北航2016本科毕设轮式爬杆机器人

1、北京航空航天大学毕业设计(论文)第 42 页灵巧轻量化轮式爬杆机构设计摘要本文研究了轮式爬杆机构原理，设计并制作一种轻量化轮式爬杆机构作为2016 Robocon北航参赛A机器人的爬杆机构。并实现承载15kg以上总重爬杆，爬升1.5m自璇角度小于3的技术指标。结合本次比赛的设计要求以及当前可用的资源，本方案最终采用轮式爬杆，抱杆装置由两对三排共六个摩擦轮、连杆和气缸组合而成。抱杆阶段，气缸动作，推杆推动两个机架远离气缸，两对摩擦轮之间的距离减小，抱杆装置整体展开，摩擦轮逐渐贴近立柱，直到抱紧立柱。在立柱被抱紧后，开始上爬阶段，六个电动机同时工作，六个摩擦轮在沿着杆上滚动，向着杆顶运动，达到爬杆

2、的目的。每个轮子都有一个单独的电动机驱动，六个摩擦轮以相同的转速运动，带动机器人上爬到指定高度。本文设计制作的爬杆机构最终可承载28kg总重并以0.3m/s速度爬杆，已达到了已经达到了预期指标，同时满足了本次比赛要求。关键词：爬杆机器人，轮式爬杆机构，机械设计Design of a flexible lightweight wheel type climbing rod mechanismAuthor: Zijian Zhang Tutor: Tianmiao WangAbstractIn this paper, the principle of wheel type climbing mec

3、hanism is studied., Design and make a lightweight wheel type climbing mechanism as the climbing mechanism in the robot of BUAA in the 2016 Robocon robot competition. And to achieve the above 15kg weight bearing pole climbing, climbing from the technical index of 1.5m with less than 3 degrees angle.A

4、ccording to the design requirements and the current available resources, this project adopts the wheel climbing pole, which consists of three pairs of two rows of six friction wheels, connecting rods and cylinders. Holding pole stage, the motion of the cylinder, the push rod push two frame away from

5、 the cylinder, reduce the distance between the two pairs of friction wheel, lock rod device for overall development, friction wheel gradually close to the column until hold column. In the column is hold and began to climb to the top of the stage, six electric motors work simultaneously, six wheel fr

6、iction roll along the rod, toward the top of the pole movement to climbing rod. Each wheel has a separate motor drive, the six friction wheels at the same speed of motion, to drive the robot to climb to the specified height.The design and production of the climbing rod mechanism ultimately bearing 2

7、8KG weight and the velocity of 0.3m/s pole climbing has reached the has reached the expected target, at the same time to meet the requirements of the tournament.Key words: Climbing robot, Climbing agencies，Mechanical design目录目录III1绪论11.1课题背景和目标11.1.1课题背景11.1.2课题目的与意义11.2国内外相关研究21.2.1连续运动式爬杆机器人31.2.2

8、步进式爬杆机器人41.3研究内容91.4论文构成92方案设计102.1总体方案设计102.1.1比赛规则介绍102.1.2比赛规则分析112.1.3总体方案设计122.2爬杆机构方案设计162.2.1设计指标162.2.2设计准则162.3结构详细设计162.3.1爬杆轮材料分析与选择162.3.2抱紧动力源的选择与抱紧推杆设计182.3.3电机选择与校核232.3.4支架设计262.3.5锁杆设计272.4控制方案简介303爬杆机器人实验及分析323.1试验方案333.2试验测试及结果分析33结论与创新点371.3.1结论371.3.2创新点37致谢39参考文献411绪论1.1课题背景和目标

9、1.1.1课题背景“全国大学生机器人大赛（Robocon）”是“亚太大学生机器人大赛”的国内选拔赛，该项赛事是亚洲广播联合会（ABU）在2002年发起的一个大学生机器人创意和制作比赛。比赛每年发布一个新规则，需要参赛者综合运用机械、电子、控制等技术手段完成规则设置的任务。十年磨砺，在“让思维活跃起来、让智慧沸腾起来”口号的激励下，前后共有约13000名大学生投身这项高水平的机器人赛事中来。参赛学生在创新思维意识、工程实践能力、团队协作水平等方面得到极大提高，培养出一批爱创新、会动手、能协作、肯拼搏的科技精英人才。本课题是应北京航空航天大学参加第十五届全国大学生机器人大赛要求进行设计开发。第十五

10、届全国大学生机器人大赛ROBOCON以“清洁能源”为主题，比赛规则的设计体现了尽可能减少能源消耗和利用清洁、可再生能源的意识。每支参赛队要制作两台机器人：一台是表现半自主和/或自主控制技术的混合型机器人，另一台是自主控制的无行进作动器的象征节约能源的经济型机器人。为了方便，以下把它们分别简称为机器人A和机器人B。课题的目的是实现控制机器人B在机器人A提供的动力作用下，迅速准确地按规定路线通过赛道。需要完成机器人整体结构设计，各个执行机构的设计，电控系统结构设计，并进行上机调试。1.1.2课题目的与意义（1）机械工程实践类型的毕设能使大学生掌握做机械工程项目的一般方法和规律，能够综合运用机械设计

