攀爬機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

2、 機械06-1班 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 2010年6月2日 畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的設(shè)計（論文）是我個人在指導(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（論文）中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，設(shè)計（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)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。對設(shè)計（論文

3、）的研究成果做出貢獻(xiàn)的個人和集體，均已作了明確的標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 設(shè)計（論文）作者簽名： 日期： 年 月 日 設(shè)計（論文）使用授權(quán)聲明 本設(shè)計（論文）作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用設(shè)計（論文）的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交設(shè)計（論文）的復(fù)印件和電子版，允許設(shè)計（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（論文）的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(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（論文）。 設(shè)計(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器人是實現(xiàn)高空玻璃壁面爬行的機器人，可以對高空玻璃壁面進(jìn)行檢測、維護(hù)的機器人，具有很高的推廣價值。為了解決其若干關(guān)鍵問題，本文開展爬壁機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計與動力性能研究，其主要研究內(nèi)容如下： 對真空吸附爬壁機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究其移動方式，通過控制電動機的轉(zhuǎn)動速度，從而控制相應(yīng)的移動速度，以及對各種零部件設(shè)計計算。 根據(jù)攀爬機器人的運機理分析將其等效為特殊的關(guān)節(jié)型移動機器人，本論文從攀爬機器人的運動原理、運動性能、運動機構(gòu)等方面展開

5、研究，并結(jié)合機械設(shè)計，使機器人實現(xiàn)預(yù)期的要求。 機器人技術(shù)綜合了計算機、控制論、機構(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)，爬壁機器人是極限作業(yè)機器人的一個分支，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)域中的危險狀態(tài)下作業(yè)，具有極其廣泛的用途和很高的使用價值。 關(guān)鍵詞：爬壁機器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計；設(shè)計計算；強度分析 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)計一個爬壁機器人，需實現(xiàn)機器人穩(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。 在此要對爬壁機器人進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，完成爬壁機器人的設(shè)計開發(fā)，在此基礎(chǔ)上研究爬壁機器人的動力學(xué)、運動學(xué)問題，把爬壁機器人的總裝圖、具有代表性的零件圖用CAD制圖，對于零部件部分進(jìn)行設(shè)計計算，標(biāo)準(zhǔn)件在計算中設(shè)計體現(xiàn)出來，非標(biāo)準(zhǔn)間在CAD圖紙和三維模型中體現(xiàn)出來，對于一

12、些標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行計算選擇和校驗計算。 1 爬壁機器人的總體方案 爬壁機器人應(yīng)用具有兩個基本功能：吸附功能和移動功能。按照這兩大基本功能對其進(jìn)行了分類。 1）吸附方案 爬壁機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。爬壁機器人三種吸附方式的比較見表2.1。 表2.1 爬壁機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 吸附力強，結(jié)構(gòu)簡單，無泄露，對壁面的材料要求不高。 無泄露，對壁面的形狀、材料適應(yīng)性強。 無泄露，對壁面形狀、

13、材料適應(yīng)性強。 缺點 吸盤無冗長性，一旦斷電，本體失去吸附能力。 噪音大，體積大，效率低。 步行時，履帶與壁面離合需要很大的力。 2）移動方式 爬壁機器人的移動方式可分為車輪式、履帶式、腳步行式。爬壁機器人三種移動方式的比較見表2.2。 表2.2 爬壁機器人三種移動方式的比較 移動方式 原理 特點 車輪式 配置多個輪子，每個輪子都有電機驅(qū)動。 移動速度快，便于控制，著地面積小，維持一定的摩擦力較為困難。 履帶式 由電機驅(qū)動兩個無軌履帶。 著地面積大，對壁面的適應(yīng)性強，體積較大，不宜轉(zhuǎn)彎。 腳步行方式 通過多個腳的反復(fù)吸附與脫落移動。 移動困難，

14、移動速度慢，帶載能力強。 為了克服傳統(tǒng)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，比如飛行式，繩式牽動式。壁面軌道式爬壁機器人等，但是這些機器人目前都還處于實驗階段。 1.1 機器人基本功能方案 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，機器人的體積和活動范圍受到了限制，為了擴大機器人的活動范圍，減少外接設(shè)備能耗，采用了負(fù)壓被動吸附真空吸盤，靠自身變形來產(chǎn)生真空，結(jié)構(gòu)簡單真空度較高，因此，選擇被動真空吸附裝置，負(fù)壓被動真空吸盤結(jié)構(gòu)如圖2-1所示： 圖2-1 負(fù)壓被動真

