气动爬杆机器人_毕业设计说明书.doc

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1、 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

2、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Pneumatic pole climbing robot design and manufactureAbstra

3、ctWith the continuous development of science and technology and Internet technology, robots are used more and more in our lives. There are also more and more examples of people using robots to solve dangerous problems. Under actual conditions, sometimes there are pipelines with flammable and explosi

4、ve gases that are damaged, or when rescues are carried out, sometimes it is very dangerous to use manual labor to complete the rescue work at the narrow wellhead and cave entrance. Therefore, it is necessary for us to design a pneumatic rod-climbing robot that can help us solve the problem according

5、 to the abovesituation. The main purpose of this article is to design a pneumatic rod-climbing robot, which is used to complete the tasks of detection, detection, and rescue in flammable and explosive dangerous gases, as well as in the environment of narrow holes and wellheads. This article first pu

6、ts forward several design schemes in combination with the actual problems above, then analyzes and compares these several schemes, and finally chooses one of the best schemes for design. After determining the final plan, determine the various components of the pneumatic robot and the main functions

7、of each component, then design the basic structure of each component, and finally design the overall structure of the robot according to the structural design of each component, and then calculate the pneumatic crawler The working parameters of the rod robot. After the completion of the above work,

8、CAE simulation analysis of some parts of the pneumatic climbing rod robot is also required to determine whether the designed pneumatic climbing rod robot has any problems. If there are problems, and modify the structure of the pneumatic climbing rod robot until it can meet the requirements Design re

9、quirements. In the last part of the thesis, the graduation design is summarized, and references are attached. The pneumatic rod-climbing robot designed in this paper not only attracts peoples attention, but also has very good safety performance. It has a strong adaptability to the situations encount

10、ered above and has a good application prospect.Keywords：Pneumatic climbing robot, working parameters, 目录绪论11.1 引言11.2 国内外研究现状以及发展趋势21.3 研究目的及内容32 方案设计运动分析及选择42.1 总体方案设计及分析42.2 爬杆机器人的运动原理分析52.3 方案17 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 3 结构设计113.1 总体结构分析及设计113.2 夹紧部件设计及分析173.3 导向部件设计及分析243.4 爬升部件设计

11、及分析263.5 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304 仿真与分析304.1 下夹紧机构上安装板305 总结346 致谢35 7 参考文献361.绪论1.1引言随着科学技术以及互联网技术的不断发展，人民生活水平的不断提高。过去，在实际生活中，有时会出现一些有易燃易爆气体的管道发生破损，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，而且使用人工效率低下，劳动强度很大。但是，现在随着机器人技术的不断成熟和发展以及人们对自我保护意识的增强，迫切需要这些机器人来帮助我们去完成这些高危的工作，从而把人从危险，恶劣的劳动环境中解救出来。

12、因此，本课题准备从上述情况出发，设计一种新型的、结构简单、经济实用，操作简单的满足人们需求的气动爬杆机器人。1.2 国内外研究现状以及发展趋势众所周知，机器人技术是人类新世纪的伟大发明之一，机器人设计与制造结合了计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技技术，它是一种模仿人类操作，高速运行，重复操作的自动化设备，机器人技术的出现与不断发展，不仅使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会生产生活产生深远的影响。机器人行业已逐渐成为现代应用最广泛，发展迅速的高科技产业之一。国内不仅如此，在国外也是如此，机器人的大量出现，大大解放了人们的双手，也成为了高技

13、术领域的一个重要分支，将成为21世纪各国争夺的经济技术制高点。 在机器人领域中，气动爬杆机器人是使用较为广泛的一种，首先，气动技术作为现代传动和控制的重要技术，有非常广阔的应用前景，过去几年来，我们的工业生产效率之所以上升的明显，正是因为气动技术，机器人技术的不断完善和发展。在过去多年的发展历程中，气动技术已经被证明是实现自动化技术的有效方式之一，气动装置有着结构简单，安装拆卸方便，维修方便的优点，使用起来也非常安全。而且气动装置还有防火，防水的作用，由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，因此非常适合爬杆机器人的工作情形。 虽然气动爬杆机器人能满足基本爬杆的需求，但是还存在一些问题，比如，第

