畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）爬桿機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

【精品】畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-爬桿機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 爬桿機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要論文在比較幾類(lèi)爬行機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，確定了機(jī)器人本體的大致結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了仿生爬行的原理和機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)的理念。根據(jù)路燈桿的尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)機(jī)器人的三維模型。機(jī)器人建模的過(guò)程 功能的實(shí)現(xiàn)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化 包括以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：爬桿機(jī)器人設(shè)計(jì)中的功能機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合、攀爬手臂夾持重合度的選擇、攀爬力的變化與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系、攀爬力零點(diǎn)的渡過(guò)等難點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為此類(lèi)爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：爬桿機(jī)器人 變直徑桿 仿生學(xué) Mechanical Structure design of Pole-Climbing-Robot AbstractIn the paper，the wormlike imitated pole-climbing robot what the author designed and manufactured is non-intelligence mechanical crawler. Based on compared the merits and demerits of several kind of crawling mechanism，confirmed the general structure of robot body. Based on above-mentioned，expatiated the principle of bionic crawling and the theory of modular designing on robot in detail. Based on the dimension data of poles，we have designed and manufactured the model of robot. The design methods and design guidelines during the course of robot modeling achieve the movement and optimum structural design following several key points： Functional coordination between agencies，choice of climbing arm gripping coincidence，changes of climbing force the relationship between the structural parameters，choice of zero point of climbing force and its transition in pole-climbing robot designing. Provides references forth kind of crawling robots designing.Key Words ： pole-climbing robot，variable-diameter pole，bionics目錄1 緒論11.1 論文研究的目的和意義11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題2 機(jī)器人的分類(lèi)3 研究現(xiàn)狀4 目前存在的主要問(wèn)題81.3 研究主要內(nèi)容和研究對(duì)象91.4 本章小結(jié)92 爬桿機(jī)器人仿生的設(shè)計(jì)理論研究102.1 仿生機(jī)器人概述102.2 總體方案分析112.3 蠕動(dòng)式仿生爬行方案研究142.4本章小結(jié)153 機(jī)器人爬行部分的結(jié)構(gòu)方案163.1 爬行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則16 模塊化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論163.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理方案分析18 夾緊機(jī)構(gòu)方案研究18 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案分析20 動(dòng)力系統(tǒng)方案研究23 機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理及爬行動(dòng)作原理243.3 變直徑桿爬行問(wèn)題的解決263.4 安全穩(wěn)定的工作保障27 夾緊力的保證彈簧的設(shè)計(jì)方法研究273.4 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)27電機(jī)的選型及參數(shù)選擇28 機(jī)器人本體的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)30 抓緊機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定33 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定37 上、下凸輪的配合研究413.5彈簧的設(shè)計(jì)與校核423.6本章小結(jié)45結(jié)語(yǔ)46致謝47參考文獻(xiàn)481 緒論1.1 論文研究的目的和意義目前全國(guó)日益加快的現(xiàn)代化建設(shè)步伐，除了2008年8月在北京舉辦的奧運(yùn)會(huì)、還有2010年在上海舉辦的世博會(huì)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)、人民生活水平日益提高，城鎮(zhèn)中隨之矗立起無(wú)數(shù)的高層城市建筑，各類(lèi)集實(shí)用性與美觀性一體的市政、商業(yè)工程諸如電線桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索、廣告牌立柱等 如圖1.1 ，它們通常5-30m，有的甚至高達(dá)百米，壁面多采用油漆、電鍍、玻璃鋼結(jié)構(gòu)等，由于常年裸露在大氣之中，風(fēng)沙長(zhǎng)年累月的積累會(huì)形成灰塵層，該污染影響城市的美觀，同時(shí)空氣中混合的酸性物質(zhì)也會(huì)對(duì)這些城市建筑特別是金屬桿件造成損壞，加快它們的生銹，并縮短它們的使用壽命，需要定期進(jìn)行壁面維護(hù)工作。圖1.1 變直徑桿城市建筑為保持清潔，許多國(guó)際性城市如廈門(mén)、深圳、香港等地規(guī)定，每年至少清洗數(shù)次。目前傳統(tǒng)的清洗技術(shù)主要分為人工清洗 化學(xué)藥劑清洗 和高壓水槍清洗等方法。其中人工清洗是由清潔工人搭乘吊籃進(jìn)行高空作業(yè)來(lái)完成，工人的工作環(huán)境惡劣，具有很大程度上的危險(xiǎn)性，工作效率也很低，耗資巨大?；瘜W(xué)藥劑中所用的去污劑具有很強(qiáng)的毒副作用會(huì)對(duì)人造成潛在的危害，并易造成環(huán)境的二次污染；高壓水槍清洗耗能比較大、成本高，且對(duì)周邊環(huán)境有很大的影響。在利用高壓水槍進(jìn)行清洗時(shí)，它的周邊不能有車(chē)輛、行人通過(guò)，且不能有過(guò)近的建筑物。其它高空作業(yè)諸如：各種桿狀城市建筑的油漆、噴涂料、檢查、維護(hù)，電力系統(tǒng)架設(shè)電纜、瓷瓶清潔等工作主要由人工和大型設(shè)備來(lái)完成，但它們都集中表現(xiàn)出效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗能高、二次污染嚴(yán)重等問(wèn)題。隨著機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展以及人們自我安全保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，迫切希望能用機(jī)器人代替人工進(jìn)行這些高空危險(xiǎn)作業(yè)，從而把人從危險(xiǎn)、惡劣、繁重的勞動(dòng)環(huán)境中解脫出來(lái)。開(kāi)發(fā)能在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用的立柱爬桿清洗機(jī)器人，將是很有意義的，必須具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。爬桿清洗機(jī)器人的使用將大大降低高層桿狀建筑的清洗成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，或?qū)?lái)清洗業(yè)的一次革命。這種機(jī)器人的研制必將具有很大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。該課題旨在研發(fā)一種新型的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)適用、價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)便的適用于路燈桿等桿狀城市設(shè)施可搭載清洗、維護(hù)設(shè)備的爬桿機(jī)器人，用以解決當(dāng)前城鎮(zhèn)中存在的影響市容的公共設(shè)施的清洗、維護(hù)問(wèn)題。該機(jī)構(gòu)要能保證良好的運(yùn)行效果，低耗能高效率，綠色環(huán)保，節(jié)省人力物力。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題機(jī)器人是人類(lèi)新世紀(jì)的偉大發(fā)明之一，是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運(yùn)行、重復(fù)操作和精度較高的動(dòng)化設(shè)備，機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)根本性的變化，而且將對(duì)人類(lèi)的社會(huì)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)己成當(dāng)代應(yīng)用最廣泛、發(fā)展迅速的高科技產(chǎn)業(yè)之一。