爬楼梯机器人

爬楼梯机器人目录设计目标实现快速爬上图示梯子：倾斜角度70°每层梯子的斜长度250mm梯子宽400mm横杆直径32mm斜梁直径32mm设计思路我们小组的任务是爬楼梯机器人的设计及分析。我们需要建立一个可以爬上梯子的机器人，当然边界条件是越快越好，就此任务，在最初的概念设计时，我们提供了三种简单的雏形方案。在第一种方案中，预计通过活塞气缸实现双腿的伸缩，通过机器人身体的扭转实现爬楼梯动作，但我们考虑到爪子设计中的加紧与放松以及机器人在爬楼梯过程中的稳定性时，现成的参考方案较少，没有找到较理想的方案，实现较为困难。第二种方案是旋转爬楼梯机器人，通过控制机身的旋转角度以及爪子的加紧与放松实现它的向上攀爬过程，同样的在它的设计准确性方面遇到了困难，我们很难确定机器人在攀爬一步的过程中所需要转过的角度，并且在抓梯子过程也是遇到了瓶颈。设计思路其实每一种方案都各有利弊，第一种方案结构比较简单，第二种方案也比较新颖迷人，但在规定的时间内做出满足要求的机器人，我们把所有的焦点集中到第三种方案。在再次对我们小组的任务有了更明确的认识，以及对这三种方案的可行性评估之后，我们选择了第三种方案。参考方案参考方案设计原理：数控气动爬梯消防机器人是应用仿生学原理来设计机器人爬动动作。利用空压机提供气源，采用气动作为动力，用单片机控制电磁阀，驱动气缸带动联杆和钩子有序工作，使两幅钩子交替有序抬起、伸出、落下，实现机器人自动沿梯子上下爬动的动作。整个机器人系统由机器人机身、梯子、空压机组成。机器人系统最重要的部分就是机器人机身，其特征在于：机身由4个电磁换向阀、2个双活塞气缸、1个单活塞气缸、机身架、单片机控制电路以及若干个高精度进口传感器及其他辅助机械零件装配成。详细内容见附件《气动爬梯机器人》我们借鉴的他们的上下两排的钩型爪子结构，并根据我们的需要作出了改进。参考方案气动爬梯机器人的实物参考方案乐高机器人爬梯子：爪子部分运用的是曲柄滑块机构，虽然我们并没有采用，但是他的动作过程对我们自己的设计也有不少的帮助。设计方案下级台阶的固定运动到上一级台阶二者的交替方式将电机的旋转运动转换为直线运动；螺旋传动在机床的进给机构、起重设备、锻压机械、测量仪器、工具、夹具、玩具及其他工业设备中有着广泛的应用。上梯运动主要有三部分螺旋传动设计方案固定爪钩住梯子横梁，电机正转时将螺母副推出，带动运动爪伸出抓住梯子横梁，螺母副运动到螺杆末端；电机反转，带动机器上升，螺母副运动到螺杆近电机的起始端；如此循环，实现爬梯动。每个行程为每级梯子的斜长度250mm。运动过程设计方案使用运动导槽与弹簧组合，解决了爪子碰梯子的问题。悬空正常情况下，爪子的钩子部分受弹簧拉力，张开状态；当爪子运动到横梁处时，被压缩收起；越过横梁，在弹簧拉力下弹开，钩住横梁，将机器固定。爪子爪子装配参数总体方案示意图设计方案为了防止机器人在梯子上歪斜，设计轮子外侧凸缘，同时起到支撑、导向、减小摩擦的作用；轮子轮轴参数总体方案示意图总体参数总长853mm总宽442mm总高192mm总重13.5KG总体尺寸总体方案示意图总体参数总体方案示意图部件设计与选型初步计算机器总重15KG计算载荷=名义载荷*动载系数*摩擦损耗/动载系数，求得计算载荷=23.23KG系统载荷名义载荷15.00KG动载系数1.20摩擦损耗1.20效率0.93计算载荷23.23KG部件设计与选型根据梯子倾斜角度求得：沿梯子方向分载荷21.83KG，垂直梯子方向分载荷7.94KG载荷分析沿梯子