毕业设计钩爪式爬壁机器人说明书

毕业设计（论文）摘 要钩爪式爬壁机器人是一种能够在垂直壁面上进行高空作业的移动式服务机器人。它属于极限作业机器人的一种，可以将人从危险的工作中解脱出来，是当前机器人领域研究的热点之一。本文通过对国内外各种类型爬壁机器人现状进行了系统的分析与比较，论述了钩爪式爬壁机器人的运动方式、吸附方式、控制系统等。首先介绍了国内外爬壁机器人研究现状，阐明本课题研究的目的、意义。然后进一步介绍了本爬壁机器人总体结构，同样也要求设计出合理高效的爬行装置，并在此基础上着重阐述了爬壁机器人控制系统主要问题及其解决方法，机器人的控制系统必须具有操作简单、安全、可靠、高效、方便等特点。关键词: 爬壁机器人；钩爪；移动；粗糙壁面；发展趋势AbstractThe wall climbing robot of hook claw is a climbing robot can worked at height on the vertical wall of mobile service robots. It belongs to a robot of limit, Will work from the dangerous freed, currently, it is one of the hotspots where the field of robotics research. Based on the current situation at home and abroad to conduct various types of wall-climbing robot system for analysis and comparison, discusses the wall climbing robot of hook claws mode, adsorption and control systems. Firstly, it is introduce that Research to the climbing robot at home and abroad, clarify the purpose of the research, significance. And then further describes the overall structure of the wall-climbing robot, meanwhile it is also asked to design reasonable and efficient of crawling device, and in this basis, it is focused on the main problems and solutions for climbing robot control system, the robots control system must be simple, safe, reliable, efficient, and convenient.Keywords: wall-climbing robot; hook claw; rough wall; Development目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 本文研究的目的及意义11.2 国内外爬壁机器人的发展现状和趋势11.2.1 国外爬壁机器人的发展现状11.2.2 国内爬壁机器人的发展现状31.2.3 爬壁机器人的发展趋势41.3 研究内容及研究方法51.3.1 研究内容51.3.2 研究方法5第2章 钩爪式爬壁机器人方案设计62.1 总体方案分析62.1.1 本体系统设计62.1.2 现存问题72.1.3 本课题的开发具有以下优点82.2 机器人基本功能方案82.2.1 抓附方案的选择82.2.2 移动方案的选择92.3 总体方案性能分析92.3.1 负载能力92.3.2 机构尺寸102.3.3 移动速度102.3.4 设计性能指标10第3章 结构设计113.1 电机的选择113.1.1 试选电机113.1.2 校核电机123.1.3 联轴器的选择123.2 滑杆的设计与校核133.2.1 校核滑杆的抗弯强度133.2.2 校核滑杆的抗拉强度183.3 爪片的设计193.3.1 弹簧的设计193.4 销的校核203.5 面槽盘形凸轮的介绍213.5.1 结构简图213.5.2 凸轮曲线的做法213.5.3 理论轮廓曲线，工作廓线，基圆，根圆223.5.4 从动件的压力角223.6 蜗轮蜗杆的设计计算233.6.1 选择传动的类型和精度等级233.6.2 选择材料,确定许用应力233.6.3 按齿面接触疲劳强度进行设计233.6.4 蜗轮和蜗杆主要几何尺寸计算243.6.5 校核齿根弯曲疲劳强度253.6.6 验算效率263.6.7 精度等级公差和表面粗糙度的确定263.7 轴的设计计算263.7.1 轴的概述263.7.2 轴的设计及其校核273.7.3 轴的设计293.8 平键连接（动连接）校核计算结果343.9 本章小结34结 论35参考文献36致 谢3739 第1章 绪论1.1 本文研究的目的及意义随着现代科学技术的飞速发展，机器人已越来越多地进入我们的生活领域，以机器人代替人类从事各种单调、重复、繁重、危险以及有毒有害的工作是社会发展的一个趋势。