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編號：
XX設(shè)計任務(wù)書
題 目： 一種攀爬機(jī)器機(jī)械部分的設(shè)計
學(xué) 院：
專 業(yè)：
學(xué)生姓名：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師單位：
姓 名：
職 稱：
題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設(shè)計 ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā)
年12月28日
一、畢業(yè)設(shè)計（論文）的內(nèi)容
本設(shè)計要求學(xué)生攀爬機(jī)器機(jī)械部分為設(shè)計對象，旨在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鼋鉀Q問題的能力和綜合運用專業(yè)基礎(chǔ)知識進(jìn)行實際設(shè)計的能力。需要學(xué)生充分運用所學(xué)的機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、裝備設(shè)計制造、制圖、工藝、公差與技術(shù)測量等機(jī)械專業(yè)知識進(jìn)行機(jī)器的方案設(shè)計、零件的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計計算、工藝卡片編制等。
1、查閱文獻(xiàn)資料，進(jìn)行相關(guān)調(diào)研，了解目前已有的攀爬機(jī)械的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，做好設(shè)計前的準(zhǔn)備工作。
2、根據(jù)給定的設(shè)計數(shù)據(jù)要求，提出攀爬機(jī)器的設(shè)計方案（兩種及兩種以上），進(jìn)行比較后選出最佳方案作為設(shè)計對象；
3、對攀爬機(jī)器的各部分結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行具體設(shè)計、進(jìn)行必要的設(shè)計計算及受力分析，并選擇合適的零件材料；
4、運用CAD、CAXA等CAD工具進(jìn)行輔助設(shè)計，完成攀爬機(jī)器的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，繪制其零件圖、裝配圖。
5、熟悉零件的加工工藝，對典型零件進(jìn)行加工工藝路線分析；
6、總結(jié)設(shè)計數(shù)據(jù)，整理設(shè)計思路，編寫設(shè)計說明書。
二、畢業(yè)設(shè)計（論文）的要求與數(shù)據(jù)
1、設(shè)計的機(jī)械要能負(fù)重5kg攀爬直徑120-200內(nèi)的直桿，要求運動可靠。
2、設(shè)計該攀爬機(jī)器的零部件，制定出主要零部件的工藝規(guī)程，并編制主要零部件的制造工藝；
3、采用CAD設(shè)計軟件（如：CAXA、SolidWorks、AutoCAD等）對零部件進(jìn)行實體建模、繪制其二維裝配圖與零件圖。
4、編寫設(shè)計說明書。
三、畢業(yè)設(shè)計（論文）應(yīng)完成的工作
1、完成二萬字左右的畢業(yè)設(shè)計說明書（論文），在畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中必須包括詳細(xì)的300-500個單詞的英文摘要；對零件進(jìn)行必要設(shè)計計算、對于有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的零部件，必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行選擇或設(shè)計，編制出主要零件的加工工藝卡，要求符合實際加工情況，合理選擇零件的加工機(jī)床；
2、獨立完成與課題相關(guān)，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文），要求排版整齊，無明顯語法、字詞的錯誤；
3、繪制出所設(shè)計攀爬機(jī)器的零件圖和裝配圖，要求折算到A0圖紙3張以上，其中必須包含兩張A3以上的計算機(jī)繪圖圖紙，要求圖形繪制符合國家標(biāo)準(zhǔn)，方便讀圖，重要零件的關(guān)鍵尺寸和公差要標(biāo)注完整正確，并配注合理的技術(shù)要求。
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
[1]. 左健民. 液壓與氣壓傳動（第4版）.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.
[2]. 濮良貴、紀(jì)名剛等. 機(jī)械設(shè)計（第八版）.北京:高等教育出版社,2006.
[3]. 甘永立.幾何量公差與檢測（第七版）.上海:上?？萍即髮W(xué)出版社,2005.
[4]. 王運炎，葉尚川. 機(jī)械工程材料（第2版）. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.
[5]. 《實用機(jī)械設(shè)計手冊》編寫組.實用機(jī)械手冊（上）.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.
[6]. 機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊(新版)第4卷.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.
[7]. 機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊(新版)第3卷.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.
[8]. 詹友剛.SolidWorks 2012機(jī)械設(shè)計教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.
[9]. HOWELL L L. Compliant mechanisms[M]. New York：Wiley Interscience，2001.
[10].KIM C J. A conceptual approach to the computational synthesis of compliant
mechanisms[D]. Michigan :University of Michigan，2005.
