爬树机器人机构设计

爬树机器人机构设计专业：班级：姓名：日期： 2摘 要机器人是二十一世纪最性的光机电一体化技术系统。工业机器人在现代化工业国家正在得到越来越广泛的应用,各种工业机器人的商品样机不断进入市场，在这种情况下，模拟工业机器人来开发各种各样的机器人是一个很需要重视的领域，它作为机器人技术、计算机技术和机电一体化技术教育的教学工具，对人才培养和高新技术的推广应用有着重要的意义。本文在总结国内外爬树机器人现状的基础上，对爬树机器人进行了机构设计和理论分析。本文对爬树机器人进行了两鸾方案设计，通过方案对比分析，采用曲柄滑块结构，实现爬树过程。该爬树机器人机构设计采用曲柄滑块机构、凸轮机构等实现机器人的爬树过程；选择了步进电机作为驱动电机；确定了曲柄、连杆构件的尺寸，描述了活动卡爪和槽型凸轮的工作原理，并对爬树机器人进行了动画演示；根据曲柄滑块的工作原理对爬树机器人进行运动分析和仿真；分析了爬树机器人的控制系统，并介绍了各个控制部分工作原理和特点， 绘制了爬树机器人的控制系统流程图。该爬树机器人采用计算机控制装置， 运用分级式控制方式，由机、上位单片机和下位单片机构成三级控制系 统。设计了控制系统的硬件电路图及软件流程图。关键词：爬树机器人；曲柄滑块机构；单片机3一. 课题的来源、目的和意义本次课题来源于老师学期的大作业；目的在于通过本次作业让我们更加深刻的认识到机器人对现代生活与制造业的重要意义以及巩固课堂知识；通过此次作业拓宽了我们的知识面，和对机器人的认识！二. 爬树机器人的设计方案总体机构方案在 本 小 节 ， 对 机 构 坐 标 型 式 和 机 构 方 式 做 了 介 绍 并 进 行 了 选 择1.坐 标 型 式关 节 型 机 器 人 依 结 构 复 杂 程 度 分 为 直 角 坐 标 型 机 器 人 、圆 柱 坐 标 型 机 器人 、球 坐 标 型 机 器 人 和 开 链 连 杆 式 关 节 型 机 器 人 。1） 直 角 坐 标 型 机 器 人 直 角 坐 标 型 机 器 人 是 最 简 单 的 关 节 型 机 器 人 ， 其 通 过 互 相 垂 直 的 轴 线 位 移 来 改 变 手 部 的 空 间 位 置 。手 部 在 空 间 三 个 相 互 垂 直 的 方 向 X、V、Z上 作 直 线 运 动 ，运 动 是 独 立 的 ，如 图 2.1a所 示 。 它 易 于 实 现高 定 位 精 度 ，控 制 简 单 ，运 动 直 观 性 强 ，空 间 轨 迹 易 于 求 解 ，但 操 作 灵 活 性 差 ，运 动 的 速 度 较 低 ，操 作 范 围 较 小 。2） 圆 柱 坐 标 型 机 器 人 圆 柱 坐 标 型 机 器 人 在 水 平 转 台 上 装 有 立 柱 ，水 平 臂 可 沿 立 柱 上 下 运 动 并 可 在 水 平 方 向 伸 缩 ，如 图 2.1b所 示 。其结构简单，便 于 几 何 计 算 ，工 作 范 围 较 大 ，运 动 速 度 较 髙 ，但 随 着 水 平 臂 沿 着 水 平 方 向 伸长 ，其 线 位 移 分 辨 精 度 越 来 越 低 。3） 球 坐 标 型 机 器 人 球 坐 标 型 机 器 人 的 工 作 臂 不 仅 可 绕 垂 直 轴 旋转 ， 还 可 绕 水 平 轴 作 俯 仰 运 动 ， 且 能 沿 着 手 臂 轴 线 作 伸 缩 运 动 ， 如 图2.1c所 示 。 其 操 作 灵 活 ， 结 构 紧 凑 ， 并 能 扩 大 机 器 人 的 工 作 空 间 ， 但 旋 转 关节 反 映 在 末 端 执 行 器 上 的 线 位 移 分 辨 率 是 一 个 变 量 。