现代机器人一般分为两大类：一类是工业机器人，主要指装配、搬运、焊接、喷漆等机器人。另一类是极限工作机器人，主要指在人难以到达的恶劣环境下代替人工作业的机器人。如：海底资源的勘测开发、空间人造卫星的收发、战场上的侦察和排险、核放射场所的维护、高层建筑的壁面清洗、灭火救助等。作为极限作业机器人重要开发项目之一的壁面爬行机器人近些年来得到了蓬勃的发展，受到了人们越来越多的重视。爬壁机器人有很多种，钩爪式爬壁机器人是爬壁机器人中比较难攻克的难题，但较其他爬壁机器人有很多相关优点。目前研究的爬壁机器人主要通过真空吸附、磁吸附或粘性吸附来实现在垂直壁面上的爬行，在现实中，主要应用于核工业、石化工业、建筑行业、造船业、消防部门及侦查活动等。这些钩爪式爬壁机器人可以独立完成大部分工作。但是通过真空吸附和磁吸附来实现在垂直壁面上爬行的机器人不能满足在砖块、水泥和岩石等多孔或粗糙垂直表面上的运动。钩爪式爬壁机器人是爬壁机器人的一种，也是爬壁机器人在移动机器人领域的一个重要部分，它把地面移动机器人技术与控制技术有机结合起来，可在垂直壁面上通过钩爪固定，灵活的在垂直面爬行，并能携带工具，代替人工在极限条件下完成一定的作业任务，大大扩展了机器人的应用范围。钩爪式爬壁机器人就可以避免吸附式的缺点，其结构也相对简单，它的应用一定会取得了良好的社会效益和经济效益。1.2 国内外爬壁机器人的发展现状和趋势1.2.1 国外爬壁机器人的发展现状日本大阪府立大学工学部的西亮教授在1996年成功研制出第一个垂直壁面移动机器人样机，该机器人利用电风扇进气侧的低压作用作为吸附力，使机器人贴附在垂直壁面上。1975年他又采用单吸盘结构制作出以实用化为目标的第二代爬壁机器人样机。俄罗斯莫斯科机械力学研究所在1997年研制出的用于大型壁面和窗户清洗作业的爬壁机器人也采用单吸盘结构。如图1所示，该机器人利用风机产生真空负压来提供吸附力，吸盘腹部装有4个驱动轮，机器人可在壁面全方位移动。美国西雅图的HenryRseemann在波音公司的资助下研制出一种真空吸附履带式爬壁机器人“AutoCrawler”。其两条履带上各装有数个小吸附室，随着履带的移动，吸附室连续地形成真空腔而使得履带贴紧壁面行走。日本光荣公司研制了一种多吸盘爬壁机器人，该机器人装有两组真空吸盘。机器人本体上自带两个真空泵、电池、控制系统和无线通讯系统。机器人一次充电可以工作约30min，工作范围为距遥控天线10m以内，最大行走速度为30cmmin，用于高大建筑物墙壁的检测工作。英国朴次茅斯工艺学校在20世纪90年代初研制了一种多足行走式的爬壁机器人。采用模块化设计，机器人由两个相似的模块组成，每个模块包括两个机械腿和腿部控制器。可根据任务需要来安装不同数量的腿，可重构能力强。机械腿采用仿生学机构，模拟大型动物臂部肌肉的功能，为两节式，包括上、下两个杆和3个双作用气缸，具有3个自由度。稳定性好，承载能力大，利于机器人的轻量化，并能跨越较大的障碍物。除腿端部各有一真空吸盘外，机器人腹部设有吸盘，使机器人具有较大的负载质量比，可达2：1：1。日本东京工业大学研制了一种爬壁机器人“NINJA”，可在不同表面(地面、墙壁、天花板)上爬行并具有较高承载荷能力。运动系统采用脚部安装有真空吸盘的腿，腿部为3自由度并联机构，为机器人在壁面上行走提供强大的驱动力；踝部采用一种新的机构mcp(ConductwiredrivenParaUelo-gram)用来调整踝部的姿态；并采用VM(Valve-regulatedMulti-pk)阀调节多腔式真空吸盘，使机器人在遇到粗糙、有裂缝的墙壁时仍有较高吸附效率。机器人尺寸500mm1800mm400mm，质量45kg。日本宫崎大学的Nishi教授研制出一种具有两个旋转叶片的“飞行机器人”，利用两个旋转叶片产生的指向壁面的推力，使机器人与壁面间产生足够的摩擦力，而使机器人能够附着在壁面上。机器人装有两个56cc的内燃机，速度为 0.5m/s，质量为20kg，可用于火灾抢险等危险作业。美国密歇根州立大学研制了两种双足结构的小型爬壁机器人，均采用真空吸附方式。机器人由一个移动关节和4个转动关节组成运动机构，共5个运动关节。采用模糊控制方式，机器人外形尺寸为高80mm、宽50mm，质量为450g。机器人的步态规划采用了一种有限状态机制来描述机器人的运动状态，并以此为基础建立了机器人的步态规划规则。图6b为具有4个转动关节的双足爬壁机器人。两个机器人样机均采用欠驱动机构，减小了机器人的质量和能耗。机器人可以在墙壁、天花板上爬行，以及在两个表面之间过渡爬行，也可爬越管道一类的障碍物。西班牙马德里CSIC大学工业自动化研究所从1990年自现在，刚研制出一种6足式爬壁机器人。该机器人为磁吸附式，具有较大的静载荷，目的是为了工业上的应用。卡内基梅隆大学研制的采用人工合成干粘性材料的两个爬壁机器人试验样机，该机制的粘性材料模仿壁虎脚掌的吸附机理，根据分子间范德华力的作用，采用特殊工艺制作而成。可在大部分常见的光滑壁面材料上吸附。美国Case Western Reserve University研制的采用4个“腿轮”的爬壁机器人样机。与前两种机器人相似，该机器人依靠4个“腿轮”上的仿生粘性材料来吸附，与图9所示样机不同的是这4个腿轮上脚掌的特殊分布更有利于机器人在壁面上稳定爬行。该机器人质量仅有87g。