五、試驗、測試、試制加工所需主要儀器設(shè)備及條件
計算機(jī)一臺，并裝有CAD設(shè)計軟件（AutoCAD，CAXA，UG，Pro/E呀Solidworks）等。
任務(wù)下達(dá)時間：
20XX年12月28日
畢業(yè)設(shè)計開始與完成時間：
20XX年12月28日至 2016年05 月22日
組織實施單位：
機(jī)械電子工程系
教研室主任意見：
簽字： 20XX年12月30日
院領(lǐng)導(dǎo)小組意見：
簽字： 2015年12月31日
編號：
XX設(shè)計(XX)開題報告
題 目：
院 （系）：
專 業(yè)：
學(xué)生姓名：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師單位：
姓 名：
職 稱：
題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設(shè)計 ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā)
年3月1日
1．畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容、重點和難點等
1.設(shè)計內(nèi)容：
1、查閱文獻(xiàn)資料，進(jìn)行相關(guān)調(diào)研，了解目前已有的攀爬機(jī)械的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，做好設(shè)計前的準(zhǔn)備工作。
2、根據(jù)給定的設(shè)計數(shù)據(jù)要求，提出攀爬機(jī)器的設(shè)計方案（兩種及兩種以上），進(jìn)行比較后選出最佳方案作為設(shè)計對象；
3、對攀爬機(jī)器的各部分結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行具體設(shè)計、進(jìn)行必要的設(shè)計計算及受力分析，并選擇合適的零件材料；
4、運用CAD、CAXA等CAD工具進(jìn)行輔助設(shè)計，完成攀爬機(jī)器的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，繪制其零件圖、裝配圖。
5、熟悉零件的加工工藝，對典型零件進(jìn)行加工工藝路線分析；
6、總結(jié)設(shè)計數(shù)據(jù)，整理設(shè)計思路，編寫設(shè)計說明書；
7、獨立完成與課題相關(guān)，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）；
8、完成相關(guān)設(shè)計計算及機(jī)械設(shè)計圖（要求繪圖工作量折合A0圖紙3張以上）。
2、重點難點：
本次畢設(shè)的重點主要是設(shè)計爬竿機(jī)器人的機(jī)械控制結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)方案的確定，包括如何實現(xiàn)攀爬直桿和負(fù)重運輸。齒輪和直桿的工藝計算和工藝選擇。難點在于所選擇的方案的合理性和可行性。
2．準(zhǔn)備情況（查閱過的文獻(xiàn)資料及調(diào)研情況、現(xiàn)有設(shè)備、實驗條件等）
1.課題研究背景
機(jī)器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮， 又可以運行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行 動。國際上對機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接 受這種說法，即機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種 機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義：“一 種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了 執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！?而機(jī)器人學(xué)是一門高度交叉的前沿學(xué)科，是典型的的機(jī)電一體化技術(shù)系 統(tǒng)。它涉及機(jī)械學(xué)電子工程學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程人工智能生物學(xué)人 類學(xué)社會等眾多領(lǐng)域。 在機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展的今天，不管是作為一名現(xiàn)代工程師，還是理工科 大學(xué)學(xué)生，都有必要學(xué)習(xí)，掌握一些機(jī)器人學(xué)方面的知識，特別是機(jī)械專業(yè)的 學(xué)生，機(jī)器人技術(shù)可以說是一門必修課。為了滿足社會的需求，攀爬機(jī)器人的研究力度越來越大。目前，攀爬機(jī)器人應(yīng)用更為廣泛，已在消防、核工業(yè)、石化行業(yè)、建筑行業(yè)、高空作業(yè)等危險領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；其目的是代替人類， 人類帶來了極大的工作效益和安全保障，從而受到人們的高度重視。鑒于以上特點，開發(fā)具有攀爬功能的機(jī)器人代替人去從事危險工作將有重要意義。目前，很多高校和科研院所已研制出或正在研制攀爬機(jī)器?麻省理工學(xué)院研制了一種能爬窗梁的機(jī)器人shady3D南京航空航天大學(xué)研制了仿壁虎機(jī)器人，該機(jī)器人能夠在豎直墻面和天花板上進(jìn)行運動。國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制了一種5自由度爬壁 機(jī)器人，不僅能實現(xiàn)爬行和轉(zhuǎn)向，且能在壁面之間實現(xiàn)過渡援式吸附、干性黏合劑吸附和負(fù)壓吸附。
2.現(xiàn)有設(shè)備
(1)計算機(jī)一臺；
(2)設(shè)計軟件(Solidworks2013、CAXA2013)。
3.參考文獻(xiàn)：
[1] 江勵.??雙手爪式模塊化仿生攀爬機(jī)器人的研究[D]. 華南理工大學(xué).2012
[2] 蔡傳武.??爬桿機(jī)器人的攀爬控制[D]. 華南理工大學(xué) 2011
[3] 陳亮.??焊接機(jī)器人路徑規(guī)劃問題的算法研究[D]. 武漢科技大學(xué). 2010
[4] 郭敏.??帶視覺的雙臂機(jī)器人手臂無碰撞路徑規(guī)劃[D]. 東北大學(xué). 2008
[5] Wing Kwong Chung,Yangsheng Xu,Ou Ma.??Minimum Energy Demand Locomotion on Space Station[J]. Journal of Robotics . 2013
[6] Tin Lun Lam,Yangsheng Xu.??Motion planning for tree climbing with inchworm‐like robots[J]. J. Field Robotics . 2012 (1)
[7] Tin Lun Lam,Yangsheng Xu.??Biologically inspired tree‐climbing robot with continuum maneuvering mechanism[J]. J. Field Robotics . 2012
[8] 蔡傳武. 爬桿機(jī)器人的攀爬控制[D]. 華南理工大學(xué) .2011
[9] 周芳,朱齊丹,趙國良.??基于改進(jìn)快速搜索隨機(jī)樹法的機(jī)械手路徑優(yōu)化[J]. 機(jī)械工程學(xué)報. 2011(11)
[10] 江勵,管貽生,蔡傳武,朱海飛,周雪峰,張憲民.??仿生攀爬機(jī)器人的步態(tài)分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報. 2010(15)
[11] 夏澤洋,陳懇.??仿人機(jī)器人足跡規(guī)劃建模及算法實現(xiàn)[J]. 機(jī)器人. 2008
[4] M. Tavakoli, L. Marques, A. T. de Almeida. 3dclimber: Climbing and Manipulation Over 3d Structures}J}. The Journal of Mechatronics, 2010, 21
3、實施方案、進(jìn)度實施計劃及預(yù)期提交的畢業(yè)設(shè)計資料
1.實施方案
（1）掌握一種三維制圖軟件Pro/E?
