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檢測用攀行機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
學 生:
指導老師:
(湖南農(nóng)業(yè)大學工學院,長沙410128)
摘 要:本文介紹了檢測用攀行機器人的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計。檢測用攀行機器人主要由吸附機構(gòu)、移動機構(gòu)及檢測裝置構(gòu)成，本文重點介紹吸附機構(gòu)和移動機構(gòu)，主要內(nèi)容包括：吸附機構(gòu)、移動機構(gòu)設(shè)計方案的分析及確定，機械結(jié)構(gòu)中各功能部件的設(shè)計，驅(qū)動電機及其安裝方式的確定，重要零部件的強度校核等。
關(guān)鍵詞：設(shè)計方案；強度校核；吸附機構(gòu)；移動機構(gòu)
The Design of Detection Using Climbing Robot Structure
Student:PengYuanzhuo
Tutor：MoYawu
(College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)
Abstract: The design of the main structure of the detection using climbing robot was introduced in this article. Line detection using climbing robot is mainly composed of adsorption mechanism, mobile mechanism and a detection device, this article focuses on mobile mechanism, adsorption mechanism and the main content includes: adsorption mechanism, mobile mechanism analysis and determine the design scheme, the mechanical structure of each functional unit in the design, the determination of drive motor and its installation method, the strength of the important parts for check, etc.
Key words:Function parts;Intensity compute; adsorption mechanism; travel mechanism
1 前言
機器人是傳統(tǒng)的機構(gòu)學與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機科學、控制論、機構(gòu)學、信息科學和傳感技術(shù)等多學科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運行、重復操作和精度較高的自動化設(shè)備。長期以來，人們就向往能在垂直陡壁上攀行，由于在垂直陡壁上作業(yè)是非常困難和危險的，超越了人的能力極限，所以在國外稱此類機器人為極限作業(yè)機器人。壁面攀行機器人可用來代替人工進行一些危險操作，進行各種儲存有毒有害介質(zhì)的儲存罐以及高層鋼結(jié)構(gòu)建筑物表面的檢測工作。其中包括核工業(yè)和城市石化工業(yè)球形儲液罐的視覺檢查、超聲側(cè)厚和焊縫探傷等作業(yè)。[1]
攀行檢測機器人有著很大應(yīng)用前景，它一經(jīng)問世就受到了各方的重視。1966年日本首次研制成功壁面移動檢測機器人樣機，并在大阪府立大學表演成功，這是一種依靠負壓吸附的攀行機器人。日立制造所研制了履帶式磁吸附檢查機器人，帶有超聲檢測裝置。由于采用了負荷分散機構(gòu)，它能夠適應(yīng)各種凹凸不平的曲面和棚頂。到80年代末期，各類攀行機器人已經(jīng)開始在生產(chǎn)中應(yīng)用。英國在攀行機器人領(lǐng)域也取得許多成果。90年代初RTD公司推出了輪式磁吸附爬壁機器人(取名Beetle)，已作為商品銷售。最高爬行速度達每分種12米，可以自動記錄每隔一定距離的壁厚。我國自90年代以來，有許多單位根據(jù)國家經(jīng)濟建設(shè)需要，研制成功各種類型與功能的攀行機器人。上海交通大學研制成功測量大罐容積的磁吸附攀行檢測機器人。哈爾濱理工大學研制成功測量大罐漆膜厚度的履帶復合式攀行機器人。哈爾濱工業(yè)大學研究所在“863計劃”支持下，于1994年研制成功核工業(yè)用的壁面攀行遙控檢查機器人。
