爬桿機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、爬桿機(jī)器人 班級(jí)：自動(dòng)化08-1 姓名：李剛 學(xué)號(hào)：22081115目錄1.設(shè)計(jì)題目1.1設(shè)計(jì)目的1.2設(shè)計(jì)題目簡介1.3設(shè)計(jì)條件及設(shè)計(jì)要求2.運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 2.1機(jī)械預(yù)期的功能要求2.2功能原理設(shè)計(jì)2.3運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)工藝動(dòng)作分解運(yùn)動(dòng)方案選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡圖3.計(jì)算內(nèi)容4.應(yīng)用前景105.個(gè)人小結(jié)116.參考資料12附錄13.設(shè)計(jì)題目.設(shè)計(jì)目的機(jī)械設(shè)計(jì)是根據(jù)使用要求對(duì)機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、力和能量的傳遞方式、各個(gè)零件的材料和形狀尺寸以及潤滑方式等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)算，并將其轉(zhuǎn)化為制造依據(jù)的工作過程。機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)的第一步，是決定機(jī)械產(chǎn)品性能的最主

2、要環(huán)節(jié)，整個(gè)過程蘊(yùn)涵著創(chuàng)新和發(fā)明。為了綜合運(yùn)用機(jī)械原理課程的理論知識(shí)，分析和解決與本課程有關(guān)的實(shí)際問題，使所學(xué)知識(shí)進(jìn)一步鞏固和加深，我們參加了此次的機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)。.設(shè)計(jì)題目簡介我們此次做的課程設(shè)計(jì)名為爬桿機(jī)器人。該機(jī)器人模仿蟲蠕動(dòng)的形式向上爬行，其爬行運(yùn)用簡單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。其中電機(jī)與曲柄固接，驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)。曲柄與連桿鉸接，其另一端分別鉸接一自鎖套（即上下兩個(gè)自鎖套），它們是實(shí)現(xiàn)上爬的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。當(dāng)自鎖套有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，由力的傳遞傳到自鎖套，球、錐管與圓桿之間形成可靠的自鎖，阻止構(gòu)件向下運(yùn)動(dòng)，而使其運(yùn)動(dòng)的方向始終向上（運(yùn)動(dòng)示意見右圖）。.設(shè)計(jì)條件及設(shè)計(jì)要求首先確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)原理及所

3、爬行管道的有關(guān)數(shù)據(jù)，制定多套運(yùn)動(dòng)方案。再查閱相關(guān)資料，通過精確的計(jì)算和運(yùn)用相關(guān)應(yīng)用軟件（例如CAXA，Solidworks，ADAMS等造型、分析軟件）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，對(duì)設(shè)計(jì)題目進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真，最后在多方面的考慮下確定一套方案并完成整套課程設(shè)計(jì)說明書及相關(guān)的軟件分析圖表和文件并由三維動(dòng)畫模擬出該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。.運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)該機(jī)器人模仿的動(dòng)作是沿桿向上爬行，整個(gè)機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，而且我們目前所設(shè)計(jì)機(jī)器人爬行的桿是圓桿。.機(jī)械預(yù)期的功能要求通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和減速，給予曲柄一個(gè)繞定軸旋轉(zhuǎn)的主動(dòng)力，在該力的驅(qū)使下帶動(dòng)連桿及相應(yīng)的自鎖裝置，由兩個(gè)自鎖套的先后自鎖和曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)器人向上爬行。.

4、功能原理設(shè)計(jì)通常情況下，一部的機(jī)器需要通過電機(jī)帶動(dòng)一系列復(fù)雜的機(jī)構(gòu)使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這其中涉及到很多簡單且基本的機(jī)械機(jī)構(gòu)。當(dāng)然，也可以直接通過電機(jī)帶動(dòng)整部機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，這完全取決于機(jī)器所需完成的工作以及設(shè)計(jì)該機(jī)器時(shí)所面臨的種種實(shí)際情況。針對(duì)該爬桿機(jī)器人，我們小組通過討論提出了兩套設(shè)計(jì)方案，分別是：由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)和由氣壓元件直接驅(qū)動(dòng)。首先，讓我們來看一下曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是如何工作的。在平面連桿機(jī)構(gòu)中，能繞定軸或定點(diǎn)作整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件被稱為曲柄。而通過改變平面四桿機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)尺寸能將其演化為不同的機(jī)構(gòu)形式，就曲柄滑塊機(jī)構(gòu)而言，它是通過增加鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中搖桿的長度至無窮大而演變過來的。改機(jī)構(gòu)實(shí)際上

