爬壁式機(jī)器人設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

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1、1 前 言 1.1 立項(xiàng)背景 2010年3月29號(hào)，吉林省長(zhǎng)春市一大型商品集散地昨晚20時(shí)發(fā)生火災(zāi)。經(jīng)過(guò)十幾個(gè)小時(shí)的緊張救援，長(zhǎng)春市天元商廈火情得到控制。在此期間，長(zhǎng)春、吉林兩市出動(dòng)消防車(chē)超過(guò)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(jié)構(gòu)，存放的又多為家居易燃品，加上樓外廣告牌遮擋等問(wèn)題，使得滅火工作一度進(jìn)展困難。長(zhǎng)春市消防支隊(duì)張璐文:這兒有一些廣告牌子，組織了噴水，如果沒(méi)有廣告牌，火早就控制住了??！ 2007年１２日８時(shí)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(zāi)。由花店包花紙和塑料花的燃燒導(dǎo)致大量的濃煙涌入二樓的舞廳。當(dāng)時(shí)舞廳內(nèi)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(guò)火面積１２７０平方米?。? 據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，2009年上半年，全國(guó)共發(fā)生火災(zāi)7.4萬(wàn)起，死亡655人，受傷297人，直接財(cái)產(chǎn)損失6.6億元?。? 不僅我國(guó)，在世界上消防工作也是一個(gè)大難題，各國(guó)政府千方百計(jì)地將火災(zāi)的順勢(shì)降到最低，然而并未取得顯著性效果，面對(duì)無(wú)情的火災(zāi)，各國(guó)已將目光對(duì)準(zhǔn)了消防機(jī)器人。 1984年11月，在日本東京的一個(gè)電纜隧道內(nèi)發(fā)生了一起火災(zāi)，消防隊(duì)員不得不在濃煙和高溫的危險(xiǎn)環(huán)境下在隧道內(nèi)滅火。這次火災(zāi)之后，東京消防部開(kāi)始對(duì)能在惡劣條件下工作的消防機(jī)器人進(jìn)行研究，目前已有五種用途的消防機(jī)器人投

3、入使用。[1] 1.2 同類(lèi)產(chǎn)品比較 遙控消防機(jī)器人：1986年第一次使用了這種機(jī)器人。當(dāng)消防人員難于接近火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)或有爆炸危險(xiǎn)時(shí)，可使用這種機(jī)器人。這種機(jī)器人裝有履帶，最大行駛速度可達(dá)10公里/小時(shí)，每分鐘能?chē)姵?噸水或3噸泡沫。 噴射滅火機(jī)器人 ：這種機(jī)器人于1989年研制成功，屬于遙控消防機(jī)器人的一種，用于在狹窄的通道和地下區(qū)域進(jìn)行滅火。機(jī)器人高45厘米，寬74厘米，長(zhǎng)120厘米。它由噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)或普通發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，為了撲滅火焰，噴嘴將水流轉(zhuǎn)變成高壓水霧噴向火焰。 消防偵察機(jī)器人：消防偵察機(jī)器人誕生于1991年，用于收集火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)周?chē)母鞣N信息，并在有濃煙或

4、有毒氣體的情況下，支援消防人員。機(jī)器人有4條履帶，一只操作臂和9種采集數(shù)據(jù)用的采集裝置，包括攝像機(jī)、熱分布指示器和氣體濃度測(cè)量?jī)x。 攀登營(yíng)救機(jī)器人：攀登營(yíng)救機(jī)器人于1993年第一次使用。當(dāng)高層建筑物的上層突然發(fā)生火災(zāi)時(shí)，機(jī)器人能夠攀登建筑物的外墻壁去調(diào)查火情，并進(jìn)行營(yíng)救和滅火工作。該機(jī)器人能沿著從建筑物頂部放下來(lái)的鋼絲繩自己用絞車(chē)向上提升，然后它可以利用負(fù)壓吸盤(pán)在建筑物上自由移動(dòng)。這種機(jī)器人可以爬70米高的建筑物。 救護(hù)機(jī)器人：救護(hù)機(jī)器人于1994年第一次投入使用。這種機(jī)器人能夠?qū)⑹軅藛T轉(zhuǎn)移到安全地帶。機(jī)器人長(zhǎng)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(shí)。它不僅有信息收集裝置，如電視攝像機(jī)、易燃?xì)怏w檢測(cè)儀、超聲波探測(cè)器等；還有2只機(jī)械手，最大抓力為90公斤。機(jī)械手可將受傷人員舉起送到救護(hù)平臺(tái)上，在那里可以為他們提供新鮮空氣。[2] 此外，正對(duì)在坡度很陡的外壁上進(jìn)行作業(yè)的高危險(xiǎn)性，一種能在避免上貼附并能移動(dòng)進(jìn)行作業(yè)的爬壁機(jī)器人也受到關(guān)注，其需求的對(duì)象如：用于核電站路新內(nèi)壁上清除污染物的機(jī)器人;用于放射性廢液儲(chǔ)存罐焊縫檢查的壁面移動(dòng)機(jī)器人；用于自動(dòng)檢查大型煤氣球灌哈風(fēng)的機(jī)器人；用于消防急救的壁面移動(dòng)機(jī)器人等。[3] 壁面移動(dòng)機(jī)器人必須具有兩個(gè)基本功能：在壁面上的吸附功能和移動(dòng)功能。按吸附功能分類(lèi)：真空吸附和磁吸附兩種形式：真空吸附

