将机械信号转换为电信号直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。下面以直流电动机作为研究对象。直流电机结构直流电机由定子和转子两部分共同组成。在定子上装有固定磁极电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供，其转子由硅钢片重叠压制而成，儿转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，电枢绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图所示。直流电机工作原理直流电机电路模型如图所示，磁极间装着个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着个线圈。当线圈中流过电流时，线圈会受到电磁力作用，从而产生旋转运动。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受力方向也将会改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。图直流电动机电路模型直流电机主要技术参数直流电机的主要额定值有额定功率在额定电流和电压下，电机的负载能力。额定电压长期运行的最高电压。额定电流长期运行的最大电流。额定转速单位时间内的电机转动快慢。以为单位。励磁电流施加到电极线圈上的电流。直流电机调速原理直流电机转速直流电机的数学模型可用图表示，由图可见电机的电枢电动势的正方向与电枢电流的方向相反，为反电动势电磁转矩的正方向与转速的方向相同，是拖动转矩轴上的机械负载转矩及空载转矩均与相反，是制动转矩。图直流电机的数学模型根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式式中，为电枢回路电阻，电枢回路串联绕阻与电刷接触电阻的总和是外接在图滑块速度与摇杆的角加速度关系图从图中可以看出，在个周期内，滑块的移动速度和连杆摆角的角速度曲线和加速度曲线都比较平滑无拐点，没有出现不连续的点，整个机构模拟运动平稳，无抖动滑块连杆连接铰点的受力分析电机在旋转过程中，连杆对上连接件的力可分解为水平分力和垂直分力，垂直分力就是电机的提升力，水平分力对整个机构来说是有害的。电机旋转过程中，摇杆在铅垂方向的力即电机的提升力为在上式中，曲柄转角为自变量，摆角的相似模型，由此可以看出，除了是自变量以外，曲柄，连杆的长度也是影响电机提升力的因素，连杆的长度是由机器人的整体结构所决定，在定范围内是可以修改曲柄的长度来改变摇杆的提升力，曲柄越小，电机提升力越大。在此设计中必须满足凸轮的压力角，选择凸轮起点为提升力零点，所以这里机器人下并联盘形凸轮的升程角和回程角就很好的避开了提升力的零点问题。在电机旋转过程中，其水平分力公式为从上图中可以看出，在电机的旋转过程中，连杆对上连接件的水平分力对机器人是有害的，进过模拟后拟在上连接件上采用了双导向柱，这样就可以通过过定位的方式来消除这个有害的水平分离力。.凸轮机构的设计下机械手并联盘形凸轮机构设计根据工作要求选定凸轮机构形式凸轮机构是含有凸轮的种高副机构，也是种常用机构。凸轮式个具有曲面轮廓的构件，般多为原动件有时为机架当凸轮为原动件时，通常做等速连续转动或移动，而从动件则按预期输出特性要求作连续或间歇的往复摆动移动或平面复杂运动。经过建模可得出凸轮轮廓的最大为，同时机械手抓的摆动角度为，摆动距离约为.，摆动距离如下图所示图手抓张开简图对于凸轮机构从动件的最大位移为，凸轮机构的偏距，手抓在机器人的运动中只有夹紧和松弛两种状态，因此选定凸轮形式为等速运动规律，此种运动规律，即从动件在运动过程中速度为常数，即从动件手抓相对于机器人机架是静止的。图盘形凸轮上机械手移动凸轮设计下面为移动凸轮的具体尺寸图移动凸轮.