利用电动机爬杆机器人

- --

电动机设计攀爬器

设计说明书

设计题目：爬杆机器人

学院：电信学院

班级：自动化0801

设计者：2胥文举

指导老师：柱中

目录

1.设计题目……………………………………………１

1.1设计目的………………………………………………１

1.2设计题目简介…………………………………………１

1.3设计条件及设计要求…………………………………１

2.运动方案设计……………………………………２

2.1机械预期的功能要求…………………………………２

2.2功能原理设计…………………………………………２

2.3运动规律设计…………………………………………３

2.3.1工艺动作分解……………………………………………３

2.3.2运动方案选择……………………………………………５

2.3.3执行机构形式设计………………………………………６

2.3.4运动和动力分析…………………………………………７

2.3.5执行系统运动简图………………………………………８

3.计算容……………………………………………８

4.应用前景 (10)

5.个人小结 (11)

6.参考资料 (12)

附录 (13)

１.设计题目

１.１设计目的

机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算，并将其转化为制造依据的工作过程。

机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。

为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。１.２设计题目简介

我们此次做的课程设计名为爬杆机

器人。该机器人模仿虫蠕动的形式向上

爬行，其爬行运用简单的曲柄滑块机构。

其中电机与曲柄固接，驱动装置运动。

曲柄与连杆铰接，其另一端分别铰接一

自锁套（即上下两个自锁套），它们是实

现上爬的关键结构。当自锁套有向下运

动的趋势时，由力的传递传到自锁套，

球、锥管与圆杆之间形成可靠的自锁，阻止构件向下运动，而使其运动的方向始终向上（运动示意见右图）。

１.３设计条件及设计要求

首先确定机器人运动的机构原理及所爬行管道的有关数据，制定多套运动方案。再查阅相关资料，通过精确的计算和运用相关应用软件（例如CAXA，

Solidworks，ADAMS等造型、分析软件）进行运动模拟，对设计题目进行创新设计和运动仿真，最后在多方面的考虑下确定一套方案并完成整套课程设计说明书及相关的软件分析图表和文件并由三维动画模拟出该机器人的运动。

２.运动方案设计

该机器人模仿的动作是沿杆向上爬行，整个机构为曲柄滑块机构，而且我们目前所设计机器人爬行的杆是圆杆。

２.１机械预期的功能要求

通过电机的驱动和减速，给予曲柄一个绕定轴旋转的主动力，在该力的驱使下带动连杆及相应的自锁装置，由两个自锁套的先后自锁和曲柄连杆机构带动机器人向上爬行。

２.２功能原理设计

通常情况下，一部的机器需要通过电机带动一系列复杂的机构使其正常运转，这其中涉及到很多简单且基本的机械机构。当然，也可以直接通过电机带动整部机器的运转，这完全取决于机器所需完成的工作以及设计该机器时所面临的种种实际情况。

针对该爬杆机器人，我们小组通过讨论提出了两套设计方案，分别是：由曲柄滑块机构带动和由气压元件直接驱动。

首先，让我们来看

一下曲柄滑块机构是

如何工作的。

在平面连杆机构

中，能绕定轴或定点作整周回转的构件被称为曲柄。而通过改变平面四杆机构中构件的形状和运动尺寸能将其演化为不同的机构形式，就曲柄滑块机构而言，它是通过增加铰链四杆机构中摇杆的长度至无穷大而演变过来的。改机构实际上是由一曲柄一端铰接在机架上，另一端铰接一连杆，连杆的另一端联结一滑块，在曲柄为主动件运动时带动连杆，连杆又带动滑块，使其在平面某一围做直线往复运动（图１）。

其次是气动的原理。

该运动原理与上述的曲柄滑块机构相比，在保留两滑块作为自锁装置的前提下，省略了联结两滑块的传动装置，转而用两个汽缸直接带动两个滑块的上下移动。这样的设计更直接也更简洁，至于两者到底哪个更合理呢？

