爬壁式机器人设计说明书

1 前 言1.1 立项背景2010年3月29号，吉林省长春市一大型商品集散地昨晚20时发生火灾。经过十几个小时的紧张救援，长春市天元商厦火情得到控制。在此期间，长春、吉林两市出动消防车超过60辆，消防官兵200多人，全力扑救。但由于该大厦是木制框架结构，存放的又多为家居易燃品，加上楼外广告牌遮挡等问题，使得灭火工作一度进展困难。长春市消防支队张璐文:这儿有一些广告牌子，组织了喷水，如果没有广告牌，火早就控制住了！2007年日时分许，温州市鹿城区人民路温富大厦的裙楼一楼“朵朵鲜”花店突发火灾。由花店包花纸和塑料花的燃烧导致大量的浓烟涌入二楼的舞厅。当时舞厅内有人左右，大部分逃生，但有人因一氧化碳中毒窒息死亡。花店里共有人，人逃生，人烧死。过火面积平方米！据有关部门统计，2009年上半年，全国共发生火灾7.4万起，死亡655人，受伤297人，直接财产损失6.6亿元！不仅我国，在世界上消防工作也是一个大难题，各国政府千方百计地将火灾的顺势降到最低，然而并未取得显著性效果，面对无情的火灾，各国已将目光对准了消防机器人。1984年11月，在日本东京的一个电缆隧道内发生了一起火灾，消防队员不得不在浓烟和高温的危险环境下在隧道内灭火。这次火灾之后，东京消防部开始对能在恶劣条件下工作的消防机器人进行研究，目前已有五种用途的消防机器人投入使用。11.2 同类产品比较遥控消防机器人：1986年第一次使用了这种机器人。当消防人员难于接近火灾现场或有爆炸危险时，可使用这种机器人。这种机器人装有履带，最大行驶速度可达10公里/小时，每分钟能喷出5吨水或3吨泡沫。喷射灭火机器人 ：这种机器人于1989年研制成功，属于遥控消防机器人的一种，用于在狭窄的通道和地下区域进行灭火。机器人高45厘米，宽74厘米，长120厘米。它由喷气式发动机或普通发动机驱动行驶。当机器人到达火灾现场时，为了扑灭火焰，喷嘴将水流转变成高压水雾喷向火焰。消防侦察机器人：消防侦察机器人诞生于1991年，用于收集火灾现场周围的各种信息，并在有浓烟或有毒气体的情况下，支援消防人员。机器人有4条履带，一只操作臂和9种采集数据用的采集装置，包括摄像机、热分布指示器和气体浓度测量仪。攀登营救机器人：攀登营救机器人于1993年第一次使用。当高层建筑物的上层突然发生火灾时，机器人能够攀登建筑物的外墙壁去调查火情，并进行营救和灭火工作。该机器人能沿着从建筑物顶部放下来的钢丝绳自己用绞车向上提升，然后它可以利用负压吸盘在建筑物上自由移动。这种机器人可以爬70米高的建筑物。 救护机器人：救护机器人于1994年第一次投入使用。这种机器人能够将受伤人员转移到安全地带。机器人长4米，宽1.74米，高1.89米，重3860公斤。它装有橡胶履带，最高速度为4公里/小时。它不仅有信息收集装置，如电视摄像机、易燃气体检测仪、超声波探测器等；还有2只机械手，最大抓力为90公斤。机械手可将受伤人员举起送到救护平台上，在那里可以为他们提供新鲜空气。2此外，正对在坡度很陡的外壁上进行作业的高危险性，一种能在避免上贴附并能移动进行作业的爬壁机器人也受到关注，其需求的对象如：用于核电站路新内壁上清除污染物的机器人;用于放射性废液储存罐焊缝检查的壁面移动机器人；用于自动检查大型煤气球灌哈风的机器人；用于消防急救的壁面移动机器人等。3壁面移动机器人必须具有两个基本功能：在壁面上的吸附功能和移动功能。按吸附功能分类：真空吸附和磁吸附两种形式：真空吸附法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低；磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题；壁面行走机构的任务是将携带的作业装置运送到壁面的要求位置。按照作业对象的性质，对行走机构提出的基本功能要求出越障能力外，还应具备全方位转向功能，以便转向和行走方向偏离时的方位校正。行走机构有车轮式、履带式和腿足式，分两足和多足等。车轮式移动速度快，控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；腿足式移动速度慢，但负载能力强；履带式队壁面的适应性强，且着地面积大，但不易转弯。此外，还有步进式、蠕动式、混合式和蛇行式移动方式等，适合于各种特别的场合。4由于本次设计主要针对高层建筑的外壁，考虑到壁面的非磁性，应选择真空吸附方式，用真空吸盘实现吸附。