機(jī)器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的重要分支，將成為21世紀(jì)各國(guó)爭(zhēng)奪的經(jīng)濟(jì)技術(shù)的制高點(diǎn)。 機(jī)器人的分類(lèi)機(jī)器人的種類(lèi)多種多樣。從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類(lèi)：工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人?；蚍譃閮深?lèi)：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人、非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿生機(jī)器人。仿生機(jī)器人是未來(lái)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向，按仿生學(xué)角度來(lái)分可分為螳螂式爬行機(jī)器人、蜘蛛式爬行機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、尺蠖式爬行機(jī)器人等。按驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分可分為：氣動(dòng)爬行機(jī)器人、電動(dòng)爬行機(jī)器人和液壓驅(qū)動(dòng)爬機(jī)器人等。按行走方式可分為：輪式、履帶式、蠕動(dòng)式、多足式等。按工作空間來(lái)分可分為：管道爬行機(jī)器人、壁面爬行機(jī)器人、球面爬行機(jī)器人、陸地移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人、無(wú)人飛機(jī)、空間機(jī)器人等。按功能用途來(lái)分可分為：焊弧爬行機(jī)器人、檢測(cè)爬行機(jī)器人、清洗爬行機(jī)器人、提升爬行機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、助殘機(jī)器人、巡線爬行機(jī)器人、玩具爬行機(jī)器人等。根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)方式和功能等可以設(shè)計(jì)多種不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機(jī)器人，如氣動(dòng)管內(nèi)檢測(cè)爬行機(jī)器人，電磁吸附多足式爬行機(jī)器人、電驅(qū)動(dòng)壁面焊弧爬行機(jī)器人等，每一種形式的爬行機(jī)器人都有各自的應(yīng)用特點(diǎn)。 研究現(xiàn)狀爬行機(jī)器人是機(jī)器人大家族中的一員，爬升機(jī)器人因?yàn)樾枰朔亓Φ淖饔枚煽康匾栏接谂郎砻嫔喜⒆灾饕苿?dòng)，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動(dòng)機(jī)器人，故爬升機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究分支，從運(yùn)動(dòng)方式上來(lái)表征的一種機(jī)器人，形式是多種多樣的。爬行機(jī)器人并不少見(jiàn)，但是通常來(lái)說(shuō)，這類(lèi)機(jī)器人大多采用多足來(lái)進(jìn)行移動(dòng)或是使用腹部的摩擦表層來(lái)左右扭動(dòng)前進(jìn)。更主要的是，平常的機(jī)器人，因?yàn)轶w積或行動(dòng)方式的影響，不能到一些特殊的地方進(jìn)行工作，比如說(shuō)管道，壁面等等特種用途的領(lǐng)域。爬升機(jī)器人與一般地面移動(dòng)機(jī)構(gòu)的最明顯不同是需克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動(dòng)，完成特定條件下的作業(yè)。最早開(kāi)始研究且研究最多的是爬壁機(jī)器人，適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面和大球形表面上的危險(xiǎn)作業(yè)。對(duì)于管道外壁表面，已有車(chē)輪移動(dòng)形、姿態(tài)可變形、尺蠖形和多關(guān)節(jié)形機(jī)器人，用于石油、化工企業(yè)等多為水平管線上的檢查和診斷，且牽引力較小。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者很早就對(duì)爬行機(jī)器人進(jìn)行研究工作，獲得了豐碩的成果。目前，國(guó)內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人、電動(dòng)液壓式爬桿機(jī)器人和氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人等。電動(dòng)機(jī)械式爬行器是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動(dòng)夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降螺旋運(yùn)動(dòng)爬升機(jī)器人的爬行動(dòng)作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動(dòng)方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過(guò)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)該機(jī)構(gòu)便可實(shí)現(xiàn)上升和下降運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人和螺旋線運(yùn)動(dòng)爬桿機(jī)器人都是以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運(yùn)作，且機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人用氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交替夾緊和移動(dòng)，其向上爬行時(shí)氣缸動(dòng)作一個(gè)周期的過(guò)程為下部汽缸夾緊，上部汽缸松開(kāi)，提升汽缸活塞桿伸出，上部上升；上部汽缸夾緊，下部汽缸松開(kāi)，提升氣缸體上升，下部上升如此反復(fù)，機(jī)器人就可以連續(xù)爬行。對(duì)于氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人，其上升和下降運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)由氣壓控制，需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本較高。國(guó)外有代表性的有東京大學(xué)研制的關(guān)節(jié)型行走機(jī)器人，可沿水平或垂直的直桿爬行，能跨越法蘭、平行桿，并可繞T型桿和L型桿爬行。國(guó)內(nèi)比較典型的有上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研究開(kāi)發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護(hù)用氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人，可在各種斜度的纜索上爬行，能完成纜索檢測(cè)、清洗等工作，并具有一定的智能性。氣動(dòng)蠕動(dòng)式纜索噴涂機(jī)器人由機(jī)械本體、氣動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。氣動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)配合完成機(jī)器人的移動(dòng)、夾緊和噴涂作業(yè)。機(jī)械本體是本系統(tǒng)的核心部分 如圖1.2 所示 , 它包括上體、下體、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和噴涂機(jī)構(gòu)。上體和下體都由變剛度彈性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、平行式自動(dòng)對(duì)中夾緊機(jī)構(gòu)及支撐板組成, 其中平行式自動(dòng)對(duì)中夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 如圖1.3所示 。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí), 移動(dòng)機(jī)構(gòu)配合上、下體夾緊氣缸的不同動(dòng)作組合, 可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人蠕動(dòng)式間歇上升或下降。機(jī)器人在下降過(guò)程中, 由噴涂機(jī)構(gòu)來(lái)完成纜索防腐噴涂任務(wù)。針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中間歇運(yùn)動(dòng)特點(diǎn), 設(shè)計(jì)一種能夠使噴涂厚度均勻一致的噴涂機(jī)構(gòu)是本文重點(diǎn), 關(guān)鍵問(wèn)題是得出噴涂機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連續(xù)噴涂的條件。圖1.2 氣動(dòng)蠕動(dòng)式纜索噴涂機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖1.3 夾緊機(jī)構(gòu)示意圖清華大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人采用自重式鎖緊機(jī)構(gòu) 如圖1.5 a 所示 ，機(jī)器人靠自重壓迫鋼球使滑塊 機(jī)械手 鎖緊在桿壁上，可以爬行較小范圍的變直徑桿，但該結(jié)構(gòu)只可單向爬行 從下往上或是從大直徑處向小直徑處爬行 。該機(jī)構(gòu)改進(jìn)后可爬升和返回，如圖1.5 b、c 所示，由小氣缸推動(dòng)鋼球解鎖，便可雙向爬行，但需要加上一套氣動(dòng)控制設(shè)備。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行和返回則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來(lái)解決 如圖1.3、1.4所示 ，其上升和下降由氣壓控制，設(shè)備成本較高。圖1.5 鋼球自鎖類(lèi)爬桿機(jī)器人哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的沿桅桿或繩索爬行的機(jī)器人，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人是由兩個(gè)形狀相似的圓形套筒內(nèi)嵌有一對(duì)活動(dòng)V型卡爪、一對(duì)槽型凸輪、鉸鏈、壓力傳感器、連桿、鑲嵌在頂部滑塊四周的檢測(cè)儀、電機(jī)等零部件構(gòu)成，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1.7所示。