毕业设计论文一种多姿态爬杆机器人的设计.docx

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1、题目一种多姿态爬杆机器人的设计摘要在查阅、研究了部分文献资料后，简单阐述了爬杆机器人的研究现状、运用技术、存在问题、发展趋势以及研究的目的意义。根据设计要求，对机器人的结构进行了总分式的构思设计，分别阐述了整体结构和主体零件的设计过程。通过计算，完成了对电机、同步带及齿轮齿条传动机构的选型。其后，展示了部分复杂零件的三维建模过程。最后，阐述了毕业设计过程中的心得体会，并对其进行了总结和展望。关键词：爬杆机器人；结构设计；选型计算；三维建模；总结及展望ABSTRACTAfterconsu1tingandstudyingsome1iteratures,thispaperbrief1ydescrib

2、estheresearchstatus,app1icationtechno1ogy,existingprob1ems,deve1opmenttrendandthepurposeandsignificanceoftheresearchofpo1ec1imbingrobot.Accordingtothedesignrequirements,theovera11fractionofthestructureoftherobotwasconceivedanddesigned,andthedesignprocessofthewho1estructureandthemainpartwase1aborated

3、.Throughca1cu1ation,these1ectionofmotor,synchronousbe1tandrackandpiniontransmissionmechanismiscomp1eted.Then,the3dmode1ingprocessofsomecomp1expartsispresented.At1ast,thepaperexpoundstheexperienceintheprocessofgraduationdesign,andsummarizesandanticipatesit.Keywords：Po1ec1imbingrobot;Thestructuredesig

4、n;Se1ectionca1cu1ation;3Dmode1ing;Summaryandprospect摘要IABSTRACTII第一章绪论11.1 国内外的研究现状11.2 爬杆机器人技术及存在问题11.3 爬杆机器人的发展趋势11.4 设计研究的目的及意义2第二章爬杆机器人的方案设计32.1 总体设计要求32.2 总体结构设计32.3 爬行臂设计42.4 导向换向机构设计42.4.1 换向锲块的结构设计52.4.2 导向锲块的结构设计52.4.3 导向换向机构的工作分析62.5 工字架的设计62.6 爬杆机器人的工作过程7第三章爬杆机器人零部件的选型及设计83.1 电动机的选型及参数设计8

5、3.1.1 上下机械臂的电机83.1.2 齿轮齿条机构的电机93.2 同步带的选型及设计93.3 轴和轴承的设计113.3.1 轴的设计113.3.2 滚动轴承的设计113.4 齿轮齿条的设计12第四章爬杆机器人设计总结及展望23参考文献24致谢25第一章绪论1.1 国内外的研究现状目前国内外研制的爬杆机器人大致有以下几类：滚动式爬杆机器人、夹持式爬杆机器人、吸附式爬杆机器人和仿生式爬杆机器人。滚动式机器人多用轮子环抱杆件实现夹紧和攀爬。其优点是运行平稳、定位相对准确且能适应小量变径，但其越障能力较弱。夹持式机器人常通过翻转机身，运用机械手爪实现夹紧和移动。其优点是具备一定的越障能力且能在杆件

6、间移动，但需要的工作空间较大。吸附式机器人多运用真空吸附或磁吸附等方式并通过履带进行移动，且其结构灵巧、控制简单、可适应任意曲率壁面。仿生机器人是模仿生物构造研制而成，有蛇形、螳螂形、松鼠形、人形等类型的机器人，其拥有较为合理的结构外形，运动灵活，可适应粗糙表面的爬行，但因其存在结构设计、材料应用、驱动及控制方式传统化等问题，研究成果仅限于实验验证。1.2 爬杆机器人技术及存在问题爬杆机器人应具备运动控制技术，能够让操作者选择运动方式，且实现攀爬速度、方向和精度等参数的控制。爬杆机器人还应具有导航技术。包括扫描检测能力，可以检测爬行路程中存在的障碍，还包括爬行路线的自我规划以及越障方式的选择。

