氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1論文研究的目的和意義</p><p>　　隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)、人民生活水平日益提高，城鎮(zhèn)中隨之矗立起無數(shù)的高層城市建筑，各類集實(shí)用性與美觀性一體的市政、商業(yè)工程諸如電線桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索、廣告牌立柱等(如圖1-1)，它們通常5—30米，有的甚至高達(dá)百米，壁面多采用油漆、電鍍、

2、玻璃鋼結(jié)構(gòu)等，由于常年裸露在大氣之中，長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)吹雨打會(huì)影響到它的美觀，同時(shí)空氣中混合的一些污染物質(zhì)也會(huì)對(duì)這些城市建筑特別是金屬桿件造成損壞，使它們快速生銹，并縮短它們的使用壽命，需要定期對(duì)它們進(jìn)行壁面清洗維護(hù)工作。</p><p>　　圖1-1 桿狀城市建筑物</p><p>　　為保持清潔、美觀，每年至少對(duì)這些建筑清洗數(shù)次。目前傳統(tǒng)的清洗技術(shù)主要有人工清洗(使用化學(xué)藥劑清洗)和高壓水

3、槍清洗等方法。其中人工清洗是由清潔工人搭乘吊籃進(jìn)行高空作業(yè)來完成，高空作業(yè)具有很大程度上的危險(xiǎn)性，工作效率也很低，耗資巨大?；瘜W(xué)藥劑中所用的去污劑具有很強(qiáng)的毒副作用會(huì)對(duì)人的健康造成危害，并易造成環(huán)境的污染。高壓水槍清洗耗能比較大、成本高，在利用高壓水槍進(jìn)行清洗時(shí)，它的周邊不能有車輛、行人通過，會(huì)影響交通。其它高空作業(yè)諸如:各種桿狀城市建筑的油漆、噴涂料、檢查、維護(hù)，電力系統(tǒng)架設(shè)電纜、維修等工作主要要通過人工和大型設(shè)備來完成，但它們都有效

4、率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗能高、污染嚴(yán)重等負(fù)面問題。</p><p>　　隨著機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展以及人們自我安全保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，迫切希望能用機(jī)器人代替人工進(jìn)行這些高空危險(xiǎn)作業(yè)，從而把人從危險(xiǎn)、惡劣、繁重的勞動(dòng)環(huán)境中解脫出來。開發(fā)能夠?qū)嶋H運(yùn)用的柱狀爬桿清洗機(jī)器人，是很有意義的，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。</p><p>　　爬桿清洗機(jī)器人的使用將大大降低高層桿狀建筑的清洗成本，改善工人的勞

5、動(dòng)環(huán)境，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本課題旨在開發(fā)設(shè)計(jì)一種新型的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)適用、操作簡(jiǎn)便的適用于圓柱狀城市設(shè)施可搭載清洗、維護(hù)設(shè)備的爬桿機(jī)器人，用以解決當(dāng)前城鎮(zhèn)中存在的影響城市美觀的公共設(shè)施的清洗、維護(hù)問題。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及存在的問題</p><p>　　機(jī)器人是人類新世紀(jì)的偉大發(fā)明之一，是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信

6、息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運(yùn)行、重復(fù)操作和精度較高的自動(dòng)化設(shè)備，機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)生根本性的變化，而且將對(duì)人類的社會(huì)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)己成為當(dāng)代應(yīng)用最廣泛、發(fā)展迅速的高科技產(chǎn)業(yè)之一。機(jī)器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，將成為21世紀(jì)各國(guó)爭(zhēng)奪的經(jīng)濟(jì)技術(shù)的制高點(diǎn)。</p><p>　　1.2.1 機(jī)器人的分類</p>

7、<p>　　機(jī)器人的種類多種多樣，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類:工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人或者分為兩類:制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人、非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿生機(jī)器人。</p><p>　　仿生機(jī)器人是未來機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向，按仿生學(xué)角度來分可分為:蝗螂式爬行機(jī)器人、蜘蛛式爬行機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、尺鑊式爬行機(jī)器人[1]等。</p><p>　　按驅(qū)動(dòng)方式來分可分為:氣動(dòng)爬行機(jī)

8、器人、電動(dòng)爬行機(jī)器人和液壓驅(qū)動(dòng)爬行機(jī)器人等。</p><p>　　按行走方式可分為:輪式、履帶式、蠕動(dòng)式[2]、多足式等。按工作空間來分可分為:管道爬行機(jī)器人、壁面爬行機(jī)器人、球面爬行機(jī)器人、陸地移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人、無人飛機(jī)、空間機(jī)器人等。</p><p>　　按功能用途來分可分為:焊弧爬行機(jī)器人、檢測(cè)爬行機(jī)器人、清洗爬行機(jī)器人、提升爬行機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、助殘機(jī)器人、巡線

9、爬行機(jī)器人、玩具爬行機(jī)器人等。</p><p>　　根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)方式和功能等可以設(shè)計(jì)多種不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機(jī)器人，如氣動(dòng)管內(nèi)檢測(cè)爬行機(jī)器人，電磁吸附多足式爬行機(jī)器人、電驅(qū)動(dòng)壁面焊弧爬行機(jī)器人等，每一種形式的爬行機(jī)器人都有各自的應(yīng)用特點(diǎn)。</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　爬行機(jī)器人[3-5]是機(jī)器人大家族中的一員，爬升機(jī)器人因?yàn)?/p>

10、需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動(dòng)，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動(dòng)機(jī)器人，故爬升機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究分支，從運(yùn)動(dòng)方式上來表征的一種機(jī)器人，形式是多種多樣的。</p><p>　　最早開始研究且研究最多的是爬壁機(jī)器人[6-7]，適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面[8-9]和大球形表面上的危險(xiǎn)作業(yè)。對(duì)于管道外壁表面，已有車輪移動(dòng)形、姿態(tài)可變形、尺鑊形和多關(guān)節(jié)形機(jī)器人，用于石油、化

11、工企業(yè)等多為水平管線上的檢查和診斷，且牽引力較小。</p><p>　　國(guó)內(nèi)外的學(xué)者很早就對(duì)爬行機(jī)器人進(jìn)行研究工作，目前，國(guó)內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人、電動(dòng)液壓式爬桿機(jī)器人和氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人[9-11]等。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)械式爬行器是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動(dòng)夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿

12、體上升下降。螺旋運(yùn)動(dòng)爬升機(jī)器人的爬行動(dòng)作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動(dòng)方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)該機(jī)構(gòu)便可實(shí)現(xiàn)上升和下降運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人和螺旋線運(yùn)動(dòng)爬桿機(jī)器人都是以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運(yùn)作，且機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。</p><p>　　氣動(dòng)蠕行式爬桿

13、機(jī)器人用氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交替夾緊和移動(dòng)，其向上爬行時(shí)氣缸動(dòng)作一個(gè)周期的過程為下部氣缸夾緊，上部氣缸松開，提升氣缸活塞桿伸出，上部上升;上部氣缸夾緊，下部氣缸松開，提升氣缸體上升，下部上升。如此反復(fù)，機(jī)器人就可以連續(xù)爬行。對(duì)于氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人，其上升和下降運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)由氣壓控制，需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本較高。</p><p>　　國(guó)外有代表性的有東京大學(xué)研制的關(guān)節(jié)型行走機(jī)器人，可沿水平或垂直的直桿爬

14、行，能跨越法蘭障礙、平行桿[12]，并可繞T型桿和L型桿爬行。</p><p>　　國(guó)內(nèi)比較典型的有上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研究開發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護(hù)用氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人[13]，可在各種斜度的纜索上爬行，能完成纜索檢測(cè)、清洗等工作，并具有一定的智能性。</p><p>　　清華大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人采用自重式鎖緊機(jī)構(gòu)，機(jī)器人靠自重壓迫鋼球使滑塊(機(jī)械手)鎖緊在桿壁上，可以爬行較

15、小范圍的變直徑桿，但該結(jié)構(gòu)只可單向爬行(從下往上或是從大直徑處向小直徑處爬行)。該機(jī)構(gòu)改進(jìn)后可爬升和返回，但需要加上一套氣動(dòng)控制設(shè)備。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行和返回則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來解決，其上升和下降由氣壓控制，設(shè)備成本較高。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)械式管外爬行機(jī)器人，國(guó)內(nèi)比較典型的有陜西科技大學(xué)[14]研制的管外爬桿機(jī)器人。</p><p>　　哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的沿桅桿或

16、繩索爬行的機(jī)器人[15]，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人是由兩個(gè)形狀相似的圓形套筒內(nèi)嵌有一對(duì)活動(dòng)V型卡爪、一對(duì)槽型凸輪、鉸鏈、壓力傳感器、連桿、鑲嵌在頂部滑塊四周的檢測(cè)儀、電機(jī)等零部件構(gòu)成。</p><p>　　1.2.3 目前主要存在的問題</p><p>　　爬行機(jī)器人并不少見，但是通常來說，這類機(jī)器人大多采用多足來進(jìn)行移動(dòng)或是使用腹部的摩擦表層來左右扭動(dòng)前進(jìn)。更主要的是，平常的

17、機(jī)器人，因?yàn)轶w積或行動(dòng)方式的影響，不能到一些特殊的地方進(jìn)行工作，比如說管道，壁面等等特種用途的領(lǐng)域。</p><p>　　由上面敘述可知目前國(guó)內(nèi)外所設(shè)計(jì)制造的各種電機(jī)機(jī)械式爬行器均有一個(gè)缺陷:它們大多采用凸輪機(jī)構(gòu)[16]夾緊，由于凸輪機(jī)構(gòu)的不可伸縮性，一個(gè)爬行器只能爬行特定直徑的等直徑的桿件。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來解決，其上升和下降由氣壓控制，還需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本

18、和維護(hù)費(fèi)用較高。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)外尚沒有在此類爬行機(jī)構(gòu)方面的深入研究。鑒于綠色和環(huán)保的需要，因此，有必要研發(fā)和制造一種利用簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)來替代繁瑣的氣動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)變直徑桿的攀爬，同時(shí)在爬行過程中可攜帶其它清潔能源實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈桿等桿狀城市建筑的清洗作業(yè)的設(shè)備。</p><p>　　1.3 本論文的研究工作</p><p>　　首先查找資料文獻(xiàn)，研究分析國(guó)內(nèi)外

19、各種爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案找出它們的優(yōu)缺點(diǎn)。提出爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案并篩選滿足本論文條件的爬桿機(jī)器人。本課題的思路以及研究過程如下：</p><p>　　1）分析爬桿機(jī)器人各種結(jié)構(gòu)模型；</p><p>　　2）建立爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型；</p><p>　　3）提出本論文爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；</p><p>　　4）完成爬桿

20、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各部件尺寸設(shè)計(jì)；</p><p>　　5）零部件的校核計(jì)算；</p><p>　　6）爬桿機(jī)器人三維圖的繪制。</p><p>　　第二章 爬桿機(jī)器人仿生的結(jié)構(gòu)分析研究</p><p>　　2.1 仿生機(jī)器人概述</p><p>　　仿生機(jī)器人是指模仿生物、從事生物特點(diǎn)工作的機(jī)器人。目前在西方國(guó)家，機(jī)

21、械寵物十分流行，另外，仿麻雀機(jī)器人可以擔(dān)任環(huán)境監(jiān)測(cè)的任務(wù)，具有廣闊的開發(fā)前景。二十一世紀(jì)人類將進(jìn)入老齡化社會(huì)，發(fā)展仿人機(jī)器人將彌補(bǔ)年輕勞動(dòng)力的嚴(yán)重不足，解決老齡化社會(huì)的家庭服務(wù)和醫(yī)療等社會(huì)問題，并能開辟新的產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)。</p><p>　　生物在經(jīng)過了千百萬年的進(jìn)化之后，由于遺傳和變異的原因，已經(jīng)形成了從執(zhí)行、感知、控制方式，一直到信息加工處理、組織方式等諸多方面的優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)處。仿生機(jī)器人這門學(xué)科產(chǎn)生和

