爬杆清洁机器人设计

编号：毕业论文题目：学院：专业：班级：姓名：指导教师：完成日期：

目录摘要 2Abstract 3目录 41绪论 52国内外发展现状，爬杆机器人的分类及其存在的问题.....................................62.1发展现状和分类 62.2国内外发展现状 62.3存在的问题 63爬杆机械人总体方案设计和分析选型..................................................................83.1爬杆机械人总体方案设计 83.2爬杆机械人总体方案分析和选型 94往复清洁式机构....................................................................................................104.1往复清洁式机构的选型 104.2清洁布的选择 114.3吹干机构 125整体结构设计..........................................................................................................125.1爬杆清洁机器人整体结构原理模型 125.2爬杆机器人运动原理分析 135.3运动部件尺寸确定 135.3.1夹爪尺寸的确定 135.3.2往复清洁机构尺寸确定 145.3.3丝杆滑台的机构尺寸确定 155.3.4吹干机构尺寸确定 165.4驱动电机转速计算和选型 165.4.1夹夹爪电机选型 165.4.1.1夹爪电机的转速计算 165.4.1.2夹爪电机扭矩的计算 175.4.1.3夹爪步进电机选型 185.4.2清洁机构电机选型 195.4.3爬杆机器人直线往复机构（丝杆滑台）选型 206各机构具体结构设计...................................................................................................216.1爬杆清洁机器人夹爪机构设计 216.2爬杆清洁机器人下夹爪和躯干上下直线往复移动机构选型 256.3爬杆清洁机器人往复擦洗机构和吹干机构设计 256.4爬杆清洁机器人整体骨架和电控箱 316.4.1爬杆机器人骨架设计 316.4.2爬杆机器人电控箱设计 326.5爬杆机器人总体结构分析 327爬杆机器人设计计算部分..............................................................................................327.1夹爪平行四杆机构连杆有限元设计计算 327.2夹爪基座有限元设计计算 377.3爬杆机器人骨架有限元设计计算 407.4爬杆机器人夹爪开合齿轮设计计算 438控制系统选型和程序编制..............................................................................................468.1控制系统的选型 468.2PLC程序编制 469辅助系统的设计.............................................................................................................4610结论与展望 ...................................................................................................4710.1结论 4710.2论文中提出的新方法和新思路 47参考文献 48致谢 49全套设计加QQ11970985或1972163961，绪论记得院士宋健曾经说过：机器人学的发展和进步是自动化领域最有说服力的成就。机器人技术自本世纪60年代开始，经过40余年的长足发展，逐步走向成熟，市面上出现了多种用途的工业机器人。从我们的中学时代开始，甚至从小学开始，我们就开始接触机器人。进入当代20世纪，机器人越来越深入到各行各业。那么何为机器人呢？我们通常认为机器人就是在计算机，或者PLC的控制下，各个机械和电器部件协同工作。在其设计和运用的工作环境中，工业机器人一般具有其特定的拟人功能。并且，一个成熟的机器人一般都设计和安装传感器，以实现其对环境的感知能力。对于很多机器人而言，一般还设计了控制器，以实现其逻辑思维和判断决策能力，以实现其智能化。在我们生产和生活中为人们所常见的机器一般为以下几种：工厂使用的机器人手臂[百度图片]现代化仓库使用的搬运机器人[百度图片]现代人性机器人[百度图片]伴随这人类社会的城市化进程的不断推进，现代化都市出现了越来越多的高层建筑和难以计数的杆类构件，就像电线杆和路灯，以及电灯等。现代都市的路灯[百度图片]这些杆类建筑结构整体细长，高而不易攀爬。常年累月的暴漏在都市的自然环境中，其表面不断的堆积油污和粉尘等污渍。通常市政人员对这些建筑构件的清洁工作是通过人工攀爬和人力清理，这样的做法效率很低，而且高空作业很危险。还有一种常用的清洁方式就是采用高压水枪清洗，可是这样的做法浪费了大量的清洁物质。所以，人们对新型的杆类清洁设备的设计和投入使用的呼声越来越高。随着自动化和智能化的发展，人们设计出了爬杆机器人，并成功的将其投入到现代化都市的杆类建筑结构的清洁工作之中，取得了显著的效果。