本論文主要研究以下幾個方面的問題:1、檢測用攀行機械人總體方案的確定：機器人是典型的機電一體化裝置，必須采用系統(tǒng)的觀點，對機器人各功能模塊進行合理劃分。首先根據(jù)設(shè)計要求從理論上分析工作狀況，然后提出設(shè)計思路，包括傳動方式、控制方式等，整體規(guī)劃攀行檢測機器人的整體結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動裝置、傳動系統(tǒng)，從而選定最優(yōu)方案；2、檢測用攀行機器人前進機構(gòu)方案的設(shè)計：怎樣把步進電機的動力傳遞給機器人的前進機構(gòu)，是本設(shè)計的一個重點方面，本文結(jié)合作業(yè)中的實際要求，采用直線導軌作為傳動元件通過齒條和齒輪的嚙合來實現(xiàn)機器人的前進運動；3、檢測用攀行機器人回轉(zhuǎn)機構(gòu)方案的設(shè)計：要實現(xiàn)在攀行過程中行進方向的轉(zhuǎn)換，考慮機器人料的形狀和質(zhì)量，采用在機器人機身中間安裝三角電磁吸盤吸附，通過步進電機驅(qū)動實現(xiàn)機身的整體回轉(zhuǎn)，從而改變機器人的行進方向；檢測用攀行機器人電磁腳方案的設(shè)計：為了使機器人能夠在鋼結(jié)構(gòu)上自由行走，在機器人的腳部安裝七個微盤組合是電磁吸盤，在機器人的前后各安裝兩個電磁腳，機身中間安裝一個三角式電磁腳，這樣可以保證機器人的行進穩(wěn)定，并可在有溝槽或不平整的鋼結(jié)構(gòu)壁面上吸附并行走。
2 檢測用攀行機器人總體方案設(shè)計
2.1 機器人的設(shè)計要求
由于攀行表面各不相同，工作條件不同，導致攀行機器人結(jié)構(gòu)特別是吸附機構(gòu)的差異。本文主要研究鋼結(jié)構(gòu)表面攀行的機器人。隨著社會城市化進程的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑物也越來越多，為了檢測建筑物的表面工作是否存在安全隱患，人類必須要進行高空作業(yè)，但是高空作業(yè)難度系數(shù)高，危險性大，為了保障高空作業(yè)的安全性，人們不斷研究能夠進行鋼結(jié)構(gòu)檢測用的攀行機器人來代替人類進行高空作業(yè)。
檢測用攀行機器人要求能夠沿著鋼結(jié)構(gòu)表面進行攀行，在攀行過程中，完成對鋼結(jié)構(gòu)建筑物表面的檢測工作，機器人通過機身中間的一只三足電磁腳先吸附在建筑物表面上，然后依靠步進電機將機器人的前進機構(gòu)整體前移，再將安裝在前進裝置上的兩對電磁腳降下來吸附在建筑物表面上，再將機身中間的三足電磁腳提升通過步進電機將機身前移，這樣便完成了機器人的攀行動作。機器人是通過電磁腳的交替運作來實現(xiàn)整體伸縮前進的。該機器人采用腿式交替伸縮的運動模式，可以提高其環(huán)境適應(yīng)能力和越障能力，并且比履帶式運動模式和三足旋轉(zhuǎn)式運動模式具有良好的穩(wěn)定性。
2.2 機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計
本文的攀行機器人實質(zhì)上是多足檢測攀行機器人，即攀行機器人的腿要多于兩條腿。對于攀行機器人來說穩(wěn)定性是主要問題，需要考慮它的靜穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性。靜態(tài)穩(wěn)定性只考慮在支撐位形下重力的作用，而動態(tài)穩(wěn)定性需要考慮重力和慣性力的共同作用。直觀上講，靜態(tài)穩(wěn)定性需要更多的接觸點，也就是比動態(tài)穩(wěn)定性需要更多的腿。跳躍機器人和兩腿步行機器人是步行機器人中依靠動態(tài)穩(wěn)定性的例子。為了穩(wěn)定時平衡，行走機器人需要具有運動結(jié)構(gòu)，以提供平衡機器人重力的地面反作用力。兩
圖1 機身 圖2 前進機構(gòu)
Fig.1 Frame Fig.2 Forward gear
腿機器人沒有靜態(tài)平衡能力，因為一條腿在轉(zhuǎn)移時，身體只剩下一個接觸點，不能提供保持平衡所須的力。所以在運動時，最少要求用三條腿來保持穩(wěn)定。所以在機器人的機身中間設(shè)計了一個三足吸盤[2]。維持靜平衡一般四條腿，所以在機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在機器人的前后兩端各安裝了兩只電磁腳，用來保證機器人的運動穩(wěn)定。
