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1、 + 爬杆机器人理论方案设计阐明书学校名称： 中华人民共和国计量学院学生队长： 学生队员： 指引教师： 联系方式： 二0 0五年一月 目录一方案构思-1二机械某些-3三. 电控某些-17四设计小结-19一 方案构思 咱们通过三个手臂来抓紧杆件再通过手臂上电机来实现机器人爬升和下降。原理上两个就能实现,但三个手臂是一作联结,二可起稳定作用。手臂上升下降是通过齿轮齿条来实现。二机械某些1机器人整体装配图如下：图1咱们是通过三个手臂爬杆，上手臂装在一种齿条最上端，并且固定，在详细设计时咱们可以使上手臂有一定上下和左右转动范畴,详细设计将在下面简介。下手臂装在下杆C上齿条下端,中间手臂固定在滑槽上,上
2、手臂上升和下降是通过装在滑槽上端电动机带动齿轮啮合齿条来实现.下手臂上升和下降是通过装在滑槽下端电动机带动齿轮啮合齿条来实现,中间手臂升降是通过上下两对齿轮齿条反转来实现。2路面行走构造在地上行走，咱们通过装在下手臂上三个车轮来实现地面上行走，动力由后车轮上两个电机来提供，用两个电机重要是为了能实现走弯路，详细三视图形如下： 图2 底部车轮构造2 机器手臂设计 图3 机械手构造咱们设计这个机器手采用了曲柄滑块机构，A，B，C点处安装了橡胶皮，1，2两点固定在支撑板上，当滑块W向前移动时，依照杆子构造，A，B，C点将向中心收缩，产生一种收缩趋势，就抓紧杆件。当滑块W向后移动时，A，B，C点会张开
3、，即松开杆件。再配合机构移动构件，机械手就能较好实现上升和下降。 在本方案中，由曲柄滑块机构一系列动作，使机械手实现抱紧松开动作，机械手夹紧依托滑块使3个橡胶皮与构件紧紧地接触。在接触时间内实现另一种机械手升降，在松开杆件时间内实现自身升降。这两段时间长度很难控制，可以说光靠电机是不也许实现。此外考虑到机械手垂直夹紧杆件时支撑板所受力矩很大，难以锁住杆件，因而可以变化机械手臂与杆件角度来减小力矩，但角度不能太小，太小话就会使上升速度变慢，因而角度应在7080度之间为好，详细角度要计算后为准。机械手臂是这个机器人主体，在这个设计过程中咱们花了好多时间查阅了诸多资料，最后选用了这个曲柄滑块机构，在
4、设计时咱们想了诸多，最初设计时觉得比较容易，可是真正设计时遇到了诸多困难。其中最重要问题是如何使手臂按咱们规定实现放开和抓紧，特别是时间上控制最重要。咱们刚开始时想到了凸轮来控制，凸轮可以实现，但是也有缺陷，就是凸轮设计难度较大，时间上控制也很难，我大体算了一下，如果我转速是10r/min ，那么转一圈要六秒，那么抓紧时间是3秒，而放开时间是1.5秒。那么物体上升时间很短，难以实现。日后咱们拟定用电磁铁来控制，电磁铁很容易通过单片机来控制时间，特别是三个手臂之间协调可以比较精确控制。可用电磁铁也有缺陷，就是电磁铁磁性会影响单片机运营，那样就会给电机控制带来问题。但在外面加上某些防磁场装置就会减
5、少影响。因而最后拟定用电磁铁机构，这样在计算少同步更容易控制时间以及各方面协调。电磁铁手臂设计图及连杆机构图图4电磁铁手臂设计 图5连杆机构图 电磁铁工作过程：当在地面行走时，通过单片机控制使手臂全都张开，这样就能在行进后立即抓住杆件。抓住后就通过编程来控制使手臂，使三个手臂松开和抓紧循环过程，同步通过电机转动来实现手臂上升和下降。详细过程如下：上手臂中手臂下手臂地面行走过程松开松开松开上手臂上升松开抓紧抓紧中手臂上升抓紧松开抓紧下手臂上升抓紧抓紧松开上手臂上升松开抓紧抓紧表1 机械手臂工作详细过程为了实现抓不同直径杆件，咱们设计了使装在滑块上两根杆长度可以通过一种滑杆机构来变化，就是一根杆放
6、在另一种滑筒内，可以抽动来无级变化杆长度，然后用一种紧固螺钉来夹紧，构造如下：图6 滑杆机构但咱们设计手臂不能爬无限杆直径，它是有一定范畴，而咱们设计手臂是可以爬升直径40到50毫米任何杆件，只要调节两根杆长度就能实现，在这我设计了两个极限位置杆件，设计如下： 考虑到咱们设计机器人是从地面滑行，因而咱们手臂张开时要可以抓住杆件，即手臂B，C两点距离必要大与杆直径，否则就不能进行下一步运动。尚有咱们设计手臂上三点，要分别抓在圆三等分上，这样就能更加抓紧杆件，由于抓不同直径杆件时，三个橡胶皮运动距离是不同样，因而每次都要调节滑块两端杆长度，使三个橡胶皮能同步和杆件接触抓紧。依照图形咱们懂得滑块移动
