摆臂式爬楼机器人课程方案设计

1、摘要摆臂式爬楼机器人是一种能够在多种特殊地形上进行作业的移动式机器人。它属于作业机器人的一种，可以将人从危险的工作中解脱出来，是当前机器人领域研究的热点之一。本文通过对国内外各种类型爬楼机器人现状进行了系统的分析与比较，论述了爬楼机器人的运动方式、控制系统等。首先介绍了国内外爬楼机器人研究现状，阐明本课题研究的目的、意义。然后进一步介绍了本爬楼机器人总体结构。本文在此基础上，设计了抓扶手支架机械手，着重阐述了爬楼机器人夹持机械手主要问题及其解决方法，并对关键部件进行设计和分析。关键词 :爬楼机器人履带机械手AbstractThe wall climbing robot of hook claw

2、 is a climbing robot can worked at height on the vertical wall of mobile service robots. It belongs to a robot of limit, Will workfrom the dangerous freed, currently, it is one of the hotspots where the field of robotics research. Based on the current situation at home and abroad to conduct various

3、types of wall-climbing robot system for analysis and comparison, discussesthe wall climbing robot of hook claw s mode, adsorption and controlms.Firstly,ysteit is introduce that Research to the climbing robot at home and abroad, clarify the purpose of the research, significance. And then further desc

4、ribes the overall structure of the wall-climbing robot, meanwhile it is also asked to design reasonable and efficient of crawling device, and in this basis, it is focused on the main problems and solutions for climbing robot control system, the robots control system must be simple, safe, reliable, e

5、fficient, and convenient.Keywords: wall-climbing robot 。 hook claw。 rough wall。 Development毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权

6、说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由

7、本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神优良中及格不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度优良中及格不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能

8、力优良中及格不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性优良中及格不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况优良中及格不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？优良中及格不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？优良中及格不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义优良中及格不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？优良中及格不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平优良中及格不及格建议成绩： 优良中及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位：（盖章）年月日评阅教师

9、评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？优良中及格不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？优良中及格不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义优良中及格不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？优良中及格不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平优良中及格不及格建议成绩： 优良中及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位：（盖章）年月日教研室（或答辩小组）及教案系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况优良中及格不及格

10、2、对答辩问题的反应、理解、表达情况优良中及格不及格3、学生答辩过程中的精神状态优良中及格不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？优良中及格不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？优良中及格不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义优良中及格不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？优良中及格不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平优良中及格不及格评定成绩： 优良中及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）年月日教案系意见：系主任： （签名）年月日目录摘要 1Abs

11、tract2目录 2第 1章绪论 11.1本文研究的目的及意义 11.2国内外爬壁机器人的发展现状和趋势 21.3 爬楼机器人的相关技术31.4 研究内容及研究方法4研究内容 4研究方法 4第 2 章摆臂式爬楼机器人系统方案构成与设计 5 2.1 机器人系统方案 5机器人移动载体机构设计 5行走模块 52.2 机器人履带的选择 6车体模块选择 7动力装置的设计82.3 爬楼机器人的控制系统8系统控制 9系统控制总体结构92.4 本章小结 10第 3 章机器人履带和气动机械手设计 11 3.1 履带式机械行驶原理 11行驶原理 11履带的基本结构和参数123.2 机械手手部的设计计算13手部设计

12、基本要求18选择手抓的类型及夹紧装置错误！未定义书签。手部的设计 错误！未定义书签。缸筒壁厚的设计 错误！未定义书签。手抓夹持范围计算 错误！未定义书签。3.3 手腕结构设计 错误！未定义书签。腕部设计 错误！未定义书签。腕部的驱动力矩计算 错误！未定义书签。回转汽缸的驱动力矩计算错误！未定义书签。3.4 臂部设计的基本要求 错误！未定义书签。手臂直线运动的驱动力计算错误！未定义书签。手臂摩擦力的分析与计算错误！未定义书签。手臂惯性力的计算 错误！未定义书签。手臂伸缩汽缸的选择 错误！未定义书签。手臂伸缩汽缸尺寸的校核错误！未定义书签。手臂回转汽缸的尺寸设计与校核错误！未定义书签。3.5 本章

