#爬杆机器人(机械原理课程设计)
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。
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 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 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 略 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。 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 目录 一、设计题目 (2) 1、牛头刨床的机构运动简图 (2) 2、工作原理 (2) 二、原始数据 (3) 三、机构的设计与分析 (4) 1、齿轮机构的设计 (4) 2、凸轮机构的设计 (10) 3、导杆机构的设计 (16) 四、设计过程中用到的方法和原理 (26) 1、设计过程中用到的方法 (26) 2、设计过程中用到的原理 (26) 五、参考文献 (27) 六、小结 (28) 一、设计题目 ——牛头刨床传动机构 1、牛头刨床的机构运动简图 2、工作原理 牛头刨床是对工件进行平面切削加工的一种通用机床，其传动部分由电动机经 带传动和齿轮传动z 0—z 1 、z 1 、—z 2 ，带动曲柄2作等角速回转。刨床工作时，由导 杆机构2、3、4、5、6带动刨刀作往复运动，刨头右行时，刨刀进行切削，称为工 作行程；刨头左行时，刨刀不进行切削，称为空回行程，刨刀每切削完一次，利用 空回行程的时间，固结在曲柄O 2 轴上的凸轮7通过四杆机构8、9、10与棘轮11和棘爪12带动螺旋机构（图中未画），使工作台连同工件作一次进给运动，以便刨刀继续切削。 二、原始数据 设计数据分别见表1、表2、表3. 表1 齿轮机构设计数据 设计内容齿轮机构设计 符号n01d01 d02 z0 z1 z1’m01 m1’2n2 单位r/min mm mm mm mm r/min 方案Ⅰ1440 100 300 20 40 10 3.5 8 60 方案Ⅱ1440 100 300 16 40 13 4 10 64 方案Ⅲ1440 100 300 19 50 15 3.5 8 72 表2 凸轮机构设计数据 设计内容凸轮机构设计 符号L O2O4 L O4D φ[α]δ02 δ0 δ01δ0/ r0 r r 摆杆运动规 律单位mm mm °°°°°°mm mm 方案Ⅰ150 130 18 45 205 75 10 70 85 15 等加速等减 速 方案Ⅱ165 150 15 45 210 70 10 70 95 20 余弦加速度方案Ⅲ160 140 18 45 215 75 0 70 90 18 正弦加速度方案Ⅳ155 135 20 45 205 70 10 75 90 20 五次多项式 表3 导杆机构设计数据 设计内容导杆机构尺度综合和运动分析 符号K n2L O2A H L BC 单位r/min mm 方案Ⅰ 1.46 60 110 320 0.25L O3B 方案Ⅱ 1.39 64 90 290 0.3L O3B 方案Ⅲ 1.42 72 115 410 0.36L O3B 表4 机构位置分配表 位置号位置 组 号 学生号 A B C D 1 1 3 6 8/ 10 2 5 8 10 7/ 1/ 4 7 8 10 1 5 7/ 9 12 2 1/ 4 7 8 11 1 3 6 8/ 11 2 5 7/ 9 11 1/ 3 6 8/ 11 3 2 5 7/ 9 12 1/ 4 7 9 12 1 3 6 8/ 12 2 4 7 8 10 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 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) 毕业设计(论文)进度计划: 引言 小型气动爬杆机器人属于机电气结合类的综合实验及训练装置。根据设计任务，这个爬杆机器人应该能模拟人的运动，通过“机械手”、“机械脚”的抓放动作和身体伸缩动作，实现沿杆方向的前后双向移动，运动速度可调而爬杆高度或距离可以控制。整个设计过程就是做出一个完整的“爬杆机器人”的操作实验台而设计出图、购料、加工、组装、调试完成的过程。 这个实验台最初的设计目的也是从一个实用目的出发的，工业机械手的效用是代替人从事繁重的工作和危险的工作，所以，爬杆机器人最初的设计思想也是想到人有一些危险或难以到达的地方需要探测或勘察时，可以用爬杆机器人代替，另外，这个爬杆机器人也有一定的额外负重，这些因素在设计时都应考虑。 . 机械原理课程设计答辩参考选题 1.