攀爬机器人的结构设计

学 号： 3060444130 题目类型： 设计 GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY本科毕业设计(论文)题目： 攀爬机器人的结构设计 系 ( 院 )： 机械与控制工程学院 专业(方向)： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机械06-1班 学 生： 指导教师： 2010年6月2日毕业设计（论文）独创性声明本人声明所呈交的设计（论文）是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了设计（论文）中特别加以标注和致谢的地方外，设计（论文）中不包含其他人或集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得桂林理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对设计（论文）的研究成果做出贡献的个人和集体，均已作了明确的标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。设计（论文）作者签名： 日期： 年 月 日设计（论文）使用授权声明本设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用设计（论文）的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计（论文）的复印件和电子版，允许设计（论文）被查阅或借阅。本人授权桂林理工大学可以将本设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本设计（论文）。设计(论文)作者签名： 日期： 年 月 日 指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日摘 要本文所研究的攀爬机器人是实现高空玻璃壁面爬行的机器人，可以对高空玻璃壁面进行检测、维护的机器人，具有很高的推广价值。为了解决其若干关键问题，本文开展爬壁机器人结构的设计与动力性能研究，其主要研究内容如下：对真空吸附爬壁机器人的机械结构设计，研究其移动方式，通过控制电动机的转动速度，从而控制相应的移动速度，以及对各种零部件设计计算。根据攀爬机器人的运机理分析将其等效为特殊的关节型移动机器人，本论文从攀爬机器人的运动原理、运动性能、运动机构等方面展开研究，并结合机械设计，使机器人实现预期的要求。机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，爬壁机器人是极限作业机器人的一个分支，他的产生是为了代替人类，在核工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船等领域中的危险状态下作业，具有极其广泛的用途和很高的使用价值。关键词：爬壁机器人；结构设计；设计计算；强度分析Wall-climbing robot structure design and analysis Student:SHI Xiang-zhang Teacher:JING-chenAbstract: 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-climbing 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 analysis 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 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 operating 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-climbing robot； structural design； design calculation； Strength analysis34本课题研究的主要内容本课题的主要内容是设计一个爬壁机器人，需实现机器人稳定直线向上爬行的功能，能够完成基本的吸附和爬行功能。