氣缸驅(qū)動爬桿機器人的設(shè)計【說明書+CAD+PROE】

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隨著機器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展以及人們自我安全保護(hù)意識的增強，迫切希望能用機器人代替人工進(jìn)行這些高空危險作業(yè)，從而把人從危險、惡劣、繁重的勞動環(huán)境中解脫出來。開發(fā)能夠?qū)嶋H運用的柱狀爬桿清洗機器人，是很有意義的，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 爬桿清洗機器人的使用將大大降低高層桿狀建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高勞動生產(chǎn)率。本課題旨在開發(fā)設(shè)計一種新型的、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)適用、操作簡便的適用于圓柱狀城市設(shè)施可搭載清洗、維護(hù)設(shè)備的爬桿機器人，用以解決當(dāng)前城鎮(zhèn)中存在的影響城市美觀的公共設(shè)施的清洗、維護(hù)問題。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及存在的問題 機器人是人類新世紀(jì)的偉大發(fā)明之一，是傳統(tǒng)的機構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機科學(xué)、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運行、重復(fù)操作和精度較高的自動化設(shè)備，機器人技術(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)生根本性的變化，而且將對人類的社會生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。機器人產(chǎn)業(yè)己成為當(dāng)代應(yīng)用最廣泛、發(fā)展迅速的高科技產(chǎn)業(yè)之一。機器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個重要分支，將成為21世紀(jì)各國爭奪的經(jīng)濟(jì)技術(shù)的制高點。 1.2.1 機器人的分類 機器人的種類多種多樣，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類:工業(yè)機器人、特種機器人或者分為兩類:制造環(huán)境下的工業(yè)機器人、非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿生機器人。 仿生機器人是未來機器人領(lǐng)域的一個發(fā)展方向，按仿生學(xué)角度來分可分為:蝗螂式爬行機器人、蜘蛛式爬行機器人、蛇形機器人、尺鑊式爬行機器人[1]等。 按驅(qū)動方式來分可分為:氣動爬行機器人、電動爬行機器人和液壓驅(qū)動爬行機器人等。 按行走方式可分為:輪式、履帶式、蠕動式[2]、多足式等。按工作空間來分可分為:管道爬行機器人、壁面爬行機器人、球面爬行機器人、陸地移動機器人、水下機器人、無人飛機、空間機器人等。 按功能用途來分可分為:焊弧爬行機器人、檢測爬行機器人、清洗爬行機器人、提升爬行機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、助殘機器人、巡線爬行機器人、玩具爬行機器人等。 根據(jù)不同的驅(qū)動方式和功能等可以設(shè)計多種不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機器人，如氣動管內(nèi)檢測爬行機器人，電磁吸附多足式爬行機器人、電驅(qū)動壁面焊弧爬行機器人等，每一種形式的爬行機器人都有各自的應(yīng)用特點。 1.2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 爬行機器人[3-5]是機器人大家族中的一員，爬升機器人因為需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動機器人，故爬升機器人是機器人領(lǐng)域的一個重要研究分支，從運動方式上來表征的一種機器人，形式是多種多樣的。 最早開始研究且研究最多的是爬壁機器人[6-7]，適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面[8-9]和大球形表面上的危險作業(yè)。對于管道外壁表面，已有車輪移動形、姿態(tài)可變形、尺鑊形和多關(guān)節(jié)形機器人，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。 國內(nèi)外的學(xué)者很早就對爬行機器人進(jìn)行研究工作，目前，國內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動爬行機構(gòu)主要有電動機械式爬桿機器人、電動液壓式爬桿機器人和氣動蠕行式爬桿機器人[9-11]等。 電動機械式爬行器是由電動機帶動鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降。