bionic crawling and the theory of modular designing on robot in detail. Based on the dimension data of poles，we have designed and manufactured the model of robot. The design methods and design guidelines during the

4、 course of robot modeling achieve the movement and optimum structural design following several key points： Functional coordination between agencies，choice of climbing arm gripping coincidence，changes of climbing force the relationship between the structural parameters，choice of zero point of climbin

5、g force and its transition in pole-climbing robot designing. Provides references forth kind of crawling robot’s designing. Key Words ： pole-climbing robot，variable-diameter pole，bionics 目錄 1 緒論 1 1.1 論文研究的目的和意義 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的主要問題 2 機器人的分類 3 研究現(xiàn)狀 4 目前存在的主要問題 8 1.3 研究主要內(nèi)容和研究對象 9

6、 1.4 本章小結(jié) 9 2 爬桿機器人仿生的設(shè)計理論研究 10 2.1 仿生機器人概述 10 2.2 總體方案分析 11 2.3 蠕動式仿生爬行方案研究 14 2.4 本章小結(jié) 15 3 機器人爬行部分的結(jié)構(gòu)方案 16 3.1 爬行機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則 16 模塊化設(shè)計基礎(chǔ)理論 16 3.2 機器人結(jié)構(gòu)原理方案分析 18 夾緊機構(gòu)方案研究 18 傳動機構(gòu)方案分析 20 動力系統(tǒng)方案研究 23 機器人結(jié)構(gòu)原理及爬行動作原理 24 3.3 變直徑桿爬行問題的解決 26 3.4 安全穩(wěn)定的工作保障 27 夾緊力的保證―彈

7、簧的設(shè)計方法研究 27 3.4 機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 27 電機的選型及參數(shù)選擇 28 機器人本體的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計 30 抓緊機構(gòu)尺寸參數(shù)的確定 33 傳動機構(gòu)尺寸參數(shù)的確定 37 上、下凸輪的配合研究 41 3.5 彈簧的設(shè)計與校核 42 3.6 本章小結(jié) 45 結(jié)語 46 致謝 47 參考文獻 48 1 緒論 1.1 論文研究的目的和意義 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會、還有2010年在上海舉辦的世博會，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

8、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 如圖1.1 ，它們通常5-30m，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(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，需要定期進行壁面維護工作。 圖1.1 變直徑桿城市建筑 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行高空作業(yè)來

9、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。在利用高壓水槍進行清洗時，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(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、勞動強度大、耗能高、二次污染嚴(yán)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

10、把人從危險、惡劣、繁重的勞動環(huán)境中解脫出來。開發(fā)能在施工現(xiàn)場實際運用的立柱爬桿清洗機器人，將是很有意義的，必須具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。 爬桿清洗機器人的使用將大大降低高層桿狀建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高勞動生產(chǎn)率，或?qū)砬逑礃I(yè)的一次革命。這種機器人的研制必將具有很大的社會效益、經(jīng)濟效益和廣闊的應(yīng)用前景。該課題旨在研發(fā)一種新型的、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟適用、價格便宜、操作簡便的適用于路燈桿等桿狀城市設(shè)施可搭載清洗、維護設(shè)備的爬桿機器人，用以解決當(dāng)前城鎮(zhèn)中存在的影響市容的公共設(shè)施的清洗、維護問題。該機構(gòu)要能保證良好的運行效果，低耗能高效率，綠色環(huán)保，節(jié)省人力物力。 1.2 國內(nèi)外

11、研究現(xiàn)狀及存在的主要問題 機器人是人類新世紀(jì)的偉大發(fā)明之一，是傳統(tǒng)的機構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機科學(xué)、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運行、重復(fù)操作和精度較高的動化設(shè)備，機器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)根本性的變化，而且將對人類的社會生活產(chǎn)生深遠的影響。機器人產(chǎn)業(yè)己成當(dāng)代應(yīng)用最廣泛、發(fā)展迅速的高科技產(chǎn)業(yè)之一。機器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的重要分支，將成為21世紀(jì)各國爭奪的經(jīng)濟技術(shù)的制高點。 機器人的分類 機器人的種類多種多樣。 從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類：工業(yè)機器人、特種機器人?；蚍譃閮深悾褐圃飙h(huán)境

12、下的工業(yè)機器人、非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿生機器人。 仿生機器人是未來機器人領(lǐng)域的一個發(fā)展方向，按仿生學(xué)角度來分可分為螳螂式爬行機器人、蜘蛛式爬行機器人、蛇形機器人、尺蠖式爬行機器人等。 按驅(qū)動方式來分可分為：氣動爬行機器人、電動爬行機器人和液壓驅(qū)動爬機器人等。 按行走方式可分為：輪式、履帶式、蠕動式、多足式等。 按工作空間來分可分為：管道爬行機器人、壁面爬行機器人、球面爬行機器人、陸地移動機器人、水下機器人、無人飛機、空間機器人等。 按功能用途來分可分為：焊弧爬行機器人、檢測爬行機器人、清洗爬行機器人、提升爬行機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、助殘機器人、巡線爬行機器人、玩具爬行機器人等

13、。 根據(jù)不同的驅(qū)動方式和功能等可以設(shè)計多種不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機器人，如氣動管內(nèi)檢測爬行機器人，電磁吸附多足式爬行機器人、電驅(qū)動壁面焊弧爬行機器人等，每一種形式的爬行機器人都有各自的應(yīng)用特點。 研究現(xiàn)狀 爬行機器人是機器人大家族中的一員，爬升機器人因為需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動機器人，故爬升機器人是機器人領(lǐng)域的一個重要研究分支，從運動方式上來表征的一種機器人，形式是多種多樣的。爬行機器人并不少見，但是通常來說，這類機器人大多采用多足來進行移動或是使用腹部的摩擦表層來左右扭動前進。更主要的是，平常的機器人，因為體積或行動方

14、式的影響，不能到一些特殊的地方進行工作，比如說管道，壁面等等特種用途的領(lǐng)域。爬升機器人與一般地面移動機構(gòu)的最明顯不同是需克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動，完成特定條件下的作業(yè)。最早開始研究且研究最多的是爬壁機器人，適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面和大球形表面上的危險作業(yè)。對于管道外壁表面，已有車輪移動形、姿態(tài)可變形、尺蠖形和多關(guān)節(jié)形機器人，用于石油、化工企業(yè)等多為水平管線上的檢查和診斷，且牽引力較小。國內(nèi)外的學(xué)者很早就對爬行機器人進行研究工作，獲得了豐碩的成果。目前，國內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動爬行機構(gòu)主要有電動機械式爬桿機器人、電動液壓式爬桿機器人和氣動蠕行式爬桿

15、機器人等。 電動機械式爬行器是由電動機帶動鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降螺旋運動爬升機器人的爬行動作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動時它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過電動機的正反轉(zhuǎn)該機構(gòu)便可實現(xiàn)上升和下降運動。電動機械式爬桿機器人和螺旋線運動爬桿機器人都是以電動機帶動滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動整個機器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運作，且機器人總體機構(gòu)較復(fù)雜。氣動蠕行式爬桿機器人用氣缸驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)交替夾緊和移動，其向上爬行時氣缸動作一個周期的過程為

