爬树机器人机构毕业设计

爬树机器人机构设计

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摘要

机器人是二十一世纪最性的光机电一体化技术系统。工业机器人在现代化工业国家正在得到越来越广泛的应用,各种工业机器人的商品样机不断进入市场，在这种情况下，模拟工业机器人来开发各种各样的机器人是一个很需要重视的领域，它作为机器人技术、计算机技术和机电一体化技术教育的教学工具，对人才培养和高新技术的推广应用有着重要的意义。

本文在总结国内外爬树机器人现状的基础上，对爬树机器人进行了机构设计和理论分析。

本文对爬树机器人进行了两鸾方案设计，通过方案对比分析，采用曲柄滑块结构，实现爬树过程。该爬树机器人机构设计采用曲柄滑块机构、凸轮机构等实现机器人的爬树过程；选择了步进电机作为驱动电机；确定了曲柄、连杆构件的尺寸，描述了活动卡爪和槽型凸轮的工作原理，并对爬树机器人进行了动画演示；根据曲柄滑块的工作原理对爬树机器人进行运动分析和仿真；分析了爬树机器人的控制系统，并介绍了各个控制部分工作原理和特点， 绘制了爬树机器人的控制系统流程图。该爬树机器人采用计算机控制装置， 运用分级式控制方式，由机、上位单片机和下位单片机构成三级控制系 统。设计了控制系统的硬件电路图及软件流程图。

关键词：爬树机器人；曲柄滑块机构；单片机

一. 课题的来源、目的和意义

本次课题来源于老师学期的大作业；目的在于通过本次作业让我们更加深刻的认识到机器人对现代生活与制造业的重要意义以及巩固课堂知识；通过此次作业拓宽了我们的知识面，和对机器人的认识！

二. 爬树机器人的设计方案

总体机构方案

在本小节，对机构坐标型式和机构方式做了介绍并进行了选择

1.坐标型式

关节型机器人依结构复杂程度分为直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人和开链连杆式关节型机器人。

1）直角坐标型机器人 直角坐标型机器人是最简单的关节型机器人，

其通过互相垂直的轴线位移来改变手部的空间位置。手部在空间三个相互垂 直的方向X、V、Z上作直线运动，运动是独立的，如图2.1a所示。它易于实现高定位精度，控制简单，运动直观性强，空间轨迹易于求解，但操作灵活性差，运动的速度较低，操作范围较小。

2）圆柱坐标型机器人 圆柱坐标型机器人在水平转台上装有立柱，水

平臂可沿立柱上下运动并可在水平方向伸缩，如图2.1b所示。其结构简单，便于几何计算，工作范围较大，运动速度较髙，但随着水平臂沿着水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。

3）球坐标型机器人 球坐标型机器人的工作臂不仅可绕垂直轴旋转，

还可绕水平轴作俯仰运动，且能沿着手臂轴线作伸缩运动，如图2.1c所示。

其操作灵活，结构紧凑，并能扩大机器人的工作空间，但旋转关节反映在末端执行器上的线位移分辨率是一个变量。

4）开链连杆式关节型机器人 可以模拟人的上臂，由多个关节联接的机座、大臂、小臂和手腕等构成，大小臂即可在垂直于机座的平面内运动，也可实现绕垂直轴的转动，如图2.1d所示。其全部关节皆为转动型关节，结构紧凑，操作灵活性最好，运动速度较高，操作范围大，所占空间体积小，

相对对的工作空间最大，还能绕过基座周围的一些障碍，是机器人中使用最多的―种结构形式，但精度受手臂位姿的影响，实现高精度运动较困难。

图1关节型机器人坐标型式

a ）直角坐标型机器人 b）圆柱坐标型机器人

c）球坐标型机器人 d）关节型机器人

此爬树机器人要求结构简单，动作灵活，实现高定位精度，运动直观性强，空间轨迹易于求解，且运动的速度较低，操作范围较小，因而选用直角坐标型机器人。

2.机构方式

极坐标式：两坐标正交，互不影响，运动学分析简单，控制容易。 对于驱动传动的电机可以安装在基座上，对于驱动直线运动的电机也可以安装在基座上，这样总重量大部分就可以由基座来承担，手臂重量轻，使得结构紧凑。

.3驱动形式的选择

由于本课题所研究的爬树机器人驱动负载小，要求结构简单、定位精度高，所以选用了电气驱动方式。其特点是易于控制，运动精度髙，响应快，使用方便，驱动力较大，信号监测、传递、处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境，可以采用多种灵活的控制方案。

4.驱动电机的选择

根据本系统的工作特点，我选用了步进电机。其性能优越性如下：

步进电机将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特

点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。由于该爬树机器人所选用的电机为步进电机，基于步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，因而能带动四个凸轮间歡地完成活动卡爪对树干的夹紧与放松；实现爬树机器人在爬树过程中互为机架直线上行的爬树过程。另外两个直流电机直接作用在曲柄上，实现对曲柄的驱动。

5.爬树机器人的机构设计

爬树机器人的机构设计是机器人的支撑基础和执行机构。该机器人模仿

虫蠕动的形式在树上爬行，并对前行途中遇到的障碍进行修剪。其爬行状态如下图2：

当装置处于状态1时，属于临界状态，上、下两个凸轮处于大、小半径 的变换时刻。此刻，上凸轮将由小半径向大半径变换，也就是由上端松池变 为上端压紧；而此时，下端凸轮将由大半径向小半径变换，下端将放松，由 于电机在不停的转动，它将带动下滑块沿着树干向上运动，当电机转过180 度时，整个装置运动到状态2，在状态3时，下凸轮将由小半径向大半径转 变，

