爬桿作業(yè)機器人設計

爬桿作業(yè)機器人設計42摘要在市政工程中，有大量的安裝及維修等工作需要爬桿作業(yè)。對于較粗的桿件，人工攀爬和工程車作業(yè)都比較方便，但是對于一些直徑較細，強度較小的桿件比如路燈桿等，人工攀爬較為困難。因此本文設計了一爬桿機器人，可以在沒有障礙的光桿上爬行，對人工攀爬較難的作業(yè)具有較大的現(xiàn)實意義。本文設計的爬桿機器人由曲柄滑塊機構、并聯(lián)盤形凸輪機構、移動凸輪機構以及上下機械手爪等組成，通過彈簧的預緊力來實現(xiàn)機器人手爪對桿的抱緊，通過曲柄滑塊機構、凸輪機構等實現(xiàn)攀爬動作，同時機器人只需一個驅動源就能帶動整個機器人的運動，能攀爬變直徑的桿，工作簡單可靠，運動靈活，可以廣泛應用于各種高空作業(yè)。 關鍵字：爬桿機器人，變直徑桿，夾緊，攀爬 ABSTRACTIn the municipal engineering, there are a large number of installation and repair work needed to climb rod operation, For the coarse bar, artificial climbing and vehicle operation is convenient, artificial climbing is difficultfor for some small diameter low strength member such as a road lamp pole,so this paper designs a pole climbing robot,which can crawl on no obstacle bar,it has great practical significance for artificial climbingThe pole climbing robot consist of songCrank slider mechanism, parallel plate cam mechanism.moving cam mechanism, the robot tight the wallHold by the spring pretightening force.so as to realize Climbing action. at the same time the robot can drive by a robot motion and at the same time all devices were designed perfectl. In this text.its mechanism electric control principle and various features .it can be widely applied to various kinds of high-altitude operation.Key words：pole-climbing robot， variable-diameter pole sepal， pole-climbing目 錄1緒論11.1研究目的11.2國內外研究現(xiàn)狀11.3研究內容31.4設計要求42爬桿作業(yè)機器人總體方案設計52.1機械方案設計52.2電氣控制系統(tǒng)設計72.3小結83機械系統(tǒng)設計93.1減速機構設計93.2曲柄滑塊機構設計173.3凸輪機構的設計233.4機械手爪設計243.5電動機選擇264電氣控制284.1系統(tǒng)論述284.2直流電機單元電路設計與分析294.3直流電機PWM控制系統(tǒng)的實現(xiàn)365結論與展望43參考文獻44致謝451緒論1.1研究目的目前全國日益加快的現(xiàn)代化建設步伐隨著我國經(jīng)濟的快速增長、人民生活水平日益不斷提高，城鎮(zhèn)中隨之矗立起無數(shù)的高層建筑，各類集實用性 與美觀性一體的市政、商業(yè)工程諸如電燈桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索、廣告牌立柱等，它們的直徑通常在530米，有的甚至高達百米，壁面多采用油漆、電鍍、玻璃銅結構等，由于常年裸露在大氣之中，風沙長年累月的積累會因此而形成灰塵層，酸類物質污染從而影響城市的美觀，同時空氣中混合的酸性物質也會對這些城市建筑特別是金屬桿件造成損壞，加快它們的生銹過程，并縮短它們的使用壽命，因此需要定期進行壁面維護工作 。在市政工作中，主要是通過人工工作的因此，存在著很多問題，特別市政工作中的清洗工作許多都要人工清洗，在一些高空建筑上的清洗如果人工清洗就會造成很大的危險性，而在一些具有化學試劑或者有毒物質的工作環(huán)境中，就會對人產(chǎn)生很大的危險性，這無形中增大了市政工作的成本，而且有可能對壞境造成二次污染，對周邊環(huán)境造成影響，而如果使用高壓水槍，其成本更加高，而其使用范圍也不寬，只局限于一些高空無遮擋的物體，同時水槍必須安置在空曠的位置否則會影響周邊的日常生活。另外，對于較粗的桿件，人工攀爬和工程車作業(yè)都比較方便，但是對于一些直徑較細，強度較小的桿件比如路燈桿等，人工攀爬較為困難。應用帶升降機的工程車進行作業(yè)，作業(yè)成本較高，而且對于狹窄的胡同，工程車難以進入，造成作業(yè)困難，因此本課題擬設計一爬桿機器人，可以在沒有障礙的光桿上爬行。