13、小结 错误！未定义书签。4 ADAMS 模型的建立与仿真 错误！未定义书签。4.1 虚拟样机技术 错误！未定义书签。4.2ADAMS 软件错误！未定义书签。4.3 手部模型的建立 错误！未定义书签。4.4 本章小结 错误！未定义书签。结论错误！未定义书签。参考文献 4致谢错误！未定义书签。第 1章绪论1.1 本文研究的目的及意义机器人技术的研究属于多学科相互交叉，相互渗透的前沿课题，对它的研究具有很大的理论价值和广阔的应用前景。继 70 年代工业机器人发展高潮之后， 80 年代后又掀起了自主机器人研究的热潮。从机器人技术的发展过程中可以看到，它不仅推动了自身技术的迅速发展，而且促进了一大批相关

14、技术的突飞猛进。随着科学技术的飞速发展，让机器人代替人做一些繁重、危险的工作是人们的一大希望。机器人已经能够使用工具，能看、能听、能说，并且开始能进行一些决策和思考等智能行为，其应用也从传统的加工制造业逐渐扩展到海军、海洋检测、宇宙探索等领域，并开始进入家庭和服务行业。作为一种先进的机电一体化产品，机器人的技术发展与自动控制技术的发展息息相关。人们期望机器人在许多人类所不能及的区域代替人类劳动完成更复杂的任务。例如在军事侦察、扫雷排险、防止核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景。机器人所面临的是未知的、不可预测的、非人为构造的环境，机器人所完成的任务也越来越复杂。摆臂

15、式爬楼机器人是移动机器人的一种，也是爬楼机器人在移动机器人领域的一个重要部分，它把地面移动机器人技术与控制技术有机结合起来，可在各种特殊地形上通过摆臂的灵活运动，灵活的在楼梯面爬行。但是基于爬楼时机器人的稳定性较差，本文从新设计了爬楼机器人的履带，并在车体结构上设计了抓楼梯扶手支架的机械手，以此来增强其稳定性。1.2 国内外爬楼机器人的发展现状和趋势机器人的研究始于 60 年代末期。斯坦福研究院（ SRI）的 Nils Nilsseo和 CharlesRosen等人，在 1996年至 1972年中研发出了取名 Shakey的自主移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自

16、主推理、规划和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。其中最著名的是GeneralElectric Quadruped 步行机器人。 70 年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。特别是在 80 年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些机器人主要作为大学实验室及研究机构的机器人实验平台，从而促进了机器人学多种研究方向的出现。 90 年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的机

17、器人控制技术，真实环境下规划技术为标志，开展了机器人更高层次的研究。可以看出，随着电子技术的飞速发展，计算机的计算能力得到了显著提高，机器人用传感器正逐步走向成熟，机器人的关键技术的到深而广泛的研究。由美国 NASA资助研制的“丹蒂”八足行走机器人，于 1994年在斯泊火山口中成功的完成了指定的探险任务，在整个运动过程中，不需要人的参与，或支持。丹蒂计划的主要目标是为了实现在月球或其他星球的表面提供一种机器人的解决方案。为了在火星上进行长距离探险，灭国 NASA在研制探测机器人成功登上火星后，又开始了命名为“ Rocky 7”新一代样机的研制，并在 Lacie 湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了

18、成功的实验。德国成功研制了一种轮椅机器人，该轮椅机器人在公共场所拥挤的、有大量乘客的环境中，进行了超过 36 个小时的考验，表现出了无以伦比的优越性。此外还有很多典型成功例子，例如：美国的单轮机器人 Gyrover，关节履带机器人Packbot；日本的 TITANVIII 行走机器人；德国 FFG车辆制造公司研制的 Minebreaker 2000机器人等等。在国内，移动机器人技术的研究起步较晚，现北京、上海等地的相关大学在进行本工程的研究开发，但大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主要研究工作有：清华大学智能移动机器人于 1994 年通过鉴定。涉及到 5 个方面的关键技术：基于地图的全局路径规

19、划技术研究；基于传感器信息的局部路径规划技术研究；路径规划的仿真技术研究；传感技术、信息融合技术研究；智能移动机器人的设计和实现。香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。哈尔滨工业大学于 1996年研制成功的导游机器人等。1.3 爬楼机器人的相关技术机器人大都在非结构化环境中工作，现将研究机器人的过程中主要涉及的关键技术大致归纳如下：硬件结构硬件结构主要是指机器人的运动载体结构、传动结构、驱动设备选型及安装连接等。这方面的研究主要集中在各种运动载体结构的性能和实现方式上。现在的机器人的载体形式主要有轮

