淺談簡(jiǎn)易爬桿機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

袁陸偉

摘 要：本文主要根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的原理論述爬桿機(jī)器人的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)使用要求對(duì)機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、力和能量的傳遞方式、各個(gè)零件的材料和形狀尺寸以及潤(rùn)滑方式等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)算，并將其轉(zhuǎn)化為制造依據(jù)的工作過程。機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)的第一步，是決定機(jī)械產(chǎn)品性能的最主要環(huán)節(jié)，整個(gè)過程蘊(yùn)涵著創(chuàng)新和發(fā)明。爬桿機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)符合機(jī)械設(shè)計(jì)原理，本文闡述了爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程，利用機(jī)械設(shè)計(jì)原理對(duì)爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并完成了簡(jiǎn)易爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作。

關(guān)鍵詞：爬桿機(jī)器人;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);曲柄滑塊

一、簡(jiǎn)易爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)要求

簡(jiǎn)易爬行機(jī)器人以模仿蟲蠕動(dòng)的形式向上爬行，其爬行運(yùn)用簡(jiǎn)單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。其中電機(jī)與曲柄固接，驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)。曲柄與連桿鉸接，其另一端分別鉸接一自鎖套，這是實(shí)現(xiàn)上爬的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。當(dāng)自鎖套有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，由力的傳遞傳到自鎖套，球、錐管與圓桿之間形成可靠的自鎖，阻止構(gòu)件向下運(yùn)動(dòng)，而使其運(yùn)動(dòng)的方向始終向上。本次設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易爬行機(jī)器人功能要求是通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和減速，給予曲柄一個(gè)繞定軸旋轉(zhuǎn)的主動(dòng)力，在該力的驅(qū)使下帶動(dòng)連桿及相應(yīng)的自鎖裝置，由兩個(gè)自鎖套的先后自鎖和曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)器人向上爬行。本次設(shè)計(jì)運(yùn)用應(yīng)用軟件CAXA進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬和運(yùn)動(dòng)仿真，最終確定使用三維動(dòng)畫模擬出該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

二、簡(jiǎn)易爬行機(jī)器人的功能原理設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的爬行機(jī)器人模仿的動(dòng)作是沿桿向上爬行，整個(gè)機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，爬行桿使用圓桿。通常情況下，一部的機(jī)器需要通過電機(jī)帶動(dòng)一系列復(fù)雜的機(jī)構(gòu)使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這其中涉及到很多簡(jiǎn)單且基本的機(jī)械機(jī)構(gòu)。當(dāng)然，也可以直接通過電機(jī)帶動(dòng)整部機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，這完全取決于機(jī)器所需完成的工作以及設(shè)計(jì)該機(jī)器時(shí)所面臨的種種實(shí)際情況。針對(duì)該爬桿機(jī)器人，可以采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)和氣壓元件直接驅(qū)動(dòng)，通過分析實(shí)驗(yàn)最終決定采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)。

1.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作原理。曲柄是指在平面連桿機(jī)構(gòu)中能夠繞定軸或定點(diǎn)作整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件。通過改變平面四桿機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)尺寸能將其演化為不同的機(jī)構(gòu)形式，它是通過增加鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中搖桿的長(zhǎng)度至無(wú)窮大而演變過來(lái)的。改機(jī)構(gòu)實(shí)際上是由一曲柄一端鉸接在機(jī)架上，另一端鉸接一連桿，連桿的另一端聯(lián)結(jié)一滑塊，在曲柄為主動(dòng)件運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)連桿，連桿又帶動(dòng)滑塊，使其在平面某一范圍內(nèi)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中在曲柄與連桿的兩端分別鉸接上兩個(gè)滑塊（即作為自鎖套），使兩個(gè)滑塊分別作為機(jī)架交替上升，從而實(shí)現(xiàn)爬桿動(dòng)作。其中上滑塊與曲柄相連，相應(yīng)的連桿接下滑塊。當(dāng)機(jī)構(gòu)具有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，下自鎖套因受到自鎖機(jī)構(gòu)的限制而固定不動(dòng)，把其受到的向下的力轉(zhuǎn)化為向上的動(dòng)力，推動(dòng)機(jī)構(gòu)反而向上運(yùn)動(dòng)。這樣把電機(jī)與曲柄固接作為驅(qū)動(dòng)裝置，連桿作為傳動(dòng)裝置，兩滑塊作為自鎖裝置。完成簡(jiǎn)易爬桿機(jī)器人裝配工作。

3.自鎖裝置的工作原理。設(shè)計(jì)了兩個(gè)構(gòu)件，兩者用鉸鏈鉸接，能使其自如地打開或收攏，再在它們套住圓桿之后用銷釘在鉸支端對(duì)邊銷住，這樣方便裝配和安裝到圓桿上，也利于在調(diào)試過程中不斷調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體尺寸。在中空的空間里分別放置兩個(gè)小球，此小球的直徑小于梯形底邊而大于梯形頂邊了，使其能恰好卡在梯形的空間里。形成自鎖。

當(dāng)電機(jī)固接的曲柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的兩個(gè)過程分別是曲柄在底端轉(zhuǎn)至頂端和由頂端向底端逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。從力學(xué)角度分析，底端轉(zhuǎn)至頂端時(shí)下自鎖套受到向上的拉力，自鎖套內(nèi)的兩小球因重力掉至梯形底部，它將無(wú)阻礙地由連桿往上拉，與此同時(shí)，上自鎖套受往下的拉力，與上面的相反，其具有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，內(nèi)部的小球脫離自鎖套的底部，小球被卡在了梯形空間中，此時(shí)由于小球的被固定而使整個(gè)自鎖套看作是一個(gè)機(jī)架鉸接曲柄一般。而頂端向底端逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)上下滑塊的受力情況恰與上述情況相反，下自鎖套因受力自鎖而被固定，此時(shí)上自鎖套仍向上運(yùn)動(dòng)，在曲柄過最底端時(shí)又出現(xiàn)了上述情況。于是，兩滑塊周而復(fù)始交替向上爬，完成爬行過程。