6、法又分為單吸盤(pán)和多吸盤(pán)兩種結(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)壁面凸凹不平時(shí)，容易使吸盤(pán)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(duì)壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，且吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，不存在真空漏氣的問(wèn)題；壁面行走機(jī)構(gòu)的任務(wù)是將攜帶的作業(yè)裝置運(yùn)送到壁面的要求位置。按照作業(yè)對(duì)象的性質(zhì)，對(duì)行走機(jī)構(gòu)提出的基本功能要求出越障能力外，還應(yīng)具備全方位轉(zhuǎn)向功能，以便轉(zhuǎn)向和行走方向偏離時(shí)的方位校正。行走機(jī)構(gòu)有車(chē)輪式、履帶式和腿足式，分兩足和多足等。車(chē)輪式移動(dòng)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(dòng)速度慢，但負(fù)載能力強(qiáng)；履帶式隊(duì)壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，且著地面積大，但不易轉(zhuǎn)彎。此外，還有步進(jìn)式、蠕動(dòng)式、混合式和蛇行式移動(dòng)方式等，適合于各種特別的場(chǎng)合。[4] 由于本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)高層建筑的外壁，考慮到壁面的非磁性，應(yīng)選擇真空吸附方式，用真空吸盤(pán)實(shí)現(xiàn)吸附。針對(duì)真空吸附方式，將各類(lèi)爬壁機(jī)器人優(yōu)缺點(diǎn)及各種爬壁機(jī)構(gòu)性能比較列表如下： 表1-1 各類(lèi)爬壁機(jī)器人優(yōu)缺點(diǎn)比較 Table1-1 All kinds of climbing robot advantages and disadvantages 真空泵 噴射器 車(chē)輪式 移動(dòng)速度快，轉(zhuǎn)向方便

8、，著地面小，無(wú)須加供氣裝置，但要求壁面有一定光滑度，越障能力低 移動(dòng)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(shè)備，可達(dá)高真空，對(duì)壁面適應(yīng)性好 路帶式 著地面積大，對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)，行走速度快，負(fù)載能力大，但轉(zhuǎn)向不易，適于多吸盤(pán)結(jié)構(gòu) 可將吸盤(pán)布置于履帶上，個(gè)吸盤(pán)的真空度由噴射器產(chǎn)生，對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)，越障能力大，需供氣裝置 足腿式 能跨臺(tái)階，但動(dòng)作是間歇的，速度不快，可以實(shí)現(xiàn)多吸盤(pán)形式，但負(fù)載能力不大，無(wú)需供氣裝置 需供氣裝置，可實(shí)現(xiàn)多吸盤(pán)形式，間歇?jiǎng)幼鳎婵斩雀?，但噪聲大，?fù)載能力小 表1-2 各種爬壁機(jī)構(gòu)性能比較 Table1-2 All sorts o

9、f climbing performance comparison institutions 機(jī)械實(shí)施 控制實(shí)施 速度 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 轉(zhuǎn)向性能 載重自重比 越障能力 壁面適應(yīng)性 壁面附設(shè)要求 偏心扭擺式 B A C D C B B C 無(wú) 多層框架式 B B B C A A B B 無(wú) 特種履帶式 D C B B C B C C 無(wú) 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)足式 C D D B A D A A 無(wú) 輪式及其變形 B A B B B C C D 無(wú) 輪驅(qū)動(dòng)規(guī)行式 B A A A

10、 無(wú) A D D 有 索吊軌行式 A A A A 無(wú) A 無(wú) D 有 *A→D（高分→低分） 目前，在外國(guó)，特別是日本，爬壁式機(jī)器人的研究和應(yīng)用比較突出，主要產(chǎn)品有車(chē)輪式磁吸附爬壁機(jī)器人，步行式磁吸附爬壁機(jī)器人，吸盤(pán)式磁吸附爬壁機(jī)器人及履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人，因其主要是磁吸附形式，具體結(jié)構(gòu)功能不再詳細(xì)敘述。[5]在我國(guó)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)從1988年就開(kāi)始爬壁機(jī)器人的研究，山?？萍即髮W(xué)、哈爾濱船舶工程學(xué)院、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所、哈爾濱科技大學(xué)等單位也先后開(kāi)展爬壁機(jī)器人的研究。爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是載體，載體結(jié)構(gòu)不同，爬壁機(jī)器人的性能也不同。他們研究的兩載體機(jī)構(gòu)有

11、：（1）具有全方位移動(dòng)功能的爬壁機(jī)構(gòu)；（2）磁吸附壁面移動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中前者采用負(fù)壓吸附方式，移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用全防車(chē)輪，他克服了一半論事行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎、定位較難的不足。實(shí)驗(yàn)證明，這種爬行機(jī)構(gòu)行走靈活，有一定的承載能力，對(duì)壁面適應(yīng)能力也較強(qiáng)，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(jī)器人研究所已先后開(kāi)發(fā)出連個(gè)系列的爬壁機(jī)器人：?jiǎn)挝P(pán)輪式壁面爬行機(jī)器人及磁吸附履帶式爬行機(jī)器人；上海交大機(jī)器人研究所和上海消防聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)了一種集火場(chǎng)探測(cè)、消防、有毒、易燃、易爆氣體場(chǎng)所探測(cè)等多功能于一體的消防機(jī)器人——ZXPJ01型消防機(jī)器人，它是一種游覽遙控關(guān)節(jié)移動(dòng)是機(jī)器人，其電源通過(guò)電纜傳輸，關(guān)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(zhuān)家決策輔助系統(tǒng)協(xié)調(diào)操作員進(jìn)行控制，大大提高了其操縱性和安全性。{7} 由此可見(jiàn)，無(wú)論是在國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，爬壁機(jī)器人及各種類(lèi)型的消防機(jī)器人已有很大發(fā)展，但同時(shí)我們也注意到各種消防機(jī)器人都有其局限之處，有的只用于支援消防隊(duì)員，有的只用于在危險(xiǎn)場(chǎng)所，那么針對(duì)高層建筑的消防問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款功能齊全并且可快速到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的消防機(jī)器人就十分必要了。 1.3產(chǎn)品主要功能及技術(shù)攻關(guān) 由上一節(jié)的分析比較確定本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用多層框架式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其突出的優(yōu)點(diǎn)是越障能力和承載能力較好。吸附方式采用真空吸盤(pán)吸附。 初步考慮該消防機(jī)器人須事先的主要功能有：

