步行式爬杆机器人设计

目 录作品内容简介 .1一、选题背 景 .2二、工作原理 .32.1整体工作原理 .32.2脚扣受力分析 .4三、具体结构设计 .63.1传动机构 .73.2执行机构 .83.3关键技术 .93.4自锁角控制摇杆的有限元分析 .93.5控制部分 .11四、电机选用 .134.1主电机的选用 .134.2辅助电机的选用 .14五、创新点 .15六、应用前景 .16参考文献 .171步行式爬杆机器人玩具设计说明书作品内容简介步行式爬杆机器人玩具主要分为基体和左右攀爬臂两部分。基体包括可扩展搭载平台、脚架、自锁角控制摇杆、导向柱和导向滑块等。其中，可扩展平台与两导向柱刚性连接；左臂和右臂结构相同，均主要由丝杠螺母机构和一对相互啮合的锥齿轮等零件组成，从而实现竖直方向的等径杆与变径杆攀爬。通过对该玩具的组装及控制不仅可以锻炼人们的动手能力，还能充分的开发人们的智力思维，可以毫不夸张地说本作品是一种具有划时代意义的新型玩具，是人们生活娱乐的新方式，极易于推广应用。图 1 步行式爬杆玩具机器人关键字： 仿人爬杆 自锁 玩具2一、 选题背景随着社会的发展，人们的观念不断地改变，玩具在人们的日常生活中发挥着重要的作用。据中国玩具协会统计，约 64%的成人消费者表示有兴趣购买适合自己的玩具，并且成人休闲益智玩具市场每年约值 500亿元人民币。传统玩具的市场日趋下滑，益智类、成人类玩具的需求量已不断呈现增长趋势。图 2 机器人玩具我国是一个玩具生产大国，但并不是一个玩具生产强国。在十几年的发展过程中，我国的玩具产业也暴露出了很多问题。与国际巨头相比，中国制造的玩具大多停留在中低档水平，附加值不高、新产品开发慢，产品主要以长毛绒和木制材料为主。国内玩具厂商大多数仍采用传统加工设备，设计能力薄弱，至今没有权威的玩具研究机构。多数厂家以仿制为主，很容易引起知识产权问题，特别是缺少知名品牌。在文化软实力日益重视的今天，一款好的玩具的诞生不仅能带来巨大的经济效益，还能代表着国家玩具事业的发展。从欧美、韩、日等国的发展经验中我们可以看到，现在玩具产业已经出现了向青少年玩具倾斜的趋势。在日本，青少年和成年人中至少有 84的人拥有玩具；在美国，每年玩具公司都有 40以上的产品是专门为青少年设计制作的。在玩具开发与设计中最主要的是创意，而创意来自于玩具开发人才的头脑。为此，专门设计的该款机器人玩具，旨在开发一种新型玩具，以其宽广的适应性，为人们的智3力开发、生活娱乐和创新性研究提供服务。二、 工作原理2.1 整体结构原理设计的步行式爬杆机器人玩具是依据现实生活中电力维修工人利用脚扣爬电线杆（如图 3所示）的原理而设计的。其中，顶杆与攀爬臂是实现攀爬动作的主要工作部件。机器人玩具的原理简图（上升与下降）如图 4、图 5 所示：图 3 脚扣图 3 脚扣图 4 爬杆机器人上升动作工作原理简图4图 5 爬杆机器人下降动作工作原理简图2.2 脚扣受力分析脚扣的稳定性是该设计方案可行性的关键。为此，对其抽象出数学模型并进行理论分析和证明，论证了机器人玩具攀爬的可行性。证明过程如下：设杆 、 两侧表面粗糙程度相同，则建立爬杆脚扣的力学模型如下图：AB图 6 脚扣受力分析图5设外力与脚扣重力为 ，重心位置距 点水平距离为 ；脚扣斜拉杆长为 ，与水平GAlL位置夹角为 ；直杆锥角为 ，杆在 点截面直径为 。建立平衡方程：2D垂直力平衡：(1) sincosincoBBAA NfNfG当 时：0BAf水平力平衡：(2) sincosincoABBA fNfN当 时：0BA力矩平衡：对 A点取矩有： ANfGBBM(3) )sin()cos(LLl脚扣斜拉杆长 与杆在 点截面直径 有：Dtasin(4) )cos(ticoDL当 时：0cstanDNfGlB爬杆脚扣处于平衡状态时，设 侧静摩擦系数为 ， 侧静摩擦系数为 ，则有：AABB(5)Af(6)BN6联立(1)(2)(3)(4)(5)(6)得方程组： BABBAA BANfDLLfGl fNNf)cos( )sin(icosi sco解得： tan2tatan)(n)(tan222lDllDl AAB 若 ，则：0llAABtt若 ，则：AlD2tan由此我们可以得到，当 越大时，所需的摩擦系数 越小，可行性得以证明。l 三、 结构设计步行式爬杆机器人玩具的总体结构图如图 7 所示：图 7 爬杆机器人总体结构图73.1 传动机构步行式攀爬机器人玩具的传动可分为两部分。一部分为机器人攀爬主运动，主要包括：蜗轮蜗杆机构、曲柄滑块机构以及安装于曲柄滑块机构上的齿轮传动机构等。利用安装在基体上的主电动机驱动蜗轮蜗杆机构（如图 8所示） ，通过与蜗轮连接的平台运动曲柄将动力传出，再通过齿轮机构把动力传递给与脚架轴连接的凸轮机构,进而通过凸轮推动自锁角控制摇杆，实现攀爬臂抱紧及外展绕行运动。