畢業(yè)設(shè)計(jì)---鉤爪式爬壁機(jī)器人說明書

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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

2、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)。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 爬壁機(jī)器人；鉤爪；移動(dòng)；粗糙壁面；發(fā)展趨勢(shì)</p><p><b>　　Abstract</b></p>

3、<p>　　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 i

4、s one of the hotspots where the field 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 climbin

5、g robot of hook claw’s mode, adsorption and control systems. Firstly, it</p><p>　　Keywords: wall-climbing robot; hook claw; rough wall; Development</p><p><b>　　目 錄</b></p>&

6、lt;p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目 錄III</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 本文研究的目的及意義1</p>

7、;<p>　　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</p><p>　　1.2.1 國(guó)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.3 爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)4</p><p>　　1.3 研究?jī)?nèi)容及研究方法5</p><p&g

8、t;　　1.3.1 研究?jī)?nèi)容5</p><p>　　1.3.2 研究方法5</p><p>　　第2章 鉤爪式爬壁機(jī)器人方案設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.1 總體方案分析6</p><p>　　2.1.1 本體系統(tǒng)設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.1.2 現(xiàn)存問題7</p><p>

9、　　2.1.3 本課題的開發(fā)具有以下優(yōu)點(diǎn)8</p><p>　　2.2 機(jī)器人基本功能方案8</p><p>　　2.2.1 抓附方案的選擇8</p><p>　　2.2.2 移動(dòng)方案的選擇9</p><p>　　2.3 總體方案性能分析9</p><p>　　2.3.1 負(fù)載能力9</p>

10、<p>　　2.3.2 機(jī)構(gòu)尺寸10</p><p>　　2.3.3 移動(dòng)速度10</p><p>　　2.3.4 設(shè)計(jì)性能指標(biāo)10</p><p>　　第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1 電機(jī)的選擇11</p><p>　　3.1.1 試選電機(jī)11</p><

11、p>　　3.1.2 校核電機(jī)12</p><p>　　3.1.3 聯(lián)軸器的選擇12</p><p>　　3.2 滑桿的設(shè)計(jì)與校核13</p><p>　　3.2.1 校核滑桿的抗彎強(qiáng)度13</p><p>　　3.2.2 校核滑桿的抗拉強(qiáng)度18</p><p>　　3.3 爪片的設(shè)計(jì)19</p&

12、gt;<p>　　3.3.1 彈簧的設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.4 銷的校核20</p><p>　　3.5 面槽盤形凸輪的介紹21</p><p>　　3.5.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖21</p><p>　　3.5.2 凸輪曲線的做法21</p><p>　　3.5.3 理論輪廓曲線，工作廓線，基

13、圓，根圓22</p><p>　　3.5.4 從動(dòng)件的壓力角α22</p><p>　　3.6 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算23</p><p>　　3.6.1 選擇傳動(dòng)的類型和精度等級(jí)23</p><p>　　3.6.2 選擇材料,確定許用應(yīng)力23</p><p>　　3.6.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)23&l

14、t;/p><p>　　3.6.4 蝸輪和蝸桿主要幾何尺寸計(jì)算24</p><p>　　3.6.5 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度25</p><p>　　3.6.6 驗(yàn)算效率26</p><p>　　3.6.7 精度等級(jí)公差和表面粗糙度的確定26</p><p>　　3.7 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算26</p><

15、p>　　3.7.1 軸的概述26</p><p>　　3.7.2 軸的設(shè)計(jì)及其校核27</p><p>　　3.7.3 軸的設(shè)計(jì)29</p><p>　　3.8 平鍵連接（動(dòng)連接）校核計(jì)算結(jié)果34</p><p>　　3.9 本章小結(jié)34</p><p><b>　　結(jié) 論35</b

16、></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p><b>　　致 謝37</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 本文研究的目的及意義</p><p>　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的

17、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)。現(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

18、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?lt;/p><p>　　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。</p><p>　　這些鉤爪式爬壁機(jī)器人

19、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

20、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。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)</p><p>　　1.2.1 國(guó)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　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

21、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)。</p><p>　　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)。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)。</p><p>　　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

22、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。</p><p>　　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。</p

