气动爬绳机器人的研制讲解.docx

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气动爬绳机器人的研制讲解

摘要I

ABSTRACTII

1绪论1

1.1机器人发展状况1

1.2机器人的应用1

1.3课题背景和研究意义2

1.4本课题的发展状况3

1.5本课题要求完成的工作4

2总体设计6

2.1爬行器的功能分析6

2.2爬行器总体构成设计6

2.3系统的工作原理和控制原理7

2.3.1系统工作步骤说明7

2.3.2系统的气动控制原理8

3机械结构设计9

3.1机械机构总体布置说明9

3.2各部件的设计计算9

3.2.1爬行器上下面板的选择和布置9

3.2.2连接螺栓的设计计算10

3.2.3爬行器的重量计算10

4气动系统设计12

4.1气动系统的选择计算12

4.2气动系统的选择计算12

4.3夹紧气缸力学分析13

5控制系统部分16

5.1控制系统方案说明16

5.2AT89S52单片机16

5.3单片机驱动部分19

5.4无线数据收发模块功能介绍19

5.4.1无线数据收发模块电路图19

5.4.2程序流程图23

5.5传感器的选择和试验24

结论25

参考文献26

致谢27

附录28

本文提出了一种以气压驱动的蠕动爬绳机器人的设计方案，该方案以气缸的运

动带动机器人夹持机构实现对绳索的夹紧。

然后通过爬升气缸的收缩和伸长来实现机器人的爬升动作。

系统控制部分采用AT89S52单片机为控制核心，为了方便对机器人的控制，通过无线遥控模块对机器人的运动状态进行遥控。

关键词：

爬绳；蠕动；机器人

ABSTRACT

Thepaperpresentsadesignschemeofrobotwhichisdrivenbygas.Inthisscheme,,thecrankstructureisdrivenbythepistonclutchestherope.Twocrankstructureareapproachedbyalatexdriver,whichcanfelxunderpressure.Whenthecrankstructureandlatexdriveroperatetogether,robotcansquirmsupanddown.TheMCUAT89s52isusedasthecoreofthecontrolsystem.Inordertocontroltheproposedrobotconveniently,Telecommoduleisappliedtooperateitskinematicstate.

Keywords:

Climbing-rope;Peristalsis;robot

1・绪论

1.1机器人发展状况

随着现代工业的蓬勃发展，特别是进入二十世纪以来微电子技术的飞速发展使得机器人技术也有了长足的发展。

在工业生产中，军工中越来越广泛的使用机器人来替代人的工作，这样不但提高了工业生产的效率而且机器人把人从一些比较恶劣的工作环境中解脱出来，改善了人们的工作环境。

在航天工业中机器人更是发挥着不可替代的作用，给人类探索宇宙做出了巨大贡献。

机器人的使用水平是一个国家工业化发展的水平的一个标志。

在我国实现全自动化生产线的企业还很少，但是机器人自动化生产线在西方一些国家早已经普及，所以生产效率大大提高从而经济得到了迅猛发展。

机器人的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。

近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段

第一代机器人属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作。

20世纪70年代，第二代机器人开始有了较大发展，第二代机器人则对外界环境实用阶段，并开始普及。

第三代机器人是智能机器人，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。

1.2机器人的应用

当前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。

主要研究内容集中在以下几个方面：

一工业机器人操作机结构的优化设计技术：

探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。

二机器人控制技术：

重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。

机器人控制器的标准化和网络化，以及基于pc机网络式控制器已成为研究热点。

编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。

三多传感系统：

为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。

其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。

另一问题就是传感系统的实用化。

四机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。

五机器人遥控及监控技术，机器人半

自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。

多智能体（multi-agent）调

控制技术：

这是目前机器人研究的一个崭新领域。

主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。

智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真技术等多种学科和技术的综合成果。

智能机器人做为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域占有更广泛、更重要的位置，这对人类开辟新的产业，提高生产与生活水平具有十分现实的意义。

