爬桿機(jī)器人理論方案設(shè)計(jì)說(shuō)明書(轉(zhuǎn)載)

1、第26頁(yè) 共26頁(yè) + 爬桿機(jī)器人理論方案設(shè)計(jì)說(shuō)明書學(xué)校名稱： 中國(guó)計(jì)量學(xué)學(xué)院學(xué)生隊(duì)長(zhǎng)： 學(xué)生隊(duì)員： 指導(dǎo)教師： 聯(lián)系方式： 二0 0五年一月月 目錄錄一方案構(gòu)思11二機(jī)械部分33三. 電控部分分17四設(shè)計(jì)小結(jié)119一 方案構(gòu)思 我們通過(guò)三個(gè)手手臂來(lái)抓緊桿桿件再通過(guò)手手臂上的電機(jī)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器器人的爬升和和下降。原理上兩個(gè)就能能實(shí)現(xiàn),但三三個(gè)手臂是一一作聯(lián)結(jié),二二可起穩(wěn)定作作用。手臂上上升下降是通通過(guò)齒輪齒條條來(lái)實(shí)現(xiàn)的。二機(jī)械部分1機(jī)器人的整整體裝配圖如如下：圖1我們是通過(guò)三個(gè)個(gè)手臂爬桿的的，上手臂裝裝在一個(gè)齒條條的最上端，并并且固定，在在具體設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)我們可以使使上手臂有一一定的上下和和左右轉(zhuǎn)動(dòng)

2、范范圍,具體的的設(shè)計(jì)將在下下面介紹。下下手臂裝在下下桿C上齒條條的下端,中中間手臂固定定在滑槽上,上手臂的上上升和下降是是通過(guò)裝在滑滑槽上端的電電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒齒輪嚙合齒條條來(lái)實(shí)現(xiàn)的.下手臂的上上升和下降是是通過(guò)裝在滑滑槽下端的電電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒齒輪嚙合齒條條來(lái)實(shí)現(xiàn)的,中間手臂的的升降是通過(guò)過(guò)上下兩對(duì)齒齒輪齒條反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2路面行走結(jié)結(jié)構(gòu)在地上行走，我我們通過(guò)裝在在下手臂上的的三個(gè)車輪來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)地面上上的行走，動(dòng)動(dòng)力由后車輪輪上的兩個(gè)電電機(jī)來(lái)提供，用用兩個(gè)電機(jī)主主要是為了能能實(shí)現(xiàn)走彎路路，具體的三三視圖形如下下： 圖2 底部車輪輪結(jié)構(gòu)2 機(jī)器手臂的的設(shè)計(jì) 圖圖3 機(jī)械手的的結(jié)構(gòu)我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)個(gè)機(jī)器手

3、采用用了曲柄滑塊塊機(jī)構(gòu)，A，BB，C點(diǎn)處安安裝了橡膠皮皮，1，2兩兩點(diǎn)固定在支支撐板上，當(dāng)當(dāng)滑塊W向前移移動(dòng)時(shí)，根據(jù)據(jù)桿子的結(jié)構(gòu)構(gòu)，A，B，CC點(diǎn)將向中心心收縮，產(chǎn)生一一個(gè)收縮的趨趨勢(shì)，就抓緊緊桿件。當(dāng)滑滑塊W向后移動(dòng)動(dòng)時(shí)，A，BB，C點(diǎn)會(huì)張張開，即松開開桿件。再配配合機(jī)構(gòu)的移移動(dòng)構(gòu)件，機(jī)機(jī)械手就能很很好的實(shí)現(xiàn)上上升和下降。 在在本方案中，由由曲柄滑塊機(jī)機(jī)構(gòu)的一系列列動(dòng)作，使機(jī)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)抱抱緊松開的動(dòng)動(dòng)作，機(jī)械手手的夾緊依靠靠滑塊使3個(gè)個(gè)橡膠皮與構(gòu)件件緊緊地接觸觸。在接觸的的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)另一個(gè)機(jī)械械手的升降，在在松開桿件的的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)自身的升降降。這兩段時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)度很很難控制，可可以說(shuō)光靠電

