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• 本文标题：气动爬杆机器人毕业设计说明书.doc
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• 内容摘要：摘 要 随着科学技术以及互联网技术的不断发展，机器人在我们的生活中使用的越来越多。在实际条件下，有时会出现一些有易燃易爆气体的管道发生破损，再或者进行救援时，有时候会因为在狭窄的井口，山洞口用人工去完成施救工作是很危险的，因此，我们有必要去设计一种针对上述情况去帮助我们解决问题的气动爬杆机器人。 本文的主要目的就是设计一种气动爬杆机器人，用于完成有易燃易爆危险气体，以及在狭小洞口井口环境下的侦查探测和救援等任务。此文首先结合上面的实际问题提出几种设计方案，然后对这几种方案进行分析与比较，最终选择一种最好的方案来进行设计。最终方案后，对气动机器人的组成部件的基本结构进行设计，根据各部件的结构设计，最终对机器人进行整体设计，然后计算出气动爬杆机器人的工作参数等。完成上述工作后，还要对气动爬杆机器人的部分零件进行了CAE仿真分析，来确定设计后的气动爬杆机器人是否存在问题若存在问题并对气动爬杆机器人的结构进行修改，直到能满足设计要求。而且在论文最后部分对毕业设计进行了总结，附上参考文献等。 此篇论文所设计的气动爬杆机器人爬杆方式不仅吸引人们的眼球，而且具有很好的安全性能，对于上述所遇到的情况有很强的适应性，有很好的应用前景。 关键词，气动爬杆机器人，工作参数设计检验 Pneumaticpoleclimbingrobotdesignandmanufacture Abstract WiththecontinuousdevelopmentofscienceandtechnologyandInteettechnologyrobotsareusedmoreandmoreinourlives。Therearealsomoreandmoreexamplesofpeopleusingrobotstosolvedangerousproblems。Underactualconditiosometimestherearepipelineswithflammableandexplosivegasesthataredamagedorwhenrescuesarecarriedoutsometimesitisverydangeroustousemanuallabortocompletetherescueworkatthenarrowwellheadandcaveentrance。Thereforeitisnecessaryforustodesignapneumaticrodclimbingrobotthatcanhelpussolvetheproblemaccordingtotheabove situation。 Themainpurposeofthisarticleistodesignapneumaticrodclimbingrobotwhichisusedtocompletethetasksofdetectiondetectionandrescueinflammableandexplosivedangerousgasesaswellasintheenvironmentofnarrowholesandwellheads。Thisarticlefitputsforwardseveraldesignschemesincombinationwiththeactualproblemsabovethenanalyzesandcomparestheseseveralschemesandfinallychoosesoneofthebestschemesfordesign。AfterdeterminingthefinalplandeterminethevariouscomponentsofthepneumaticrobotandthemainfunctioofeachcomponentthendesignthebasicstructureofeachcomponentandfinallydesigntheoverallstructureoftherobotaccordingtothestructuraldesignofeachcomponentandthencalculatethepneumaticcrawlerTheworkingparameteoftherodrobot。