11、、机械制造等方面学到的基础知识解决工程中遇到的实际问题。 （2）使学生掌握并灵活运用Solidworks三维软件建模技术、CAD二维软件制图能力以及Simulation软件运动学有限元分析与柔性分析等先进设计方法，使学生能够初步的接触机械工程类的科研项目。（3）培养学生运用书本中学到的理论和知识去分析工程项目和解决工程实际中遇到的问题的能力；培养学生的创新能力和动手操作的能力。（4）培养学生树立合作意识，锻炼各自分工完成属于自己的部分的能力和与其他人沟通交流的能力。（5）为学生建立起正确的机械机构设计思维和锻炼学生使用资料、国家标准、机械设计手册等进行设计计算与校核，分析数据，编写工程技术文件

12、等方面的能力。（6）培养学生在机器人相关方面的兴趣爱好，使机器人相关专业的本科学生能为研究生学习和科研工作打下坚实的基础。1.2国内外相关研究随着城市化的发展和基础设施的建设，人们在高空作业的需要也越来越多,如果路灯检修更换，管道线路修理维护等等。在高空操作的过程中，员工的劳动强度高，同时高度的危险，生命安全难以得到有效的保证，而且劳动效率不高1。例如在城市环境中，有很多安装和维护需要爬杆作业。对于相对较粗强度高的杆，人工爬杆和工程车辆的操作都相对比较方便，但对于一些直径、强度较小的杆件如较细路灯柱，人工作业是相当困难的。此外，使用电梯工程车辆进行高空作业，运营成本较高，而且在狭窄的小巷里，工

13、程车辆难以进入，导致作业的困难，此外由于电机技术和控制技术的进步，国内外的爬杆机器人近些年来得到长足的发展，加之以上需求，爬杆机器人的发展也是市政工程和基础设施建设的研究热点。因此，爬杆机器人除了用于参加本次比赛，在实际生产生活中也有广泛的应用前景。爬杆机器人和地面移动的机器人有一个非常大不同是从横向爬行“过渡”到一个垂直方向爬行，首先就要克服地球引力作用，同时爬杆机器人与垂直壁面的攀爬机器人在运动方式上也有很大的差别, 爬杆机器人不能使用吸附类型或粘性物质提供吸附于墙面的抓紧力，只能依靠压紧柱面产生摩擦力提供升力。由于运动方式的原因，爬杆机器人主要由爬杆运动机构和夹持抱紧机构组成, 爬杆运动

14、机构基本决定了爬杆机器人运动速度和载重能力，夹持抱紧机构则对爬杆机器人的运动范围造成影响。多年来国内外学者投入了大量的努力进行研究和探索，根据不同的研究目的和实际情况, 研制出了各种爬杆机器人。依据爬杆机器人的运动方式，可将其划分两大类: 连续运动式爬杆机器人和步进式爬杆机器人。1.2.1连续运动式爬杆机器人连续运动式爬杆机器人是一种使用轮子或履带与杆件表面产生摩擦力来较快速完成爬杆动作的机器人。德黑兰大学的M.尼利艾哈迈达巴德对轮式爬杆机器人进行了深入地研究之后，已经开发出三代样机：UT-PCR1，UT-PCR2 和UT-PCR3，如图1.2所示。研究者的设计目的是减少爬杆机器人机构上复杂性

15、的同时提高其承载能力，摩擦轮爬杆机器人相对于其他仿生步进式爬杆机器人的优势主要在于摩擦轮爬杆机器人是一个连续的运动，爬杆效率更高，第一代爬杆机器人 UT-PCR1 的主要由三对沿圆周均匀分布轮子构成，较低的三个轮子作为主动轮，较高的三个轮子作为从动轮，从动轮在运动过程中起导向作用同时提高机器人运动稳定性，主动轮和从动轮通过弹簧连接，可以使机器人总是紧贴杆的表面，同时，UT-PCR1还具备两点优势，第一是UT-PCR是具备自锁功能的机器人，即当电机断电后不会滑落，第二是UT-PCR1以杆为轴进行旋转，它的缺点是机械结构和控制部分相对较复杂。(a)UT-PCR1（b）UT-PCR2（c）UT-PC

16、R2 模型图 (d)UT-PCR3图1.2 UT 爬杆机器人的演变过程UT-PCR1的改进型UT-PCR2 的研究灵感是来自于人爬树杆的过程，其机械结构是以主动轮和从动轮上下分布于杆的两侧为主，并通过连杆进行连接，从而将机器人的重心放在上方从动轮上使其工作平台安装在驱动轮侧面来保持机器人的平衡，驱动轮使用橡胶材料来提高与杆件表面的摩擦力，为了增加驱动轮的与杆件表面的接触力，设计人员还在驱动轮下方添加了一个从动轮，这个从动轮通过弹簧连接连杆，进一步提高了整个机器人的稳定性，能够防止意外打滑掉落，使UT-PCR2拥有更好的适应性，此外UT-PCR2还可以在爬杆过程中变直径，实验表明，UT-PCR2

17、可以安全地搭载五倍于自身的重量进行爬杆2。同时UT-PCR2还具有运动稳定性高、控制简洁、快速爬杆和机械结构精简的优点，也正是因为去除了不实用的绕杆旋转运动，才提高了UT-PCR2的承载能力。机器人UT-PCR3用履带来替代了UT-PCR2 中的驱动轮，同时设计人员还增加了机器人与杆表面的接触面积，从而显著提高了UT-PCR3运动稳定性和承载能力，此外UT-PCR3除去了UT-PCR2 中驱动轮下方的从动轮，使整体结构更加简洁2。总体来说，该系列机器人符合预期的设计目标，爬杆速度快且承载能力强，但是对于非圆柱杆件或存在较大障碍物的圆柱形杆件表面如树木等复杂的爬杆对象时，爬杆效果较差。1.2.2

