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爬杆作业机器人设计-攀爬爬树系列机械手【10张CAD图纸和毕业论文答辩资料】

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上机械手固定板.dwg

固定板.dwg

圆柱齿轮轴.dwg

大圆锥齿轮.dwg

电气图.dwg

直齿圆柱齿轮.dwg

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编号：1041028 类型：共享资源大小：2.23MB 格式：RAR 上传时间：2017-02-28 上传人：好资料QQ****51605 IP属地：江苏

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关键词：: 作业功课机器人设计 10 cad 图纸

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摘要

在市政工程中，有大量的安装及维修等工作需要爬杆作业。对于较粗的杆件，人工攀爬和工程车作业都比较方便，但是对于一些直径较细，强度较小的杆件比如路灯杆等，人工攀爬较为困难。因此本文设计了一爬杆机器人，可以在没有障碍的光杆上爬行，对人工攀爬较难的作业具有较大的现实意义。

本文设计的爬杆机器人由曲柄滑块机构、并联盘形凸轮机构、移动凸轮机构以及上下机械手爪等组成，通过弹簧的预紧力来实现机器人手爪对杆的抱紧，通过曲柄滑块机构、凸轮机构等实现攀爬动作，同时机器人只需一个驱动源就能带动整个机器人的运动，能攀爬变直径的杆，工作简单可靠，运动灵活，可以广泛应用于各种高空作业。

关键字：爬杆机器人，变直径杆，夹紧，攀爬

ABSTRACT

In the municipal engineering, there are a large number of installation and repair work needed to climb rod operation, For the coarse bar, artificial climbing and vehicle operation is convenient, artificial climbing is difficultfor for some small diameter low strength member such as a road lamp pole,so this paper designs a pole climbing robot,which can crawl on no obstacle bar,it has great practical significance for artificial climbing

The pole climbing robot consist of songCrank slider mechanism, parallel plate cam mechanism.moving cam mechanism, the robot tight the wallHold by the spring pretightening force.so as to realize Climbing action. at the same time the robot can drive by a robot motion and at the same time all devices were designed perfectl. In this text.its mechanism electric control principle and various features .it can be widely applied to various kinds of high-altitude operation.

Key words：pole-climbing robot， variable-diameter pole sepal， pole-climbing

1绪论 1

1.1研究目的 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究内容 3

1.4设计要求 4

2爬杆作业机器人总体方案设计 5

2.1机械方案设计 5

2.2电气控制系统设计 7

2.3小结 8

3机械系统设计 9

3.1减速机构设计 9

3.2曲柄滑块机构设计 17

3.3凸轮机构的设计 23

3.4机械手爪设计 24

3.5电动机选择 26

4电气控制 28

4.1系统论述 28

4.2直流电机单元电路设计与分析 29

4.3直流电机PWM控制系统的实现 36

5结论与展望 43

参考文献 44

致谢 45

1绪论

1.1研究目的

目前全国日益加快的现代化建设步伐随着我国经济的快速增长、人民生活水平日益不断提高，城镇中随之矗立起无数的高层建筑，各类集实用性与美观性一体的市政、商业工程诸如电灯杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等，它们的直径通常在5—30米，有的甚至高达百米，壁面多采用油漆、电镀、玻璃铜结构等，由于常年裸露在大气之中，风沙长年累月的积累会因此而形成灰尘层，酸类物质污染从而影响城市的美观，同时空气中混合的酸性物质也会对这些城市建筑特别是金属杆件造成损坏，加快它们的生锈过程，并缩短它们的使用寿命，因此需要定期进行壁面维护工作。

在市政工作中，主要是通过人工工作的因此，存在着很多问题，特别市政工作中的清洗工作许多都要人工清洗，在一些高空建筑上的清洗如果人工清洗就会造成很大的危险性，而在一些具有化学试剂或者有毒物质的工作环境中，就会对人产生很大的危险性，这无形中增大了市政工作的成本，而且有可能对坏境造成二次污染，对周边环境造成影响，而如果使用高压水枪，其成本更加高，而其使用范围也不宽，只局限于一些高空无遮挡的物体，同时水枪必须安置在空旷的位置否则会影响周边的日常生活。

另外，对于较粗的杆件，人工攀爬和工程车作业都比较方便，但是对于一些直径较细，强度较小的杆件比如路灯杆等，人工攀爬较为困难。应用带升降机的工程车进行作业，作业成本较高，而且对于狭窄的胡同，工程车难以进入，造成作业困难，因此本课题拟设计一爬杆机器人，可以在没有障碍的光杆上爬行。对人工攀爬较难的作业具有较大的实际意义。

1.2国内外研究现状

从功能上讲，爬杆机器人无非包含基本的行走功能和辅助的作业功能 (例：喷涂、检测、缠绕和修复等)，纵观这些国内外管道外机器人的行走工作原理，不外乎以下几种：基于自锁或静摩擦原理的气动蠕动式机构；基于滚动摩擦原理的螺旋爬升机构；基于克服动摩擦直线行走的机构；基于移动副和转动副的关节式爬行机构；基于并联机构的并联式爬行机构。下面将介绍几种典型的爬杆机器人。

图1-1螺旋式爬杆机器人

要求及原理.gif

图1-2自动喷涂爬杆机器人

(1)螺旋式爬杆机器人如图1-1所示

机器人抱紧在管壁上，通过驱动导轮实现在管壁上的运动，其抱紧力即预紧力是通过用专用螺母扳手调节螺母，从而实现调节抱紧弹簧的压力，使机器人获得足够的抱紧力，如果机器人的工作坏境发生了变化，可以根据不同的管径，选择支撑架上不同的连接孔，从而可以得到要求的抱紧力。

