爬壁式機器人設計說明書

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1、1 前 言 1.1 立項背景 2010年3月29號，吉林省長春市一大型商品集散地昨晚20時發(fā)生火災。經過十幾個小時的緊張救援，長春市天元商廈火情得到控制。在此期間，長春、吉林兩市出動消防車超過60輛，消防官兵200多人，全力撲救。但由于該大廈是木制框架結構，存放的又多為家居易燃品，加上樓外廣告牌遮擋等問題，使得滅火工作一度進展困難。長春市消防支隊張璐文:這兒有一些廣告牌子，組織了噴水，如果沒有廣告牌，火早就控制住了??！ 2007年１２日８時２０分許，溫州市鹿城區(qū)人民路溫富大廈的裙樓一樓“朵朵鮮”花店突發(fā)火災。由花店包花紙和塑料花的燃燒導致大量的濃煙涌入二樓的舞廳。當時舞廳內有２００人左右

2、，大部分逃生，但有１９人因一氧化碳中毒窒息死亡?；ǖ昀锕灿校谷?，７人逃生，２人燒死。過火面積１２７０平方米！！ 據有關部門統(tǒng)計，2009年上半年，全國共發(fā)生火災7.4萬起，死亡655人，受傷297人，直接財產損失6.6億元！！ 不僅我國，在世界上消防工作也是一個大難題，各國政府千方百計地將火災的順勢降到最低，然而并未取得顯著性效果，面對無情的火災，各國已將目光對準了消防機器人。 1984年11月，在日本東京的一個電纜隧道內發(fā)生了一起火災，消防隊員不得不在濃煙和高溫的危險環(huán)境下在隧道內滅火。這次火災之后，東京消防部開始對能在惡劣條件下工作的消防機器人進行研究，目前已有五種用途的消防機器人投

3、入使用。[1] 1.2 同類產品比較 遙控消防機器人：1986年第一次使用了這種機器人。當消防人員難于接近火災現(xiàn)場或有爆炸危險時，可使用這種機器人。這種機器人裝有履帶，最大行駛速度可達10公里/小時，每分鐘能噴出5噸水或3噸泡沫。 噴射滅火機器人 ：這種機器人于1989年研制成功，屬于遙控消防機器人的一種，用于在狹窄的通道和地下區(qū)域進行滅火。機器人高45厘米，寬74厘米，長120厘米。它由噴氣式發(fā)動機或普通發(fā)動機驅動行駛。當機器人到達火災現(xiàn)場時，為了撲滅火焰，噴嘴將水流轉變成高壓水霧噴向火焰。 消防偵察機器人：消防偵察機器人誕生于1991年，用于收集火災現(xiàn)場周圍的各種信息，并在有濃煙或

4、有毒氣體的情況下，支援消防人員。機器人有4條履帶，一只操作臂和9種采集數(shù)據用的采集裝置，包括攝像機、熱分布指示器和氣體濃度測量儀。 攀登營救機器人：攀登營救機器人于1993年第一次使用。當高層建筑物的上層突然發(fā)生火災時，機器人能夠攀登建筑物的外墻壁去調查火情，并進行營救和滅火工作。該機器人能沿著從建筑物頂部放下來的鋼絲繩自己用絞車向上提升，然后它可以利用負壓吸盤在建筑物上自由移動。這種機器人可以爬70米高的建筑物。 救護機器人：救護機器人于1994年第一次投入使用。這種機器人能夠將受傷人員轉移到安全地帶。機器人長4米，寬1.74米，高1.89米，重3860公斤。它裝有橡膠履帶，最高速度為

5、4公里/小時。它不僅有信息收集裝置，如電視攝像機、易燃氣體檢測儀、超聲波探測器等；還有2只機械手，最大抓力為90公斤。機械手可將受傷人員舉起送到救護平臺上，在那里可以為他們提供新鮮空氣。[2] 此外，正對在坡度很陡的外壁上進行作業(yè)的高危險性，一種能在避免上貼附并能移動進行作業(yè)的爬壁機器人也受到關注，其需求的對象如：用于核電站路新內壁上清除污染物的機器人;用于放射性廢液儲存罐焊縫檢查的壁面移動機器人；用于自動檢查大型煤氣球灌哈風的機器人；用于消防急救的壁面移動機器人等。[3] 壁面移動機器人必須具有兩個基本功能：在壁面上的吸附功能和移動功能。按吸附功能分類：真空吸附和磁吸附兩種形式：真空吸附

6、法又分為單吸盤和多吸盤兩種結構形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點，但當壁面凸凹不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低；磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，電磁體式維持吸附力需要電力，但控制較方便。永磁體式不受斷電的影響，使用中安全可靠，但控制較為麻煩。磁吸附方式對壁面的凸凹適應性強，且吸附力遠大于真空吸附方式，不存在真空漏氣的問題；壁面行走機構的任務是將攜帶的作業(yè)裝置運送到壁面的要求位置。按照作業(yè)對象的性質，對行走機構提出的基本功能要求出越障能力外，還應具備全方位轉向功能，以便轉向和行走方向偏離時的方位校正。行走機構有車輪式、履帶式和腿足式，分兩足和多足等。車輪式移動速度快，控制靈

7、活，但維持一定的吸附力較困難；腿足式移動速度慢，但負載能力強；履帶式隊壁面的適應性強，且著地面積大，但不易轉彎。此外，還有步進式、蠕動式、混合式和蛇行式移動方式等，適合于各種特別的場合。[4] 由于本次設計主要針對高層建筑的外壁，考慮到壁面的非磁性，應選擇真空吸附方式，用真空吸盤實現(xiàn)吸附。針對真空吸附方式，將各類爬壁機器人優(yōu)缺點及各種爬壁機構性能比較列表如下： 表1-1 各類爬壁機器人優(yōu)缺點比較 Table1-1 All kinds of climbing robot advantages and disadvantages 真空泵 噴射器 車輪式 移動速度快，轉向方便