螺旋運動爬升機器人的爬行動作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動時它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過電動機的正反轉(zhuǎn)該機構(gòu)便可實現(xiàn)上升和下降運動。電動機械式爬桿機器人和螺旋線運動爬桿機器人都是以電動機帶動滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動整個機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作，且機器人總體機構(gòu)較復(fù)雜。 氣動蠕行式爬桿機器人用氣缸驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)交替夾緊和移動，其向上爬行時氣缸動作一個周期的過程為下部氣缸夾緊，上部氣缸松開，提升氣缸活塞桿伸出，上部上升;上部氣缸夾緊，下部氣缸松開，提升氣缸體上升，下部上升。如此反復(fù)，機器人就可以連續(xù)爬行。對于氣動蠕行式爬桿機器人，其上升和下降運動的實現(xiàn)由氣壓控制，需要氣源和氣動控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本較高。 國外有代表性的有東京大學(xué)研制的關(guān)節(jié)型行走機器人，可沿水平或垂直的直桿爬行，能跨越法蘭障礙、平行桿[12]，并可繞T型桿和L型桿爬行。 國內(nèi)比較典型的有上海交通大學(xué)機器人研究所研究開發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護(hù)用氣動蠕動式爬纜機器人[13]，可在各種斜度的纜索上爬行，能完成纜索檢測、清洗等工作，并具有一定的智能性。 清華大學(xué)研發(fā)設(shè)計的爬桿機器人采用自重式鎖緊機構(gòu)，機器人靠自重壓迫鋼球使滑塊(機械手)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)。該機構(gòu)改進(jìn)后可爬升和返回，但需要加上一套氣動控制設(shè)備。目前要實現(xiàn)變直徑桿的爬行和返回則只能依靠氣動蠕行式爬行器來解決，其上升和下降由氣壓控制，設(shè)備成本較高。 電動機械式管外爬行機器人，國內(nèi)比較典型的有陜西科技大學(xué)[14]研制的管外爬桿機器人。 哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的沿桅桿或繩索爬行的機器人[15]，采用曲柄連桿機構(gòu)作為傳動機構(gòu)，機器人是由兩個形狀相似的圓形套筒內(nèi)嵌有一對活動V型卡爪、一對槽型凸輪、鉸鏈、壓力傳感器、連桿、鑲嵌在頂部滑塊四周的檢測儀、電機等零部件構(gòu)成。 1.2.3 目前主要存在的問題 爬行機器人并不少見，但是通常來說，這類機器人大多采用多足來進(jìn)行移動或是使用腹部的摩擦表層來左右扭動前進(jìn)。更主要的是，平常的機器人，因為體積或行動方式的影響，不能到一些特殊的地方進(jìn)行工作，比如說管道，壁面等等特種用途的領(lǐng)域。 由上面敘述可知目前國內(nèi)外所設(shè)計制造的各種電機機械式爬行器均有一個缺陷:它們大多采用凸輪機構(gòu)[16]夾緊，由于凸輪機構(gòu)的不可伸縮性，一個爬行器只能爬行特定直徑的等直徑的桿件。目前要實現(xiàn)變直徑桿的爬行則只能依靠氣動蠕行式爬行器來解決，其上升和下降由氣壓控制，還需要氣源和氣動控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本和維護(hù)費用較高。 目前國內(nèi)外尚沒有在此類爬行機構(gòu)方面的深入研究。鑒于綠色和環(huán)保的需要，因此，有必要研發(fā)和制造一種利用簡單的機械結(jié)構(gòu)來替代繁瑣的氣動設(shè)備實現(xiàn)變直徑桿的攀爬，同時在爬行過程中可攜帶其它清潔能源實現(xiàn)對路燈桿等桿狀城市建筑的清洗作業(yè)的設(shè)備。 1.3 本論文的研究工作 首先查找資料文獻(xiàn)，研究分析國內(nèi)外各種爬桿機器人的結(jié)構(gòu)方案找出它們的優(yōu)缺點。提出爬桿機器人的設(shè)計方案并篩選滿足本論文條件的爬桿機器人。本課題的思路以及研究過程如下： 1）分析爬桿機器人各種結(jié)構(gòu)模型； 2）建立爬桿機器人的結(jié)構(gòu)模型； 3）提出本論文爬行機器人的結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法、設(shè)計準(zhǔn)則； 4）完成爬桿機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計各部件尺寸設(shè)計； 5）零部件的校核計算； 6）爬桿機器人三維圖的繪制。 第二章 爬桿機器人仿生的結(jié)構(gòu)分析研究 2.1 仿生機器人概述 仿生機器人是指模仿生物、從事生物特點工作的機器人。目前在西方國家，機械寵物十分流行，另外，仿麻雀機器人可以擔(dān)任環(huán)境監(jiān)測的任務(wù)，具有廣闊的開發(fā)前景。二十一世紀(jì)人類將進(jìn)入老齡化社會，發(fā)展仿人機器人將彌補年輕勞動力的嚴(yán)重不足，解決老齡化社會的家庭服務(wù)和醫(yī)療等社會問題，并能開辟新的產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造新的就業(yè)機會。 生物在經(jīng)過了千百萬年的進(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)勢和長處。