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

1、 + 爬桿機(jī)器人理論方案設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué)校名稱： 中國(guó)計(jì)量學(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 目錄一方案構(gòu)思-1二機(jī)械部分-3三. 電控部分-17四設(shè)計(jì)小結(jié)-19一 方案構(gòu)思 我們通過(guò)三個(gè)手臂來(lái)抓緊桿件再通過(guò)手臂上的電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬升和下降。原理上兩個(gè)就能實(shí)現(xiàn),但三個(gè)手臂是一作聯(lián)結(jié),二可起穩(wěn)定作用。手臂上升下降是通過(guò)齒輪齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)的。二機(jī)械部分1機(jī)器人的整體裝配圖如下：圖1我們是通過(guò)三個(gè)手臂爬桿的，上手臂裝在一個(gè)齒條的最上端，并且固定，在具體設(shè)計(jì)時(shí)我們可以使上手臂有一定的上下和左右轉(zhuǎn)動(dòng)范圍,具體的設(shè)計(jì)將在下面介紹。下手臂裝在下桿C上齒條的下端,中間手臂固定在滑

2、槽上,上手臂的上升和下降是通過(guò)裝在滑槽上端的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪嚙合齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)的.下手臂的上升和下降是通過(guò)裝在滑槽下端的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪嚙合齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)的,中間手臂的升降是通過(guò)上下兩對(duì)齒輪齒條反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2路面行走結(jié)構(gòu)在地上行走，我們通過(guò)裝在下手臂上的三個(gè)車(chē)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)地面上的行走，動(dòng)力由后車(chē)輪上的兩個(gè)電機(jī)來(lái)提供，用兩個(gè)電機(jī)主要是為了能實(shí)現(xiàn)走彎路，具體的三視圖形如下： 圖2 底部車(chē)輪結(jié)構(gòu)2 機(jī)器手臂的設(shè)計(jì) 圖3 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)機(jī)器手采用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，A，B，C點(diǎn)處安裝了橡膠皮，1，2兩點(diǎn)固定在支撐板上，當(dāng)滑塊W向前移動(dòng)時(shí)，根據(jù)桿子的結(jié)構(gòu)，A，B，C點(diǎn)將向中心收縮，產(chǎn)生一個(gè)收縮的趨勢(shì)，就抓緊桿

3、件。當(dāng)滑塊W向后移動(dòng)時(shí)，A，B，C點(diǎn)會(huì)張開(kāi)，即松開(kāi)桿件。再配合機(jī)構(gòu)的移動(dòng)構(gòu)件，機(jī)械手就能很好的實(shí)現(xiàn)上升和下降。 在本方案中，由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的一系列動(dòng)作，使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)抱緊松開(kāi)的動(dòng)作，機(jī)械手的夾緊依靠滑塊使3個(gè)橡膠皮與構(gòu)件緊緊地接觸。在接觸的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)另一個(gè)機(jī)械手的升降，在松開(kāi)桿件的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自身的升降。這兩段時(shí)間的長(zhǎng)度很難控制，可以說(shuō)光靠電機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。此外考慮到機(jī)械手垂直夾緊桿件時(shí)支撐板所受的力矩很大，難以鎖住桿件，因此可以改變機(jī)械手臂與桿件的角度來(lái)減小力矩，但角度不能太小，太小的話就會(huì)使上升的速度變慢，因此角度應(yīng)在7080度之間為好，具體的角度要計(jì)算后為準(zhǔn)。機(jī)械手臂是這個(gè)機(jī)器人的主體，在

4、這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中我們花了好多時(shí)間查閱了很多資料，最后選用了這個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)我們想了很多，最初設(shè)計(jì)時(shí)覺(jué)得比較容易，可是真正設(shè)計(jì)時(shí)碰到了很多困難。其中最主要的問(wèn)題是如何使手臂按我們要求的實(shí)現(xiàn)放開(kāi)和抓緊，特別是時(shí)間上的控制最重要。我們剛開(kāi)始時(shí)想到了凸輪來(lái)控制，凸輪能夠?qū)崿F(xiàn)，但是也有缺陷，就是凸輪的設(shè)計(jì)難度較大，時(shí)間上的控制也很難，我大致算了一下，如果我的轉(zhuǎn)速是10r/min ，那么轉(zhuǎn)一圈要六秒，那么抓緊的時(shí)間是3秒，而放開(kāi)的時(shí)間是1.5秒。那么物體上升的時(shí)間很短，難以實(shí)現(xiàn)。后來(lái)我們確定用電磁鐵來(lái)控制，電磁鐵很容易通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制時(shí)間，特別是三個(gè)手臂之間的協(xié)調(diào)可以比較準(zhǔn)確的控制?？捎秒姶盆F也有