如圖1所示，機器人的基本結(jié)構(gòu)框架采用鋁板制作，即采用一塊長540mm×寬275mm×高170mm的一塊鋁合金板作為機器人的機身，并制作成一個框架。電機安裝在機器人的機身中間。機器人框架上端面三個Φ8的孔是用來安裝三個齒輪軸的，一個Φ70的孔是用來安裝機器人的回轉(zhuǎn)機構(gòu)，一個Φ50的孔是用來安裝步進電機的，在安裝的時候要保證各齒輪之間是相互嚙合的?？蚣艿闹虚g是空的，這樣既節(jié)省了材料又減輕了機器人本身的重量。在機身框架中安裝兩根導軌，用來保證安裝在機身中間的機器人前進機構(gòu)可以自由伸縮，并能達到機器人的前進的行程要求。
圖3 總體布局
Fig.3 The overall layout
圖2是機器人的前進機構(gòu)簡圖。前進機構(gòu)前后兩個Φ70的圓孔用來安裝機器人的升降機構(gòu)，并在升降機構(gòu)的下邊分別安裝兩個電磁腳，這樣便保證了機器人的穩(wěn)定性。前進機構(gòu)總長800mm，寬175mm，中間是空的，在中間的兩個薄板的內(nèi)壁上分別安裝兩個齒條，用來和傳動齒輪嚙合，這樣就可以使前進裝置相對于機器人的機身運動了。
采用這樣設(shè)計的優(yōu)點是將機器人分成機器人的機身和前進機構(gòu)兩個，能夠保證機器人的傳動穩(wěn)定，運動的靈活性，精簡了機器人的結(jié)構(gòu)。它的整體布局結(jié)構(gòu)如圖3所示。整個機器人系統(tǒng)設(shè)計為兩個自由度，將運動分解為兩部分：移動部分和回轉(zhuǎn)部分。移動部分占一個自由度，即使機器人前后的移動機構(gòu)；回轉(zhuǎn)部分占一個自由度，即控制機器人方向的旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)，這兩個自由度之間沒有耦合，相互不干擾。
2.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計
傳動裝置的作用主要是將驅(qū)動元件的動力傳遞給機器人相應(yīng)的執(zhí)行部件，以實現(xiàn)各種預定的運動。目前常用的傳動方式有: 齒輪傳動、皮帶輪傳動、鏈條傳動、齒輪齒條傳動、蝸輪蝸桿傳動、諧波減速傳動以及螺旋傳動等。齒輪傳動具有效率高、傳動比穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，應(yīng)用廣泛；諧波減速傳動具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、能獲得大的傳動比等優(yōu)點，但存在扭轉(zhuǎn)剛度較低且傳動比不能太小的缺點[3]；皮帶輪傳動可以實現(xiàn)過載保護，但存在彈性滑動，使用一段時間后易松弛，傳動運轉(zhuǎn)過程中還產(chǎn)生動載荷；鏈傳動雖然成本低，但鏈傳動的制造與安裝精度要求低，不適合用在要求傳遞精度高的機構(gòu)當中，鏈傳動在兩根平行軸間職能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動，運轉(zhuǎn)時不能保持恒定的傳動比，磨損后易發(fā)生跳齒，工作時候噪音大，不宜在載荷變化很大和急速反向的傳動中應(yīng)用，因此鏈傳動常用于傳動精度要求不高的場合。
2.3.1 轉(zhuǎn)向部分傳動設(shè)計
圖4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)
Fig.4 Steering mechanism
本設(shè)計采用齒輪傳動作為轉(zhuǎn)向部分傳動。齒輪傳動的主要特點有：效率高，在常用的機械傳動中，以齒輪傳動效率為最高。如一級圓柱齒輪傳動的效率可達99%。這對功率的傳遞十分重要，因為即使效率只提高1%，也有很大的經(jīng)濟意義；結(jié)構(gòu)緊湊，在同樣的使用條件下，齒輪傳動所需的空間尺寸一般較??；工作可靠、壽命長，設(shè)計制造正確合理、使用維護良好的齒輪傳動，工作十分可靠，壽命可長達一、二十年，這也是其他機械傳動所不能比擬的。這對機械傳動來說有著很大的經(jīng)濟性和實用性；傳動比穩(wěn)定，傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求。齒輪傳動獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于具有這一特點。但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，不宜用于傳動距離大的場合[4]。