13、 移動(dòng)功能：操作人員通過(guò)搖控臺(tái)遠(yuǎn)距離控制小風(fēng)機(jī)器人眼高層建筑的外請(qǐng)向上爬行；越障功能：可跨越墻面上不超過(guò)50mm的障礙物； 安全定位功能：達(dá)到發(fā)生火災(zāi)的窗口，利用自身的吸附功能及機(jī)械手能將本體固定在某一合適位置； 運(yùn)送功能：安全地位后，能夠通過(guò)升降裝置將負(fù)載及消防設(shè)施等運(yùn)送到窗口； 消防功能:通過(guò)窗口向發(fā)生火災(zāi)的室內(nèi)噴水滅火； 紅外線探測(cè)功能：可探測(cè)出屋內(nèi)可能有的未撤離人員并發(fā)出呼喚信號(hào)； 救護(hù)功能：可將運(yùn)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(yīng)裝有有攝像機(jī)，可以觀察火場(chǎng)和機(jī)器人本體情況； 通信功能：有圖像、聲音、數(shù)據(jù)傳輸功能； 預(yù)警功能：可探測(cè)室內(nèi)易燃、易爆氣

14、體含量，根據(jù)探測(cè)的結(jié)果可以預(yù)報(bào)緊急情況發(fā)生，并有相應(yīng)應(yīng)急處理能力。 由以上功能初步確定該消防機(jī)器人主要有傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、安全救護(hù)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)及探測(cè)警報(bào)系統(tǒng)組成。 技術(shù)攻關(guān)：要設(shè)計(jì)的這款機(jī)器人首先在功能上十分齊全，從接受命令開(kāi)始爬向到位、消防、救護(hù)、警報(bào)，尤其能夠?qū)崿F(xiàn)在必要時(shí)全面方位轉(zhuǎn)向功能及爬行時(shí)的跨障功能，以及紅外線探測(cè)傷員和救護(hù)功能，我認(rèn)為這幾方面是主要的攻關(guān)項(xiàng)目。 2 總體設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 本款壁面移動(dòng)機(jī)器人是為具有窗框結(jié)構(gòu)的粉墻、漆墻、水磨石強(qiáng)等類(lèi)型避免的高層建筑的消防工作而研究設(shè)計(jì)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(lèi)墻面上的移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)發(fā)具有一點(diǎn)的通用性特點(diǎn)。 在吸收國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上，重兼顧先進(jìn)性和實(shí)用性?xún)煞矫姘l(fā)出，提出本款機(jī)器人的主要性能指標(biāo)如下： 適應(yīng)避免：具有窗框結(jié)構(gòu)的粉墻、漆墻、水磨石強(qiáng)等類(lèi)型的壁面； 運(yùn)動(dòng)速度：無(wú)障礙直線行走最大速度20m∕s； 無(wú)障礙直線行走平均速度0.67m∕s； 無(wú)障礙方位回轉(zhuǎn)速度30∕s；； 越障能力：可跨越墻面上不超過(guò)50mm的障礙物； 機(jī)器人本體自重：不大于50公斤； 固定后載重：1噸； 控制與驅(qū)動(dòng)：計(jì)算機(jī)控制，伺服驅(qū)動(dòng)； 操縱方式：手動(dòng)遙控和自控。 2.2 總體結(jié)構(gòu) 基于以上設(shè)計(jì)任務(wù)分析，確定整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)由幾個(gè)子系統(tǒng)組

16、成：行走系統(tǒng)、消防保護(hù)系統(tǒng)及探測(cè)警報(bào)系統(tǒng)，如下圖所示。行走系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壁面吸附和移動(dòng)以及必要時(shí)的轉(zhuǎn)向功能；消防救呼系統(tǒng)完成機(jī)器人本體定位及安全救護(hù)功能。 無(wú)線通訊 行走系統(tǒng) 消防救護(hù)系統(tǒng) 行走系統(tǒng) 遙控操縱系統(tǒng) 微機(jī)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 傳感系統(tǒng) 行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu) 圖2-1 壁面移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)有幾種可能的實(shí)現(xiàn)方案 Figure2-1 Multilayer frame type mobile mechanism has several possible scheme 其中a為內(nèi)外吸盤(pán)組的整體驅(qū)動(dòng)方案，這種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是可以用最少的自由度（三個(gè)）實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的全方位運(yùn)動(dòng)，但在本次設(shè)計(jì)的壁面移動(dòng)機(jī)構(gòu)中應(yīng)用重量較大，兩組吸盤(pán)要保證較大的剛性有一定困難。圖b為內(nèi)、外兩組吸盤(pán)全獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方案，其優(yōu)點(diǎn)是壁面適應(yīng)性強(qiáng)，但驅(qū)動(dòng)自由度太多，機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)困難。圖c為本次設(shè)計(jì)采用的機(jī)構(gòu)，內(nèi)吸盤(pán)組集中驅(qū)動(dòng)，外

18、吸盤(pán)組分別驅(qū)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)有六個(gè)可控自由度，其中邁步運(yùn)動(dòng)自由度一個(gè)，盤(pán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度一個(gè)，抬腿運(yùn)動(dòng)自由度四個(gè)。 為框架上的四個(gè)足組肩上分別裝有一個(gè)真空吸盤(pán)（為吸盤(pán)）。四個(gè)外吸盤(pán)和四個(gè)內(nèi)盤(pán)分別與一個(gè)真空系統(tǒng)相連。外框架和中框架由導(dǎo)軌和滾輪可靠聯(lián)結(jié)，允許一個(gè)方向上的相對(duì)移動(dòng)。中框和內(nèi)框架之間允許相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。外框架上的四個(gè)獨(dú)立升降足組件的設(shè)置是考慮到爬行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)一旦后仰或壁面有明顯不平時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)可靠的吸附。 由此確定了機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)路線和機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：當(dāng)中框架上的主電機(jī)（直流伺服）工作時(shí)，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)經(jīng)兩級(jí)圓柱齒輪傳遞給行走傳動(dòng)軸，從而驅(qū)動(dòng)行走輪再為框架上的齒條上運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)外框架和中框架間的相對(duì)邁步運(yùn)動(dòng)