5、缺點(diǎn)，就是電磁鐵的磁性會(huì)影響單片機(jī)的運(yùn)行，那樣就會(huì)給電機(jī)控制帶來(lái)問(wèn)題。但在外面加上一些防磁場(chǎng)的裝置就會(huì)減少影響。因此最后確定用電磁鐵機(jī)構(gòu)，這樣在計(jì)算少的同時(shí)更容易控制時(shí)間以及各方面的協(xié)調(diào)。電磁鐵手臂的設(shè)計(jì)圖及連桿機(jī)構(gòu)圖圖4電磁鐵手臂的設(shè)計(jì) 圖5連桿機(jī)構(gòu)圖 電磁鐵的工作過(guò)程：當(dāng)在地面行走時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制使手臂全都張開(kāi)，這樣就能在行進(jìn)后立刻抓住桿件。抓住后就通過(guò)編程來(lái)控制使手臂，使三個(gè)手臂松開(kāi)和抓緊的循環(huán)過(guò)程，同時(shí)通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的上升和下降。具體的過(guò)程如下：上手臂中手臂下手臂地面行走過(guò)程松開(kāi)松開(kāi)松開(kāi)上手臂上升松開(kāi)抓緊抓緊中手臂上升抓緊松開(kāi)抓緊下手臂上升抓緊抓緊松開(kāi)上手臂上升松開(kāi)抓緊抓緊

6、表1 機(jī)械手臂工作的具體過(guò)程為了實(shí)現(xiàn)抓不同直徑的桿件，我們?cè)O(shè)計(jì)了使裝在滑塊上的兩根桿的長(zhǎng)度可以通過(guò)一個(gè)滑桿機(jī)構(gòu)來(lái)改變，就是一根桿放在另一個(gè)滑筒內(nèi)，可以抽動(dòng)來(lái)無(wú)級(jí)改變桿的長(zhǎng)度，然后用一個(gè)緊固螺釘來(lái)夾緊，結(jié)構(gòu)如下：圖6 滑桿機(jī)構(gòu)但我們?cè)O(shè)計(jì)的手臂不能爬無(wú)限桿的直徑，它是有一定的范圍的，而我們?cè)O(shè)計(jì)的手臂是可以爬升直徑40到50毫米的任何桿件，只要調(diào)節(jié)兩根桿的長(zhǎng)度就能實(shí)現(xiàn)，在這我設(shè)計(jì)了兩個(gè)極限位置的桿件，設(shè)計(jì)如下： 考慮到我們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)器人是從地面滑行的，因此我們手臂張開(kāi)時(shí)要能夠抓住桿件，即手臂B，C兩點(diǎn)的距離必須大與桿的直徑，否則就不能進(jìn)行下一步的運(yùn)動(dòng)。還有我們?cè)O(shè)計(jì)的手臂上的三點(diǎn)，要分別抓在圓的三等分上，

7、這樣就能更加抓緊桿件，由于抓不同直徑的桿件時(shí)，三個(gè)橡膠皮運(yùn)動(dòng)的距離是不一樣的，因此每次都要調(diào)節(jié)滑塊兩端桿的長(zhǎng)度，使三個(gè)橡膠皮能同時(shí)和桿件接觸抓緊。根據(jù)圖形我們知道滑塊移動(dòng)的距離就是電磁鐵吸引鐵塊的距離，因此當(dāng)桿件是40毫米時(shí)，滑塊移動(dòng)的距離是17.03毫米，則電磁鐵和鐵塊之間的長(zhǎng)度也是17.03毫米，桿1 的長(zhǎng)度為19.07毫米；當(dāng)直徑是50毫米時(shí)滑快移動(dòng)的距離是5.1毫米，則電磁鐵和鐵塊之間的長(zhǎng)度也是5.1毫米，桿1的長(zhǎng)度為29.93毫米。具體圖形如下： 圖7 圖8圖9 機(jī)器人原始、極限狀態(tài)圖圖10 機(jī)器人爬管的四個(gè)過(guò)程主要任務(wù)：攀爬一個(gè)垂直距離L=68mm運(yùn)動(dòng)過(guò)程：1、初始狀態(tài)桿A、桿C縮