该机器人的载荷量比较大，运行也较为平稳，同时可以适合不同的管径，但他的不足之处就在于，只能够运行在连续性的管道上，而对于非连续性的管道，该机器人就无法工作。

(2)自动喷涂爬杆机器人

工作时，先必须调节机器人的下体位置，把机器人全部放在要进行工作的管道上，当完成了机器人的连接固定后启动机器人行走机构，机器人在管道上开始行走，同时配合喷枪的往复运动，实现对管道的自动化喷涂。

该机器人的特点：结构较为简单，而且可靠性较高，能够代替人工操作，这样可以实现对管道的自动化喷涂，但由于其结构的局限性，并适合变直径的管道。

1.3研究内容

经过仔细研究分析后认为，人在爬杆或爬树的过程中，人的运动具有很好的参考价值，如图1-3所示，人在爬升的过程中，一般是先两脚夹紧，然后身体上移，再收腿，整体上移，往复动作，从而爬升的过程

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内容简介：: 1 上海电机学院本科生毕业设计（论文）中期检查报告姓名周益学号 081002070725 指导教师赵爽专业机械电子工程学院 /系机械学院毕业设计 (论文 )题目爬杆作业机器人设计课题来源 /项目编号题目自拟课题有无变化无有变化原因中期报告（已完成的研究内容，所取得阶段性成果，下一步工作计划和研究内容等）一、已完成的内容： 1、电机的选型以及减速箱的相关设计 2、曲柄滑块机构、凸轮机构的设计 3、爬杆机械手的设计 4、绘制总装图二、下一步工作内容： 1、修改总装图及零件图。 2、完成控制部分的设计 3、按学校规定的格式撰写整理计算说明书，准备最终答辩。学生签名：周益 2012 年 6 月 6 日 2 指导教师意见 : 该生接到毕业设计任务书后，通过查阅文献资料，确定了总体方案。随后对方案的机械传动部分如曲柄滑块机构，凸轮机构，减速部分以及机械手抓等进行了设计计算与选型，并画出了总装图，但总装图较粗糙。望该生在接下来的一段时间里，抓紧时间，细化完善图纸、补充零件图和部件图，完成爬杆作业机器人设计的控制部分设计，画出控制原理图，撰写论文等工作。指导教师签名：年月日学院（系）意见审查结果：通过不通过院长（系主任）签名：年月日摘要在市政工程中，有大量的安装及维修等工作需要爬杆作业。对于较粗的杆件，人工攀爬和工程车作业都比较方便，但是对于一些直径较细，强度较小的杆件比如路灯杆等，人工攀爬较为困难。因此本文设计了一爬杆机器人，可以在没有障碍的光杆上爬行，对人工攀爬较难的作业具有较大的现实意义。本文设计的爬杆机器人由曲柄滑块机构、并联盘形凸轮机构、移动凸轮机构以及上下机械手爪等组成，通过弹簧的预紧力来实现机器人手爪对杆的抱紧，通过曲柄滑块机构、凸轮机构等实现攀爬动作，同时机器人只需一个驱动源就能带动整个机器人的运动，能攀爬变直径的杆，工作简单可靠，运动灵活，可以广泛应用于各种高空作业。关键字：爬杆机器人，变直径杆，夹紧，攀爬 n a of to is is as a so a on no it he of by as to at by a at In it be to of 录 1 绪论未定义书签。究目的未定义书签。内外研究现状未定义书签。究内容未定义书签。计要求未定义书签。 2 爬杆作业机器人总体方案设计未定义书签。械方案设计未定义书签。气控制系统设计未定义书签。结未定义书签。 3 机械系统设计未定义书签。速机构设计未定义书签。柄滑块机构设计未定义书签。轮机构的设计未定义书签。械手爪设计未定义书签。动机选择未定义书签。 4 电气控制未定义书签。统论述未定义书签。流电机单元电路设计与分析未定义书签。流电机制系统的实现未定义书签。 5 结论与展望未定义书签。参考文献未定义书签。致谢未定义书签。 1 上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题爬杆作业机器人设计学院（系）机械学院专业机械电子工程年级学号姓名周益导师定稿日期： 2012 年 1 月 6 日 2 爬杆作业机器人设计 1 选题背景及其意义随着国民经济的飞速增长，人民生活水平的提高，城镇中随之矗立起无数电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索等高层建筑。这些高层建筑壁面多采用油漆、电镀、玻璃铜结构等，长期以来会形成灰尘层，酸污染影响城市的美观，同时空气中混合的酸性物质也会对这些城市建筑特别是金属杆件造成损坏，加快它们的生锈，并缩短它们的使用寿命，需要定期进行壁面维护工作。它们通常高 5，有的甚至高达百米，会给操作人员带来不便和危险。因此本课题拟设计一爬杆机器人，可以在没有障碍的光杆上爬行，代替人工进行这些高空危险作业，从而把人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来。具有良好的经济效益和社会效益。 2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）机器人技术是近 30 年来迅速发展起来的一门综合学科。它综合了力学、机构学、机械设计学、计算机工程、自动控制、传感技术、电液驱动技术、人工智能、仿生学等学科的有关知识和最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就。尤其是进入 80 年代以来，机器人技术的进步与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开发、研究列入国家高新技术发展计划。移动机器人作为机器人学的一个重要分枝，其研究工作始于 20 世纪 60 年代。移动机器人的最成功应用是自动化生产系统中的物料搬运，用于完成机床之间、机床与自动仓库之间的工件工具传送。