２.３运动规律设计

２.３.１工艺动作分解

首先，我们基于曲柄滑块机构的启示，想到了在曲柄与连杆的两端分别铰接上两个滑块（即作为自锁套），使两个滑块分别作为机架交替上升，从而实现爬杆动作。其中上滑块与曲柄相连，相应的连杆接下滑块。当机构具有向下运动的趋势时，下自锁套因受到自锁机构的限制而固定不动，把其受到的向下的力转化为向上的动力，推动机构反而向上运动。

于是，我们就把电机与曲柄固接作为驱动装，连

杆作为传动，两滑块作为自锁装置。该爬杆机器人的

设计装配图如图２：

那上下自锁套又是怎样自锁的呢？

我们做成了如图３所示的形状（主视、俯视）：

我们设计了两个如图３所

示的构件，两者用铰链铰接，

能使其自如地打开或收拢，再

在它们套住圆杆之后用销钉

在铰支端对边销住，这样方便

装配和安装到圆杆上，也方便

我们在调试过程中不断调整

部结构的具体尺寸。

可这仅仅只是一个滑块，那要怎样才能实现它所要起到的自锁作用呢？其实很简单，想想为什么当初要把一个原本简简单单的矩形滑块做成如我们上图示的这样的形状：套住圆杆的两端多出了两个梯形状的“耳朵”，而且这“耳朵”还是中空的。玄机就在于此，我们在这中空的空间里分别放置两个小球，此小球的直径小于梯形底边而大于梯形顶边（l梯顶

若电机固接的曲柄是逆时针转动。

1）曲柄在底端转至顶端的过程中，经力的分析，下自锁套受到向上的拉力，自锁套的两小球因重力掉至梯形底部，d球l梯顶，那么小球就被卡在了梯形空间中，此时由于小球的被固定而使整个自锁套看作是一个机架铰接曲柄一般。（见

左下图）

2）曲柄由顶端向底端逆时针转动时，上下滑块的受力情况恰与第一种情况相反，下自锁套因受力自锁而被固定，此时上自锁套仍向上运动，在曲柄过最底

端时又出现了第一种情况。于是，两滑块周而复始交替向上爬。（见中下图）在气动方面，由于没有联结用的传动机构，因而直接由气动元件带动两自锁套往上移动。我们选用两个汽缸作为主要的气动元件，利用作用力与反作用力的原理，由其带动上下两个自锁套分别自锁，达到机器人爬杆的最终目的。（见右上图）

２.３.２运动方案选择

上面所设计的爬杆过程都是在理想的情况下，很多实际因素都没有考虑进去：如摩擦力的大小（即管壁与小球接触面的摩擦系数），在曲柄过上下两滑块极限位置时，自锁套由于小球在部运动的关系，自锁套所要进行的向下运动的位移，以及上下自锁套、曲柄和连杆的质量，还有电机的功率、转动速度，汽缸的推程大小、自重，所需气包的容量及连接方式等等。

现在我们结合两者的利弊，着重分析一下各自的优缺点。

就采用汽缸驱动而言，它形式简单、结构简便，从机械设计角度而言讲究尽量采用基本机构，设计的机构要简单、可靠。而汽缸则融会了上述的优点，它由驱动机构直接带动两个自锁滑块，避免了两者间的连接机构，精简了构件之间的连接。此外，该机构具有环保等特点，它利用空气作为动力源，无污染、运动时无噪音，而且运行速度快，可以在短时间使机器人爬到杆的顶端，它还能够随身携带气包作为动力源，可以做到无线操作。

就采用曲柄滑块结构而言，它属于平面连杆机构，具有结构简单、制造方便、运动副为低副，能承受较大载荷；但平衡困难，不易用于高速。我们设计的机构是由电机经减速直接驱动的，和利用气动原理相比它多了一套传动和连接机构，但该机构运用的原理简单，设计合理，而且它不仅能在自杆上爬行，更能在弯曲的管道外爬行，具体的示意图见下。

