爬杆机器人理论方案设计说明书(转载)

1、第26页 共26页 + 爬杆机器人理论方案设计说明书学校名称： 中国计量学学院学生队长： 学生队员： 指导教师： 联系方式： 二0 0五年一月月 目录录一方案构思11二机械部分33三. 电控部分分17四设计小结119一 方案构思 我们通过三个手手臂来抓紧杆杆件再通过手手臂上的电机机来实现机器器人的爬升和和下降。原理上两个就能能实现,但三三个手臂是一一作联结,二二可起稳定作作用。手臂上上升下降是通通过齿轮齿条条来实现的。二机械部分1机器人的整整体装配图如如下：图1我们是通过三个个手臂爬杆的的，上手臂装装在一个齿条条的最上端，并并且固定，在在具体设计时时我们可以使使上手臂有一一定的上下和和左右转动

2、范范围,具体的的设计将在下下面介绍。下下手臂装在下下杆C上齿条条的下端,中中间手臂固定定在滑槽上,上手臂的上上升和下降是是通过装在滑滑槽上端的电电动机带动齿齿轮啮合齿条条来实现的.下手臂的上上升和下降是是通过装在滑滑槽下端的电电动机带动齿齿轮啮合齿条条来实现的,中间手臂的的升降是通过过上下两对齿齿轮齿条反转转来实现的。2路面行走结结构在地上行走，我我们通过装在在下手臂上的的三个车轮来来实现地面上上的行走，动动力由后车轮轮上的两个电电机来提供，用用两个电机主主要是为了能能实现走弯路路，具体的三三视图形如下下： 图2 底部车轮轮结构2 机器手臂的的设计 图图3 机械手的的结构我们设计的这个个机器手

3、采用用了曲柄滑块块机构，A，BB，C点处安安装了橡胶皮皮，1，2两两点固定在支支撑板上，当当滑块W向前移移动时，根据据杆子的结构构，A，B，CC点将向中心心收缩，产生一一个收缩的趋趋势，就抓紧紧杆件。当滑滑块W向后移动动时，A，BB，C点会张张开，即松开开杆件。再配配合机构的移移动构件，机机械手就能很很好的实现上上升和下降。 在在本方案中，由由曲柄滑块机机构的一系列列动作，使机机械手实现抱抱紧松开的动动作，机械手手的夹紧依靠靠滑块使3个个橡胶皮与构件件紧紧地接触触。在接触的的时间内实现现另一个机械械手的升降，在在松开杆件的的时间内实现现自身的升降降。这两段时时间的长度很很难控制，可可以说光靠电

4、电机是不可能能实现的。此外考虑到到机械手垂直直夹紧杆件时时支撑板所受受的力矩很大大，难以锁住住杆件，因此此可以改变机机械手臂与杆杆件的角度来来减小力矩，但但角度不能太太小，太小的的话就会使上上升的速度变变慢，因此角角度应在70080度度之间为好，具体的角度要计算后后为准。机械手臂是这个个机器人的主主体，在这个个设计过程中中我们花了好好多时间查阅阅了很多资料料，最后选用用了这个曲柄柄滑块机构，在在设计时我们们想了很多，最最初设计时觉觉得比较容易易，可是真正正设计时碰到到了很多困难难。其中最主要的问问题是如何使使手臂按我们们要求的实现现放开和抓紧紧，特别是时时间上的控制制最重要。我我们刚开始时时想

5、到了凸轮轮来控制，凸凸轮能够实现现，但是也有有缺陷，就是是凸轮的设计计难度较大，时时间上的控制制也很难，我我大致算了一一下，如果我我的转速是110r/miin ，那么么转一圈要六六秒，那么抓抓紧的时间是是3秒，而放放开的时间是是1.5秒。那那么物体上升升的时间很短短，难以实现现。后来我们确定用用电磁铁来控控制，电磁铁铁很容易通过过单片机来控控制时间，特别是三个手臂臂之间的协调调可以比较准准确的控制。可可用电磁铁也也有缺点，就就是电磁铁的的磁性会影响响单片机的运运行，那样就就会给电机控控制带来问题题。但在外面面加上一些防防磁场的装置置就会减少影影响。因此最最后确定用电电磁铁机构，这这样在计算少少