20、式、腿式、履带式、混合式和蛇形等几种。利用轮子行走可说是最简单的处理方式，一般而言，轮式机器人操纵容易，其稳定性较好，移动距离所需的能量也较小，但此型机器人像汽车一样，仅适用于一般路面行走，受地形和地质限制较大。要它在松软的砂地或在崎岖不平的地表上运动就非常困难，而履带机器人具有强大的地形适应性，能够适应恶劣的路面条件。腿式机器人的机构较轻巧，富挠性。但是由于机构复杂，移动面又时有变化，故结构设计十分复杂。并且为达到动态稳定的要求，控制上也需要更为精细，所以此型机器人的移动速度不会很快。运动控制运动控制就是控制机器人按规划的轨迹运动，控制的好坏对机器人的性能有着直接的影响，因此这部分在机器人的

21、研究中至关重要。针对不同的载体结构（如轮式、履带式、关节式或者腿式等）和驱动设备，运动控制的研究会进一步的细化。传感器信息融合技术近年来，各种新型传感器的出现，在极大的扩展了机器人的感知空间和提高了感知精度的同时，也带来了多传感器的容错、效率和协调等一系列问题，为了解决上述问题，并为了充分高效的利用这些传感器信息，一个新的技术应运而生，那就是传感器的集成和融合技术。多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据，以产生更可靠、更准确或更全面的信息。经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性，消除信息的不确定性，提高信息的可靠性。(4)智能控制随着机器人技术的发展，对于无法

22、精确解读建模的物理对象以及信息不足的病态过程，传统控制理论暴露出缺点，近年来许多学者提出了各种不同的机器人智能控制系统。机器人的智能控制方法有模糊控制、神经网络控制、智能控制技术的融合（模糊控制和变结构控制的融合：神经网络和变结构控制的融合：模糊控制和神经网络控制的融合：智能融合技术还包括基于遗传算法的模糊控制方法）等。但是对于智能控制的研究还远没有达到人类期望的目标。1.4 研究内容及研究方法研究内容1）根据机械设计制造技术要求，本课题围绕爬楼机器人载体设计为中心，对其性能进行研究，移动载体结构的履带式行走机构的结构设计以及小型工程用履带结构设计和车体结构设计。2）着重设计摆臂式爬楼机器人的

23、机械手。研究方法（1）深入调查研究，了解目前摆臂式爬楼机器人的结构形式，理解其工作原理；（2）通过查阅相关资料和深入学习，制定摆臂式爬楼机器人结构设计方案；（3）实施摆臂式爬楼机器人的设计：主要设计爬楼机器人的机械手。第 2 章摆臂式爬楼机器人系统方案构成与设计本课题的研究对象为爬楼机器人，重点集中在其移动载体的设计上。根据机器人功能需求和实际应用的不同，移动载体的设计有其自身的特点。2.1 机器人系统方案该机器人的系统主要由移动载体，车载控制系统，车载设备系统安全与辅助系统，地面控制台，通讯系统组成。移动载体主要包括行走模块、车体模块、传动模块三部分，是机器人的基本部分。车载控制系统主要完成

24、移动载体的驱动控制，是实现机器人行走的关键，直接影响到路径跟踪、操作指令的实现和机器人工作时的安全等问题，加上凹凸不平的路面状况造成得冲击载荷等外因，使合理、稳定的驱动控制系统成为机器人的关键技术之一。移动载体上装配有气动机械手设备，用于对工件搬运。机器人移动载体机构设计为了满足该机器人的应用要求，对其移动载体有一些基本的要求，这些要求是后面设计的依据和准则，具体内容如下：、结构形式：采用履带式移动载体；、驱动方式：首选蓄电池为动力，直流电机驱动；、结构：底盘最小离地间隙大于 30mm、自重： 60Kg（包括车载系统）；、基本性能：最高行驶速度 1.8km/h；、具有一定的爬坡、爬梯和越沟能力

25、；、操作方式：遥控；、机器人安装有机械手。移动载体的构成主要包括行走模块、传动模块、车体模块、动力装置。下面就移动载体的设计选择及特点进行分别阐述。行走模块机器人的移动行走机构有很多种，按其结构主要可以分为轮式、履带式脚式。表2-1例举了几种典型行走结构的优缺点。表2-1移动行走机构性能对比轮式一同步驱动结构特点：所有的轮子都是驱动轮；所有的轮子都可以操纵。优点：通过旋转轮子来转向，四个或更多的轮子可以更好适应粗糙路面。缺点：机械结构复杂，每一个轮子都可以操纵并提供动力，控制复杂（很多马达需要控制），成本高。轮式一汽车结构特点：一个马达作为动力，通过后面的差速器驱动，个马达转动前面的两个轮子来