16、下部汽缸夾緊，上部汽缸松開，提升汽缸活塞桿伸出，上部上升；上部汽缸夾緊，下部汽缸松開，提升氣缸體上升，下部上升如此反復(fù)，機器人就可以連續(xù)爬行。對于氣動蠕行式爬桿機器人，其上升和下降運動的實現(xiàn)由氣壓控制，需要氣源和氣動控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本較高。 國外有代表性的有東京大學(xué)研制的關(guān)節(jié)型行走機器人，可沿水平或垂直的直桿爬行，能跨越法蘭、平行桿，并可繞T型桿和L型桿爬行。 國內(nèi)比較典型的有上海交通大學(xué)機器人研究所研究開發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護用氣動蠕動式爬纜機器人，可在各種斜度的纜索上爬行，能完成纜索檢測、清洗等工作，并具有一定的智能性。 氣動蠕動式纜索噴涂機器人由機械本體、氣動系統(tǒng)和控制系

17、統(tǒng)組成。氣動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)配合完成機器人的移動、夾緊和噴涂作業(yè)。機械本體是本系統(tǒng)的核心部分 如圖1.2 所示 , 它包括上體、下體、移動機構(gòu)和噴涂機構(gòu)。上體和下體都由變剛度彈性導(dǎo)向機構(gòu)、 平行式自動對中夾緊機構(gòu)及支撐板組成, 其中平行式自動對中夾緊機構(gòu)設(shè)計巧妙, 結(jié)構(gòu)簡單 如圖1.3所示 。機器人運動時, 移動機構(gòu)配合上、下體夾緊氣缸的不同動作組合, 可以實現(xiàn)機器人蠕動式間歇上升或下降。機器人在下降過程中, 由噴涂機構(gòu)來完成纜索防腐噴涂任務(wù)。針對機器人運動過程中間歇運動特點, 設(shè)計一種能夠使噴涂厚度均勻一致的噴涂機構(gòu)是本文重點, 關(guān)鍵問題是得出噴涂機構(gòu)實現(xiàn)連續(xù)噴涂的條件。 圖1.2

18、 氣動蠕動式纜索噴涂機器人機械結(jié)構(gòu)簡圖 圖1.3 夾緊機構(gòu)示意圖 清華大學(xué)研發(fā)設(shè)計的爬桿機器人采用自重式鎖緊機構(gòu) 如圖1.5 a 所示 ，機器人靠自重壓迫鋼球使滑塊 機械手 鎖緊在桿壁上，可以爬行較小范圍的變直徑桿，但該結(jié)構(gòu)只可單向爬行 從下往上或是從大直徑處向小直徑處爬行 。該機構(gòu)改進后可爬升和返回，如圖1.5 b、c 所示，由小氣缸推動鋼球解鎖，便可雙向爬行，但需要加上一套氣動控制設(shè)備。目前要實現(xiàn)變直徑桿的爬行和返回則只能依靠氣動蠕行式爬行器來解決 如圖1.3、1.4所示 ，其上升和下降由氣壓控制，設(shè)備成本較高。 圖1.5 鋼球自鎖類爬桿機器人 哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的沿桅桿

19、或繩索爬行的機器人，采用曲柄連桿機構(gòu)作為傳動機構(gòu)，機器人是由兩個形狀相似的圓形套筒內(nèi)嵌有一對活動V型卡爪、一對槽型凸輪、鉸鏈、壓力傳感器、連桿、鑲嵌在頂部滑塊四周的檢測儀、電機等零部件構(gòu)成，其運動機構(gòu)如圖1.7所示。 圖1.7 爬纜機器人機構(gòu)簡圖 在曲柄與連桿的兩端分別鉸接上兩個滑塊 即作為自鎖套 作為機器人末端執(zhí)行裝置，使兩個滑塊分別作為機架交替上升，從而實現(xiàn)機器人沿桅桿爬行；其中上滑塊與曲柄相連，相應(yīng)的連桿接下滑塊。當(dāng)機構(gòu)具有向下運動的趨勢時，下自鎖套因受到自鎖機構(gòu)的限制而固定不動，把其受到的向下的力轉(zhuǎn)化為向上反作用力，推動機構(gòu)向上運動。 目前存在的主要問題 由上面敘述及調(diào)研

20、可知目前國內(nèi)外所設(shè)計制造的各種電機機械式爬行器均有一個缺陷：它們大多采用凸輪機構(gòu)夾緊，由于凸輪機構(gòu)的不可伸縮性，一個爬行器只能爬行特定直徑的等直徑的桿件。目前要實現(xiàn)變直徑桿的爬行則只能依靠氣動蠕行式爬行器來解決，其上升和下降由氣壓控制，還需要氣源和氣動控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本和維護費用較高。綜合文獻顯示，目前國內(nèi)外尚沒有在此類爬行機構(gòu)方面的深入研究。鑒于綠色和環(huán)保的主題，因此，有必要研發(fā)和制造一種利用簡單的機械結(jié)構(gòu)來替代繁瑣的氣動設(shè)備實現(xiàn)變直徑桿的攀爬，同時在爬行過程中可攜帶其它清潔能源實現(xiàn)對路燈桿等桿狀城市建筑的清洗作業(yè)的設(shè)備，這正是本課題所要解決的。 1.3 研究主要內(nèi)容和研究對象

21、在閱讀國內(nèi)外有關(guān)爬桿機器人的文獻后，總結(jié)出適合爬桿機器人的執(zhí)行機構(gòu)。通過對路燈桿等桿狀城市建筑的測量和現(xiàn)場考察，提出爬桿機器人的設(shè)計方案并設(shè)計出滿足條件的立柱清洗機器人。在該課題的研究過程中，提出一些此類機構(gòu)的設(shè)計理念和設(shè)計思想，可供其他設(shè)計人員參考。 ①建立爬桿機器人的動力學(xué)模型； ②展開爬桿機器人的動力學(xué)研究； ③提出此類爬行機器人的設(shè)計方法和設(shè)計準(zhǔn)則。 擬解決的關(guān)鍵問題：功能的實現(xiàn)與機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。 研究對象：變直徑桿爬行機器人。 1.4 本章小結(jié) 本章節(jié)首先從市場需求和環(huán)境保護的角度出發(fā)，引出了爬桿機器人的概念。通過大量的事例案例，說明爬桿機器人所具備的非人力可以取代的

22、功能。從而催生出人們對研制出一套完整的、可靠的爬桿機器人的強烈愿望，證明了爬桿機器人在中國現(xiàn)代化建設(shè)中的重大作用。然后列舉大量國內(nèi)有關(guān)爬桿機器人的設(shè)計案例，闡述其原理，分析利弊。最后在以上閱讀大量文獻的基礎(chǔ)上，說明本課題的研究方法和研究內(nèi)容。 2 爬桿機器人仿生的設(shè)計理論研究 2.1 仿生機器人概述 生物在經(jīng)過了千百萬年的進化之后，由于遺傳和變異的原因，已經(jīng)形成了從執(zhí)行、感知、控制方式，一直到信息加工處理、組織方式等諸多方面的優(yōu)勢和長處。仿生機器人這門學(xué)科產(chǎn)生和存在的前提就在于，生物經(jīng)過了長期的自然選擇進化而來，在結(jié)構(gòu)、功能執(zhí)行、信息處理、環(huán)境適應(yīng)、自主學(xué)習(xí)等多方面具有高