移动机器人的运动灵活性能，大大增加了生产系统的柔性和自动化程度。现在，移动式机器人的研究开发除上述应用外，还涉及许多其他应用领。如在建筑领域完成混凝土的铺平、壁面的装修、检查和清洗：采矿业中行隧道的掘进和矿藏的开采、农林业中从事水果采摘、树枝修剪、圆木搬运；军事上用于探测侦察、爆炸物处理。福利方面进行盲人引导，病员护理等。爬行机器人是机器人大家族中的一员，爬升机器人因为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动，完成特定条件下的作业，区别于平面移动机器人，故爬升机器人是机器人领域的一个重要研究分支，从运动方式上来表征的一种机器人，形式是多种多样的。从动力源进行划分，主要分为机械式和气动式两大类。从有无控制系统的层面进行划分，主要分为普通型和智能型两大类。普通型就是只有动力源、执行机构，智能型相比普通型还有 (反馈 )控制机构。最早开始研究且研究最多的是爬壁机器人，适于高层建筑、水力发电大坝等 3 垂直壁面和大球形表面上的危险作业。对于管道外壁表面，已有车轮移动形、姿态可变形、尺蠖形和多关节形机器人，用于石油、化工企业等多为水平管线上的检查和诊断，且牵引力较小。爬行机器人并不少见，但是通常来说，这类规器人大多采用多足来进行移动或是使用腹部的摩擦表层来左右扭动前进。更主要的是，平常的机器人，因为体积或行动方式的影响，不能到一些特殊的地方进行工作，比如说管道，壁面等等特种用途的领域。国内外很早就对爬行机器人进行研究工作，获得了丰硕的成果。目前，国内外提出的一些依附于杆体表面的自动爬行机构主要有电动机械式爬杆机器入、电动液压式爬秆机器入和气动蠕行式爬杆机器人。电动机械式爬行器是由电动机带动链轮、带轮、齿轮驱动夹紧杆体的前后轮向同一方向转动，依靠行走轮与杆体的摩擦力使爬升器沿杆体上升下降。螺旋运动爬升机器人的爬行动作是由轮子的安装位置决定的，轮子滚动方向与水平面成一定角度，这样轮子转动时它在杆体上形成的是螺旋轨迹，沿此轨迹通过电动机的正反转，该机构便可实现上升和下降运动。电动机械式爬杆机器人和螺旋线运动爬杆机器人都是以电动机带动滚轮压紧杆体，依靠此摩擦力带动整个机器人沿杆体上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全运作，且机器人总体机构较复杂。气动蠕行式爬杆机器人用气缸驱动机构实现交替夹紧和移动，其向上爬行时气缸动作一个周期的过程为下部汽缸夹紧，上部汽缸松开，提升汽缸活塞杆伸出，上部上升；上部汽缸夹紧，下部汽缸松开，提升气缸体上升，下部上升。如此反复，机器人就可以连续爬行。对于气动蠕行式爬杆机器人，其上升和下降运动由实现由气压控制，需要气源和气动控铡系统，因此其设备成本较高。日本是机器人制造王国，它拥有世界上最多的机器人。在 2005 年 5 月 10 日展出的日本新能源产业技术综合开发机构 (术开发机构 )机器人周 (2005 年 6 月 9 日 19 日 )期间，在长久会场内的展中心举办的“机器人样机展”，其中实机演示的 5 种机器人中有三种是移动机器人：分别是移动跳跃机器人、脚轮式移动机器人和水陆两用蛇形机器人。国内有苏州工业职业技术学院的曹建东等发明的气动爬杆机器人（如图 1、2 所示），其工作台上分别设有左，右轨道固定支架，固定支架之间设有运行轨道杆，其特点是：运行轨道杆上穿设有左，右滑动导向固定块，两滑动导向固定块上各安装双杆伸缩爬行气缸，由此可实现机器人在轨道上自动来回爬行运动。 4 图 1 气动爬杆机器人的构造示意图图 2 气动爬杆机器人的俯视图。图中标记为： 1 左轨道固定支架； 2 缓冲块； 3 左推紧气缸； 4 压紧块； 5 左滑动导向块； 6 方形固定块； 7 双杆伸缩爬行气缸； 8 右滑动导向固定块； 9 推紧缸固定块； 10 方形运行轨道杆； 11 固定三角件； 12 左限位固定块； 13 滚轮式行程开关； 14 导条； 15 传感器固定块； 16 定位传感器； 17 右限位固定块； 18 电磁阀组合； 19 I/O 信号接口； 20 工作台； 21 导线传输链； 22 导条固定块； 23右推紧气缸； 24 右轨道固定支架此外还有山东建筑大学机电学院于复生的“一种气动爬杆机器人” （如图 3所示）。这种气动机器人，属于机械制造领域。该爬杆机器人是由水平夹紧气缸，汇流板和电磁阀组件，加强支架，连接块，后顶杆，侧杆，前顶杆，垂直气缸，支架组成。水平夹紧气缸其外筒的前端牢靠地安装在支架上，其活塞的前端通过联接块与后顶杆相连，后顶杆的两端有销子插在侧杆的中间，在水平夹紧气缸的带动下，后顶杆可前后移动。前顶杆通过螺钉和销钉与侧杆联接，其一端可方便地拆卸，以把机器人要爬的杆件包揽入内。加强支架通过螺钉与上下四根侧杆。汇流板及电磁阀组件，支架紧固地联接起来，构成了机器人的整体结构。这种气动爬杆机器人具有结构简单，可爬杆直径适用范围大，使用方便等优点。 5 图 3 爬杆机器人结构图 123457893 研究内容该课题主要针对直径 150右的杆，且保证在全负载情况下应该能够保持 100mm/s 左右的运行速度，除此之外总重应该不得超过 5时得以保证最大的灵活性和最底的能量消耗。而且机器人的传动系统应该具有自锁机构以克服重力的影响。该机器人包括夹持机构、移动机构、驱动机构等组成。夹持部分有上、下两个机械手组成。通过上、下机械手的交替夹紧来实现爬杆机器人的支点定位和蠕动。移动部分采用连杆机构，驱动部分采用电气驱动。结构示意图如图 4 所示。图 4 爬杆机器人结构示意图 6 4 研究方案欲使机器人在杆上自由移动，必须具备两种功能：贴附功能与移动功能。贴附方式有吸附式和夹持式两种，运动方式有轮式、履带式、腿式及蠕动式。这些不同的方式可以进行多种组合，构成多种风格的机器人。附方案吸附式是通过面接触方式紧贴于壁面上，夹持式是靠点夹紧在杆上。