圖1.7 爬纜機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖在曲柄與連桿的兩端分別鉸接上兩個(gè)滑塊 即作為自鎖套 作為機(jī)器人末端執(zhí)行裝置，使兩個(gè)滑塊分別作為機(jī)架交替上升，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿桅桿爬行；其中上滑塊與曲柄相連，相應(yīng)的連桿接下滑塊。當(dāng)機(jī)構(gòu)具有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，下自鎖套因受到自鎖機(jī)構(gòu)的限制而固定不動(dòng)，把其受到的向下的力轉(zhuǎn)化為向上反作用力，推動(dòng)機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)。 目前存在的主要問(wèn)題由上面敘述及調(diào)研可知目前國(guó)內(nèi)外所設(shè)計(jì)制造的各種電機(jī)機(jī)械式爬行器均有一個(gè)缺陷：它們大多采用凸輪機(jī)構(gòu)夾緊，由于凸輪機(jī)構(gòu)的不可伸縮性，一個(gè)爬行器只能爬行特定直徑的等直徑的桿件。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來(lái)解決，其上升和下降由氣壓控制，還需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較高。綜合文獻(xiàn)顯示，目前國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有在此類(lèi)爬行機(jī)構(gòu)方面的深入研究。鑒于綠色和環(huán)保的主題，因此，有必要研發(fā)和制造一種利用簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)替代繁瑣的氣動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)變直徑桿的攀爬，同時(shí)在爬行過(guò)程中可攜帶其它清潔能源實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈桿等桿狀城市建筑的清洗作業(yè)的設(shè)備，這正是本課題所要解決的。1.3 研究主要內(nèi)容和研究對(duì)象在閱讀國(guó)內(nèi)外有關(guān)爬桿機(jī)器人的文獻(xiàn)后，總結(jié)出適合爬桿機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過(guò)對(duì)路燈桿等桿狀城市建筑的測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)考察，提出爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案并設(shè)計(jì)出滿足條件的立柱清洗機(jī)器人。在該課題的研究過(guò)程中，提出一些此類(lèi)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)思想，可供其他設(shè)計(jì)人員參考。建立爬桿機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型；展開(kāi)爬桿機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)研究；提出此類(lèi)爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題：功能的實(shí)現(xiàn)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。研究對(duì)象：變直徑桿爬行機(jī)器人。1.4 本章小結(jié)本章節(jié)首先從市場(chǎng)需求和環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，引出了爬桿機(jī)器人的概念。通過(guò)大量的事例案例，說(shuō)明爬桿機(jī)器人所具備的非人力可以取代的功能。從而催生出人們對(duì)研制出一套完整的、可靠的爬桿機(jī)器人的強(qiáng)烈愿望，證明了爬桿機(jī)器人在中國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中的重大作用。然后列舉大量國(guó)內(nèi)有關(guān)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)案例，闡述其原理，分析利弊。最后在以上閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，說(shuō)明本課題的研究方法和研究?jī)?nèi)容。2 爬桿機(jī)器人仿生的設(shè)計(jì)理論研究2.1 仿生機(jī)器人概述 生物在經(jīng)過(guò)了千百萬(wàn)年的進(jìn)化之后，由于遺傳和變異的原因，已經(jīng)形成了從執(zhí)行、感知、控制方式，一直到信息加工處理、組織方式等諸多方面的優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)處。仿生機(jī)器人這門(mén)學(xué)科產(chǎn)生和存在的前提就在于，生物經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的自然選擇進(jìn)化而來(lái)，在結(jié)構(gòu)、功能執(zhí)行、信息處理、環(huán)境適應(yīng)、自主學(xué)習(xí)等多方面具有高度的合理性、科學(xué)性和進(jìn)步性。而非結(jié)構(gòu)化的、未知的工作環(huán)境、復(fù)雜的精巧的高難度的工作任務(wù)和對(duì)于高精確度、高靈活性、高可靠性、高魯棒性、高智能性的目標(biāo)需求則是仿生機(jī)器人提出和發(fā)展的客觀動(dòng)力。人爬樹(shù)時(shí)，兩腳夾緊樹(shù)桿，兩腿一蹬，兩手抱住樹(shù)桿上移，然后兩手抱緊樹(shù)桿，收腿提腳上移，一步一步向上爬行。人爬樹(shù)姿勢(shì)如圖2.1所示。圖2.1 爬樹(shù)姿勢(shì)“模仿生物的身體結(jié)構(gòu)和功能，從事生物特點(diǎn)工作的仿生機(jī)器人，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，成為未來(lái)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展方向”?！?004年8月在沈陽(yáng)舉行的2004IEEE機(jī)器人學(xué)與仿生學(xué)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議”上，與會(huì)的機(jī)器人學(xué)專(zhuān)家這樣表示。日本東京工業(yè)大學(xué)教授廣瀨茂男曾獲得IEEE頒發(fā)的領(lǐng)先成就獎(jiǎng)，是世界機(jī)器人研究領(lǐng)域的權(quán)威科學(xué)家。在他看來(lái)，模仿生物活動(dòng)機(jī)能和身體結(jié)構(gòu)的仿生機(jī)器人，應(yīng)當(dāng)是機(jī)器人研究領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。他說(shuō)，很多生物為了生存，在進(jìn)化過(guò)程中具備適應(yīng)大自然的獨(dú)特功能，科學(xué)界在機(jī)器人的發(fā)明制造上，就應(yīng)當(dāng)借鑒一些生物的獨(dú)特本領(lǐng)為人類(lèi)服務(wù)。所以，仿生機(jī)器人必將是超出人類(lèi)一般需求之前探索的一門(mén)真正的前沿科學(xué)。仿生機(jī)器人是機(jī)器人發(fā)展的最高階段，它既是機(jī)器人研究的最初目的，也是機(jī)器人發(fā)展的最終目標(biāo)之一。仿生機(jī)器人就是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機(jī)能的機(jī)器人系統(tǒng)。從仿生學(xué)的角度來(lái)看，仿生機(jī)器人是仿生學(xué)技術(shù)的完美綜合與全面應(yīng)用。從本質(zhì)上來(lái)講，所謂”仿生機(jī)器人”就是指利用各種光、機(jī)、電、液等各種無(wú)機(jī)元器件和有機(jī)功能體相配合所組建起來(lái)的在運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式、感知模式和信息處理、控制協(xié)調(diào)和計(jì)算推理、能量代謝和材料結(jié)構(gòu)等多方面具有高級(jí)生命形態(tài)特征從而可以在未知的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下精確的、靈活的、可靠的、高效的完成各種復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)。2.2 總體方案分析欲使機(jī)器人在壁面上自由地移動(dòng)，必須具備兩種功能：貼附功能與移動(dòng)功能。貼附方式有吸附式和夾持式兩種，運(yùn)動(dòng)方式有輪式、履帶式、腿式及蠕動(dòng)式四種。這些不同的方式可以進(jìn)行多種組合，構(gòu)成多種風(fēng)格的機(jī)器人。吸附式是通過(guò)面接觸方式緊貼于壁面上，夾持式是靠點(diǎn)夾緊在桿上。吸附方式又有真空吸附和電磁吸附之分，其中真空吸附式用得比較多，因?yàn)樗鼘?duì)壁面的要求不十分嚴(yán)格；電磁吸附承載能力大，有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，但其應(yīng)用范圍窄，需要桿件壁面含有電磁場(chǎng)可吸附的含鐵、鉆、鎳等材料。各種貼附方式的優(yōu)缺點(diǎn)和比較如表2.1所示。表2.1爬行機(jī)器人貼附方案的比較貼附方式概要特點(diǎn)夾持式機(jī)械手由夾緊力產(chǎn)生的摩擦力是機(jī)械手夾緊在桿體上能適應(yīng)任何壁面吸附式真空吸附真空泵設(shè)置許多吸盤(pán)，由真空泵裝置產(chǎn)生吸附力，使機(jī)器人吸附在壁面可實(shí)現(xiàn)小型、輕量化，無(wú)需附加供氣裝置，但要求壁面有一定平滑度噴射器在本體上安裝噴嘴，由噴射器經(jīng)噴嘴將壓縮空氣噴出，其周周?chē)纬烧婵眨皆诒诿嫔仙夏苄У?、噪音大，且需要供供氣裝置，但可以達(dá)到高真空空度，對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)強(qiáng)電磁吸附永磁體由永磁體產(chǎn)生吸附力，吸在壁面上吸附時(shí)不需外部能量，但只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附電磁鐵電磁鐵通電將其吸附在壁面上吸附時(shí)需要電能，也只適用用上上于導(dǎo)磁性壁面的吸附在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)考慮機(jī)器人的用途，因?yàn)椴煌挠猛?，移?dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是不同的。此外，還應(yīng)考慮機(jī)器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費(fèi)用等。作為桿件爬行機(jī)器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案，有很多種移動(dòng)方式可供選擇。各種移動(dòng)方案的比較見(jiàn)表2.2所示。表2.2 爬行機(jī)器人移動(dòng)方案的比較移動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)輪式移動(dòng)速度快，控制方便，轉(zhuǎn)彎容易。