（2）對攀爬機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計?
（3）運用三維制圖軟件繪制攀爬爬行機(jī)器人的裝配圖[8]?
（4）繪制攀爬爬行機(jī)器人的主要零件圖?
（5）完成畢業(yè)設(shè)計說明書?
2.進(jìn)度實施計劃
第1周：搜集整理并認(rèn)真閱讀課題相關(guān)的中文及外文文獻(xiàn)；?
第2周：對設(shè)計過程制定確切的計劃，撰寫開題報告；
第3-4周：完成畢業(yè)設(shè)計課題方案的設(shè)計，確定出符合要求的方案；
第5-6周：繪制出爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖；
第7-8周：完成爬桿機(jī)器人裝配圖、零部件設(shè)計，確定各個零部件的尺寸；
第9-10周：整個機(jī)器人的裝配方案，并繪制出二維圖、三維圖；
第11周：呈交指導(dǎo)老師審閱，檢查，修改圖紙；
第12-15周：完整編制出設(shè)計說明書，打印裝訂說明書、設(shè)計圖紙以及其他資料；第16周：完成答辯前的其他準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備好答辯。
3.預(yù)期提交畢設(shè)設(shè)計資料
1、 二萬字左右的一種攀爬機(jī)器機(jī)械部分的設(shè)計設(shè)計說明書（論文），說明書給出三個以上可行方案并進(jìn)行比較，確定一個最佳方案，按最佳方案進(jìn)行具體的、詳細(xì)的設(shè)計系統(tǒng)，設(shè)計過程有理論分析、強(qiáng)度剛度分析，附有任務(wù)書
2、不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）；
3、二維工程圖、零件裝配圖、非標(biāo)準(zhǔn)零件圖（折合3張以上A0圖紙）。
指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師（簽字）：
20XX年03月 日
開題小組意見
開題小組組長（簽字）：
20XX年03 月 日
院（系、部）意見
主管院長（系、部主任）簽字：
20XX年03月 日
- 6 -
IV
一種攀爬機(jī)器機(jī)械部分的設(shè)計
摘 要
在一些工程類建筑中，一些直徑比較小的直桿隨處可見，對于這些直桿作業(yè)一直存在著一些問題，人為作業(yè)較為困難和危險。設(shè)計一個可攀爬直桿的機(jī)器人，通過該機(jī)器人平臺搭載一些作業(yè)機(jī)器，對于解決小直桿的作業(yè)問題具有較大現(xiàn)實意義。
本次設(shè)計的攀爬機(jī)器人是由眾多簡易的機(jī)構(gòu)組成，在結(jié)構(gòu)上面比較簡單，利用我們平時生活中隨處可見的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等等結(jié)合而成。利用凸輪結(jié)構(gòu)的運動特性實現(xiàn)手爪的夾緊與松開，在驅(qū)動源方面只采用一個輕質(zhì)電機(jī)，避免電機(jī)過多造成結(jié)構(gòu)上的繁瑣和避免重量過重。機(jī)械手的手爪采用的是彈簧夾緊的原理，彈簧提供的力足夠支撐整個機(jī)器人的自重和負(fù)重。通過彈簧解決了在變直徑桿上攀爬的問題。
本文對曲柄滑塊的運動和受力分析證明了該機(jī)器人運動的穩(wěn)定性和可靠性。還通過減速箱的設(shè)計賦予機(jī)器人一定的攀爬運動速度。還對手爪、軸、軸承等部件的受力校核證明該機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上面的穩(wěn)定性。該機(jī)器人還具有一定的負(fù)重能力?？梢栽跈C(jī)器人上面搭載一些作業(yè)機(jī)器人，實現(xiàn)多功能作業(yè)。本次設(shè)計的機(jī)器人通過各機(jī)構(gòu)聯(lián)動工作，工作簡單可靠。
本文還對輸出軸的尺寸、配合進(jìn)行了說明。對軸的加工工藝進(jìn)行了工藝規(guī)程制定，分析各工序的制定方法。對于軸類零件的加工工序有一定的了解與掌握。
關(guān)鍵詞：爬桿機(jī)器人；變直徑桿；夾緊；曲柄滑塊
Abstract
In some of the engineering building, a number of relatively small diameter straight bar everywhere, straight bar for these jobs, there has been some problems, man-made work more difficult and dangerous. Design a robot can climb straight bar, equipped with some of the work machine by the robot platform for solving the problems of small jobs straight bar has a larger significance.