26、改变方向。优点：在不平的路面上性能较好，驾驶和速度不在一起控制，只需要两个马达，容易控制。缺点：不能在原地转动，机械结构有点复杂，需要后面有差速器来避免打滑，需要等量操纵两个前轮。履带式特点：单独驱动两个履带优点：可以在原地转动，在不平的路面上性能非常好，稳定，很难到达高的地方，牵引很好，一个或两个马达。缺点：只能慢慢转动，速度和方向不能单独控制，能量损耗大，需保持履带拉紧。腿式特点：多只脚协调动作。优点：在粗糙路面性能较好，运动稳定，较好的牵引力。缺机械复杂，每一只脚均需要提起和前后移动，且一只脚可能需要多点：不能原地转动，速度慢，控制复杂，移动困难，操纵性差机械复杂，每一只脚均需要提起和前

27、后移动，且一只脚可能需要多个马达。通过上述移动行走结构比较，可知履带式移动行走机构相对于轮式机构具有支撑面积大，接地比压小，越野机动性能好，爬坡、越障、跨沟能力强等优点：且履带的牵引附着性能好，不易打滑，有利于发挥较大的牵引力。履带式行走机构相对于脚式行走机构技术成熟，控制简单，且成本低。结合国内外机器人的性能特点及实际应用的要求综合考虑多方面因素：选用履带式移动机构。驱动方式选用后轮驱动。驱动轮的主要作用是机器人基本功能方案前或向后卷绕履带，同时承担着机器人的部分重量。驱动轮的前置和后置有利有弊，由图 2-1可以看到，驱动装置后置呈现出行驶技术上的优势，而前置时大部分履带在行驶时承受大牵引力

28、，容易使履带伸长，在前行时导致前下部履带处形成所谓的“履带腹部 ”，驱动轮后置时牵引力高区段短，不会出现上述问题。驱动轮后置履带张力分布图驱动轮前置履带张力分布图图2-1 驱动轮履带2.2 履带的选择要求履带的各种材料要具有良好的物理机械性能，耐动态疲劳和耐气候老化等性能。在爬梯中，采用输送滚子链和三角胶带块相结合，应该有良好的效果。 这种方案具有如下优点：无需开模具，成本低；拼接组装方便，易于更换维护，刚性好；履带长度可以按需确定；2）合适的履带链节距是选择的另一个关键。节距的大小与传动的平稳性、承受能力都有一定的关系。在一定条件下，链节距越大，承载能力越高，但传动的多边形效应也要增大，震动

29、、冲击、噪声也越重。在综合考虑电机的功率、链轮转速及工作环境，决定采用节距为12.7mm的输送滚子链，即三角胶带间距 25.4mm。为了提高机体越障能力，在传统履带式移动载体上安装前摆臂，即采用关节式摆臂结构。静力平衡状态下，当机体重量、台阶高度及摩擦系数相同时，移动栽体的车轮直径较大的比较容易爬上台阶。但是由于尺寸以及电机输出功率的限制，不可能无限加大车轮直径。本文中机器人采用前摆臂的结构。虚线圆部分为车轮的有效直径，表示实际车轮直径。可见通过加大车轮的有效直径，可以有效的减小机器人的体积，提高了越障能力，由 b图可知，摆臂体的关节角度越小，有效半径越大，但同时也降低了越障高度。在主驱动履带

30、之间设计了数个支撑轮，主要作用是越障时起支重作用，是履带保持原有轮廓，另外在跨沟、越障等行驶过程中起支重作用，两个支持轮为一组，支撑轮的结构具有一定的柔性和抗冲击性。图2-2 车轮的有效直径车体模块的选择车体模块包括底盘、壳体和控制器、蓄电池安装架等，是机器人的躯体。底盘是车体承载平台，底盘的结构设计需考虑与驱动轮、支撑轮、引导轮和摆臂的联接，内部电器、云台和壳体的安装。要求与移动行走机构具有可靠联接，并具有足够强度刚度，同时底盘的结构尺寸影响着机体的转向性能。履带式机械的转向能力，不仅取决于地面条件和履带结构，而且与履带的支撑面长度和轨距（两侧履带中点的距离）的比值有关。履带式移动装置原地转

