畢業(yè)設(shè)計(jì)鉤爪式爬壁機(jī)器人說明書

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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 鉤爪式爬壁機(jī)器人是一種能夠在垂直壁面上進(jìn)行高空作業(yè)的移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人。它屬于極限作業(yè)機(jī)器人的一種，可以將人從危險(xiǎn)的工作中解脫出來，是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外各種類型爬壁機(jī)器人現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與比較，論述了鉤爪式爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式、吸附方式、控制系統(tǒng)等。首先介紹了國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人研究現(xiàn)狀，闡明本課題研究的目的、意義。然后進(jìn)一步介紹了本爬壁機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)，同樣也要求設(shè)計(jì)出合理高效的爬行裝置，并在此基礎(chǔ)上著重闡述了爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)主要問題及其解決方法，機(jī)器人的控制系統(tǒng)必須具有操作簡(jiǎn)單、安全、可靠、高效、方便等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞:

2、爬壁機(jī)器人；鉤爪；移動(dòng)；粗糙壁面；發(fā)展趨勢(shì) Abstract The wall climbing robot of hook claw is a climbing robot can worked at height on the vertical wall of mobile service robots. It belongs to a robot of limit, Will work from the dangerous freed, currently, it is one of the hotspots where the f

3、ield of robotics research. Based on the current situation at home and abroad to conduct various types of wall-climbing robot system for analysis and comparison, discusses the wall climbing robot of hook claw’s mode, adsorption and control systems. Firstly, it is introduce that Research to the climbi

4、ng robot at home and abroad, clarify the purpose of the research, significance. And then further describes the overall structure of the wall-climbing robot, meanwhile it is also asked to design reasonable and efficient of crawling device, and in this basis, it is focused on the main problems and so

5、lutions for climbing robot control system, the robots control system must be simple, safe, reliable, efficient, and convenient. Keywords: wall-climbing robot; hook claw; rough wall; Development 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 1 1.1 本文研究的目的及意義 1 1.2 國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 1 1.2.

6、1 國(guó)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2.2 國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.2.3 爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 4 1.3 研究?jī)?nèi)容及研究方法 5 1.3.1 研究?jī)?nèi)容 5 1.3.2 研究方法 5 第2章 鉤爪式爬壁機(jī)器人方案設(shè)計(jì) 6 2.1 總體方案分析 6 2.1.1 本體系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 2.1.2 現(xiàn)存問題 7 2.1.3 本課題的開發(fā)具有以下優(yōu)點(diǎn) 8 2.2 機(jī)器人基本功能方案 8 2.2.1 抓附方案的選擇 8 2.2.2 移動(dòng)方案的選擇 9 2.3 總體方案性能分析 9 2.3.1 負(fù)載能力 9 2.3.2 機(jī)構(gòu)尺寸 10 2.3.3 移動(dòng)速度 10

7、 2.3.4 設(shè)計(jì)性能指標(biāo) 10 第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3.1 電機(jī)的選擇 11 3.1.1 試選電機(jī) 11 3.1.2 校核電機(jī) 12 3.1.3 聯(lián)軸器的選擇 12 3.2 滑桿的設(shè)計(jì)與校核 13 3.2.1 校核滑桿的抗彎強(qiáng)度 13 3.2.2 校核滑桿的抗拉強(qiáng)度 18 3.3 爪片的設(shè)計(jì) 19 3.3.1 彈簧的設(shè)計(jì) 19 3.4 銷的校核 20 3.5 面槽盤形凸輪的介紹 21 3.5.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 21 3.5.2 凸輪曲線的做法 21 3.5.3 理論輪廓曲線，工作廓線，基圓，根圓 22 3.5.4 從動(dòng)件的壓力角α 22 3.6 蝸輪蝸桿

8、的設(shè)計(jì)計(jì)算 23 3.6.1 選擇傳動(dòng)的類型和精度等級(jí) 23 3.6.2 選擇材料,確定許用應(yīng)力 23 3.6.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 23 3.6.4 蝸輪和蝸桿主要幾何尺寸計(jì)算 24 3.6.5 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 25 3.6.6 驗(yàn)算效率 26 3.6.7 精度等級(jí)公差和表面粗糙度的確定 26 3.7 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 26 3.7.1 軸的概述 26 3.7.2 軸的設(shè)計(jì)及其校核 27 3.7.3 軸的設(shè)計(jì) 29 3.8 平鍵連接（動(dòng)連接）校核計(jì)算結(jié)果 34 3.9 本章小結(jié) 34 結(jié) 論 35 參考文獻(xiàn) 36 致 謝 37 3

9、9 第1章 緒論 1.1 本文研究的目的及意義 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人已越來越多地進(jìn)入我們的生活領(lǐng)域，以機(jī)器人代替人類從事各種單調(diào)、重復(fù)、繁重、危險(xiǎn)以及有毒有害的工作是社會(huì)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)?，F(xiàn)代機(jī)器人一般分為兩大類：一類是工業(yè)機(jī)器人，主要指裝配、搬運(yùn)、焊接、噴漆等機(jī)器人。另一類是極限工作機(jī)器人，主要指在人難以到達(dá)的惡劣環(huán)境下代替人工作業(yè)的機(jī)器人。如：海底資源的勘測(cè)開發(fā)、空間人造衛(wèi)星的收發(fā)、戰(zhàn)場(chǎng)上的偵察和排險(xiǎn)、核放射場(chǎng)所的維護(hù)、高層建筑的壁面清洗、滅火救助等。作為極限作業(yè)機(jī)器人重要開發(fā)項(xiàng)目之一的壁面爬行機(jī)器人近些年來得到了蓬勃的發(fā)展，受到了人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾暋?

10、爬壁機(jī)器人有很多種，鉤爪式爬壁機(jī)器人是爬壁機(jī)器人中比較難攻克的難題，但較其他爬壁機(jī)器人有很多相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。目前研究的爬壁機(jī)器人主要通過真空吸附、磁吸附或粘性吸附來實(shí)現(xiàn)在垂直壁面上的爬行，在現(xiàn)實(shí)中，主要應(yīng)用于核工業(yè)、石化工業(yè)、建筑行業(yè)、造船業(yè)、消防部門及偵查活動(dòng)等。 這些鉤爪式爬壁機(jī)器人可以獨(dú)立完成大部分工作。但是通過真空吸附和磁吸附來實(shí)現(xiàn)在垂直壁面上爬行的機(jī)器人不能滿足在磚塊、水泥和巖石等多孔或粗糙垂直表面上的運(yùn)動(dòng)。鉤爪式爬壁機(jī)器人是爬壁機(jī)器人的一種，也是爬壁機(jī)器人在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要部分，它把地面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，可在垂直壁面上通過鉤爪固定，靈活的在垂直面爬行，并能攜

