利用電動機爬桿機器人

1、電動機設計攀爬器設計說明書設計題目：爬桿機器人 學院：電信學院 班級：自動化0801 設計者：200820314102胥文舉 指導老師： 楊柱中 目錄1.設計題目1.1設計目的1.2設計題目簡介1.3設計條件及設計要求2.運動方案設計2.1機械預期的功能要求2.2功能原理設計2.3運動規(guī)律設計2.3.1工藝動作分解2.3.2運動方案選擇2.3.3執(zhí)行機構形式設計2.3.4運動和動力分析2.3.5執(zhí)行系統(tǒng)運動簡圖3.計算內容4.應用前景105.個人小結116.參考資料12附錄13.設計題目.設計目的機械設計是根據使用要求對機械的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺

2、寸以及潤滑方式等進行構思、分析和計算，并將其轉化為制造依據的工作過程。機械設計是機械產品生產的第一步，是決定機械產品性能的最主要環(huán)節(jié)，整個過程蘊涵著創(chuàng)新和發(fā)明。為了綜合運用機械原理課程的理論知識，分析和解決與本課程有關的實際問題，使所學知識進一步鞏固和加深，我們參加了此次的機械原理課程設計。.設計題目簡介我們此次做的課程設計名為爬桿機器人。該機器人模仿蟲蠕動的形式向上爬行，其爬行運用簡單的曲柄滑塊機構。其中電機與曲柄固接，驅動裝置運動。曲柄與連桿鉸接，其另一端分別鉸接一自鎖套（即上下兩個自鎖套），它們是實現上爬的關鍵結構。當自鎖套有向下運動的趨勢時，由力的傳遞傳到自鎖套，球、錐管與圓桿之間形成

3、可靠的自鎖，阻止構件向下運動，而使其運動的方向始終向上（運動示意見右圖）。.設計條件及設計要求首先確定機器人運動的機構原理及所爬行管道的有關數據，制定多套運動方案。再查閱相關資料，通過精確的計算和運用相關應用軟件（例如CAXA，Solidworks，ADAMS等造型、分析軟件）進行運動模擬，對設計題目進行創(chuàng)新設計和運動仿真，最后在多方面的考慮下確定一套方案并完成整套課程設計說明書及相關的軟件分析圖表和文件并由三維動畫模擬出該機器人的運動。.運動方案設計該機器人模仿的動作是沿桿向上爬行，整個機構為曲柄滑塊機構，而且我們目前所設計機器人爬行的桿是圓桿。.機械預期的功能要求通過電機的驅動和減速，給予

4、曲柄一個繞定軸旋轉的主動力，在該力的驅使下帶動連桿及相應的自鎖裝置，由兩個自鎖套的先后自鎖和曲柄連桿機構帶動機器人向上爬行。.功能原理設計通常情況下，一部的機器需要通過電機帶動一系列復雜的機構使其正常運轉，這其中涉及到很多簡單且基本的機械機構。當然，也可以直接通過電機帶動整部機器的運轉，這完全取決于機器所需完成的工作以及設計該機器時所面臨的種種實際情況。針對該爬桿機器人，我們小組通過討論提出了兩套設計方案，分別是：由曲柄滑塊機構帶動和由氣壓元件直接驅動。首先，讓我們來看一下曲柄滑塊機構是如何工作的。在平面連桿機構中，能繞定軸或定點作整周回轉的構件被稱為曲柄。而通過改變平面四桿機構中構件的形狀和

5、運動尺寸能將其演化為不同的機構形式，就曲柄滑塊機構而言，它是通過增加鉸鏈四桿機構中搖桿的長度至無窮大而演變過來的。改機構實際上是由一曲柄一端鉸接在機架上，另一端鉸接一連桿，連桿的另一端聯結一滑塊，在曲柄為主動件運動時帶動連桿，連桿又帶動滑塊，使其在平面某一范圍內做直線往復運動（圖）。其次是氣動的原理。該運動原理與上述的曲柄滑塊機構相比，在保留兩滑塊作為自鎖裝置的前提下，省略了聯結兩滑塊的傳動裝置，轉而用兩個汽缸直接帶動兩個滑塊的上下移動。這樣的設計更直接也更簡潔，至于兩者到底哪個更合理呢？.運動規(guī)律設計.工藝動作分解首先，我們基于曲柄滑塊機構的啟示，想到了在曲柄與連桿的兩端分別鉸接上兩個滑塊（