接觸面積小，越障能力差，易打滑。履帶式接觸面積大，承載能力大，移動(dòng)速度快，適應(yīng)能力強(qiáng)。履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)動(dòng)性差。腿式越障能力強(qiáng)，承載能力大，機(jī)動(dòng)性好，具有很強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間歇移動(dòng)，速度慢，關(guān)節(jié)和足數(shù)多，控制復(fù)雜。蠕動(dòng)式承載能力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，控制簡(jiǎn)便，適應(yīng)能力比較強(qiáng)。運(yùn)動(dòng)速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。要求所要設(shè)計(jì)的這種爬行機(jī)器人，它的工作對(duì)象為各種型號(hào)的城市桿狀建筑，要求承載能力大、接觸面積小、速度適中，適應(yīng)能力強(qiáng)，能越障礙物。通過(guò)比較各種方案，我設(shè)計(jì)了一種尺蠖式蠕動(dòng)爬行結(jié)構(gòu)形式，這是一種新穎的變直徑桿仿生爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案能基本滿足我們?cè)O(shè)定的工作狀況。在爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)中用尺蠖蠕動(dòng)式爬行具有很多優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)方向上任意長(zhǎng)的距離提升重物，較同功能的其它機(jī)構(gòu)，能獲得更大的鎖緊力，從而可傳送較重的物體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)，控制簡(jiǎn)便，還可以根據(jù)使用要求，作各種變形設(shè)計(jì)，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。2.3 蠕動(dòng)式仿生爬行方案研究既然是仿生尺蠖式蠕動(dòng)，那么在本機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，將以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軀干的伸縮為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)幼鳛槟繕?biāo)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)有很多種，常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)有：不完全齒輪齒條雙側(cè)停息機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、圓柱齒輪齒條機(jī)構(gòu)、螺旋絲桿機(jī)構(gòu)等。由上可知，尺蠖運(yùn)動(dòng)具有以下特點(diǎn)：尺蠖運(yùn)動(dòng)體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；運(yùn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)器數(shù)目少；依靠摩擦力傳遞運(yùn)動(dòng)；尺蠖運(yùn)動(dòng)是一種周期性動(dòng)作。如果把尺蠖運(yùn)動(dòng)在一個(gè)動(dòng)作周期內(nèi)的蠕動(dòng)分開(kāi)，可分為四步：上部松開(kāi)，軀干靜止 最長(zhǎng) ，下部夾緊；軀干縮短，上部夾緊，下部夾緊；下部松開(kāi)，上部夾緊，軀干縮短 最短 ；下部夾緊，軀干靜止，上部夾緊；上部松開(kāi)，軀干伸長(zhǎng) 最長(zhǎng) ，下部夾緊。經(jīng)過(guò)上述四步，在一個(gè)動(dòng)作周期中尺蠖向上爬一步。上述的幾種往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，其中曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以很好的協(xié)調(diào)好機(jī)器人的整體工作。綜上所述，當(dāng)我們選取曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)時(shí)，該機(jī)器人的爬行動(dòng)作原理示意如圖2.3所示。圖2.3 機(jī)器人爬行動(dòng)作原理示意圖該機(jī)器人是模仿人的爬樹(shù)動(dòng)作而設(shè)計(jì)的。爬樹(shù)時(shí)，兩腳夾緊樹(shù)桿，兩腿一蹬，兩手抱住樹(shù)桿,人向上移，然后兩手抱緊樹(shù)桿，收腿提腳上移，一步步向上爬行。在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，人的手臂和腿演化成機(jī)器人的上下機(jī)械臂，手和腳演化成上下機(jī)械手。曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為收縮的往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu) 下并聯(lián)盤(pán)形凸輪、上移動(dòng)凸輪 作為上下機(jī)械手的協(xié)調(diào)連接部件。本章小結(jié)本章從仿生機(jī)器人的角度出發(fā)，介紹了仿生機(jī)器人對(duì)機(jī)器人研究的巨大貢獻(xiàn)。從而確定，本課題的爬桿機(jī)器人的攀爬動(dòng)作是模仿人或者動(dòng)物的爬樹(shù)動(dòng)作。機(jī)器人在壁面上自由地移動(dòng)，必須具備兩種功能：貼附功能與移動(dòng)功能。通過(guò)比較各種貼附方案和移動(dòng)方案確定本課題的貼附及移動(dòng)方式。3 機(jī)器人爬行部分的結(jié)構(gòu)方案尺蠖式爬桿機(jī)器人的主要用途是作為桿上傳送的載體，本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是爬行機(jī)器人的核心部分，要求承受一定的負(fù)載并能保持穩(wěn)定的爬行動(dòng)作。因此首要的目標(biāo)是使機(jī)器人能夠在較長(zhǎng)的爬行距離內(nèi)安全可靠的爬行，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的使機(jī)器人移動(dòng)靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，滿足一定的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性要求。3.1 爬行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則尺蠖式爬行機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本論文的關(guān)鍵，在此采用模塊化設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)方法分為基于結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計(jì)方法和側(cè)重功能分解的設(shè)計(jì)方法，將根據(jù)功能劃分方法對(duì)爬行機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)。 模塊化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論模塊化設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)不斷發(fā)展的過(guò)程中逐步形成的，是一種設(shè)計(jì)方法。而模塊化設(shè)計(jì)思想?yún)s由來(lái)己久，其基本思想是以產(chǎn)品 系統(tǒng) 的總功能為對(duì)象，以功能分析為基礎(chǔ)，將整個(gè)產(chǎn)品分解為若干特定的模塊，然后通過(guò)模塊的不同組合，可以得到不同品種、不同功能的產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的各種需求。模塊化又稱(chēng)模件化，模塊化的定義有很多種，但是按其概念有如下的定義：由若干個(gè)具有不同用途 或性能 并可互換的模塊，經(jīng)不同的組合，以滿足不同需要的這種方法稱(chēng)之為模塊化。由此可見(jiàn)模塊化應(yīng)具有四個(gè)基本含義：1 必須具有一定數(shù)量的模塊；2 應(yīng)用系統(tǒng)組合原理；3 最終要獲得能基本滿足各種不同功能的需要；4 模塊化的可分性。進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，必須首先把產(chǎn)品劃分為若干模塊，然后以模塊為基本單元進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，模塊合理劃分與否將直接影響產(chǎn)品的性能、外觀以及模塊通用化的程度和成本。模塊化產(chǎn)品，通常按功能將產(chǎn)品劃分為若干單元，并使功能單元獨(dú)立化，這些單元被稱(chēng)為功能模塊，然后由功能模塊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的總功能。 爬行機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)要求我們按照功能劃分的模塊化設(shè)計(jì)方法，將爬行機(jī)器人劃分為夾緊模塊和傳動(dòng)模塊。模塊之間除標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械與電氣連接接口外，其設(shè)計(jì)相互獨(dú)立。模塊之間在模塊化設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循如下基本原則：模塊應(yīng)具有自身的獨(dú)立性?？捎糜邢迶?shù)目的模塊構(gòu)成不同組合的產(chǎn)品。模塊的穩(wěn)定性。模塊的經(jīng)濟(jì)型。模塊化設(shè)計(jì)的核心思想是將產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分后，通過(guò)對(duì)某些模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或變異設(shè)計(jì)得到新的產(chǎn)品。根據(jù)此思想，我們可以對(duì)爬行機(jī)器人進(jìn)行各種變形設(shè)計(jì)，滿足不同使用要求和應(yīng)用環(huán)境要求。尺蠖式爬行機(jī)器人的本體是執(zhí)行爬行運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)和清洗維護(hù)設(shè)備的搭載平臺(tái)，因此本體機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。為使機(jī)器人能夠安全、方便的完成工作任務(wù)，要求本體移動(dòng)靈活，安全可靠，小巧輕便，本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是評(píng)價(jià)整個(gè)系統(tǒng)性能的首要指標(biāo)。