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)簡單，密封性好，價格低廉的特點，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下動作，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，估計設(shè)該機構(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，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，連桿帶動橡膠氣閥打開，吸盤通氣之后，吸附力消失，這時可以脫離墻面，吸盤抬高，向上爬行。 1.1.3移動方案的選擇 機器人爬行的移動的實現(xiàn)，如圖： 圖2-2 機器人移動實現(xiàn)示意圖 爬壁機器人的爬行示意圖如圖2-3所示。 圖2-3 爬壁機器人的爬行示意圖 如圖2-2 機器人移動實現(xiàn)示意圖，機器人每個動作周期爬臂旋轉(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，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，由電機帶動齒輪組，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，機體兩邊的連桿都在同一水平線上，由于右邊的吸盤式吸實固定的，機器人的機體在豎直方向的位置是恒定的，故機器人的爬壁的鉸鏈由A點旋轉(zhuǎn)到B點，機體也在爬臂旋轉(zhuǎn)動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°之后機器人的爬行高度為：h=21×

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

19、面平穩(wěn)可靠的運動，并完成清洗的任務(wù)，為此，機器人應(yīng)滿足若干性能要求。 本小節(jié)將從以下幾個方面對其設(shè)計性能加以分析，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)合爬壁機器人工作環(huán)境特點，本課題設(shè)計的爬壁機器人本體結(jié)構(gòu)，爬壁機器人外形圖如圖2-4所示。 圖2-4 爬壁機器人外形圖 2 機器人設(shè)計計算 2.1 電機的選擇

20、 根據(jù)本文設(shè)計的爬壁機器人的情況，爬行部分由兩個電機來帶動，吸盤的升降也是由四個電機來帶動，選擇型號為ZYW系列永磁直流電動機來驅(qū)動機器人的爬臂的爬行運動，具體的電機型號為：20ZYW2468，此電機的技術(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電機的外形尺寸如圖3-1所示。 圖 3-1 20ZYW2468電機的外形尺寸 機器人吸盤的升降是通過電機帶動絲杠傳動實現(xiàn)的，這里選擇電機型號為：24SL002，24SL002

21、伺服電機的技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 電壓勵磁----36V； 頻 率----400Hz； 堵轉(zhuǎn)電流----167m A； 輸出功率----70W； 空載轉(zhuǎn)速----4000r/min； 24SL002伺服電機的外形和安裝尺寸如圖3-2所示。 圖3-2 24SL002伺服電機的外形和安裝尺寸 2. 2聯(lián)軸器的設(shè)計 根據(jù)電機的型號來設(shè)計選擇聯(lián)軸器，由圖3-1 20ZYW2468電機的外形尺寸，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動的。這種聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)簡單，外形尺寸小，加工安裝方便，傳動精度高，主要用于要求結(jié)

22、構(gòu)緊湊，傳動精度較高的小功率精密機械和控制機構(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)軸器由兩個轂和一個薄壁金屬管組成，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)軸器有以下幾個特性： ?、俑吲ぞ貏傂院妥吭届`敏度； ?、诿饩S護(hù)、超強抗油和耐腐蝕性； ?、哿慊剞D(zhuǎn)間隙； ?、茼槙r針與逆時針回轉(zhuǎn)特性完全相同； ?、莶讳P鋼波紋管結(jié)構(gòu)補償角向軸向偏差； ?、蕹Ｓ门c伺服電機、步進(jìn)電機等聯(lián)接； 　⑦主體材質(zhì):鋁合金； 　⑧安裝方式:頂絲固定型、夾緊固定型、脹套固定型。 波紋管聯(lián)軸器實物圖如圖3-3所示。 圖3-3波紋管聯(lián)軸器實物圖 我們這里選擇波紋管聯(lián)軸器的型號為： 1) 如圖3-1 20ZYW2468電機的外形尺寸所示，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，Φ6的一端和軸端連接，兩頭都分別通過對角90°的兩個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，Φ6的一端和軸端連接，兩頭都分別通過對角90°的兩個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 帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價

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

26、構(gòu)緊湊；④多楔帶有柔性好、摩擦力大的優(yōu)點，彌補了V帶多根V帶的長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，在爬壁機器人的設(shè)計中使用V帶來進(jìn)行傳動。 2.3.2帶傳動的設(shè)計計算 1）V帶選擇和中心距的計算 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)計為實心式帶輪。 中心距大，可以增加帶輪的包角，減少單位時間內(nèi)帶的循環(huán)次數(shù)，對于提高帶的壽命有好處，但是中心距太大，會加劇帶的波動，減低傳動的平穩(wěn)性，同時也增大了傳動帶的整體尺寸，一般帶傳動的中心距的選擇根