4、電機(jī)是不可能能實(shí)現(xiàn)的。此外考慮到到機(jī)械手垂直直夾緊桿件時(shí)時(shí)支撐板所受受的力矩很大大，難以鎖住住桿件，因此此可以改變機(jī)機(jī)械手臂與桿桿件的角度來(lái)來(lái)減小力矩，但但角度不能太太小，太小的的話就會(huì)使上上升的速度變變慢，因此角角度應(yīng)在70080度度之間為好，具體的角度要計(jì)算后后為準(zhǔn)。機(jī)械手臂是這個(gè)個(gè)機(jī)器人的主主體，在這個(gè)個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中中我們花了好好多時(shí)間查閱閱了很多資料料，最后選用用了這個(gè)曲柄柄滑塊機(jī)構(gòu)，在在設(shè)計(jì)時(shí)我們們想了很多，最最初設(shè)計(jì)時(shí)覺覺得比較容易易，可是真正正設(shè)計(jì)時(shí)碰到到了很多困難難。其中最主要的問(wèn)問(wèn)題是如何使使手臂按我們們要求的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)放開和抓緊緊，特別是時(shí)時(shí)間上的控制制最重要。我我們剛開始時(shí)時(shí)想

5、到了凸輪輪來(lái)控制，凸凸輪能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)，但是也有有缺陷，就是是凸輪的設(shè)計(jì)計(jì)難度較大，時(shí)時(shí)間上的控制制也很難，我我大致算了一一下，如果我我的轉(zhuǎn)速是110r/miin ，那么么轉(zhuǎn)一圈要六六秒，那么抓抓緊的時(shí)間是是3秒，而放放開的時(shí)間是是1.5秒。那那么物體上升升的時(shí)間很短短，難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)。后來(lái)我們確定用用電磁鐵來(lái)控控制，電磁鐵鐵很容易通過(guò)過(guò)單片機(jī)來(lái)控控制時(shí)間，特別是三個(gè)手臂臂之間的協(xié)調(diào)調(diào)可以比較準(zhǔn)準(zhǔn)確的控制?？煽捎秒姶盆F也也有缺點(diǎn)，就就是電磁鐵的的磁性會(huì)影響響單片機(jī)的運(yùn)運(yùn)行，那樣就就會(huì)給電機(jī)控控制帶來(lái)問(wèn)題題。但在外面面加上一些防防磁場(chǎng)的裝置置就會(huì)減少影影響。因此最最后確定用電電磁鐵機(jī)構(gòu)，這這樣在計(jì)算少少

6、的同時(shí)更容容易控制時(shí)間間以及各方面面的協(xié)調(diào)。電磁鐵手臂的設(shè)設(shè)計(jì)圖及連桿桿機(jī)構(gòu)圖圖4電磁鐵手臂臂的設(shè)計(jì) 圖5連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)圖 電磁鐵的工工作過(guò)程：當(dāng)當(dāng)在地面行走走時(shí)，通過(guò)單單片機(jī)控制使使手臂全都張張開，這樣就就能在行進(jìn)后后立刻抓住桿桿件。抓住后后就通過(guò)編程程來(lái)控制使手手臂，使三個(gè)個(gè)手臂松開和和抓緊的循環(huán)環(huán)過(guò)程，同時(shí)時(shí)通過(guò)電機(jī)的的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)手臂的上升升和下降。具具體的過(guò)程如如下：上手臂中手臂下手臂地面行走過(guò)程松開松開松開上手臂上升松開抓緊抓緊中手臂上升抓緊松開抓緊下手臂上升抓緊抓緊松開上手臂上升松開抓緊抓緊表1 機(jī)械手臂臂工作的具體體過(guò)程為了實(shí)現(xiàn)抓不同同直徑的桿件件，我們?cè)O(shè)計(jì)計(jì)了使裝在滑滑塊上的兩根