31、弯阻力计算公式如下：=(2-1)其中，可根据 L/B和b/B查到，b为履带宽度；总重量（N）；履带与地面之间的附着系数。由式 2-1可知， L增大使转向阻力矩增大，对转向不利。轨距 B增大使转向力矩减小，对转向有力，但使最小转向半径增大。综上所述，履带结构参数 L B不能取得太小，通常LB1.321.54。一方面，原地转弯总要受到履带与地面间的附着条件的限制，原地转弯性能只能在特定的地面条件下才能实现：另一方面，当 LB时 1.321.54半径大于 B2的转弯运动，移动载体基本不受地面条件的限制。根据实际应用需要，机体应具有良好的转弯性能，尤其是在爬梯过程中易于调整前进方向。机器人在爬梯过程中

32、摆臂放至水平，此时 LB1.325，满足上述条件。动力装置的设计行走机械的动力源主要有内燃机和蓄电池两种。内燃机结构复杂、耗油且增加机体重量，而蓄电池相对于内燃机有很大的优越性，它具有效率高、环境污染低、可使用多种能源、噪音低等优点，是未来动力源发展的趋势所在。鉴于蓄电池的优越性，采用蓄电池作为原动力。目前车载动力蓄电池主要有铅酸蓄电池、各种二次电池（如镍氢、镍镉、锂电池等）、燃料蓄电池、飞轮蓄电池等，后两种处于研发阶段，产品较少。目前国内外蓄电池的研究应用主要集中二次电池方面，它维护少，环境污染小，但容量有限，连续使用时间短。2.3 爬楼机器人的控制系统系统控制机器人是一种自动化程度很高的机

33、器，具有感知、规划、动作和协同等智能，是一个复杂的综合系统。而控制系统是机器人的核心部分，控制系统的设计直接关系到机器人的性能要求，更是机器人智能的主要表现之一。目前，机器人控制系统主要有三种结构方式：集中控制方式、主从控制方式和分布式控制方式。集中控制方式是指用一台功能比较强大的计算机实现其全部控制功能，在早期的机器人控制系统中较多的采用此种控制方式。随着计算机技术的飞速发展和机器人控制要求的不断提高，逐渐出现了主从控制方式和分布式控制方式。在主从式控制结构中，有上下两级计算机，其中上位机利用它的运算能力和庞大的系统资源，如：内存容量，磁盘容量等等，完成坐标变换，轨迹插补运算等功能；下位机可

34、以由多个微控制器组成，每个微控制器控制一个电机的运动，它们并行地完成控制任务，从而提高了工作速度和处理能力。分布式控制系统属于开放型的控制系统，可以根据需要增加微处理器的个数，以满足控制系统提高控制性能的需要。机器人是用于危险环境作业的移动机器人，本课题中机器人系统的控制目标：使机器人按照操作员指定的平均速度和方向前进。控制系统的总体结构该爬楼机器人是移动系统中的一部分，考虑到机器人在总体系统中功能和实际应用，决定采用主从式结构的控制器。控制模块结构框图如下，机器人的控制系统可以分为传感器信号处理、全球定位系统、遥控装置、车载设备运动控制和行走驱动控制等主要部分组成。传感器信号包括车载传感器信

35、息、图像信息等，主要用于获取周围环境信息，这些信息将帮助操作人员做出进一步的决策。全球定位系统可以实时确定机器人的绝对位置，高精度的系统可以作为机器人路径跟踪中的位置检测信号。行走驱动控制是机器人实现行走的底层控制系统和遥控方式实现的基础。图2-3 控制模块结构框图2.4 本章小结本章介绍了爬楼机器人的基本性能，对机体的行走模块、车体模块和动力装置等进行了方案选择和设计，提出了一种安装维护方便且成本低的履带结构。同时根据实际应用需要介绍了控制系统的功能组成。第 3 章机器人履带和气动机械手设计摆臂式爬楼机器人从功能上讲隶属于移动机器人，具有较大的自主性和灵活性。移动机器人的载体必须满足移动和负