23、><p>　　英國(guó)樸次茅斯工藝學(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

24、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。</p><p>　　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

25、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500mm×1800mm×400mm，質(zhì)量45kg。</p><p>　　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

26、個(gè)56cc的內(nèi)燃機(jī)，速度為 0.5m/s，質(zhì)量為20kg，可用于火災(zāi)搶險(xiǎn)等危險(xiǎn)作業(yè)。</p><p>　　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)

27、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。</p><p>　　西班牙馬德里CSIC大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化研究所從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)

28、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?。</p><p>　　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

29、行。該機(jī)器人質(zhì)量?jī)H有87g。</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　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)

30、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。</p><p>　　1995年研制成功的金屬管防腐用磁吸附爬壁機(jī)器人，采用

31、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

32、曲率半徑的球形外壁面。</p><p>　　1996年以來，北京航空航天大學(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)，<

33、;/p><p>　　1.2.3 爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　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。</p><p><b>　　(1) 吸附裝置</b></p><p>　　最近幾年，美、

34、英、俄等國(guó)的研究小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)

35、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。科學(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。</p><p>　　在分析壁

36、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）。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。

37、</p><p><b>　　(2) 移動(dòng)方式</b></p><p>　　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

38、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)器人上有著較好的應(yīng)用前景。</p><p><b>　　(3) 驅(qū)動(dòng)設(shè)備</b></p><p>　　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)

39、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)。</p><p><b>　　(4) 能源問題</b></p><p>　　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

40、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。</p><p>　　1.3 研究?jī)?nèi)容及研究方法</p><p>　　1.3.1 研究?jī)?nèi)容</p><p>　?。?）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

41、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。</p><p>　?。?）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。</p><p>　?。?）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。</p><p>　　1.3.2 研究方法</p><p>　?。?）深入調(diào)查研究，了解目前鉤爪式爬壁機(jī)器人

42、的結(jié)構(gòu)形式，理解其工作原理；</p><p>　?。?）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；</p><p>　?。?）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)。</p><p>　　第2章 鉤爪式爬壁機(jī)器人方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 總體方案分析</p>

43、<p>　　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)。</p><p>　　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)

44、性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費(fèi)用等。</p><p>　　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

45、高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。</p><p>　　2.1.1 本體系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　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：</p><p><b>　　圖2-1樣機(jī)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　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

46、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。</p><p>　　2.1.2 現(xiàn)存問題</p><p>　　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：&l

47、t;/p><p>　　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。</p><p>　　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

48、型能源的開發(fā)和無線通訊技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　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。</p><p>　　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

49、。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。</p><p>　　2.1.3 本課題的開發(fā)具有以下優(yōu)點(diǎn)</p><p>　?。?）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)，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

50、驗(yàn)中取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。</p><p>　　（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)。</p><p>　?。?）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。</p><p>　　2.2 機(jī)器人基本功能方案</p><p>　　2.2.1 抓附方案

51、的選擇</p><p>　　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)。</p><p>　　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。<

52、/p><p>　　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)。</p><p>　　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。</p><p>　　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

53、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。</p><p>　　綜合以上原因，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的方案為鉤爪抓附，這樣的機(jī)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　穩(wěn)定性好。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；</p><p>　　與機(jī)器人合為一體，擴(kuò)大了工作范圍；</p><p>　　能源消耗少，減輕機(jī)器人

54、自重；</p><p>　　適應(yīng)機(jī)器人爬行壁面的結(jié)構(gòu)和材料；</p><p>　　運(yùn)動(dòng)速度快，提高工作效率</p><p>　　2.2.2 移動(dòng)方案的選擇</p><p>　　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：</p><p><b>　　車輪式</b>

55、</p><p>　　原理：配置多個(gè)輪子，每個(gè)輪子有電機(jī)驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　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。</p><p><b>　　履帶式</b></p><p>　　原理：有電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)無軌道履帶</p><p>　　特點(diǎn)：著地面積大，對(duì)壁面

56、適應(yīng)性強(qiáng)，體積較大</p><p><b>　　腳步行式</b></p><p>　　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)</p><p>　　特點(diǎn)：移動(dòng)困難，移動(dòng)速度慢，帶載能力強(qiáng)</p><p>　　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