由于爬行設(shè)備的特殊性，所以設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的主要問(wèn)題有：從機(jī)器人爬行動(dòng)作的特殊性及提高運(yùn)動(dòng)性和安全性方面考慮，需盡量使爬行機(jī)器人的體積小、重量輕。從系統(tǒng)的工作性能上考慮，應(yīng)盡量使爬行機(jī)器人的工作沖擊較小，運(yùn)行平穩(wěn)，提高工作時(shí)的穩(wěn)定性。從機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境來(lái)看，由于在桿上爬行，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮空間對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的限制，力求機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。由于機(jī)器人的體積受限，所以在設(shè)計(jì)和布置時(shí)需要在盡量保證機(jī)構(gòu)功能、強(qiáng)度和性能的條件下，盡量減小零部件的體積。在布置各部件時(shí)，除考慮部件自身占據(jù)的空間地位外，還要給予檢查、維修及更換部件時(shí)所必要的空間。從系統(tǒng)的成本以及各零部件的加工難度和加工時(shí)間考慮，各零件和材料的加工和選取，盡量采用市場(chǎng)上可采購(gòu)的材料和己有小零部件 如螺栓、彈簧等 ，減少自行設(shè)計(jì)和加工的元件，以減少設(shè)計(jì)難度和提高系統(tǒng)的可靠性，降低樣機(jī)制造成本。3.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理方案分析尺蠖的運(yùn)動(dòng)方式是一種蠕動(dòng)爬行，蠕動(dòng)是一種周期性的動(dòng)作，蠕動(dòng)體的姿態(tài)呈現(xiàn)某種規(guī)律性的變化。機(jī)器人的本體是指機(jī)器人移動(dòng)作業(yè)的部分。我們所設(shè)計(jì)的尺蠖式爬行機(jī)器人的本體部分主要由三個(gè)機(jī)械單元組成，分為上、下夾緊機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在中間分別與上、下夾緊機(jī)構(gòu)相連接。上、下夾緊機(jī)構(gòu)分別起著保持器的作用，而軀干部分則起著推進(jìn)器的作用。 夾緊機(jī)構(gòu)方案研究根據(jù)爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，夾緊機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵，所產(chǎn)生的夾緊力應(yīng)能保證機(jī)器人在單步運(yùn)動(dòng)中一端夾緊在桿上，使機(jī)器人在單步工作中保持穩(wěn)定，夾緊-放松的運(yùn)動(dòng)過(guò)程能自如的進(jìn)行。綜合考慮機(jī)器人系統(tǒng)工作環(huán)境和性質(zhì)，主要有兩種夾緊方式：機(jī)械式裝置和液 氣 壓式裝置。兩種方式都能產(chǎn)生足夠的夾緊力，各有其優(yōu)點(diǎn)。液 氣 壓式夾緊裝置夾緊力調(diào)節(jié)方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，但需要液 氣 源和液 氣 動(dòng)控制系統(tǒng)支持，體積龐大、噪音污染大并且其設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較高。紹了上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研究開(kāi)發(fā)的一種氣動(dòng)蠕動(dòng)式纜索機(jī)器人，其爬升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖l.2所示，其夾緊機(jī)構(gòu)如圖3.1所示。圖3.1 氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu)機(jī)器人上、下體安裝板上各沿圓周均布有3個(gè)可沿徑向調(diào)整的安裝塊，用于夾緊缸、夾緊爪、導(dǎo)向缸和導(dǎo)向輪總成在不同直徑的纜索上安裝。上、下體安裝板上開(kāi)有安裝口，供機(jī)器人在纜索上的安裝。機(jī)械式夾緊裝置加緊力調(diào)節(jié)不方便、工作狀態(tài)視結(jié)構(gòu)而定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音小、費(fèi)用低。如圖3.2所示為一種輪式爬行機(jī)構(gòu)，它利用彈簧將滾輪壓緊在管道外壁，由滾輪滾動(dòng)帶動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)在管道外壁行走。這種機(jī)構(gòu)適用于管徑較大的情況，連續(xù)行走速度可調(diào)且比較快，但無(wú)越障能力。圖3.2 氣動(dòng)蠕動(dòng)式纜索機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)的要求是：能產(chǎn)生足夠大的夾緊力、放松和夾緊收放自如、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕量化。結(jié)合實(shí)際情況，我選用機(jī)械夾緊裝置。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案分析傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的軀干，它是連接機(jī)器人上、下機(jī)械臂的樞紐和協(xié)調(diào)機(jī)器人上、下機(jī)械手動(dòng)作的控制中心，是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要部分之一。如第二章節(jié) 2.3 所介紹的，通過(guò)比較各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為本機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖2.3，當(dāng)機(jī)械手夾緊桿體時(shí)，相應(yīng)部分對(duì)應(yīng)桿體是靜止的；反之，當(dāng)機(jī)械手松開(kāi)桿體時(shí)，相應(yīng)部分對(duì)應(yīng)桿體是運(yùn)動(dòng)的。圖3.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖電機(jī)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)又把運(yùn)動(dòng)傳遞到上機(jī)械臂，同時(shí)下機(jī)械臂也要做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)來(lái)配合上機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為連接機(jī)器人上、下機(jī)械臂的樞紐，它所能做得運(yùn)動(dòng)僅僅只是曲柄回轉(zhuǎn)、連桿擺動(dòng)，如圖3.3所示。要尋找一種合適的機(jī)構(gòu)來(lái)銜接上下機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，即在電機(jī)回轉(zhuǎn)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，上下機(jī)械手要作出相應(yīng)的配合動(dòng)作。在前面第二章 2.3 介紹中，已經(jīng)選定用曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人的軀干主體，曲柄回轉(zhuǎn)，滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)中，可以將移動(dòng)凸輪的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成從動(dòng)件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖3.4所示。圖3.4 移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件頂桿和機(jī)器人的上機(jī)械臂固接，這樣移動(dòng)凸輪的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)化為上機(jī)械臂的往復(fù)擺動(dòng)，移動(dòng)凸輪和上機(jī)械臂就構(gòu)成了 移動(dòng) 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)。這樣就將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的滑塊用 移動(dòng) 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)中移動(dòng)凸輪代替，盤(pán)形凸輪設(shè)計(jì)成對(duì)稱(chēng)形式就可以推動(dòng)一對(duì)機(jī)械臂擺動(dòng)。當(dāng)上、下機(jī)械手協(xié)調(diào)配合動(dòng)作如圖2.3所示過(guò)程時(shí)，機(jī)器人方能作出符合我們要求的攀爬動(dòng)作。曲柄在電機(jī)帶動(dòng)下作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，很顯然，盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)中，可以將盤(pán)形凸輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成從動(dòng)件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖3.5所示。圖3.5 盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件頂桿和機(jī)器人的下機(jī)械臂固接，這樣盤(pán)形凸輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)化為下機(jī)械臂的往復(fù)擺動(dòng)，盤(pán)形凸輪和下機(jī)械臂就構(gòu)成了 盤(pán)形 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)。如第二章 2.3 所介紹的，曲柄回轉(zhuǎn)一周，上、下機(jī)械臂的動(dòng)作一個(gè)循環(huán)，機(jī)器人整體向上攀爬一步。由于電機(jī)是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，所以盤(pán)形凸輪的近休止角和遠(yuǎn)休止角是近似在180°的方向水平”對(duì)稱(chēng)”的，這里講的對(duì)稱(chēng)只是一種相對(duì)的概念，并不是嚴(yán)格意義上的對(duì)稱(chēng)。因?yàn)闄C(jī)器人的機(jī)械臂是成對(duì)出現(xiàn)的，所以下盤(pán)形凸輪應(yīng)該是成對(duì)出現(xiàn)的。而且因?yàn)橄聶C(jī)械臂的動(dòng)作要一致，所以下盤(pán)形凸輪應(yīng)該按近似大徑對(duì)稱(chēng)裝配。 