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1、畢業(yè)設計（論文） 摘 要 鉤爪式爬壁機器人是一種能夠在垂直壁面上進行高空作業(yè)的移動式服務機器人。它屬于極限作業(yè)機器人的一種，可以將人從危險的工作中解脫出來，是當前機器人領域研究的熱點之一。本文通過對國內外各種類型爬壁機器人現狀進行了系統的分析與比較，論述了鉤爪式爬壁機器人的運動方式、吸附方式、控制系統等。首先介紹了國內外爬壁機器人研究現狀，闡明本課題研究的目的、意義。然后進一步介紹了本爬壁機器人總體結構，同樣也要求設計出合理高效的爬行裝置，并在此基礎上著重闡述了爬壁機器人控制系統主要問題及其解決方法，機器人的控制系統必須具有操作簡單、安全、可靠、高效、方便等特點。 關鍵詞:

2、爬壁機器人；鉤爪；移動；粗糙壁面；發(fā)展趨勢 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 國內外爬壁機器人的發(fā)展現狀和趨勢 1 1.2.

6、1 國外爬壁機器人的發(fā)展現狀 1 1.2.2 國內爬壁機器人的發(fā)展現狀 3 1.2.3 爬壁機器人的發(fā)展趨勢 4 1.3 研究內容及研究方法 5 1.3.1 研究內容 5 1.3.2 研究方法 5 第2章 鉤爪式爬壁機器人方案設計 6 2.1 總體方案分析 6 2.1.1 本體系統設計 6 2.1.2 現存問題 7 2.1.3 本課題的開發(fā)具有以下優(yōu)點 8 2.2 機器人基本功能方案 8 2.2.1 抓附方案的選擇 8 2.2.2 移動方案的選擇 9 2.3 總體方案性能分析 9 2.3.1 負載能力 9 2.3.2 機構尺寸 10 2.3.3 移動速度 10

7、 2.3.4 設計性能指標 10 第3章 結構設計 11 3.1 電機的選擇 11 3.1.1 試選電機 11 3.1.2 校核電機 12 3.1.3 聯軸器的選擇 12 3.2 滑桿的設計與校核 13 3.2.1 校核滑桿的抗彎強度 13 3.2.2 校核滑桿的抗拉強度 18 3.3 爪片的設計 19 3.3.1 彈簧的設計 19 3.4 銷的校核 20 3.5 面槽盤形凸輪的介紹 21 3.5.1 結構簡圖 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 從動件的壓力角α 22 3.6 蝸輪蝸桿

8、的設計計算 23 3.6.1 選擇傳動的類型和精度等級 23 3.6.2 選擇材料,確定許用應力 23 3.6.3 按齒面接觸疲勞強度進行設計 23 3.6.4 蝸輪和蝸桿主要幾何尺寸計算 24 3.6.5 校核齒根彎曲疲勞強度 25 3.6.6 驗算效率 26 3.6.7 精度等級公差和表面粗糙度的確定 26 3.7 軸的設計計算 26 3.7.1 軸的概述 26 3.7.2 軸的設計及其校核 27 3.7.3 軸的設計 29 3.8 平鍵連接（動連接）校核計算結果 34 3.9 本章小結 34 結 論 35 參考文獻 36 致 謝 37 3

9、9 第1章 緒論 1.1 本文研究的目的及意義 隨著現代科學技術的飛速發(fā)展，機器人已越來越多地進入我們的生活領域，以機器人代替人類從事各種單調、重復、繁重、危險以及有毒有害的工作是社會發(fā)展的一個趨勢?，F代機器人一般分為兩大類：一類是工業(yè)機器人，主要指裝配、搬運、焊接、噴漆等機器人。另一類是極限工作機器人，主要指在人難以到達的惡劣環(huán)境下代替人工作業(yè)的機器人。如：海底資源的勘測開發(fā)、空間人造衛(wèi)星的收發(fā)、戰(zhàn)場上的偵察和排險、核放射場所的維護、高層建筑的壁面清洗、滅火救助等。作為極限作業(yè)機器人重要開發(fā)項目之一的壁面爬行機器人近些年來得到了蓬勃的發(fā)展，受到了人們越來越多的重視。

