爬桿機(jī)器人理論方案設(shè)計(jì)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(jī)器左磐方案設(shè)計(jì)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(jī)器人理論方案設(shè)計(jì)說明書 學(xué)校名稱: 中國計(jì)量學(xué)院 學(xué)生隊(duì)長: 學(xué)生隊(duì)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(jī)械部分 3 3 .電控部分 17 4 .設(shè)計(jì)小

2、結(jié) 19 方案構(gòu)思我們通過三個(gè)手臂來抓緊桿件再通過手臂上的電機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬升和下降。 原理上兩個(gè)就能實(shí)現(xiàn)，但三個(gè)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(shí)現(xiàn)的。 二.機(jī)械部分 1 .機(jī)器人的整體裝配圖如下: 我們是通過三個(gè)手臂爬桿的，上手臂裝在一個(gè)齒條的最上端，并且固定，在具 體設(shè)計(jì)時(shí)我們可以使上手臂有一定的上下和左右轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，具體的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪嚙合齒條來實(shí)現(xiàn)的 .下手臂的上升和下降是 通過裝在滑梢下端的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪嚙合齒條來實(shí)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(shí)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(gè)車輪來實(shí)現(xiàn)地面上的行走， 動(dòng)力由后車輪上的 兩個(gè)電機(jī)來提供，用兩個(gè)電機(jī)主要是為了能實(shí)現(xiàn)走彎路，具體的三視圖形如下： 2機(jī)器手臂的設(shè)計(jì) 圖3 機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 我們設(shè)計(jì)的這個(gè)機(jī)器手采用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)， A, B, C點(diǎn)處安裝了橡膠皮，1, 2兩點(diǎn)固定在支撐板上，當(dāng)滑塊 W向前移動(dòng)時(shí)，根據(jù)桿子的結(jié)構(gòu)，A, B, C點(diǎn)將向 中心收縮，產(chǎn)生一個(gè)收縮的趨勢，就抓緊桿件。當(dāng)滑塊 W向后移動(dòng)時(shí)，A, B, C點(diǎn) 會(huì)張開，即松開桿件。再配

4、合機(jī)構(gòu)的移動(dòng)構(gòu)件，機(jī)械手就能很好的實(shí)現(xiàn)上升和下降。 在本方案中，由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的一系列動(dòng)作，使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)抱緊松開的動(dòng)作， 機(jī)械手的夾緊依靠滑塊使3個(gè)橡膠皮與構(gòu)件緊緊地接觸。在接觸的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)另一 個(gè)機(jī)械手的升降，在松開桿件的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自身的升降。 這兩段時(shí)間的長度很難控 制，可以說光靠電機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。此外考慮到機(jī)械手垂直夾緊桿件時(shí)支撐板所 受的力矩很大，難以鎖住桿件，因此可以改變機(jī)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(huì)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(jì)算后為準(zhǔn)。 機(jī)械手臂是這個(gè)機(jī)器人的主體，在這個(gè)設(shè)計(jì)過程中我們花了好多時(shí)間

5、查閱了很 多資料，最后選用了這個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)我們想了很多，最初設(shè)計(jì)時(shí)覺得 , 其中最主要的問題是如何使手臂按我們要求的實(shí)現(xiàn)放開和抓緊，特別是時(shí)間上 的控制最重要。我們剛開始時(shí)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(jì)難度較大，時(shí)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(shí)間是 3秒，而放開的時(shí)間是1.5秒, 那么物體上升的時(shí)間很短，難以實(shí)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(jī)來控制時(shí)間， 特別是三個(gè)手臂之間的協(xié)調(diào)可以比較準(zhǔn)確的控制。 可用電磁鐵也有缺點(diǎn)，就是電磁 鐵的磁性會(huì)影響單片機(jī)

6、的運(yùn)行，那樣就會(huì)給電機(jī)控制帶來問題。但在外面加上一些 防磁場的裝置就會(huì)減少影響。因此最后確定用電磁鐵機(jī)構(gòu)，這樣在計(jì)算少的同時(shí)更 容易控制時(shí)間以及各方面的協(xié)調(diào)。 電磁鐵手臂的設(shè)計(jì)圖及連桿機(jī)構(gòu)圖 圖4電磁鐵手臂的設(shè)計(jì) 圖5連桿機(jī)構(gòu)圖 電磁鐵的工作過程：當(dāng)在地面行走時(shí)，通過單片機(jī)控制使手臂全都張開，這樣 就能在行進(jìn)后立刻抓住桿件。抓住后就通過編程來控制使手臂，使三個(gè)手臂松開和 抓緊的循環(huán)過程，同時(shí)通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)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(jī)械手臂工作的具體過程 為了實(shí)現(xiàn)抓不同直徑的桿件，我們設(shè)計(jì)了使裝在滑塊上的兩根桿的長度可以通 過一個(gè)滑桿機(jī)構(gòu)來改變，就是一根桿放在另一個(gè)滑筒內(nèi)，可以抽動(dòng)來無級改變桿的 長度，然后用一個(gè)緊固螺釘來夾緊，結(jié)構(gòu)如下: \ 紫固螺 筒桿釘 圖6 滑桿機(jī)構(gòu) 但我們設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn), 在這我設(shè)計(jì)了兩個(gè)極限位置的桿件，設(shè)計(jì)如下: 考慮到我們設(shè)計(jì)機(jī)器人是從地面滑行的，因此我們手臂張