23、度的合理性、科學(xué)性和進步性。而非結(jié)構(gòu)化的、未知的工作環(huán)境、復(fù)雜的精巧的高難度的工作任務(wù)和對于高精確度、高靈活性、高可靠性、高魯棒性、高智能性的目標(biāo)需求則是仿生機器人提出和發(fā)展的客觀動力。人爬樹時，兩腳夾緊樹桿，兩腿一蹬，兩手抱住樹桿上移，然后兩手抱緊樹桿，收腿提腳上移，一步一步向上爬行。人爬樹姿勢如圖2.1所示。 圖2.1 爬樹姿勢 “模仿生物的身體結(jié)構(gòu)和功能，從事生物特點工作的仿生機器人，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)機器人，成為未來機器人領(lǐng)域的發(fā)展方向”?！?004年8月在沈陽舉行的2004IEEE機器人學(xué)與仿生學(xué)國際學(xué)術(shù)會議”上，與會的機器人學(xué)專家這樣表示。 日本東京工業(yè)大學(xué)教授廣瀨茂男曾獲

24、得IEEE頒發(fā)的領(lǐng)先成就獎，是世界機器人研究領(lǐng)域的權(quán)威科學(xué)家。在他看來，模仿生物活動機能和身體結(jié)構(gòu)的仿生機器人，應(yīng)當(dāng)是機器人研究領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。他說，很多生物為了生存，在進化過程中具備適應(yīng)大自然的獨特功能，科學(xué)界在機器人的發(fā)明制造上，就應(yīng)當(dāng)借鑒一些生物的獨特本領(lǐng)為人類服務(wù)。所以，仿生機器人必將是超出人類一般需求之前探索的一門真正的前沿科學(xué)。 仿生機器人是機器人發(fā)展的最高階段，它既是機器人研究的最初目的，也是機器人發(fā)展的最終目標(biāo)之一。 仿生機器人就是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機能的機器人系統(tǒng)。從仿生學(xué)的角度來看，仿生機器人是仿生學(xué)技術(shù)的完美綜合與全面應(yīng)用。從本質(zhì)上來講，所謂”仿生機

25、器人”就是指利用各種光、機、電、液等各種無機元器件和有機功能體相配合所組建起來的在運動機理和行為方式、感知模式和信息處理、控制協(xié)調(diào)和計算推理、能量代謝和材料結(jié)構(gòu)等多方面具有高級生命形態(tài)特征從而可以在未知的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下精確的、靈活的、可靠的、高效的完成各種復(fù)雜任務(wù)的機器人系統(tǒng)。 2.2 總體方案分析 欲使機器人在壁面上自由地移動，必須具備兩種功能：貼附功能與移動功能。貼附方式有吸附式和夾持式兩種，運動方式有輪式、履帶式、腿式及蠕動式四種。這些不同的方式可以進行多種組合，構(gòu)成多種風(fēng)格的機器人。吸附式是通過面接觸方式緊貼于壁面上，夾持式是靠點夾緊在桿上。吸附方式又有真空吸附和電磁吸附之分，其

26、中真空吸附式用得比較多，因為它對壁面的要求不十分嚴(yán)格；電磁吸附承載能力大，有很強的適應(yīng)能力，但其應(yīng)用范圍窄，需要桿件壁面含有電磁場可吸附的含鐵、鉆、鎳等材料。各種貼附方式的優(yōu)缺點和比較如表2.1所示。 表2.1爬行機器人貼附方案的比較 貼附方式 概要 特點 夾持式 機械手 由夾緊力產(chǎn)生的摩擦力是機械手夾緊在桿體上 能適應(yīng)任何壁面 吸附式 真空吸附 真空泵 設(shè)置許多吸盤，由真空泵裝置產(chǎn)生吸附力，使機器人吸附在壁面 可實現(xiàn)小型、輕量化，無需附加供氣裝置，但要求壁面有一定平滑度 噴射器 在本體上安裝噴嘴，由噴射器經(jīng)噴嘴將壓縮空氣噴出，其周周圍形成真空，吸附在壁面上上 能效低、噪音大，且

27、需要供供氣裝置，但可以達到高真空空度，對壁面適應(yīng)性強強 電磁吸附 永磁體 由永磁體產(chǎn)生吸附力，吸在壁面上 吸附時不需外部能量，但只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附 電磁鐵 電磁鐵通電將其吸附在壁面上 吸附時需要電能，也只適用用上上于導(dǎo)磁性壁面的吸附 在設(shè)計移動機器人系統(tǒng)時，首先應(yīng)考慮機器人的用途，因為不同的用途，移動機器人的移動機構(gòu)是不同的。此外，還應(yīng)考慮機器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機動性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費用等。作為桿件爬行機器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案，有很多種移動方式可供選擇。各種移動方案的比較見表2.2所示。 表2.2 爬行機器人移動方案的比較 移動方式 優(yōu)

28、點 缺點 輪式 移動速度快，控制方便，轉(zhuǎn)彎容易。 接觸面積小，越障能力差，易打滑。 履帶式 接觸面積大，承載能力大，移動速度快，適應(yīng)能力強。 履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機動性差。 腿式 越障能力強，承載能力大，機動性好，具有很強的壁面適應(yīng)能力。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間歇移動，速度慢，關(guān)節(jié)和足數(shù)多，控制復(fù)雜。 蠕動式 承載能力大，運動平穩(wěn)，控制簡 便，適應(yīng)能力比較強。 運動速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 要求所要設(shè)計的這種爬行機器人，它的工作對象為各種型號的城市桿狀建筑，要求承載能力大、接觸面積小、速度適中，適應(yīng)能力強，能越障礙物。通過比較各種方案，我設(shè)計了一種尺蠖式蠕動爬行結(jié)構(gòu)形式，這是一種新穎的變直徑桿仿

29、生爬行機構(gòu)設(shè)計方案，該方案能基本滿足我們設(shè)定的工作狀況。在爬行機器人結(jié)構(gòu)中用尺蠖蠕動式爬行具有很多優(yōu)點，可實現(xiàn)在運動方向上任意長的距離提升重物，較同功能的其它機構(gòu)，能獲得更大的鎖緊力，從而可傳送較重的物體，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行平穩(wěn)，控制簡便，還可以根據(jù)使用要求，作各種變形設(shè)計，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟效果。 2.3 蠕動式仿生爬行方案研究 既然是仿生尺蠖式蠕動，那么在本機器人的設(shè)計中，將以實現(xiàn)機器人軀干的伸縮為往復(fù)運動的主要動作為目標(biāo)。往復(fù)運動的實現(xiàn)有很多種，常見的機構(gòu)有：不完全齒輪齒條雙側(cè)停息機構(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)、圓柱齒輪齒條機構(gòu)、螺旋絲桿機構(gòu)等。 由上可知，尺蠖運動具有以下特點： ①尺蠖運

30、動體的結(jié)構(gòu)簡單； ②運動所需的驅(qū)動器數(shù)目少； ③依靠摩擦力傳遞運動； ④尺蠖運動是一種周期性動作。 如果把尺蠖運動在一個動作周期內(nèi)的蠕動分開，可分為四步： ①上部松開，軀干靜止 最長 ，下部夾緊； ②軀干縮短，上部夾緊，下部夾緊； ③下部松開，上部夾緊，軀干縮短 最短 ； ④下部夾緊，軀干靜止，上部夾緊； ①上部松開，軀干伸長 最長 ，下部夾緊。 經(jīng)過上述四步，在一個動作周期中尺蠖向上爬一步。 上述的幾種往復(fù)運動機構(gòu)各有自己的優(yōu)缺點，其中曲柄連桿機構(gòu)可以很好的協(xié)調(diào)好機器人的整體工作。綜上所述，當(dāng)我們選取曲柄連桿機構(gòu)作為往復(fù)運動的實現(xiàn)機構(gòu)時，該機器人的爬行動作原理示意如圖2

