文档介绍：机械创新设计说明书设计名称:爬杆机器人的设计设计人:姜鸿学号:班级:11机制本一班井冈山大学机电学院2013/11/23第一章背景概述蠕行式仿生变直径杆爬行机器人的研究报告现代生活中,高空作业不断增加,如路灯杆、悬索桥索、杆状城市建筑的清洗、油漆、喷涂料、检查、维护、电力系统架设电缆、瓷瓶清洁等。目前的清洗、维护工作主要由人工和大型设备来完成,但它们都集中表现出效率低、劳动强度大、耗能高、二次污染严重等问题。市场上少量使用的气动蠕行式爬行器,其上升和下降运动的实现由气压控制,需要气源和气动控制系统,能量损耗大,并且一般伴有较大的噪声。因为连接了大量的支持设备,气动蠕行爬行器的体积和活动范围都受到限制,而且设备成本较高。第二章运动原理—仿生设计在设计移动机器人系统时,首先应考虑机器人的用途,因为不同的用途,移动机器人的移动机构是不同的。~J'l-,还应考虑机器人的工作环境、耐久性、稳定性、机动性、可控性、复杂性、外型尺寸及制作费用等。作为杆件爬行机器人,根据现有的技术方案,有很多种移动方式可供选择。各种移动方案的比较见表1所示。表1爬行机器人移动方案的比较移动方式优点缺点轮式运动速度快,控制方便,转弯容易。接触面积小,越障能力差,易打滑。履带式接触面积大,承载能力强,移动速度快。履带磨损大,结构复杂机动性差。磁吸式承载能力大,具有很强的适应能力。越障能力差应,运动用范围窄。蠕动式承载能力大,运动平稳,控制简便,适应能力强。运动速度慢,结构复杂。我们所要设计的这种爬行机器人,它的工作对象为各种型号的城市杆状建筑,要求承载能力大、接触面积小、速度适中,适应能力强,能越障碍物。通过比较各种方案,笔者设计了一种尺蠖式蠕动爬行结构形式,这是一种新颖的变直径杆仿生爬行机构设计方案,该方案能基本满足我们设定的工作状况。该机器人是模仿人的爬树动作而设的。人爬树时,两脚夹紧树杆,两腿一蹬,两手抱住树杆,人向上移,然后两手抱紧树杆,收腿提脚上移,一步步向上爬行。该机器人的爬行动作原理示意如图1所示。既然是仿生尺蠖式蠕动,那么在本机器人的设计中,将以实现机器人躯干的伸缩为往复运动的主要动作为目标。往复运动的实现有很多种常见的机构有:不完全齿轮齿条双侧停歇机构、曲柄连杆机构、圆柱齿轮齿条机构、螺旋丝杆机构等。这▲图2机器人结构原理图几种机构各有自己的优缺点,曲柄连杆机构可以很好。地协调好机器人的整体工作。从图1中可以看出,机器人的爬行动作原理可分为以下5f:1)在初始状态1时,下机械手夹紧、上机械手松开(见图2所示)。2)电机回转,驱动曲柄及和曲柄固接在一起的下并联盘形凸轮顺时针转动,推动下机械臂摆动,与此同时带动和连杆固接在一起的上移动凸轮向下移动,推动上机械臂摆动,当下并联盘形凸轮转过升程角时,下机械手松开;与此同时上移动凸轮向下移动过空行程,上机械手抓紧,即状态2。3)电机继续回转,此时上机械手夹紧、下机械手松开,机器人下部在电机的提升拉力作用下向上移动,当曲柄和连杆重叠共线时,机器人下部被提升到极限位置,即状态3。4)电机继续回转,当下并联盘形凸轮转过回程角时,下机械手夹紧;与此同时上移动凸轮向上滑过空行程,上机械手松开,即状态4。5)电机继续回转,因为下机械手夹紧、上机械手松开,所以机器人上部在电机的提升推力作用下向上移动,当曲柄和连杆拉直共线时,机器人上部提升到极限位置,即状态5。从图2和图1可看出,减速电机每转动一圈,机器人整体向上爬行一次,重复状态1~5就可以准确实现机器人机械手之间的协调动作和机器人整体的蠕行爬行。通过实验,证明了该机器人的可用性和稳定性。——变直径杆爬行问题的提出现实生活中,由于结构和力学上的要求,均采用了变直径杆,如路灯杆、悬索桥钢索、杆状城市建筑等(如图3所示)。如今,国内外研制的各种电机机械式爬行器均有一个缺陷,它们大多采用凸轮机构夹紧,由于凸轮机构的不可伸缩性,它们均只能爬行等直径杆,而变直径杆的爬行则只能依靠昂贵、庞大的气动爬行器来解决。——变直径杆爬行问题的解决如图2和图6所示,机器人机械手的夹紧采用预紧弹簧使机械手夹紧在杆体上,采用凸轮的运动来控制夹爪的动作,避免了直接采用凸轮夹紧机构的不可变性。滚子只在凸轮的远休止角处(凸轮大径)和凸轮接触。而在其它位置,滚子处于悬空状态,如图4,虚线所围区域为滚子的活动范围,它随着机器人爬行的杆件直径尺寸的变化而自适应,这样,机器人就可以依靠弹簧的预紧力爬行一定尺寸范围内的变直径杆。——机器人整体的协调动作在此类爬行机器人的设计中,我们要注意的一个关键点就是机构的连贯协调动作的完成,特别是机械手的协调动作、机械手和躯干(曲柄连杆机构)之间的协调动作。而机械手之间的协调动作又要依赖于