綜合齒輪傳動的各項特點，齒輪傳動能保證攀行機器人回轉(zhuǎn)精度，且能保證結(jié)構(gòu)緊湊，故選擇齒輪傳動作為轉(zhuǎn)向裝置傳動方案，如圖4所示
2.3.2 前進機構(gòu)傳動設(shè)計
圖5 前進機構(gòu)
Fig.5 forward gear
機器人的前進機構(gòu)運動主要依靠齒輪齒條進行動力的傳遞。選用齒輪齒條傳遞，主要是考慮機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要求，將齒條安裝固定在前進裝置的內(nèi)表面上，這樣便于與齒輪嚙合，傳遞齒輪所傳遞的驅(qū)動力，使機器人前進。如圖5所示。
2.3.3 升降機構(gòu)設(shè)計
升降機構(gòu)用于調(diào)節(jié)攀行機器人底盤高度，以便于跨越障礙，適應(yīng)復雜攀行表面。機器人的升降機構(gòu)采用的是蝸桿傳動，蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構(gòu)，兩軸線交錯的夾角可為任意值，通常用的為90o。這種傳動由于具有下述特點：
1）當使用單頭蝸桿（相當于單線螺紋）時，蝸桿旋轉(zhuǎn)一周，渦輪只轉(zhuǎn)過一個齒距，因而能實現(xiàn)大的傳動比。在動力傳動中，一般傳動比i=5—8；在分度機構(gòu)或者手動機構(gòu)的傳動中，傳動比可達300；若只傳遞運動，傳動比可達1000。由于傳動比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)很緊湊；
2）在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和渦輪齒是逐漸進入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時嚙合的齒對較多，故沖擊載荷小，傳動穩(wěn)定，噪音低；
3）當蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當量摩擦角時，蝸桿傳動便具有自鎖性。蝸桿傳動與螺旋齒輪傳動相似，在嚙合處有相對滑動。當滑動速度很大，工作條件不夠良好的時候，會產(chǎn)生較嚴重的摩擦與磨損，從而引起過熱，使?jié)櫥闆r惡化。因此摩擦損失較大，效率低[5]。
圖6 蝸桿機構(gòu)
Fig.6 Worm and worm wheel mechanism
本設(shè)計采用的是環(huán)面蝸桿傳動，如圖6所示。環(huán)面蝸桿的傳動特征是，蝸桿體在軸外的外形是以凹圓弧為母線所形成的旋轉(zhuǎn)曲面[6]。在這種傳動的嚙合帶內(nèi)，渦輪的節(jié)圓位于蝸桿的節(jié)弧面上，亦即蝸桿的節(jié)弧沿渦輪的節(jié)圓包著渦輪[7]。在中間平面內(nèi)，蝸桿和渦輪都是直線齒廓。由于同時相嚙合的齒對多，而且齒輪的接觸線與蝸桿運動的方向近似于垂直，這就大大改善了輪齒受力情況和潤滑油膜形成的條件，因而承載能力約為阿基米德蝸桿傳動的2—4倍，效率一般高達0.85—0.9；但它需要較高的制造和安裝精度[8]。
2.4 驅(qū)動系統(tǒng)分析與設(shè)計
機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計往受到作業(yè)環(huán)境的限制，同時還要考慮價格因素的影響以及所能達到的技術(shù)水平。目前機器人的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電氣驅(qū)動三種形式。液壓驅(qū)動系統(tǒng)能夠提供較大的驅(qū)動壓力和功率，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定等特點，液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可達到較高的定位精度和剛度，但油路系統(tǒng)復雜，工作性能受環(huán)境影響較大，移動性能差，且易造成泄漏現(xiàn)象，常用于要求提供較大驅(qū)動力矩、對移動性能要求差的特大功率機器人系統(tǒng)中。氣動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、動作迅速，可在惡劣的環(huán)境中工作，但氣動裝置也存在噪聲問題，只適用于精度要求不高的點位系統(tǒng)中。電氣驅(qū)動系統(tǒng)具有精度高、控制準確、響應(yīng)迅速等優(yōu)點。綜合考慮各種驅(qū)動式的優(yōu)缺點，選用電氣驅(qū)動方式[9]。