针对真空吸附方式，将各类爬壁机器人优缺点及各种爬壁机构性能比较列表如下：表1-1 各类爬壁机器人优缺点比较Table1-1 All kinds of climbing robot advantages and disadvantages真空泵喷射器车轮式移动速度快，转向方便，着地面小，无须加供气装置，但要求壁面有一定光滑度，越障能力低移动速度快，控制方便，维持吸附力较困难，能力低，噪音大，徐供气设备，可达高真空，对壁面适应性好路带式着地面积大，对壁面适应性强，行走速度快，负载能力大，但转向不易，适于多吸盘结构可将吸盘布置于履带上，个吸盘的真空度由喷射器产生，对壁面适应性强，越障能力大，需供气装置足腿式能跨台阶，但动作是间歇的，速度不快，可以实现多吸盘形式，但负载能力不大，无需供气装置需供气装置，可实现多吸盘形式，间歇动作，真空度高，但噪声大，负载能力小表1-2 各种爬壁机构性能比较Table1-2 All sorts of climbing performance comparison institutions 机械实施控制实施速度运动平稳性转向性能载重自重比越障能力壁面适应性壁面附设要求偏心扭摆式BACDCBBC无多层框架式BBBCAABB无特种履带式DCBBCBCC无独立驱动足式CDDBADAA无轮式及其变形BABBBCCD无轮驱动规行式BAAA无ADD有索吊轨行式AAAA无A无D有*AD（高分低分）目前，在外国，特别是日本，爬壁式机器人的研究和应用比较突出，主要产品有车轮式磁吸附爬壁机器人，步行式磁吸附爬壁机器人，吸盘式磁吸附爬壁机器人及履带式磁吸附爬壁机器人，因其主要是磁吸附形式，具体结构功能不再详细叙述。5在我国，哈尔滨工业大学从1988年就开始爬壁机器人的研究，山海科技大学、哈尔滨船舶工程学院、中科院沈阳自动化所、哈尔滨科技大学等单位也先后开展爬壁机器人的研究。爬壁机器人设计的关键是载体，载体结构不同，爬壁机器人的性能也不同。他们研究的两载体机构有：（1）具有全方位移动功能的爬壁机构；（2）磁吸附壁面移动机构。其中前者采用负压吸附方式，移动机构采用全防车轮，他克服了一半论事行走机构转弯、定位较难的不足。实验证明，这种爬行机构行走灵活，有一定的承载能力，对壁面适应能力也较强，可由于表面变化不剧烈的各种垂直壁面上的多种作业。6哈工大机器人研究所已先后开发出连个系列的爬壁机器人：单吸盘轮式壁面爬行机器人及磁吸附履带式爬行机器人；上海交大机器人研究所和上海消防联合研制开发了一种集火场探测、消防、有毒、易燃、易爆气体场所探测等多功能于一体的消防机器人ZXPJ01型消防机器人，它是一种游览遥控关节移动是机器人，其电源通过电缆传输，关节摆臂除了能够辅助越障外，还能提高它的稳定性，另外还采用了专家决策辅助系统协调操作员进行控制，大大提高了其操纵性和安全性。7由此可见，无论是在国外还是国内，爬壁机器人及各种类型的消防机器人已有很大发展，但同时我们也注意到各种消防机器人都有其局限之处，有的只用于支援消防队员，有的只用于在危险场所，那么针对高层建筑的消防问题，设计一款功能齐全并且可快速到达火灾现场的消防机器人就十分必要了。1.3产品主要功能及技术攻关由上一节的分析比较确定本次设计的机器人采用多层框架式移动机构，其突出的优点是越障能力和承载能力较好。吸附方式采用真空吸盘吸附。初步考虑该消防机器人须事先的主要功能有：移动功能：操作人员通过摇控台远距离控制小风机器人眼高层建筑的外请向上爬行；越障功能：可跨越墙面上不超过50mm的障碍物；安全定位功能：达到发生火灾的窗口，利用自身的吸附功能及机械手能将本体固定在某一合适位置；运送功能：安全地位后，能够通过升降装置将负载及消防设施等运送到窗口；消防功能:通过窗口向发生火灾的室内喷水灭火；红外线探测功能：可探测出屋内可能有的未撤离人员并发出呼唤信号；救护功能：可将运送到窗口的伤员由输送装置安全送到地面；观察功能：头上应装有有摄像机，可以观察火场和机器人本体情况；通信功能：有图像、声音、数据传输功能；预警功能：可探测室内易燃、易爆气体含量，根据探测的结果可以预报紧急情况发生，并有相应应急处理能力。由以上功能初步确定该消防机器人主要有传感系统、控制系统、行走系统、安全救护系统、消防系统及探测警报系统组成。技术攻关：要设计的这款机器人首先在功能上十分齐全，从接受命令开始爬向到位、消防、救护、警报，尤其能够实现在必要时全面方位转向功能及爬行时的跨障功能，以及红外线探测伤员和救护功能，我认为这几方面是主要的攻关项目。2 总体设计2.1 设计任务分析本款壁面移动机器人是为具有窗框结构的粉墙、漆墙、水磨石强等类型避免的高层建筑的消防工作而研究设计的。传统高层建筑的消防工作是由消防员完成，不仅工作条件恶劣，而且效率也不高，因此，这类墙面上的移动机器人开发具有一点的通用性特点。