这种机器人设计和使用，对现在化的都市生活和工作，是有着很大的推动作用的。1.6现代都市的爬杆除冰机器人[百度图片]本课题就是要设计一种新型的爬杆机器人。要求其设计结构简单实用，制造成本低并且加工工艺好，实用和维护方便。在人们的日常使用中，可以搭载清洁设备，使其在攀爬杆类建筑构件的时候，可以实现对其的清洁工作。并且设计的机械结构要可靠性高，能耗低，使用寿命长等优点。国内外发展现状，爬杆机器人的分类及其存在的问题发展现状和分类爬杆机器人作为工业机器人家族的一员，是现代机器人研究领域中的一个重要分支。因其要克服自身重力作用，实现垂直地面建筑物的攀爬，所以其设计原理和结构不同于一般的机器人，已经成为了一个研究领域。人们设计的爬杆机器人一般采用多足式移动方式，或者机器中间部位的吸附或者摩擦来实现其对杆类建筑的攀爬。其设计和使用的难点就是实现其可依附于被爬升表面，并可以上下自主移动，以完成特定的工作。人们最早开始使用的是可以用于高层建筑的帕比机器人，后来逐步运用到管道外壁等石油和化工领域的管道的作业。目前设计和使用的爬杆机器人有机械式爬杆机器人，电动液压式，和气动蠕行式爬杆机器人等。2.1机械式爬杆机器人[]机械式爬杆机械人一般式采用机械结构，通过机械手臂来对杆件施加一定的压力，在杆的表面产生摩擦力，以克服自重。再通过直线导轨和滚珠丝杆和电机等机械结构，来实现机械手臂的上下移动。这样机械式爬杆机械人就可以通过机械手臂的交替开合，和有规律的上下移动，来实现其对高层杆类建筑的攀爬。2.2液压式爬杆机器人[]液压式爬杆机器人和机械式爬杆机器人的不同之处在于，控制其机械手开合和上下移动的，是液压缸等液压构件。其运动原理和机械式式基本相同的。2.3气动蠕行式爬杆机器人吸附结构[]气动蠕行式爬杆机器人和上述两种机器人的不同之处在于，其设计的夹紧结构的动力源为气压缸。在使用的时候，通过对气缸充气等方式来驱动机械手的夹紧，并实现自锁。国内外发展现状国外有东京大学研制的关节行走机器人；宾夕法尼亚大学自主研制的Rise系列爬杆机械人和德国西门子公司自主研制的仿生机器人。国外研究成果比较成熟的有上海交通大学自主研发的气动蠕动式爬缆机器人，国防科技大学自主设计的摩擦轮式爬杆机器人，和浙江大学设计的气动爬杆机器人等。2.3存在的问题攀爬机器设计的难点和主要技术难题在于如何使其克服自重并依附于杆的表面。还有一个技术难题就是如何实现其机械手，或者吸附结构的协调运动。也就是说，通过计算机，或者PLC的自动化控制，使其运动部件可是实现一个交替运动的步态，进而驱动机器人的攀爬。爬杆机械人总体方案设计和分析选型3.1爬杆机械人总体方案设计为了实现爬杆机器人的攀爬，需要设计出几种不同的机械方案，并对其进行比较，再选择一种合理的结构对其进行细化和进一步的结构设计和验算。3.1机轮式哨兵爬杆机器人[]3.1.1轮式哨兵爬杆机器人轮式哨兵爬杆机器人是通过电机驱动齿轮，进而带动连杆机构，实现机械手的开合。机械手施加一定的作用力来将前后各两个导轮压紧到杆件上，并产生一定的摩擦力，使其整个机械结构可以克服自重。再通过攀爬轮的旋转来驱动爬杆机械人上下运动。3.1.2凸轮式爬杆机器人3.2凸轮式爬杆机器人[]凸轮式爬杆机器人，该机构采用曲柄滑块机构、并联盘形凸轮机构、移动凸轮机构电机驱动锥齿轮传动的方式，带动凸轮，使机器人上下移动，适用于管道外表面的清洁等工作。其机械手臂的开合和两个机械手臂的上下交替移动，都是通过凸轮来实现的。3.1.3滚珠丝杆式爬杆机械人3.3滚珠丝杆式爬杆机器人[]滚珠丝杆式爬杆机械人设计时是通过伺服电机驱动滚珠丝杆，带动三个机械手交替上下直线运动。机械手的位置是通过私服电机转动的角度来确定的。三个攀爬爪是通过电机驱动连杆机构开合，以实现攀爬爪的夹紧和松开。3.2爬杆机械人总体方案分析和选型上述三种设计方案各自有其优缺点。在本课题的设计前，先对其优缺点进行详细分析，再结合课题的实际设计要求，来选择一种方案进行具体的结构设计和计算。并思考现有的设计方案中存在的缺点，提出自己的创新思路，在前人的基础上进行改善，做出属于自己的设计。3.2.1轮式哨兵爬杆机器人轮式哨兵爬杆机器人整体结构的设计特点在于：采用橡胶轮和杆件的摩擦力来实现爬杆机器人的依附和攀爬。确定橡胶轮的材料，橡胶轮和杆的摩擦系数，是设计难点。一旦确定了摩擦系数，具体的结构设计只是一直一个按部就班的过程。这种攀爬机器人缺点在于橡胶轮会在使用过程中逐渐老化，导致橡胶轮和杆的摩擦系数逐渐降低，最后机械人有突然掉落的危险。这样的话，在这种机器人设计和制造出来之后，使用和维护过程中就必须定期对脚轮进行检验，及时更换。3.2.2凸轮式爬杆机器人凸轮式爬杆机器人整体结构的设计特点在于：整个爬杆机器的运动协调都是通过传统的凸轮来实现的。计算凸轮轮廓线是设计的难点，并且凸轮廓线一旦确定，整个机器人的运动规律就不能再更改了，但其优点是电动驱动结构简单。这种攀爬机器人的主要缺点就是凸轮的制造成本高，需要专用设备。并且在长期的使用过程中凸轮会逐渐磨损，运动精度会不断的降低。凸轮的保养和维护，是使用时必须注意的。3.2.3滚珠丝杆式爬杆机器人滚珠式爬杆机器人整体结构的设计特点在于：机械爪的交替步态的控制时通过滚珠丝杆结构来实现的。而由伺服电机驱动的滚珠丝杆结构的运动精度很高，可以实现爬杆机械人的运动位置和速度的精确控制。简单点说，我们可以准确的控制爬杆机器以一定的速度准确的到达任何位置。这种爬杆机器人结构的缺点在于：滚珠丝杆时精密部件，价格昂贵。而且伺服电机和滚珠丝杠都不能承受很大的载荷和冲击。简单点说，就是这种结构的爬杆机器人不能用于重载的使用场合。