5、是由一曲柄一端鉸接在機(jī)架上，另一端鉸接一連桿，連桿的另一端聯(lián)結(jié)一滑塊，在曲柄為主動(dòng)件運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)連桿，連桿又帶動(dòng)滑塊，使其在平面某一范圍內(nèi)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（圖）。其次是氣動(dòng)的原理。該運(yùn)動(dòng)原理與上述的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)相比，在保留兩滑塊作為自鎖裝置的前提下，省略了聯(lián)結(jié)兩滑塊的傳動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)而用兩個(gè)汽缸直接帶動(dòng)兩個(gè)滑塊的上下移動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)更直接也更簡潔，至于兩者到底哪個(gè)更合理呢？.運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì).工藝動(dòng)作分解首先，我們基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的啟示，想到了在曲柄與連桿的兩端分別鉸接上兩個(gè)滑塊（即作為自鎖套），使兩個(gè)滑塊分別作為機(jī)架交替上升，從而實(shí)現(xiàn)爬桿動(dòng)作。其中上滑塊與曲柄相連，相應(yīng)的連桿接下滑塊。當(dāng)機(jī)構(gòu)具有向下運(yùn)動(dòng)

6、的趨勢(shì)時(shí)，下自鎖套因受到自鎖機(jī)構(gòu)的限制而固定不動(dòng)，把其受到的向下的力轉(zhuǎn)化為向上的動(dòng)力，推動(dòng)機(jī)構(gòu)反而向上運(yùn)動(dòng)。于是，我們就把電機(jī)與曲柄固接作為驅(qū)動(dòng)裝，連桿作為傳動(dòng)，兩滑塊作為自鎖裝置。該爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)裝配圖如圖：那上下自鎖套又是怎樣自鎖的呢？我們做成了如圖所示的形狀（主視、俯視）：我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)如圖所示的構(gòu)件，兩者用鉸鏈鉸接，能使其自如地打開或收攏，再在它們套住圓桿之后用銷釘在鉸支端對(duì)邊銷住，這樣方便裝配和安裝到圓桿上，也方便我們?cè)谡{(diào)試過程中不斷調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體尺寸。可這僅僅只是一個(gè)滑塊，那要怎樣才能實(shí)現(xiàn)它所要起到的自鎖作用呢？其實(shí)很簡單，想想為什么當(dāng)初要把一個(gè)原本簡簡單單的矩形滑塊做成如我

7、們上圖示的這樣的形狀：套住圓桿的兩端多出了兩個(gè)梯形狀的“耳朵”，而且這“耳朵”還是中空的。玄機(jī)就在于此，我們?cè)谶@中空的空間里分別放置兩個(gè)小球，此小球的直徑小于梯形底邊而大于梯形頂邊（l梯頂<d球<l梯底）。言外之意，此小球是能夠卡在這梯形的空間里的。這樣也就形成了真正意義上的自鎖。若電機(jī)固接的曲柄是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。1）曲柄在底端轉(zhuǎn)至頂端的過程中，經(jīng)力的分析，下自鎖套受到向上的拉力，自鎖套內(nèi)的兩小球因重力掉至梯形底部，d球<l梯底，它將無阻礙地由連桿往上拉；與此同時(shí)，上自鎖套受的卻是往下的拉力，與上面的相反，其具有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，內(nèi)部的小球脫離自鎖套的底部，又因d球>l梯頂，