18、步进式爬杆机器人步进式爬杆机器人目前最常用、发展最为完善的一种爬杆机器人系列，专家和学者进行了多年的研究，各种实验样机层出不穷。尽管步进式爬杆机器人有着不同的设计思想，不同的机械结构和爬杆步态，但都可以归为是步进式爬杆机器人。图1.3是武汉理工大学的陈明森教授设计和开发的一款爬杆机器人在设计的过程中，分析了结构参数的变化之间的关系如机器人各个机构的协调，影响攀爬能力的变化的因素，并且通过在凸轮夹紧机构上加装预紧力弹簧解决了变直径杆爬杆的难题，使机器人适应直径为100mm140mm的杆件。在实现变直径杆爬杆的基础上，解决了攀爬手臂夹持的干涉的问题，攀爬最大直径杆件时不会卡死，最后根据以上极限位置

19、来确定机器人的各个尺寸，最终使机器人整体机构简单，经过实验测试，此款攀爬机器人运行平稳，可靠性较高4。图1.3 武汉理工大学曲柄滑块机构攀爬机器人该机器人选择了一个曲柄摇杆机构作为爬杆动力传输机构，往复运动通过伸缩的躯干来实现，从而实现连续爬杆的效果，除了上述机构，可以实现往复运动的机构还有：不完全齿轮齿条双边停止结构，圆柱齿轮齿条机构，螺旋丝杆机构等，作为一个爬杆工作平台，机器人只能根据实际需要在工作中搭载适当的执行机构，此款爬杆机器人的缺点有四点，第一是爬杆速度低，第二是此款机器人只能向上单方向攀爬，实现正反转需要安装换向机构或修改换向凸轮；第三是爬杆对象仅限于圆柱建筑，对于非圆柱杆件或存

20、在较大障碍物的圆柱形杆件表面如树木等复杂的爬杆对象时效果较差5。第四点是此款机器人智能控制部分的能力缺乏，不能适应工况的复杂需求。哈尔滨工程大学教授史冬岩提出了基于TRIZ创新设计理论的爬杆机器人设计思想，做出了一个新式翻盖式爬壁机器人的设计，如图1.4所示。此款机器人主要由躯干和安装在躯干上的2套翻转臂构成，其中翻转臂由旋转臂以及安装在旋转臂上的夹紧抓手和控制器构成。此款翻盖式爬壁机器人的爬杆动作通过控制5个电机的正反转来完成，翻转运动是由位于机器人躯干两端关节处用于翻转电机输出转矩，经过传输装置输出后驱动翻转臂和躯干翻转，此款机器人的特性是爬行迅速，可以抓取弯曲或水平轴并爬行，也可在实现相

21、邻的轴之间的迁移爬行，大幅扩宽了机器人的运动范围，克服了适应性方面的不足；通过安装在夹持抓手上的压力传感器测量并反馈夹紧力，可防止松动和掉落使爬行更加可靠；通过遥控与智能控制的配合，可以使爬杆方式更灵活，自动化程度更高6。在对原型机改进，增加了躯干部分的伸缩功能之后（如图1.4），此款翻盖式爬壁机器人的活动范围得到进一步扩大了，并且拥有了两种步态，这就使得控制人员可根据实际需要选择更快速、稳定、节能的运动方式7。然而改进后此款机器人还是存在以下不足：在倾斜运动的过程中还主要是由翻转电机驱动，这就限制了机器人的整体重量从而限制了机器人的承载能力。此外，由于设计的自由度有限，此款翻盖式爬壁机器人只

22、适合在二维管道等规则爬杆对象上运动。图1.4 哈尔滨工程大学智能式翻转攀爬机器人华南理工大学教授管贻生根据尺蠖的运动形式提出了一种拥有5自由度的步进式爬杆机器人Climbot，如图1.5所示。此款爬杆机器人的本体主要由3个摆动关节和2个回转关节连接构成，Climbot两端分别安装有夹持机构，最终构成两端对称的结构，使得Climbot能够在杆上攀爬和圆柱状杆件过渡，Climbot在结构上采用模块化的设计，使得Climbot成本可以控制得较低，结构和功能的扩展性强 8-9。（a）尺蠖运动方式 (b)爬杆机器人Climbot样机图1.5 华南理工大学Climbot 爬杆机器人的设计灵感与实物样机如图

23、8所示，由于采用了仿生学原理，使得Climbot具备攀爬杆、桁架等圆杆的能力，此外多达5个的自由度使Climbot能够使用尺蠖的攀爬步态、扭转步态和翻转步态在杆件上自由地攀爬和移动。考虑到在使用不同攀爬步态攀爬同一杆件时Climbot最大关节转矩和所消耗的能量可能不同，研究人员通过ADMAS软件对机器人不同攀爬步态进行了仿真，并改变杆件倾斜角度等进行多次实验，最终实验结果表明，针对不同方位的杆件应选用不同的攀爬步态，这对攀爬规划控制和节能具有重要的现实意义。尺蠖攀爬步态扭转攀爬步态翻转攀爬步态图1.6 Climbot 爬杆机器人的三种运动步态图1.6展示的机器人名叫ROMA的攀爬机器人，是西班