在吸收国外研究成果的基础上，重兼顾先进性和实用性两方面发出，提出本款机器人的主要性能指标如下：适应避免：具有窗框结构的粉墙、漆墙、水磨石强等类型的壁面；运动速度：无障碍直线行走最大速度20ms；无障碍直线行走平均速度0.67ms；无障碍方位回转速度30s；越障能力：可跨越墙面上不超过50mm的障碍物；机器人本体自重：不大于50公斤；固定后载重：1吨；控制与驱动：计算机控制，伺服驱动；操纵方式：手动遥控和自控。2.2 总体结构基于以上设计任务分析，确定整个机器人系统由几个子系统组成：行走系统、消防保护系统及探测警报系统，如下图所示。行走系统实现了壁面吸附和移动以及必要时的转向功能；消防救呼系统完成机器人本体定位及安全救护功能。无线通讯行走系统消防救护系统行走系统遥控操纵系统微机控制系统控制系统传感系统行走机构行走机构行走机构行走机构行走机构行走机构行走机构行走机构行走机构图2-1 壁面移动机器人系统组成框图Figure2-1 Wall mobile robot system diagram图2-2 多层框架式移动机构有几种可能的实现方案Figure2-1 Multilayer frame type mobile mechanism has several possible scheme其中a为内外吸盘组的整体驱动方案，这种机构的特点是可以用最少的自由度（三个）实现移动机构的全方位运动，但在本次设计的壁面移动机构中应用重量较大，两组吸盘要保证较大的刚性有一定困难。图b为内、外两组吸盘全独立驱动方案，其优点是壁面适应性强，但驱动自由度太多，机构实现困难。图c为本次设计采用的机构，内吸盘组集中驱动，外吸盘组分别驱动。该机构有六个可控自由度，其中迈步运动自由度一个，盘转运动自由度一个，抬腿运动自由度四个。为框架上的四个足组肩上分别装有一个真空吸盘（为吸盘）。四个外吸盘和四个内盘分别与一个真空系统相连。外框架和中框架由导轨和滚轮可靠联结，允许一个方向上的相对移动。中框和内框架之间允许相对转动。外框架上的四个独立升降足组件的设置是考虑到爬行机构机构一旦后仰或壁面有明显不平时仍能实现可靠的吸附。由此确定了机器人行走机构的传动路线和机构实现：当中框架上的主电机（直流伺服）工作时，电机的运动经两级圆柱齿轮传递给行走传动轴，从而驱动行走轮再为框架上的齿条上运动来实现外框架和中框架间的相对迈步运动。而总框架上的旋转由电机（步进电机）经两级直齿轮减速后带动一蜗杆轴旋转，与蜗杆啮合的蜗轮（安装于内框间的中心轴上）随之转动，从而实现中框和内框架的相对旋转运动。抬腿运动有安装在外框架四个角落处的升降足组件完成。当步进电机工作时，通过一对齿轮将运动传递到丝杠上，与丝杠啮合的螺母执行直线运动，从而带动与其骨节的外吸盘的抬腿运动。爬行机构整体的前进运动实现过程如下：内吸附工作时，外吸盘充气脱开；步进电机通电正转使外吸盘抬离壁面；主电机正转，外框架向前移动一个行程；步进电机反转使外吸盘靠近壁面并吸附工作；内吸盘充气脱开，步进电机继续反转将内吸盘抬离壁面；主电机反转使内框架和中框架一起相对外框架向前移动一个行程，步进电机正转使内框架贴近壁面到吸盘吸附工作为止。第二个循环开始，这样周而复始，实现爬行机构整体的直线运动。当需要转向时，需在内吸盘工作的状态下，启动转向程序是为框架相对内框架转过要求的角度，从而改变行进方向。因为转向角度的是任意的，故该爬向机构具备在平壁上实现全方位移动的能力。2.3 机架总体尺寸及吸盘尺寸的设计爬壁机器人在壁面上行走的首要条件实在任何时刻都能够附着在壁面上。这一点由机器人上处于吸附状态的足来保证。对于真空吸盘，吸力由吸盘内外的空去压差产生。再该机器人行走过程中的任一时刻，都有四个足处于吸附状态，机器人受到的外力分别为重力W，每只吸盘上吸力Fs，壁面法相反力Ni和切向反力（摩擦力）Ffi=1,2,，n图2-3 机架方案Figure2-3 Frame机器人在壁面上附着的安全条件包括不沿着壁面滑落和不离开壁面倾覆两方面，其中抗滑落安全系数S滑=，其中Ws机器人的实际重量，本次设计中设定其小于50kg；【w】定义为极限重力；它是吸盘于壁面处于临界摩擦状态时最大允许机器人重力。临界摩擦力状态的摩擦力Ffi=Nai（为摩擦系数），有铅垂方向静力平衡方程【8】得 （公式1）式中单个吸盘摩擦力，N; 摩擦系数;单个吸盘的吸力。用水平方向静力平衡方程代入公式1得, （公式2）式中n安全系数摩擦系数在本设计中n取4，取0.60，这有，又知,其中n为安全系数，取其为2，则有上述两式可得2509.8，即。44对于该壁面移动机器人来说，一种最不利的吸附状态即内外吸盘交换的瞬间时状态。