吸附方式又有真空吸附和电磁吸附之分，其中真空吸附式用的比较多，因为它对壁面的要求不十分严格；电磁吸附承载能力大，有很强的适应能力，但其应用范围窄，需要杆件壁面含有电磁场可吸附的含铁、钴、镶等材料。各种贴附方式的优缺点和比较如表 1 所示。表 1 爬行机器人贴附方案的比较贴附方式概要特点夹持式机械手由夹紧力产生的摩擦力使机械手夹紧在杆体上能适应任何壁面吸附式真空吸附真空泵设置许多吸盘，由真空泵装置产生吸附力，使机器人吸附在壁面上可实现小型、轻量化，无需附加供气装置，但要求壁面有一定平滑度喷射器在本体上安装喷嘴，由喷射器经喷嘴将压缩空气喷出。其周围形成真空，吸附在壁面上能效低、噪音大，且需要供气装置，但可以达到高真空度，对壁面适应性强电磁吸附永磁体由永磁体产生吸附力，吸在壁面上吸附时不需终部能量，但只适用于导磁性壁面的吸附电磁体电磁铁通电将其吸附在壁面上吸附时需要电能，也只适用于导磁性壁面的吸附动方案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。此外，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如表 2所示。 7 表 2 爬行机器人移动方案比较移动方式优点缺点轮式移动速度快，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，承载能力大，移动速度快，适应能力强。履带磨损大，结构复杂，机动性差。腿式越障能力强，承载能力大，机动性好，具有很强的壁面适应能力。结构复杂，间歇移动，速度慢，关节和足数多，控制复杂。蠕动式承载能力大，运动平稳，控制简便，适应能力比较强。运动速度慢，结构复杂。力系统比较目前对于机器人的动力系统可以采用电气驱动、液压驱动、气压驱动等不同的方式。不同的动力系统其有不同的特点，根据不同的工作环境和应用场合，按照具体的要求来选择最适合的动力系统可以达到预定的目标。气压驱动的优点是响应速度快，结构简单，控制方便；缺点是功率质量比较小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器入在任意定位时，位姿精度不高。气压驱动不可避免的存在漏气的问题和气压装置体积较大，这一点不符合本爬行机器人的工作空间的要求，不适合在本系统中使用电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，反应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动己经成为最普遍，应用最多的驱动方式，符合本系统要求。所以选择电气驱动的方案。案选择综合上述几种方案的优缺点。本课题拟设计一种爬杆机器人，它的工作对象为城市杆状建筑，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，本设计采用仿生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。尺蠖蠕动式爬行具有很多优点，可实现在运动方向上任意长的距离提升重物，能获得更大的锁紧力，从而可传送较重的物体，结构简单紧凑、运行平稳，控制简便，具有较高的技术经济效果。器人爬行原理分析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 8 体工作。从图 5、 6 中可以看出，机器人的爬行动作原理可分为以下 5 步： 1) 在初始状态 1 时，下机械手夹紧、上机械手松开； 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，并推动下机械臂摆动，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，及状态 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 5 中可以看出，减速电机每转动一圈，机器人整体向上爬行一次。图 5 机器人运动过程图图 6 机器人结构原理图 9 气设计根据设计要求，系统可以划分为几个基本模块，如下图所示。对各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案机驱动调速模块驱动电路采用 H 型桥式宽调制驱动形式，如图所示。电路主要由大功率三极管三极管 8050 和光电耦合器等元件组成。该驱动电路可控制电机的正转、反转和停止 5 进度计划 2011 年 12 月 012 年 1 月：收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告。 2012 年 1 月 012 年 2 月：开始总体设计，完成机械部分，传动部分设计。完成总装配图，纸 1 张，完成部分零件图纸 3 张等。 2012 年 2 月 012 年 3 月：完成电气控制部分设计，完成电气控制系统图，纸 1 张，撰写说明书。 2012 年 3 月 012 年 4 月：中期答辩 2012 年 4 月 012 年 5 月：编写毕业论文。 2012 年 5 月 012 年 6 月：毕业答辩准备和答辩。 10 6 参考文献 1张海洪，谈士力，龚振邦，等壁面自动清洗机器人清洗工艺分析 J 机电一体化， 2001 (1)： 12王园宇，武利生，李元宗壁面清洗机器人发展趋势浅析 J引进与咨询，2002 (4)： 33蒋新松机器人学导论 M辽宁：辽宁科学技术出版社， 1994： 12 18 4郭洪红西安电子科技大学出版社 5濮良贵 . 机械设计 J2006. 67杨存智）机器人的研制 J2003.