1.3课题背景和研究意义

近几年来，锁着我国国民经济的发展，高层建筑日益发展，公路运输，特别是桥梁的发展很快。

其中一种极富想象力的桥梁结构形式一斜拉桥，由于具有许多优越性能，在近年来脱颖尔出，得到了广泛的推广和使用。

据不完全统计，仅1995年我国就建造

了40余座，近几年更是形成高潮。

在我们的城市济南，也先后在黄河上矗立起了黄河大桥和二桥等斜拉桥。

这些大桥的建设，很好地推动了国民经济的发展目前对这种斜拉桥拉索的施工示意图如图1.1所示

图1.1目前斜拉桥维护的施工方式

在这种桥梁机构中，拉索是其主要的受力构件，也是核心部件。

绳索地施工作业成为斜拉桥桥梁工程的主要内容，其中拉索的涂装等作业的施工质量对保证桥梁的安全和使用寿命乃至桥梁的外观都是十分重要的。

它可以是大桥缆索免遭因长期日晒雨淋而

锈蚀断裂，又可以是雄伟的外观得以美化，展现其现代化桥梁的魅力，在实用的基础上增加旅游资源。

在对拉索的施工作业包括日常检修维护中，目前国内缺乏一种能够在斜

拉桥拉索上自行爬行运载人员和各种作业用机械的爬行器，因此在拉索上进行各种作业的难度大、安全性差难以提高施工质量和施工效率。

另外，在斜拉桥拉索的日常维护以及意外情况的处理中，也急需一种能够验拉锁负重爬行运载人员和物品的使用爬行器。

研制这样的斜拉桥拉索作业用负重爬行器不仅是目前斜拉桥施工和日常维护所急需，同

时对于开拓我国施工现场实际应用的高空自动升降做作业设备也有着重要意义。

此外，随着我国城镇人口的增加，城市中高层建筑得到了迅速的发展，高层建筑已经越来越的出现在我们的视线中，它们已经成为我们城市中得一道亮丽的风景线，随着高层建筑的发展，也产生了许多问题。

其玻璃幕墙表面的清理、表面瓷砖的喷涂，以

及一些表面的维护也摆到了人们的面前，目前解决这问题大多靠人工方式，人们坐在高层垂下的绳索上，靠手工擦洗表面，也就是人们俗称得“蜘蛛人“，这种靠人工的方法安全性差，成本高，劳动强度大，工作效率低，所以研究验绳索方向运动地爬行器，来对绳索悬索以及高空管道的的喷涂、清洗、检修，有着极为广泛的应用情景和市场潜力。

它可以有效地提高高空操作施工的质量和安全性，并大大减轻了施工人员的劳动强度，更好地为我们的经济服务。

最后，我国教学用品的发展及其迅速，随着大学学生的扩招，教学用具的使用也会越来越多，但相应的，对于很重要的一门科目一机电一体化来说，却缺少一种典型的示教工具，作为最典型的机电一体化产品--机器人就现状来说，成本高，功能较少，很多机器人做完一次试验就会很长时间的闲置起来，造成了极大的浪费，而我们可以将该爬升器作为典型的机电一体化产品来用于教学，这样就会贴近学生，贴近相关专业。

故

该气动爬升器的研制可以更好填补教育市场的空白，有着很好的经济效应和社会效应。

1.4本课题的发展状况

通过对该课题的国内外相关论文的研究，总结出目前对生缆爬升器的一些特点

1利用齿轮互相咬合夹紧绳索攀爬

图1.2齿轮啮合爬绳器

以下为设计的几个重点：

（1）A点跟E点都是齿轮，但是功能除了互相咬合带动整个机构上升外，最重

要的是其两个轴心，绳子爬升所需的摩擦力就是来自于这两个轴的，但是在跟机器人的机器手臂相比之下夹力可能稍嫌不足，但是齿轮必须咬合不能松脱所以整个重点就在于轴心部分的调校，将考虑设计为可以调整大小的轴心