22、存在的前提就在于，生物經(jīng)過了長(zhǎng)期的自然選擇進(jìn)化而來，在結(jié)構(gòu)、功能執(zhí)行、信息處理、環(huán)境適應(yīng)、自主學(xué)習(xí)等多方面具有高度的合理性、科學(xué)性和進(jìn)步性[17]。而非結(jié)構(gòu)化的、未知的工作環(huán)境、復(fù)雜的精巧的高難度的工作任務(wù)和對(duì)于高精確度、高靈活性、高可靠性、高智能性的目標(biāo)需求則是仿生機(jī)器人提出和發(fā)展的客觀動(dòng)力。</p><p>　　圖2-1 仿生機(jī)器人主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　仿生機(jī)器人是機(jī)器人發(fā)

23、展的最高階段，它既是機(jī)器人研究的最初目的，也是機(jī)器人發(fā)展的最終目標(biāo)之一。</p><p>　　仿生機(jī)器人是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機(jī)能的機(jī)器人系統(tǒng)[18]。從仿生學(xué)的角度來看，仿生機(jī)器人是仿生學(xué)技術(shù)的完美綜合與全面應(yīng)用。從本質(zhì)上來講，所謂“仿生機(jī)器人”就是指利用各種光、機(jī)、電、液等各種無機(jī)元器件和有機(jī)功能體相配合所組建起來的在運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式、感知模式和信息處理、控制協(xié)調(diào)和計(jì)算推理、能量代謝和材料結(jié)構(gòu)等

24、多方面具有高級(jí)生命形態(tài)特征從而可以在未知的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下精確的、靈活的、可靠的、高效的完成各種復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)[19]。</p><p>　　人爬樹時(shí)（如圖2-2），兩腳夾緊樹桿，兩腿一蹬，兩手抱住樹桿上移，然后兩手抱緊樹桿，收腿提腳上移，一步步向上爬行，這就是本課題所研究的爬桿機(jī)器人在生物中找到的例子。</p><p><b>　　圖2-2 爬樹姿勢(shì)</b>&l

25、t;/p><p>　　2.2 總體方案分析</p><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:貼附功能與移動(dòng)功能。總的來說，貼附方式有吸附式和夾持式這兩種，運(yùn)動(dòng)移動(dòng)方式有輪式、履帶式、腿式和蠕動(dòng)式移動(dòng)這四類。這些不同的方式可以進(jìn)行多種組合，構(gòu)成多種風(fēng)格不同用途的爬壁機(jī)器人。</p><p>　　2.2.1 貼附功能分析</p><p

26、>　　吸附式是通過面接觸方式緊貼于壁面上，夾持式是靠點(diǎn)夾緊在桿上。吸附方式又有真空吸附[20]和電磁吸附[21-22]之分，其中真空吸附式用得比較多，因?yàn)樗鼘?duì)壁面的要求不十分嚴(yán)格;電磁吸附承載能力大，有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，但其應(yīng)用范圍窄，需要桿件壁面含有電磁場(chǎng)可吸附的含鐵、鉆、鎳等材料。下面的表2-1是對(duì)各種貼附方式的優(yōu)缺點(diǎn)做一個(gè)簡(jiǎn)單的比較。</p><p>　　夾持式的貼附方式是運(yùn)用機(jī)械手臂，由機(jī)械手的夾緊力

27、產(chǎn)生的摩擦力使機(jī)械手夾緊在桿體上，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠適應(yīng)任何壁面，對(duì)工作環(huán)境沒什么特殊要求。</p><p>　　吸附式有真空吸附和電磁吸附兩種，真空吸附又分為使用真空泵吸附和噴射器吸附兩種，電磁吸附方式大致有永磁體吸附和電磁體吸附兩種，下面在表2-1中列出做一些比較介紹。</p><p>　　表2-1 貼附方式的比較</p><p>　　真空泵吸附是在吸盤上設(shè)置

28、許多小的吸盤，由真空泵裝置產(chǎn)生吸附力，是機(jī)器人吸附在壁面上，其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化，但是對(duì)工作環(huán)境有一定要求，壁面必須有一定的平滑度。噴射器吸附是在機(jī)器人機(jī)構(gòu)上安裝噴嘴，由噴射器將空氣壓縮再經(jīng)噴嘴噴出，使周圍形成真空，從而吸附在壁面上，這種形式的機(jī)器人可以達(dá)到很高的真空度，對(duì)壁面的適應(yīng)能力也很強(qiáng)，但是工作噪音大，能效低，而且需要供氣裝置。</p><p>　　永磁體吸附的方式是由永磁體產(chǎn)生吸附力，吸在壁面

29、上，吸附時(shí)不需要提供外部能源，但是只適用于導(dǎo)磁的壁面的吸附。電磁體吸附方式是將電磁鐵通電使其吸附在壁面上，與永磁體吸附方式不同的是這種方式需要電能，而且可以控制磁體的通電，也是只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附。</p><p>　　2.2.2 移動(dòng)功能分析</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)

30、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。作為桿件爬行機(jī)器人，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)研究，也有很多種移動(dòng)方式可供選擇，對(duì)于各種移動(dòng)方案優(yōu)缺點(diǎn)的比較如下：</p><p>　　輪式的移動(dòng)速度快，容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，控制也方便，但是與壁面的接觸面積小，容易打滑，越障能力較差。</p><p>　　履帶式的接觸面積大，承載能力大，移動(dòng)速度相對(duì)其他方案快，對(duì)不同壁面的適應(yīng)能力強(qiáng)，但是履帶的

31、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)動(dòng)性能差，工作時(shí)的磨損比較大。</p><p>　　腿式的機(jī)構(gòu)越障能力強(qiáng)，承載能力也大，機(jī)動(dòng)性能比較好，擁有很強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力，但是結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，因?yàn)槭情g歇運(yùn)動(dòng)故速度慢，關(guān)節(jié)和各個(gè)腿腳的控制復(fù)雜。</p><p>　　蠕動(dòng)式機(jī)構(gòu)的承載能力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適應(yīng)各種環(huán)境的能力比較強(qiáng)，控制也簡(jiǎn)便，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且運(yùn)動(dòng)速度也比較慢。</p><p>　　要求所要