10、爬壁機器人有很多種，鉤爪式爬壁機器人是爬壁機器人中比較難攻克的難題，但較其他爬壁機器人有很多相關優(yōu)點。目前研究的爬壁機器人主要通過真空吸附、磁吸附或粘性吸附來實現在垂直壁面上的爬行，在現實中，主要應用于核工業(yè)、石化工業(yè)、建筑行業(yè)、造船業(yè)、消防部門及偵查活動等。 這些鉤爪式爬壁機器人可以獨立完成大部分工作。但是通過真空吸附和磁吸附來實現在垂直壁面上爬行的機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動。鉤爪式爬壁機器人是爬壁機器人的一種，也是爬壁機器人在移動機器人領域的一個重要部分，它把地面移動機器人技術與控制技術有機結合起來，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，大大擴展了機器人的應用范圍。鉤爪式爬壁機器人就可以避免吸附式的缺點，其結構也相對簡單，它的應用一定會取得了良好的社會效益和經濟效益。 1.2 國內外爬壁機器人的發(fā)展現狀和趨勢 1.2.1 國外爬壁機器人的發(fā)展現狀 日本大阪府立大學工學部的西亮教授在1996年成功研制出第一個垂直壁面移動機器人樣機，該機器人利用電風扇進氣側的低壓作用作為吸附力，使機器人貼附在垂直壁面上。1975年他又采用單吸盤結構制作出以實用化為目標的第二代爬壁機器人樣機。 俄羅斯莫斯科機械力學研究所在1997年研制出的用于大型壁面和窗戶清洗作業(yè)的爬壁機器人也采用單吸盤結構

12、。如圖1所示，該機器人利用風機產生真空負壓來提供吸附力，吸盤腹部裝有4個驅動輪，機器人可在壁面全方位移動。 美國西雅圖的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器人“AutoCrawler”。其兩條履帶上各裝有數個小吸附室，隨著履帶的移動，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器人，該機器人裝有兩組真空吸盤。機器人本體上自帶兩個真空泵、電池、控制系統和無線通訊系統。機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，最大行走速度為30cm／min，用于高大建筑物墻壁的檢測工作。 英國樸次茅斯工藝

13、學校在20世紀90年代初研制了一種多足行走式的爬壁機器人。采用模塊化設計，機器人由兩個相似的模塊組成，每個模塊包括兩個機械腿和腿部控制器?？筛鶕蝿招枰獊戆惭b不同數量的腿，可重構能力強。機械腿采用仿生學機構，模擬大型動物臂部肌肉的功能，為兩節(jié)式，包括上、下兩個桿和3個雙作用氣缸，具有3個自由度。穩(wěn)定性好，承載能力大，利于機器人的輕量化，并能跨越較大的障礙物。除腿端部各有一真空吸盤外，機器人腹部設有吸盤，使機器人具有較大的負載質量比，可達2：1：1。 日本東京工業(yè)大學研制了一種爬壁機器人“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。運動系統采用腳部安裝有真空吸盤

14、的腿，腿部為3自由度并聯機構，為機器人在壁面上行走提供強大的驅動力；踝部采用一種新的機構mcp(Conduct—wire—drivenParaUelo-gram)用來調整踝部的姿態(tài)；并采用VM(Valve-regulatedMulti-pk)閥調節(jié)多腔式真空吸盤，使機器人在遇到粗糙、有裂縫的墻壁時仍有較高吸附效率。機器人尺寸500mm1800mm400mm，質量45kg。 日本宮崎大學的Nishi教授研制出一種具有兩個旋轉葉片的“飛行機器人”，利用兩個旋轉葉片產生的指向壁面的推力，使機器人與壁面間產生足夠的摩擦力，而使機器人能夠附著在壁面上。機器人裝有兩個56cc的內燃機，速度為 0.5

15、m/s，質量為20kg，可用于火災搶險等危險作業(yè)。 美國密歇根州立大學研制了兩種雙足結構的小型爬壁機器人，均采用真空吸附方式。機器人由一個移動關節(jié)和4個轉動關節(jié)組成運動機構，共5個運動關節(jié)。采用模糊控制方式，機器人外形尺寸為高80mm、寬50mm，質量為450g。機器人的步態(tài)規(guī)劃采用了一種有限狀態(tài)機制來描述機器人的運動狀態(tài)，并以此為基礎建立了機器人的步態(tài)規(guī)劃規(guī)則。圖6b為具有4個轉動關節(jié)的雙足爬壁機器人。兩個機器人樣機均采用欠驅動機構，減小了機器人的質量和能耗。機器人可以在墻壁、天花板上爬行，以及在兩個表面之間過渡爬行，也可爬越管道一類的障礙物。 西班牙馬德里CSIC大學工業(yè)自動化研究所從

16、1990年自現在，剛研制出一種6足式爬壁機器人。該機器人為磁吸附式，具有較大的靜載荷，目的是為了工業(yè)上的應用?？▋然仿〈髮W研制的采用人工合成干粘性材料的兩個爬壁機器人試驗樣機，該機制的粘性材料模仿壁虎腳掌的吸附機理，根據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Case Western Reserve University研制的采用4個“腿輪”的爬壁機器人樣機。與前兩種機器人相似，該機器人依靠4個“腿輪”上的仿生粘性材料來吸附，與圖9所示樣機不同的是這4個腿輪上腳掌的特殊分布更有利于機器人在壁面上穩(wěn)定爬行。該機器人質量僅有87g。 1.2.2