8、那么小球就被卡在了梯形空間中，此時(shí)由于小球的被固定而使整個(gè)自鎖套看作是一個(gè)機(jī)架鉸接曲柄一般。（見左下圖）2）曲柄由頂端向底端逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上下滑塊的受力情況恰與第一種情況相反，下自鎖套因受力自鎖而被固定，此時(shí)上自鎖套仍向上運(yùn)動(dòng)，在曲柄過最底端時(shí)又出現(xiàn)了第一種情況。于是，兩滑塊周而復(fù)始交替向上爬。（見中下圖）在氣動(dòng)方面，由于沒有聯(lián)結(jié)用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而直接由氣動(dòng)元件帶動(dòng)兩自鎖套往上移動(dòng)。我們選用兩個(gè)汽缸作為主要的氣動(dòng)元件，利用作用力與反作用力的原理，由其帶動(dòng)上下兩個(gè)自鎖套分別自鎖，達(dá)到機(jī)器人爬桿的最終目的。（見右上圖）.運(yùn)動(dòng)方案選擇上面所設(shè)計(jì)的爬桿過程都是在理想的情況下，很多實(shí)際因素都沒有考慮進(jìn)去

9、：如摩擦力的大小（即管壁與小球接觸面的摩擦系數(shù)），在曲柄過上下兩滑塊極限位置時(shí)，自鎖套內(nèi)由于小球在內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，自鎖套所要進(jìn)行的向下運(yùn)動(dòng)的位移，以及上下自鎖套、曲柄和連桿的質(zhì)量，還有電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)動(dòng)速度，汽缸的推程大小、自重，所需氣包的容量及連接方式等等?，F(xiàn)在我們結(jié)合兩者的利弊，著重分析一下各自的優(yōu)缺點(diǎn)。就采用汽缸驅(qū)動(dòng)而言，它形式簡單、結(jié)構(gòu)簡便，從機(jī)械設(shè)計(jì)角度而言講究盡量采用基本機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)要簡單、可靠。而汽缸則融會(huì)了上述的優(yōu)點(diǎn)，它由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)兩個(gè)自鎖滑塊，避免了兩者間的連接機(jī)構(gòu)，精簡了構(gòu)件之間的連接。此外，該機(jī)構(gòu)具有環(huán)保等特點(diǎn)，它利用空氣作為動(dòng)力源，無污染、運(yùn)動(dòng)時(shí)無噪音，而且運(yùn)行

10、速度快，可以在短時(shí)間內(nèi)使機(jī)器人爬到桿的頂端，它還能夠隨身攜帶氣包作為動(dòng)力源，可以做到無線操作。就采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)而言，它屬于平面連桿機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)動(dòng)副為低副，能承受較大載荷；但平衡困難，不易用于高速。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是由電機(jī)經(jīng)減速直接驅(qū)動(dòng)的，和利用氣動(dòng)原理相比它多了一套傳動(dòng)和連接機(jī)構(gòu)，但該機(jī)構(gòu)運(yùn)用的原理簡單，設(shè)計(jì)合理，而且它不僅能在自桿上爬行，更能在彎曲的管道外爬行，具體的示意圖見下。綜上所述，我們小組經(jīng)討論決定：選取“曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”作為該爬桿機(jī)器人的最終運(yùn)動(dòng)方案。.執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式設(shè)計(jì)針對(duì)上述的種種實(shí)際情況，我們小組在設(shè)計(jì)此爬桿機(jī)器人的時(shí)候就全面考慮了各方面的因素，從而確定各構(gòu)件

11、的尺寸與制造構(gòu)件的材料。祥見下表機(jī)構(gòu)名稱構(gòu)件尺寸所選材料選用理由曲柄滑塊曲柄60mm（軸距）2mm鋁板價(jià)格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時(shí)效強(qiáng)化性連桿150（軸距）2mm鋁板價(jià)格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時(shí)效強(qiáng)化性錐管（4個(gè)）2mm鋁板價(jià)格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時(shí)效強(qiáng)化性自鎖機(jī)構(gòu)圓球（4個(gè)）50mm成品橡膠球取材方便、具有高韌性、材質(zhì)輕盈上述構(gòu)件全部采用鈑金造型，然后由焊接連接，使其加工制造簡單，易保證較高配合精度?？墒沁@樣一個(gè)爬桿機(jī)構(gòu)是一個(gè)封閉的機(jī)構(gòu)，那怎樣才能把機(jī)器人安裝到所要爬的管壁上呢？由此，我們?cè)O(shè)計(jì)的自鎖套就多了一個(gè)連接裝置，我們?cè)趦蓚€(gè)形狀對(duì)稱的錐管對(duì)接處裝上鉸鏈，就像在ADAMS里

