《攀爬機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《攀爬機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（38頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 學(xué) 號(hào)： 3060444130 題目類型： 設(shè)計(jì) GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目： 攀爬機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系 ( 院 )： 機(jī)械與控制工程學(xué)院 專業(yè)(方向)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)：

2、 機(jī)械06-1班 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 2010年6月2日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的設(shè)計(jì)（論文）是我個(gè)人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得桂林理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。對(duì)設(shè)計(jì)（論文

3、）的研究成果做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已作了明確的標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 設(shè)計(jì)（論文）作者簽名： 日期： 年 月 日 設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)聲明 本設(shè)計(jì)（論文）作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交設(shè)計(jì)（論文）的復(fù)印件和電子版，允許設(shè)計(jì)（論文）被查閱或借閱。本人授權(quán)桂林理工大學(xué)可以將本設(shè)計(jì)（論文）的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本設(shè)計(jì)（論文）。 設(shè)計(jì)(論文)作者簽名： 日期： 年

4、 月 日 指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日 摘 要 本文所研究的攀爬機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)高空玻璃壁面爬行的機(jī)器人，可以對(duì)高空玻璃壁面進(jìn)行檢測(cè)、維護(hù)的機(jī)器人，具有很高的推廣價(jià)值。為了解決其若干關(guān)鍵問題，本文開展爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與動(dòng)力性能研究，其主要研究?jī)?nèi)容如下： 對(duì)真空吸附爬壁機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究其移動(dòng)方式，通過控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而控制相應(yīng)的移動(dòng)速度，以及對(duì)各種零部件設(shè)計(jì)計(jì)算。 根據(jù)攀爬機(jī)器人的運(yùn)機(jī)理分析將其等效為特殊的關(guān)節(jié)型移動(dòng)機(jī)器人，本論文從攀爬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理、運(yùn)動(dòng)性能、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等方面展開

5、研究，并結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)預(yù)期的要求。 機(jī)器人技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，爬壁機(jī)器人是極限作業(yè)機(jī)器人的一個(gè)分支，他的產(chǎn)生是為了代替人類，在核工業(yè)、石化企業(yè)、建筑行業(yè)、消防部門、造船等領(lǐng)域中的危險(xiǎn)狀態(tài)下作業(yè)，具有極其廣泛的用途和很高的使用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：爬壁機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)計(jì)算；強(qiáng)度分析 Wall-climbing robot structure design and analysis Student:SHI Xiang-zhang Teach

6、er:JING-chen Abstract: Research in this paper is to achieve high-altitude climbing robot glass wall crawling robot that can detect high altitude glass wall, to maintain the robot, the promotion of high value. In order to solve some of its key issues, this paper carried out the structure of wall-c

7、limbing robot design and dynamic performance studies, its main contents are as follows: Wall-climbing robot vacuum mechanical structure design of the mobile way, by controlling the motor rotational speed to control the corresponding speed, and various parts of the design calculations and analy

8、sis of mechanical properties and strength. Wall climbing robot according to the operation mechanism of its equivalent to a special joint-type mobile robot, this paper from the principle of wall-climbing robot, sports performance, sports organizations in such areas, and combined with mechanical

9、 design, optimal design methods to make the robot to achieve the desired requirements. Computer Computer integrated robotics, control theory, organization, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics and other disciplines to form a high-tech, wall climbing robot is op

10、erating a branch of the limit of his produce is In place of human beings, in the nuclear industry, petrochemical enterprises, the construction industry, fire departments, shipbuilding and other areas under the risk of operating with an extremely wide range of uses and high value. Keywords: wall-

11、climbing robot； structural design； design calculation； Strength analysis 34 本課題研究的主要內(nèi)容 本課題的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)爬壁機(jī)器人，需實(shí)現(xiàn)機(jī)器人穩(wěn)定直線向上爬行的功能，能夠完成基本的吸附和爬行功能。 在此要對(duì)爬壁機(jī)器人進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，完成爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(fā)，在此基礎(chǔ)上研究爬壁機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)問題，把爬壁機(jī)器人的總裝圖、具有代表性的零件圖用CAD制圖，對(duì)于零部件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)件在計(jì)算中設(shè)計(jì)體現(xiàn)出來，非標(biāo)準(zhǔn)間在CAD圖紙和三維模型中體現(xiàn)出來，對(duì)于一

12、些標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行計(jì)算選擇和校驗(yàn)計(jì)算。 1 爬壁機(jī)器人的總體方案 爬壁機(jī)器人應(yīng)用具有兩個(gè)基本功能：吸附功能和移動(dòng)功能。按照這兩大基本功能對(duì)其進(jìn)行了分類。 1）吸附方案 爬壁機(jī)器人的吸附功能可分為：真空吸附、磁力吸附和推力吸附三類。爬壁機(jī)器人三種吸附方式的比較見表2.1。 表2.1 爬壁機(jī)器人三種吸附方式的比較 吸附方式 真空吸附 推力吸附 磁力吸附 優(yōu)點(diǎn) 吸附力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無泄露，對(duì)壁面的材料要求不高。 無泄露，對(duì)壁面的形狀、材料適應(yīng)性強(qiáng)。 無泄露，對(duì)壁面形狀、

