爬杆机器人说明书
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性。
第三章 机器人爬行部分的结构设计
— — 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。
图5
— — 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曲柄连杆机构、凸轮摆杆机构之间的协调动作。设计中还采用了SolidWorks软件来进行机构的尺寸参数的确定。特别是上移动凸轮和下并联盘形凸轮的设计,它们都要依靠曲柄、连杆的相对运动以及工作范围来确定尺寸参数,而曲柄、连杆的尺寸参数的设计依赖于它们的运动规律和机构整体的尺寸。从图1、图5中可以看出曲柄、连杆的尺寸和上移动凸轮、下并联盘形凸轮尺寸之间有着紧密的联系。
4. 机器人的结构设计
机器人的机械结构如图6所示。整个机体长约250mm,宽约150 mm,高约400 mm,总重不超过5 kg(包括电机重3 kg)。爬行部分主体结构为2根长为400 mm的铝合金管(可以用硬塑料管代替)作为机架和机器人上部滑动的导杆,同时作为旋转部分的轴,结构紧凑、零件多功能。以导杆为转动轴和固定支架,其上下分别设置有上、下机械手连接臂,两对机械臂以导杆为转动轴,其上装有上、下机械手。在上、下机械臂的另一端分别设置有弹簧,弹簧的作用是使机械手产生足够的摩擦力抱紧立柱。在导杆的下部设置有电机,其输出轴上安装有并联盘形凸轮和曲柄。曲柄通过连杆与移动凸轮相连。曲柄连杆机构带动机构上部的移动凸轮运动,实现机构的上升和相对运动。凸轮联动机构由两套凸轮摆杆机构构成,其中一套由上机械臂和移动凸轮构成,另一套由下机械臂和并联盘形凸轮构成,它们分别装在导杆的上、下部。通过曲柄、连杆将并联盘形凸轮、移动凸轮连接起来,使整个机构形成一个整体,上部的摆杆机构在曲柄连杆机构的作用下可以沿导杆上下移动。在电机的驱动下,上、下部机械臂摆动并带动机械手依次实现夹紧和放松的联动。设计中还要注意以下2点:一是机器人的动力应足够;二是机器人的运行要平稳、无抖动。
第四章 机器人主体运动建模及仿真
3.1 运动学建模和仿真— — 曲柄滑块机构的运动规律曲柄滑块机构运动原理见图7。曲柄滑块机构将曲柄的回转运动转变为滑块(移动凸轮)的往复直线运动。曲柄长r:60 mm,连杆长Z=220 mm,电机转速09= 25 r/m ino取0为坐标原点,P在 轴上的坐标为 ,用表示滑块的位移。利用三角关系得:rcos0+z41一(r2/ )sin 0 (1)由于0=tot,故滑块速度 和加速度a分别为= (dx/dt)=(dx/d )(dOld )=C.O(dx/d )=一oJrsin 【1+rcos0/4 —r2sin 0】 (2)
a=(dv/dt)= (dv/d0)= 一 r[COS0+ r(/%os20+r2sin4 )/
( 一r2sin ) (3)同时基于关系式lsin口=rsln则摆角的表达式口=arcsin【(r/Z)sin0】 (4)对式(3)、(4)中t两次求导d /dt = 一 sin ( 一r2)/( 一产sin。 ) ,2(5)式(3)、(5)比较复杂,不易求解。因式(1)中,r2/<<1,由(1+ ) =1+ +⋯ ,l l<1,可将滑块位移
的模型(1)近似为1=rcos0+Z(1一( /2 Z )sin 0】 (6)从而有响应的近似速度
与近似加速度al=d l/dt:(d 1/d )
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