（2）另外要说的是D点，这个点是一个卡锁，设计的重点也是在于如何使齿轮

可以紧紧的夹住绳子，并且可以视绳子的粗细予以调整

（3）然后最重要的就是C点了，当夹剧都设计完成整个机构是否上升的动力就来

自整个机构的马达，跟机器人比较之下机器人的动力来自整个设计杆子的收缩，而我们的机构则是直接将马达连接上齿轮用链条或皮带驱动，当然为了有更大的输出功率整个

马达转速不能太快而且整个机构的重量也是如何选择这颗马达的主要考量，至少在传动

之后的公必须足以支撑整个机构上升所以在选择材料上要考虑一下

2.用通电的方式然后搭配传感器跟夹具，但是这个方法所需要可以支撑整个机构上升的电流很大，虽然可以考虑使用放大器但毕竟不保险，因为所需要的电流很大，但是电磁感应的技术是一个值得另外思考的方法，

另外就是要在夹具上作选择

3•运用马达直接把绳子卷起来

（1）直接设计将绳子绕一个符合马达大小的圆圈，将马达安至于其中使整个马达顺此圆圈线段爬升

（2）利用电磁感应所产生的吸力跟斥力使机构上升下降，藉由通过螺旋管所产生的磁力将整个机构往上推，更进一步的改变电流的方向可以改变整个机构移动的方向。

此设计的一个重点在于下图的防滑机构：

图1.3防滑装置

此防滑机构原理为当绳子平顺移动时两边的滚珠会平顺的转动，可是假如有忽然间

掉落的情形时瞬间产生的速度将迫使滚珠与绳子及两边夹的更紧以达到固定只滑的效果，此原理同安全带。

1.5本课题要求完成的工作

综合以上国内外爬升机器人的技术发展现状和出于实用上的考虑，所设计的爬行器要求能在绳索方向上爬行，而且要承受一部分的载荷，包括爬绳器自重、施工设备绳索与地面呈90度，爬行器还应该可以采用多种操纵控制方式和运动方式，具有一定的爬行速度，爬行器运行适应不能破坏绳索的表面，即对其最大平均压强有着严格的限制，同时还要求爬行器具有重量轻、结构紧凑，便于演示和示教，从而应用于教学演示，小规模施工作业中。

本题目的设计工作内容为：

研制一台能自动爬杆的机器人。

要求对其机构设计和动力进行计算机构设计、机构运动。

机器人的设计部分包括：

运动学、动力计算等。

具体内容为：

1、机器人的总体方案设计；

2、机器人夹持机构及其控制系统的设计，折合A1的手工绘图2张；

3、机器人爬升机构设计；

4、进行单片机控制系统设计；

5、完成全部系统的安装调试工作

该机器人的设计规格为：

1、可搬运重量：

最大2Kg；

2、爬行速度大约为4m/min；

3、动力部件为气缸，爬升气缸行程大于30cm；

2总体设计

2.1爬行器的功能分析

爬行器的主要功能是能够自行再拉索上负重爬行，为此爬行起必须能够获得足够的沿拉索方向的牵引力和动力装置。

作为一种承载式自动爬行装置，其上升与下降运动为直线运动，该装置的主运动和辅助运动都宜采用直线运动，因此设计采用具有循环往复运动特点的油缸或气缸较为有利。

这样，既利于获得连续或单步两种爬升方式，又可以方便地进行手动、自动遥控操纵。

但由于爬行器在绳索上最大的爬升高度为10米，如

果采用液压传动作为动力，油液的传送、油管的布置和现场施工中液压有的获得都是难以解决的问题，此外，液压有的中量也会对爬行器整体重量产生巨大影响。

所以，根据爬行器功能要求，本设计确定采用气压传动作为爬行器动力，完全可以满足最大荷重2kg要求，也有利于使爬行器自重控制在范围内，同时气源又可以满足清洗、喷涂等作业的