電氣驅(qū)動方式包括普通電機、直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機以及力矩電機等驅(qū)動方式。伺服電機轉(zhuǎn)子慣量小、動態(tài)特性好，由伺服電動機所構(gòu)成的機器人驅(qū)動系統(tǒng)具有運行精度高、調(diào)速范圍廣、速度運行平滑、具有高可靠性并易于控制等優(yōu)點，交直流伺服電動機己成為機器人驅(qū)動系統(tǒng)的主流，直流伺服電動機的電刷易磨損形成電火花，限制了其應(yīng)用范圍。近年來隨著交流調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機的驅(qū)動系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是交流伺服電機必須采用閉環(huán)控制方式，這種復雜的控制系統(tǒng)造成控制成本大大提高。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，伺服系統(tǒng)的價格在大幅度降低，可靠性也得到了提高。
步進電動機是一種可以直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械位移的機電執(zhí)行元件，具有控制簡單、響應(yīng)速度快、工作可靠、無累計誤差等優(yōu)點。它能夠直接接受數(shù)字信號，無需中間轉(zhuǎn)換，直接輸出的位移量與輸入數(shù)字脈沖量相對應(yīng)，能實現(xiàn)直接的數(shù)字控制。步進電機以開環(huán)方式工作，可省去伺服電機驅(qū)動裝置中位置檢測與反饋部分以及A/D, D/A轉(zhuǎn)換，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使控制成本大大降低。步進電機的位置和速度控制簡單，具有一定精度，使用與維護都很方便?？偤弦陨弦蛩兀诒驹O(shè)計中采用步進電機驅(qū)動[10]。
3 機器人參數(shù)計算
3.1 步進電機型號
選用BF系列55BF005型號臥式步進電機，電機技術(shù)數(shù)據(jù)見表1。
表1 電機參數(shù)
Table1 Motor parameters
相數(shù)
額定電壓/V
靜態(tài)電流/A
步距角
/o
保持轉(zhuǎn)矩/N·m
空載起動頻率/P·
外形總長/mm
3 30 3 3.75/7.5 0.343 16000 70
3.2 齒輪傳動設(shè)計
3.2.1 選擇材料，精度及參數(shù)
大齒輪：45鋼，調(diào)質(zhì)，，取
小齒輪：45鋼，正火，，取
齒數(shù)：
傳動比：
選擇精度等級8級。
3.2.2 按齒面接觸強度設(shè)計
由公式 （1）
試選載荷系數(shù)Kt=1.3
計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
（2）
查表取齒寬系數(shù)=1
查得材料的彈性影響系數(shù)
按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限為 大齒輪的接觸疲勞強度極限；
計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（3）
（4）
查得接觸疲勞壽命系數(shù)
計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1 則
（5）
（6）
計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
=48.546mm
計算圓周速度V
計算齒寬b
（7）
計算齒寬及齒高之比b/h
模數(shù)
齒高
計算載荷系數(shù)
根據(jù)V=2.96m/s,精度等級8級,由圖查得,直齒輪,假設(shè),由表查得,由表查得使用系數(shù),由表查得8級精度,小齒輪相對支承非對稱布置時:
將數(shù)據(jù)代入則
由=9.78, 查圖得,故載荷系數(shù)
（8）
按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑()
計算模數(shù)m
3.2.3 按齒根彎曲強度設(shè)計
由圖查得小齒輪的彎曲疲勞極限
大齒輪的彎曲疲勞極限