此时内吸盘处于吸附状态，外吸盘对壁面已有一定压力但尚未吸附，这种压力对机器的吸附状态是有害的。列出绕O1的力矩平衡方程8： （公式3）在倾覆的瞬间时， 0， ，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N3N4408.3有以上可得N3N465.3N,取,当真空度为600mHg时，查表取吸盘有效直径D=140mm。92.4 行走机构设计行走机构运动动是有中框架上的主电机经两级圆柱齿轮减速后带动行走传动轴，从而驱动行走齿轮在外框架上的齿条上运动来实现的。2.4.1齿轮齿条传动中的齿轮取无障碍直线运动最大速度=2m/s，则该齿轮齿条传动所需功率10 （公式5）式中最大速度外载荷力圆柱齿轮传动效率由公式5得传动效率：8级圆柱齿轮传动效率，滚动轴承传动效率，齿轮齿条传动效率，则此传动装置的总效率所以电动机所需输出功率【10】为 （公式6）式中传动所需功率-传动装置的总效率由公式6得，考虑到传递功率较大，要求结构紧凑，查械设计表10-1选齿轮材料用40MnB，调制后表面淬火齿面硬度4855HRC。由于工作环境恶劣，选择闭式硬齿面齿轮传动，承载能力一般取决于弯曲疲劳强度，故先按弯曲疲劳强度设计，验算接触强度。对于齿轮【10】： （公式7）式中T转矩，；d此轮直径，mm；m模数；z齿数。，取z=35，则又 （公式8） （公式9）式中载荷系数切向力齿宽系数对应齿数齿形系数应力校正系数许用应力由械设计书上表10-2取,初选载荷系数由械设计书上表10-5查得，由械设计书上表10-7查得， （公式10）式中区安全系数；寿命系数；弯曲疲劳强度；区安全系数。 式中 （公式11）工作寿命；齿轮每转一圈时，同一齿面啮合的次数；齿轮转速。工作寿命，j=1，n=272.98r/min则循环次数，由械设计书上图10-18查得寿命系数Kn=0.90图10-20 查得，则由公式10得有公式9得有机械原理书取m=4，校核齿轮面接触强度区安全系数，工作寿命，j=1，n=272.98r/min则循环次数，由械设计书上图10-19查得寿命系数Kn=0.92图10-21查得，则则由公式10 （公式12）式中区域系数；弹性影响系数；对应分度圆直径；泊松比；齿宽系数；K载荷系数。【11】 （公式13） 式中m模数；z齿数。由以上假设由公式13得，由械设计书上表10-7查得，由械设计书上表10-6查得弹性影响系数，区域系数, （公式14）式中齿宽系数；分度圆直径由公式14得齿宽, （公式15）式中使用系数；动载荷系数；齿间载荷分布系数；齿向载荷分布系数。由械设计书上表10-2取,由械设计书上表10-2动载荷系数，由械设计书上表10-3取,由械设计书上表10-4取解除疲劳强度,则由公式14载荷系数由公式11得则确定齿轮齿条中的齿轮参数：z=35,m=4,d=140mm,b=108mm。2.4.2 爬行机构设计 （公式16）式中V线速度，m/s；d直径，m。有公式16得r/min爬向机构主电机所以电动机所需输出功率为由各级传动比：两级直齿圆柱齿轮：-40 齿轮齿条： -40则总传动比i=38540电机转速范围为（840）273=218410920，故选取72SYC电机，个顶转速为3000r/min，则转动装置总传动比，取第一级直齿圆柱齿轮传动比，则第二级，运动和动力参数如下：表2-1 爬行系统数据Table2-1 Crawling system data电机轴轴轴工作机轴N(r/min)30001000273273P(kw)0.560.530.50.49T(Nm)1.785.0617.4917.14i33.6610.980.950.982.4.2.1第一级斜齿圆柱齿轮：因是一般用途的齿轮传动，齿轮材料选用45钢，传递功率不大，选择封闭式软齿面齿轮传动，参考机械设计书表10-1，选小齿轮调质，齿面硬度217255HBS,大齿轮正常，齿面硬度162217HBS，其硬度差3050HBS,精度为8级。闭式软齿面齿轮传动，初选,传动比，初选节圆螺旋夹。因为是软齿面接触按解除疲劳强度设计 （公式17）式中齿面重合度；,初选，由机械设计书图10-30选取区域系数，表10-6查得弹性影响系数,由图10-26查得， （公式18）式中P传动功率kw；n转速，r/min。