而且滚珠丝杆也不能用于粉尘很大的恶劣使用环境。综合考虑后，本课题决定采用：滚珠丝杆式爬杆机器人往复清洁式机构往复清洁式机构的选型在机械设计时，可以采用的直线往复式结构很多。主要有一下几种[百度]：一、机械系统：曲柄滑块机构、偏心轮机构、槽轮机构、凸轮机构二、液压系统：液压缸三、气动系统：气动缸其中二三项可以直接排除，因为这种机械结构需要动力源（液压机和空气压缩机），而且控制系统复杂，不适合本课题。在一项种选择一种即可。因为这里只是设计一种往复式清洁结构，没有精度要求，所以可以直接排除槽轮机构、凸轮机构。对于曲柄滑块机构、偏心轮机构而言，其各有特点。4.1曲柄滑块机构[百度图片]4.2偏心轮机构[百度图片]曲柄滑块机构其实和偏心轮机构是类的，只是偏心轮机构结构紧凑而已。进一步思考一下，其实曲柄滑块机构往复行程大，偏心轮往复行程小。因为体积大结构不紧凑。所以可以针对本课题选择偏心轮机构，并进行结构设计和计算。4.3偏心轮往复清洁机构4.2清洁布的选择市面上清洁布的种类很多，这里根据被清洁的杆件选择一种就可以了（这个不属于机械设计的范畴，略去）。为解决清洁布无法很好的贴合被清洁的杆件，可以在往复擦洗式结构上设计和使用柔性气囊。当清洁布压紧在杆件上的时候，气囊发生一定的弹性变形，使得清洁布可以很好的贴合杆件，已更好的完成杆件的清洁。由于被清洁杆件的表面污渍难以去除所以在往复擦洗机构上设计了水槽，并通过小孔给清洁布提供清洁液体，以更好的清洁杆件。在水槽的上部设计了一个橡胶塞，以防止清洁液飞溅。。4.4偏心轮往复清洁机构水槽和塞子气囊上贴附了清洁布，再粘贴再清洁往复机构上。由于偏心轮式往复清洁机构上下行程很小，所以这里设计成100毫米宽的清洁布，以可以一次清洁100mm宽的杆面，并配合爬杆机构每步100毫米的进给量。4.5清洁气囊4.3吹干机构本课题设计一个环形吹干机构。这是一个对称的结构，通过风机和环形通道将气流垂直的吹向杆件表面。在高速气流的作用下将润湿的杆件吹干。5整体结构设计5.1爬杆清洁机器人整体结构原理模型爬杆清洁机器人的原理模型如下图：电控箱躯干上夹爪电控箱躯干上夹爪下夹爪中间夹爪+往复擦洗和吹干机构直线往复机构下夹爪中间夹爪+往复擦洗和吹干机构直线往复机构5.1爬杆机器人整体结构三维模型爬杆机器人由躯干，上夹爪和同其固定的下夹爪，可移动式中间夹爪和往复式擦洗机构组成（可以设计锁紧机构，在机器人清洁作业的时候锁住机器人，以防止其掉落）。夹爪设计成两个平行丝杆机构，并由一个电机带动实现夹爪的开合，并进而夹紧杆件。在夹爪的转轴上安装了断电自锁机构，防止机器人突然断电后夹爪松开掉落。可移动式中间夹爪结构同上夹爪，不同点是，在下夹爪上设计了伺服电机和丝杆导轨组成的直线往复式机构，以实现爬杆机器人的上下移动。往复式擦洗机构同样是设计了平行四杆机构组成的开合式机构，以保证在机器人爬杆的时候，擦洗机构对杆件没有阻力。往复擦洗机构下部设计了吹干机构，以实现杆件的干燥。5.2爬杆机器人运动原理分析爬杆机器人是通过上下夹爪，可移动式中间夹爪和往复式擦洗机构三个部件的动作配合，来实现整个机器人爬杆清洁作业的。0-1秒，上下夹爪和中间夹爪先闭合夹紧杆件，中间夹爪直线往复机构在上工位，躯干直线往复机构在下工位，清洁机构开合部件开启，清洁机构往复机构停止；1-1.5秒，上下夹爪和中间夹爪闭合夹紧杆件，中间夹爪直线往复机构在上工位，躯干直线往复机构在下工位，清洁机构开合部件闭合，清洁机构往复机构停止；1.5-2秒，上下夹爪和中间夹爪闭合夹紧杆件，中间夹爪直线往复机构在上工位，躯干直线往复机构在下工位，清洁机构开合部件闭合，清洁机构往复机构往复清洁；2-2.5秒，上下夹爪和中间夹爪闭合夹紧杆件，中间夹爪直线往复机构在上工位，躯干直线往复机构在下工位，清洁机构开合部件开启，清洁机构往复机构停止；2.5-4秒，上下夹爪开启和中间夹爪闭合，中间夹爪直线往复机构在上工位，躯干直线往复机构在下工位，清洁机构开合部件开启，清洁机构往复机构停止；4-5秒，上下夹爪开启和中间夹爪闭合，中间夹爪直线往复机构在下工位，躯干直线往复机构在上工位，清洁机构开合部件开启，清洁机构往复机构停止；5-6秒，上下夹爪和中间夹爪闭合，中间夹爪直线往复机构在下工位，躯干直线往复机构在上工位，清洁机构开合部件开启，清洁机构往复机构停止；6-7秒，上下夹爪闭合和中间夹爪开启，中间夹爪直线往复机构在下工位，躯干直线往复机构在上工位，清洁机构开合部件开启，清洁机构往复机构停止；7-8秒，上下夹爪闭合和中间夹爪开启，中间夹爪直线往复机构在上工位，躯干直线往复机构在上工位，清洁机构开合部件开启，清洁机构往复机构停止；8-9秒，上下夹爪闭合和中间夹爪闭合，中间夹爪直线往复机构在上工位，躯干直线往复机构在下工位，清洁机构开合部件开启，清洁机构往复机构停止。以下为其动作顺序表格：爬杆清洁机器人动作分析序号机构部件时间节点0-1秒1-1.5秒1.5-2秒2-2.5秒2.5-4秒4-5秒5-6秒6-7秒7-8秒8-9秒1上下夹爪闭合闭合闭合闭合开启开启闭合闭合闭合闭合2中间夹爪闭合闭合闭合闭合闭合闭合闭合开启开启闭合3中间夹爪直线往复机构上工位上工位上工位上工位上工位下工位下工位下工位上工位上工位4躯干直线往复机构下工位下工位下工位下工位下工位上工位上工位上工位上工位下工位5清洁机构开合部件开启闭合闭合开启开启开启开启开启开启开启6清洁机构往复机构停止停止往复清洁停止停止停止停止停止停止停止5.2爬杆机器人动作分析5.3运动部件尺寸确定由原理模型可以初步确定个各个运动部件尺寸，这些尺寸可以用于下一步的部件结构设计。5.3.1夹爪尺寸的确定攀爬杆件直径取132毫米，并由这个尺寸来确定夹爪运动部件的尺寸。