32、設(shè)計(jì)的這種爬行機(jī)器人，它的工作對(duì)象為各種型號(hào)的城市桿狀建筑，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)，能夠跨越一般的障礙物。通過比較各種方案，決定使用一種氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案能基本滿足課題所設(shè)定的工作狀況。在爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)中這種爬行結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)方向上任意長(zhǎng)的距離提升重物，較同功能的其它機(jī)構(gòu)，能獲得更大的鎖緊力，從而可傳送較重的物體，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

33、形設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要談及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理—仿生及攀爬中的若干問題。第一節(jié)簡(jiǎn)要的概述了一下仿生機(jī)器人的起源和發(fā)展以及它的一個(gè)主要研究?jī)?nèi)容，第二節(jié)對(duì)機(jī)器人的各種貼附方案和移動(dòng)方案進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和比較，并簡(jiǎn)要的介紹了下本論文所需要研究爬桿機(jī)器人在這方面的要求等。</p><p>

34、;　　第三章 爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　爬桿機(jī)器人的主要用途是作為桿上傳送的載體，本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是爬行機(jī)器人的核心部分，要求承受一定的負(fù)載并能保持穩(wěn)定的爬行動(dòng)作。因此首要的目標(biāo)是使機(jī)器人能夠在較長(zhǎng)的爬行距離內(nèi)安全可靠的爬行，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的使機(jī)器人移動(dòng)靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，滿足一定的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性要求。</p><p>　　3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p>

35、;<p>　　本課題所設(shè)計(jì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式其實(shí)是一種蠕動(dòng)爬行，蠕動(dòng)是一種周期性的動(dòng)作，蠕動(dòng)體的姿態(tài)呈現(xiàn)某種規(guī)律性的變化。我們所設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人的本體部分主要由三個(gè)機(jī)械單元組成，分為上、下夾緊機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在中間分別與上、下夾緊機(jī)構(gòu)相連接。上、下夾緊機(jī)構(gòu)分別起著保持夾緊的作用，而軀干部分則起著上下推進(jìn)的作用。</p><p>　　3.2 夾緊裝置分析研究</p><p&g

36、t;　　根據(jù)爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，夾緊機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵，所產(chǎn)生的夾緊力應(yīng)能保證機(jī)器人在單步運(yùn)動(dòng)中一端夾緊在桿上，使機(jī)器人在單步工作中保持穩(wěn)定，夾緊-放松的運(yùn)動(dòng)過程能自如的進(jìn)行。綜合考慮機(jī)器人系統(tǒng)工作環(huán)境和性質(zhì)，主要有兩種夾緊方式:機(jī)械式裝置和氣 (液)壓式裝置。</p><p>　　兩種方式都能產(chǎn)生足夠的夾緊力，各有其優(yōu)點(diǎn)。液(氣)壓式夾緊裝置夾緊力調(diào)節(jié)方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，但需要液(氣)源和液(氣)動(dòng)控制系統(tǒng)支持，

37、體積龐大、噪音污染大并且其設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較高。</p><p>　　對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)的要求是:能產(chǎn)生足夠大的夾緊力、放松和夾緊收放自如、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)可靠、質(zhì)量輕。結(jié)合實(shí)際情況，選用機(jī)械夾緊裝置，夾緊裝置的主體是一個(gè)雙向絲杠，由電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，具有自鎖功能的絲杠產(chǎn)生的軸向力帶動(dòng)兩個(gè)機(jī)械手臂相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)桿體的夾緊。</p><p>　　3.3 爬升動(dòng)力系統(tǒng)分析研究</p>

38、<p>　　目前對(duì)于機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)有多種不同的選擇方案，可以采用液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)等不同的方式[23-24] 。不同的動(dòng)力系統(tǒng)適用不同的工作環(huán)境，按照具體的要求來選擇合適的動(dòng)力達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。表3-2為不同的驅(qū)動(dòng)方式的性能對(duì)照表。</p><p>　　表3-1 驅(qū)動(dòng)方式性能對(duì)照表</p><p>　　液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般使用2-15MPa的油液驅(qū)動(dòng)，能夠產(chǎn)生很大的驅(qū)動(dòng)力，但是其系

39、統(tǒng)體積大，比較笨重，工作中有漏油的問題，而且維護(hù)起來比較麻煩，故不適合在本系統(tǒng)中使用。</p><p>　　電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，直接獲得所需要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)具有易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，使用方便，信號(hào)監(jiān)測(cè)、傳遞和處理方便，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其動(dòng)作速度慢，總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，速度調(diào)整起來比較困難而且工作距離短，所以也沒有選用電氣驅(qū)動(dòng)的方式。

40、</p><p>　　氣壓驅(qū)動(dòng)使用壓力通常在 0.4-0.6MPa，最高可達(dá)1MPa。氣壓驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便,價(jià)格便宜，使用維護(hù)起來相對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單許多，綜合上面各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到經(jīng)濟(jì)性、可靠性等多個(gè)方面，選擇氣缸驅(qū)動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上下攀爬運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　3.4 爬桿機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理</p><p>　　爬桿機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖

41、3-1所示。</p><p>　　結(jié)合圖3-1可以看出，機(jī)器人的爬行動(dòng)作原理可分為以下6步：</p><p>　　下電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)下絲杠旋轉(zhuǎn)，使手臂夾緊在圓柱桿上。</p><p>　　上電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)上絲杠旋轉(zhuǎn)，讓上手臂松開。</p><p>　　氣缸向上推動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到指定位置后，停止運(yùn)動(dòng)保持。</p><p>　　上

42、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)上絲杠旋轉(zhuǎn)，讓上手臂夾緊桿子。</p><p>　　下電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)下絲杠旋轉(zhuǎn)，使手臂松開圓柱桿。</p><p>　　氣缸收回，帶動(dòng)機(jī)器人下部分向上運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　圖3-1 爬桿機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　上述為爬桿機(jī)器人的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，每運(yùn)行一個(gè)周期，機(jī)器人整體向上爬行一次，重復(fù)上面6個(gè)步驟就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器