6、即作為自鎖套），使兩個滑塊分別作為機架交替上升，從而實現爬桿動作。其中上滑塊與曲柄相連，相應的連桿接下滑塊。當機構具有向下運動的趨勢時，下自鎖套因受到自鎖機構的限制而固定不動，把其受到的向下的力轉化為向上的動力，推動機構反而向上運動。于是，我們就把電機與曲柄固接作為驅動裝，連桿作為傳動，兩滑塊作為自鎖裝置。該爬桿機器人的設計裝配圖如圖：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）：我們設計了兩個如圖所示的構件，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邊銷住，這樣方便裝配和安裝到圓桿上，也方便我們在調試過程中不斷調整內部結構的具體尺寸。

7、可這僅僅只是一個滑塊，那要怎樣才能實現它所要起到的自鎖作用呢？其實很簡單，想想為什么當初要把一個原本簡簡單單的矩形滑塊做成如我們上圖示的這樣的形狀：套住圓桿的兩端多出了兩個梯形狀的“耳朵”，而且這“耳朵”還是中空的。玄機就在于此，我們在這中空的空間里分別放置兩個小球，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。若電機固接的曲柄是逆時針轉動。1）曲柄在底端轉至頂端的過程中，經力的分析，下自鎖套受到向上的拉力，自鎖套內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；

8、與此同時，上自鎖套受的卻是往下的拉力，與上面的相反，其具有向下運動的趨勢，內部的小球脫離自鎖套的底部，又因d球>l梯頂，那么小球就被卡在了梯形空間中，此時由于小球的被固定而使整個自鎖套看作是一個機架鉸接曲柄一般。（見左下圖）2）曲柄由頂端向底端逆時針轉動時，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，此時上自鎖套仍向上運動，在曲柄過最底端時又出現了第一種情況。于是，兩滑塊周而復始交替向上爬。（見中下圖）在氣動方面，由于沒有聯結用的傳動機構，因而直接由氣動元件帶動兩自鎖套往上移動。我們選用兩個汽缸作為主要的氣動元件，利用作用力與反作用力的原理，由其帶動上下兩個自鎖套分

9、別自鎖，達到機器人爬桿的最終目的。（見右上圖）.運動方案選擇上面所設計的爬桿過程都是在理想的情況下，很多實際因素都沒有考慮進去：如摩擦力的大?。垂鼙谂c小球接觸面的摩擦系數），在曲柄過上下兩滑塊極限位置時，自鎖套內由于小球在內部運動的關系，自鎖套所要進行的向下運動的位移，以及上下自鎖套、曲柄和連桿的質量，還有電機的功率、轉動速度，汽缸的推程大小、自重，所需氣包的容量及連接方式等等?，F在我們結合兩者的利弊，著重分析一下各自的優(yōu)缺點。就采用汽缸驅動而言，它形式簡單、結構簡便，從機械設計角度而言講究盡量采用基本機構，設計的機構要簡單、可靠。而汽缸則融會了上述的優(yōu)點，它由驅動機構直接帶動兩個自鎖滑塊，

10、避免了兩者間的連接機構，精簡了構件之間的連接。此外，該機構具有環(huán)保等特點，它利用空氣作為動力源，無污染、運動時無噪音，而且運行速度快，可以在短時間內使機器人爬到桿的頂端，它還能夠隨身攜帶氣包作為動力源，可以做到無線操作。就采用曲柄滑塊結構而言，它屬于平面連桿機構，具有結構簡單、制造方便、運動副為低副，能承受較大載荷；但平衡困難，不易用于高速。我們設計的機構是由電機經減速直接驅動的，和利用氣動原理相比它多了一套傳動和連接機構，但該機構運用的原理簡單，設計合理，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，我們小組經討論決定：選取“曲柄滑塊機構”作為該爬桿機器人的最

11、終運動方案。.執(zhí)行機構形式設計針對上述的種種實際情況，我們小組在設計此爬桿機器人的時候就全面考慮了各方面的因素，從而確定各構件的尺寸與制造構件的材料。祥見下表機構名稱構件尺寸所選材料選用理由曲柄滑塊曲柄60mm（軸距）2mm鋁板價格便宜、材質輕便、成型后具有時效強化性連桿150（軸距）2mm鋁板價格便宜、材質輕便、成型后具有時效強化性錐管（4個）2mm鋁板價格便宜、材質輕便、成型后具有時效強化性自鎖機構圓球（4個）50mm成品橡膠球取材方便、具有高韌性、材質輕盈上述構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@樣一個爬桿機構是一個封閉的機構，那怎樣才能把機器