31、.3所示。 圖2.3 機器人爬行動作原理示意圖 該機器人是模仿人的爬樹動作而設(shè)計的。爬樹時，兩腳夾緊樹桿，兩腿一蹬，兩手抱住樹桿,人向上移，然后兩手抱緊樹桿，收腿提腳上移，一步步向上爬行。在機器人的設(shè)計中，人的手臂和腿演化成機器人的上下機械臂，手和腳演化成上下機械手。曲柄連桿機構(gòu)作為收縮的往復(fù)運動機構(gòu)，凸輪機構(gòu) 下并聯(lián)盤形凸輪、上移動凸輪 作為上下機械手的協(xié)調(diào)連接部件。 本章小結(jié) 本章從仿生機器人的角度出發(fā)，介紹了仿生機器人對機器人研究的巨大貢獻。從而確定，本課題的爬桿機器人的攀爬動作是模仿人或者動物的爬樹動作。機器人在壁面上自由地移動，必須具備兩種功能：貼附功能與移動功能。通過

32、比較各種貼附方案和移動方案確定本課題的貼附及移動方式。 3 機器人爬行部分的結(jié)構(gòu)方案 尺蠖式爬桿機器人的主要用途是作為桿上傳送的載體，本體結(jié)構(gòu)設(shè)計是爬行機器人的核心部分，要求承受一定的負載并能保持穩(wěn)定的爬行動作。因此首要的目標(biāo)是使機器人能夠在較長的爬行距離內(nèi)安全可靠的爬行，在此基礎(chǔ)上，進一步的使機器人移動靈活，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，滿足一定的技術(shù)性、經(jīng)濟性要求。 3.1 爬行機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則 尺蠖式爬行機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計是本論文的關(guān)鍵，在此采用模塊化設(shè)計方法對機器人本體進行模塊化設(shè)計，模塊化設(shè)計方法分為基于結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計方法和側(cè)重功能分解的設(shè)計方法，將根據(jù)功能劃分方法對爬行機

33、器人進行設(shè)計。 模塊化設(shè)計基礎(chǔ)理論 模塊化設(shè)計是在產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)不斷發(fā)展的過程中逐步形成的，是一種設(shè)計方法。而模塊化設(shè)計思想?yún)s由來己久，其基本思想是以產(chǎn)品 系統(tǒng) 的總功能為對象，以功能分析為基礎(chǔ)，將整個產(chǎn)品分解為若干特定的模塊，然后通過模塊的不同組合，可以得到不同品種、不同功能的產(chǎn)品，以滿足市場的各種需求。模塊化又稱模件化，模塊化的定義有很多種，但是按其概念有如下的定義：由若干個具有不同用途 或性能 并可互換的模塊，經(jīng)不同的組合，以滿足不同需要的這種方法稱之為模塊化。 由此可見模塊化應(yīng)具有四個基本含義： 1 必須具有一定數(shù)量的模塊； 2 應(yīng)用系統(tǒng)組合原理； 3 最終要獲得能基本

34、滿足各種不同功能的需要； 4 模塊化的可分性。 進行模塊化設(shè)計時，必須首先把產(chǎn)品劃分為若干模塊，然后以模塊為基本單元進行設(shè)計。因此，模塊合理劃分與否將直接影響產(chǎn)品的性能、外觀以及模塊通用化的程度和成本。模塊化產(chǎn)品，通常按功能將產(chǎn)品劃分為若干單元，并使功能單元獨立化，這些單元被稱為功能模塊，然后由功能模塊系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品的總功能。 爬行機器人的模塊化設(shè)計要求 我們按照功能劃分的模塊化設(shè)計方法，將爬行機器人劃分為夾緊模塊和傳動模塊。模塊之間除標(biāo)準(zhǔn)化的機械與電氣連接接口外，其設(shè)計相互獨立。模塊之間在模塊化設(shè)計中應(yīng)遵循如下基本原則： ①模塊應(yīng)具有自身的獨立性。 ②可用有限數(shù)目的模塊構(gòu)成不同

35、組合的產(chǎn)品。 ③模塊的穩(wěn)定性。 ④模塊的經(jīng)濟型。 模塊化設(shè)計的核心思想是將產(chǎn)品進行模塊劃分后，通過對某些模塊進行重新設(shè)計或變異設(shè)計得到新的產(chǎn)品。根據(jù)此思想，我們可以對爬行機器人進行各種變形設(shè)計，滿足不同使用要求和應(yīng)用環(huán)境要求。尺蠖式爬行機器人的本體是執(zhí)行爬行運動的驅(qū)動平臺和清洗維護設(shè)備的搭載平臺，因此本體機構(gòu)是整個系統(tǒng)的重要組成部分。為使機器人能夠安全、方便的完成工作任務(wù)，要求本體移動靈活，安全可靠，小巧輕便，本體機構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣是評價整個系統(tǒng)性能的首要指標(biāo)。由于爬行設(shè)備的特殊性，所以設(shè)計時需要考慮的主要問題有： ①從機器人爬行動作的特殊性及提高運動性和安全性方面考慮，需盡量使爬行機器人

36、的體積小、重量輕。 ②從系統(tǒng)的工作性能上考慮，應(yīng)盡量使爬行機器人的工作沖擊較小，運行平穩(wěn)，提高工作時的穩(wěn)定性。 ③從機器人的作業(yè)環(huán)境來看，由于在桿上爬行，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該充分考慮空間對結(jié)構(gòu)尺寸的限制，力求機構(gòu)簡單可靠。 ④由于機器人的體積受限，所以在設(shè)計和布置時需要在盡量保證機構(gòu)功能、強度和性能的條件下，盡量減小零部件的體積。在布置各部件時，除考慮部件自身占據(jù)的空間地位外，還要給予檢查、維修及更換部件時所必要的空間。 ⑤從系統(tǒng)的成本以及各零部件的加工難度和加工時間考慮，各零件和材料的加工和選取，盡量采用市場上可采購的材料和己有小零部件 如螺栓、彈簧等 ，減少自行設(shè)計和加工的元件，以減少

37、設(shè)計難度和提高系統(tǒng)的可靠性，降低樣機制造成本。 3.2 機器人結(jié)構(gòu)原理方案分析 尺蠖的運動方式是一種蠕動爬行，蠕動是一種周期性的動作，蠕動體的姿態(tài)呈現(xiàn)某種規(guī)律性的變化。機器人的本體是指機器人移動作業(yè)的部分。我們所設(shè)計的尺蠖式爬行機器人的本體部分主要由三個機械單元組成，分為上、下夾緊機構(gòu)和傳動機構(gòu)，傳動機構(gòu)在中間分別與上、下夾緊機構(gòu)相連接。上、下夾緊機構(gòu)分別起著保持器的作用，而軀干部分則起著推進器的作用。 夾緊機構(gòu)方案研究 根據(jù)爬行機器人的運動特點，夾緊機構(gòu)是關(guān)鍵，所產(chǎn)生的夾緊力應(yīng)能保證機器人在單步運動中一端夾緊在桿上，使機器人在單步工作中保持穩(wěn)定，夾緊-放松的運動過程能自如的進行