57、于實(shí)驗(yàn)階段。</p><p>　　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。</p><p>　　2.3 總體方案性能分析</p><p&g

58、t;　　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。</p><p>　　2.3.1 負(fù)載能力</p><p>　　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

59、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。</p><p>　　2.3.2 機(jī)構(gòu)尺寸</p><p>　　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。</p><p>

60、　　2.3.3 移動(dòng)速度</p><p>　　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</p><p>　　2.3.4 設(shè)計(jì)性能指標(biāo)</p><p>　?。?）最大尺寸：460x350x250mm</p><p>　?。?）)機(jī)器人自重：≤2.5k

61、g</p><p>　　（3）機(jī)器人負(fù)載能力≤5kg</p><p>　?。?）移動(dòng)速度2—8m/min</p><p><b>　　第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1 電機(jī)的選擇</b></p><p>　　根據(jù)鉤爪式爬壁機(jī)器人的爬行速度與本身的

62、重量，確定電機(jī)的功率為小功率電機(jī)。</p><p>　　3.1.1 試選電機(jī)</p><p>　　選取機(jī)座型號(hào)為代號(hào)50的電機(jī)</p><p>　　功率W=0.04kW，電流I=0.22A，轉(zhuǎn)速n=1400r/min，效率為η=50%。</p><p><b>　　根據(jù)以上數(shù)據(jù)算出：</b></p><

63、;p><b>　　=136.4N·m</b></p><p>　　P3=40×50%=0.02kW</p><p>　　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)。</p><p>　　再次選取機(jī)座型號(hào)為代號(hào)A02-5624的小功率電機(jī)</p><p>　　功率W=0.09kW，轉(zhuǎn)速

64、r=1400r/min，效率為η=58%。</p><p><b>　　根據(jù)以上數(shù)據(jù)算出：</b></p><p>　　P1=90×58%=0.0522kW</p><p>　　P2=90×58%=0.0522kW</p><p>　　P1= P2=0.0522kW</p><p&

65、gt;　　P1——電機(jī)傳遞的功率，單位為kW；</p><p>　　P2——蝸桿傳遞的功率，單位為kW；</p><p>　　P3——蝸輪傳遞的功率，單位為kW；</p><p>　　P4——凸輪傳遞的功率，單位為kW；</p><p>　　n1——電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；</p><p>　　n2——蝸桿的轉(zhuǎn)速

66、，單位為r/min；</p><p>　　n3——蝸輪的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；</p><p>　　n4——凸輪的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；</p><p>　　3.1.2 校核電機(jī)</p><p>　　凸輪每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)64mm</p><p>　　機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，作用在導(dǎo)軌上的力為300N</p>

67、<p>　　所以，凸輪作用在擺動(dòng)連桿上的力為600N</p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　=98%</b></p><p>　　解得： =0.

68、0367kW</p><p><b>　　P2/η= P1</b></p><p>　　解得： P1=0.079kW＜0.09kW</p><p>　　電機(jī)滿足我們的要求，可以選用。</p><p>　　3.1.3 聯(lián)軸器的選擇</p><p><

69、b>　　彈性聯(lián)軸節(jié)的選擇：</b></p><p>　　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</p><p><b>　　N·m</b></p><p><b>　　77.59N·m</b></p><p>　　根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩，查文獻(xiàn)[18]，選

70、用TL 4型，半聯(lián)軸器的孔徑直徑為14mm</p><p>　　3.2 滑桿的設(shè)計(jì)與校核</p><p>　　3.2.1 校核滑桿的抗彎強(qiáng)度</p><p>　　兩根滑桿選擇的材料為45號(hào)鋼</p><p>　　桿1：長(zhǎng)x寬x高=588x30x30mm</p><p>　　桿2：長(zhǎng)x寬x高=510x30x30mm<

71、;/p><p>　　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。</p><p><b>　　構(gòu)如圖3-1:</b></p><p>