1.2.2 国内爬壁机器人的发展现状自1988年以来，在国家“863”高技术计划的支持下，哈尔滨工业大学机器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附两个系列的5种型号壁面爬行机器人我国研究的第一台壁面爬行遥控检测机器人，采用负压吸附，全方位移动轮，用于核废液储存罐罐壁焊缝缺陷检测。1994年开发的用于高楼壁面清洗作业的爬壁机器人CLRI，采用全方位移动机构，机器人在原地就可以任意改变运动方向。之后开发的CLRII，采用两轮独立驱动方式同轴双轮差速机构，通过对两轮速度的协调控制实现机器人的全方位移动，机器人本体和地面控制站之间采用电力线载波通讯方式。上述3款爬壁机器人均采用单吸盘结构，弹簧气囊密封，保证了机器人具有较高爬行速度和可靠的附着能力。1995年研制成功的金属管防腐用磁吸附爬壁机器人，采用永磁吸附结构，靠两条履带的正反转移动来实现转弯牵引。该机器人可以为石化企业金属储料罐的外壁进行喷漆、喷砂，以及携带自动检测系统对罐壁涂层厚度进行检测。1997年研制的水冷壁清洗、检测爬壁机器人，呈圆弧形永磁吸附块与罐壁圆弧相吻合，提高了吸附力，也提高了作业的效率。上海大学也较早开展高楼壁面清洗作业机器人的研究，先后研制出垂直壁面爬壁机器人和球形壁面爬壁机器人。该球形壁面爬壁机器人采用多吸盘、负压吸附、6足独立驱动腿足行走方式，可用于不同曲率半径的球形外壁面。1996年以来，北京航空航天大学先后研制成功WASH-MAN，CLEANBOT 1，SKYCLEAN，“吊篮式擦窗机器人”和“蓝天洁宝”等幕墙清洗机器人样机。吊篮式清洗机器人，依靠楼顶上的安全吊索牵引移动，利用风机产生的负压使机器人贴附在壁面上。近年来，上海交通大学也开展了爬壁机器人的研究。设计了一种自身无行走机构而依靠壁面牵引实现机器人移动的壁面清洗机器人样机，1.2.3 爬壁机器人的发展趋势由于传统爬壁机器人具有很多的不足之处（如对壁面的材料和形状适应性不强，跨越障碍物的能力弱，体积大，质量重等），因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展。(1) 吸附装置最近几年，美、英、俄等国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密，这个秘密就是分子间的作用力范德华力。范德华力是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力。科学家在显微镜下发现，壁虎脚趾上约有650万根次纳米级的细毛，每根细毛直径约为200至500纳米，约是人类毛发的直径的十分之一。这些细毛的长度是人类毛发直径的2倍，毛发前端有1001000个类似树状的微细分枝，每分枝前端有细小的肉趾，这种精细结构使得细毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力。虽然每根细毛产生的力量微不足道，但累积起来就很可观。根据计算，一根细毛能够提起一只蚁的重量，而一百万根细毛虽然占地不到一个小硬币的面积，但可以提起二十公斤力的重量。如果壁虎脚上650万根细毛全部附着在物体表面上时， 可吸附住质量为133千克的物体，这相当于两个成人的质量。科学家说，壁虎实际上只使用一个脚，就能够支持整个身体。从壁虎脚的附着力得到的启示可用于研制爬壁机器人。在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用机理的基础上，运用类比，模拟和模型方法，通过高分子材料化学，工程材料科学，力学和机械学的交叉研究，探索出一种与壁虎脚趾表面结构相近的，经物理改进的极性高分子材料（人造壁虎仿生脚干性粘合剂），并应用精密微机械加工的手段，设计并制作模拟壁虎脚趾的吸附装置，该吸附装置将适应于各种材质（如玻璃，粉墙和金属等）和任意形状的表面（如平面，柱面，弧面和拐角等）。这种装置如果研制成功将使爬壁机器人的实用化迈出坚实的一大步。(2) 移动方式在移动机器人中，轮式和履带式移动方式已获得广泛的应用，但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。足式移动方式的机器人可以相对较容易地跨过比较大的障碍 （如沟、坎等），并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凸凹不平的地形适应能力更强。足式机器人的立足点是离散的，跟壁面接触的面积小，可以在可达到的范围内选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。正是由于足式结构多样、运动灵活，适应于各种形状的壁面上，而且能够跨越障碍物，因此足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。(3) 驱动设备传统伺服电机因功率重量比低，必须安装在远离驱动的地方，而且电机高速运行后需有减速齿轮来降低速度，致使传动系统复杂，结构累赘，不能满足实用化的要求，为此需要研制利用功能材料构成的体积小、重量轻、高效率密度的新型电机。(4) 能源问题迫切的需要探索出一种新的能源，体积小、供电性能强的电池，或者通过遥控途径对机器人提供能量和控制信号。目前国内外正对此进行积极研究，这方面日本取得了较大的成果。日本已经较为成功的将微波技术应用到一台无线机器人上，该技术成功的应用将会使爬壁机器人的运动范围得到较大的扩展。