7、距离就是电磁铁吸引铁块距离，因而当杆件是40毫米时，滑块移动距离是17.03毫米，则电磁铁和铁块之间长度也是17.03毫米，杆1 长度为19.07毫米；当直径是50毫米时滑快移动距离是5.1毫米，则电磁铁和铁块之间长度也是5.1毫米，杆1长度为29.93毫米。详细图形如下： 图7 图8图9 机器人原始、极限状态图图10 机器人爬管四个过程重要任务：攀爬一种垂直距离L=68mm运动过程：1、初始状态杆A、杆C缩于杆A内至整体呈最短状态，为300mm长； 2、第一步运动杆B、杆C机械手抓牢攀爬物，杆A机械手呈松弛状态。由电机通过齿轮齿条啮合形式，驱动杆A上升一额定距离L=68mm，移动完毕，杆A机
8、械手抓牢攀爬物，同步，杆B机械手松开； 3、第二步运动此时，杆A、杆C机械手抓牢攀爬物，杆B由电机通过绳索拉升一额定距离L=68mm，拉升完毕，杆B机械手抓牢攀爬物，同步，杆C机械手松开； 4、第三步运动此时，杆A、杆B机械手是抓牢攀爬物，杆C由电机通过齿轮齿条啮合形式，驱动杆C上升一额定距离L=68mm; 5、回答至初始状态，再重复循环第一、二、三步运动； 6、下降过程与理论上与上升环节相反，故不必再赘述。 通过上面运动环节，机器人可实现垂直杆件上攀爬。重要参数： 杆A长a=133mm， 杆B长b=170mm， 杆C长c=a=133mm； 驱动杆A电机转速为n1=48r/min， 上拉杆B电
9、机转速为n2=50r/min，驱动杆C电机转速为n3=n1=48r/min；与A啮合齿轮半径为r1=10mm，拉升杆B电机皮带盘半径为r2=10mm, 与C啮合齿轮半径为r3=10mm,计算环节：l 尺寸及其质量l 机械手质量：1、有机玻璃板架质量（2块） m1=L*w*d*=200*80*mm*1.4g/cm=22.4g 2、电磁铁质量（2块） m2=d*(l1+l2)* h-*r=5*(40+35)*20-*5mm*7.6 g/cm=54g3、弹簧质量（1只） m3=1g4、橡胶皮质量（3只） 图11立体图及其尺寸m4=v=*r*d*h=0.95 g/cm*25*(2*10/360)*7*
10、20=0.58g5、滑块质量（1只） m5=30g6、连杆质量（5根） m6=(L1+L2+L3+L4+L5 )hd=7.8 g/cm*(250*20*3)mm=117g 7、联结螺栓螺母质量(7只) m7=2g则一种机械手质量为M1=2*m1+2*m2+m3+3*m4+m5+5*m6+7*m7 =2*22.4+2*54+1+3*0.58+30+117+7*2 =316.54gl 联杆质量图12 A杆视图及其尺寸A杆 体积Va=V侧+V底铝材（密度2.7 g/cm） =2*（W1+W2+H1+H2）*L*D+2*（10H1+10W2）*2D =2*(78+58+138+118)*28*1+2*
11、2*（10*138+10*58） =29.792cm 质量Ma=2.7*29.792=80.4384g 图13 B杆视图及尺寸 B杆 体积Vb整框V1=117*1*(100+45*2+25*2+10*2+15*2+28*2+80)=49842 mm 截空 V2=1*117*80*2=18720 mm 挡板 V3=80*10*1=800mm则Vb= V1- V2+ V3=49842-18720+800=31922 mm=31.922 cm质量 Mb=2.7*31.922=86.1894g C杆 质量Mc=Ma=80.4384gl 电机质量：咱们共用到4个直流电机，每个电机质量约为35gl 齿条质
12、量：咱们共用到两对齿轮齿条传动每个齿条质量为 m=LWH=(14*118*6) mm*7.8 g/cm=77.3136gl B杆上 咱们设计其半径为R=1mm，长L=60mm,材质为钢转轴质量 M=RL=(*1*60) mm*7.8 g/cm=1.4703g(2只)l 运动计算1、距离L 预定一种动作周期攀爬距离 S=68mm(一种周期内) 2、 时间T 上升过程 1、杆A攀爬时间T1=L/V1，V1=2nr1/60(mm/s)=n1r1/30(mm/s) , 则T1=30SL(n1r1)=30*68/(80*6)=1.s,取T1=1.36s ； 2、杆B攀爬，由于齿轮齿条运动与A杆上升时完全相反，故其上升时间为时间T2=T1=1.36s； 3、杆C个参数与杆A相似，故其攀爬时间与A相等，即T3=1.36s；