72、　　圖3-1 桿1的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖</p><p>　　桿2的形狀與桿1相同，長(zhǎng)度短78mm</p><p>　　已知：機(jī)器人的重量為 m1=25kg</p><p>　　負(fù)載情況為 m2=5kg</p><p>　　G1=m1g=250N/kg</p><p>　　G2=m2g=50N<

73、;/p><p>　　G=G1G2=300N</p><p>　　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。</p><p>　　桿1的受力情況如圖3-2：</p><p>　　圖3-2 桿1的受力情況</p><p>　　桿1的運(yùn)動(dòng)情況有兩種，一種在最下面，另一種情況在

74、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。</p><p>　?。?）桿1運(yùn)動(dòng)到最下面的位置時(shí)</p><p><b>　　L1185mm</b></p><p><b>　　L2403mm</b></p><p><b>　　FAFB 0</b><

75、/p><p><b>　　0</b></p><p>　　FB(L1L2) L20</p><p>　　FB=15047.2N</p><p>　　FA150 47.2102.8N</p><p><b>　　如圖（1）</b></p><p><

76、b>　　FA FS10</b></p><p><b>　　FS1102.8N</b></p><p><b>　　0</b></p><p><b>　　MS1 FAX10</b></p><p>　　MS1102.8 X1</p><p

77、><b>　　如圖（2）</b></p><p><b>　　FA FB2 0</b></p><p>　　FB2150 102.847.2N</p><p><b>　　0</b></p><p>　　MS2(X2 L1) FAX20</p><p

78、>　　MS2 (FA )X2L1= 47.2X2150L1</p><p>　　MMAX13.878Nm</p><p>　　FMAX102.8N</p><p>　　剪力圖、彎矩圖如圖3-3：</p><p>　　圖3-3 剪力彎矩圖</p><p>　　滑桿的截面為實(shí)心矩形</p><p&

79、gt;<b>　　最大正應(yīng)力</b></p><p>　　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。</p><p>　　所以，引用 </p><p>　　W---抗彎截面系數(shù) </p><p><b>　　當(dāng)截面為矩形時(shí)</b></p

80、><p>　　截面的高為h，截面的寬為b。</p><p><b>　　截面為圓形時(shí)</b></p><p>　　根據(jù) (a)</p><p>　　MMAX=13.878 Nm (b)</p><p>　　W= (c)

81、 </p><p>　　根據(jù)（a）（b）（c）得：</p><p>　　所以滑桿在最下面的位置滿足條件。</p><p>　?。?）桿1運(yùn)動(dòng)到最上面的位置時(shí)</p><p><b>　　L1249mm</b></p><p><b>　　L2339mm</b></p&g

82、t;<p><b>　　FA1FB1 0</b></p><p><b>　　0</b></p><p>　　FB1(L11L21) L210</p><p>　　FB1150=15063.5N</p><p>　　FA1150 63.586.5N</p><p&

83、gt;<b>　　如圖（3）</b></p><p><b>　　FA1 FS10</b></p><p><b>　　FS186.5N</b></p><p><b>　　0</b></p><p>　　MS1 FA1X10</p><

84、;p>　　MS186.5 X1</p><p><b>　　如圖（4）</b></p><p><b>　　FA1 FB1 0</b></p><p>　　FB1=86.5 150 63.5N</p><p><b>　　0</b></p><p>

85、;　　MS2(X2 L11) FA1X20</p><p>　　MS2 (FA1 )X2L1 63.5X2L1</p><p>　　MMAX21.54Nm</p><p><b>　　FMAX86.5N</b></p><p><b>　　如圖3-4：</b></p><p&g

86、t;　　圖3-4剪力圖、彎矩圖</p><p>　　滑桿的截面為實(shí)心矩形</p><p><b>　　最大正應(yīng)力</b></p><p>　　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。</p><p>　　所以，引用 </p><p>　　W---

87、抗彎截面系數(shù) </p><p><b>　　當(dāng)截面為矩形時(shí)</b></p><p>　　截面的高為h，截面的寬為b。</p><p><b>　　截面為圓形時(shí)</b></p><p>　　根據(jù) (d)</p><p>　　MMAX=