14、一、气动爬杆机器人的本体部分不能做到纯气动，在整体设计中加入了传感器等电气装置。在易燃易爆的危险其他环境下，容易产生危险，导致气动爬杆机器人的安全性欠佳。第二、气动爬杆机器人的承载能力较小，有些甚至不具备负载能力，整体结构较为简单，能够起到的作用有限，还需要我们不断的去改进，升级。因此，需要我们提出更全新的方案去解决上面存在的问题。1.3 研究目的及内容本课题研究的目的就是让学生了解机器人和气动技术的知识，在设计过程中也会应用到在大学四年里所学到的一些绘图方法，设计思路，机械设计，机械原理等课程的内容，从而进一步掌握机械设计的原则和方法，零部件的设计与绘制，毕业论文的撰写等等，这样有助于解决学

15、生以后在公司或者工厂工作所遇到的问题，同样也可以增强学生独立思考的能力。本文研究的主要内容就是设计一种气动爬杆机器人，用于解决我们生活中所遇到的一些人工不容易解决的问题，机器人的本体部分将采用纯气动控制，使其具有良好的承载能力，设计完成后对主要零部件进行仿真分析，并提出一些改进措施。在进行设计时，首先要满足对产品功能和服务的需求，并坚持标准化，系列化，通用化的原则，尽可能的简化零件的大小，减小产品的体积和规模，同时也要满足加工工艺的需求以及尺寸的需求。此气动爬杆机器人的优势是具有良好的安全性能，当出现高空断气时，不会有高空坠落的危险，而且在完成一些较为简单的任务时，机器人可以以较大的步距，快速

16、移动；在任务较为复杂时，机器人也可以以较小的步距移动，来满足任务的需要，从而保证安全，且具有良好的负载能力，保证了气动爬杆机器人有充分的扩展性。2.1 总体方案设计及分析考虑到上述所述的气动爬杆机器人的工作环境，为了保证气动爬杆机器人的安全性，爬杆机器人的本体部分应避免的电气装置的使用，避免由于电气装置产生火花而导致燃爆气体，而且还要考虑到气动爬杆机器人在完成一些复杂任务时需要携带一些装置，这就要求气动爬杆机器人需要有一定的负载能力。 此课题所设计的机器人的运动方式是蠕动爬行，是一种周期性的运动，相比较其他的运动方式，蠕动式具有承载能力大，运动平稳，控制简便，适应能力强的优点。此气动爬杆机器人

17、的本体部分主要由3个机械单元组成，分为上、下夹紧结构和传动机构，其中传动机构处于中间位置，分别与上、下夹紧结构相互连接。上、下夹紧结构的作用就是负责把物体夹紧，躯干部分负责把物体推动和转移。 对于气动爬杆机器人的驱动方式，大致可以分为三种：液压驱动、气压驱动、电气驱动。这三种驱动方式的主要特点是：液压驱动一般采用油液驱动，可以产生很大的驱动力，但是体积较大，而且在进行工作时还会发生漏油等问题，维护保养比较麻烦，不适宜用于制作气动爬杆机器人。电气驱动则是利用电机旋转产生的转矩，带动机器人的运动，虽然采用电气驱动有异域控制，运动精度高，响应快的优点，但是采用电气驱动，使得气动爬杆机器人的运动速度较

18、慢，而且运动距离较短，因此不适宜用在气动爬杆机器人的制作中。相比较前两种方式气压驱动的压力一般为0.5MPa左右，而且具有响应速度快，结构简单，经济适用的优点，因此选用气压驱动来设计这款气动爬杆机器人。2.2 气动爬杆机器人的运动原理 气动爬杆机器人的运动原理分析： 第一步：下面的电机转动，从而带动下面的丝杠旋转，使手臂夹持在圆杆上面。 第二步：上面的电机转动，从而带动上面的丝杠旋转，是上手臂打开。 第三步：气缸向上运动，运动到预定位置后，停止运动，并保持在原位置。第四步：上面的电机转动，带动上面的丝杠旋转，使上手臂夹持圆杆。第五步：下面的电机转动，带动下面的丝杠旋转，使上手臂松开圆柱杆。第六