對人工攀爬較難的作業(yè)具有較大的實際意義。1.2國內外研究現(xiàn)狀從功能上講，爬桿機器人無非包含基本的行走功能和輔助的作業(yè)功能 (例：噴涂、檢測、纏繞和修復等)，縱觀這些國內外管道外機器人的行走工作原理，不外乎以下幾種：基于自鎖或靜摩擦原理的氣動蠕動式機構；基于滾動摩擦原理的螺旋爬升機構；基于克服動摩擦直線行走的機構；基于移動副和轉動副的關節(jié)式爬行機構；基于并聯(lián)機構的并聯(lián)式爬行機構。下面將介紹幾種典型的爬桿機器人 。圖1-1螺旋式爬桿機器人圖1-2自動噴涂爬桿機器人(1)螺旋式爬桿機器人如圖1-1所示機器人抱緊在管壁上，通過驅動導輪實現(xiàn)在管壁上的運動，其抱緊力即預緊力是通過用專用螺母扳手調節(jié)螺母，從而實現(xiàn)調節(jié)抱緊彈簧的壓力，使機器人獲得足夠的抱緊力，如果機器人的工作壞境發(fā)生了變化，可以根據(jù)不同的管徑，選擇支撐架上不同的連接孔，從而可以得到要求的抱緊力 。該機器人的載荷量比較大，運行也較為平穩(wěn)，同時可以適合不同的管徑，但他的不足之處就在于，只能夠運行在連續(xù)性的管道上，而對于非連續(xù)性的管道，該機器人就無法工作。(2)自動噴涂爬桿機器人工作時，先必須調節(jié)機器人的下體位置，把機器人全部放在要進行工作的管道上，當完成了機器人的連接固定后啟動機器人行走機構，機器人在管道上開始行走，同時配合噴槍的往復運動，實現(xiàn)對管道的自動化噴涂 。該機器人的特點：結構較為簡單，而且可靠性較高，能夠代替人工操作，這樣可以實現(xiàn)對管道的自動化噴涂，但由于其結構的局限性，并適合變直徑的管道。1.3研究內容經(jīng)過仔細研究分析后認為，人在爬桿或爬樹的過程中，人的運動具有很好的參考價值，如圖1-3所示，人在爬升的過程中，一般是先兩腳夾緊，然后身體上移，再收腿，整體上移，往復動作，從而爬升的過程 。圖1-3人爬樹的姿勢本文設計的爬桿機器人就是仿照人爬樹的原理，其結構組成包括夾持機構，由上下機械手爪組成，實現(xiàn)對桿的抱緊，通過上、下機械手爪的交替夾緊來實現(xiàn)爬桿機器人的支點定位和蠕動；移動機構，由連桿機構，凸輪機構，實現(xiàn)攀爬動作；驅動機構，整個機器人采用一個電機驅動，既減輕了重量，又滿足了運動要求。結構示意圖如圖1-4所示。圖1-4 爬桿機器人結構示意圖1.4設計要求該機器人攀爬直徑為100140mm變直徑桿，載重5kg，機器人在全負載情況下應該能夠保持 100mm/s 的運行速度，且直立爬行機器人的傳動系統(tǒng)應該具有自鎖機構以克服重力的影響。2爬桿作業(yè)機器人總體方案設計2.1機械方案設計本文設計的爬桿機器人攀爬的是100140mm的變直徑桿，本文設計的機器人仿照人爬樹的原理，其結構組成包括夾持機構，由上下機械手爪組成，實現(xiàn)對桿的抱緊，通過上、下機械手爪的交替夾緊來實現(xiàn)爬桿機器人的支點定位和蠕動；移動機構，由連桿機構，凸輪機構，實現(xiàn)攀爬動作；驅動機構，整個機器人采用一個電機驅動，既減輕了重量，又滿足了運動要求。結構示意圖如圖2-1所示。整個機體長約250mm，寬約150mm，高約400mm，總重不超過5kg（包括電機重3kg），爬行部分主體結構為2根長為400mm的鋁合金鋼管（可以用硬塑料管或者其他輕型材料代替），作為機架和機器人上部滑動的導軌，同時作為旋轉部分的軸，結構緊湊、零件的功能得到了擴展。在導軌和固定支架，分別設置有上、下機械手連接臂，兩對機械臂以導軌為轉動軸，其上裝有上、下機械手爪。在上、下機械臂的另一端分別設置有彈簧，彈簧的作用是使機械手產(chǎn)生足夠的摩擦力抱緊立柱。在導軌的下部安裝電動機，在減速機構的輸出軸上安裝有并聯(lián)盤形凸輪和曲柄，曲柄通過連桿與移動凸輪相連，通過曲柄連桿機構帶動機器人上部和移動凸輪機構運動，來實現(xiàn)機構的上升和相對運動。凸輪聯(lián)動機構由兩套凸輪擺桿機構構成，其中一套由上機械臂和移動凸輪構成另一套由下機械臂和并聯(lián)盤形凸輪構成，它們分別裝在導軌的上、下部。通過曲柄、連桿將并聯(lián)盤形凸輪、移動凸輪連接起來，使整個機構形成一個整體，上部的擺桿機構在曲柄連桿機構的作用下可以沿導桿上下移動。在電機的驅動下，上、下部機械臂擺動并帶動機械手依次實現(xiàn)夾緊和放松的聯(lián)動。圖2-1機構圖以及機器人簡圖機器人的運動原理可分為以下幾個部分：1) 在初始狀態(tài)1時，機器人下機械手夾緊，同時上機械手松開；2) 電機回轉，驅帶動曲柄及和曲柄固接在一起的下并聯(lián)盤形凸輪順時鐘轉動，并推動下機械臂擺動，當下并聯(lián)盤形凸輪轉過升程角時，下機械手松開；與此同時上移動凸輪向下走過空行程，在此過程上機械手抓緊，即狀態(tài)2.；3) 電機繼續(xù)回轉，此時機器人上機械手夾緊，下機械手開始松開，機器人下部被運動到極限位置，即狀態(tài)3.；4) 電機繼續(xù)回轉，當下并聯(lián)盤形凸輪轉過回程角時，下機械手夾緊；與此同時上移動凸輪向上走過空行程，在此過程上機械手開始松開，即狀態(tài)4.；5) 電機繼續(xù)回轉，因為下機械手夾緊，上機械手松開，所以機器人上部在電機的提升推力下向上移動，當曲柄和連桿拉直共線時，機器人上部提升到極限位置，即狀態(tài)5；從圖中可以看出機器人每運行一周上升一次。