爬杆机器人(机械原理设计范本)

机械原理课程设计设计说明书

设计题目：爬杆机器人

机械工程学院机械工程及自动化系014班设计者：宋粟余

设计小组成员：金昕华、张永进

指导老师：庄幼敏

2004年1月12日

东华大学

机械原理教研室

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。

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

平面某一范围内做直

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

内部结构的具体尺寸。

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

球

梯底

）。言外之意，此小球是能够

卡在这梯形的空间里的。这样也就形成了真正意义上的自锁。

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，

自锁套内的两小球因重力掉至梯形底部，d

球

梯底

，它将无阻碍地由连杆往上拉；

与此同时，上自锁套受的却是往下的拉力，与上面的相反，其具有向下运动的趋

势，内部的小球脱离自锁套的底部，又因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，自锁套内由于小球在内部运动的关系，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，可以在短时间内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

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。

上文中我们还提到了软件的运用，特别是ADAMS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。

下面就是我们所截取各构件的速度位移图。

图5——曲柄位移速度图

图6——连杆位移速度图

图7——锥管（上）位移速度图

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.计算内容

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：

R 1+R 2 cos （Ψ0+Ψ）-R 3 cos （φ0+φ）=cos[（φ0+φ）-（Ψ0+Ψ）]

将给定的五个对应位置代入：

R 1+R 2 cos Ψ0-R 3 cos φ0=cos[φ0-Ψ0]

R 1+R 2 cos （Ψ0+Ψ1）-R 3 cos （φ0+φ1）=cos[（φ0+φ1）-（Ψ0+Ψ1）]

R 1+R 2 cos （Ψ0+Ψ2）-R 3 cos （φ0+φ2）=cos[（φ0+φ2）-（Ψ0+Ψ2）]

R 1+R 2 cos （Ψ0+Ψ3）-R 3 cos （φ0+φ3）=cos[（φ0+φ3）-（Ψ0+Ψ3）]

R 1+R 2 cos （Ψ0+Ψ4）-R 3 cos （φ0+φ4）=cos[（φ0+φ4）-（Ψ0+Ψ4）]

求出R 1、R 2、R 3、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R 1、R 2、R 3、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B 1B 2为曲柄半径r 2的两倍，两端点B 1和B 2称为滑块的极限位置，它是以O 2为中心而分别以长度r 3-r 2和r 3+r 2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2r 2，即等于曲

柄长度的2倍，为120mm ，（S 1=2r 2=2×60=120mm ）

b ）当B →A 时，上滑块向上滑动的位移也是2r 2，即

S 2=2r 2=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=S 1+S 2=120+120=240mm 。

４.应用前景

该机器人运用了简单的曲柄滑块机构，原动力采用电机作为驱动，两者在选材上都很方便，而且我们在设计时选用了材质较为轻盈的铝材作为结构材料，减轻了该机器人的重量，使其更大效率的发挥电机的功率，提高了机器人的爬行速度。

此外，该爬杆机器人的设计方便了操作人员安装到圆杆上和调试，对于在调试过程中遇到的问题也可以根据当时的情况做出及时、相应的修改。而且，我们设计的机器人不仅能在直杆外爬行，更能适应不同弯曲度的圆杆对我们机器人的挑战，正是由于曲柄滑块机构的合理应用，我们的机器人才可以在提高机械运动

效率的前提下克服不同弯曲度的圆杆，使其像爬直杆一样爬行过弯曲的管道。５.个人小结

这次课程设计，我们组拿到的题目是爬杆机器人。其实所谓的爬杆就是运用机械原理课上所学过的曲柄滑块与自锁原理，使整个机构在竖直平面烟y轴向上运动。

平日里，我在机械原理课上所学的知识是比较理论化的，通过这些理论我了解了一些机构的运动方案与运动轨迹，至于这些构件、这些机构真正要派些什么用场，在我脑中的概念还是挺模糊的，但是在这次为完成课程设计的任务当中，我开始对传授机械原理这门课的真正意义所在有了初步了解。换句话说，因这次课程设计我把理论与实践运用结合了起来，达到了学以致用的目的。