19、步：气缸收回，带动机器人的下面部分向上运动。以上就是气动爬杆机器人的一个运动周期，气动爬杆机器人每运动一个周期，机器人整体向上爬行一次，重复上面6个步骤可以实现气动爬杆机器人的往复运动。2.3 设计方案一 根据任务书的要求爬杆的直径为 120mm ，外径尺寸不超过 360mm360mm 280mm,本体部分质量 2 kg，压缩空气压力不超过 0.8Mpa。 综合上述内容，提出以下三种方案。 方案1 如图所示 结构分析：此方案包括四个部分，夹紧部分、爬升部分、导向部分和位置检测部分。夹紧部分包括上夹紧机构和下夹紧机构，这两个夹紧机构分别安装在上下两个平台上。这两个夹紧机构包含两个状态夹紧和松开。

20、其中夹紧机构的状态由夹紧气缸进行控制。当夹紧气缸伸出时，带动中间的连杆移动，从而可以带动可动手爪移动，使其向固定手爪的方向靠近，这时夹紧机构就可以夹紧竖直杆；当夹紧气缸缩回时，带动中间的连杆向左移动，从而使可动手爪远离固定手爪，此时夹紧机构松开竖直杆，一个运动过程完成。当夹紧机构处于夹紧状态时，这时由于摩擦力的作用，可以保证机构固定在竖直杆上不会移动或者转动。对于爬升部分来说，爬升部分主要由两个爬升气缸来进行控制，爬升气缸一端安装在上夹紧机构的平台上，另一端安装在下夹紧机构所在的平台上。当爬升气缸伸出时，这时将上下两个平台分开，上下两个平台之间的距离为最远；当爬升气缸收缩到原来的位置时，这时上

21、下两个平台距离最近。导向部分主要由导柱和直线轴承两部分组成。其主要作用就是用来提高气动爬杆机器人在移动时的平稳性，保证气动爬杆机器人能够安全的工作。位置检测部件的主要作用是确定气动爬杆机器人是否运动到竖直杆终点，当气动爬杆机器人运动到终点时，位置检测部件检测到，使机器人停止运动。 运动过程分析：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

22、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

23、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

24、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

25、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

26、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，需要继续向下运动，那么重复第 一、二步的操作；如果气动爬杆机器人已经运动到竖直杆的最下端，那么两个夹紧机构将会同时处于松开状态，这时将机器人从竖直杆上取下。 方案二的优缺点：优点：

27、方案二由于加入了自锁机构，其安全性得到了很大的提高，当有断气情况出现时，特不会发生坠落的危险，而且方案二的结构也较为简单，维护拆卸方便。缺点：方案二由于爬升机构自身的限制，气动爬杆机器人只存在一种步距，因此其负载能力也是一个固定的数值，有一定的局限性，因此需要对气动爬杆机器人的爬升机构进一步改进。 2.5 设计方案三方案三 如图所示结构分析：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

28、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

29、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

30、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

31、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1. 功能结构都比较简单，可靠性较好，经济适用。2. 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1. 具有良好的安全性能2. 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1. 只存在一种步距2. 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

32、结构设计。三、 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

33、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

34、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5

35、KGf,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:带入数据计算得到推力=160N。由于该缸径气缸的结构比较紧凑，而且可动手爪只需转动很小的角度就可以实现夹紧和松开两种状态，所以夹紧气缸行程选择 最小的标准行程 15mm。最终确定夹紧缸的型号及尺寸：夹紧缸为气立可笔型不锈钢标准型气缸，缸径16mm,15mm的行程是在考虑到一半机械手臂打