11、帶工具，代替人工在極限條件下完成一定的作業(yè)任務(wù)，大大擴(kuò)展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。鉤爪式爬壁機(jī)器人就可以避免吸附式的缺點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，它的應(yīng)用一定會(huì)取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 1.2 國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 1.2.1 國(guó)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部的西亮教授在1996年成功研制出第一個(gè)垂直壁面移動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)，該機(jī)器人利用電風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)的低壓作用作為吸附力，使機(jī)器人貼附在垂直壁面上。1975年他又采用單吸盤結(jié)構(gòu)制作出以實(shí)用化為目標(biāo)的第二代爬壁機(jī)器人樣機(jī)。 俄羅斯莫斯科機(jī)械力學(xué)研究所在1997年研制出的用于大型壁面和窗戶清洗作業(yè)的爬壁機(jī)器人也采用單吸盤結(jié)構(gòu)

12、。如圖1所示，該機(jī)器人利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生真空負(fù)壓來提供吸附力，吸盤腹部裝有4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，機(jī)器人可在壁面全方位移動(dòng)。 美國(guó)西雅圖的HenryRseemann在波音公司的資助下研制出一種真空吸附履帶式爬壁機(jī)器人“AutoCrawler”。其兩條履帶上各裝有數(shù)個(gè)小吸附室，隨著履帶的移動(dòng)，吸附室連續(xù)地形成真空腔而使得履帶貼緊壁面行走。 日本光榮公司研制了一種多吸盤爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人裝有兩組真空吸盤。機(jī)器人本體上自帶兩個(gè)真空泵、電池、控制系統(tǒng)和無線通訊系統(tǒng)。機(jī)器人一次充電可以工作約30min，工作范圍為距遙控天線10m以內(nèi)，最大行走速度為30cm／min，用于高大建筑物墻壁的檢測(cè)工作。 英國(guó)樸次茅斯工藝

13、學(xué)校在20世紀(jì)90年代初研制了一種多足行走式的爬壁機(jī)器人。采用模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)器人由兩個(gè)相似的模塊組成，每個(gè)模塊包括兩個(gè)機(jī)械腿和腿部控制器?？筛鶕?jù)任務(wù)需要來安裝不同數(shù)量的腿，可重構(gòu)能力強(qiáng)。機(jī)械腿采用仿生學(xué)機(jī)構(gòu)，模擬大型動(dòng)物臂部肌肉的功能，為兩節(jié)式，包括上、下兩個(gè)桿和3個(gè)雙作用氣缸，具有3個(gè)自由度。穩(wěn)定性好，承載能力大，利于機(jī)器人的輕量化，并能跨越較大的障礙物。除腿端部各有一真空吸盤外，機(jī)器人腹部設(shè)有吸盤，使機(jī)器人具有較大的負(fù)載質(zhì)量比，可達(dá)2：1：1。 日本東京工業(yè)大學(xué)研制了一種爬壁機(jī)器人“NINJA”，可在不同表面(地面、墻壁、天花板)上爬行并具有較高承載荷能力。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用腳部安裝有真空吸盤

14、的腿，腿部為3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，為機(jī)器人在壁面上行走提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力；踝部采用一種新的機(jī)構(gòu)mcp(Conduct—wire—drivenParaUelo-gram)用來調(diào)整踝部的姿態(tài)；并采用VM(Valve-regulatedMulti-pk)閥調(diào)節(jié)多腔式真空吸盤，使機(jī)器人在遇到粗糙、有裂縫的墻壁時(shí)仍有較高吸附效率。機(jī)器人尺寸500mm1800mm400mm，質(zhì)量45kg。 日本宮崎大學(xué)的Nishi教授研制出一種具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片的“飛行機(jī)器人”，利用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生的指向壁面的推力，使機(jī)器人與壁面間產(chǎn)生足夠的摩擦力，而使機(jī)器人能夠附著在壁面上。機(jī)器人裝有兩個(gè)56cc的內(nèi)燃機(jī)，速度為 0.5

15、m/s，質(zhì)量為20kg，可用于火災(zāi)搶險(xiǎn)等危險(xiǎn)作業(yè)。 美國(guó)密歇根州立大學(xué)研制了兩種雙足結(jié)構(gòu)的小型爬壁機(jī)器人，均采用真空吸附方式。機(jī)器人由一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，共5個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)。采用模糊控制方式，機(jī)器人外形尺寸為高80mm、寬50mm，質(zhì)量為450g。機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃采用了一種有限狀態(tài)機(jī)制來描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并以此為基礎(chǔ)建立了機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃規(guī)則。圖6b為具有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的雙足爬壁機(jī)器人。兩個(gè)機(jī)器人樣機(jī)均采用欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，減小了機(jī)器人的質(zhì)量和能耗。機(jī)器人可以在墻壁、天花板上爬行，以及在兩個(gè)表面之間過渡爬行，也可爬越管道一類的障礙物。 西班牙馬德里CSIC大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化研究所從

16、1990年自現(xiàn)在，剛研制出一種6足式爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人為磁吸附式，具有較大的靜載荷，目的是為了工業(yè)上的應(yīng)用。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制的采用人工合成干粘性材料的兩個(gè)爬壁機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)，該機(jī)制的粘性材料模仿壁虎腳掌的吸附機(jī)理，根據(jù)分子間范德華力的作用，采用特殊工藝制作而成?？稍诖蟛糠殖Ｒ姷墓饣诿娌牧仙衔健? 美國(guó)Case Western Reserve University研制的采用4個(gè)“腿輪”的爬壁機(jī)器人樣機(jī)。與前兩種機(jī)器人相似，該機(jī)器人依靠4個(gè)“腿輪”上的仿生粘性材料來吸附，與圖9所示樣機(jī)不同的是這4個(gè)腿輪上腳掌的特殊分布更有利于機(jī)器人在壁面上穩(wěn)定爬行。該機(jī)器人質(zhì)量?jī)H有87g。 1.2.2

17、國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 自1988年以來，在國(guó)家“863”高技術(shù)計(jì)劃的支持下，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附兩個(gè)系列的5種型號(hào)壁面爬行機(jī)器人我國(guó)研究的第一臺(tái)壁面爬行遙控檢測(cè)機(jī)器人，采用負(fù)壓吸附，全方位移動(dòng)輪，用于核廢液儲(chǔ)存罐罐壁焊縫缺陷檢測(cè)。1994年開發(fā)的用于高樓壁面清洗作業(yè)的爬壁機(jī)器人CLR—I，采用全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人在原地就可以任意改變運(yùn)動(dòng)方向。之后開發(fā)的CLR—II，采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式——同軸雙輪差速機(jī)構(gòu)，通過對(duì)兩輪速度的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位移動(dòng)，機(jī)器人本體和地面控制站之間采用電力線載波通訊方式。上述3款爬壁機(jī)器人均采用單吸盤結(jié)構(gòu)，彈簧氣囊