動(dòng)力系統(tǒng)方案研究目前對(duì)于機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)有多種不同的選擇方案，可以采用電氣驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)等不同的方式。不同的動(dòng)力系統(tǒng)具有不同的特點(diǎn)，根據(jù)不同的工作環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合，按照具體的要求來(lái)選擇最適合的動(dòng)力系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。表3.1為不同的驅(qū)動(dòng)方式的性能對(duì)照表。表3.1 驅(qū)動(dòng)方式性能對(duì)照表項(xiàng)目技術(shù)要求動(dòng)作快慢速度穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)力環(huán)境要求控制距離經(jīng)濟(jì)性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用維護(hù)速度調(diào)整氣壓驅(qū)動(dòng)較低較快較差中等適應(yīng)性好中等便宜簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單容易液壓驅(qū)動(dòng)較高較慢良好最大不怕振動(dòng)短較貴復(fù)雜稍高很容易電氣驅(qū)動(dòng)較低慢很好較大一般短一般稍復(fù)雜簡(jiǎn)單困難氣壓驅(qū)動(dòng)使用壓力通常在0.40.6MPa，最高可達(dá)1MPa。氣壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便；缺點(diǎn)是功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時(shí)由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器人在任意定位時(shí)，位姿精度不高。氣壓驅(qū)動(dòng)不可避免的存在漏氣的問(wèn)題和氣壓裝置體積較大，這一點(diǎn)不符合本爬行機(jī)器人的工作空間的要求，不適合在本系統(tǒng)中使用。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用2-15MPa的油液驅(qū)動(dòng)響工作穩(wěn)定性和定位精度，但由于有漏油的問(wèn)題，也不適合在本系統(tǒng)中使用。電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。由于電氣驅(qū)動(dòng)具有易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，使用方便，信號(hào)監(jiān)測(cè)、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，電氣驅(qū)動(dòng)己經(jīng)成為最普遍，應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式，符合本系統(tǒng)要求。所以選擇電氣驅(qū)動(dòng)的方案。 機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理及爬行動(dòng)作原理在預(yù)緊拉力彈簧夾緊機(jī)構(gòu)中，預(yù)緊拉力彈簧和凸輪機(jī)構(gòu)相組合，利用預(yù)緊拉力彈簧的柔性可調(diào)的夾緊活動(dòng)范圍和凸輪機(jī)構(gòu)的升程差復(fù)合成爬行機(jī)器人的機(jī)械手雛形。預(yù)緊拉力彈簧作為上下機(jī)械手夾緊的動(dòng)力源。機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 中的滑塊設(shè)計(jì)成上 移動(dòng) 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)中的移動(dòng)凸輪，在機(jī)構(gòu)上巧妙結(jié)合，與此同時(shí)實(shí)現(xiàn)了零件的多功能復(fù)合。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的曲柄和下 盤(pán)形 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)中的盤(pán)形凸輪固結(jié)在一起，同步運(yùn)動(dòng)。至此，由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和凸輪擺桿機(jī)構(gòu)就構(gòu)成了蠕行式仿生變直徑桿爬行機(jī)器人的基本框架。綜上，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理如圖3.6所示。圖3.6 機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理圖結(jié)合圖2.3中可以看出，機(jī)器人的爬行動(dòng)作原理可分為以下5步：在初始狀態(tài)1時(shí)，下機(jī)械手夾緊、上機(jī)械手松開(kāi)，下并聯(lián)盤(pán)形凸輪裝在直角減速電機(jī)輸出軸上；電機(jī)回轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)曲柄及和曲柄固接在一起的下并聯(lián)盤(pán)形凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)下機(jī)械臂擺動(dòng)，與此同時(shí)帶動(dòng)和連桿聯(lián)接在一起的上移動(dòng)凸輪向下移動(dòng)、推動(dòng)上機(jī)械臂擺動(dòng)，當(dāng)下并聯(lián)盤(pán)形凸輪轉(zhuǎn)過(guò)升程角時(shí)，下機(jī)械手松開(kāi)，與此同時(shí)上移動(dòng)凸輪向下移動(dòng)至空行程、上機(jī)械手抓緊，即狀態(tài)2；電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，此時(shí)上機(jī)械手夾緊、下機(jī)械手松開(kāi)，機(jī)器人下部在電機(jī)的提升拉力下向上移動(dòng)，當(dāng)曲柄和連桿重疊共線時(shí)，機(jī)器人下部被提升到極限位置，即狀態(tài)3；電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，當(dāng)下并聯(lián)盤(pán)形凸輪轉(zhuǎn)過(guò)回程角時(shí)，下機(jī)械手夾緊，與此同時(shí)上移動(dòng)凸輪向上滑過(guò)空行程、上機(jī)械手松開(kāi)，即狀態(tài)4；電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，因?yàn)橄聶C(jī)械手夾緊、上機(jī)械手松開(kāi)，所以機(jī)器人上部在電機(jī)的提升推力下向上移動(dòng)，當(dāng)曲柄和連桿拉直共線時(shí)，機(jī)器人上部提升到極限位置，即狀態(tài)1。，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，機(jī)器人整體向上爬行一次，重復(fù)15就可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)械手之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作和機(jī)器人整體的蠕行爬行。3.3 變直徑桿爬行問(wèn)題的解決純凸輪夾緊機(jī)構(gòu)的不可調(diào)性，成為機(jī)器人爬行變直徑桿的最大障礙，是機(jī)器人設(shè)計(jì)中的”瓶頸”，如何解決變直徑桿的夾緊問(wèn)題，成為此類(lèi)爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)中的突破點(diǎn)。必須采用柔性?shī)A緊機(jī)構(gòu)才能達(dá)到我們預(yù)定的目的，預(yù)緊拉力彈簧夾緊機(jī)構(gòu)就可以很好的實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。圖3.7 凸輪、滾子運(yùn)動(dòng)原理圖如圖3.6所示，當(dāng)需要夾緊的時(shí)候，預(yù)緊彈簧力通過(guò)機(jī)械臂傳動(dòng)使機(jī)械手夾緊在桿體上，當(dāng)需要松開(kāi)的時(shí)候，用凸輪將機(jī)械臂頂開(kāi)使機(jī)械手放松，采用凸輪的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制夾緊爪的動(dòng)作，避免了直接采用凸輪夾緊機(jī)構(gòu)的不可變性。機(jī)器人攀爬桿狀城市建筑時(shí)，隨著凸輪的回轉(zhuǎn)，滾子只在凸輪的遠(yuǎn)休止角處 凸輪大徑 和凸輪接觸。而在其它位置，滾子處于懸空狀態(tài)，如圖3.7所示，黑點(diǎn)虛線所圍區(qū)域?yàn)闈L子的實(shí)際活動(dòng)范圍，滾子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)路線隨著機(jī)器人爬行的桿件直徑尺寸變化而自適應(yīng)，這樣，一個(gè)機(jī)器人就可以依靠彈簧的預(yù)緊力爬行一定尺寸范圍內(nèi)的變直徑桿。3.4 安全穩(wěn)定的工作保障 夾緊力的保證彈簧的設(shè)計(jì)方法研究夾緊力 夾持力 的保證是機(jī)器人夾緊在桿體上和能夠順利爬行的一個(gè)更要保證。在本例中，機(jī)器人夾緊力是依靠預(yù)緊彈簧的拉力提供的，這里就涉及到彈簧的設(shè)計(jì)方法問(wèn)題。滿足 安裝載荷 要求 、安裝長(zhǎng)度、工作載荷 要求 、工作行程、要求剛度、載荷作用次數(shù)、載荷類(lèi)型 等設(shè)計(jì)要求后，即可設(shè)計(jì)出滿足要求的彈簧。在滿足最小彈簧力的條件下，選用材料最細(xì)，中徑最大的彈簧，這樣就可以保證拉緊力的前提下設(shè)計(jì)出來(lái)的彈簧圈數(shù)盡可能的多，也就可以保證彈簧在拉升時(shí)，最大拉緊力盡可能的小。在最理想的狀況下是，彈簧在滿足預(yù)緊拉力的情況下，彈簧拉伸后，彈簧拉力不變，但是在現(xiàn)在普通的機(jī)械彈簧式實(shí)現(xiàn)不了這一要求的，這樣就只能選擇最合適的彈簧參數(shù)以滿足彈簧拉力在彈簧拉伸時(shí)，拉力盡可能的變化小。3.4 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在此類(lèi)爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，我們要注意的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是機(jī)構(gòu)的連貫協(xié)調(diào)動(dòng)作的完成，特別是機(jī)械手的協(xié)調(diào)動(dòng)作、機(jī)械手和軀干 曲柄連桿機(jī)構(gòu) 之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作。而機(jī)械手之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作又要依賴(lài)于曲柄連桿機(jī)構(gòu)、凸輪擺桿機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作。