13、材料適應(yīng)性強(qiáng)。 缺點(diǎn) 吸盤無冗長(zhǎng)性，一旦斷電，本體失去吸附能力。 噪音大，體積大，效率低。 步行時(shí)，履帶與壁面離合需要很大的力。 2）移動(dòng)方式 爬壁機(jī)器人的移動(dòng)方式可分為車輪式、履帶式、腳步行式。爬壁機(jī)器人三種移動(dòng)方式的比較見表2.2。 表2.2 爬壁機(jī)器人三種移動(dòng)方式的比較 移動(dòng)方式 原理 特點(diǎn) 車輪式 配置多個(gè)輪子，每個(gè)輪子都有電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 移動(dòng)速度快，便于控制，著地面積小，維持一定的摩擦力較為困難。 履帶式 由電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)無軌履帶。 著地面積大，對(duì)壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，體積較大，不宜轉(zhuǎn)彎。 腳步行方式 通過多個(gè)腳的反復(fù)吸附與脫落移動(dòng)。 移動(dòng)困難，

14、移動(dòng)速度慢，帶載能力強(qiáng)。 為了克服傳統(tǒng)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，比如飛行式，繩式牽動(dòng)式。壁面軌道式爬壁機(jī)器人等，但是這些機(jī)器人目前都還處于實(shí)驗(yàn)階段。 1.1 機(jī)器人基本功能方案 1.1.1吸附方案選擇 采用真空泵或真空發(fā)生器的方式產(chǎn)生真空來保證吸盤吸附的爬壁機(jī)器人，需要外接氣源，連接大量的附加設(shè)備，增大能耗且噪音較大，機(jī)器人的體積和活動(dòng)范圍受到了限制，為了擴(kuò)大機(jī)器人的活動(dòng)范圍，減少外接設(shè)備能耗，采用了負(fù)壓被動(dòng)吸附真空吸盤，靠自身變形來產(chǎn)生真空，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單真空度較高，因此，選擇被動(dòng)真空吸附裝置，負(fù)壓被動(dòng)真空吸盤結(jié)構(gòu)如圖2-1所示： 圖2-1 負(fù)壓被動(dòng)真

15、空吸盤結(jié)構(gòu) 吸盤的開關(guān)閥采用真空橡膠氣門，該氣門具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封性好，價(jià)格低廉的特點(diǎn)，當(dāng)外力使吸盤產(chǎn)生變形之前，線圈斷電，連桿在壓縮彈簧的帶動(dòng)下動(dòng)作，使開關(guān)閥關(guān)閉，當(dāng)吸盤觸墻之后與墻面貼合，吸盤內(nèi)氣體從閥口排出，達(dá)到最大變形后，開關(guān)閥關(guān)閉，使吸盤內(nèi)與外界隔絕，靠吸盤自身的變形產(chǎn)生真空，估計(jì)設(shè)該機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的真空度為-0.008Mpa（大氣壓約為0.1Mpa），吸盤直徑為64mm，所產(chǎn)生的吸附力為： (2-1) 式中： N為吸盤數(shù)量； P0為大氣壓強(qiáng)，pa； P為真空度，pa； A為吸盤有

16、效面積，m2； F為吸附力，N。 當(dāng)壓縮吸盤要脫離墻面前，線圈通電，連桿帶動(dòng)橡膠氣閥打開，吸盤通氣之后，吸附力消失，這時(shí)可以脫離墻面，吸盤抬高，向上爬行。 1.1.3移動(dòng)方案的選擇 機(jī)器人爬行的移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，如圖： 圖2-2 機(jī)器人移動(dòng)實(shí)現(xiàn)示意圖 爬壁機(jī)器人的爬行示意圖如圖2-3所示。 圖2-3 爬壁機(jī)器人的爬行示意圖 如圖2-2 機(jī)器人移動(dòng)實(shí)現(xiàn)示意圖，機(jī)器人每個(gè)動(dòng)作周期爬臂旋轉(zhuǎn)的角度為60°，吸盤的上移的步驟由A A1 A2 A3------B B1 B2 B3------C C1 C2 C3。 在初始狀態(tài)A A1 A2 A3時(shí)，A3處的吸盤氣閥打開，吸盤脫

17、離玻璃墻面，待此處的吸盤完全脫離墻面，由電機(jī)帶動(dòng)齒輪組，是AA1和A2A3爬臂分別向不同的方向旋轉(zhuǎn)，待兩爬臂轉(zhuǎn)過30°的時(shí)候，來到B B1 B2 B3處，吸盤在自重的作用下，使吸盤連桿垂直向下，此時(shí)，機(jī)體兩邊的連桿都在同一水平線上，由于右邊的吸盤式吸實(shí)固定的，機(jī)器人的機(jī)體在豎直方向的位置是恒定的，故機(jī)器人的爬壁的鉸鏈由A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到B點(diǎn)，機(jī)體也在爬臂旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的反作用下整體上爬，根據(jù)圖2-2所示，根據(jù)公式： h=sinα×L （2-2） 其中：α=30°； L=101mm。 故在爬過30°之后機(jī)器人的爬行高度為：h=21×