36、重承载两大功能，在履带设计完成后，对机器人载体上的机械手着重设计，主要设计了手部、腕部和臂部等。爬楼机器人的机械手的主要作用是夹持扶梯支架，进行夹取，通过查阅资料，车载机械手决定选用气动机械手。3.1 履带式机械行驶原理本文中的机器人采用的是关节式履带移动机构，所以在这里以履带式移动机构为基础进行分析。行驶原理履带式行走机构电机的功率以高转速（角速度）和低转矩（）的形式经传动系传到驱动轮，变成了低转速（角速度）和大扭矩（）。为驱动力矩。在驱动力矩的作用下，驱动轮齿与履带的节销啮合并带动履带作绕驱动轮的传动，使履带不断铺设轨道，引导轮、支撑轮沿所铺设的轨道不断向前滚动而行使作业。因此，可以认为履

37、带式行走机构实质是一种 “自携轨道”的轮式行走机构。在驱动力矩。的作用下，通过驱动轮轮齿和履带节销的啮合，使履带产生张力（未考虑履带与驱动轮的啮合损失）。张力沿着履带驱动段传到支撑段，向后拉动履带，使支撑段的土壤变形，同时土壤对履带支撑区域向前的水平反力（即推力）：式中：驱动轮的动力半径或称为驱动半径；其行驶原理如图 3-1所示。切入土壤的每个履齿给土壤一个向后的作用力，并卷绕到驱动轮上，而土壤在水平方向发生挤压变形，使履带发生滑转，同时给每个履齿一个向前的反作用力 。对于履带接地段而言，推力为：推力 驱动履带移动载体向前，同时克服履带移动载体的滚动阻力 ，以 v速度向前。由于土壤的剪切变形能

38、力有限，所以履带接地段相对于地面有向后移的运动，不可避免的形成了履带的滑转，但履带式移动机构的滑转一般较小。图3-1 履带式行走机构行驶原理履带的基本结构和参数如第二章所述得：驱动链轮齿数 Z33.15如第二章所述，该机器人采用输送滚子链与三角胶带组合构成履带。选用短节距输送滚子链 C208B，节距P为12.7mm，=8.9mm三角胶带与输送滚子链通过 d=3.5mm的薄板连接；三角胶带型号为 B型，高h=10.5mm；设履带总高为 H=180mm，驱动轮的节圆直径约为：D=H-2d-2h-2 =根据驱动链轮分度圆直径： D=由于链条需要安装三角胶带，所以驱动链轮齿数最好去双数，这里取z为34

39、，则履带的总高为183.4ram。3.2 机械手手部的设计计算手部设计基本要求（1）机械手有足够的握力 ( 即夹紧力 ) ，在确定手指的握力时，应考虑在爬楼过程中所产生的惯性力和振动，以保证机器人不致产生翻倒。2）手指间应具有一定的开闭角，两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证扶手支架能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的扶手支架，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。3）保证准确定位，为使手指和被夹持支架保持准确的相对位置，根据被抓取支架的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“ V”形面的手指，以便自动定心。4）具有足够的强度和

40、刚度，手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。选择手抓的类型及夹紧装置本设计是爬楼机械手的设计，考虑到所要达到的爬楼时抓取要求：圆柱型支架，假设此支架重量为 5Kg。常用的机械手手部 ,按握持物品的原理 ,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取物品表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本机械手采用夹持式手指 ,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动 ,这种手指结构

41、简单 , 适于夹持平板物料 , 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置 , 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指 , 驱动力需加在手指移动方向上 ,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择 根据机械手的工作需要，通过比较，决定采用机械手的手部结构是一支点两指回转型结构。故手指形状设计成 V型手部的设计图3-2 齿轮齿条式手部V形手指的角度 2120 ， b120mmR24mm ,摩擦系数为 f0.10(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为 :2bpNR(2)根据手指夹持支架的方位，可得握力计算公式 :N0.5tg ()0.5 5tg(

42、605 42)25(N)所以 p2b N245(N )R(3)实际驱动力:p实际pK1K21、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取0.94 ，并取 K11.5 。若被抓取工件的最大加速度取 aa3g 时，则: K 2 14g所以 p实际245 1.5 41563( N )0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 1563N 。2、气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为 :D2 PFzF1Ft4式中: F1 活塞杆上的推力， NFt 弹簧反作用力， NFz 气缸工作时的总阻力， N气缸工作压力， Pa