AfterthecompletionoftheaboveworkCAEsimulationanalysisofsomepartsofthepneumaticclimbingrodrobotisalsorequiredtodeterminewhetherthedesignedpneumaticclimbingrodrobothasanyproblems。IfthereareproblemsandmodifythestructureofthepneumaticclimbingrodrobotuntilitcanmeettherequirementsDesignrequirements。Inthelastpartofthethesisthegraduationdesignissummarizedandreferencesareattached。 Thepneumaticrodclimbingrobotdesignedinthispapeotonlyattractspeoplesattentionbutalsohasverygoodsafetyperformance。Ithasastrongadaptabilitytothesituatioencounteredaboveandhasagoodapplicationprospect。 Keywords，Pneumaticclimbingrobotworkingparamete 目 录 绪论 1 1 国内外研究现状发展趋势 2 3 方案设计 4 总体方案设计及分析 4 爬杆机器人的运动原理分析 5 方案 7 2。4方案2。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7 2。5方案3。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 2。6方案比较以及最终方案的选择。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 结构设计 11 11 夹紧部件 17 导向部件 24 爬升部件 26 位置检测部件及分析 27 3。6气动爬杆机器人最终的尺寸及材料选择。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。30 仿真与分析 30 下夹紧机构上安装板 30 5总结 34 6致谢 35 此方案的气动爬杆机器人在爬升时的具体运动过程分析如下， 第一步，所有的气缸都回归原位，上下两个夹紧机构处于松开状态，此时上下两个平台之间的距离最近，把机器人靠近竖直杆放置，从而使竖直杆处于可动手爪和固定手爪的中间位置。 第二步，当夹紧气缸爬升气缸伸出，气动爬杆机器人上夹紧平台向上运动，使得上下两个平台之间的距离逐渐增加。 第三步，当上夹紧机构夹紧时，此时下夹紧机构将处于松开状态，而爬升气缸将会缩回，气动爬杆机器人继续向上移动，两个平台之间的距离进一步缩小。 第，如果气动爬杆机器人需要继续向上运动，则重复第二三步的操作，如果气动爬杆机器人已经运动到目标位置，那么上下两个夹紧机构将同时处于夹紧状态，气动爬杆机器人将会保持在杆上的位置完成其工作。 此方案的气动爬杆机器人在下落时的具体运动过程分析如下， 第一步，当下夹紧气缸回到原位时，下夹紧机构处于松开状态，此时爬升气缸将会伸出，气动爬杆机器人将向下运动一步，上下两个平台之间的距离缩小。 第二步，当下夹紧机构夹紧时，上夹紧机构处于松开状态，爬升气缸回到原位，气动爬杆机器人上夹紧平台继续向下运动一步，上下两个平台之间的距离进一步缩小。 第四步，如果气动爬杆机器人没有运动到目标位置，需继续向下运动，那么就重复第一二步，直到运动到指定位置，如果气动爬杆机器人已经运动到竖直杆的最下端，则两夹紧机构同时处于松开状态，这时将机器人从竖直杆上取下，气动爬杆机器人的下降运动完成。 方案一的优缺点， 一优点， 该方案能够完成带负载爬杆的工作，而且功能结构都比较简单，可靠性较好，经济适用。 二缺点，由于气动爬杆机器人采用气压驱动，而且当爬杆运动距离较长，很有可能会出现中间断气的情况，这时就无法为气动爬杆机器人进行驱动，使其无法正常工作，而且当气动爬杆机器人断气时其夹紧机构将会处于松开状态，气动爬杆机器人有从高处坠落的风险，使其安全性能不高。 