7、根桿的長(zhǎng)度可可以通過(guò)一個(gè)個(gè)滑桿機(jī)構(gòu)來(lái)來(lái)改變，就是是一根桿放在在另一個(gè)滑筒筒內(nèi)，可以抽抽動(dòng)來(lái)無(wú)級(jí)改改變桿的長(zhǎng)度度，然后用一一個(gè)緊固螺釘釘來(lái)夾緊，結(jié)結(jié)構(gòu)如下：圖6 滑桿桿機(jī)構(gòu)但我們?cè)O(shè)計(jì)的手手臂不能爬無(wú)無(wú)限桿的直徑徑，它是有一一定的范圍的的，而我們?cè)O(shè)設(shè)計(jì)的手臂是是可以爬升直直徑40到550毫米的任任何桿件，只只要調(diào)節(jié)兩根根桿的長(zhǎng)度就就能實(shí)現(xiàn)，在在這我設(shè)計(jì)了了兩個(gè)極限位位置的桿件，設(shè)設(shè)計(jì)如下： 考慮到到我們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)機(jī)器人是從地地面滑行的，因因此我們手臂臂張開時(shí)要能能夠抓住桿件件，即手臂BB，C兩點(diǎn)的的距離必須大大與桿的直徑徑，否則就不不能進(jìn)行下一一步的運(yùn)動(dòng)。還還有我們?cè)O(shè)計(jì)計(jì)的手臂上的的三點(diǎn)，要分分別抓在

8、圓的的三等分上，這這樣就能更加加抓緊桿件，由由于抓不同直直徑的桿件時(shí)時(shí)，三個(gè)橡膠膠皮運(yùn)動(dòng)的距距離是不一樣樣的，因此每每次都要調(diào)節(jié)節(jié)滑塊兩端桿桿的長(zhǎng)度，使使三個(gè)橡膠皮皮能同時(shí)和桿桿件接觸抓緊緊。根據(jù)圖形形我們知道滑滑塊移動(dòng)的距距離就是電磁磁鐵吸引鐵塊塊的距離，因因此當(dāng)桿件是是40毫米時(shí)時(shí)，滑塊移動(dòng)動(dòng)的距離是117.03毫毫米，則電磁磁鐵和鐵塊之之間的長(zhǎng)度也也是17.003毫米，桿桿1 的長(zhǎng)度度為19.007毫米；當(dāng)當(dāng)直徑是500毫米時(shí)滑快快移動(dòng)的距離離是5.1毫毫米，則電磁磁鐵和鐵塊之之間的長(zhǎng)度也也是5.1毫毫米，桿1的的長(zhǎng)度為299.93毫米米。具體圖形形如下： 圖圖7 圖8圖9 機(jī)器人人原始

9、、極限限狀態(tài)圖圖10 機(jī)器人人爬管的四個(gè)個(gè)過(guò)程主要任務(wù)：攀爬爬一個(gè)垂直距距離L=688mm運(yùn)動(dòng)過(guò)程：1、初初始狀態(tài)桿A、桿CC縮于桿A內(nèi)內(nèi)至整體呈最最短狀態(tài)，為為300mmm長(zhǎng)； 2、第一步運(yùn)運(yùn)動(dòng)桿B、桿桿C的機(jī)械手手抓牢攀爬物物，桿A的機(jī)機(jī)械手呈松弛弛狀態(tài)。由電電機(jī)通過(guò)齒輪輪齒條嚙合的的形式，驅(qū)動(dòng)動(dòng)桿A上升一一額定距離LL=68mmm，移動(dòng)完畢畢，桿A的機(jī)機(jī)械手抓牢攀攀爬物，同時(shí)時(shí)，桿B的機(jī)機(jī)械手松開； 3、第二步步運(yùn)動(dòng)此時(shí)，桿桿A、桿C的的機(jī)械手抓牢牢攀爬物，桿桿B由電機(jī)通通過(guò)繩索拉升升一額定距離離L=68mmm，拉升完完畢，桿B的的機(jī)械手抓牢牢攀爬物，同同時(shí)，桿C的的機(jī)械手松開開； 44

10、、第三步運(yùn)運(yùn)動(dòng)此時(shí)，桿桿A、桿B的的機(jī)械手是抓抓牢攀爬物的的，桿C由電電機(jī)通過(guò)齒輪輪齒條嚙合的的形式，驅(qū)動(dòng)動(dòng)桿C上升一一額定距離LL=68mmm; 5、回復(fù)至初初始狀態(tài)，再再重復(fù)循環(huán)第第一、二、三三步的運(yùn)動(dòng)； 6、下降過(guò)程程與理論上與與上升步驟相相反，故不必必再贅述。 通過(guò)上面的的運(yùn)動(dòng)步驟，機(jī)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)垂直桿件上上的攀爬。主要參數(shù)： 桿A長(zhǎng)a=133mmm, 桿BB長(zhǎng)b=1770mm, 桿C長(zhǎng)cc=a=1333mm； 驅(qū)動(dòng)桿桿A的電機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為n1=48r/mmin, 上拉桿B的的電機(jī)轉(zhuǎn)速為為n2=500r/minn, 驅(qū)動(dòng)桿桿C的電機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為n3=n1=488r/minn；與A嚙合的的齒齒