仿生機器人這門學(xué)科產(chǎn)生和存在的前提就在于，生物經(jīng)過了長期的自然選擇進(jìn)化而來，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[17]。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)和對于高精確度、高靈活性、高可靠性、高智能性的目標(biāo)需求則是仿生機器人提出和發(fā)展的客觀動力。 圖2-1 仿生機器人主要研究內(nèi)容 仿生機器人是機器人發(fā)展的最高階段，它既是機器人研究的最初目的，也是機器人發(fā)展的最終目標(biāo)之一。 仿生機器人是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機能的機器人系統(tǒng)[18]。從仿生學(xué)的角度來看，仿生機器人是仿生學(xué)技術(shù)的完美綜合與全面應(yīng)用。從本質(zhì)上來講，所謂“仿生機器人”就是指利用各種光、機、電、液等各種無機元器件和有機功能體相配合所組建起來的在運動機理和行為方式、感知模式和信息處理、控制協(xié)調(diào)和計算推理、能量代謝和材料結(jié)構(gòu)等多方面具有高級生命形態(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)的機器人系統(tǒng)[19]。 人爬樹時（如圖2-2），兩腳夾緊樹桿，兩腿一蹬，兩手抱住樹桿上移，然后兩手抱緊樹桿，收腿提腳上移，一步步向上爬行，這就是本課題所研究的爬桿機器人在生物中找到的例子。 圖2-2 爬樹姿勢 2.2 總體方案分析 欲使機器人在壁面上自由地移動，必須具備兩種功能:貼附功能與移動功能?？偟膩碚f，貼附方式有吸附式和夾持式這兩種，運動移動方式有輪式、履帶式、腿式和蠕動式移動這四類。這些不同的方式可以進(jìn)行多種組合，構(gòu)成多種風(fēng)格不同用途的爬壁機器人。 2.2.1 貼附功能分析 吸附式是通過面接觸方式緊貼于壁面上，夾持式是靠點夾緊在桿上。吸附方式又有真空吸附[20]和電磁吸附[21-22]之分，其中真空吸附式用得比較多，因為它對壁面的要求不十分嚴(yán)格;電磁吸附承載能力大，有很強的適應(yīng)能力，但其應(yīng)用范圍窄，需要桿件壁面含有電磁場可吸附的含鐵、鉆、鎳等材料。下面的表2-1是對各種貼附方式的優(yōu)缺點做一個簡單的比較。 夾持式的貼附方式是運用機械手臂，由機械手的夾緊力產(chǎn)生的摩擦力使機械手夾緊在桿體上，這種方式的優(yōu)點是能夠適應(yīng)任何壁面，對工作環(huán)境沒什么特殊要求。 吸附式有真空吸附和電磁吸附兩種，真空吸附又分為使用真空泵吸附和噴射器吸附兩種，電磁吸附方式大致有永磁體吸附和電磁體吸附兩種，下面在表2-1中列出做一些比較介紹。 表2-1 貼附方式的比較 貼附方式 概要 特點 夾持式 機械手 由夾緊力產(chǎn)生的摩擦力使機械手夾緊在桿體上 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，由真空泵裝置產(chǎn)生吸附力，使機器人吸附在壁面上 可實現(xiàn)小型、輕量化，無需附加供氣裝置，但要求壁面有一定的平滑度 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，其周圍形成真空，吸附在壁面上 能效低、噪音大，且需要供氣裝置，但對壁面的適應(yīng)能力強 電磁吸附 永磁體 由永磁體產(chǎn)生吸附力，吸在壁面上 吸附時不需要外部能量，但只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附 電磁體 電磁體通電將其吸附在壁面上 吸附時需要電能，也只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附 真空泵吸附是在吸盤上設(shè)置許多小的吸盤，由真空泵裝置產(chǎn)生吸附力，是機器人吸附在壁面上，其特點是可以實現(xiàn)小型化、輕量化，但是對工作環(huán)境有一定要求，壁面必須有一定的平滑度。噴射器吸附是在機器人機構(gòu)上安裝噴嘴，由噴射器將空氣壓縮再經(jīng)噴嘴噴出，使周圍形成真空，從而吸附在壁面上，這種形式的機器人可以達(dá)到很高的真空度，對壁面的適應(yīng)能力也很強，但是工作噪音大，能效低，而且需要供氣裝置。 永磁體吸附的方式是由永磁體產(chǎn)生吸附力，吸在壁面上，吸附時不需要提供外部能源，但是只適用于導(dǎo)磁的壁面的吸附。電磁體吸附方式是將電磁鐵通電使其吸附在壁面上，與永磁體吸附方式不同的是這種方式需要電能，而且可以控制磁體的通電，也是只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附。 2.2.2 移動功能分析 在設(shè)計移動機器人系統(tǒng)時，首先應(yīng)考慮機器人的用途，因為不同的用途，移動機器人的移動機構(gòu)是不同的。此外，還應(yīng)考慮機器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機動性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費用等。作為桿件爬行機器人，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)研究，也有很多種移動方式可供選擇，對于各種移動方案優(yōu)缺點的比較如下： 輪式的移動速度快，容易實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，控制也方便，但是與壁面的接觸面積小，容易打滑，越障能力較差。 