43、弹簧反作用按下式计算 :FtG f (1s)Gd14G fD13 nGd14G f =3 n8D1式中: G f - 弹簧刚度，N/mL弹簧预压缩量， mS活塞行程， md1 弹簧钢丝直径， mD1 弹簧平均直径， .n 弹簧有效圈数 .G 弹簧材料剪切模量，一般取 G79.410 9 Pa在设计中，必须考虑负载率的影响，则:D 2 pF1Ft4由以上分析得单向作用气缸的直径 :4(F1Ft )Dp479.4109(3.54代入有关数据，可得 G fGd110 3)38(3010 3)3158D1 n3677.46( N / m)Ft G f(1s)3677.466010 3220.6( N

44、)所以: D4(F1Ft )4 (490220.6)pn0.5 10665.23( mm)查有关手册，得 D 65mm由 d / D0.20.3 ,可得活塞杆直径 : d(0.20.3)D13 19.5mm取活塞杆直径 d18mm 校核，按公式 F1 /( / 4d 2 ) 有: d ( 4F 1/) 0.5其中，120MPa ， F1750N则: d (4490 /120)0.52.2818满足实际设计要求。缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算 :DPp / 2式中 :缸筒壁厚， mm气缸内径， mmP

45、p 实验压力，取 Pp1.5 Pa由材料为:ZL3 得=3MPa代入己知数据，则壁厚为 :DPp / 26 105 /(2 3 106 )6.5(mm)取7.5mm ，则缸筒外径为: D1 65 7.5 2 80(mm)手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为600 ，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图 3-3（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径0R140 ，当张开 60 时，如图3-3（b）所示，最大夹持半径计算如下：R2100tg 30040cos30 090机械手的夹持半径从图3-3 手抓张开示意图3.3手腕结构设计腕部设计手腕是连接

46、手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕 x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油 ( 气) 缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于 180度 ，并且要求严格的密封。腕部的驱动力矩计算手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与

47、缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图3-4 手腕受力的示意图手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算 :M驱M惯M偏M摩M封式中: M 驱 驱动手腕转动的驱动力矩 ( N cm )。M 惯 惯性力矩( N cm )。M 偏 参与转动的零部件的重量 (包括工件、手部、手腕回转缸的动片 )对转动轴线所产生的偏重力矩 ( N cm ).,M 封 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 ( Ncm)。下面以图3-4所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算 :1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩 M悦若手腕起动过程按等加速运动，手腕

48、转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则：M 惯（ JJ1）( N .cm)t式中: J 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量2 ) 。J1 工件对手腕转动轴线的转动惯量2 ) 。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 J1 为:J1JcG1 e12g式中: J c 工件对过重心轴线的转动惯量2 ) :G1 工件的重量(N)。e1 工件的重心到转动轴线的偏心距 (cm),手腕转动时的角速度 (弧度/s)。起动过程所需的时间 (s)。起动过程所转过的角度 (弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩 M偏M 偏G1e1 +G3e3 ( N cm )式中: G3 手腕转动件的

49、重量 (N)。e3 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距 (cm)当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则 G1e10 .3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 M 封M 封f ( RAd 2 RB d1 ) ( N cm )2式中: d1 , d2 转动轴的轴颈直径 (cm)。f 摩擦系数，对于滚动轴承 f0.01 ，对于滑动轴承 f0.1 。RA ,RB 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据 M（F） 0 ,得:ARB l G3 l3G2 l 2G1lG1l1G2l 2G3l 3RBl同理，根据M B (F) 0,得:G1 (ll1 ) G2 (l l 2 ) G3 (l l 3

50、)RAl式中: G2 重量(N)如图4-1所示的长度尺寸(cm).4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M 封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。回转气缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图4-2所示，定片 1与缸体 2固连，动片 3与回转轴5固连。动片封圈 4把气腔分隔成两个 .当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时 4回转，则低压腔的气从 b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力 P驱动力矩M的关系为:Mpb(R 2r 2 ) , 或 p2Mr 2 )2b( R23.4 臂部设计的基本要求臂部

51、应承载能力大、刚度好、自重轻。根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。合理布置作用力的位置和方向。注意简化结构。提高配合精度。手臂动作应该灵活，为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。手臂直线运动的驱动力计算先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的液压缸的

52、驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。F F摩F密F回F惯(5.1)手臂摩擦力的分析与计算分析：摩擦力的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。下图是机械手的手臂示意图 .图3-5 机械手臂部受力示意图计算如下：由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。M A0G总 LaFbFbG总 L得aY 0G总FbFaLaFaG总得aF摩Fa摩F F Fbb摩aF摩G总2La(5.2)a式中 G总 参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（ N）；L手臂与运动的零部件的总