The climbing robot designed by many simple bodies, in the above structure is relatively simple, we usually use slider-crank mechanism life everywhere, the cam mechanism, and so a combination. Using the motion characteristics of the cam mechanism to achieve clamping and release the gripper, in terms of the driving source using only a lightweight damping motor to avoid the motor caused by excessive red tape and avoid excessive weight on the structure. Robot gripper uses the principle of a spring clamp, the spring force provided enough to support its own weight and the weight of the whole robot. By spring solves the problem of variable diameter pole climbing.
In this paper, the crank-slider motion and stress analysis to prove the stability and reliability of the robot movement. Also gives some climbing robot movement speed by gearbox design. Also force the opponent claw, shafts, bearings and other parts of the check show that the stability of the structure above the robot. The robot also has a certain weight-bearing capacity. Some jobs may be mounted on top of the robot in robot to achieve mufti-functional operations. The robot design work through the linkage mechanism, work is simple and reliable.
This paper also the size of the output shaft, with the described. Axis machining process were to develop process planning, analysis of the development method in each step. For shaft machining operations have a certain understanding and grasp.
According to the axis of the development process card. Reasonable and feasible production process planning.
Keywords: pole-climbing robots; variable diameter rod; clamp; crank-slider
目 錄
1 緒論 1
1.1 攀爬直桿機(jī)器人研究目的 1
1.2 研究現(xiàn)狀 1
1.3 研究內(nèi)容 2
2 爬桿機(jī)器人方案設(shè)計 3
2.1 方案選擇 3
2.2 設(shè)計方法 5
2.2.1仿生設(shè)計 5
2.2.2夾緊裝置設(shè)計 6
2.2.3運動狀態(tài) 7
2.2.4小結(jié) 7
3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 8
3.1 機(jī)械手爪設(shè)計 8
3.1.1機(jī)械手爪力學(xué)分析 9
3.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計 10
3.2.1曲柄滑塊速度分析 11
3.3 連桿的受力分析 11
3.3 移動凸輪的設(shè)計 12
3.4 盤形凸輪設(shè)計 13
4 減速箱設(shè)計 14
4.1 電動機(jī)的選擇 14
4.2 齒輪設(shè)計 14
4.2.1齒輪類型、材料及強(qiáng)度計算 15
4.3 軸的設(shè)計 26
4.3.1聯(lián)軸器的選擇 26
4.3.2軸承選擇 27
4.3.3確定軸的結(jié)構(gòu)與尺寸 28
4.3.4軸的校核 29
4.4 軸承的校核 34
4.4.1軸承的徑向載荷 34