1.3 研究内容及研究方法1.3.1 研究内容（1）根据机械设计制造技术要求，设计出适合钩爪式爬壁机器人攀爬垂直墙壁的钩爪，设计合适的钩爪结构及尺寸，钩爪的形状和数目等。合理的设计连接钩爪支撑架的摆动连杆连接处等部件。（2）通过对钩爪式爬壁机器人的设计研究，确定机器人的爬行速度与驱动电机之间的关系。（3）设计钩爪式爬壁机器人的整体结构及安全装置。1.3.2 研究方法（1）深入调查研究，了解目前钩爪式爬壁机器人的结构形式，理解其工作原理；（2）通过查阅相关资料和深入学习，制定钩爪式爬壁机器人结构设计方案；（3）实施钩爪式爬壁机器人的设计：包括相关零部件的选择（抽风机的选择）和摆动两岸的设计。第2章 钩爪式爬壁机器人方案设计2.1 总体方案分析欲使机器人在壁面上自由地移动，必须具备两种功能:抓附功能与移动功能。抓附方式通过钩爪抓取粗糙倾斜壁面；通过自身重力使机器人对墙面有一个正压力，应用一组钩爪抓取壁面，使自身固定在上面。再通过另一组钩爪的间歇运动实现爬壁运动。在设计移动机器人系统时，首先应考虑机器人的用途，因为不同的用途，移动机器人的移动机构是不同的。此外，还应考虑机器人的工作环境、耐久性、稳定性、机动性、可控性、复杂性、外型尺寸及制作费用等。设计这种爬壁机器人，它的工作对象为粗糙的倾斜壁面。机器人要求有一定的承载能力、接触面积小、速度适中，适应能力强。通过比较各种方案，设计了一种连杆机构爬行结构形式，这是一种新颖的爬行机构设计方案，该方案能基本满足我们设定的工作状况。在爬行机器人结构中用连杆机构爬行具有很多优点，结构简单紧凑、运行平稳，控制简便，还可以根据使用要求，作各种变形设计，具有较高的技术经济效果。2.1.1 本体系统设计根据以上的总体结构方案，结合钩爪式爬壁机器人工作环境特点，本课题设计的爬壁机器人样机结构简图如图2-1：图2-1样机结构动力部分由小功率电机驱动，为了获得所需要的速度，在电机前面加了蜗轮蜗杆减速器，防止机器人在爬壁过程中出现由于突然断电等原因引起的不稳定因素。根据杠杆原理，起到了很好的自锁作用，整个机器人采用45号钢材料，在减轻自身重量的情况下最大程度获得很高的强度和刚度。2.1.2 现存问题国际上对爬壁机器人的研究已经有了几十年的历史，也研究出了各种各样的样机或产品，总体起来看，爬壁机器人人还存在着如下一些问题：第一，运动灵活性与吸附能力的矛盾。一般要求爬壁机器人携带一定重量的负载，这就要求它具备可靠、稳定的性能，但这一要求得到满足的同时，其运动速度、灵活性、对壁面的适应能力必须会受到不同程度的影响。第二，集成化与可靠性的矛盾。从实用角度说，人们当然希望机器人有较高的集成度，又有较高的可靠性，但是，郑重说法只是理论上成立，现实中不能完美结合。这一矛盾有赖于新型能源的开发和无线通讯技术的发展。第三，智能化问题。就爬壁机器人的现状来说，智能化不尽如人意，这里的智能化主要是指对环境的自主适应能力，自动壁障能力，自动纠错能力等等。影响这些能力的关键是传感技术和控制技术的发展。第四，通用化合产业化问题。目前，研制的爬壁机器人大都是针对某一种工作要求面设计的，对壁面材料和形貌的依赖性比较大，很难具有普遍的适用性。另外，正式由于通用性和可靠性的限制，爬壁机器人的产业化道路始终走的比较缓慢，这也是爬壁机器人在相当长的一段时间内所面临的问题之一。2.1.3 本课题的开发具有以下优点（1）克服了传统爬壁机器人真空系统复杂、噪音大、吸附辅助时间长等特点，创新性的提出了钩爪钩取抓附；该机构具有耗能小，结构简单的特点，钩取和脱离快速，平稳等优点，噪音也比较小。并在试验中取得了良好的实验效果。（2）采用轴、推理轴承、蜗轮蜗杆等标准件，结构简单，稳定，可靠。加快了机器人的应用开发。（3）在研究动力学和运动学基础上开发的壁面规划项目，可以成功实现预期爬行，又壁面控制系统的复杂。2.2 机器人基本功能方案2.2.1 抓附方案的选择应用在帕比机器人领域比较成熟的吸附方式主要有三种，即真空吸附、永磁吸附和电磁吸附，但都有相应的缺点。中空吸附是依靠真空吸盘将机器人本体吸附于壁面，其特点是壁面必须光滑，当壁面有裂缝或者凹凸不平时，容易造成吸盘漏气，吸附力降低。严重的会使机器人从壁面剥离，要是想完美实现难度较高。突然停电、断电或输送气管等的故障均可使机器人从壁面剥落。磁吸附包括永磁式和电磁式两种，依靠磁力吸附于壁面。但要求壁面是磁性金属。这个条件限制其应用范围。但是它的吸附力远大于真空吸附，对壁面适应能力较强。我们要求爬行的壁面为倾斜且粗糙度很大的壁面，最好是砂石壁面，像我们学校的一号寝室楼的那种，所以，以上两种吸附方式均不可。我们设计的方案是钩爪抓附方案，每个爪子上有一个爪框和三片爪片，爪片上有爪尖，移动时通过摆动连杆的摆动，使两组钩爪相互交错上下运动，爪尖抓附壁面，使机器人爬行。综合以上原因，本次毕业设计的方案为钩爪抓附，这样的机构有以下优点：(1) 稳定性好。结构简单；(2) 与机器人合为一体，扩大了工作范围；(3) 能源消耗少，减轻机器人自重；(4) 适应机器人爬行壁面的结构和材料；(5) 运动速度快，提高工作效率2.2.2 移动方案的选择爬壁机器人主要的移动方式可分为：车轮式、履带式、脚步行式等。其原理和特点如下：（1） 车轮式原理：配置多个轮子，每个轮子有电机驱动。特点：移动速度较快，便于控制，接触地面面积小，维持一定的摩擦力较为困难。