2。4设计方案二 方案二如图所示 结构分析， 方案二的结构如上图所示，方案二是在方案一的基础上对其夹紧机构进行了改进，其他部分保持不变，主要变化就是在夹紧机构中加入了自锁机构，而此自锁机构实际上就是一个连杆机构。其主要作用就是当夹紧气缸伸出到极限位置时，这时夹紧机构就处于死点位置，在这种情况下如果遇到断气等意外情况，气缸仍可以保持原来的位置不变，而且夹紧机构也不会松开，这就保证了气动爬杆机器人能够安全的工作，避免意外情况的发生。 运动过程分析， 方案二的气动爬杆机器人爬升时的具体工作过程如下， 第一步，当所有气缸回到原位时，上下两个夹紧机构处于松开状态，而且上下两个平台位于距离最近的位置，此时气动爬杆机器人将逐渐靠近竖直杆，使竖直杆位于可动手爪与固定手爪之间。 第二步，当下夹紧机构夹紧时，爬升气缸将会伸出，气动爬杆机器人向上爬升一步，上下两个平台之间的距离也会逐渐缩小。 第三步，当上夹紧机构处于夹紧时，下夹紧机构将会处于松开状态，这时爬升气缸将会缩回，气动爬杆机器人将会继续向上爬升一步，使得两个平台之间的距离进一步缩小。 第四步，如果气动爬杆机器人没有运动到目标位置，需要继续向上爬升，则重复第二三步，如果气动爬杆机器人已经到达目标位置，那么两夹紧机构将会同时处于夹紧状态，气动爬杆机器人将保持在竖直杆上的位置完成其工作。 方案二的气动爬杆机器人下降时的具体工作过程如下， 第一步，当下夹紧气缸回到原位时，下夹紧机构处于松开状态，爬升气缸将会伸出，气动爬杆机器人将向下运动一步，上下两个平台之间的距离逐渐缩小。 第二步，当下夹紧机构夹紧时，上夹紧机构处于松开状态，爬升气缸将会回到原位，机器人上夹紧平台将向下运动一步，上下两个平台之间的距离进一步缩小。 第三步，如果气动爬杆机器人没有运动到目标位置，需继续向下运动，重复第步，如已经到竖直杆最下端，两夹紧结构分析，方案三的结构如上图所示，此方案是在方案二的基础上作了进一步的改进。主要变化表现在，方案三的爬升机构不再像方案一和方案二那样用爬升气缸直接连接上下两个平台，而是改为了通过利用爬升气缸通过连杆机构来驱动气动爬杆机器人作爬升和下落的运动，而且这个连杆机构也是可以调节的，可以通过调节连杆机构来进行调整气动爬杆机器人爬升下降时的步距，这样就可以使气动爬杆机器人在很多复杂情况下都可以灵活的运用，大大的提高了气动爬杆机器人的使用效率，也是最接近实践的一种设计方案。 方案三运动过程分析， 方案三中的气动爬杆机器人爬升时的具体运动过程分析如下， 第一步，当所有的气缸回到原位时，上下两个夹紧机构处于松开状态，此时气动爬杆机器人处于初始状态，而且此时上下两个平台之间的距离也是最远的，将气动爬杆机器人靠近竖直杆，使竖直杆位于可动手爪与固定手爪之间， 第二步，当上夹紧机构夹紧时，爬升气缸将会伸出，气动爬杆机器人向上爬升一步，上下两个平台之间的距离逐渐缩小。 第三步，当下夹紧机构夹紧时，上夹紧机构将会处于松开状态，此时爬升气缸将会缩回，机器人继续向上爬升一步，上下两个平台之间的距离将进一步缩小。 第四步，如果气动爬杆机器人还没有运动到目标位置，需要继续爬升，那么重复第二三步的操作，使其达到目标位置为止，如果气动爬杆机器人已经运动到达目标位置，那么上下两个夹紧机构同时处于夹紧状态，机器人将会保持在竖直杆上的位置去完成其工作。 气动爬杆机器人下降过程中的具体运动分析如下， 第一步，当下夹紧气缸回到原位时，下夹紧机构将处于松开状态，爬升气缸将回到原位，气动爬杆机器人将向下运动一步，上下两个平台之间的距离将逐渐缩小。 第二步，当下夹紧机构夹紧时，上夹紧机构将处于松开状态，爬升气缸将会伸出，气动爬杆机器人上夹紧平台继续向下运动一步，上下两个平台之间的距离将进一步缩小。 第三步，如果气动爬杆机器人没有运动到目标位置，需要继续向下运动，那么重复第一二步的操作，直到气动爬杆机器人运动到目标位置为止，如果气动爬杆机器人已经回到竖直杆的最下端，此时运动停止，而且两个夹紧机构将同时处于松开状态，然后把气动爬杆机器人从竖直杆上取下。  方案三优缺点， 优点，方案三与方案二相同的地方就是由于都具有夹紧自锁的机构，当有断气等意外情况发生时，气动爬杆机器人不会发生坠落的危险，因此具有良好的安全性能。而且方案三由于爬升机构可以进行自动调节，因此在利用气动爬杆机器人在应对不同的问题时，可以调整不同的步距，使其满足我们的需求，有很大的便利性，应用范围也很广。 