圖2-2機器人運動周期圖2.2電氣控制系統(tǒng)設計考慮到機器人的驅動部分只有一個電機，而機器人的在運動過程中只有加速，減速，停止，啟動幾個狀態(tài)，因此只需對電動機進行控制即可。控制部分擬采用直流電機PWM控制方案，在設計中采用AT89C51單片機作為整個控制系統(tǒng)的核心，單片機在程序控制下不斷給光電隔離電路發(fā)送PWM波形在設計中，采用PWM調速方式，通過改變PWM的占空比來改變電動機的電樞電壓，進而實現(xiàn)對電動機的調速 。直流電機PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：直流電機的加速、減速和電機的正轉和反轉，并且同時可以調整電機的轉速，還可以方便的讀出電機轉速的大小，能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制。同時，還包括直流電機的直接清零、啟動（置數(shù)）、暫停、連續(xù)功能。該直流電機系統(tǒng)由以下電路模塊組成：振蕩器和時鐘電路：這部分電路主要由80C51單片機和一些電容、晶振組成。設計輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現(xiàn)。設計控制部分：主要由80C51單片機的外部中斷擴展電路組成。設計顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成; LED數(shù)碼顯示部分由七段數(shù)碼顯示管組成。直流電機PWM控制實現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅動模塊組成。圖2-3機器人電氣控制圖2.3小結該機器人在電機的驅動下能夠實現(xiàn)上升和下降以及停止，同時也能夠在運轉過程中實現(xiàn)機器人的加速和減速的控制，機器人的整體結構主要通過曲柄滑塊機構來實現(xiàn)聯(lián)動，上下機械手通過曲柄滑塊機構的聯(lián)動來控制上下機械手的加緊和松開，同時直流電機通過單片機的控制轉速，單片機與電機通過電機的驅動芯片連接，單片機控制驅動芯片輸出的電樞電壓來控制電機的轉速。3機械系統(tǒng)設計3.1減速機構設計 根據(jù)已有條件確定傳動方案為圓錐圓柱齒輪減速，原有條件為為保證機器人的移動速度100mm/s，減速箱輸出轉速為50r/min，電機的額定轉速為710r/min，因此減速箱的總傳動比為15，其運動簡圖如下圖所示：圖3-1運動簡圖由圖可知，原動件為電動機，傳動裝置為減速器，減速器為展開式圓錐圓柱齒輪的二級傳動3.1.1傳動裝置的運動和動力參數(shù)計算(1)電機的類型和結構根據(jù)選好的電動機可知：該電機使用電壓為12v直流電，其具體尺寸如第一部分所示(2)確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比總傳動比為15，按直齒輪圓柱齒輪傳動比=0.25=3，則=5(3)計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)a各根軸的轉速=710r/min；=236.7r/min；=47.3r/min；b各軸的輸入輸出轉矩：=0.336N.m傳動效率為1=0.331N.m傳動效率為0.985=0.954N.m傳動效率為0.96=0.94N.m傳動效率為0.985=4.56N.m傳動效率為0.97=4.492N.m傳動效率為0.9853.1.2傳動零件的設計計算<1>圓錐齒輪傳動的設計計算A由已知可知小齒輪的轉速為710r/min，大齒輪的的轉速為236.67r/min，傳動比為3，選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)(1)按傳動方案，選用直齒圓錐齒輪傳動，齒形角 ，齒頂高系數(shù) =1，頂隙系數(shù) =0.2，螺旋角 =0，不變位。(2)本機器人為一般工作機器，速度不高，故選用8級精度。(3)材料選擇，考慮到齒輪的重量齒輪輪芯材料選用聚苯醚（又稱PPO），該材料具有較高機械性能，尺寸穩(wěn)定性好，高溫下耐蠕變性是所有工程材料中最優(yōu)異的，此外，聚苯醚還具有耐磨，無毒，耐污染等優(yōu)點。輪緣采用45鋼，小齒輪材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，二者材料硬度差為40HBS(4)選小齒輪齒數(shù) =17，大錐齒輪齒數(shù) =51B按齒面接觸強度設計：公式： （3-1）確定公式內的各計算值(1)試選載荷系數(shù) =1.3。(2)計算小齒輪傳遞的轉矩。=336N.mm(3)由表10-7選取齒寬系數(shù) =1。(4)由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù) =189.8 。(5)由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 =600MPa；大齒輪的接觸疲勞強度極限 =550MPa。(6)由式10-13計算應力循環(huán)次數(shù)。=60=4.147(7)由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù) =0.91； 0.95。(8)計算接觸疲勞許用應力。