19、。 而總框架上的旋轉(zhuǎn)由電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)）經(jīng)兩級(jí)直齒輪減速后帶動(dòng)一蝸桿軸旋轉(zhuǎn)，與蝸桿嚙合的蝸輪（安裝于內(nèi)框間的中心軸上）隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)中框和內(nèi)框架的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 抬腿運(yùn)動(dòng)有安裝在外框架四個(gè)角落處的升降足組件完成。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，通過(guò)一對(duì)齒輪將運(yùn)動(dòng)傳遞到絲杠上，與絲杠?chē)Ш系穆菽笀?zhí)行直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與其骨節(jié)的外吸盤(pán)的抬腿運(yùn)動(dòng)。 爬行機(jī)構(gòu)整體的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：內(nèi)吸附工作時(shí)，外吸盤(pán)充氣脫開(kāi)；步進(jìn)電機(jī)通電正轉(zhuǎn)使外吸盤(pán)抬離壁面；主電機(jī)正轉(zhuǎn)，外框架向前移動(dòng)一個(gè)行程；步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)使外吸盤(pán)靠近壁面并吸附工作；內(nèi)吸盤(pán)充氣脫開(kāi)，步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)將內(nèi)吸盤(pán)抬離壁面；主電機(jī)反轉(zhuǎn)使內(nèi)框架和中框架一起相對(duì)外

20、框架向前移動(dòng)一個(gè)行程，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)使內(nèi)框架貼近壁面到吸盤(pán)吸附工作為止。第二個(gè)循環(huán)開(kāi)始，……這樣周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)爬行機(jī)構(gòu)整體的直線運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時(shí)，需在內(nèi)吸盤(pán)工作的狀態(tài)下，啟動(dòng)轉(zhuǎn)向程序是為框架相對(duì)內(nèi)框架轉(zhuǎn)過(guò)要求的角度，從而改變行進(jìn)方向。因?yàn)檗D(zhuǎn)向角度的是任意的，故該爬向機(jī)構(gòu)具備在平壁上實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)的能力。 2.3 機(jī)架總體尺寸及吸盤(pán)尺寸的設(shè)計(jì) 爬壁機(jī)器人在壁面上行走的首要條件實(shí)在任何時(shí)刻都能夠附著在壁面上。這一點(diǎn)由機(jī)器人上處于吸附狀態(tài)的足來(lái)保證。對(duì)于真空吸盤(pán)，吸力由吸盤(pán)內(nèi)外的空去壓差產(chǎn)生。 再該機(jī)器人行走過(guò)程中的任一時(shí)刻，都有四個(gè)足處于吸附狀態(tài)，機(jī)器人受到的外力分別為重力W，每只吸盤(pán)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(jī)架方案 Figure2-3 Frame 機(jī)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(kāi)壁面傾覆兩方面，其中抗滑落安全系數(shù)S滑=，其中Ws機(jī)器人的實(shí)際重量，本次設(shè)計(jì)中設(shè)定其小于50kg；【w】定義為極限重力；它是吸盤(pán)于壁面處于臨界摩擦狀態(tài)時(shí)最大允許機(jī)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 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　（公式1） 式中—單個(gè)吸盤(pán)摩擦力，N; —摩擦系數(shù); —單個(gè)吸盤(pán)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(shè)計(jì)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(duì)于該壁面移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，一種最不利的吸附狀態(tài)即內(nèi)外吸盤(pán)交換的瞬間時(shí)狀態(tài)。此時(shí)內(nèi)吸盤(pán)處于吸附狀態(tài)，外吸盤(pán)對(duì)壁面已有一定壓力但尚未吸附，這種壓力對(duì)機(jī)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(shí)， 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(dāng)真空度為600mHg時(shí)，查表取吸盤(pán)有效直徑D=140mm。[9] 2.4 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)是有中框架上的主電機(jī)經(jīng)兩級(jí)圓柱齒輪減速后帶動(dòng)行走傳動(dòng)軸，從而驅(qū)動(dòng)行走齒輪在外框架上的齒條上運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 2.4.1齒輪齒條傳動(dòng)中的齒輪 取無(wú)障礙直線運(yùn)動(dòng)最大速度=2m/s，則該齒輪齒條傳動(dòng)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(dòng)效率 由公式5得 傳動(dòng)效率：8級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)效率，滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率，齒輪齒條傳動(dòng)效率，則此傳動(dòng)裝置的總效率 所以電動(dòng)機(jī)所需輸出功率【10】為 （公式6） 式中—傳動(dòng)所需功率 -傳動(dòng)裝置的總效率 由公式6得， 考慮到傳遞功率較大，要求結(jié)構(gòu)緊湊，查械設(shè)計(jì)表10-1選齒輪材料用

25、40MnB，調(diào)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(dòng)，承載能力一般取決于彎曲疲勞強(qiáng)度，故先按彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，驗(yàn)算接觸強(qiáng)度。 對(duì)于齒輪【10】： （公式7） 式中T—轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)齒數(shù) —齒形系數(shù) —應(yīng)力校正系數(shù) —許用應(yīng)力 由械設(shè)計(jì)書(shū)上表10-2取,初選載荷系數(shù) 由械設(shè)計(jì)書(shū)上表10-5查得， 由械設(shè)計(jì)書(shū)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(qiáng)度； 區(qū)安全系數(shù)。 式中 （公式11） —工作壽命； —齒輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，同一齒面嚙合的次

27、數(shù)； —齒輪轉(zhuǎn)速。 工作壽命，j=1，n=272.98r/min則循環(huán)次數(shù)，由械設(shè)計(jì)書(shū)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(jī)械原理書(shū)取m=4，校核齒輪面接觸強(qiáng)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(shè)計(jì)書(shū)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(duì)應(yīng)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(shè)由公式13得， 由械設(shè)計(jì)書(shū)上表10-7查得，， 由械設(shè)計(jì)書(shū)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)； —?jiǎng)虞d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(shè)計(jì)書(shū)上表10-2取,由械設(shè)計(jì)書(shū)上表10-2動(dòng)載荷系數(shù)，由械設(shè)計(jì)書(shū)上表10-3取,由械設(shè)計(jì)書(shū)上表10-4取解除疲勞強(qiáng)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （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(jī)