17、國內爬壁機器人的發(fā)展現狀 自1988年以來，在國家“863”高技術計劃的支持下，哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附兩個系列的5種型號壁面爬行機器人我國研究的第一臺壁面爬行遙控檢測機器人，采用負壓吸附，全方位移動輪，用于核廢液儲存罐罐壁焊縫缺陷檢測。1994年開發(fā)的用于高樓壁面清洗作業(yè)的爬壁機器人CLR—I，采用全方位移動機構，機器人在原地就可以任意改變運動方向。之后開發(fā)的CLR—II，采用兩輪獨立驅動方式——同軸雙輪差速機構，通過對兩輪速度的協調控制實現機器人的全方位移動，機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款爬壁機器人均采用單吸盤結構，彈簧氣囊

18、密封，保證了機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器人，采用永磁吸附結構，靠兩條履帶的正反轉移動來實現轉彎牽引。該機器人可以為石化企業(yè)金屬儲料罐的外壁進行噴漆、噴砂，以及攜帶自動檢測系統對罐壁涂層厚度進行檢測。1997年研制的水冷壁清洗、檢測爬壁機器人，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。上海大學也較早開展高樓壁面清洗作業(yè)機器人的研究，先后研制出垂直壁面爬壁機器人和球形壁面爬壁機器人。該球形壁面爬壁機器人采用多吸盤、負壓吸附、6足獨立驅動腿足行走方式，可用于不同曲率半徑的球形外壁面。 1996年以來，北京航空

19、航天大學先后研制成功WASH-MAN，CLEANBOT 1，SKYCLEAN，“吊籃式擦窗機器人”和“藍天潔寶”等幕墻清洗機器人樣機。吊籃式清洗機器人，依靠樓頂上的安全吊索牽引移動，利用風機產生的負壓使機器人貼附在壁面上。近年來，上海交通大學也開展了爬壁機器人的研究。設計了一種自身無行走機構而依靠壁面牽引實現機器人移動的壁面清洗機器人樣機， 1.2.3 爬壁機器人的發(fā)展趨勢 由于傳統爬壁機器人具有很多的不足之處（如對壁面的材料和形狀適應性不強，跨越障礙物的能力弱，體積大，質量重等），因此未來爬壁機器人的結構應該向著實用化的方向發(fā)展。 (1) 吸附裝置 最近幾年，美、英、俄等國的研究小

20、組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個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產生的一種微弱電磁引力。科學家在顯微鏡下發(fā)現，壁虎腳趾上約有650萬根次納米級的細毛，每根細毛直徑約為200至500納米，約是人類毛發(fā)的直徑的十分之一。這些細毛的長度是人類毛發(fā)直徑的2倍，毛發(fā)前端有100～1000個類似樹狀的微細分枝，每分枝前端有細小的肉趾，這種精細結構使得細毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產生分子引力。雖然每根細毛產生的力量微不足道，但累積起來就很可觀。根據計算，一根細毛能夠提起一只蟻的重量，而一百萬根細毛雖然占地不到一個小硬幣的面積，但可以提起二十公斤力的重量。如

21、果壁虎腳上650萬根細毛全部附著在物體表面上時， 可吸附住質量為133千克的物體，這相當于兩個成人的質量。科學家說，壁虎實際上只使用一個腳，就能夠支持整個身體。從壁虎腳的附著力得到的啟示可用于研制爬壁機器人。 在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用機理的基礎上，運用類比，模擬和模型方法，通過高分子材料化學，工程材料科學，力學和機械學的交叉研究，探索出一種與壁虎腳趾表面結構相近的，經物理改進的極性高分子材料（人造壁虎仿生腳干性粘合劑），并應用精密微機械加工的手段，設計并制作模擬壁虎腳趾的吸附裝置，該吸附裝置將適應于各種材質（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器人的實用化邁出堅實的一大步。 (2) 移動方式 在移動機器人中，輪式和履帶式移動方式已獲得廣泛的應用，但是足式移動方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點。足式移動方式的機器人可以相對較容易地跨過比較大的障礙 （如溝、坎等），并且機器人的足所具有的大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凸凹不平的地形適應能力更強。足式機器人的立足點是離散的，跟壁面接觸的面積小，可以在可達到的范圍內選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。正是由于足式結構多樣、運動靈活，適應于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結構將在爬壁機