8、，著地面小，無須加供氣裝置，但要求壁面有一定光滑度，越障能力低 移動速度快，控制方便，維持吸附力較困難，能力低，噪音大，徐供氣設備，可達高真空，對壁面適應性好 路帶式 著地面積大，對壁面適應性強，行走速度快，負載能力大，但轉向不易，適于多吸盤結構 可將吸盤布置于履帶上，個吸盤的真空度由噴射器產生，對壁面適應性強，越障能力大，需供氣裝置 足腿式 能跨臺階，但動作是間歇的，速度不快，可以實現(xiàn)多吸盤形式，但負載能力不大，無需供氣裝置 需供氣裝置，可實現(xiàn)多吸盤形式，間歇動作，真空度高，但噪聲大，負載能力小 表1-2 各種爬壁機構性能比較 Table1-2 All sorts o

9、f climbing performance comparison institutions 機械實施 控制實施 速度 運動平穩(wěn)性 轉向性能 載重自重比 越障能力 壁面適應性 壁面附設要求 偏心扭擺式 B A C D C B B C 無 多層框架式 B B B C A A B B 無 特種履帶式 D C B B C B C C 無 獨立驅動足式 C D D B A D A A 無 輪式及其變形 B A B B B C C D 無 輪驅動規(guī)行式 B A A A

10、 無 A D D 有 索吊軌行式 A A A A 無 A 無 D 有 *A→D（高分→低分） 目前，在外國，特別是日本，爬壁式機器人的研究和應用比較突出，主要產品有車輪式磁吸附爬壁機器人，步行式磁吸附爬壁機器人，吸盤式磁吸附爬壁機器人及履帶式磁吸附爬壁機器人，因其主要是磁吸附形式，具體結構功能不再詳細敘述。[5]在我國，哈爾濱工業(yè)大學從1988年就開始爬壁機器人的研究，山?？萍即髮W、哈爾濱船舶工程學院、中科院沈陽自動化所、哈爾濱科技大學等單位也先后開展爬壁機器人的研究。爬壁機器人設計的關鍵是載體，載體結構不同，爬壁機器人的性能也不同。他們研究的兩載體機構有

11、：（1）具有全方位移動功能的爬壁機構；（2）磁吸附壁面移動機構。其中前者采用負壓吸附方式，移動機構采用全防車輪，他克服了一半論事行走機構轉彎、定位較難的不足。實驗證明，這種爬行機構行走靈活，有一定的承載能力，對壁面適應能力也較強，可由于表面變化不劇烈的各種垂直壁面上的多種作業(yè)。[6] 哈工大機器人研究所已先后開發(fā)出連個系列的爬壁機器人：單吸盤輪式壁面爬行機器人及磁吸附履帶式爬行機器人；上海交大機器人研究所和上海消防聯(lián)合研制開發(fā)了一種集火場探測、消防、有毒、易燃、易爆氣體場所探測等多功能于一體的消防機器人——ZXPJ01型消防機器人，它是一種游覽遙控關節(jié)移動是機器人，其電源通過電纜傳輸，關節(jié)擺

12、臂除了能夠輔助越障外，還能提高它的穩(wěn)定性，另外還采用了專家決策輔助系統(tǒng)協(xié)調操作員進行控制，大大提高了其操縱性和安全性。{7} 由此可見，無論是在國外還是國內，爬壁機器人及各種類型的消防機器人已有很大發(fā)展，但同時我們也注意到各種消防機器人都有其局限之處，有的只用于支援消防隊員，有的只用于在危險場所，那么針對高層建筑的消防問題，設計一款功能齊全并且可快速到達火災現(xiàn)場的消防機器人就十分必要了。 1.3產品主要功能及技術攻關 由上一節(jié)的分析比較確定本次設計的機器人采用多層框架式移動機構，其突出的優(yōu)點是越障能力和承載能力較好。吸附方式采用真空吸盤吸附。 初步考慮該消防機器人須事先的主要功能有：

13、 移動功能：操作人員通過搖控臺遠距離控制小風機器人眼高層建筑的外請向上爬行；越障功能：可跨越墻面上不超過50mm的障礙物； 安全定位功能：達到發(fā)生火災的窗口，利用自身的吸附功能及機械手能將本體固定在某一合適位置； 運送功能：安全地位后，能夠通過升降裝置將負載及消防設施等運送到窗口； 消防功能:通過窗口向發(fā)生火災的室內噴水滅火； 紅外線探測功能：可探測出屋內可能有的未撤離人員并發(fā)出呼喚信號； 救護功能：可將運送到窗口的傷員由輸送裝置安全送到地面； 觀察功能：頭上應裝有有攝像機，可以觀察火場和機器人本體情況； 通信功能：有圖像、聲音、數(shù)據傳輸功能； 預警功能：可探測室內易燃、易爆氣

14、體含量，根據探測的結果可以預報緊急情況發(fā)生，并有相應應急處理能力。 由以上功能初步確定該消防機器人主要有傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、安全救護系統(tǒng)、消防系統(tǒng)及探測警報系統(tǒng)組成。 技術攻關：要設計的這款機器人首先在功能上十分齊全，從接受命令開始爬向到位、消防、救護、警報，尤其能夠實現(xiàn)在必要時全面方位轉向功能及爬行時的跨障功能，以及紅外線探測傷員和救護功能，我認為這幾方面是主要的攻關項目。 2 總體設計 2.1 設計任務分析 本款壁面移動機器人是為具有窗框結構的粉墻、漆墻、水磨石強等類型避免的高層建筑的消防工作而研究設計的。傳統(tǒng)高層建筑的消防工作是由消防員完成，不僅工作條件惡劣，而且效率

15、也不高，因此，這類墻面上的移動機器人開發(fā)具有一點的通用性特點。 在吸收國外研究成果的基礎上，重兼顧先進性和實用性兩方面發(fā)出，提出本款機器人的主要性能指標如下： 適應避免：具有窗框結構的粉墻、漆墻、水磨石強等類型的壁面； 運動速度：無障礙直線行走最大速度20m∕s； 無障礙直線行走平均速度0.67m∕s； 無障礙方位回轉速度30∕s；； 越障能力：可跨越墻面上不超過50mm的障礙物； 機器人本體自重：不大于50公斤； 固定后載重：1噸； 控制與驅動：計算機控制，伺服驅動； 操縱方式：手動遙控和自控。 2.2 總體結構 基于以上設計任務分析，確定整個機器人系統(tǒng)由幾個子系統(tǒng)組