（2） 履带式原理：有电机驱动两个无轨道履带特点：着地面积大，对壁面适应性强，体积较大（3） 脚步行式原理：通过与多个脚的反复吸附与脱落来进行移动特点：移动困难，移动速度慢，带载能力强为了克服传统爬壁机器人的性能限制，人们又研制出了其他一些形式的机器人。如：飞行形式，绳索牵动形式等，但这些还处于实验阶段。根据我们面临的条件，粗糙的倾斜壁面，吸附机构为钩爪抓取，如果用履带式和车轮式不能与钩爪机构相互配合，就算配合了也比较勉强，多此一举，既浪费资源，又没有用处。所以我们选用钩爪直接支撑壁面，带动机器人运动，这种移动方案比较新颖，经过实验，虽然还不尽善尽美，但也满足了我们的要求。2.3 总体方案性能分析对钩爪式爬壁机器人的基本要求是，能够在粗糙的倾斜壁面上平稳可靠的移动，并成功的完成任务，因此，机器人应满足以下若干性能要求。2.3.1 负载能力按照模块化设计的思想，钩爪式爬壁机器人本体是各种功能模块的载体，在本体上安装不同的模块，就可以实现多样的功能，如检测、检修、喷漆、除锈等等。为此，要求机器人具备一定的负载能力。如果按照工作机构的平均重量在1.5kg左右，如果再考虑附属机构、电源线、信号线等重量，机器人负载能力应该在3kg左右，当然，这个负载并不包括机器人自重。2.3.2 机构尺寸一方面，机器人要顺利地出入各种复杂壁面结构，而要出入各种壁面的复杂地形只能通过机器人的自身变形。综上所述，设定机器人的尺寸约为460x350x240mm。2.3.3 移动速度 移动速度的设定主要取决于高效性和安全性来年各个安全因素来考虑，在考虑安全因素和电机功率限制的条件下，机器人的移动速度V平=0.06m/s2.3.4 设计性能指标（1）最大尺寸：460x350x250mm（2）)机器人自重：2.5kg（3）机器人负载能力5kg（4）移动速度28m/min第3章 结构设计3.1 电机的选择根据钩爪式爬壁机器人的爬行速度与本身的重量，确定电机的功率为小功率电机。3.1.1 试选电机选取机座型号为代号50的电机功率W=0.04kW，电流I=0.22A，转速n=1400r/min，效率为=50%。根据以上数据算出：=136.4NmP3=4050%=0.02kW功率太小，不足以带动机器人顺利爬行，随意要重新选择电机。再次选取机座型号为代号A02-5624的小功率电机功率W=0.09kW，转速r=1400r/min，效率为=58%。根据以上数据算出：P1=9058%=0.0522kWP2=9058%=0.0522kWP1= P2=0.0522kWP1电机传递的功率，单位为kW；P2蜗杆传递的功率，单位为kW；P3蜗轮传递的功率，单位为kW；P4凸轮传递的功率，单位为kW；n1电机的转速，单位为r/min；n2蜗杆的转速，单位为r/min；n3蜗轮的转速，单位为r/min；n4凸轮的转速，单位为r/min；3.1.2 校核电机凸轮每转一圈，机器人整体运动64mm机器人运动，作用在导轨上的力为300N所以，凸轮作用在摆动连杆上的力为600N = = =98%解得： =0.0367kWP2/= P1解得： P1=0.079kW0.09kW电机满足我们的要求，可以选用。3.1.3 联轴器的选择弹性联轴节的选择：以下选择连轴器的型号。计算转矩，考虑到转矩变化应取，则 Nm 77.59Nm根据计算转矩，查文献18，选用TL 4型，半联轴器的孔径直径为14mm3.2 滑杆的设计与校核3.2.1 校核滑杆的抗弯强度两根滑杆选择的材料为45号钢杆1：长x宽x高=588x30x30mm杆2：长x宽x高=510x30x30mm比较两杆，杆1与杆2相比，杆1比杆2长78mm，所以杆1没有杆2稳固，又因为杆1和杆2的运动形式相同，受到的载荷也相同，因此，只要校核杆1的强度即可，如果杆1满足条件，杆2也相应的满足，如果杆1不满足，则校核之后再校核杆1，设计完成在校核，知道满足所要求即可。构如图3-1:图3-1 杆1的结构简图杆2的形状与杆1相同，长度短78mm已知：机器人的重量为 m1=25kg 负载情况为 m2=5kgG1=m1g=250N/kgG2=m2g=50NG=G1G2=300N当机器人在水平面上爬行时，滑杆受到的剪切力与弯矩最大，只要校核这一极限位置即可校核剪切力与弯矩。杆1的受力情况如图3-2：图3-2 杆1的受力情况杆1的运动情况有两种，一种在最下面，另一种情况在嘴上面，这两种情况是杆1受到的两种极限位置，校核这两个位置即可。（1）杆1运动到最下面的位置时L1185mmL2403mmFAFB 00FB(L1L2) L20FB=15047.2NFA150 47.2102.8N如图（1） FA FS10 FS1102.8N 0 MS1 FAX10 MS1102.8 X1如图（2） FA FB2 0 FB2150 102.847.2N 0 MS2(X2 L1) FAX20 MS2 (FA )X2L1= 47.2X2150L1 MMAX13.878Nm FMAX102.8N剪力图、弯矩图如图3-3：图3-3 剪力弯矩图滑杆的截面为实心矩形最大正应力正应力不仅与M有关，而且也和截面的形状和尺寸有关，实心与空心也有很大的关系。所以，引用 W-抗弯截面系数 1. 当截面为矩形时 截面的高为h，截面的宽为b。2. 截面为圆形时 根据 (a)MMAX=13.878 Nm (b)W= (c) 根据（a）（b）（c）得：所以滑杆在最下面的位置满足条件。