30、構(gòu)主電機(jī)所以電動(dòng)機(jī)所需輸出功率為 由各級(jí)傳動(dòng)比：兩級(jí)直齒圓柱齒輪：-40 齒輪齒條： -40 則總傳動(dòng)比i=38～540 電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為（8～40）273=2184～10920，故選取72SYC電機(jī)，個(gè)頂轉(zhuǎn)速為3000r/min，則轉(zhuǎn)動(dòng)裝置總傳動(dòng)比，取第一級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)比，則第二級(jí)，運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)如下： 表2-1 爬行系統(tǒng)數(shù)據(jù) Table2-1 Crawling system data 電機(jī)軸 Ⅱ軸 Ⅲ軸 工作機(jī)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(jí)斜齒圓柱齒輪： 因是一般用途的齒輪傳動(dòng)，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(dòng)，參考機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)表10-1，選小齒輪調(diào)質(zhì)，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(jí)。 閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)，初選,,傳動(dòng)比，初選節(jié)圓螺旋夾。 因?yàn)槭擒淉X面接觸按解除疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

32、 （公式17） 式中—齒面重合度； ,初選，由機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)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(dòng)功率kw； n—轉(zhuǎn)速，r/min。 由公式18得； 查機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)表10-7齒寬系數(shù)， 則環(huán)次數(shù)，，由械設(shè)計(jì)書(shū)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(yīng)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(jì)算尺寬b及模數(shù)：有公式13得， 查

33、機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)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(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)表10-2查得使用系數(shù) 圖10-8查得動(dòng)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(shí)際的載荷系數(shù)得 ， ， 按彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì):

34、 （公式20） 載荷系數(shù)有公式15得, 查機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)圖10-20齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)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(yīng)力有公式11得 , ， 當(dāng)量齒數(shù)， 有機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)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(jī)械原理書(shū)表10-1得取標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際齒寬 2.4.2.2第二級(jí)直齒圓柱齒輪： 選擇閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)，小齒輪調(diào)制，參考機(jī)械設(shè)

35、計(jì)書(shū)上表10-1，選小齒輪調(diào)制，齒面硬度217~255HBS,大齒輪正火，齒面硬度162~217HBS，精度為8級(jí)。 選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)，取則， 按接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)初選，有公式公式19得人， 由機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)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(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)圖10-21大、小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度，，應(yīng)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(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)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(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)表10-2查得使用系數(shù)

36、圖10-8查得動(dòng)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(shí)際的載荷系數(shù)得 ， ， 按彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì): （公式21） 載荷系數(shù), 查機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)圖10-20齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)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(yīng)力 , ， 有機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)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(jī)械原理書(shū)表10-1得取標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際齒寬 2.4.3軸的設(shè)計(jì): 初估軸的直徑：在2.42中已得到各軸功率及轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值，下面按照許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的計(jì)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(zhuǎn)速，r/min 爬行機(jī)構(gòu)對(duì)軸I：由機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)C取107 d≥107=6.12mm 根據(jù)電機(jī)軸選取

38、匹配原則，確定電機(jī)軸軸徑為15mm 對(duì)軸II：由機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)C取110 d≥110=8.90mm,考慮軸肩及應(yīng)力集中的因素影響，與軸承配合取，，， 對(duì)軸III ：C取110 D≥110=13.46mm,考慮軸肩及應(yīng)力集中的因素影響，取 對(duì)軸IV：C 取110 D≥110=13.37mm,考慮與軸承配合影響，取 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)軸1：C取118 D≥118=6.75mm,考慮電機(jī)轉(zhuǎn)配因素影響，取 對(duì)軸2：C取118 D≥118=3.91mm,考慮軸承配合因素影響，取， 對(duì)軸3：C取118 D≥118=5.45mm, 考慮與軸承配合影響，取， 對(duì)軸蝸輪軸：C取118 D≥11

39、8=1.84mm，考慮與軸承配合影響，取。 對(duì)軸的校核 按彎扭合成法: 因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)中軸的主要其傳遞轉(zhuǎn)矩作用，可忽略彎曲應(yīng)力的影響，故可直接用扭矩來(lái)校核【1012】, （公式24） 式中—軸所受的轉(zhuǎn)矩，Nmm； —抗扭截面系數(shù)； d—軸的直徑，mm。 有公式24得 因?yàn)檩S的材料為45鋼，查表可得， 故電機(jī)軸安全。 同理可對(duì)傳動(dòng)各軸校核，校核的結(jié)果如下： 軸II： 故傳動(dòng)軸II軸安全 軸III： 故傳動(dòng)軸軸安全 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)電機(jī)軸1： 故轉(zhuǎn)向電機(jī)軸安全 軸2：故傳動(dòng)軸2

40、軸安全 軸3：故傳動(dòng)軸3軸安全 蝸輪軸：故傳動(dòng)軸蝸輪軸軸安全 確定軸的實(shí)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(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.5.1 電機(jī)的選擇 設(shè)轉(zhuǎn)向時(shí)可是實(shí)現(xiàn)每秒轉(zhuǎn)過(guò)30度角，即由于 ，由于轉(zhuǎn)向過(guò)程中的幾何中心與機(jī)器人的重心不可能完成重合，必有偏差，設(shè)這一偏差半徑為0.15，則可計(jì)算出轉(zhuǎn)向時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)，又有，因此得，轉(zhuǎn)動(dòng)總效率 計(jì)算電機(jī)工作時(shí)最大靜轉(zhuǎn)矩：選總降速比，折算到電機(jī)軸上的靜阻負(fù)載轉(zhuǎn)矩查取資料【13】，選擇最大靜轉(zhuǎn)矩為的步進(jìn)電機(jī)75BF3，