38、。綜合考慮機器人系統(tǒng)工作環(huán)境和性質(zhì)，主要有兩種夾緊方式：機械式裝置和液 氣 壓式裝置。兩種方式都能產(chǎn)生足夠的夾緊力，各有其優(yōu)點。 液 氣 壓式夾緊裝置夾緊力調(diào)節(jié)方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，但需要液 氣 源和液 氣 動控制系統(tǒng)支持，體積龐大、噪音污染大并且其設(shè)備成本和維護費用較高。 紹了上海交通大學(xué)機器人研究所研究開發(fā)的一種氣動蠕動式纜索機器人，其爬升機構(gòu)簡圖如圖l.2所示，其夾緊機構(gòu)如圖3.1所示。 圖3.1 氣動蠕動式爬纜機器人夾緊機構(gòu) 機器人上、下體安裝板上各沿圓周均布有3個可沿徑向調(diào)整的安裝塊，用于夾緊缸、夾緊爪、導(dǎo)向缸和導(dǎo)向輪總成在不同直徑的纜索上安裝。上、下體安裝板上開有安裝口

39、，供機器人在纜索上的安裝。機械式夾緊裝置加緊力調(diào)節(jié)不方便、工作狀態(tài)視結(jié)構(gòu)而定、結(jié)構(gòu)簡單、噪音小、費用低。 如圖3.2所示為一種輪式爬行機構(gòu)，它利用彈簧將滾輪壓緊在管道外壁，由滾輪滾動帶動爬行機構(gòu)在管道外壁行走。這種機構(gòu)適用于管徑較大的情況，連續(xù)行走速度可調(diào)且比較快，但無越障能力。 圖3.2 氣動蠕動式纜索機器人夾緊機構(gòu) 對夾緊機構(gòu)的要求是：能產(chǎn)生足夠大的夾緊力、放松和夾緊收放自如、結(jié)構(gòu)簡單、輕量化。結(jié)合實際情況，我選用機械夾緊裝置。 傳動機構(gòu)方案分析 傳動機構(gòu)是機器人的軀干，它是連接機器人上、下機械臂的樞紐和協(xié)調(diào)機器人上、下機械手動作的控制中心，是機器人設(shè)計的重要部分之一。如第

40、二章節(jié) 2.3 所介紹的，通過比較各種傳動機構(gòu)的優(yōu)劣，采用曲柄連桿機構(gòu)作為本機器人的傳動機構(gòu)，如圖2.3，當(dāng)機械手夾緊桿體時，相應(yīng)部分對應(yīng)桿體是靜止的；反之，當(dāng)機械手松開桿體時，相應(yīng)部分對應(yīng)桿體是運動的。 圖3.3 曲柄滑塊機構(gòu)運動原理圖 電機帶動曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄連桿機構(gòu)又把運動傳遞到上機械臂，同時下機械臂也要做相應(yīng)的運動來配合上機械臂的運動。曲柄連桿機構(gòu)作為連接機器人上、下機械臂的樞紐，它所能做得運動僅僅只是曲柄回轉(zhuǎn)、連桿擺動，如圖3.3所示。要尋找一種合適的機構(gòu)來銜接上下機械臂的運動，即在電機回轉(zhuǎn)帶動曲柄轉(zhuǎn)動的同時，上下機械手要作出相應(yīng)的配合動作。 在前面第二章 2.3 介紹中，已經(jīng)

41、選定用曲柄連桿機構(gòu)作為機器人的軀干主體，曲柄回轉(zhuǎn)，滑塊往復(fù)運動。在移動凸輪機構(gòu)中，可以將移動凸輪的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化成從動件的往復(fù)運動，如圖3.4所示。 圖3.4 移動凸輪機構(gòu)運動示意圖 移動凸輪機構(gòu)的從動件頂桿和機器人的上機械臂固接，這樣移動凸輪的水平往復(fù)運動就轉(zhuǎn)化為上機械臂的往復(fù)擺動，移動凸輪和上機械臂就構(gòu)成了 移動 凸輪擺桿機構(gòu)。這樣就將曲柄滑塊機構(gòu)中的滑塊用 移動 凸輪擺桿機構(gòu)中移動凸輪代替，盤形凸輪設(shè)計成對稱形式就可以推動一對機械臂擺動。 當(dāng)上、下機械手協(xié)調(diào)配合動作如圖2.3所示過程時，機器人方能作出符合我們要求的攀爬動作。曲柄在電機帶動下作回轉(zhuǎn)運動，很顯然，盤形凸輪機構(gòu)中，可以將

42、盤形凸輪的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成從動件的往復(fù)運動，如圖3.5所示。 圖3.5 盤形凸輪機構(gòu)運動示意圖 盤形凸輪機構(gòu)的從動件頂桿和機器人的下機械臂固接，這樣盤形凸輪的回轉(zhuǎn)運動就轉(zhuǎn)化為下機械臂的往復(fù)擺動，盤形凸輪和下機械臂就構(gòu)成了 盤形 凸輪擺桿機構(gòu)。 如第二章 2.3 所介紹的，曲柄回轉(zhuǎn)一周，上、下機械臂的動作一個循環(huán)，機器人整體向上攀爬一步。由于電機是勻速轉(zhuǎn)動，所以盤形凸輪的近休止角和遠休止角是近似在180°的方向水平”對稱”的，這里講的對稱只是一種相對的概念，并不是嚴(yán)格意義上的對稱。因為機器人的機械臂是成對出現(xiàn)的，所以下盤形凸輪應(yīng)該是成對出現(xiàn)的。而且因為下機械臂的動作要一致，所以下盤形凸輪應(yīng)

43、該按近似大徑對稱裝配。 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(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。 表3.1 驅(qū)動方式性能對照表 項目 技術(shù)要求 動作快慢 速度穩(wěn)定性 驅(qū)動力 環(huán)境要求 控制距離 經(jīng)濟性 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 使用維護 速度調(diào)整 氣壓驅(qū)動 較低 較快 較差 中等 適應(yīng)性好 中等 便宜 簡單 簡單 容易 液壓驅(qū)動 較高 較慢 良好 最大 不怕振動 短 較貴 復(fù)雜 稍高 很容易 電氣

44、驅(qū)動 較低 慢 很好 較大 一般 短 一般 稍復(fù)雜 簡單 困難 氣壓驅(qū)動使用壓力通常在0.4~0.6MPa，最高可達1MPa。氣壓驅(qū)動的優(yōu)點是響應(yīng)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。液壓驅(qū)動系統(tǒng)用2-15MPa的油液驅(qū)動響工作穩(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。 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

45、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(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，電氣驅(qū)動己經(jīng)成為最普遍，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。 機器人結(jié)構(gòu)原理及爬行動作原理 在預(yù)緊拉力彈簧夾緊機構(gòu)中，預(yù)緊拉力彈簧和凸輪機構(gòu)相組合，利用預(yù)緊拉力彈簧的柔性可調(diào)的夾緊活動范圍和凸輪機構(gòu)的升程差復(fù)合成爬行機器人的機械手雛形。預(yù)緊拉力彈簧作為上下機械手夾緊的動力源。機器人傳動機構(gòu) 曲柄滑塊機構(gòu) 中的滑塊設(shè)計成上 移動 凸輪擺桿機構(gòu)中的移動凸輪，在機構(gòu)上巧妙結(jié)合，與此同時實現(xiàn)了零件的多功能復(fù)合。曲柄滑塊機構(gòu)中