4） 开 链 连 杆 式 关 节 型 机 器 人 可 以 模 拟 人 的 上 臂 ， 由 多 个 关 节 联接 的 机 座 、 大 臂 、 小 臂 和 手 腕 等 构 成 ， 大 小 臂 即 可 在 垂 直 于 机 座 的 平 面内 运 动 ， 也 可 实 现 绕 垂 直 轴 的 转 动 ， 如 图 2.1d所 示 。 其 全 部 关 节 皆 为 转 动型 关 节 ， 结 构 紧 凑 ， 操 作 灵 活 性 最 好 ， 运 动 速 度 较 高 ， 操 作 范 围 大 ， 所4占 空 间 体 积 小 ， 相 对 对 的 工 作 空 间 最 大 ， 还 能 绕 过 基 座 周 围 的 一 些 障 碍 ，是机 器 人 中 使 用 最 多 的 种 结 构 形 式 ， 但 精 度 受 手 臂 位 姿 的 影 响 ， 实 现 高 精 度运 动 较 困 难 。图 1关 节 型 机 器 人 坐 标 型 式a ） 直 角 坐 标 型 机 器 人 b） 圆 柱 坐 标 型 机 器 人 c） 球 坐 标 型 机 器 人 d） 关 节 型 机 器 人此 爬 树 机 器 人 要 求 结 构 简 单 ，动 作 灵 活 ，实 现 高 定 位 精 度 ，运 动 直 观 性 强 ，空 间 轨 迹 易 于 求 解 ，且 运 动 的 速 度 较 低 ，操 作 范 围 较 小 ，因 而 选 用 直 角 坐 标 型机 器 人 。2.机构方式极 坐 标 式 ： 两 坐 标 正 交 ， 互 不 影 响 ， 运 动 学 分 析 简 单 ， 控 制 容 易 。 对于 驱 动 传 动 的 电 机 可 以 安 装 在 基 座 上 ， 对 于 驱 动 直 线 运 动 的 电 机 也 可 以安 装 在 基 座 上 ， 这 样 总 重 量 大 部 分 就 可 以 由 基 座 来 承 担 ， 手 臂 重 量 轻 ，使 得 结 构 紧 凑 。5.3 驱动形式的选择由 于 本 课 题 所 研 究 的 爬 树 机 器 人 驱 动 负 载 小 ，要 求 结 构 简 单 、定 位 精 度高 ，所 以 选 用 了 电 气 驱 动 方 式 。其 特 点 是 易 于 控 制 ，运 动 精 度 髙 ，响 应 快 ，使用 方 便 ，驱 动 力 较 大 ，信 号 监 测 、传 递 、处 理 方 便 ，成 本 低 廉 ，驱 动 效 率 高 ，不污 染 环 境 ，可 以 采 用 多 种 灵 活 的 控 制 方 案 。4.驱 动 电 机 的 选 择根 据 本 系 统 的 工 作 特 点 ，我 选 用 了 步 进 电 机 。其 性 能 优 越 性 如 下 ：步 进 电 机 将 电 脉 冲 信 号 转 变 为 角 位 移 或 线 位 移 的 开 环 控 制 元 件 。 在 非 超 载 的情 况 下 ，电 机 的 转 速 、停 止 的 位 置 只 取 决 于 脉 冲 信 号 的 频 率 和 脉 冲 数 ，而 不 受负 载 变 化 的 影 响 ，即 给 电 机 加 一 个 脉 冲 信 号 ，电 机 则 转 过 一 个 步 距 角 。 这 一线 性 关 系 的 存 在 ，加 上 步 进 电 机 只 有 周 期 性 的 误 差 而 无 累 积 误 差 等 特 点。使 得 在 速 度 、位 置 等 控 制 领 域 用 步 进 电 机 来 控 制 变 的 非 常 的 简 单 。 由 于 该 爬树 机 器 人 所 选 用 的 电 机 为 步 进 电 机 ，基 于 步 进 电 机 的 转 速 、停 止 的 位 置 只 取决 于 脉 冲 信 号 的 频 率 和 脉 冲 数 ，因 而 能 带 动 四 个 凸 轮 间 歡 地 完 成 活 动 卡 爪 对树 干 的 夹 紧 与 放 松 ；实 现 爬 树 机 器 人 在 爬 树 过 程 中 互 为 机 架 直 线 上 行 的 爬 树过 程 。 