查圖得彎曲疲勞壽命系數(shù),
計算彎曲疲勞許用應(yīng)力,取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,則
計算載荷系數(shù)K
查取齒形系數(shù)
由表查得
查取應(yīng)力校正系數(shù)
由表查得
計算大小齒輪的并加以比較
由此可見小齒輪的數(shù)值大
（9）
可取由彎曲強度算得的模數(shù)2.116mm，并就圓整為標準值2.5mm按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù):
大齒輪齒數(shù):
這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度[11]。
計算分度圓直徑:
計算中心距:
mm （10）
計算齒輪寬度:
齒寬取 （11）
齒根高: （12）
齒全高: （13）
驗算
故滿足要求。
3.3 軸的設(shè)計
圖7 軸
Fig.7 axis
求輸出軸上的功率P,轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T
初步確定軸的最小直徑
選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)表查取，于是得
(14)
軸的尺寸
如圖7所示，左軸承與齒輪左端面之間用端蓋定位,因軸承主要承受徑向載荷的作用，故選用深溝球軸承。根據(jù)，由軸承產(chǎn)品，目錄中初步選0基本游隙組，標準精度級選用深溝球軸承626，其尺寸為。選用深溝球軸承628，其尺寸為
； ； ; 。
3.4 連接件的選取
攀行機器人上的零件緊固一般采用螺紋緊固、焊接和鉚接等[12]，其連接的具體情況如下：
3.4.1 螺栓連接
這種連接是在被連接件上開通孔插入螺栓后在螺栓的另一端擰上螺母。這種連接結(jié)構(gòu)的特點是在被連接件的通孔和螺栓間留有間隙，通孔的加工精度要求低，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，使用時不受被連接件的限制，因此應(yīng)用很廣，該連接的缺點是連接精度低，容易松脫[13]。
3.4.2 螺釘連接
這種連接的特點是螺栓直接擰進被連接件的螺紋孔中而不用螺母，在結(jié)構(gòu)上比雙頭螺栓聯(lián)結(jié)簡單緊湊。其用途和雙頭螺栓相似，但經(jīng)常拆裝時，易使螺紋孔磨損，可能導致被連接件報廢，故多用于受力不大，或不需要經(jīng)常拆裝的場合[14]。
3.4.3 鉚接
用于機器人的連接部位不需要拆除或不便于鉆大孔處的連接，如機器人方形桿之間的連接[15]。
3.4.4 焊接
機器人底盤加固梁和承受載荷較大的部分采用焊接[15]。
3.5 機身結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計
機身壁厚：
頂蓋壁厚：
固定步進電機螺釘數(shù)目：n=4
端蓋和電磁鐵固定用螺栓直徑：
3.6 密封和潤滑
齒輪的潤滑采用油潤滑，軸的潤滑采用脂潤滑。
在各個軸承端蓋定位蓋處安裝0型密封圈密封。
在輸入和輸出軸的軸承端蓋處設(shè)置環(huán)形槽，用墊圈密封。
4 零件校核
4.1 軸的校核
齒輪與軸的周向定位用平鍵連接。按查得平鍵截面尺寸，鍵槽用鍵槽銑刀加工。為保證齒輪與軸有良好的對中性，故選輪轂與軸的配合為，倒角為。
4.1.1 水平面內(nèi)的受力
選用的是628型深溝球軸承，a=26.5mm。
=11.5mm
mm
mm
=11.5mm
mm
mm
mm
各個力對A點取矩,則求得
豎直方向合力求得
B點的彎矩mm
4.1.2 彎矩圖與扭矩圖
圖8 受力分析
Fig.8 Stress analysis
由總彎矩圖和扭矩圖可知,截面B受力最大,故截面B處為危險截面。如圖8所示。
4.1.3 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度
校核軸上的承受最大彎矩和扭拒的截面B的強度，取α=0.6，則軸的計算應(yīng)力
（15）
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，則,故,軸的強度符合要求。
4.1.4 軸承壽命計算
圓錐滾子軸承32911的額定動載荷為66.8KN,圓錐滾子軸承32912的額定動載荷為73.0KN，則
（16）
4.2 鍵的校核
4.2.1 軸上鍵的校核
鍵
，則
（17）
根據(jù)材料查得，所以，滿足要求。
4.2.2 步進電機軸上鍵的校核
鍵GB/T1095-2003
， ，