在此要对爬壁机器人进行总体结构设计和部分结构进行分析，完成爬壁机器人的设计开发，在此基础上研究爬壁机器人的动力学、运动学问题，把爬壁机器人的总装图、具有代表性的零件图用CAD制图，对于零部件部分进行设计计算，标准件在计算中设计体现出来，非标准间在CAD图纸和三维模型中体现出来，对于一些标准件进行计算选择和校验计算。1 爬壁机器人的总体方案 爬壁机器人应用具有两个基本功能：吸附功能和移动功能。按照这两大基本功能对其进行了分类。1）吸附方案爬壁机器人的吸附功能可分为：真空吸附、磁力吸附和推力吸附三类。爬壁机器人三种吸附方式的比较见表2.1。表2.1 爬壁机器人三种吸附方式的比较吸附方式真空吸附推力吸附磁力吸附优点吸附力强，结构简单，无泄露，对壁面的材料要求不高。 无泄露，对壁面的形状、材料适应性强。 无泄露，对壁面形状、材料适应性强。缺点吸盘无冗长性，一旦断电，本体失去吸附能力。噪音大，体积大，效率低。步行时，履带与壁面离合需要很大的力。2）移动方式爬壁机器人的移动方式可分为车轮式、履带式、脚步行式。爬壁机器人三种移动方式的比较见表2.2。表2.2 爬壁机器人三种移动方式的比较移动方式原理特点车轮式配置多个轮子，每个轮子都有电机驱动。移动速度快，便于控制，着地面积小，维持一定的摩擦力较为困难。履带式由电机驱动两个无轨履带。着地面积大，对壁面的适应性强，体积较大，不宜转弯。脚步行方式通过多个脚的反复吸附与脱落移动。移动困难，移动速度慢，带载能力强。为了克服传统机器人的性能限制，人们又研制出了其他一些形式的机器人，比如飞行式，绳式牵动式。壁面轨道式爬壁机器人等，但是这些机器人目前都还处于实验阶段。1.1 机器人基本功能方案1.1.1吸附方案选择采用真空泵或真空发生器的方式产生真空来保证吸盘吸附的爬壁机器人，需要外接气源，连接大量的附加设备，增大能耗且噪音较大，机器人的体积和活动范围受到了限制，为了扩大机器人的活动范围，减少外接设备能耗，采用了负压被动吸附真空吸盘，靠自身变形来产生真空，结构简单真空度较高，因此，选择被动真空吸附装置，负压被动真空吸盘结构如图2-1所示：图2-1 负压被动真空吸盘结构 吸盘的开关阀采用真空橡胶气门，该气门具有结构简单，密封性好，价格低廉的特点，当外力使吸盘产生变形之前，线圈断电，连杆在压缩弹簧的带动下动作，使开关阀关闭，当吸盘触墙之后与墙面贴合，吸盘内气体从阀口排出，达到最大变形后，开关阀关闭，使吸盘内与外界隔绝，靠吸盘自身的变形产生真空，估计设该机构产生的真空度为-0.008Mpa（大气压约为0.1Mpa），吸盘直径为64mm，所产生的吸附力为： (2-1)式中：N为吸盘数量；P0为大气压强，pa；P为真空度，pa；A为吸盘有效面积，m2；F为吸附力，N。当压缩吸盘要脱离墙面前，线圈通电，连杆带动橡胶气阀打开，吸盘通气之后，吸附力消失，这时可以脱离墙面，吸盘抬高，向上爬行。1.1.3移动方案的选择机器人爬行的移动的实现，如图：图2-2 机器人移动实现示意图爬壁机器人的爬行示意图如图2-3所示。图2-3 爬壁机器人的爬行示意图如图2-2 机器人移动实现示意图，机器人每个动作周期爬臂旋转的角度为60，吸盘的上移的步骤由A A1 A2 A3-B B1 B2 B3-C C1 C2 C3。 在初始状态A A1 A2 A3时，A3处的吸盘气阀打开，吸盘脱离玻璃墙面，待此处的吸盘完全脱离墙面，由电机带动齿轮组，是AA1和A2A3爬臂分别向不同的方向旋转，待两爬臂转过30的时候，来到B B1 B2 B3处，吸盘在自重的作用下，使吸盘连杆垂直向下，此时，机体两边的连杆都在同一水平线上，由于右边的吸盘式吸实固定的，机器人的机体在竖直方向的位置是恒定的，故机器人的爬壁的铰链由A点旋转到B点，机体也在爬臂旋转动作的反作用下整体上爬，根据图2-2所示，根据公式： h=sinL （2-2）其中：=30； L=101mm。