43、人機(jī)械手之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作和機(jī)器人整體的攀爬運(yùn)動(dòng)。</p><p><b>　　3.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，第一節(jié)提出了機(jī)器人的大致總體結(jié)構(gòu)構(gòu)想，第二節(jié)對(duì)比分析了機(jī)械式和氣、液壓式夾緊裝置，第三節(jié)對(duì)動(dòng)力爬升系統(tǒng)進(jìn)行了具體分析研究，第四節(jié)闡述了爬桿機(jī)器人的工作原理。</p><p>　　第四章

44、 主體尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)校核</p><p>　　4.1 爬桿機(jī)器人各零部件的尺寸估算設(shè)計(jì)</p><p>　　在估算零件質(zhì)量的過程中，忽略小孔及倒角、圓角，對(duì)絲杠作光桿處理，尺寸按較大方向來選取。</p><p><b>　　4.1.1 底板</b></p><p>　　為了減輕機(jī)器人的質(zhì)量又能夠達(dá)到工作所需要的強(qiáng)度，選用

45、底板材料為鋁合金，密度，底板結(jié)構(gòu)及尺寸如圖4-1所示：</p><p><b>　　圖4-1 底板</b></p><p>　　厚度為15mm，估算底板的質(zhì)量</p><p><b>　　(4.1)</b></p><p><b>　　(4.2)</b></p>

46、<p><b>　　4.1.2絲杠</b></p><p>　　要求所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)完成10—30cm圓柱體的攀爬運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算初步將絲杠工作長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成150mm，直徑32mm，兩端長(zhǎng)度各為40mm，直徑20mm，絲杠材料選擇調(diào)質(zhì)45號(hào)鋼，密度，彈性模量為196~206Gpa，絲杠結(jié)構(gòu)如圖4-2所示：</p><p><b>　　圖4-2 絲

47、杠</b></p><p><b>　　估算絲杠的質(zhì)量：</b></p><p><b>　　(4.3)</b></p><p>　　4.1.3 夾緊手臂</p><p>　　手臂材料選擇鋼材，密度；</p><p>　　夾爪于手臂之間用螺釘連接，其結(jié)構(gòu)如圖4-3

48、所示：</p><p><b>　　圖4-3 手臂</b></p><p><b>　　(4.4)</b></p><p><b>　　(4.5)</b></p><p><b>　　4.1.4 電機(jī)</b></p><p>　　電

49、機(jī)質(zhì)量估算4000g</p><p>　　4.1.5 估算上部分總質(zhì)量</p><p>　　機(jī)器人上部分總質(zhì)量：</p><p><b>　　(4.6)</b></p><p>　　還有齒輪以及一些小零件（螺栓、橡膠片、聯(lián)軸器等）估取</p><p><b>　　4.1.6 氣缸<

50、/b></p><p>　　根據(jù)工作所需力的大小來確定活塞桿上的推力和拉力。由此來選擇氣缸時(shí)應(yīng)使氣缸的輸出力稍有余量。若缸徑選小了，輸出力不夠，氣缸不能正常工作；但缸徑過大，不僅使設(shè)備笨重、成本高，同時(shí)耗氣量增大，造成能源浪費(fèi)。</p><p>　　下面是氣缸理論力的計(jì)算公式：</p><p><b>　　(4.7)</b></p&

51、gt;<p>　　氣缸的工作效率為85%，則氣缸理論輸出力：</p><p><b>　　(4.8)</b></p><p>　　設(shè)氣源壓力為0.5Mpa，則；</p><p><b>　　計(jì)算得出；</b></p><p>　　查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇QM系列氣缸，氣缸直徑為25mm，氣

52、缸的結(jié)構(gòu)及安裝尺寸如圖4-4所示。</p><p><b>　　圖4-4 氣缸</b></p><p>　　基本尺寸如下（mm）：</p><p><b>　　缸徑: 25</b></p><p>　　MM: M10×1.25 NN: M27×2 PP: Z

53、G1/8</p><p>　　A: 22 B: 15 C: 58</p><p>　　D: 37.7 E: 34 L: 120</p><p>　　4.1.7 估算整體質(zhì)量</p><p><b>　　(4.9)</b></

54、p><p><b>　　估算選取。</b></p><p>　　4.1.8 計(jì)算工作所需夾緊力</p><p>　　摩擦材料選擇橡膠，橡膠對(duì)鑄鐵摩擦系數(shù)</p><p><b>　　，,；</b></p><p><b>　　(4.10)</b></p

55、><p>　　所以工作所需夾緊力為225N。</p><p>　　4.1.9 電機(jī)的選擇計(jì)算與定型</p><p>　　電動(dòng)機(jī)俗稱馬達(dá)，是一種將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，并可再使用機(jī)械能產(chǎn)生動(dòng)能，用來驅(qū)動(dòng)其他裝置的電氣設(shè)備。它是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種機(jī)器。通常電動(dòng)機(jī)的做功部分作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種電動(dòng)機(jī)稱為轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)；也有作直線運(yùn)動(dòng)的，稱為直線電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)能提供的功率范圍很大，從

56、毫瓦級(jí)到萬千瓦級(jí)。電動(dòng)機(jī)的使用和控制非常方便，具有自起動(dòng) 、加速、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、掣住等能力，能滿足各種運(yùn)行要求；電動(dòng)機(jī)的工作效率較高，又沒有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。由于它的一系列優(yōu)點(diǎn)，所以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設(shè)備等各方面廣泛應(yīng)用。</p><p>　　下面進(jìn)行電機(jī)的計(jì)算選型，上文經(jīng)過估算已近計(jì)算得出，工作所需的夾緊力為225N,則</p><p>

57、;<b>　　(4.11)</b></p><p><b>　　(4.12) </b></p><p>　　計(jì)算工作所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩：</p><p><b>　　(4.13)</b></p><p><b>　　圖4-5 電動(dòng)機(jī)</b></p>

58、<p>　　根據(jù)轉(zhuǎn)矩查相關(guān)機(jī)械手冊(cè)，選取電機(jī)型號(hào)40YB01電機(jī)+標(biāo)準(zhǔn)減速箱；</p><p>　　電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為260r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1.3，質(zhì)量4kg；外形、尺寸如圖4-5所示。</p><p>　　4.2 滑動(dòng)螺旋絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核</p><p>　　螺旋傳動(dòng)是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線