7、此外，还应具备一定的自我修复能力，在工作过程中可以进行实时检测和简单地维修。在部分场合，还应具备摄像、录制视频的技术，并能实时传达数据，完成对某些杆件的表面监测。目前爬杆机器人存在以下几种问题：安全防护装置还有待研发，高空作业时，无法保障机器人稳定安全地工作。爬杆机器人的灵活性和吸附稳定性也存在着矛盾，如何改进装置，实现二者的平衡也是现存的问题之一。目前的机器人多是为了某一项任务而开发的，缺乏设计思维的灵活性。而在组装上，机器的结构往往是整体化的，这些对于机器的生产使用不利。1.3 爬杆机器人的发展趋势先进爬杆机器人发展方向大致有以下几种：(1)智能化：能实现自动检测，完成拍摄记录，自动判断从

8、而决定工作任务的功能。能实现自我修复功能，对常见的问题能自己解决。能进行简单的数据采集和处理。(2)模块化：机器人的模块化有利于工业生产和降低成本。将机器人的模块分为共用和专用模块。共用模块可为大多机器人提供基础功能，且能适用于较多的场合。这不仅有利于工业生产，还能节省研发试验时间。(3)独立化：能够独立完成工作而不需要工人陪同提供操作和能源。机器人能源的开发也是重要的一环，足够智能化的机器人在能源充足时可以独立完成连续作业，这将大大提高工作效率。与此同时，机器人的使用会更加便捷，工作地点更加灵活。1.4 设计研究的目的及意义爬杆机器人在现今可用于完成各类工作，如电线杆清洁、电线维修、管道清理

9、等。设计研究爬杆机器人可有针对性地研制用于特定工作的机器人类型，从而提高机器人的工作效率，并能更好地投入生产，提高经济效益。此外，爬杆机器人代替人工进行高空作业，也保障了工人的安全。第二章爬杆机器人的方案设计2.1 总体设计要求本毕业设计拟设计一种能够适用于不同杆径、同时具有直线运动和旋转运动的多姿态爬杆机器人。爬杆机器人的具体设计要求：导杆直径：IOO20mm直行速度：0.2ms旋转速度：21.2rads最大载荷：2IOkg本体重量：20kg2.2 总体结构设计首先将机器人分为两大机构，攀爬机构和换向机构。攀爬机构由上下机械臂和中间用于连接的六边形支架构成。上下机械臂分别进行攀爬和换向运动，

10、该运动由驱动滚动轮完成。为了完成直行和旋转方式的切换，设计换向机构。机器整体采用弹簧拉力提供摩擦力而固定。换向机构将实现顶开上下机械手，避免滚动轮与直杆直接接触，从而实现上下某处的单方面运动，完成相应的运动方式。动力考虑用小型电机提供，通过传动直接带动滚轮转动完成运动。换向机构采用齿轮齿条传动，能够完成较为精确的上下移动。因要同时完成三个机械手的分离，所以顶开机械手的零件。图2.1爬杆机器人总体结构正视图2.3 爬行臂结构设计爬行臂为加工方便，应优先采用直杆型，且两端应钻孔并通过螺纹杆或轴和固定轴的支架或者爬行轮相连接。杆件的长度应在整体尺寸的考虑下满足设计要求。在与轮相连接的一段，应根据轴的

11、形状和内部连接结构开槽，保证滚动轮、滚动轴承、皮带轮等结构的合理定位。设计方法大致如下,先确定滚轮的半径，画出上下爬行臂、六边形支架、杆件间表示几何关系的简图。确定爬行臂的长度，后根据直杆直径变化给定长度范围，在其中选取满足要求的最小值，以保证整个机构的尺寸要求。且爬行臂的宽度应满足六角支架上固定支架间的距离。在打孔时，要考虑所用螺栓直径以及滚动轴承的外径，以保证轴承的正常安装。在切制安装空挡时，要综合考虑各部分零件以及相对安装的尺寸。因采用弹簧拉紧，在臂的两侧还要添加拉环小块。2.4 导向换向机构设计图2.3导向换向机构剖面图I-FF中nJ由于机器人整体采用弹簧提供摩擦力来固定，由于弹簧的伸