综上所述，我们小组经讨论决定：选取“曲柄滑块机构”作为该爬杆机器人

的最终运动方案。

２.３.３执行机构形式设计

针对上述的种种实际情况，我们小组在设计此爬杆机器人的时候就全面考虑了各方面的因素，从而确定各构件的尺寸与制造构件的材料。祥见下表

机构名称构件尺寸所选材料选用理由

曲柄滑块

曲柄

60mm（轴

距）

2mm铝板

价格便宜、材质轻便、成型后具有时效

强化性

连杆

150（轴距）

2mm铝板

价格便宜、材质轻便、成型后具有时效

强化性

锥管（4个）2mm铝板

价格便宜、材质轻便、成型后具有时效

强化性

自锁机构

圆球（4个）

Φ50mm 成品橡胶

球

取材方便、具有高韧性、材质轻盈

上述构件全部采用钣金造型，然后由焊接连接，使其加工制造简单，易保证较高配合精度。

可是这样一个爬杆机构是一个封闭的机构，那怎样才能把机器人安装到所要爬的管壁上呢？由此，我们设计的自锁套就多了一个连接装置，我们在两个形状

对称的锥管对接处装上铰链，就像在ADAMS里给

两构件用一个铰链连接，然后在屏幕上显示的那种

铰链装置一样，这样自锁套就能开合，自如地包拢

住爬杆，然后在自锁零件的对面接口处插上一个联

结销，完整的一个自锁套就套在了圆杆上。联结销

的形状见图4。

对于此类机构，一定的摩擦力也是保证自锁发生作用的关键。因此对各构件的材料也是有相当的要求。经过筛选，我们决定曲柄、连杆与锥管用铝板来制造，小球的材料则用橡胶。橡胶的表面比较粗糙，且弹性性能较好，那么小球在自锁套作用时能卡得比较牢靠，不会发生自转等打滑现象，使整个机构下滑而影响上爬的效果。在自锁套需解锁时，由于橡胶具有很高的韧性，它能立刻恢复原来的形状，不会因无法恢复形变而使下一步上爬动作失效。

２.３.4运动和动力分析

在我们设定了曲柄与连杆的长度后，每一步机构各构件的上升位移便也能自然而然地计算出来了。

当曲柄逆时针由最底端转至最顶端时，下滑块上升2倍曲柄的长度位移，即120mm。同样，曲柄逆时针由最顶端转动到底端时，上滑块也走过120mm（自锁套在自锁时的下滑距离不计）。

下面我们就该机构运动一周的情况列表作一下分析（此时曲柄处于顶端）：

当然，这样的机构绝非完美无缺的。首先，我们设计的自锁套的形状还无法适应此机构爬各种杆。若所要爬的杆直径大小稍有变化，随着它的变动自锁套也必须相应地改变它外伸包拢杆部分的形状大小。但是，我们设计的自锁套可以根据不同需要换取不同大小、材质的小球。

２.３.5执行系统运动简图

自由度F 的计算：

n=3 Pl=4 Ph=0

F=3n-(2Pl+Ph)=3×3-(2×4-0)=1

3.计算容

Ⅰ.解析法

设计铰链四杆机构： 实现两连架杆对应位置的铰链四杆机构设计：

a ×cos （φ0+φ）+

b ×cos δ=d+

c ×cos （Ψ0+Ψ）

a ×sin （φ0+φ）+

b ×cos δ=d+

c ×sin （Ψ0+Ψ）

将上式移项后平方相加，消去δ得：

-b 2+d 2+c 2+a 2+2cd ×cos （Ψ0+Ψ）-2ad ×cos （φ0+φ）=2ac ×cos[（φ0+φ）-（Ψ0+Ψ）] 令R 1=（a 2-b 2+c 2+d 2）/2ac R 2=d/c R 3=d/c 则：

下自锁套自锁，上滑块向

上爬行。 上自锁套自锁，下滑块向上爬行。

R1+R2 cos（Ψ0+Ψ）-R3 cos（φ0+φ）=cos[（φ0+φ）-（Ψ0+Ψ）]