另 外 两 个 直 流 电 机 直 接 作 用 在 曲 柄 上 ，实 现 对 曲 柄 的 驱 动 。5.爬树机器人的机构设计爬 树 机 器 人 的 机 构 设 计 是 机 器 人 的 支 撑 基 础 和 执 行 机 构 。 该 机 器 人 模 仿 虫 蠕 动 的 形 式 在 树 上 爬 行 ， 并 对 前 行 途 中 遇 到 的 障 碍 进 行 修 剪 。 其 爬 行状 态如 下 图 2：当 装 置 处 于 状 态 1时 ， 属 于 临 界 状 态 ， 上 、 下 两 个 凸 轮 处 于 大 、 小 半 径 的 变 换 时 刻 。 此 刻 ， 上 凸 轮 将 由 小 半 径 向 大 半 径 变 换 ， 也 就 是 由 上 端 松 池 变 为 上 端 压 紧 ； 而 此 时 ， 下 端 凸 轮 将 由 大 半 径 向 小 半 径 变 换 ， 下 端 将 放 松 ， 由 于 电 机 在 不 停 的 转 动 ， 它 将 带 动 下 滑 块 沿 着 树 干 向 上 运 动 ， 当 电 机 转 过180 6度 时 ， 整 个 装 置 运 动 到 状 态 2， 在 状 态 3时 ， 下 凸 轮 将 由 小 半 径 向 大 半 径 转 变 ， 下 端 将 树 干 压 紧 ， 而 上 凸 轮 由 大 半 径 变 为 小 半 径 ， 将 使 树 干 松 开 ，此 时 ，电 机 的 不 断 转 动 又 会 推 动 上 滑 块 沿 着 树 干 向 上 运 动 ， 这 样 在 电 机 转 过 了 180 度 后 ， 又 会 返 回 到 状 态 1如 此 反 复 的 运 动 通 过 单 片 机 控 制 可 以 实 现 整 个 装 置 的 向 上 运 动 。 如 果 让 电 机 反 转 ， 整 个 装 置 将 在 任 意 的 位 置 按 照 与 向 上 运 动 相 同 的 道 理 沿 着 树 干 向 下 运 动 。 通 过 电 机 的 正 反 转 动，实 现 装 置 的 向 上 与 向下 爬 行 两 个 动 作 。状 态 1 状 态 2 状 态 3 状 态 4 状 态 5图 2 执 行 系 统 的 运 动 简 图6. 爬 树 机 器 人 的 主 要 特 点爬 树 机 器 人 的 技 术 参 数 如 下 表 ：机 构 形 式 空 间 多 关 节 式自 由 度 数 2个单 行 程 200/1/71驱 动 方 式 直 流 伺 服 电 机 驱 动电 源 直 流 电 源控 制 方 式 单 片 机 控 制7三 爬 树 机 器 人 机 构 设 计本 机 器 人 的 主 要 构 成 部 件 是 由 两 个 形 状 相 似 的 圆 形 套 筒 内 嵌 有 一 对 活 动乂 型 卡 爪 ，一 对 槽 型 凸 轮 、铰 链 、压 力 传 感 器 、连 杆 、相 嵌 在 顶 部 滑 块 四 周 的 切削 刃 、电 机 等 零 部 件 构 成 。其 运 动 机 构 简 图 见 图 3.图 3.爬 树 机 器 人 的 机 构 运 动 简 图1.