12、給兩構(gòu)件用一個(gè)鉸鏈連接，然后在屏幕上顯示的那種鉸鏈裝置一樣，這樣自鎖套就能開合，自如地包攏住爬桿，然后在自鎖零件的對(duì)面接口處插上一個(gè)聯(lián)結(jié)銷，完整的一個(gè)自鎖套就套在了圓桿上。聯(lián)結(jié)銷的形狀見圖4。對(duì)于此類機(jī)構(gòu)，一定的摩擦力也是保證自鎖發(fā)生作用的關(guān)鍵。因此對(duì)各構(gòu)件的材料也是有相當(dāng)?shù)囊?。?jīng)過篩選，我們決定曲柄、連桿與錐管用鋁板來制造，小球的材料則用橡膠。橡膠的表面比較粗糙，且彈性性能較好，那么小球在自鎖套作用時(shí)能卡得比較牢靠，不會(huì)發(fā)生自轉(zhuǎn)等打滑現(xiàn)象，使整個(gè)機(jī)構(gòu)下滑而影響上爬的效果。在自鎖套需解鎖時(shí)，由于橡膠具有很高的韌性，它能立刻恢復(fù)原來的形狀，不會(huì)因無法恢復(fù)形變而使下一步上爬動(dòng)作失效。.4運(yùn)動(dòng)和動(dòng)

13、力分析在我們?cè)O(shè)定了曲柄與連桿的長度后，每一步機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的上升位移便也能自然而然地計(jì)算出來了。當(dāng)曲柄逆時(shí)針由最底端轉(zhuǎn)至最頂端時(shí)，下滑塊上升2倍曲柄的長度位移，即120mm。同樣，曲柄逆時(shí)針由最頂端轉(zhuǎn)動(dòng)到底端時(shí)，上滑塊也走過120mm（自鎖套在自鎖時(shí)的下滑距離不計(jì)）。下面我們就該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)一周的情況列表作一下分析（此時(shí)曲柄處于頂端）：曲柄旋轉(zhuǎn)角（逆時(shí)針）上自鎖套運(yùn)動(dòng)情況下自鎖套運(yùn)動(dòng)情況0°-90°向上運(yùn)動(dòng)120mm自鎖（固定）90°-180°自鎖（固定）向上運(yùn)動(dòng)120mm180°-270°向上運(yùn)動(dòng)120mm自鎖（固定）當(dāng)然，這樣的機(jī)構(gòu)絕非完

14、美無缺的。首先，我們?cè)O(shè)計(jì)的自鎖套的形狀還無法適應(yīng)此機(jī)構(gòu)爬各種桿。若所要爬的桿直徑大小稍有變化，隨著它的變動(dòng)自鎖套也必須相應(yīng)地改變它外伸包攏桿部分的形狀大小。但是，我們?cè)O(shè)計(jì)的自鎖套可以根據(jù)不同需要換取不同大小、材質(zhì)的小球。上文中我們還提到了軟件的運(yùn)用，特別是ADAMS運(yùn)動(dòng)分析軟件。我們使用該軟件對(duì)爬桿機(jī)器人進(jìn)行造型，并在連接處添加了一定的轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副，并固定了機(jī)架，在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們使用軟件中的各種插件對(duì)我們的爬桿機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)模擬和運(yùn)動(dòng)分析。下面就是我們所截取各構(gòu)件的速度位移圖。圖5曲柄位移速度圖圖6連桿位移速度圖圖7錐管（上）位移速度圖上自鎖套自鎖，下滑塊向上爬行。下自鎖套自鎖，上滑塊向

15、上爬行。.5執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡圖自由度F的計(jì)算：n=3Pl=4Ph=0F=3n-(2Pl+Ph)=3×3-(2×4-0)=13.計(jì)算內(nèi)容解析法設(shè)計(jì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)：實(shí)現(xiàn)兩連架桿對(duì)應(yīng)位置的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：a×cos（0+）+b×cos=d+c×cos（0+）a×sin（0+）+b×cos=d+c×sin（0+）將上式移項(xiàng)后平方相加，消去得：-b2+d2+c2+a2+2cd×cos（0+）-2ad×cos（0+）=2ac×cos（0+）-（0+）令R1=（a2-b2+c2+d2）/2ac R2=