由公式18得；查机械设计书表10-7齿宽系数，则环次数，由械设计书上图10-19查得寿命系数,图10-20 查得，取安全系数,则由公式9得，需用应力，有公式17得小齿轮分度圆直径mm，有公式16得圆周速度，计算尺宽b及模数：有公式13得，查机械原理【11】得, （公式19）式中齿顶高系数；顶隙系数；模数；由机械设计书表10-2的齿顶高系数，顶隙系数，由公式18得全齿高，齿宽与齿高比，纵向重合度由机械设计书表10-2查得使用系数图10-8查得动载荷系数，由表10-3查得齿间载荷分配系数,由表10-4查得齿向载荷分配系数，故载荷系数有公式,另有图10-13查得按实际的载荷系数得，按弯曲疲劳强度设计: （公式20） 载荷系数有公式15得,查机械设计书图10-20齿轮的弯曲疲劳强度极限；取安全系数,弯曲疲劳寿命系数,则弯曲疲劳许用应力有公式11得, ，当量齿数，有机械设计书表10-5得斜齿轮的齿形系数, 由图10-28得螺旋角影响系数 , 小齿轮的数值较大。由公式19得，由机械原理书表10-1得取标准值，取分度圆直径。，则，中心距将中心距圆整为38mm。按中心距修正螺旋角，大、小齿轮的分度圆直径，齿宽，实际齿宽2.4.2.2第二级直齿圆柱齿轮：选择闭式软齿面齿轮传动，小齿轮调制，参考机械设计书上表10-1，选小齿轮调制，齿面硬度217255HBS,大齿轮正火，齿面硬度162217HBS，精度为8级。选小齿轮齿数，大齿轮齿数，取则，按接触强度设计初选，有公式公式19得人，由机械设计书表10-7选取齿宽系数，由表10-6查得材料的弹性影响系数，区域系数,查机械设计书图10-21大、小齿轮接触疲劳强度，应力循环次数，查图19-19取接触疲劳寿命系数选取安全系数, , ,则 , 圆周速度，齿宽，模数由机械设计书表10-2的齿顶高系数【11】，顶隙系数，全齿高，齿宽与齿高比，由机械设计书表10-2查得使用系数图10-8查得动载荷系数，由表10-3查得齿间载荷分配系数,由表10-4查得齿向载荷分配系数，有公式14得故载荷系数,另有图10-13查得按实际的载荷系数得，按弯曲疲劳强度设计: （公式21）载荷系数,查机械设计书图10-20齿轮的弯曲疲劳强度极限；取安全系数,由图10-18弯曲疲劳寿命系数,则弯曲疲劳许用应力, ，有机械设计书表10-5得斜齿轮的齿形系数, 则, 大齿轮的数值较大。有公式20得，由机械原理书表10-1得取标准值圆整，取分度圆直径。，则，中心距。 （公式22）大、小齿轮的分度圆直径，齿宽，实际齿宽2.4.3轴的设计:初估轴的直径：在2.42中已得到各轴功率及转矩数值，下面按照许用扭转剪应力的计轴的材料选用45钢算方法估算轴径，估算公式为: (1)轴径估算 （公式23）式中系；P轴的传递功率；n轴的转速，r/min爬行机构对轴I：由机械设计书C取107 d107=6.12mm根据电机轴选取匹配原则，确定电机轴轴径为15mm对轴II：由机械设计书C取110 d110=8.90mm,考虑轴肩及应力集中的因素影响，与轴承配合取，对轴III ：C取110D110=13.46mm,考虑轴肩及应力集中的因素影响，取对轴IV：C 取110D110=13.37mm,考虑与轴承配合影响，取转向机构对轴1：C取118D118=6.75mm,考虑电机转配因素影响，取对轴2：C取118D118=3.91mm,考虑轴承配合因素影响，取，对轴3：C取118D118=5.45mm, 考虑与轴承配合影响，取，对轴蜗轮轴：C取118D118=1.84mm，考虑与轴承配合影响，取。对轴的校核按弯扭合成法:因为此次设计中轴的主要其传递转矩作用，可忽略弯曲应力的影响，故可直接用扭矩来校核【1012】, （公式24）式中轴所受的转矩，Nmm；抗扭截面系数；d轴的直径，mm。有公式24得因为轴的材料为45钢，查表可得，故电机轴安全。同理可对传动各轴校核，校核的结果如下：轴II： 故传动轴II轴安全轴III： 故传动轴轴安全转向机构电机轴1： 故转向电机轴安全轴2：故传动轴2轴安全轴3：故传动轴3轴安全蜗轮轴：故传动轴蜗轮轴轴安全确定轴的实际直径，因轴的最小直径处安装轴承，选用轴承的最小直径为20mm，所以确定轴的最小径为20mm；轴的最小直径处与齿轮配合，因此确定出其最小直径为35mm。2.5 转向机构设计2.5.1 电机的选择设转向时可是实现每秒转过30度角，即由于 ，由于转向过程中的几何中心与机器人的重心不可能完成重合，必有偏差，设这一偏差半径为0.15，则可计算出转向时的负载转，又有，因此得，转动总效率计算电机工作时最大静转矩：选总降速比，折算到电机轴上的静阻负载转矩查取资料【13】，选择最大静转矩为的步进电机75BF3，电机实际工作转速，电机工作时运行频率，而所选电机的最高运行频率为1800Hz，因为选电机符合要求。2.5.2 分配传动比：选蜗杆传动的传动别为50，则两级圆柱齿轮传动比为，设第一级齿轮传动，则第二级齿轮传动比，各轴转速为：，各轴功率：，有公式17得各轴转矩：，2.5.3 蜗轮蜗杆设计2.5.3.1 选择蜗杆传动类型：采用渐开线蜗杆（ZI）。