三、簡(jiǎn)易爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

一般考慮設(shè)計(jì)的爬桿過程都是在理想狀態(tài)下，摩擦力的大小，即管壁與小球接觸面的摩擦系數(shù)，在曲柄過上下兩滑塊極限位置時(shí)，自鎖套內(nèi)由于小球在內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，自鎖套所要進(jìn)行的向下運(yùn)動(dòng)的位移，以及上下自鎖套、曲柄和連桿的質(zhì)量，還有電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)動(dòng)速度，汽缸的推程大小、自重，所需氣包的容量及連接方式等因素都未考慮。本設(shè)計(jì)中如果采用氣缸驅(qū)動(dòng)，形式簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，從機(jī)械設(shè)計(jì)角度而言講究盡量采用基本機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)要簡(jiǎn)單、可靠。而汽缸則融會(huì)了上述的優(yōu)點(diǎn)，它由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)兩個(gè)自鎖滑塊，避免了兩者間的連接機(jī)構(gòu)，精簡(jiǎn)了構(gòu)件之間的連接。另外，該機(jī)構(gòu)具有環(huán)保等特點(diǎn)，它利用空氣作為動(dòng)力源，無(wú)污染、運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)噪音，而且運(yùn)行速度快，可以在短時(shí)間內(nèi)使機(jī)器人爬到桿的頂端，它還能夠隨身攜帶氣包作為動(dòng)力源，可以做到無(wú)線操作。實(shí)際上在實(shí)驗(yàn)中曲柄滑塊結(jié)構(gòu)屬于平面連桿機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)動(dòng)副為低副，能承受較大載荷。但平衡困難，不易用于高速。本設(shè)計(jì)中的簡(jiǎn)易爬行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)是由電機(jī)經(jīng)減速直接驅(qū)動(dòng)的，和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)相比它具有一套傳動(dòng)和連接機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)運(yùn)用的原理簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，即能在直桿上爬行，也能在彎曲的管道外爬行。因此本設(shè)計(jì)才采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為該簡(jiǎn)易爬桿機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方案。

四、簡(jiǎn)易爬行機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)易爬行機(jī)器人的硬件構(gòu)件的材料、尺寸和規(guī)格選擇很重要，本設(shè)計(jì)中選擇爬行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)名稱主要由兩大部分組成，一部分是曲柄滑塊，它由曲柄、連桿和錐管組成，其中曲柄部分由2mm鋁板材料制作而成，選擇60mm軸距尺寸，連桿部分也由2mm鋁板材料制作而成，選擇150mm軸距尺寸，錐管部分由2mm鋁板材料制作而成，使用4個(gè)錐管。另一部分是自鎖機(jī)構(gòu)，圓球是其主要構(gòu)件，選用成品橡膠球作為主要材料來(lái)源，尺寸為50mm的橡膠圓球4個(gè)。

所有構(gòu)件都采用鈑金造型，由焊接連接，使其加工制造簡(jiǎn)單，易保證較高配合精度。設(shè)計(jì)了自鎖套這樣的連接裝置，在兩個(gè)形狀對(duì)稱的錐管對(duì)接處裝上鉸鏈，使自鎖套就能開合，自如地包攏住爬桿，然后在自鎖零件的對(duì)面接口處插上一個(gè)聯(lián)結(jié)銷，完整的一個(gè)自鎖套就套在了圓桿上。

設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)過程中，一定的摩擦力也是保證自鎖發(fā)生作用的關(guān)鍵。因此各構(gòu)件的材料要求標(biāo)準(zhǔn)很高。本設(shè)計(jì)中使用曲柄、連桿與錐管用鋁板來(lái)制造，小球的材料則用橡膠。橡膠的表面比較粗糙，且彈性性能較好，小球在自鎖套作用時(shí)能卡得比較牢靠，不會(huì)發(fā)生自轉(zhuǎn)等打滑現(xiàn)象，使整個(gè)機(jī)構(gòu)下滑而影響上爬的效果。在自鎖套需解鎖時(shí)，由于橡膠具有很高的韌性，并能立刻恢復(fù)原來(lái)的形狀，不會(huì)因無(wú)法恢復(fù)形變而使下一步上爬動(dòng)作失效。

五、結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易爬行機(jī)器人運(yùn)用了簡(jiǎn)單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，動(dòng)力來(lái)源采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，選用材質(zhì)較輕的鋁材作為結(jié)構(gòu)材料，減輕了該機(jī)器人的重量，使其更大效率的發(fā)揮電機(jī)的功率，提高了機(jī)器人的爬行速度。此外，該簡(jiǎn)易爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)易于安裝和調(diào)試，便于及時(shí)修改。本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人充分運(yùn)用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)即能在直桿外爬行，也能在圓桿上爬行，能夠在提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)效率的前提下克服不同彎曲度的圓桿，使其像爬直桿一樣爬行過彎曲的管道。本設(shè)計(jì)仍存在不足，例如本次設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易爬行機(jī)器人無(wú)法適應(yīng)爬性各種桿，爬桿直徑發(fā)生改變機(jī)器人不能隨之改變自鎖套的大小，圓球球的大小也不能隨之改變，所有今后會(huì)努力設(shè)計(jì)出能適應(yīng)各類爬桿的爬行機(jī)器人。

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