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气缸 驱动 机器人 设计 含有 全套 cad 图纸 三维 建模 以及 论文

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of 997 997 A . . r. 7235 1 e on a is a It is to as by a 4 it to is in It is It is in of a in a is of a is of or a to a 2 , to be a is It is to be of a As of of to as An is it or An is it or to l. to is if a is to be to as or it is to be to a : or to to be a We so it be a he of in a to on a of to on a in no on 2 a 3 to of it is to an 4 is to 2 in 7 $ 1997 869 F 4, 2008 1:50 It of be to or a a an is to in to a of to a if is a is to it a to or 5. is to be on of to to to to is a a to a of in 6. of to of an 7 is of It of on of of It 8 to a a at s to 9 is to of an to to of as of an or on a on to it is to in : he is of a at in of is so as as a to a to is to to as as on a it is to on l on on is to be a by to a as by . to as , is 870 F 4, 2008 1:50 : ut on a : : of a of us to by an is to a As a is a by a at As is in a to in 00g he or of a on at or to to on a to a is on a on a 4 of is of is by a of in . is a be of is to a C on by a in a is a to a to a 871 F 4, 2008 1:50 : of is 0% of A of a is . on to it to , to to is to a to 0 to to in a or of is a of of is in as a to is if is is if fs is a to of a on he is on of is a to a in ). of a 1 - )o is an of , E) = P a(l - E) - b is t is a,b of o is of be is in in . in in A of is to a as in . as a of of in of is of of We by A a an by a is to a is to a of is to s a of A is as an to By of of a it is to a as to is no of so of is 5 a is by 1872 F 4, 2008 1:50 U U : A : to in to to of a by be by in to by to in is by to or It It to in to is by It to in to by a to It a of to or If is we a to If is we a in of to we we of to a a of to is It to is of no we in to of 6 of on a of is at 5 is 8 to to 0 to an to by 5 to a in to 7 46 is 8 to 873 F 4, 2008 1:50 N _. _ *n _- 7, 0 60 0 20 40 60 80 100 0 , ,- _- ,- ,- 5 40 - - 7 20 40 60 80 1W 20. 0 7 7 g , : 20 120 of is do is 4 of 7 he on up to 0 We to to be in suc 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论文 )外文资料翻译 系： 机械工程 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 朱海澄 学 号： 060104225 外文出处： 997 附 件： 指导教师评语： 签名： 2010年 3月 25日 注： 请将该封面与附件装订成册。 附件 1：外文资料翻译译文 基于 构攀岩检查机器人 阐述了我们对罗宾机器 人研究的进展 。罗宾 是一个在人造环境下工作的爬升机器人。它 可以 携带照相机或传感器到桥梁、房屋、航天器或船上来检查。这个机器人有两个真空管吸盘夹具由一个四自由度的机械装置连接在一起可以在表面上行走而且容许在相邻表面上的过渡行走。 罗宾 在几个领域有所创新。它是唯一的使用实现爬升的机器人。它在利用包含数控系统的爬升机器人上也有所创新。 罗宾 也是少数几个能够在曲面间过渡或从水平面到垂直面过渡的爬升机器人之一。 图 1： 罗宾 罗宾 ,如图 1 所示 ,是一种多用途 结构检测 工具 ,特别针对 于 人造环境 的检验 。最终目的 是成为 一个更大的结构检测系统 基础成分 。 由于 许多国家的基础设施年龄、检查和 大型人造的建筑的维修将会变得越来越重要。这个机器人和其他许多 攀爬 机器人将会成为安全 的 有效 的 衰老 基础设施检 测工具 ,如建筑、桥梁、飞机和船只。 当它 可以 携带 传感器 进入 危险地区 或 无法 到达的地方 ，从而使人类督察任务更加安全。 当 它执行 那些对于 人类的检查员来 说或 是太困难或者乏 味的工作时也是很令人满意的 1 。如果一个 结构攀岩 机器人是被用来攀登诸如桥梁或者飞机的复杂的结构， 则其在相邻 表面之间的转变过渡的能力是至关紧要的。此外，重 要的是登山机器人能 否 处理好各种带或不带 支撑点的表面类型 。这使得机器人是一个多用途检验 媒介 。我们目前正在开发罗宾， 以便 它 成为 一种低成本的人工环境检查 工具 。 前的攀登的机器人 最初 的墙壁爬上是平面的机器人，有第三的运动的最小限度的范围。这些机器人将只限于在一个设计好的平面上 运动， 并且大部分 机器人只 限于进入一个完全平坦的平面。这严格地限制条件限制了这些机器人只能在最简单的环境中使用， 各面的转换是不需要的并且表面上必须没有任何障。天空清洗机 2是商业开发为 清 洗摩天大楼 窗户的 系统。 3的开发是为 了检查圆柱壳 形状 的墙壁和含有放射性液体罐底部。如同许多其他的设计，它通过脐状的绳索连接到电源和控制系统。墙地面车 4与天空清洗机 2在基础的机械结构上非常相似。它有两个自由度，并可以采用真空吸头或磁装置 吸附在 表面。如果天空清洗机是笛卡尔的机制，这个机器人有一个极机制。有包含强大的永久磁体的被动式 脚座 和一个电磁铁用来取消永久磁场 以 举起脚 座 。即使是电力供应不足这种有磁性的脚依然能保持依附在一个平面上。连续动作的攀登机器人与天空清洗机有许多相似之处。然而，它还拥有一个特殊的结构能够使机器人用不到滚轮或吸盘却不 停的进行转化动作 5。这种机器人更倾向用在焊接船壳和那些需要持续动作的其他特殊 任务 。 一些攀爬机器人 应具有 在毗连平坦的表面之间做出转换的重要能力。 对用来检测诸如大楼这样复杂环境的任何机器人都应具有从地面移动到墙面，从墙面到天花板的能力。“ 核工厂检查员 ”机器人 是专门设计来检查一套在核反应堆的建筑物的房间 6是有史以来开发的一个最复杂的攀岩壁机器人。