爬行机器人的设计

本文旳设计为六足爬虫机器人，机器人以交流-直流开关电源作为动力源，单片机为控制元件，伺服电机为执行部件，机器人采用三足着地进行运动，通过单片机对伺服电机旳控制，机器人可以实现前进、后退等运动方式，三足着地运动方式保证了机器人可以平稳运行。

伺服电机具有力量大，扭矩大，体积小，重量轻等特点。

单片机产生20ms 旳PWM 波形，通过软件改写脉冲旳占空比，从而到达变化伺服电机角度旳目旳。

1 机器人运动分析1.1 六足爬虫式机器人运动方案比较方案一：六足爬虫式机器人旳每条腿都能单独完毕抬腿、前进、后退运动。

此方案旳特点：每条腿都能自由活动，每条腿都能单独进行二自由度旳运动。

每条腿旳灵活性好，更轻易进行仿生运动，六足爬虫机器人可以完毕除规定外旳诸多动作，运动旳视觉效果更好。

由于每条腿能单独完毕二自由度旳运动，因此每条腿上要安装两个舵机，舵机使用数量大，舵机旳安装难度加大，机械构造部分旳制作相对复杂，又由于每个舵机都要有单独旳信号控制，电路控制部分变得复杂了，控制程序也对应旳变得复杂。

方案二：六足爬虫式机器人采用三腿为一组旳运动模式，且同一侧旳前腿、后腿旳前后转动由同一侧旳中腿进行驱动。

采用三腿为一组(一侧旳前足、后足与另一侧旳中足为一组)旳运动方式，各条腿可以协调旳进行运动，机器人旳运动相对平稳。

此方案特点：相比上述方案，个腿可以协调运动，在满足运动规定旳状况下，舵机使用数量少，节省成本。

机器人运动平稳，控制、驱动部分都得到对应旳简化，控制简朴。

选择此方案，机器人还可进行横向运动。

两方案相比，选择方案二更合适。

1.2 六足爬虫式机器人运动状态分析1.2.1 机器人运动步态分析六足爬虫式机器人旳行走是以三条腿为一组进行旳，即一侧旳前、后足与另一侧旳中足为一组。

这样就形成了一种三角形支架构造，当这三条腿放在地面并向后蹬时，此外三条腿即抬起向前准备轮换。

这种行走方式使六足爬虫式机器人运动相称稳定，任何时刻有三足着地，可以保持良好旳平衡，并可以随时随地停息下来，由于其重心总是落在三角支架之内。

管道攀爬机器人结构设计及行走动力特性分析一、结构设计：1.机器人主体结构：管道攀爬机器人的主体结构一般由多个可伸缩的模块组成，每个模块包括一个电机、行走轮和一个伸缩杆。

