++ 爬杆机器人理论方案设计说明书
学校名称：中国计量学院
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二0 0五年一月
目录
一．方案构思---------------------------------------------1 二．机械部分---------------------------------------------3 三. 电控部分---------------------------------------------17 四．设计小结---------------------------------------------19
一方案构思
我们通过三个手臂来抓紧杆件再通过手臂上的电机来实现机器人的爬升和下降。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的。
二．机械部分
1．机器人的整体装配图如下：
图1
我们是通过三个手臂爬杆的，上手臂装在一个齿条的最上端，并且固
定，在具体设计时我们可以使上手臂有一定的上下和左右转动范围,具体的设计将在下面介绍。下手臂装在下杆C上齿条的下端,中间手臂固定在滑槽上,上手臂的上升和下降是通过装在滑槽上端的电动机带动齿轮啮合齿条来实现的.下手臂的上升和下降是通过装在滑槽下端的电动机带动齿轮啮合齿条来实现的,中间手臂的升降是通过上下两对齿轮齿条反转来实现的。
2．路面行走结构
在地上行走，我们通过装在下手臂上的三个车轮来实现地面上的行走，动力由后车轮上的两个电机来提供，用两个电机主要是为了能实现走弯路，具体的三视图形如下：
图2 底部车轮结构
2 机器手臂的设计
图3 机械手的结构
我们设计的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，根据杆子的结构，A，B，C点将向中心收缩，产生一个收缩的趋势，就抓紧杆件。当滑块W 向后移动时，A，B，C点会张开，即松开杆件。再配合机构的移动构件，机械手就能很好的实现上升和下降。
在本方案中，由曲柄滑块机构的一系列动作，使机械手实现抱紧松开的动作，机械手的夹紧依靠滑块使3个橡胶皮与构件紧紧地接触。在接触的时间内实现另一个机械手的升降，在松开杆件的时间内实现自身的升降。这两段时间的长度很难控制，可以说光靠电机是不可能实现的。此外考虑到机械手垂直夹紧杆件时支撑板所受的力矩很大，难以锁住杆件，因此可以改变机械手臂与杆件的角度来减小力矩，但角度不能太小，太小的话就
会使上升的速度变慢，因此角度应在70——80度之间为好，具体的角度要计算后为准。
机械手臂是这个机器人的主体，在这个设计过程中我们花了好多时间查阅了很多资料，最后选用了这个曲柄滑块机构，在设计时我们想了很多，最初设计时觉得比较容易，可是真正设计时碰到了很多困难。
其中最主要的问题是如何使手臂按我们要求的实现放开和抓紧，特别是时间上的控制最重要。我们刚开始时想到了凸轮来控制，凸轮能够实现，但是也有缺陷，就是凸轮的设计难度较大，时间上的控制也很难，我大致算了一下，如果我的转速是10r/min ，那么转一圈要六秒，那么抓紧的时间是3秒，而放开的时间是1.5秒。那么物体上升的时间很短，难以实现。
后来我们确定用电磁铁来控制，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的协调可以比较准确的控制。可用电磁铁也有缺点，就是电磁铁的磁性会影响单片机的运行，那样就会给电机控制带来问题。但在外面加上一些防磁场的装置就会减少影响。因此最后确定用电磁铁机构，这样在计算少的同时更容易控制时间以及各方面的协调。
电磁铁手臂的设计图及连杆机构图
图4电磁铁手臂的设计图5连杆机构图
电磁铁的工作过程：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刻抓住杆件。抓住后就通过编程来控制使手臂，使三个手臂松开和抓紧的循环过程，同时通过电机的转动来实现手臂的上升和下降。具体的过程如下：
表1机械手臂工作的具体过程
为了实现抓不同直径的杆件，我们设计了使装在滑块上的两根杆的长度可以通过一个滑杆机构来改变，就是一根杆放在另一个滑筒内，可以抽动来无级改变杆的长度，然后用一个紧固螺钉来夹紧，结构如下：
图6滑杆机构
但我们设计的手臂不能爬无限杆的直径，它是有一定的范围的，而我们设计的手臂是可以爬升直径40到50毫米的任何杆件，只要调节两根杆的长度就能实现，在这我设计了两个极限位置的杆件，设计如下：考虑到我们设计机器人是从地面滑行的，因此我们手臂张开时要能够抓住杆件，即手臂B，C两点的距离必须大与杆的直径，否则就不能进行下一步的运动。还有我们设计的手臂上的三点，要分别抓在圆的三等分上，这样就能更加抓紧杆件，由于抓不同直径的杆件时，三个橡胶皮运动的距离是不一样的，因此每次都要调节滑块两端杆的长度，使三个橡胶皮能同
时和杆件接触抓紧。根据图形我们知道滑块移动的距离就是电磁铁吸引铁块的距离，因此当杆件是40毫米时，滑块移动的距离是17.03毫米，则电磁铁和铁块之间的长度也是17.03毫米，杆1 的长度为19.07毫米；当直径是50毫米时滑快移动的距离是5.1毫米，则电磁铁和铁块之间的长度也是5.1毫米，杆1的长度为29.93毫米。具体图形如下：
图7 图8
图9机器人原始、极限状态图
图10 机器人爬管的四个过程
主要任务：攀爬一个垂直距离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的机械手抓牢攀爬物，杆A的机械手呈松弛状态。由
电机通过齿轮齿条啮合的形式，驱动杆A上升一额定距离L=68mm，移动完毕，杆A
的机械手抓牢攀爬物，同时，杆B的机械手松开；
3、第二步运动——此时，杆A、杆C的机械手抓牢攀爬物，杆B由电机通过绳索
拉升一额定距离L=68mm，拉升完毕，杆B的机械手抓牢攀爬物，同时，杆C的机械
手松开；
4、第三步运动——此时，杆A、杆B的机械手是抓牢攀爬物的，杆C由电机通过齿
轮齿条啮合的形式，驱动杆C上升一额定距离L=68mm;
5、回复至初始状态，再重复循环第一、二、三步的运动；
6、下降过程与理论上与上升步骤相反，故不必再赘述。
通过上面的运动步骤，机器人可实现垂直杆件上的攀爬。
主要参数：杆A长a=133mm, 杆B长b=170mm, 杆C长c=a=133mm；
驱动杆A的电机转速为n1=48r/min, 上拉杆B的电机转速为n2=50r/min, 驱动杆C 的电机转速为n3=n1=48r/min；
与A啮合的的齿轮半径为r1=10mm, 拉升杆B的电机的皮带盘的半径为r2=10mm,
与C啮合的齿轮半径为r3=10mm,
计算步骤：
●尺寸及其质量
●机械手质量：1、有机玻璃板架质量（2块）
m1=L*w*d*=200*80*mm3*1.4g/cm3=22.4g
2、电磁铁质量（2块）
m2=d*［(l1+l2)* h-∏*r2］=5*［(40+35)*20-∏*52］mm3*7.6 g/cm3=54g
3、弹簧质量（1只） m3=1g
4、橡胶皮质量（3只）
图11立体图及其尺寸