23、器人上有著較好的應用前景。 (3) 驅動設備 傳統伺服電機因功率重量比低，必須安裝在遠離驅動的地方，而且電機高速運行后需有減速齒輪來降低速度，致使傳動系統復雜，結構累贅，不能滿足實用化的要求，為此需要研制利用功能材料構成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機。 (4) 能源問題 迫切的需要探索出一種新的能源，體積小、供電性能強的電池，或者通過遙控途徑對機器人提供能量和控制信號。目前國內外正對此進行積極研究，這方面日本取得了較大的成果。日本已經較為成功的將微波技術應用到一臺無線機器人上，該技術成功的應用將會使爬壁機器人的運動范圍得到較大的擴展。 1.3 研究內容及研究方法 1.3

24、.1 研究內容 （1）根據機械設計制造技術要求，設計出適合鉤爪式爬壁機器人攀爬垂直墻壁的鉤爪，設計合適的鉤爪結構及尺寸，鉤爪的形狀和數目等。合理的設計連接鉤爪支撐架的擺動連桿連接處等部件。 （2）通過對鉤爪式爬壁機器人的設計研究，確定機器人的爬行速度與驅動電機之間的關系。 （3）設計鉤爪式爬壁機器人的整體結構及安全裝置。 1.3.2 研究方法 （1）深入調查研究，了解目前鉤爪式爬壁機器人的結構形式，理解其工作原理； （2）通過查閱相關資料和深入學習，制定鉤爪式爬壁機器人結構設計方案； （3）實施鉤爪式爬壁機器人的設計：包括相關零部件的選擇（抽風機的選擇）和擺動兩岸的設計。

25、 第2章 鉤爪式爬壁機器人方案設計 2.1 總體方案分析 欲使機器人在壁面上自由地移動，必須具備兩種功能:抓附功能與移動功能。抓附方式通過鉤爪抓取粗糙傾斜壁面；通過自身重力使機器人對墻面有一個正壓力，應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動實現爬壁運動。 在設計移動機器人系統時，首先應考慮機器人的用途，因為不同的用途，移動機器人的移動機構是不同的。此外，還應考慮機器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機動性、可控性、復雜性、外型尺寸及制作費用等。 設計這種爬壁機器人，它的工作對象為粗糙的傾斜壁面。機器人要求有一定的承載能力、接觸面積小、速度適中，適應能

26、力強。通過比較各種方案，設計了一種連桿機構爬行結構形式，這是一種新穎的爬行機構設計方案，該方案能基本滿足我們設定的工作狀況。在爬行機器人結構中用連桿機構爬行具有很多優(yōu)點，結構簡單緊湊、運行平穩(wěn)，控制簡便，還可以根據使用要求，作各種變形設計，具有較高的技術經濟效果。 2.1.1 本體系統設計 根據以上的總體結構方案，結合鉤爪式爬壁機器人工作環(huán)境特點，本課題設計的爬壁機器人樣機結構簡圖如圖2-1： 圖2-1樣機結構 動力部分由小功率電機驅動，為了獲得所需要的速度，在電機前面加了蝸輪蝸桿減速器，防止機器人在爬壁過程中出現由于突然斷電等原因引起的不穩(wěn)定因素。根據杠桿原理，起到了很好的自

27、鎖作用，整個機器人采用45號鋼材料，在減輕自身重量的情況下最大程度獲得很高的強度和剛度。 2.1.2 現存問題 國際上對爬壁機器人的研究已經有了幾十年的歷史，也研究出了各種各樣的樣機或產品，總體起來看，爬壁機器人人還存在著如下一些問題： 第一，運動靈活性與吸附能力的矛盾。一般要求爬壁機器人攜帶一定重量的負載，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，其運動速度、靈活性、對壁面的適應能力必須會受到不同程度的影響。 第二，集成化與可靠性的矛盾。從實用角度說，人們當然希望機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，現實中不能完美結合。這一矛盾有賴于新

28、型能源的開發(fā)和無線通訊技術的發(fā)展。 第三，智能化問題。就爬壁機器人的現狀來說，智能化不盡如人意，這里的智能化主要是指對環(huán)境的自主適應能力，自動壁障能力，自動糾錯能力等等。影響這些能力的關鍵是傳感技術和控制技術的發(fā)展。 第四，通用化合產業(yè)化問題。目前，研制的爬壁機器人大都是針對某一種工作要求面設計的，對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，爬壁機器人的產業(yè)化道路始終走的比較緩慢，這也是爬壁機器人在相當長的一段時間內所面臨的問題之一。 2.1.3 本課題的開發(fā)具有以下優(yōu)點 （1）克服了傳統爬壁機器人真空系統復雜、噪音大、吸附輔助時間長等特點