24、牙卡洛斯三世大学研制的群组攀爬机器人，ROMA是一款典型的使用步进攀爬动作在3D复杂梁架环境攀爬机器人，ROMA共有八个自由度，四个自由度用来控制两爪子的运动和方向，两个自由度用来控制爪子的张开和闭合，一个用来控制爪子的旋转，另外一个用来延伸本体，ROMA既可以沿着梁或桁架做1D 运动，也可以在两个呈一定角度的位面间做2D 运动，还可以实现在复杂环境中从一个平面到另一个平面的3D运动，因为ROMA有着非常巧妙的运动机构，所以它能在复杂环境中做各种运动和自由行走，并且可靠性较高。但ROMA也有一些不足，数量众多的自由度使ROMA的控制变得复杂，并且由于采用两爪结构，对旋转电机的要求也很高；此外R

25、OMA的整体移动速度很慢，因此目前在实际中应用中效率不高。图1.7卡洛斯三世大学ROMA攀爬机器人1.3研究内容（1）材料的分析和选择。为了能够按照爬杆机器人的特点选取合适的材料，需要对多种材料进行性能分析和实验分析。爬杆机构中对材料特性要求高的位置主要有摩擦轮和支架。摩擦轮要求选用摩擦系数大，易采购，无毒无害的材料；支架要求选用比刚度高，重量轻，无毒无害的材料。因此需要查阅对比相关材料的特性并进行必要的实验验证。（2）爬杆机构的设计。根据调查现状以及大赛主题与规则，我们采用轮式爬杆机构，可以短时间内高效完成爬杆动作，从而缩短完成比赛的整体时间。抱紧机构有种驱动方式可以选择，可以采用压缩空气推

26、动气缸推杆运动，也可以直流伺服电机通过蜗轮、齿轮减速器、联轴器或者连杆等机构驱动抱紧机构。具体采用哪种方案需要仔细分析讨论再决定使用哪种驱动方式。（3）爬杆机构控制方案的设计。控制爬杆机构时主要考虑爬杆动作的触发、爬升和停止的动作。此外需要考虑控制平台的选取以及通讯方式的选取。（4）三维仿真并加工装配。完成三维建模并绘制图纸进行加工，涉及到公差、材料的选取，此外还需考虑整体项目进度，按时按质完成。1.4论文构成本毕设论文的第一章是绪论，介绍了本毕设的来源即2016年举行的第十五届全国大学生机器人大赛的基本情况，以及国内外爬杆机器人相关部分的现状，最后介绍了本论文的主要研究内容。本毕设论文的第二

27、章介绍羽毛球飞行轨迹的计算方案，通过仿真计算以及实验解决机械臂设计指标问题击球速度的选取。在此指标下设计的羽毛球机器人发球机械臂才能将羽毛球击打至指定的落球区。本毕设论文的第三章介绍羽毛球机器人发球机械臂蓄能器的设计，通过计算得到蓄能器的具体设计指标。论文第四章介绍羽毛球机器人发球机械臂的控制方案与具体的控制方法。2方案设计2.1总体方案设计2.1.1比赛规则介绍 如图 2.1是第十五届全国大学生机器人比赛的场地，图 2.2为比赛场地的三维模型。整个场地为14m14m的木质场地，分为左右两个半场。比赛要求每支参赛对制作两台机器人：机器人A和机器人B，机器人A为自主或半自主机器人，机器人B为无动

28、力全自主机器人，机器人B只能从机器人A上获得行驶的动力，且机器人A不能和机器人B接触，两台机器人之间不能通信。机器人A和机器人B等设备总重量不得超过40kg。每台机器人上的电源不得超过DC24V，压缩空气不得超过6个大气压。机器人A的尺寸长宽高不得超过1m，机器人B的尺寸长宽高必须大于40cm。图 Error! No text of specified style in document.1 比赛场地图 Error! No text of specified style in document.2 比赛场地三维建模机器人A从启动区A1出发，机器人B带着风机螺旋桨在启动区B等待。机器人A必须用风

29、、磁等作用力驱动机器人B通过三个斜坡坡和三岗。然后机器人A在远程控制区驱动机器人B通过河流，机器人B靠重力作用滑下山道，进入风力发电站。机器人A进入风力电站后即可从机器人B上取得螺旋桨，自主机器人这个时候可以直接爬杆，半自主机器人则需要退回启动区A2，然后进入自动行驶状态，爬到2.4米高的立柱顶端，将螺旋桨装到的风力发电机上。两个台机器人每通过一段就有一定的分数积累，如若犯规或出现错误，可从上一个得分点重启。比赛时间为三分钟，三分钟内没有完成比赛任务则得分较高的队伍获胜，如果三分钟内完成，则先完成比赛任务的队伍获胜。2.1.2比赛规则分析 根据以上比赛规则，我们可以看出，这是一个综合考验参赛者

30、机械设计及电子技术的比赛，不止比拼技术，更要比拼速度。所以我们要想在比赛中取得较好的名次，就必须稳定完成比赛任务，并在此基础上提高整体速度。比赛的难点在于：1、 机器人A与机器人B不能接触，要通过间接的能量驱动行驶；2、 无动力机器人B的行驶和通过河流B；3、 机器人A和机器人B不能通信，增大了机器人之间对接的难度，同时也使抓取螺旋桨的难度增加；4、 机器人A爬杆安装螺旋桨，稳定性不好控制；2.1.3总体方案设计 经过对比赛规则的分析，为了快速完整地完成比赛任务，北航机器人队讨论并制定了参赛方案：1、 机器人A利用场地上的白线进行循线运动；2、 机器人B制作成单舵轮控制小车，自主循线转弯；3、