41、電機(jī)實(shí)際工作轉(zhuǎn)速，電機(jī)工作時(shí)運(yùn)行頻率，而所選電機(jī)的最高運(yùn)行頻率為1800Hz，因?yàn)檫x電機(jī)符合要求。 2.5.2 分配傳動(dòng)比： 選蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)別為50，則兩級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)比為，設(shè)第一級(jí)齒輪傳動(dòng)，則第二級(jí)齒輪傳動(dòng)比，各軸轉(zhuǎn)速為： ，，，，各軸功率： ，， ，， 有公式17得各軸轉(zhuǎn)矩： ，， ，， 2.5.3 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì) 2.5.3.1 選擇蝸桿傳動(dòng)類(lèi)型：采用漸開(kāi)線蝸桿（ZI）。 2.5.3.2 選擇材料： 由于此處蝸輪蝸桿起轉(zhuǎn)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(qiáng)度計(jì)算： 傳動(dòng)中心距 （公式25） 式中K—確定載荷系數(shù)； —渦輪上的轉(zhuǎn)矩； —彈性影響系數(shù)； —接觸系數(shù)； —許用接觸應(yīng)力 則 （公式26） 式中—使用系數(shù)； —載荷分布不均系數(shù)； —?jiǎng)虞d荷系數(shù)； 取機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)表11-5得；；。 有公式26得； 應(yīng)選用的是蝸輪材料，故。 假設(shè)蝸桿分度圓直徑，和傳動(dòng)中心距的比為，查機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)圖11-18得 查機(jī)械

43、設(shè)計(jì)書(shū)表11-7中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力。 應(yīng)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(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)表11-2中取模數(shù)，蝸桿分度圓直徑。。這時(shí)由，圖11-18中的,因此以上計(jì)算結(jié)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(dǎo)程角；蝸桿軸向齒厚。 蝸輪：蝸輪齒數(shù);變位系數(shù)； 驗(yàn)算傳動(dòng)比，這時(shí)傳動(dòng)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(qiáng)度:

44、 （公式27） 式中—齒形系數(shù) —螺旋角系數(shù) 當(dāng)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(yīng)力 查表11-8的由于蝸輪材料得基本彎曲應(yīng)力。 壽命系數(shù) 彎曲強(qiáng)度是滿足的。 2.6 抬腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)： 絲杠傳動(dòng)傳動(dòng)可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，也可以把直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所謂絲杠傳動(dòng)就是由絲杠副連接相鄰零件而組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它既可以傳遞能量或動(dòng)力，也可以用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)或用來(lái)調(diào)整零件的相互位置。因此在機(jī)床、起重機(jī)設(shè)備、鍛

45、壓機(jī)械、測(cè)量?jī)x器、船舶、飛機(jī)及火炮、火箭發(fā)射裝置等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中都廣泛的應(yīng)用了絲杠副。最常見(jiàn)的絲杠副為滑動(dòng)絲杠副該滾珠絲杠副有兩種?；瑒?dòng)絲杠副具有如下特點(diǎn);結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、鑄造容易；減速傳動(dòng)比大；摩擦阻力大、傳動(dòng)效率低；具有自鎖性；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。而與絲杠副相比，滾珠絲杠副具有以下特點(diǎn)：機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，工藝難度大，成本高。【14】由此確定該機(jī)器人的抬腿運(yùn)動(dòng)由滑動(dòng)絲杠副帶動(dòng)帶動(dòng)真空吸盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 常見(jiàn)的滑動(dòng)絲杠副有四種傳動(dòng)方式;絲桿傳動(dòng)、螺母移動(dòng)；螺母固定、絲杠傳動(dòng)并軸向移動(dòng)；螺母轉(zhuǎn)動(dòng)、絲杠軸向轉(zhuǎn)動(dòng)；絲杠固定。螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并軸向移動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)為機(jī)器人的抬腿運(yùn)動(dòng)，因此選用第一種情況，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)

46、。 當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)角時(shí)，螺母將沿著絲杠的軸向移動(dòng)一段距離S,其值可按下列公式計(jì)算： （公式29） 式中 S—螺母移動(dòng)的軸向距離（mm）； L—螺紋的導(dǎo)程（mm）； —絲杠轉(zhuǎn)過(guò)的角度（rad）。 假設(shè)絲杠的轉(zhuǎn)速為n時(shí)，則螺母移動(dòng)的速度： （公式30） 式中 v—螺母移動(dòng)的速度，mm/s n—絲杠的轉(zhuǎn)速，r/min 設(shè)該機(jī)器人抬腿

47、運(yùn)動(dòng)時(shí)，真空吸盤(pán)抬離壁面50mm，0.2完成，則其速度為設(shè)絲杠裝配阻力矩不得大于1N/m，即有機(jī)械軸上的靜阻轉(zhuǎn)矩，而折算到電機(jī)軸上的靜阻負(fù)載轉(zhuǎn)矩，取步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩，由此可算出所需步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩，由資料查【15】的可選取步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為75BF003,其，絲杠轉(zhuǎn)速，電機(jī)實(shí)際工作轉(zhuǎn)速，電機(jī)工作時(shí)運(yùn)行頻率，符合條件。 抬腿運(yùn)動(dòng)中一對(duì)嚙合齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果：傳動(dòng)比，, ，取，中心，，對(duì)該滑動(dòng)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(guān)資料有 表2-2 絲桿螺母副參數(shù) Table2-2 Wire rod nut pair parameters 公稱(chēng)直徑d 螺

48、距p 中徑 大經(jīng) 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(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程中，有兩處用到了滑動(dòng)絲杠副，其一為機(jī)械手，其二為外吸盤(pán)處。其中選取機(jī)械手處絲杠的公稱(chēng)直徑，螺距；外吸盤(pán)處絲杠的公稱(chēng)直徑，螺距。 滑動(dòng)絲杠副的校核公式為 （公式31） 式中