8、于桿A內(nèi)至整體呈最短狀態(tài)，為300mm長(zhǎng)； 2、第一步運(yùn)動(dòng)桿B、桿C的機(jī)械手抓牢攀爬物，桿A的機(jī)械手呈松弛狀態(tài)。由電機(jī)通過(guò)齒輪齒條嚙合的形式，驅(qū)動(dòng)桿A上升一額定距離L=68mm，移動(dòng)完畢，桿A的機(jī)械手抓牢攀爬物，同時(shí)，桿B的機(jī)械手松開(kāi)； 3、第二步運(yùn)動(dòng)此時(shí)，桿A、桿C的機(jī)械手抓牢攀爬物，桿B由電機(jī)通過(guò)繩索拉升一額定距離L=68mm，拉升完畢，桿B的機(jī)械手抓牢攀爬物，同時(shí)，桿C的機(jī)械手松開(kāi)； 4、第三步運(yùn)動(dòng)此時(shí)，桿A、桿B的機(jī)械手是抓牢攀爬物的，桿C由電機(jī)通過(guò)齒輪齒條嚙合的形式，驅(qū)動(dòng)桿C上升一額定距離L=68mm; 5、回復(fù)至初始狀態(tài)，再重復(fù)循環(huán)第一、二、三步的運(yùn)動(dòng)； 6、下降過(guò)程與理論上與上升

9、步驟相反，故不必再贅述。 通過(guò)上面的運(yùn)動(dòng)步驟，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)垂直桿件上的攀爬。主要參數(shù)： 桿A長(zhǎng)a=133mm, 桿B長(zhǎng)b=170mm, 桿C長(zhǎng)c=a=133mm； 驅(qū)動(dòng)桿A的電機(jī)轉(zhuǎn)速為n1=48r/min, 上拉桿B的電機(jī)轉(zhuǎn)速為n2=50r/min, 驅(qū)動(dòng)桿C的電機(jī)轉(zhuǎn)速為n3=n1=48r/min；與A嚙合的的齒輪半徑為r1=10mm, 拉升桿B的電機(jī)的皮帶盤(pán)的半徑為r2=10mm, 與C嚙合的齒輪半徑為r3=10mm,計(jì)算步驟：l 尺寸及其質(zhì)量l 機(jī)械手質(zhì)量：1、有機(jī)玻璃板架質(zhì)量（2塊） m1=L*w*d*=200*80*mm*1.4g/cm=22.4g 2、電磁鐵質(zhì)量（2塊） m2=d*(

10、l1+l2)* h-*r=5*(40+35)*20-*5mm*7.6 g/cm=54g3、彈簧質(zhì)量（1只） m3=1g4、橡膠皮質(zhì)量（3只） 圖11立體圖及其尺寸m4=v=*r*d*h=0.95 g/cm*25*(2*10/360)*7*20=0.58g5、滑塊質(zhì)量（1只） m5=30g6、連桿質(zhì)量（5根） m6=(L1+L2+L3+L4+L5 )hd=7.8 g/cm*(250*20*3)mm=117g 7、聯(lián)結(jié)螺栓螺母質(zhì)量(7只) m7=2g則一個(gè)機(jī)械手的質(zhì)量為M1=2*m1+2*m2+m3+3*m4+m5+5*m6+7*m7 =2*22.4+2*54+1+3*0.58+30+117+7*

11、2 =316.54gl 聯(lián)桿質(zhì)量圖12 A桿視圖及其尺寸A桿 體積Va=V側(cè)+V底鋁材（密度2.7 g/cm） =2*（W1+W2+H1+H2）*L*D+2*（10H1+10W2）*2D =2*(78+58+138+118)*28*1+2*2*（10*138+10*58） =29.792cm 質(zhì)量Ma=2.7*29.792=80.4384g 圖13 B桿的視圖及尺寸 B桿 體積Vb整框V1=117*1*(100+45*2+25*2+10*2+15*2+28*2+80)=49842 mm 截空 V2=1*117*80*2=18720 mm 擋板 V3=80*10*1=800mm則Vb= V1-