31、 机器人A通过涵道风扇给机器人B提供能量；4、 机器人A制作一个机械臂去抓取机器人B上的螺旋桨；5、 机器人A采用气缸夹紧立柱，再通过电机爬杆。本课题在比赛过程中的任务是在风力发电站下面，机器人A通过机械臂找到机器人B上面的风机螺旋桨，抓取螺旋桨之后攀爬风机立柱，然后将取得的螺旋桨安装到风力发电机上面使螺旋桨保持3秒以上。比赛场地模拟图如Error! Reference source not found.：图 Error! No text of specified style in document.3 比赛场地风力发电站部分模型本课题任务中主要涉及赛程后半部分的道具：风机螺旋桨和风力发电机。

32、如Error! Reference source not found.所示，风力发电机安装在直径为110mm，高为2.4m的PVC管的顶端，形状是300mm200mm200mm的长方体白色木盒；前部装有直径120mm的磁铁吸盘，可以将带铁片的风机螺旋桨吸附在上面；磁铁外端有一个木制的圆柱形凸起。风机螺旋桨由中间一个大圆盘和三片桨叶组成，圆盘中间有孔，只有将孔对准风力发电机的凸起，才能将螺旋桨安装到发电机上。图 Error! No text of specified style in document.4 风力发电机和风机螺旋桨课题任务的整个过程可以分解为三个部分：1、 机器人A和机器人B跑完前

33、部分赛道之后到风力发电站汇合，机器人A上的机械臂寻找并抓取机器人B上的风机螺旋桨。2、 机器人A抓到风机螺旋桨之后开始攀爬立柱，在接近顶端风力发电机的地方停稳，机械臂在空中调整姿态。3、 机械臂带着风机螺旋桨寻找风力发电机的准确位置，安装螺旋桨。在完成毕设过程中共设计制作了两个方案。其中第二套方案达到预期要求。方案一：爬杆机构须提供足够的抱紧力以提供足够的摩擦力，拟采用模型飞机起落架推杆做动力源，用连杆机构将推力放大产生抱紧力（图2.5）。图2.5 推力放大推杆采用四个舵机作为爬杆轮动力，转动爬杆轮提供上升的推力。（图2.6）图2.6 制作完成并实验之后发现存在以下问题：1、爬杆轮动力不足，无

34、法提供足够的力提起15kg重量。2、爬杆机构在杆周向和轴向不稳定，爬杆动作无法实现。方案二：抱杆装置由两对三排共六个摩擦轮、推杆和气缸组合而成。每三个摩擦轮成一竖排，安装在摩擦轮机架上，推杆与摩擦轮机架连接，气缸安装在抱杆装置侧板内侧，与推杆连接，通过推杆向摩擦轮架传递推力。侧板与主机架之间采用角铝多层架的方式固定，结构稳定性好。推杆由气缸驱动，可推动摩擦轮机架，使两个摩擦轮机架靠近。在路面行走阶段，两个摩擦轮机架彼此在水平方向相距一定距离，推杆位于原始位置。抱杆阶段，气缸动作，推杆推动两个机架远离气缸，两对摩擦轮之间的距离减小，抱杆装置整体展开，摩擦轮逐渐贴近立柱，直到抱紧立柱。上爬装置由六

35、个摩擦轮及驱动它们的电动机组成。在立柱被抱紧后，开始上爬阶段，六个电动机同时工作，六个摩擦轮在沿着杆上滚动，向着杆顶运动，达到爬杆的目的。每个轮子都有一个单独的电动机驱动，六个摩擦轮以相同的转速运动。（图2.4、图2.5）图2.4图2.5经试验，方案二可满足预期要求。本章根据爬杆机构的设计指标，进行材料、零件选型和设计，确定爬杆机构各部分的结构设计方案，最后设计出上述两套分案。2.2爬杆机构方案设计2.2.1设计指标 此款爬杆机构是用于完成2016年全国机器人大赛，设计要做到质量轻、强度刚度合适、运动稳定性好。具体设计指标作为完成后续详细设计的理论依据，如Error! Reference so

36、urce not found.所示。表 2.1 爬杆机构的各项指标类型设计指标质量构型负载速度尺寸爬杆自旋指标其它不超过6kg轮式爬杆机构可承载全重15kg的机器人大于0.3m/s小于500mm*500mm*400mm小于3 2.2.2设计准则 设计要求参加比赛的机器人具有良好的机械性能，避免因为机械性缺陷影响任务的完成。根据爬杆机构应用特点，课题组经过讨论对其功能、结构、性能等各个方面作出以下设计准则：（1）比赛时间比较紧凑，分秒必争，要求爬杆机构的触发在预定的较短时间内平稳地完成。（2）在保证抱杆机构设计指标的同时，尽可能地减少抱杆机构的体积和重量。（3）抱杆机构运动过程必须要和其它结构协

37、调，不发生干涉问题，保证抱杆机构的机械结构足够紧凑，才能使爬杆动作轻快和灵活。（4）零件工艺性要好，以便于抱杆机构的维修调整。2.3结构详细设计2.3.1爬杆轮材料分析与选择轮式爬杆机构的用摩擦力来克服重力上升，所以选择合适的材料才能在较大的压力下产生足够的摩擦力，这是爬杆机构能正常工作的基础。根据比赛环境和爬杆机构应用特点，爬杆轮材料的选择也应遵循以下准则：（1）与PVC圆柱面摩擦系数高；（2）具有良好的加工特性，容易加工成需要的形状；（3）耐压不易产生塑性形变；（4）维护简便可重复使用；（5）无毒无害。依据以上准则，通过资料查阅和对市面上以及学校实验室各种相关材料进行调研和对比，然后进行分