出于工作效率上的考虑，爬行速度对上行要求达到4m/min,下行时要达到5m/min，

其速度可以手动设定，故设计确定采用单片机。

它的特点体现在体积小，重量轻，成本低，变成简单，容易掌握。

配合安装与气缸上进行行程控制的电磁阀可以很容易地实现爬行器运动控制要求。

爬行器要求自动进行上、下运动，运动时要求能够支撑与重力方向，因此爬行器轴向力获得以及如何稳定沿拉索移动而不会倒退时一个关键问题。

设计考虑利用气缸所产

生的压力从而克服重力来实现爬行动作。

同时考虑爬行器不能脱离绳索，故必须设计以夹紧装置，本设计通过两组对称布置的加紧锚片，这样可以使锚片对绳索的径向力互相抵消，不会造成对绳索的附加载荷，较之采用其他结构类型也减少对绳索的磨损。

爬行器锚片具有两片对称的夹具组成，锚片对称布置，工作是类似钳子夹在绳索上，动力靠两组对称的薄壁气缸提供，该结构可以实现锚片的往复运动，从而实现对绳索加紧和松开。

伸缩机构可以与之配合运动，从而使该爬升机构可以无障碍的沿绳索上升，下降，从而完成爬升的动作。

因为沿绳索爬行的特殊性，其应急的安全措施必不可少，在断电，断气等故障下故本设计设计一手动制动器，使手动制动器以绳索之间摩擦缓慢下滑。

该爬行器制成可以套在绳索的机构，为避免对绳索形成附加载荷，选择左右对称式布置，使爬行其实力均衡，运动可靠稳定，爬行器设有连接件，可以转载一部分负重物，已完成其他功能之用。

