爬桿機器人設(shè)計

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1、 爬桿機器人 班級：自動化08-1 姓名：李剛 學(xué)號：22081115 目錄 1.設(shè)計題目……………………………………………１ 1.1設(shè)計目的………………………………………………１ 1.2設(shè)計題目簡介…………………………………………１ 1.3設(shè)計條件及設(shè)計要求…………………………………１ 2.

2、運動方案設(shè)計…………………………………… ２ 2.1機械預(yù)期的功能要求…………………………………２ 2.2功能原理設(shè)計…………………………………………２ 2.3運動規(guī)律設(shè)計…………………………………………３ 2.3.1工藝動作分解……………………………………………３ 2.3.2運動方案選擇……………………………………………５ 2.3.3執(zhí)行機構(gòu)形式設(shè)計………………………………………６ 2.3.4運動和動力分析…………………………………………７ 2.3.5執(zhí)行系統(tǒng)運動簡圖………………………………………８ 3.計算內(nèi)容……………………………………………８ 4.應(yīng)用前景……………

3、………………………………10 5.個人小結(jié)……………………………………………11 6.參考資料……………………………………………12 附錄………………………………………………………13 １.設(shè)計題目 １.１設(shè)計目的 機械設(shè)計是根據(jù)使用要求對機械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸以及潤滑方式等進行構(gòu)思、分析和計算，并將其轉(zhuǎn)化為制造依據(jù)的工作過程。 機械設(shè)計是機械產(chǎn)品生產(chǎn)的第一步，是決定機械產(chǎn)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(guān)的實際問題，使所學(xué)知識進一步鞏固和加深，

4、我們參加了此次的機械原理課程設(shè)計。 １.２設(shè)計題目簡介 我們此次做的課程設(shè)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(gòu)。其中電機與曲柄固接，驅(qū)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(xiàn)上爬的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。當(dāng)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可靠的自鎖，阻止構(gòu)件向下運動，而使其運動的方向始終向上（運動示意見右圖）。 １.３設(shè)計條件及設(shè)計要求 首先確定機器人運動的機構(gòu)原理及所爬行管道的有關(guān)數(shù)據(jù)，制定多套運動方案。再查閱相關(guān)資料，通過精確的計算和運用相關(guān)應(yīng)用軟件（例如CAXA，S

5、olidworks，ADAMS等造型、分析軟件）進行運動模擬，對設(shè)計題目進行創(chuàng)新設(shè)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(shè)計說明書及相關(guān)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。 ２.運動方案設(shè)計 該機器人模仿的動作是沿桿向上爬行，整個機構(gòu)為曲柄滑塊機構(gòu)，而且我們目前所設(shè)計機器人爬行的桿是圓桿。 ２.１機械預(yù)期的功能要求 通過電機的驅(qū)動和減速，給予曲柄一個繞定軸旋轉(zhuǎn)的主動力，在該力的驅(qū)使下帶動連桿及相應(yīng)的自鎖裝置，由兩個自鎖套的先后自鎖和曲柄連桿機構(gòu)帶動機器人向上爬行。 ２.２功能原理設(shè)計 通常情況下，一部的機器需要通過電機帶動一系列復(fù)雜的機構(gòu)

6、使其正常運轉(zhuǎn)，這其中涉及到很多簡單且基本的機械機構(gòu)。當(dāng)然，也可以直接通過電機帶動整部機器的運轉(zhuǎn)，這完全取決于機器所需完成的工作以及設(shè)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(shè)計方案，分別是：由曲柄滑塊機構(gòu)帶動和由氣壓元件直接驅(qū)動。 首先，讓我們來看一下曲柄滑塊機構(gòu)是如何工作的。 在平面連桿機構(gòu)中，能繞定軸或定點作整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件被稱為曲柄。而通過改變平面四桿機構(gòu)中構(gòu)件的形狀和運動尺寸能將其演化為不同的機構(gòu)形式，就曲柄滑塊機構(gòu)而言，它是通過增加鉸鏈四桿機構(gòu)中搖桿的長度至無窮大而演變過來的。改機構(gòu)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

7、一端聯(lián)結(jié)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(nèi)做直線往復(fù)運動（圖１）。 其次是氣動的原理。 該運動原理與上述的曲柄滑塊機構(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)兩滑塊的傳動裝置，轉(zhuǎn)而用兩個汽缸直接帶動兩個滑塊的上下移動。這樣的設(shè)計更直接也更簡潔，至于兩者到底哪個更合理呢？ ２.３運動規(guī)律設(shè)計 ２.３.１工藝動作分解 首先，我們基于曲柄滑塊機構(gòu)的啟示，想到了在曲柄與連桿的兩端分別鉸接上兩個滑塊（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(xiàn)爬桿動作。其中上滑塊與曲柄相連，相應(yīng)的連桿接下滑塊。當(dāng)機構(gòu)具有向下運動的趨勢時，下自鎖

