【《某管外爬行机器人的总体方案设计案例》2600字】

某管外爬行机器人的总体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u16100某管外爬行机器人的总体方案设计案例 1249861.1设计目标 1314651.2总体方案分析 1295771.3本章小结 51.1设计目标关节式管外爬行机器人是一种设计类,且适用于生产实际的课题,包括机器人的总体设计,移动方式设计,程序控制设计,动作设计等机器人的机构设计是重点，即在综合考虑毕业设计任务书中机器人的功能和特性要求后，设计出合理而优化的机器人模型。基本参数如下;自由度数:本机械手共有5个自由度。定位精度：+-1mm适应管径：120-150mm（4）功能指标包括:可爬行一字型，L型及T型管道。同时具有重量轻，稳定性好等特点。由于本设计并没有工业应用的实际要求，所以功能模块方面就暂且不考虑，以一个虚拟的作用为研究方向，并且，设计者所希望的创新性也大过实用性。综上所述，本设计暂不考虑对于功能模块的搭载问题，仅仅讨论并设计一种较为合理可行、功能特性、结构设计尽可能优化了的关节式管外爬行机器人。1.2总体方案分析1.1.1总体方案初步拟定通过查阅手册与资料，网上阅读文献关于关节式管外行走机器人的设计理念，以及对于本题目一一关节式管外爬行机器人的理解，决定驱动环节以电机驱动，且以蠕动式作为机器人的前进方式。整个关节式管外爬行机器人的结构部分分为三大部件，三个环节。三大部件:前爪—机身—后爪;三大环节:加紧环节—伸缩环节—翻转环节。动作实现移动的动作时序为:首先后爪夹紧—然后机身伸出—再者前爪夹紧(后抓松开)—而后机身收缩—最后后爪夹紧(前爪松开)。其实，各个环节的移动是一个简单易想象的过程，大自然中许多生物正是以这种方式进行运动，我需要做的就是拆分每个环节，以机械设计的理念与专业的术语并对其进行详细的阐述，当然，会有更多的细节问题需要考虑。1.1.2各机构方案分析在设计初期，为了能够确定最优的设计方案，针对各个运动环节的实现方法，广泛参考了国内外关于管道机器人的研究成果，列出了几种可供选择的方案，进行对比，最后确定最终的选择，由于各有特点，现综合分析如下(1)夹紧机构夹紧机构是本设计中的重要环节，机器人通过夹紧机构的夹紧与松开，对本身起到固定支撑作用，进而实现机身的前进。现有三个可选方案：方案(一)直线驱动方式(如图2-1所示)优点：结构简单，易于实现缺点:其两个手爪夹紧管道带来的夹紧力有限;且对中性不好，同时在现实生产中直线电机并不常用;此外整体尺寸偏大，重心问题较为严重。方案(二)、曲柄连杆机构(如图2-2所示)优点:相比于方案（一）。方案（二）的曲柄连杆机构中拥有三个摩擦块呈120度的均布，拥有很好的对中性性、稳定性、可靠性。缺点:多杆机构的设计较为复杂;整体夹紧机构尺寸容易偏大，带来较大的倾翻力矩，造成重心偏移，但比方案（一）的偏移程度稍微小点。方案(三)电磁铁夹紧优点:简单缺点:适用性低;可靠性差;耗电过大，造成资源浪费(2)伸缩机构方案(一)滚珠丝杠传动优点:驱动力矩小，高精度的保证，微进给可能，无侧隙，刚性高，高速进给可能。缺点:对于装配精度，适用场合要求过高。方案(二)齿轮齿条机构优点:结构简单，易于实现缺点:传动稳定性有待于提高在设计初期，根据设计方案的综合分析,我选择了曲柄连杆机构的夹紧机构，以及齿轮齿条的前进机构。但是在设计的过程中却发生很多未考虑到的问题,由于夹紧机构的高重心，导致该方案稳定性很低，电机垂直布置也容易产生偏心，导致机器人的侧翻。此外，由于经验的不足,大学期间所学到的理论知识不能充分支持克服设计过程中遇到的苦难,同时过于依赖已有的资料，导致思路比较单一。这是设计过程的初级阶段，虽然是必经阶段，但是带来了时间的消耗和设计的落后。只有根据自己的设计要求和目标，坚决否定不合理方案，不断优化,从不合理中找到合理的方案,另辟蹊径，只有这样才能找到属于需要的东西。1.1.3问题的解决及方案的确定根据自己的设计要求和目标，坚决否定不合理方案，不断优化,从不合理中找到合理的方案,另辟蹊径，对于本设计题目有了更加深刻的理解。要获得理想的方案，首要需要解决一下两个问题:（1)夹紧机构的可靠性由于整个关节式管外爬行机器人采用电机驱动，无论经过哪种传动方式，最终都要通过电机带动前后两端手抓的松开和闭合完成夹紧的动作。因此问题随之而来:当手爪闭合，夹紧管道时，电机已经无法继续旋转，否则将会出现憋死的现象，将造成夹紧机构的毁坏或管道的破裂。对于直流伺服电机等电机，在负载过大时可以出现电机停转，设计者也可以通过控制使电机停止转动。但是问题仍然存在:电机停止转动以后，手爪也就失去了持续不断的正压力，自然也就无法提供持续的摩擦力，容易导致手抓无法夹紧，导致机身出现晃动、偏心等问题。基于设计中遇到的这些问题，通过查阅资料文献，一度可以考虑加摩擦离合器等装置，或者通过编程控制解决，但却在一定程度上增加了设计结构的复杂程度，通过老师的协助，最终找到了最简单的解决方法就是加一个储能装置—弹簧。虽然改动不大，但却达到了预期的效果，为整个夹持器的设计提供了全新的思路。（2)翻转机构和伸缩机构的可行性直进式的伸缩机构最为简单，齿轮齿条和丝杠螺母都可以实现。但是问题在于:伸缩机构必定要有一定的长度，这样整个机身的刚度将会下降。尤其还有翻转环节，刚度低将给设计带来困难。而且关节太多也太过复杂，不符合轻便、简单的原则。对于此问题，对“蠕动式”的原理进行进一步的联想，根据仿生学原理,结合杠杆机构的变形特性，如下图所示，可以模仿千丈虫的蠕动方式，通过类似于曲柄滑块机构的方式，实现机器人的行进。同时，在各关节的链接铰链处,安装三个电机以提供动力源。这样不仅可以方便的实现直线前进，同时也可以通过三个关节的配合，实现机器人的越障、过L,T型管等任务。图2-1千叶虫蠕动爬行最后,经过一系列的方案选择一分析一推翻一分析一选择的多次重复,基本确定了整个关节式管外爬行机器人的结构方案。如图所示图2-2管外爬行机器人总体方案模型1.3本章小结有图可以很容易的看出，该关节式管外爬行机器人的机构组成分别有前爪、后爪、前臂、后臂、三个关节。设计方式中的“蠕动”爬行，其实质就是杠杆机构的一种变形，该变形是本设计中的一个创新点，今后可不断优化与深入探讨。此外，本章对几种关节式管外爬行机器人的