另一部分为攀爬臂伸缩运动，主要包括：锥齿轮和丝杠螺母机构。辅助电机驱动一对锥齿轮（如图 9所示）将运动传递给丝杠螺母，利用丝杠螺母机构的啮合实现梯形滑动丝杠的伸缩。整体传动机构设计如图 10所示：图 8 1蜗杆 2 蜗轮 3 动力轴图 9 4、5 锥齿轮81 平台运动曲柄 2 平台运动连杆 3 动力传递齿轮 4 脚架轴5 动作控制凸轮 6 自锁角控制摇杆 7 顶杆支点 8 导向滑块 9 导向柱图 10 爬杆机器人整体传动机构图3.2 执行机构玩具的运动分为两个部分：一是执行上升和下降动作的主运动，二是执行攀爬变径杆的辅助运动。因此执行机构可分为主运动机构和辅助运动机构两部分（如图 11所示） 。主运动机构是由攀爬臂和顶杆支点组成，攀爬臂利用凸轮机构的周期与急回的运动特性，配合由曲柄滑块机构带动的顶杆支点，实现攀爬臂周期性的抱紧与放松。当一只攀爬臂向后收缩时，与其配合的顶杆支点向前顶出，从而实现卡紧动作；卡紧动作完成后，另一只攀爬臂向前伸出，与其配合的顶杆支点向后收缩，进而实现放松动作。辅助运动利用丝杠螺母机构实现攀爬臂的伸缩，从而实现变径杆攀爬的动作。91 攀爬臂 2 顶杆支点 3 动作控制凸轮 4 丝杠螺母图 11 爬杆机器人执行机构图3.3 关键技术1. 本机器人玩具采用仿人踏脚扣攀爬技术，紧密结合摩擦自锁原理，以连续的机械运动实现了机器人玩具快速稳定的攀爬；2. 利用蜗轮蜗杆较大的传动比实现主电机的减速，进而增加动力轴的输出扭矩，为攀爬运动提供必要的动力。同时利用其自锁特性保证了机器人发生电路故障时不会从攀爬物上脱落；3攀爬臂利用凸轮机构周期性运动与急回的特性，配合由曲柄滑块机构带动的顶杆，实现执行机构周期性的抱紧与放松，从而实现了攀爬臂的稳定攀爬；4. 利用丝杠螺母机构中限制螺母轴向运动的方式实现丝杠（即攀爬臂）的伸缩，并利用其自锁特性实现了机器人抱紧攀爬动作，提高了安全性能。3.4 自锁角控制摇杆和梯形滑动丝杆的有限元分析自锁角控制摇杆和梯形滑动丝杠的设计除了要求结构设计合理、可实现之外，必须具10有足够的强度、刚度和稳定性能。为此需要对自锁角控制摇杆和梯形滑动丝杆做有限元分析。自锁角控制摇杆与运动控制凸轮配合，受到运动控制凸轮传递的动力后驱动顶杆轴运动，进而驱使攀爬臂实现攀爬动作。因为自锁角控制摇杆受力较大并且是传动机构中最重要的部分，因此受力分析非常必要。攀爬过程中，自锁角控制摇杆受到运动控制凸轮传递的动力可以估算为机器人玩具总重量的一半，即为 G/2，根据已知受力情况，运用SolidWorks有限元分析模块做出自锁角控制摇杆的分析结果如图 12、图 13所示：攀爬臂抱住立柱之后在向上攀爬的过程中，梯形滑动丝杆的变形较大，受力简图与图 6相似。攀爬的过程中攀爬臂对立柱的夹紧使其产生变形，摩擦力 大小可以估算为Bf整体的重量的 倍，即 = G。根据已知受力情况，运用 SolidWorks有限元分析模块做Bf出梯形滑动丝杆的分析结果如图 14、图 15所示：图 12 自锁角控制摇杆应力分析结果 图 13 自锁角控制摇杆位移分析结果图 14 梯形滑动丝杆应力分析结果 图 15 梯形滑动丝杆位移分析结果11经过有限元分析校核后，改进薄弱部位的尺寸，最终确定自锁角控制摇杆和梯形滑动丝杆的尺寸。3.5 控制部分该玩具的运动是由 ISA K-880运动控制卡实现的。通过控制主步进电机的正反转，实现机器人上升和下降；通过控制两个辅助电机的正反转，实现攀爬臂的伸缩，以适应不同直径杆的攀爬；通过调节主步进电机的转速，实现攀爬速度的调节。控制电路的主要任务是：1、控制主电机完成基体的上升与下降运动，此过程要根据控制电机的运转速度来实现机器人爬杆速度的调整；2、控制辅助电机带动锥齿轮转动，驱动丝杠螺母的啮合传动，从而实现变径杆攀爬；3、显示功能：显示机器人的升降速度、所在的位置以及电机的转速。控制电路的设计如图 16、图 17所示：图16 板卡与步进电机驱动器接线示意图(以X轴为例，Y,Z,U轴接线相同)12图 17 通用输出点接线示意图图18 限位点接线示意图（正电位、负电位）13图19 点动输入接线示意图图20 紧急停车输入接线示意图图21 通用输入点接线示意图四、 电机选用4.1 主电机的选用主运动与辅助运动根据工作条件和需要，均选择步进电机，具体型号选用如下：4.1.1转矩计算设将 500 力作用在滑块上，在如图 22（1）的方向上进行分解N 02.592F由于 BC为二力杆， 02.5921FN所以，主轴所受的力为 mlMAB17114此时，蜗轮的轮齿所受的力为 （齿数 z=30）NrMFa 47.83103295.7所以，对蜗杆的受力分析如图 22（2）所示可得 DhTRFMatan2t上上 mNT851.0其中， 为蜗杆螺纹升角 3.23度为蜗杆中径 35.5mm为螺距 6.2845mmh为电机扭矩T图 22 蜗杆的受力简图为了保证系统稳定，电机的静力矩为所需力矩的 23倍，即 。