8、套因受到自鎖機構(gòu)的限制而固定不動，把其受到的向下的力轉(zhuǎn)化為向上的動力，推動機構(gòu)反而向上運動。 于是，我們就把電機與曲柄固接作為驅(qū)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(shè)計裝配圖如圖２： 那上下自鎖套又是怎樣自鎖的呢？ 我們做成了如圖３所示的形狀（主視、俯視）： 我們設(shè)計了兩個如圖３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邊銷住，這樣方便裝配和安裝到圓桿上，也方便我們在調(diào)試過程中不斷調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體尺寸。 可這僅僅只是一個滑塊，那要怎樣才能實現(xiàn)它所要起到的自鎖作用呢？其實很簡單，想想為什么當(dāng)初要把一個原本簡簡單單的矩形滑

9、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l梯頂，那么小

10、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(zhuǎn)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(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） 在氣動方面，由于沒有聯(lián)結(jié)用的傳動機構(gòu)，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別自鎖，達到機器人爬桿的最終目的。（見右上圖） ２.３.２運動方案選擇 上面所設(shè)計的爬桿過程都是在理想的情況下，很多實際

11、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(shù)），在曲柄過上下兩滑塊極限位置時，自鎖套內(nèi)由于小球在內(nèi)部運動的關(guān)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(zhì)量，還有電機的功率、轉(zhuǎn)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。 現(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。 就采用汽缸驅(qū)動而言，它形式簡單、結(jié)構(gòu)簡便，從機械設(shè)計角度而言講究盡量采用基本機構(gòu)，設(shè)計的機構(gòu)要簡單、可靠。而汽缸則融會了上述的優(yōu)點，它由驅(qū)動機構(gòu)直接帶動兩個自鎖滑塊，避免了兩者間的連接機構(gòu)，精簡了構(gòu)件之間的連接。此外，該機構(gòu)具有環(huán)保等特點，它利用空氣作為動力源，無污

12、染、運動時無噪音，而且運行速度快，可以在短時間內(nèi)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(jié)構(gòu)而言，它屬于平面連桿機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)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(shè)計的機構(gòu)是由電機經(jīng)減速直接驅(qū)動的，和利用氣動原理相比它多了一套傳動和連接機構(gòu)，但該機構(gòu)運用的原理簡單，設(shè)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(jīng)討論決定：選取“曲柄滑塊機構(gòu)”作為該爬桿機器人的最終運動方案。 ２.３.３執(zhí)行機構(gòu)形式設(shè)計 針對上述的種種實際情況，我們小組在設(shè)計此爬桿機

13、器人的時候就全面考慮了各方面的因素，從而確定各構(gòu)件的尺寸與制造構(gòu)件的材料。祥見下表 機構(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 價格便宜、材質(zhì)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(zhì)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(zhì)輕便、成型后具有時效強化性 自鎖機構(gòu) 圓球（4個） Φ50mm 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。 可是這樣一個爬桿機構(gòu)是一個封閉的機構(gòu)

14、，那怎樣才能把機器人安裝到所要爬的管壁上呢？由此，我們設(shè)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(gòu)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(lián)結(jié)銷，完整的一個自鎖套就套在了圓桿上。聯(lián)結(jié)銷的形狀見圖4。 對于此類機構(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能卡得比較牢靠，不會發(fā)生自轉(zhuǎn)等打滑現(xiàn)象，使整

15、個機構(gòu)下滑而影響上爬的效果。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(fù)原來的形狀，不會因無法恢復(fù)形變而使下一步上爬動作失效。 ２.３.4運動和動力分析 在我們設(shè)定了曲柄與連桿的長度后，每一步機構(gòu)各構(gòu)件的上升位移便也能自然而然地計算出來了。 當(dāng)曲柄逆時針由最底端轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)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

16、 自鎖（固定） 90-180 自鎖（固定） 向上運動120mm 180-270 向上運動120mm 自鎖（固定） 當(dāng)然，這樣的機構(gòu)絕非完美無缺的。首先，我們設(shè)計的自鎖套的形狀還無法適應(yīng)此機構(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，我們設(shè)計的自鎖套可以根據(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用，特別是ADAMS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(zhuǎn)動副和移動副，并固定了機架，在這個基礎(chǔ)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

17、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，上滑塊向上爬行。 ２.３.5執(zhí)行系統(tǒng)運動簡圖 自由度F的計算： n=3　Pl=4　Ph=0 F=3n-(2Pl+Ph)=33-(24-0)=1 3.計算內(nèi)容 解析法設(shè)計鉸鏈四桿機構(gòu)： 實現(xiàn)兩連架桿對應(yīng)位置的鉸鏈四桿機構(gòu)設(shè)計： acos（φ0+φ）+bcosδ=d+ccos（Ψ0+Ψ） asin（φ0+φ）+bcosδ=d+csin（Ψ0+Ψ） 將上式移項后平方相加，消去