也因这次设计的要求，我开始学习运动ADAMS软件来绘制机构图，并且用它来实现机构虚拟运动演示。

以前，我从未接触过ADAMS，一开始用它时我只能一点点摸索着做，由于菜单中很多工具我都不太清楚，所以在画机构时总觉得与自己所要求的效果相距甚远，但我还是硬着头皮画下去，为的就是想看看自己所画的机构能否能动。果然，我绘制的无规无矩的机构演示时它动了，而且是有了顺着圆杆向上爬的雏形。看着自己用起始对它一无所知的ADAMS绘出的机构能演示了，这使我的信心大增。我想接下来的就是要用它来绘出尽量与我们设计的构件相一致的图形，而且还要达到上下两滑块在上爬时能交替自锁的目的。于是我请教了老师与同学之后，我知道了例如菜单中如何平移构件、构件的联结与分离，还有视图角度的变换和幅面的扩大缩小等功能。知道了更多的绘制方法，那么我就能更好地做有自己组风格的机构图形了。那时曲柄与连杆竟能穿过圆杆与滑块做圆周运动，就好象两把刀在切香肠一样，对圆杆插进插出，好似杆根本不存在，但实际中是根本不可能出现的，在知晓了上述工具运动后，这个难住我很久的问题也就迎刃而解了。

光让机构像我们设计的外形是不行的，要让它动，还要让它按照所设计的方案动。我们似乎无法让爬行机器人的两滑块具有自锁功能地运动，想了许久，只能用给滑块加向上力的方法来使它看上去似乎运动时滑块一块动，另一块则是相对圆杆静止的。结果请教老师后，才知道按照我们目前这些天内学习的皮毛功夫

也只能这样去做，但我们都知道这是“作弊”的假方法。

在为课程设计写说明书时，为了让说明书内容更充实，使自己的书面语言更趋向于专业化，我们组到图书馆去借了相关的书籍来翻阅。在查找资料、阅读资料的同时，我还知道了更多以前课本上没有学到过的知识（尤其在为“计算公式”找资料时）。不仅把曲柄滑块机构的有关知识复习了一遍，还把最基本的四连杆机构普遍方程，四连杆机构的位置确定等通看了一次。这次我们所要用到的是无偏心的曲柄滑块机构，是特较特殊的，那么在知道此机构的运动方案时，还必须了解一下普通也就是偏心曲柄滑块，因此也知道了它所包含的更多的方面，就像改变偏心距e的大小可以获得某种特定的效果，有偏心距滑块的行程就要比原先的大（大于曲柄半径的两倍），同时，进行程与回程的速度也不一样（课本知识）等等。

通过这次大作业，我知道其实要做一项课程设计并不简单，要把它做好就更不易了，从中我也感到自己的知识面其实是很狭隘的。在理论知识的贯穿上和用理论解决实际问题的能力上也亟待提高，可以说这次的设计就像是一面镜子，照出了我的不足之处。但也因此而小小地锻炼了一下自己，为大四的毕业设计做了一个准备。