46、的曲柄和下 盤形 凸輪擺桿機構(gòu)中的盤形凸輪固結(jié)在一起，同步運動。至此，由曲柄滑塊機構(gòu)和凸輪擺桿機構(gòu)就構(gòu)成了蠕行式仿生變直徑桿爬行機器人的基本框架。綜上，機器人的結(jié)構(gòu)原理如圖3.6所示。 圖3.6 機器人結(jié)構(gòu)原理圖 結(jié)合圖2.3中可以看出，機器人的爬行動作原理可分為以下5步： ①在初始狀態(tài)1時，下機械手夾緊、上機械手松開，下并聯(lián)盤形凸輪裝在 直角減速電機輸出軸上； ②電機回轉(zhuǎn)，驅(qū)動曲柄及和曲柄固接在一起的下并聯(lián)盤形凸輪順時針轉(zhuǎn)動，推動下機械臂擺動，與此同時帶動和連桿聯(lián)接在一起的上移動凸輪向下移動、推動上機械臂擺動，當(dāng)下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過升程角時，下機械手松開，與此同時上移動凸輪向下移動

47、至空行程、上機械手抓緊，即狀態(tài)2； ③電機繼續(xù)回轉(zhuǎn)，此時上機械手夾緊、下機械手松開，機器人下部在電機的提升拉力下向上移動，當(dāng)曲柄和連桿重疊共線時，機器人下部被提升到極限位置，即狀態(tài)3； ④電機繼續(xù)回轉(zhuǎn)，當(dāng)下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過回程角時，下機械手夾緊，與此同時上移動凸輪向上滑過空行程、上機械手松開，即狀態(tài)4； ⑤電機繼續(xù)回轉(zhuǎn)，因為下機械手夾緊、上機械手松開，所以機器人上部在電機的提升推力下向上移動，當(dāng)曲柄和連桿拉直共線時，機器人上部提升到極限位置，即狀態(tài)1。 ，電機每轉(zhuǎn)動一圈，機器人整體向上爬行一次，重復(fù)1~5就可以準(zhǔn)確實現(xiàn)機器人機械手之間的協(xié)調(diào)動作和機器人整體的蠕行爬行。 3.3 變直

48、徑桿爬行問題的解決 純凸輪夾緊機構(gòu)的不可調(diào)性，成為機器人爬行變直徑桿的最大障礙，是機器人設(shè)計中的”瓶頸”，如何解決變直徑桿的夾緊問題，成為此類爬行機器人設(shè)計中的突破點。必須采用柔性夾緊機構(gòu)才能達到我們預(yù)定的目的，預(yù)緊拉力彈簧夾緊機構(gòu)就可以很好的實現(xiàn)這點。 圖3.7 凸輪、滾子運動原理圖 如圖3.6所示，當(dāng)需要夾緊的時候，預(yù)緊彈簧力通過機械臂傳動使機械手夾緊在桿體上，當(dāng)需要松開的時候，用凸輪將機械臂頂開使機械手放松，采用凸輪的運動來控制夾緊爪的動作，避免了直接采用凸輪夾緊機構(gòu)的不可變性。機器人攀爬桿狀城市建筑時，隨著凸輪的回轉(zhuǎn)，滾子只在凸輪的遠休止角處 凸輪大徑 和凸輪接觸。而在其它位置

49、，滾子處于懸空狀態(tài)，如圖3.7所示，黑點虛線所圍區(qū)域為滾子的實際活動范圍，滾子的實際運動路線隨著機器人爬行的桿件直徑尺寸變化而自適應(yīng)，這樣，一個機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。 3.4 安全穩(wěn)定的工作保障 夾緊力的保證―彈簧的設(shè)計方法研究 夾緊力 夾持力 的保證是機器人夾緊在桿體上和能夠順利爬行的一個更要保證。在本例中，機器人夾緊力是依靠預(yù)緊彈簧的拉力提供的，這里就涉及到彈簧的設(shè)計方法問題。滿足 安裝載荷 要求 、安裝長度、工作載荷 要求 、工作行程、要求剛度、載荷作用次數(shù)、載荷類型 等設(shè)計要求后，即可設(shè)計出滿足要求的彈簧。在滿足最小彈簧力的條件下，選用材

50、料最細，中徑最大的彈簧，這樣就可以保證拉緊力的前提下設(shè)計出來的彈簧圈數(shù)盡可能的多，也就可以保證彈簧在拉升時，最大拉緊力盡可能的小。在最理想的狀況下是，彈簧在滿足預(yù)緊拉力的情況下，彈簧拉伸后，彈簧拉力不變，但是在現(xiàn)在普通的機械彈簧式實現(xiàn)不了這一要求的，這樣就只能選擇最合適的彈簧參數(shù)以滿足彈簧拉力在彈簧拉伸時，拉力盡可能的變化小。 3.4 機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 在此類爬行機器人的設(shè)計中，我們要注意的一個關(guān)鍵點就是機構(gòu)的連貫協(xié)調(diào)動作的完成，特別是機械手的協(xié)調(diào)動作、機械手和軀干 曲柄連桿機構(gòu) 之間的協(xié)調(diào)動作。而機械手之間的協(xié)調(diào)動作又要依賴于曲柄連桿機構(gòu)、凸輪擺桿機構(gòu)之間的協(xié)調(diào)動作。 在此機器人的設(shè)

51、計中，采用了SolidWorks2010來進行機器人結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)的確定。特別是上移動凸輪和下并聯(lián)盤形凸輪的設(shè)計，它們都要依靠曲柄、連桿的相對運動以及工作范圍來確定尺寸參數(shù)，而曲柄、連桿的尺寸參數(shù)的設(shè)計又依賴于它們的運動規(guī)律和機構(gòu)整體的尺寸。 電機的選型及參數(shù)選擇 在機器人的設(shè)計中，電機的選擇很重要，對于爬行機器人而言，電機的結(jié)構(gòu)和傳動形式都是機構(gòu)設(shè)計所需要考慮的重要方面。如圖3.6所示機器人結(jié)構(gòu)原理簡圖中，電機主軸應(yīng)該垂直下盤形凸輪安裝。 作為一個爬行機器人，在滿足設(shè)計要求的前提下，機器人各部件的相關(guān)參數(shù)如尺寸、形狀等對機器人的整體的穩(wěn)定性都有著至關(guān)重要的影響。電動機作為機器人攀爬的

52、動力源和主要部件之一，它的尺寸、形狀也影響到機器人其它相關(guān)部件的尺寸。從結(jié)構(gòu)的緊湊性方面考慮，在電機傳動軸向上，直角電機比標(biāo)準(zhǔn)電機占用更小的空間。 經(jīng)比較選用廈門精研自動化元件生產(chǎn)的直角減速電機 標(biāo)準(zhǔn)電機+直角中實減速箱 作為機器人攀爬的動力源，如圖3.8所示。 該類型電機減速比為1：3-1：180可調(diào)，只需要選擇不同減速比的直角減速箱即可，當(dāng)加上一級中間減速箱后，減速比可達1：200-1：1800。只需轉(zhuǎn)換接線開關(guān)，電機即可正反轉(zhuǎn)。功能部件設(shè)計模塊化，可直接疊加。整個機構(gòu)外殼由鋁合金制作，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，密封性、潤滑性都比較好。 電機正反轉(zhuǎn)接線如圖3.9所示。將開關(guān) sw 切換至 cw

