爬桿機器人理論方案設(shè)計說明書

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1、經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流 爬桿機器左磐方案設(shè)計說明書 【經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改】 經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流 11 ++ 爬桿機器人理論方案設(shè)計說明書 學(xué)校名稱: 中國計量學(xué)院 學(xué)生隊長: 學(xué)生隊員: 指導(dǎo)教師: 聯(lián)系方式: 二0 0五年一月 目錄 1 .方案構(gòu)思 1 2 .機械部分 3 3 .電控部分 17 4 .設(shè)計小

2、結(jié) 19 方案構(gòu)思我們通過三個手臂來抓緊桿件再通過手臂上的電機來實現(xiàn)機器人的爬升和下降。 原理上兩個就能實現(xiàn)，但三個手臂是一作聯(lián)結(jié)，二可起穩(wěn)定作用。手臂上升下降是通過齒輪齒條來 實現(xiàn)的。 二.機械部分 1 .機器人的整體裝配圖如下: 我們是通過三個手臂爬桿的，上手臂裝在一個齒條的最上端，并且固定，在具 體設(shè)計時我們可以使上手臂有一定的上下和左右轉(zhuǎn)動范圍，具體的設(shè)計將在下面介 紹。下手臂裝在下桿C比齒條的下端，中間手臂固定在滑梢上，上手臂的上升和下降是通過裝在滑梢上端的電動機帶動齒輪嚙合齒條來實現(xiàn)的 .下手臂的上升和下降是 通過裝在滑梢下端的電動機帶動齒輪嚙合齒條來實現(xiàn)的

3、，中間手臂的升降是通過上 下兩對齒輪齒條反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。 2 .路面行走結(jié)構(gòu) 在地上行走，我們通過裝在下手臂上的三個車輪來實現(xiàn)地面上的行走， 動力由后車輪上的 兩個電機來提供，用兩個電機主要是為了能實現(xiàn)走彎路，具體的三視圖形如下： 2機器手臂的設(shè)計 圖3 機械手的結(jié)構(gòu) 我們設(shè)計的這個機器手采用了曲柄滑塊機構(gòu)， A, B, C點處安裝了橡膠皮，1, 2兩點固定在支撐板上，當(dāng)滑塊 W向前移動時，根據(jù)桿子的結(jié)構(gòu)，A, B, C點將向 中心收縮，產(chǎn)生一個收縮的趨勢，就抓緊桿件。當(dāng)滑塊 W向后移動時，A, B, C點 會張開，即松開桿件。再配

4、合機構(gòu)的移動構(gòu)件，機械手就能很好的實現(xiàn)上升和下降。 在本方案中，由曲柄滑塊機構(gòu)的一系列動作，使機械手實現(xiàn)抱緊松開的動作， 機械手的夾緊依靠滑塊使3個橡膠皮與構(gòu)件緊緊地接觸。在接觸的時間內(nèi)實現(xiàn)另一 個機械手的升降，在松開桿件的時間內(nèi)實現(xiàn)自身的升降。 這兩段時間的長度很難控 制，可以說光靠電機是不可能實現(xiàn)的。此外考慮到機械手垂直夾緊桿件時支撐板所 受的力矩很大，難以鎖住桿件，因此可以改變機械手臂與桿件的角度來減小力矩， 但角度不能太小，太小的話就會使上升的速度變慢，因此角度應(yīng)在 70——80度之 間為好，具體的角度要計算后為準。 機械手臂是這個機器人的主體，在這個設(shè)計過程中我們花了好多時間

5、查閱了很 多資料，最后選用了這個曲柄滑塊機構(gòu)，在設(shè)計時我們想了很多，最初設(shè)計時覺得 , 其中最主要的問題是如何使手臂按我們要求的實現(xiàn)放開和抓緊，特別是時間上 的控制最重要。我們剛開始時想到了凸輪來控制，凸輪能夠?qū)崿F(xiàn)，但是也有缺陷， 就是凸輪的設(shè)計難度較大，時間上的控制也很難，我大致算了一下，如果我的轉(zhuǎn)速 是10r/min ,那么轉(zhuǎn)一圈要六秒，那么抓緊的時間是 3秒，而放開的時間是1.5秒, 那么物體上升的時間很短，難以實現(xiàn)。 后來我們確定用電磁鐵來控制，電磁鐵很容易通過單片機來控制時間， 特別是三個手臂之間的協(xié)調(diào)可以比較準確的控制。 可用電磁鐵也有缺點，就是電磁 鐵的磁性會影響單片機