６.参考资料

［1］罗洪量主编，《机械原理课程设计指导书》（第二版），北京：高等教育出版社，1986年。

［2］JJ.杰克（美）主编，《机械与机构的设计原理》（第一版），北京：机械工业出版社，1985年。

［3］王玉新主编，《机构创新设计方法学》（第一版），天津：天津大学出版社，1996年。

［4］孙恒、陈作模主编，《机械原理》（第六版），北京：高等教育出版社，2001。

爬杆机器人论文综述

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

RIC机器人创新挑战赛主题与规则

RIC机器人创新挑战赛主題与规则 ――智能驾驶1.RIC机器人创新挑战赛简介 RIC(Robot Innovation Challenge)机器人创新挑战赛是一项青少年机器人比赛项目。要求参加比赛的代表队自行设计、制作机器人并进行程式设计。参赛的机器人可在特定的竞赛场地上，按照一定的规则进行比赛。在中国青少年机器人竞赛中设置RIC机器人创新挑战赛的目的是通过电脑资讯及科学原理的融合运用，启发参赛者的科技运用及创意，并以机器人设计的竞赛活动，达到推动创新科学教育的目的，激发我国青少年对机器人技术的兴趣。 2.竞赛主題 本届RIC挑战赛的主题为“智能驾驶”。 智能驾驶与无人驾驶是不同概念，智能驾驶更为宽泛。它指的是机器帮助人进行驾驶，以及在特殊情况下完全取代人驾驶的技术。 智能驾驶的时代已经来到。比如说，很多车有自动刹车装置，其技术原理非常简单，就是在汽车前部装上雷达和红外线探头，当探知前方有异物或者行人时，会自动帮助驾驶员刹车。另一种技术与此非常类似，即在路况稳定的高速公路上实现自适应性巡航，也就是与前车保持一定距离,前车加速时本车也加速，前车减速时本车也减速。这种智能驾驶可以在极大程度上减少交通事故，从而减少保险公司损失。 智能驾驶作为战略性新兴产业的重要组成部分，是由互联网时代到人工智能时代过程中，出现的第一个精彩乐章，也是世界新一轮经济与科技发展的战略制高点之一。发展智能驾驶，对于促进国家科技、经济、社会、生活、安全及综合国力有着重大的意义。 本次，我们的学生将设计制作智能驾驶机器人，让其代替我们行驶在赛图上，完成相应的任务。 3. 比赛场地与环境 3.1 场地 场地图（不含黑边）的尺寸为长2500mm宽1500mm。 图为训练场地示意图。实际比赛场地可能略有不同。

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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

爬杆机器人说明书

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)

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机器人创新设计作品说明材料学校名称：景德镇高等专科学校 作品名称：探索者机器人创新设计 作品设计成员： 作品设计时间：二零一二年十月十九日

摘要 本文主要介绍了一个基于ARM7 LPC2138，32 位的高性能主控芯片控制的探索者机器人的创新设计，该设计包括C语言编程，声控、振动、触碰、光强、闪动、黑标、白标、近红外等多种传感控制，图形化编程及便携式编程三种编程模式，能满足任何软件水平的用户实现简单或复杂的自动化控制程序及其他功能实现。 在设计中，详细的展现了探索者机器人的各个功能模块、传感器的属性功能工作状况。最后，实现整个实验功能创新设计。

目录 摘要 (1) 第一章引言 (1) 1.1 探索者机器人创新设计概 述 (2) 1.2 探索者机器人创新设计特点 (2) 1.3 探索者机器人创新设计目的 (3) 1.4 探索者机器人创新设计意义和前景 (4) 第二章、主控板 (5) 第三章、红外接收头 (5) 第四章、语音模块 (5) 第五章、LED 模块 (6) 第六章、舵机 (6) 第七章、传感器 (7) 7.1 黑标/白标传感器 (8) 7.2 近红外传感器 (8) 7.3 姿态传感器 (9) 7.4 闪动传感器 (9) 7.5 声控传感器 (10) 7.6 触碰传感器 (10) 7.7 振动传感器 (11) 7.8 触须传感器 (11) 7.9 光强传感器 (11) 第八章、编程手柄说明 (12) 第九章、C 语言编程基础指南 (13) 9.1 安装编程环境 (13) 9.2 第一个ARM 软件 (18) 9.3 烧写程序 (21) 9.4 ARM 主控板端口列表 (22) 9.5 库函数 (24) lib_io.c………………………………….…………………….………… 24

爬杆机器人

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。

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：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）。

创新研修课： 足式机器人足部结构设计

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。

机器人创新设计实验报告

机器人创新实验（1）报告 摘要 机器人作为20世纪人类最为伟大的发明之一，自60年代问世以来，经历40余年的发展已经取得长足的进步。近年来随着社会的进步和科学技术的迅猛发展，特别是在微电子技术、信息技术，计算机技术，材料技术等科学技术迅速的支持下，机器人的种类日益繁多，性能不断改进，工作领域也在不断地扩大。已经引起了各国科学家的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开发，研究列入高新技术发展计划。并且已经取得了很大的进展，它的成果将成为各行各业提高生产力的强有力的工具。此机器人是针对目前交通事故频发设计的。利用三轮作为活动方式，通过三个传感器进行感应障碍识别，从而进行控制汽车的运动及时避免各种障碍物。从电影<<机械公敌>>里可以看到机器人的前景，以及注意机器人的弊端。 关键词： 机器人,工具,传感器,障碍物