机械手爪设计在攀爬杆状的城市建筑直径范围，机械手连接臂绕导杆摆动角度范围在以内，为了给机器人往城市杆状建筑上的顺利安装设计机械手连接臂导杆摆动角度范围为，同时考虑到电机在手抓平面上的尺寸，通过对杆的考察可得出机械手抓的大体尺寸如下图所示。图机械手抓简图机械手的长度大概为,采用铝合金材料厚度为左右，手抓的重量大概为.机械臂非线性分析机器人的关键部分如机械连接臂，对机器人的爬行具有很重要作用，在机器人爬行过程中，当机械手夹紧时，此时受力最大，机械臂变形最大，因此需对机械臂的变形绕度进行评估。通过计算机的模拟可知机械臂在铅垂方向上受力分析可简化为悬臂梁受力情形。机械手连接臂的截面如图所示为长方形其中。符号意义长方形截面对轴的惯性长方形截面对轴的抗弯截面系数长方形截面对轴的惯性半径长宽机械手连接臂横截面经过简化可近似为正方形的细长弯曲杆。长杆几何参数可简化为.长杆材料参数弹性模量泊松比.当机器人在杆状物上工作时，特别是在上机械手夹紧，下机械手松开状态时，机械手连.大齿轮的数值大。设计计算.综合分析考虑，取.,.,几何尺寸计算计算大端分度圆直径.,计算节锥顶距.大端齿顶圆直径齿宽.取.圆柱齿轮传动参数设计已知小齿轮的转速为.，大齿轮的转速.,传动比,.选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数.材料选择，小齿轮材料为调质，硬度为，大齿轮轮缘材料为钢调质，轮芯材料选用聚苯醚，轮缘硬度为，二者材料硬度相差。.选择小齿轮齿数，则.按齿面接触疲劳强度设计公式确定公式内的各计算值试选载荷系数计算小齿轮传递的转矩选取齿宽系数查得材料弹性影响系数。按齿面的硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳极限。计算应力循环次数小齿轮大齿轮查得接触批量寿命系数计算接触疲劳许用应力．计算试算小齿轮的分度圆直径，代入中的较小值得.计算圆周速度.计算齿宽.计算齿宽与齿高比模数齿高计算载荷系数根据.，级精度，可查得动载荷系数，.,查得查得使用系数.由.,查得所以。.按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径.计算模数按齿根弯曲疲劳强度设计公式确定公式内的各计算值查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度查得弯曲疲劳寿命系数计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数.，则，计算载荷系数.查取齿形系数查取应力校正系数计算大小齿轮的,并加以比较。，大齿轮的数值大。设计计算.综合分析考虑，取.得.,．几何尺寸计算分度圆直径.中心距.齿宽.，取，．验算假设成立，计算有效。数据整理.圆锥齿轮齿轮类型直齿圆锥齿轮,齿形角，顶高系数，顶隙系数，螺旋角，不变位。精度级，小齿轮材调质，大齿轮轮缘材料为钢调质，硬度分别为和。大端分度圆直径小齿轮，大齿轮节圆锥顶距.节圆锥角，大端齿顶圆直径，齿宽齿数，模数.下部机械臂摆动并带动机械手依次实现夹紧和放松的联动。图机构图以及机器人简图机器人的运动原理可分为以下几个部分在初始状态时，机器人下机械手夹紧，同时上机械手松开电机回转，驱带动曲柄及和曲柄固接在起的下并联盘形凸轮顺时钟转动，并推动下机械臂摆动，当下并联盘形凸轮转过升程角时，下机械手松开与此同时上移动凸轮向下走过空行程，在此过程上机械手抓紧，即状态.电机继续回转，此时机器人上机械手夹紧，下机械手开始松开，机器人下部被运动到极限位置，即状态.电机继续回转，当下并联盘形凸轮转过回程角时，下机械手夹紧与此同时上移动凸轮向上走过空行程，在此过程上机械手开始松开，即状态.电机继续回转，因为下机械手夹紧，上机械手松开，所以机器人上部在电机的提升推力下向上移动，当曲柄和连杆拉直共线时，机器人上部提升到极限位置，即状态从图中可以看出机器人每运行周上升次。