机构选型？ 2.何谓何谓机构尺度综合？ 3.平面连杆机构的主要性能和特点是什么？ 4.何谓机构运动循环图？ 5.机构运动循环图有哪几种类型？ 6.在机构组合中什么是串联式组合？ 7.在机构组合中什么是并联式组合？ 8.在机构组合中什么是反馈式组合？ 9.平面机构的构件常见的运动形式有哪几种？ 10.举例说明有哪些机构可以实现将转动变成直线移动。 11.举例说明有哪些机构可以实现将转动变成摆动。 12.举例说明有哪些机构能满足机构的急回运动特性？ 13.对于外凸凸轮,为了保证有正常的实际轮廓,其滚子半径选取有什么要求？ 14.要求一对外啮合直齿圆柱齿轮传动的中心距略 小于标准中心距,并保持无侧隙啮合,此时应采用什么传动？ 15.在凸轮机构中,从动件按等加速、等减速运动规律运动时,有何冲击？ .. . 16.蜗杆的标准参数在何处,蜗轮的标准参数在何处？ 17.平面四杆机构共有几个瞬心,其中有几个绝对瞬心、几个相对瞬心？ 18.在平面机构中,每个高副引入几个约束、每个低副引入几个约束？； 19.当两构件组成转动副时,其瞬心位于何处？当构件组成移动副时,其瞬心位于何处？ 20.机械效率可以表达为什么值的比值？ 21.标准渐开线斜齿圆柱齿轮传动的正确啮合条件是什么？ 22.标准渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数是哪几个？ 23.从机械效率的观点看,机械的自锁条件是什么？ 24.试叙机构与运动链的区别？ 25.试计算所设计机构的自由度。 26.试说明所设计机构的工作原理。 27.四杆机构同样可以将旋转运动的输入变为直线运动的输出，为什么有的摇摆式输送机要采用6杆机构？ 28.机械原理课程设计的任务一般可分为几个部分？ 29.机械原理课程设计的方法原则上可分为几类？ 30.机械运动方案设计主要包括哪些内容？ 31.执行机构按运动方式及功能可分为几类？ .. . 32.做匀速转动的机构常用的有哪几种？ 33.做非匀速转动的机构常用的有哪几种？ 34.分析凸轮机构在本设计中所起的作用。 35.做往复移动的机构常用的有哪几种？ 36.平面连杆机构的主要性能和特点是什么？ 37.凸轮机构的主要性能和特点是什么？ 38齿轮机构的主要性能和特点是什么？ 39.分析影响行程速比系数K值大小的几何尺寸。 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。 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）。 机械原理课程设计说明书 设计题目： 指导老师：哈丽毕努 设计者：马忠福 所属院系：新疆大学机械工程学院专业：机械工程及自动化 班级：机械 10-7 班 完成日期： 2014年7月 新疆大学 《机械原理课程设计》任务书 班级: 机械姓名: 马忠福 课程设计题目: 冲压式蜂窝煤成型机 课程设计完成内容: 设计说明书一份(主要包括:运动方案设计、方案的决策与尺度综合、必要的机构运动分析和相关的机构运动简图) 发题日期: 2014 年 6 月 15 日 完成日期: 2014 年 7 月 25 日 指导教师: 哈利比努 目录 一、蜂窝煤的功能和设计要求 (1) 二、工作原理和工艺动作分解 (2) 三、根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图 (2) 四、执行机构的选型 (3) 五、机械运动方案的选定和评价 (4) 六、机械传动系统的传动比和变速机构 (5) 七、画出机械运动方案简图 (5) 八、对机械传动系统和执行机构进行尺寸计算 (6) 1、带传动计算： (6) 2、齿轮传动计算 (6) 3、曲柄滑块机构计算 (6) 4、槽轮机构计算 (7) 5、扫屑凸轮计算 (7) 九、机械方案运动简图 (8) 十、参考文献 (9) 一、蜂窝煤的功能和设计要求 冲压式蜂窝煤成型机是我国城镇峰窝煤（通常又称煤饼）生产厂的主要生产设备，这种设备由于具有结构合理、质量可靠、成型性能好、经久而用、维修方便等优点而被广泛采用。 冲压式蜂窝煤成型机的功能是将粉煤加入转盘的模简内，经冲头冲压成峰窝煤。为了实现蜂窝煤冲压成型，冲压式蜂窝煤成型机必须完成五个动作： (1)粉煤加料； (2)冲头将蜂窝煤压制成型； (3)清除冲头和出煤盘的积屑的扫屑运动； (4)将在模简内的冲压后的蜂窝煤脱模； (5)将冲压成型的蜂窝煤输送。 图1.1冲头、脱模盘、扫屑刷、模筒转盘位置示意图 冲压式蜂窝煤成型机的设计要求和参数有： (1)蜂窝煤成型机的生产能力：30次/min； (2)驱动电机：Y180L-8，功率N=111KW；转速n=710r/min; (3)机械运动方案应力求简单； (4)图1.1表示冲头、脱模盘、扫屑刷、模筒转盘的相互位置情况。