6、的同时更容容易控制时间间以及各方面面的协调。电磁铁手臂的设设计图及连杆杆机构图图4电磁铁手臂臂的设计 图5连杆机构构图 电磁铁的工工作过程：当当在地面行走走时，通过单单片机控制使使手臂全都张张开，这样就就能在行进后后立刻抓住杆杆件。抓住后后就通过编程程来控制使手手臂，使三个个手臂松开和和抓紧的循环环过程，同时时通过电机的的转动来实现现手臂的上升升和下降。具具体的过程如如下：上手臂中手臂下手臂地面行走过程松开松开松开上手臂上升松开抓紧抓紧中手臂上升抓紧松开抓紧下手臂上升抓紧抓紧松开上手臂上升松开抓紧抓紧表1 机械手臂臂工作的具体体过程为了实现抓不同同直径的杆件件，我们设计计了使装在滑滑块上的两根

7、根杆的长度可可以通过一个个滑杆机构来来改变，就是是一根杆放在在另一个滑筒筒内，可以抽抽动来无级改改变杆的长度度，然后用一一个紧固螺钉钉来夹紧，结结构如下：图6 滑杆杆机构但我们设计的手手臂不能爬无无限杆的直径径，它是有一一定的范围的的，而我们设设计的手臂是是可以爬升直直径40到550毫米的任任何杆件，只只要调节两根根杆的长度就就能实现，在在这我设计了了两个极限位位置的杆件，设设计如下： 考虑到到我们设计机机器人是从地地面滑行的，因因此我们手臂臂张开时要能能够抓住杆件件，即手臂BB，C两点的的距离必须大大与杆的直径径，否则就不不能进行下一一步的运动。还还有我们设计计的手臂上的的三点，要分分别抓在

8、圆的的三等分上，这这样就能更加加抓紧杆件，由由于抓不同直直径的杆件时时，三个橡胶胶皮运动的距距离是不一样样的，因此每每次都要调节节滑块两端杆杆的长度，使使三个橡胶皮皮能同时和杆杆件接触抓紧紧。根据图形形我们知道滑滑块移动的距距离就是电磁磁铁吸引铁块块的距离，因因此当杆件是是40毫米时时，滑块移动动的距离是117.03毫毫米，则电磁磁铁和铁块之之间的长度也也是17.003毫米，杆杆1 的长度度为19.007毫米；当当直径是500毫米时滑快快移动的距离离是5.1毫毫米，则电磁磁铁和铁块之之间的长度也也是5.1毫毫米，杆1的的长度为299.93毫米米。具体图形形如下： 图图7 图8图9 机器人人原始

9、、极限限状态图图10 机器人人爬管的四个个过程主要任务：攀爬爬一个垂直距距离L=688mm运动过程：1、初初始状态杆A、杆CC缩于杆A内内至整体呈最最短状态，为为300mmm长； 2、第一步运运动杆B、杆杆C的机械手手抓牢攀爬物物，杆A的机机械手呈松弛弛状态。由电电机通过齿轮轮齿条啮合的的形式，驱动动杆A上升一一额定距离LL=68mmm，移动完毕毕，杆A的机机械手抓牢攀攀爬物，同时时，杆B的机机械手松开； 3、第二步步运动此时，杆杆A、杆C的的机械手抓牢牢攀爬物，杆杆B由电机通通过绳索拉升升一额定距离离L=68mmm，拉升完完毕，杆B的的机械手抓牢牢攀爬物，同同时，杆C的的机械手松开开； 44