59、運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。螺旋傳動(dòng)根據(jù)螺紋副的摩擦情況，可以分為三類：滑動(dòng)螺旋，滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋?；瑒?dòng)螺旋構(gòu)造簡(jiǎn)單、加工方便、易于自鎖、但摩擦大、效率低（一般為 30%-40%） 、磨損快，低速時(shí)可能爬行，定位精度和軸向剛度較差。靜壓螺旋實(shí)際上是采用靜壓流體潤(rùn)滑的滑動(dòng)螺旋。靜壓螺旋傳動(dòng)效率可達(dá) 99%，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要供油系統(tǒng)。滾珠絲杠傳動(dòng)是滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的一種，其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高，精度也很高，但結(jié)構(gòu)稍顯

60、復(fù)雜且價(jià)格較貴。綜合起來看，本課題爬桿機(jī)器人的精度要求并不是很高，鑒于構(gòu)造簡(jiǎn)單及經(jīng)濟(jì)性原則，選擇滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的主要失效形式是螺紋磨損，因此螺桿的直徑和螺母的高度通常是根據(jù)耐磨性計(jì)算確定。傳力螺旋應(yīng)校核螺桿危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度，青銅或鑄鐵螺母以及承受重載的調(diào)整螺旋應(yīng)校核螺紋牙的剪切和彎曲強(qiáng)度。要求自鎖的螺桿應(yīng)校核其自鎖性。精密的傳導(dǎo)螺旋應(yīng)校核螺桿的剛度。當(dāng)螺桿受壓力，其長(zhǎng)徑比又很

61、大時(shí)，容易產(chǎn)生側(cè)向彎曲，應(yīng)校核其穩(wěn)定性，較長(zhǎng)的螺桿而轉(zhuǎn)速又較高時(shí)，可能產(chǎn)生橫向振動(dòng)，還應(yīng)校核他的臨界轉(zhuǎn)速。</p><p>　　調(diào)整螺旋和部分傳力螺旋要求自鎖時(shí)，一般采用單頭螺紋；為了提高傳動(dòng)效率以及要求較高的直線運(yùn)動(dòng)速度，可采用多頭螺紋，以得到較大的螺紋升角和導(dǎo)程。</p><p>　　4.2.1 傳動(dòng)螺紋選擇</p><p>　　梯形螺紋工藝性好，切牙根強(qiáng)度高，

62、對(duì)中性好，是最常用的傳動(dòng)螺紋，傳動(dòng)螺紋選用梯形螺紋，牙型為等腰梯形，牙型角=30，高徑比=1.5。</p><p>　　4.2.2 耐磨性計(jì)算及選材 </p><p>　　絲杠材料選用45號(hào)鋼，螺母材料同樣也選用45鋼。查表得，許用壓力=7.5~13Mpa，選擇=8Mpa，摩擦因數(shù)為0.11~0.17，選擇f=0.12，從耐磨觀點(diǎn)計(jì)算所需的中徑，</p><p>　

63、　27.3mm (4.14)</p><p>　　根據(jù)（GB/T 5796.1~5796.3—1986）選擇絲杠標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑d=32mm.</p><p>　　絲杠螺距P=6mm，牙頂間隙=0.5mm，中徑29mm，=25mm 。</p><p>　　螺母高度H==1.529=43.5mm，圓整成整數(shù)為44mm。螺母旋合圈數(shù)n=H/

64、P=44/6=7.33， n10-12，滿足條件。</p><p>　　4.2.3 校核驗(yàn)算</p><p><b>　　自鎖性驗(yàn)算：</b></p><p>　　要求自鎖時(shí)，當(dāng)量摩擦角； </p><p>　　=arctan(f/cos)= arctan(0.12/cos15)=8.25 (4.15)<

65、/p><p>　　dtan=3.1432tan8.25=14.57mm</p><p>　　，符合自鎖條件，可以實(shí)現(xiàn)自鎖。</p><p><b>　　絲杠強(qiáng)度校核驗(yàn)算：</b></p><p>　　在當(dāng)量應(yīng)力時(shí)，絲杠強(qiáng)度通過。</p><p>　　查表計(jì)算得，許用拉應(yīng)力：</p>&l

66、t;p><b>　　(4.16)</b></p><p>　　，絲杠強(qiáng)度驗(yàn)算通過。</p><p>　　螺母螺牙強(qiáng)度校核驗(yàn)算：</p><p>　　查機(jī)械手冊(cè)得，許用彎曲應(yīng)力：</p><p><b>　　(4.17)</b></p><p><b>　　許用

67、切應(yīng)力</b></p><p><b>　　(4.18)</b></p><p>　　梯形螺紋螺牙根部寬度b：</p><p><b>　　(4.19)</b></p><p>　　梯形螺紋螺紋的工作高度：</p><p><b>　　(4.20)<

68、;/b></p><p><b>　　螺牙切應(yīng)力的計(jì)算：</b></p><p><b>　　絲杠</b></p><p><b>　　(4.21)</b></p><p><b>　　螺母</b></p><p><b

69、>　　(4.22)</b></p><p>　　絲杠彎曲應(yīng)力的計(jì)算：</p><p><b>　　絲杠</b></p><p><b>　　(4.23)</b></p><p><b>　　螺母</b></p><p><b>

70、;　　(4.24)</b></p><p>　　絲杠切應(yīng)力，螺母切應(yīng)力，絲杠彎曲應(yīng)力，螺母彎曲應(yīng)力；螺母螺牙強(qiáng)度校核通過。</p><p><b>　　穩(wěn)定性校核：</b></p><p><b>　　計(jì)算細(xì)長(zhǎng)比</b></p><p>　　查機(jī)械手冊(cè)得，長(zhǎng)度系數(shù)</p>

71、<p><b>　　(4.25)</b></p><p>　　，符合要求，故無需校核絲杠的穩(wěn)定性。</p><p><b>　　齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　齒輪傳動(dòng)是指用主、從動(dòng)輪輪齒直接、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的裝置。齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。按齒輪軸線的相對(duì)位置分平行軸