38、析总结最终选取硅橡胶轮、3M硅橡胶皮、丁基胶轮胎、海绵四种方便获取的材料进行试验。（1） 硅橡胶：有机硅聚合物，包括多种惰性、合成化合物由硅氧烷重复单元，组成是一个链交替的硅原子和氧原子，结合大量碳和氢。他们是典型的耐热橡胶，并用密封胶、粘合剂、润滑剂、医学、烹饪器具，和热绝缘。一些常见的形式包括硅油，硅油、硅橡胶、硅树脂、有机硅填缝。（2） 丁基橡胶：是一种合成橡胶，是异丁烯和少量异戊二烯的共聚物，由于甲基分布在碳链两侧，使丁基橡胶具有优秀的抗气体透过性，通过加入异戊二烯的结构单元，改善了主链的柔顺性。丁基橡胶通常为无色或浅黄色，没有气味和味道，有时会因残留的单体有特殊味道。丁基橡胶具有良好

39、的化学和热稳定性，具有特别优良的气密性和水密性。丁基橡胶对空气的透过率是天然橡胶的五分之一，丁苯橡胶的七分之一；对水蒸气的透过率是天然橡胶的二百分之一，丁苯橡胶的一百四十分之一。丁基橡胶的缺点是由于主要是异丁烯单元，主链上双键较少，硫化速度较慢，成本较高。丁基橡胶广泛用于轮胎的制作。（3） 聚酯海绵：由二元或多元异氰酸酯与二元或多元羟基化合物作用而成的高分子化合物，聚酯海绵具有优异的机械强度和独特的耐油、抗溶剂的特性，在耐磨性、耐磨蚀、耐高温、拉伸性强、弹性好、无不良气味，拉伸性强,广泛应用于车辆内饰，摩托车、高档面料复合、建筑、安全服、文具印台、打印机耗材、过滤、等领域。采用一定压力下测量各

40、材料与直径11厘米PVC圆柱面最大压力来得到各材料与PVC圆柱面得摩擦系数。由于限于实验条件，立柱直接测量存在较大困难，拟采用将立柱放倒测量的方法。测得各材料与PVC圆柱面得摩擦系数见Error! Reference source not found.。表 2.2 各材料与PVC圆柱面得摩擦系数材料摩擦系数硅橡胶轮3M硅橡胶皮丁基橡胶轮胎聚酯海绵0.914.540.850.52表2.3 三种材料优点和缺点对比类别优点缺点硅橡胶轮与PVC圆柱面摩擦系数较大；相对耐高温；购买方便，价格相对便宜同种型材形状单一，不利于与其他部分连接配合；需要加工定制；耐腐蚀性一般3M硅橡胶皮与PVC圆柱面摩擦系数很

41、大；质量相对较轻；可以粘接在各种满足使用要求的形状表面，适用性较好；需要粘接，对粘接接缝要求高，不利于短时间内急需使用；耐腐蚀性一般丁基橡胶轮胎与PVC圆柱面摩擦系数较大；耐腐蚀；质量轻、低密度；价格便宜，成本低；具有良好的化学稳定性，具有特别优良的气密性和水密性；容易购买到有丁基橡胶轮胎的车轮；不耐高温，高温下会产生烧焦味道聚酯海绵耐磨性、耐磨蚀、耐高温、拉伸性强、弹性好、无不良气味，拉伸性强与PVC圆柱面摩擦系数较小根据爬杆对象PVC柱面选择合适的与它能产生足够大摩擦系数的材料的原则，我们首先排除了聚酯海绵。在机器人设计过程中由于实验室有硅橡胶轮可直接使用，我们在第一代爬杆机构上使用了硅橡

42、胶轮，硅橡胶轮与轮毂采用环氧树脂胶粘接。经试验粘接无法满足爬杆要求。在第二代爬杆机器人上我们拟采用丁基橡胶轮胎外粘接3M硅橡胶皮的方式。测试过程中发现直接采用丁基橡胶轮胎可较好满足爬杆要求，同时3M硅橡胶皮粘接较难，故最终采用成品丁基橡胶轮胎作为爬杆轮。2.3.2抱紧动力源的选择与抱紧推杆设计一般机器人中用得比较多的驱动方式主要有以下几种：（1）电力驱动：在机器人领域，电力驱动动力源一般为直流电机直接驱动运动部件，因此电机驱动是当下机器人中最常用的驱动方式之一。电力驱动具有供电简便，反应较为灵敏，驱动力较高的优势，信号的检测、传输和处理方式也比较方便，并且可以采用较多的控制方案。机器人中最常见

43、的是步进电机和直流电机为主的驱动方式。由于直流电机转速较高，通常要使用减速装置(例如配套的齿轮减速箱，采购回来即可与电机安装使用)。（2）气压驱动：气压驱动是通过气体气压变化从而压力来驱动运动机构运动的，通常以气泵作为气源。气压驱动的主要特点是介质的来源极其方便、气动的动作迅速、结构简洁、成本低廉。但是由于空气具有可压缩性，驱动速度的稳定性相对较差，而且气压驱动极易受到工作环境温度变化的影响。气压驱动的机器人较多用于速度较大、载荷比较小而且相对恒定的环境中进行工作的机器人。（3）液压驱动：一般液压驱动具有极大的抓举能力。液压驱动的特点是系统结构紧凑、运动较为稳定、振动较小，但液压驱动器件速度比