履帶式的接觸面積大，承載能力大，移動速度相對其他方案快，對不同壁面的適應(yīng)能力強，但是履帶的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機動性能差，工作時的磨損比較大。 腿式的機構(gòu)越障能力強，承載能力也大，機動性能比較好，擁有很強的壁面適應(yīng)能力，但是結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，因為是間歇運動故速度慢，關(guān)節(jié)和各個腿腳的控制復(fù)雜。 蠕動式機構(gòu)的承載能力大，運動平穩(wěn)，適應(yīng)各種環(huán)境的能力比較強，控制也簡便，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且運動速度也比較慢。 要求所要設(shè)計的這種爬行機器人，它的工作對象為各種型號的城市桿狀建筑，要求有一定的承載能力、接觸面積小、速度適中，適應(yīng)能力強，能夠跨越一般的障礙物。通過比較各種方案，決定使用一種氣缸驅(qū)動爬桿機構(gòu)設(shè)計方案，該方案能基本滿足課題所設(shè)定的工作狀況。在爬行機器人結(jié)構(gòu)中這種爬行結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點，可實現(xiàn)在運動方向上任意長的距離提升重物，較同功能的其它機構(gòu)，能獲得更大的鎖緊力，從而可傳送較重的物體，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行平穩(wěn)，控制簡便，還可以根據(jù)使用要求，作各種變形設(shè)計。 2.3 本章小結(jié) 本章主要談及機器人的運動原理—仿生及攀爬中的若干問題。第一節(jié)簡要的概述了一下仿生機器人的起源和發(fā)展以及它的一個主要研究內(nèi)容，第二節(jié)對機器人的各種貼附方案和移動方案進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和比較，并簡要的介紹了下本論文所需要研究爬桿機器人在這方面的要求等。 第三章 爬桿機器人的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 爬桿機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)計是爬行機器人的核心部分，要求承受一定的負(fù)載并能保持穩(wěn)定的爬行動作。因此首要的目標(biāo)是使機器人能夠在較長的爬行距離內(nèi)安全可靠的爬行，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的使機器人移動靈活，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，滿足一定的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性要求。 3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 本課題所設(shè)計機器人的運動方式其實是一種蠕動爬行，蠕動是一種周期性的動作，蠕動體的姿態(tài)呈現(xiàn)某種規(guī)律性的變化。我們所設(shè)計的爬桿機器人的本體部分主要由三個機械單元組成，分為上、下夾緊機構(gòu)和傳動機構(gòu)，傳動機構(gòu)在中間分別與上、下夾緊機構(gòu)相連接。上、下夾緊機構(gòu)分別起著保持夾緊的作用，而軀干部分則起著上下推進(jìn)的作用。 3.2 夾緊裝置分析研究 根據(jù)爬行機器人的運動特點，夾緊機構(gòu)是關(guān)鍵，所產(chǎn)生的夾緊力應(yīng)能保證機器人在單步運動中一端夾緊在桿上，使機器人在單步工作中保持穩(wěn)定，夾緊-放松的運動過程能自如的進(jìn)行。綜合考慮機器人系統(tǒng)工作環(huán)境和性質(zhì)，主要有兩種夾緊方式:機械式裝置和氣 (液)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。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)費用較高。 對夾緊機構(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)簡單、運動可靠、質(zhì)量輕。結(jié)合實際情況，選用機械夾緊裝置，夾緊裝置的主體是一個雙向絲杠，由電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，具有自鎖功能的絲杠產(chǎn)生的軸向力帶動兩個機械手臂相對運動，從而實現(xiàn)對桿體的夾緊。 3.3 爬升動力系統(tǒng)分析研究 目前對于機器人的動力系統(tǒng)有多種不同的選擇方案，可以采用液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動等不同的方式[23-24] 。不同的動力系統(tǒng)適用不同的工作環(huán)境，按照具體的要求來選擇合適的動力達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。表3-2為不同的驅(qū)動方式的性能對照表。 