将给定的五个对应位置代入：

R1+R2 cosΨ0-R3 cosφ0=cos[φ0-Ψ0]

R1+R2 cos（Ψ0+Ψ1）-R3 cos（φ0+φ1）=cos[（φ0+φ1）-（Ψ0+Ψ1）]

R1+R2 cos（Ψ0+Ψ2）-R3 cos（φ0+φ2）=cos[（φ0+φ2）-（Ψ0+Ψ2）]

R1+R2 cos（Ψ0+Ψ3）-R3 cos（φ0+φ3）=cos[（φ0+φ3）-（Ψ0+Ψ3）]

R1+R2 cos（Ψ0+Ψ4）-R3 cos（φ0+φ4）=cos[（φ0+φ4）-（Ψ0+Ψ4）]

求出R1、R2、R3、Ψ0、φ0

若已知Ψ0、φ0，则只需三对对应位置。

一般，先取d=1，然后根据R1、R2、R3、求出在d=1情况下各构件相对d的长

度a、b、c，至于各构件的实际长度，可根据机构的使用条件按比例放大后得到所需值。

若将图1中摇杆的长度增至无穷大，则B点的曲线导轨将变成直线导轨，铰链四杆机构就演化成我们这爬杆机器人所运用的曲柄滑块机构（如图3）。

对于曲柄滑块的解析式来说，相较于它的“前身”——铰链四杆机构的要简单许多：

滑块的行程B1B2为曲柄半径r2的两倍，两端点B1和B2称为滑块的极限位置，它是以O2为中心而分别以长度r3-r2和r3+r2为半径作圆弧求得的。

我们这个爬杆机器人，由于它还运用了自锁原理，故当

曲柄转到与杆成一直线时，运动的滑块就将相应地换一次，

若电机为逆时针转动（即曲柄为逆时针，见图4）：

a）当A→B时，下滑块向上滑动位移是2r2，即等于曲

柄长度的2倍，为120mm，（S1=2r2=2×60=120mm）

b）当B→A时，上滑块向上滑动的位移也是2r2，即

S2=2r2=2×60=120mm。

这样：当电机转过一周时上下两滑块相互配合地走过S=S1+S2=120+120=240mm。

对于我们这里的具体的曲柄滑块机构有:

1211221122cos sin cos ()sin 0c

l l x l l x a l l ????+=+=??+=?

1. 求连杆2的转角2?,角速度2ω和角加速度2ε. 由()a 第二式得:

12112

sin sin sin l l ??λ?=-=- (b) 12

l l λ= 为曲柄与连杆的长度比,可由上式得出2?. 将(b)式对时间t 求导得:

1212

cos cos ?ωλω?=- (c) 将(c)式对时间t 求导得:

()221212122122222132cos sin cos sin cos sin 1cos d dt ωω??ω??ελω??ελωλ?-+=

=-=- 2．求滑块3的位移c x , 速度c v , 加速度c a .

21122

21112

212111322cos cos sin()cos cos()cos cos cos c c c x l l v l a l ????ω????ωλ??=+-=??-=+????

具体计算:

(1) 当?=2401?时

已知条件: s rad mm l mm l 5

,150,60121πω=== 346.0240sin 150

60sin sin 1212=?-=-=??l l ?==24.20346.0arcsin 2?

4.02

1==l l λ 杆 s rad 134.0524.20cos 240cos 4.0cos cos 1212=????-=-=πω??λ

ω

223222312

12139.0)4.01(24.20cos 240sin )5(4.0)1(cos sin s rad -=-?????=-=πλ??λωε

滑块 1122cos cos 60cos 240150cos 20.24110.74c x l l mm ??=+=?+?=

o o 2111o

2sin()sin(240)600.62825.70mm/s cos cos c v l ??ω?--==?=-24.2420.24 2

2o o 2o 12122113o 3o 22cos()cos cos(240.2)cos 240600.6280.416.52mm/s cos cos cos .24cos .24c a l ???ωλ??????-=+=??+=-????????-2042020 同理当o 1270?=时可计算出连杆2的转角223.58?=?,角速度20ω=和角加速度220.176rad s ε=-.滑块3的位移137.48c x mm =, 速度37.70c mm

v s =, 加速度210.34c mm a s =-. Ⅱ.

