【正文】 250??? =, 考慮與軸承配合影響，取 11 12 25d d mm?? ， 13 22d mm? 對軸蝸輪軸： 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??。 有公式 26得 5 1 65AvK K K K?? ? ? ? ?； 應選用的是蝸輪材料 ，故 12160EZ MPa? 。 蝸桿與蝸輪的主要參數與幾何尺寸： 蝸 桿 ： 軸 向 齒 距 m mm??? ； 直 徑 系 數 ? ； 齒 頂 圓 直 徑*11 2 28 2 1 33aad d h m? ? ? ? ? ? ?；齒根圓直徑 ? ?**1 2 2 2nad d h c m m m? ? ? ?；分度圓導程角 39。 56F MPa? ? 。而與絲杠副相比，滾珠絲杠副具有以下特點： 機構較復雜，工藝難度大 ，成本高。 抬腿運動中一對嚙合齒輪的設計計算結果： 傳動比 3i? ， 1 25Z? , 2 3 25 75Z ? ? ? ，取 2m? ，中心 ? ?2 2 5 7 5 1002a m m????， 1150d mZ mm?? ， 22150d mZ mm?? 對該滑動絲杠副，選取梯形螺紋，則 ?? ，而螺桿直徑? ?2 PFd ? ?? ，螺紋的工作高度 ? ,查得相關資料有 表 22 絲桿螺母副參數 Table22 Wire rod nut pair parameters 公稱直徑 d 螺距 p 中徑 22dD? 大經 4D 小徑 3d 1D 28 3 25 5 23 8 24 29 19 20 32 3 29 6 29 33 25 26 10 27 33 21 22 在該機器人的設計過程中，有兩處用到了滑動絲杠副，其一為機械手，其二為外吸盤處。 抬腿機構： 11） 電機齒輪鍵 6x 22mm， 12） 絲杠傳動輪鍵 10x 18mm。 軸承 件 的選擇 由于本次設計中，運動機構中軸承起到支撐作用，所以選 擇角接觸球軸承，它可以同時承受徑向及軸向載荷。 10000hLh? ， 各軸轉速為：轉向部分 150 / minnr? ? ， 7 5 0 / m in2nnr??? ??，2 5 0 / m in n3nnr????? ? ? ? 蝸 桿， n 5 / m in50nr??蝸 桿蝸 輪 ；平移齒輪轉數 1n =3000 / minr ，2n =1000 / minr ， 3=273r/minn ； 由于本次設計中齒輪主要是傳遞轉矩，而軸向載荷很小，所以在計算式按純凈向載荷計算則 軸承當量動載荷： prP f F? （公式 36） 式中 pf — 載荷系數； rF — 徑向載荷， N。 其 它要 素 的選擇 參照已有的其他類似的機械，并根據螺絲的受力特點進行校核，證實螺絲選取合格 ；同理選擇了設計中的銷、墊圈。被 動紅外入侵探測器具有如下特點 ：不需要在布防區(qū)域內安裝任何裝備，可實現 遠距離控制。將采用 3個 36V 和 1 個 12V 蓄電池串聯達到最高的 110V 額定電壓，再用這樣的 3組并聯實現 10A的額定電流要求 [18]。 【 17】 蓄電池 由于該機器人會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源，而一般的蓄電池的額定電壓在 636V 之間，在該機器人內，最大的電機要 110V 的電壓，最小的卻只有 ，電壓差距較大，只用一個蓄電池難以實現，而要是分別供電的話，充電時又會碰到麻煩。被動紅外 入侵探測器采用熱釋電紅外探測元件來探測路動目標。同理經過校核計算，的其它的初選軸承選取也合格。hL — 預期計算壽命。 30 由以上結果的可得，任意鍵的 強度p?均小于其許用強度p?????，即 pp???????。 根據中的連接軸的直徑，查機 械設計書表 61，選取 鍵的 主要尺寸（鍵寬 b? h鍵 高、鍵的 公稱 長度 L）。 當絲杠轉動過 ? 角時，螺母將沿著絲杠的軸向移動一段距離 S,其值可按下列公式計算： 2LS ??? （公式 29） 式中 S— 螺母移動的軸向距離（ mm） ； L— 螺紋的導程（ mm） ； ? — 絲杠轉過的角度（ rad） ?；瑒咏z杠副具有如下特點 。 蝸輪分度圓直徑 22 5 3 2 .5 1 0 2 .5d m z m m? ? ? ?； 蝸輪 喉 圓直徑 *22 2 10 2. 5 2 1 2. 5 10 7. 5aad d h m m m? ? ? ? ? ? ? 蝸輪齒根圓直徑 *22 2 1 0 2 .5 2 1 2 .5 9 7 .5fad d h m m m? ? ? ? ? ? ? 蝸輪咽喉母圓半徑 22116 3 1 0 7 . 5 9 . 2 522gar a d m m? ? ? ? ? ? 校核齒根彎曲疲勞強度 : ? ?2 2121 .5 3F F A FKT YYd d m ????? （公式 27） 式中 2FAY — 齒形系數 Y? — 螺旋角系數 當量齒數 22 3353 5 3 . 5 4c o s c o s 5 . 1v zz ?? ? ? 從圖 1119中可查的齒形系數 2 ? 螺旋角系數 1 6140Y? ?? ? ? （公式 28） 許用彎曲應力 ? ? ? ?39。這時 1 a?由，圖 1118中的 39。 選擇材料： 由于此處蝸輪蝸桿起轉向作用，比較重要，故選我趕材料為 40Cr，表面淬火， 硬度4550HRC；渦輪齒圈材料為 ZcuSn10P1，金屬模鑄造。 