表3-1 驅(qū)動方式性能對照表 項目 技術(shù)要求 動作速度 穩(wěn)定性 驅(qū)動力 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 較低 較快 較差 中等 適應(yīng)性好 中等 便宜 簡單 簡單 容易 液壓驅(qū)動 較高 較慢 良好 最大 不怕振動 短 較貴 稍復(fù)雜 較高 容易 電氣驅(qū)動 較低 慢 很好 較大 一般 短 一般 復(fù)雜 簡單 困難 液壓驅(qū)動系統(tǒng)一般使用2-15MPa的油液驅(qū)動，能夠產(chǎn)生很大的驅(qū)動力，但是其系統(tǒng)體積大，比較笨重，工作中有漏油的問題，而且維護(hù)起來比較麻煩，故不適合在本系統(tǒng)中使用。 電氣驅(qū)動是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動負(fù)載，直接獲得所需要求的機器人運動。電氣驅(qū)動具有易于控制，運動精度高，響應(yīng)快，使用方便，信號監(jiān)測、傳遞和處理方便，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點，但是其動作速度慢，總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，速度調(diào)整起來比較困難而且工作距離短，所以也沒有選用電氣驅(qū)動的方式。 氣壓驅(qū)動使用壓力通常在 0.4-0.6MPa，最高可達(dá)1MPa。氣壓驅(qū)動響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便,價格便宜，使用維護(hù)起來相對液壓驅(qū)動簡單許多，綜合上面各個方案的優(yōu)缺點，考慮到經(jīng)濟(jì)性、可靠性等多個方面，選擇氣缸驅(qū)動的方式來實現(xiàn)機器人的上下攀爬運動。 3.4 爬桿機器人運動原理 爬桿機器人的總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。 結(jié)合圖3-1可以看出，機器人的爬行動作原理可分為以下6步： 1） 下電機轉(zhuǎn)動，帶動下絲杠旋轉(zhuǎn)，使手臂夾緊在圓柱桿上。 2） 上電機轉(zhuǎn)動，帶動上絲杠旋轉(zhuǎn)，讓上手臂松開。 3） 氣缸向上推動，運動到指定位置后，停止運動保持。 4） 上電機轉(zhuǎn)動，帶動上絲杠旋轉(zhuǎn)，讓上手臂夾緊桿子。 5） 下電機轉(zhuǎn)動，帶動下絲杠旋轉(zhuǎn)，使手臂松開圓柱桿。 6） 氣缸收回，帶動機器人下部分向上運動。 圖3-1 爬桿機器人總體結(jié)構(gòu) 上述為爬桿機器人的一個運動周期，每運行一個周期，機器人整體向上爬行一次，重復(fù)上面6個步驟就可以實現(xiàn)機器人機械手之間的協(xié)調(diào)動作和機器人整體的攀爬運動。 3.5 本章小結(jié) 本章主要介紹了爬桿機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，第一節(jié)提出了機器人的大致總體結(jié)構(gòu)構(gòu)想，第二節(jié)對比分析了機械式和氣、液壓式夾緊裝置，第三節(jié)對動力爬升系統(tǒng)進(jìn)行了具體分析研究，第四節(jié)闡述了爬桿機器人的工作原理。 第四章 主體尺寸參數(shù)的設(shè)計校核 4.1 爬桿機器人各零部件的尺寸估算設(shè)計 在估算零件質(zhì)量的過程中，忽略小孔及倒角、圓角，對絲杠作光桿處理，尺寸按較大方向來選取。 4.1.1 底板 為了減輕機器人的質(zhì)量又能夠達(dá)到工作所需要的強度，選用底板材料為鋁合金，密度，底板結(jié)構(gòu)及尺寸如圖4-1所示： 圖4-1 底板 厚度為15mm，估算底板的質(zhì)量 (4.1) (4.2) 4.1.2絲杠 要求所設(shè)計機構(gòu)能夠適應(yīng)完成10—30cm圓柱體的攀爬運動，經(jīng)過設(shè)計計算初步將絲杠工作長度設(shè)計成150mm，直徑32mm，兩端長度各為40mm，直徑20mm，絲杠材料選擇調(diào)質(zhì)45號鋼，密度，彈性模量為196~206Gpa，絲杠結(jié)構(gòu)如圖4-2所示： 圖4-2 絲杠 估算絲杠的質(zhì)量： (4.3) 4.1.3 夾緊手臂 手臂材料選擇鋼材，密度； 夾爪于手臂之間用螺釘連接，其結(jié)構(gòu)如圖4-3所示： 圖4-3 手臂 (4.4) (4.5) 4.1.4 電機 電機質(zhì)量估算4000g 4.1.5 估算上部分總質(zhì)量 機器人上部分總質(zhì)量： (4.6) 還有齒輪以及一些小零件（螺栓、橡膠片、聯(lián)軸器等）估取 4.1.6 氣缸 根據(jù)工作所需力的大小來確定活塞桿上的推力和拉力。由此來選擇氣缸時應(yīng)使氣缸的輸出力稍有余量。若缸徑選小了，輸出力不夠，氣缸不能正常工作；但缸徑過大，不僅使設(shè)備笨重、成本高，同時耗氣量增大，造成能源浪費。 下面是氣缸理論力的計算公式： (4.7) 氣缸的工作效率為85%，則氣缸理論輸出力： (4.8) 設(shè)氣源壓力為0.5Mpa，則； 計算得出； 查機械設(shè)計手冊，選擇QM系列氣缸，氣缸直徑為25mm，氣缸的結(jié)構(gòu)及安裝尺寸如圖4-4所示。 圖4-4 氣缸 基本尺寸如下（mm）： 缸徑: 25 MM: M10×1.25 NN: M27×2 PP: ZG1/8 A: 22 B: 15 C: 58 D: 37.7 E: 34 L: 120 4.1.7 估算整體質(zhì)量 (4.9) 估算選取。 