2.5.3.2 选择材料：由于此处蜗轮蜗杆起转向作用，比较重要，故选我赶材料为40Cr，表面淬火，硬度45-50HRC；涡轮齿圈材料为ZcuSn10P1，金属模铸造。2.5.3.3 按接触疲劳强度计算：传动中心距 （公式25）式中K确定载荷系数；涡轮上的转矩；弹性影响系数；接触系数；许用接触应力则 （公式26）式中使用系数；载荷分布不均系数；动载荷系数；取机械设计书表11-5得；。有公式26得；应选用的是蜗轮材料，故。假设蜗杆分度圆直径，和传动中心距的比为，查机械设计书图11-18得查机械设计书表11-7中查得蜗轮的基本许用应力。应力循环次数寿命系数,则取， ，有公式25得取中心距，因，故查机械设计书表11-2中取模数，蜗杆分度圆直径。这时由，图11-18中的,因此以上计算结果可用。2.5.3.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸：蜗杆：轴向齿距；直径系数；齿顶圆直径；齿根圆直径；分度圆导程角；蜗杆轴向齿厚。蜗轮：蜗轮齿数;变位系数；验算传动比，这时传动比误差为，是允许的。蜗轮分度圆直径 ；蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直径 蜗轮咽喉母圆半径 2.5.3.5 校核齿根弯曲疲劳强度: （公式27） 式中齿形系数螺旋角系数当量齿数从图11-19中可查的齿形系数螺旋角系数 （公式28） 许用弯曲应力查表11-8的由于蜗轮材料得基本弯曲应力。寿命系数弯曲强度是满足的。2.6 抬腿机构设计：丝杠传动传动可以把旋转运动变为直线运动，也可以把直线运动变为旋转运动。所谓丝杠传动就是由丝杠副连接相邻零件而组成的传动机构，它既可以传递能量或动力，也可以用来传递运动或用来调整零件的相互位置。因此在机床、起重机设备、锻压机械、测量仪器、船舶、飞机及火炮、火箭发射装置等传动机构中都广泛的应用了丝杠副。最常见的丝杠副为滑动丝杠副该滚珠丝杠副有两种。滑动丝杠副具有如下特点;结构简单、铸造容易；减速传动比大；摩擦阻力大、传动效率低；具有自锁性；运转平稳。而与丝杠副相比，滚珠丝杠副具有以下特点：机构较复杂，工艺难度大，成本高。【14】由此确定该机器人的抬腿运动由滑动丝杠副带动带动真空吸盘来实现。常见的滑动丝杠副有四种传动方式;丝杆传动、螺母移动；螺母固定、丝杠传动并轴向移动；螺母转动、丝杠轴向转动；丝杠固定。螺母转动并轴向移动。在本设计中，要实现电机的转动为机器人的抬腿运动，因此选用第一种情况，丝杠转动，螺母移动。当丝杠转动过角时，螺母将沿着丝杠的轴向移动一段距离S,其值可按下列公式计算： （公式29）式中 S螺母移动的轴向距离（mm）； L螺纹的导程（mm）；丝杠转过的角度（rad）。假设丝杠的转速为n时，则螺母移动的速度： （公式30）式中 v螺母移动的速度，mm/s n丝杠的转速，r/min 设该机器人抬腿运动时，真空吸盘抬离壁面50mm，0.2完成，则其速度为设丝杠装配阻力矩不得大于1N/m，即有机械轴上的静阻转矩，而折算到电机轴上的静阻负载转矩，取步进电机最大静转矩，由此可算出所需步进电机最大静转矩，由资料查【15】的可选取步进电机型号为75BF003,其，丝杠转速，电机实际工作转速，电机工作时运行频率，符合条件。抬腿运动中一对啮合齿轮的设计计算结果：传动比，, ，取，中心，对该滑动丝杠副，选取梯形螺纹，则，而螺杆直径，螺纹的工作高度,查得相关资料有表2-2 丝杆螺母副参数Table2-2 Wire rod nut pair parameters公称直径d螺距p中径大经小径28326.528.524.525525.528.522.52382429192032330.532.528.5296293325261027332122在该机器人的设计过程中，有两处用到了滑动丝杠副，其一为机械手，其二为外吸盘处。其中选取机械手处丝杠的公称直径，螺距；外吸盘处丝杠的公称直径，螺距。滑动丝杠副的校核公式为 （公式31） 式中工作压强 需用压强轴向载荷中径工作高度旋合圈数其中为需用压强，7.5-18MPa，,经校核计算可知丝杠副参数选择符合要求。2.7 辅助传动件的选择2.7.1 传动键的选择：由于本次设计中的的齿轮都是传递转矩，不承受轴向力。因此，选用结构简单，装拆方便，对中性好的平键，并且由于圆头键（A型）在键槽中轴向固定良好，在一般情况下机械中多选用此型键，所以本次设计中也选用此型键。选用钢材料。根据中的连接轴的直径，查机械设计书表6-1，选取键的主要尺寸（键宽bh键高、键的公称长度L）。