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

1、+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)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。1 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，中間手臂固定在滑槽 上

2、，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)裝在下手臂上的二個(gè)車輪來(lái)實(shí)現(xiàn)地面上的行走，動(dòng)力由后車輪上的兩個(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：下手臀占/電機(jī)2圖2底部車輪結(jié)構(gòu)2機(jī)器手臂的設(shè)計(jì)_ / B桿件連桿圖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

3、中心收縮，產(chǎn)生一個(gè)收縮的趨勢(shì)，就抓緊桿件。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70 80度之間為好

4、，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/mi n ，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)

5、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)圖廠IA快鐵圖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)

6、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：槽1 1緊固螺J由桿筒桿釘圖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

7、，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, 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：LlI

8、r寸、InlOJI鐵.6電圖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)一一桿 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)；B由電機(jī)通過(guò)繩索同時(shí)，桿C的機(jī)械3、第二步運(yùn)動(dòng)一一此時(shí)，桿 A、桿C的機(jī)械手抓牢攀爬物，桿拉升一額定距離L=68mm，拉升完畢，桿B的機(jī)械手抓牢攀爬物, 手松開(kāi)；4、第三步運(yùn)動(dòng)一一此時(shí)，桿A、桿B的機(jī)械手

9、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n仁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=n仁48r/min ；與A嚙合的的齒輪半徑為 r仁10mm,拉升桿B的電機(jī)的皮帶盤的半徑為r2=10mm,與C嚙合的齒輪半徑為 r3=10mm,計(jì)

10、算步驟：尺寸及其質(zhì)量機(jī)械手質(zhì)量：1、有機(jī)玻璃板架質(zhì)量（2塊）m仁L*w*d* P=200*80*mm 3*1.4g/cm 3=22.4g2、電磁鐵質(zhì)量（2塊）m2=d* （11+12）* h- n*r 2 P =5* （40+35）*20- n*52: mm3*7.6 g/cm3=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=P*r* *d*h=0.95 g/cm 3*25*(2*10 n/360)*7*20=0.58g5、滑塊質(zhì)量(1只) m5=30g6、連桿質(zhì)量(5根)m6=P (L1+L2+L3+L4+L5)hd=7.8g/cm3*(250*2

11、0*3)mm=117g7、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M仁 2*m1+2*m2+m3+3*m4+m5+5*m6+7*m7=2*22.4+2*54+1+3*0.58+30+117+7*2=316.54g聯(lián)桿質(zhì)量TOP VIEW1一恃 58.00一一1600 10.001=1=78.001 10.0010.co,JIBFRONT VIEW SIDE VIEW圖12 A桿視圖及其尺寸A桿體積23側(cè)+V底鋁材(密度 2.7 g/cm3) =2* (W1+W2+H1+H2*L*D+2* (10H1+10W2 *2D =2*(78+58+138+118)*28*1+2*2*(10

12、*138+10*58 )=29.792cm3質(zhì)量 Ma=2.7*29.792=80.4384gL1100.00T-L25.QOTOP VIEW80一堂111111-11111111111111FRONT VIEW圖13 BDo桿的視圖及尺寸B桿體積Vb整框 V仁 117*1*(100+45*2+25*2+10*2+15*2+28*2+80)=49842mm3截空 V2=1*117*80*2=18720 mm3擋板 V3=80*10*1=800 mm3則 Vb= V1- V2+ V3=49842-18720+800=31922mm3=31.922 cm3質(zhì)量 Mb=2.7*31.922=86.1

13、894gC 桿 質(zhì)量 Mc=Ma=80.4384g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35g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 F =(14*118*6) mm 3*7.8 g/cm 3=77.3136gB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 nR2I_P =(n*1 2*60) mm3*7.8 g/cm3=1.4703g(2只)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、時(shí)間T上升過(guò)程 1、桿 A 的攀爬時(shí)間 T仁L/V1 , V仁2nnr1/60(mm/s)=n n 1r1/30(m

14、m/s), 貝U T仁30SL(n1 n1)=30*68/(80* n*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=T仁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。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=4min，扣除機(jī)器人本身的 高度30

15、0mm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*4mi n*60s/mi n ,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則 P=240*16.67n/(n+1)+300當(dāng) n=2 時(shí)，P=2967.2mm, T =240/3=80s當(dāng) n=3 時(shí)，P=3300.6mm, T =240/4=60s當(dāng) n=4 時(shí)，P

16、=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。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 -0分度圓直徑d=mz=1*20=20mm齒頂圓直徑齒根圓直徑齒條齒形角da=m(z+2ha*)=1*(20+2*1)=22mmdf=mz-2m(ha*+c*)=1*20-2*1*(1+0.25)=17.5mm: 0 齒厚、齒槽寬 s=e= n m/2=n *

17、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* (tan ： a1-tan ： ) +2ha*/(sin 0 *cos 0 )/2 n=20* (tanarc(cos20/22)-tan20 ) +2*1/(sin0 *cos 0 )/2 n=1.290530458； max=1.981完全符合要求電磁鐵的吸力計(jì)算:桿件F4亠匸F1圖14G為重力G=14.7N , F為電磁鐵的吸力，U為摩擦系數(shù) U=1.2 , F3為最大彈簧彈力 距，F(xiàn)1為壓力，則 F4=F-F3，G=F4*COS10 *U=F4=G/( COS

18、10 *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 。F3=2N，W為轉(zhuǎn)具體的時(shí)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, 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)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