36、开所需要的空间确定的，活塞杆在供气后要预留5mm的行程，因此两侧的打开范围一共10mm，这就保证了在运动的过程中不会遇到摩擦阻力。考虑到四杆机构的死点位置可能会由于振动等原因而失去自锁的功能，为避免这种意外情况的发生决定把可动手爪两铰接点之间的连线与连杆的夹角设置为直角，此时可以对上面的意外情况有所改善，使夹紧机构在锁死状态下不容易被损坏。各个零件的尺寸应满足以下数学表达式： 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

37、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22 mm，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

38、.2.3 夹紧机构安装平台的设计：在夹紧机构设计完成以后，需要把夹紧机构安装在一个固定可靠的平台上。一般情况下夹紧机构的安装方式有两种。 第一种安装方式是只用一个安装板，将夹紧机构安装在安装板的其中一侧， 另一种安装方式是采用两个安装板，将夹紧机构安装在两个安装板之间。这两种方式中由于第一种夹紧机构不能完全固定住，机构容易松动，导致产生安全问题，而第二种方式夹紧机构中各个回转轴是采用简支的方式安装的，机构可以完全固定住，因此夹紧机构不容易发生松动，因此安全系数很高，不宜发生一些安全问题。而且采用两个安装板构成的安装平台其刚度更好，不容易发生变形和损坏，因此选用第二种安装方式作为夹紧机构安装平台

39、的设计。 考虑到夹紧机构中的可动手爪与摆杆均绕轴做旋转运动，一般旋转轴采用铰制孔用螺栓。但是为了使可动手爪与摆杆能够旋转自由，不能将两个安装平台直接用铰制孔用螺栓夹紧，这样不仅不能够保证其旋转自由，而且还存在安全隐患，可靠的安装方式应该是在安装点的附近安装辅助支承，通过利用辅助支承，可以将两平台之间的距离固定，这样不仅保证了可动手爪和摆杆都能够旋转自由，而且其安全性也得到了很大的提高。而辅助支承一般使用螺钉来提供压紧力，螺钉通过穿过辅助支承套筒将夹紧机构的上下两个安装板压紧在套筒的两端，其具体安装结构如图所示3.3.1 导向部件的设计及分析： 通过观察研究气立可的使用手册可以发现，夹紧缸可以固

40、定在活塞杆的一端，在竖直杆的头部有安装螺纹孔，而且伸缩缸的活塞杆的头部同样也有两处安装位置，虽然在伸缩缸的缸体尾部有螺纹，但是必须通过接头与导向机构相互连接才可以。导向部件的主要作用就是使气动爬杆机器人能够沿着竖直杆稳定的运动，保证其安全的工作。导向部件的主要结构有导柱、直线轴承、直线轴承套筒、导柱上安装套筒、导柱下安装套筒和固定架等。通常情况下在导柱的一端为外螺纹，在其另一端为内螺纹。通常导柱外螺纹一端与导柱下安装套筒直接采用螺纹连接，而导柱内螺纹一端与导柱上安装套筒采用螺钉进行连接，导柱选择镀铬光轴，直径为 10mm，长度为 300mm。导柱下安装套筒安装在上下两个夹紧机构安装平台之间，而

41、导柱上安装套筒则与固定架连接。直线轴承安装在直线轴承套筒内，安装时一般都采用孔用弹性挡圈，目的就是为了防止直线轴承由于振动等一些因素从套筒内掉出，造成无法正常工作，直线轴承内径 12mm，外径 19mm， 长 30mm。 直线轴承套筒安装在上下两个夹紧机构两安装平台之间。而直线轴承和直线轴承套筒的主要作用就是使上夹紧机构及其安装平台只能沿着导柱方向进行轴向运动，而不能做其他的运动，保证了气动爬杆机器人能够稳定的进行工作。导向部件的整体结构如下所示： 3.3.2 夹紧缸连接板的设计为了能够使夹紧缸固定，需要设计一个与上面的导向机构相配的连接板，由于夹紧缸的前端有可以连接的螺纹，因此一般采用螺纹连