它有四条腿，每条腿都带有四自由度，并且在腿的下面都有一个吸盘。这种机制的机器人能容易地处理不平坦的表面上 的障碍。它能在表面之间转变并且使用不同的姿态和走的步态来过渡。塔涂装机器人 8是第一个以橡胶，气动执行机构为基础设计的爬壁机器人。 其 设计使用了其 在两端行成一个有夹具的平行机制。塔涂装机器人的尺蠖类蠕动，与核电厂检查非常相似。不幸的是，这种设计没有被实施。斯塔姆 9是最相似的罗宾设计。三个主要差异是缺乏 铰连接 膝关节，简单的真空装置用来连接机器人的表面和作为执行机构电动机来使用。斯塔姆第四可以步行穿过平坦的表面，转动，并进行内部转换。但是，膝关节的 缺乏无法执行外部的转换或跨越表面上的障碍。此外，此设计中 在两端使用一个真空杯装置 以支持机器人。虽然是在支持机器人，它是很敏感的在表面或其他表面性质形成裂缝。 图 2：行走中罗宾 罗宾机器人的基本的结构是在每一末端的带有两只脚的 铰接 腿。图 2显示了在行动中的罗宾机制。该机器人有四个自由度，其机制的设计，让机器人可以步行前进，后退以及转机。另外，罗宾可以从一个水平表面转移到的垂直表面并返回。过渡能力在检查人造结构时是很重要的。罗宾 机器人机构 可以 并能在平面行走中跨过障碍在内部（地上到墙上）和外部 （屋顶到外墙）实现转换， 罗宾打算在其背部装上照相机和其他的接触传感器，像脚上的电涡流探头 1，但目前的发展重点是提高本身的攀登手段。 器人的运动。 罗宾是一种“步行腿” 式机器人 , 通过对一只脚 固定 和加强对另一只 自由 脚的控制正如图 2 序列描绘的一样。如图 3， 机器人也可以从水平到垂直的表面转移 ，虽然控制软件还没有写入 这中情形。 图 3：水平面到垂直面的转移 图 4： 动肌肉 灵活的气动执行器，是罗宾的肌肉。这些驱动器重 量轻，并且是强有力，这是我们能够开发罗宾的技术之一。罗宾的 制是由一个非常简单的开关阀系统。 关节位置由 光学编码器 反馈 到刚度控制系统 ， 压力传感器反馈的 行器的 压力。如图 4所示 于软管膨胀，直径增加，纤维鞘保持几乎恒定的容量继而迫使 长度上缩短。罗宾上的 个重约300克，但几乎施加了 3 空脚 座 机器人的真空装置或 脚，是负责提供有力的支撑点用来走过任何角度或方向上的横断表面。多吸盘被用来 降低真空装置对表面裂纹的敏感度 。五个杯子放置的 形状如骰子上的 点。这些杯子分别被安排以实现最小的占位面积而留下足够的空间接触界杯之间的传播，当杯子紧紧的与地面接触时那种情况才会发生。图 5显示了机器人在墙上支撑自量。 图 5：罗宾在墙面的支撑 微控制器的网络用于罗宾的低级控制。每一个联合机制，每 个夹具都是由图 8所示的物理层控制器板集所控制。微控制器板是一种通用的设计，允许同一电路板可用于真空系统的控制和气动联合控制。这种微控制器的网络可以连接到 机上并运行包容结构控制器。低层次的步骤像压力和强度调整可以在微控制器上的网络上运行。 力控制 传统上， 罗 已非常庞大，笨重，昂贵的伺服阀控制。这就 对移动、爬行机器人中 应用 个重大问题，其中体重往往是首要关注的问题。 这些阀的使用将使 优点不再明显 。开 量轻、价位低，是传统电磁阀的替代品 ，但是 其带来更加 复杂的控制问题。利用电磁铁阀门对气动系统的成本和重量小于 40，是市面上 最轻的发现伺服阀。一 图 6： 动回路 个单 独的 动回路图示在图 6 中所展示。 机器人中有 8 个这样的回路用以控制四个关节 。吸入阀 v 给 气造 成它收缩，当出口阀向大气排除尾气时引起 驰 。 压力从一个压力传感器反馈到控制计算机。由于希望使 用脉冲或 入口和出口阀门被选定响应时间非常短 ， 少于 10毫秒。 有三种可能的控制措施：增加压力（进气阀 打开 ）后，保持压力（ 两个 阀关闭），减少压力（出口阀门的）。压力的变化率对进口，出口和内部的压力和阀流量参数的相对值 呈 非线性函数。另外， 气动系统中还有微小泄漏 ， 工作时会对系统产生干扰 。这个简单的阀门系统，只有 果压力低于目标的压力区进气阀门会打开，如果压力高于目标的压力区，出口阀则打开。两个阀门关闭时有一个小滞后区设定点附近爆炸控制器以防止爆炸 的过度振荡压力。阀门选择了非常小的流量，而且是对系统性能的主要限制。 节 刚度控制 刚度控制器是建立在压力控制器的顶部，并维持 很小 刚度来满足 一定的 约束 ，也就是使连接 关节的链条不至于从链轮滑落 。当膨胀时像是一个非线性空气弹簧， 弹簧伸长和收缩率伴随管的压力的变化而变化 。 缩 长度是 (1 - ) 最大长度。制造商列出一个等式，描述了 10： E,) = P a ( l - E) - b （ 1）其中 p 是压力， t 是收缩率， a， b 是 型的参数， 直径。一些 特性 可以从这个模型观测 ， 力 F 与压力 P 呈线性变化，与收缩率 呈非线性。 图 7：关节处连接 模型驱动器迟滞，其中部分来自于覆盖面和覆盖之间的纤维 绳线 管， 还有就是纤维层和轮管 绳子的摩擦。一个 用于转动 连接 作出如图 7所示。他们的工作很像动物的肌为对肌肉的屈伸。这是两 个 有施加收缩方向的力量。因此，这刚度对与每个关节每一个旋转方向是独立的。 对每个关节的气压校准相等的等量以实现刚度控制器 。一个文件包含一个位置和每 伴生的压力是由抽样程序 生成 的。这些数据是用于计算每个被用来生成编码的立场和压力值正常化表。此表 从 主机 下载到 每个关节的相关微控制器。刚度控制器然后设置每个编码器的位置 所需的最低压力值，从而使每个联合的一面达到最低链张紧刚度。刚度控制被作为添加到目前最低 值 的一个额外的压力值 ，对 一个张紧压力。通过增加关节的一边的刚度，其移动到一个位置 ，此处向边的 环境的力是平衡的关节移动式，命令产生一个附加力，因此新的链张紧力不断的加载 。新链张紧压力由于从命令中增加的刚度通过其范围不断地重新加载作为联合行动。由于没有实际的 刚度反馈 ，所以刚度 是开环控制 。 图 8：基于行动控制系统 罗宾利用基于行为受弧打击，使用的 于仲裁的 不象大多数行为系统，传感器数据带宽被保存所作建造行为，以便他 们要求最少信息。图 8 详细说明 基于行为控制 系统。 别 1 第一级包含了 脚步动作 ， 是整个系统的基础，用 以维持表面的吸力和运动。脚的行为通过启用该脚真空泵表面红外传感器探测来回应。这种低层次的行为可能被纳入上级的行为以便 于行走 。 别 2 第二级包括那些通过罗宾发送必要的刚度指令到指定的控制器关节的行进行为。这些行为包含了 协 同和扩展行为。扩展行为 由顺序动作引发，以运行或重置其状态。它将指定的刚度压力发送至 脚踝和膝盖关节控制器，以便 完成抬脚、伸膝、放脚动作。协同 行为，也 由顺序动作引起。它将指定的刚 度压力发送至 脚踝和膝盖关节控制器，以便 抬脚、屈膝、放脚。目标位置根据 规则为基础的位置控制算法 得到 ，先后预估必要的刚度值，以达到期望的位置。 计算 编码 器的位置决定何时增加或减少我们的接近 值。如果当前的位置 高于目标的位置 ，我们 向关节 传递 与 预期方向 相反的命令 ， 减少我们的近似刚度。如果当前的位置低于目标窗口，我们发送一个期望 的旋转方向刚度的联合控制，提高近似刚度。当我们的目标窗口内，我们输出近似刚度值。这种连续的近似方法，最终 使其稳定在目标窗口内 。 别 3 3 级是所有行为的最高优 权顺序 。此行为监控真空和膝盖的 位置，以确定罗宾目前在哪种状态。然后发出信号做出适当的行为。 由于硬件的局限性，此行为显得尤为重要。 罗宾还没有为了表面抽吸检测的 真空 传感器。因此，我们使用超时产生这种行 为 。 图 9：关节的步进 顺序 6 图 9显示在一个水平面上 直线行走机器人的动作指令的顺序和关节位置反馈。该图 通过两个步骤和它所期望的位置相比介绍了每个关节。实线虚线表明 理论 与实际的关节角度。 需要 注意 的是 ，这些目标的角度是 只有在对应的控制动作执行时才有效 。该步骤在两秒开始以 15度角实现其扩展目标。这是在 18秒时被实现并会导致打开膝盖扩到理 想角度 80 度。达到这个目标导致扩大然后降下对表面通过改变期望联接一目标到 45 度的一套开放，延长的自由装置。这个目标导致查出表面和使能真空的脚传感器，反过来，发信号序列行为对功能失效扩大并且使能收缩。开始移动联接三和四分别朝他们的 37 和 的期望位置直接收缩。