2.2爬行器总体构成设计

根据爬行器的构成和功能以及所要实现的工作要求，总结以上分析，可以归纳出爬行器有以下特点：

（1）采用气动传动，可以为爬行器动力。

（2）锚具与绳索接触应力小，不致破坏绳索的表面涂层。

（3）气动回路从设计上保证上、下加紧气缸在任何时候都至少有一个保持加紧状态

（4）爬行器采用现场部件拆装方式，便于运输和携带。

（5）采用计算机控制，可自动连续爬行或单步爬行，操作十分方便。

（6）自身重量尽可能的小使爬行更加方便。

由以上所列出的爬行器的主要特点，构思出爬行器总体设计如图2.1所示

在该结构中，爬行器由左右伸

缩气缸A1和A2以及与之相连的上

体及下体组成。

爬行器上体由上体

架，加紧锚具组成，下体由下体架及架紧锚具组成上、下体架由硬铝充当，可以充分的减轻自身重量。

锚具是由两片对称布置并由气缸作为动力的薄壁气缸组成，锚片内侧带非金属材料聚氨酯衬垫，以减少对绳索的损伤。

聚氨酯衬垫和锚片通过胶水与锚片粘结，锚片与聚氨酯之间应保持联结良好，不发生相对滑移。

否则影响加紧性能。

锚具的夹紧气缸通过螺栓与上、下体板联结再伸缩气缸运动时可以随其联动。

伸缩气缸是本装置的主动力装置，通过主气缸的伸缩使爬行器的上体和下体发生相对运动，并借助上下锚具的加紧实现爬升器的上行或下行。

2.3系统的工作原理和控制原理

图2.1气动爬绳器人

2.3.1系统工作步骤说明

根据上述爬行其总体结构与部件设计要实现爬行器的上升、下降，拟定将系统运动分解成以下的工作步骤。

气动上行工作过程：

爬行器正常上行工作时，系统中部件的运动状态由单片机通过电磁阀调节，其工作过程如下：

（1）下面锚具气缸伸出，下锚具夹紧，上面锚具气缸回缩，上锚具松开，左右主气缸杆伸出，爬行器上体上行。

（2）上面锚具气缸伸出，上锚具夹紧，下面锚具气缸回缩，下锚具松开，

左右主气缸杆回缩（气缸体伸出），爬行器下体上行。

重复以上动作

1.气动下行工作过程

爬行器正常下行工作时，系统中部件的运动状态由单片机通过电磁阀调节，其工作过程如下：

（1）上面锚具气缸伸出，上锚具夹紧，下面锚具气缸回缩，下锚具松开，

左右主气缸杆伸出（气缸体伸出），爬行器下体下行。

（2）下面锚具气缸伸出，下锚具夹紧，上面锚具气缸回缩，上锚具松开，

左右主气缸杆回缩，爬行器上体下行

重复以上动作一

2.3.2系统的气动控制原理

根据以上特点分析和工作步骤分析，本装置气动控制系统如图2.2所示，整个气

动控制系统有三个回路组成，它们并联结在气动主回路上与地面气源相连。

这三个回路包括主气缸回路和上下脱锚气缸回路。

电磁阀由单片机编程控制，实现系统的连续或单步爬行动作，配合安装于气缸上的进行气缸行程精确控制的传感器，可以很容易地实现爬行器运动控制要求。

主气缸回路、上脱锚气缸回路、下脱锚气缸回路作为三个并联的回路由地面气源供气，其运动各自独立，互不干涉。

系统有无线遥控操作，可以方便的在不同场合运动。

图2.2气动控制系统

3机械结构设计

3.1机械机构总体布置说明

爬行器机械部分的结构参见各零件图，其中包括爬行器上体（上顶板），爬行器下体（下底板），上下锚具、锚具支架、竖直导杆、竖直导筒、平行导杆等，还有起降低磨损作用的聚四氟乙烯衬垫的。

总体布置图反映了机械结构个部件的装配情况和位置关系，可以粗略的表达爬行器工作过程中地运动特点和操作控制方式。

爬行器机械机构整体可以方便的套在绳索上（改进可选用剖分式），为此，爬行器的上下体之间用套筒和导杆相配合，并用螺纹于上下板固定，能取得良好的导向作用。

由于爬行器在绳索上爬行和夹紧，对绳索的表面有一定的磨损，为减少该磨损，在锚具的内侧与绳索接触面上，安装一块聚四氟乙烯衬垫，聚四氟乙烯强度大而刚度小，衬垫与内侧用胶水粘结，并且在配合面上都制成阶梯槽，防止脱落。

聚四氟乙烯具有良好的滑动、耐磨性以及摩擦系数很低的特点，是极好的滋润滑材料，用来降低锚具对绳索表面的磨损破坏。

为使对衬的锚具在夹持时不发生侧向移动，故在锚具与支架之间加入水平导杆，能起到良好的导向作用。

为了尽可能地减轻重量更好的爬升，上下体均采用密度较小的硬铝作为材料，作为爬行七个部件的安装及固定支架。

爬行器以上的机械机构在控制系统的协调控制之下实现爬行器的各种运动方式和功能。

3.2各部件的设计计算

机械部件的设计计算包括：

爬行器上下面板的选择和布置；连接螺栓的选用和计算；脱锚机构支架的设计计算；整体结构支架的重量估算。

3.2.1爬行器上下面板的选择和布置

爬行器上下面板的材料为硬铝，其具体结构参见爬行器的零件图，其机械特能是：

爬行器的上下面板通过M8和M20螺母分别与气缸杆以及缸体外连接。

爬行器上下板之间靠导筒与导杆之间的配合来导向，以避免由于气缸的筒侧推力而产生的附加弯矩，使爬行器受力不均匀从而造成工作时不稳定和载荷冲击。

为考虑重量,

故采用硬铝LY12,LY12应用最早的一种标准硬铝，有中等强度，可热处理强化，在淬火和自然淬火下使用，电焊行良好，气焊及氩弧焊时有裂纹倾向热态下可塑性尚好，切削加工型在淬火时效下尚好，耐蚀性不高，用作各种要求中等强度的零件和构件、冲压的连接构件、空气螺旋桨叶片、局部镦粗的零件（如螺栓，螺钉）。