12、缩性，拟采用换向机构通过上下移动顶开机械臂来实现滚轮与直杆的分离。当上部分离时，爬杆机器人实现旋转运动。当下部分离时，则为直行运动。这里要需要考虑两个重要问题，一是换向楔块形状的选择，二是导向楔块如何适应直杆的变径。此外导向换向机构的连接方式、驱动机构运动所需动力和动力传动方式也是需要解决的问题。在此设计中，采用电机驱动，齿轮齿条传动的方式实现换向运动。2.4.1 换向楔块的结构设计如果将换向楔块设计成一个整体，方便加工，但无法完成变径的要求。当然也可以通过更换楔块来满足一定的变径要求，但这样的变径方式缺乏灵活性，且耗费大量材料，会造成资源浪费。因此，本设次计将楔块分块，考虑到机械臂呈120度

13、分布，所以将楔块与机械臂对应分成三块，又因在运作时三块楔块应一起动作，所以拟采用方便加工的圆环架将三块楔块连接在一起。驱动圆环架就可以实现三处楔块同时进行换向运动。关于楔块的具体设计，首先考虑楔块与圆环架的连接，如果直接连接，难以采取变径的方案，所以决定在其间放入一个工字架用于变径。在大致考虑完各连接机构的尺寸后，在爬行臂宽度和考虑后的圆环架尺寸的约束下大致可以设计出一种长方体的换向楔块。此后在进一步完成对该结构的优化。首先是接触处不能用棱边的方式，而如果采用平面接触，在接触面运动时，会受到较大的摩擦力，从而对驱动力的要求也较高。于是将楔块的棱边设计成圆角状，且将楔块内部不必要的材料切除，做成

14、空心状，减轻重量。2.4.2 导向楔块的结构设计若直接用换向楔块与直杆接触，将大大增加楔块的加工难度。于是在其间设计一种导向楔块，用于连接直杆和换向楔块。导向楔块与换向楔块之间采用螺栓连接，且其与换向楔块连接的一面设计为平面，与杆面连接面设计为曲率相近的曲面。导向楔块与直杆间采用滚动摩擦，以减小摩擦力，降低对电机的动力要求。滚珠放入楔块内部开的两个半圆槽内，工作时，由外部弹簧压紧防止掉落。由于变径的需要，选取要求下最大直杆直径时的曲率作为设计曲面的的曲率。当直杆曲率增大时，也不会影响滚珠与直杆的接触。为防止滚珠在工作时从上槽口滚出，在其上设计一个封盖，并用螺钉与导向楔块相连接。关于其高度的选取

15、，以节约材料为由，尽量取低。243导向换向机构的工作分析当机器人需要变换运动方式时，驱动齿轮方位的电机，带动齿条运动，齿条带动圆环架运动，圆环架带动工字钢运动，工字钢带动换向楔块运动，换向楔块通过螺钉与导向楔块相连，带动导向楔块一起运动，导向楔块在直杆上滚动。2.5 工字架设计为了实现换向机构的变径调节，在圆环架与换向楔块间插入一个工字架，工字架与圆环架以及换向楔块间用长螺钉连接。工字架的螺钉孔要较螺钉直径大些，且能够在其中放入一个弹力较大的弹簧，弹簧在常态处于压缩状态,当直径变小时，导向楔块也将被压紧在直杆表面，从而实现机构的爬升。工字架的外形尺寸与换向楔块相关联，从美观的角度，可设计成一样的宽度。工字架在安装时应部分嵌入换向楔块的内部，便于带动换向图2.8工字架及周边零件剖面图楔块上下运动。2.6 爬杆机器人的工作过程爬杆机器人的工作过程可分为三个阶段，分别是静止、直行和旋转。首先，当爬杆机器人固定在杆件上时，由弹簧拉力向橡胶滚轮提供压紧力，压紧力产生的摩擦力让机器人可固定在直杆上，此时换向楔块处于原始位置，与上下机械臂皆无接触。这时候的爬杆机器人即为静止阶段。当爬杆机器人要直行爬杆时，首先驱动换向电机，带动齿轮进行旋转运动，而后通过齿轮齿条机构转化为向下的直线运动。这时要选择合适的电机转向，驱使齿条向下运动。齿条运动将带动圆环架运