（ 4）： 18方建军何广平，智能机器人机电一体化 2 9 张国平，杨杰，高婧宇爬壁机器人真空吸附及运动方式探讨 J液压气动与密封， 2007 (1)： 110贾延林主编模块化设计 M北京：机械工业出版社 1993： 4511 ，， . of a 2001： 7712蒋新松 M辽宁：辽宁科学技术出版社， 1994： 13 E. . in 13 (1), 49 60 (1997). 14 T. H. G. K. . An 15 纳威 M学出版社 ,2003. 16 龚振邦等编著 M子工业出版社 ,1995. 11 指导教师意见指导教师签名：年月日 12 开题答辩小组意见 1、论文选题：有理论意义；有工程背景；有实用价值；意义不大。 2、论文的难度：偏高；适当；偏低。 3、论文的工作量：偏大；适当；偏小。 4、设计或研究方案的可行性：好；较好；一般；不可行。 5、学生对文献资料及课题的了解程度：好；较好；一般；较差。 6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力：好；较好；一般；较差。 7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力：好；较好；一般；较差。 8、对论文选题报告的总体评价：好；较好；一般；较差（在相应的方块内作记号“”）建议结论评议小组组长签名：评议小组组员签名：年月日爬杆作业机器人设计 I 摘要在市政工程中，有大量的安装及维修等工作需要爬杆作业。对于较粗的杆件，人工攀爬和工程车作业都比较方便，但是对于一些直径较细，强度较小的杆件比如路灯杆等，人工攀爬较为困难。因此本文设计了一爬杆机器人，可以在没有障碍的光杆上爬行，对人工攀爬较难的作业具有较大的现实意义。本文设计的爬杆机器人由曲柄滑块机构、并联盘形凸轮机构、移动凸轮机构以及上下机械手爪等组成，通过弹簧的预紧力来实现机器人手爪对杆的抱紧，通过曲柄滑块机构、凸轮机构等实现攀爬动作，同时机器人只需一个驱动源就能带动整个机器人的运动，能攀爬变直径的杆，工作简单可靠，运动灵活，可以广泛应用于各种高空作业。关键字：爬杆机器人，变直径杆，夹紧，攀爬爬杆作业机器人设计 n a of to is is as a so a on no it he of by as to at by a at In it be to of 录 1 绪论究目的内外研究现状究内容计要求 2 爬杆作业机器人总体方案设计械方案设计气控制系统设计结 3 机械系统设计速机构设计柄滑块机构设计轮机构的设计械手爪设计动机选择电气控制统论述流电机单元电路设计与分析流电机制系统的实现结论与展望考文献谢杆作业机器人设计 1 1 绪论究目的目前全国日益加快的现代化建设步伐随着我国经济的快速增长、人民生活水平日益不断提高，城镇中随之矗立起无数的高层建筑，各类集实用性与美观性一体的市政、商业工程诸如电灯杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等，它们的直径通常在 530米，有的甚至高达百米，壁面多采用油漆、电镀、玻璃铜结构等，由于常年裸露在大气之中，风沙长年累月的积累会因此而形成灰尘层，酸类物质污染从而影响城市的美观，同时空气中混合的酸性物质也会对这些城市建筑特别是金属杆件造成损坏，加快它们的生锈过程，并缩短它们的使用寿命，因此需要定期进行壁面维护工作。在市政工作中，主要是通过人工工作的因此，存在着很多问题，特别市政工作中的清洗工作许多都要人工清洗，在一些高空建筑上的清洗如果人工清洗就会造成很大的危险性，而在一些具有化学试剂或者有毒物质的工作环境中，就会对人产生很大的危险性，这无形中增大了市政工作的成本，而且有可能对坏境造成二次污染，对周边环境造成影响，而如果使用高压水枪，其成本更加高，而其使用范围也不宽，只局限于一些高空无遮挡的物体，同时水枪必须安置在空旷的位置否则会影响周边的日常生活。另外，对于较粗的杆件，人工攀爬和工程车作业都比较方便，但是对于一些直径较细，强度较小的杆件比如路灯杆等，人工攀爬较为困难。应用带升降机的工程车进行作业，作业成本较高，而且对于狭窄的胡同，工程车难以进入，造成作业困难，因此本课题拟设计一爬杆机器人，可以在没有障碍的光杆上爬行。对人工攀爬较难的作业具有较大的实际意义。内外研究现状从功能上讲，爬杆机器人无非包含基本的行走功能和辅助的作业功能 (例：喷涂、检测、缠绕和修复等 )，纵观这些国内外管道外机器人的行走工作原理，不外乎以下几种：基于自锁或静摩擦原理的气动蠕动式机构；基于滚动摩擦原理的螺旋爬升机构；基于克服动摩擦直线行走的机构；基于移动副和转动副的关节式爬行机构；基于并联机构的并联式爬行机构。下面将介绍几种典型的爬杆机器人。 12爬杆作业机器人设计 2 图 1杆机器人图 1杆机器人 (1)螺旋式爬杆机器人如图 1机器人抱紧在管壁上，通过驱动导轮实现在管壁上的运动，其抱紧力即预紧力是通过用专用螺母扳手调节螺母，从而实现调节抱紧弹簧的压力，使机器人获得足够的抱紧力，如果机器人的工作坏境发生了变化，可以根据不同的管径，选择支撑架上不同的连接孔，从而可以得到要求的抱紧力。该机器人的载荷量比较大，运行也较为平稳，同时可以适合不同的管径，但他的不足之处就在于，只能够运行在连续性的管道上，而对于非连续性的管道，该机器人就无法工作。 (2)自动喷涂爬杆机器人工作时，先必须调节机器人的下体位置，把机器人全部放在要进行工作的管道上，当完成了机器人的连接固定后启动机器人行走机构，机器人在管道上开始行走，同时配合喷枪的往复运动，实现对管道的自动化喷涂。 34爬杆作业机器人设计 3 该机器人的特点：结构较为简单，而且可靠性较高，能够代替人工操作，这样可以实现对管道的自动化喷涂，但由于其结构的局限性，并适合变直径的管道。究内容经过仔细研究分析后认为，人在爬杆或爬树的过程中，人的运动具有很好的参考价值，如图 1在爬升的过程中，一般是先两脚夹紧，然后身体上移，再收腿，整体上移，往复动作，从而爬升的过程。