【正文】 aad d h m? ? ? ? ? ? ?；齒根圓直徑 ? ?**1 2 2 2nad d h c m m m? ? ? ?；分度圓導(dǎo)程角 39。 2 6 8 1 .1 2 9 4 .8H H N HK??? ? ? ? 取 1 1z? ， 23 36481T T M Pa?? ，有公式 25得 25 ? ?2 233 2 5 364 81 HZZa K T m m??? ???? ? ? ? ??? ?????? 取中心距 63a mm? ，因 50i? ，故查機(jī)械設(shè)計(jì)書表 112中取模數(shù) mm? ，蝸桿分度圓直徑。 有公式 26得 5 1 65AvK K K K?? ? ? ? ?； 應(yīng)選用的是蝸輪材料 ，故 12160EZ MPa? 。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 電機(jī)的選擇 23 設(shè)轉(zhuǎn)向時(shí)可是實(shí)現(xiàn)每秒轉(zhuǎn)過 30 度角，即 2 5 / minnr? 由 于 ，由于轉(zhuǎn)向過程 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 ，則可計(jì)算出轉(zhuǎn) 向 時(shí) 的 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 25 N m? ? ? ? ?，又有 9550T P n? ，因此得 kw? ，轉(zhuǎn)動(dòng)總效率 230 .9 7 0 .7 5 0 .9 9 0 .9 8 0 .6 6? ? ? ? ? ? 計(jì)算電機(jī)工作時(shí)最大靜轉(zhuǎn)矩 ：選總降速比 300i? ，折算到電機(jī)軸上的靜阻負(fù)載轉(zhuǎn)矩1m a x 0 .3 7 20 .5j TT N m? ? ?查取資料【 13】 ，選擇最大靜轉(zhuǎn)矩 為 ? 的步進(jìn)電機(jī) 75BF3，電機(jī)實(shí)際 工作轉(zhuǎn)速 30 0 5 15 00 / m innr? ? ? ，電機(jī)工作時(shí)運(yùn)行頻率 2 60 nf Hz????，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。 （公式 22） 大、小齒輪的分度圓直徑 11 2 7 2 .5 6 7 .5Z m m md ? ? ? ?， 22 99 2. 5 24 7. 5Z m m md ? ? ? ?， 齒寬1 0 .9 6 7 .5 6 0 .7 5db m md?? ? ? ?，實(shí)際齒寬1 65mmB ? 軸的設(shè)計(jì) : 初估軸的直徑： 在 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 : 21 (1)軸徑估算 3 PdCn? （公式 23） 式中 C — 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 C取 107 d≥ 107 3 3000?= 根據(jù)電機(jī)軸選取匹配原則，確定電機(jī)軸軸徑為 15mm 對(duì)軸 II：由機(jī)械設(shè)計(jì)書 C 取 110 d≥ 110 3 1000?=, 考慮軸肩及應(yīng)力集中的因素影響，與軸承配合取2520d d mm?? ， 3 26d mm? ， 4 27d mm? ， 對(duì)軸 III ： C取 110 D≥ 110 3 273?=,考慮軸 肩及應(yīng)力集中的因素影響，取 6 40d mm? 對(duì)軸 IV： C 取 110 D≥ 110 3 273?=,考慮與軸承配合影響，取 7 35d mm? 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)軸 1： C取 118 D≥ 118 33 10150??? =,考慮電機(jī)轉(zhuǎn)配因素影響，取 20d mm? 對(duì)軸 2： C取 118 D ≥ 118 33 10750??? =, 考 慮 軸 承 配 合 因 素 影 響 ， 取 8 11 22d d mm?? ，9 10 25d d mm?? 對(duì)軸 3： C取 118 D≥ 118 33 26 10250??? =, 考慮與軸承配合影響，取 11 12 25d d mm?? ， 13 22d mm? 對(duì)軸蝸輪軸： C取 118 22 D≥ 118 33 105??? =，考慮與軸承配合影響，取 14 152 2 , 2 0d m m d m m??。 按中心距修正螺旋角 ? ? ? ?11 1 8 5 4 1a r c c o s a r c c o s 1 8 . 6 72 2 3 8na mZZ?? ??? ? ??， 大、小齒輪的分度圓直徑 11 1 8 1 19c o s c o s 1 8 .6 7n mmmZd ? ?? ? ?， 18 22 5 4 1 57c o s c o s 1 8 .6 7n mmmZd ? ?? ? ?， 齒寬 1 1 1 9 1 9db m md?? ? ? ?，實(shí)際齒寬 1 25mmB ? 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)計(jì)書上表 101，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)。 因?yàn)槭擒淉X面接觸按解除疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) ? ?213 2 1dK HEdHZZT???? ? ??? ?????? （公式 17） 式中??— 齒面重合度 ； ,初選 ? ，由機(jī)械設(shè)計(jì)書圖 1030 選取區(qū)域系數(shù) ? ， 表 106 查得彈性影響系數(shù) E= , 由圖 1026查得 1 2 1 20 .7 6 5 , 0 .8 0 0 , 1 .5 6 5? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?則 端 面 重 合 度， 511 10 PT n? ? ? （公式 18） 15 式中 P— 傳動(dòng)功率 kw； n— 轉(zhuǎn)速， r/min。3gi ? ，則第二級(jí) 39。 由以上假設(shè) 由公式 13 得 1 4 35 14 0m z m md ? ? ? ?， 由械設(shè)計(jì)書上表 107 查得 ? ? ，1 1tZZ???