5.3夹爪草图（夹紧）初步取夹爪的平行四杆机构的尺寸如上图。这里要确定两个尺寸，一个就是杆件转过的角度，另外一个就是问号尺寸。通过这两个尺寸的确定，可以实现在夹角为0°的时候，夹爪夹紧杆件，在夹爪开启一定角度的时候，夹爪可以从杆件上退出。用软件确定出刚好可以从杆上把机器人取下来的极限位置，如下：5.4夹爪草图（极限）为了可以顺利的将机器人从杆上取下来，要设计10毫米单边余量。如图：5.5夹爪草图（取下）计算夹爪夹紧和取下时的夹角差值即为电机转过的角度。本课题为：28.84°。设计夹爪时依照图上标注的尺寸设计和计算即可。5.3.2往复清洁机构尺寸确定课题设计的要求是机器人停止在工作位置的时候，往复清洁机构夹紧杆件，并开始往复清洁。机器人爬杆们的时候，往复清洁机构松开杆件，以保证机构对杆件没有阻力。设计时，为了保证清洁布的可更换，清洁结构做成了可以拆卸的装置，所以不用考虑上下杆时的干涉。依照这样的设计思路，往复清洁机构只需要开启角度和吹干机构相同就可以了。往复清洁机构设计成偏心轮结构，结构如下图：5.6直线往复偏心轮机构偏心轮机构电机驱动偏心轮转动，偏心轮上安装了连杆，连杆带动固定板沿着两个导套和导轨直线往复运动。要求固定板直线往复移动的行程为12毫米，进而确定偏心轮尺寸和连杆尺寸。如下图：5.6直线往复偏心轮机构尺寸图取连杆长度为12mm。由于偏心轮的两个极限位置确定了直线往复的行程，所以偏心轮偏心的距离的2倍就是直线往复机构的行程。可以要求12mm的行程，这里就可以取6mm的偏心轮偏心。其余尺寸就可以依照结构设计来确定。5.3.3丝杆滑台的机构尺寸确定课题设计的要求是丝杆可以沿着被清洁的杆件直线上下移动，所以必须设计一个可以带动爬杆机器人的夹爪上下往复移动的机构，来实现机器人的运动。本次课题采用电机驱动的丝杆滑台机构来驱动机器人爬行，而为了避免重复设计，本次直接选用市面上加工好的丝杆滑台。结构图如下：5.7MSY94铝基系列直线模组(单滑台)[MSY94-ML1P-100-75BL-I-G-W]图滑台材质为铝基，重量轻，结构紧凑，适合爬杆机器人的要求。滑台直线往复行程的确认取决清洁的面积和长度。因为机器人停止在杆上的时候，往复清洁装置才开始作业的。而往复清洁装置上下直线往复移动的行程为20mm，并且设计的时候贴附清洁布的气囊的长度是100mm，所以机器人一次爬杆的距离也应该是100mm，这样每步距的清洁作业都有一定的重复擦洗的表面。则取直线往复行程为100mm的直线模组。5.3.4吹干机构尺寸确定吹干机构设计的是环状管件，并设计了小管将气流垂直吹向杆件的表面。因为结构的原因不便于设计成活动的结构，所以必须考虑吹干机构闭合的时候气流是垂直吹向杆的表面的，开启的时候可以从杆上取下来，不会和杆件干涉。结构如图：5.8吹干机构3维模型图在吹干机构闭合的时候，结构的尺寸如下：5.9吹干机构闭合时工程图当吹干机构张开的时候，杆件不能和机构干涉，以保证机器人可以顺利的上下杆。吹干机构张开的时候结构尺寸如下图：5.10吹干机构开启时工程图由图解可以计算出吹干机构一个开启和闭合过程转过的角度为36.6°。5.4驱动电机转速计算和选型各个运动部件驱动电机的转速可以在整体结构和尺寸后，依照需要转过的角度和进给的直线距离和时间长度来计算电机的转速。这里可以对每一个选用的电机计算其对应的转速，并通过课题的具体使用要求对其进行选型。5.4.1夹爪电机选型5.4.1.1夹爪电机的转速计算设计时要求夹爪在t=1.5秒=0.025分钟的时间转过A=28.84°=0.0801转，那么电机的转速单位为转/分钟，可由下式计算电机转速n电机=i*n：i为初选齿轮传动比。设计要求夹爪的驱动电机的转速为3.204转/分钟。对于这一要求可以选择步进电机来实现，因为步进电机的转速和转过的角度可以通过输入的脉冲来调节和控制，并且设计时不需要使用闭环控制系统来实现角度的精确控制，所以不用选用伺服电机，只要选用步进电机就可以了。5.4.1.2夹爪电机扭矩的计算爬杆机器人最危险的使用情况是单个夹爪固定，承受整个机器人的重量。这一要求是通过夹爪和杆的表面的摩擦力来实现的。由摩擦力f的计算公式：式中为夹爪和杆的摩擦系数。本课题设计的夹爪和杆的接触部位材质为橡胶，杆件为金属件，则可以取=0.9（百度所搜得到，未验证）。式中N为电机通过平行四杆机构施加给杆表面垂直的法向力，计算公式如下：式中系数2是因为一对两个夹爪夹持杆件。f应该大于机器人总量，并留有一定的安全系数。这里根据初步的结构设计估算机器人的重量为85kg。安全系数取3（百度所搜得到，未验证），则计算f=85kg*9.8N/kg*3=2499N。将数值带入上式，可得N=1388.33N。5.11夹爪机构受力图将法向力N简化为作用在夹爪接触的中点，在由机构尺寸可知N的同法向分力N1的夹角为32。4°，则可以计算的N1=cos32.4°*1388.33N=1172.2N；N1在同其相距45.1毫米的铰支点产生一个扭矩M0=1172.2N*45.1*0.001m=52.87N.m;力N1在铰支点的分力N11=cos71.95°*1172.2N=363.202N；N11在铰接支点产生的扭矩M01=363.202N*101.6*0.001m=36.9N.m;平行四杆机构传递给大齿轮的扭矩M=M01+M0=36.9N.m+52.87N.m=89.77N.m;小齿轮带动大齿轮是可以增大扭矩的，则步进电机驱动的小齿轮输出扭矩M2=M1*12.8/38.1=30.16N.m初步取步进电机输出扭矩的安全系数为1.5（百度所搜得到，未验证），则步进电机输出扭矩M=1.5*3.16N.m=45.24N.m。