29、，創(chuàng)新性的提出了鉤爪鉤取抓附；該機構具有耗能小，結構簡單的特點，鉤取和脫離快速，平穩(wěn)等優(yōu)點，噪音也比較小。并在試驗中取得了良好的實驗效果。 （2）采用軸、推理軸承、蝸輪蝸桿等標準件，結構簡單，穩(wěn)定，可靠。加快了機器人的應用開發(fā)。 （3）在研究動力學和運動學基礎上開發(fā)的壁面規(guī)劃項目，可以成功實現預期爬行，又壁面控制系統的復雜。 2.2 機器人基本功能方案 2.2.1 抓附方案的選擇 應用在帕比機器人領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，但都有相應的缺點。 中空吸附是依靠真空吸盤將機器人本體吸附于壁面，其特點是壁面必須光滑，當壁面有裂縫或者凹凸不平時，容易造

30、成吸盤漏氣，吸附力降低。嚴重的會使機器人從壁面剝離，要是想完美實現難度較高。突然停電、斷電或輸送氣管等的故障均可使機器人從壁面剝落。 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。這個條件限制其應用范圍。但是它的吸附力遠大于真空吸附，對壁面適應能力較強。 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，像我們學校的一號寢室樓的那種，所以，以上兩種吸附方式均不可。 我們設計的方案是鉤爪抓附方案，每個爪子上有一個爪框和三片爪片，爪片上有爪尖，移動時通過擺動連桿的擺動，使兩組鉤爪相互交錯上下運動，爪尖抓附壁面，使機器人爬行。 綜合以上原因，本次畢業(yè)設計的

31、方案為鉤爪抓附，這樣的機構有以下優(yōu)點： (1) 穩(wěn)定性好。結構簡單； (2) 與機器人合為一體，擴大了工作范圍； (3) 能源消耗少，減輕機器人自重； (4) 適應機器人爬行壁面的結構和材料； (5) 運動速度快，提高工作效率 2.2.2 移動方案的選擇 爬壁機器人主要的移動方式可分為：車輪式、履帶式、腳步行式等。其原理和特點如下： （1） 車輪式 原理：配置多個輪子，每個輪子有電機驅動。 特點：移動速度較快，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：有電機驅動兩個無軌道履帶 特點：著地面積大，對壁面適應性強，體積較大 （3） 腳步

32、行式 原理：通過與多個腳的反復吸附與脫落來進行移動 特點：移動困難，移動速度慢，帶載能力強 為了克服傳統爬壁機器人的性能限制，人們又研制出了其他一些形式的機器人。如：飛行形式，繩索牽動形式等，但這些還處于實驗階段。 根據我們面臨的條件，粗糙的傾斜壁面，吸附機構為鉤爪抓取，如果用履帶式和車輪式不能與鉤爪機構相互配合，就算配合了也比較勉強，多此一舉，既浪費資源，又沒有用處。所以我們選用鉤爪直接支撐壁面，帶動機器人運動，這種移動方案比較新穎，經過實驗，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 對鉤爪式爬壁機器人的基本要求是，能夠在粗糙的傾斜壁面上平穩(wěn)可靠的移

33、動，并成功的完成任務，因此，機器人應滿足以下若干性能要求。 2.3.1 負載能力 按照模塊化設計的思想，鉤爪式爬壁機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，就可以實現多樣的功能，如檢測、檢修、噴漆、除銹等等。為此，要求機器人具備一定的負載能力。如果按照工作機構的平均重量在1.5kg左右，如果再考慮附屬機構、電源線、信號線等重量，機器人負載能力應該在3kg左右，當然，這個負載并不包括機器人自重。 2.3.2 機構尺寸 一方面，機器人要順利地出入各種復雜壁面結構，而要出入各種壁面的復雜地形只能通過機器人的自身變形。綜上所述，設定機器人的尺寸約為460x350x240mm。

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

35、04kW，電流I=0.22A，轉速n=1400r/min，效率為η=50%。 根據以上數據算出： =136.4Nm P3=4050%=0.02kW 功率太小，不足以帶動機器人順利爬行，隨意要重新選擇電機。 再次選取機座型號為代號A02-5624的小功率電機 功率W=0.09kW，轉速r=1400r/min，效率為η=58%。 根據以上數據算出： P1=9058%=0.0522kW P2=9058%=0.0522kW P1= P2=0.0522kW P1——電機傳遞的功率，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——電機的轉速，單位為r/min； n2——蝸桿的轉速，單位為r/min； n3——蝸輪的轉速，單位為r/min； n4——凸輪的轉速，單位為r/min； 3.1.2 校核電機 凸輪每轉一圈，機器人整體運動64mm 機器人運動，作用在導軌上的力為300N 所以，凸輪作用在擺動連桿上的力為600N = = =98% 解得： =0.0367kW P2/η= P1 解得： P1=0.079kW＜0.09