4.4.2 軸承的軸向力校核 35
4.4.3軸承的徑向當(dāng)量載荷 35
5 彈簧的選擇 37
6 零件的加工工藝規(guī)程 39
6.1對零件進(jìn)行工藝分析 39
6.2 確定零件的裝夾? 39
6.3 定位基準(zhǔn)的選擇原則? 39
6.4 加工刀具的選擇? 39
6.5 機(jī)床選擇 39
6.5 主要加工工序安排 40
7 結(jié)論 42
致謝 43
參考文獻(xiàn) 44
附錄 45
第 47 頁 共 45頁
畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙
1 緒論
1.1 攀爬直桿機(jī)器人研究目的
機(jī)器人的起源要追溯到3000多年前，但是從60年代以后機(jī)器人技術(shù)得到飛速的發(fā)展。經(jīng)過50來年的研發(fā)和使用，機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入新的時代了。機(jī)器人在過去只是工業(yè)機(jī)械手，但是現(xiàn)在我們已經(jīng)重新定義，機(jī)械手只是其中機(jī)器人中的一部分了，現(xiàn)在我們所說機(jī)器人是新型的、新一代的，可以協(xié)作的，還有服務(wù)型的機(jī)器人，包括醫(yī)療、服務(wù)、家庭、康復(fù)等等方面可以為人類解決有難度或有危險的問題。
人們的生活越來越好，越來越多的地方城市化率增高，高樓林立，街道四通八達(dá)。我們平常經(jīng)過道路時可以看到好多樹立的電線桿、電燈桿、廣告牌立柱等等圓柱形直桿。但是由于直桿在室外遇到各種環(huán)境問題或者人為因素，常常需要環(huán)衛(wèi)工人清洗或者相關(guān)人員維修。在清洗一些高空建筑時如果采用人工清洗具有很大的危險性。對于電線桿等直徑比較大的直桿，通過人工攀爬作業(yè)比較方便，也可以采用工程車工作。都但是一些直接比較小的直桿，就像我們在生活中見到的一些裝路燈的直桿，如果通過人工攀爬上去工作比較困難。采用工程車進(jìn)行作業(yè)的話，作業(yè)成本較高，在擁擠狹小的路段作業(yè)比較困難。研發(fā)一些攀爬類的機(jī)器人就變的尤為重要了。
爬桿機(jī)器人的研究需要機(jī)械設(shè)計，電子設(shè)計，軟件工程、材料科學(xué)、以及仿生學(xué)等一些列基礎(chǔ)學(xué)科融合交匯。需要進(jìn)行線性、非線性模型計算?？梢岳脗鞲衅鞯刃畔⒖刂疲S建模分析和仿真運動。
1.2 研究現(xiàn)狀
爬桿機(jī)器人的設(shè)計并不是唯一的，不同的設(shè)計者有著不同的思路，但是總的來說國內(nèi)外的機(jī)器人研究主要在桿上固定方式上面有所不同。
Woody系列機(jī)器人。2005年在日本愛知博覽會上展出了林業(yè)機(jī)器人Woody-1（圖1.1）隨后又于2009年開發(fā)出改型后的機(jī)器人Woody-2（圖1.2）。對夾子進(jìn)行了簡化，移動方式也由原來的絲杠驅(qū)動線性移動變?yōu)槎嚓P(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動。
圖1.1 Woody-1 機(jī)器人 圖1.2 Woody-2機(jī)器人
雙手爪攀爬機(jī)器人Shady3D（圖1.3）,他只有3個自由度可以在一個空間桁架中攀爬，但是對桁架要求極高。可以通過兩臺Shady3D形成6個自由度從而進(jìn)行桿件過渡。
圖1.3 shady3D機(jī)器人
RiSE(Robots in Scansorial Environments)是一個仿生攀爬機(jī)器人（圖1.4）。設(shè)計者們參考四條腿的壁虎攀爬機(jī)理和六條腿的嶂螂攀爬機(jī)理，采用模塊化設(shè)計思想以提高機(jī)器人構(gòu)型的靈活性，將每條腿做成一個單獨的模塊，使得RISE可以在四腿和六腿行走之間轉(zhuǎn)換[1]。類似的還有管道爬行機(jī)器人3DClimber和并聯(lián)機(jī)器人CPR。
圖1.4 Rise系列機(jī)器人
1.3 研究內(nèi)容
本次設(shè)計主要是設(shè)計一個直桿內(nèi)爬行的機(jī)器人，類似于Shady3D擁有三個自由度。該機(jī)器人具備負(fù)重5kg的能力和在直徑為120mm到200mm的直桿爬行?？梢再x予該機(jī)器人大約100mm/s的攀爬速度。
2 爬桿機(jī)器人方案設(shè)計
2.1 方案選擇
對于機(jī)器人行走的工作原理主要有以下幾種：
氣動蠕動式：可以通過機(jī)構(gòu)本的自鎖或者是利用靜摩擦原理。
螺旋爬升式：利用滾動摩擦的原理來實現(xiàn)；
直線行走式：直接通過克服動摩擦來運動；
關(guān)節(jié)式爬行：利用移動副和轉(zhuǎn)動副的特點來實現(xiàn)運動；
并聯(lián)式爬行：利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點來實現(xiàn)。
方案1：