10、、第三步运运动此时，杆杆A、杆B的的机械手是抓抓牢攀爬物的的，杆C由电电机通过齿轮轮齿条啮合的的形式，驱动动杆C上升一一额定距离LL=68mmm; 5、回复至初初始状态，再再重复循环第第一、二、三三步的运动； 6、下降过程程与理论上与与上升步骤相相反，故不必必再赘述。 通过上面的的运动步骤，机机器人可实现现垂直杆件上上的攀爬。主要参数： 杆A长a=133mmm, 杆BB长b=1770mm, 杆C长cc=a=1333mm； 驱动杆杆A的电机转转速为n1=48r/mmin, 上拉杆B的的电机转速为为n2=500r/minn, 驱动杆杆C的电机转转速为n3=n1=488r/minn；与A啮合的的齿齿

11、轮半径为rr1=10mmm, 拉升升杆B的电机机的皮带盘的的半径为r22=10mmm, 与C啮啮合的齿轮半半径为r3=10mm,计算步骤：尺寸及其质量机械手质量：11、有机玻璃璃板架质量（22块） m1=L*w*d*=2000*80*mm*1.4gg/cm=22.44g 2、电电磁铁质量（22块） m2=d*(l1+l22)* h-*r=5*(40+335)*200-*5mm*7.6 gg/cm=54g3、弹簧质量（11只） m3=1gg4、橡胶皮质量量（3只） 图11立体图图及其尺寸m4=v=*rr*d*h=00.95 gg/cm*25*(2*10/360)*7*200=0.588g5、滑块

12、质量（11只） mm5=30gg6、连杆质量（55根） m6=(L1+L2+L33+L4+LL5 )hdd=7.8 g/cm*(2500*20*33)mm=1117g 7、联联结螺栓螺母母质量(7只只) m7=2gg则一个机械手的的质量为M11=2*m11+2*m22+m3+33*m4+mm5+5*mm6+7*mm7 =2*222.4+22*54+11+3*0.58+300+117+7*2 =3166.54g联杆质量图12 A杆视视图及其尺寸寸A杆 体积VVa=V侧+V底铝材（密度2.7 g/ccm） =22*（W1+W2+H11+H2）*L*D+2*（100H1+100W2）*22D =2*

13、(788+58+1138+1118)*288*1+2*2*（100*138+10*588） =29.7992cm 质量Ma=2.7*229.7922=80.44384g 图133 B杆杆的视图及尺尺寸 B杆 体积VVb整框V1=1117*1*(100+445*2+225*2+110*2+115*2+228*2+880)=499842 mmm 截截空 V2=1*1177*80*22=187220 mm 挡挡板 V3=80*100*1=8000mm则Vb= V11- V2+ V3=449842-187200+800=319222 mm=31.9922 cmm质量 Mb=22.7*311.922=8

14、6.18894g C杆 质量Mcc=Ma=880.43884g电机质量：我们们共用到4个个直流电机，每每个电机质量量约为35gg齿条质量：我们们共用到两对对齿轮齿条传传动每个齿条的质量量为 m=LLWH=(114*1188*6) mmm*7.8 g/cm=77.33136gB杆上 我们设计其其半径为R=1mm, 长L=600mm,材质质为钢转轴的质量 MM=RL=(*1*60) mmm*7.8 gg/cm=1.47703g(2只)运动计算1、距距离L 3+5=SUM(3) # 0 3+5=SUM() # 0 SUM()=3+5 3=SUM() # 0 SUM(8，2)= 3+6=SUM(9)

15、3，9=SUM() 预定一个个动作周期的的攀爬距离 S=68mmm(一个周期内) 时间T 上升过程 1、 杆A的攀爬爬时间T1=L/V1，VV1=2nr1/600(mm/ss)=n1r1/330(mm/s) , 则T11=30SLL(n1r1)=330*68/(80*6)=11.35288170166s,取T11=1.366s ； 22、杆B的攀攀爬，由于齿齿轮齿条的运运动与A杆上上升时完全相相反，故其上上升时间为时时间T2=TT1=1.336s； 33、杆C的的的个参数与杆杆A相同，故故其攀爬时间间与A相等，即即T3=1.36s； 由以以上各段时间间相加就是杆杆每上升完整整的一段距离离L所用