m4=v=*r*Θ*d*h=0.95 g/cm3*25*(2*10∏/360)*7*20=0.58g
5、滑块质量（1只） m5=30g
6、连杆质量（5根）
m6=(L1+L2+L3+L4+L5 )hd=7.8 g/cm3*(250*20*3)mm=117g
7、联结螺栓螺母质量(7只)
m7=2g
则一个机械手的质量为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
=316.54g
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/cm3） =2*（W1+W2+H1+H2）*L*D+2*（10H1+10W2）*2D =2*(78+58+138+118)*28*1+2*2*（10*138+10*58） =29.792cm3
质量Ma=2.7*29.792=80.4384g
图13 B杆的视图及尺寸
B杆体积Vb
整框V1=117*1*(100+45*2+25*2+10*2+15*2+28*2+80)=49842 mm3
截空 V2=1*117*80*2=18720 mm3
挡板 V3=80*10*1=800mm3
则Vb= V1- V2+ V3=49842-18720+800=31922 mm3=31.922 cm3
质量 Mb=2.7*31.922=86.1894g
C杆质量Mc=Ma=80.4384g
●电机质量：我们共用到4个直流电机，每个电机质量约为35g
●齿条质量：我们共用到两对齿轮齿条传动
每个齿条的质量为m=LWH=(14*118*6) mm3*7.8 g/cm3=77.3136g ●B杆上我们设计其半径为R=1mm, 长L=60mm,材质为钢
转轴的质量M’=∏R2L=(∏*12*60) mm3*7.8 g/cm3=1.4703g
(2只)
●运动计算1、距离L预定一个动作周期的攀爬距离 S=68mm
(一个周期内)
2、时间T
上升过程 1、杆A的攀爬时间T1=L/V1，V1=2n∏r1/60(mm/s)=n∏1r1/30(mm/s) , 则T1=30SL(n1∏r1)=30*68/(80*∏*6)=1.352817016s,取T1=1.36s ；
2、杆B的攀爬，由于齿轮齿条的运动与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的的个参数与杆A相同，故其攀爬时间与A相等，即T3=1.36s；
由以上各段时间相加就是杆每上升完整的一段距离L所用的时间，即总时间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。
下降过程设平均速度为V′,攀爬杆长为P,在杆上时间为T=4min，扣除机器人本身的高度300mm,则实际在杆上攀爬路程为（2P-2*300）mm。
下降过程我们有两个方案备选。
方案一：采用与上升过程相反的状态，则下降的平均速度V′=V=16.67mm/s,可由2P-2*300=VT=16.67mm/s*4min*60s/min ,则可知攀爬杆长P=2300.4mm；
方案二：采用下滑的方式，（P-300）/15.81+（P-300）/ V′=240
假设V′=16.67n,下滑时间为T′
则P=240*16.67n/(n+1)+300
当n=2时，P=2967.2mm, T′=240/3=80s
当n=3时，P=3300.6mm, T′=240/4=60s
当n=4时，P=3500.64mm, T′=240/5=48s
当n=5时，P=3634mm, T′=240/6=40s
. . .
. . .
. . .
虽然采用方案二能大大增加机器人的爬升高度，但考虑到下滑速度较快，
不稳定因素较多，为保险起见，我们决定采用方案一。
有关齿轮齿条
传动的计算：齿轮——模数 m=1mm
齿数 z1=20
齿顶高系数 ha*=1
顶隙系数 c*=0.25
分度圆压力角α=20 °
分度圆直径 d=mz=1*20=20mm
齿顶圆直径 da=m(z+2ha*)=1*(20+2*1)=22mm
齿根圆直径 df=mz-2m(ha*+c*)=1*20-2*1*(1+0.25)=17.5mm
齿条——齿形角α=20 °
齿厚、齿槽宽 s=e=∏m/2=∏*1/2=1.57mm
齿顶高 ha=(ha*+c*)m=(1+0.25)*1=1.25mm
齿轮齿条的重合度ε
εα1=〔20*（tanαa1-tanα）+2ha*/(sin20 °*cos20 °)〕/2 ∏
=〔20*（tanarc(cos20/22)-tan20°）+2*1/(sin20 °*cos20 °)〕/2∏ =1.290530458<εmax=1.981
完全符合要求
电磁铁的吸力计算：
图14
G 为重力 G=14.7N，F为电磁铁的吸力，U为摩擦系数U=1.2，F3 为最大弹簧弹力 F3=2N，W为转距，F1为压力，
则F4=F-F3，G=F4*COS10°*U=》F4=G/（COS10°*U），
则F=F4+F3=G/（COS10°*U）+ F3=14.7/（COS10°*1.2）+2=14.44N
因为每次有两根杆是抓紧的，因此每根杆上的吸力为14.44/2=7.22N
电磁铁的吸力要大于7.22N。
三电机控制部分
我们的机器手臂控制是通过单片机来定时来控制电机和电磁铁的通电和断电，具体的时间控制我们通过计算如下
表2整个爬管过程的时间分布
表3爬管过程的时间分布
注：手臂的电动机正转是使本身手臂上升的状态，反转则是与其相反的转动。这是按我们的要求设计的。
虽然我们完全可以通过单片机来控制时间，可是我们为了防止在中途出现我们没有遇到的问题，因此我们有加入了一些优先级，通过遥控来控制或者用电线直接控制。
具体的手臂爬升编程如下：
P1.0控制上手臂的电机正转 P1.4 控制上手臂的电磁铁
P1.1控制上手臂的电机反转 P1.5 控制中手臂的电磁铁
P1.2控制下手臂的电机正转 P1.6 控制下手臂的电磁铁
P1.3控制下手臂的电机反转
我们选用方式一，T0来定时，晶振是6MHZ，则T=2us
定时1.36S 20个循环周期
则单个定时时间1.36/20=0.068S，
定时初值X=M-定时值/T=65536-68000/2=31536=7B2C H
杆顶暂停时间⊿T=36S 500个循环周期
则单个定时时间36/500=0.072S，
定时初值X=M-定时值/T=65536-72000/2=29536=7360H