44、较慢同时要求有较高的加工精度和密封性能，否则一旦液压油泄露将会对周边环境造成污染，也会对机器人的工作性能有很大的影响。（4）机械传动：通过机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条以及棘轮等）驱动。采用这种驱动方式的机构动力是由工作机械传递的。机械传动的主要特点是运动精准可靠、动作频率可以很高，但是机械传动通常结构空间较大而且相对比较复杂，工作流程不容易改变。在设计过程中，先后尝试了直流电机带动丝杠作抱紧动力和气缸推杆作为抱紧力。直流电机带动丝杠选用航模飞机起落架推杆模块，用连杆机构将推力放大产生抱紧力（图2.6）。图2.6 推力放大推杆推杆输出转矩，通过滑轮转换成推力（如图2.6），推力变化理论

45、分析应为Fsincos，其中F为丝杠推杆额定输出力，为推杆与丝杠夹角。推力变化曲线如图2.7。图2.7 推力放大比例变化曲线经过试验抱杆推杆最大推力超过10kg。但制作完成并实验之后发现存在以下问题：1、爬杆轮动力不足，无法提供足够的力提起15kg重量。2、爬杆轮与柱面接触面积小，杆周向和轴向不稳定，爬杆动作无法实现。故设计方案二，拟采用气缸推杆作为抱紧动力源。气缸选择：在2.1.1摩擦轮材料分析与选择中，选用了摩擦系数=0.5的丁基橡胶轮胎，由设计车重15kg，可算得需要压力大于30kg，本次机器人大赛要求气压小于0.6Mpa，通过查阅气缸输出推力表2.4，选择缸径25mm的气缸推杆。表2.

46、4 不同气压下各缸径气缸输出推力应用死点进行抱紧推杆的设计：在平面连杆机构中，当出现传动角=0（或压力角=90）时，作用力与运动方向垂直，主动件无法带动从动件运动，这个位置称为机构死点，也叫做止点，机构死点位置就其应用而言，主要是夹紧和增力，当机构在死点位置对工件实施夹紧时，可保持较大的锁紧力，无论反弹力多大，也不能使机构运动。且由于机构在死点位置时，构件的速度接近于零，故可获得很大的增力效果。结合气缸推杆做出如图2.1所示设计，爬杆机构分左右两组，相互镜面对称，每组主要由外侧车架连接板和内侧的爬杆轮架组成，二者之间采用平行四杆机构连接来保持抱杆轮架与车架连接板平行，即每列三个爬杆轮竖直。气缸

47、推杆通过两个传力杆与车架和爬杆轮架相连，随着气缸推杆外推（图2.8、图2.9），爬杆轮架向内侧移动，完成抱紧杆体的动作。在这个过程中，两个传力杆之间的夹角持续增大，对气缸推杆推力的放大作用持续增强，最终两个传力杆与气缸推杆的机构简图如图2.10所示。通过受力分析和计算：F0*sin6.84+ F2*cos75.61= F1*cos67.99F0*cos6.84+ F1*sin67.99= F2*sin75.61得F1= 2.45*F0 。即此机构将气缸推杆推力放大到原推力2.45倍。此时爬杆机构对杆体表面压力为29.4*2.45=72kg706N。图2.8 气缸未推出状态图2.9 气缸推出状态

48、图2.10 传力杆与气缸推杆的机构简图1233.13.23.32.3.3电机选择与校核工作机械的负载性质还有工作制度，直接关系着电动机的功率的预选。恒定负载连续工作制，所选电动机的功率其中P输出=mgv=25*9.8*0.3=73.5kw（总效率）齿轮箱=0.7电动机所需实际功率：Pd=P输出/=105kw要求Ped略大于Pd，通过产品手册选用maxon公司RE 25直流有刷电机，额定功率20Kw,6个电机总功率120kw。电机参数见表2.5。表2.5 RE 25石墨电刷电机参数额定电压值特征值热参数机械参数其它参数额定电压24 V运行模式外壳环境热阻14 K/W轴承类型球轴承极对数1空载转速

49、9560 rpm供电电压绕组-外壳热阻3.1 K/W最大允许转速14000 rpm相数空载电流36.9 mA相间电阻2.32 绕组热时间常数12.5 s轴向间隙0.05 - 0.15 mm换向片数量11额定转速8330 rpm相间电感0.238 mH电机热时间常数612 s径向间隙0.025 mm高温高压灭菌次数0额定转矩（最大连续转矩）26.3 mNm转矩常数23.4 mNm/A环境温度-30.+100 C最大轴向载荷（动态）3.2 N认证额定电流（最大连续负载电流）1.16 A转速常数408 rpm/V绕组最高允许温度+125 C最大轴向压配合力（静态）64 N安全等级A堵转转矩243 m

50、Nm转速/转矩斜率40.3 rpm/mNm（静态，支撑轴）800 N重量130 g堵转电流10.4 A机械时间常数4.55 ms最大径向载荷16 N, 5 mm（距离法兰）最大效率85%转子惯量10.8 gcm在24V电压下电机转速为9792 rpm=163.2 r/s，需要转速为1.6 r/s,则减速器减速比为102。通过产品手册选用maxon公司行星齿轮箱GP 32。齿轮箱参数见表2.6。表2.6 行星齿轮箱GP 32参数齿轮箱数据技术参数齿轮箱类型GP径向间隙最大0.14 mm, 10 mm（距离法兰）外径32 mm轴向间隙最大 0.4 mm版本大功率最大径向载荷250 N, 10 mm