16、成：行走系統(tǒng)、消防保護系統(tǒng)及探測警報系統(tǒng)，如下圖所示。行走系統(tǒng)實現(xiàn)了壁面吸附和移動以及必要時的轉向功能；消防救呼系統(tǒng)完成機器人本體定位及安全救護功能。 無線通訊 行走系統(tǒng) 消防救護系統(tǒng) 行走系統(tǒng) 遙控操縱系統(tǒng) 微機控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 傳感系統(tǒng) 行走機構 行走機構 行走機構 行走機構 行走機構 行走機構 行走機構 行走機構 行走機構 圖2-1 壁面移動機器人系統(tǒng)組成框圖 Figure2-1

17、Wall mobile robot system diagram 圖2-2 多層框架式移動機構有幾種可能的實現(xiàn)方案 Figure2-1 Multilayer frame type mobile mechanism has several possible scheme 其中a為內外吸盤組的整體驅動方案，這種機構的特點是可以用最少的自由度（三個）實現(xiàn)移動機構的全方位運動，但在本次設計的壁面移動機構中應用重量較大，兩組吸盤要保證較大的剛性有一定困難。圖b為內、外兩組吸盤全獨立驅動方案，其優(yōu)點是壁面適應性強，但驅動自由度太多，機構實現(xiàn)困難。圖c為本次設計采用的機構，內吸盤組集中驅動，外

18、吸盤組分別驅動。該機構有六個可控自由度，其中邁步運動自由度一個，盤轉運動自由度一個，抬腿運動自由度四個。 為框架上的四個足組肩上分別裝有一個真空吸盤（為吸盤）。四個外吸盤和四個內盤分別與一個真空系統(tǒng)相連。外框架和中框架由導軌和滾輪可靠聯(lián)結，允許一個方向上的相對移動。中框和內框架之間允許相對轉動。外框架上的四個獨立升降足組件的設置是考慮到爬行機構機構一旦后仰或壁面有明顯不平時仍能實現(xiàn)可靠的吸附。 由此確定了機器人行走機構的傳動路線和機構實現(xiàn)：當中框架上的主電機（直流伺服）工作時，電機的運動經兩級圓柱齒輪傳遞給行走傳動軸，從而驅動行走輪再為框架上的齒條上運動來實現(xiàn)外框架和中框架間的相對邁步運動

19、。 而總框架上的旋轉由電機（步進電機）經兩級直齒輪減速后帶動一蝸桿軸旋轉，與蝸桿嚙合的蝸輪（安裝于內框間的中心軸上）隨之轉動，從而實現(xiàn)中框和內框架的相對旋轉運動。 抬腿運動有安裝在外框架四個角落處的升降足組件完成。當步進電機工作時，通過一對齒輪將運動傳遞到絲杠上，與絲杠嚙合的螺母執(zhí)行直線運動，從而帶動與其骨節(jié)的外吸盤的抬腿運動。 爬行機構整體的前進運動實現(xiàn)過程如下：內吸附工作時，外吸盤充氣脫開；步進電機通電正轉使外吸盤抬離壁面；主電機正轉，外框架向前移動一個行程；步進電機反轉使外吸盤靠近壁面并吸附工作；內吸盤充氣脫開，步進電機繼續(xù)反轉將內吸盤抬離壁面；主電機反轉使內框架和中框架一起相對外

20、框架向前移動一個行程，步進電機正轉使內框架貼近壁面到吸盤吸附工作為止。第二個循環(huán)開始，……這樣周而復始，實現(xiàn)爬行機構整體的直線運動。 當需要轉向時，需在內吸盤工作的狀態(tài)下，啟動轉向程序是為框架相對內框架轉過要求的角度，從而改變行進方向。因為轉向角度的是任意的，故該爬向機構具備在平壁上實現(xiàn)全方位移動的能力。 2.3 機架總體尺寸及吸盤尺寸的設計 爬壁機器人在壁面上行走的首要條件實在任何時刻都能夠附著在壁面上。這一點由機器人上處于吸附狀態(tài)的足來保證。對于真空吸盤，吸力由吸盤內外的空去壓差產生。 再該機器人行走過程中的任一時刻，都有四個足處于吸附狀態(tài)，機器人受到的外力分別為重力W，每只吸盤上

21、吸力Fs，壁面法相反力Ni和切向反力（摩擦力）Ffi=1,2,…，n 圖2-3 機架方案 Figure2-3 Frame 機器人在壁面上附著的安全條件包括不沿著壁面滑落和不離開壁面傾覆兩方面，其中抗滑落安全系數(shù)S滑=，其中Ws機器人的實際重量，本次設計中設定其小于50kg；【w】定義為極限重力；它是吸盤于壁面處于臨界摩擦狀態(tài)時最大允許機器人重力。臨界摩擦力狀態(tài)的摩擦力Ffi=Nai（為摩擦系數(shù)），有鉛垂方向靜力平衡方程【8】得 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ?。ü?） 式中—單個吸盤摩擦力，N; —摩擦系數(shù); —單個吸盤的吸力。 用水平方向靜力平衡方程代

22、入公式1得 , 　　（公式2） 式中n—安全系數(shù) —摩擦系數(shù) 在本設計中n取4，取0.60，這有，又知,其中n為安全系數(shù)，取其為2，則有上述兩式可得≥2509.8，即。 44 對于該壁面移動機器人來說，一種最不利的吸附狀態(tài)即內外吸盤交換的瞬間時狀態(tài)。此時內吸盤處于吸附狀態(tài)，外吸盤對壁面已有一定壓力但尚未吸附，這種壓力對機器的吸附狀態(tài)是有害的。 列出繞O1的力矩平衡方程[8]： （公式3） 在傾覆的瞬間時， 0