4.1.8 計算工作所需夾緊力 摩擦材料選擇橡膠，橡膠對鑄鐵摩擦系數(shù) ，,； (4.10) 所以工作所需夾緊力為225N。 4.1.9 電機的選擇計算與定型 電動機俗稱馬達(dá)，是一種將電能轉(zhuǎn)化成機械能，并可再使用機械能產(chǎn)生動能，用來驅(qū)動其他裝置的電氣設(shè)備。它是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的一種機器。通常電動機的做功部分作旋轉(zhuǎn)運動，這種電動機稱為轉(zhuǎn)子電動機；也有作直線運動的，稱為直線電動機。電動機能提供的功率范圍很大，從毫瓦級到萬千瓦級。電動機的使用和控制非常方便，具有自起動 、加速、制動、反轉(zhuǎn)、掣住等能力，能滿足各種運行要求；電動機的工作效率較高，又沒有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。由于它的一系列優(yōu)點，所以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設(shè)備等各方面廣泛應(yīng)用。 下面進(jìn)行電機的計算選型，上文經(jīng)過估算已近計算得出，工作所需的夾緊力為225N,則 (4.11) (4.12) 計算工作所需電機轉(zhuǎn)矩： (4.13) 圖4-5 電動機 根據(jù)轉(zhuǎn)矩查相關(guān)機械手冊，選取電機型號40YB01電機+標(biāo)準(zhǔn)減速箱； 電機額定轉(zhuǎn)速為260r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1.3，質(zhì)量4kg；外形、尺寸如圖4-5所示。 4.2 滑動螺旋絲杠傳動的設(shè)計計算及校核 螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動，同時傳遞運動或動力。螺旋傳動根據(jù)螺紋副的摩擦情況，可以分為三類：滑動螺旋，滾動螺旋和靜壓螺旋?；瑒勇菪龢?gòu)造簡單、加工方便、易于自鎖、但摩擦大、效率低（一般為 30%-40%） 、磨損快，低速時可能爬行，定位精度和軸向剛度較差。靜壓螺旋實際上是采用靜壓流體潤滑的滑動螺旋。靜壓螺旋傳動效率可達(dá) 99%，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要供油系統(tǒng)。滾珠絲杠傳動是滾動螺旋傳動的一種，其運動平穩(wěn)，傳動效率高，精度也很高，但結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜且價格較貴。綜合起來看，本課題爬桿機器人的精度要求并不是很高，鑒于構(gòu)造簡單及經(jīng)濟(jì)性原則，選擇滑動螺旋傳動來實現(xiàn)。 滑動螺旋傳動的主要失效形式是螺紋磨損，因此螺桿的直徑和螺母的高度通常是根據(jù)耐磨性計算確定。傳力螺旋應(yīng)校核螺桿危險截面的強度，青銅或鑄鐵螺母以及承受重載的調(diào)整螺旋應(yīng)校核螺紋牙的剪切和彎曲強度。要求自鎖的螺桿應(yīng)校核其自鎖性。精密的傳導(dǎo)螺旋應(yīng)校核螺桿的剛度。當(dāng)螺桿受壓力，其長徑比又很大時，容易產(chǎn)生側(cè)向彎曲，應(yīng)校核其穩(wěn)定性，較長的螺桿而轉(zhuǎn)速又較高時，可能產(chǎn)生橫向振動，還應(yīng)校核他的臨界轉(zhuǎn)速。 調(diào)整螺旋和部分傳力螺旋要求自鎖時，一般采用單頭螺紋；為了提高傳動效率以及要求較高的直線運動速度，可采用多頭螺紋，以得到較大的螺紋升角和導(dǎo)程。 4.2.1 傳動螺紋選擇 梯形螺紋工藝性好，切牙根強度高，對中性好，是最常用的傳動螺紋，傳動螺紋選用梯形螺紋，牙型為等腰梯形，牙型角=30，高徑比=1.5。 4.2.2 耐磨性計算及選材 絲杠材料選用45號鋼，螺母材料同樣也選用45鋼。查表得，許用壓力=7.5~13Mpa，選擇=8Mpa，摩擦因數(shù)為0.11~0.17，選擇f=0.12，從耐磨觀點計算所需的中徑， 27.3mm (4.14) 根據(jù)（GB/T 5796.1~5796.3—1986）選擇絲杠標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑d=32mm. 絲杠螺距P=6mm，牙頂間隙=0.5mm，中徑29mm，=25mm 。 螺母高度H==1.529=43.5mm，圓整成整數(shù)為44mm。螺母旋合圈數(shù)n=H/P=44/6=7.33， n10-12，滿足條件。 4.2.3 校核驗算 (1) 自鎖性驗算： 要求自鎖時，當(dāng)量摩擦角； =arctan(f/cos)= arctan(0.12/cos15)=8.25 (4.15) dtan=3.1432tan8.25=14.57mm ，符合自鎖條件，可以實現(xiàn)自鎖。 (2) 絲杠強度校核驗算： 在當(dāng)量應(yīng)力時，絲杠強度通過。 查表計算得，許用拉應(yīng)力： (4.16) ，絲杠強度驗算通過。 (3) 螺母螺牙強度校核驗算： 查機械手冊得，許用彎曲應(yīng)力： (4.17) 許用切應(yīng)力 (4.18) 梯形螺紋螺牙根部寬度b： (4.19) 梯形螺紋螺紋的工作高度： (4.20) 螺牙切應(yīng)力的計算： 絲杠 (4.21) 螺母 (4.22) 絲杠彎曲應(yīng)力的計算： 絲杠 (4.23) 螺母 (4.24) 絲杠切應(yīng)力，螺母切應(yīng)力，絲杠彎曲應(yīng)力，螺母彎曲應(yīng)力；螺母螺牙強度校核通過。 (4) 穩(wěn)定性校核： 計算細(xì)長比 查機械手冊得，長度系數(shù) (4.25) ，符合要求，故無需校核絲杠的穩(wěn)定性。 4.3 齒輪傳動設(shè)計 齒輪傳動是指用主、從動輪輪齒直接、傳遞運動和動力的裝置。齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動。按齒輪軸線的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動、相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長等特點。在所有的機械傳動中，齒輪傳動應(yīng)用最廣，可用來傳遞相對位置不遠(yuǎn)的兩軸之間的運動和動力。 　　齒輪傳動的特點是：齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳遞功率可以從很小至幾十萬千瓦；速度最高可達(dá)300m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至二十多米。但是制造齒輪需要有專門的設(shè)備，嚙合傳動會產(chǎn)生噪聲。 4.3.1 選定齒輪類型、精度、材料及齒數(shù) （1）按工作要求，選用直齒圓柱齒輪傳動。 （2）大小齒輪的材料選用40Cr，表面淬火，表面硬度為HRC48-55。 （3）因為表面淬火，輪齒變形小，采用七級精度。 （4）試選小齒輪齒數(shù)，。 4.3.2 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 根據(jù)設(shè)計公式進(jìn)行試算，即 (4.26) 確定上式中個參數(shù) ① 試選載荷系數(shù)； ② 小齒輪傳遞的扭矩為 ③ 查表，選齒寬系數(shù)； ④ 查表，得彈性影響系數(shù)； ⑤ 按齒面硬度中間值HRC52，查得大、小齒輪的接觸疲勞強度極限為： ⑥ 重合度系數(shù)，斷面重合度： (4.27) (4.28) ⑦ 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： (4.29) (4.30) ⑧ 查圖，得接觸疲勞壽命系數(shù)： ，； ⑨ 計算接觸疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)，則 (4.31) (4.32) 計算： ① 設(shè)計公式中帶入中較小的值，得 (4.33) ② 計算小齒輪分度圓圓周速度： (4.34) ③ 計算齒寬： (4.35) ④ 計算齒寬與齒高之比： 模數(shù) (4.36) 齒高 (4.37) ⑤ 計算載荷系數(shù)： 查圖，由，7級精度，得； 查表，得，，，； 故，載荷系數(shù)： (4.38) ⑥ 計算模數(shù)： (4.39) 4.3.3 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計計算 設(shè)計公式為： (4.40) （1） 確定設(shè)計公式中的參數(shù) ① 查圖，得大、小齒輪的彎曲疲勞強度極限： ; ② 查圖，得彎曲疲勞壽命系數(shù)： ,; ③ 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力： 取安全系數(shù)S=1.4,則 (4.41) (4.42) ④ 計算載荷系數(shù)： (4.43) ⑤ 查表，得齒形系數(shù)： ，； ⑥ 查表，得應(yīng)力校正系數(shù)： ，； ⑦ 計算重合度系數(shù)： (4.44) ⑧ 計算大小齒輪的的值 (4.45) (4.46) 所以，小齒輪的彎曲強度較弱。 （2） 計算齒輪模數(shù) 設(shè)計計算中帶入的較大值，得 (4.47) 就近圓整模數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值，；取 則， 4.3.4 幾何尺寸計算 （1）計算分度圓直徑： (4.48) （2）計算中心距： (4.49) （3）計算齒輪寬度： (4.50) ， 4.4 軸承的選用 手臂在導(dǎo)桿上滑動時會產(chǎn)生很大的摩擦力，大大降低爬桿機器人工作時的工作效率，有的時候還會出現(xiàn)卡死的情況，影響機器人的正常工作，手臂與導(dǎo)桿還會有嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，增加了維護(hù)成本，降低了機器人的工作壽命。 鑒于以上情況，特在手臂與導(dǎo)桿之間加上一個軸承，來減小導(dǎo)桿與手臂的摩擦力，增加機器人的工作穩(wěn)定性和使用壽命，由于導(dǎo)桿和手臂是相對的軸向移動，所以在這邊選用直線軸承。 4.4.1 直線軸承介紹 直線軸承（圖4-6）是一種以低成本生產(chǎn)的直線運動系統(tǒng)，用于無限行程與圓柱軸配合使用。由于承載球與軸呈點接觸，故使用載荷小。鋼球以極小的摩擦阻力旋轉(zhuǎn)，從而能獲得高精度的平穩(wěn)運動。 直線軸承是與淬火直線傳動軸配合使用，作無限直線運動的系統(tǒng)。負(fù)荷滾珠和淬火傳動軸因為是點接觸，容許載荷較小，但直線運動時，摩擦阻力最小，精度高，運動快捷。 圖4-6 直線軸承 直線軸承可分為標(biāo)準(zhǔn)型直線軸承、間隙調(diào)整型直線軸承、開口型直線軸承、加長型直線軸承、通用性直線軸承這些類型。 4.4.2 直線軸承的選用 根據(jù)手臂和導(dǎo)桿的尺寸，查找機械手冊，選擇型號為LB203245的開口型直線軸承，其內(nèi)徑為20mm，外徑為32mm，寬度為45mm。 