取失效概率為1%，安全系數(shù)S1，由機械設計書（10-12）得： （3-2） （3-3）(9)試選 1.2，查得1.0， 1， 1.5*1.251.875所以， =2.25(10)(11)計算小齒輪的分度圓，代入 中的較小值得：mm(12)計算圓周速度V0.567m/s （3-4）(13)計算載荷系數(shù)根據(jù) =0.567m/s，8級精度，可查得動載荷系數(shù) =1.01，所以 =1.894(14)按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑：14.4mm （3-5）(15)模數(shù) （3-6）C.按齒根彎曲疲勞強度設計：公式： （3-7）(1)確定公式內的各計算值查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 =500MPa，大齒輪彎曲疲勞強度 =380MPa。(2)查得彎曲疲勞壽命系數(shù)， (3)計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，則， （3-8） （3-9）(4)載荷系數(shù)K=2.31(5)節(jié)圓錐角 （3-10）(6)當量齒數(shù) （3-11）161.28 （3-12）(7)查取齒形系數(shù)： ， ；(8)查取應力校正系數(shù) ， (9)計算大小齒輪的，并加以比較。=0.0145 （3-13）=0.016 （3-14）大齒輪的數(shù)值大。(10)設計計算1.50綜合分析考慮，取m=1.5mm, =25.5mm,(11)幾何尺寸計算計算大端分度圓直徑=25.5mm, 計算節(jié)錐頂距R=40.3mm （3-15）大端齒頂圓直徑28.35mm （3-16）77.45mm （3-17）齒寬：b= 13.4mm取<2>.圓柱齒輪傳動參數(shù)設計已知小齒輪的轉速為236.7r/min，大齒輪的轉速47.3r/min,傳動比i=5,A.選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)(1).材料選擇，小齒輪材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，大齒輪輪緣材料為45鋼（調質），輪芯材料選用聚苯醚，輪緣硬度為240HBS，二者材料硬度相差40HBS。(2).選擇小齒輪齒數(shù) =17，則 =5*17=85B.按齒面接觸疲勞強度設計公式： (3-18)確定公式內的各計算值：(1)試選載荷系數(shù)(2)計算小齒輪傳遞的轉矩(3)選取齒寬系數(shù) (4)查得材料彈性影響系數(shù) 。(5)按齒面的硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 ，大齒輪的接觸疲勞極限 。(6)計算應力循環(huán)次數(shù)小齒輪： (3-19)大齒輪： (3-20)(7)查得接觸批量壽命系數(shù)(8)計算接觸疲勞許用應力 (3-21) (3-22)C計算(1)試算小齒輪的分度圓直徑，代入中的較小值得=mm=13.9mm(2)計算圓周速度v=0.17m/s (3-23)(3)計算齒寬b=13.9mm(4)計算齒寬與齒高比b/h模數(shù)： (3-24)齒高：=1.8mm7.72 (3-25)(5)計算載荷系數(shù)根據(jù)v=0.17m/s，8級精度，可查得動載荷系數(shù)， =1.01,查得 查得使用系數(shù) =1.442由 b/h=7.72, 查得所以。 =1.8648(6) 按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑：=14.95mm (3-26)(7) 計算模數(shù)=0.8D按齒根彎曲疲勞強度設計公式：m (3-27)確定公式內的各計算值(1)查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 ，大齒輪的彎曲疲勞強度： (2)查得彎曲疲勞壽命系數(shù) (3)計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，則， (3-28) (3-29)(4)計算載荷系數(shù) K =1.865(5)查取齒形系數(shù) (6)查取應力校正系數(shù) (7)計算大、小齒輪的,并加以比較。 ，大齒輪的數(shù)值大。(8)設計計算=1.48綜合分析考慮，取m=0.8mm, =19，得=15.2mm, =95E幾何尺寸計算(1)分度圓直徑=15.2mm=76mm(2)中心距a=45.6mm(3)齒寬=15.2mm，取=16mm， =20mmF驗算 =125.5N=8.4N/s<100N/s (3-30)假設成立，計算有效。3.1.3數(shù)據(jù)整理<1>.圓錐齒輪齒輪類型：直齒圓錐齒輪（ ,齒形角 ，頂高系數(shù)，頂隙系數(shù) ，螺旋角 ，不變位 ）。精度8級，小齒輪材40Cr（調質），大齒輪輪緣材料為45鋼（調質），硬度分別為280HBS和240HBS。大端分度圓直徑：小齒輪 ，大齒輪 節(jié)圓錐頂距：R=40.3mm節(jié)圓錐角： ， 大端齒頂圓直徑： ， 齒寬： 14mm齒數(shù)： ， 51模數(shù)m=1.5mm<2>.