在 38 秒结束做到这一点导致收缩关闭膝盖。联接的期望位置三和四是在这个膝盖收缩了之后他们不移动了。完成这个过程在 44秒，重新设置每一个下一步的行为状态。 7. 未来研究方向 该机器人目前倾向行走于平坦的表面或距垂直阶层最多不超过 30 度的倾斜表面。我们也 在想方设法给机器人开发更多在水平面到垂直面甚至背面的操作。将会有跟多高级的行为把正常的扩展和收缩行为用于直线行走。硬件优化列如大阀门端口将将允许更多的易感应的控制。我们也决定在脚上增加真空传感器已证实在下次行动之前达到吸入值。拥有这些增加的功能罗宾便在它将成为一个有用的机器人检查工具的道路上行进。 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 学生毕业设计（论文）中期检查表 学生姓名 朱海澄 学 号 060104225 指导教师 孙中圣 选题情况 课题名称 气缸驱动爬杆机器人的设计 难易程度 偏难 适中 偏易 工作量 较大 合理 较小 符合规范化的要求 任务书 有 无 开题报告 有 无 外文翻译质量 优 良 中 差 学习态度、出勤情况 好 一般 差 工作进度 快 按计划进行 慢 中期工作汇报及解答问题情况 优 良 中 差 中期成绩评定： 良 所在专业 意见： 负责人： 年 月 日 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论文 )前期工作材料 学生姓名 : 朱海澄 学 号： 060104225 系 ： 机械工程系 专 业 : 机械工程及自动化 设计 (论文 )题目 : 气缸驱动爬杆机器人的设计 指导教师 : 孙中圣 讲师 (姓 名 ) (专业技术职务 ) 材 料 目 录 序号 名 称 数量 备 注 1 毕业设计 (论文 )选题、审题表 1 2 毕业设计 (论文 )任务书 1 3 毕业设计 (论文 )开题报告含文献综述 1 4 毕业设计 (论文 )外文资料翻译含原文 1 5 毕业设计（论文）中期检查表 1 2010 年 3 月 注：毕业设计（论文）中期检查工作结束后，请将该封面与目录中各材料 合订成册 ，并统一存放在学生“ 毕业设计（论文）资料袋 ”中（打印件一律用 型）。 南京理工大学 紫金学院 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 朱海澄 学 号： 060104225 系 ： 机械工程系 专 业 : 机械工程及自动化 题 目 : 气缸驱动爬杆机器人的设计 指导者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 2010 年 5 月 孙中圣 讲师 副教授 郭钢 毕业设计说明书（论文）中文摘要 随着科技的进步，机器人已经日趋广泛应用于工业生产和日常生活中。随着经济的增长，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。长期以来怎样绿色环保、高效、低成本的解决这些集实用性与美观性一体的杆状城市建筑的清洗、维护问题，一直是环保工作者们研究的一个课题。 论文针对上述市政工程中需要大量爬杆作业的需求，研制出一种基于气动元件的爬杆机器人，该机器人有一定的载重能力，可广泛替代人工应用到市政爬杆作业中。在比较几类爬行机构的优劣的基础上， 确定了机器人本 体的大致结构 ,采用气动元件实现机器人的爬升运动，电机带动双向螺旋机构运动进行机器人手臂的夹紧。 随后根据路灯杆的尺寸数据，设计估算出机器人的各零部件的尺寸与质量，据此，确定气缸和电机的型号。最后，对各个元件进行校核验算，设计出爬杆机器人。 关键词 爬杆机器人 气缸 攀爬 仿生学 毕业设计说明书（论文）外文摘要 of by of in of a of as in to of is of a In a of on in It be in of on of of we of of to of of of of is 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名： 朱海澄 学 号： 060104225 专 业 ： 机械工程及自动化 设计 (论文 )题目 ： 气缸驱动爬杆机器人的设计 指 导 教 师 : 孙中圣 2010 年 3 月 19 日 开题报告填写要求 1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专 业审查后生效； 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于 15篇（不包括辞典、手册）； 4 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 7408 2005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2007 年 3 月 15 日”或“ 2007 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 引言 随着社会的不断发展，各行各业的分工越来越明细，尤其是在现代化的大产业中，有的人每天就只管拧一批产品的同一个部位上的一个螺母，有的人整天就是接一个线头，人们感到自己 的工作比较枯燥 ，于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作，因此人们研制出了机器人，用以代替人们去完成那些单调、枯燥或是危险的工作。 机器人是高级整合控制论、机械电子、 计算机 、材料和 仿生学 的产物 ， 是一种典型的机构和电控制结合的产物 ， 在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 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。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，因此爬杆机器人的研制一直是市政工程研究的热点。爬杆机器人与一般在地面上移动的机构有着很大的不同，因为它要克服重力 来工作 ，并依靠圆柱杆的表面上升，进行自主移动，完成特定条件下的工作。本文 主要是 介绍 一种适合于 在 圆柱杆 状物体表面 爬行 的气压驱动 爬杆 机器人。 1、 机器人的分类 机器人的种类多种多样 ， 从应用环境出发，将机器人分为两大类 :工业机器人、特种机器人。 或者分为两类 ： 制造环境下的工业机器 人、非制造环境下的服务与仿生机器人。 仿生机器人是未来机器人领域的一个发展方向，按仿生学角度来分可分为 ： 蝗螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机器人、蛇形机器人、尺镬式爬行机器人等。 按驱动方式来分可分为 ： 气动爬行机器人、电动爬行机器人和液压驱动爬行机器人等。按行走方式可分为 :轮式 1、履带式、蠕动式、多足式等。 按工作空间来分可分为：管道爬行机器人、壁面爬行机器人 2、球面爬行机器人、 陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机、空间机器人等。 按功能用途来分可分为：焊弧爬行机器人、检测爬行机器人、清洗爬行机器人、提升 爬行机器人、医疗机器人、军用机器人、助残机器人、巡线爬行机器人、玩具爬行机器人等。 根据不同的驱动方式和功能等可以设 计多种不同结构和用途的爬行机器人，如气动管内检测爬行机器人，电磁吸附多足式爬行机器人、电驱动壁面焊弧爬行机器人等，每一种形式的爬行机器人都有各自的应用特点。 2、 国内外研究现状 爬行机器人 345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。 最早开始研究且研究最多的是爬壁机器人 67，适于高层建筑、水力发电大坝等垂直壁面 89和大球形表面上的危险作业。对于管道外壁表面 8，已有车轮移动形、姿态可变形、尺镬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。 