11、輪半徑為rr1=10mmm, 拉升升桿B的電機(jī)機(jī)的皮帶盤的的半徑為r22=10mmm, 與C嚙嚙合的齒輪半半徑為r3=10mm,計(jì)算步驟：尺寸及其質(zhì)量機(jī)械手質(zhì)量：11、有機(jī)玻璃璃板架質(zhì)量（22塊） m1=L*w*d*=2000*80*mm*1.4gg/cm=22.44g 2、電電磁鐵質(zhì)量（22塊） m2=d*(l1+l22)* h-*r=5*(40+335)*200-*5mm*7.6 gg/cm=54g3、彈簧質(zhì)量（11只） m3=1gg4、橡膠皮質(zhì)量量（3只） 圖11立體圖圖及其尺寸m4=v=*rr*d*h=00.95 gg/cm*25*(2*10/360)*7*200=0.588g5、滑塊

12、質(zhì)量（11只） mm5=30gg6、連桿質(zhì)量（55根） m6=(L1+L2+L33+L4+LL5 )hdd=7.8 g/cm*(2500*20*33)mm=1117g 7、聯(lián)聯(lián)結(jié)螺栓螺母母質(zhì)量(7只只) m7=2gg則一個(gè)機(jī)械手的的質(zhì)量為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聯(lián)桿質(zhì)量圖12 A桿視視圖及其尺寸寸A桿 體積VVa=V側(cè)+V底鋁材（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 質(zhì)量Ma=2.7*229.7922=80.44384g 圖133 B桿桿的視圖及尺尺寸 B桿 體積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 擋擋板 V3=80*100*1=8000mm則Vb= V11- V2+ V3=449842-187200+800=319222 mm=31.9922 cmm質(zhì)量 Mb=22.7*311.922=8

14、6.18894g C桿 質(zhì)量Mcc=Ma=880.43884g電機(jī)質(zhì)量：我們們共用到4個(gè)個(gè)直流電機(jī)，每每個(gè)電機(jī)質(zhì)量量約為35gg齒條質(zhì)量：我們們共用到兩對(duì)對(duì)齒輪齒條傳傳動(dòng)每個(gè)齒條的質(zhì)量量為 m=LLWH=(114*1188*6) mmm*7.8 g/cm=77.33136gB桿上 我們?cè)O(shè)計(jì)其其半徑為R=1mm, 長(zhǎng)L=600mm,材質(zhì)質(zhì)為鋼轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量 MM=RL=(*1*60) mmm*7.8 gg/cm=1.47703g(2只)運(yùn)動(dòng)計(jì)算1、距距離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() 預(yù)定一個(gè)個(gè)動(dòng)作周期的的攀爬距離 S=68mmm(一個(gè)周期內(nèi)) 時(shí)間T 上升過(guò)程 1、 桿A的攀爬爬時(shí)間T1=L/V1，VV1=2nr1/600(mm/ss)=n1r1/330(mm/s) , 則T11=30SLL(n1r1)=330*68/(80*6)=11.35288170166s,取T11=1.366s ； 22、桿B的攀攀爬，由于齒齒輪齒條的運(yùn)運(yùn)動(dòng)與A桿上上升時(shí)完全相相反，故其上上升時(shí)間為時(shí)時(shí)間T2=TT1=1.336s； 33、桿C的的的個(gè)參數(shù)與桿桿A相同，故故其攀爬時(shí)間間與A相等，即即T3=1.36s； 由以以上各段時(shí)間間相加就是桿桿每上升完整整的一段距離離L所用