圓柱齒輪齒輪類型：直齒圓柱齒輪精度8級，小齒輪材40Cr（調質），大齒輪輪緣材料為45鋼（調質），硬度分別為280HBS和240HBS。分度圓直徑： 15.2mm， =76mm中心距：a=45.6mm 齒寬： 20mm， 16mm 齒數(shù)： 19， 95模數(shù)：m=0.8mm3.2曲柄滑塊機構設計電機帶動曲柄轉動，曲柄連桿機構又把運動傳遞到上機械臂，同時下機械臂也要做相應的動作來配合上機械臂的運動。因此曲柄連桿機構作為連接機器人上下機械臂的關鍵，它所做的運動僅僅是只是曲柄回轉、連桿的擺動，在傳統(tǒng)的曲柄滑塊機構設計中，一般取r+e>0.75 ，r+e> 時為搖桿滑塊機構。當r小大的機構傳力特性比較好。其中 曲柄長度連桿長度偏心距本例中無偏心距， =0.，又機器人的機構之間不能有干涉作用，滑塊在運動過程中不能觸及電動機的頂端，由電機的尺寸圖可知，它的前提是：75+85=160mm （3-31）在設計時考慮的一個重要因素就是結構的緊湊性。在這里預選曲柄長為 =60mm、連桿長 =220mm，加上滑塊的尺寸補償，這樣可以，滿足上式的要求圖3-2機器人運轉周期圖假設曲柄的轉速為r/min則轉一圈的時間為： （3-32）當曲柄轉一圈時機器人上升2r即為120mm。則機器人的移動速度：v=2 mm/s又由要求可知機器人在全負載情況下能夠保持100mm/s的運行速度所以 應該保持在50r/min左右。3.2.1曲柄滑塊機構對機器人的力學和運動模型進行分析(1).為滿足機械在高速度，高能量和高應力狀態(tài)下工作要求，因此需求結構的速度，以及力學性能分析，而曲柄滑塊機構的主要受往復機械慣性力影響，曲柄滑塊機構的慣性力包括三部分：曲柄旋轉運動產(chǎn)生的離心慣性力；滑塊往復運動產(chǎn)生的往復慣性力以及連桿平面運動產(chǎn)生的慣性力。因此本設計中采用雙導桿結構(2).對機構模型運動的振動和平穩(wěn)進行評估（機構各部分的速度分析）圖3-3機構模型圖如上圖所示，取O點為坐標原點，P在X軸上的坐標為x，用x表示滑塊的位移，利用三角關系有一下式子： （3-33）從而有以下式子： （3-34）代入數(shù)據(jù)： （3-35）圖3-4位移與轉角的關系圖使用matlab軟件可得到該函數(shù)的模擬圖象又： ，故滑塊的速度為 （3-36）進而可以得到滑塊的加速度： （3-37）同時又由正玄定理：； （3-38）又擺角的表達式可表示為： （3-39）對式6兩次求導： （3-40） （3-41） （3-42）利用已知可以得出關于的關系式： （3-43） （3-44）圖3-5位移與擺角的關系圖至此，我們得到了滑塊位移x有關 的表達式和連桿擺角 運動規(guī)律中有關變量的表達式。雖然我們得到了有關變量的解析式，但對于問題的解并沒有達到要求，因3-43和3-45比較復雜，不易求解，于是可使用近似方法求解。將位移的表達式4-3改寫為： （3-45）一般而言， ，于是利用麥克勞林公式：-1<<1 （3-46）可將滑塊位移的模型3-33近似為： （3-47）從而滑塊的速度和加速度可近似為如下： （3-48） （3-49）擺角可以利用麥克勞林公式：，-1< <1 （3-50）得到擺角的近似模型： （3-51）得到近似角速度： （3-52）近似角加速度： （3-53）圖3-6滑塊速度與搖桿的角加速度關系圖從圖中可以看出，在一個周期內，滑塊的移動速度和連桿擺角的角速度曲線和加速度曲線都比較平滑、無拐點，沒有出現(xiàn)不連續(xù)的點，整個機構模擬運動平穩(wěn)，無抖動3.2.2滑塊連桿連接鉸點的受力分析電機在旋轉過程中，連桿對上連接件的力可分解為水平分力和垂直分力，垂直分力就是電機的提升力，水平分力對整個機構來說是有害的。電機旋轉過程中，搖桿在鉛垂方向的力即電機的提升力為： （3-54）在上式中，曲柄轉角為自變量，擺角的相似模型 sin，由此可以看出，除了 是自變量以外，曲柄，連桿的長度也是影響電機提升力的因素，連桿的長度是由機器人的整體結構所決定，在一定范圍內是可以修改曲柄的長度來改變搖桿的提升力，曲柄越小，電機提升力越大。在此設計中必須滿足凸輪的壓力角 = ，選擇凸輪起點為提升力零點，所以這里機器人下并聯(lián)盤形凸輪的升程角和回程角就很好的避開了提升力的零點問題。在電機旋轉過程中，其水平分力公式為： （3-55）從上圖中可以看出，在電機的旋轉過程中，連桿對上連接件的水平分力對機器人是有害的，進過模擬后擬在上連接件上采用了雙導向柱，這樣就可以通過過定位的方式來消除這個有害的水平分離力。3.3凸輪機構的設計3.3.1下機械手并聯(lián)盤形凸輪機構設計根據(jù)工作要求選定凸輪機構形式；凸輪機構是含有凸輪的一種高副機構，也是一種常用機構。凸輪式一個具有曲面輪廓的構件，一般多為原動件（有時為機架）；當凸輪為原動件時，通常做等速連續(xù)轉動或移動，而從動件則按預期輸出特性要求作連續(xù)或間歇的往復擺動、移動或平面復雜運動。經(jīng)過建?？傻贸鐾馆嗇喞淖畲鬄?4mm，同時機械手抓的擺動角度為 ，擺動距離約為7.5mm，擺動距離如下圖所示圖3-7手抓張開簡圖對于凸輪機構從動件的最大位移為15mm，凸輪機構的偏距e=0，手抓在機器人的運動中只有夾緊和松弛兩種狀態(tài)，因此選定凸輪形式為等速運動規(guī)律，此種運動規(guī)律，即從動件在運動過程中速度為常數(shù)，即從動件（手抓）相對于機器人機架是靜止的。