16、d/c R3=d/c 則：R1+R2 cos（0+）-R3 cos（0+）=cos（0+）-（0+）將給定的五個(gè)對(duì)應(yīng)位置代入：R1+R2 cos0-R3 cos0=cos0-0R1+R2 cos（0+1）-R3 cos（0+1）=cos（0+1）-（0+1）R1+R2 cos（0+2）-R3 cos（0+2）=cos（0+2）-（0+2）R1+R2 cos（0+3）-R3 cos（0+3）=cos（0+3）-（0+3）R1+R2 cos（0+4）-R3 cos（0+4）=cos（0+4）-（0+4）求出R1、R2、R3、0、0若已知0、0，則只需三對(duì)對(duì)應(yīng)位置。一般，先取d=1，然后根據(jù)R1、R

17、2、R3、求出在d=1情況下各構(gòu)件相對(duì)d的長度a、b、c，至于各構(gòu)件的實(shí)際長度，可根據(jù)機(jī)構(gòu)的使用條件按比例放大后得到所需值。若將圖1中搖桿的長度增至無窮大，則B點(diǎn)的曲線導(dǎo)軌將變成直線導(dǎo)軌，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)就演化成我們這爬桿機(jī)器人所運(yùn)用的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（如圖3）。對(duì)于曲柄滑塊的解析式來說，相較于它的“前身”鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的要簡單許多：滑塊的行程B1B2為曲柄半徑r2的兩倍，兩端點(diǎn)B1和B2稱為滑塊的極限位置，它是以O(shè)2為中心而分別以長度r3-r2和r3+r2為半徑作圓弧求得的。我們這個(gè)爬桿機(jī)器人，由于它還運(yùn)用了自鎖原理，故當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)到與桿成一直線時(shí)，運(yùn)動(dòng)的滑塊就將相應(yīng)地?fù)Q一次，若電機(jī)為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（即曲柄為

18、逆時(shí)針，見圖4）：a）當(dāng)AB時(shí)，下滑塊向上滑動(dòng)位移是2r2，即等于曲柄長度的2倍，為120mm，（S1=2r2=2×60=120mm）b）當(dāng)BA時(shí)，上滑塊向上滑動(dòng)的位移也是2r2，即S2=2r2=2×60=120mm。這樣：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過一周時(shí)上下兩滑塊相互配合地走過S=S1+S2=120+120=240mm。.應(yīng)用前景該機(jī)器人運(yùn)用了簡單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，原動(dòng)力采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，兩者在選材上都很方便，而且我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)選用了材質(zhì)較為輕盈的鋁材作為結(jié)構(gòu)材料，減輕了該機(jī)器人的重量，使其更大效率的發(fā)揮電機(jī)的功率，提高了機(jī)器人的爬行速度。此外，該爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)方便了操作人員安裝到圓桿上和調(diào)試，對(duì)于在調(diào)試過程中遇到的問題也可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況做出及時(shí)、相應(yīng)的修改。而且，我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人不僅能在直桿外爬行，更能適應(yīng)不同彎曲度的圓桿對(duì)我們機(jī)器人的挑戰(zhàn)，正是由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的合理應(yīng)用，我們的機(jī)器人才可以在提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)效率的前提下克服不同彎曲度的圓桿，使其像爬直桿一樣爬行過彎曲的管道。.個(gè)人小結(jié)通過這學(xué)期的學(xué)習(xí)我認(rèn)識(shí)到：機(jī)器人教學(xué)綜合性較強(qiáng)，它將有關(guān)機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)與各學(xué)科有機(jī)地融合在一起。我們通過動(dòng)手實(shí)踐獲取知識(shí)，針對(duì)項(xiàng)目課題進(jìn)行研究、策劃、設(shè)計(jì)、組裝和測(cè)試。以小組為單位，使用積木、傳感