下端将树干压紧，而上凸轮由大半径变为小半径，将使树干松开，此时， 电机的不断转动又会推动上滑块沿着树干向上运动，这样在电机转过了 180 度后，又会返回到状态1如此反复的运动通过单片机控制可以实现整个装 置的向上运动。如果让电机反转，整个装置将在任意的位置按照与向上运动 相同的道理沿着树干向下运动。通过电机的正反转动，实现装置的向上与向下爬行两个动作。

状态1 状态2 状态3 状态4 状态5

图2 执行系统的运动简图

6. 爬树机器人的主要特点

爬树机器人的技术参数如下表：

机构形式 空间多关节式

自由度数 2个

单行程 200//1/71

驱动方式 直流伺服电机驱动

电 源 直流电源

控制方式 单片机控制

三．爬树机器人机构设计

本机器人的主要构成部件是由两个形状相似的圆形套筒内嵌有一对活动乂型卡爪，一对槽型凸轮、铰链、压力传感器、连杆、相嵌在顶部滑块四周的切削刃、电机等零部件构成。其运动机构简图见图3.

图3.爬树机器人的机构运动简图

1.卡爪结构及工作原理

卡爪是实现机构对树干夹紧与松弛的末端执行装置，与电机驱动的槽型

凸轮相连，在榷型凸轮由大、小半径的转换过程中来实现对树干的夹紧与放

松，夹爪上装有压力传感器，当下端凸轮对树干夹紧时，压力传感器发出信

号，通过单片机的控制，下端执行装置对整个机构起到机架的作用，上端执

行装置对树干此时处于松拖状态，在机构中起到滑块的作用，通过曲柄滑块

机构向上爬行一个行程；当上滑块的槽型凸轮由小半径向大半径转换过程中，上滑块中卡爪对树干夹紧，此时下滑块中的榷型凸轮刚好由大半径向小

半径的转换，对树干由夹紧状态变为放松状态，在电机的驱动下，上滑块变为机架，下滑块在曲柄滑块的带动下向上移动一个行程。

以上过程是通过单片机控制驱动电机实现的。

2．凸轮机构的工作原理

槽型凸轮用来链接驱动电机和末端执行装置，并决定末端执行装置在空间里的姿态-通过槽型凸轮大小半径的转换，实现本机器人的末端执行装置

姿态的变化，完成对树千的夹紧与放松。

根据图2执行机构运动简图所描述运动的状态可知，上凸轮转至大半径工作区时，槽型凸轮带动活动卡爪对树干进行卡紧，上端执行装置起到机架作用，下端执行装置充当滑块，在电机的驱动下完成单行程爬行过程。根

据活动卡爪上压力传感器发出的信号决定凸轮旋转的角度，当树干的直径大

小发生变化时，凸轮根据活动卡爪上压力传感器发出的信号决定凸轮休止位

置，以解决爬树机器人行进过程中树干变直径问題。

上、下凸轮工作时，由于受到各自电机的驱动和单片机的控制作用，当

树干的直径大小发生变化时，根据活动卡爪上压力传感器发出的信号决定各

自调整转过的角度，来协调和解决爬树机器人行进过程中变直径问題。

活动卡爪上压力的变化，决定凸轮驱动活动卡爪执行位置的变化；根据传感器发出的信号，控制系统做出反馈，实现机器人行进动作。

3．曲柄、连杆长度的确定

机构设计过程中考虑各种因素的影响，确定了连杆与曲柄的长度：曲柄

长为100mm,连杆长为300mm，整个机构行程距离为200mm。为实现所要求动作的位置和姿态，需要2个自由度实现位置移动，通过槽型凸轮大小半径的转换实现姿态变化。

4.机构原理分析

爬树机器人运动轨迹是沿树干爬行，并对上行过程中树枝进行修剪，其

整个运动轨迹以直线运动为主。在机构设计中，曲柄滑块机构是实现直线运

动的机构之一。其中，能绕定轴或定点作整周回转的构件被称为曲柄，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。在爬树机器人机构设计中，将机器人的末端装置设计成曲柄和 滑块，机器人位置的变化通过曲柄驱动连杆完成。其联结方式是曲柄一端铰 接在机架上，另一端绞接连杆，连杆的另一端联结滑块，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4）。

在本机器人方案设计中，为实现机器人爬树过程，根据爬树机器人运动轨迹需要在铅垂面上作直线运动而采用的曲柄滑块机构。

5.运动规律设计

1）工艺动作分解

本机器人在机构设计中采用曲柄滑块机构，实现其爬树过程，其工艺动 作分解为：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 图4曲柄滑块机构简图

机架交替作用，连杆在曲柄的驱动下实现鹿树动作。其中上 滑块与曲柄相连，相应的连杆接下滑块。上、下两滑块作为机器人末端执行 装置，完成机器人姿态的变化，连杆机构在曲柄的驱动下完成机器人位置的 变化。其工艺动作连接为电机与曲柄固接作为驱动装置，连杆作为传动件， 两滑块作为爬树机器人末端执行装置，实现自锁或爬行。

自锁过程的实现，是通过槽型凸轮带动一对对称活动卡爪来实现对树