18、101=50.5mm。 機(jī)器人爬臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)器人的爬臂旋轉(zhuǎn)達(dá)到60°的時(shí)候，右邊的鉸鏈又由B點(diǎn)回到A點(diǎn)，此時(shí)，機(jī)器人的爬臂狀態(tài)在C C1 C2 C3，電機(jī)停止動(dòng)作，左邊的吸盤開始逆時(shí)針移動(dòng)，直至吸附到壁面，這時(shí)，右邊的線圈通電，連桿帶動(dòng)氣閥打開，吸盤吸附力消失，右邊的吸盤開始從壁面脫離，由絲桿帶動(dòng)把吸盤抬起來，待吸盤抬高到指定的高度之后，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，新的爬行周期開始，只是之前吸附的吸盤開始移動(dòng)，之前移動(dòng)的吸盤吸附在玻璃壁面上，機(jī)器人周而復(fù)始的這個(gè)動(dòng)作就完成了機(jī)器人的向上的爬行。 1.2總體性能和外形確定 1.2.1性能確定 對(duì)爬壁機(jī)器人的基本要求是能夠攜帶檢測(cè)檢修部件在各種壁

19、面平穩(wěn)可靠的運(yùn)動(dòng)，并完成清洗的任務(wù)，為此，機(jī)器人應(yīng)滿足若干性能要求。 本小節(jié)將從以下幾個(gè)方面對(duì)其設(shè)計(jì)性能加以分析，并給出性能指標(biāo)。 1）負(fù)載能力：2.5kg ； 2）結(jié)構(gòu)尺寸：； 3）移動(dòng)速度：1m/min ； 4）爬壁一周期旋轉(zhuǎn)角度：60°； 5）吸盤抬高范圍：0~38mm； 6）爬壁一個(gè)周期爬行高度：101mm。 1.2.2外形確定 根據(jù)總體方案，結(jié)合爬壁機(jī)器人工作環(huán)境特點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，爬壁機(jī)器人外形圖如圖2-4所示。 圖2-4 爬壁機(jī)器人外形圖 2 機(jī)器人設(shè)計(jì)計(jì)算 2.1 電機(jī)的選擇

20、 根據(jù)本文設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人的情況，爬行部分由兩個(gè)電機(jī)來帶動(dòng)，吸盤的升降也是由四個(gè)電機(jī)來帶動(dòng)，選擇型號(hào)為ZYW系列永磁直流電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的爬臂的爬行運(yùn)動(dòng)，具體的電機(jī)型號(hào)為：20ZYW2468，此電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 額定電壓---6V； 額定轉(zhuǎn)速---800r/min； 額定轉(zhuǎn)矩---6N/m； 輸出功率---180W； 額定電流---17A； 質(zhì) 量---600g。 20ZYW2468電機(jī)的外形尺寸如圖3-1所示。 圖 3-1 20ZYW2468電機(jī)的外形尺寸 機(jī)器人吸盤的升降是通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，這里選擇電機(jī)型號(hào)為：24SL002，24SL002

21、伺服電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 電壓勵(lì)磁----36V； 頻 率----400Hz； 堵轉(zhuǎn)電流----167m A； 輸出功率----70W； 空載轉(zhuǎn)速----4000r/min； 24SL002伺服電機(jī)的外形和安裝尺寸如圖3-2所示。 圖3-2 24SL002伺服電機(jī)的外形和安裝尺寸 2. 2聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 根據(jù)電機(jī)的型號(hào)來設(shè)計(jì)選擇聯(lián)軸器，由圖3-1 20ZYW2468電機(jī)的外形尺寸，可以選擇波紋管聯(lián)軸器。 波紋管聯(lián)軸器是用外形呈波紋狀的薄壁管（波紋管）直接與兩半聯(lián)軸器焊接或粘接來傳遞運(yùn)動(dòng)的。這種聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形尺寸小，加工安裝方便，傳動(dòng)精度高，主要用于要求結(jié)

22、構(gòu)緊湊，傳動(dòng)精度較高的小功率精密機(jī)械和控制機(jī)構(gòu)中。波紋管的材料為銅合金（如錫磷青銅QSn6.5-0.5 ）和不銹鋼（Cr18Ni9Ti）。 波紋管聯(lián)軸器的特性 　　紋管聯(lián)軸器由兩個(gè)轂和一個(gè)薄壁金屬管組成，它們用或焊接或粘結(jié)的方式連接在一起。盡管很多其它的材料可用，但不銹鋼和鎳還是最常用的金屬管材料。鎳管是用電沉積法完成的。這種方法首先要機(jī)加工固體的芯棒，使其成波紋形，利用電鍍鎳在芯棒上，然后芯棒被化學(xué)溶解，從而得到鎳的波紋管。這種方法能控制波紋管壁厚的精度，并能得到比其他方法制作的波紋管更薄的壁厚。這種薄壁波紋管使聯(lián)軸器具有高敏感性和反應(yīng)迅速，使它成為理想的用于極小且精密的儀器應(yīng)用中。所