23、， ，因此有 （公式4） 其中，n=2，W=509.8=490N,取H=0.2m，a=2m，b=0.6m，c=0.35m，代入上式有 N3＞N4 ＞408.3 有以上可得N3＞N4＞65.3N,取,當真空度為600mHg時，查表取吸盤有效直徑D=140mm。[9] 2.4 行走機構設計 行走機構運動動是有中框架上的主電機經兩級圓柱齒輪減速后帶動行走傳動軸，從而驅動行走齒輪在外框架上的齒條上運動來實現(xiàn)的。 2.4.1齒輪齒條傳動中的齒輪 取無障礙直線運動最大速度=2m/s，則該齒輪齒條傳動所需功率[10

24、] （公式5） 式中—最大速度 —外載荷力 —圓柱齒輪傳動效率 由公式5得 傳動效率：8級圓柱齒輪傳動效率，滾動軸承傳動效率，齒輪齒條傳動效率，則此傳動裝置的總效率 所以電動機所需輸出功率【10】為 （公式6） 式中—傳動所需功率 -傳動裝置的總效率 由公式6得， 考慮到傳遞功率較大，要求結構緊湊，查械設計表10-1選齒輪材料用

25、40MnB，調制后表面淬火齒面硬度48～55HRC。由于工作環(huán)境惡劣，選擇閉式硬齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于彎曲疲勞強度，故先按彎曲疲勞強度設計，驗算接觸強度。 對于齒輪【10】： （公式7） 式中T—轉矩，； d—此輪直徑，mm； m—模數(shù)； z—齒數(shù)。 ，取z=35，則 又 （公式8） （公式9

26、） 式中—載荷系數(shù) —切向力 —齒寬系數(shù) —對應齒數(shù) —齒形系數(shù) —應力校正系數(shù) —許用應力 由械設計書上表10-2取,初選載荷系數(shù) 由械設計書上表10-5查得， 由械設計書上表10-7查得， （公式10） 式中—區(qū)安全系數(shù)； —壽命系數(shù)； —彎曲疲勞強度； 區(qū)安全系數(shù)。 式中 （公式11） —工作壽命； —齒輪每轉一圈時，同一齒面嚙合的次

27、數(shù)； —齒輪轉速。 工作壽命，j=1，n=272.98r/min則循環(huán)次數(shù)，由械設計書上圖10-18查得壽命系數(shù)Kn=0.90 圖10-20 查得， 則由公式10得 有公式9得 有機械原理書取m=4，校核齒輪面接觸強度 區(qū)安全系數(shù)，工作壽命，j=1，n=272.98r/min則循環(huán)次數(shù)，由械設計書上圖10-19查得壽命系數(shù)Kn=0.92 圖10-21查得， 則則由公式10 （公式12） 式中—區(qū)域系數(shù)； —彈性影響系數(shù)； —對應分度圓直徑； —泊松比； —齒寬系數(shù)； K—載荷系數(shù)。

28、 【11】 （公式13） 式中m—模數(shù)； z—齒數(shù)。 由以上假設由公式13得， 由械設計書上表10-7查得，， 由械設計書上表10-6查得彈性影響系數(shù)，區(qū)域系數(shù), （公式14） 式中—齒寬系數(shù)； —分度圓直徑 由公式14得齒寬,

29、 （公式15） 式中—使用系數(shù)； —動載荷系數(shù)； —齒間載荷分布系數(shù)； —齒向載荷分布系數(shù)。 由械設計書上表10-2取,由械設計書上表10-2動載荷系數(shù)，由械設計書上表10-3取,由械設計書上表10-4取解除疲勞強度, 則由公式14載荷系數(shù) 由公式11得﹤ 則確定齒輪齒條中的齒輪參數(shù)：z=35,m=4,d=140mm,b=108mm。 2.4.2 爬行機構設計 （公式16） 式中V—線速度，m/s； d—直徑，m。 有公式16得r/min 爬向機

30、構主電機所以電動機所需輸出功率為 由各級傳動比：兩級直齒圓柱齒輪：-40 齒輪齒條： -40 則總傳動比i=38～540 電機轉速范圍為（8～40）273=2184～10920，故選取72SYC電機，個頂轉速為3000r/min，則轉動裝置總傳動比，取第一級直齒圓柱齒輪傳動比，則第二級，運動和動力參數(shù)如下： 表2-1 爬行系統(tǒng)數(shù)據 Table2-1 Crawling system data 電機軸 Ⅱ軸 Ⅲ軸 工作機軸 N(r/min) 3000 1000 273 273 P(kw) 0.56 0.53 0

31、.5 0.49 T(Nm) 1.78 5.06 17.49 17.14 i 3 3.66 1 0.98 0.95 0.98 2.4.2.1第一級斜齒圓柱齒輪： 因是一般用途的齒輪傳動，齒輪材料選用45鋼，傳遞功率不大，選擇封閉式軟齒面齒輪傳動，參考機械設計書表10-1，選小齒輪調質，齒面硬度217~255HBS,大齒輪正常，齒面硬度162~217HBS，其硬度差30~50HBS,精度為8級。 閉式軟齒面齒輪傳動，初選,,傳動比，初選節(jié)圓螺旋夾。 因為是軟齒面接觸按解除疲勞強度設計

32、 （公式17） 式中—齒面重合度； ,初選，由機械設計書圖10-30選取區(qū)域系數(shù)，表10-6查得彈性影響系數(shù), 由圖10-26查得， （公式18） 式中P—傳動功率kw； n—轉速，r/min。 由公式18得； 查機械設計書表10-7齒寬系數(shù)， 則環(huán)次數(shù)，，由械設計書上圖10-19查得壽命系數(shù), 圖10-20 查得，，取安全系數(shù), 則由公式9得 ， 需用應力， 有公式17得小齒輪分度圓直徑 mm， 有公式16得圓周速度， 計算尺寬b及模數(shù)：有公式13得， 查