6、的運行，那樣就會給電機控制帶來問題。但在外面加上一些 防磁場的裝置就會減少影響。因此最后確定用電磁鐵機構(gòu)，這樣在計算少的同時更 容易控制時間以及各方面的協(xié)調(diào)。 電磁鐵手臂的設(shè)計圖及連桿機構(gòu)圖 圖4電磁鐵手臂的設(shè)計 圖5連桿機構(gòu)圖 電磁鐵的工作過程：當(dāng)在地面行走時，通過單片機控制使手臂全都張開，這樣 就能在行進后立刻抓住桿件。抓住后就通過編程來控制使手臂，使三個手臂松開和 抓緊的循環(huán)過程，同時通過電機的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)手臂的上升和下降。 具體的過程如下: 上手臂 中手臂 卜手臂 地面行走過程 松開 松開 松開 上手臂上升 松開 抓緊 抓緊 中手臂上升 抓緊

7、松開 抓緊 下手臂上升 抓緊 抓緊 松開 上手臂上升 松開 抓緊 抓緊 表1機械手臂工作的具體過程 為了實現(xiàn)抓不同直徑的桿件，我們設(shè)計了使裝在滑塊上的兩根桿的長度可以通 過一個滑桿機構(gòu)來改變，就是一根桿放在另一個滑筒內(nèi)，可以抽動來無級改變桿的 長度，然后用一個緊固螺釘來夾緊，結(jié)構(gòu)如下: \ 紫固螺 筒桿釘 圖6 滑桿機構(gòu) 但我們設(shè)計的手臂不能爬無限桿的直徑， 它是有一定的范圍的，而我們設(shè)計的 手臂是可以爬升直徑40到50毫米的任何桿件，只要調(diào)節(jié)兩根桿的長度就能實現(xiàn), 在這我設(shè)計了兩個極限位置的桿件，設(shè)計如下: 考慮到我們設(shè)計機器人是從地面滑行的，因此我們手臂張

8、開時要能夠抓住桿 件，即手臂B, C兩點的距離必須大與桿的直徑，否則就不能進行下一步的運動。 還有我們設(shè)計的手臂上的三點，要分別抓在圓的三等分上，這樣就能更加抓緊桿件, 由于抓不同直徑的桿件時，三個橡膠皮運動的距離是不一樣的， 因此每次都要調(diào)節(jié) 滑塊兩端桿的長度，使三個橡膠皮能同時和桿件接觸抓緊。 根據(jù)圖形我們知道滑塊 移動的距離就是電磁鐵吸引鐵塊的距離，因此當(dāng)桿件是 40毫米時，滑塊移動的距 離是17.03毫米，則電磁鐵和鐵塊之間的長度也是 17.03毫米，桿1的長度為19.07 毫米；當(dāng)直徑是50毫米時滑快移動的距離是 5.1毫米，則電磁鐵和鐵塊之間的長 度也是5.1毫米，桿1的長度

9、為29.93毫米。具體圖形如下: 經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流 經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流 12 圖9機器人原始、極限狀態(tài)圖 經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流 13 經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流 6、下降過程與理論上與上升步驟相反，故不必再贅述。 通過上面的運動步驟，機器人可實現(xiàn)垂直桿件上的攀

10、爬。 主要參數(shù)： 桿A長a=133mm, 桿B長b=170mm, 桿C長c=a=133mm; 驅(qū)動桿A的電機轉(zhuǎn)速為n1=48r/min, 上拉桿B的電機轉(zhuǎn)速為 n2=50r/min,驅(qū)動桿C的電機轉(zhuǎn) 速為 n3=n1=48r/min ; 與A嚙合的的齒輪半徑為 r1=10mm,拉升桿B的電機的皮帶盤的半徑為 r2=10mm, 與C嚙合的齒輪半徑為 r3=10mm, 計算步驟： 尺寸及其質(zhì)量 機械手質(zhì)量：1、有機玻璃板架質(zhì)量（2塊） m1=L*w*d* P =200*80*mm 3*1.4g/cm 3=22.4g 2、電磁鐵質(zhì)量（2塊） m2=d* [（11+12）* h-