23、以波紋管聯(lián)軸器有以下幾個(gè)特性： ?、俑吲ぞ貏傂院妥吭届`敏度； ?、诿饩S護(hù)、超強(qiáng)抗油和耐腐蝕性； ?、哿慊剞D(zhuǎn)間隙； ?、茼槙r(shí)針與逆時(shí)針回轉(zhuǎn)特性完全相同； ?、莶讳P鋼波紋管結(jié)構(gòu)補(bǔ)償角向軸向偏差； ?、蕹Ｓ门c伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等聯(lián)接； ?、咧黧w材質(zhì):鋁合金； ?、喟惭b方式:頂絲固定型、夾緊固定型、脹套固定型。 波紋管聯(lián)軸器實(shí)物圖如圖3-3所示。 圖3-3波紋管聯(lián)軸器實(shí)物圖 我們這里選擇波紋管聯(lián)軸器的型號(hào)為： 1) 如圖3-1 20ZYW2468電機(jī)的外形尺寸所示，它的輸出軸聯(lián)接的波紋管聯(lián)軸器型號(hào)選擇為：BL-15-03波紋管聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)圖如圖3-4：Φ3的一端連

24、接電機(jī)，Φ6的一端和軸端連接，兩頭都分別通過對(duì)角90°的兩個(gè)M2開槽錐端緊定螺釘來進(jìn)行固定，傳遞的最大轉(zhuǎn)矩為8×103 N/m。 圖3-4 BL-15-03波紋管聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖 2) 如圖3-2 24SL002伺服電機(jī)的外形和安裝尺寸所示，和它的輸出軸聯(lián)接的波紋管聯(lián)軸器型號(hào)選擇為：BL-12-03波紋管聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)圖如圖3-5：Φ3的一端連接電機(jī)，Φ6的一端和軸端連接，兩頭都分別通過對(duì)角90°的兩個(gè)M2開槽錐端緊定螺釘來進(jìn)行固定，傳遞的最大轉(zhuǎn)矩為5×103 N/m。 圖3-5 BL-12-03波紋管聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖 2.3 皮帶輪的設(shè)計(jì) 帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)

25、格低廉和緩沖吸振等特點(diǎn)，在各種工業(yè)設(shè)備中廣泛使用，爬壁機(jī)器人的電機(jī)輸出端使用了皮帶輸出動(dòng)力，一方面是為了減少振動(dòng)和噪聲，另一方面是為了防止由于齒輪的卡死，導(dǎo)致的電機(jī)燒壞的危險(xiǎn)。但是對(duì)于皮帶輪的選擇要考慮標(biāo)準(zhǔn)化和其他設(shè)計(jì)問題，在此，對(duì)本設(shè)計(jì)中的皮帶輪選擇和對(duì)他的設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算： 2.3.1皮帶輪的選擇 按照工作原理的不同，帶傳動(dòng)可以分為摩擦型帶傳動(dòng)和嚙合型帶傳動(dòng)。在摩擦型帶傳動(dòng)中，根據(jù)帶傳動(dòng)的橫截面的形狀的不同，又可以分為平帶傳動(dòng)、圓帶傳動(dòng)、V帶傳動(dòng)和多楔帶傳動(dòng)。他們的特為：①平帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高，帶輪也容易制造；②圓帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但只能用在小功率的傳動(dòng)中；③V帶的摩擦力大，傳動(dòng)比大，結(jié)

26、構(gòu)緊湊；④多楔帶有柔性好、摩擦力大的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了V帶多根V帶的長(zhǎng)短不一造成的受力不均問題，但是它的制造成本高。 綜合考慮，在爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)中使用V帶來進(jìn)行傳動(dòng)。 2.3.2帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 1）V帶選擇和中心距的計(jì)算 帶輪尺寸的選擇根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)查表可選：大帶輪為基準(zhǔn)直徑Φ=40mm的Y型普通V帶輪；小帶輪為基準(zhǔn)直徑Φ=28mm的Y型普通V帶輪，材料為HT150。由于尺寸要求不大，都設(shè)計(jì)為實(shí)心式帶輪。 中心距大，可以增加帶輪的包角，減少單位時(shí)間內(nèi)帶的循環(huán)次數(shù)，對(duì)于提高帶的壽命有好處，但是中心距太大，會(huì)加劇帶的波動(dòng)，減低傳動(dòng)的平穩(wěn)性，同時(shí)也增大了傳動(dòng)帶的整體尺寸，一般帶傳動(dòng)的中心距的選擇根

27、據(jù)： （3-1） 式中：a0為初選的帶傳動(dòng)的中心距，mm。 根據(jù)本文中的機(jī)器人在輸出電機(jī)使用的帶輪的尺寸可知：中心距取值范圍： 47.6mm≤a0≤136mm 根據(jù)V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度系列標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 11544-1997），選擇V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度為250mm，由此，我們可以取包角為帶輪的半圓弧長(zhǎng)來計(jì)算： 圓弧周長(zhǎng)計(jì)算公式為： (3-2) 由式（3-2）及所取V帶的長(zhǎng)度可得： a0≈[250-3.14×（40+28）/2]/2=71.5mm 為了使帶

28、有一定的收緊力，故可以取中心距為a0=71mm。 2）轉(zhuǎn)速校核 由于本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人的整體尺寸不大，傳動(dòng)的力不是很大，故用一條V型帶傳動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)了。 電機(jī)的轉(zhuǎn)速是1450r/min，功率為4kW，小帶輪的半徑為Φ=28mm，由此，可以計(jì)算出帶輪的速度： （3-3） 其中：n為小帶輪的轉(zhuǎn)速，r/min； t為帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，s； s為路程，m； S為小帶輪的周長(zhǎng)，mm。 當(dāng)傳動(dòng)的功率一定時(shí)，提高帶速，可以降低帶傳動(dòng)的有效拉力，相應(yīng)的減少帶的根數(shù)或V帶的橫截面積，總體上減少帶傳動(dòng)的尺寸，但是

