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。

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）