圖3-10盤形凸輪3.3.2上機械手移動凸輪設計下面為移動凸輪的具體尺寸：圖3-8移動凸輪3.4機械手爪設計在攀爬桿狀的城市建筑直徑范圍D=100-140mm，機械手連接臂繞導桿擺動角度范圍在 以內，為了給機器人往城市桿狀建筑上的順利安裝設計機械手連接臂導桿擺動角度范圍為 ，同時考慮到電機在手抓平面上的尺寸，通過對桿的考察可得出機械手抓的大體尺寸如下圖所示。圖3-9機械手抓簡圖機械手的長度大概為216mm,采用鋁合金材料厚度為10mm左右，手抓的重量大概為0.2kg3.4.1機械臂非線性分析機器人的關鍵部分如機械連接臂，對機器人的爬行具有很重要作用，在機器人爬行過程中，當機械手夾緊時，此時受力最大，機械臂變形最大，因此需對機械臂的變形繞度進行評估。通過計算機的模擬可知機械臂在鉛垂方向上受力分析可簡化為一懸臂梁受力情形。機械手連接臂的截面如圖所示為一長方形 （3-56）其中：，。符號意義：長方形截面對X軸的慣性（ ）；長方形截面對X軸的抗彎截面系數(shù)（ ）長方形截面對X軸的慣性半徑（cm）；a 長（cm）；b 寬(cm)；機械手連接臂橫截面經(jīng)過簡化可近似為正方形的細長彎曲桿。長桿幾何參數(shù)可簡化為：=313.58mm；B=10mm；H=10mm；長桿材料參數(shù)：彈性模量E=70GPa；泊松比V=0.3；當機器人在桿狀物上工作時，特別是在上機械手夾緊，下機械手松開狀態(tài)時，機械手連接臂受力變形最大。由于機械手連接臂的長度遠大于其他方向的尺寸，因此機械臂可簡化為一受力懸臂梁。圖3-11機器人上機械手簡化由于結構的對稱性，簡化如上圖所示，實線和雙點劃線沿坐標軸對稱（實線和雙點劃線分別代表機械手的左右臂）。虛線（連接件）和它們絞接。這樣在分析受力時，我們可以忽略其繞Y軸的鉛垂位移，只考慮其繞X軸的鉛垂位移。這樣機械手臂可簡化為一長為315mm的懸臂梁，因機械手成對使用，實際工況中每只機械手連接臂末端載荷為F=25N，應用材料力學公式求端點處的繞度： （3-56）由此可看出機械手連接臂在處于懸臂狀態(tài)時，當連接臂末端承受最大載荷F=25N時，最大繞度值為=4.404mm，可以忽略不計。3.5電動機選擇在機器人的設計中，電機的選擇很總重要，對于爬行機器人而言，電機的結構和傳動形式都是機構設計所需要考慮的重要方面，從結構緊湊性方面考慮，在電動機傳動軸上，直角電機比標注電機占用更小空間。經(jīng)過比較選用廈門精研自動化元件公司（）生產(chǎn)的直角電機整個機殼有鋁合金制作，內部結構比較緊湊、密封性、潤滑性都比較好。電動機作為機器人攀爬的動力源和主要部件之一，它的結構尺寸同時也影響到機器人其他相關部件的尺寸大小，直角電機相對標準電機特殊的空間結構尺寸也是筆者選擇它的一個主要原因。經(jīng)過查詢該電機的總重為1.6Kg，同時還查的電機的各項參數(shù)以及轉速轉矩圖。圖3-12電動機參數(shù)圖該電機使用12V直流電，轉子為齒輪軸的可逆電機，電機轉速為01000r/min范圍內，電機的轉矩轉速近似線性關系。在額定轉速情況下電機輸出轉速為710r/min，電機實物以及相關尺寸如下圖所示：圖3-13電機實物圖4電氣控制4.1系統(tǒng)論述4.1.1 基本原理主體電路：即直流電機PWM控制模塊。這部分電路主要由80C51單片機的I/O端口、定時計數(shù)器、外部中斷擴展等控制直流電機的加速、減速以及電機的正轉和反轉，并且可以調整電機的轉速，還可以方便的讀出電機轉速的大小和了解電機的轉向，能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制。同時，還包括直流電機的直接清零、啟動（置數(shù)）、暫停、連續(xù)等功能。其間是通過80C51單片機產(chǎn)生脈寬可調的脈沖信號并輸入到L298驅動芯片來控制直流電機工作的。因此該直流電機PWM控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：設計控制部分：主要由80C51單片機的外部中斷擴展電路組成。顯示設計部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成。直流電機PWM控制實現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅動模塊組成。設計輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現(xiàn)。4.1.2 總體設計框圖系統(tǒng)組成：直流電機PWM調速方案如圖4-1所示：方案說明：直流電機PWM調速系統(tǒng)以AT89C2051單片機為控制核心，由命令輸入模塊、LCD顯示模塊及電機驅動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下，定時不斷給直流電機驅動芯片發(fā)送PWM波形，H型驅動電路完成電機正，反轉控制；同時單片機不停的將從鍵盤讀取的數(shù)據(jù)送到LCD顯示模塊去顯示，從中不僅能讀取其速度，而且能知道其轉向及一些提示。圖 4-1 直流電機PWM調速方案4.2直流電機單元電路設計與分析4.2.1 直流電機驅動模塊主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅動模塊（內含CMOSS管、三太門等）組成?