行走机构：1）平移运动电机齿轮键55、18mm，2）第一级传动轴输入转矩齿轮键87、20mm，3）输出转矩齿轮键8x7、28mm，4）第二级传动轴输入转矩齿轮键12x8、30mm，5）齿轮齿条中齿轮键10x8、36mm；6）转向运动电机齿轮键6x6、22mm，7）第一级传动轴输入转矩齿轮键8x7、22mm，8）输出转矩齿轮键8x7、28mm，9）第二级传动轴转矩齿轮键8x7、25mm，10）蜗轮键6x6、22mm。抬腿机构：11）电机齿轮键6x6、22mm，12）丝杠传动轮键10x8、18mm。由于此次设计键起到的是传递转矩作用，所以其失效形式为断裂，因此较校核时按断裂强度计算:普通平键连接的墙诉条件为 （公式32）式中T传递的转矩，；k键轮槽的接触高度， （公式33） 式中h建的高度，mm；键的工作长度，mm； 圆头平键， （公式34）式中L键的公称长度，mm；b键的宽度，mm；d轴的直径，mm；键、轴、轮三者中最弱材料的许用挤压力，MPa，由于工作时有一定的冲击所以见表6-2得静连接80MPa，由公式32得：，。由公式33得：，。选取直径：，。转矩为：,，,，,，。有公式31得：，。由以上结果的可得，任意键的强度均小于其许用强度，即 。以所以这些键的选取是合格的。2.7.2 轴承件的选择由于本次设计中，运动机构中轴承起到支撑作用，所以选择角接触球轴承，它可以同时承受径向及轴向载荷。蜗轮杆的轴承由于需要承受较大的轴向载荷，所以选用圆锥滚子轴承。根据轴的直径、轴承承载能力以及轴承的的尺寸列表初选轴承型号，平移运动系统第一级传动轴承为7204C, 平移运动系统第二级传动轴承为7207C, 转向运动系统第一级传动轴承为7205C，转向运动系统第二级传动轴承也为7205C，蜗轮杆的轴承为30204。 （公式35）式中温度系数；当量动载荷；指数，球轴承，；轴承转速，r/min；预期计算寿命。由于本机器人在火场中工作，其温度系数查机械设计书表13-4得温度系数，机械设计书表13-3，选预期计算寿命，各轴转速为：转向部分，；平移齿轮转数，；由于本次设计中齿轮主要是传递转矩，而轴向载荷很小，所以在计算式按纯净向载荷计算则轴承当量动载荷： （公式36） 式中载荷系数；径向载荷，N。查表13-6得动载荷系数，以移动系统三轴承轴承为例，径向力为,由公式32的。由公式35的,查机械指导书【16】表12-2，所选轴承基本额定负载,极限转速，即,所以初选的轴承合格。同理经过校核计算，的其它的初选轴承选取也合格。润滑方式选用能承受较大载荷，不易流失，容易密封，一次加脂肪可以维持相当长时间的脂润滑方式；滚动轴承的密封装置选择接触式的密封装置，由于本次设计中轴的滑动速度不高，所以选择用于脂润滑的场合，结构简单的毡圈油封。2.7.3 其它要素的选择参照已有的其他类似的机械，并根据螺丝的受力特点进行校核，证实螺丝选取合格；同理选择了设计中的销、垫圈。由于本次设计中的轴只起传递转矩得作用，所以选用结构简单的弹簧垫圈作为轴向定位【16】。在选择粗糙度，形位公差时，参照已有的其他类似的机械，并经过相关的尺寸查表选择，在选择配合公差时，根据标准件的相关要求进行查表选择。【16】2.8 有关器件选择2.8.1 红外线探测仪机器人见本体固定好后，除了能够在窗口进行灭火外，还应能向屋内探测，以便发现未撤离人员，考虑到发生火灾的室内光线等情况，应选着红危险探测仪，应选择红外线探测仪。红外线传感器可分为主动红外线传感器和被动红外线传感器，而主动红外线传感器又可分为遮断式主动红外传传感器。其中反射式主动红外传感器的红外发射头向不防区发出红外型号，当探测到人时，红外线信号被人体反射回来，被接收器接收，经译码电路译码，可控制相应的通讯设备或报警系统，比如可发出声音警报，呼喊火场内的未撤离人员。被动红外入侵探测器采用热释电红外探测元件来探测路动目标。只要物体的温度高于绝对零度，就会不停地向四周辐射红外线，利用移动目标（如人、畜、车）自身辐射的红外线进行探测。被动红外入侵探测器具有如下特点：不需要在布防区域内安装任何装备，可实现远距离控制。由于是被动式工作，不产生任何类型的辐射。不必考虑照度条件，昼夜均可用，特别适宜在夜间或黑暗条件条件下工作。由于无能量发射，不易磨损的活动部件，因而功耗低、结构牢固、寿命长、维护简便、可靠性高。【17】2.8.2 红外线摄影同样的，为了观察到火灾现场情况，需要安装红外线摄像机。英国RAE系统公司推出了新型的红外摄像机，该微型红外摄像机基于320X240非制冷微型红外技术，可产生质量极佳的高分辨率图像，从而增强态势感知能力，不受黑暗以及诸如烟雾等各种障碍物的影响，也不需要人工照明。