53、側(cè)，電機順時針旋轉(zhuǎn)；將開關(guān) sw 切換至ccw側(cè)，則電機逆時針旋轉(zhuǎn)。這里旋轉(zhuǎn)方向是指面對電機輸出軸端，順時針旋轉(zhuǎn)為cw，逆時針旋轉(zhuǎn)為ccw。 1.電機主軸；2.直角中實減速箱；3.標(biāo)準(zhǔn)電機：4.接線盒 圖3.8 直角減速電機 圖3.9 電機正反轉(zhuǎn)接線圖 電動機作為機器人攀爬的動力源和主要部件之一，它的結(jié)構(gòu)尺寸也影響到機器人其他相關(guān)部件的尺寸，直角電機相對標(biāo)準(zhǔn)電機特殊的空間結(jié)構(gòu)尺寸也是筆者選擇它的一個主要原因。 圖3.10 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線 在精研電機的直角減速可逆電機系列中，各電機的外形一致，尺寸隨電機的功率參數(shù)變化不大，電機各配件基本實現(xiàn)通用，電機的組裝簡單，在某部分出現(xiàn)故障

54、時也可迅速更換或維修，節(jié)約工作時間和成本，這也是模塊化設(shè)計的一個主要原因。初步選用25w直角減速可逆電機。型號為80YR25GV22。 電機80YR25GV22轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線如圖3.10所示，日常所用交流電為220V/50HZ，在電機轉(zhuǎn)速約為0-1000r/min范圍內(nèi)，電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線近似成線性關(guān)系。 機器人本體的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計 查閱相關(guān)文獻，查找國內(nèi)目前做爬桿機器人的案例，分析其優(yōu)點和缺點。綜合考證，設(shè)計出自己的一套可以實現(xiàn)爬桿功能的機器人，完成機器人的機構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后經(jīng)過多次方案修改完善，變直徑桿攀爬機器人的機械空間結(jié)構(gòu)初步設(shè)計如圖4.4所示。 1.電機連接件；2.

55、導(dǎo)桿 右 ；3.上機械手連接臂 左 ；4.上機械手連接臂 右 ； 5.機械手；6.橡膠；7.導(dǎo)桿 左 ；8.滑套；9.移動凸輪；10.彈簧；11.連桿； 12.曲柄；13.并聯(lián)盤形凸輪 左 ；14.并聯(lián)盤形凸輪 右 ；15.彈簧； 16.下機械手連接臂 左 ；17.下機械手連接臂 右 ；18.電機。 圖3.11 機器人爬行部分外觀圖 爬行部分主體結(jié)構(gòu)為2根長約為400mm的鋁合金管 具體尺寸可隨時在模型中修改，批量生產(chǎn)可以用硬塑料管代替 作為機架和機器人上部滑動的導(dǎo)桿 2 、 7 ，同時作為旋轉(zhuǎn)部分的軸，結(jié)構(gòu)緊湊、零件多功能。以導(dǎo)桿 2 、 7 為轉(zhuǎn)動軸和固定支架，其上下分別設(shè)置有上

56、、下機械手連接臂 3 、 4 、 16 、 17 ，兩對機械手連接臂 3 、 4 、 16 、 17 以剪刀方式交叉安裝，以導(dǎo)桿 2 、 7 為轉(zhuǎn)動軸，其上裝有機械手 5 ，分別為上、下機械手；在上、下機械手連接臂 3 、 4 、 16 、 17 的另一端分別設(shè)置有預(yù)緊拉力彈簧 10 、 15 。預(yù)緊拉力彈簧 10 、 15 的作用是使機械手 5 產(chǎn)生足夠的摩擦力抱緊立柱。 在導(dǎo)桿 2 、 7 的下部設(shè)置有電機 18 ，其輸出軸上安裝有并聯(lián)盤形凸輪 13 、 14 和曲柄 12 。曲柄 12 通過連桿 11 與移動凸輪 9 相連。上機械手連接臂 3 、 4 裝在滑套 8 上，上機械手連接臂

57、3 、 4 又和移動凸輪 9 組成 移動 凸輪擺桿機構(gòu)，曲柄連桿機構(gòu)帶動機構(gòu)上部的 移動 凸輪擺桿機構(gòu)運動，實現(xiàn)機構(gòu)的上升和相對運動。 凸輪聯(lián)動機構(gòu)由兩套凸輪擺桿機構(gòu)構(gòu)成，其中：一套由上機械手連接臂 3 、 4 和移動凸輪 9 構(gòu)成，一套由下機械手連接臂 16 、 17 和并聯(lián)盤形凸輪 13 、 14 構(gòu)成，它們分別裝在導(dǎo)桿 2 、 7 的上、下部；通過曲柄 12 、連桿 11 將并聯(lián)盤形凸輪 13 、 14 、移動凸輪 9 連接起來，使整個機構(gòu)形成一個整體，上部的擺桿機構(gòu)在曲柄連桿機構(gòu)的作用下可以沿導(dǎo)桿 2 、 7 上下移動。在電機的驅(qū)動下，上、下機械手連接臂 3 、 4 、 16 、 1

58、7 擺動并帶動機械手 5 實現(xiàn)依次夾緊和放松的聯(lián)動。 減速電機 18 的回轉(zhuǎn)，驅(qū)動曲柄 12 及和曲柄 12 固接在一起的并聯(lián)盤形凸輪 13 、 14 轉(zhuǎn)動，推動下機械手連接臂 16 、 17 擺動，實現(xiàn)下機械手 5 的抓緊和松開；與此同時帶動與連桿 11 固接在一起的移動凸輪 9 上下移動，推動上機械手連接臂 3 、 4 擺動，實現(xiàn)上機械手 5 的抓緊和松開；最終準(zhǔn)確實現(xiàn)機械手 5 的要求的協(xié)調(diào)動作和機構(gòu)整體的蠕行式爬行。 抓緊機構(gòu)尺寸參數(shù)的確定 如節(jié)4.1中所述，作為管外爬行機器人，結(jié)構(gòu)的緊湊性顯得很重要，這就要求我在結(jié)構(gòu)設(shè)計中一定要盡量壓縮空間，設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、穩(wěn)定的零部

59、件，在滿足要求的前提下，總裝在一起的各零件之間的空間間隔應(yīng)盡可能小。減速電機作為機器人上質(zhì)量最大的零部件，它的安裝位置對機器人整體穩(wěn)定性有著重大的影響。電機安裝位置如圖3.12所示。 圖3.12 電機、導(dǎo)桿位置尺寸關(guān)系 上、下機械手連接臂裝在導(dǎo)桿上，以導(dǎo)桿為旋轉(zhuǎn)軸，在預(yù)緊拉力彈簧拉力的作用下有夾緊的趨勢，當(dāng)電機帶動下盤形凸輪做回轉(zhuǎn)運動時，在擺桿擺動的同時，裝在擺桿機構(gòu)上的滾子就在凸輪上做環(huán)繞運動。當(dāng)凸輪大徑和滾子接觸時，機械手連接臂 剪刀角 角度張大，機械手松開立柱。 如圖3.13 a b 圖3.13下機械手松開時凸

60、輪、滾子位置關(guān)系圖 反之，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)到凸輪小徑到達滾子處時，機械手連接臂 剪刀角 角度減小，如果機器人處于爬桿狀態(tài)，則滾子懸空，不和凸輪小徑接觸，黑點虛線所圍區(qū)域為滾子的實際活動范圍，滾子的實際運動路線隨著機器人爬行的桿件直徑尺寸變化而自適應(yīng)，機械手夾緊立柱。 在攀爬桿狀城市建筑直徑范圍為D 140mm時，機械手連接臂繞導(dǎo)桿擺動角度范圍在4°以內(nèi)，為了給機器人往桿狀城市建筑上順利安裝 環(huán)抱 留有一定的余量，設(shè)計機械手連接臂繞導(dǎo)桿擺動角度范圍為8°。機械手連接臂繞導(dǎo)桿擺動角度示意如圖3.14所示，虛線為桿狀城市建筑的直徑范圍，雙點劃線為機器人在攀爬該直徑范圍時機械手和機械手連接臂鉸接軸的軸心