中文摘要 姓名：曲新波学号：101014109 指导老师：谭月胜 爬杆机器人家族很庞大,从动力源进行划分,主要分为机械式和气动式两大类。从有无控制系统的层面进行划分,主要分为普通型和智能型两大类。普通型就是只有动力源、执行机构,智能型相比普通型还有(反馈)控制机构。智能型在实现运动的难度上比普通型要低。论文中,笔者所研究制造的蠕行式仿生爬杆机器人为非智能型机械式爬行器。 论文在比较几类爬行机构的优劣的基础上,确定了机器人本体的大致结构。在此基础上详细阐述了仿生爬行的原理和机器人模块化设计的理念。根据路灯杆的尺寸数据,设计并制造出机器人样机。机器人建模的过程(功能的实现与机械结构的尺寸优化)包括以下几个关键点:爬杆机器人设计中的功能机构的协调配合、攀爬手臂夹持重合度的选择、攀爬力的变化与结构参数之间的关系、攀爬力零点的渡过等难点的设计方法和设计准则,为此类爬行机器人的设计提供参考、论文中,对机器人展开运动学和动力学仿真分析。运用ADAMS对用Solldworks所建机器人模型展开运动模拟仿真分析,测试运动部件的各项运动参数和受力情况并优化所建模型的尺寸参数。机器人中关键部件如机械手连接臂,对机器人的稳定爬行很重要,运用有限元分析软件ANSYS对此进行承载受力分析,查看各机械臂的变形挠度。 关键词:爬杆机器人,变直径杆,攀爬,仿生学
1.1论文研究的目的和意义 目前全国日益加快的现代化建设步伐,除了2008年8月在北京举办的奥运会、2010年将要在上海举办的世博会之外,随着我国国民经济的飞速增长、人民生活水平日益提高,城镇中随之矗立起无数的高层城市建筑,各类集实用性与美观性一体的市政、商业工程诸如电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等(图1-1),它们通常5-30米,有的甚至高达百米,壁面多采用油漆、电镀、玻璃钢结构等,由于常年裸露在大气之中,风沙长年累月的积累会形成灰尘层,该污染影响城市的美观,同时空气中混合的酸性物质也会对这些城市建筑特别是金属杆件造成损坏,加快它们的生锈,并缩短它们的使用寿命,需要定期进行壁面维护工作。 图1-1变直径杆城市建筑图 为保持清洁,许多国际性城市如厦门、深圳、香港等地规定,每年至少清洗数次。目前传统的清洗技术主要分为人工清洗(化学药剂清洗)和高压水枪清洗等方法。其中人工清洗是由清洁工人搭乘吊篮进行高空作业来完成,工人的工作环境恶劣,具有很大程度上的危险性,工作效率也很低,耗资巨大。化学药剂中所用的去污剂具有很强的毒副作用会对人造成潜在的危害,并易造成环境的二次污染;高压水枪清洗耗能比较大、成本高,且对周边环境有很大的影响。在利用高压水
摘要 在市政工程中，有大量的安装及维修等工作需要爬杆作业。对于较粗的杆件，人工攀爬和工程车作业都比较方便，但是对于一些直径较细，强度较小的杆件比如路灯杆等，人工攀爬较为困难。因此本文设计了一爬杆机器人，可以在没有障碍的光杆上爬行，对人工攀爬较难的作业具有较大的现实意义。 本文设计的爬杆机器人由曲柄滑块机构、并联盘形凸轮机构、移动凸轮机构以及上下机械手爪等组成，通过弹簧的预紧力来实现机器人手爪对杆的抱紧，通过曲柄滑块机构、凸轮机构等实现攀爬动作，同时机器人只需一个驱动源就能带动整个机器人的运动，能攀爬变直径的杆，工作简单可靠，运动灵活，可以广泛应用于各种高空作业。 关键字：爬杆机器人，变直径杆，夹紧，攀爬
ABSTRACT In the municipal engineering, there are a large number of installation and repair work needed to climb rod operation, For the coarse bar,artificial climbing and vehicle operation is convenient, artificial climbing is difficultfor for some small diameter low strength member such as a road lamp pole,so this paper designs a pole climbing robot,which can crawl on no obstacle bar,it has great practical significance for artificial climbing The pole climbing robot consist of songCrank slider mechanism, parallel plate cam mechanism.moving cam mechanism, the robot tight the wallHold by the spring pretightening force.so as to realize Climbing action. at the same time the robot can drive by a robot motion and at the same time all devices were designed perfectl. In this text.its mechanism electric control principle and various features .it can be widely applied to various kinds of high-altitude operation. Key words：pole-climbing robot，variable-diameter pole sepal，pole-climbing
浙江大学“海特杯”第十届大学生机械设计竞赛“四足机器人”设计方案书
“四足机器人”设计理论方案 自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。仿照生物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。作为移动机器平台，步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。四足机器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。 所以，我们在选择设计题目时，我们选择了“四足机器人”，作为我们这次比赛的参赛作品。 一.装置的原理方案构思和拟定： 随着社会的发展，现代的机器人趋于自动化、高效化、和人性化发展，具有高性能的机器人已经被人们运用在多种领域里。特别是它可以替代人类完成在一些危险领域里完成工作。 科技来源于生活，生活可以为科技注入强大的生命力，基于此，我们在构思机器人的时候想到了动物，在仔细观察了猫.狗等之后我们找到了制作我们机器人的灵感，为什么我们不可以学习小动物的走路呢，于是我们有了我们机器人行走原理的灵感。 为了使我们所设计的机器人在运动过程中体现出特种机器人的性能及其运动机构的全面性，我们在构思机器人的同时也为它设计了一些任务： 1. 自动寻找地上的目标物。 2. 用机械手拾起地上的目标物。 3．把目标物放入回收箱中。 4. 能爬斜坡。 图一 如图一中虚线所示的机器人的行走路线，机器人爬过斜坡后就开始搜寻目
标物体，当它发现目标出现在它的感应范围时，它将自动走向目标，同时由于相关的感应器帮助，它将自动走进障碍物中取出物体。 二.原理方案的实现和传动方案的设计： 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 图二 图三 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 任务的实现主要是利用单片机来控制机器人的四条腿以及几个传感器的共同工作，并通过它们的协调工作来完成的。如图一中所示，让机器人爬过了斜坡之后，就先进行扫描，如果发现有目标出现在它的视野之内，它就会寻着目标前进。如果没有发现目标，机器人会原地转弯并搜寻在它视野之外的目标。由于目