51、（距离法兰）减速比103:01:00最大轴向载荷（动态）120 N绝对减速比3588/35最大轴向压配合力120 N最大电机轴直径6 mm最大连续输入转速8000 rpm级数3最大瞬时输入转速8000 rpm最大连续转矩8 Nm建议温度范围-40.+100 C瞬时允许输出转矩12 Nm高温高压灭菌次数0输出端相对于输入端的旋转方向=重量210 g最大效率70%空载下齿轮箱平均背隙1 惯量0.7 gcm齿轮箱长度（L1）54.8 mm最大连续输出功率65 W最大瞬时输出功率98 W电机的校核：主要校验电动机的启动转矩。满足启动需要转矩小于电机最大转矩即可。T启动=mg6*r=25*9.86*0.

52、04=1.633NmTK=TKi=0.243*103=25.029NmT启动TK所选电机满足使用要求。2.3.4支架设计爬杆轮轴的支撑臂部分作用是支撑三个，保证爬杆过程中不会发生变形甚至屈服崩溃，能够完成正常的使用，实现需要的功能。通过对市面上和学校实验室各种机器人和的框架结构进行调研和对比，然后进行分析总结，大致得到了四种不同材质类型的支撑结构：铝合金型材，铝合金加工支撑件，碳纤维板，玻璃纤维板。（1） 铝合金型材：铝合金型材是工业中应用最多的一种有色金属型材，在干净、干燥的环境下铝合金的表面会形成保护的氧化层。比强度较高，在航空宇航、车辆制造行业、机械工程、船舶制造、建筑行业以及化工业中都

53、已经得到了极其广泛的应用。 （2） 铝合金加工支撑件：铝合金是机械工程中最常用的材料之一，通过分析和计算可以设计出各种各样的零件进行机加工，以满足相对应的使用要求。（3） 碳纤维板：碳纤维板又被称作碳素纤维板，通常被简称为碳板，碳纤板。在碳板的生产中，可以使用不同的模具制作各种类型的型材。由于碳纤维板高强度和低密度的特点，在航模中被使用的较多。（4） 玻璃纤维板：亦称玻璃钢或玻璃钢增强塑料，是一种以高分子环氧树脂或不饱和聚酯树脂为基体，玻璃钢或碳纤维等为增强体，经过复合工艺而制成的复合材料。优点包括轻巧，耐腐蚀，抗老化，防水及绝缘，故用于制造各种运动用具、管道、造船、汽车与电子产品之外壳与印刷

54、电路板。以上三种材料性能各不相同，各有优劣，其优缺点对比见表2.7。表 2.7 三种材料优点和缺点对比类别优点缺点铝合金型材强度刚性较高，寿命长；相对耐高温；使用的连接件大多数都是标准件，设计成本较低；购买方便，价格相对便宜同种型材形状单一，不利于与其他部分连接配合；质量相对较重，强度一般无法做到刚好，多有冗余部分；耐腐蚀性一般铝合金加工支撑件强度刚性较高，寿命长；相对耐高温；质量相对较轻；可以设计成各种各样满足使用要求的形状，适用性较好；加工成本较高；需要设计图纸；加工周期较长，不利于短时间内急需使用；耐腐蚀性一般碳纤维管强度刚性较高，寿命长；耐腐蚀；质量轻、低密度；工艺性好，切割容易；具有

55、高比模、耐疲劳、抗蠕变的特点使用时应注意防电；可燃，通电后可能燃烧，易发生危险；成本较高玻璃纤维板强度较高刚性较好，寿命长；耐腐蚀；价格便宜，成本低；工艺性好，切割容易；绝缘性好密度较大；加工粉尘有害健康 表面是树脂考虑到：（1）轮轴支架重载，需要支架与受到多点支撑，需要轮轴支架连接方便；（2）重量要求，2016ROBOCON第十五届全国大学生机器人大赛主题与规则 清洁能源中规定两台机器人的重量不得超过40公斤1，其中B机器人重量控制在3kg以内，故对A机器人重量要求不高，综合以上两方面的原因，最终决定采用玻璃纤维板支撑部分，然后设计铝合金加工件作为玻纤板和其他部分的连接件。2.3.5锁杆设计

56、抱杆机构设计至此，仍有一个关键问题没有解决，即爬杆机器人重心与杆几何中心不重合所产生的力矩会导致机器人无法正常爬杆（图2.11）。考虑到此时机器人上设备的空间排布，决定采用增加锁杆来平衡上述力矩。图2.11中力F1由碳纤维管与杆的表面接触产生，F2由车身上的滑轮与杆的表面接触产生。进行三维建模如图2.12所示。图2.11 爬杆机器人受力示意图图2.12 爬杆机器人三维建模锁杆机构由锁杆转轴端、碳纤维锁杆和锁杆锁端组成图（图2.13）。锁杆锁杆转轴端由一个数字舵机控制碳纤维锁杆由竖直状态落下至图示水平状态，之后由锁杆锁端转动锁舌，将碳纤维锁杆锁住。图2.13 锁杆机构三维建模驱动舵机采用Dynamixel系列的机器人舵机作为驱动元件，因为这个系列的舵机是一种智能的模块化的动力装置，由一个精