卡 爪 结 构 及 工 作 原 理卡 爪 是 实 现 机 构 对 树 干 夹 紧 与 松 弛 的 末 端 执 行 装 置 ，与 电 机 驱 动 的 槽 型 凸 轮 相 连 ，在 榷 型 凸 轮 由 大 、小 半 径 的 转 换 过 程 中 来 实 现 对 树 干 的 夹 紧 与 放 松 ，夹 爪 上 装 有 压 力 传 感 器 ，当 下 端 凸 轮 对 树 干 夹 紧 时 ，压 力 传 感 器 发 出 信 号 ，通过 单 片 机 的 控 制 ，下 端 执 行 装 置 对 整 个 机 构 起 到 机 架 的 作 用 ，上 端 执 行 装 置 对8树 干 此 时 处 于 松 拖 状 态 ，在 机 构 中 起 到 滑 块 的 作 用 ，通 过 曲 柄 滑 块 机 构 向 上 爬行 一 个 行 程 ；当 上 滑 块 的 槽 型 凸 轮 由 小 半 径 向 大 半 径 转 换 过 程 中 ，上 滑 块 中 卡爪 对 树 干 夹 紧 ，此 时 下 滑 块 中 的 榷 型 凸 轮 刚 好 由 大 半 径 向 小 半 径 的 转 换 ，对 树干 由 夹 紧 状 态 变 为 放 松 状 态 ，在 电 机 的 驱 动 下 ，上 滑 块 变 为 机 架 ，下 滑 块 在 曲柄 滑 块 的 带 动 下 向 上 移 动 一 个 行 程 。 以 上 过 程 是 通 过 单 片 机 控 制 驱 动 电 机 实 现 的 。2 凸 轮 机 构 的 工 作 原 理槽 型 凸 轮 用 来 链 接 驱 动 电 机 和 末 端 执 行 装 置 ，并 决 定 末 端 执 行 装 置 在 空间 里 的 姿 态 -通 过 槽 型 凸 轮 大 小 半 径 的 转 换 ，实 现 本 机 器 人 的 末 端 执 行 装 置 姿态 的 变 化 ，完 成 对 树 千 的 夹 紧 与 放 松 。根 据 图 2执 行 机 构 运 动 简 图 所 描 述 运 动 的 状 态 可 知 ，上 凸 轮 转 至 大 半 径工 作 区 时 ，槽 型 凸 轮 带 动 活 动 卡 爪 对 树 干 进 行 卡 紧 ，上 端 执 行 装 置 起 到 机 架作 用 ，下 端 执 行 装 置 充 当 滑 块 ，在 电 机 的 驱 动 下 完 成 单 行 程 爬 行 过 程 。根 据活 动 卡 爪 上 压 力 传 感 器 发 出 的 信 号 决 定 凸 轮 旋 转 的 角 度 ，当 树 干 的 直 径 大 小 发 生 变 化 时 ，凸 轮 根 据 活 动 卡 爪 上 压 力 传 感 器 发 出 的 信 号 决 定 凸 轮 休 止 位 置 ，以 解 决 爬 树 机 器 人 行 进 过 程 中 树 干 变 直 径 问 題 。上 、 下 凸 轮 工 作 时 ，由 于 受 到 各 自 电 机 的 驱 动 和 单 片 机 的 控 制 作 用 ，当 树 干 的 直 径 大 小 发 生 变 化 时 ，根 据 活 动 卡 爪 上 压 力 传 感 器 发 出 的 信 号 决 定 各 自 调 整 转 过 的 角 度 ，来 协 调 和 解 决 爬 树 机 器 人 行 进 过 程 中 变 直 径 问 題 。活 动 卡 爪 上 压 力 的 变 化 ，决 定 凸 轮 驱 动 活 动 卡 爪 执 行 位 置 的 变 化 ；根 据传 感 器 发 出 的 信 号 ，控 制 系 统 做 出 反 馈 ，实 现 机 器 人 行 进 动 作 。3 曲 柄 、连 杆 长 度 的 确 定机 构 设 计 过 程 中 考 虑 各 种 因 素 的 影 响 ，确 定 了 连 杆 与 曲 柄 的 长 度 ：曲 柄 长为 100mm,连 杆 长 为 300mm， 整 个 机 构 行 程 距 离 为 200mm。 为 实 现 所 要 求 动 作 的位 置 和 姿 态 ，需 要 2个 自 由 度 实 现 位 置 移 动 ，通 过 槽 型 凸 轮 大 小 半 径 的 转 换 实现 姿 态 变 化 。94.机 构 原 理 分 析爬 树 机 器 人 运 动 轨 迹 是 沿 树 干 爬 行 ，并 对 上 行 过 程 中 树 枝 进 行 修 剪 ，其 整 个 运 动 轨 迹 以 直 线 运 动 为 主 。