61、位置所在圓。將機械手連接臂設(shè)計成圓弧形是為了更加節(jié)省空間，使機器人整體結(jié)構(gòu)顯得更加緊湊。 圖3.14 機械手連接臂繞導(dǎo)桿擺動角度示意圖 如圖3.15所示，兩個導(dǎo)桿之間的距離為120mm，已經(jīng)為定值。在初始位置時，爬桿機器人的兩個下機械手處于夾緊狀態(tài)，其抓緊力是由彈簧提供的，所以其機械臂設(shè)計成剪刀的結(jié)構(gòu)形式，以保證在初始位置時夾緊。機械臂設(shè)計成圓弧形狀，一方面是為了節(jié)省空間，使機器人整體結(jié)構(gòu)顯得更加緊湊；另一方面，設(shè)計成圓弧形有利于機械手的抓緊，機械手的受力情況比較好。 a. 機械臂三維模型 b. 機械手連接臂設(shè)計尺寸 圖3.15 機械手連接臂設(shè)計 由于滾子裝在擺桿 機械手連接臂

62、 上，而擺桿的擺動方向垂直于凸輪的運動平面，滾子在凸輪上走的是曲線環(huán)，這樣凸輪的厚度就和 擺桿 機械手連接臂的尺寸聯(lián)系在一起、相互影響。其實在整個機器人的設(shè)計中，各部件的尺寸都是相互關(guān)聯(lián)的。在這里，考慮到制造加工的難度，把凸輪擺桿機構(gòu)中的擺桿分開設(shè)計成機械手連接臂和滾子連接件。因為廈門精研產(chǎn)直角減速可逆電機己模塊化，一定功率范圍內(nèi)尺寸一致，機器人攀爬桿狀城市建筑直徑范圍確定之后，確定好電機相對導(dǎo)桿的安裝位置如圖4.5所示，即可聯(lián)合設(shè)計凸輪、機械手連接臂、滾子連接件的尺寸。 凸輪的設(shè)計一定要保證滾子曲線全部在凸輪的寬度范圍內(nèi)，用Solidworks2010建模的一個好處就是可以運動模擬仿真、隨

63、時動態(tài)修改模型尺寸參數(shù)。上、下凸輪機構(gòu)均采用此方案設(shè)計即可。在凸輪機構(gòu)的設(shè)計中，滾子的半徑的選擇也很主要，要保證從動件的運動不失真，應(yīng)要求滾子的半徑盡量小。對于力封閉直動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)，回程壓力角可相對大些。綜合動態(tài)設(shè)計出機械手連接臂、滾子連接件和凸輪的尺寸。 傳動機構(gòu)尺寸參數(shù)的確定 機器人各機構(gòu)之間不能有干涉，在用SolidWorks2010建模裝配后進行運動模擬，如果有零件裝配干涉或者在運動過程中發(fā)生干涉，模擬軟件就會有報警提示，這樣就可以很容易發(fā)現(xiàn)發(fā)生干涉的部分。曲柄、連桿的尺寸和電機結(jié)構(gòu)、尺寸之間有著緊密的聯(lián)系，利用SolidWorks2010就可以很容易得到曲柄連桿機

64、構(gòu)中曲柄、連桿之間的長度關(guān)系。 傳統(tǒng)的曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計方案中，一般取時為搖桿滑塊機構(gòu)。的機構(gòu)傳力特性好。 r―曲柄長度； l―連桿長度， e―偏心距。 本例中，無偏心，e 0。如上所述，機器人各機構(gòu)之間不能有干涉，滑塊在運動過程中不能觸及電機的頂端，它們的前提是： mm 3.1 在設(shè)計機構(gòu)時考慮的一個重要因素是結(jié)構(gòu)的緊湊。在這里，預(yù)選曲柄長r 60mm、連桿長l 220mm，加上滑塊 上移動凸輪 的尺寸補償，這樣就可以滿足式 3.1 的要求。 曲柄滑塊等傳動機構(gòu)尺寸如圖3.16所示。 圖3.16 傳動機構(gòu)尺寸 在本機器人凸輪機構(gòu)的設(shè)計中，我們首要應(yīng)該保證的是

65、凸輪的升程壓力角和遠休止角，回程壓力角在安全范圍內(nèi)可以選擇盡可能大，這樣回程角就可以盡可能小。曲柄、連桿的長度和下并聯(lián)盤形凸輪的尺寸參數(shù)確定后，就可以設(shè)計上移動凸輪的相關(guān)尺寸了，因為機器人在攀爬的過程中要保證有且只有一對機械手一直處于夾緊狀態(tài) 在機械手抓緊狀態(tài)換置時可以2對機械手同時抓緊 ，所以對于一定直徑范圍內(nèi)的路燈桿，下并聯(lián)盤形凸輪的升程角是一個范圍。而在回轉(zhuǎn)凸輪擺桿機構(gòu)的滾子行過凸輪升程角時，上夾爪應(yīng)處于松開狀態(tài)，上移動凸輪機構(gòu)應(yīng)有一個空行程過程，對于變直徑桿爬行而諾言，這個空行程也是一個范圍。在設(shè)計機器人的傳動機構(gòu)時一個重要的注意點就是在滿足凸輪許用壓力角條件： 的前提下，確定凸輪的升

66、程角和回程角。對于移動從動件，升程許用壓力角當(dāng)要求凸輪尺寸盡可能小時，可取回程時，通常受力較小且一般無自鎖，回程許用壓力角。 對于上、下凸輪機構(gòu)，綜合抓緊機構(gòu) 上、下機械手抓緊裝置 和傳動裝置中的曲柄滑塊機構(gòu)即可確定出上、下凸輪機構(gòu)的尺寸關(guān)系。定好凸輪和導(dǎo)桿的相對位置關(guān)系，即可綜合設(shè)計出凸輪的升程S、厚度以及凸輪擺桿機構(gòu)中的滾子連接件的尺寸。 爬桿機器人是利用彈簧預(yù)緊力實現(xiàn)夾緊，在預(yù)緊力一定的情況下，移動凸輪和盤形凸輪的小徑盡量小；而當(dāng)凸輪和移動凸輪運動到大徑處時，機械臂擺動，帶動爪子擺動，實現(xiàn)松開動作，凸輪大徑盡量大。為了設(shè)計方便，將盤形凸輪和移動凸輪的大、小徑設(shè)計為相等的尺寸。 S R-r 3.2 計算得到凸輪的升程S 30mm 移動凸輪的長度如何確定呢，在這里就是h的數(shù)值，在這里，移動凸輪也有一個升程壓力角 和升程，和路燈桿的直徑尺寸范圍有關(guān)，必須由路燈桿的直徑尺寸范圍和移動凸輪的升程壓力角綜合確定出上移動凸輪長度時，上移動凸輪和下并聯(lián)盤形凸輪才算是協(xié)調(diào)配合。 如圖3.17 圖3.17 機器人運動示意圖 移動凸輪的升程和盤形凸輪的升程相等。凸輪的高度h可