国内外的学者很早就对爬行机器人进行研究工作 ， 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人、电动液压式爬杆机器人和气动蠕行式爬杆机器人 91011等。 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 气 缸夹紧，上部 气 缸松开，提升 气 缸活塞杆伸出，上部上升 ;上部 气 缸夹紧，下部 气 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，其上升和下降运动的实现由气压控制，需要气源和气动控制系统，因此其设备成本较高。 国外有代表性的有东京大学研制的关节型行走机器人，可沿水平或垂直的直杆爬行，能跨越法兰障碍、平行杆 12，并可绕 T 型杆和 L 型杆爬行。 国内比较典型的有上海交通大学机器人研究所研究开发的一种斜拉桥缆索 涂装维护用气动蠕动式爬缆机器人 13，可在各种斜度的缆索上爬行，能完成缆索检测、清洗等工作，并具有一定的智能性。 清华大学研发设计的爬杆机器人采用自重式锁紧机构，机器人靠自重压迫钢球使滑块 (机械手 )锁紧在杆壁上，可以爬行较小范围的变直径杆，但该结构只可单向爬行 (从下往上或是从大直径处向小直径处爬行 )。该机构改进后可爬升和返回，但需要加上一套气动控制设备。目前要实现变直径杆的爬行和返回则只能依靠气动蠕行式爬行器来解决，其上升和下降由气压控制，设备成本较高。 电动机械式管外爬行机器人，国内比较典型的有陕西科技大学 14研制的管外爬杆机器人。 哈尔滨工程大学研发的沿桅杆或绳索爬行的机器人 15，采用曲柄连杆机构作为传动机构，机器人是由两个形状相似的圆形套筒内嵌有一对活动 V 型卡爪、一对槽型凸轮、铰链、压力传感器、连杆、镶嵌在顶部滑块四周的检测仪、电机等零部件构成。 3、目前主要存在的问题 由上面叙述可知目前国内外所设计制造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 16夹紧，由于凸轮机构的不可伸缩性，一个爬行器只能爬行特定直径的等直径的杆件。目前 要实现变直径杆的爬行则只能依靠气动蠕行式爬行器来解决，其上升和下降由气压控制，还需要气源和气动控制系统，因此其设备成本和维护费用较高。 目前国内外尚没有在此类爬行机构方面的深入研究。鉴于绿色和环保的需要，因此，有必要研发和制造一种利用简单的机械结构来替代繁琐的气动设备实现变直径杆的攀爬，同时在爬行过程中可携带其它清洁能源实现对路灯杆等杆状城市建筑的清洗作业的设备。 参考文献 1 蒋新松 . 机器人学导论 M. 辽宁：辽宁科学技术出版社， 1994. 2 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 邵浩 . 壁面清洗爬壁机器人 . 中国第五届机器人学术会议论文集 C. 北京：机械工业出版社， 1997： 1344 ， ， ， et J. 1999， 26（ 6） ： 4605 . of 003 :13726 赵兴飞，周忆，石崇辉 . 气驱爬壁机器人设计与计算 J. 机床与液压， 2003. （ 3） ： 17 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 . 1：18 吴功平，肖晓晖，郭应龙 . 架空高压输电线自动爬行机器人的研制 J. 中国机械工程， 2006， 17（ 3） ： 19 徐生，张立彬，杨庆华，等 . 气动蠕动爬杆机器人 J. 机械工程师， 2004. （ 3） ：210 杨存智 . 爬杆 (绳 )机器人的研制 J. 机电一体化， 2003， （ 4） ： 11 陈俊龙，张美琴，盛刚，等 . 继电器控制的爬杆机器人 J. 机电工程， 2005，22（ 9） : 112 Y. . of 995 1995： 85113 丁彩红，赵增梁，李恩光 . 爬杆机械手的原理性设计 J. 机械与电子， 2001. （ 6） 114 马光 . 仿生机器人的研究进展 J. 机器人 , 2001， 23（ 5） ： 46315 王军，任工昌，郑甲红 . 管外爬杆机器人抓紧装置 P. 16 刘桂珍，王怀奥，王立权 . 高空爬行机器人的机构设计 J. 佳木斯大学学报（ 自然科学版 ） ， 2007， 25（ 5） ： 2 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 爬杆机器人的使用将大大降低高层杆状建筑的清洗 检查维修 成本，改善工 人的劳动环境，提高劳动生产率。这种机器人的研制必将具有很大的社会效益、经济效益和广阔的应用前景。 本 课题旨在研发一种新型的、结构简单、经济适用、价格便宜、操作简便的适用于路灯杆等杆状城市设施可搭载清洗、维护设备的爬杆机器人，用以解决当前城镇中存在的影响市容的公共设施的清洗、维护问题。该机构要能保证良好的运行效果，低耗能高效率，绿色环保，节省人力物力。 从上述看来 所设计 的 机构 应该 能够 完成在圆柱状物体表面的爬升运动，该圆柱体状物体的直径在 10 30间。 欲使机器人在 圆柱状物体 上自由地 上下 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， 移动 方式有轮式、履带式、腿式及蠕动式四种。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。 要求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，要求有一定的承载能力、接触面积小、速度适中 。通过比较各种方案， 本课题设计使用夹持式的蠕动 爬行结构形式，该方案能基本满足我们设定的工作状况 ， 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。爬升靠气缸来完成，夹紧运动采用螺旋传动完 成。 设计内容包括电机的选择与计算 ，齿轮传动部分的计算与校核，螺旋传动部分的计算与校核，轴承副的选择与计算，连接件的设计与强度计算， 气缸的选型计算。 设计计算好各个结构的尺寸大小及型号之后，使用 成三维图的设计绘制工作。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 指导教师意见 ： 1对“文献综述”的评语： 2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教 师： 年 月 日 所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日 本科毕业设计说明书（论文） 第 I 页 共 页 目 录 第一章 绪论 1 论文研究的目的和意义 1 国内外研究现状以及存在的问题 2 机器人的分类 2 国内外 研究现状 3 目前主要存在的问题 4 本论文的研究工作 4 本章小结 7 第二章 爬杆机器人仿生 结构分析研究 6 仿生机器人概述 6 整体结构分析 7 贴附功能分析 7 移动功能分析 9 本章小结 10 第三章 爬杆机器人的结构方案设计 11 总体结构设计 11 夹紧装置分析研究 11 爬升动力系统分析研究 11 爬杆机器人运动原理 12 本章小结 13 第四章 主体尺寸参数的设计校核 14 爬杆机器人各零部件的尺寸估算设计 14 滑动螺旋 丝杠 传动的设计计算及校核 18 传动螺纹 类型的 选择 19 丝杠 耐磨性计算及选材 19 丝杠 校核验算 19 齿轮传动设计 21 齿轮类型、精度、材料及齿数 的选定 21 按齿面接触疲劳强度设计 21 按齿根弯曲疲劳强度设计计算 23 几何尺寸计算 25 轴承的选用 25 本科毕业设计说明书（论文） 第 共 页 直线轴承介绍 25 直线轴承的选用 26 联轴器 的选择 26 本章小结 28 结论 29 致谢 30 参考文献 31 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 32 页 第一章 绪论 文研究的目的和意义 随着我国国民经济的飞速增长、人民生活水平日益提高，城镇中随之矗立起无数的高层城市建筑，各类集实用性与美观性一体的市政、商业工程诸如电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等 (如 图 1它们通常 5 30米，有的甚至高达百米，壁面多采用油漆、电镀、玻璃钢结构等，由于常年裸露在大气之中，长时间的风吹雨打会影响到它的美观，同时空气中混合的一些污染物质也会对这些城市建筑特别是金属杆件造成损坏，使它们快速生锈，并缩短它们的使用寿命，需要定期对它们进行壁面清洗维护工作。 