37、kW 電機滿足我們的要求，可以選用。 3.1.3 聯軸器的選擇 彈性聯軸節(jié)的選擇： 以下選擇連軸器的型號。計算轉矩，考慮到轉矩變化應取，則 Nm 77.59Nm 根據計算轉矩，查文獻[18]，選用TL 4型，半聯軸器的孔徑直徑為14mm 3.2 滑桿的設計與校核 3.2.1 校核滑桿的抗彎強度 兩根滑桿選擇的材料為45號鋼 桿1：長x寬x高=588x30x30mm 桿2：長x寬x高=510x30x30mm 比較兩桿，桿1與桿2相比，桿1比桿2長78mm，所以桿1沒有桿2穩(wěn)固，又因為桿1和桿2的運動形式相同，受到的載荷也相同，因此，只要校核桿1的強度即可，如果桿

38、1滿足條件，桿2也相應的滿足，如果桿1不滿足，則校核之后再校核桿1，設計完成在校核，知道滿足所要求即可。 構如圖3-1: 圖3-1 桿1的結構簡圖 桿2的形狀與桿1相同，長度短78mm 已知：機器人的重量為 m1=25kg 負載情況為 m2=5kg G1=m1g=250N/kg G2=m2g=50N G=G1G2=300N 當機器人在水平面上爬行時，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的運動情況有兩種，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，校核這兩個位置即可。 （1）桿1運動到最下面的位置時 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 滑桿的截面為實心矩形 最大正應力 正應力不僅與M有關，而且也和截面的形狀和尺寸有關，實心與空心也有很大的關系。 所以，引用 W---抗彎截面系數 1. 當截面為矩形時 截面的高為h，截面的寬為b。

41、 2. 截面為圓形時 根據 (a) MMAX=13.878 Nm (b) W= (c) 根據（a）（b）（c）得： 所以滑桿在最下面的位置滿足條件。 （2）桿1運動到最上面的位置時 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 滑桿的截面為實心矩形 最大正應力 正應力不僅與M有關，而且也和截面的形狀和尺寸有關，實心

43、與空心也有很大的關系。 所以，引用 W---抗彎截面系數 3. 當截面為矩形時 截面的高為h，截面的寬為b。 4. 截面為圓形時 根據 (d) MMAX=13.878 Nm (e) W= (f) 根據（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 校核滑桿的抗拉強度 當機器人爬垂直墻壁

44、時，滑桿受到的拉應力最大，所以校核該運動狀態(tài)即可。 每根滑桿受到的拉應力為不小于G 根據： ----抗拉強度 S-----截面面積 F ----截面受到的拉應力 因為機器人運動時，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 爪片的設計 一個滑桿上連接4只爪子，一個滑桿受到N的力，一個爪子受到N的力，一個爪子上有3個爪片，所以，每個爪片受到N的力。 還是以垂直墻面為例，這是一個極限位置，只要滿足這個條件，其他都可以實現。 所以滿足條件。 鉤爪的結構圖3-5: 圖3-5 鉤爪的結構 3.3.1 彈簧的設計 在本機器

45、人中，彈簧的作用很重要，機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，中徑最大的彈簧，這樣就可以保證壓縮力的前提下設計出來的彈簧圈數盡可能的多，也就可以保證彈簧在壓緊時，最大壓力盡可能的小。 根據機械設計手冊（新編軟件版）里的彈簧計算公式，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 N=10000 (次)，載荷類型 NType=Ⅱ類。 機器人工作時，彈簧受到的

46、最小力,受到的最大力為。 內徑： 外經： 節(jié)距： 有效圈數：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號鋼 F=12.5N d=8mm 列平衡方程：F-2FS=0 FS= 強度滿足要求。 3.5 面槽盤形凸輪的介紹 3.5.1 結構簡圖 如圖3-7 圖3-7 凸輪的結構 3.5.2 凸輪曲線的做法 （1）選定最小尺寸 OG=OA=OB=50mm; OD=82mm; （2）從動件從A點移動到D點的位置，升距為h=32mm。 （3）凸輪按照順時針旋轉。 （4）凸輪以

47、低速順時針方向轉76o時，上升h=32mm，再轉28o時，保持上升到位移32mm的位移不變，之后再旋轉76o時，下降至原來的位置，最后經過180o時，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> ，所以設計的合理。 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，由于切點上，故這個凸輪用于低速旋轉。滾子從動件在節(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 從動件的壓力角α 從動件受力點的力方向與速度方向之間的夾角（＜180）稱為從動件的“壓力角”，以α表示。根據凸輪的簡圖可以算出，αmax≤[α] 3.6 蝸輪蝸桿的設計計算 普通圓柱蝸桿傳動, 已知：蝸桿