，F(xiàn)在介紹下直流電機的運行原理(1)直流電機類型直流電機可按其結構、工作原理和用途等進行分類，其中根據(jù)直流電機的用途可分為以下幾種：直流發(fā)電機（將機械能轉化為直流電能）、直流電動機（將直流電能轉化為機械能）、直流測速發(fā)電機（將機械信號轉換為電信號）、直流伺服電動機（將控制信號轉換為機械信號）。下面以直流電動機作為研究對象 。(2) 直流電機結構直流電機由定子和轉子兩部分共同組成。在定子上裝有固定磁極（電磁式直流電機磁極由繞在定子上的磁繞提供），其轉子由硅鋼片重疊壓制而成，兒轉子外圓有槽，槽內嵌有電樞繞組，電樞繞組通過換向器和電刷引出,直流電機結構如圖4-2所示。 (3) 直流電機工作原理直流電機電路模型如圖4-2所示，磁極N、S間裝著一個可以轉動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈abcd。當線圈中流過電流時，線圈會受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉運動。根據(jù)左手定則可知，當流過線圈中電流改變方向時，線圈的受力方向也將會改變，因此通過改變線圈電路的方向實現(xiàn)改變電機的方向 。圖4-2直流電動機電路模型(4) 直流電機主要技術參數(shù)直流電機的主要額定值有：額定功率 ：在額定電流和電壓下，電機的負載能力。額定電壓 ：長期運行的最高電壓。 額定電流 ：長期運行的最大電流。額定轉速n：單位時間內的電機轉動快慢。以r/min為單位。 勵磁電流 ：施加到電極線圈上的電流。(5) 直流電機PWM調速原理1）直流電機轉速直流電機的數(shù)學模型可用圖4-3表示，由圖可見電機的電樞電動勢的 正方向與電樞電流的 方向相反， 為反電動勢；電磁轉矩T的正方向與轉速n的方向相同，是拖動轉矩；軸上的機械負載轉矩 及空載轉矩 均與n相反，是制動轉矩。圖4-3直流電機的數(shù)學模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動勢平衡方程式4-1： （4-1）式4-1中， 為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)繞阻與電刷接觸電阻的總和；是外接在電樞回路中的調節(jié)電阻。由此可得到直流電機的轉速公式為： （4-2）式4-2中， 為電動勢常數(shù)，是磁通量。由4-1式和4-2式得 （4-3）由式4-3中可以看出，對于一個已經(jīng)制造好的電機，當勵磁電壓和負載轉矩恒定不變時，它的轉速電樞兩端的電壓 所決定，也就是說電樞電壓越高，電機轉速就越快，當電樞電壓降低到0V時，電機就停止了轉動；而改變電樞電壓的極性，電機就反轉。2）PWM電機調速原理對于直流電機來說，如果加在電樞兩端的電壓為4-5所示的脈動電流壓（要求脈動電壓的周期遠小于電機的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變 和 寬度，得到的電壓將發(fā)生變化，下面對這一變化進一步推導。 圖4-4施加在電樞兩端的脈動電壓設電動機接全電壓U時，其轉速最大為 。若施加到電樞兩端的脈動電壓占空比為 ，則電樞的平均電壓為：=UD （4-4）由式4-3得到：； （4-5）在假設電樞內阻轉小的情況下式中K= U/ Ce，是常數(shù)。圖4-5為施加不同占空比時實測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉速的關系圖。圖4-5占空比與電機轉速的關系由圖看出實際上轉速與占空比D并不是完全的線性關系（圖中實線），原因是電樞本身也有電阻，但是一般直流電機的內阻都比較小，可以近視為線性關系。由此可見，改變施加在直流電機電樞兩端電壓就能改變電機的轉速，這就是直流電機PWM調速原理。(6) 電機驅動模塊的電路設計根據(jù)直流電機的工作原理，從PROTEUS選取元器件如下，放置元器件、放置電源和地連線，我們參照此設計的直流電機驅動模塊電路 2SK1058 : CMOSS管 74L26 : 三太門 1N4006 : 二極管 VSCOURCE : 電源 MOTOR-ENCODER : 直流電機 RES : 電阻 AT89C51 : 單片機 (在此并未顯示)然而考慮市場的行情，因為已有專門地為電機驅動而設計的電子芯片，因此就沒必要再重新來設計；選用L298芯片來構成的電路結構基本上跟上圖一樣，由L298芯片組裝的驅動模塊。所用元器件如下所示： 1N4006 ： 二極管； AT89C51 ： 單片機； RES ： 電阻； MOTOR-ENCODER ： 直流電機； L298 ： 電機驅動芯片； RESPACK-8 ：排阻； (7)程序設計流程圖圖4-6定時中斷服務流程圖4.2.2直流電機的中斷鍵盤控制模塊(1)外部中斷設置1） 外部中斷允許設置中斷控制寄存器IE的EX0對應INT0，EX1對應INT1，EA為中斷的總開關，若要開放外部中斷，只要將IE對應的位和總開關EA置1即可。如：開放外部中斷0的設置：SETB EX0；SETB EA；開放外部中斷0和1的設置：SETB EX0；SETB EX1；SETB EA；2） 外部中斷觸發(fā)方式設置單片機外部中斷有兩種觸發(fā)方式，一種是電平觸發(fā)方式，另一種是脈沖觸發(fā)方式，單片機外部中斷觸發(fā)方式與TCON的IT位有關。表4-1TCON的IT位TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0電平觸發(fā)設置方法：CLR ITX，為低電平觸發(fā)方式。