瞬心法

1.瞬心的概念

瞬心是瞬时等速重合点。瞬时，是指

瞬心的位置随时间而变；等速，是指在瞬

心这一点，两构件的绝对速度相等（包括

大小和方向）、相对速度为零；重合点，

是指瞬心既在构件1上，也在构件2上，是两构件的重合点

2.瞬心的种类

1. 绝对瞬心：构成瞬心的两个构件之一固定不动，瞬心点的绝对速度为零。

2. 相对瞬心：构成瞬心的两个构件均处于运动中，瞬心点的绝对速度相等、相对速度为零。

由此可知，绝对瞬心是相对瞬心的一种特殊情况。

3. 机构中瞬心的数目

设机构中有N个（包括机架）构件，每两个进行组合，则该机构中总的瞬心数目为K= N(N-1) / 2

3.机构过运动副直接相联的两构件瞬心位置的确。

1.两构件作平面运动时:

如图4-1所示,作V A2A1和V B2B1两相对速度方向的垂线，它们的交点（图中的P21）即为瞬心。

2.两构件组成移动副:

因相对移动速度方向都平行于移动

副的导路方向(如图a所示)，故

瞬心P12在垂直于导路的无穷远处。

4.两构件组成转动副：

两构件绕转动中心相对转

动，故该转动副的中心便是

它们的瞬心如图（b）

5．两构件组成纯滚动的高副

其接触点的相对速度为零，所

以接触点就是瞬心。如图（c）

6．三心定理

作平面运动的三个构件共有三个瞬心，它们位于同一直线上。设构件1为机架，因构件2和3均以转动副与构件1相联，故P12和P13位于转动中心，如图所示。为了使P23点的构件2和3的绝对速度的方向相同，P23不可能在M 点，只能与P13和P12位于同一条直线上

对于这里的爬杆机器人中的曲柄滑

1311314125.26/c p v v p p mm s ωμ==??=-（负号表示速度方向向左）

同理可求滑块在位置5（o 1150?=）的速度

Ⅲ. 图解法

同一构件上两点间的速度和加速度关系：

构件AB 作平面运动时，可以看作随其上任一点（基点）A 的牵连运动和绕基点

A 的相对转动。 C 的绝对速度可用矢量方程表示为 :

=+C A CA V V V

式中， 牵连速度； 是C 点相对于A 点的相对速度 .

其大小为: CA AC V l ω=? 方向如图.

C 点的加速度可用矢量方程式表示为:

=+=++n t C A CA A CA CA a a a a a a

A a 是牵连加速度, CA a 是C 点相对于A 点的相对加速度 ,

n CA a 是法向加速度, t CA a 是切向加速度 。t CA a 的方向如图, n CA a 方向平行于AC 且由C 指向A 。

2ωAC n

CA l a =

对于这里的爬杆机器人中的曲柄滑块机构的位置4（o 1120?=）画出速度与加速度多边形（见图纸），取适当的比例尺。经测量得当o 1240?=时，25.6/c v mm s =（方向如图所示），

216.25mm/s =C a （方向如图所示）

当o

1270?=时， 37.7/()c v mm s =方向如图所示

29.98mm/s =C a （方向如图所示）

Ⅳ.仿真法

利用ADAMS 进行运动分析软件。我们使用该软件对爬杆机器人进行造型，并在连接处添加了一定的转动副和移动副，并固定了机架，在这个基础上，我们使用软件中的各种插件对我们的爬杆机器人进行了运动模拟和运动分析。下面就t CA AC a l α

=?

是

我们所截取滑块的位移，速度与加速度的曲线图