图 1杆状城市建筑物 为保持清洁 、美观 ，每年至少 对这些建筑 清 洗数次。目前传统的清洗技术主要有 人工清洗 (使用 化学药剂清洗 )和高压水枪清洗 等方法。其中人工清洗是由清洁工人搭乘吊篮进行高空作业来完成，高空作业 具有很大程度上的危险性，工作效率也很低，耗资巨大。化 学药剂中所用的去污剂具有很强的毒副作用会对人的健康造成 危害，并易造成 环境的 污染 。高压水枪清洗耗能比较大、成本高，在利用高压水枪进行清洗时，它的周边不能有车辆、行人通过，会影响交通 。其它高空作业诸如 :各种杆状城市建筑的油漆、喷涂料、检 查、维护，电力系统 架设电缆 、维修 等工作主要要通过 人工和大型设备来完成， 但它们都有效率低、劳动强度大、耗能高、 污染严重等 负面 问题。 随着机器人技术的出现和发展以及人们自我安全保护意识的增强，迫切希 望能用机器人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。开发能够实际运用的柱状爬杆清洗机器人，是很有意义的，具有良好的经济效益和社会效益。 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 32 页 爬杆清洗机器人的使用将大大降低高层杆状建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率。本课题旨在开发设计一种新型的、结构简单、经济适用、操作简便的适用于圆柱状 城市设施可搭载清洗、维护设备的爬杆机器人，用以解决当前城镇中存在的影响城市美观的公共设施的清洗、维护问题。 国内外研究现状以及存在的问题 机器人是人类新世纪的伟大发明之一，是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备，机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。机器人产业己成为当代应用最广泛、发展迅速的高 科技产业之一。机器人作为高技术领域的一个重要分支，将成为 21世纪各国争夺的经济技术的制高点。 机器人的分类 机器人的种类多种多样， 从应用环境出发，将机器人分为两大类 :工业机器人、特种机器人 或者分为两类 :制造环境下的工业机器人、非制造环境下的服务与仿生机器人。 仿生机器人是未来机器人领域的一个发展方向，按仿生学角度来分可分为 :蝗螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机器人、蛇形机器人、尺镬式爬行机器人 1等。 按驱动方式来分可分为 :气动爬行机器人、电动爬行机器人和液压驱动爬行机器人等。 按行走方式可分为 :轮式、履带式、蠕动式 2、多足式等。按工作空间来分可分为 :管道爬行机器人、壁面爬行机器人、球面爬行机 器人、陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机、空间机器人等。 按功能用途来分可分为 :焊弧爬行机器人、检测爬行机器人、清洗爬行机器人、提升爬行机器人、医疗机器人、军用机器人、助残机器人、巡线爬行机器人、玩具爬行机器人等。 根据不同的驱动方式和功能等可以设计多种不同结构和用途的爬行机器人，如气动管内检测爬行机器人，电磁吸附多足式爬行机器人、电驱动壁面焊弧爬行机器人等，每一种形式的爬行机器人都有各自的应用特点。 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 32 页 内外 研究现状 爬行机器人 3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。 最早开始研究且研究最多的是爬壁机器人 6适于高层建筑、水力发电大坝等垂直壁面 8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、尺镬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。 国内外的学者很早就对爬行机器人进行研究工作，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人、电动液压式爬杆机器人和气动蠕行式爬杆机器人 9。 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气缸夹紧，上部气缸松开，提升气缸活塞杆伸出，上部上升 ;上部气缸夹紧，下部气缸松开，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，其上升和下降运动的实现由气压控制，需要气源和气动控制系统，因此 其设备成本较高。 国外有代表性的有东京大学研制的关节型行走机器人，可沿水平或垂直的直杆爬行，能跨越法兰障碍、平行杆 12，并可绕 型杆爬行。 国内比较典型的有上海交通大学机器人研究所研究开发的一种斜拉桥缆索涂装维护用气动蠕动式爬缆机器人 13，可在各种斜度的缆索上爬行，能完成缆索本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 32 页 检测、清洗等工作，并具有一定的智能性。 清华大学研发设计的爬杆机器人采用自重式锁紧机构，机器人靠自重压迫钢球使滑块 (机械手 )锁紧在杆壁上，可以爬行较小范围的变直径杆，但该结构只可单向爬行 (从下往上或是从大直径处向小直径处 爬行 )。该机构改进后可爬升和返回，但需要加上一套气动控制设备。目前要实现变直径杆的爬行和返回则只能依靠气动蠕行式爬行器来解决，其上升和下降由气压控制，设备成本较高。 电动机械式管外爬行机器人，国内比较典型的有陕西科技大学 14研制的管外爬杆机器人。 哈尔滨工程大学研发的沿桅杆或绳索爬行的机器人 15，采用曲柄连杆机构作为传动机构，机器人是由两个形状相似的圆形套筒内嵌有一对活动 对槽型凸轮、铰链、压力传感器、连杆、镶嵌在顶部滑块四周的检测仪、电机等零部件构成。 前主要存在的问题 爬 行机器人并不少见，但是通常来说，这类机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。 由上面叙述可知目前国内外所设计制造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 16夹紧，由于凸轮机构的不可伸缩性，一个爬行器只能爬行特定直径的等直径的杆件。目前要实现变直径杆的爬行则只能依靠气动蠕行式爬行器来解决，其上升和下降由气压控制，还需要气源和气动控制系统，因此其设备 成本和维护费用较高。 目前国内外尚没有在此类爬行机构方面的深入研究。鉴于绿色和环保的需要，因此，有必要研发和制造一种利用简单的机械结构来替代繁琐的气动设备实现变直径杆的攀爬，同时在爬行过程中可携带其它清洁能源实现对路灯杆等杆状城市建筑的清洗作业的设备。 论文的研究工作 首先 查找资料 文献 ，研究分析国内外各种爬杆机器人的结构方案找出它们的优缺点。提出爬杆机器人的设计方案并 筛选 满足 本论文条件的爬杆 机器人。 本课本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 32 页 题的思路 以及 研究 过程如下： 1） 分析爬杆机器人各种结构模型； 2） 建立爬杆机器人的结构模型； 3）提出本论文爬行机器人的结构及设计方法、设计准则； 4）完成爬杆机器人的结构设计各部件尺寸设计； 5）零部件的校核计算； 6）爬杆机器人三维图的绘制。 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 32 页 第 二 章 爬杆机器人仿生的结构分析 研究 生机器人概述 仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。