（2）杆1运动到最上面的位置时L1249mmL2339mmFA1FB1 00FB1(L11L21) L210FB1150=15063.5NFA1150 63.586.5N如图（3） FA1 FS10 FS186.5N 0 MS1 FA1X10 MS186.5 X1如图（4） FA1 FB1 0 FB1=86.5 150 63.5N 0 MS2(X2 L11) FA1X20 MS2 (FA1 )X2L1 63.5X2L1 MMAX21.54Nm FMAX86.5N如图3-4：图3-4剪力图、弯矩图滑杆的截面为实心矩形最大正应力正应力不仅与M有关，而且也和截面的形状和尺寸有关，实心与空心也有很大的关系。所以，引用 W-抗弯截面系数 3. 当截面为矩形时 截面的高为h，截面的宽为b。4. 截面为圆形时 根据 (d)MMAX=13.878 Nm (e)W= (f) 根据（d）（e）（f）得：所以滑杆在最上面的位置也满足条件。杆2无需校核，同样满足条件。3.2.2 校核滑杆的抗拉强度当机器人爬垂直墙壁时，滑杆受到的拉应力最大，所以校核该运动状态即可。每根滑杆受到的拉应力为不小于G根据：-抗拉强度S-截面面积F -截面受到的拉应力因为机器人运动时，只有一根滑杆与壁面接触，所以，每根杆受到的力一定要大于G。3.3 爪片的设计一个滑杆上连接4只爪子，一个滑杆受到N的力，一个爪子受到N的力，一个爪子上有3个爪片，所以，每个爪片受到N的力。还是以垂直墙面为例，这是一个极限位置，只要满足这个条件，其他都可以实现。所以满足条件。钩爪的结构图3-5:图3-5 钩爪的结构3.3.1 弹簧的设计在本机器人中，弹簧的作用很重要，机器人能否可靠的倾斜墙壁上爬行取决于弹簧的压缩力。由于此机器人钩爪所承受的载荷不是很大，在满足最小弹簧力的条件下，选用材料最细，中径最大的弹簧，这样就可以保证压缩力的前提下设计出来的弹簧圈数尽可能的多，也就可以保证弹簧在压紧时，最大压力尽可能的小。根据机械设计手册（新编软件版）里的弹簧计算公式，得出：安装载荷(要求) F1=0.62 (N)，安装高度 H1=35 (mm)，工作载荷(要求) F2=1 (N)，工作行程 h=2 (mm)，要求刚度 k=0.19 (N/mm)，载荷作用次数 N=10000 (次)，载荷类型 NType=类。机器人工作时，弹簧受到的最小力,受到的最大力为。内径：外经： 节距：有效圈数：n=15mm3.4 销的校核销的受力如图3-6：图3-6 销的受力图材料为45号钢F=12.5Nd=8mm列平衡方程：F-2FS=0 FS=强度满足要求。3.5 面槽盘形凸轮的介绍3.5.1 结构简图如图3-7图3-7 凸轮的结构3.5.2 凸轮曲线的做法（1）选定最小尺寸OG=OA=OB=50mm;OD=82mm;（2）从动件从A点移动到D点的位置，升距为h=32mm。（3）凸轮按照顺时针旋转。（4）凸轮以低速顺时针方向转76o时，上升h=32mm，再转28o时，保持上升到位移32mm的位移不变，之后再旋转76o时，下降至原来的位置，最后经过180o时，在原来的位置停歇。任选 =EC=30mm由= =EC=30mm解得：R=57.6mm =50+57.6=107.6mm =15mm滚子半径，单位为mm；最小曲率半径 ，所以设计的合理。3.5.3 理论轮廓曲线，工作廓线，基圆，根圆圆弧为“理论轮廓曲线”或“节线”。用最小半径 =OA的圆为“基圆”。节线圆弧中的和D为相邻圆弧的切点，由于切点上，故这个凸轮用于低速旋转。滚子从动件在节线上取圆心，滚子半径为 =15mm，用滚子半径作一系列圆，圆族的包络线即为凸轮廓线或者称“工作廓线”；用廓线上的最小半径OA作圆，所作的圆称为“根圆”。（1）推程阶段：1=76（2）远休止阶段：2=28（3）回程阶段：3=76（4）近休止阶段：4=1803.5.4 从动件的压力角 从动件受力点的力方向与速度方向之间的夹角（180）称为从动件的“压力角”，以表示。根据凸轮的简图可以算出，max 3.6 蜗轮蜗杆的设计计算普通圆柱蜗杆传动, 已知：蜗杆输入功率 =52.2kW，转速，传动比i=25，双向转动, 载荷平稳，轻微冲击,要求使用寿命5年。3.6.1 选择传动的类型和精度等级考虑到传递功率不大，转速低，选用渐开线蜗杆（ZI），GB10089883.6.2 选择材料,确定许用应力蜗杆：45号钢，要求表面淬火，淬火后的硬度为硬度45-55HRC，蜗轮：铸锡青铜ZCUSN10P1，金属模铸造，查机械设计第八版，由西北工业大学机械原理及机械零件教研室 编著。3.6.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 根据蜗杆传动的设计准则，先按齿轮接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度，由式（1），传动中心距 （1）（1）确定作用在涡轮上的转矩T2根据=2，估计涡轮效率=0.8，则（2）确定载荷系数K去载荷分布不均匀系数=1.5，选取选用系数=1.15，去动载荷系数=1。则 （3）确定弹性影响系数（4）确定弹性系数设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值，因此=2.9（5）确定许用接触应力根据涡轮蜗杆材料为ZCuSn10P1，金属模制造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，查得涡轮的基本许用应力=268MPa应力循环次数 寿命系数 许用应力 （6）计算中心距 =38.92mm 取中心距a=50mm，i=25，因此m=1.6，蜗杆分度圆直径d1=20mm，查机械设计教材图11-18可查得接触系数=2.7因为，因此，以上结果可用。