18、密封，保證了機(jī)器人具有較高爬行速度和可靠的附著能力。 1995年研制成功的金屬管防腐用磁吸附爬壁機(jī)器人，采用永磁吸附結(jié)構(gòu)，靠?jī)蓷l履帶的正反轉(zhuǎn)移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎牽引。該機(jī)器人可以為石化企業(yè)金屬儲(chǔ)料罐的外壁進(jìn)行噴漆、噴砂，以及攜帶自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)罐壁涂層厚度進(jìn)行檢測(cè)。1997年研制的水冷壁清洗、檢測(cè)爬壁機(jī)器人，呈圓弧形永磁吸附塊與罐壁圓弧相吻合，提高了吸附力，也提高了作業(yè)的效率。上海大學(xué)也較早開展高樓壁面清洗作業(yè)機(jī)器人的研究，先后研制出垂直壁面爬壁機(jī)器人和球形壁面爬壁機(jī)器人。該球形壁面爬壁機(jī)器人采用多吸盤、負(fù)壓吸附、6足獨(dú)立驅(qū)動(dòng)腿足行走方式，可用于不同曲率半徑的球形外壁面。 1996年以來，北京航空

19、航天大學(xué)先后研制成功WASH-MAN，CLEANBOT 1，SKYCLEAN，“吊籃式擦窗機(jī)器人”和“藍(lán)天潔寶”等幕墻清洗機(jī)器人樣機(jī)。吊籃式清洗機(jī)器人，依靠樓頂上的安全吊索牽引移動(dòng)，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓使機(jī)器人貼附在壁面上。近年來，上海交通大學(xué)也開展了爬壁機(jī)器人的研究。設(shè)計(jì)了一種自身無行走機(jī)構(gòu)而依靠壁面牽引實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)的壁面清洗機(jī)器人樣機(jī)， 1.2.3 爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 由于傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人具有很多的不足之處（如對(duì)壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強(qiáng)，跨越障礙物的能力弱，體積大，質(zhì)量重等），因此未來爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實(shí)用化的方向發(fā)展。 (1) 吸附裝置 最近幾年，美、英、俄等國(guó)的研究小

20、組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個(gè)秘密就是分子間的作用力—范德華力。范德華力是中性分子彼此距離非常近時(shí)產(chǎn)生的一種微弱電磁引力?？茖W(xué)家在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，壁虎腳趾上約有650萬根次納米級(jí)的細(xì)毛，每根細(xì)毛直徑約為200至500納米，約是人類毛發(fā)的直徑的十分之一。這些細(xì)毛的長(zhǎng)度是人類毛發(fā)直徑的2倍，毛發(fā)前端有100～1000個(gè)類似樹狀的微細(xì)分枝，每分枝前端有細(xì)小的肉趾，這種精細(xì)結(jié)構(gòu)使得細(xì)毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產(chǎn)生分子引力。雖然每根細(xì)毛產(chǎn)生的力量微不足道，但累積起來就很可觀。根據(jù)計(jì)算，一根細(xì)毛能夠提起一只蟻的重量，而一百萬根細(xì)毛雖然占地不到一個(gè)小硬幣的面積，但可以提起二十公斤力的重量。如

21、果壁虎腳上650萬根細(xì)毛全部附著在物體表面上時(shí)， 可吸附住質(zhì)量為133千克的物體，這相當(dāng)于兩個(gè)成人的質(zhì)量?？茖W(xué)家說，壁虎實(shí)際上只使用一個(gè)腳，就能夠支持整個(gè)身體。從壁虎腳的附著力得到的啟示可用于研制爬壁機(jī)器人。 在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用類比，模擬和模型方法，通過高分子材料化學(xué)，工程材料科學(xué)，力學(xué)和機(jī)械學(xué)的交叉研究，探索出一種與壁虎腳趾表面結(jié)構(gòu)相近的，經(jīng)物理改進(jìn)的極性高分子材料（人造壁虎仿生腳干性粘合劑），并應(yīng)用精密微機(jī)械加工的手段，設(shè)計(jì)并制作模擬壁虎腳趾的吸附裝置，該吸附裝置將適應(yīng)于各種材質(zhì)（如玻璃，粉墻和金屬等）和任意形狀的表面（如平面，柱面，弧面和拐角等）。

22、這種裝置如果研制成功將使爬壁機(jī)器人的實(shí)用化邁出堅(jiān)實(shí)的一大步。 (2) 移動(dòng)方式 在移動(dòng)機(jī)器人中，輪式和履帶式移動(dòng)方式已獲得廣泛的應(yīng)用，但是足式移動(dòng)方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點(diǎn)。足式移動(dòng)方式的機(jī)器人可以相對(duì)較容易地跨過比較大的障礙 （如溝、坎等），并且機(jī)器人的足所具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強(qiáng)。足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟壁面接觸的面積小，可以在可達(dá)到的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運(yùn)動(dòng)靈活，適應(yīng)于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結(jié)構(gòu)將在爬壁機(jī)

23、器人上有著較好的應(yīng)用前景。 (3) 驅(qū)動(dòng)設(shè)備 傳統(tǒng)伺服電機(jī)因功率重量比低，必須安裝在遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)的地方，而且電機(jī)高速運(yùn)行后需有減速齒輪來降低速度，致使傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)累贅，不能滿足實(shí)用化的要求，為此需要研制利用功能材料構(gòu)成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機(jī)。 (4) 能源問題 迫切的需要探索出一種新的能源，體積小、供電性能強(qiáng)的電池，或者通過遙控途徑對(duì)機(jī)器人提供能量和控制信號(hào)。目前國(guó)內(nèi)外正對(duì)此進(jìn)行積極研究，這方面日本取得了較大的成果。日本已經(jīng)較為成功的將微波技術(shù)應(yīng)用到一臺(tái)無線機(jī)器人上，該技術(shù)成功的應(yīng)用將會(huì)使爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍得到較大的擴(kuò)展。 1.3 研究?jī)?nèi)容及研究方法 1.3

24、.1 研究?jī)?nèi)容 （1）根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)要求，設(shè)計(jì)出適合鉤爪式爬壁機(jī)器人攀爬垂直墻壁的鉤爪，設(shè)計(jì)合適的鉤爪結(jié)構(gòu)及尺寸，鉤爪的形狀和數(shù)目等。合理的設(shè)計(jì)連接鉤爪支撐架的擺動(dòng)連桿連接處等部件。 （2）通過對(duì)鉤爪式爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究，確定機(jī)器人的爬行速度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的關(guān)系。 （3）設(shè)計(jì)鉤爪式爬壁機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)及安全裝置。 1.3.2 研究方法 （1）深入調(diào)查研究，了解目前鉤爪式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，理解其工作原理； （2）通過查閱相關(guān)資料和深入學(xué)習(xí)，制定鉤爪式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案； （3）實(shí)施鉤爪式爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)：包括相關(guān)零部件的選擇（抽風(fēng)機(jī)的選擇）和擺動(dòng)兩岸的設(shè)計(jì)。