72、圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸螺旋齒輪傳動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。在所有的機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)應(yīng)用最廣，可用來傳遞相對(duì)位置不遠(yuǎn)的兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。</p><p>　　齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是：齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，工作可靠、效率高、壽命長(zhǎng)，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳遞功率可以從很小至幾十萬千瓦；速度最高可達(dá)300m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至二十多米。但是制造齒輪需要有專門的設(shè)

73、備，嚙合傳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲。</p><p>　　選定齒輪類型、精度、材料及齒數(shù)</p><p>　?。?）按工作要求，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。</p><p>　?。?）大小齒輪的材料選用40Cr，表面淬火，表面硬度為HRC48-55。</p><p>　?。?）因?yàn)楸砻娲慊?，輪齒變形小，采用七級(jí)精度。</p><p>　

74、?。?）試選小齒輪齒數(shù)，。</p><p>　　4.3.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)公式進(jìn)行試算，即</p><p><b>　　(4.26)</b></p><p><b>　　確定上式中個(gè)參數(shù)</b></p><p><b>　　試選

75、載荷系數(shù)；</b></p><p><b>　　小齒輪傳遞的扭矩為</b></p><p><b>　　查表，選齒寬系數(shù)；</b></p><p>　　查表，得彈性影響系數(shù)；</p><p>　　按齒面硬度中間值HRC52，查得大、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為：</p>&l

76、t;p>　　重合度系數(shù)，斷面重合度：</p><p><b>　　(4.27)</b></p><p><b>　　(4.28)</b></p><p><b>　　計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：</b></p><p><b>　　(4.29)</b><

77、/p><p><b>　　(4.30)</b></p><p>　　查圖，得接觸疲勞壽命系數(shù)：</p><p><b>　　，；</b></p><p>　　計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)，則</p><p><b>　　(4.31)</b></p&

78、gt;<p><b>　　(4.32)</b></p><p><b>　　計(jì)算：</b></p><p>　　設(shè)計(jì)公式中帶入中較小的值，得</p><p><b>　　(4.33)</b></p><p>　　計(jì)算小齒輪分度圓圓周速度：</p>&

79、lt;p><b>　　(4.34)</b></p><p><b>　　計(jì)算齒寬：</b></p><p><b>　　(4.35)</b></p><p>　　計(jì)算齒寬與齒高之比：</p><p>　　模數(shù) (4.36)</p>

80、<p>　　齒高 </p><p><b>　　(4.37)</b></p><p><b>　　計(jì)算載荷系數(shù)：</b></p><p>　　查圖，由，7級(jí)精度，得；</p><p><b>　　查表，得，，，；</b></p

81、><p><b>　　故，載荷系數(shù)：</b></p><p><b>　　(4.38)</b></p><p><b>　　計(jì)算模數(shù)：</b></p><p><b>　　(4.39)</b></p><p>　　4.3.3 按齒根彎

82、曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p><b>　　設(shè)計(jì)公式為：</b></p><p><b>　　(4.40)</b></p><p>　?。?） 確定設(shè)計(jì)公式中的參數(shù)</p><p>　　查圖，得大、小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限：</p><p><b>　　;<

83、;/b></p><p>　　查圖，得彎曲疲勞壽命系數(shù)：</p><p><b>　　,;</b></p><p>　　計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力：</p><p>　　取安全系數(shù)S=1.4,則</p><p><b>　　(4.41)</b></p><

84、p><b>　　(4.42)</b></p><p><b>　　計(jì)算載荷系數(shù)：</b></p><p><b>　　(4.43)</b></p><p><b>　　查表，得齒形系數(shù)：</b></p><p><b>　　，；</b

85、></p><p>　　查表，得應(yīng)力校正系數(shù)：</p><p><b>　　，；</b></p><p><b>　　計(jì)算重合度系數(shù)：</b></p><p><b>　　(4.44)</b></p><p><b>　　計(jì)算大小齒輪的的

86、值</b></p><p><b>　　(4.45)</b></p><p><b>　　(4.46)</b></p><p>　　所以，小齒輪的彎曲強(qiáng)度較弱。</p><p>　?。?） 計(jì)算齒輪模數(shù)</p><p>　　設(shè)計(jì)計(jì)算中帶入的較大值，得</p&

87、gt;<p><b>　　(4.47)</b></p><p>　　就近圓整模數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值，；取</p><p><b>　　則，</b></p><p>　　4.3.4 幾何尺寸計(jì)算</p><p>　?。?）計(jì)算分度圓直徑：</p><p><b>

88、　　(4.48)</b></p><p><b>　?。?）計(jì)算中心距：</b></p><p><b>　　(4.49)</b></p><p>　　（3）計(jì)算齒輪寬度：</p><p><b>　　(4.50)</b></p><p>　

89、　， </p><p><b>　　軸承的選用 </b></p><p>　　手臂在導(dǎo)桿上滑動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，大大降低爬桿機(jī)器人工作時(shí)的工作效率，有的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)卡死的情況，影響機(jī)器人的正常工作，手臂與導(dǎo)桿還會(huì)有嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，增加了維護(hù)成本，降低了機(jī)器人的工作壽命。</p><p>　　鑒于以上

90、情況，特在手臂與導(dǎo)桿之間加上一個(gè)軸承，來減小導(dǎo)桿與手臂的摩擦力，增加機(jī)器人的工作穩(wěn)定性和使用壽命，由于導(dǎo)桿和手臂是相對(duì)的軸向移動(dòng)，所以在這邊選用直線軸承。</p><p>　　4.4.1 直線軸承介紹</p><p>　　直線軸承（圖4-6）是一種以低成本生產(chǎn)的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，用于無限行程與圓柱軸配合使用。由于承載球與軸呈點(diǎn)接觸，故使用載荷小。鋼球以極小的摩擦阻力旋轉(zhuǎn)，從而能獲得高精度的平穩(wěn)