29、，提高帶速，也提高了V帶的離心應(yīng)力，增加了單位時(shí)間內(nèi)帶的循環(huán)次數(shù)，不利于提高帶傳動(dòng)的疲勞強(qiáng)度和壽命。當(dāng)降低帶速會(huì)有相反的利弊。故帶輪的帶速不能太高也不能太低，根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)計(jì)算和總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，一般推薦=5~25m/s，最高帶速不能超過30 m/s。 由式（3-3）得：=1450×28×3.14×10-3/60≈21m/s （符合要求） 3）計(jì)算功率計(jì)算、包角驗(yàn)算和確定初拉力 如圖3-6 帶輪包角可知，小帶輪的包角為170o （170 o≥90 o 滿足條件）， 圖3-6 帶輪包角 查表可知，帶輪的包角修正系數(shù)為Ka=0.98.，同時(shí)查得帶輪的工作情況系數(shù)KA

30、=1.0，功率為18W，故： (3-4) （3-5） 其中： 為輪的計(jì)算功率； 為帶輪的初拉力； q為單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，為0.1kg/m。 根據(jù)式（3-4）、（3-5）可得：=187N。 4) 帶輪輪槽的設(shè)計(jì) 根據(jù)帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)要求，帶輪的輪厚為L(zhǎng)=（1.5~2）d，但有的情況允許L=d；其中d為帶輪的孔徑。 因此，設(shè)計(jì)帶輪的厚度設(shè)計(jì)為：Φ8mm、Φ12mm的帶輪的輪厚都設(shè)計(jì)為12mm。 輪槽截

31、面尺寸的設(shè)計(jì)參照 （GB/T 13575.1-92） 中的規(guī)定。 帶輪的輪槽設(shè)計(jì)尺寸 如圖3-7 帶輪輪槽橫截面 所示： 圖3-7 帶輪輪槽橫截面 5）V帶傳動(dòng)的張緊裝置的設(shè)計(jì) V帶在運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間之后，會(huì)產(chǎn)生塑性變形和磨損而松弛，為了保證帶傳動(dòng)政策的工作，應(yīng)定期檢查帶的松弛程度，采取相應(yīng)的措施帶輪的張緊主要有以下幾種： ①定期張緊裝置； ②自動(dòng)張緊裝置； ③采用張緊輪的張進(jìn)裝置。 由于本設(shè)計(jì)的機(jī)器人的兩帶輪的中心距不能調(diào)節(jié)，最好采用張緊輪來對(duì)帶輪張緊，同時(shí)還應(yīng)注意張緊輪設(shè)計(jì)要注意的三點(diǎn)：①安放在松邊內(nèi)側(cè)，使帶只受單向彎曲；②張緊輪應(yīng)盡量靠近大輪以免減少小帶輪的包角；③張

32、緊輪的輪槽尺寸與帶輪的相同，且直徑要小于帶輪的直徑。 故對(duì)張緊輪的設(shè)計(jì)可以如圖3-8所示： 圖3-8 張緊輪的設(shè)計(jì) 2.4 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)之前定的機(jī)器人的尺寸為：，因此，齒輪的節(jié)圓直徑可以分別設(shè)計(jì)為： Z1的直徑為20mm； Z2的直徑為52mm、Z`2的直徑為20mm； Z3的直徑為58mm、Z`3的直徑為20mm； Z4的直徑為58mm。 齒輪組的布置圖如圖3-9： 圖3-9 齒輪的布置 根據(jù)設(shè)計(jì)所選的齒輪組，爬行臂的減速齒輪傳動(dòng)如圖3-10所示： 圖3-10 手臂的減速齒輪傳動(dòng)圖 根據(jù)圓柱齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（GB/T

33、 1357-1987）查得選擇：模數(shù)m=2。設(shè)齒輪的直徑為d，z為齒輪齒數(shù)，則： （3-6） 根據(jù)式（3-6）得： z1=10；z2①=26；z2②=10；z3①=29；z3②=10；z4=29。 又有： （3-7） （3-8） 其中：為齒頂高系數(shù)取=1； 為頂隙系數(shù)取=0.25 齒輪厚度公式： （3-9） 由式（3-7）、（3-8）得：

34、 z1=22mm、z2①=54mm、z2②=22mm、z3①=60mm、z3②=22mm、z4=60mm； z1=17.5mm、z2①=49.5mm、z2②=17.5mm、z3①=55.5mm、z3②=17.5mm、z4=55.5mm。 傳動(dòng)比的計(jì)算公式為： (3-10) 電機(jī)20ZYW2468的轉(zhuǎn)速為800r/min，則齒輪系統(tǒng)的傳動(dòng)比為：20/52×20/58×20/58≈1:22； 再加上皮帶輪的減速：28/40×1/22≈1:32，所以到手臂是的轉(zhuǎn)速為：800×1/32≈25r/min。 2.5 鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.