3.6.4 蜗轮和蜗杆主要几何尺寸计算(1)蜗杆蜗杆分度圆直径 蜗杆轴向齿距 Pa=m=3.141.6=5.024mm蜗杆直径系数 蜗杆齿顶圆直径 蜗杆齿根圆直径 蜗杆导程角 蜗杆导程 蜗杆轴向齿厚 (2) 蜗轮涡轮齿数51，变位系数-0.5；验算传动比i=51/2=25.5；传动比误差0.5/25=2%，是允许的。蜗轮分度圆直径 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直径 涡轮咽喉母圆半径 3.6.5 校核齿根弯曲疲劳强度(1) 计算蜗杆导程角 (2) 计算蜗轮当量齿数 (3) 确定齿形系数 根据,查机械设计教材，从文献14中查得.(4) 确定螺旋角系数 (5) 校核弯曲强度弯曲强度满足要求。3.6.6 验算效率已知r= =11.9o；=arctanfv，fv与相对滑动运动Vs有关Vs=0.06m/s从机械设计书上查得： fv=0.0204，=1.1687 解得 =0.86=86%大于原估计值，不用重复计算。3.6.7 精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动式动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T10089-1988圆柱蜗杆、涡轮精度中选择8等级精度，侧隙种类为f，标注为8f GB/10089-1988。然后由有关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度，此处从略。3.7 轴的设计计算3.7.1 轴的概述、轴的用途 轴是组成机器的主要零件之一。一切作回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。、轴设计的主要内容轴的设计包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等到方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对刚度要求高的轴和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以防止工作时产生过大的弹性变形。对高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏。轴的材料主要是碳钢和合金钢。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最长用的是45钢。3.7.2 轴的设计及其校核轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。、拟定轴上零件的装配方案 拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。所谓装配方案，就是预定出轴上方根零件的装配方向，顺序和相互关系。、轴上零件的定位为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求者外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。(1) 零件的轴向定位轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈和圆螺母等来保证的。轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两类。利用轴肩定位是最方便可靠的方法，但采用轴肩就必然会使轴的直径加大，而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。因此，轴肩位多用于轴向力较大的场合。定位轴肩的高度h 一般取为h=（0.070.1）d, d 为与零件相配处的轴的直径，单位为mm。流动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度，以便拆卸轴承。非定位轴肩是为了加工和装配方便而设置的，其高度一般取为12mm。(2) 零件的径向定位径向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的径向定位零件键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等。3、轴的强度计算轴的计算准则是满足轴的强度或刚度要求，必要时还应校核轴的振动稳定性。轴的扭转强度条件计算：轴的扭转强度条件为: （3-5）式中 扭转切应力单位为MPa； T轴所受的扭矩，单位为Nm；轴的抗扭截面系数，单位为mm3；n轴的转速，单位为r/min；P轴传递的功率，单位为kW；d计算截面处轴的直径，单位为mm；许用扭转切应力，单位为MPa。由上式可得轴的直径 d （3-6）式中 A= , 对于空心轴，则 （3-7） 式中 , 即空心轴的内径d1与外径d之比，通常取=0.50.6。