8、開時(shí)要能夠抓住桿 件，即手臂B, C兩點(diǎn)的距離必須大與桿的直徑，否則就不能進(jìn)行下一步的運(yùn)動(dòng)。 還有我們設(shè)計(jì)的手臂上的三點(diǎn)，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(shí)，三個(gè)橡膠皮運(yùn)動(dòng)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(gè)橡膠皮能同時(shí)和桿件接觸抓緊。 根據(jù)圖形我們知道滑塊 移動(dòng)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(shí)，滑塊移動(dòng)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(shí)滑快移動(dòng)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(jī)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(yùn)動(dòng)步驟，機(jī)器人可實(shí)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(dòng)桿A的電機(jī)轉(zhuǎn)速為n1=48r/min, 上拉桿B的電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n2=50r/min,驅(qū)動(dòng)桿C的電機(jī)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(jī)的皮帶盤的半徑為 r2=10mm, 與C嚙合的齒輪半徑為 r3=10mm, 計(jì)算步驟： 尺寸及其質(zhì)量 機(jī)械手質(zhì)量：1、有機(jī)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(gè)機(jī)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(jī)質(zhì)量：我們共用到 4個(gè)直流電機(jī)，每個(gè)電機(jī)質(zhì)量約為 35g 齒條質(zhì)量：我們共用到兩對齒輪齒條傳動(dòng) 每個(gè)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(jì)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(yùn)動(dòng)計(jì)算1、距離L 預(yù)

15、定一個(gè)動(dòng)作周期的攀爬距離 S=68mm （一個(gè)周期內(nèi)） 2、時(shí)間T 上升過程 1、 桿 A 的攀爬時(shí)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(yùn)動(dòng)與 A桿上升時(shí)完全相反，故其上升時(shí)間為時(shí)間 T2=T1=1.36s ; 3 、桿C的的個(gè)參數(shù)與桿 A相同，故其攀爬時(shí)間與 A相等，即T3=1.36s； 由以上各 段時(shí)間相 加就 是桿 每上 升完整的一段 距離 L所用的

16、 時(shí)間，即總 時(shí)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(shí)間為T=4min,扣除機(jī)器人本身的高度 300mm, 則實(shí)際在桿上攀爬路程為(2P-2*300 ) mm 下降過程我們有兩個(gè)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(shí)間為 T 貝U P=240*16.67n/(n+1)+300 當(dāng) n=2 時(shí)，P=2967.2mm, T =240/3=80s 當(dāng) n=3 時(shí)，P=3300.6mm, T =240/4=60s 當(dāng) n=4 時(shí)，P=3500.64mm, T =240/5=48s 當(dāng) n=5 時(shí)，P=3634mm, T =240/6=40s 雖然采用方案二能大大增加機(jī)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(xiǎn)起見，我們決定采用 方案一。 有關(guān)齒輪齒條 傳動(dòng)的計(jì)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(jì)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?yàn)槊看斡袃筛鶙U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(jī)控制部分 我們的機(jī)器手臂控制是通過單片機(jī)來定時(shí)來控制電機(jī)和電磁鐵的通電和斷電，具體的時(shí)間控制我 們通過計(jì)算如下 行程 時(shí)間段 電動(dòng)機(jī)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(gè)爬管過程的時(shí)間分布 進(jìn)程 時(shí)間段 電動(dòng)機(jī)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(shí)間分布 注：手臂的電動(dòng)機(jī)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(dòng) 這是按我們的要求設(shè)計(jì)的。 雖然我們完全可以通過單片機(jī)來控制時(shí)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(jī)正轉(zhuǎn) P1.4 控制上手臂的電磁鐵 P1.1控制上手臂的電機(jī)反轉(zhuǎn) P1.5 控制中手臂的電磁鐵 P1.2控制下手臂的電機(jī)正轉(zhuǎn) P1.6 控制下手臂的電磁鐵 P1.3控制下手臂的電機(jī)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