49、—工作壓強(qiáng) —需用壓強(qiáng) —軸向載荷 —中徑 —工作高度 —旋合圈數(shù) 其中為需用壓強(qiáng)，7.5-18MPa，,經(jīng)校核計(jì)算可知絲杠副參數(shù)選擇符合要求。 2.7 輔助傳動(dòng)件的選擇 2.7.1 傳動(dòng)鍵的選擇： 由于本次設(shè)計(jì)中的的齒輪都是傳遞轉(zhuǎn)矩，不承受軸向力。因此，選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，對(duì)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(jī)械中多選用此型鍵，所以本次設(shè)計(jì)中也選用此型鍵。選用鋼材料。 根據(jù)中的連接軸的直徑，查機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)表6-1，選取鍵的主要尺寸（鍵寬bh鍵高、鍵的公稱(chēng)長(zhǎng)度L）。行走機(jī)構(gòu)：1）平移運(yùn)動(dòng)電機(jī)齒輪鍵55、18mm，2）第一級(jí)傳動(dòng)軸輸

50、入轉(zhuǎn)矩齒輪鍵87、20mm，3）輸出轉(zhuǎn)矩齒輪鍵8x7、28mm，4）第二級(jí)傳動(dòng)軸輸入轉(zhuǎn)矩齒輪鍵12x8、30mm，5）齒輪齒條中齒輪鍵10x8、36mm；6）轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)電機(jī)齒輪鍵6x6、22mm，7）第一級(jí)傳動(dòng)軸輸入轉(zhuǎn)矩齒輪鍵8x7、22mm，8）輸出轉(zhuǎn)矩齒輪鍵8x7、28mm，9）第二級(jí)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩齒輪鍵8x7、25mm，10）蝸輪鍵6x6、22mm。抬腿機(jī)構(gòu)：11）電機(jī)齒輪鍵6x6、22mm，12）絲杠傳動(dòng)輪鍵10x8、18mm。 由于此次設(shè)計(jì)鍵起到的是傳遞轉(zhuǎn)矩作用，所以其失效形式為斷裂，因此較校核時(shí)按斷裂強(qiáng)度計(jì)算:普通平鍵連接的墻訴條件為

51、 （公式32） 式中T—傳遞的轉(zhuǎn)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(zhǎng)度，mm； 圓頭平鍵， （公式34） 式中L—鍵的公稱(chēng)長(zhǎng)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(shí)有一定的沖擊所以見(jiàn)表6-2得靜連接80MPa， 由公式32得： ，，，，，，，，，，，。 由公式33得： ，，，，，，，，，，，。 選取直徑： ，，，，，，，，，，，。 轉(zhuǎn)矩為： ,，,,,，,,,，。 有公式31得： ，，，，，，，，，，，。 由以上結(jié)果的可得，任意鍵的強(qiáng)度均小于其許用強(qiáng)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(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中軸承起到支撐作用，所以選擇角接觸球軸承，它可以同時(shí)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(jù)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(hào)，平移運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)第一級(jí)傳動(dòng)軸承為7204C, 平移運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)第二級(jí)傳動(dòng)軸承為7207C, 轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)第一級(jí)傳動(dòng)軸承為7205C，轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)第二級(jí)傳動(dòng)軸承也為7205C，蝸輪桿的軸承為30204。 （公式35） 式中—溫度系數(shù)； —當(dāng)量動(dòng)載荷； —指數(shù)，球軸承，； —軸承轉(zhuǎn)速，r/min； —預(yù)期計(jì)算壽命。 由于本機(jī)器人在火場(chǎng)中工作，其溫度系數(shù)查機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)表

54、13-4得溫度系數(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)表13-3，選預(yù)期計(jì)算壽命， 各軸轉(zhuǎn)速為：轉(zhuǎn)向部分，，，；平移齒輪轉(zhuǎn)數(shù)，，；由于本次設(shè)計(jì)中齒輪主要是傳遞轉(zhuǎn)矩，而軸向載荷很小，所以在計(jì)算式按純凈向載荷計(jì)算則軸承當(dāng)量動(dòng)載荷： （公式36） 式中—載荷系數(shù)； —徑向載荷，N。 查表13-6得動(dòng)載荷系數(shù)，以移動(dòng)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(jī)械指導(dǎo)書(shū)【16】表12-2，所選軸承基本額定負(fù)載, 極限轉(zhuǎn)速，即<,<,所以初選的軸承合格。同理經(jīng)過(guò)校核計(jì)算，的其它的初選

55、軸承選取也合格。 潤(rùn)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(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的脂潤(rùn)滑方式；滾動(dòng)軸承的密封裝置選擇接觸式的密封裝置，由于本次設(shè)計(jì)中軸的滑動(dòng)速度不高，所以選擇用于脂潤(rùn)滑的場(chǎng)合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的氈圈油封。 2.7.3 其它要素的選擇 參照已有的其他類(lèi)似的機(jī)械，，并根據(jù)螺絲的受力特點(diǎn)進(jìn)行校核，證實(shí)螺絲選取合格；同理選擇了設(shè)計(jì)中的銷(xiāo)、墊圈。由于本次設(shè)計(jì)中的軸只起傳遞轉(zhuǎn)矩得作用，所以選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的彈簧墊圈作為軸向定位【16】。 在選擇粗糙度，形位公差時(shí)，參照已有的其他類(lèi)似的機(jī)械，并經(jīng)過(guò)相關(guān)的尺寸查表選擇，在選擇配合公差時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件的相關(guān)要求進(jìn)行查表選擇?！?6】 2