实际上冲头和脱模盘都与上下移动的滑梁连成一体，当滑梁下冲时将粉煤冲压成蜂窝煤，脱模盘将以压成的蜂窝煤脱模。在滑梁上升过程中扫屑刷将冲头和脱模盘刷除粘着粉煤，模筒转盘上均布了模筒，转盘的间歇机构使加料的模筒进入冲压位置、成型的模筒进入脱模位置、空模筒进入加料位置。 (5)为了改善蜂窝煤冲压成型的质量，希望冲压机构在冲压后有一保压时间。 (6)由于冲头压力较大，希望冲压机构具有增力功能，以增大有效作用，减小原动机的功率。 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。 机械原理课程设计说明书设计题目：压床机构设计 自动化院（系）机械制造专业 班级机制0901 学号20092811022 设计者罗昭硕 指导老师赵燕 完成日期2011 年1 月4日 一、压床机构设计要求 1 ．压床机构简介及设计数据 1.1压床机构简介 图9—6所示为压床机构简图。其中，六杆机构ABCDEF为其主体机构，电动机经联轴器带动减速器的三对齿轮z1-z2、z3-z4、z5-z6将转速降低，然后带动曲柄1转动，六杆机构使滑块5克服阻力Fr而运动。为了减小主轴的速度波动，在曲轴A上装有飞轮，在曲柄轴的另一端装有供润滑连杆机构各运动副用的油泵凸轮。 1.2设计数据 1.1机构的设计及运动分折 已知：中心距x1、x2、y, 构件3的上下极限角，滑块的冲程H，比值CE ／CD、EF／DE，各构件质心S的位置，曲柄转速n1。 要求：设计连杆机构, 作机构运动简图、机构1～2个位置的速度多边形和加速度多边形、滑块的运动线图。以上内容与后面的动态静力分析一起画在l号图纸上。 1.2机构的动态静力分析 已知：各构件的重量G及其对质心轴的转动惯量Js(曲柄1和连杆4的重力和转动惯量（略去不计)，阻力线图(图9—7)以及连杆机构设计和运动分析中所得的结果。 要求：确定机构一个位置的各运动副中的反作用力及加于曲柄上的平衡力矩。作图部分亦画在运动分析的图样上。 1.3飞轮设计 已知：机器运转的速度不均匀系数δ．由两态静力分析中所得的平衡力矩Mb;驱动力矩Ma为常数，飞轮安装在曲柄轴A上。 要求：确定飞轮转动惯量J。以上内容作在2号图纸上。 1.4凸轮机构构设计 已知：从动件冲 程H，许用压力角 [α ]．推程角δ。，远 休止角δ?，回程角δ'， 从动件的运动规律见 表9-5，凸轮与曲柄共 轴。 要求：按[α]确定 凸轮机构的基本尺 寸．求出理论廓 线外凸曲线的最小曲 率半径ρ。选取滚子 半径r，绘制凸轮实际 廓线。以上内容作在 2号图纸上 压床机构设计 二、连杆机构的设计及运动分析 机械原理 课程设计说明书 设计题目：牛头刨床 设计日期：20011年07 月09 日 目录 1.设计题目 (3) 2. 牛头刨床机构简介 (3) 3.机构简介与设计数据 (4) 4. 设计内容 (5) 5. 体会心得 (15) 6. 参考资料 (16) 附图1：导杆机构的运动分析与动态静力分析 附图2：摆动从计动件凸轮机构的设计 附图3：牛头刨床飞轮转动惯量的确定 1设计题目：牛头刨床 1.）为了提高工作效率，在空回程时刨刀快速退回，即要有急会运动，行程速比系数在1.4左右。 2.）为了提高刨刀的使用寿命和工件的表面加工质量，在工作行程时，刨刀要速度平稳，切削阶段刨刀应近似匀速运动。 3.）曲柄转速在60r/min,刨刀的行程H在300mm左右为好，切削阻力约为7000N，其变化规律如图所示。 2、牛头刨床机构简介 牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图4-1。电动机经皮带和齿轮传动，带动曲柄2和固结在其上的凸轮8。刨床工作时，由导杆机构2-3-4-5-6带动刨头6和刨刀7作往复运动。刨头右行时，刨刀进行切削，称工作行程，此时要求速度较低并且均匀，以减少电动机容量和提高切削质量，刨头左行时，刨刀不切削，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产率。为此刨床采用有急回作用的导杆机构。刨刀每切削完一次，利用空回行程的时间，凸轮8通过四杆机构1-9-10-11与棘轮带动螺旋机构（图中未画），使工作台连同工件作一次进给运动，以便刨刀继续切削。刨头在工作行程中，受到很大的切削阻力（在切削的前后各有一段约5H的空刀距离，见图4-1，b），而空回行程中则没有切削阻力。因此刨头在整个运动循环中，受力变化是很大的，这就影响了主轴的匀速运转，故需安装飞轮来减小主轴的速度波动，以提高切削质量和减小电动机容量。 3、机构简介与设计数据 3.1.机构简介 牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床。电动机经皮带和齿轮传动，带动曲柄2和固 结在其上的凸轮8。