讓機(jī)器人直接抱緊在直桿上，通過電動機(jī)提供動力，讓與直桿直接接觸的輪子運動從而實現(xiàn)機(jī)器人的運動。調(diào)節(jié)機(jī)器人上的彈簧的拉伸長度來獲得一定的預(yù)緊力，是的機(jī)器人抱緊直桿。面對不同的直桿調(diào)節(jié)不同的彈簧尺寸已達(dá)到一定的預(yù)緊力。機(jī)器人的大體設(shè)計如圖2.1。
該方案的機(jī)器人可提供較大的負(fù)載能力，運行比較平穩(wěn)，是和一定范圍內(nèi)的直桿，但是該方案不能再一根變直徑桿上連續(xù)工作，在換直徑的直桿工作前要調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力，比較麻煩。
1.電動機(jī)，2.減速箱，3.皮帶，4.彈簧，5.車輪
圖2.1爬桿機(jī)器人方案1
方案2：
在開始作業(yè)前，將機(jī)器人安裝到直桿上，通過調(diào)節(jié)機(jī)器人上的螺母使機(jī)器人對直桿有一定的預(yù)緊力，與方案1的彈簧提供預(yù)緊力不同，直接通過機(jī)器人的收緊力來保證機(jī)器人正常工作。當(dāng)機(jī)器人在直桿上固定以后，利用電機(jī)驅(qū)動提供力讓機(jī)器人實現(xiàn)運動，面對不同的直桿需要在安裝的時候調(diào)節(jié)好機(jī)器人直接上的不同連接孔。機(jī)器人的大體設(shè)計如圖2.2所示
該方案的機(jī)器人同樣可以提供較大的負(fù)載能力，而且結(jié)構(gòu)簡單，但是該方案不能再一根變直徑桿上運動，每次變換桿時要調(diào)節(jié)連接孔，操作上比較麻煩。
1.螺釘 2.車輪 3.減速箱 4.電機(jī) 5.直桿
圖2.2 爬桿機(jī)器人方案2
方案3：
將機(jī)器人安裝在直桿上，下手抓通過彈簧夾緊直桿，上手抓松開，電機(jī)帶動連桿運動，移動凸輪將上手抓頂起，上手抓夾緊，下手抓松開并上升從而達(dá)到機(jī)器人的爬行功能。通過彈簧收縮力提供預(yù)緊力使手抓收縮，電機(jī)提供動力。在變直徑的情況下彈簧力改變以確保爬桿機(jī)器人的正常作業(yè)。大體方案設(shè)計如圖2.3所示
該方案所能提供負(fù)載有限，但針對本次設(shè)計要求該機(jī)器人滿足負(fù)載5kg的技術(shù)要求，并且能在一根變直徑桿上作業(yè)，通過彈簧的拉力可以適應(yīng)120~200mm的直徑桿，滿足本次設(shè)計的所有技術(shù)要求。
小結(jié)：通過比較以上列出的三個設(shè)計方案，本次設(shè)計的方案采用方案三。該方案滿足本次設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)緊湊可靠性高。
1.機(jī)械手爪 2.移動凸輪 3.連桿 4.彈簧 5.盤形凸輪 6.導(dǎo)桿
圖2.3 爬桿機(jī)器人方案3
2.2 設(shè)計方法
2.2.1仿生設(shè)計
說道爬桿運動我們首先能聯(lián)想到生活中的許多動物的爬樹姿態(tài)，例如我們?nèi)ス珗@參觀總能看到猴子爬在樹上（如圖2.4），還有在電線維修和安裝電表時我們能看到工人穿上腳扣（圖2.5），然后通過雙手向上爬行，腳扣向下傾斜形成自鎖，腳扣上面的橡膠跟電線桿用較大的摩擦系數(shù)。還有我們在生活中常常能看到的一種昆蟲尺蛾（圖2.6）。在爬行時，它先使腹足和尾足抓住樹枝，在通過身體向上運動，然后用前足抓緊樹枝，松開腹足和尾足，向前或向上運動。有這幾個生活中的事例我能可以運用到我們爬桿機(jī)器人的設(shè)計當(dāng)中。
圖2.3 猴子爬樹 圖2.5 工人攀爬電線桿 圖2.6 尺蛾
我們可以通過仿生學(xué)的靈感來設(shè)計我們機(jī)器人的爬行運動方案。
方案1：我們可以參考機(jī)床中絲杠的運動原理，在下手爪固定時，通過電機(jī)驅(qū)動使上手爪通過絲杠上升，到達(dá)固定位置后下手抓松開，通過傳動使的下手抓上升，到一定位置后下手抓固定完成一次運動。
方案2：在機(jī)械結(jié)構(gòu)中有一種很常見的機(jī)構(gòu)--曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在下手爪固定時，通過電機(jī)驅(qū)動是的滑塊到達(dá)最大行程處，上手抓固定、下手抓松開，通過驅(qū)動力是連桿帶動下手抓上升。再重復(fù)動作即可達(dá)到設(shè)計所要求的運動。
總結(jié)：方案1的運動過程較為穩(wěn)定，但是結(jié)構(gòu)重量較重，材料價格比較貴。方案2的運動穩(wěn)定性一般，但是結(jié)構(gòu)重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，方案設(shè)計比較實惠。所以選擇方案2的設(shè)計（圖2.7）。
圖2.7 運動周期圖
2.2.2夾緊裝置設(shè)計