5.4.1.3夹爪步进电机选型输出扭矩在45.24N.m的步进电机尺寸很大，这里选用下图电机（输出扭矩20N.m）：5.11夹爪步进电机为达到45.24N.m的输出扭矩可以采用两个电机驱动，5.24N.m的扭矩差忽略不计（因为取了较大的安全系数）。夹爪机构修改后如下（原理图）：5.12夹爪机构三维图5.4.2清洁机构电机选型清洁机构基本不收力，可以根据结构设计来选择一款电机就可以了，只要能够满足转速的需要。本课题取0.5秒内清洁机构直线往复清洁5次，就是说电机在0.5秒内转5转。则电机转速n（转/分钟）为：n=5/（0.5/60）=600转/分钟选择电机型号为：5.13清洁机构电机电机额定转速为3000转/分钟，设计时采用直流调速器控制调整转速在600转/分钟稳定工作。5.4.3爬杆机器人直线往复机构（丝杆滑台）选型丝杠滑台的外形如下：5.14爬杆机器人直线往复机构丝杆滑台因为这种滑台的设计和制造已经标准化了，所以为了减少课题的设计量，我们只确定机构的重要参数，其余交给专业厂家设计和制造，作为主机厂，我们只按照机器人的使用要求组装和调试。丝杆滑台的重要设计参数如下：5.15爬杆机器人直线往复机构丝杆滑台主要参数设计要求丝杆滑台垂直使用，负载50KG；行程100mm；重复位置精度只要0.1mm即可。6各机构具体结构设计6.1爬杆清洁机器人夹爪机构设计夹爪的结构设计是采用电机驱动齿轮转动，进而带动一对啮合的齿轮转动，再这对啮合的齿轮上加工出连杆结构。因为这对齿轮是啮合的，所以转向相反。再配合设计的一对平行四杆结构，可以实现夹爪的夹紧和张开。为了防止夹爪步进电机突然失电而松开杆件，在一个转轴上设计了DHD1系列电磁失电制动器[DHD1-01]当夹爪失电的时候，转轴就会被锁死。具体结构图如下：6.1爬杆机器人夹爪结构图具体结构设计过程如下：爬杆机器人是通过左右两个夹爪夹紧杆件，并通过摩擦力防止工件滑落的。如下图：6.2爬杆机器人夹爪结构图-1设计左右两个平行四杆机构来实现夹爪的开合。如下：6.3爬杆机器人夹爪结构图-2左右两个平行四杆机构通过一对相互啮合的尺寸实现同步运动，因为相互啮合的齿轮的转向是相反的。再设计两个对称的小齿轮来驱动。结构如下图：6.4爬杆机器人夹爪结构图-3平行四杆机构三个齿轮的转动由限位螺丝提供。限位螺丝是一种特制的螺丝，其中间段为光杆，提供配合转动，头部为螺纹可以固定在夹爪的基板上。其结构如下图：6.5爬杆机器人夹爪结构图-4平行四杆机构左下连杆上加工出方孔，并通过方孔和定位销的配合来实现连杆转动的时候销也转动。其结构如下图：6.6爬杆机器人夹爪结构图-5爬杆机器人夹爪的基板是整个夹爪机构的固定部分，其可以起到定位和支撑所有部件的作用。夹爪的右端通过螺纹孔和定位销和爬杆机器人躯干相连。基板上部加工出斜面，以符合夹爪的应力分布。如下图：6.7爬杆机器人夹爪结构图-6平行四杆机构同基板固定的部位设计和安装了垫片，以调整连杆个基板槽口处的配合间隙，使其可以灵活转动。如下图：6.8爬杆机器人夹爪结构图-7为了保证整体的强度和刚度等力学性能，在夹爪的中间设计了定位柱，并通过螺丝定位和固定。定位柱在基板槽口处支撑了整个结构。如下图：6.9爬杆机器人夹爪结构图-8设计的时候使用两个步进电机配合动作，同时给夹爪输入一对扭矩。步进电机通过电机轴和小齿轮配合。如下图：6.10爬杆机器人夹爪结构图-9在夹爪的转轴下部设计和安装了DHD1系列电磁失电制动器[DHD1-01]，当接通电源的时候制动器可以自由转动，当机械爪突然失电的时候制动器可以防止转轴自转。结构如下图：6.11爬杆机器人夹爪结构图-10这个夹爪的设计过程可以概括如下：夹爪通过右上部螺纹孔和螺纹通孔同机器人的躯干相连。左部为夹爪的夹紧结构。这一结构主要由U型基板来支撑和定位齿轮及平行四杆机构，四杆机构通过限位螺丝实现旋转，并且限位螺丝定位和固定在基板上加工出来的沉孔和螺纹孔上，这样就可以实现设计要求。夹爪的基板可以采用硬铝，以保证在减轻重量的同时保证强度和刚度。在夹爪基板槽口之间设计以个套管来支撑，并通过设定合理的公差来保证两个部件之间的间隙，这样就可以确保平行四杆机构可以灵活转动（四杆机构和部件的固定部分也要设计合理的公差）。为了保证平行四杆机构的正确位置，在上下两个部件上加工出了四个定位沉孔，而四个定位沉孔是采用机床一次加工出来。这样只要合理的设定公差，就可以保证平行四杆机构的相互位置和运动。两个驱动电机设计和安装在顶部，以保证结构的紧凑。6.2爬杆清洁机器人下夹爪和躯干上下直线往复移动机构选型25为了实现爬杆机器人的爬杆运动，下夹爪和躯干必须相互配合，相对上下直线移动。对于这种直线往复机构，可以直接根据设计要求来选型，不必自己设计。这样可以减少设计的工作量。这种直线往复滑台机构如下：6.12爬杆机器人直线往复结构图这里可以采用单个的结构将中间夹爪和往复清洁机构与中间夹爪连接起来，来实现机器人的爬杆动作。直线往复式滑台可以采用滚珠丝杆和伺服电机结合的形式，也可以采用梯形丝杆和步进电机配合形式来实现直线往复式移动。当是设计和制造出来的机构必须在承受足够载荷的情况下同时可以保证足够的移动精度。这样就可以保证机器人爬杆的位置精度，进而使得我们设计的爬杆机器人可以在要求有一定运动定位要求的场合使用。直线往复式移动机构的结构设计就略去，因为有专业的厂家设计和生产。在这里只设计其同中间夹爪与清洁往复机构的连接板，还有其同躯干的连接板。其结构如下：6.13爬杆机器人直线往复结构连接图结构左侧为中间夹爪定位板其中部同直线往复滑台连接，上下两个部分分别连接中间夹爪和直线往复式清洁机构。