49、輸入功率 =52.2kW，轉速，傳動比i=25，雙向轉動, 載荷平穩(wěn)，輕微沖擊,要求使用壽命5年。 3.6.1 選擇傳動的類型和精度等級 考慮到傳遞功率不大，轉速低，選用漸開線蝸桿（ZI），GB10089～88 3.6.2 選擇材料,確定許用應力 蝸桿：45號鋼，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，查機械設計第八版，由西北工業(yè)大學機械原理及機械零件教研室 編著。 3.6.3 按齒面接觸疲勞強度進行設計 根據蝸桿傳動的設計準則，先按齒輪接觸疲勞強度進行設計，在校核齒根彎曲疲勞強度，由式（1），傳動中心距

50、 （1） （1）確定作用在渦輪上的轉矩T2 根據=2，估計渦輪效率=0.8，則 （2）確定載荷系數K 去載荷分布不均勻系數=1.5，選取選用系數=1.15，去動載荷系數=1。則 （3）確定彈性影響系數 （4）確定彈性系數 設蝸桿分度圓直徑d1和傳動中心距a的比值，因此=2.9 （5）確定許用接觸應力 根據渦輪蝸桿材料為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力=268MPa 應力循環(huán)次數 壽命系數

51、 許用應力 （6）計算中心距 =38.92mm 取中心距a=50mm，i=25， 因此m=1.6，蝸桿分度圓直徑d1=20mm，查機械設計教材圖11-18可查得接觸系數=2.7 因為，因此，以上結果可用。 3.6.4 蝸輪和蝸桿主要幾何尺寸計算 (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 蝸桿齒頂圓直徑 蝸桿齒根圓直徑 蝸桿導程角 蝸桿導程

52、 蝸桿軸向齒厚 (2) 蝸輪 渦輪齒數51，變位系數-0.5； 驗算傳動比i=51/2=25.5； 傳動比誤差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度 (1) 計算蝸桿導程角 (2) 計算蝸輪當量齒數 　 (3) 確定齒形系數　 根據,,查機械設計教材，從文獻[14]中查得. (4) 確定螺旋角系數　 (5) 校核彎曲強度

53、 彎曲強度滿足要求。 3.6.6 驗算效率 已知r= =11.9o；ψ=arctanfv，fv與相對滑動運動Vs有關 Vs=0.06m/s 從機械設計書上查得： fv=0.0204， ψ=1.1687 解得 η=0.86=86% 大于原估計值，不用重復計算。 3.6.7 精度等級公差和表面粗糙度的確定 考慮到所設計的蝸桿傳動式動力傳動，屬于通用機械減速器，從GB/T10089-1988圓柱蝸桿、渦輪精度中選擇8等級精度，側隙種類為f，標注為8f GB/10089-1988。然后由有關手冊查得要求

54、的公差項目及表面粗糙度，此處從略。 3.7 軸的設計計算 3.7.1 軸的概述 １、軸的用途 軸是組成機器的主要零件之一。一切作回轉運動的傳動零件，都必須安裝在軸上才能進行運動及動力的傳遞。因此軸的主要功用是支承回轉零件及傳遞運動和動力。 ２、軸設計的主要內容 軸的設計包括結構設計和工作能力計算兩方面的內容。軸的結構設計是根據軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結構形式和尺寸。軸的結構設計不合理，會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。 軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等到方面的計算。多數

55、情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。這時只需對軸進行強度計算，以防止斷裂或塑性變形。而對剛度要求高的軸和受力大的細長軸，還應進行剛度計算，以防止工作時產生過大的彈性變形。對高速運轉的軸，還應進行振動穩(wěn)定性計算，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廉，對應力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強度，故采用碳鋼制造軸尤為廣泛，其中最長用的是45鋼。 3.7.2 軸的設計及其校核 軸的結構設計包括定出軸的合理外形和全部結構尺寸。 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行軸的結構設計的前提，它決定著

56、軸的基本形式。所謂裝配方案，就是預定出軸上方根零件的裝配方向，順序和相互關系。 ２、軸上零件的定位 為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運動，軸上零件除了有游動或空轉的要求者外，都必須進行軸向和周向定位，以保證其準確的工作位置。 (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使軸的直徑加大，而且軸肩處將因截面突變而引起應力集中。因此，軸肩位多用于軸向力較大的場合。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。流動軸承的定位軸肩高度必須低于軸承內圈端面的高度，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)生相對轉動。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、軸的強度計算 軸的計算準則是滿足軸的強度或剛度要求，必要時還應校核軸的振動穩(wěn)定性。 軸的扭轉強度條件計算： 軸的扭轉強度條件為: （3-5） 式中 ——扭轉切應力單位為MPa； T——軸所受的扭矩，單位為Nm； ——軸的抗扭截面系數，單位為mm3； n—