图机器人运动周期图.电气控制系统设计考虑到机器人的驱动部分只有个电机，而机器人的在运动过程中只有加速，减速，停止，启动几个状态，因此只需对电动机进行控制即可。控制部分拟采用直流电机控制方案，在设计中采用单片机作为整个控制系统的核心，单片机在程序控制下不断给光电隔离电路发送波形在设计中，采用调速方式，通过改变的占空比来改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。直流电机控制系统的主要功能包括直流电机的加速减速和电机的正转和反转，并且同时可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。同时，还包括直流电机的直接清零启动置数暂停连续功能。该直流电机系统由以下电路模块组成振荡器和时钟电路这部分电路主要由单片机和些电容晶振组成。设计输入部分这模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分主要由单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分包括液晶显示部分和数码显示部分。液晶显示部分由液晶显示模块组成数码显示部分由七段数码显示管组成。直流电机控制实现部分主要由些二极管电机和直流电机驱动模块组成。图机器人电气控制图.小结该机器人在电机的驱动下能够实现上升和下降以及停止，同时也能够在运转过程中实现机器人的加速和减速的控制，机器人的整体结构主要通过曲柄滑块机构来实现联动，上下机械手通过曲柄滑块机构的联动来控制上下机械手的加紧和松开，同时直流电机通过单片机的控制转速，单片机与电机通过电机的驱动芯片连接，单片机控制驱动芯片输出的电枢电压来控制电机的转速。机械系统设计.减速机构设计根据已有条件确定传动方案为圆锥圆柱齿轮减速，原有条件为为保证机器人的移动速度，减速箱输出转速为，电机的额定转速为，因此减速箱的总传动比为，其运动简图如下图所示图运动简图由图可知，原动件为电动机，传动装置为减速器，减速器为展开式圆锥圆柱齿轮的二级传动传动装置的运动和动力参数计算电机的类型和结构根据选好的电动机可知该电机使用电压为直流电，其具体尺寸如第部分所示确定传动装置的总传动比和分配传动比总传动比为，按直齿轮圆柱齿轮传动比.，则计算传动装置的运动和动作业,功课,机器人,设计,毕业设计,全套,图纸摘要在市政工程中，有大量的安装及维修等工作需要爬杆作业。对于较粗的杆件，人工攀爬和工程车作业都比较方便，但是对于些直径较细，强度较小的杆件比如路灯杆等，人工攀爬较为困难。因此本文设计了爬杆机器人，可以在没有障碍的光杆上爬行，对人工攀爬较难的作业具有较大的现实意义。本文设计的爬杆机器人由曲柄滑块机构并联盘形凸轮机构移动凸轮机构以及上下机械手爪等组成，通过弹簧的预紧力来实现机器人手爪对杆的抱紧，通过曲柄滑块机构凸轮机构等实现攀爬动作，同时机器人只需个驱动源就能带动整个机器人的运动，能攀爬变直径的杆，工作简单可靠，运动灵活，可以广泛应用于各种高空作业。关键字爬杆机器人，变直径杆，夹紧，攀究内容.设计要求爬杆作业机器人总体方案设计.机械方案设计.电气控制系统设计.小结机械系统设计.减速机构设计.曲柄滑块机构设计.凸轮机构的设计.机械手爪设计.电动机选择电气控制.系统论述.直流电机单元电路设计与分析.直流电机控制系统的实现结论与展望参考文献致谢绪论.研究目的目前全国日益加快的现代化建设步伐随着我国经济的快速增长人民生活水平日益不断提高，城镇中随之矗立起无数的高层建筑，各类集实用性与美观性体的市政商业工程诸如电灯杆路灯杆大桥斜拉钢索广告牌立柱等，它们的直径通常在米，有的甚至高达百米，壁面多采用油漆电镀玻璃铜结构等，由于常年裸露在大气之中，风沙长年累月的积累会因此而形成灰尘层，酸类物质污染从而影响城市的美观，同时空气中混合的酸性物质也会对这些城市建筑特别是金属杆件