目前在西方国家，机械宠物十分流行，另外，仿麻雀机器人可以担任环境监测的任务，具有广阔的开发前景。二十一世纪人类将进入老龄化社会，发展仿人机器人将弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会 。 生物在经过了千百万年的进化之后，由于遗传和变异的原因，已经形成了从执行、感知、控制方式，一直到信息加工处理、组织方式等诸多方面的优势和长处。仿生机器人这门学科产生和存在的前提就在于，生物经过了长期的自然选择进化而来，在结构、功能执行、信息处理、环境适应、自主学习等多方面具有高度的合理性、科学性和进步性 17。而非结构化的、未知的工作环境、复杂的精巧的高难度的工作任务和对于高精确度、高灵活性、高可靠性、高智能性的目标需求则是仿生机器人提出和发展的客观动力。 图 2生机器人主要研究内容 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 32 页 仿生机器 人是机器人发展的最高阶段，它既是机器人研究的最初目的，也是机器人发展的最终目标之一。 仿生机器人 是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人 系统 18。从仿生学的角度来看，仿生机器人是仿生学技术的完美综合与全面应用。从本质上来讲，所谓“仿生机器人”就是指利用各种光、机、电、液等各种无机元器件和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有高级生命形态特征从而可以在未知的非结构化环境下精确的、灵活的、可靠的、高效的完成各种复杂任务的 机器人系统 19。 人爬树时（如图 2两脚夹紧树杆，两腿一蹬，两手抱住树杆上移，然后两手抱紧树杆，收腿提脚上移，一步步向上爬行，这就是本课题 所研究 的爬杆机器人在生物中找到的例子。 图 2树姿势 体方案分析 欲使机器人在壁面上自由地移动，必须具备两种功能 :贴附功能与移动功能。总的来说， 贴附方式有吸附式和夹持式 这 两种，运动 移动方式有轮式、履带式、腿式和 蠕动式 移动这四类 。这些不同的方式可以进行多种组合，构成多种风格 不同用途 的 爬壁 机器人。 附功能分析 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。吸附方本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 32 页 式又有真空吸附 20和电磁吸附 21分，其中真空吸附式用得比较多，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、钻、镍等材料。下面 的表 2 夹持式的贴附方式是运用机械手臂，由机械手的夹紧力产生的摩擦力使机械手夹紧在杆体上，这种方式的优点是能够适应任何壁面，对工作环境没什么特殊要求。 吸附式有真空吸附和电磁吸附两种，真空吸附又分为使用真空 泵吸附和喷射器吸附两种，电磁吸附 方式大致 有永磁体 吸附 和电磁体吸附两种，下面 在表 2一些 比较 介绍。 表 2附方式的比较 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，但要求壁面有一定的平滑度 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 对壁面 的 适应 能力 强 电磁吸附 永磁体 由永磁体产生吸附力，吸在壁面上 吸附时不需要外部能量，但只适用于导磁性壁面的吸附 电磁体 电磁体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 真空泵吸附是在吸盘上设置许多小的吸盘，由真空泵装置产生吸附力，是机器人吸附在壁面上，其特点是可以实现小型化、轻量化，但是对工作环境有一定要求， 壁面必须有一定的平滑度。喷射器吸附是在机器人机构上安装喷嘴，由喷本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 32 页 射器将空气压缩再经喷嘴喷出，使周围形成真空，从而吸附在壁面上，这种形式的机器人可以达到很高的 真空度，对壁面的适应能力也很强，但是工作噪音大，能效低，而且需要供气装置。 永磁体吸附的方式是由永磁体产生吸附力，吸在壁面上，吸附时不需要提供外部能源，但是只适用于导磁的壁面的吸附。电磁体吸附方式是将电磁铁通电使其吸附在壁面上，与永磁体吸附方式不同的是这种方式需要电能，而且可以控制磁体的通电，也是只适用于导磁性壁面的吸附。 动功能分析 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 技术 研究 ， 也有很多种移动方式可供选择， 对于 各种移动方案 优缺点 的比 较如下 ： 轮式的移动速度快，容易实现转弯，控制也方便，但是与壁面的接触面积小，容易打滑，越障能力较差。 履带式的接触面积大，承载能力大，移动速度相对其他方案快，对不同壁面的适应能力强，但是履带的结构复杂，机动性能差，工作时的磨损比较大。 腿式的机构越障能力强，承载能力也大，机动性能比较好，拥有很强的壁面适应能力，但是结构十分复杂，因为是间歇运动故速度慢，关节和各个腿脚的控制复杂。 蠕动式机 构的承载能力大，运动平稳，适应各种环境的能力比较强，控制也简便，但是结构复杂，而且运动速度也比较慢。 要求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 有一定的承载能力 、接触面积小、速度适中，适应能力强，能 够跨 越 一般的 障碍物。通 过比较各种方案，决定使用一种气缸驱动爬杆机构设计方案，该方案能基本满足课题所 设定的工作状况。在爬行机器人结构中 这种 爬行 结构 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，较同功能的其它机构，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，还可以根据使用要求，作 各种变形设计。 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 32 页 章小结 本章主要谈及机器人的运动原理 仿生及攀爬中的若干问题。第一节简要的概述了一下仿生机器人的起源和发展 以及它的一个主要研究内容， 第二节对机器人的 各种 贴附方案和移动方案进行了 详细的 介绍和比较，并简要的介绍了下本论文 所需要研究爬杆机器人在这方面 的要求等 。 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 32 页 第三章 爬杆机器人的结构方案设计 爬杆机器人的主要用途是作为杆上传送的载体，本体结构设计是爬行机器人的核心部分，要求承受一定的负载并能保持稳定的爬行动作。因此首要的目标是使机器人能够在较长的爬行距 离内安全可靠的爬行，在此基础上，进一步的使机器人移动灵活，结构简单，操作方便，满足一定的技术性、经济性要求。 体结构设计 本课题所设计机器人的运动方式其实是一种蠕动爬行，蠕动是一种周期性的动作，蠕动体的姿态呈现某种规律性的变化。我们所设计的爬杆机器人的本体部分主要由三个机械单元组成，分为上、下夹紧机构和传动机构，传动机构在中间分别与上、下夹紧机构相连接。上、下夹紧机构分别起着保持夹紧的作用，而躯干部分则起着上下推进的作用。 紧装置 分析研究 根据爬行机器人的运动特点，夹紧机构是关键，所产生 的夹紧力应能保证机器人在单步运动中一端夹紧在杆上，使机器人在单步工作中保持稳定，夹紧 合考虑机器人系统工作环境和性质，主要有两种夹紧方式 :机械式装置和 气 (液 )压式装置。 两种方式都能产生足够的夹紧力，各有其优点。液 (气 )压式夹紧装置夹紧力调节方便、工作状态稳定可靠，但需要液 (气 )源和液 (气 )动控制系统支持，体积庞大、噪音污染大并且其设备成本和维护费用较高。 对夹紧机构的要求是 :能产生足够大的夹紧力、 放松和夹紧收放自如、结构简单、运动可靠、质量轻。结合实际情况， 选用机械夹紧装置 ，夹紧装置的主体是一个双向 丝杠 ，由电机带动 丝杠 旋转， 具有自锁功能的 丝杠 产生的轴向力带动两个机械手臂相对运动，从而实现对杆体的夹紧。 