12、V2+ V3=49842-18720+800=31922 mm=31.922 cm質(zhì)量 Mb=2.7*31.922=86.1894g C桿 質(zhì)量Mc=Ma=80.4384gl 電機(jī)質(zhì)量：我們共用到4個(gè)直流電機(jī)，每個(gè)電機(jī)質(zhì)量約為35gl 齒條質(zhì)量：我們共用到兩對(duì)齒輪齒條傳動(dòng)每個(gè)齒條的質(zhì)量為 m=LWH=(14*118*6) mm*7.8 g/cm=77.3136gl B桿上 我們?cè)O(shè)計(jì)其半徑為R=1mm, 長(zhǎng)L=60mm,材質(zhì)為鋼轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量 M=RL=(*1*60) mm*7.8 g/cm=1.4703g(2只)l 運(yùn)動(dòng)計(jì)算1、距離L 預(yù)定一個(gè)動(dòng)作周期的攀爬距離 S=68mm(一個(gè)周期內(nèi)) 2、

13、時(shí)間T 上升過(guò)程 1、 桿A的攀爬時(shí)間T1=L/V1，V1=2nr1/60(mm/s)=n1r1/30(mm/s) , 則T1=30SL(n1r1)=30*68/(80*6)=1.352817016s,取T1=1.36s ； 2、桿B的攀爬，由于齒輪齒條的運(yùn)動(dòng)與A桿上升時(shí)完全相反，故其上升時(shí)間為時(shí)間T2=T1=1.36s； 3、桿C的的個(gè)參數(shù)與桿A相同，故其攀爬時(shí)間與A相等，即T3=1.36s； 由以上各段時(shí)間相加就是桿每上升完整的一段距離L所用的時(shí)間，即總時(shí)間T=T1+T2+T3=1.36+1.36+1.36=4.08S，由此可得爬升的平均速度V=L/T=68/4.3=16.67mm/s。

14、下降過(guò)程 設(shè)平均速度為V,攀爬桿長(zhǎng)為P,在桿上時(shí)間為T(mén)=4min，扣除機(jī)器人本身的高度300mm,則實(shí)際在桿上攀爬路程為（2P-2*300）mm。 下降過(guò)程我們有兩個(gè)方案?jìng)溥x。 方案一：采用與上升過(guò)程相反的狀態(tài)，則下降的平均速度V=V=16.67mm/s,可由2P-2*300=VT=16.67mm/s*4min*60s/min ,則可知攀爬桿長(zhǎng)P=2300.4mm； 方案二：采用下滑的方式， （P-300）/15.81+（P-300）/ V=240 假設(shè)V=16.67n,下滑時(shí)間為T(mén) 則P=240*16.67n/(n+1)+300 當(dāng)n=2時(shí)，P=2967.2mm, T=240/3=80s 當(dāng)

15、n=3時(shí)，P=3300.6mm, T=240/4=60s 當(dāng)n=4時(shí)，P=3500.64mm, T=240/5=48s當(dāng)n=5時(shí)，P=3634mm, T=240/6=40s . . . . . . . . . 雖然采用方案二能大大增加機(jī)器人的爬升高度，但考慮到下滑速度較快，不穩(wěn)定因素較多，為保險(xiǎn)起見(jiàn)，我們決定采用方案一。l 有關(guān)齒輪齒條 傳動(dòng)的計(jì)算 ：齒輪模數(shù) m=1mm 齒數(shù) z1=20齒頂高系數(shù) ha*=1 頂隙系數(shù) c*=0.25 分度圓壓力角 =20 分度圓直徑 d=mz=1*20=20mm 齒頂圓直徑 da=m(z+2ha*)=1*(20+2*1)=22mm 齒根圓直徑 df=mz-

16、2m(ha*+c*)=1*20-2*1*(1+0.25)=17.5mm 齒條齒形角 =20 齒厚、齒槽寬 s=e=m/2=*1/2=1.57mm 齒頂高 ha=(ha*+c*)m=(1+0.25)*1=1.25mm 齒輪齒條的重合度 1=20*（tana1-tan）+2ha*/(sin20 *cos20 )/2 =20*（tanarc(cos20/22)-tan20）+2*1/(sin20 *cos20 )/2 =1.290530458max=1.981完全符合要求l 電磁鐵的吸力計(jì)算：圖14G 為重力 G=14.7N，F(xiàn)為電磁鐵的吸力，U為摩擦系數(shù)U=1.2，F(xiàn)3 為最大彈簧彈力 F3=2N