图 1本文设计的爬杆机器人就是仿照人爬树的原理，其结构组成包括夹持机构，由上下机械手爪组成，实现对杆的抱紧，通过上、下机械手爪的交替夹紧来实现爬杆机器人的支点定位和蠕动；移动机构，由连杆机构，凸轮机构，实现攀爬动作；驱动机构，整个机器人采用一个电机驱动，既减轻了重量，又满足了运动要求。结构示意图如图1示。 5爬杆作业机器人设计 4 图 1爬杆机器人结构示意图计要求该机器人攀爬直径为 100140直径杆，载重 5机器人在全负载情况下应该能够保持 100mm/s 的运行速度，且直立爬行机器人的传动系统应该具有自锁机构以克服重力的影响。爬杆作业机器人设计 5 2 爬杆作业机器人总体方案设计械方案设计本文设计的爬杆机器人攀爬的是 100140 变直径杆，本文设计的机器人仿照人爬树的原理，其结构组成包括夹持机构，由上下机械手爪组成，实现对杆的抱紧，通过上、下机械手爪的交替夹紧来实现爬杆机器人的支点定位和蠕动；移动机构，由连杆机构，凸轮机构，实现攀爬动作；驱动机构，整个机器人采用一个电机驱动，既减轻了重量，又满足了运动要求。结构示意图如图 2示。整个机体长约 250约 150约 400重不超过 5括电机重 3，爬行部分主体结构为 2根长为 400铝合金钢管（可以用硬塑料管或者其他轻型材料代替），作为机架和机器人上部滑动的导轨，同时作为旋转部分的轴，结构紧凑、零件的功能得到了扩展。在导轨和固定支架，分别设置有上、下机械手连接臂，两对机械臂以导轨为转动轴，其上装有上、下机械手爪。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。在导轨的下部安装电动机，在减速机构的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，通过曲柄连杆机构带动机器人上部和移动凸轮机构运动，来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，它们分别装在导轨的上、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。爬杆作业机器人设计 6 图 2以及机器人简图机器人的运动原理可分为以下几个部分： 1) 在初始状态 1 时，机器人下机械手夹紧，同时上机械手松开； 2) 电机回转，驱带动曲柄及和曲柄固接在一起的下并联盘形凸轮顺时钟转动，并推动下机械臂摆动，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走过空行程，在此过程上机械手抓紧，即状态 2.； 3) 电机继续回转，此时机器人上机械手夹紧，下机械手开始松开，机器人下部被运动到极限位置，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走过空行程，在此过程上机械手开始松开，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；从图中可以看出机器人每运行一周上升一次。爬杆作业机器人设计 7 图 2气控制系统设计考虑到机器人的驱动部分只有一个电机，而机器人的在运动过程中只有加速，减速，停止，启动几个状态，因此只需对电动机进行控制即可。控制部分拟采用直流电机制方案，在设计中采用片机作为整个控制系统的核心，单片机在程序控制下不断给光电隔离电路发送形在设计中，采用速方式，通过改变占空比来改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。直流电机制系统的主要功能包括：直流电机的加速、减速和电机的正转和反转，并且同时可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。同时，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。该直流电机系统由以下电路模块组成：振荡器和时钟电路：这部分电路主要由 80片机和一些电容、晶振组成。设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由 80片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和码显示部分。液晶显示部分由 1602块组成 ; 码显示部分由七段数码显示管组成。直流电机制实现部分：主要由一些二极管、电机和流电机驱动模块组成。 6爬杆作业机器人设计 8 图 2结该机器人在电机的驱动下能够实现上升和下降以及停止，同时也能够在运转过程中实现机器人的加速和减速的控制，机器人的整体结构主要通过曲柄滑块机构来实现联动，上下机械手通过曲柄滑块机构的联动来控制上下机械手的加紧和松开，同时直流电机通过单片机的控制转速，单片机与电机通过电机的驱动芯片连接，单片机控制驱动芯片输出的电枢电压来控制电机的转速。爬杆作业机器人设计 9 3 机械系统设计速机构设计根据已有条件确定传动方案为圆锥圆柱齿轮减速，原有条件为为保证机器人的移动速度 100mm/s，减速箱输出转速为 50r/机的额定转速为 710r/因此减速箱的总传动比为 15，其运动简图如下图所示：图 3由图可知，原动件为电动机，传动装置为减速器，减速器为展开式圆锥圆柱齿轮的二级传动动装置的运动和动力参数计算 (1)电机的类型和结构根据选好的电动机可知：该电机使用电压为 12，其具体尺寸如第一部分所示 (2)确定传动装置的总传动比和分配传动比总传动比为 15，按直齿轮圆柱齿轮传动比锥i=，则柱i=315=5 (3)计算传动装置的运动和动力参数 a 各根轴的转速 1n =710r/ 2n = 3710 = 3n= b 各轴的输入输出转矩：爬杆作业机器人设计 10 1119550m 传动效率为 1 1119550n m 传动效率为 229550n P 入= 传动效率为 229550n m 传动效率为 339550n m 传动效率为 339550n m 传动效率为传动零件的设计计算圆锥齿轮传动的设计计算 10r/齿轮的的转速为动比为 3，选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数 (1)按传动方案，选用直齿圆锥齿轮传动，齿形角，齿顶高系数 =1，顶隙系数 =旋角 =0，不变位。 (2)本机器人为一般工作机器，速度不高，故选用 8级精度。 (3)材料选择，考虑到齿轮的重量齿轮轮芯材料选用聚苯醚（又称该材料具有较高机械性能，尺寸稳定性好，高温下耐蠕变性是所有工程材料中最优异的，此外，聚苯醚还具有耐磨，无毒，耐污染等优点。轮缘采用 45钢，小齿轮材料为 40质），硬度为 280者材料硬度差为 404)选小齿轮齿数 =17，大锥齿轮齿数 =51 公式： 2 13122 . 9 2 (1 0 . 5 ) R （ 3 确定公式内的各计算值 (1)试选载荷系数 = (2)计算小齿轮传递的转矩。 =m1T*c* 11 (3)由表 10 =1。 (4)由表 10 = 。 (5)由图 10 =600齿轮的接触疲劳强度极限 =550 (6)由式 10 1N =60 )153 0 082(609 6 0 =10 992 102 9 01 4 N (7)由图 10 = (8)计算接触疲劳许用应力。取失效概率为 1%，安全系数 S 1，由机械设计书（ 10得： M P 4 06 0 1l i （ 3 M P 2l i （ 3 (9)试选得 1，以， =10) (11)计算小齿轮的分度圆，代入中的较小值得： 21 12)计算圆周速度 V 100060 11 t s （ 3 (13)计算载荷系数根据 =s， 8级精度，可查得动载荷系数 = 所以 =14)按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径： 3311 （ 3 (15)模数 3 212 31R vav K K H爬杆作业机器人设计 12 公式： 3 221211) （ 3 (1)确定公式内的各计算值查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 =500齿轮弯曲疲劳强度 =380 (2)查得弯曲疲劳寿命系数， (3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=， M P 111 （ 3 222 （ 3 (4)载荷系数 K=5)节圆锥角 01 rc ta n u （ 3 0102 5 6 (6)当量齿数 7c 11 Z（ 3 0222 56 1c （ 3 (7)查取齿形系数：，； (8)查取应力校正系数， (9)计算大小齿轮的并加以比较。 111 （ 3 2 13 222 Y= （ 3 大齿轮的数值大。 (10)设计计算 3 2201 133 合分析考虑，取 m= =(11)几何尺寸计算计算大端分度圆直径 =计算节锥顶距 R= 12 21 （ 3 大端齿顶圆直径（ 3 （ 3 齿宽： b= 轮传动参数设计已知小齿轮的转速为齿轮的转速动比 i=5, 度等级，材料及齿数 (1)择，小齿轮材料为 40质），硬度为 280齿轮轮缘材料为 45 钢（调质），轮芯材料选用聚苯醚，轮缘硬度为 240者材料硬度相差 40 (2) =17，则 =5*17=85 公式： 3 2 (3确定公式内的各计算值： 1711 11 RR421 1Z 2Z 0111 o o a 0122 5 6 o o 14 (1)试选载荷系数 (2)计算小齿轮传递的转矩 (3)选取齿宽系数 (4)查得材料弹性影响系数。 (5)按齿面的硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳极限。 (6)计算应力循环次数小齿轮： 81 6 0 6 0 4 7 3 . 3 3 1 ( 2 8 3 0 0 7 ) 9 . 5 4 2 1 0hN n j L (3大齿轮： 8 812 9 . 5 4 2 1 0 2 . 2 8 3 1 04 . 1 8NN u (3(7)查得接触批量寿命系数 (8)计算接触疲劳许用应力 1 l i m 11 0 . 9 7 6 0 0 5 8 2H L M P a M P (3 2 l i m 22 0 . 9 9 5 5 0 5 4 4 . 5H L M P a M P (3C 计算 (1)试算小齿轮的分度圆直径，代入 H 中的较小值得 3 2=3 22)计算圆周速度 v 1 0 0 060 0 060 11 t=s (3(3)计算齿宽 b=4)计算齿宽与齿高比 b/h 模数： 1d 001502 15 (3齿高： 2 . 2 5 2 . 2 5 1 . 8 6 4 4 . 1 9 4th m m m m m (3(5)计算载荷系数根据 v=s， 8 级精度，可查得动载荷系数， =查得查得使用系数 = b/h= 查得所以。 =6) 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径： 3311 (3(7) 计算模数按齿根弯曲疲劳强度设计公式： m 31212 F a (3确定公式内的各计算值 (1)查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度： (2)查得弯曲疲劳寿命系数 (3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=， 111 0 . 