升动力系统分析研究 目前对于机器人的动力系统有多种不同的选择方案，可以采用液压驱动、气压驱动等不同的方式 23。不同的动力系统 适用不同的工作环境 ，按照具体的要求来选择 合适 的动 力达到预定 目标。表 3不同的驱动方式的性能对照表。 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 32 页 表 3动方式性能对照表 项目 技术要求 动作速度 稳定性 驱动力 环境要求 控制距离 经济性 系统结构 使用维护 速度调整 气压驱动 较低 较快 较差 中等 适应性好 中等 便宜 简单 简单 容易 液压驱动 较高 较慢 良好 最大 不怕振动 短 较贵 稍复杂 较高 容易 电气驱动 较低 慢 很好 较大 一般 短 一般 复杂 简单 困难 液压驱动系统一般使用 2够产生很大的驱动力，但是其系统体积大，比较笨重，工作中有漏油的问题，而且维护起来比较麻烦，故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，直接获得所需 要求的机器人运动。 电气驱动具有易于控制，运动 精度高，响应快，使用方便，信号监测、传递和 处理方便 ，驱动效率高，不污染环境等诸多优点， 但是其动作速度慢，总体结构复杂，速度调整起来比较困难而且工作距离短，所以也没有选用电气驱动的方式。 气压驱动使用压力通常在 高可达 1压驱动响应速度快，结构简单，控制方便 ,价格便宜，使用维护起来相对液压驱动简单许多，综合 上面 各个方案的优缺点， 考虑到经济性、可靠性等多个方面， 选择气缸驱动 的方式来实现机器人的 上下攀爬 运动。 杆机器人运动原理 爬杆机器人的总体结构如图 3 结合图 3器人的爬行动作原理可分为以下 6步： 1） 下电机转动，带动下 丝杠 旋转，使手臂夹紧在圆柱杆上。 2） 上电机转动，带动上 丝杠 旋转，让上手臂松开。 3） 气缸向上推动，运动到指定位置后，停止运动保持。 4） 上电机转动，带动上 丝杠 旋转，让上手臂夹紧杆子。 5） 下电机转动，带动下 丝杠 旋转，使手臂松开圆柱杆。 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 32 页 6） 气缸收回，带动机器人下部分向上运动。 图 3杆机器人总体结构 上述为爬杆机器人的一个运动周期，每运行一个周期，机器人整体向上爬行一次，重复上面 6个步骤就可以实现机器人机械手之间的协调动作和机器人整体的攀爬运动 。 章小结 本章主要介绍了爬杆机器人的结构设计方案，第一节提出了机器人的大致总体结构构想，第二节对比分析了机械式和气、液压式夹紧装置，第三节对动力爬升系统进行了具体分析研究，第四节阐述了爬杆机器人的工作原理。 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 32 页 第四章 主体尺寸参数的设计校核 杆机器人各零部件的尺寸估算设计 在估算零件质量的过程中，忽略小孔及倒角、圆角，对 丝杠 作光杆处理，尺寸按较大方向来选取 。 板 为了减轻机器人的质量又能够达到工作所需要的强度，选用底板材料为铝合金，密度 32 g /c m ，底板结构及尺寸如图 4 图 4板 厚度为 15算底板的质量 31V 5 0 1 6 5 0 6 0 1 5 1 2 0 0 c 底 板 (m V 1 2 0 0 2 . 8 5 3 4 2 0 g 底 板 底 板(杠 要求所设计机构能够适应完成 10 30柱体的攀爬运动，经过设计计算初步将 丝杠 工作长度设计成 150径 32端长度各为 40径 20杠 材料选择调质 45 号钢，密度 3= 7 g /，弹性模量为 196206丝杠结构如图 4 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 32 页 图 4杠 估算 丝杠 的质量： 22332 3 . 2m 7 . 8 5 3 . 1 4 8 3 . 1 4 1 5227 . 8 5 g / c m 1 1 2 c m 8 8 5 丝 杆 丝 杆 (紧手臂 手臂材料选择钢材，密度 3= 7 g /； 夹爪于手臂之间用螺钉连接，其结构如图 4 图 4臂 3V 5 2 2 0 . 5 + 2 2 0 5 0 . 5 + 2 8 1 3 0 0 . 3 = 1 8 9 c m 手 臂 (m V 1 8 9 7 . 8 5 1 5 0 5 . 1 5 g 手 臂 手 臂 (机 电机质量估算 4000g 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 32 页 算上部分总质量 机器人上部分总质量： m m 2 m m 4 m 2 0 0 2 1 5 0 5 . 1 5 3 2 0 2 4 9 5 2 8 8 51 2 3 6 2 . 3 g 上 手 臂 底 板 板 蜗 杆电 机 (还有齿轮以及一些小零件（螺栓、橡胶片、联轴器等） 估 取 m 15缸 根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择 气缸 时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能 正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。 下面是气缸理论力的计算公式： 2 (气缸的工作效率为 85%，则气缸理论输出力 ： 150F = 1 7 6 . 4 7 8 5 (设气源压力为 2D 1 7 6 . 4 72 0 . 5； 计算得出 D= 查机械设计手册，选择 缸直径为 25气缸的结构及安装尺寸 如图 4 图 4缸 基本尺寸如下 （ ： 缸径 : 25 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 32 页 A: 22 B: 15 C: 58 D: E: 34 L: 120 算整体质量 M = 2 m + 2 m= 2 1 2 3 6 2 . 3 + 2 4 0 0 0 3 2 7 2 4 . 6 g 上 气 缸(估算选取 M=36 算工作所需夹紧力 摩擦材料选择橡胶，橡胶对铸铁摩擦系数 =， 2f=G , 360f= 1 8 0 ； f 1 8 0N 2 2 5 8 (所以工作所需夹紧力为 225N。 机的 选择计算与定型 电动机 俗称 马达 ，是一种将 电能 转化成 机械能 ，并可再使用机械能产生 动能 ，用来驱动其他装置的电气设备 。它是将电能转变为机械能的一种机器。通常电动机的做功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和控制非常方便，具有自起动 、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防 、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。 下面进行电机的计算选型，上文经过估算 已近计算得出，工作 所需的 夹紧力为 225N,则 1F a N 2 2 5 N(1a 225F 1 1 2 5t a n 0 . 2 N ( 计算工作所需电机转矩： 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 32 页 31111 1 2 5 3 2 1 0T 1 . 0 8 9 222m (图 4动机 根据转矩 查相关机械手册， 选取电机型号 40标准减速箱 ； 电机额定转速为 260r/定转矩为 ，质量 4外形、尺寸如图 4。 动螺旋 丝杠 传动的设计计算及校核 螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转化为直线运动或将直线运动转化为回转运动，同时传递运动或动力。螺旋传动根据螺纹副的摩擦情况，可以分为三类：滑动螺旋，滚动螺旋和静压螺旋。滑动螺旋构造简单、加工方便、易于自锁、但摩擦大、 效率低（一般为 30% 、磨损快，低速时可能爬行，定位精度和轴向刚度较差。静压螺旋实际上是采用静压流体润滑的滑动螺旋。