结构右侧为躯干连接板，这个定位板是直接焊接在躯干上的，并通过螺丝和直线滑台连接。躯干定位板设计成镂空的结构只是为了减轻爬杆机器人的重量，以保证机器人的作业。6.3爬杆清洁机器人往复擦洗机构和吹干机构设计课题设计要求这一机构可以实现水洗和洗后的干燥，并且要求在机器人爬杆的时候，整体清洁机构对杆没有阻力。为了实现这一设计要求，我们采用了同夹爪近似的开合机构。对于往复擦洗而言，我们设计了可拆卸的机构。使用是通过燕尾槽定位，再使用螺丝来锁紧。这种拆卸结构设计后部设计成可旋转的结构，并安装了弹片来保证其可以复位，并在擦洗的时候可以对杆施加一定的压力。在这一可拆卸结构上，铣削出水槽来装载清洁剂，并在水槽的侧面加工出小孔，用以持续润湿清洁布。清洁布和气囊做成这个整体，并通过黏贴的方式固定在上面，这样便于更换。水槽设计了橡胶扣塞，可以在加入清洁液之后快速的盖紧，以防液体溅出。可拆卸结构可以采用工程类塑料，以减轻重量。往复擦洗结构的上下移动通过电机驱动偏心轮带动整体结构，沿着直线导杆快速往复移动。再设计一个板金焊接件，来将其同开合机构连接在一起。对于洗后的干燥，我们设计了气流吹干机构。选用了小型风扇来产生气流，再设计一个管路来导引气流吹向清洁后的杆件表面。管路上加工出小孔，每一个孔的中心线都指向杆的中心，以保证气流可以垂直的吹向杆件的表面。因为爬杆机器人是要下杆的，所以为了防止吹干结构撞到杆件，我们在这一课题的设计时，选用了软管。这样就可以为机器人下杆时提供更大的运动空间，因为软管可以避让变形，并且具有一定的记忆功能，可以在避让后回复到设计位置。设计吹杆时，为了保证其同开合机构的相对位置，我们采用了钣金折弯件。通过合理的设计折弯位置，可以固定吹干机构，并使其停留在一定的位置。结构三维模型如下：6.14爬杆机器人清洁机构三维模型图具体结构设计过程如下：针对杆件直径设计对应的包裹这清洁布的气囊。气囊的宽度为100mm，这一尺寸是配合爬杆机器人每一部爬杆的进给距离的。如下图：6.15爬杆机器人清洁机构图1设计可拆卸式的气囊定位板件，采用选用工程塑料以减轻重量。板件为左右对称式的结构，板件上的燕尾槽是为了可以快速的定位板件，板件上的水槽是用来装清洁液的，并且清洁液通过其上的小孔渗透到气囊的清洁布上。如下图：6.16爬杆机器人清洁机构图2在定位板上设计了两个橡胶塞，用来防止清洁液渗出。如下图：6.17爬杆机器人清洁机构图3在定位板上的右后部设计了开合式结构。这一机构是可以在清洁机构开启的时候退让的。开合机构也是通过限位螺丝和定位板连接的。为了保证开合机构能够压紧杆件，并且现在清洁机构闭合和复位，在其两侧设计了弹片。如下图：6.18爬杆机器人清洁机构图4清洁往复机构通过燕尾槽和左右两个槽板快速的定位和固定，其固定是通过螺丝来实现的。如下：6.19爬杆机器人清洁机构图5清洁往复机构在左右燕尾槽板上各安装一对铜导套，铜导套配合一对导杆，再将导杆固定。这样清洁往复机构就可以上下往复移动，实现杆件的清洁。如下图：6.20爬杆机器人清洁机构图6清洁往复机构通过左右一对偏心轮和连杆机构来带动其实现往复清洁。其结构如下：6.21爬杆机器人清洁机构图78，清洁往复机构的左右两侧的清洁往复机构是通过直流电机来驱动的，直流电机是通过安装板来安装在定位和固定在清洁机构上的。如下图：6.22爬杆机器人清洁机构图89，清洁往复机构的左右两侧的清洁往复机构通过一对钣金件定位和固定连接在开合平行四杆机构上。钣金件下部设计了一对加强筋板，以保证可以承受一定的载荷，使得整体结构有足够的强度和刚度。其结构如下图：6.23爬杆机器人清洁机构图910，清洁往复机构的左右两侧的清洁往复机构通定位；并固定在基板上。基板上部设计了步进电机，以通过其上的小齿轮来驱动开合机构动作。基板通过定位销和螺纹孔同直线滑台的滑板连接。其结构如下图：6.24爬杆机器人清洁机构图1011，吹干机构的风机通过L型钣金件和开合机构相连。设计时钣金件通过其折弯位置和角度来保证吹干机构的正确位置。其结构如下图：6.25爬杆机器人清洁机构图1112，吹干机构的风机产生的气流通过同心异径管和一个环状的管路导引到被清洁的杆件的表面。其结构如下图：6.26爬杆机器人清洁机构图1213，吹干机构的风机产生的气流通过同心异径管和一个环状的管路导引到被清洁的杆件的表面，并且在环形杆件的两端设计堵板来组织气流外泄。其结构如下图：6.27爬杆机器人清洁机构图1313，吹干机构的风机产生的气流通过同心异径管和一个环状的管路导引到被清洁的杆件的表面，并且在环形杆件的两端设计堵板来组织气流外泄。在环形杆件的内侧加工出均布的小孔，并设计了两种规格的塑料软管使用胶接的方式来固定。这样就可以使得气流垂直吹向被清洁的杆件的表面。其结构如下图：6.28爬杆机器人清洁机构图146.4爬杆清洁机器人整体骨架和电控箱课题设计的机器人可以使用设计一个”龙骨”结构来定位了连接各个机构，保证其相对位置的同时，提供一定的强度和刚度。再在龙骨的背面设计设计一个电控箱，来安装控制电路。具体设计要在个部件的设计工作完成，并建立三维模型后进行。6.4.1爬杆机器人骨架设计在完成课题要求设计的各个机构之后，要设计一个机械结构来将各个功能结构连接和固定在一起。爬杆机器的设计任务书上要求机器人整体尺寸在800mm以内，对于这样的外形结构，一般设计成“龙骨”结构，使其在保证一定的强度和刚度的同时，减轻整个机械系统的重量。在“龙骨”上加工出安装孔，并保证其相对位置精度。课题设计的“龙骨”结构如下：6.29爬杆机器人龙骨结构龙骨结构采用20x20x2方管和两个钣金件焊接构成。