一、实验目的 1、在保证整个稳定的前提下，将程序写入控制卡，熟悉 软件调试机器人运动步态的技巧，熟悉直流电机的控制，并实现提前设定好的动作步骤，并使机器人能够平稳的运动。 2、熟悉掌握各种搭建元件的使用方法和电机舵机的使用技巧 3、学会对学习知识的应用到实际中的能力，提高自身动手能力。 二.实验器材 探索者，电脑软件TKScop， 我们用到的探索者: 三．组员 项博、张君心、刘小龙 三、实验步骤 1.第一阶段：老师对我们介绍实验内容，对需要用到的配件、软件环境进行讲解，为使我们对实验内容更加熟悉，对软件环境的熟悉。 2.第二阶段：开始动手阶段，为了能使我们小组更好的完成创新实验课程，我们机器人模仿机器人案列制造了简单的机器人，其中有一些改动。

第二阶段成品展示 3.第三阶段：开始创新阶段，在第二阶一定经验的基础上，我们对其进行了创新和改组。其中包括前轮和驱动装置，还有传感器的数量，主要对机器小车的CPU 内部的程序进行了修改，让其实现了第二阶段没有实现的动作。 第三阶段成果 4.第四阶段：老师评价，总结成功与失败。 四、机械结构、控制接线方法、程序、程序流程图说明： 控制线接线方法: 1、2、3、4为传感器接口 5红外接收端口 6手柄ABC三通道的选择键 7程序写保护，on允许下载 反之不允许，如果要运行板载程序，则转换到非on 状态 8为程序下载接口，连接usb转串口线 9舵机接口，共六组。可接标准舵机和圆周舵机。舵机黑色线朝下，三针，最上针空余。10输出端口，共2组，可接LED灯和语音模块

最新西华大学机器人创新设计实验报告(工业机械手模拟仿真)

实验报告 （理工类） 课程名称: 机器人创新实验 课程代码: 6003199 学院(直属系): 机械学院机械设计制造系 年级/专业/班: 2010级机制3班 学生姓名: 学号: 实验总成绩: 任课教师: 李炜 开课学院: 机械工程与自动化学院 实验中心名称: 机械工程基础实验中心

一、设计题目 工业机器人设计及仿真分析 二、成员分工：（5分） 三、设计方案：（整个系统工作原理和设计）（20分） 1、功能分析 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 本次我们小组所设计的工业机器人主要用来完成以下任务： （1）、完成工业生产上主要焊接任务； （2）、能够在上产中完成油漆、染料等喷涂工作； （3）、完成加工工件的夹持、送料与转位任务； （5）、对复杂的曲线曲面类零件加工；（机械手式数控加工机床，如英国DELCAM公司所提供的风力发电机叶片加工方案，起辅助软体为powermill，本身为DELCAM公司出品）

爬杆机器人设计说明书

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

RIC机器人创新挑战赛主题与规则

机器人创新挑战赛主題与规则 ――全民健身1.机器人创新挑战赛简介 ( )机器人创新挑战赛是一项青少年机器人比赛项目。要求参加比赛的代表队自行设计、制作机器人并进行程式设计。参赛的机器人可在特定的竞赛场地上，按照一定的规则进行比赛。在中国青少年机器人竞赛中设置机器人创新挑战赛的目的是通过信息技术及科学原理的融合运用，启发参赛者的科技运用及创意，并以机器人设计的竞赛活动，达到推动创新科学教育的目的，激发我国青少年对机器人技术的兴趣。 2.竞赛主題 本届挑战赛的主题为“全民健身”。 全民健身是指全国人民，不分男女老少，全体人民增强力量，柔韧性，增加耐力，提高协调，控制身体各部分的能力，从而使人民身体强健。 全民健身旨在全面提高国民体质和健康水平，以青少年和儿童为重点，倡导全民做到每天参加一次以上的体育健身活动，学会两种以上健身方法，每年进行一次体质测定。为纪念北京奥运会成功举办，国务院批准从年起，将每年月日设置为“全民健身日”。 伴随着全民健身活动的蓬勃开展，人们的生活观念发生巨大变化。在一些大中城市，为健康而消费成为新时代提高生活质量的一种时尚。部分新兴体育项目，如攀岩、马术、蹦极、保龄球、滑板、女子拳击、沙弧球、跆拳道、高尔夫球等运动，尤其受到年轻人的青睐。 . 比赛场地与环境 场地 场地图（不含黑边）的尺寸为长宽。 图为训练场地示意图。实际比赛场地可能略有不同。