58、—軸的轉速，單位為r/min； P——軸傳遞的功率，單位為kW； d——計算截面處軸的直徑，單位為mm； ——許用扭轉切應力，單位為MPa。 由上式可得軸的直徑 d≥ （3-6） 式中 A= , 對于空心軸，則 （3-7） 式中 , 即空心軸的內徑d1與外徑d之比，通常取=0.5～0.6。 應當指出，當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。對于直徑d＞100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大3﹪；有兩個鍵槽時，應

59、增大7﹪.對于直徑d≤ 100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大5%～7﹪；有兩個鍵槽時，應增大10%～15﹪.然后將軸徑圓整為標準直徑。 按彎扭合成強度條件計算 作出軸的計算簡圖（即力學模型） 在作計算簡圖時，應先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應把空間力分解為圓周力，徑向力和軸向力，然后把它們全部轉化到軸上），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 根據上述簡圖，分別按水平面和垂直平面計算各力產生的彎矩，并按計算結果分別作出平面上彎矩 和垂直面上的彎矩；然后按下式計算總彎矩并作出M圖；

60、　 （3-8） 作出扭矩圖 校核軸的強度 已知軸的彎矩和扭矩后，可針對某些危險截面作彎扭合成強度校核計算。按第三強度理論，計算應力 （3-9） 對于直徑為d圓軸，彎曲應力，扭轉切應力，將其代入上式中，則軸的彎扭合成強度條件為： （3-10） 式中 ——軸的計算應力，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，單位為mm3； ——對稱循環(huán)變應

61、力時軸的許用彎曲應力。 3.7.3 軸的設計 軸的設計 已知：傳遞扭矩為Nm，輸出轉速為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 根據使用條件，選取軸的材料為鋼，調質處理，MPa , 所以mm 當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的消弱。對于直徑小于100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大5%~7%；有兩個鍵槽時，應增大10%~15%。然后將軸徑圓整為標準直徑。應當注意，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、結構設計 根據軸的定向要

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

63、支梁。 已知條件知 N，N 由 N 代入數據得： N，N 由 N 代入數據得： N，N 由以上數據畫出主軸在水平面和豎直面的受力簡圖，如圖3-9b、3-9d所示。 2) 作軸的彎矩圖 根據上述簡圖，分別計算軸上的水平面內彎矩、豎直面內彎矩。 Nm Nm Nm Nm 由式（3-8）得： Nm Nm 作出水平面內的彎矩圖如圖3-9c、豎直面內彎矩如圖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) 作主軸的相當彎矩圖 由已知得到的合成彎矩和扭矩，根據第三強度理論計算相當彎矩，并做出相當彎矩圖。 (3-11) 式中 是考慮彎矩和轉矩所產生的應力的循環(huán)特性不同而引入的修正系數，是彎曲應力為對稱循環(huán)變應力。當扭轉切應力為靜應力時，取；當扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力時，取；當扭轉切應力亦為對稱循環(huán)變應力時，則取。 由式（3-11）得： Nmm Nmm 由式（3-11）得： MPa 軸的材料為鋼，查文獻[12]得=110MPa。 ，故軸

65、的強度滿足要求。 3.8 平鍵連接（動連接）校核計算結果 　傳遞的轉矩 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 　鍵的長度　L =100 mm 　鍵的有效長度　L0 =90.000 mm 　接觸高度　k =3.200 mm 　材料為　45號鋼 　載荷類型　 輕微沖擊載荷 　許用應力　[p] =45 MPa 　計算應力　p =14.1310 MPa 　校核計算結果： P≤[P] 滿足條件 3.9 本章小結 本章是對回轉機構中的蝸輪蝸桿以及軸進行設計計算，并設計要求對蝸輪蝸桿以

66、及軸進行了校核，滿足各方面要求。 結 論 本文完成了對鉤爪式爬壁機器人的主參數設定、運動系統原理的設計、回轉機構的結構設計等。其中移動系統的設計是從各機構所實現的功能入手，對各部分進行定性設計，并進行整體分析，包括傳動系統型式和鉤取抓附方式的介紹、對比，并從中確定用擺動連桿帶動滑桿的結構設計方案。蝸輪蝸桿機構的結構設計是從移動機構的爬行速度入手，確定所選結構的傳動比，并對內部的電機、聯軸器進行選擇。并且對軸、凸輪進行了設計、計算。最后，對支撐機構的主要零部件進行了校核，最終實現移動機構所要求的爬行速度。 本次設計實現了最初的設計要求，并存在著對整機的優(yōu)化組合的考慮不足，也存在著對使用的材料的浪費，但此次設計對確定鉤爪式爬壁機器人的設計方案，具有很強的現實意義，本方案具有普遍性和廣泛性等特點，滿足了平穩(wěn)、啟動、制動沖擊小，微動性能良好等要求。 參考文獻 [ 1] 黃善鈞. 壁面移動機器人的研究. 哈工大七十周