在此機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，采用了SolidWorks2010來(lái)進(jìn)行機(jī)器人結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)的確定。特別是上移動(dòng)凸輪和下并聯(lián)盤(pán)形凸輪的設(shè)計(jì)，它們都要依靠曲柄、連桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及工作范圍來(lái)確定尺寸參數(shù)，而曲柄、連桿的尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)又依賴(lài)于它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)構(gòu)整體的尺寸。 電機(jī)的選型及參數(shù)選擇在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，電機(jī)的選擇很重要，對(duì)于爬行機(jī)器人而言，電機(jī)的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)形式都是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要考慮的重要方面。如圖3.6所示機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖中，電機(jī)主軸應(yīng)該垂直下盤(pán)形凸輪安裝。作為一個(gè)爬行機(jī)器人，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，機(jī)器人各部件的相關(guān)參數(shù)如尺寸、形狀等對(duì)機(jī)器人的整體的穩(wěn)定性都有著至關(guān)重要的影響。電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人攀爬的動(dòng)力源和主要部件之一，它的尺寸、形狀也影響到機(jī)器人其它相關(guān)部件的尺寸。從結(jié)構(gòu)的緊湊性方面考慮，在電機(jī)傳動(dòng)軸向上，直角電機(jī)比標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)占用更小的空間。經(jīng)比較選用廈門(mén)精研自動(dòng)化元件生產(chǎn)的直角減速電機(jī) 標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)+直角中實(shí)減速箱 作為機(jī)器人攀爬的動(dòng)力源，如圖3.8所示。該類(lèi)型電機(jī)減速比為1：3-1：180可調(diào)，只需要選擇不同減速比的直角減速箱即可，當(dāng)加上一級(jí)中間減速箱后，減速比可達(dá)1：200-1：1800。只需轉(zhuǎn)換接線開(kāi)關(guān)，電機(jī)即可正反轉(zhuǎn)。功能部件設(shè)計(jì)模塊化，可直接疊加。整個(gè)機(jī)構(gòu)外殼由鋁合金制作，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，密封性、潤(rùn)滑性都比較好。電機(jī)正反轉(zhuǎn)接線如圖3.9所示。將開(kāi)關(guān) sw 切換至 cw 側(cè)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；將開(kāi)關(guān) sw 切換至ccw側(cè)，則電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這里旋轉(zhuǎn)方向是指面對(duì)電機(jī)輸出軸端，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為cw，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為ccw。1.電機(jī)主軸；2.直角中實(shí)減速箱；3.標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)：4.接線盒圖3.8 直角減速電機(jī)圖3.9 電機(jī)正反轉(zhuǎn)接線圖電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人攀爬的動(dòng)力源和主要部件之一，它的結(jié)構(gòu)尺寸也影響到機(jī)器人其他相關(guān)部件的尺寸，直角電機(jī)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)特殊的空間結(jié)構(gòu)尺寸也是筆者選擇它的一個(gè)主要原因。圖3.10 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線在精研電機(jī)的直角減速可逆電機(jī)系列中，各電機(jī)的外形一致，尺寸隨電機(jī)的功率參數(shù)變化不大，電機(jī)各配件基本實(shí)現(xiàn)通用，電機(jī)的組裝簡(jiǎn)單，在某部分出現(xiàn)故障時(shí)也可迅速更換或維修，節(jié)約工作時(shí)間和成本，這也是模塊化設(shè)計(jì)的一個(gè)主要原因。初步選用25w直角減速可逆電機(jī)。型號(hào)為80YR25GV22。電機(jī)80YR25GV22轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線如圖3.10所示，日常所用交流電為220V/50HZ，在電機(jī)轉(zhuǎn)速約為0-1000r/min范圍內(nèi)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線近似成線性關(guān)系。 機(jī)器人本體的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，查找國(guó)內(nèi)目前做爬桿機(jī)器人的案例，分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。綜合考證，設(shè)計(jì)出自己的一套可以實(shí)現(xiàn)爬桿功能的機(jī)器人，完成機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后經(jīng)過(guò)多次方案修改完善，變直徑桿攀爬機(jī)器人的機(jī)械空間結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)如圖4.4所示。1.電機(jī)連接件；2.導(dǎo)桿 右 ；3.上機(jī)械手連接臂 左 ；4.上機(jī)械手連接臂 右 ；5.機(jī)械手；6.橡膠；7.導(dǎo)桿 左 ；8.滑套；9.移動(dòng)凸輪；10.彈簧；11.連桿；12.曲柄；13.并聯(lián)盤(pán)形凸輪 左 ；14.并聯(lián)盤(pán)形凸輪 右 ；15.彈簧；16.下機(jī)械手連接臂 左 ；17.下機(jī)械手連接臂 右 ；18.電機(jī)。圖3.11 機(jī)器人爬行部分外觀圖爬行部分主體結(jié)構(gòu)為2根長(zhǎng)約為400mm的鋁合金管 具體尺寸可隨時(shí)在模型中修改，批量生產(chǎn)可以用硬塑料管代替 作為機(jī)架和機(jī)器人上部滑動(dòng)的導(dǎo)桿 2 、 7 ，同時(shí)作為旋轉(zhuǎn)部分的軸，結(jié)構(gòu)緊湊、零件多功能。以導(dǎo)桿 2 、 7 為轉(zhuǎn)動(dòng)軸和固定支架，其上下分別設(shè)置有上、下機(jī)械手連接臂 3 、 4 、 16 、 17 ，兩對(duì)機(jī)械手連接臂 3 、 4 、 16 、 17 以剪刀方式交叉安裝，以導(dǎo)桿 2 、 7 為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其上裝有機(jī)械手 5 ，分別為上、下機(jī)械手；在上、下機(jī)械手連接臂 3 、 4 、 16 、 17 的另一端分別設(shè)置有預(yù)緊拉力彈簧 10 、 15 。預(yù)緊拉力彈簧 10 、 15 的作用是使機(jī)械手 5 產(chǎn)生足夠的摩擦力抱緊立柱。在導(dǎo)桿 2 、 7 的下部設(shè)置有電機(jī) 18 ，其輸出軸上安裝有并聯(lián)盤(pán)形凸輪 13 、 14 和曲柄 12 。曲柄 12 通過(guò)連桿 11 與移動(dòng)凸輪 9 相連。上機(jī)械手連接臂 3 、 4 裝在滑套 8 上，上機(jī)械手連接臂 3 、 4 又和移動(dòng)凸輪 9 組成 移動(dòng) 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)上部的 移動(dòng) 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的上升和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。凸輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩套凸輪擺桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其中：一套由上機(jī)械手連接臂 3 、 4 和移動(dòng)凸輪 9 構(gòu)成，一套由下機(jī)械手連接臂 16 、 17 和并聯(lián)盤(pán)形凸輪 13 、 14 構(gòu)成，它們分別裝在導(dǎo)桿 2 、 7 的上、下部；通過(guò)曲柄 12 、連桿 11 將并聯(lián)盤(pán)形凸輪 13 、 14 、移動(dòng)凸輪 9 連接起來(lái)，使整個(gè)機(jī)構(gòu)形成一個(gè)整體，上部的擺桿機(jī)構(gòu)在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用下可以沿導(dǎo)桿 2 、 7 上下移動(dòng)。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，上、下機(jī)械手連接臂 3 、 4 、 16 、 17 擺動(dòng)并帶動(dòng)機(jī)械手 5 實(shí)現(xiàn)依次夾緊和放松的聯(lián)動(dòng)。減速電機(jī) 18 的回轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)曲柄 12 及和曲柄 12 固接在一起的并聯(lián)盤(pán)形凸輪 13 、 14 轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)下機(jī)械手連接臂 16 、 17 擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)下機(jī)械手 5 的抓緊和松開(kāi)；與此同時(shí)帶動(dòng)與連桿 11 固接在一起的移動(dòng)凸輪 9 上下移動(dòng)，推動(dòng)上機(jī)械手連接臂 3 、 4 擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上機(jī)械手 5 的抓緊和松開(kāi)；最終準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)機(jī)械手 5 的要求的協(xié)調(diào)動(dòng)作和機(jī)構(gòu)整體的蠕行式爬行。 