88、13.878 Nm (e)</p><p>　　W= (f) </p><p>　　根據(jù)（d）（e）（f）得：</p><p>　　所以滑桿在最上面的位置也滿足條件。</p><p>　　桿2無需校核，同樣滿足條件。</p><p>　　3.2.2 校核滑桿的抗拉強(qiáng)度</p&

89、gt;<p>　　當(dāng)機(jī)器人爬垂直墻壁時(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。</p><p>　　每根滑桿受到的拉應(yīng)力為不小于G</p><p><b>　　根據(jù)：</b></p><p><b>　　----抗拉強(qiáng)度</b></p><p>　　S-----截面面積<

90、/p><p>　　F ----截面受到的拉應(yīng)力</p><p>　　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。</p><p><b>　　3.3 爪片的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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

91、N的力。</p><p>　　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)。</p><p><b>　　所以滿足條件。</b></p><p>　　鉤爪的結(jié)構(gòu)圖3-5:</p><p>　　圖3-5 鉤爪的結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.3.1 彈簧的設(shè)計(jì)</p&g

92、t;<p>　　在本機(jī)器人中，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。</p><p>　　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'

93、;=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。</p><p>　　機(jī)器人工作時(shí)，彈簧受到的最小力,受到的最大力為。</p><p><b>　　內(nèi)徑：</b></p&

94、gt;<p><b>　　外經(jīng)： </b></p><p><b>　　節(jié)距：</b></p><p>　　有效圈數(shù)：n=15mm</p><p><b>　　3.4 銷的校核</b></p><p>　　銷的受力如圖3-6：</p><p&g

95、t;　　圖3-6 銷的受力圖</p><p><b>　　材料為45號(hào)鋼</b></p><p><b>　　F=12.5N</b></p><p><b>　　d=8mm</b></p><p>　　列平衡方程：F-2FS=0</p><p><

96、b>　　FS=</b></p><p><b>　　強(qiáng)度滿足要求。</b></p><p>　　3.5 面槽盤形凸輪的介紹</p><p>　　3.5.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖</p><p><b>　　如圖3-7</b></p><p>　　圖3-7 凸輪的結(jié)構(gòu)&l

97、t;/p><p>　　3.5.2 凸輪曲線的做法</p><p><b>　?。?）選定最小尺寸</b></p><p>　　OG=OA=OB=50mm;</p><p><b>　　OD=82mm;</b></p><p>　?。?）從動(dòng)件從A點(diǎn)移動(dòng)到D點(diǎn)的位置，升距為h=32

98、mm。</p><p>　?。?）凸輪按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。</p><p>　?。?）凸輪以低速順時(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。</p><p>　　任選 =EC=30mm</p><p>　　由= =EC=30mm

99、</p><p>　　解得：R=57.6mm</p><p>　　==50+57.6=107.6mm</p><p><b>　　=15mm</b></p><p>　　——滾子半徑，單位為mm；</p><p>　　最小曲率半徑> ，所以設(shè)計(jì)的合理。</p><p>

100、;　　3.5.3 理論輪廓曲線，工作廓線，基圓，根圓</p><p>　　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，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”。</p><p&g

101、t;　　（1）推程階段：α1=76°</p><p>　　（2）遠(yuǎn)休止階段：α2=28°</p><p>　?。?）回程階段：α3=76°</p><p>　?。?）近休止階段：α4=180°</p><p>　　3.5.4 從動(dòng)件的壓力角α</p><p>　　從動(dòng)件受力點(diǎn)的力

102、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] </p><p>　　3.6 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　普通圓柱蝸桿傳動(dòng), 已知：蝸桿輸入功率 =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

103、擊,要求使用壽命5年。</p><p>　　3.6.1 選擇傳動(dòng)的類型和精度等級(jí)</p><p>　　考慮到傳遞功率不大，轉(zhuǎn)速低，選用漸開線蝸桿（ZI），GB10089～88</p><p>　　3.6.2 選擇材料,確定許用應(yīng)力</p><p>　　蝸桿：45號(hào)鋼，要求表面淬火，淬火后的硬度為硬度45---55HRC，</p>

104、<p>　　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。</p><p>　　3.6.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)</p><p>　　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</p><p><b>　　（1）<