4.5 聯(lián)軸器 聯(lián)軸器是連接兩軸或軸和回轉(zhuǎn)件，在傳遞轉(zhuǎn)矩和運動過程中一同回轉(zhuǎn)而不脫開的一種裝置，在傳動過程中不改變轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)矩的大小，這是各類聯(lián)軸器的共性功能。聯(lián)軸器連接的兩軸，由于制造及安裝誤差，承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證嚴(yán)格的對中，而是存在著某種程度的相對位移。 本裝置是將兩根絲杠用聯(lián)軸器連接起來，保證它們在電機帶動下，同步轉(zhuǎn)動，傳遞相同大小的扭矩，從而帶動兩只手臂相對同步直線運動，來夾緊圓柱狀物體，實現(xiàn)攀爬運動。 聯(lián)軸器的固定方式有如下幾種： （1）定位螺絲固定：兩個定位螺絲間隔 90°對所固定的軸進(jìn)行鎖緊，是一種傳統(tǒng)的固定方式。 （2）夾緊螺絲固定：利用內(nèi)六角螺栓擰緊的力量，使狹縫收縮，而將軸心緊緊夾持住。 （3）鍵槽型：這種類型與定位螺絲固定型一樣，是一種最傳統(tǒng)的固定方式，適合高扭矩的傳動，為防止軸向滑動，通常與定位螺絲固定型、夾緊螺絲固定型并用。 （4）復(fù)合固定方式：在聯(lián)軸器的固定中，采用兩種固定方式來進(jìn)行聯(lián)接固定稱為復(fù)合固定方式。 查閱機械設(shè)計手冊，根據(jù)傳遞的扭矩以及絲杠小端直徑大小，選擇圓錐銷套筒聯(lián)軸器，其結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，徑向尺寸小，成本較低，用于兩軸直徑相同的圓柱形軸伸，符合本機構(gòu)的工作，其結(jié)構(gòu)如圖4-7所示： 圖 4-7 聯(lián)軸器 一些基本尺寸如下： 軸直徑d(H7): 20mm 許用轉(zhuǎn)矩:90(N·m) Do: 35mm L: 60mm l: 15mm C: 1.0mm C1: 1.0mm 圓錐銷GB/T 117-2000: 6×35mm 4.6 本章小結(jié) 本章主要詳細(xì)介紹了機器人本體的設(shè)計和尺寸參數(shù)的界定，設(shè)計并校核了齒輪傳動，絲杠傳動，根據(jù)設(shè)計出的零件的尺寸選定了直線軸承和聯(lián)軸器，完成了對電動機和氣缸的選型。 結(jié) 論 該機器人運用了簡單的反向絲杠夾緊機構(gòu)，以電機作為夾緊驅(qū)動，采用氣缸來提供爬升動力，兩者在選材上都很方便，而且在設(shè)計時選用了材質(zhì)較為輕盈的鋁材作為結(jié)構(gòu)材料，減輕了機器人的重量，使其更大效率的利用氣缸的功率，也具有良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。在設(shè)計中，設(shè)計的動作方案很好的保證了機器人整體的協(xié)調(diào)動作。 該機器人只是一個工作平臺，結(jié)構(gòu)簡單、組裝靈活，我們可以根據(jù)實際工作需求，在機器人上搭載不同的工作機構(gòu)，就可以在桿狀城市建筑上完成多種高空作業(yè)，實現(xiàn)一些復(fù)雜的功能，具有使用價值高，應(yīng)用范圍廣，可推廣性強。 但是在設(shè)計中由于時間和精力有限還存在一些缺陷和遺憾，機械夾緊手臂還需要優(yōu)化和完善，目前的方案夾緊速度不快，影響到了機器人的整體爬升速度，而且人工控制起來比較麻煩，在不大幅度改變機器人現(xiàn)有機械結(jié)構(gòu)的前提下，增加智能控制部分，使之成為一個智能型機器人，可以適應(yīng)復(fù)雜工況的要求也提高工作效率。 可以進(jìn)行搭載平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使之成為一個正真意義上的搭載平臺，為城市桿狀建筑的清洗、維護(hù)提供支持。在條件允許的情況下，增加試驗因素，比如路燈桿的清洗測試、抗振測試、以及故障測試等等，并以經(jīng)濟(jì)性、實用性作為試驗指標(biāo)，設(shè)計優(yōu)化機器人結(jié)構(gòu)。 致 謝 本文的研究工作是在我的導(dǎo)師孫中圣老師的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，在我的論文的研究工作中傾注著導(dǎo)師辛勤的汗水和心血。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識使我深受啟迪。導(dǎo)師對于細(xì)節(jié)的重視尤其讓我難忘。從尊敬的導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學(xué)到了做人的道理。在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深的敬意。 在此，向所有關(guān)心和幫助過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)、朋友和家人表示由衷的謝意。 同時，衷心的感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家、教授。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 蔣新松. 機器人學(xué)導(dǎo)論[M]. 遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994. 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