16、的时时间，即总时时间T=T11+T2+TT3=1.336+1.336+1.336=4.008S，由此此可得爬升的的平均速度VV=L/T=68/4.3=16.67mm/s。 下下降过程 设平均速度度为V,攀爬杆长长为P,在杆杆上时间为TT=4minn，扣除机器器人本身的高高度300mmm,则实际际在杆上攀爬爬路程为（22P-2*3300）mmm。 下降过过程我们有两两个方案备选选。 方案一一：采用与上上升过程相反反的状态，则则下降的平均均速度V=V=166.67mmm/s,可由由2P-2*300=VVT=16.67mm/s*4miin*60ss/min ,则可知攀攀爬杆长P=2300.4mm；

17、方案二二：采用下滑滑的方式， （P-3000）/155.81+（PP-300）/ V=240 假设设V=16.667n,下滑滑时间为T 则PP=240*16.677n/(n+1)+3000 当nn=2时，PP=29677.2mm, T=240/3=80ss 当nn=3时，PP=33000.6mm, T=240/4=60ss 当nn=4时，PP=35000.64mmm, T=240/5=48ss当n=5时，PP=36344mm, T=240/6=40ss . . . . . . . . . 虽虽然采用方案案二能大大增增加机器人的的爬升高度，但但考虑到下滑滑速度较快，不不稳定因素较较多，为保险险起

18、见，我们们决定采用方方案一。有关齿轮齿条 传动的计算 ：齿轮模数 m=11mm 齿数 z1=220齿顶高系数 ha*=1 顶隙系数 c*=0.25 分度圆压力力角 0 分度圆直径径 dd=mz=11*20=220mm 齿顶圆直径径 dda=m(zz+2ha*)=1*(20+2*1)=222mm 齿根圆直径径 ddf=mz-2m(haa*+c*)=1*200-2*1*(1+0.25)=117.5mmm 齿条齿形角 0 齿厚、齿槽槽宽 s=e=m/2=*1/2=1.57mmm 齿顶高 ha=(ha*+cc*)m=(1+0.225)*1=1.25mmm 齿齿轮齿条的重重合度 1=20*（ttana1

19、-tan）+2ha*/(sinn0 *cos0 )/2 =20*（tanaarc(coos20/222)-taan20）+2*1/(sin00 *cos0 )/2 =1.29905304458maax=1.9981完全符合要求电磁铁的吸力计计算：图14G 为重力 GG=14.77N，F为电电磁铁的吸力力，U为摩擦擦系数U=11.2，F33 为最大弹弹簧弹力 FF3=2N，WW为转距，FF1为压力，则F4=F-FF3，G=FF4*COSS10*U=FF4=G/（CCOS10*U） ，则F=F4+FF3=G/（CCOS10*U）+ F3=114.7/（CCOS10*1.2）+2=14.44N因为每

20、次有两根根杆是抓紧的的，因此每根根杆上的吸力力为14.444/2=77.22N电磁铁的吸力要要大于7.222N。 三 电机控制部部分 我们的机器器手臂控制是是通过单片机机来定时来控控制电机和电电磁铁的通电电和断电，具具体的时间控控制我们通过过计算如下行程时间段电动机控制电磁铁控制单位（S）车轮上手臂下手臂上手臂中手臂下手臂地面行程0-28开关关关关关调整过程28-30关关关关开开爬升过程30-132关/暂停过程132-1688关关关开开开下降过程168-2700关调整过程270-2722关关关开开开回程272-3000开关关关关关表2 整个爬管管过程的时间间分布进程时间段电动机控制电磁铁的控制单位（S）