25、 第2章 鉤爪式爬壁機(jī)器人方案設(shè)計(jì) 2.1 總體方案分析 欲使機(jī)器人在壁面上自由地移動(dòng)，必須具備兩種功能:抓附功能與移動(dòng)功能。抓附方式通過鉤爪抓取粗糙傾斜壁面；通過自身重力使機(jī)器人對(duì)墻面有一個(gè)正壓力，應(yīng)用一組鉤爪抓取壁面，使自身固定在上面。再通過另一組鉤爪的間歇運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)爬壁運(yùn)動(dòng)。 在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)考慮機(jī)器人的用途，因?yàn)椴煌挠猛?，移?dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是不同的。此外，還應(yīng)考慮機(jī)器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費(fèi)用等。 設(shè)計(jì)這種爬壁機(jī)器人，它的工作對(duì)象為粗糙的傾斜壁面。機(jī)器人要求有一定的承載能力、接觸面積小、速度適中，適應(yīng)能

26、力強(qiáng)。通過比較各種方案，設(shè)計(jì)了一種連桿機(jī)構(gòu)爬行結(jié)構(gòu)形式，這是一種新穎的爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案能基本滿足我們?cè)O(shè)定的工作狀況。在爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)中用連桿機(jī)構(gòu)爬行具有很多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)，控制簡(jiǎn)便，還可以根據(jù)使用要求，作各種變形設(shè)計(jì)，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。 2.1.1 本體系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)以上的總體結(jié)構(gòu)方案，結(jié)合鉤爪式爬壁機(jī)器人工作環(huán)境特點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1： 圖2-1樣機(jī)結(jié)構(gòu) 動(dòng)力部分由小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了獲得所需要的速度，在電機(jī)前面加了蝸輪蝸桿減速器，防止機(jī)器人在爬壁過程中出現(xiàn)由于突然斷電等原因引起的不穩(wěn)定因素。根據(jù)杠桿原理，起到了很好的自

27、鎖作用，整個(gè)機(jī)器人采用45號(hào)鋼材料，在減輕自身重量的情況下最大程度獲得很高的強(qiáng)度和剛度。 2.1.2 現(xiàn)存問題 國(guó)際上對(duì)爬壁機(jī)器人的研究已經(jīng)有了幾十年的歷史，也研究出了各種各樣的樣機(jī)或產(chǎn)品，總體起來看，爬壁機(jī)器人人還存在著如下一些問題： 第一，運(yùn)動(dòng)靈活性與吸附能力的矛盾。一般要求爬壁機(jī)器人攜帶一定重量的負(fù)載，這就要求它具備可靠、穩(wěn)定的性能，但這一要求得到滿足的同時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度、靈活性、對(duì)壁面的適應(yīng)能力必須會(huì)受到不同程度的影響。 第二，集成化與可靠性的矛盾。從實(shí)用角度說，人們當(dāng)然希望機(jī)器人有較高的集成度，又有較高的可靠性，但是，鄭重說法只是理論上成立，現(xiàn)實(shí)中不能完美結(jié)合。這一矛盾有賴于新

28、型能源的開發(fā)和無線通訊技術(shù)的發(fā)展。 第三，智能化問題。就爬壁機(jī)器人的現(xiàn)狀來說，智能化不盡如人意，這里的智能化主要是指對(duì)環(huán)境的自主適應(yīng)能力，自動(dòng)壁障能力，自動(dòng)糾錯(cuò)能力等等。影響這些能力的關(guān)鍵是傳感技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展。 第四，通用化合產(chǎn)業(yè)化問題。目前，研制的爬壁機(jī)器人大都是針對(duì)某一種工作要求面設(shè)計(jì)的，對(duì)壁面材料和形貌的依賴性比較大，很難具有普遍的適用性。另外，正式由于通用性和可靠性的限制，爬壁機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化道路始終走的比較緩慢，這也是爬壁機(jī)器人在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)所面臨的問題之一。 2.1.3 本課題的開發(fā)具有以下優(yōu)點(diǎn) （1）克服了傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人真空系統(tǒng)復(fù)雜、噪音大、吸附輔助時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)

29、，創(chuàng)新性的提出了鉤爪鉤取抓附；該機(jī)構(gòu)具有耗能小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，鉤取和脫離快速，平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，噪音也比較小。并在試驗(yàn)中取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。 （2）采用軸、推理軸承、蝸輪蝸桿等標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，可靠。加快了機(jī)器人的應(yīng)用開發(fā)。 （3）在研究動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上開發(fā)的壁面規(guī)劃項(xiàng)目，可以成功實(shí)現(xiàn)預(yù)期爬行，又壁面控制系統(tǒng)的復(fù)雜。 2.2 機(jī)器人基本功能方案 2.2.1 抓附方案的選擇 應(yīng)用在帕比機(jī)器人領(lǐng)域比較成熟的吸附方式主要有三種，即真空吸附、永磁吸附和電磁吸附，但都有相應(yīng)的缺點(diǎn)。 中空吸附是依靠真空吸盤將機(jī)器人本體吸附于壁面，其特點(diǎn)是壁面必須光滑，當(dāng)壁面有裂縫或者凹凸不平時(shí)，容易造

30、成吸盤漏氣，吸附力降低。嚴(yán)重的會(huì)使機(jī)器人從壁面剝離，要是想完美實(shí)現(xiàn)難度較高。突然停電、斷電或輸送氣管等的故障均可使機(jī)器人從壁面剝落。 磁吸附包括永磁式和電磁式兩種，依靠磁力吸附于壁面。但要求壁面是磁性金屬。這個(gè)條件限制其應(yīng)用范圍。但是它的吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附，對(duì)壁面適應(yīng)能力較強(qiáng)。 我們要求爬行的壁面為傾斜且粗糙度很大的壁面，最好是砂石壁面，像我們學(xué)校的一號(hào)寢室樓的那種，所以，以上兩種吸附方式均不可。 我們?cè)O(shè)計(jì)的方案是鉤爪抓附方案，每個(gè)爪子上有一個(gè)爪框和三片爪片，爪片上有爪尖，移動(dòng)時(shí)通過擺動(dòng)連桿的擺動(dòng)，使兩組鉤爪相互交錯(cuò)上下運(yùn)動(dòng)，爪尖抓附壁面，使機(jī)器人爬行。 綜合以上原因，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的

31、方案為鉤爪抓附，這樣的機(jī)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 穩(wěn)定性好。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； (2) 與機(jī)器人合為一體，擴(kuò)大了工作范圍； (3) 能源消耗少，減輕機(jī)器人自重； (4) 適應(yīng)機(jī)器人爬行壁面的結(jié)構(gòu)和材料； (5) 運(yùn)動(dòng)速度快，提高工作效率 2.2.2 移動(dòng)方案的選擇 爬壁機(jī)器人主要的移動(dòng)方式可分為：車輪式、履帶式、腳步行式等。其原理和特點(diǎn)如下： （1） 車輪式 原理：配置多個(gè)輪子，每個(gè)輪子有電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 特點(diǎn)：移動(dòng)速度較快，便于控制，接觸地面面積小，維持一定的摩擦力較為困難。 （2） 履帶式 原理：有電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)無軌道履帶 特點(diǎn)：著地面積大，對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)，體積較大 （3） 腳步