，則，根據(jù)材料查得所以，滿足要求。
5 電磁腳的設(shè)計
此機器人為檢測用攀行機器人，且針對鋼結(jié)構(gòu)的攀行，故可考慮使用真空吸盤或電磁吸盤。若采用真空吸盤，則需采用空氣壓縮機及氣壓管路元件，設(shè)備要求高，成本高，達到吸附穩(wěn)定的要求難度大。若用電磁吸盤，采用電磁鐵控制，則需采用電源控制電磁鐵的通斷，結(jié)構(gòu)和控制都較真空吸盤簡單，故本機器人采用電磁吸盤。
機器人的電磁腳是由吸盤、主傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)角機構(gòu)、運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)、控制系統(tǒng)以及電源等部分組成，其中主傳動機構(gòu)是其關(guān)鍵技術(shù)。電磁腳的基本尺寸為，腳的直徑Φ72mm，高度42mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有鐵心、腳底、隔磁環(huán)、磁盤、卡環(huán)、線圈、軸承、擋圈和球形環(huán)節(jié)等。電磁腳由螺釘固定在升降結(jié)構(gòu)的連桿上，這樣就可以保證在步進電機帶動齒輪齒條運轉(zhuǎn)時，機器人的電磁腳便可以實現(xiàn)升降工作。最高可以抬升60mm，這樣便能實現(xiàn)機器人的跨越障礙能力，保證了機器人攀行的順利。如圖9所示。
圖9 電磁腳
Fig.9 Electromagnetic feet
6 機器人檢測裝置分析
本設(shè)計為鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機器人設(shè)計，檢測方案的設(shè)計也是本設(shè)計的一個重點，現(xiàn)代的檢測技術(shù)已經(jīng)十分發(fā)達了，種類也十分繁多，但是要將這些技術(shù)用于機器人身上，就需要在機器人身上安裝傳感器。為了方便設(shè)計并且也能達到鋼結(jié)構(gòu)表面的檢測要求，最直接的方法就是在機器人的前端安裝一個微型攝像頭，并將鋼結(jié)構(gòu)表面的狀況通過傳感器反饋回來。但由于安裝攝像頭只能看到一些表面的現(xiàn)象，對內(nèi)部缺陷還不能作出具體的判斷，這就需要安裝傳感器來完成，本設(shè)計選用電渦流式傳感器。
6.1 電渦流傳感器
塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流在導體內(nèi)是閉合的，稱為渦流。 渦流的大小與金屬體的電阻率ρ、磁導率μ、厚度t、線圈與金屬體的距離X以及線圈的激勵電流頻率f等參數(shù)有關(guān)。固定其中若干參數(shù)，就能按渦流大小測量出另外一些參數(shù)。
渦流傳感器的特點是對位移、厚度、材料缺陷等實現(xiàn)非接觸式連續(xù)測量，動態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，工業(yè)應(yīng)用廣泛。渦流傳感器在金屬體內(nèi)產(chǎn)生渦流，其滲透厚度與傳感器線圈的激勵電流的頻率高低有關(guān)。所以渦流傳感器分為高頻反射式和低頻透射式兩類。
6.2 高頻反射電渦流傳感器
渦流傳感器的工作原理如圖10所示。高頻信號加在電感線圈L上，L產(chǎn)生同頻率的高頻磁場Φ作用于金屬表面，由于趨膚效應(yīng)，高頻電磁場在金屬板表面感應(yīng)出渦流i，渦流產(chǎn)生的反磁場Φ反作用于Φ，使線圈的電感和電阻發(fā)生變化，從而使線圈阻抗變化。傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為
Z = F（ρ，μ，γ，f，x）
由于渦流效應(yīng)，金屬板電阻率ρ、磁導率μ、線圈半徑r、線圈激勵頻率f以及線圈與金屬板距離x的變化均會引起線圈阻抗Z的變化。如果ρ，μ，γ，f參數(shù)已定，Z成為線圈與金屬板距離x的單值函數(shù)，由Z可求出x。
圖10 渦流傳感器原理
Fig.10 Principle of eddy current sensor
7 控制分析
機器人要實現(xiàn)的向上攀爬的動作，需要實現(xiàn)的動作分別是中心電磁腳的吸合，前腳的抬起，前腳的前伸，前腳的下放吸合等。機器人要實現(xiàn)轉(zhuǎn)向動作，需要執(zhí)行的動作分別是中心電磁腳的吸合，前后腳抬起，轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向，前后腳的下放等，各步動作均由軟件協(xié)調(diào)控制[16]。