目录 设计任务书 1 摘要 5 引言 6 第一章总体方案设计 6 第二章结构设计 7 2.1动力缸的选择 7 2.1.1爬杆气缸（伸缩缸）的选择 7 2.1.2 夹紧缸的选择 7 2.2 杆夹持机构的设计 8 2.2.1导向机构的设计 8 2.2.2夹紧缸连接板的设计 9 2.2.3 夹紧块设计 9 2.3 其他部分设计 10 2.3.1伸缩缸连接板的设计 10 2.3.2固定电磁阀的连接板的设计 10 2.3.3 电磁阀的选用 11 2.3.4传感器的选用 11 第三章控制系统设计 14 3.1气动原理图的设计 14 3.2 PLC控制系统的硬件设计 16 3.3 PLC控制系统的程序设计 18
3.3.1 顺序控制设计法的基本思路 18 3.3.2 用顺序控制设计法编程 19 结论23致谢24 参考文献25附录A 英文翻译 附录B综述 附录C 调研报告 附录D 装配图及主要零件图 附录E PLC程序
江苏大学 毕业设计(论文)任务书机械工程学院机电0701班班级白清文学生设计(论文)题目小型气动爬杆机器人设计 课题来源江苏大学工业中心 起讫日期2011 年03月14日至2011年06 月24 日共15 周指导教师(签名) 系(教研室)主任(签名)
毕业设计(论文)进度计划:
引言 小型气动爬杆机器人属于机电气结合类的综合实验及训练装置。根据设计任务，这个爬杆机器人应该能模拟人的运动，通过“机械手”、“机械脚”的抓放动作和身体伸缩动作，实现沿杆方向的前后双向移动，运动速度可调而爬杆高度或距离可以控制。整个设计过程就是做出一个完整的“爬杆机器人”的操作实验台而设计出图、购料、加工、组装、调试完成的过程。 这个实验台最初的设计目的也是从一个实用目的出发的，工业机械手的效用是代替人从事繁重的工作和危险的工作，所以，爬杆机器人最初的设计思想也是想到人有一些危险或难以到达的地方需要探测或勘察时，可以用爬杆机器人代替，另外，这个爬杆机器人也有一定的额外负重，这些因素在设计时都应考虑。
1 绪论 1.1 背景 “机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化”。这是宋健院士对机器人在上个世纪所取得的成就的精辟概括。同时机器人技术也是20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40余年的发展已取得长足的进步。走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。 所以我们必须走进它，了解它。近年来，在我国大学，机器人作为机械电子学、计算机技术、人工智能等的典型载体被广泛地用来作为工科本科生的讲授课程之一；在中学，模型机器人则逐渐成为素质教育，技能实践的选题之一，各种机器人比赛正方兴未艾。进入21世纪，人们也愈来愈亲身感受到机器人深入产业、深入生活、深入社会的坚实步伐。这些都说明了机器人技术离我们越来越近了。 但大家是否可以给耳熟能详的机器人一个准确的定义呢？有人认为机器人无所不能，有人认为机器人必须像人。那么，何为机器人？虽然很难给机器人下准确的定义，但是通常的理解就是：机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器，根据所处的环境和作业的需要，它具有至少一项或多项拟人功能，如抓取功能或移动功能，或两者兼而有之，另外还可能程度不等地具有某些环境感知功能（如视觉、力觉、触觉、接近觉等）以及语音功能乃至逻辑思维、判断决策功能等，从而使它能在要求的环境中代替人进行作业。 如今进入二十一世纪，随着科技的迅速发展，现代化进程的日益加快，机器人的创新与研究越来越成为一个国家科技力量的具体体现，越来越多的机器人已成为各个领域重要的组成部分，因此机器人的发展也日益成熟，为人们的生活提供了更多的方便与快捷。在世界经济快速发展的前提下，我国国民经济也有着飞速的增长，人民生活水平日益提高，伴随着城市和乡村矗立起无数的高层建筑和无数的高高的杆类，如电线杆、路灯杆等等。这些杆类长年累月的暴露在空气中，很容易受到腐蚀和污染，不仅影响着城市的美观，而且缩短了它们的寿命，也大大提高的它的危险性，对人们造成诸多不便与危险。 然而，如果人工的对这些杆类进行清洗与保养，由于其条件所致，势必需要清洗工人高空作业完成，这样不仅工作效率低下，耗资巨大，而且安全系数低，很容易造成危险。如果采取高压水枪清洗，则太浪费人力物力，得不偿失了。这时，人们通过设想，能不能设计一种机器人，使得它能够代替人类进行对杆类的清洗或进行相关工作，用这些机器人代替人工进行高空危险作业，从而把工人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来，不仅提高的工作效率，同时也保护了工人的生命安全。
智能四足机器人结构设计 摘要 对于我们的未来生活，每个人有不同的构想，但大多数人都相信，在将来的社会，机器人将作为家庭的一员进入我们的生活，与我们每天朝夕相处。可现在普遍存在人们心中的疑问是：将来机器人将以何种身份进入我们的生活，是玩伴还是佣人，智能步行机器人的设计就是为了将来机器人能进入我们中国人的家庭生活，为我们的家庭生活带来欢乐。 本设计采用关节型结构，成功地设计了智能步行机器人的本体结构。本机器人具有前后行、平地侧行等基本行走功能。另外机器人头部还装有CD摄影机，胸腔内部可装备内置电源和智能设备。本设计参考了狗的结构组成，使得机器人结构尽量与狗的本体结构相似，尤其在长度配比方面。本设计的结构比较复杂，关节数目众多，为了力求优化设计，设计者兼顾了关键部件的互换性和结构紧凑的原则。所有的关节都用了2036型的直流伺服电机作为驱动源，充分利用伺服电机的特性。伺服电机的驱动都采用了谐波减速器机构，该减速方案减速比大、效率高，是比较理想的减速方案。 关键词：智能四足机器人；结构设计；谐波传动