参赛队可以把待命区内当前不动或机器人不用的物品放到待命区外，只要这个动作不具有任何策略性。 如因其它原因而非机器人的动作使场地中的模型断裂、失效、移动或被启动，如果可能，裁判员应尽快将它恢复。 起始区与终止区 场地中有一块起始区（区域）和一块终止区（区域）。起始区是机器人准备、启动的地方，终止区是机器人最终停止的地方。起始区为：*。 赛场环境 机器人比赛场地环境为冷光源、低照度、无磁场干扰，但由于一般赛场环境的不确定因素较多，例如，场地图下面有纹路和不平整；场地图本身有皱褶；尺寸有误差；光照条件有变化等等。参赛队在设计机器人时应考虑各种应对措施。. 机器人和器材 本节提供设计和构建机器人的原则和使用器材的要求。参赛前，所有机器人必须通过检查。竞赛中号遥控机器人首先启动，号机器人启动后，通过无线手柄遥控的方式去启动号机器人，号机器人应让其自动运行完成规定任务，参赛队员不得再对号机器人进行干预。不允许使用智能循迹模块。 每个参赛队只能使用两个机器人完成所有比赛项目。赛场上只能有两个控制器，不能再把其它控制器带到比赛区，即使该控制器只是用于配重或装饰或放在场外的盒子里。 机器人最多可以使用个传感器，它们可以是触碰传感器、光电传感器、颜色传感

爬杆机器人

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。

足式行走机器人课程设计

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。

一种新型爬杆机器人的结构设计与分析

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 )

爬杆机器人

一 设计题目：爬杆机器人 为代替人高空作业，设计出爬上和爬下干装的机器人。 1.1设计目的 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。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。在利用高压水进行清洗时，它的周边不能有车辆、行人通过，且不能有过近的建筑物。其它高空作业诸如：各种杆状城市建筑的油漆、喷涂料、检查、维护，电力系统架设电缆、瓷瓶清洁等工作主要由人工和大型设备来完成，但它们都集中表现出效率低、劳动强度大、耗能高、二次污染严重等问题。随着机器人技术的出现和发展以及人们自我安全保护意识的增强，迫切希望能用机器人代替人工进行这些高空危险作业，从而把人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来。 1.2设计条件 攀爬对象为直径150毫米左右的等直径杆（学有余力的同学可以考虑攀爬对象为变截面杆，如电线杆）。可以用电动机，液压站，气压站其中的任意一种做动力源，但要分析其应用场合和优缺点。

机器人创新课程

魔力小博士机器人创新训练营系列课程简介 小小建筑师 课程名称适合年龄段课时使用教材使用器材快乐建筑师上5-6岁30 专用学生用书 及家长手册 套装教具 快乐建筑师下5-6岁30 专用学生用书 及家长手册套装教具（与上册相同） 教学对象：小学一年级学生 ●循序渐进，从最开始的搭建方法开始，使学生逐渐掌握各种搭建技巧，完成复杂模型的搭建，动手又动脑； ●展示丰富有趣的建筑知识、人文知识，在动手的同时开拓学生的眼界； ●着重培养学生的观察能力、动手能力、语言表达能力。 ●从单纯的学习和模仿，上升到分析和设计，进一步提高学生的观察能力和空间想象能力 ●综合运用各种方法，完成世界著名建筑的模型搭建，进一步提升动手能力 快乐建筑师（上）主题课程介绍： 本课程通过生动有趣的故事提出每节课的搭建任务，以学生的独立分析为主，教师的积极引导为辅，让学生在亲自动手搭建的过程中，从最基本的块的搭建方法开始，一步一步掌握各种搭建技巧，最终能够熟练应用块的全部基本搭建方法。在完成各种有趣的搭建任务的同时，学生还将学习到许多关于建筑的、有趣的人文知识，这些都将进一步增强课程的趣味性，开阔学生的视野，激发学生的学习兴趣。 教学目标： 1.认识各种简单地建筑：各种墙、河堤、大坝、桥、房屋设计等； 2.掌握各种建筑模型的搭建方法； 3.了解建筑设计的简单知识；