35、5.1鍵的分類與選擇 鍵分為平鍵連接、半圓鍵連接、楔鍵連接和切向建連接。由于平鍵的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝卸方便、對(duì)中性好等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛的應(yīng)用，缺點(diǎn)是不能承受軸向力；半圓鍵適用于錐形軸與輪轂的連接，它的工藝性好，裝配方便，但是要在軸上挖深槽對(duì)軸的消弱較大，故在此不做考慮；楔形鍵連接最大的優(yōu)點(diǎn)就是除了能平鍵一樣承受切向力，還能承受一定的軸向力，但是它又有不可避免的缺點(diǎn)：在楔緊后，軸和輪轂的配合產(chǎn)生偏心和偏斜，因此也不選；切向鍵和楔形鍵有相似的地方，都會(huì)對(duì)軸有一定的消弱，只有在直徑大于100mm的軸上才經(jīng)常使用。 因?yàn)楸疚乃O(shè)計(jì)的機(jī)器人不是很大，綜合考慮，選擇平鍵連接作為主要的連接方式，在比較了圓頭

36、（A型）、平頭（B型）、單圓頭（C型）三種平鍵之后，選擇圓頭平鍵作為爬壁機(jī)器人的連接鍵。 2.5.2鍵尺寸確定 機(jī)器人內(nèi)部的各個(gè)軸如圖3-11所示，通過這些主軸的參數(shù)區(qū)設(shè)計(jì)鍵的大?。? 圖3-11 機(jī)器人內(nèi)部的各個(gè)主軸 可以看出，我們要在A、B、C、D、E、F六個(gè)地方加連接鍵，主軸1中，A點(diǎn)的直徑為Φ6，B點(diǎn)的直徑為Φ8，主軸2中，C點(diǎn)的直徑為Φ12，主軸3中，D點(diǎn)的直徑為Φ12，主軸4中，E點(diǎn)的直徑為Φ12，主軸5中，F(xiàn)點(diǎn)的直徑為Φ12?？芍覀?cè)O(shè)計(jì)的軸的連接鍵是針對(duì)直徑為Φ6、Φ8、Φ12三種軸徑。 鍵的尺寸以鍵寬b×鍵高h(yuǎn)來表示，鍵的截面尺寸b×h可以由軸的直徑d再查標(biāo)準(zhǔn)來

37、選定，鍵的長(zhǎng)度L可以按照輪轂的長(zhǎng)度而定，鍵的長(zhǎng)度等于或略短于輪轂的長(zhǎng)度，所選的鍵的長(zhǎng)度也應(yīng)該符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長(zhǎng)度系列： 根據(jù)（GB/T 1095-2003）查表平鍵和鍵槽的端面尺寸可得： Φ6、Φ8的軸可選 鍵 2×6 GB/T 1096-2003 （b×h=2×2）； Φ12 軸可選 鍵 4×10 GB/T 1096-2003 （b×h=4×4）。 通過以上數(shù)據(jù)可以確定鍵槽的深度： 鍵 2×6 GB/T 1096-2003對(duì)應(yīng)軸槽深t=1.2，輪轂槽深t1=1； 鍵 4×10 GB/T 1096-2003對(duì)應(yīng)軸的槽深t=2.

38、5，輪轂槽深t1=1.8。 2.5.3鍵的連接強(qiáng)度計(jì)算 載荷在鍵的工作面上均勻分布，則普通平鍵的連接強(qiáng)度為： （3-11） 其中： （3-12） 式中：T------傳遞的轉(zhuǎn)矩（N.m）； k------鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，此處h為鍵的高度，mm； l-------鍵的工作長(zhǎng)度，mm，圓頭平鍵l=L-b，這里的L是鍵的公稱長(zhǎng)度，mm，b為鍵的寬度； d------軸的直徑，mm； -----鍵、軸、輪轂

39、三者中最弱的材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa，查表 鍵連接的許用擠壓應(yīng)力可得：=70~80Mpa，取=75Mpa。 結(jié)合機(jī)器人的尺寸和設(shè)計(jì)情況來看，機(jī)器人的負(fù)載加本體自重約為2kg，當(dāng)在爬行過程中，兩只吸盤抬起時(shí)，主軸受到的轉(zhuǎn)矩最大，每個(gè)電機(jī)所帶動(dòng)的一組齒輪分別承受一半的重量。 對(duì)于Φ6的軸上的鍵： 故Φ6軸上的鍵的設(shè)計(jì)是符合強(qiáng)度要求的。 對(duì)于Φ8的軸上的鍵： 故Φ8軸上的鍵的設(shè)計(jì)是符合強(qiáng)度要求的。 對(duì)于Φ12的軸上的鍵： 故Φ12軸上的鍵的設(shè)計(jì)是符合強(qiáng)度要求的。 2.6軸承的設(shè)計(jì) 軸承分為向心軸承和推力軸承、向心推力軸承三種，向心軸承主要