對于手爪的夾緊方案的設(shè)計我們同樣可以參照我們生活中的一些實例來進(jìn)行設(shè)計，比如我們平時用火鉗之類的帶手爪的工具時我們是如何夾緊物件的。我們可以采用電機(jī)驅(qū)動連桿往復(fù)運動（圖2.8），該機(jī)構(gòu)雖然能實現(xiàn)加緊功能，但是如果是在變直桿上面工作，直桿直徑變化使得較大會無法夾緊直桿從而失去工作能力。我們可以通過參考我們生活中一些帶彈簧的鉗子（圖2.9）將彈簧上的壓簧變成拉簧，通過拉簧產(chǎn)生的拉力作用使得手爪夾緊直桿，大體的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖2.10所示。
圖2.8 連桿驅(qū)動手爪 圖2.9 鉗子
圖2.10 夾緊裝置大體結(jié)構(gòu)
2.2.3運動狀態(tài)
根據(jù)以上的設(shè)計方案結(jié)果我們可以得出本次設(shè)計的運動狀態(tài)的分布：
狀態(tài)1：:在初始狀態(tài)是，機(jī)器人的下機(jī)械手爪夾緊直桿，同時上機(jī)械手爪在彈簧作用下松開。
狀態(tài)2：電機(jī)運動，通過減速箱連接帶動曲柄以及和曲柄一起固定在下手爪處的兩個盤形凸輪機(jī)構(gòu)順時鐘轉(zhuǎn)動，盤形凸輪推動下機(jī)械臂想外擺動，機(jī)械手爪向外松開。當(dāng)盤形凸輪轉(zhuǎn)過小半徑的圓弧后，下方的手爪松開；同時移動凸輪向下運動，此時上方手爪夾緊直桿。
狀態(tài)3：電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)運動，此時機(jī)器人的上機(jī)械手夾緊，而下機(jī)械手此刻處于松開狀態(tài)，機(jī)器人下半部分被運動到極限位置，即上升到最高位置。
狀態(tài)4：電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)運動，當(dāng)機(jī)器人下部的盤形凸輪轉(zhuǎn)過最大半徑的圓弧后，下機(jī)械手爪開始收縮，并夾緊；同時移動凸輪向上運動走過空行程，在凸輪運動時，上機(jī)械手爪開始松開。
狀態(tài)5：電機(jī)持續(xù)回轉(zhuǎn)運動，由于此時下方手爪夾緊直桿，而上方手爪處于松開，電動機(jī)通過曲柄產(chǎn)生的推力使得機(jī)器人的上半部分向上運動，當(dāng)曲柄和連桿拉直共線即滑塊可到達(dá)的最大行程是，機(jī)器人上半部分上升到極限位置。
機(jī)器人從狀態(tài)1運行到狀態(tài)5可完成一次爬行。
2.2.4小結(jié)
本文設(shè)計的爬桿機(jī)器人攀爬的是120~200mm的變直徑桿，本文設(shè)計的機(jī)器人仿照人爬樹的原理，其結(jié)構(gòu)組成包括夾持機(jī)構(gòu)，由上下機(jī)械手爪組成，實現(xiàn)對桿的抱緊，通過上、下機(jī)械手爪的交替夾緊來實現(xiàn)爬桿機(jī)器人的支點定位和蠕動；移動機(jī)構(gòu)是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)組成；驅(qū)動機(jī)構(gòu)，整個機(jī)器人只采用一個電機(jī)驅(qū)動，既減輕了重量，又滿足了運動要求。整個爬桿機(jī)機(jī)器人長度為260mm左右，寬的尺寸為150mm作業(yè)，高度為430mm作業(yè)，整個機(jī)器人的重量不超過3kg，整個爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要通過2根長為430mm的鋁管連接在一起。機(jī)械手跟套筒固定在兩根管上。下機(jī)械手固定，上機(jī)械手爪可以上下移動。
凸輪機(jī)構(gòu)主要有在上機(jī)械手爪的移動凸輪和一個在下機(jī)械手爪的兩個并聯(lián)的盤形凸輪構(gòu)成。兩種凸輪和上下機(jī)械手的裝置通過曲柄滑塊裝置連接起來，是的各個機(jī)構(gòu)能夠正常運作并形成一個整體，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)桿上下移動。
3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 機(jī)械手爪設(shè)計
本次設(shè)計的爬桿機(jī)器人采用的是上下兩個手爪的機(jī)械設(shè)計，屬于雙手抓攀爬機(jī)器人的一種。雙手爪攀爬機(jī)器人是指一類結(jié)構(gòu)上由多自由度本體和首尾攀附裝置組成的，通過兩手爪交替固定并配合本體屈伸或扭擺等運動來實現(xiàn)自身整體移動的特種攀爬機(jī)器人。在本次的設(shè)計任務(wù)書中要求攀爬直徑120-200mm內(nèi)的直桿。在接觸部分我們采用橡膠增大摩擦力。在將一個圓形塊焊接到橡膠邊上（圖3.1），機(jī)械手跟橡膠塊相連，利用橡膠塊增大整個機(jī)械手爪的和所要攀爬直桿的摩擦力，增加整個機(jī)器人可靠性。
圖3.1 機(jī)械手爪橡膠塊