其前后为两端折弯的C型弯管，在两个C型弯管之间设计了5个加强杆。C型杆的中部设计了四支撑管和两个加强管，这样就可以支撑和固定两个定位板。两个定位板上加工出了定孔，用来定位和固定上下夹爪。“龙骨”的中间设计了一个镂空的定位板，其上按照直线移动模组的定位和固定孔，用来将爬杆机器人的中间夹爪和清洁机构定位其上。整个龙骨结构采用焊接的连接方式来将其固定在一起，并保证其有一定的连接强度。6.4.2爬杆机器人电控箱设计爬杆机器人除了机械结构之外，还需要为其设计电控部分。电控部分的设计不属于机械设计的范畴，但是我们要其设计一个电控箱，来安装和固定机器人的各个电路元件。对于一个合格的电控箱，一般还要设计通风和散热机构，以保证电路板和电气元件在使用时始终工作在合适的温度下。但是由于论文的篇幅有限，这里只是设计了一个简化的电控箱模型。其结构图如下：6.30爬杆机器人电控箱结构本课题设计的简化电控箱采用角钢焊接成骨架，在焊接钣金件将其封闭起来。在箱体的内部焊接了左右两组L型板，并在L型板的上部焊接两个板，已将箱体的内部空间分割为三个部分。在箱体上安装了两个合页，并在合页上安装了门板，门板上设计了把手，一便可以随时开启电控柜的箱门。6.5爬杆机器人总体结构分析在完成各个功能机构的设计之后，并设计骨架来将其连接后，我们还设计了电控箱来安装和放置控制电路。这样我们就完成了爬杆机器人的整体设计。其结构图如下：6.31爬杆机器人总体结构爬杆机器的安装了上中下三个夹爪。上下两个夹爪固定在骨架的上下两个定位板上，中间夹爪和往复清洁装置一起固定在直线移动模组上。其间设计了大小两个转接板，以使其可以定位和固定连接。中间按的转接板连接的是直线模组。直线模组固定和连接在骨架上。机器人的骨架上设计了电控箱，用来安装电路板和电子元件。7爬杆机器人设计计算部分在完成爬杆机器人的大体设计之后，需要对受力部件进行强度和刚度计算，以保证其使用性能。爬杆机器人工作的时候主要承受的是自身的重力，而爬杆机器人工作时最危险情况就是只有一个夹爪承受整个机器人的重量。而这个承受载荷的机构就是夹爪，而夹爪上受力最大的就是四杆机构的连杆和基座。这几个部件的强度和刚度是否满足机器人的使用要求非常重要。对于机器人的骨架而言，要求其在最危险的使用条件下也可以保持足够的刚度。而对于骨架而言，中间一个夹爪夹持的时候，就是骨架受力变形最危险的时候。所以选择这几个部件来进行有限元强度效核。夹爪上使用的齿轮是整个机器人结构的关键部件。其设计满足使用要求是非常重要的，所以必须对其进行设计计算。7.1夹爪平行四杆机构连杆有限元设计计算7.1.1对要做有限元分析的机构进行受力分析要做有限元分析的夹爪结构如下图：7.1爬杆机器人夹爪机构结构要求做有限元分析的连接杆为高亮显示的两个部件。这两个部件的右侧圆柱面的上下两个面和内孔在夹爪夹紧的时候为固定不动的面，而左侧两杆同夹爪接触面承受了爬杆机器人一半的重量，也就是2499/2=1249.5N。夹爪连杆的材料可以选用普通碳素钢，力学性能可以依照软件自带的参数库。这里可以将模型简化为两个连杆，在连杆的右侧圆柱面施加固定约束，左侧接触面施加远程载荷1249.5N。施加远程载荷的目的是为了在计算时考虑到弯矩的作用。简化后的模型如下：7.2爬杆机器人夹爪连杆机构有限元分析简化模型7.1.2进行第一次有限元分析7.1.2.1选择有限元分析类型新建静力分析算例，如下图：7.3爬杆机器人夹爪有限元分析类型7.1.2.2施加约束在两个连杆的右侧圆柱台和内孔上施加固定约束，限制其所有移动自由度。如下图：7.4爬杆机器人夹爪有限元分析施加约束7.1.2.3指定材料这里给爬杆机器人夹爪指定普通碳钢的材料，性能参数依照软件自带参数库。如下图：7.5爬杆机器人夹爪有限元分析指定材料7.1.2.4施加载荷这里给爬杆机器人两个连杆指定远程载荷模拟夹爪所受的机器人自身重量。载荷的大小为1249.5N，方向竖直，作用点简化为夹爪和杆接触面的中点。为了施加远程载荷，在夹爪受力点建立了坐标。结果如下图：7.5爬杆机器人夹爪有限元分析施加载荷7.1.2.5划分网格第一次有限元计算可以依照软件默认网格划分参数来对模型进行网格划分。结果如下图：7.6爬杆机器人夹爪有限元分析划分网格7.1.2.6运行有限元计算进行第一次有限元计算，结果如下图：7.6爬杆机器人夹爪有限元分析计算结果7.1.2.7第一次有限元计算结果分析第一次有限元计算结果显示平行四杆机构连杆1的局部应为值超过了材料的许用应力。针对这一计算结果将连杆1厚度加大，再次运行有限元计算其结果如下：7.6爬杆机器人夹爪第二次有限元分析计算结果修改模型后第二次有限元分析结果显示在爬杆机器人夹爪平行四杆机构的连杆1的局部还是有应力集中，并且应力数值超过了材料指定的屈服强度。针对这一计算结构对模型再次进行修正（在应力集中处加R角），并再次运行有限元分析，结果如下：7.6爬杆机器人夹爪第三次有限元分析计算结果第三次有限元分析结果显示在R角处连杆1的应力值依然超过了材料的屈服强度。现在认为时有限元分析的奇异性现象，不再修改连杆1的三维模型。7.1.2.8检验网格划分是否合理对于有限元计算，网格的划分很重要。合理的网格划分应该是能够得到收敛的有限元计算的结果，就是说进一部细化网格，有限元计算的结果不会有太大的变化，并且两次计算之间的数值差值会逐步缩小。第一次计算结果如下：7.7爬杆机器人夹爪网格划分验证第1次有限元分析计算结果第一次细化网格后，计算结果如下：7.7爬杆机器人夹爪网格划分验证第2次有限元分析计算结果第二次细化网格后，计算结果如下：7.8爬杆机器人夹爪网格划分验证第3次有限元分析计算结果第三次细化网格后，计算结果如下：7.9爬杆机器人夹爪网格划分验证第4次有限元分析计算结果对四次有限分析进行对比：第一次应力最大值为393MPa；第二次应力最大值为403MPa；第三次应力最大值为441MPa；第四次应力最大值为497MPa。