27、據(jù)： （3-1） 式中：a0為初選的帶傳動的中心距，mm。 根據(jù)本文中的機器人在輸出電機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)長度系列標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 11544-1997），選擇V帶的基準(zhǔn)長度為250mm，由此，我們可以取包角為帶輪的半圓弧長來計算： 圓弧周長計算公式為： (3-2) 由式（3-2）及所取V帶的長度可得： 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)計的機器人的整體尺寸不大，傳動的力不是很大，故用一條V型帶傳動就可以實現(xiàn)了。 電機的轉(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)動時間，s； s為路程，m； S為小帶輪的周長，mm。 當(dāng)傳動的功率一定時，提高帶速，可以降低帶傳動的有效拉力，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，增加了單位時間內(nèi)帶的循環(huán)次數(shù)，不利于提高帶傳動的疲勞強度和壽命。當(dāng)降低帶速會有相反的利弊。故帶輪的帶速不能太高也不能太低，根據(jù)前人的實驗計算和總結(jié)的經(jīng)驗，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）計算功率計算、包角驗算和確定初拉力 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： 為輪的計算功率； 為帶輪的初拉力； q為單位長度的質(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 根據(jù)帶傳動的設(shè)計要求，帶輪的輪厚為L=（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)計帶輪的厚度設(shè)計為：Φ8mm、Φ12mm的帶輪的輪厚都設(shè)計為12mm。 輪槽截

31、面尺寸的設(shè)計參照 （GB/T 13575.1-92） 中的規(guī)定。 帶輪的輪槽設(shè)計尺寸 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帶傳動的張緊裝置的設(shè)計 V帶在運轉(zhuǎn)一段時間之后，會產(chǎn)生塑性變形和磨損而松弛，為了保證帶傳動政策的工作，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自動張緊裝置； ③采用張緊輪的張進(jìn)裝置。 由于本設(shè)計的機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帶輪張緊，同時還應(yīng)注意張緊輪設(shè)計要注意的三點：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。 故對張緊輪的設(shè)計可以如圖3-8所示： 圖3-8 張緊輪的設(shè)計 2.4 齒輪的設(shè)計計算 根據(jù)之前定的機器人的尺寸為：，因此，齒輪的節(jié)圓直徑可以分別設(shè)計為： 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)計所選的齒輪組，爬行臂的減速齒輪傳動如圖3-10所示： 圖3-10 手臂的減速齒輪傳動圖 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。 傳動比的計算公式為： (3-10) 電機20ZYW2468的轉(zhuǎn)速為800r/min，則齒輪系統(tǒng)的傳動比為：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)計計算 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)簡單、裝卸方便、對中性好等優(yōu)點，因而得到廣泛的應(yīng)用，缺點是不能承受軸向力；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軸的消弱較大，故在此不做考慮；楔形鍵連接最大的優(yōu)點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：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，都會對軸有一定的消弱，只有在直徑大于100mm的軸上才經(jīng)常使用。 因為本文所設(shè)計的機器人不是很大，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器人的連接鍵。 2.5.2鍵尺寸確定 機器人內(nèi)部的各個軸如圖3-11所示，通過這些主軸的參數(shù)區(qū)設(shè)計鍵的大?。? 圖3-11 機器人內(nèi)部的各個主軸 可以看出，我們要在A、B、C、D、E、F六個地方加連接鍵，主軸1中，A點的直徑為Φ6，B點的直徑為Φ8，主軸2中，C點的直徑為Φ12，主軸3中，D點的直徑為Φ12，主軸4中，E點的直徑為Φ12，主軸5中，F(xiàn)點的直徑為Φ12?？芍?，我們設(shè)計的軸的連接鍵是針對直徑為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，鍵的長度L可以按照輪轂的長度而定，鍵的長度等于或略短于輪轂的長度，所選的鍵的長度也應(yīng)該符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長度系列： 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對應(yīng)軸槽深t=1.2，輪轂槽深t1=1； 鍵 4×10 GB/T 1096-2003對應(yīng)軸的槽深t=2.

38、5，輪轂槽深t1=1.8。 2.5.3鍵的連接強度計算 載荷在鍵的工作面上均勻分布，則普通平鍵的連接強度為： （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-------鍵的工作長度，mm，圓頭平鍵l=L-b，這里的L是鍵的公稱長度，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)合機器人的尺寸和設(shè)計情況來看，機器人的負(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，主軸受到的轉(zhuǎn)矩最大，每個電機所帶動的一組齒輪分別承受一半的重量。 對于Φ6的軸上的鍵： 故Φ6軸上的鍵的設(shè)計是符合強度要求的。 對于Φ8的軸上的鍵： 故Φ8軸上的鍵的設(shè)計是符合強度要求的。 對于Φ12的軸上的鍵： 故Φ12軸上的鍵的設(shè)計是符合強度要求的。 2.6軸承的設(shè)計 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承受徑向力和軸向力。在本文設(shè)計的爬壁機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)計軸承裝置。軸承裝置的設(shè)計主要是正確解決軸承的安裝、配置、緊固、調(diào)節(jié)、潤滑、密封等問題。一般來說，一根軸需要兩個支點，每個支點可以由一個或一個以上的軸承組成，合理的軸承配置應(yīng)考慮軸在機器中有正確的位置、防止軸向竄動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： 雙支點單向固定； 一支點雙向固定，一支點游動； 兩端支承游動。