考虑到铝的耐磨性差，故需要度一层锌。

爬行器锚具与锚具气缸之间靠水平导赶来导向，防止由于气缸产生的扭转而产生的

扭矩，采用两导杆来保持器行走过程的方向一致。

同样，为考虑整个部件的整体重量和耐磨性差，故需要度一层锌。

3・2・2连接螺栓的设计计算

根据爬行器的总装配图，各部件采用螺栓固定在爬行器的上下板上。

其中各部件上受到的载荷以及螺栓的个数和尺寸大小选择受力情况较不利的三种情况进行较核验算。

1•上下锚具座与爬行器的上下板相连的四个螺栓

参见爬行器的总装配图，根据设计可知，上下锚具座与爬行器上下面板连接的四个螺栓大小为M8。

验算螺栓强度：

螺栓承受剪切力，其大小为爬行器所受锚具气缸冲击力F=N;

螺栓的剪切面积是S=d4.d.d=3.14/4*8*8=50.24

TF/4S=19782/4/50.24=98.4

故螺栓强度验算合格。

2.主气缸与上下面板连接的四个螺栓

参见爬行器的总装配图，根据设计可知，上下锚具座与爬行器上下面板连接的四个螺栓的型号大小为M8和M20。

螺栓承受垂直方向的拉伸力，其大小为爬行器所受锚具气缸冲击力F=15892N;

螺栓的剪切面积是

TF/4S=63<[T=100MPa

故螺栓强度验算合格。

螺栓承受垂直方向的拉伸力，其大小为爬行器所=受锚具气缸冲击力F=15892N;

螺栓的剪切面积是

T=F/4S=19782/4/50.24=98.4<[]=100MPa

故螺栓强度验算合格。

3.锚具气缸与气缸支架的四个螺栓

参见爬行器的总装配图，根据设计可知，上下锚具座与爬行器上下面板连接的四个螺栓的型号大小为M6。

螺栓承受垂直方向的拉伸力，其大小为爬行器所受锚具气缸冲击力F=15982N;

螺栓的剪切面积是S-…/4d2=3.14/488=50.24

TF/4S=19782/4/50.24=98.4<[T=100MPa

故螺栓强度验算合格。

3・2・3爬行器的重量估算

根据爬行器结构的选择，由表可以查的各个零件的质量：

锚具支架理论重量2*0.08028*9.8

上顶板的理论重量0.53799*9.8

下底板的理论重量0.55530*9.8

竖直导杆的理论重量0.05489*4*9.8

竖直导筒的理论重量4*0.01764*9.8

水平导杆的理论重量0.01225*4*9.8

支架的总质量为M=2*0.08+0.5+0.6+0.05*4+0.01*4+0.01*4=1.54Kg

总之，所设计的部件能达到了轻便、成本低、便于携带等特点，为机器人的动作实现提供了有利的条件。

4气动系统设计

4.1气动传动的特点

根据爬行器的结构特点和使用要求，本设计采用气压传动作为爬行力的动力。

气动系统的政设计在第二章做了介绍，其原理图见2.2图。

作为一种比较典型的传动方式，

气压传动由以下特点：

气压传动的关键是压缩空气，它以空气为介质，工作介质表较容易获得，使用后空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比，不必设置回收油液的油箱和管道，整体结构紧凑、简单；因为空气的粘度很小，损失很少，便于集中供气和远距离输送，外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境；与液压传动相比，气动动作迅速,

反应快，维护简单，工作介质清洁不存在介质变质等问题；气压传动工作环境适应性好，

可以在而列环境中工作，比其他控制方式优越；气动的成本较低，过载能自动保护。

4.2气动系统的选择计算

气压传动各参数的确定：

爬行器自重为最大为15.4N,载重重量为20N，由于采用双主气缸对称布置以减少附加载荷，所以每一个承载主气缸最大承重17.7N。

设气缸工作气压值为0.63Mpa,则每一个主气缸所需内径至少是：

2

兀/4・Dx・Px