故在爬过30之后机器人的爬行高度为：h=21101=50.5mm。机器人爬臂继续旋转，当机器人的爬臂旋转达到60的时候，右边的铰链又由B点回到A点，此时，机器人的爬臂状态在C C1 C2 C3，电机停止动作，左边的吸盘开始逆时针移动，直至吸附到壁面，这时，右边的线圈通电，连杆带动气阀打开，吸盘吸附力消失，右边的吸盘开始从壁面脱离，由丝杆带动把吸盘抬起来，待吸盘抬高到指定的高度之后，电机开始反转，新的爬行周期开始，只是之前吸附的吸盘开始移动，之前移动的吸盘吸附在玻璃壁面上，机器人周而复始的这个动作就完成了机器人的向上的爬行。1.2总体性能和外形确定 1.2.1性能确定 对爬壁机器人的基本要求是能够携带检测检修部件在各种壁面平稳可靠的运动，并完成清洗的任务，为此，机器人应满足若干性能要求。 本小节将从以下几个方面对其设计性能加以分析，并给出性能指标。1）负载能力：2.5kg ；2）结构尺寸：；3）移动速度：1m/min ；4）爬壁一周期旋转角度：60；5）吸盘抬高范围：038mm；6）爬壁一个周期爬行高度：101mm。1.2.2外形确定 根据总体方案，结合爬壁机器人工作环境特点，本课题设计的爬壁机器人本体结构，爬壁机器人外形图如图2-4所示。图2-4 爬壁机器人外形图2 机器人设计计算2.1 电机的选择根据本文设计的爬壁机器人的情况，爬行部分由两个电机来带动，吸盘的升降也是由四个电机来带动，选择型号为ZYW系列永磁直流电动机来驱动机器人的爬臂的爬行运动，具体的电机型号为：20ZYW2468，此电机的技术数据如下：额定电压-6V；额定转速-800r/min；额定转矩-6N/m；输出功率-180W；额定电流-17A；质 量-600g。20ZYW2468电机的外形尺寸如图3-1所示。图 3-1 20ZYW2468电机的外形尺寸机器人吸盘的升降是通过电机带动丝杠传动实现的，这里选择电机型号为：24SL002，24SL002伺服电机的技术数据如下：电压励磁-36V；频 率-400Hz；堵转电流-167m A；输出功率-70W；空载转速-4000r/min；24SL002伺服电机的外形和安装尺寸如图3-2所示。图3-2 24SL002伺服电机的外形和安装尺寸2. 2联轴器的设计根据电机的型号来设计选择联轴器，由图3-1 20ZYW2468电机的外形尺寸，可以选择波纹管联轴器。波纹管联轴器是用外形呈波纹状的薄壁管（波纹管）直接与两半联轴器焊接或粘接来传递运动的。这种联轴器的结构简单，外形尺寸小，加工安装方便，传动精度高，主要用于要求结构紧凑，传动精度较高的小功率精密机械和控制机构中。波纹管的材料为铜合金（如锡磷青铜QSn6.5-0.5 ）和不锈钢（Cr18Ni9Ti）。波纹管联轴器的特性 纹管联轴器由两个毂和一个薄壁金属管组成，它们用或焊接或粘结的方式连接在一起。尽管很多其它的材料可用，但不锈钢和镍还是最常用的金属管材料。镍管是用电沉积法完成的。这种方法首先要机加工固体的芯棒，使其成波纹形，利用电镀镍在芯棒上，然后芯棒被化学溶解，从而得到镍的波纹管。这种方法能控制波纹管壁厚的精度，并能得到比其他方法制作的波纹管更薄的壁厚。这种薄壁波纹管使联轴器具有高敏感性和反应迅速，使它成为理想的用于极小且精密的仪器应用中。所以波纹管联轴器有以下几个特性：高扭矩刚性和卓越灵敏度；免维护、超强抗油和耐腐蚀性；零回转间隙；顺时针与逆时针回转特性完全相同； 不锈钢波纹管结构补偿角向轴向偏差； 常用与伺服电机、步进电机等联接； 主体材质:铝合金；安装方式:顶丝固定型、夹紧固定型、胀套固定型。波纹管联轴器实物图如图3-3所示。图3-3波纹管联轴器实物图我们这里选择波纹管联轴器的型号为：1) 如图3-1 20ZYW2468电机的外形尺寸所示，它的输出轴联接的波纹管联轴器型号选择为：BL-15-03波纹管联轴器，结构图如图3-4：3的一端连接电机，6的一端和轴端连接，两头都分别通过对角90的两个M2开槽锥端紧定螺钉来进行固定，传递的最大转矩为8103 N/m。