Intelligent Four-Foot Robot Frame Design Abstract For our future life，everyone had different ideas，but most people believe that，in future society，the robot as a family into our lives，and we can now daily overnight with the common people's hearts Question is: what will be the future status of robot into our lives，playmates or servants，the design of intelligent walking robot is to the future robot can enter our Chinese people's family lives，for our happy family life. The design of a joint structure，the successful design of intelligent walking robot，the body structure. The robot has before and after the trip，the ground adjacent to the basic operating functions. Another robot is also equipped with CD camera head，chest internal equipment can be built-in power supply，and intelligent. The reference design of the structure of the robot，making the structure as the robot dog，the dog's body similar to the structure，particularly in the area ratio of length. The design of the structure is more complicated，the large number of joints，in an effort to optimize the design，designers take into account the interchangeability of key components of the compact structure and principles. All joints are composed of a 2036-type of DC servo motor as a driver and make full use of servo motor characteristics. Servo motor drives are used harmonic reducer，the slowdown in the programme reduction ratio，high efficiency，The ideal slowdown is a good programme. Keywords：intelligent four-foot robot ; structural design; harmonic drive
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：200820314102胥文举 指导老师：杨柱中
目录 1.设计题目……………………………………………１1.1设计目的………………………………………………１1.2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……………………………………２2.1机械预期的功能要求…………………………………２2.2功能原理设计…………………………………………２2.3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.计算内容……………………………………………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）。
机器人足部构型研究报告 姓名：学号： 联系电话： 电子邮箱： 院系及专业： 指导老师：
一．足式机器人的优点 足式运动在不平地面和松散地面上的运动速度较高，而能耗较少。对环境具有很强的适应性，既可以进入相对狭窄的空间，也可以跨越障碍，与其它各种移动方式相比，具有更广阔的应用前景。 1.足式机器人对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，不仅能够在平面行走，而且能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面，它的移动“盲区”很小。 2足式机器人具有广阔的工作空间，由于行走系统占地面积小，活动范围很大，其上配置的机械手具有更大的活动空间，也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。 二．几种足部设计与构型 1.足一地接触力 行走时，足部所受到的地面的反作用力分为垂直、前后和左右方向。由于在 垂直方向上的反作用力的分力最大，在每个步态的周期转折点处出现极值，在脚 跟着地时出现一极大值，随着脚部逐渐放平，受力面积也逐渐增大，受力则减小， 当脚部完全放平时，受力最小，到脚跟离地，脚趾登地时出现另一个极大值，在 整个步行周期中，在垂直方向上受力曲线呈现对称双峰性质，如图1所示。 图1：脚部受力双峰曲线 2.平行四边形脚部机构
图2所示是一个用平行四边形机构作为脚趾的脚部机构，此种机构保 证了着地时脚部与地面的多点接触，类似人类行走时脚部着地的情况。平行四边 形依靠弹簧C施加作用于地面的扭力矩从而保证A、B两点同时触地，并帮助行 走时弹性起步，减少行走中能量得到消耗。 图2：平行四边形脚部机构 图3：典型的足部机构 3. LOLA脚部结构 几乎所有机器人的脚部都是一个整体，所以很难保证行走时的稳定性。不易实现行走过程中脚跟着地脚尖离地的行走方式，并且即使行走地面，只是稍微不平，就可能造成脚掌与地面接触不规律，影响仿人机器人的稳定性。 为了缓解上述问题，由德国慕尼黑工业大学研制的仿人机器人LOLA增加了一个脚趾自由度，行走速度有了很大的提高。 LOLA仿人机器人的脚部结构如图所示，由图可以看出，LOLA机器人的脚部增加了主动趾关节，通过控制脚趾转动的角度，来完成类人的行走方式“脚跟着地一脚尖离地”，并且能更好的适应地面。
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最新全面教学资源，打造完美教学模式 深圳大学期末考试试卷 开/闭卷开卷A/B卷N/A 课程编号1303270001 1303270002 课程名称EDA技术与实践（2）学分2.0 命题人(签字) 审题人(签字) 2015 年10 月20 日 设计考试题目：完成一个集成电路或集成系统设计项目 基本要求：2-3位同学一组，完成一个完整的集成电路设计项目或是一个集成系统设计项目。 规格说明： 1.题目自定。 1)集成电路设计项目 i.若为IC设计项目需要完成IC设计的版图。 ii.若采用FPGA实现数字集成电路设计，需要进行下板测试。 2)集成系统设计项目，需使用FPGA开发板或嵌入式开发板，完成一个完整的集成 系统作品。 3)作品需要课堂现场演示，最后提交报告，每个小组单独一份报告，但需阐述各个 成员的工作。 2.评分标准：