9 5 0 0 3 2 1 . 41 . 4F N F M P a M P (3 K122 1 16 222 0 . 9 3 3 8 0 2 5 2 . 41 . 4F N F M P a M P (3(4)计算载荷系数 K 1 1 . 1 1 1 . 2 1 . 4 1 . 8 6 5A v F K K K =5)查取齿形系数 (6)查取应力校正系数 (7)计算大、小齿轮的并加以比较。 111 2 . 6 5 1 . 5 8 0 . 0 1 3 63 0 7 . 1 4F a S ， 222 2 . 1 1 5 1 . 8 6 0 . 0 1 6 1 92 4 4 . 2 9F a S 大齿轮的数值大。 (8)设计计算 3 m=合分析考虑，取 m= =19，得 = =95 E 几何尺寸计算 (1)分度圆直径 =762)中心距 a a=3)齿宽 = =16 =20 验算 =5 齿轮类型：直齿圆锥齿轮（ ,齿形角，顶高系数，顶隙系数，螺旋角，不变位）。精度 8 级，小齿轮材 40质），大齿轮轮缘材料为 45 钢（调质），硬度分别为280 240 大端分度圆直径：小齿轮，大齿轮节圆锥顶距： R=圆锥角：，大端齿顶圆直径：，齿宽： 14数：， 51 模数 m=圆柱齿轮齿轮类型：直齿圆柱齿轮精度 8 级，小齿轮材 40质），大齿轮轮缘材料为 45 钢（调质），硬度分别为280 240 分度圆直径： =76心距： a=齿宽： 20 16齿数： 19， 95 模数： m=柄滑块机构设计电机带动曲柄转动，曲柄连杆机构又把运动传递到上机械臂，同时下机械臂也要做相应的动作来配合上机械臂的运动。因此曲柄连杆机构作为连接机器人上下机械臂的关键，它所做的运动仅仅是只是曲柄回转、连杆的摆动，在传统的曲柄滑块机构设计中，一般取 r+e r+e 时为摇杆滑块机构。当 r小 l 大的机构传力特性比较好。其中曲柄长度连杆长度偏心距本例中无偏心距， =0.，又机器人的机构之间不能有干涉作用，滑块在运动过程中不能触及电动机的顶端，由电机的尺寸图可知，它的前提是： 75+85=160 （ 3 00m 01 01 a a 21 z 1z1d 2d1b 2b1z 2zl 0110 20 1* 18 在设计时考虑的一个重要因素就是结构的紧凑性。在这里预选曲柄长为 =60杆长 =220上滑块的尺寸补偿，这样可以，满足上式的要求图 3假设曲柄的转速为 r/转一圈的时间为： 60（ 3 当曲柄转一圈时机器人上升 2r 即为 120 则机器人的移动速度： v=2 mm/s 又由要求可知机器人在全负载情况下能够保持 100mm/s 的运行速度所以应该保持在 50r/右。柄滑块机构对机器人的力学和运动模型进行分析 (1)能量和高应力状态下工作要求，因此需求结构的速度，以及力学性能分析，而曲柄滑块机构的主要受往复机械惯性力影响，曲柄滑块机构的惯性力包括三部分：曲柄旋转运动产生的离心惯性力；滑块往复运动产生的往复惯性力以及连杆平面运动产生的惯性力。因此本设计中采用双导杆结构 (2)构模型运动的振动和平稳进行评估（机构各部分的速度分析）爬杆作业机器人设计 19 图 3如上图所示，取 O 点为坐标原点， P 在 X 轴上的坐标为 x，用 x 表示滑块的位移，利用三角关系有一下式子： 2 2 2 2 c o sl r x r x （ 3 从而有以下式子： 222s i nc o s 1 rx r （ 3 代入数据： 26 0 c o s 2 2 0 1 0 . 0 7 4 s i （ 3 图 3使用件可得到该函数的模拟图象又：，故滑块的速度为 22c o ss i n 1 s i nd x d x t （ 3 t爬杆作业机器人设计 20 进而可以得到滑块的加速度： 2 2 4232 2 2 2( c o s 2 s i n ) c o s( s i n )d v d v r l t d （ 3 同时又由正玄定理： s in s ；（ 3 又摆角的表达式可表示为： a r c s i n ( s i n ) （ 3 对式 6 两次求导： c o s c o s c o r rd t d t （ 3 c o sc o l （ 3 222s i n c o s s i nc o t l （ 3 利用已知可以得出关于的关系式： 2 2 2c o ss i （ 3 2 2 2 22 2 2 2 3 / 2s i n ( )( s i n )d r l rd t l r （ 3 图 3爬杆作业机器人设计 21 至此，我们得到了滑块位移 x 有关的表达式和连杆摆角运动规律中有关变量的表达式。虽然我们得到了有关变量的解析式，但对于问题的解并没有达到要求，因 33较复杂，不易求解，于是可使用近似方法求解。将位移的表达式 4写为： 2 2 1 / 22c o s ( 1 s i n )rx r l l （ 3 一般而言，，于是利用麦克劳林公式： (1 ) 1 . . . . . 1 （ 3 可将滑块位移的模型 3似为： 2 21 2c o s ( 1 s i n )2rx r l l （ 3 从而滑块的速度和加速度可近似为如下： 111 ( s i n s i n 2 )2d x d x t d d t l （ 3 211 ( c o s c o s 2 )dv t l （ 3 摆角可以利用麦克劳林公式： 2a r c s i n . . ， 1 （ 3 得到摆角的近似模型：（ 3 得到近似角速度： c o l （ 3 近似角加速度： 2 212 s i nd rd t l （ 3 1/ 22 杆作业机器人设计 22 图 3从图中可以看出，在一个周期内，滑块的移动速度和连杆摆角的角速度曲线和加速度曲线都比较平滑、无拐点，没有出

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