抓緊機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定如節(jié)4.1中所述，作為管外爬行機(jī)器人，結(jié)構(gòu)的緊湊性顯得很重要，這就要求我在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一定要盡量壓縮空間，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、穩(wěn)定的零部件，在滿足要求的前提下，總裝在一起的各零件之間的空間間隔應(yīng)盡可能小。減速電機(jī)作為機(jī)器人上質(zhì)量最大的零部件，它的安裝位置對(duì)機(jī)器人整體穩(wěn)定性有著重大的影響。電機(jī)安裝位置如圖3.12所示。圖3.12 電機(jī)、導(dǎo)桿位置尺寸關(guān)系上、下機(jī)械手連接臂裝在導(dǎo)桿上，以導(dǎo)桿為旋轉(zhuǎn)軸，在預(yù)緊拉力彈簧拉力的作用下有夾緊的趨勢(shì)，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)下盤(pán)形凸輪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在擺桿擺動(dòng)的同時(shí)，裝在擺桿機(jī)構(gòu)上的滾子就在凸輪上做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)。當(dāng)凸輪大徑和滾子接觸時(shí)，機(jī)械手連接臂 剪刀角 角度張大，機(jī)械手松開(kāi)立柱。 如圖3.13 a b 圖3.13下機(jī)械手松開(kāi)時(shí)凸輪、滾子位置關(guān)系圖反之，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到凸輪小徑到達(dá)滾子處時(shí)，機(jī)械手連接臂 剪刀角 角度減小，如果機(jī)器人處于爬桿狀態(tài)，則滾子懸空，不和凸輪小徑接觸，黑點(diǎn)虛線所圍區(qū)域?yàn)闈L子的實(shí)際活動(dòng)范圍，滾子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)路線隨著機(jī)器人爬行的桿件直徑尺寸變化而自適應(yīng)，機(jī)械手夾緊立柱。在攀爬桿狀城市建筑直徑范圍為D 140mm時(shí)，機(jī)械手連接臂繞導(dǎo)桿擺動(dòng)角度范圍在4°以?xún)?nèi)，為了給機(jī)器人往桿狀城市建筑上順利安裝 環(huán)抱 留有一定的余量，設(shè)計(jì)機(jī)械手連接臂繞導(dǎo)桿擺動(dòng)角度范圍為8°。機(jī)械手連接臂繞導(dǎo)桿擺動(dòng)角度示意如圖3.14所示，虛線為桿狀城市建筑的直徑范圍，雙點(diǎn)劃線為機(jī)器人在攀爬該直徑范圍時(shí)機(jī)械手和機(jī)械手連接臂鉸接軸的軸心位置所在圓。將機(jī)械手連接臂設(shè)計(jì)成圓弧形是為了更加節(jié)省空間，使機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)顯得更加緊湊。圖3.14 機(jī)械手連接臂繞導(dǎo)桿擺動(dòng)角度示意圖如圖3.15所示，兩個(gè)導(dǎo)桿之間的距離為120mm，已經(jīng)為定值。在初始位置時(shí)，爬桿機(jī)器人的兩個(gè)下機(jī)械手處于夾緊狀態(tài)，其抓緊力是由彈簧提供的，所以其機(jī)械臂設(shè)計(jì)成剪刀的結(jié)構(gòu)形式，以保證在初始位置時(shí)夾緊。機(jī)械臂設(shè)計(jì)成圓弧形狀，一方面是為了節(jié)省空間，使機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)顯得更加緊湊；另一方面，設(shè)計(jì)成圓弧形有利于機(jī)械手的抓緊，機(jī)械手的受力情況比較好。a. 機(jī)械臂三維模型b. 機(jī)械手連接臂設(shè)計(jì)尺寸圖3.15 機(jī)械手連接臂設(shè)計(jì)由于滾子裝在擺桿 機(jī)械手連接臂 上，而擺桿的擺動(dòng)方向垂直于凸輪的運(yùn)動(dòng)平面，滾子在凸輪上走的是曲線環(huán)，這樣凸輪的厚度就和 擺桿 機(jī)械手連接臂的尺寸聯(lián)系在一起、相互影響。其實(shí)在整個(gè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，各部件的尺寸都是相互關(guān)聯(lián)的。在這里，考慮到制造加工的難度，把凸輪擺桿機(jī)構(gòu)中的擺桿分開(kāi)設(shè)計(jì)成機(jī)械手連接臂和滾子連接件。因?yàn)閺B門(mén)精研產(chǎn)直角減速可逆電機(jī)己模塊化，一定功率范圍內(nèi)尺寸一致，機(jī)器人攀爬桿狀城市建筑直徑范圍確定之后，確定好電機(jī)相對(duì)導(dǎo)桿的安裝位置如圖4.5所示，即可聯(lián)合設(shè)計(jì)凸輪、機(jī)械手連接臂、滾子連接件的尺寸。凸輪的設(shè)計(jì)一定要保證滾子曲線全部在凸輪的寬度范圍內(nèi)，用Solidworks2010建模的一個(gè)好處就是可以運(yùn)動(dòng)模擬仿真、隨時(shí)動(dòng)態(tài)修改模型尺寸參數(shù)。上、下凸輪機(jī)構(gòu)均采用此方案設(shè)計(jì)即可。在凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，滾子的半徑的選擇也很主要，要保證從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)不失真，應(yīng)要求滾子的半徑盡量小。對(duì)于力封閉直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)，回程壓力角可相對(duì)大些。綜合動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)出機(jī)械手連接臂、滾子連接件和凸輪的尺寸。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定機(jī)器人各機(jī)構(gòu)之間不能有干涉，在用SolidWorks2010建模裝配后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，如果有零件裝配干涉或者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生干涉，模擬軟件就會(huì)有報(bào)警提示，這樣就可以很容易發(fā)現(xiàn)發(fā)生干涉的部分。曲柄、連桿的尺寸和電機(jī)結(jié)構(gòu)、尺寸之間有著緊密的聯(lián)系，利用SolidWorks2010就可以很容易得到曲柄連桿機(jī)構(gòu)中曲柄、連桿之間的長(zhǎng)度關(guān)系。傳統(tǒng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，一般取時(shí)為搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。的機(jī)構(gòu)傳力特性好。r曲柄長(zhǎng)度；l連桿長(zhǎng)度，e偏心距。本例中，無(wú)偏心，e 0。如上所述，機(jī)器人各機(jī)構(gòu)之間不能有干涉，滑塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不能觸及電機(jī)的頂端，它們的前提是：mm 3.1 在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)考慮的一個(gè)重要因素是結(jié)構(gòu)的緊湊。在這里，預(yù)選曲柄長(zhǎng)r 60mm、連桿長(zhǎng)l 220mm，加上滑塊 上移動(dòng)凸輪 的尺寸補(bǔ)償，這樣就可以滿足式 3.1 的要求。曲柄滑塊等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸如圖3.16所示。圖3.16 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸在本機(jī)器人凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，我們首要應(yīng)該保證的是凸輪的升程壓力角和遠(yuǎn)休止角，回程壓力角在安全范圍內(nèi)可以選擇盡可能大，這樣回程角就可以盡可能小。曲柄、連桿的長(zhǎng)度和下并聯(lián)盤(pán)形凸輪的尺寸參數(shù)確定后，就可以設(shè)計(jì)上移動(dòng)凸輪的相關(guān)尺寸了，因?yàn)闄C(jī)器人在攀爬的過(guò)程中要保證有且只有一對(duì)機(jī)械手一直處于夾緊狀態(tài) 在機(jī)械手抓緊狀態(tài)換置時(shí)可以2對(duì)機(jī)械手同時(shí)抓緊 ，所以對(duì)于一定直徑范圍內(nèi)的路燈桿，下并聯(lián)盤(pán)形凸輪的升程角是一個(gè)范圍。而在回轉(zhuǎn)凸輪擺桿機(jī)構(gòu)的滾子行過(guò)凸輪升程角時(shí)，上夾爪應(yīng)處于松開(kāi)狀態(tài)，上移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)應(yīng)有一個(gè)空行程過(guò)程，對(duì)于變直徑桿爬行而諾言，這個(gè)空行程也是一個(gè)范圍。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)一個(gè)重要的注意點(diǎn)就是在滿足凸輪許用壓力角條件： 的前提下，確定凸輪的升程角和回程角。對(duì)于移動(dòng)從動(dòng)件，升程許用壓力角當(dāng)要求凸輪尺寸盡可能小時(shí)，可取回程時(shí)，通常受力較小且一般無(wú)自鎖，回程許用壓力角。對(duì)于上、下凸輪機(jī)構(gòu)，綜合抓緊機(jī)構(gòu) 上、下機(jī)械手抓緊裝置 和傳動(dòng)裝置中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)即可確定出上、下凸輪機(jī)構(gòu)的尺寸關(guān)系。定好凸輪和導(dǎo)桿的相對(duì)位置關(guān)系，即可綜合設(shè)計(jì)出凸輪的升程S、厚度以及凸輪擺桿機(jī)構(gòu)中的滾子連接件的尺寸。爬桿機(jī)器人是利用彈簧預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)夾緊，在預(yù)緊力一定的情況下，移動(dòng)凸輪和盤(pán)形凸輪的小徑盡量??；而當(dāng)凸輪和移動(dòng)凸輪運(yùn)動(dòng)到大徑處時(shí)，機(jī)械臂擺動(dòng)，帶動(dòng)爪子擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)松開(kāi)動(dòng)作，凸輪大徑盡量大。為了設(shè)計(jì)方便，將盤(pán)形凸輪和移動(dòng)凸輪的大、小徑設(shè)計(jì)為相等的尺寸。S R-r 3.2 計(jì)算得到凸輪的升程S 30mm移動(dòng)凸輪的長(zhǎng)度如何確定呢，在這里就是h的數(shù)值，在這里，移動(dòng)凸輪也有一個(gè)升程壓力角 和升程，和路燈桿的直徑尺寸范圍有關(guān)，必須由路燈桿的直徑尺寸范圍和移動(dòng)凸輪的升程壓力角綜合確定出上移動(dòng)凸輪長(zhǎng)度時(shí)，上移動(dòng)凸輪和下并聯(lián)盤(pán)形凸輪才算是協(xié)調(diào)配合。 如圖3.17 圖3.17 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)示意圖移動(dòng)凸輪的升程和盤(pán)形凸輪的升程相等。凸輪的高度h可