在 机 构 设 计 中 ，曲 柄 滑 块 机 构 是 实 现 直 线 运 动的 机 构 之 一 。其 中 ，能 绕 定 轴 或 定 点 作 整 周 回 转 的 构 件 被 称 为 曲 柄 ，通 过 改 变平 面 四 杆 机 构 中 构 件 的 形 状 和 运 动 尺 寸 能 将 其 演 化 为 不 同 的 机 构 形 式 ， 就 曲柄 滑 块 机 构 而 言 它 是 通 过 增 加 铰 链 四 杆 机 构 中 摇 杆 的 长 度 至 无 穷 大 而 演 变 过来 的 。在 爬 树 机 器 人 机 构 设 计 中 ，将 机 器 人 的 末 端 装 置 设 计 成 曲 柄 和 滑 块 ，机器 人 位 置 的 变 化 通 过 曲 柄 驱 动 连 杆 完 成 。其 联 结 方 式 是 曲 柄 一 端 铰 接 在 机 架上 ，另 一 端 绞 接 连 杆 ，连 杆 的 另 一 端 联 结 滑 块 ，在 曲 柄 为 主 动 件 运 动 时 带 动 连杆 ，连 杆 又 带 动 滑 块 ,使 其 在 平 面 某 一 范 围 内 做 直 线 往 复 运 动 （ 图 4） 。在 本 机 器 人 方 案 设 计 中 ， 为 实 现 机 器 人 爬 树 过 程 ， 根 据 爬 树 机 器 人运动 轨 迹 需 要 在 铅 垂 面 上 作 直 线 运 动 而 采 用 的 曲 柄 滑 块 机 构。5.运 动 规 律 设 计1） 工 艺 动 作 分 解本 机 器 人 在 机 构 设 计 中 采 用 曲柄 滑 块 机 构 ，实 现 其 爬 树 过 程 ，其工 艺 动 作 分 解 为 ：曲 柄 与 连 杆 的两 端 分 别 铰 接 上 两 个 滑 块 （ 即 作为 自 锁 套 ） 。 使 两 个 滑 块 分 别 作 为 图 4曲 柄 滑 块 机 构 简 图机 架 交 替 作 用 ，连 杆 在 曲 柄 的 驱 动 下 实 现 鹿 树 动 作 。其 中 上 滑 块 与 曲 柄 相 连 ，相 应 的 连 杆 接 下 滑 块 。上 、下 两 滑 块 作 为 机 器 人 末 端 执 行 装 置 ，完 成 机 器 人 姿态 的 变 化 ，连 杆 机 构 在 曲 柄 的 驱 动 下 完 成 机 器 人 位 置 的 变 化 。其 工 艺 动 作 连 接为 电 机 与 曲 柄 固 接 作 为 驱 动 装 置 ，连 杆 作 为 传 动 件 ， 两 滑 块 作 为 爬 树 机 器 人 末端 执 行 装 置 ，实 现 自 锁 或 爬 行 。自 锁 过 程 的 实 现 ，是 通 过 槽 型 凸 轮 带 动 一 对 对 称 活 动 卡 爪 来 实 现 对 树 干 10的 卡 紧 与 松 弛 ，当 整 个 机 构 有 向 上 运 动 趋 势 时 ，下 自 锁 套 中 的 活 动 卡 爪 由 于 受 到 凸 轮 由 小 半 径 向 大 半 径 转 变 ，下 端 卡 爪 将 树 干 夹 紧 ，此 时 上 凸 轮 由 大 半 径 变 为 小 半 径 ，卡 爪 将 使 树 千 松 开 ，伴 随 电 机 的 不 断 转 动 ，推 动 上 滑 块 沿 着 树 干 向 上 运 动 ， 当 电 机 转 过 了 180度 后 ，实 现 一 次 上 移 滑 行 。两 活 动 卡 爪 、两 对 称 的 凸 轮 组 合 在 圆 型 套 筒 之 间 ，套 筒 与 树 干 之 间 通 过 铰 链 铰 接 ，为 使 其 能 够 自 如 地 打 开 或 收 拢 ，在 该 机 构 上 增 加 了 锁 紧 机 构 ， 在 它们 套 住 圆 杆 之 后 用 销 钉 在 铰 支 端 对 边 销 住 ，这 样 方 便 于 装 配 和 安 装 到 树 干 上 ，也 可 以 在 调 试 过 程 中 方 便 地 调 整 内 部 结 构 的 具 体 尺 寸 。