图3-4 BL-15-03波纹管联轴器结构图2) 如图3-2 24SL002伺服电机的外形和安装尺寸所示，和它的输出轴联接的波纹管联轴器型号选择为：BL-12-03波纹管联轴器，结构图如图3-5：3的一端连接电机，6的一端和轴端连接，两头都分别通过对角90的两个M2开槽锥端紧定螺钉来进行固定，传递的最大转矩为5103 N/m。图3-5 BL-12-03波纹管联轴器结构图2.3 皮带轮的设计带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，在各种工业设备中广泛使用，爬壁机器人的电机输出端使用了皮带输出动力，一方面是为了减少振动和噪声，另一方面是为了防止由于齿轮的卡死，导致的电机烧坏的危险。但是对于皮带轮的选择要考虑标准化和其他设计问题，在此，对本设计中的皮带轮选择和对他的设计进行计算：2.3.1皮带轮的选择按照工作原理的不同，带传动可以分为摩擦型带传动和啮合型带传动。在摩擦型带传动中，根据带传动的横截面的形状的不同，又可以分为平带传动、圆带传动、V带传动和多楔带传动。他们的特为：平带传动结构简单，传动效率高，带轮也容易制造；圆带结构简单，但只能用在小功率的传动中；V带的摩擦力大，传动比大，结构紧凑；多楔带有柔性好、摩擦力大的优点，弥补了V带多根V带的长短不一造成的受力不均问题，但是它的制造成本高。综合考虑，在爬壁机器人的设计中使用V带来进行传动。2.3.2带传动的设计计算1）V带选择和中心距的计算带轮尺寸的选择根据标准查表可选：大带轮为基准直径=40mm的Y型普通V带轮；小带轮为基准直径=28mm的Y型普通V带轮，材料为HT150。由于尺寸要求不大，都设计为实心式带轮。中心距大，可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，对于提高带的寿命有好处，但是中心距太大，会加剧带的波动，减低传动的平稳性，同时也增大了传动带的整体尺寸，一般带传动的中心距的选择根据： （3-1）式中：a0为初选的带传动的中心距，mm。根据本文中的机器人在输出电机使用的带轮的尺寸可知：中心距取值范围：47.6mma0136mm根据V带的基准长度系列标准（GB/T 11544-1997），选择V带的基准长度为250mm，由此，我们可以取包角为带轮的半圆弧长来计算：圆弧周长计算公式为： (3-2)由式（3-2）及所取V带的长度可得： a0250-3.14（40+28）/2/2=71.5mm为了使带有一定的收紧力，故可以取中心距为a0=71mm。2）转速校核由于本文设计的机器人的整体尺寸不大，传动的力不是很大，故用一条V型带传动就可以实现了。电机的转速是1450r/min，功率为4kW，小带轮的半径为=28mm，由此，可以计算出带轮的速度： （3-3）其中：n为小带轮的转速，r/min； t为带轮转动时间，s；s为路程，m；S为小带轮的周长，mm。 当传动的功率一定时，提高带速，可以降低带传动的有效拉力，相应的减少带的根数或V带的横截面积，总体上减少带传动的尺寸，但是，提高带速，也提高了V带的离心应力，增加了单位时间内带的循环次数，不利于提高带传动的疲劳强度和寿命。当降低带速会有相反的利弊。故带轮的带速不能太高也不能太低，根据前人的实验计算和总结的经验，一般推荐=525m/s，最高带速不能超过30 m/s。由式（3-3）得：=1450283.1410-3/6021m/s （符合要求） 3）计算功率计算、包角验算和确定初拉力 如图3-6 带轮包角可知，小带轮的包角为170o （170 o90 o 满足条件），图3-6 带轮包角查表可知，带轮的包角修正系数为Ka=0.98.，同时查得带轮的工作情况系数KA=1.0，功率为18W，故： (3-4) （3-5）其中： 为轮的计算功率；为带轮的初拉力；q为单位长度的质量，为0.1kg/m。根据式（3-4）、（3-5）可得：=187N。4) 带轮轮槽的设计根据带传动的设计要求，带轮的轮厚为L=（1.52）d，但有的情况允许L=d；其中d为带轮的孔径。 