機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計往往要受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時還要考慮價格因素的影響以及所能達到的技術(shù)水平。步進電動機是一種可以直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械位移的機電執(zhí)行元件，具有控制簡單、響應(yīng)速度快、工作可靠、無累計誤差等優(yōu)點。它能夠直接接受數(shù)字信號，無需中間轉(zhuǎn)換，直接輸出的位移量與輸入數(shù)字脈沖量相對應(yīng)，能實現(xiàn)直接的數(shù)字控制。另外，步進電機的抗干擾能力強、無累計定位誤差，可重復反轉(zhuǎn)而不損壞，并且步進電機的位置和速度控制簡單，具有一定精度，使用與維護都很方便[17]。
電機2
前腿升降
齒輪轉(zhuǎn)動
后腿升降
電機1
電機3
機器人攀行前進
檢測機構(gòu)
執(zhí)行任務(wù)
圖11 驅(qū)動控制
Fig.11 Drive control
8 結(jié)論
本文在參考近幾年機器人領(lǐng)域取得重大成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合攀行機器人和檢測機器人這個課題，對檢測用攀行機器人進行了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、同時，對傳動方式和控制系統(tǒng)進行了研究和分析，本論文的研究主要取得了以下成果:
1）對鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機器人采用機械電子學思想進行了總體設(shè)計。立足于機電一體化的觀點，對機器人的機械結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動裝置、傳動方式等各組成部分進行了較為全面的分析，最后得出鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機器人機械結(jié)構(gòu)的總體方案，提出用步進電機驅(qū)動，用齒輪、齒輪齒條和導軌傳動力和扭矩[18][19]。
2）根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機器人的結(jié)構(gòu)特點，對前進機構(gòu)的運動方式和特點進行了詳細的分析。采用步進電機來控制齒輪的扭矩和動力傳遞，防止扭矩和力過大，使前進機構(gòu)損壞。
3）采用齒輪齒條來進行機器人回轉(zhuǎn)升降機構(gòu)的控制，這部分的設(shè)計比較復雜，尤其是回轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)和安裝位置的確定，通過查閱資料和分析整體結(jié)構(gòu)，最后決定把機構(gòu)安裝在機器人機架的中心部位，這樣既可以使結(jié)構(gòu)緊湊，又可以使機器人的受力均勻，保持機器人的運動穩(wěn)定[20]。
通過以上的工作，從總體結(jié)構(gòu)分析和驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和制造，最終實現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)檢測用攀行機器人的簡單、實用的整體設(shè)計方案。
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致 謝
本論文是在莫亞武老師的悉心指導下完成的。畢業(yè)設(shè)計是高等學校教學計劃的重要組成部分，是學生畢業(yè)前最后一個綜合性的教學環(huán)節(jié)。在老師的悉心指導下，通過仔細查閱資料，分析總結(jié)，完成了本次畢業(yè)設(shè)計。通過本次畢業(yè)設(shè)計，我掌握了機械設(shè)計的方法，熟練掌握了CAD制圖軟件，提升了專業(yè)知識水平。
本設(shè)計從課題的選擇、整體結(jié)構(gòu)的分析和研究，到論文的寫作等階段都是在莫亞武老師的悉心指導下完成的。在查閱資料，設(shè)計草案的確定和修改，詳細設(shè)計，裝配圖繪制等過程中，莫亞武老師都給了我很好的建議和指導。
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