刨床工作时，由导杆机构2-3-4-5-6带动刨头6和刨刀7作往复运动。 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 《机械原理》课程设计任务书 搅拌机机构设计与分析 1.机构简介 搅拌机常应用于化学工业和食品工业中对拌料进行搅拌工作如附图1（a）所示，电动机经过齿轮减速，通过联轴节（电动机与联轴节图中未画）带动曲柄2顺时针旋转，驱使曲柄摇杆机构1-2-3-4运动，同时通过蜗轮蜗杆带动容器绕垂直轴缓慢旋转。当连杆3运动时，固联在其上的拌勺E即沿图中虚线所示轨迹运动而将容器中的拌料均匀拨动。 工作时，假定拌料对拌勺的压力与深度成正比，即产生的阻力按直线变化，如附图1（b）所示。 附图1 搅拌机构（a）阻力线图（b）机构简图 2.设计数据 设计数据如附表1-1所示。 附表1-1 设计数据 3. 设计内容 连杆机构的运动分析 已知：各构件尺寸及重心位置，中心距x,y,曲柄2每分钟转速n 2。 要求：做构件两个位置（见附表1-2）的运动简图、速度多边形和加速度多边形，拌勺E 的运动轨迹。以上内容画在2号图纸上。 附表1-2 机构位置分配图 曲柄位置图的做法，如图1-2所示：取摇杆在左极限位置时所对应的曲柄作为起始位置1，按转向将曲柄圆周作十二等分，得12个位置。并找出连杆上拌勺E 的各对应点E 1,E 2…E 12,绘出正点轨迹。按拌勺的运动轨迹的最低点向下量40mm 定出容器地面位置，再根据容器高度定出容积顶面位置。并求出拌勺E 离开及进入容积所对应两个曲柄位置8’和11’。附图1-2 曲柄位置 目 录 1课程设计的任务与要求 1.1机械原理课程设计任务书 1.2机械原理课程设计的参考数据 1.3机械原理课程设计的目的与要求 1.3.1、机械原理课程设计的目的 1.3.2、牛头刨床的工作原理与机构组成（设计三个方案并选出其中最合适的方案并说明理由。每一小组成员最终设计方案允许一致，但每个人的尺寸参数需不一致） 2课程设计的机构 2.1原动件设计 2.1.1电机选型 2.1.2减速器设计（选择好传动比，画出轮系即可） 2.2运动循环图 2.3导杆机构的运动分析 2.4导杆机构的动态静力分析 2.5齿轮机构设计 2.6凸轮机构设计 2.7飞轮设计 3设计小结 4参考文献 心得体会 机械原理课程设计是培养学生综合运用所学知识。发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过 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。 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。 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 ) 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。 《机械原理课程设计》 学院: 行知学院专业: 机械设计制造及其自动 化 姓名：陈宇学号: 10556109 授课教师:王笑提交时间: 2012 年 7 月1日 成绩: 目录 1.设计工作原理-----------------------------------------------------2 2.方案的分析--------------------------------------------------------4 3. 机构的参数设计几计算-----------------------------------------7 4. 机构运动总体方案图及循环图-------------------------------11 5.机构总体分析----------------------------------------------------13 6. 参考资料----------------------------------------------------------13 半自动钻床机构 一、设计工作原理 1.1、工作原理及工艺动作过程 该系统由电机驱动，通过变速传动将电机的1080r/min降到主轴的5r/min，与传动轴相连的各机构控制送料，定位，和进刀等工艺动作，最后由凸轮机通过齿轮传动带动齿条上下平稳地运动,这样动力头也就能带动刀具平稳地上下移动从而保证了较高的加工质量。 设计加工图（一）所示工件ф12mm孔的半自动钻床。进刀机构负责动力头的升降，送料机构将被加工工件推入加工位置，并由定位机构使被加工工件可靠固定。 1.2、设计原始数据及设计要求 半自动钻床设计数据参看表（一） 表（一）半自动钻床凸轮设计数据爬杆机器人论文综述
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