据此，我mN53.2（2）15们选用 56BYG250E。4.1.2电机型号参数规格型号 相数步距角（）静态相电流（A）相电阻()相电感（mH）保持转矩(Nm)定位转矩(Nm)空载启动频率（半步方）(KHz)重量（Kg）转动惯量（gcm2）56BYG250E-SASSBL-0601 2 0.9/1 6 0.5 1.8 2.5 0.12 3.1 1.5 750表一 主步进电机技术参数4.2辅助电机的选用4.2.1辅助电机扭矩计算假定脚扣工作在稳定状态时对丝杠螺母产生 F=500 拉力，丝杠螺纹升角为 ，螺N纹中径为 ，则丝杠螺母螺纹中径处产生扭矩（不考虑摩擦）为：2dsinco2FM即： tad大齿轮齿数 ，小齿轮齿数 ，则步进电机所需静扭矩为：27z14z mNdMz 0825.5027501422 步经过以上计算，我们选用了 28BYG250C。4.2.2电机型号参数规格型号相数步距角（）静态相电流（A）相电阻()相电感（mH）保持转矩(Nm)定位转矩(Nm)重量（Kg）转动惯量（gcm2）28BYG250C-SASSMQ-0071 2 0.9/1.80.7 3.4 1.6 0.09 0.006 0.15 1216表二 辅助步进电机技术参数五、 创新点1.引入仿生学的概念，模仿电力工人爬杆的动作；2.玩具的动作全部由机械运动机构实现，无中间控制环节，使整体运行更加稳定。运动通过蜗轮蜗杆传递给轮系和曲柄滑块机构，最后传递给执行机构凸轮机构和摇杆滑块机构； 3.巧妙的运用了凸轮机构，配合摇杆滑块机构，控制脚扣和顶杆的工作速度、实现机器人与攀爬物之间的摩擦自锁与攀爬臂的外展绕行运动，通过凸轮机构和曲柄滑块机构的配合实现周期性抱紧攀爬抱紧攀爬交替运动；4.通过摩擦橡胶垫与所攀爬物体之间的摩擦力形成的自锁保持其能稳定地上下攀爬；5.脚扣利用具有自锁功能的丝杠螺母机构来实现变径杆的攀爬。 六、 应用前景步行式爬杆机器人玩具增加了人们生活中的乐趣，使人们的头脑得到了开发，在玩具市场上能开辟一片新天地。并且本攀爬机器人玩具可看做大型攀爬平台的缩微模型，为大型攀爬平台的设计提供了切实有效的实验环境，相对降低了研发成本，并提出一种新型的设计理念。此外，如在玩具的主体结构上安装不同的执行机构，就可以作为具有特定功能的专用机器人，使其具有更多的功能，得到更广泛的应用，如科学探索、军事侦察、风力发展行业、路灯维修等工作中，市场前景十分可观。17参考文献【1】芮延年.机器人技术及其应用.化学工业出版社，2008.【2】濮良贵，纪名刚.机械设计.北京：高等教育出版社，2007.【3】孙恒，陈作模，葛文杰. 机械原理.北京：高等教育出版社，2006.【4】程崇恭，杜锡珩.机械运动简图设计.北京：北京机械工业出版社，1994.【5】成大先.机械设计手册单行本-机械传动.北京：化学工业出版社，2004.【6】熊诗波，黄长艺.机械工程测试技术基础.机械工业出版社，2006.【7】尊权，王多.机械设计课程设计.北京：机械工业出版社，2007.【8】朝儒，彭福荫，高政.机械制图（第四版）.北京：高等教育出版社，2005.【9】刘鸿文.材料力学.高等教育出版社，2004.【10】唐雯彦.传感器.机械工业出版社，2006.【11】Shen W, Norrie JP, Ma YS. 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Metrics-based approach for VR technology evaluation in styling product design, Proc eedings of the ASME 2009 International Design Engineering Technical Conferen ces & Computers and Information in Engi-neering Conference, IDETC/CIE, San Diego, CA, USA, 2009.附：运用 CATIA有限元分析模块做出动力传动齿轮 1（Analysis1）和平台运动曲柄（Analysis2）的力学分析。