12、人安裝到所要爬的管壁上呢？由此，我們設計的自鎖套就多了一個連接裝置，我們在兩個形狀對稱的錐管對接處裝上鉸鏈，就像在ADAMS里給兩構件用一個鉸鏈連接，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面接口處插上一個聯結銷，完整的一個自鎖套就套在了圓桿上。聯結銷的形狀見圖4。對于此類機構，一定的摩擦力也是保證自鎖發(fā)生作用的關鍵。因此對各構件的材料也是有相當的要求。經過篩選，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能卡得比較牢靠，不會發(fā)生自轉等打滑現象，使整個機構下滑而影響上爬的

13、效果。在自鎖套需解鎖時，由于橡膠具有很高的韌性，它能立刻恢復原來的形狀，不會因無法恢復形變而使下一步上爬動作失效。.4運動和動力分析在我們設定了曲柄與連桿的長度后，每一步機構各構件的上升位移便也能自然而然地計算出來了。當曲柄逆時針由最底端轉至最頂端時，下滑塊上升2倍曲柄的長度位移，即120mm。同樣，曲柄逆時針由最頂端轉動到底端時，上滑塊也走過120mm（自鎖套在自鎖時的下滑距離不計）。下面我們就該機構運動一周的情況列表作一下分析（此時曲柄處于頂端）：曲柄旋轉角（逆時針）上自鎖套運動情況下自鎖套運動情況0°-90°向上運動120mm自鎖（固定）90°-180

14、76;自鎖（固定）向上運動120mm180°-270°向上運動120mm自鎖（固定）當然，這樣的機構絕非完美無缺的。首先，我們設計的自鎖套的形狀還無法適應此機構爬各種桿。若所要爬的桿直徑大小稍有變化，隨著它的變動自鎖套也必須相應地改變它外伸包攏桿部分的形狀大小。但是，我們設計的自鎖套可以根據不同需要換取不同大小、材質的小球。上自鎖套自鎖，下滑塊向上爬行。下自鎖套自鎖，上滑塊向上爬行。.5執(zhí)行系統(tǒng)運動簡圖自由度F的計算：n=3Pl=4Ph=0F=3n-(2Pl+Ph)=3×3-(2×4-0)=13.計算內容.解析法設計鉸鏈四桿機構：實現兩連架桿對應位置的鉸

15、鏈四桿機構設計：a×cos（0+）+b×cos=d+c×cos（0+）a×sin（0+）+b×cos=d+c×sin（0+）將上式移項后平方相加，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=d/c R3=d/c 則：R1+R2 cos（0+）-R3 cos（0+）=cos（0+）-（0+）將給定的五個對應位置代入：R1+R2 cos0-R3 cos0=cos0-0R1+R2 cos（0+

16、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，則只需三對對應位置。一般，先取d=1，然后根據R1、R2、R3、求出在d=1情況下各構件相對d的長度a、b、c，至于各構件的實際長度，可根據機構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點的曲線導軌將變成直線導軌，鉸鏈四桿機構

17、就演化成我們這爬桿機器人所運用的曲柄滑塊機構（如圖3）。對于曲柄滑塊的解析式來說，相較于它的“前身”鉸鏈四桿機構的要簡單許多：滑塊的行程B1B2為曲柄半徑r2的兩倍，兩端點B1和B2稱為滑塊的極限位置，它是以O2為中心而分別以長度r3-r2和r3+r2為半徑作圓弧求得的。我們這個爬桿機器人，由于它還運用了自鎖原理，故當曲柄轉到與桿成一直線時，運動的滑塊就將相應地換一次，若電機為逆時針轉動（即曲柄為逆時針，見圖4）：a）當AB時，下滑塊向上滑動位移是2r2，即等于曲柄長度的2倍，為120mm，（S1=2r2=2×60=120mm）b）當BA時，上滑塊向上滑動的位移也是2r2，即S2=2