91、運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　直線軸承是與淬火直線傳動(dòng)軸配合使用，作無限直線運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。負(fù)荷滾珠和淬火傳動(dòng)軸因?yàn)槭屈c(diǎn)接觸，容許載荷較小，但直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦阻力最小，精度高，運(yùn)動(dòng)快捷。</p><p><b>　　圖4-6 直線軸承</b></p><p>　　直線軸承可分為標(biāo)準(zhǔn)型直線軸承、間隙調(diào)整型直線軸承、開口型直線軸承、加長(zhǎng)型直線軸承、通用性

92、直線軸承這些類型。</p><p>　　4.4.2 直線軸承的選用</p><p>　　根據(jù)手臂和導(dǎo)桿的尺寸，查找機(jī)械手冊(cè)，選擇型號(hào)為L(zhǎng)B203245的開口型直線軸承，其內(nèi)徑為20mm，外徑為32mm，寬度為45mm。</p><p><b>　　4.5 聯(lián)軸器</b></p><p>　　聯(lián)軸器是連接兩軸或軸和回轉(zhuǎn)件，

93、在傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)過程中一同回轉(zhuǎn)而不脫開的一種裝置，在傳動(dòng)過程中不改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)矩的大小，這是各類聯(lián)軸器的共性功能。聯(lián)軸器連接的兩軸，由于制造及安裝誤差，承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證嚴(yán)格的對(duì)中，而是存在著某種程度的相對(duì)位移。</p><p>　　本裝置是將兩根絲杠用聯(lián)軸器連接起來，保證它們?cè)陔姍C(jī)帶動(dòng)下，同步轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞相同大小的扭矩，從而帶動(dòng)兩只手臂相對(duì)同步直線運(yùn)動(dòng)，來夾緊圓柱狀物體，實(shí)現(xiàn)攀爬運(yùn)動(dòng)

94、。</p><p>　　聯(lián)軸器的固定方式有如下幾種：</p><p>　?。?）定位螺絲固定：兩個(gè)定位螺絲間隔 90°對(duì)所固定的軸進(jìn)行鎖緊，是一種傳統(tǒng)的固定方式。</p><p>　　（2）夾緊螺絲固定：利用內(nèi)六角螺栓擰緊的力量，使狹縫收縮，而將軸心緊緊夾持住。</p><p>　?。?）鍵槽型：這種類型與定位螺絲固定型一樣，是一種

95、最傳統(tǒng)的固定方式，適合高扭矩的傳動(dòng)，為防止軸向滑動(dòng)，通常與定位螺絲固定型、夾緊螺絲固定型并用。</p><p>　?。?）復(fù)合固定方式：在聯(lián)軸器的固定中，采用兩種固定方式來進(jìn)行聯(lián)接固定稱為復(fù)合固定方式。</p><p>　　查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，根據(jù)傳遞的扭矩以及絲杠小端直徑大小，選擇圓錐銷套筒聯(lián)軸器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，徑向尺寸小，成本較低，用于兩軸直徑相同的圓柱形軸伸，符合本機(jī)構(gòu)的工作，

96、其結(jié)構(gòu)如圖4-7所示：</p><p><b>　　圖 4-7 聯(lián)軸器</b></p><p><b>　　一些基本尺寸如下：</b></p><p>　　軸直徑d(H7): 20mm</p><p>　　許用轉(zhuǎn)矩:90(N·m)</p><p><b>

97、　　Do: 35mm</b></p><p><b>　　L: 60mm</b></p><p><b>　　l: 15mm</b></p><p><b>　　C: 1.0mm</b></p><p><b>　　C1: 1.0mm</b>

98、</p><p>　　圓錐銷GB/T 117-2000: 6×35mm</p><p><b>　　4.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要詳細(xì)介紹了機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)和尺寸參數(shù)的界定，設(shè)計(jì)并校核了齒輪傳動(dòng)，絲杠傳動(dòng)，根據(jù)設(shè)計(jì)出的零件的尺寸選定了直線軸承和聯(lián)軸器，完成了對(duì)電動(dòng)機(jī)和氣缸的選型。</p><

99、p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　該機(jī)器人運(yùn)用了簡(jiǎn)單的反向絲杠夾緊機(jī)構(gòu)，以電機(jī)作為夾緊驅(qū)動(dòng)，采用氣缸來提供爬升動(dòng)力，兩者在選材上都很方便，而且在設(shè)計(jì)時(shí)選用了材質(zhì)較為輕盈的鋁材作為結(jié)構(gòu)材料，減輕了機(jī)器人的重量，使其更大效率的利用氣缸的功率，也具有良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。在設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的動(dòng)作方案很好的保證了機(jī)器人整體的協(xié)調(diào)動(dòng)作。</p><p>　　該機(jī)

100、器人只是一個(gè)工作平臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝靈活，我們可以根據(jù)實(shí)際工作需求，在機(jī)器人上搭載不同的工作機(jī)構(gòu)，就可以在桿狀城市建筑上完成多種高空作業(yè)，實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的功能，具有使用價(jià)值高，應(yīng)用范圍廣，可推廣性強(qiáng)。</p><p>　　但是在設(shè)計(jì)中由于時(shí)間和精力有限還存在一些缺陷和遺憾，機(jī)械夾緊手臂還需要優(yōu)化和完善，目前的方案夾緊速度不快，影響到了機(jī)器人的整體爬升速度，而且人工控制起來比較麻煩，在不大幅度改變機(jī)器人現(xiàn)有機(jī)械結(jié)構(gòu)的

101、前提下，增加智能控制部分，使之成為一個(gè)智能型機(jī)器人，可以適應(yīng)復(fù)雜工況的要求也提高工作效率。</p><p>　　可以進(jìn)行搭載平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使之成為一個(gè)正真意義上的搭載平臺(tái)，為城市桿狀建筑的清洗、維護(hù)提供支持。在條件允許的情況下，增加試驗(yàn)因素，比如路燈桿的清洗測(cè)試、抗振測(cè)試、以及故障測(cè)試等等，并以經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性作為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　參 考

102、 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 蔣新松. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M]. 遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994. </p><p>　　[2] 王園宇，武利生，李元宗. 壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)淺析[J]. 引進(jìn)與咨詢，2002，18（4）：3-4.</p><p>　　[3] 邵浩. 壁面清洗爬壁機(jī)器人. 中國(guó)第五屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]. 北京：

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