应当指出，当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大3；有两个键槽时，应增大7.对于直径d 100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大5%7；有两个键槽时，应增大10%15.然后将轴径圆整为标准直径。按弯扭合成强度条件计算作出轴的计算简图（即力学模型）在作计算简图时，应先求出轴上受力零件的载荷（若为空间力系，应把空间力分解为圆周力，径向力和轴向力，然后把它们全部转化到轴上），并将其分解为水平分力和垂直分力。然后求出各支承处的水平反力和垂直反力。作出弯矩图根据上述简图，分别按水平面和垂直平面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出平面上弯矩 和垂直面上的弯矩；然后按下式计算总弯矩并作出M图； （3-8）作出扭矩图校核轴的强度已知轴的弯矩和扭矩后，可针对某些危险截面作弯扭合成强度校核计算。按第三强度理论，计算应力 （3-9）对于直径为d圆轴，弯曲应力，扭转切应力，将其代入上式中，则轴的弯扭合成强度条件为： （3-10）式中 轴的计算应力，单位为MPa；M轴所承受的弯矩，单位为Nmm；T轴所受的扭矩，单位为Nmm；W轴的抗弯截面系数，单位为mm3；对称循环变应力时轴的许用弯曲应力。3.7.3 轴的设计轴的设计已知：传递扭矩为Nm，输出转速为r/min 水平面支反力圆周力 NN 径向力 NN1、初步确定轴的最小直径根据使用条件，选取轴的材料为钢，调质处理，MPa, 所以mm当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的消弱。对于直径小于100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大5%7%；有两个键槽时，应增大10%15%。然后将轴径圆整为标准直径。应当注意，这样求出的直径，只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径。所以mm2、结构设计根据轴的定向要求确定轴的各段直径和长度如图3-8：图3-8 轴尺寸3、按弯曲合成应力校核轴的强度+按弯扭合成强度条件计算当轴的支承位置和轴所受载荷的大小、方向及作用点等均已确定，支点反力及弯矩可以求得时，可按弯扭合成强度条件对轴进行强度计算，具体步骤如下：1) 作轴的计算简图通常将轴当作置于铰链支座上的双支点梁，其支点位置可根据轴承类型及组合方式，按图3-9确定；由传动件传递到轴上的载荷，通常简化为作用于零件轮缘宽度中央的集中应力，轴上转矩则假定从传动件轮毂宽度的中点算起；若各载荷构成空间力系，则将其分解到两个互相垂直的平面内。把主轴简化为图3-9a中受集中力作用的铰支梁。已知条件知 N，N由 N代入数据得： N，N由 N 代入数据得：N，N由以上数据画出主轴在水平面和竖直面的受力简图，如图3-9b、3-9d所示。2) 作轴的弯矩图根据上述简图，分别计算轴上的水平面内弯矩、竖直面内弯矩。 NmNmNmNm 由式（3-8）得：NmNm作出水平面内的弯矩图如图3-9c、竖直面内弯矩如图3-9e，以及合成弯矩图如图3-9f。3) 作轴的扭矩图Nm如图3-9g图3-9 轴的载荷分析图4) 作主轴的相当弯矩图由已知得到的合成弯矩和扭矩，根据第三强度理论计算相当弯矩，并做出相当弯矩图。 (3-11)式中 是考虑弯矩和转矩所产生的应力的循环特性不同而引入的修正系数，是弯曲应力为对称循环变应力。当扭转切应力为静应力时，取；当扭转切应力为脉动循环变应力时，取；当扭转切应力亦为对称循环变应力时，则取。 由式（3-11）得：NmmNmm由式（3-11）得：MPa轴的材料为钢，查文献12得=110MPa。 ，故轴的强度满足要求。 3.8 平键连接（动连接）校核计算结果 传递的转矩 T =712200 Nmm轴的直径 d =35 mm键的类型为 A型键的截面尺寸bh =10x8 mm键的长度L =100 mm键的有效长度L0 =90.000 mm接触高度k =3.200 mm材料为45号钢载荷类型 轻微冲击载荷许用应力p =45 MPa计算应力p =14.1310 MPa校核计算结果： PP 满足条件3.9 本章小结 本章是对回转机构中的蜗轮蜗杆以及轴进行设计计算，并设计要求对蜗轮蜗杆以及轴进行了校核，满足各方面要求。结 论本文完成了对钩爪式爬壁机器人的主参数设定、运动系统原理的设计、回转机构的结构设计等。其中移动系统的设计是从各机构所实现的功能入手，对各部分进行定性设计，并进行整体分析，包括传动系统型式和钩取抓附方式的介绍、对比，并从中确定用摆动连杆带动滑杆的结构设计方案。蜗轮蜗杆机构的结构设计是从移动机构的爬行速度入手，确定所选结构的传动比，并对内部的电机、联轴器进行选择。并且对轴、凸轮进行了设计、计算。最后，对支撑机构的主要零部件进行了校核，最终实现移动机构所要求的爬行速度。 本次设计实现了最初的设计要求，并存在着对整机的优化组合的考虑不足，也存在着对使用的材料的浪费，但此次设计对确定钩爪式爬壁机器人的设计方案，具有很强的现实意义，本方案具有普遍性和广泛性等特点，满足了平稳、启动、制动冲击小，微动性能良好等要求。参考文献 1 黄善钧. 壁面移动机器人的研究. 哈工大七十周