40、承受徑向力，推力軸承主要承受軸向力，向心推力軸承能同時(shí)承受徑向力和軸向力。在本文設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人主要是收到徑向方向的載荷，因此，主要選用向心軸承或者推力軸承，不考慮使用推力軸承。 要保證軸承的順利工作，出來正確選擇軸承的類型和尺寸之外，還要正確設(shè)計(jì)軸承裝置。軸承裝置的設(shè)計(jì)主要是正確解決軸承的安裝、配置、緊固、調(diào)節(jié)、潤(rùn)滑、密封等問題。一般來說，一根軸需要兩個(gè)支點(diǎn)，每個(gè)支點(diǎn)可以由一個(gè)或一個(gè)以上的軸承組成，合理的軸承配置應(yīng)考慮軸在機(jī)器中有正確的位置、防止軸向竄動(dòng)以及軸受熱膨脹后不致將軸承卡死等因素。常用的軸承配置方法有以下三種： 雙支點(diǎn)單向固定； 一支點(diǎn)雙向固定，一支點(diǎn)游動(dòng)； 兩端支承游動(dòng)。

41、 綜合考慮各種因素之后，本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人由于受到的軸向力很小，同時(shí)機(jī)器人的整體尺寸不是很大，不適宜用成對(duì)使用的軸承，如圓錐滾子軸承和角接觸軸承等，這些軸承多用在受到軸向力的作用的機(jī)器上，在此，選擇深溝球軸承，能夠?qū)崿F(xiàn)支撐軸件的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還能減少空間的占用， 根據(jù)軸的尺寸，我們可以確定軸承的尺寸，軸1對(duì)應(yīng)的軸承設(shè)計(jì)為：軸承 608 GB/T 276-1994；軸2、3、4、5對(duì)應(yīng)的軸承可以設(shè)計(jì)為：軸承 6008 GB/T276-1994； 2.7彈簧的設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)需要，機(jī)器人有地方需要彈簧，有個(gè)是要承受扭轉(zhuǎn)載荷的，主要用在吸盤吸附在壁面時(shí)，相對(duì)于壁面不可以移動(dòng)，但是機(jī)器人機(jī)體

42、的上下移動(dòng)會(huì)使吸盤有一個(gè)相對(duì)于機(jī)器人機(jī)體的位置變化，扭轉(zhuǎn)彈簧的作用是為了使機(jī)器人吸盤相對(duì)于機(jī)器人機(jī)體有一個(gè)柔性的力，能夠適應(yīng)吸盤和機(jī)體不同位置的變化，能在需要時(shí)回復(fù)本來的狀態(tài)，又使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)爬行。另一個(gè)彈簧的使用是為了使機(jī)器人的吸盤的氣閥的閥門能夠自動(dòng)關(guān)閉而使用，當(dāng)線圈通電時(shí)，銜鐵吸合，帶動(dòng)氣閥連桿向下移動(dòng)，此時(shí)閥門打開，機(jī)器人吸盤從脫離墻面，在線圈斷電時(shí)，氣閥推桿在彈簧的作用下閥口封閉。在吸盤吸附到壁面時(shí)，就可以吸附到壁面上。 2.7.1 圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì) 首先確定彈簧絲的材料：碳素彈簧鋼絲B級(jí)，許用切應(yīng)力[]=0.3，根據(jù)彈簧絲的拉伸強(qiáng)度極限可得： =1700Mpa，即[]

43、=0.3=510Mpa，（根據(jù)GB/T 4357-1989）。 求彈簧的直徑和中徑：取彈簧絲直徑d=0.8mm；取彈簧中徑D2=4mm（根據(jù)GB/T 1358-1993），要求彈簧內(nèi)徑有式： （3-13） 根據(jù)式（3-13）得：=3.2mm。 要求彈簧外徑D有式： D= D2+d （3-14） 根據(jù)式（3-14）得：D=4.8mm。由此可得旋繞比=6。 由于在氣閥處使用的彈簧為壓縮彈簧，故節(jié)距P=（0.28~0.5）D，取P=1.6mm，根據(jù)推薦，取螺旋角

44、ɑ=7°。 對(duì)于壓縮彈簧，工作圈數(shù)n的計(jì)算公式： （3-15） 其中：G為彈簧材料的切變模量，G=82000Mpa； Fmax=F。 又有： (3-16) (3-17) 則結(jié)合式（3-15）和式（3-16）、（3-17）可以求得n=9，總?cè)?shù)n1=n+（2~2.5）=11。 由于彈簧絲具有升角ɑ，故在通過彈簧抽紙的截面上，彈簧絲的截面呈橢圓

45、形，該截面的上作用著力F和T=FD/2。因而在彈簧絲的法向截面上則有橫向的作用力Fcosɑ，軸向力Fsinɑ，彎矩M=Tsinɑ及扭矩T`=Tcosɑ。設(shè)F=10N，由此可知，法向截面上的應(yīng)力可以近似地求為： （3-18） 引進(jìn)曲度系數(shù)K： （3-19） 根據(jù)式（3-19）求的：K=1.25 因此，式（3-18）可以表示為： （3-20） 根據(jù)式（3-20）得： =1.25×8×6×10/3.14×0.8×0.8

46、=299Mpa，299Mpa≤[]=510Mpa。 3 結(jié)論 本論文的研究成果對(duì)關(guān)節(jié)式爬壁機(jī)器人，乃至關(guān)節(jié)式移動(dòng)機(jī)器人的研究和發(fā)展具有普遍的指導(dǎo)價(jià)值，論文研究的爬壁機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體形較小、設(shè)計(jì)價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人需實(shí)現(xiàn)機(jī)器人穩(wěn)定直線向上爬行的功能，能夠完成基本的吸附和爬行功能。 通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器的過程有了一個(gè)新的認(rèn)識(shí)，在本文中，主要研究了爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各種設(shè)計(jì)計(jì)算，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)，對(duì)爬壁機(jī)器人的各種零部件

