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1、第25卷第5期佳木斯大学学报(自然科学版)Vol.25No.52007年09月JournalofJiamusiUniversity(NaturalScienceEdition)Sep.2007文章编号:1008-1402(2007)05-0634-03①高空爬行机器人的机构设计112刘桂珍,王怀奥,王立权(1.佳木斯大学机械工程学院,黑龙江佳木斯154007;2.哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:设计了一台沿桅杆或绳索爬行的机器人,介绍了该机器人的组成及其功能,对该机器人进行运动学建模及分析,并对该机器人进行仿真设计.该机器人可携带检测装置对桅杆或绳索进行巡
2、检作业.关键词:爬行机器人;曲柄滑块机构;槽轮机构;控制系统中图分类号:TH124文献标识码:A本机器人是由两个形状相似的圆形套筒内嵌0引言有一对活动V型卡爪、一对槽型凸轮、铰链、压力机器人是传统机构学与近代电子技术相结合传感器、连杆、镶嵌在顶部滑块四周的检测仪、电机的产物,是计算机科学、控制论、机构学、信息科学等零部件构成,其运动机构简图见图1.和传感技术等多学科综合性高科技产物,它是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完[1]成各种作业的机电一体化自动化生产设备,特别适合于多品种、变批量的柔性生产.对稳定、提高产品质量,快速提高生产效率;改善劳动条件和缩短产品更新换代
3、的周期,起着十分重要的推动作用.机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既具有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又具备机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它是机器进化过程中的产物,也是工业以及非产业界的重要生产和图1爬行机器人机构运动简图服务性设备,是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.2运动学建模我国从1987年实施国家“863”高技术研究发基于曲柄滑块机构能够实现直线运动的启示,展计划以来,把智能机器人确立为自动化领域的主本机器人采用了曲柄滑块机构作为设计的基础:在体之一,在特种机器人、机器人应用工
4、程、机器人基曲柄与连杆的两端分别铰接上两个滑块(即作为自础学科等方面取得了很大成绩.爬行机器人是能够锁套)作为机器人末端执行装置,使两个滑块分别在垂直或倾斜的桅杆或绳锁上进行作业的机器人,作为机架交替上升,从而实现机器人沿桅杆爬行;它作为高空极限作业的一种自动机械装置,越来越其中上滑块与曲柄相连,相应的连杆接下滑块.当受到人们的重视.机构具有向下运动的趋势时,下自锁套因受到自锁1爬行机器人的组成及其功能机构的限制而固定不动,把其受到的向下的力转化为向上反作用力,推动机构向上运动.爬行机器人主要由以下几个部分组成:①收稿日期:2007-08-10作者简介:刘桂珍(1965-),女,佳木
5、斯大学机械工程学院副教授,工学硕士.第5期刘桂珍,等:高空爬行机器人的机构设计635从而有相应的近似速度与近似加速度2dx1dx1dθrv1===ω(-rsinθ-sin2θ)dtdθdt2lr=-ωr(sinθ+sin2θ)(5)2ldv12ra1==-ωr(cosθ+cos2θ)(6)dtl以上速度和加速度式是对近似位移模型推导图2所得.从滑块速度解析式(2)中,利用Taylor公式,根据机构设计原理,对爬行机器人进行运动学仍可得出近似公式:建模.1设曲柄222OQ的长为r,连杆QP的长为l.当曲柄l-rsinθ22绕固定点O以角速度ω旋转时,由连杆带动滑块P1r2-1P21r2
6、=(1-2sinθ)≈(1+2sinθ)在水平面上作往复直线运动.假设初始时刻曲柄的lll2l端点Q位于水平线段OP上,曲柄从初始位置起转把上式代入(2)就得到滑块速度及加速度的近似动角度为θ,而连杆QP与OP的锐夹角为β.在机械模型2设计中要研究滑块的位移、速度和加速度关于θ的vrcosθ(1+rsin2θ)2=-ωrsinθ1+2l2l函数关系,摆角β及角速度和角加速度关于θ的函32rsin2θrsinθsin2θ数关系,进而=-ωr(sinθ++3)(7)2l4l(1)求出滑块行程s(即滑块往复运动时两极2a2=-ωr·限位置间的距离);322rcos2θr(sin2θ+2si
7、nθcos2θ(2)求出滑块的最大和最小加速度(绝对值),cosθ+l+4l3)(8)以了解滑块在运动方向上的作用力;3运动学仿真在求解上述问题时,我们假定r=100mm,l=3r=300mm,ω=240radPmin取O点为坐标原点,P为x轴上的坐标点,用x表示滑块的位移,利用三角关系,得到:222x=rcosθ+l-rsinθ(1)于是滑块速度rcosθv=-ωrsinθ1+222(2)l-rsinθ图3滑块位移和行程曲线图进而,可以得到滑块的加速度为