2。6方案比较及最终选择 优缺点 方案一 方案二 方案三 优点 功能结构都比较简单，可靠性较好，经济适用。 拆卸方便 。 1结构也较为简单，维护拆卸方便。 2。加入了自锁机构，其安全性得到了很大的提高 具有良好的安全性能 有很大的便利性，应用范围也很广 缺点 1。可能会出现中间断气的情况，这时就无法为气动爬杆机器人进行驱动，使其无法正常工作 只存在一种步距 负载能力也是一个固定的数值，有一定的局限性 通过对比上述三种方案的优缺点，不难看出第三种方案更为适合，更能满足我们的工作需求，因此选择第三种方案为最终方案进行结构设计。 结构设计 3。1总体结构设计及分析 气动爬杆机器人的总体结构如图， 根据上面的气动爬杆机器人的总体结构，来对气动爬杆机器人的各个部分进行设计，通过对上图的分析以及对气动爬杆机器人的设计方案的分析，可以确定气动爬杆机器人主要部件包括夹紧部件爬升部件导向部件以及位置检测部件。下面对这四个部件的各个零件进行设计和校核。 3。2夹紧部件的设计及分析 3。2。1夹紧部件的主要作用， 夹紧部件的主要作用是在气动爬杆机器人工作时提供夹紧力，通过夹紧力使气动爬杆机器人能够顺利向上爬升而不至于坠落，当气动爬杆机器人到达目标位置后又可以将气动爬杆机器人固定在竖直杆上。夹紧结构主要包括上下两组夹紧机构和夹紧机构安装平台以及夹紧缸等。 3。2。2夹紧机构的分析， 上下两个夹紧机构都有夹紧和松开两种状态，而且在夹紧状态时可以自锁。我们常见的自锁机构有偏心轮自锁凸轮自锁和四杆机构死点自锁等。其中偏心轮与凸轮自锁行程比较小，而且结构也比较大，不适合使用，而四杆机构死点自锁，不仅结构比较简单，而且容易实现夹紧与松开两种状态。因此最终选择四杆机构死点自锁的方式实现上下夹紧机构夹紧时的自锁。 夹紧机构的机构简图如下，  图中1是夹紧气缸缸体，2是夹紧气缸活塞杆，3是摆杆，4是连杆，5是可动手爪，6是夹紧机构安装平台。当夹紧气缸活塞杆伸出的距离最长时，摆杆和连杆将处于共线位置，此时机构将处于死点的位置，起到自锁的作用。 计算夹紧机构各尺寸原理图如下， 上图中粗实线代表夹紧机构夹紧时的各部分状况，细实线代表夹紧机构松开时的各个部分状态。L1表示夹紧气缸处于原位时的尺寸，L2表示夹紧气缸完全伸出时的尺寸，L3表示摆杆的长度尺寸，L4表示连杆的长度尺寸，L5表示可动手爪旋转中心与连杆铰接点的长度尺寸，L6表示四杆机构两固定铰接点之间的长度尺寸。 3。2。1夹紧缸的设计， 在选择夹紧气缸时要考虑减少夹紧气缸自身的重量，若质量过大可能导致驱动力不够等问题。根据上述要求初步选择气立可笔型不锈钢气缸，通过查找气缸的空气压力表可知，缸径16mm的空气压力拉侧受力约为5KGf力臂相对于夹紧处倍数的2倍， 此时，在圆柱块处夹紧力将会到5。8Kgf乘摩擦系数最小值0。15，再乘上两侧受力1。75kg，在实际的爬行中每个夹紧缸承受一半的力，大约0。9kg，这种情况下，即使乘上经验系数0。6，仍可以承受。 在0。8Mpa压力下，夹紧缸的缸径的气缸能提供的推力为Fc，计算公式如下: 带入数据计算得=160N。该缸径气缸结构比较紧凑可动手爪只需和松开两种状态，所以气缸行程选择最小的标准行程15mm。 为了方便计算，选择勾股三角形作为设计的基础。使 L5，，L3+L4，，L6=3:4:5 结合气缸的具体尺寸，同时考虑到机构结构的紧凑性，为了避免机构中各个零件之间的相互干涉，确定各个边的长度。 最终确定的尺寸如下，夹紧气缸处于原位时的尺寸L1是100mm，夹紧气缸完全伸出时的尺寸L2为是115mm，摆杆的长度L3为是18mm，连杆长度L4为22mm，可动手爪旋转中心与连杆铰接点的距离L5为30mm，四杆机构两固定铰接点之间的距离L6为50mm。由以上确定的尺寸，设计出夹紧机构各零件的具体的结构。 3。2。2杆夹持机构的设计， 气动爬杆机器人能够完成上升和下降的运动，主要靠的就是机械手与机械脚的夹持部分，由于是让气动爬杆机器人在等截面的圆柱杆上运动，故可以采用V形块夹具，虽然方杆的摩擦力较大，不宜产生滑落的情况，但是不太常见，而且不够美观，因此最终选择圆杆机构。 夹紧机构的具体结构如下， 3。2。3夹紧机构安装平台的设计， 在夹紧机构设计完成以后，需...
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