静压螺旋传动效率可达 99%，但结构复杂，需要供油系统。滚珠丝杠传动是滚动螺旋传动的一种 ，其运动平稳，传动效率高，精度也很高，但结构稍显复杂且价格较贵。综合 起来看 ，本课题爬杆机器人的精度要求并不是很高，鉴于 构造简单及经济性原则， 选择滑动螺旋传动 来实现。 滑动螺旋传动的主要失效形式是螺纹磨损，因此螺杆的直径和螺母的高度通常是根据耐磨性计算确定。传力螺旋应校核螺杆危险截面的强度，青铜 或铸铁螺母以及承受重载的调整螺旋应校核螺纹牙的剪切和弯曲强度。要求自锁的螺杆应校核其自锁性。精密的传导螺旋应校核螺杆的刚度。当螺杆受压力，其长径比又很大时，容易产生侧向弯曲，应校核其稳定性，较长的螺杆而转速又较高时，可能产生横向振动，还应校核他的临界转速。 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 32 页 调整螺旋和部分传力螺旋要求自锁时，一般采用单头螺纹；为了提高传动效率以及要求较高的直线运动速度，可采用多头螺纹，以得到较大的螺纹升角和导程。 动螺纹选择 梯形螺纹工艺性好，切牙根强度高，对中性好，是最常用的传动螺纹，传动螺纹选用梯形螺纹，牙 型为等腰梯形，牙型角 =30 ，高径比 = 磨性计算及选材 丝杠 材料选用 45 号钢，螺母材料同样也选用 45 钢。查表得，许用压力P =3择 P =8擦因数为 择 f=耐磨观点计算 所需的中径， 2 F 1 0 0 0 d 0 . 8 = 0 . 8 =P 1 . 5 8 (根据（ 1986）选择 丝杠 标准公称直径 d=32丝杠 螺距 P=6顶间隙 中径 2d = d - 0 . 5 p = 3 2 - 0 . 5 6 =293 d = d - 2 h = 3 2 - 2 （ 3+=25 螺母高度 H= 2d =29=整成整数为 44母旋合圈数n=H/P=44/6= n 10足条件。 核验算 (1)自锁性验算： 要求自锁时， 当量摩擦角 ； =f/) = )= ( =32 = ，符合自锁条件，可以实现自锁。 (2)丝杠 强度校核验算： 在当量应力 2222334 30 . 2 时， 丝杠 强度通过。 查表计算得，许用拉应力： 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 32 页 0 . 2 5 0 . 2 5 3 6 0 9 0s M p a 32d 2 9 1 0t a n 1 0 0 0 t a n 8 . 2 5 3 . 7 8 3 . 422T F N m 2222332222430 . 24 1 0 0 0 3 . 43 2 6 . 8 03 . 1 4 0 . 0 2 5 0 . 2 0 . 0 2 5p a ( d ， 丝杠 强度验算通过。 (3)螺母螺牙强度校核验算： 查机械手册得，许用弯曲应力 ： 1 . 1 1 . 1 9 0 9 9b M p a (许用切应力 0 . 6 0 . 6 9 0 5 4 M p a (梯形螺纹 螺牙根部宽度 b： 0 . 5 0 . 5 6 3b P m m (梯形螺纹 螺纹的工作高度1H： 1 0 . 5 0 . 5 6 3H P m m (螺牙切应力的计算： 丝杠 31000 2 9 . 2 33 . 1 4 0 . 0 2 5 0 . 0 0 3 7 . 3 3F M p ad b n (螺母 41000 2 6 . 5 43 . 1 4 0 . 0 3 3 0 . 0 0 3 7 . 3 3F M p aD b n (丝杠 弯曲应力的计算： 丝杠 12233 3 1 0 0 0 0 . 0 0 3 1 7 . 3 7 93 . 1 4 0 . 0 2 5 0 . 0 0 3 7 . 3 3 p ad b n (本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 32 页 螺母 12243 3 1 0 0 0 0 . 0 0 3 1 3 . 1 6 63 . 1 4 0 . 0 3 3 0 . 0 0 3 7 . 3 3 p aD b n (丝杠 切应力 ，螺母切应力 ， 丝杠 弯曲应力 d，螺母弯曲应力 d；螺母螺牙强度校核通过。 (4)稳定性校核： 计算细长比34 查机械手册得，长度系数 34 4 0 . 5 1 5 0 1225 (40 ， 符合要求， 故无需校核 丝杠 的稳定性。 轮传动设计 齿轮传动是指用主、从动轮轮齿直接、传递运动和动力的装置。齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的 机械传动 。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。具有结构紧 凑、效率高、寿命长等特点。在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不远的两轴之间的运动和动力。 齿轮传动的特点是：齿轮传动平稳， 传动比 精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达 300m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。 定齿轮类型、精 度、材料及齿数 （ 1）按工作要求，选用直齿圆柱齿轮传动。 （ 2）大小齿轮的材料选用 40面淬火，表面硬度为 （ 3）因为表面淬火，轮齿变形小，采用七级精度。 （ 4）试选小齿轮齿数1 20z ，21 1 . 6 2 0 3 2 。 齿面接触疲劳强度设计 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 32 页 根据设计公式进行试算，即 3 21112 . 3 2 K T Z (确定上式中个参数 试选载荷系数 ； 小齿轮传递的扭矩为 31 2 1 0T N m m 查表，选齿宽系数 ； 查表，得弹性影响系数 1 8 9 ； 按齿面硬度中间值 得大、小齿轮的接触疲劳强度极限为 ： l i m 1 l i m 2 1170 p a 重合度系数 Z，断面重合度 ： 12111 . 8 8 3 . 3 2 c o 8 8 3 . 3 2 c o s 0 1 . 5 22 0 3 2 (4 4 1 . 5 2 0 . 9 0 933Z ( 计算应力循环次数 ： 9116 0 6 0 2 6 0 1 ( 3 0 0 1 5 8 ) 0 . 5 6 1 6 1 0hN n j L 次 (992 0 . 5 6 1 6 1 0 / 1 . 6 0 1 1 0N 次 ( 查图，得接触疲劳寿命系数 ： 计算接触疲劳许 用应力：取安全系数 S=1 ，则 H N 1 H l i m 1 0 . 9 2 1 1 7 0 1 0 7 6 . 41 M p ( H N 2 H l i m 2 0 . 9 5 1 1 7 0 1 1 1 1 . 51 M p (计算 ： 本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 32 页 设计公式中带入 H中较小的值，得 321132312 . 3 21 . 1 2 1 0 1 . 6 1 0 . 9 0 9 1 8 9 . 82 . 3 20 . 4 1 . 6 1 0 7 6 . 45 9 . 3 7K T Z ( 计算小齿轮分度圆圆周速度 ： 11 3 . 1 4 5 9 . 3 7 2 6 0 8 . 0 9 /6 0 1 0 0 6 0 1 0 0m s ( 计算齿宽 ： 1 0 . 4 5 9 . 3 7 2 3 . 7 4 8 m ( 计算齿宽与齿高之比 ： 模数11/ 5 9 . 3 7 / 2 0 2 . 9 6 8 5d z m m (齿高 2 . 2 5 2 . 2 5 2 . 9 6 8 5 6 . 6 8th m m m / 2 3 . 7 4 8 / 6 . 6 8 3 . 6 ( 计算载荷系数 ： 查图，由 v m s ， 7级精度，得 ； 查表，得 1 ， 1， ， ； 故，载荷系数 ： 1 1 . 1 2 1 . 1 1 . 4 3 1 . 7 2A V H K K K ( 计算模数 ： 11/ 6 0 . 8 9 / 2 0