Analysis1MESH:Entity SizeNodes 1831Elements 5378ELEMENT TYPE:Connectivity Statistics19TE4 5378 ( 100.00% )ELEMENT QUALITY:Criterion Good Poor Bad Worst AverageDistortion (deg) 3407 ( 63.35% )1434 ( 26.66% )537 ( 9.99% ) 58.202 31.403Stretch 5368 ( 99.81% ) 10 ( 0.19% ) 0 ( 0.00% ) 0.275 0.593Length Ratio 5326 ( 99.03% ) 52 ( 0.97% ) 0 ( 0.00% ) 6.678 2.131Materials.1Material BronzeYoungs modulus 1.1e+011N_m2Poissons ratio 0.341Density 8860kg_m3Coefficient of thermal expansion 1.78e-005_KdegYield strength 5.2e+008N_m2RESTRAINT ComputationName: RestraintSet.1Number of S.P.C : 285LOAD ComputationName: Loads.1Applied load resultant : 20Fx = 9.313e-010 NFy = -2.619e-010 NFz = 2.000e+001 NMx = 4.809e-001 NxmMy = -8.000e-002 NxmMz = -3.328e-011 NxmSTIFFNESS ComputationNumber of lines : 5493 Number of coefficients : 89574 Number of blocks : 1 Maximum number of coefficients per bloc : 89574 Total matrix size : 1.05 MbComponents AppliedForces Reactions Residual RelativeMagnitude ErrorFx (N) 9.3132e-010 -9.3132e-010 5.8425e-015 1.8438e-015Fy (N) -2.6193e-010 2.6206e-010 1.2365e-013 3.9023e-014Fz (N) 2.0000e+001 -2.0000e+001 -1.0658e-013 3.3636e-014Mx (Nxm) 4.8090e-001 -4.8090e-001 4.2744e-015 4.9972e-014My (Nxm) -8.0000e-002 8.0000e-002 1.1935e-015 1.3953e-014Mz (Nxm) -3.3281e-011 3.3281e-011 -2.5330e-017 2.9613e-016Static Case Solution.1 - Von Mises stress (nodal values).221Figure 3 3D elements: : Components: : AllOn deformed mesh - On boundary - Over all the modelGlobal SensorsSensor Name Sensor ValueEnergy 6.772e-007JAnalysis222MESH:Entity SizeNodes 1286Elements 4222ELEMENT TYPE:Connectivity StatisticsTE4 4222 ( 100.00% )ELEMENT QUALITY:Criterion Good Poor Bad Worst AverageDistortion (deg) 2423 ( 57.39% )1304 ( 30.89% )495 ( 11.72% ) 55.737 32.514Stretch 4222 ( 100.00% ) 0 ( 0.00% ) 0 ( 0.00% ) 0.303 0.578Length Ratio 4199 ( 99.46% ) 23 ( 0.54% ) 0 ( 0.00% ) 5.372 2.173Materials.1Material SteelYoungs modulus 2e+011N_m2Poissons ratio 0.266Density 7860kg_m3Coefficient of thermal expansion 1.17e-005_KdegYield strength 2.5e+008N_m223Static CaseFigure 1 STRUCTURE ComputationNumber of nodes : 1286 Number of elements : 4222 Number of D.O.F.