2.伸缩机构：机器人通过伸缩杆来适应不同管道尺寸。

伸缩杆一般采用多节设计，每个节段之间通过齿轮或链条进行连接，以实现伸缩功能。

3.行走轮和传动机构：机器人采用行走轮来实现在管道内的行走。

行走轮通常由橡胶材料制成，提供良好的摩擦力。

传动机构一般为电机与行走轮的传动装置，通常采用齿轮传动或链条传动。

4.控制系统：机器人的控制系统包括传感器、执行器和控制器。

传感器可以感知机器人的位置、姿态和环境条件等信息，以便进行自主导航和任务执行。

执行器包括电机和伸缩杆等组件，用于控制机器人的运动和伸缩。

控制器负责接收传感器信息，并根据预设的算法控制机器人的运动。

二、行走动力特性分析：1.爬行速度：管道攀爬机器人的爬行速度取决于行走轮的直径、电机的转速和传动机构的设计等因素。

一般来说，机器人爬行速度应该足够快，以提高任务完成效率。

2.负载能力：机器人承载工具和传感器进行任务执行，因此需要具有较大的负载能力。

负载能力的大小与机器人的结构强度和设计参数有关。

3.自稳定性：机器人在管道内行走时需要具备较好的自稳定性，以应对管道内的复杂环境。

自稳定性主要通过控制系统实现，通过传感器检测机器人的姿态和环境条件，并及时做出调整。

4.能耗与动力供应：管道攀爬机器人通常采用电池供电，因此需要考虑能耗和续航时间。

一般通过优化结构设计和控制算法，减小阻力和能耗，延长电池寿命。

5.适应性：管道攀爬机器人需要适应多种管道的尺寸和形状。

因此，其结构设计应具有一定的自适应性，能够根据管道的不同尺寸进行伸缩和调整。

综上所述，管道攀爬机器人的结构设计和行走动力特性是保证机器人能够在管道内进行任务执行的关键要素。

通过合理的结构设计和动力调节，可以使机器人具有较高的工作效率和可靠性，适应不同尺寸和形状的管道。

壁虎式机器人设计说明书一、引言壁虎式机器人是一种仿生机器人，其设计灵感来源于壁虎这种能够在垂直墙壁和天花板上爬行的动物。

本文将详细介绍壁虎式机器人的设计原理、结构和功能。

二、设计原理壁虎式机器人的设计原理基于壁虎的爬行能力，通过模拟壁虎足底的特殊结构和工作原理，实现机器人在垂直墙壁和天花板上的自由爬行。

壁虎足底具有数百万微小的刚毛，这些刚毛能够产生分子间吸附力，从而使壁虎能够在垂直表面上保持牢固的附着力。

三、结构设计1. 壁虎式机器人采用轻质材料制作机身，以降低重量，提高机器人的可操控性和稳定性。

2. 机器人的足底采用仿生设计，使用高强度材料制作刚毛状结构，以增加机器人与墙壁之间的附着力。

3. 机器人身体上装配有多个传感器，用于感知周围环境和墙壁表面的特征，以便机器人能够准确地选择爬行路径。

4. 机器人配备了高效的电池供电系统和稳定的电子控制系统，以确保机器人在爬行过程中的稳定性和持久性。

四、功能设计1. 壁虎式机器人具有自主导航功能，能够通过内置的导航系统自动规划最佳爬行路径，并实现自动避障。

2. 机器人配备了高清摄像头和红外传感器，能够实时监测周围环境，并将数据传输至操作者的控制终端。

3. 机器人可通过无线通信与外部设备进行连接，实现远程控制和数据传输。

4. 机器人具备抓取功能，可用于搬运小型物体或执行维修任务。

5. 机器人具备自我保护功能，当机器人检测到墙壁表面出现异常情况时，能够自动停止爬行并发送警报。

五、应用领域1. 壁虎式机器人在建筑维护和清洁领域具有广阔的应用前景，能够代替人工进行高空清洁和维修工作，提高工作效率和安全性。

2. 机器人在军事领域中可以用于侦察和搜救任务，能够在城市环境和复杂地形中执行任务。

3. 机器人还可以应用于科学研究和教育领域，用于探索生物仿生学和机器人技术的交叉领域。

六、结论壁虎式机器人是一种具有仿生特点的机器人，通过模拟壁虎的爬行能力实现在垂直墙壁和天花板上的自由爬行。

爬行动物机器人课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解爬行动物的运动原理，掌握其形态结构特点。