32、行式 原理：通過與多個(gè)腳的反復(fù)吸附與脫落來進(jìn)行移動(dòng) 特點(diǎn)：移動(dòng)困難，移動(dòng)速度慢，帶載能力強(qiáng) 為了克服傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的性能限制，人們又研制出了其他一些形式的機(jī)器人。如：飛行形式，繩索牽動(dòng)形式等，但這些還處于實(shí)驗(yàn)階段。 根據(jù)我們面臨的條件，粗糙的傾斜壁面，吸附機(jī)構(gòu)為鉤爪抓取，如果用履帶式和車輪式不能與鉤爪機(jī)構(gòu)相互配合，就算配合了也比較勉強(qiáng)，多此一舉，既浪費(fèi)資源，又沒有用處。所以我們選用鉤爪直接支撐壁面，帶動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，這種移動(dòng)方案比較新穎，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，雖然還不盡善盡美，但也滿足了我們的要求。 2.3 總體方案性能分析 對(duì)鉤爪式爬壁機(jī)器人的基本要求是，能夠在粗糙的傾斜壁面上平穩(wěn)可靠的移

33、動(dòng)，并成功的完成任務(wù)，因此，機(jī)器人應(yīng)滿足以下若干性能要求。 2.3.1 負(fù)載能力 按照模塊化設(shè)計(jì)的思想，鉤爪式爬壁機(jī)器人本體是各種功能模塊的載體，在本體上安裝不同的模塊，就可以實(shí)現(xiàn)多樣的功能，如檢測(cè)、檢修、噴漆、除銹等等。為此，要求機(jī)器人具備一定的負(fù)載能力。如果按照工作機(jī)構(gòu)的平均重量在1.5kg左右，如果再考慮附屬機(jī)構(gòu)、電源線、信號(hào)線等重量，機(jī)器人負(fù)載能力應(yīng)該在3kg左右，當(dāng)然，這個(gè)負(fù)載并不包括機(jī)器人自重。 2.3.2 機(jī)構(gòu)尺寸 一方面，機(jī)器人要順利地出入各種復(fù)雜壁面結(jié)構(gòu)，而要出入各種壁面的復(fù)雜地形只能通過機(jī)器人的自身變形。綜上所述，設(shè)定機(jī)器人的尺寸約為460x350x240mm。

34、2.3.3 移動(dòng)速度 移動(dòng)速度的設(shè)定主要取決于高效性和安全性來年各個(gè)安全因素來考慮，在考慮安全因素和電機(jī)功率限制的條件下，機(jī)器人的移動(dòng)速度V平=0.06m/s 2.3.4 設(shè)計(jì)性能指標(biāo) （1）最大尺寸：460x350x250mm （2）)機(jī)器人自重：≤2.5kg （3）機(jī)器人負(fù)載能力≤5kg （4）移動(dòng)速度2—8m/min 第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 電機(jī)的選擇 根據(jù)鉤爪式爬壁機(jī)器人的爬行速度與本身的重量，確定電機(jī)的功率為小功率電機(jī)。 3.1.1 試選電機(jī) 選取機(jī)座型號(hào)為代號(hào)50的電機(jī) 功率W=0.

35、04kW，電流I=0.22A，轉(zhuǎn)速n=1400r/min，效率為η=50%。 根據(jù)以上數(shù)據(jù)算出： =136.4Nm P3=4050%=0.02kW 功率太小，不足以帶動(dòng)機(jī)器人順利爬行，隨意要重新選擇電機(jī)。 再次選取機(jī)座型號(hào)為代號(hào)A02-5624的小功率電機(jī) 功率W=0.09kW，轉(zhuǎn)速r=1400r/min，效率為η=58%。 根據(jù)以上數(shù)據(jù)算出： P1=9058%=0.0522kW P2=9058%=0.0522kW P1= P2=0.0522kW P1——電機(jī)傳遞的功率，單位為kW； P2——蝸桿傳遞的功率，單位為kW； P3——蝸輪傳遞的功率，單位為kW

36、； P4——凸輪傳遞的功率，單位為kW； n1——電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min； n2——蝸桿的轉(zhuǎn)速，單位為r/min； n3——蝸輪的轉(zhuǎn)速，單位為r/min； n4——凸輪的轉(zhuǎn)速，單位為r/min； 3.1.2 校核電機(jī) 凸輪每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)64mm 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，作用在導(dǎo)軌上的力為300N 所以，凸輪作用在擺動(dòng)連桿上的力為600N = = =98% 解得： =0.0367kW P2/η= P1 解得： P1=0.079kW＜0.09

37、kW 電機(jī)滿足我們的要求，可以選用。 3.1.3 聯(lián)軸器的選擇 彈性聯(lián)軸節(jié)的選擇： 以下選擇連軸器的型號(hào)。計(jì)算轉(zhuǎn)矩，考慮到轉(zhuǎn)矩變化應(yīng)取，則 Nm 77.59Nm 根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩，查文獻(xiàn)[18]，選用TL 4型，半聯(lián)軸器的孔徑直徑為14mm 3.2 滑桿的設(shè)計(jì)與校核 3.2.1 校核滑桿的抗彎強(qiáng)度 兩根滑桿選擇的材料為45號(hào)鋼 桿1：長(zhǎng)x寬x高=588x30x30mm 桿2：長(zhǎng)x寬x高=510x30x30mm 比較兩桿，桿1與桿2相比，桿1比桿2長(zhǎng)78mm，所以桿1沒有桿2穩(wěn)固，又因?yàn)闂U1和桿2的運(yùn)動(dòng)形式相同，受到的載荷也相同，因此，只要校核桿1的強(qiáng)度即可，如果桿

38、1滿足條件，桿2也相應(yīng)的滿足，如果桿1不滿足，則校核之后再校核桿1，設(shè)計(jì)完成在校核，知道滿足所要求即可。 構(gòu)如圖3-1: 圖3-1 桿1的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 桿2的形狀與桿1相同，長(zhǎng)度短78mm 已知：機(jī)器人的重量為 m1=25kg 負(fù)載情況為 m2=5kg G1=m1g=250N/kg G2=m2g=50N G=G1G2=300N 當(dāng)機(jī)器人在水平面上爬行時(shí)，滑桿受到的剪切力與彎矩最大，只要校核這一極限位置即可校核剪切力與彎矩。 桿1的受力情況如圖3-2： 圖3-2 桿1的受力情況 桿1的運(yùn)動(dòng)情況有兩種，一種在最下面，另一種情況

39、在嘴上面，這兩種情況是桿1受到的兩種極限位置，校核這兩個(gè)位置即可。 （1）桿1運(yùn)動(dòng)到最下面的位置時(shí) L1185mm L2403mm FAFB 0 0 FB(L1L2) L20 FB=15047.2N FA150 47.2102.8N 如圖（1） FA FS10 FS1102.8N 0 MS1 FAX10 MS1102.8 X1 如圖（2） FA FB2 0 FB2150 102.847.2N 0