2015年第二学期，建议作品内容： 完成一个行走机器人，基本要求 o2-8只脚 o能行走 o可以用单片机，嵌入式，FPGA方案 一、设计目的： 通过设计一个能够走动的机器人来增加对动手能力，和对硬件电路设计的能力，增强软件流程设计的能力和对设计流程实现电路功能的能力，在各个方面提升自己对电子设计的能力。 二、设计仪器和工具： 本设计是设计一个能走动的机器人，使用到的仪器和工具分别有：sg90舵机12个、四脚机器人支架一副、单片机最小系统一个、电容电阻若干、波动开关一个、超声遥控模块一对、杜邦线若干、充电宝一个。 三、设计原理： 本次设计的机器人是通过51单片机控制器来控制整个电路的。其中，舵机的控制是通过产生一个周期为20毫秒的高电平带宽在0.5到2.5ms之间的pwm信号来控制。12路Pwm信号由单片机的定时器来产生。51单片机产生12路pwm信号的原理是：以20毫秒为周期，把这20毫秒分割
M ac hine B uilding A uto mation,Jun 2008,37(3):21～23,33 作者简介:马东兴(1982— ),男,江苏省丹阳市人,在读硕士研究生,主要从事虚拟样机和四足机器人技术研究。 新型四足机器人步态仿真与实现 马东兴,王延华,岳林 (南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016) 摘 要:研究一种背部带关节的新型四足机器人,通过三维建模软件Pr o /E 和机械系统动力学 仿真分析软件ADAMS 建立了四足机器人虚拟样机,规划了四足机器人的步态,并且利用AD 2AM S 仿真软件对该四足机器人进行了步态仿真,同时利用单个AT89C52单片机成功实现对四足机器人5个舵机的独立控制以及舵机的速度控制。仿真与实验结果表明四足机器人能够根据设计步态实现直线行走。 关键词:四足机器人;步态仿真;舵机;单片机中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:167125276(2008)0320021203 Ga it S i m ul a ti on and I m plem en t a ti on of a New Quadruped Robot MA Dong 2xing,WANG Yan 2hua,Y UE L in (Co ll ege o f M echan i ca l and E l ec tri ca l Eng i nee ri ng,N a n ji ng U n i ve rs ity o f Ae r o na u ti c s & A s tr o na u ti c s,N a n ji ng 210016,C h i na ) Abstract:A new qua drup e d r obo t w ith w a ist 2j o i nt is d iscu sse d i n this p ap e r .The virtua l p r o t o type o f quad rup ed r obo t is c re a te d by P r o /E a nd ADAM S a nd the ga it o f the r obo t is p l a nne d.The ga it s i m ul a ti o n of the qua drupe d r o bo t is do ne by ADAM S virtua lp r o t o ty 2p i ng so ft w a re.M e a nw hil e ,w e succe s sfull y con tr o l fi ve rudde r se rvo s by a s i ngl e AT89C52SCM a nd a lso rea li ze the ve l o c ity co ntr o l of the rudde r se rvo.The s i m ul a ti o n a nd e xp e ri m e nta l re sults show tha t the qua drup e d r o t w ith w a is t 2j o i n t ca n w a l k s tra i ght s te a dil y thr ough the de s i gned ga it . Key words:qua drup e d r obo t;ga it s i m ul a ti o n;rudde r se rvo;SCM 0 引言 与轮式机器人或履带式机器人相比,由于足式机器人的立足点是离散的点,可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点,足式机器人对崎岖路面也具有很好的适应能力,因此足式机器人受到各国研究人员的普遍重视,目前已成功开发了多款足式机器人。例如日本东京工业大学 研发的TI T AN 2V III [1] 机器人,每个腿具有3个自由度,其 中大腿关节具有前后转动和上下转动2个自由度,膝关节具有1个上下转动自由度。采用新型的电机驱动和绳传动。上海交通大学马培荪等人研制的JT UWM 2III 四足机器人[2, 3] ,腿为开链式关节型结构,膝关节为一纵摇自由 度,髋关节为纵摇和横摇2个自由度。每一腿有3个自由度,共12个自由度。机体重心较高,与哺乳类动物相似,适应于动态行走。华中科技大学研发的“4+2”多足步行机器人[4, 5] ,其腿部件由髖关节、大腿关节、小腿关节和踝 关节四部分组成,大、小腿关节之间由线轮传动,每一腿有 3个自由度。但是先前研制的机器人的本体大多是一个 刚性整体,没有考虑机器人的背部关节。 因此,在分析卡内基梅隆大学(Carnegie Mell on Uni 2 versity )研制的RGR 仿壁虎机器人[628] ,以及韩国庆北大学(Kyungpook Nati onal University )设计的E L I RO 2II 四足步行机器人的基础上[9, 10] ,研究了一种新型四足机器人。 该机器人与传统的足式机器人相比,其机器人本体不再是 一个单一的刚性整体,而是在本体上用一个主动关节将机 器人的本体分为前后两个部分,通过背部主动关节的运动来实现四足机器人的直线行走。通过机械系统动力学仿真分析软件(aut omatic dynam ic analysis of mechanical sys 2te m s,ADAMS )对该四足机器人虚拟样机进行步态仿真,同时利用单个AT89C52单片机成功实现对四足机器人5个舵机的独立控制以及舵机的速度变化,四足机器人的直线行走平均速度达到12.14mm /s 。 1 四足机器人虚拟样机 1.1 四足机器人结构 传统的四足机器人每个腿有2个或3个自由度,本文研究的四足机器人结构简单,每个腿只有1个自由度,但是在机器人背部增加了1个自由度。四足机器人的结构如图1所示。该四足机器人有5个主动关节(图中关节1至关节5)和1个被动关节(6点),各关节的运动方向如图1所示。主动关节由舵机驱动。z 轴正方向为四足机器人前进方向。关节1至关节4四个主动关节可以使各腿在xoy 平面上下摆动。关节5可以使前后本体在xoz 平面转动。 1.2 四足机器人接触力 当足与地面之间发生接触时,这两个物体就在接触的 ? 12?
