北航2016本科毕设轮式爬杆机器人

北京航空航天大学毕业设计(论文) 第表2.2。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），推力变化理论分析应为Fsinθcosθ，其中F为丝杠推杆额定输出力，θ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μ=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2.4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γ=0°（或压力角α=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*cos67.99°F0*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=72kg≈706N。图2.8气缸未推出状态图2.9气缸推出状态图2.10传力杆与气缸推杆的机构简图2.3.3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Pη（总效率）≈η齿轮箱=0.7电动机所需实际功率：Pd要求Ped略大于Pd，通过产品手册选用maxon公司RE25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2.5RE25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24V运行模式外壳环境热阻14K/W轴承类型球轴承极对数1空载转速9560rpm供电电压绕组-外壳热阻3.1K/W最大允许转速14000rpm相数空载电流36.9mA相间电阻2.32Ω绕组热时间常数12.5s轴向间隙0.05-0.15mm换向片数量11额定转速8330rpm相间电感0.238mH电机热时间常数612s径向间隙0.025mm高温高压灭菌次数0额定转矩（最大连续转矩）26.3mNm转矩常数23.4mNm/A环境温度-30...+100°C最大轴向载荷（动态）3.2N认证额定电流（最大连续负载电流）1.16A转速常数408rpm/V绕组最高允许温度+125°C最大轴向压配合力（静态）64N安全等级A堵转转矩243mNm转速/转矩斜率40.3rpm/mNm（静态，支撑轴）800N重量130g堵转电流10.4A机械时间常数4.55ms最大径向载荷16N,5mm（距离法兰）最大效率85%转子惯量10.8gcm²在24V电压下电机转速为9792rpm=163.2r/s，需要转速为1.6r/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GP32。齿轮箱参数见表2.6。表2.6行星齿轮箱GP32参数齿轮箱数据技术参数齿轮箱类型GP径向间隙最大0.14mm,10mm（距离法兰）外径32mm轴向间隙最大0.4mm版本大功率最大径向载荷250N,10mm（距离法兰）减速比103:01:00最大轴向载荷（动态）120N绝对减速比3588/35最大轴向压配合力120N最大电机轴直径6mm最大连续输入转速8000rpm级数3最大瞬时输入转速8000rpm最大连续转矩8Nm建议温度范围-40...+100°C瞬时允许输出转矩12Nm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210g最大效率70%空载下齿轮箱平均背隙1°惯量0.7gcm²齿轮箱长度（L1）54.8mm最大连续输出功率65W最大瞬时输出功率98W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。TTT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。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已经得到了极其广泛的应用。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。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。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\o"环氧树脂"环氧树脂或不饱和聚酯树脂为\o"基体"基体，玻璃钢或\o"碳纤维"碳纤维等为\o"增强体（页面不存在）"增强体，经过复合工艺而制成的\o"复合材料"复合材料。优点包括轻巧，耐\o"腐蚀"腐蚀，抗\o"老化(材料科学)（页面不存在）"老化，防水及\o"绝缘"绝缘，故用于制造各种\o"运动"运动用具、管道、造\o"轮船"船、\o"汽车"汽车与电子产品之外壳与\o"印刷电路板"印刷电路板。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，由一个精度好的直流电机、具备通讯功能的芯片和齿轮减速箱共同组成。