因此，设计带轮的厚度设计为：8mm、12mm的带轮的轮厚都设计为12mm。轮槽截面尺寸的设计参照 （GB/T 13575.1-92） 中的规定。带轮的轮槽设计尺寸 如图3-7 带轮轮槽横截面 所示：图3-7 带轮轮槽横截面5）V带传动的张紧装置的设计V带在运转一段时间之后，会产生塑性变形和磨损而松弛，为了保证带传动政策的工作，应定期检查带的松弛程度，采取相应的措施带轮的张紧主要有以下几种：定期张紧装置；自动张紧装置；采用张紧轮的张进装置。由于本设计的机器人的两带轮的中心距不能调节，最好采用张紧轮来对带轮张紧，同时还应注意张紧轮设计要注意的三点：安放在松边内侧，使带只受单向弯曲；张紧轮应尽量靠近大轮以免减少小带轮的包角；张紧轮的轮槽尺寸与带轮的相同，且直径要小于带轮的直径。故对张紧轮的设计可以如图3-8所示：图3-8 张紧轮的设计2.4 齿轮的设计计算 根据之前定的机器人的尺寸为：，因此，齿轮的节圆直径可以分别设计为：Z1的直径为20mm；Z2的直径为52mm、Z2的直径为20mm；Z3的直径为58mm、Z3的直径为20mm；Z4的直径为58mm。齿轮组的布置图如图3-9： 图3-9 齿轮的布置根据设计所选的齿轮组，爬行臂的减速齿轮传动如图3-10所示：图3-10 手臂的减速齿轮传动图根据圆柱齿轮标准模数系列表（GB/T 1357-1987）查得选择：模数m=2。设齿轮的直径为d，z为齿轮齿数，则： （3-6）根据式（3-6）得：z1=10；z2=26；z2=10；z3=29；z3=10；z4=29。 又有： （3-7） （3-8）其中：为齿顶高系数取=1；为顶隙系数取=0.25齿轮厚度公式： （3-9）由式（3-7）、（3-8）得：z1=22mm、z2=54mm、z2=22mm、z3=60mm、z3=22mm、z4=60mm；z1=17.5mm、z2=49.5mm、z2=17.5mm、z3=55.5mm、z3=17.5mm、z4=55.5mm。传动比的计算公式为： (3-10)电机20ZYW2468的转速为800r/min，则齿轮系统的传动比为：20/5220/5820/581:22；再加上皮带轮的减速：28/401/221:32，所以到手臂是的转速为：8001/3225r/min。2.5 键的设计计算2.5.1键的分类与选择键分为平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向建连接。由于平键的结构简单、装卸方便、对中性好等优点，因而得到广泛的应用，缺点是不能承受轴向力；半圆键适用于锥形轴与轮毂的连接，它的工艺性好，装配方便，但是要在轴上挖深槽对轴的消弱较大，故在此不做考虑；楔形键连接最大的优点就是除了能平键一样承受切向力，还能承受一定的轴向力，但是它又有不可避免的缺点：在楔紧后，轴和轮毂的配合产生偏心和偏斜，因此也不选；切向键和楔形键有相似的地方，都会对轴有一定的消弱，只有在直径大于100mm的轴上才经常使用。因为本文所设计的机器人不是很大，综合考虑，选择平键连接作为主要的连接方式，在比较了圆头（A型）、平头（B型）、单圆头（C型）三种平键之后，选择圆头平键作为爬壁机器人的连接键。2.5.2键尺寸确定机器人内部的各个轴如图3-11所示，通过这些主轴的参数区设计键的大小：图3-11 机器人内部的各个主轴可以看出，我们要在A、B、C、D、E、F六个地方加连接键，主轴1中，A点的直径为6，B点的直径为8，主轴2中，C点的直径为12，主轴3中，D点的直径为12，主轴4中，E点的直径为12，主轴5中，F点的直径为12。可知，我们设计的轴的连接键是针对直径为6、8、12三种轴径。键的尺寸以键宽b键高h来表示，键的截面尺寸bh可以由轴的直径d再查标准来选定，键的长度L可以按照轮毂的长度而定，键的长度等于或略短于轮毂的长度，所选的键的长度也应该符合标准规定的长度系列： 根据（GB/T 1095-2003）查表平键和键槽的端面尺寸可得：6、8的轴可选 键 26 GB/T 1096-2003 （bh=22）；12 轴可选 键 410 GB/T 1096-2003 （bh=44）。 