目录 一．方案构思---------------------------------------------1 二．机械部分---------------------------------------------3 三. 电控部分---------------------------------------------17 四．设计小结---------------------------------------------19
一方案构思 我们通过三个手臂来抓紧杆件再通过手臂上的电机来实现机器人的爬升和下降。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的。 二．机械部分 1．机器人的整体装配图如下： 图1 我们是通过三个手臂爬杆的，上手臂装在一个齿条的最上端，并且固
定，在具体设计时我们可以使上手臂有一定的上下和左右转动范围,具体的设计将在下面介绍。下手臂装在下杆C上齿条的下端,中间手臂固定在滑槽上,上手臂的上升和下降是通过装在滑槽上端的电动机带动齿轮啮合齿条来实现的.下手臂的上升和下降是通过装在滑槽下端的电动机带动齿轮啮合齿条来实现的,中间手臂的升降是通过上下两对齿轮齿条反转来实现的。 1 升降设备———液压剪叉升降 剪叉机构由两根中间用枢轴连接，可在平面内相互转动的剪杆组成，每根剪杆又可以认为由两段一端铰接和一端固接的梁单元连接而成。剪杆作为机构折叠变化的对象，铰点约束剪杆的变化，折叠过程既剪杆围绕铰点旋转，最后达到指定位置，从而完成一个折叠过程。剪叉式升降台主要由底座、剪叉机构和工作台三个部分组成，其中剪叉机构是剪叉式升降台的主体，也是主要承力构件。剪叉式升降台按驱动形式主要分为液压式和电机式驱动。其中，液压水平驱动剪叉式升降台具有结构紧凑、设计简单、压缩比大、噪声小、工作平稳可靠等突出优点,作为机器人的升降装置非常合适。 （1）升降装置的运动学分析 以单片剪叉式升降台为研究对象，如图1 所示，分析滑块B水平速度v1与升降平台CD 在垂直速度v 之间的关系。 该运动为平面运动，采用速度瞬心法进行求解。因为D点速度垂直向上，B 点速度水平向左，所以剪杆BD 运动瞬心为点C，令其瞬时角速度为ω，则D、B 点的速度为： V=W*R =W*Lcosα D
大学“海特杯”第十届大学生机械设计竞赛“四足机器人”设计方案书
“四足机器人”设计理论方案 自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。仿照生物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。作为移动机器平台，步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。四足机器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。 所以，我们在选择设计题目时，我们选择了“四足机器人”，作为我们这次比赛的参赛作品。 一.装置的原理方案构思和拟定： 随着社会的发展，现代的机器人趋于自动化、高效化、和人性化发展，具有高性能的机器人已经被人们运用在多种领域里。特别是它可以替代人类完成在一些危险领域里完成工作。 科技来源于生活，生活可以为科技注入强大的生命力，基于此，我们在构思机器人的时候想到了动物，在仔细观察了猫.狗等之后我们找到了制作我们机器人的灵感，为什么我们不可以学习小动物的走路呢，于是我们有了我们机器人行走原理的灵感。 为了使我们所设计的机器人在运动过程中体现出特种机器人的性能及其运动机构的全面性，我们在构思机器人的同时也为它设计了一些任务： 1. 自动寻找地上的目标物。 2. 用机械手拾起地上的目标物。 3．把目标物放入回收箱中。 4. 能爬斜坡。 图一 如图一中虚线所示的机器人的行走路线，机器人爬过斜坡后就开始搜寻目
标物体，当它发现目标出现在它的感应围时，它将自动走向目标，同时由于相关的感应器帮助，它将自动走进障碍物中取出物体。 二.原理方案的实现和传动方案的设计： 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 图二 图三 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 任务的实现主要是利用单片机来控制机器人的四条腿以及几个传感器的共同工作，并通过它们的协调工作来完成的。如图一中所示，让机器人爬过了斜坡之后，就先进行扫描，如果发现有目标出现在它的视野之，它就会寻着目标前进。如果没有发现目标，机器人会原地转弯并搜寻在它视野之外的目标。由于目标物
四足机器人设计报告 摘要：本文介绍了四足机器人（walking dog ）的设计过程，其中包括控制系统软硬件的设计、传感器的应用以及机器人步态的规划。 一、本体设计： walking dog 的单腿设置髋关节和踝关节两自由度，能在一个平面内自由运动（见图1.1）。采用舵机作为机器人的关节驱动器，其单腿结构图见（图1.2）。为了便于步态规划，设计上下肢L1、L2长均为65mm 。四肢间用铝合金框架连接，完成后照片见（图1.3）。walking dog 的每只脚底均有一个光电传感器，能有效检测脚底环境的变化。walking dog 的头部为一个舵机，携带光电反射式传感器，能探测前方180度75cm 内的障碍物。 图1.1 四足机器人模型 图1.2 单腿结构 图1.3：完成后照片 二、控制系统设计 为了使机器人能灵活地搭载各种传感器以及实现不同的步态，将底层驱动单元与上层步态算法平台分开。因为walking dog 的各关节均为舵机，特设计了16路舵机驱动器作为底层驱动单元，用来驱动机器人全身各关节。并设计了上层算法平台，将各关节参数通过UART 实时地发送到底层驱动单元。图2.1为系统框图。
图2.1：系统框图 1、底层驱动单元设计 图2.2给出了舵机的工作原理框图，电动机驱动减速齿轮组,并带动一个线性的电位器作位置检测,控制电路将反馈电压与输入的控制脉冲信号作比较,产生偏差并驱动直流电动机正向或反向转动,使齿轮组的输出位置与期望值相符。 图2.2：舵机工作原理框图 针对舵机这一特性，设计底层驱动器的系统结构图见图2.3。Mage8的16位定时器分时产生16次定时中断，中断子程序产生移位脉冲，通过4N25光偶隔离输入到移位寄存器，实现各路PWM信号高电平部分的分时产生。图2.4为定时产生脉冲的中断处理流程，图2.5例举了产生4路PWM信号的波形图。实际电路原理图见附录1。 图2.3：16路舵机驱动器结构图
机械原理课程设计设计说明书 设计题目：爬杆机器人 设计者： 设计小组成员： 指导老师： 机械原理教研室