11、n*r2]lP=5* [（40+35）*20- 口*52] mm3*7.6 g/cm3=54g 3、彈簧質(zhì)量（1只）m3=1g 4、橡膠皮質(zhì)量（3只） 圖11立體圖及其尺寸 m4=「v= F*r* @ *d*h=0.95 g/cm 3*25*（2*10 n/360）*7*20=0.58g 5、滑塊質(zhì)量（1只） m5=30g 6、連桿質(zhì)量（5根） m6=,P (L1+L2+L3+L4+L5 )hd=7.8 g/cm3*(250*20*3)mm=117g 7 、聯(lián)結(jié)螺栓螺母質(zhì)量(7只) m7=2g 則一個機械手的質(zhì)量為 M1=2*m1+2*m2+m3+3*m4+m5+5

12、*m6+7*m7 =2*22.4+2*54+1+3*0.58+30+117+7*2 =316.54g 聯(lián)桿質(zhì)量 經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流 21 TCP VIEW 『8.Q 二營 so-80 一 8.悶一 UH 二 10.00 10.00 叫二7&00 FRONT VIEW SIDE VIEW 圖12 A桿視圖及其尺寸 A桿 體積丫2%側(cè)+丫底 鋁材(密度 2.7 g/cm3) =2* (W1+W2+H1+H2*L*D+2* (10H1 + 10W2 *2D =2*(78+58+138+118)*28*1+2*

13、2* (10*138+10*58 ) =29.792 cm3 質(zhì)量 Ma=2.7*29.792=80.4384g S 匕77土 OC 當(dāng) FRONT V EW BACK VIEW 圖13 B桿的視圖及尺寸 B桿體積Vb 整框 V1=117*1*(100+45*2+25*2+10*2+15*2+28*2+80)=49842 mm3 截空 V2=1*117*80*2=18720 mm3 擋板 V3=80*10*1=800 mm3 則 Vb= V1- V2+

14、 V3=49842-18720+800=31922 mm3=31.922 cm3 質(zhì)量 Mb=2.7*31.922=86.1894g C 桿 質(zhì)量 Mc=Ma=80.4384g 電機質(zhì)量：我們共用到 4個直流電機，每個電機質(zhì)量約為 35g 齒條質(zhì)量：我們共用到兩對齒輪齒條傳動 每個齒條的質(zhì)量為 m=LWH 卜 1=（14*118*6） mm 3*7.8 g/cm 3=77.3136g B桿上 我們設(shè)計其半徑為 R=1mm,長L=60mm,材質(zhì)為鋼 轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量 M =nR2L P=（n*1 2*60） mm3*7.8 g/cm3=1.4703g （2只） 運動計算1、距離L 預(yù)

15、定一個動作周期的攀爬距離 S=68mm （一個周期內(nèi)） 2、時間T 上升過程 1、 桿 A 的攀爬時間 T1=L/V1 , V1=2nII r1/60(mm/s)=n n 1r1/30(mm/s), 貝U T1=30SL(n1 n r1)=30*68/(80* 口 *6)=1.352817016s, 取 T1=1.36s ; 2 、桿B的攀爬，由于齒輪齒條的運動與 A桿上升時完全相反，故其上升時間為時間 T2=T1=1.36s ; 3 、桿C的的個參數(shù)與桿 A相同，故其攀爬時間與 A相等，即T3=1.36s； 由以上各 段時間相 加就 是桿 每上 升完整的一段 距離 L所用的

16、 時間，即總 時間 T=T1+T2+T3=1.36+1.36+1.36=4.08S ,由此可得爬升的平均速度 V=L/T=68/4.3=16.67mm/s 。 下降過程 設(shè)平均速度為V,攀爬桿長為P,在桿上時間為T=4min,扣除機器人本身的高度 300mm, 則實際在桿上攀爬路程為(2P-2*300 ) mm 下降過程我們有兩個方案備選。 方案一：采用與上升過程相反的狀態(tài)，則下降的平均速度V =V=16.67mm/s,可由 2P-2*300=VT=16.67mm/s*4min*60s/min , 則可知攀爬桿長 P=2300.4mmi 方案二：采用下滑的方式， (P-300) /1

17、5.81+ (P-300) / V =240 假設(shè)V =16.67n,下滑時間為 T 貝U P=240*16.67n/(n+1)+300 當(dāng) n=2 時，P=2967.2mm, T =240/3=80s 當(dāng) n=3 時，P=3300.6mm, T =240/4=60s 當(dāng) n=4 時，P=3500.64mm, T =240/5=48s 當(dāng) n=5 時，P=3634mm, T =240/6=40s 雖然采用方案二能大大增加機器人的爬升高度，但考慮到下滑速度較快，不穩(wěn)定因素 較多，為保險起見，我們決定采用 方案一。 有關(guān)齒輪齒條 傳動的計算：齒輪一一模數(shù) 齒數(shù) z1=