脈沖觸發(fā)設置方法：SETB ITX1，為脈沖下降沿觸發(fā)方式。在使用外部中斷時，如果不進行設置，則為電平觸發(fā)方式。3） 外部優(yōu)先級設置 外部中斷IN0、INT1的中斷優(yōu)先級的設置是通過設置IP寄存器實現(xiàn)的，IP的PX0對應INT0，PX1對應INT1。PX置1為高級中斷，PX為0為低級中斷。表4-2IP寄存器PSPT1PX1PT0PX0(2) 外部中斷擴展方法在圖4-10為外部中斷擴展方法，設X1、X2、X3、X4、X5為外部警情信號，X1代表是加速信號，X1=0表示加速；X2代表減速信號，X2=0表示減速；X3代表正轉信號，X3=0表示正轉；X4代表反轉信號，X4=0表示反轉；X5代表停止信號，X5=0表示停止處理。當系統(tǒng)檢測到有中斷請求時，響應如下中斷服務流程圖4-7。圖4-7 中斷服務流程4.2.3 1602LCD液晶顯示模塊(1) 引腳分布和接口信號說明1)引腳分布1602液晶顯示共有16個引腳。2)引腳功能1602引腳功能如表4-3所示表4-3 1602引腳功能編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSSVSS為地電源9D2Data I/O2VDDVDD接5V正電源10D3Data I/O3VEE液晶顯示偏壓信號11D4Data I/O4RS0輸入指令，1輸入數(shù)據(jù)12D5Data I/O5R/W0寫入指令或數(shù)據(jù)，1讀信息13D6Data I/O6E1讀取信息，10執(zhí)行指令14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正極8D1Data I/O16BLK背光源負極(2) LCD液晶電路(3) 顯示程序流程圖如4-8所示圖4-8程序流程圖4.3直流電機PWM控制系統(tǒng)的實現(xiàn)4.3.1 總電路圖圖4-9總電路4.3.2 總電路功能介紹直流電機PWM調制控制系統(tǒng)具有加速、減速、正轉、反轉、停止控制功能。操作開關通過中斷控制直流電機的加速、減速、正轉、反轉、停止控制功能，并通過LCD液晶顯示。振蕩、時鐘電路和復位電路由80C51單片機內部給出。直流電機轉動速度由LCD液晶顯示。操作開關狀態(tài)可由液晶顯示器顯示。4.3.3 直流電機控制程序ORG 0000HSJMP DISPLAYORG 0003HLJMP BUTTON ；外部0中斷入口地址ORG 000BH；LJMP DINGSHI ；定時中斷T0入口地址RS EQU P3.0RW EQU P3.1E EQU P3.4ORG 0030H ；此次直流電機的設計以LCD字符夜晶的顯示程序為主程序DISPLAY：SETB EA ； 打開中斷總開關SETB EX0 ；打開外部中斷0開關SETB IT0 ；打開外部中斷0下降沿觸發(fā)MOV TMOD,#01H ；設置定時工作方式MOV TL0,#0FFH ；設置定時初值MOV TH0, #0FFHSETB ET0 ；打開定時中斷T0開關 CLR P0.5 CLR P0.6CLR P0.7SETB TR0 ；定時器T0開始定時MOV DPTR,#TAB ；夜晶顯示的字符首地址 MOV R0,#00H ；脈寬的初值MOV R1,#16 ；"SET SPEED PLEASE"的字符個數(shù)MOV R3, #00HMOV R4, #00HLP9：LCALL CHUSHILP2：ACALL BUSYMOV A, #00HMOVC A,A+DPTRMOV P1, AACALL DATASINC DPTR DJNZ R1, LP2 LP3： CJNE R3,#00H,LP4CJNE R4,#00H,LP4SJMP LP3 LP4： MOV R7,#00H ；中斷的標志 MOV R5,#09H ；CURRENT : 的字符個數(shù)ACALL BUSYMOV P1, #0C0HACALL ENABLEMOV DPTR, #MMTABACALL BUSYLP5：MOV A, #00HMOVC A,A+DPTRMOV P1, AINC DPTRACALL DATASACALL BUSYDJNZ R5, LP5 MOV DPTR, #STABMOV A, R2MOV P1, AACALL DATASACALL BUSYMOV A,R3 ；顯示速度的十位MOVC A,A+DPTRMOV P1, AACALL DATASACALL BUSYMOV A,R4 ；顯示速度的個位MOVC A,A+DPTRMOV P1, A ACALL DATAS ；使夜晶始終顯示當前電機的速度LP8：CJNE R7,#00H,LP7 ；速度不變時等待LJMP LP8 ；速度變時重新讀入速度LP7： SJMP LP4CHUSHI：ACALL BUSY ；使夜晶顯示的一些初始設置MOV P1,#00000001B ；清屏并光標復位ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00111000B ；設置顯示模式:8位2行5x7點陣ACALL ENABLEACALL BUSY MOV P1,#00001111B ；顯示器開、光標開、光標允許閃爍ACALL ENABLEACALL BUSYMOV P1,#000001