通过以上数据可以确定键槽的深度： 键 26 GB/T 1096-2003对应轴槽深t=1.2，轮毂槽深t1=1；键 410 GB/T 1096-2003对应轴的槽深t=2.5，轮毂槽深t1=1.8。2.5.3键的连接强度计算载荷在键的工作面上均匀分布，则普通平键的连接强度为： （3-11）其中： （3-12）式中：T-传递的转矩（N.m）； k-键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处h为键的高度，mm； l-键的工作长度，mm，圆头平键l=L-b，这里的L是键的公称长度，mm，b为键的宽度； d-轴的直径，mm； -键、轴、轮毂三者中最弱的材料的许用挤压应力，MPa，查表 键连接的许用挤压应力可得：=7080Mpa，取=75Mpa。结合机器人的尺寸和设计情况来看，机器人的负载加本体自重约为2kg，当在爬行过程中，两只吸盘抬起时，主轴受到的转矩最大，每个电机所带动的一组齿轮分别承受一半的重量。对于6的轴上的键： 故6轴上的键的设计是符合强度要求的。对于8的轴上的键： 故8轴上的键的设计是符合强度要求的。对于12的轴上的键： 故12轴上的键的设计是符合强度要求的。2.6轴承的设计轴承分为向心轴承和推力轴承、向心推力轴承三种，向心轴承主要承受径向力，推力轴承主要承受轴向力，向心推力轴承能同时承受径向力和轴向力。在本文设计的爬壁机器人主要是收到径向方向的载荷，因此，主要选用向心轴承或者推力轴承，不考虑使用推力轴承。要保证轴承的顺利工作，出来正确选择轴承的类型和尺寸之外，还要正确设计轴承装置。轴承装置的设计主要是正确解决轴承的安装、配置、紧固、调节、润滑、密封等问题。一般来说，一根轴需要两个支点，每个支点可以由一个或一个以上的轴承组成，合理的轴承配置应考虑轴在机器中有正确的位置、防止轴向窜动以及轴受热膨胀后不致将轴承卡死等因素。常用的轴承配置方法有以下三种：双支点单向固定；一支点双向固定，一支点游动；两端支承游动。 综合考虑各种因素之后，本设计中的机器人由于受到的轴向力很小，同时机器人的整体尺寸不是很大，不适宜用成对使用的轴承，如圆锥滚子轴承和角接触轴承等，这些轴承多用在受到轴向力的作用的机器上，在此，选择深沟球轴承，能够实现支撑轴件的转动，同时还能减少空间的占用，根据轴的尺寸，我们可以确定轴承的尺寸，轴1对应的轴承设计为：轴承 608 GB/T 276-1994；轴2、3、4、5对应的轴承可以设计为：轴承 6008 GB/T276-1994； 2.7弹簧的设计根据设计需要，机器人有地方需要弹簧，有个是要承受扭转载荷的，主要用在吸盘吸附在壁面时，相对于壁面不可以移动，但是机器人机体的上下移动会使吸盘有一个相对于机器人机体的位置变化，扭转弹簧的作用是为了使机器人吸盘相对于机器人机体有一个柔性的力，能够适应吸盘和机体不同位置的变化，能在需要时回复本来的状态，又使机器人能够实现爬行。另一个弹簧的使用是为了使机器人的吸盘的气阀的阀门能够自动关闭而使用，当线圈通电时，衔铁吸合，带动气阀连杆向下移动，此时阀门打开，机器人吸盘从脱离墙面，在线圈断电时，气阀推杆在弹簧的作用下阀口封闭。在吸盘吸附到壁面时，就可以吸附到壁面上。2.7.1 圆柱螺旋压缩弹簧的设计首先确定弹簧丝的材料：碳素弹簧钢丝B级，许用切应力=0.3，根据弹簧丝的拉伸强度极限可得：=1700Mpa，即=0.3=510Mpa，（根据GB/T 4357-1989）。求弹簧的直径和中径：取弹簧丝直径d=0.8mm；取弹簧中径D2=4mm（根据GB/T 1358-1993），要求弹簧内径有式： （3-13）根据式（3-13）得：=3.2mm。 要求弹簧外径D有式： D= D2+d （3-14）根据式（3-14）得：D=4.8mm。由此可得旋绕比=6。由于在气阀处使用的弹簧为压缩弹簧，故节距P=（0.280.5）D，取P=1.6mm，根据推荐，取螺旋角=7。