40、 MS2(X2 L1) FAX20 MS2 (FA )X2L1= 47.2X2150L1 MMAX13.878Nm FMAX102.8N 剪力圖、彎矩圖如圖3-3： 圖3-3 剪力彎矩圖 滑桿的截面為實(shí)心矩形 最大正應(yīng)力 正應(yīng)力不僅與M有關(guān)，而且也和截面的形狀和尺寸有關(guān)，實(shí)心與空心也有很大的關(guān)系。 所以，引用 W---抗彎截面系數(shù) 1. 當(dāng)截面為矩形時(shí) 截面的高為h，截面的寬為b。

41、 2. 截面為圓形時(shí) 根據(jù) (a) MMAX=13.878 Nm (b) W= (c) 根據(jù)（a）（b）（c）得： 所以滑桿在最下面的位置滿足條件。 （2）桿1運(yùn)動(dòng)到最上面的位置時(shí) L1249mm L2339mm FA1FB1 0 0 FB1(L11L21) L210 FB1150=15063.5N FA1150 63.586.5N 如圖（3） FA1 FS10 FS186.5N

42、 0 MS1 FA1X10 MS186.5 X1 如圖（4） FA1 FB1 0 FB1=86.5 150 63.5N 0 MS2(X2 L11) FA1X20 MS2 (FA1 )X2L1 63.5X2L1 MMAX21.54Nm FMAX86.5N 如圖3-4： 圖3-4剪力圖、彎矩圖 滑桿的截面為實(shí)心矩形 最大正應(yīng)力 正應(yīng)力不僅與M有關(guān)，而且也和截面的形狀和尺寸有關(guān)，實(shí)心

43、與空心也有很大的關(guān)系。 所以，引用 W---抗彎截面系數(shù) 3. 當(dāng)截面為矩形時(shí) 截面的高為h，截面的寬為b。 4. 截面為圓形時(shí) 根據(jù) (d) MMAX=13.878 Nm (e) W= (f) 根據(jù)（d）（e）（f）得： 所以滑桿在最上面的位置也滿足條件。 桿2無需校核，同樣滿足條件。 3.2.2 校核滑桿的抗拉強(qiáng)度 當(dāng)機(jī)器人爬垂直墻壁

44、時(shí)，滑桿受到的拉應(yīng)力最大，所以校核該運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即可。 每根滑桿受到的拉應(yīng)力為不小于G 根據(jù)： ----抗拉強(qiáng)度 S-----截面面積 F ----截面受到的拉應(yīng)力 因?yàn)闄C(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有一根滑桿與壁面接觸，所以，每根桿受到的力一定要大于G。 3.3 爪片的設(shè)計(jì) 一個(gè)滑桿上連接4只爪子，一個(gè)滑桿受到N的力，一個(gè)爪子受到N的力，一個(gè)爪子上有3個(gè)爪片，所以，每個(gè)爪片受到N的力。 還是以垂直墻面為例，這是一個(gè)極限位置，只要滿足這個(gè)條件，其他都可以實(shí)現(xiàn)。 所以滿足條件。 鉤爪的結(jié)構(gòu)圖3-5: 圖3-5 鉤爪的結(jié)構(gòu) 3.3.1 彈簧的設(shè)計(jì) 在本機(jī)器

45、人中，彈簧的作用很重要，機(jī)器人能否可靠的傾斜墻壁上爬行取決于彈簧的壓縮力。由于此機(jī)器人鉤爪所承受的載荷不是很大，在滿足最小彈簧力的條件下，選用材料最細(xì)，中徑最大的彈簧，這樣就可以保證壓縮力的前提下設(shè)計(jì)出來的彈簧圈數(shù)盡可能的多，也就可以保證彈簧在壓緊時(shí)，最大壓力盡可能的小。 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新編軟件版）里的彈簧計(jì)算公式，得出：安裝載荷(要求) F1=0.62 (N)，安裝高度 H1=35 (mm)，工作載荷(要求) F2=1 (N)，工作行程 h=2 (mm)，要求剛度 k=0.19 (N/mm)，載荷作用次數(shù) N=10000 (次)，載荷類型 NType=Ⅱ類。 機(jī)器人工作時(shí)，彈簧受到的

46、最小力,受到的最大力為。 內(nèi)徑： 外經(jīng)： 節(jié)距： 有效圈數(shù)：n=15mm 3.4 銷的校核 銷的受力如圖3-6： 圖3-6 銷的受力圖 材料為45號(hào)鋼 F=12.5N d=8mm 列平衡方程：F-2FS=0 FS= 強(qiáng)度滿足要求。 3.5 面槽盤形凸輪的介紹 3.5.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 如圖3-7 圖3-7 凸輪的結(jié)構(gòu) 3.5.2 凸輪曲線的做法 （1）選定最小尺寸 OG=OA=OB=50mm; OD=82mm; （2）從動(dòng)件從A點(diǎn)移動(dòng)到D點(diǎn)的位置，升距為h=32mm。 （3）凸輪按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 （4）凸輪以

47、低速順時(shí)針方向轉(zhuǎn)76o時(shí)，上升h=32mm，再轉(zhuǎn)28o時(shí)，保持上升到位移32mm的位移不變，之后再旋轉(zhuǎn)76o時(shí)，下降至原來的位置，最后經(jīng)過180o時(shí)，在原來的位置停歇。 任選 =EC=30mm 由= =EC=30mm 解得：R=57.6mm ==50+57.6=107.6mm =15mm ——滾子半徑，單位為mm； 最小曲率半徑> ，所以設(shè)計(jì)的合理。 3.5.3 理論輪廓曲線，工作廓線，基圓，根圓 圓弧為“理論輪廓曲線”或“節(jié)線”。用最小半徑 =OA的圓為“基圓”。節(jié)線圓弧中的和D為相鄰圓弧的切點(diǎn)，由于切點(diǎn)上，故這個(gè)凸輪用于低速旋轉(zhuǎn)。滾子從動(dòng)件在節(jié)線上取圓心

48、，滾子半徑為 =15mm，用滾子半徑作一系列圓，圓族的包絡(luò)線即為凸輪廓線或者稱“工作廓線”；用廓線上的最小半徑OA作圓，所作的圓稱為“根圓”。 （1）推程階段：α1=76 （2）遠(yuǎn)休止階段：α2=28 （3）回程階段：α3=76 （4）近休止階段：α4=180 3.5.4 從動(dòng)件的壓力角α 從動(dòng)件受力點(diǎn)的力方向與速度方向之間的夾角（＜180）稱為從動(dòng)件的“壓力角”，以α表示。根據(jù)凸輪的簡(jiǎn)圖可以算出，αmax≤[α] 3.6 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 普通圓柱蝸桿傳動(dòng), 已知：蝸桿