， 由械設(shè)計(jì)書上表 106 查得彈性影響系數(shù) ? ，區(qū)域系數(shù) ? , 1db d?? （公式 14） 式中 d? — 齒寬系數(shù)； 13 1d— 分度圓直徑 由公式 14得 齒寬 , 1 0 . 7 1 4 0 1 0 1 0 8d mmbd?? ? ? ? ?, AvK K K K K??? （公式 15） 式中AK— 使用系數(shù)； vK— 動(dòng)載荷系數(shù) ； K? — 齒間載荷分布系數(shù)； K? — 齒向載荷分 布系數(shù) 。 i 2 T 2 T= 2 5 9 . 8 2 4 5d m zF N? ? ? ?，取 z=35，則 2 4 5 m z 2 4 5 3 5 mT = 4 2 8 7 . 5 m22 N???? 又3 2Fd2 KT YYm Z Fa S a? ???【 】 （公式 8） SaFdKm YYt FaZF? ?? ? ?【 】 （公式 9） 式中 K — 載荷系數(shù) tF — 切向力 11 d?— 齒寬系數(shù) Z — 對(duì)應(yīng)齒數(shù) YFa — 齒形系數(shù) SaY— 應(yīng)力校正系數(shù) F?【 】— 許用應(yīng)力 由械設(shè)計(jì)書上表 102 取 A ? ,初選載荷系數(shù) t 2K? 由械設(shè)計(jì)書上表 105 查得 112. 45 , 1. 65Fa SaYY??， 由械設(shè)計(jì)書上表 107 查得 ， ? ? ? ? N FEF SK ?? ? （公式 10） 式中 S — 區(qū)安全系數(shù) ； NK— 壽命系數(shù) ； FE?— 彎曲疲勞強(qiáng)度 ； 區(qū)安全系數(shù) ?? 。 [9] 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)來實(shí)現(xiàn)的。 ，即 ? 。 用水平方向靜力平衡方程n isi1N=n F? ?? 代入公 式 1得 [] Sw n F?? ? ? , （公式 2） 式中 n— 安全系數(shù) 181。為摩擦系數(shù) ），有鉛垂方向靜力平衡方程 【 8】 得 ? ? 11nnfi iiiW F N???? ? ??? （公式 1） 式中 fF — 單個(gè)吸盤摩擦力， N。 再該機(jī)器人行走過程中的任一時(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，每只吸盤上吸力 Fs，壁面法相反力 Ni和切向反力（摩擦力） Ffi=1,2,…， n 8 圖 23 機(jī)架方案 Figure23 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壁面傾覆兩方面，其中抗滑落安全系數(shù) S 滑 =[w]Ws ，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；它是吸盤于壁面處于臨界摩擦狀態(tài)時(shí)最大允許機(jī)器人重力。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。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，通過一對(duì)齒輪將運(yùn)動(dòng)傳遞到絲杠上，與絲杠嚙合的螺母執(zhí)行直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與其骨節(jié)的外吸盤的 抬腿運(yùn)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 。 為框架上的四個(gè) 足組肩上分別裝有一個(gè)真空吸盤（為吸盤）。 6 圖 21 壁面移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)組成框圖 Figure21 Wall mobile robot system diagram 圖 22 多層框架式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有幾種可能的實(shí)現(xiàn)方案 Figure21 Multilayer frame type mobile mechanism has several possible scheme 無線通訊 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) 7 其中 a為內(nèi)外吸盤組的整體驅(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，兩組吸盤要保證較大的剛性有一定困難。 在吸收國外研究成果的基礎(chǔ)上，重兼顧先進(jìn)性和實(shí)用性兩方面發(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)等類型的壁面； 運(yùn)動(dòng)速度：無障礙直線 行走 最大速度 20m∕ s； 無障礙直線行走平均速度 ∕ s； 無障礙方位回轉(zhuǎn)速度 30176。 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。 {7} 由此可見，無論是在國外還是國內(nèi)，爬壁機(jī)器人及各種類型的消防機(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。他 們研究的兩載體機(jī)構(gòu)有：（ 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)。 [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，用真空吸盤實(shí)現(xiàn)吸附。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。 [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。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。 救護(hù)機(jī)器人 ： 救護(hù)機(jī)器人于 1994 年第一次投入使用。 攀登營救機(jī)器人 ： 攀登營救機(jī)器人于 1993 年第一次使用。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)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。過火面積１２７０平方米??！