对于压缩弹簧，工作圈数n的计算公式： （3-15）其中：G为弹簧材料的切变模量，G=82000Mpa； Fmax=F。又有： (3-16) (3-17)则结合式（3-15）和式（3-16）、（3-17）可以求得n=9，总圈数n1=n+（22.5）=11。由于弹簧丝具有升角，故在通过弹簧抽纸的截面上，弹簧丝的截面呈椭圆形，该截面的上作用着力F和T=FD/2。因而在弹簧丝的法向截面上则有横向的作用力Fcos，轴向力Fsin，弯矩M=Tsin及扭矩T=Tcos。设F=10N，由此可知，法向截面上的应力可以近似地求为： （3-18）引进曲度系数K： （3-19）根据式（3-19）求的：K=1.25因此，式（3-18）可以表示为： （3-20）根据式（3-20）得：=1.258610/3.140.80.8=299Mpa，299Mpa=510Mpa。3 结论本论文的研究成果对关节式爬壁机器人，乃至关节式移动机器人的研究和发展具有普遍的指导价值，论文研究的爬壁机器人具有结构简单、体形较小、设计价格低等优点，具有广阔的应用前景。本文设计的机器人需实现机器人稳定直线向上爬行的功能，能够完成基本的吸附和爬行功能。通过此次毕业设计，使我对设计一个机器的过程有了一个新的认识，在本文中，主要研究了爬壁机器人的结构设计和各种设计计算，在机械结构、运动实现方案，同时，对爬壁机器人的各种零部件静力学、动力学、运动学、轨迹规划等进行了研究，从方案到零部件都做了具体的设计：1） 首先第一步是机器人总体方案的确定；2） 移动方案的设计；3） 吸附方案的设计；4） 其次是各个零部件的设计和计算：齿轮、带传动、键连接、轴承、联轴器、弹簧等。这次毕业设计，让我知道组成一台机械，使其最有效地工作，达到预期的目的，其设计构思有时稍加思索就可以形成了，但又不是轻而易举地设想完成，也不是单纯依靠机构学的理论和计算形成这种构思，这要根据日常的实践经验，发现有些机构稍加变化就可以实现新的功能。同样，完成一台机器的设计也是很困难的，除了一个可行有效的构思之外，还要能够有具体的图纸表达，能够把自己的构思用图表的形式表达出来。致谢为期一个学期的毕业设计已接近尾声了，我的四年大学生涯也即将圈上一个句号。此刻我的心中却有些怅然若失，因为和那些熟悉恩师们和各位可爱的同学们，我们也即将挥手告别了。四年间，无论是学习、工作生活上的问题，恩师们都会悉心给以指导解答，让我倍受感动。在这次的实习中，多得各位老师，特别是陈老师的指导，顺利完成了爬壁机器人的设计，引导我充分利用学校的学习资源，去发展、充实自我，而不曾虚度光阴。在此，我真诚的向你们道一声：“谢谢！”。陈老师现在是我毕业论文（设计）的指导老师，在毕业设计期间，没少费心思。从论文创作的选题、结构、内容、甚至是编排格式上都悉心指导，提出了宝贵意见，让我在专业论文创作上又进了一步。篇幅所限，不便把各位恩师一一列举出来，表达我的感激之情，在此对会计系其他专业课老师一并表示感谢。各位老师四年期间对我的帮助与教诲，我永远不会忘记。这次毕业论文能够最终顺利完成，归功于各位老师四年间的认真负责，使我能够很好的掌握专业知识，并在毕业论文中得以体现。也正是你们长期不懈的支持和帮助才使得我的毕业论文最终顺利完成。最后，我向大学机械与控制工程学院的全体老师们再次表示衷心感谢：谢谢你们，谢谢你们四年的辛勤栽培！参考文献1郭克希，王建国.机械制图（机械类、近机类专业适用）M.北京：机械工业出版社，2006.8.2孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理：第七版M.北京：高等教育出版社，2006.5.3濮良贵，纪名刚，陈国定，吴立言.机械设计：第八版M.北京：高等教育出版社，2006.5.4王昆，何小柏，汪信远.机械设计机械设计基础课程设计M.北京：高等教育出版社，1996.5藤森洋三.机构设计：实用构思图集M.北京：机械工业出版社，1989.4.6孔凌嘉，张歧生，郭纪林.简明机械设计手册7钟毅芳等.机械设计原理与方法M.武汉：华中科技大学出版社，2001.8李秀珍，曲玉峰.