47、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、軌跡規(guī)劃等進(jìn)行了研究，從方案到零部件都做了具體的設(shè)計(jì)： 1） 首先第一步是機(jī)器人總體方案的確定； 2） 移動(dòng)方案的設(shè)計(jì)； 3） 吸附方案的設(shè)計(jì)； 4） 其次是各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算：齒輪、帶傳動(dòng)、鍵連接、軸承、聯(lián)軸器、彈簧等。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我知道組成一臺(tái)機(jī)械，使其最有效地工作，達(dá)到預(yù)期的目的，其設(shè)計(jì)構(gòu)思有時(shí)稍加思索就可以形成了，但又不是輕而易舉地設(shè)想完成，也不是單純依靠機(jī)構(gòu)學(xué)的理論和計(jì)算形成這種構(gòu)思，這要根據(jù)日常的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有些機(jī)構(gòu)稍加變化就可以實(shí)現(xiàn)新的功能。 同樣，完成一臺(tái)機(jī)器的設(shè)計(jì)也是很困難的，除了一個(gè)可行有效的構(gòu)思之外，還要能夠有具體的圖紙表達(dá)

48、，能夠把自己的構(gòu)思用圖表的形式表達(dá)出來。 致謝 為期一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)已接近尾聲了，我的四年大學(xué)生涯也即將圈上一個(gè)句號(hào)。此刻我的心中卻有些悵然若失，因?yàn)楹湍切┦煜ざ鲙焸兒透魑豢蓯鄣耐瑢W(xué)們，我們也即將揮手告別了。四年間，無論是學(xué)習(xí)、工作生活上的問題，恩師們都會(huì)悉心給以指導(dǎo)解答，讓我倍受感動(dòng)。在這次的實(shí)習(xí)中，多得各位老師，特別是陳老師的指導(dǎo)，順利完成了爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)我充分利用學(xué)校的學(xué)習(xí)資源，去發(fā)展、充實(shí)自我，而不曾虛度光陰。在此，我真誠(chéng)的向你們道一聲：“謝謝！”。 陳老師現(xiàn)在是我畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的指導(dǎo)老師，在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，沒少費(fèi)心思。從論文

49、創(chuàng)作的選題、結(jié)構(gòu)、內(nèi)容、甚至是編排格式上都悉心指導(dǎo)，提出了寶貴意見，讓我在專業(yè)論文創(chuàng)作上又進(jìn)了一步。 篇幅所限，不便把各位恩師一一列舉出來，表達(dá)我的感激之情，在此對(duì)會(huì)計(jì)系其他專業(yè)課老師一并表示感謝。各位老師四年期間對(duì)我的幫助與教誨，我永遠(yuǎn)不會(huì)忘記。 這次畢業(yè)論文能夠最終順利完成，歸功于各位老師四年間的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握專業(yè)知識(shí)，并在畢業(yè)論文中得以體現(xiàn)。也正是你們長(zhǎng)期不懈的支持和幫助才使得我的畢業(yè)論文最終順利完成。最后，我向大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院的全體老師們?cè)俅伪硎局孕母兄x：謝謝你們，謝謝你們四年的辛勤栽培！ 參考文獻(xiàn) [

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55、 附錄1 圓柱螺旋彈簧的標(biāo)準(zhǔn)系列（摘自 GB/T 1358-1993） 表1 彈簧的直徑d系列 第一系列 第二系列 0.1 0.12 0.14 0.16 0.2 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.2 1.6 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 6 8 10 12 16 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 0.08 0.09 0.18 0.22 0.28 0.32 0.55 0.65 1.

56、4 1.8 2.2 2.8 3.2 5.5 6.5 7 9 11 14 18 22 28 32 38 42 55 65 注：優(yōu)先選用第一系列 表2 螺旋彈簧中徑D2系列 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.5 2.8 3 3.2 3.5 3.8 4 4.2 4.5 4.8 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 10 12 14 16 18 20 22 25 28 30 32 38

57、 42 45 48 50 52 55 58 60 65 70 75 80 85 90 95 100… 表3 彈簧的有效圈數(shù)n 拉伸彈簧的有效圈數(shù) 壓縮彈簧的有效圈數(shù) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 25 28 30 35 40 45 50 60 65 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5 3.75 4 4.25 4.5 4.75 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8

58、 9 9.5 10 10.5 11.5 12.5 13.5 14.5 15 16 18 20 22 25 28 30 表4 彈簧指數(shù)（螺旋比）的推薦值(摘自GB/T 1239-1992) D/mm 0.2-0.4 0.5-1.0 1.2-2.2 2.5-6 7-16 18-50 C 7-14 5-12 5-10 4-9 4-8 4-16 附錄2 零件三維圖 圖1 下箱體三維視圖（分上部和下部） 圖2 上機(jī)體三維視圖（分上部和下部） 圖3 吸盤體上筒 圖4 爬行轉(zhuǎn)臂 圖5 吸盤轉(zhuǎn)座 圖6 吸盤連桿 圖7 端蓋 圖8 吸盤體下筒 圖9 吸盤 圖10 透氣端蓋