4.能够进行初步的建筑造型设计； 5.提高各方面能力：观察力、语言表达能力和空间想象力。 快乐建筑师（下）主题课程介绍： 学生们跟随故事主人公展开环球旅行。在这个旅程中，小小建筑师们畅游天下奇观，包揽世界风采。每一次旅行中，学生们将与主人公一起见识不同的特色建筑（中国长城、人民英雄纪念碑、大雁塔、狮身人面像、诶菲尔铁塔、悉尼歌剧院等），并利用手中的零件还原这些建筑。通过这次异彩纷呈的知识之旅、奇幻美妙的八方览胜，小小建筑师经过多方游学，会渐成长起来，最终成为一名优秀的“小小建筑师”。 教学目标： 1.了解各著名建筑的特色： 2.综合利用数学、几何、搭建技巧进行设计、搭建，完成模型； 3.提高学生的观察、分析、总结能力； 4.提高学生利用已经掌握的知识解决问题的能力； 5.根据建筑特点进行设计、创造的能力。 小小工程师 课程名称适合年龄段课时使用教材使用器材 套装教具 非凡工程师上7-8岁30 专用学生用 书、家长手册

爬杆机器人说明书

机械创新设计说明书 设计名称：爬杆机器人的设计 设计人：姜鸿 学号：110611010 班级：11机制本一班 井冈山大学机电学院 2013/11/23

第一章背景概述 蠕行式仿生变直径杆爬行机器人的研究报告现代生活中，高空作业不断增加，如路灯杆、悬索桥索、杆状城市建筑的清洗、油漆、喷涂料、检查、维护、电力系统架设电缆、瓷瓶清洁等。目前的清洗、维护工作主要由人工和大型设备来完成，但它们都集中表现出效率低、劳动强度大、耗能高、二次污染严重等问题。市场上少量使用的气动蠕行式爬行器，其上升和下降运动的实现由气压控制，需要气源和气动控制系统，能量损耗大，并且一般伴有较大的噪声。因为连接了大量的支持设备，气动蠕行爬行器的体积和活动范围都受到限制，而且设备成本较高。 第二章运动原理—仿生设计 在设计移动机器人系统时，首先应考虑机器人的用途，因为不同的用途，移动机器人的移动机构是不同的。~ J'l-，还应考虑机器人的工作环境、耐久性、稳定性、机动性、可控性、复杂性、外型尺寸及制作费用等。作为杆件爬行机器人，根据现有的技术方案，有很多种移动方式可供选择。各种移动方案的比较见表1所示。 表1 爬行机器人移动方案的比较

我们所要设计的这种爬行机器人，它的工作对象为各种型号的城市杆状建筑，要求承载能力大、接触面积小、速度适中，适应能力强，能越障碍物。通过比较各种方案，笔者设计了一种尺蠖式蠕动爬行结构形式，这是一种新颖的变直径杆仿生爬行机构设计方案，该方案能基本满足我们设定的工作状况。该机器人是模仿人的爬树动作而设的。人爬树时，两脚夹紧树杆，两腿一蹬，两手抱住树杆，人向上移，然后两手抱紧树杆，收腿提脚上移，一步步向上爬行。该机器人的爬行动作原理示意如图1所示。

爬杆机器人设计

爬杆机器人 班级：自动化08-1 姓名：李刚 学号：

目录 1.设计题目……………………………………………１ 设计目的………………………………………………１ 设计题目简介…………………………………………１ 设计条件及设计要求…………………………………１2.运动方案设计……………………………………２ 机械预期的功能要求…………………………………２ 功能原理设计…………………………………………２ 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。 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