18、r2=2×60=120mm。這樣：當電機轉過一周時上下兩滑塊相互配合地走過S=S1+S2=120+120=240mm。對于我們這里的具體的曲柄滑塊機構有:1. 求連桿2的轉角,角速度和角加速度.由第二式得: (b) 為曲柄與連桿的長度比,可由上式得出. 將(b)式對時間t求導得: (c)將(c)式對時間t求導得:2求滑塊3的位移, 速度, 加速度. 具體計算:(1) 當時已知條件: 桿 滑塊 同理當時可計算出連桿2的轉角,角速度和角加速度.滑塊3的位移, 速度, 加速度. 瞬心法1. 瞬心的概念 瞬心是瞬時等速重合點。瞬時，是指瞬心的位置隨時間而變；等速，是指在瞬心這一點，兩構件的絕

19、對速度相等（包括大小和方向）、相對速度為零；重合點，是指瞬心既在構件1上，也在構件2上，是兩構件的重合點2. 瞬心的種類 1. 絕對瞬心：構成瞬心的兩個構件之一固定不動，瞬心點的絕對速度為零 。2. 相對瞬心：構成瞬心的兩個構件均處于運動中，瞬心點的絕對速度相等、相對速度為零 。 由此可知，絕對瞬心是相對瞬心的一種特殊情況。3. 機構中瞬心的數目 設機構中有N個（包括機架）構件，每兩個進行組合，則該機構中總的瞬心數目為 K= N(N-1) / 2 3. 機構中通過運動副直接相聯的兩構件瞬心位置的確。 1.兩構件作平面運動時 : 如圖4-1所示,作VA2A1 和VB2B1 兩相對速度方向的垂線，

20、它們的交點（圖中的P21）即為瞬心。 2.兩構件組成移動副: 因相對移動速度方向都平行于移動副的導路方向(如圖a所示)，故瞬心P12在垂直于導路的無窮遠處。 4.兩構件組成轉動副： 兩構件 繞轉動中心相對轉 動，故該轉動副的中心便是 它們的瞬心 如圖（b）5兩構件組成純滾動的高副 其接觸點的相對速度為零，所 以接觸點就是瞬心。如圖（c）6三心定理 作平面運動的三個構件共有三個瞬心，它們位于同一直線上。設構件1為機架，因構件2和3均以轉動副與構件1相聯，故P12和P13位于轉動中心，如圖所示。為了使P23點的構件2和3的絕對速度的方向相同，P23不可能在M點，只能與P13和P12位于同一條直線上

21、對于這里的爬桿機器人中的曲柄滑（負號表示速度方向向左） 同理可求滑塊在位置5（）的速度. 圖解法 同一構件上兩點間的速度和加速度關系：構件AB作平面運動時，可以看作隨其上任一點（基點）A 的牽連運動和繞基點A 的相對轉動。 C的絕對速度可用矢量方程表示為 :式中， 牽連速度； 是C點相對于A點的相對速度 .其大小為: 方向如圖. C點的加速度可用矢量方程式表示為: 是牽連加速度, 是C點相對于A點的相對加速度 , 是法向加速度, 是切向加速度 。的方向如圖, 方向平行于AC且由C指向A。 對于這里的爬桿機器人中的曲柄滑塊機構的位置4（）畫出速度與加速度多邊形（見圖紙），取適當的比例尺。經測量得

22、當時，當時，.仿真法利用ADAMS進行運動分析軟件。我們使用該軟件對爬桿機器人進行造型，并在連接處添加了一定的轉動副和移動副，并固定了機架，在這個基礎上，我們使用軟件中的各種插件對我們的爬桿機器人進行了運動模擬和運動分析。下面就是我們所截取滑塊的位移，速度與加速度的曲線圖.應用前景該機器人運用了簡單的曲柄滑塊機構，原動力采用電機作為驅動，兩者在選材上都很方便，而且我們在設計時選用了材質較為輕盈的鋁材作為結構材料，減輕了該機器人的重量，使其更大效率的發(fā)揮電機的功率，提高了機器人的爬行速度。此外，該爬桿機器人的設計方便了操作人員安裝到圓桿上和調試，對于在調試過程中遇到的問題也可以根據當時的情況做出及時、相應的修改。而且，我們設計的機器人不僅能在直桿外爬行，更能適應不同彎曲度的圓桿對我們機器人的挑戰(zhàn)，正是由于曲柄滑塊機構的合理應用，我們的機器人才可以