33、機械原理【11】得, （公式19） 式中—齒頂高系數(shù)； —頂隙系數(shù)； —模數(shù)； 由機械設計書表10-2的齒頂高系數(shù)，頂隙系數(shù)， 由公式18得全齒高， 齒寬與齒高比， 縱向重合度 由機械設計書表10-2查得使用系數(shù) 圖10-8查得動載荷系數(shù)， 由表10-3查得齒間載荷分配系數(shù), 由表10-4查得齒向載荷分配系數(shù)， 故載荷系數(shù)有公式, 另有圖10-13查得按實際的載荷系數(shù)得 ， ， 按彎曲疲勞強度設計:

34、 （公式20） 載荷系數(shù)有公式15得, 查機械設計書圖10-20齒輪的彎曲疲勞強度極限； 取安全系數(shù),彎曲疲勞壽命系數(shù),則彎曲疲勞許用應力有公式11得 , ， 當量齒數(shù)， 有機械設計書表10-5得斜齒輪的齒形系數(shù) , 由圖10-28得螺旋角影響系數(shù) , 小齒輪的數(shù)值較大。由公式19得 ， 由機械原理書表10-1得取標準值，取分度圓直徑。， 則， 中心距將中心距圓整為38mm。 按中心距修正螺旋角， 大、小齒輪的分度圓直徑 ， ， 齒寬，實際齒寬 2.4.2.2第二級直齒圓柱齒輪： 選擇閉式軟齒面齒輪傳動，小齒輪調制，參考機械設

35、計書上表10-1，選小齒輪調制，齒面硬度217~255HBS,大齒輪正火，齒面硬度162~217HBS，精度為8級。 選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)，取則， 按接觸強度設計初選，有公式公式19得人， 由機械設計書表10-7選取齒寬系數(shù)， 由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)，區(qū)域系數(shù), 查機械設計書圖10-21大、小齒輪接觸疲勞強度，，應力循環(huán)次數(shù) ，， 查圖19-19取接觸疲勞壽命系數(shù) 選取安全系數(shù), , ,則 , 圓周速度， 齒寬， 模數(shù) 由機械設計書表10-2的齒頂高系數(shù)【11】，頂隙系數(shù)，全齒高， 齒寬與齒高比， 由機械設計書表10-2查得使用系數(shù)

36、圖10-8查得動載荷系數(shù)， 由表10-3查得齒間載荷分配系數(shù), 由表10-4查得齒向載荷分配系數(shù)， 有公式14得故載荷系數(shù), 另有圖10-13查得按實際的載荷系數(shù)得 ， ， 按彎曲疲勞強度設計: （公式21） 載荷系數(shù), 查機械設計書圖10-20齒輪的彎曲疲勞強度極限； 取安全系數(shù),由圖10-18彎曲疲勞壽命系數(shù),則彎曲疲勞許用應力 , ， 有機械設計書表10-5得斜齒輪的齒形系數(shù), 則 , 大齒輪的數(shù)值較大。有公式20得 ， 由機械原理書表10-1得取標準值圓整，取分

37、度圓直徑。， 則， 中心距。 （公式22） 大、小齒輪的分度圓直徑 ， ， 齒寬，實際齒寬 2.4.3軸的設計: 初估軸的直徑：在2.42中已得到各軸功率及轉矩數(shù)值，下面按照許用扭轉剪應力的計軸的材料選用45鋼算方法估算軸徑，估算公式為: (1)軸徑估算 （公式23） 式中—系； P—軸的傳遞功率； n—軸的轉速，r/min 爬行機構對軸I：由機械設計書C取107 d≥107=6.12mm 根據電機軸選取

38、匹配原則，確定電機軸軸徑為15mm 對軸II：由機械設計書C取110 d≥110=8.90mm,考慮軸肩及應力集中的因素影響，與軸承配合取，，， 對軸III ：C取110 D≥110=13.46mm,考慮軸肩及應力集中的因素影響，取 對軸IV：C 取110 D≥110=13.37mm,考慮與軸承配合影響，取 轉向機構對軸1：C取118 D≥118=6.75mm,考慮電機轉配因素影響，取 對軸2：C取118 D≥118=3.91mm,考慮軸承配合因素影響，取， 對軸3：C取118 D≥118=5.45mm, 考慮與軸承配合影響，取， 對軸蝸輪軸：C取118 D≥11

39、8=1.84mm，考慮與軸承配合影響，取。 對軸的校核 按彎扭合成法: 因為此次設計中軸的主要其傳遞轉矩作用，可忽略彎曲應力的影響，故可直接用扭矩來校核【1012】, （公式24） 式中—軸所受的轉矩，Nmm； —抗扭截面系數(shù)； d—軸的直徑，mm。 有公式24得 因為軸的材料為45鋼，查表可得， 故電機軸安全。 同理可對傳動各軸校核，校核的結果如下： 軸II： 故傳動軸II軸安全 軸III： 故傳動軸軸安全 轉向機構電機軸1： 故轉向電機軸安全 軸2：故傳動軸2

40、軸安全 軸3：故傳動軸3軸安全 蝸輪軸：故傳動軸蝸輪軸軸安全 確定軸的實際直徑，因軸Ⅰ的最小直徑處安裝軸承，選用軸承的最小直徑為20mm，所以確定軸Ⅰ的最小徑為20mm；軸Ⅱ的最小直徑處與齒輪配合，因此確定出其最小直徑為35mm。 2.5 轉向機構設計 2.5.1 電機的選擇 設轉向時可是實現(xiàn)每秒轉過30度角，即由于 ，由于轉向過程中的幾何中心與機器人的重心不可能完成重合，必有偏差，設這一偏差半徑為0.15，則可計算出轉向時的負載轉，又有，因此得，轉動總效率 計算電機工作時最大靜轉矩：選總降速比，折算到電機軸上的靜阻負載轉矩查取資料【13】，選擇最大靜轉矩為的步進電機75BF3，