42、接的方式将夹紧缸固定在连接板上，然后采用螺钉连接的方式将连接板固定在导向机构上，通常情况下，连接板的壁厚去5mm，材料采用刚性材料。3.3.3 夹紧块的设计及分析 由于夹紧块固定在活塞杆上，要减少其自身的重量，来满足气动爬杆机器人重量的要求，因此，虽然钢块强度大，但是钢与钢之间的摩擦系数很小，而且重量也很大，故不宜采用钢材；通常情况下，铝合金的材料重量轻，而且其强度也能满足设计的基本要求，因此选择铝合金材料作为夹紧块的材料。 检验： 铝合金材料的抗压强度一般要大于60MPa，夹紧块的受压面积大约只有0.0003平方米，压强远小于60MPa，完全可以满足作为夹紧块材料的需要。 3.4 爬升部件设

43、计及分析 3.4.1 爬升部件的作用及结构分析 爬升部件的主要作用是在气动爬杆机器人工作的过程中提供推力，从而使气动爬杆机器人在两个夹紧平台之间产生相对运动，这样就实现了气动爬杆机器人在竖直杆上的上下往复运动。爬升部件的主要结构是两组爬升机构，其结构图如下： 结构简图及设计如下图： 爬升部件的机构的主要结构包括四个等长连杆和爬升气缸。当爬升气缸伸出时，带动四个连杆转动，使得上下两各夹紧平台之间的距离最小；当爬升气缸缩回到原来的位置时，同样带动四个连杆转动，此时上下两个平台之间的距离达到最大，在这两种极端情况下上下两个平台的距离之差就是气动爬杆机器人的步距。 3.4.2 爬升气缸（伸缩缸）的设计

44、及分析 估算气动爬杆机器人及其负重大约为 10kg，假设爬升机构力的传递系数（不考虑摩擦时，爬升机构提供的向上的推力与爬升气缸推力的比值）不小于 0.4，预选取爬升气缸的内径 d 为 25mm。 已知大气的压力大约在 0.8Mpa ，在此压力下 计算 其 推 动力 Fc 计算公式如下 计算得=392N根据上述计算结果可以选择气立可的笔型不锈钢的伸缩缸，查阅此材料的伸缩缸的相关手册可知，当气缸内径为25mm时，其拉侧受力为12kgf，也就是当拉侧受力时，气缸最小能驱动12kg的负重，考虑到经验阻力系数为0.6,气缸除机构自重外可另外负重1.5kg，大致符合设计的要求，因此伸缩缸最终的选择如下：气

45、立可的笔型不锈钢气缸SBA16缸。3.4.3爬升机构各个零部件的尺寸计算：计算原理图如图所示： 爬升机构计算原理图在上面的的原理图中， T /2 表示的是气动爬杆机器人的步距，a 表示是连杆的长度，S/2 表示的是气缸行程，而b/2 则表示的是在爬升气缸推杆开始伸出时，连杆上面两个孔在水平方向上的投影的距离。 由上面研究可知，采用内径为25mm的爬升气缸，该爬升气缸的标准行程为 25mm、50mm、75mm、100mm等。考虑到爬升气缸要相对于连杆做摆动，因此气缸的形式选择为耳环一体基本型。 接下来以 50mm 作为气动爬杆机器人的基础步距 T，然后分两个不同的方面来进行研究连杆长度 a、气缸行程 S 对爬升机构性能的影响。 首先是研究连杆长度a、气缸行程s对爬升机构最小的力的传递系数 的影响。首选爬升机构的最小的力的传递系数的定义为当爬升气缸完全伸出时能够提供的向上的推力与爬升气缸推力的比值，这一比值不仅能反映出气动爬杆机器人的性能，而且该比值与气缸推力两个参数也同时决定了机器人的负载能力，对气动爬杆机器人的研究非常重要。 aS80 90 100 110 120 130 140 25 0.15 0.16 0.17 0.17 0.18 0.19 0.2050 0.310.340.35 0.36 0.