目录 1.设计题目……………………………………………１1.1设计目的………………………………………………１1.2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……………………………………２2.1机械预期的功能要求…………………………………２2.2功能原理设计…………………………………………２2.3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.计算内容……………………………………………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。
燕山大学 课程设计说明书题目：足式行走机器人课程设计 学院（系）：机械工程学院 年级专业： 2013级机控二班 学生姓名：李旭军、刘鹤、 颜天喜、林银福 指导教师：刘劲军
燕山大学课程设计（论文）任务书
燕山大学课程设计评审意见表
目录 一、项目意义 (6) 二、设计要求 (6) 三、总体方案设计 (6) 四、元件选择与结构设计 (8) 4.1 气缸的选择 (8) 4.2 换向阀的选择 (8) 4.3 机械结构设计 (8) 4.4 传感器的选择 (9) 五、气动系统和电控系统的设计 (9) 5.1 气动回路的设计 (9) 5.2 电控系统的设计 (10) 六、PLC程序与控制 (14) 6.1 I/O地址分配表 (14) 6.2 PLC外部接线图 (15) 6.3 PLC梯形图 (15) 七、实物操作说明 (18) 7.1 实物图片 (18) 7.2 操作说明 (18) 八、总结 (19) 九、心得体会 (19)
一、项目意义 当今随着气动技术及机器人技术的发展，气动机器人的应用领域也越来越广泛。其工作可靠、体积小、动作灵活等优点使其在一些特殊的应用场合，如壁面爬行机器人的研究方面颇受欢迎，壁面爬行机器人要完成在与水平面成一定角度的各种壁面上移动，它主要完成两个任务：一是吸附，二是移动。本文设计的气动爬行机器人主要研究设计机器人的爬行功能，通过对其机械结构及控制系统设计，实现步距式爬行功能，同时可实现前进、倒退和转向等功能。 二、设计要求 1、机器人驱动系统为气动控制系统，将采用气源、电源拖线运行方式。气源压力5bar，电源电压24V。 2、利用手持有线控制器实现机器人的转向、前进、后退控制、地面步态行走。电气控制采用继电器控制方式。禁止采用轮式。 3、要求机器人能实现3kg负重状态下按预定轨迹行走要求。注：验收用预定轨迹转弯半径大于等于1m。 4、要求机器人整体平面尺寸不超过250mm*250mm。自行完成整机设计、选型、加工、集成及调试。 三、总体方案设计 根据设计要求，我们设计的方案是六足气动机器人，每一个足用两个缸控制，水平杆实现移动，垂直缸实现对身体的支撑，每三个缸一组，分别用一个阀控制，示意图如图1所示。
2019.10科学技术创新-179--种新型爬杆机器人的结构设计与分析 邹佳航秦梦瑶王帅洋 (河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003) 摘要：随着科学的进步和时代的发展，高空工作的高度在逐步增加，人工作业也愈发困难；本文设计了一款爬杆机器人来解决现实生活中人工作业中遇到的问题。通过对目前国内外爬杆机器人的现状进行调查研究，我们提出了一种新型爬杆机器人的方案并进入实体设计阶段。本文对这种爬杆机器人的结构设计、力学分析，动力装置进行了介绍「 关键词：爬杆机器人；结构设计；力学分析 中图分类号:TP242文献标识码:A文章编号:2096-4390(2019)10-0179-02 1绪论 随着科技的进步.机器人技术的发展也在不断地提高,越来越多的高危性、高重复性工作被机器人取代,甚至一些人类无法完成的任务，在机器人看来却是轻而易举。无论是大城市或是乡村，我们都可以看到无数的电线杆、路灯杆等杆类，电线杆上的电气设备、路灯杆上的灯经过长时间的风吹日晒，极容易损坏，需要定期的维修和保养。由于目前仍是以人工作业为主，导致高空作业不仅效率低下.人工成本昂贵而且安全系数很低。为了解决这些难题我们设计了一种爬杆机器人，用于代替维修工人爬杆进行高空作业。 目前,虽然国内外已经设计出了多种爬杆机器人.但都具有各n的局限性例如采用气动蠕行式爬杆器来解决变直径杆的爬行,由气压控制其上升和下降，对气缸要求较高。导致更高的设备成本和维护成本;双手爪爬机器人具有较强的攀爬功能,但因为需要交替两爪攀爬,爬行速度较低；仿尺镀步态的爬杆机器人结构简单、成本低廉.由于采用了摩擦自锁，所以只能上升无法下降。 2结构方案设计 如果想实现机器人可以在杆上自由上下移动，必须要具备两种功能:贴附功能和移动功能。H前所了解的贴附方式有两种，分别为吸附式和夹持式,而运动方式有履带移动、轮式移动、爬行移动及蠕动移动四种根据这些不同的方式我们可以进行多种结合,来设计出功能多样的机器人。 本次方案设计主要采用轮式爬杆机器人的结构形式如图1所示,采用圆柱环抱式结构，三条手臂夹持,保证平稳性,且具有6个滚轮驱动,分上下两个独立的驱动体系,并通过气动弹簧将滚轮与杆体的表面夹紧，使机器人在杆上作业时受力相对更均匀、合理利用滚轮和杆体之间的摩擦力，再通过电机正反转带动滚轮转动,以达到机器人能在杆体表面上下移动的目的。轮式爬杆机器人具有结构简单、可操作性强、控制方便、移动速度快、接触面积小、电机驱动、成本低、效率高、精度高等优点。 3结构设计与分析 3.1爬杆机器人的手臂设计 此款机器人的单侧手臂设计如图2所示。为了爬行的稳定性,此款机器人设有三个夹紧臂,每只手臂由两个滚轮和两个气压弹簧组成.根据一般情况可知杆的直径范围为100mm~200m m,利用机械结构和气圧弹簧的巧妙结合，气压弹簧能够使此款机器人适应一定直径的杆,并且能够很好地贴附在杆上，电机带动与杆接触的轮子，使得整个爬杆机器人可以在杆上移动。考虑到与杆接触的材料所需的摩擦系数越大越好，所以我们选择硬橡胶材料作为滚轮的材料硬橡胶材料经济实惠、应用范围广，并且摩擦系貂艮高。同时为了增大摩擦.还要使滚轮与杆的接触面积达到最大,对滚轮的形状也有一定的要求 3.2机器人夹紧力的分析 机器人在杆上运动时，需要克服外力进行运动,外力包括自身的重力及负载的重力木次设计中，机器人的动力由6个电机提供,其中比较关键的是滚轮的摩擦系数卩和夹紧力R。 滚轮表面与杆表面的聚乙烯材料接触.我们取其静摩擦系数g).7,设机器人所加负载后的总质量m=10Kg。通过夹紧臂的夹紧力使滚轮对杆产生一定的斥力，从而产生有益的摩擦力，我们对其中一对滚轮进行分析可得： f=G.(1) $=1/3mg(2) f=叭⑶可得：F>mg/3//(4) 式中:f—滚轮与杆之间的静摩擦力:G,— —三对(转下页 )