41、電機實際工作轉速，電機工作時運行頻率，而所選電機的最高運行頻率為1800Hz，因為選電機符合要求。 2.5.2 分配傳動比： 選蝸桿傳動的傳動別為50，則兩級圓柱齒輪傳動比為，設第一級齒輪傳動，則第二級齒輪傳動比，各軸轉速為： ，，，，各軸功率： ，， ，， 有公式17得各軸轉矩： ，， ，， 2.5.3 蝸輪蝸桿設計 2.5.3.1 選擇蝸桿傳動類型：采用漸開線蝸桿（ZI）。 2.5.3.2 選擇材料： 由于此處蝸輪蝸桿起轉向作用，比較重要，故選我趕材料為40Cr，表面淬火，硬度45-50HRC；渦輪齒圈材料為ZcuSn10P1，金屬模鑄造。 2.5.3.3 按接觸

42、疲勞強度計算： 傳動中心距 （公式25） 式中K—確定載荷系數(shù)； —渦輪上的轉矩； —彈性影響系數(shù)； —接觸系數(shù)； —許用接觸應力 則 （公式26） 式中—使用系數(shù)； —載荷分布不均系數(shù)； —動載荷系數(shù)； 取機械設計書表11-5得；；。 有公式26得； 應選用的是蝸輪材料，故。 假設蝸桿分度圓直徑，和傳動中心距的比為，查機械設計書圖11-18得 查機械

43、設計書表11-7中查得蝸輪的基本許用應力。 應力循環(huán)次數(shù) 壽命系數(shù),則 取， ，有公式25得 取中心距，因，故查機械設計書表11-2中取模數(shù)，蝸桿分度圓直徑。。這時由，圖11-18中的,因此以上計算結果可用。 2.5.3.4 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸： 蝸桿：軸向齒距；直徑系數(shù)；齒頂圓直徑；齒根圓直徑；分度圓導程角；蝸桿軸向齒厚。 蝸輪：蝸輪齒數(shù);變位系數(shù)； 驗算傳動比，這時傳動比誤差為，是允許的。 蝸輪分度圓直徑 ； 蝸輪喉圓直徑 蝸輪齒根圓直徑 蝸輪咽喉母圓半徑 2.5.3.5 校核齒根彎曲疲勞強度:

44、 （公式27） 式中—齒形系數(shù) —螺旋角系數(shù) 當量齒數(shù) 從圖11-19中可查的齒形系數(shù) 螺旋角系數(shù) （公式28） 許用彎曲應力 查表11-8的由于蝸輪材料得基本彎曲應力。 壽命系數(shù) 彎曲強度是滿足的。 2.6 抬腿機構設計： 絲杠傳動傳動可以把旋轉運動變?yōu)橹本€運動，也可以把直線運動變?yōu)樾D運動。所謂絲杠傳動就是由絲杠副連接相鄰零件而組成的傳動機構，它既可以傳遞能量或動力，也可以用來傳遞運動或用來調整零件的相互位置。因此在機床、起重機設備、鍛

45、壓機械、測量儀器、船舶、飛機及火炮、火箭發(fā)射裝置等傳動機構中都廣泛的應用了絲杠副。最常見的絲杠副為滑動絲杠副該滾珠絲杠副有兩種。滑動絲杠副具有如下特點;結構簡單、鑄造容易；減速傳動比大；摩擦阻力大、傳動效率低；具有自鎖性；運轉平穩(wěn)。而與絲杠副相比，滾珠絲杠副具有以下特點：機構較復雜，工藝難度大，成本高?！?4】由此確定該機器人的抬腿運動由滑動絲杠副帶動帶動真空吸盤來實現(xiàn)。 常見的滑動絲杠副有四種傳動方式;絲桿傳動、螺母移動；螺母固定、絲杠傳動并軸向移動；螺母轉動、絲杠軸向轉動；絲杠固定。螺母轉動并軸向移動。在本設計中，要實現(xiàn)電機的轉動為機器人的抬腿運動，因此選用第一種情況，絲杠轉動，螺母移動

46、。 當絲杠轉動過角時，螺母將沿著絲杠的軸向移動一段距離S,其值可按下列公式計算： （公式29） 式中 S—螺母移動的軸向距離（mm）； L—螺紋的導程（mm）； —絲杠轉過的角度（rad）。 假設絲杠的轉速為n時，則螺母移動的速度： （公式30） 式中 v—螺母移動的速度，mm/s n—絲杠的轉速，r/min 設該機器人抬腿

47、運動時，真空吸盤抬離壁面50mm，0.2完成，則其速度為設絲杠裝配阻力矩不得大于1N/m，即有機械軸上的靜阻轉矩，而折算到電機軸上的靜阻負載轉矩，取步進電機最大靜轉矩，由此可算出所需步進電機最大靜轉矩，由資料查【15】的可選取步進電機型號為75BF003,其，絲杠轉速，電機實際工作轉速，電機工作時運行頻率，符合條件。 抬腿運動中一對嚙合齒輪的設計計算結果：傳動比，, ，取，中心，，對該滑動絲杠副，選取梯形螺紋，則，而螺桿直徑，螺紋的工作高度,查得相關資料有 表2-2 絲桿螺母副參數(shù) Table2-2 Wire rod nut pair parameters 公稱直徑d 螺

48、距p 中徑 大經 小徑 28 3 26.5 28.5 24.5 25 5 25.5 28.5 22.5 23 8 24 29 19 20 32 3 30.5 32.5 28.5 29 6 29 33 25 26 10 27 33 21 22 在該機器人的設計過程中，有兩處用到了滑動絲杠副，其一為機械手，其二為外吸盤處。其中選取機械手處絲杠的公稱直徑，螺距；外吸盤處絲杠的公稱直徑，螺距。 滑動絲杠副的校核公式為 （公式31） 式中

49、—工作壓強 —需用壓強 —軸向載荷 —中徑 —工作高度 —旋合圈數(shù) 其中為需用壓強，7.5-18MPa，,經校核計算可知絲杠副參數(shù)選擇符合要求。 2.7 輔助傳動件的選擇 2.7.1 傳動鍵的選擇： 由于本次設計中的的齒輪都是傳遞轉矩，不承受軸向力。因此，選用結構簡單，裝拆方便，對中性好的平鍵，并且由于圓頭鍵（A型）在鍵槽中軸向固定良好，在一般情況下機械中多選用此型鍵，所以本次設計中也選用此型鍵。選用鋼材料。 根據中的連接軸的直徑，查機械設計書表6-1，選取鍵的主要尺寸（鍵寬bh鍵高、鍵的公稱長度L）。行走機構：1）平移運動電機齒輪鍵55、18mm，2）第一級傳動軸輸