2. 学生能够描述机器人设计的基本步骤，了解爬行动物机器人所需的传感器和驱动装置。

3. 学生能够解释爬行动物机器人运动过程中能量转换的科学原理。

技能目标：1. 学生能够运用所学的爬行动物运动原理，设计并搭建简单的爬行动物机器人模型。

2. 学生能够运用基本的编程知识，实现对爬行动物机器人的控制。

3. 学生能够通过小组合作，进行有效的沟通与协作，共同完成爬行动物机器人的设计、搭建和控制。

情感态度价值观目标：1. 学生对爬行动物及其运动原理产生兴趣，增强对生物学和工程学的学习热情。

2. 学生在学习过程中，培养创新意识，提高问题解决能力和动手实践能力。

3. 学生通过小组合作，培养团队精神和沟通能力，增强合作意识。

本课程结合了生物学和工程学的相关知识，针对学生的年级特点，注重理论与实践相结合。

通过设计爬行动物机器人，让学生在实践中掌握学科知识，提高创新意识和动手能力，同时培养团队协作精神，全面提升学生的科学素养。

二、教学内容1. 爬行动物的运动原理与形态结构- 介绍爬行动物的分类、运动特点及其适应环境的形态结构。

- 分析爬行动物运动过程中的力学原理，如摩擦力、推进力等。

2. 机器人设计基本步骤与原理- 梳理机器人设计的基本步骤，包括需求分析、方案设计、模型搭建等。

- 讲解爬行动物机器人所需的传感器（如红外传感器、触碰传感器等）和驱动装置（如伺服电机、步进电机等）。

3. 爬行动物机器人模型设计与搭建- 结合教材内容，指导学生进行爬行动物机器人的设计，包括结构设计、电路设计等。

- 组织学生分组进行爬行动物机器人模型的搭建，并提供必要的指导。

4. 编程与控制- 介绍基本的编程知识，如流程图、编程语句等。

- 指导学生运用编程知识，实现对爬行动物机器人的控制。

5. 小组合作与展示- 安排学生分组合作，共同完成爬行动物机器人的设计、搭建和控制。

竖直管道爬行机器人小组成员：刘晓燕、周平、时佳、王迪阳、刘传亮一、设计背景：随着科学技术的发展，管道在当今社会已经得到了广泛的应用。

管道在长期的使用中难免会出现破裂、堵塞等，人们往往为了寻找管道上的一个裂纹而花费大量的人力和物力。

如今水平管道的检测、清理、维护已经不再是个难题，但竖直管道中的检测、清理、维护仍然有待解决。

而我们设计的机器人正是为满足在竖直管道的爬行而设计的，它具有一定的承载能力，可以成为管道检测、清洗设备的载体、检修的运输工人，使得管道的检测、清洁等工作易于实现。

二、组成介绍：该机器人由三部分组成，包括一个伸缩模块和两个支撑模块。

伸缩模块主要由曲柄连杆构成，利用驱动电机的转动来实现机器人的行走；两个支撑模块结构上完全一样，都是由初始弹簧提供微张力而贴附在竖直管道内壁。

由电动机的转动产生推力，使机器人的脚与管壁压紧而锁死，从而产生机器人行走所需的静摩擦力。

伸缩模块和支撑模块按一定的顺序工作，从而实现机器人在管道内的爬行。

三、结构设计:（1）支撑架的设计为满足不同内径管道的需求,将支撑架设计为可伸缩的。

同时将上下两组支撑架设计为空间十字交叉形，这样就满足机器人在管道中爬行的稳定性,,并在上下两组支撑架中各安装有被压缩的弹簧,以提供一初始的张力,使摩擦滑块与管道内壁能够充分接触。

(2) 摩擦滑块的设计摩擦滑块与管道内壁接触的部分，滑块的上部分有圆滑过渡以防止遇到障碍物时机器人被卡死。

而且这部分是可拆卸的，对不同材质的管道可选用不同材料的滑块接触面与管道内壁接触。

（3）微电机及曲柄滑块部分设计微电机通过杆件固定在机器人下肢的正下方，一方面为可降低机器人的重心使机器人在一开始时能够稳定的贴在管道内壁而不下滑，另一方面使上肢与电动机之间的距离增加从而使连杆的摆动幅度减小使上肢运行稳定（4）辅助电机控制机器人下降部分设计分别在上下肢两支撑架中间的弹簧中穿一根不可伸缩的绳，绳的一端固定在其中的一个支撑架上，另一端穿过另一支撑架连在辅助电机上。

第2章六足爬行机器人的方案设计2.1 总体设计要求技术参数：自由度数：每条腿有3个，共有16个；本体体重：≤6kg；行走速度：≥20mm/s；设计要求：能够完成前进、倒退、转弯、摆头、避障等任务，并且便于人工控制。