41、 綜合考慮各種因素之后，本設(shè)計中的機器人由于受到的軸向力很小，同時機器人的整體尺寸不是很大，不適宜用成對使用的軸承，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，同時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對應(yīng)的軸承設(shè)計為：軸承 608 GB/T 276-1994；軸2、3、4、5對應(yīng)的軸承可以設(shè)計為：軸承 6008 GB/T276-1994； 2.7彈簧的設(shè)計 根據(jù)設(shè)計需要，機器人有地方需要彈簧，有個是要承受扭轉(zhuǎn)載荷的，主要用在吸盤吸附在壁面時，相對于壁面不可以移動，但是機器人機體

42、的上下移動會使吸盤有一個相對于機器人機體的位置變化，扭轉(zhuǎn)彈簧的作用是為了使機器人吸盤相對于機器人機體有一個柔性的力，能夠適應(yīng)吸盤和機體不同位置的變化，能在需要時回復(fù)本來的狀態(tài)，又使機器人能夠?qū)崿F(xiàn)爬行。另一個彈簧的使用是為了使機器人的吸盤的氣閥的閥門能夠自動關(guān)閉而使用，當(dāng)線圈通電時，銜鐵吸合，帶動氣閥連桿向下移動，此時閥門打開，機器人吸盤從脫離墻面，在線圈斷電時，氣閥推桿在彈簧的作用下閥口封閉。在吸盤吸附到壁面時，就可以吸附到壁面上。 2.7.1 圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計 首先確定彈簧絲的材料：碳素彈簧鋼絲B級，許用切應(yīng)力[]=0.3，根據(jù)彈簧絲的拉伸強度極限可得： =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°。 對于壓縮彈簧，工作圈數(shù)n的計算公式： （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關(guān)節(jié)式爬壁機器人，乃至關(guān)節(jié)式移動機器人的研究和發(fā)展具有普遍的指導(dǎo)價值，論文研究的爬壁機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、體形較小、設(shè)計價格低等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文設(shè)計的機器人需實現(xiàn)機器人穩(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，使我對設(shè)計一個機器的過程有了一個新的認(rèn)識，在本文中，主要研究了爬壁機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和各種設(shè)計計算，在機械結(jié)構(gòu)、運動實現(xiàn)方案，同時，對爬壁機器人的各種零部件

47、靜力學(xué)、動力學(xué)、運動學(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： 1） 首先第一步是機器人總體方案的確定； 2） 移動方案的設(shè)計； 3） 吸附方案的設(shè)計； 4） 其次是各個零部件的設(shè)計和計算：齒輪、帶傳動、鍵連接、軸承、聯(lián)軸器、彈簧等。 這次畢業(yè)設(shè)計，讓我知道組成一臺機械，使其最有效地工作，達(dá)到預(yù)期的目的，其設(shè)計構(gòu)思有時稍加思索就可以形成了，但又不是輕而易舉地設(shè)想完成，也不是單純依靠機構(gòu)學(xué)的理論和計算形成這種構(gòu)思，這要根據(jù)日常的實踐經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)有些機構(gòu)稍加變化就可以實現(xiàn)新的功能。 同樣，完成一臺機器的設(shè)計也是很困難的，除了一個可行有效的構(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 為期一個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計已接近尾聲了，我的四年大學(xué)生涯也即將圈上一個句號。此刻我的心中卻有些悵然若失，因為和那些熟悉恩師們和各位可愛的同學(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，恩師們都會悉心給以指導(dǎo)解答，讓我倍受感動。在這次的實習(xí)中，多得各位老師，特別是陳老師的指導(dǎo)，順利完成了爬壁機器人的設(shè)計，引導(dǎo)我充分利用學(xué)校的學(xué)習(xí)資源，去發(fā)展、充實自我，而不曾虛度光陰。在此，我真誠的向你們道一聲：“謝謝！”。 陳老師現(xiàn)在是我畢業(yè)論文（設(shè)計）的指導(dǎo)老師，在畢業(yè)設(shè)計期間，沒少費心思。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，在此對會計系其他專業(yè)課老師一并表示感謝。各位老師四年期間對我的幫助與教誨，我永遠(yuǎn)不會忘記。 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，并在畢業(yè)論文中得以體現(xiàn)。也正是你們長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)機械與控制工程學(xué)院的全體老師們再次表示衷心感謝：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