50、入轉矩齒輪鍵87、20mm，3）輸出轉矩齒輪鍵8x7、28mm，4）第二級傳動軸輸入轉矩齒輪鍵12x8、30mm，5）齒輪齒條中齒輪鍵10x8、36mm；6）轉向運動電機齒輪鍵6x6、22mm，7）第一級傳動軸輸入轉矩齒輪鍵8x7、22mm，8）輸出轉矩齒輪鍵8x7、28mm，9）第二級傳動軸轉矩齒輪鍵8x7、25mm，10）蝸輪鍵6x6、22mm。抬腿機構：11）電機齒輪鍵6x6、22mm，12）絲杠傳動輪鍵10x8、18mm。 由于此次設計鍵起到的是傳遞轉矩作用，所以其失效形式為斷裂，因此較校核時按斷裂強度計算:普通平鍵連接的墻訴條件為

51、 （公式32） 式中T—傳遞的轉矩，； k—鍵輪槽的接觸高度， ， （公式33） 式中h—建的高度，mm； —鍵的工作長度，mm； 圓頭平鍵， （公式34） 式中L—鍵的公稱長度，mm； b—鍵的寬度，mm；

52、d—軸的直徑，mm； —鍵、軸、輪三者中最弱材料的許用擠壓力，MPa，由于工作時有一定的沖擊所以見表6-2得靜連接80MPa， 由公式32得： ，，，，，，，，，，，。 由公式33得： ，，，，，，，，，，，。 選取直徑： ，，，，，，，，，，，。 轉矩為： ,，,,,，,,,，。 有公式31得： ，，，，，，，，，，，。 由以上結果的可得，任意鍵的強度均小于其許用強度，即 。以所以這些鍵的選取是合格的。 2.7.2 軸承件的選擇 由于本次設計中，運動機構中軸承起到支撐作用，所以選擇角接觸球軸承，它可以同時承受徑向及軸向載荷。蝸輪桿的軸承由于需要承受較大的軸向載荷，

53、所以選用圓錐滾子軸承。 根據軸的直徑、軸承承載能力以及軸承的的尺寸列表初選軸承型號，平移運動系統(tǒng)第一級傳動軸承為7204C, 平移運動系統(tǒng)第二級傳動軸承為7207C, 轉向運動系統(tǒng)第一級傳動軸承為7205C，轉向運動系統(tǒng)第二級傳動軸承也為7205C，蝸輪桿的軸承為30204。 （公式35） 式中—溫度系數(shù)； —當量動載荷； —指數(shù)，球軸承，； —軸承轉速，r/min； —預期計算壽命。 由于本機器人在火場中工作，其溫度系數(shù)查機械設計書表

54、13-4得溫度系數(shù)，機械設計書表13-3，選預期計算壽命， 各軸轉速為：轉向部分，，，；平移齒輪轉數(shù)，，；由于本次設計中齒輪主要是傳遞轉矩，而軸向載荷很小，所以在計算式按純凈向載荷計算則軸承當量動載荷： （公式36） 式中—載荷系數(shù)； —徑向載荷，N。 查表13-6得動載荷系數(shù)，以移動系統(tǒng)三軸承軸承為例，徑向力為,由公式32的。 由公式35的,查機械指導書【16】表12-2，所選軸承基本額定負載, 極限轉速，即<,<,所以初選的軸承合格。同理經過校核計算，的其它的初選

55、軸承選取也合格。 潤滑方式選用能承受較大載荷，不易流失，容易密封，一次加脂肪可以維持相當長時間的脂潤滑方式；滾動軸承的密封裝置選擇接觸式的密封裝置，由于本次設計中軸的滑動速度不高，所以選擇用于脂潤滑的場合，結構簡單的氈圈油封。 2.7.3 其它要素的選擇 參照已有的其他類似的機械，，并根據螺絲的受力特點進行校核，證實螺絲選取合格；同理選擇了設計中的銷、墊圈。由于本次設計中的軸只起傳遞轉矩得作用，所以選用結構簡單的彈簧墊圈作為軸向定位【16】。 在選擇粗糙度，形位公差時，參照已有的其他類似的機械，并經過相關的尺寸查表選擇，在選擇配合公差時，根據標準件的相關要求進行查表選擇?！?6】 2

56、.8 有關器件選擇 2.8.1 紅外線探測儀 機器人見本體固定好后，除了能夠在窗口進行滅火外，還應能向屋內探測，以便發(fā)現(xiàn)未撤離人員，考慮到發(fā)生火災的室內光線等情況，應選著紅危險探測儀，應選擇紅外線探測儀。紅外線傳感器可分為主動紅外線傳感器和被動紅外線傳感器，而主動紅外線傳感器又可分為遮斷式主動紅外傳傳感器。其中反射式主動紅外傳感器的紅外發(fā)射頭向不防區(qū)發(fā)出紅外型號，當探測到人時，紅外線信號被人體反射回來，被接收器接收，經譯碼電路譯碼，可控制相應的通訊設備或報警系統(tǒng)，比如可發(fā)出聲音警報，呼喊火場內的未撤離人員。被動紅外入侵探測器采用熱釋電紅外探測元件來探測路動目標。只要物體的溫度高于絕對零度，