49、輸入功率 =52.2kW，轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比i=25，雙向轉(zhuǎn)動(dòng), 載荷平穩(wěn)，輕微沖擊,要求使用壽命5年。 3.6.1 選擇傳動(dòng)的類型和精度等級(jí) 考慮到傳遞功率不大，轉(zhuǎn)速低，選用漸開線蝸桿（ZI），GB10089～88 3.6.2 選擇材料,確定許用應(yīng)力 蝸桿：45號(hào)鋼，要求表面淬火，淬火后的硬度為硬度45---55HRC， 蝸輪：鑄錫青銅ZCUSN10P1，金屬模鑄造，查機(jī)械設(shè)計(jì)第八版，由西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室 編著。 3.6.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 根據(jù)蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒輪接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，由式（1），傳動(dòng)中心距

50、 （1） （1）確定作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩T2 根據(jù)=2，估計(jì)渦輪效率=0.8，則 （2）確定載荷系數(shù)K 去載荷分布不均勻系數(shù)=1.5，選取選用系數(shù)=1.15，去動(dòng)載荷系數(shù)=1。則 （3）確定彈性影響系數(shù) （4）確定彈性系數(shù) 設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和傳動(dòng)中心距a的比值，因此=2.9 （5）確定許用接觸應(yīng)力 根據(jù)渦輪蝸桿材料為ZCuSn10P1，金屬模制造，蝸桿螺旋齒面硬度＞45HRC，查得渦輪的基本許用應(yīng)力=268MPa 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 壽命系數(shù)

51、 許用應(yīng)力 （6）計(jì)算中心距 =38.92mm 取中心距a=50mm，i=25， 因此m=1.6，蝸桿分度圓直徑d1=20mm，查機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖11-18可查得接觸系數(shù)=2.7 因?yàn)?，因此，以上結(jié)果可用。 3.6.4 蝸輪和蝸桿主要幾何尺寸計(jì)算 (1)蝸桿 蝸桿分度圓直徑 蝸桿軸向齒距 Pa=πm=3.141.6=5.024mm 蝸桿直徑系數(shù) 蝸桿齒頂圓直徑 蝸桿齒根圓直徑 蝸桿導(dǎo)程角 蝸桿導(dǎo)程

52、 蝸桿軸向齒厚 (2) 蝸輪 渦輪齒數(shù)51，變位系數(shù)-0.5； 驗(yàn)算傳動(dòng)比i=51/2=25.5； 傳動(dòng)比誤差0.5/25=2%，是允許的。 蝸輪分度圓直徑 蝸輪喉圓直徑 蝸輪齒根圓直徑 渦輪咽喉母圓半徑 3.6.5 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 (1) 計(jì)算蝸桿導(dǎo)程角 (2) 計(jì)算蝸輪當(dāng)量齒數(shù) 　 (3) 確定齒形系數(shù)　 根據(jù),,查機(jī)械設(shè)計(jì)教材，從文獻(xiàn)[14]中查得. (4) 確定螺旋角系數(shù)　 (5) 校核彎曲強(qiáng)度

53、 彎曲強(qiáng)度滿足要求。 3.6.6 驗(yàn)算效率 已知r= =11.9o；ψ=arctanfv，fv與相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)Vs有關(guān) Vs=0.06m/s 從機(jī)械設(shè)計(jì)書上查得： fv=0.0204， ψ=1.1687 解得 η=0.86=86% 大于原估計(jì)值，不用重復(fù)計(jì)算。 3.6.7 精度等級(jí)公差和表面粗糙度的確定 考慮到所設(shè)計(jì)的蝸桿傳動(dòng)式動(dòng)力傳動(dòng)，屬于通用機(jī)械減速器，從GB/T10089-1988圓柱蝸桿、渦輪精度中選擇8等級(jí)精度，側(cè)隙種類為f，標(biāo)注為8f GB/10089-1988。然后由有關(guān)手冊(cè)查得要求

54、的公差項(xiàng)目及表面粗糙度，此處從略。 3.7 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.7.1 軸的概述 １、軸的用途 軸是組成機(jī)器的主要零件之一。一切作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)零件，都必須安裝在軸上才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力的傳遞。因此軸的主要功用是支承回轉(zhuǎn)零件及傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。 ２、軸設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 軸的設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力計(jì)算兩方面的內(nèi)容。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會(huì)增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。 軸的工作能力計(jì)算指的是軸的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性等到方面的計(jì)算。多數(shù)

55、情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強(qiáng)度。這時(shí)只需對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以防止斷裂或塑性變形。而對(duì)剛度要求高的軸和受力大的細(xì)長(zhǎng)軸，還應(yīng)進(jìn)行剛度計(jì)算，以防止工作時(shí)產(chǎn)生過大的彈性變形。對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算，以防止發(fā)生共振而破壞。 軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。由于碳鋼比合金鋼價(jià)廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，同時(shí)也可以用熱處理或化學(xué)熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，故采用碳鋼制造軸尤為廣泛，其中最長(zhǎng)用的是45鋼。 3.7.2 軸的設(shè)計(jì)及其校核 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。 １、擬定軸上零件的裝配方案 擬定軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，它決定著

56、軸的基本形式。所謂裝配方案，就是預(yù)定出軸上方根零件的裝配方向，順序和相互關(guān)系。 ２、軸上零件的定位 為了防止軸上零件受力時(shí)發(fā)生沿軸向或周向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，軸上零件除了有游動(dòng)或空轉(zhuǎn)的要求者外，都必須進(jìn)行軸向和周向定位，以保證其準(zhǔn)確的工作位置。 (1) 零件的軸向定位 軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、軸端擋圈和圓螺母等來保證的。軸肩分為定位軸肩和非定位軸肩兩類。利用軸肩定位是最方便可靠的方法，但采用軸肩就必然會(huì)使軸的直徑加大，而且軸肩處將因截面突變而引起應(yīng)力集中。因此，軸肩位多用于軸向力較大的場(chǎng)合。定位軸肩的高度h 一般取為h=（0.07～0.1）d, d 為與零件相配處的軸的直徑，單位為m

57、m。流動(dòng)軸承的定位軸肩高度必須低于軸承內(nèi)圈端面的高度，以便拆卸軸承。非定位軸肩是為了加工和裝配方便而設(shè)置的，其高度一般取為1～2mm。 (2) 零件的徑向定位 徑向定位的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。常用的徑向定位零件鍵、花鍵、銷、緊定螺釘以及過盈配合等。 3、軸的強(qiáng)度計(jì)算 軸的計(jì)算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求，必要時(shí)還應(yīng)校核軸的振動(dòng)穩(wěn)定性。 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算： 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為: （3-5） 式中 ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力單位為MPa； T——軸所受的扭矩，單位為Nm； ——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為mm3； n—

58、—軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min； P——軸傳遞的功率，單位為kW； d——計(jì)算截面處軸的直徑，單位為mm； ——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa。 由上式可得軸的直徑 d≥ （3-6） 式中 A= , 對(duì)于空心軸，則 （3-7） 式中 , 即空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d之比，通常取=0.5～0.6。 應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)軸截面上開有鍵槽時(shí)，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱。對(duì)于直徑d＞100mm的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大3﹪；有兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)