工作要求：1)机器人的重量控制在6公斤左右，但是这是设计的爬行机器人，为适应不同地形，它的最大负重加20%。

为1.2公斤；2)机器人机体运动时离地最低为100mm；3)机器人机步长不低于50mm；4)为保证电机良好工作和不至于使电机在重负重下工作，机器人小腿和地的夹角不小于10度，不大于40度，小腿往内倾斜；多足爬行机器人的一般设计准则：1) 能够实现机器人多种姿态间的灵活调整；2) 机器人机体结构简单、紧凑，重量轻；3) 机器人整体结构强度高、刚度好、负载能力达到要求；4) 在满足功能要求的情况下，尽量减少驱动及配套装置数量，简化控制的复杂性。

2.2六足爬行机器人的步态规划步态设计是实现爬行的关键之一，也是系统控制难易的标志，为达到较为理想的爬行，考虑下列要求：1)步行平稳、协调，进退自如，无明显的左右摇晃和前后冲击；2)机体和关节间没有较大的冲击，特别是当摆动腿着地时，与地面接触为软着陆；3)机体保持与地面平行，且始终以等高运动，没有太大的上下波动；4)摆动腿胯步迅速，腿部运动轨迹圆滑，关节速度与加速度轨迹无奇点；5)占空系数β的合理取值。

根据占空系数β的大小可分为3种情况：1)β=0.5，在摆动腿着地的同时，支撑腿立即抬起，即任意时刻同时只有支撑相或摆动相；2)β>0.5，机器人移动较慢时，摆动相与支撑相有一短暂的重叠过程，即机器人有所有腿同时着地的状态；3)β<0.5，机器人移动较快时，所有腿有同时为摆动相的时刻，即所有腿同时在空中，处于腾空状态，因此在交替过程中要求机器人机构具有弹性和较快的速度，否则难以实现。

通过以上分析，我们设计出β>0.5（β=0.55）的六足机器人步态为满足其平稳性的要求，六足机器人采用占空系数为0.55（即在运动过程中有六条腿同时着地）的三角步态。

毕业设计（论文）--爬杆机器人的机械结构设计爬杆机器人的机械结构设计摘要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，设计机器人的三维模型。

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。

关键词：爬杆机器人变直径杆仿生学Mechanical Structure design of Pole-Climbing-RobotAbstractIn the paper，the wormlike imitated pole-climbing robot what the author designed and manufactured is non-intelligence mechanical crawler. Based on compared the merits and demerits of several kind of crawling mechanism，confirmed the general structure of robot body. Based on above-mentioned，expatiated the principle of bionic crawling and the theory of modular designing on robot in detail. Based on the dimension data of poles，we have designed and manufactured the model of robot. The design methods and design guidelines during the course of robot modelingachieve the movement and optimum structural design following several key points： Functional coordination between agencies，choice of climbing arm gripping coincidence，changes of climbing force the relationship between the structural parameters，choice of zero point of climbing force and its transition in pole-climbing robot designing. Provides references forth kind of crawling robot’s designing.Key Words ： pole-climbing robot，variable-diameter pole，bionics 目录1 绪论 11.1 论文研究的目的和意义 11.2 国内外研究现状及存在的主要问题 2机器人的分类 3研究现状 4目前存在的主要问题81.3 研究主要内容和研究对象91.4 本章小结92 爬杆机器人仿生的设计理论研究102.1 仿生机器人概述102.2 总体方案分析112.3 蠕动式仿生爬行方案研究142.4 本章小结153 机器人爬行部分的结构方案163.1 爬行机器人本体结构设计准则16 模块化设计基础理论163.2 机器人结构原理方案分析18夹紧机构方案研究18传动机构方案分析20动力系统方案研究23机器人结构原理及爬行动作原理 243.3 变直径杆爬行问题的解决263.4 安全稳定的工作保障 27夹紧力的保证―弹簧的设计方法研究27 3.4 机器人的结构设计27电机的选型及参数选择 28机器人本体的空间结构设计30抓紧机构尺寸参数的确定33传动机构尺寸参数的确定37上、下凸轮的配合研究413.5 弹簧的设计与校核423.6 本章小结45结语46致谢47参考文献481 绪论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、还有2010年在上海举办的世博会，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、广告牌立柱等如图1.1 ，它们通常5-30m，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。