机械设计基础M.北京：机械工业出版社，2002.9小栗富士雄，小栗达男.机械设计禁忌手册M.北京：机械工业出版社，2001.10藤森洋三.机构设计使用构思图册M.北京：机械工业出版社，1989.4.11柯明扬.机械制作工艺学M.北京：北京航天航空大学出版社，1996.8.12谢芳琳.强迫装配与结构设计J.航空制造技术，1988.6.13马薇.空间机器人多传感器集成三指手指结构设计J.机械研究与应用，2010.2.14王立，刘连蕊，高建华.六足步行机器人非结构化地形下的方向控制研究J.浙江理工大学学报，2010.2.15周彦云.关节型机器人的结构设计J.内蒙古科技与经济，2010.5.16王梁，李元宗，王铁，董志国.煤矿井下搜救探测机器人结构设计J.煤矿机械，2010.2.17张新予，匡以顺.多自由度墙体喷涂机器人机构设计J.兵工自动化，2009.6.18邓剑飞.六自由度机械臂分布式控制系统的设计与研究D.哈尔滨工业大学，2006.6.19刘溯.1T3R并联机器人设计及其实验装置研制D.重庆大学，2006.5.20朱骏.移动机器人操作机械手设计与分析D.南京理工大学，2006.6.21什么是波纹管联轴器EB/OL. ent/8489.html,2009.22张栋.足式爬壁机器人设计及底层控制系统D.中国科学技术大学，2006.5.23Iyad A Salman.Forecasting Models for Maintenance Work Load With Seasonal ComponentsC.Reliability and Maintainability.2004 Annual Symposium-RAMS,2004:514-520.24Carlo Menon,Metin Sitti.A Biomimetic Climbing Robot Based on the GeckoJ.Journal of Bionic Engineering,2006(3):115-125.25M.Buehler,R.Bayyaglia,A.Cocosco,G.Hawker,J.Sarkis,and K.Yamazaki.SCOUT:Asimple quadruped that walks,climb,and run.IEEE Int.Conf.Robotics and automation,Leuven,Belgium.May 1998.1701-1712.附录1 圆柱螺旋弹簧的标准系列（摘自 GB/T 1358-1993）表1 弹簧的直径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 1.4 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：优先选用第一系列表2 螺旋弹簧中径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 42 45 48 50 52 55 58 60 65 70 75 80 85 90 95 100表3 弹簧的有效圈数n拉伸弹簧的有效圈数压缩弹簧的有效圈数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 60 652 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 9 9.5 10 10.5 11.5 12.5 13.5 14.5 15 16 18 20 22 25 28 30表4 弹簧指数（螺旋比）的推荐值(摘自GB/T 1239-1992)D/mm0.2-0.40.5-1.01.2-2.22.5-67-1618-50C7-145-125-104-94-84-16附录2 零件三维图图1 下箱体三维视图（分上部和下部）图2 上机体三维视图（分上部和下部）图3 吸盘体上筒图4 爬行转臂图5 吸盘转座图6 吸盘连杆图7 端盖图8 吸盘体下筒图9 吸盘图10 透气端盖