选用性能较好的材料保证在受到外界较大力时必需的强度和韧性，能够产生较大的扭矩。其中锁杆转轴端采用AX-12（表2.8）舵机，锁杆锁端采用AX-18（表2.9）舵机。具有的优点是：1．精准控制，舵机可以1024等分控制位置和速度。2．工作是可以反馈内部的温度和输入电压的变化情况。3．控制舵机位移时，柔性转动角度可调。4．安全性，当多及内部参数（电压、扭矩等）过大时，系统将发出警告，在一定条件下可以自动解决问题。5．坚固性，外壳采用高质量的工程塑料，能承受住较大的负载。表2.8AX-12舵机的主要参数AX-12A重量（g）54.6尺寸32mm×50mm×40mm减速比254:1输入电压（V）9~12最大电流（mA）900最大扭矩（N.m）1.5空载转速（r/min）59最小角度0.29°×1024工作温度－5℃~＋70℃位移角度关节模式：0°~300°车轮模式：无限旋转表2.9AX-12舵机的主要参数AX-18A重量（g）54.6减速比254:1输入电压（V）9~12最大电流（mA）900最大扭矩（N.m）1.8空载转速（r/min）97最小控制角度0.29°×1024工作温度－5℃~＋70℃位移角度关节模式：0°~300°，车轮模式：无限旋转2.4控制方案简介根据比赛规则和机械臂的技术要求，绘制如REF_Ref452107698\h图2.14的控制系统总体框图：图STYLEREF1\s2.14机械臂系统总体框图爬杆机构的控制系统主板采用是stm32F103单片机，通过红外光电开关传感器和微动开关等传感器采集信息，作为信号输入，处理之后向步进电机和各个数字舵机发送命令，实现爬杆机构锁杆抱紧上爬停止一系列动作，协调完成规定的任务。爬杆机构控制系统的硬件有：传感器：红外光电开关传感器、微动开关；处理器：stm32F103；执行机构：步进电机、数字舵机。

3爬杆机器人实验及分析经过前面一系列的工作，最后搭建出来的两代爬杆机构实物如REF_Ref452115717\h图5.1：图3.SEQ图\*ARABIC\s11机械臂实物图图3.2机械臂实物图如图所示，爬杆机构的结构一目了然，横在上方的为碳纤维锁杆，其上套装了两个滚柱轴承减小锁杆与被爬杆表面的摩擦。碳纤维锁杆左端是锁杆转轴端，由一个AX-12舵机驱动，舵机与车架采用铝加工件连接。碳纤维锁杆右端为AX-18舵机。锁杆机构下侧为抱杆轮架，通过铝加工件与车架连接板相连。为了减轻爬杆机构的重量，多个零件设计时考虑了减重问题，抱杆机构的搭建完成之后，全重5.2kg，其中电机重2.4kg，气缸推杆重1.1kg，其余玻璃纤维板铝加工件重1.7kg。重量控制较为理想。3.1试验方案在试验前中按照下述步骤进行准备操作：首先在爬杆机构的零部件设计加工以及装配已经完成，之后按照第二章部分给出的流程图编写的控制代码写入主控板；调整参数，根据爬杆机构能否按照预期正常动作进行调整。调整完成后才能进行试验。实验分为载重测试、爬杆自旋角度测量和适应性。载重测试是保证杆不变情况下改变机器人负载，测试不同负载下机器人的爬杆速度。试验方案为：在检查爬杆机器人各部件正常工作后，以600ml瓶装水作为负载固定于爬杆机器人上，测试机器人爬杆1.6m所需时间，同一负重测三组数据。之后改变负载测得一系列数据。整个试验过程除加装负载外由机器人全自动完成，实验者观察并统计所有数据，观察爬杆动作是否符合比赛的要求、爬杆可靠性是否足够高，控制性能是否达到预期。爬杆自旋角度测量是机器人保证杆不变情况下改变机器人负载，测试不同负载下机器人的爬PVC杆1.6m后自旋角度。试验方案为：在检查爬杆机器人各部件正常工作后，以600ml瓶装水作为负载固定于爬杆机器人上，用手机罗盘功能测试机器人爬PVC杆1.6m后自旋角度，同一负重测三组数据。之后改变负载测得测试不同负载下的自旋角度。整个试验过程除加装负载外由机器人全自动完成，实验者观察并统计所有数据，观察爬杆动作是否符合比赛的要求、爬杆可靠性是否足够高，控制性能是否达到预期。适应性测试是保证载重不变情况下改变机器人所攀爬杆件，测试机器人对不同杆件的适应能力。试验方案为：在检查爬杆机器人各部件正常工作后，机器人空载状态下分别攀爬不同直径树干和灯杆，测试机器人能否顺利攀爬。整个试验过程爬杆部分由机器人全自动完成停靠部分实验者辅助机器人完成。实验者观察爬杆动作是否顺利并防止堵转卡死等情况的发生保证机器人不受到损坏。3.2试验测试及结果分析表3.1载重测试机器人全重/kg爬杆时间（三组平均）/s184.12204.94226.32249.892510.672611.052712.64图3.3载重实验过程图3.4电机输出扭矩与速度关系实验过程如图3.3所示，处理后实验数据如表3.1所示。随着爬杆机器人整体重量的增加，爬杆速度逐渐降低。其中机器人全重在20千克至25千克变化时机器人爬杆速度下降明显。分析原因为机器人爬杆速度受电机输出扭矩与速度关系（图3.4）影响。若想进一步提高爬杆机器人爬杆速度可采取更换更大功率电机或短时间一定范围内超压使用。