57、就會不停地向四周輻射紅外線，利用移動目標（如人、畜、車）自身輻射的紅外線進行探測。被動紅外入侵探測器具有如下特點：不需要在布防區(qū)域內安裝任何裝備，可實現(xiàn)遠距離控制。由于是被動式工作，不產生任何類型的輻射。不必考慮照度條件，晝夜均可用，特別適宜在夜間或黑暗條件條件下工作。由于無能量發(fā)射，不易磨損的活動部件，因而功耗低、結構牢固、壽命長、維護簡便、可靠性高。【17】 2.8.2 紅外線攝影 同樣的，為了觀察到火災現(xiàn)場情況，需要安裝紅外線攝像機。英國RAE系統(tǒng)公司推出了新型的紅外攝像機，該微型紅外攝像機基于320X240非制冷微型紅外技術，可產生質量極佳的高分辨率圖像，從而增強態(tài)勢感知能力，不受

58、黑暗以及諸如煙霧等各種障礙物的影響，也不需要人工照明。【17】 2.8.3 蓄電池 由于該機器人會沿著高層建筑的墻壁向上爬行，因此考慮采用蓄電池作為能量來源，而一般的蓄電池的額定電壓在6-36V之間，在該機器人內，最大的電機要110V的電壓，最小的卻只有1.5V，電壓差距較大，只用一個蓄電池難以實現(xiàn)，而要是分別供電的話，充電時又會碰到麻煩?？紤]采用蓄電池組加穩(wěn)壓電源的方式給機器人的各個部分供電。將采用3個36V和1個12V蓄電池串聯(lián)達到最高的110V額定電壓，再用這樣的3組并聯(lián)實現(xiàn)10A的額定電流要求[18]。36V和12V蓄電池的技術參數(shù)如下： 表2-3 蓄電池數(shù)據 Table2-3

59、 Battery data 型號 電壓（v） 電容（Ah） 參考尺寸（毫米） 長 寬 高 NP3-36 36 3（20小時） 70 55 110 NP3-12 12 3（20小時） 70 55 110 參考文獻 [1] 龔振邦。機器人機械設計[M]。北京:電子工業(yè)出版社 [2] 學熊有倫,丁漢,劉恩滄編著。機器人學[M]。北京：機械工業(yè)出版社，1993： 243～243 [3] 王棣棠。機器人工程[M]。北京：科學出版社，2001 [4] 張福學。機器人技術及其應用。北京：電子工業(yè)出版社 [

60、5] 李允明。國外仿人機器人發(fā)展概括[J]。機器人，（6）:563～564 [6] 馬香峰。機器人機構學[M]。北京：機械工業(yè)出版社，1991：24～25 [7] 孟繁華。機器人應用技術[M]。哈爾濱：工業(yè)大學出版社，１９９６：242～243 [8] 哈爾濱工業(yè)大學理論力研究室[M]。北京：高等教育出版社，2002：109～１１０ [9] 蔡自興。機器人學[M]。北京：清華大學出版社，2000 [10] 濮良貴，紀名剛，陳國，等。機械設計[M]。北京：高等教育出版社，2006 [11] 孫恒，陳作模，葛文杰。機械原理[M]。北京：高等教育出版社，2006 [12] 劉鴻文。材料力

61、學[M]。北京：高等教育出版社，2004 [13] 成大先。機械設計手冊[M]。化學工業(yè)出版社，2002.1 [14] 王庭樹。機器人運動學及動力學[M]。西安：電子科技大學出版社，1990：26～27 [15] 國家機械工業(yè)局，西安微電機研究所[M]。遼寧：科技出版社，2003 [16] 宋寶玉，吳宗澤。機械設計指導書[M]。北京：高等教育出版社，2006：97～185 [17] 徐繽昌,闕志宏。機器人控制工程[M]。西北工業(yè)大學出版社，1991.5：30～40 [18] 徐灝. 機械設計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社 2002. 致 謝

62、 四年的大學學習生活馬上就要結束了，在這四年中，我們有了一個很好的學習專業(yè)知識的機會，而這次畢業(yè)設計則給了我們一次實際應用機會，理論聯(lián)系實際，才能將我們的大腦中的知識挖掘出來。 在本次設計中，我要設計的是爬壁式消防機器人，經過一周的材料搜集與整理，最后采用了框架式的爬壁機器人。通過這次設計，使我對機器人有了一定的了解，并產生了很大的興趣。在查閱資料過程中，了解了機器人的發(fā)展史以及一些典型的機器人的工作原理。在老師的耐心指導下，使我的設計工作能夠得以順利進行，并學到了很多知識，對于如何開發(fā)一款用戶需要的新產品，已經了解了其大體的設計思路。在科技高速發(fā)展的今天，機器人也正越來越受人們的關注，而

63、設計出一款能夠代替人們進行危險工作的類人型機器人更有其廣闊的發(fā)展前景。消防工作在任何時候都是一個社會所不可輕視的工作，其工作條件的惡劣性和危險性也是眾所周知的，其中，爬壁式消防機器人在將來的社會了將會擁有更大的市場。 通過本次設計，使我對以前學過的專業(yè)知識有了更深的理解，并在設計中熟悉了國家標準和有關規(guī)范，同時，夜更深的了解了，在當前激烈的市場競爭中，唯有廉價，才能贏得廣大用戶的青睞，設計出的產品才能有和的發(fā)展前景。 在設計中，我也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足之處：比如對問題考慮的不深入不全面，對一些實際問題，往往理解不夠；知識范圍窄，限制在一定范圍內，使我的設計受到了阻礙。所以在以后的工作學習中

64、，我還要更加強學習，擴大知識范圍。 最后，向在本次設計中，給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W，尤其是我的指導老師張老師，表示衷心的感謝。 附 錄 1 machinery manufacturing technology development In the modern manufacturing system is the key technology, CNC technology, it sets the microelectronics and computer, information processing, automatic det

65、ection and automatic control technology, high precision, high efficiency, flexible automation etc, to realize flexible manufacturing automation, integration, intelligence plays an important role. Currently, numerical control technology are radically change by special closed-end open-loop control mod

66、e to the universal open all closed-loop control model of real-time dynamic development. In the integration system based on the numerical ultrathin model, super miniaturization, Based on the intelligent, computer, multimedia, the fuzzy control and neural network control system, multidisciplinary technology, high precision, realized the high speed machining process control, automatic correction, regulation and compensation parameters, realize the online diagnosis and