105、;/b></p><p>　?。?）確定作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩T2</p><p>　　根據(jù)=2，估計(jì)渦輪效率=0.8，則</p><p>　?。?）確定載荷系數(shù)K</p><p>　　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 </p><p>　

106、　（3）確定彈性影響系數(shù)</p><p><b>　?。?）確定彈性系數(shù)</b></p><p>　　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</p><p>　?。?）確定許用接觸應(yīng)力</p><p>　　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)

107、力=268MPa</p><p><b>　　應(yīng)力循環(huán)次數(shù)</b></p><p>　　壽命系數(shù) </p><p>　　許用應(yīng)力 </p><p><b>　　（6）計(jì)算中心距 </b></p><

108、;p>　　=38.92mm </p><p>　　取中心距a=50mm，i=25，</p><p>　　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</p><p>　　因?yàn)?，因此，以上結(jié)果可用。</p><p>　　3.6.4 蝸輪和蝸桿主要幾何尺寸計(jì)算</p><

109、;p><b>　　(1)蝸桿</b></p><p>　　蝸桿分度圓直徑 </p><p>　　蝸桿軸向齒距 Pa=πm=3.14×1.6=5.024mm</p><p>　　蝸桿直徑系數(shù) </p><p>　　蝸桿齒頂圓直徑 </p><

110、;p>　　蝸桿齒根圓直徑 </p><p>　　蝸桿導(dǎo)程角 </p><p>　　蝸桿導(dǎo)程 </p><p>　　蝸桿軸向齒厚 </p><p><b>　　(2) 蝸輪</b></p><p>　　渦輪齒數(shù)51，變位系數(shù)-0.

111、5；</p><p>　　驗(yàn)算傳動(dòng)比i=51/2=25.5；</p><p>　　傳動(dòng)比誤差0.5/25=2%，是允許的。</p><p>　　蝸輪分度圓直徑 </p><p>　　蝸輪喉圓直徑 </p><p>　　蝸輪齒根圓直徑 </p>

112、<p>　　渦輪咽喉母圓半徑 </p><p>　　3.6.5 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度</p><p>　　(1) 計(jì)算蝸桿導(dǎo)程角 </p><p>　　(2) 計(jì)算蝸輪當(dāng)量齒數(shù) 　</p><p>　　(3) 確定齒形系數(shù)　 </p><p>　　根據(jù),,查機(jī)械設(shè)計(jì)教材，從文

113、獻(xiàn)[14]中查得.</p><p>　　確定螺旋角系數(shù)　 </p><p>　　(5) 校核彎曲強(qiáng)度</p><p><b>　　彎曲強(qiáng)度滿足要求。</b></p><p>　　3.6.6 驗(yàn)算效率</p><p>　　已知r= =11.9o；ψ=arctanfv，fv與相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)Vs有關(guān)&l

114、t;/p><p>　　Vs=0.06m/s</p><p>　　從機(jī)械設(shè)計(jì)書上查得： fv=0.0204，</p><p><b>　　ψ=1.1687</b></p><p>　　解得 η=0.86=86%</p><p>　　大于原估計(jì)值，不用重

115、復(fù)計(jì)算。</p><p>　　3.6.7 精度等級(jí)公差和表面粗糙度的確定</p><p>　　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)查得要求的公差項(xiàng)目及表面粗糙度，此處從略。</p><p>　　3.7 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算&

116、lt;/p><p>　　3.7.1 軸的概述</p><p><b>　?。?、軸的用途 </b></p><p>　　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。</p><p>　?。?、軸設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容</p>

117、<p>　　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。</p><p>　　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)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)

118、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。</p><p>　　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。</p>

119、<p>　　3.7.2 軸的設(shè)計(jì)及其校核</p><p>　　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。</p><p>　　１、擬定軸上零件的裝配方案 </p><p>　　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。</p><p>

120、<b>　?。病⑤S上零件的定位</b></p><p>　　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。</p><p>　　(1) 零件的軸向定位</p><p>　　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

121、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mm。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。</p><p>　　(2) 零件的

122、徑向定位</p><p>　　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。</p><p><b>　　3、軸的強(qiáng)度計(jì)算</b></p><p>　　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。</p><p>　　軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算：&