16、的時(shí)時(shí)間，即總時(shí)時(shí)間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。 下下降過(guò)程 設(shè)平均速度度為V,攀爬桿長(zhǎng)長(zhǎng)為P,在桿桿上時(shí)間為TT=4minn，扣除機(jī)器器人本身的高高度300mmm,則實(shí)際際在桿上攀爬爬路程為（22P-2*3300）mmm。 下降過(guò)過(guò)程我們有兩兩個(gè)方案?jìng)溥x選。 方案一一：采用與上上升過(guò)程相反反的狀態(tài)，則則下降的平均均速度V=V=166.67mmm/s,可由由2P-2*300=VVT=16.67mm/s*4miin*60ss/min ,則可知攀攀爬桿長(zhǎng)P=2300.4mm；

17、方案二二：采用下滑滑的方式， （P-3000）/155.81+（PP-300）/ V=240 假設(shè)設(shè)V=16.667n,下滑滑時(shí)間為T 則PP=240*16.677n/(n+1)+3000 當(dāng)nn=2時(shí)，PP=29677.2mm, T=240/3=80ss 當(dāng)nn=3時(shí)，PP=33000.6mm, T=240/4=60ss 當(dāng)nn=4時(shí)，PP=35000.64mmm, T=240/5=48ss當(dāng)n=5時(shí)，PP=36344mm, T=240/6=40ss . . . . . . . . . 雖雖然采用方案案二能大大增增加機(jī)器人的的爬升高度，但但考慮到下滑滑速度較快，不不穩(wěn)定因素較較多，為保險(xiǎn)險(xiǎn)起

18、見，我們們決定采用方方案一。有關(guān)齒輪齒條 傳動(dòng)的計(jì)算 ：齒輪模數(shù) m=11mm 齒數(shù) z1=220齒頂高系數(shù) ha*=1 頂隙系數(shù) c*=0.25 分度圓壓力力角 0 分度圓直徑徑 dd=mz=11*20=220mm 齒頂圓直徑徑 dda=m(zz+2ha*)=1*(20+2*1)=222mm 齒根圓直徑徑 ddf=mz-2m(haa*+c*)=1*200-2*1*(1+0.25)=117.5mmm 齒條齒形角 0 齒厚、齒槽槽寬 s=e=m/2=*1/2=1.57mmm 齒頂高 ha=(ha*+cc*)m=(1+0.225)*1=1.25mmm 齒齒輪齒條的重重合度 1=20*（ttana1

19、-tan）+2ha*/(sinn0 *cos0 )/2 =20*（tanaarc(coos20/222)-taan20）+2*1/(sin00 *cos0 )/2 =1.29905304458maax=1.9981完全符合要求電磁鐵的吸力計(jì)計(jì)算：圖14G 為重力 GG=14.77N，F(xiàn)為電電磁鐵的吸力力，U為摩擦擦系數(shù)U=11.2，F(xiàn)33 為最大彈彈簧彈力 FF3=2N，WW為轉(zhuǎn)距，F(xiàn)F1為壓力，則F4=F-FF3，G=FF4*COSS10*U=FF4=G/（CCOS10*U） ，則F=F4+FF3=G/（CCOS10*U）+ F3=114.7/（CCOS10*1.2）+2=14.44N因?yàn)槊?/p>

20、次有兩根根桿是抓緊的的，因此每根根桿上的吸力力為14.444/2=77.22N電磁鐵的吸力要要大于7.222N。 三 電機(jī)控制部部分 我們的機(jī)器器手臂控制是是通過(guò)單片機(jī)機(jī)來(lái)定時(shí)來(lái)控控制電機(jī)和電電磁鐵的通電電和斷電，具具體的時(shí)間控控制我們通過(guò)過(guò)計(jì)算如下行程時(shí)間段電動(dòng)機(jī)控制電磁鐵控制單位（S）車輪上手臂下手臂上手臂中手臂下手臂地面行程0-28開關(guān)關(guān)關(guān)關(guān)關(guān)調(diào)整過(guò)程28-30關(guān)關(guān)關(guān)關(guān)開開爬升過(guò)程30-132關(guān)/暫停過(guò)程132-1688關(guān)關(guān)關(guān)開開開下降過(guò)程168-2700關(guān)調(diào)整過(guò)程270-2722關(guān)關(guān)關(guān)開開開回程272-3000開關(guān)關(guān)關(guān)關(guān)關(guān)表2 整個(gè)爬管管過(guò)程的時(shí)間間分布進(jìn)程時(shí)間段電動(dòng)機(jī)控制電磁鐵的控制單位（S）