四次计算结果差值不大，并且都是应力集中的地方，可以确定这里出现应力超差是因为有限元计算的应力奇异性问题。连杆发的有限元计算完成。7.2夹爪基座有限元设计计算7.2.1对要做有限元分析的机构进行受力分析要做有限元分析的夹爪结构如下图：7.10爬杆机器人夹爪机构结构夹爪基板右上表面为固定面，其通过定位销和螺纹孔同爬杆机器人的躯干连接。其左端槽口处同平行四杆机构接触的部位为受力部位，承受机器人重量载荷。其左端中间部位是加强柱支撑的部位，这个部位通过螺纹锁紧，可以改善夹爪基板结构的受力，所以在有限元分析的时候设定为为固定点。基板的材料采用7075铝合金，有一定的强度，而且总量轻。7.2.2进行第一次有限元分析7.2.2.1选择有限元分析类型新建静力分析算例，如下图：7.11爬杆机器人夹爪有限元分析类型7.2.2.2施加约束在夹爪基板右侧和中间支撑杆处施加固定约束，限制其所有移动自由度。如下图：7.12爬杆机器人夹爪有限元分析施加约束7.2.2.3指定材料这里给爬杆机器人夹爪指定7075铝合金的材料，性能参数依照软件自带参数库。如下图：7.13爬杆机器人夹爪有限元分析指定材料7.2.2.4施加载荷这里给爬杆机器人夹爪基板指定远程载荷模拟夹爪所受的机器人自身重量。载荷为两个，载荷的大小都为1249.5N，方向竖直，作用点简化为夹爪和杆接触面的中点，并且简化认为连杆和夹爪基板槽口处的配合是有间隙的，计算时只考虑夹爪上部槽口处收到的力，忽略夹爪槽口处下部受到的作用。这样的计算结果偏于保守，本课题认为可行。为了施加远程载荷，在夹爪受力点建立了坐标。结果如下图：7.14爬杆机器人夹爪有限元分析施加载荷7.2.2.5划分网格第一次有限元计算可以依照软件默认网格划分参数来对模型进行网格划分。结果如下图：7.14爬杆机器人夹爪有限元分析划分网格7.2.2.6运行有限元计算进行第一次有限元计算，结果如下图：7.15爬杆机器人夹爪有限元分析计算结果计算出的应力为135MPa，夹爪材料的屈服强度为505MPa。计算结果有足够的安全系数，认为可信。7.2.2.7检验网格划分是否合理对于有限元计算，网格的划分很重要。合理的网格划分应该是能够得到收敛的有限元计算的结果，就是说进一部细化网格，有限元计算的结果不会有太大的变化，并且两次计算之间的数值差值会逐步缩小。第一次计算结果如下：7.16爬杆机器人夹爪网格划分验证第1次有限元分析计算结果第一次细化网格后，计算结果如下：7.16爬杆机器人夹爪网格划分验证第2次有限元分析计算结果第二次细化网格后，计算结果如下：7.17爬杆机器人夹爪网格划分验证第3次有限元分析计算结果第三次细化网格后，计算结果如下：7.18爬杆机器人夹爪网格划分验证第3次有限元分析计算结果对四次有限分析进行对比：第一次应力最大值为135MPa；第二次应力最大值为127MPa；第三次应力最大值为131MPa；第四次应力最大值为127MPa。四次计算结果差值不大，认为计算结果可信。夹爪基板的有限元计算完成。7.3爬杆机器人骨架有限元设计计算7.3.1对要做有限元分析的机构进行受力分析要做有限元分析的爬杆机器人骨架结构如下图：7.19爬杆机器人骨架结构爬杆机器人骨架结构设计验算的时候，主要应该考虑骨架的刚度问题，因为在外力作用下骨架不应该出现过大的变形。可是机器人工作时只承受自身的重量，也就是80KG左右。但是必须考虑到意外跌落，或者外力冲击的问题。所以在有限元分析的时候还要施加一个120KG左右外界作用力，并确认爬杆机器人的骨架在这个外力作用下不会出现过大的弹性变形，甚至时塑形变形。骨架工作时受力最大的时候为中间夹爪固定（骨架中间板），上下两板承受爬杆机器人自重80KG。再在中间部位施加一个120KG的外界冲击，基本上就是骨架承受的最恶劣的工作环境了。7.3.2进行第一次有限元分析7.3.2.1选择有限元分析类型新建静力分析算例，如下图：7.20爬杆机器人骨架有限元分析类型7.3.2.2施加约束在骨架中间连接板表面施加固定约束，限制其所有移动自由度。如下图：7.21爬杆机器人骨架有限元分析施加约束7.3.2.3指定材料这里给爬杆机器人骨架指定Q235A的材料，性能参数依照软件自带参数库（焊接性能优良，而且可以承受一定的载荷）。如下图：7.22爬杆机器人骨架有限元分析指定材料7.3.2.4施加载荷这里给爬杆机器人上下两板施加爬杆机器人自重80KG，再在中间部位施加一个120KG的外界冲击。结果如下图：7.23爬杆机器人骨架有限元分析施加载荷7.3.2.5划分网格第一次有限元计算可以依照软件默认网格划分参数来对模型进行网格划分（这里因为结构比较简单，计算量不大，可以不采用梁单元来简化计算）。结果如下图：7.24爬杆机器人骨架有限元分析划分网格7.6.2.6运行有限元计算进行有限元计算，结果如下图：7.25爬杆机器人骨架有限元分析应力计算结果计算结果最大应力值为275MPa，设计屈服强度为220MPa。计算结果显示有各别应力集中处出现了屈服。针对这一问题，可以修改骨架的材料，使用屈服强度更高的Q355B材料来制造骨架。7.26爬杆机器人骨架有限元分析位移计算结果计算结果最大位移为0.975毫米，这一结果对于爬杆机器人这样精度不是很高的机械设备是可以接受。爬杆机器人骨架的有限元计算完成（略去网格划分合理性检验）。7.4爬杆机器人夹爪开合齿轮设计计算爬杆机器人夹爪的开合是通