【17】2.8.3 蓄电池由于该机器人会沿着高层建筑的墙壁向上爬行，因此考虑采用蓄电池作为能量来源，而一般的蓄电池的额定电压在6-36V之间，在该机器人内，最大的电机要110V的电压，最小的却只有1.5V，电压差距较大，只用一个蓄电池难以实现，而要是分别供电的话，充电时又会碰到麻烦。考虑采用蓄电池组加稳压电源的方式给机器人的各个部分供电。将采用3个36V和1个12V蓄电池串联达到最高的110V额定电压，再用这样的3组并联实现10A的额定电流要求18。36V和12V蓄电池的技术参数如下：表2-3 蓄电池数据Table2-3 Battery data型号电压（v）电容（Ah）参考尺寸（毫米）长宽高NP3-36363（20小时）7055110NP3-12123（20小时）7055110参考文献1 龚振邦。机器人机械设计M。北京:电子工业出版社2 学熊有伦,丁汉,刘恩沧编著。机器人学M。北京：机械工业出版社，1993：2432433 王棣棠。机器人工程M。北京：科学出版社，20014 张福学。机器人技术及其应用。北京：电子工业出版社5 李允明。国外仿人机器人发展概括J。机器人，（6）:5635646 马香峰。机器人机构学M。北京：机械工业出版社，1991：24257 孟繁华。机器人应用技术M。哈尔滨：工业大学出版社，：2422438 哈尔滨工业大学理论力研究室M。北京：高等教育出版社，2002：1099 蔡自兴。机器人学M。北京：清华大学出版社，200010 濮良贵，纪名刚，陈国，等。机械设计M。北京：高等教育出版社，200611 孙恒，陈作模，葛文杰。机械原理M。北京：高等教育出版社，200612 刘鸿文。材料力学M。北京：高等教育出版社，200413 成大先。机械设计手册M。化学工业出版社，2002.114 王庭树。机器人运动学及动力学M。西安：电子科技大学出版社，1990：262715 国家机械工业局，西安微电机研究所M。辽宁：科技出版社，200316 宋宝玉，吴宗泽。机械设计指导书M。北京：高等教育出版社，2006：9718517 徐缤昌,阙志宏。机器人控制工程M。西北工业大学出版社，1991.5：304018 徐灏. 机械设计手册M. 北京：机械工业出版社 2002.致 谢四年的大学学习生活马上就要结束了，在这四年中，我们有了一个很好的学习专业知识的机会，而这次毕业设计则给了我们一次实际应用机会，理论联系实际，才能将我们的大脑中的知识挖掘出来。在本次设计中，我要设计的是爬壁式消防机器人，经过一周的材料搜集与整理，最后采用了框架式的爬壁机器人。通过这次设计，使我对机器人有了一定的了解，并产生了很大的兴趣。在查阅资料过程中，了解了机器人的发展史以及一些典型的机器人的工作原理。在老师的耐心指导下，使我的设计工作能够得以顺利进行，并学到了很多知识，对于如何开发一款用户需要的新产品，已经了解了其大体的设计思路。在科技高速发展的今天，机器人也正越来越受人们的关注，而设计出一款能够代替人们进行危险工作的类人型机器人更有其广阔的发展前景。消防工作在任何时候都是一个社会所不可轻视的工作，其工作条件的恶劣性和危险性也是众所周知的，其中，爬壁式消防机器人在将来的社会了将会拥有更大的市场。通过本次设计，使我对以前学过的专业知识有了更深的理解，并在设计中熟悉了国家标准和有关规范，同时，夜更深的了解了，在当前激烈的市场竞争中，唯有廉价，才能赢得广大用户的青睐，设计出的产品才能有和的发展前景。在设计中，我也发现了自己的许多不足之处：比如对问题考虑的不深入不全面，对一些实际问题，往往理解不够；知识范围窄，限制在一定范围内，使我的设计受到了阻碍。所以在以后的工作学习中，我还要更加强学习，扩大知识范围。最后，向在本次设计中，给予我帮助的老师和同学，尤其是我的指导老师张老师，表示衷心的感谢。附 录1 machinery manufacturing technology developmentIn the modern manufacturing system is the key technology, CNC technology, it sets the microelectronics and computer, information processing, automatic detection 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 mode 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