方向分载荷21.83KG垂直梯子方向分载荷7.94KG因为已经考虑摩擦且垂直分量较小，选型时简化计算，使用250N进行选型部件设计与选型求得螺纹升角0.2弧度，11.46°计算螺纹升角PI3.14螺杆直径D216.00mm底边50.27mm螺距P10.00mmtan（螺纹升角）0.20螺纹升角0.20rad部件设计与选型求得363.83N·mm螺杆转矩T部件设计与选型每梯运动时间电机步距角0.90电机频率2.50KHZ电机转速375.00rpm每梯时间4.00s部件设计与选型电机选型在电机的选择中，通过分析各种电机的优缺点，结合我们自己的需求：我们用的螺杆传动，需要比较精确的角度控制，步进电机每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性，能够满足要求；通过控制它的脉冲数即可控制它的旋转角度，因此在爬楼梯的过程中能够很准确地控制机器人的行程；步进电机具有优秀的起停和反转响应，而我们所设计的爬楼梯的过程正是通过通过点击的起停和反转来实现的；由于步进电机在整步状态时振动大，为了减小震动我们选择半步状态；部件设计与选型电机选型我们根据所需要的扭矩选用以下型号电机57BYG250B-SAFRML-0302根据半步时空载启动频率计算出电机转速为375rpm，爬一层梯子大概需要4s。部件设计与选型电机选型部件设计与选型电机选型步进电机不能直接与电源相连，必须使用专用的电源驱动器，而对于驱动器的要求，它必须能够提供较快的电流上升和下降速度，使电流波形尽量接近矩形。我们选择57BYG驱动器M542，根据与淘宝客服的交流以及计算我们选择24v锂电池供电电源，大约续航时间为0.6小时。预计能够满足要求。部件设计与选型联轴器电机伸出轴与螺杆选用普通凸缘联轴器部件设计与选型螺杆根据资料，选用牙型角30°的等腰梯形螺纹传动，牙根强度较高，易于制造；且因内外螺纹是以锥面贴合，易于对中。直径根据电机伸出轴确定轴承后，取螺杆直径d=16mm，螺距P=10mm。部件设计与选型圆锥滚子轴承电机伸出轴径8mm，联轴器轴肩及轴承内径，选用30302圆锥滚子轴承，轴承内径15mm，外径42mm，轴承宽度13mm，基本额定载荷Cr22.8KN,Cor21.5KN，满足设计要求。（背对背安装反装）部件设计与选型键根据轴径选择5*5*10普通平键部件设计与选型部件材料列表主要传动部件既承受拉力有承受较大扭矩，材料采用综合性能较好的合金钢机架选用质量轻、受压强度较好的铝合金螺母副选用摩擦较小的青铜轮子选用PP共聚物，质量轻且摩擦小名称数量材料步进电机1合金钢步进电机支架1合金钢联轴器2合金钢圆锥滚子轴承2合金钢角接触球轴承4合金钢键（联轴器）2合金钢键（车轮）4合金钢轴承座2合金钢传动螺杆1合金钢螺母副1青铜动拉杆2合金钢定拉杆2合金钢钩子4合金钢连钩杆4合金钢铆钉4合金钢车轮4PP共聚物机架1铝合金6063-T5爆炸图MOTION分析过程SIMULATIONSIMULATIONSIMULATIONSIMULATION钩子加完约束和载荷后的网格划分图SIMULATIONSIMULATIONSIMULATIONSIMULATION螺旋副所在受力轴承的前处理图SIMULATIONSIMULATIONSIMULATIONSIMULATION前处理部分的设置SIMULATIONSIMULATION小组分工TEAMWORK感想•经验总结•关于WorkinaTeam•问题THANKS!