表3.2爬杆自旋角度测量机器人全重/kg自旋角（三组平均）/°181.78202.24223.64244.05253.93264.15274.37爬杆自旋角度测量实验处理后实验数据如表3.2所示。随着爬杆机器人整体重量的增加，爬杆自旋角逐渐增大。其中机器人全重在20千克至25千克变化时机器人爬杆自旋角上升明显。分析原因为机器人爬杆自旋角产生原因是机器人重心与杆轴心和机器人轴线所确定平面不重合。若想进一步减小爬杆机器人爬杆自旋角可调整机器人重心在杆轴心和机器人轴线所确定平面内。图3.5适应性测试实验经过适应性测试实验（图3.5），此款爬杆机器人可适应9厘米至13厘米直径表面较为光滑的圆柱形杆体，实验过程如图2.1所示。实验过程中先后测试了直径10厘米的银杏树干、直径11厘米的国槐树干、直径9厘米的灯杆、直径11厘米的PVC管，直径13厘米的灯杆。其中直径10厘米的银杏树干和直径11厘米的国槐树干爬杆过程中容易出现车体和树干摩擦的情况，树干不平整的地方会卡主爬杆机器人。攀爬直径9厘米的灯杆、直径11厘米的PVC管和直径13厘米的灯杆时效果良好，可以之前测得的速度攀爬。经过以上实验，在机器人重量控制在20千克前提下，爬杆时间可控制在5秒内，爬升1.6米自旋角度小于2.5度，误差在可接受的范围内；符合2016Robocon机器人大赛本队方案要求，能很好的完成设计目标。

结论与创新点1.3.1结论本毕设根据2016Robocon比赛需求，设计了采用了直流电机驱动的轮式爬杆设计方案，为国少数的爬杆机构设计方案。该方案结构简单、控制简洁，同时爬杆效率高，满足本次比赛要求，使机器人快速准确地完成比赛任务。整个毕业论文主要完成了以下工作：针对比赛规则，制定了合理的参赛方案，确定了设计轮式爬杆机构，从理论上分析了该方案的可行性。制定爬杆机构控制系统整体方案，电机、舵机和传感器的选型，完成比赛过程的路径规划。将各个零件设计并三维建模，画出二维图纸加工，将各个部分的零件搭建起来，包括检测单元、运动执行单元和控制单元，形成一个完整的机电一体化系统。绘制爬杆机构控制的流程图，协调爬杆机构各个部件的运动，调试爬杆机构稳定可靠地工作。进行爬杆机构性能和控制系统的实验测试。通过以上过程，最后我完成了课题给予的任务，但是在完成过程中也存在很多问题，比如理论水平欠缺，对爬杆机构的功能的实现比较漫长；协调爬杆机构关节的运动、速度和角度，如果设置不合适则有可能损坏爬杆机构；爬杆机构同轴度不达标，会让爬杆机构卡死或失控。虽然困难重重，但是在老师的指导和我的不断钻研下，最后爬杆机构还是能稳定运行，并较快地完成了比赛任务，完成了课题的要求。1.3.2创新点本机器人与已有的爬杆机器人相比主要有三项优势：1、机器人重心与杆的几何中心不重合；现有的大多数爬杆机器人都采用机器人重心与杆重合的机构，如蛇形爬杆机器人，通过蠕动上升。当机器人重心与杆的几何中心重合时，实现爬杆相对简单，爬杆过程中保持平衡的难度相对较低。而本机器人的创新之处正在于，在使机器人重心与杆的几何中心不重合的前提下实现了稳定爬杆。2、采用轮式爬杆机构，爬杆动作平稳，速度更快；蠕动式爬杆机器人，由于自身上升方式的设计，导致此类机器人上升速度比较缓慢；而本机器人采用轮式机构直接爬杆，上升速度基本上取决于轮子滚动的速度，所以上升速度十分迅速。3、能携带一定的重物进行爬杆。本机器人在选择材料过程中，主要保证两点：足够的强度和相对轻的质量。这两点保证了攀爬过程中机构的稳定性，同时也是本机器人能够实现携带重物进行攀爬的基础。4、适应性较强，可攀爬直径合适的树干，灯杆等圆柱表面杆体。

致谢经过一个学期多的摸索探究与学习，我最终顺利完成了毕业设计的内容。回想逝去的几个月的时光，体会过挫折的困惑沮丧，也体会过成功的喜悦，林林总总，不一而足。感谢我的导师王田苗老师。王老师对我悉心教导，我从王老师那里学到了很多知识，让自己不断变得充实。另外实验室里的师兄师姐也对我呵护有加，和他们在一起，我不知不觉中接触了好多新鲜事物，给我的毕业设计增添了很多灵感，也因此让我顺利完成毕设。感谢我的母校，给予我接受高等教育，瞻仰国际前沿科技的机会，开拓了我的视野，丰富了我的世界，给予我梦想起航的机会。大学四年，我不仅仅收获了知识，也收获了珍贵的友谊，找到了人生理想。感谢北航机器人队这个大家庭。在这个大家庭里，首先感谢指导老师梁建宏老师。梁老师学识渊博、严谨而有责任心，在北航机器人队准备全国机器人比赛的整个过程中一直指引着我们的前进方向，及时点拨我们出现的问题，在我们陷入困境的时候给我们鼓励和帮助。在爬杆机构设计过程中，梁老师为我的毕设提出了许多宝贵的意见，给我悉心的指导和正确的建议。感谢机器人队领队王扬老师，王扬老师一直努力为我们申请科研经费，申请科研场地，解决我们的后顾之忧，让我们能够全心全意投入到比赛之中。感谢与我同甘共苦共同努力的队友们，一个多学期我们一起在机器人队学习和探索，大家团结一心，互相学习，互相帮助。感谢机器人队里所有的同学和学弟学妹，感谢所有人给予过我的帮助。在与大家共同努力的日子里，我不仅学习到了很多专业知识，也学习到了团结和相互帮助的品质，收获了并肩作战的经历和宝贵的友谊。感谢我毕设论文审查组的评审老师们，感谢几位老师工作繁忙仍然抽出时间在我们的开题与中期答辩