18、δ得： -b2+d2+c2+a2+2cdcos（Ψ0+Ψ）-2adcos（φ0+φ）=2accos[（φ0+φ）-（Ψ0+Ψ）] 令R1=（a2-b2+c2+d2）/2ac R2=d/c R3=d/c 則： R1+R2 cos（Ψ0+Ψ）-R3 cos（φ0+φ）=cos[（φ0+φ）-（Ψ0+Ψ）] 將給定的五個對應(yīng)位置代入： R1+R2 cosΨ0-R3 cosφ0=cos[φ0-Ψ0] R1+R2 cos（Ψ0+Ψ1）-R3 cos（φ0+φ1）=cos[（φ0+φ1）-（Ψ0+Ψ1）] R1+R2 cos（Ψ0+Ψ2）-R3 cos（φ0+φ2）=cos[（φ0+φ

19、2）-（Ψ0+Ψ2）] R1+R2 cos（Ψ0+Ψ3）-R3 cos（φ0+φ3）=cos[（φ0+φ3）-（Ψ0+Ψ3）] R1+R2 cos（Ψ0+Ψ4）-R3 cos（φ0+φ4）=cos[（φ0+φ4）-（Ψ0+Ψ4）] 求出R1、R2、R3、Ψ0、φ0 若已知Ψ0、φ0，則只需三對對應(yīng)位置。 一般，先取d=1，然后根據(jù)R1、R2、R3、求出在d=1情況下各構(gòu)件相對d的長度a、b、c，至于各構(gòu)件的實際長度，可根據(jù)機構(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點的曲線導(dǎo)軌將變成直線導(dǎo)軌，鉸鏈四桿機構(gòu)就演化成我們這爬桿機器人所運用的曲柄滑塊機構(gòu)（

20、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(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。 我們這個爬桿機器人，由于它還運用了自鎖原理，故當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)到與桿成一直線時，運動的滑塊就將相應(yīng)地?fù)Q一次，若電機為逆時針轉(zhuǎn)動（即曲柄為逆時針，見圖4）： a）當(dāng)A→B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=260=120mm） b）當(dāng)B→A時，上滑塊向上滑動的位移也是2r2，即S2=2r2=260=120mm。

21、這樣：當(dāng)電機轉(zhuǎn)過一周時上下兩滑塊相互配合地走過S=S1+S2=120+120=240mm。 ４.應(yīng)用前景 該機器人運用了簡單的曲柄滑塊機構(gòu)，原動力采用電機作為驅(qū)動，兩者在選材上都很方便，而且我們在設(shè)計時選用了材質(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(shè)計方便了操作人員安裝到圓桿上和調(diào)試，對于在調(diào)試過程中遇到的問題也可以根據(jù)當(dāng)時的情況做出及時、相應(yīng)的修改。而且，我們設(shè)計的機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我們機器人的挑戰(zhàn)，正是由于曲柄滑塊機構(gòu)的合理應(yīng)用，我們的機器人才可以在提高機械運動

22、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。 ５.個人小結(jié) 通過這學(xué)期的學(xué)習(xí)我認(rèn)識到： 機器人教學(xué)綜合性較強，它將有關(guān)機械、電子、計算機等技術(shù)與各學(xué)科有機地融合在一起。我們通過動手實踐獲取知識，針對項目課題進行研究、策劃、設(shè)計、組裝和測試。以小組為單位，使用積木、傳感器、馬達及齒輪等組件設(shè)計自己的機器人，并為機器人編寫程序，讓它完成自己想讓它做的事情，將課堂上的理論知識有效地運用到實踐中。學(xué)生進一步學(xué)會用理論聯(lián)系實際，不斷地去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從單純的理論學(xué)習(xí)升華到了具體的實踐操作，從而培養(yǎng)了我們的綜合實踐能力。 機器人教學(xué)不僅提高了我們的動手能力，還培養(yǎng)了我

23、們的創(chuàng)新能力。在教學(xué)中，老師可提出一些新的課題，組織學(xué)生一起探討、研究，活動的主題顯得新穎、有趣。尤為重要的是其問題解決方案是開放性的，學(xué)生可以分組學(xué)習(xí)、研究，得到不同的解決方案，用不同的方法達到同一個目標(biāo)。因而智能機器人活動能激發(fā)學(xué)生充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，有利于培養(yǎng)我們的開放性思維。我們通過主動探索、動手實踐，親身體驗抽象的理論如何變成了觸手可及的答案，享受成功的興奮。 通過學(xué)習(xí)，我深感到自己肩上責(zé)任重大，科技教育對于祖國未來發(fā)展的重要性促使我國不得不加快科技教育的步伐，而且科技教育也是實施素質(zhì)教育使我們得到全面發(fā)展的最好教學(xué)手段。以后我們會結(jié)合自身的條件，更加努力學(xué)習(xí)，掌握過硬的專業(yè)技術(shù)，盡最大努力為國家添磚加瓦！ ６.參考資料 ［1］羅洪量主編，《機械原理課程設(shè)計指導(dǎo)書》（第二版），北京：高等教育出版社，1986年。 ［2］JJ.杰克（美）主編，《機械與機構(gòu)的設(shè)計原理》（第一版），北京：機械工業(yè)出版社，1985年。 ［3］王玉新主編，《機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法學(xué)》（第一版），天津：天津大學(xué)出版社，1996年。 ［4］孫恒、陳作模主編，《機械原理》（第六版），北京：高等教育出版社，2001。