2） 功 能 原 理 设 计对 该 爬 树 机 器 人 ，就 曲 柄 滑 块 机 构 而 言 ， 它 通 过 增 加 铰 链 四 杆 机 构 中摇杆 的 长 度 至 无 穷 大 而 演 变 过 来 的 。 该 机 构 实 际 上 是 由 一 曲 柄 一 端 铰 接在 机 架上 ， 另 一 端 绞 接 一 连 杆 ， 连 杆 的 另 一 端 联 结 一 滑 块 ， 在 曲 柄 为 主动 件 运 动 时带 动 连 杆 ， 连 杆 又 带 动 滑 块 ， 使 其 在 平 面 某 一 范 围 内 做 往 复直 线 运 动 （ 图4）3）运动方案的确定基 于 曲 柄 滑 块 机 构 能 够 实 现 直 线 运 动 的 启 示 ，在 曲 柄 与 连 杆 的 两 端 分 别 铰 接 上 两 个 滑 块 即 作 为 自 锁 套 ， 使 两 个 滑 块 分 别 作 为 机 架 交 替 上 升 ，从 而实 现 爬 树 动 作 。其 中 上 滑 块 与 曲 柄 相 连 ，相 应 的 连 杆 接 下 滑 块 。 当 机 构 具 有 向下 运 动 的 趋 势 时 ，下 自 锁 套 因 受 到 自 锁 机 构 的 限 制 而 固 定 不 动 ，把 其 受 到 的 向力 转 化 为 反 作 用 力 ， 推 动 机 构 向 上 运 动 。在 联 接 中 ，把 电 机 与 曲 柄 固 接 作 为 驱 动 装 置 ，连 杆 作 为 传 动 件 ，两 滑 块 作为 自 锁 装 置 。 自 锁 套 的 自 锁 是 通 过 凸 轮 转 动 方 式 实 现 。6.执 行 机 构 的 设 计针 对 上 述 的 实 际 情 况 ，综 合 各 方 面 的 因 素 ，设 计 此 爬 树 机 器 人 各 构 件 的 尺 寸 及 制 造 材 料 ， 见 表 2。11表 2爬 树 机 器 人 的 各 构 件 的 尺 寸 及 制 造 材 料机构名称 构件尺寸 所选材料 选用理由曲柄 100mm（轴距） 铝合金 价格便宜、材质轻便、成型后 具有时效强化性曲柄滑块连杆 300 mm （ 轴距) 铝合金 价格便宜、材质轻便、成型后 具有时效强化性自锁装置 凸轮（4 个） 能够实现间歇运动，并能实现 自锁对 于 此 类 机 构 ，一 定 的 摩 擦 力 也 是 保 证 自 锁 发 生 作 用 的 关 键 。因 此 对 各 构 件 的 材 料 也 有 一 定 的 要 求 罾 经 过 筛 选 ，我 们 决 定 曲 柄 、连 杆 与 圆 套 用 铝 合 金来 制 造 ，通 过 单 片 机 控 制 电 机 正 反 转 实 现 运 动 要 求 。7. 位 移 与 速 度 分 析在 设 定 曲 柄 与 连 杆 的 长 度 后 ，机 构 运 动 过 程 中 各 构 件 的 上 升 位 移 就 能计 算 出 来 。当 曲 柄 逆 时 针 由 最 底 端 转 至 最 顶 端 时 ，下 滑 块 上 升 的 位 移 为 2倍 曲 柄 的 长 度 ，即 200mm。同 样 ，曲 柄 逆 时 针 由 最 顶 端 转 动 到 底 端 时 ，上 滑 块 也 走 过 200mm (自 锁 套 在 自 锁 时 的 下 滑 距 离 不 计 )。 当 然 ，这 样 的 机 构 设 计 仍 存 在 一定 的 问 题 。首 先 ，自 锁 套 的 形 状 无 法 适 应 此 机 构 爬 各 种 直 径