53、重量的重心到导向支撑的前端的距离（上一节的计算。a导向支撑的长度（ m）。当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面：摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取钢对铸铁：取计算：导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁0.20 1.50.3 G总，L=1.69-0.028=1.41m,导向支撑a设计为0.016m将有关数据代入进行计算2L2 1.41 0.165978.6 NF摩 G总1070 0.30.16am）,参考1070N ，手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是 V= 5m min 在计算惯性力的时候 设置启动时间 t0.2s ，启,动速度 V=V= 0.083m S ,F惯G总

54、 vgtG总v1070 N0.083SF惯t9.8N Kg45.5Ng0.02S手臂伸缩气缸的选择手臂伸缩气缸采用标准气缸，查各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用 CTA型气缸，尺寸系列初选内径为 100/63。手臂伸缩气缸尺寸校核在校核尺寸时，只需校核气缸内径 D1 =63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可, 设计使用压强 P 0.4MPa ,则驱动力：FPR20.41063.140.031521246( N)测定手腕质量为 50kg,设计加速度 a 10(m / s) ，则惯性力 F1 ma10 500( N )考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数 k

55、 0.2 , Fm k.F10.2500100( N )总受力 F0F1Fm100600( N )F0F所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。手臂回转气缸的尺寸设计与校核（1）尺寸设计气缸长度设计为b 120mm, 气缸内径为 D210mm 半径轴径1,R=105mm,D240mm半径 R20mm, 气缸运行角速度=90/ s ，加速度时间 t0.5s, 压强 P0.4MPa ,pb( R 2r 2 )则力矩： M20.41060.12(0.10520.0202 )2255( N.m)测定参与手臂转动的部件的质量 m1120kg , 分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个

56、半径 r200mm 的圆盘上，那么转动惯量：Jm1r 221200.10220.6 （ kg.m2 ）M 惯J .t0.6900.5108(N.m)考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数 k0.2 ,M 摩k.M 惯0.21085.（4N.m）总驱动力矩M驱M惯M摩5.4113.（4N.m）M M设计尺寸满足使用要求。驱3.5 本章小结本章设计了机械手的手臂结构，手臂采用双导杆手臂伸缩机构，对驱动的液压缸的驱动力进行了详细的计算，并对液压缸的基本尺寸进行了设计。ADAMS 模型的建立与仿真4.1 虚拟样机技术（1）虚拟样机技术的基本概念虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中 , 将分散的零部件

57、设计和分析技术 (指在某单一系统中零部件的 CAD 和FEA 技术) 糅合在一起, 在计算机上创建出产品的整体模型 , 并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析 , 预测产品的整体性能 , 进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。（2）虚拟样机技术常用软件虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商业化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机相关技术软件的商业化过程已经完成。目前有二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争 , 比较有影响的有美国机械动力学公司 (M echan ical Dy2namics Inc1)的ADAM S、比利时LM S 公司的DADS以及德国航天

58、局的 S IM PACK。其中美国机械动力学公司的 ADAM S 占据了市场的 50% 以上。其它的软件还有 Wo rk ingModel、Fo lw3D、IDEA S、Phoen ics、A n2sys、Pam crash等等。由于机械系统仿真提供的分析技术能够满足真实系统并行工程设计要求 , 通过建立机械系统的模拟样机 , 使得在物理样机建造前便可分析出它们的工作性能 , 因而其日益受到国内外机械领域的重视。4.2 ADAMS 软件该软件己在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。国外的一些著名大学也已开设了介绍 ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of

59、 Mechanical System)软件，是由美国机械动力公司 (MechanicalDynamicsInc.)开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。用户使用ADAMS软件，可以自动生成包括机 电液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、实验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。由于ADAMS具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力

60、，所以ADAMS软件的课程，而将三维 CAD软件、有限元软件和虚拟样机软件作为机械专业学生必须了解的工具软件。根据 1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件占据了销售总额近 8千万美元的51%份额。ADAMS 一方面是机械系统动态仿真软件的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是机械系统动态仿真分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型机械系动态仿真分析的二次开发工具平台。在产品开发过程中，工程师通过应用ADAMS软件会收到明显效果 :(1)分析时间由数月减少为数日；(2)降