59、增大7﹪.對(duì)于直徑d≤ 100mm的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大5%～7﹪；有兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大10%～15﹪.然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算 作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖（即力學(xué)模型） 在作計(jì)算簡(jiǎn)圖時(shí)，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)把空間力分解為圓周力，徑向力和軸向力，然后把它們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上），并將其分解為水平分力和垂直分力。然后求出各支承處的水平反力和垂直反力。 作出彎矩圖 根據(jù)上述簡(jiǎn)圖，分別按水平面和垂直平面計(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計(jì)算結(jié)果分別作出平面上彎矩 和垂直面上的彎矩；然后按下式計(jì)算總彎矩并作出M圖；

60、　 （3-8） 作出扭矩圖 校核軸的強(qiáng)度 已知軸的彎矩和扭矩后，可針對(duì)某些危險(xiǎn)截面作彎扭合成強(qiáng)度校核計(jì)算。按第三強(qiáng)度理論，計(jì)算應(yīng)力 （3-9） 對(duì)于直徑為d圓軸，彎曲應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，將其代入上式中，則軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為： （3-10） 式中 ——軸的計(jì)算應(yīng)力，單位為MPa； M——軸所承受的彎矩，單位為Nmm； T——軸所受的扭矩，單位為Nmm； W——軸的抗彎截面系數(shù)，單位為mm3； ——對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)

61、力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力。 3.7.3 軸的設(shè)計(jì) 軸的設(shè)計(jì) 已知：傳遞扭矩為Nm，輸出轉(zhuǎn)速為r/min 水平面支反力 圓周力 N N 徑向力 N N 1、初步確定軸的最小直徑 根據(jù)使用條件，選取軸的材料為鋼，調(diào)質(zhì)處理，MPa , 所以mm 當(dāng)軸截面上開有鍵槽時(shí)，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的消弱。對(duì)于直徑小于100mm的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大5%~7%；有兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大10%~15%。然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。應(yīng)當(dāng)注意，這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑。 所以mm 2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)軸的定向要

62、求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 如圖3-8： 圖3-8 軸尺寸 3、按彎曲合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度+ 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算 當(dāng)軸的支承位置和軸所受載荷的大小、方向及作用點(diǎn)等均已確定，支點(diǎn)反力及彎矩可以求得時(shí)，可按彎扭合成強(qiáng)度條件對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，具體步驟如下： 1) 作軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖 通常將軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的雙支點(diǎn)梁，其支點(diǎn)位置可根據(jù)軸承類型及組合方式，按圖3-9確定；由傳動(dòng)件傳遞到軸上的載荷，通常簡(jiǎn)化為作用于零件輪緣寬度中央的集中應(yīng)力，軸上轉(zhuǎn)矩則假定從傳動(dòng)件輪轂寬度的中點(diǎn)算起；若各載荷構(gòu)成空間力系，則將其分解到兩個(gè)互相垂直的平面內(nèi)。把主軸簡(jiǎn)化為圖3-9a中受集中力作用的鉸

63、支梁。 已知條件知 N，N 由 N 代入數(shù)據(jù)得： N，N 由 N 代入數(shù)據(jù)得： N，N 由以上數(shù)據(jù)畫出主軸在水平面和豎直面的受力簡(jiǎn)圖，如圖3-9b、3-9d所示。 2) 作軸的彎矩圖 根據(jù)上述簡(jiǎn)圖，分別計(jì)算軸上的水平面內(nèi)彎矩、豎直面內(nèi)彎矩。 Nm Nm Nm Nm 由式（3-8）得： Nm Nm 作出水平面內(nèi)的彎矩圖如圖3-9c、豎直面內(nèi)彎矩如圖3-9e，以及合成彎矩圖如圖3-

64、9f。 3) 作軸的扭矩圖 Nm 如圖3-9g 圖3-9 軸的載荷分析圖 4) 作主軸的相當(dāng)彎矩圖 由已知得到的合成彎矩和扭矩，根據(jù)第三強(qiáng)度理論計(jì)算相當(dāng)彎矩，并做出相當(dāng)彎矩圖。 (3-11) 式中 是考慮彎矩和轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的應(yīng)力的循環(huán)特性不同而引入的修正系數(shù)，是彎曲應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，??；當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取；當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力亦為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，則取。 由式（3-11）得： Nmm Nmm 由式（3-11）得： MPa 軸的材料為鋼，查文獻(xiàn)[12]得=110MPa。 ，故軸

65、的強(qiáng)度滿足要求。 3.8 平鍵連接（動(dòng)連接）校核計(jì)算結(jié)果 　傳遞的轉(zhuǎn)矩 T =712200 Nmm 　軸的直徑 d =35 mm 　鍵的類型為 A型 　鍵的截面尺寸　bh =10x8 mm 　鍵的長(zhǎng)度　L =100 mm 　鍵的有效長(zhǎng)度　L0 =90.000 mm 　接觸高度　k =3.200 mm 　材料為　45號(hào)鋼 　載荷類型　 輕微沖擊載荷 　許用應(yīng)力　[p] =45 MPa 　計(jì)算應(yīng)力　p =14.1310 MPa 　校核計(jì)算結(jié)果： P≤[P] 滿足條件 3.9 本章小結(jié) 本章是對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的蝸輪蝸桿以及軸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并設(shè)計(jì)要求對(duì)蝸輪蝸桿以

66、及軸進(jìn)行了校核，滿足各方面要求。 結(jié) 論 本文完成了對(duì)鉤爪式爬壁機(jī)器人的主參數(shù)設(shè)定、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)原理的設(shè)計(jì)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。其中移動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是從各機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的功能入手，對(duì)各部分進(jìn)行定性設(shè)計(jì)，并進(jìn)行整體分析，包括傳動(dòng)系統(tǒng)型式和鉤取抓附方式的介紹、對(duì)比，并從中確定用擺動(dòng)連桿帶動(dòng)滑桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是從移動(dòng)機(jī)構(gòu)的爬行速度入手，確定所選結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)比，并對(duì)內(nèi)部的電機(jī)、聯(lián)軸器進(jìn)行選擇。并且對(duì)軸、凸輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)、計(jì)算。最后，對(duì)支撐機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了校核，最終實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)構(gòu)所要求的爬行速度。 本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了最初的設(shè)計(jì)要求，并存在著對(duì)整機(jī)的優(yōu)化組合的考慮不足，也存在著對(duì)使用的材料的浪費(fèi)，但此次設(shè)計(jì)對(duì)確定鉤爪式爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，本方案具有普遍性和廣泛性等特點(diǎn)，滿足了平穩(wěn)、啟動(dòng)、制動(dòng)沖擊小，微動(dòng)性能良好等要求。 參考文獻(xiàn) [ 1] 黃善鈞. 壁面移動(dòng)機(jī)器人的研究. 哈工大七十周