17、，W為轉(zhuǎn)距，F(xiàn)1為壓力，則F4=F-F3，G=F4*COS10*U=F4=G/（COS10*U） ，則F=F4+F3=G/（COS10*U）+ F3=14.7/（COS10*1.2）+2=14.44N因?yàn)槊看斡袃筛鶙U是抓緊的，因此每根桿上的吸力為14.44/2=7.22N電磁鐵的吸力要大于7.22N。 三 電機(jī)控制部分 我們的機(jī)器手臂控制是通過(guò)單片機(jī)來(lái)定時(shí)來(lái)控制電機(jī)和電磁鐵的通電和斷電，具體的時(shí)間控制我們通過(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(chē)輪上手臂下手臂上手臂中手臂下手臂地面行程0-28開(kāi)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(kāi)開(kāi)爬升過(guò)程30-132關(guān)/暫停過(guò)程132-168關(guān)

18、關(guān)關(guān)開(kāi)開(kāi)開(kāi)下降過(guò)程168-270關(guān)調(diào)整過(guò)程270-272關(guān)關(guān)關(guān)開(kāi)開(kāi)開(kāi)回程272-300開(kāi)關(guān)關(guān)關(guān)關(guān)關(guān)表2 整個(gè)爬管過(guò)程的時(shí)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）上手臂下手臂上手臂中手臂下手臂上手臂上升0-1.36開(kāi)（正）關(guān)關(guān)開(kāi)開(kāi)中手臂上升1.36-2.73（1.36）開(kāi)（反）開(kāi)（反）開(kāi)關(guān)開(kāi)下手臂上升2.734.08（1.36）關(guān)開(kāi)（正）開(kāi)開(kāi)關(guān)下手臂下降0-1.36關(guān)開(kāi)（反）開(kāi)開(kāi)關(guān)中手臂下降1.36-2.73（1.36）開(kāi)（正）開(kāi)（正）開(kāi)關(guān)開(kāi)上手臂下降2.73-4.08（1.36）開(kāi)（反）關(guān)關(guān)開(kāi)開(kāi) 表3 爬管過(guò)程的時(shí)間分布注：手臂的電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)是使本身手臂上升的狀態(tài)，反轉(zhuǎn)則是與其相反的轉(zhuǎn)動(dòng)

19、。這是按我們的要求設(shè)計(jì)的。雖然我們完全可以通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制時(shí)間，可是我們?yōu)榱朔乐乖谥型境霈F(xiàn)我們沒(méi)有遇到的問(wèn)題，因此我們有加入了一些優(yōu)先級(jí)，通過(guò)遙控來(lái)控制或者用電線直接控制。具體的手臂爬升編程如下：P1.0控制上手臂的電機(jī)正轉(zhuǎn) P1.4 控制上手臂的電磁鐵P1.1控制上手臂的電機(jī)反轉(zhuǎn) P1.5 控制中手臂的電磁鐵P1.2控制下手臂的電機(jī)正轉(zhuǎn) P1.6 控制下手臂的電磁鐵P1.3控制下手臂的電機(jī)反轉(zhuǎn) 我們選用方式一，T0來(lái)定時(shí)，晶振是6MHZ，則T=2us定時(shí)1.36S 20個(gè)循環(huán)周期則單個(gè)定時(shí)時(shí)間1.36/20=0.068S，定時(shí)初值X=M-定時(shí)值/T=65536-68000/2=31536=7

20、B2CH桿頂暫停時(shí)間T=36S 500個(gè)循環(huán)周期則單個(gè)定時(shí)時(shí)間36/500=0.072S，定時(shí)初值X=M-定時(shí)值/T=65536-72000/2=29536=7360HAs of Microsoft Internet Explorer 4.0, you can applmultimedia-style effects to your Web pages using visual filters and transitions. You can apply visual filters and transitions to standard HTML controls, such as text

21、 containers, images, and other windowless objects. Transitions are time-varying filters that create a transition from one visual state to another. By combining filters and transitions with basic scripting, you can create visually engaging and interactive documents.Internet Explorer 5.5 and later supports a rich variety of optimized filters. Click the following button to see a demonstration of many of these filters and how to usetheProcedural surfaces are colored surfaces that display between the content of an object and the objects background. Procedural surfaces define each pixels