18、20 齒頂高系數(shù) ha*=1 頂隙系數(shù) 分度圓壓力角 分度圓直徑 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒條一一齒形角 齒厚、齒槽寬 m=1mm c*=0.25 0 d=mz=1*20=20mm da=m(z+2ha*)=1*(20+2*1)=22mm df=mz-2m(ha*+c*)=1*20-2*1*(1+0.25)=17.5mm s=e= n m/2=n *1/2=1.57mm 齒頂高 ha=(ha*+c*)m=(1+0.25)*1=1.25mm 齒輪齒條的重合度 1=[20* (tan a1-tan ) +2ha*/(sin 0 *cos 0 )〕/2 n =

19、 [20* (tanarc(cos20/22)-tan20 ) +2*1/(sin 0 *cos 0 )〕/2 口 =1.290530458V max=1.981 完全符合要求 電磁鐵的吸力計算： 圖14 G為重力G=14.7N, F為電磁鐵的吸力，U為摩擦系數(shù)U=1.2, F3為最大彈簧彈力 F3=2N , 皿轉(zhuǎn)距，F(xiàn)1為壓 力， 貝U F4=F-F3, G=F4*COS10 *U= F4=G/ (COS10 *U), 貝U F=F4+F3=G/ (COS10 *U) + F3=14.7/ (COS10 *1.2 ) +2=14.44N 因為每次有兩根桿是抓緊

20、的，因此每根桿上的吸力為 14.44/2=7.22N 電磁鐵的吸力要大于 7.22N。 三電機控制部分 我們的機器手臂控制是通過單片機來定時來控制電機和電磁鐵的通電和斷電，具體的時間控制我 們通過計算如下 行程 時間段 電動機控制 電磁鐵控制 單位(S) 車輪 上手 臂 下手 臂 上手 臂 中手 臂 下手臂 地面行程 0-28 開 關(guān) 關(guān)I 關(guān) 關(guān) 關(guān) 調(diào)整過程 28-30 關(guān) 關(guān) 關(guān)一 關(guān) 開 開 爬升過程 30-132 關(guān) / / / / / 暫停過程 132-168 關(guān) 關(guān) 關(guān) 開 開

21、 開 下降過程 168-270 關(guān) \ \ \ \ \ 調(diào)整過程 270-272 關(guān) 關(guān) 關(guān)1 開 開 開 回程 272-300 開 關(guān) 關(guān) 關(guān) 關(guān) 關(guān)  表 2整個爬管過程的時間分布 進程 時間段 電動機控制 電磁鐵的控制 單位（S） 上手臂 下手臂 上手 臂 中手 臂 下手 臂 上手臂上升 0-1.36 開（正） 關(guān) 關(guān) 開 開 中手臂上升 1.36-2.73 (1.36 ) 開（反） 開（反） 開 關(guān)1 開 下手臂上升 2.73 —4.08 ( 1.36 ) 關(guān) 開（正）

22、 開 開 關(guān) 下手臂下降 0-1.36 關(guān) 開（反） 開 開 關(guān) 中手臂下降 1.36-2.73 (1.36 ) 開（正） 開（正） 開 關(guān) 開 上手臂下降 2.73-4.08 (1.36 ) 開（反） 關(guān) 關(guān) 開 開 表3爬管過程的時間分布 注：手臂的電動機正轉(zhuǎn)是使本身手臂上升的狀態(tài)，反轉(zhuǎn)則是與其相反的轉(zhuǎn)動 這是按我們的要求設(shè)計的。 雖然我們完全可以通過單片機來控制時間，可是我們?yōu)榱朔乐乖谥型境霈F(xiàn)我們沒有遇到的問題，因此我 們有加入了一些優(yōu)先級，通過遙控來控制或者用電線直接控制。 具體的手臂爬升編程如下: P1.0控制上手臂的電機正轉(zhuǎn) P1.4 控制上手臂的電磁鐵 P1.1控制上手臂的電機反轉(zhuǎn) P1.5 控制中手臂的電磁鐵 P1.2控制下手臂的電機正轉(zhuǎn) P1.6 控制下手臂的電磁鐵 P1.3控制下手臂的電機反轉(zhuǎn) 經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流 經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流 經(jīng)典資料，WORD文檔，可編輯修改，歡迎下載交流 24