56、.8 有關(guān)器件選擇 2.8.1 紅外線探測(cè)儀 機(jī)器人見(jiàn)本體固定好后，除了能夠在窗口進(jìn)行滅火外，還應(yīng)能向屋內(nèi)探測(cè)，以便發(fā)現(xiàn)未撤離人員，考慮到發(fā)生火災(zāi)的室內(nèi)光線等情況，應(yīng)選著紅危險(xiǎn)探測(cè)儀，應(yīng)選擇紅外線探測(cè)儀。紅外線傳感器可分為主動(dòng)紅外線傳感器和被動(dòng)紅外線傳感器，而主動(dòng)紅外線傳感器又可分為遮斷式主動(dòng)紅外傳傳感器。其中反射式主動(dòng)紅外傳感器的紅外發(fā)射頭向不防區(qū)發(fā)出紅外型號(hào)，當(dāng)探測(cè)到人時(shí)，紅外線信號(hào)被人體反射回來(lái)，被接收器接收，經(jīng)譯碼電路譯碼，可控制相應(yīng)的通訊設(shè)備或報(bào)警系統(tǒng)，比如可發(fā)出聲音警報(bào)，呼喊火場(chǎng)內(nèi)的未撤離人員。被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器采用熱釋電紅外探測(cè)元件來(lái)探測(cè)路動(dòng)目標(biāo)。只要物體的溫度高于絕對(duì)零度，

57、就會(huì)不停地向四周輻射紅外線，利用移動(dòng)目標(biāo)（如人、畜、車(chē)）自身輻射的紅外線進(jìn)行探測(cè)。被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器具有如下特點(diǎn)：不需要在布防區(qū)域內(nèi)安裝任何裝備，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。由于是被動(dòng)式工作，不產(chǎn)生任何類(lèi)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(wú)能量發(fā)射，不易磨損的活動(dòng)部件，因而功耗低、結(jié)構(gòu)牢固、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)便、可靠性高?！?7】 2.8.2 紅外線攝影 同樣的，為了觀察到火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況，需要安裝紅外線攝像機(jī)。英國(guó)RAE系統(tǒng)公司推出了新型的紅外攝像機(jī)，該微型紅外攝像機(jī)基于320X240非制冷微型紅外技術(shù)，可產(chǎn)生質(zhì)量極佳的高分辨率圖像，從而增強(qiáng)態(tài)勢(shì)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?！?7】 2.8.3 蓄電池 由于該機(jī)器人會(huì)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(lái)源，而一般的蓄電池的額定電壓在6-36V之間，在該機(jī)器人內(nèi)，最大的電機(jī)要110V的電壓，最小的卻只有1.5V，電壓差距較大，只用一個(gè)蓄電池難以實(shí)現(xiàn)，而要是分別供電的話，充電時(shí)又會(huì)碰到麻煩?？紤]采用蓄電池組加穩(wěn)壓電源的方式給機(jī)器人的各個(gè)部分供電。將采用3個(gè)36V和1個(gè)12V蓄電池串聯(lián)達(dá)到最高的110V額定電壓，再用這樣的3組并聯(lián)實(shí)現(xiàn)10A的額定電流要求[18]。36V和12V蓄電池的技術(shù)參數(shù)如下： 表2-3 蓄電池?cái)?shù)據(jù) Table2-3

59、 Battery data 型號(hào) 電壓（v） 電容（Ah） 參考尺寸（毫米） 長(zhǎng) 寬 高 NP3-36 36 3（20小時(shí)） 70 55 110 NP3-12 12 3（20小時(shí)） 70 55 110 參考文獻(xiàn) [1] 龔振邦。機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)[M]。北京:電子工業(yè)出版社 [2] 學(xué)熊有倫,丁漢,劉恩滄編著。機(jī)器人學(xué)[M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993： 243～243 [3] 王棣棠。機(jī)器人工程[M]。北京：科學(xué)出版社，2001 [4] 張福學(xué)。機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用。北京：電子工業(yè)出版社 [

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62、 四年的大學(xué)學(xué)習(xí)生活馬上就要結(jié)束了，在這四年中，我們有了一個(gè)很好的學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的機(jī)會(huì)，而這次畢業(yè)設(shè)計(jì)則給了我們一次實(shí)際應(yīng)用機(jī)會(huì)，理論聯(lián)系實(shí)際，才能將我們的大腦中的知識(shí)挖掘出來(lái)。 在本次設(shè)計(jì)中，我要設(shè)計(jì)的是爬壁式消防機(jī)器人，經(jīng)過(guò)一周的材料搜集與整理，最后采用了框架式的爬壁機(jī)器人。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，使我對(duì)機(jī)器人有了一定的了解，并產(chǎn)生了很大的興趣。在查閱資料過(guò)程中，了解了機(jī)器人的發(fā)展史以及一些典型的機(jī)器人的工作原理。在老師的耐心指導(dǎo)下，使我的設(shè)計(jì)工作能夠得以順利進(jìn)行，并學(xué)到了很多知識(shí)，對(duì)于如何開(kāi)發(fā)一款用戶需要的新產(chǎn)品，已經(jīng)了解了其大體的設(shè)計(jì)思路。在科技高速發(fā)展的今天，機(jī)器人也正越來(lái)越受人們的關(guān)注，而

63、設(shè)計(jì)出一款能夠代替人們進(jìn)行危險(xiǎn)工作的類(lèi)人型機(jī)器人更有其廣闊的發(fā)展前景。消防工作在任何時(shí)候都是一個(gè)社會(huì)所不可輕視的工作，其工作條件的惡劣性和危險(xiǎn)性也是眾所周知的，其中，爬壁式消防機(jī)器人在將來(lái)的社會(huì)了將會(huì)擁有更大的市場(chǎng)。 通過(guò)本次設(shè)計(jì)，使我對(duì)以前學(xué)過(guò)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)有了更深的理解，并在設(shè)計(jì)中熟悉了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)規(guī)范，同時(shí)，夜更深的了解了，在當(dāng)前激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，唯有廉價(jià)，才能贏得廣大用戶的青睞，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品才能有和的發(fā)展前景。 在設(shè)計(jì)中，我也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足之處：比如對(duì)問(wèn)題考慮的不深入不全面，對(duì)一些實(shí)際問(wèn)題，往往理解不夠；知識(shí)范圍窄，限制在一定范圍內(nèi)，使我的設(shè)計(jì)受到了阻礙。所以在以后的工作學(xué)習(xí)中

64、，我還要更加強(qiáng)學(xué)習(xí)，擴(kuò)大知識(shí)范圍。 最后，向在本次設(shè)計(jì)中，給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)，尤其是我的指導(dǎo)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