在根據(jù)直桿的大小我們可以大體設(shè)計出手爪的外形和尺寸（圖3.2）。根據(jù)電機(jī)的大致尺寸設(shè)定旋轉(zhuǎn)中心跟直桿中心水平距離為67mm，垂直距離為129mm，橡膠塊的厚度為5mm，機(jī)械手爪的連接臂繞導(dǎo)桿的擺動角度范圍在7.8°以內(nèi)?？紤]到安裝機(jī)器人的問題，所以機(jī)械手抓的擺動角度大概在10°左右。
圖3.2 機(jī)械手爪設(shè)計尺寸圖
機(jī)械手爪的厚度取10mm。重量大概是0.2kg?？偟拈L度大約為260mm。采用鋁合金2014。彈性模量E=70GPa。手爪的大體三維形狀如圖3.3所示。
圖3.3 機(jī)械手爪三維圖
3.1.1機(jī)械手爪力學(xué)分析
機(jī)器人的關(guān)鍵部分如機(jī)械連接臂，對機(jī)器人的爬行具有很重要作用，在機(jī)器人爬行過程中，當(dāng)機(jī)械手夾緊時，此時受力最大，機(jī)械臂變形最大，因此需對機(jī)械臂的變形繞度進(jìn)行評估。當(dāng)機(jī)械手一端夾緊的時候我們可以吧整個手臂看成一個懸臂梁，截面可以看成一個矩形截面來計算。一根軸如果在受力的時候變彎了，我們把這樣的軸叫做撓曲軸（圖3.4）所示，我們可以校核垂直于梁的位移量來確保梁的穩(wěn)定性，也就是要計算撓度值。
圖3.4 撓曲軸
撓度方程： （3-1）
其中： （3-2）
符號意義：
——矩形截面對X軸的慣性矩；
a ——長（cm）；
b ——寬(cm)；
橫截面經(jīng)過簡化可以看成近似為長方形的彎曲桿。
長桿幾何參數(shù)可簡化為：L=240mm；B=10mm；H=10mm；
長桿材料參數(shù)：
彈性模量E=70GPa；泊松比V=0.3；
當(dāng)爬桿機(jī)器人開始工作的時候，特別是在上機(jī)械手爪夾緊直桿時，此時下機(jī)械手爪是處于松開狀態(tài)的，在這個時候上機(jī)械手爪所受到的力最大，變形也是最大的。
因為我們兩個機(jī)械手爪是通過兩個大圓桿作為固定點的，所以我們可以忽略掉在Y軸上面的變形，只計算在X上面的變形。機(jī)械手臂可看成一根長為240mm的懸臂梁，根據(jù)我們下面的計算我們可以知道每只機(jī)械手連接臂末端的最大載荷為F=54N，
應(yīng)用材料力學(xué)公式求端點處的繞度：
（3-3）
由此可看出機(jī)械手連接臂在處于懸臂狀態(tài)時，當(dāng)連接臂末端承受最大載荷F=54N時，最大繞度值為=2mm，可以忽略不計。
3.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是由平面四桿機(jī)構(gòu)演變而來。本次設(shè)計的機(jī)器人向上攀爬的功能就是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)。電機(jī)提供動能帶動跟輸出軸相連的曲柄，通過曲柄滑塊的往復(fù)運動，結(jié)合上下機(jī)械手的松開與夾緊運動。因此曲柄滑塊的運動決定著機(jī)器人的功能能否實現(xiàn)。
對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：在機(jī)構(gòu)運動時滑塊的運動軌跡跟曲柄的回轉(zhuǎn)中心在同一條直線上，叫做對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
當(dāng)曲柄r越小，連桿l越大時，機(jī)構(gòu)的傳力特性比較好。考慮到電機(jī)的寬度和盤形凸輪的長度，一般工程中曲柄和連桿長度比為1/4。可以先選取曲柄的長度為60mm，再選取連桿的長度為240mm，因為凸輪也是有長度的，所以還要加上凸輪的長度，總的長度大約為260mm。因為是對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，所以e=0。
3.2.1曲柄滑塊速度分析
圖3.9 運轉(zhuǎn)周期圖
因為曲柄做的是圓周運動，所以設(shè)曲柄的轉(zhuǎn)速為r/min。曲柄堯軌跡旋轉(zhuǎn)一周所用的時間為：
（3-4）
由圖12的周期圖我們可以看出當(dāng)曲柄堯軌跡轉(zhuǎn)一圈后，爬桿機(jī)器人向上爬行了2r。也就是120mm?？梢郧蟪鰴C(jī)器人的向上移動速度：
（3-5）
因為本次設(shè)計的機(jī)器人的要求對爬行速度沒有明確的要求，所以我們設(shè)定機(jī)器人的向上移動速度為100mm/s所以應(yīng)該保持在50r/min左右。
3.3 連桿的受力分析
圖3.10 受力圖
建立曲柄跟滑塊的受力方程，得出力與力p的關(guān)系：
b （3-6）
將曲柄最外處看成一個點，根據(jù)向心力幾三角函數(shù)關(guān)系可得力和關(guān)系：
（3-7）
聯(lián)立兩個式子： （3-8）
曲柄端點處轉(zhuǎn)矩T： （3-9）
根據(jù)受力圖可知： （3-10）
將式（3-24）、（3-25）代入式（3-26），可得?
b +（3-11）
則可推導(dǎo)出作用在滑塊上的壓力p，即?
（3-12）
在實際工程中曲柄和連桿長度上面你的關(guān)系都有4r
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