有公式 20 得 1 33 2212 2 1 27Fa San FdK mmYYTm Z? ? ??? ? ? ? ??? ???， 由機械原理書表 101 得取標準值 圓整 n mmm ?，取分度圓直徑1 67mmd ?。 ? ，運動和動力參數如下： 表 21 爬行系統(tǒng)數據 Table21 Crawling system data 電機軸 Ⅱ 軸 Ⅲ 軸 工作機 軸 N(r/min) 3000 1000 273 273 P(kw) T(Nm) i 3 1 ? 第一級斜齒圓柱齒輪： 因是一般用途的齒輪傳動，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，參考機械設計書 表 101，選小齒輪調質，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。 工作壽命 3 36 5 16 17 52 0HLh? ? ? ?， j=1 ， n=86 0 6 0 2 7 3 1 1 7 5 2 0 2 .8 710hN n jL? ? ? ? ? ? ?， 由械設計書上圖 1018 查得壽命系數Kn= 圖 1020 查得 6 0 0 7 0 % 4 2 0FE MPa? ? ? ?， 則 由公式 10 得 ? ? 0 .9 0 4 2 0 2531 .5N FEF M P aSK ?? ?? ? ? 12 有公式 9得 2 2 4 5 2 .4 6 1 .6 5 0 .6 10 .6 3 5 2 5 3m ??? ? ? ?? 有機械原理書 取 m=4，校核齒輪面接觸強度 區(qū)安全系數 ?? ，工作壽命 3 36 5 16 17 52 0HLh? ? ? ?， j=1， n=環(huán)次數 86 0 6 0 2 7 2 .9 8 1 1 7 5 2 0 2 .8 7 10hN n jL? ? ? ? ? ? ?，由械設計書上圖 1019 查得壽命系數 Kn= 圖 1021 查得 90 0 70 % 63 0H MPa? ? ? ?， 則 則 由公式 10? ? 0 . 9 2 6 3 0 3 8 6 . 41 . 5N FEH M P aSK ?? ?? ? ? 311tHEHdK F ZZd ??? ? ??? （公式 12） 式中HZ— 區(qū)域系數 ； EZ— 彈性影響系數 ； 1d — 對應分度圓 直徑 ； ? — 泊松比 ； d? — 齒寬系數 ； K— 載荷系數。此時內吸盤處于吸附狀態(tài)，外吸盤對壁面已有一定壓力但尚未吸附，這種壓力對機器的吸附狀態(tài)是有害的?！?摩擦系數 。這一點由機器人上處于吸附狀態(tài)的足來保證。 而總框架上的旋轉由電機（步進電機 ）經兩級直齒輪減速 后帶動一蝸桿軸旋轉，與蝸桿嚙合的蝸輪（安裝于內框間的中心軸上）隨之轉動，從而實現中框和內框架的相對旋轉運動。圖 c為本次設計采用的機構，內吸盤組集中驅動，外吸盤組分別驅動。 2 總體設計 設計任務分析 本款壁面移動機器人是為具有窗框結構的粉墻、漆墻、水磨石強等類型避免的高層建筑的消防工作而研究設計的。實驗證明，這種爬行機構行走靈活，有一定的承載能力，對壁面適應能力也較強，可由于表面變化不劇烈的各種垂直壁面上的多種 作業(yè)。車輪式移動速度快， 控制靈活，但維持一定的吸附力較困難； 腿 足式移動 速度慢，但負載能力強；履帶式隊壁面的適應性強，且著地面積大，但不易轉彎。 [2] 此外，正對在坡度很陡的外壁上進行作業(yè)的高危險性，一種能在避免上貼附并能移動進行作業(yè)的爬壁機器人也受到關注，其需求的對象如：用于核電站路新內壁上清除污染物的機器人 。 2 該機器人能沿著從建筑物頂部放下來的鋼絲繩自己用絞車向上提升，然后它可以利用負壓吸盤在建筑物上自由移動。 噴射滅火機器人 ： 這種機器人于 1989 年研制成功，屬于遙控消防機器人的一種，用于在狹窄的通道和地下區(qū)域進行滅火 。當時舞廳內有２００人左右，大部分逃生，但有１９人因一氧化碳中毒窒息死 亡。經過十幾個小時的緊張救援，長春市天元商廈火情得到控制。 1984 年 11月，在日本東京的一個電纜隧道內發(fā)生 了一起火災，消防隊員不得不在濃煙和高溫的危險環(huán)境下在隧道內滅火。當機器人到達火災現場時，為了撲滅火焰，噴嘴將水流轉變成高壓水霧噴向火焰。這種機器人能夠將受傷人員轉移到安全地帶。按吸附功能分類：真空吸附和磁吸附兩種形式：真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結構形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點，但當壁面凸凹不平時 ，容易使吸盤漏氣，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。針對真空吸附方式，將各類爬壁機器人 優(yōu)缺點及各種爬壁機構性能比較列表如下： 表 11 各類爬壁機器人優(yōu)缺點比較 Table11 All kinds of climbing robot advantages and disadvantages 真空泵 噴射器 車輪式 移動速度快，轉向方便，著地面小，無須加供氣裝置 ，但要求壁面有一定光滑度，越障能力低 移動速度快，控制方便，維持吸附力較困難，能力低，噪音大，徐供氣設備，可達高真空，對壁面適應性好 3 路帶式 著地面積大，對壁面適應性強，行走速度快，負載能力大，但轉向不易，適于多吸盤結構 可將吸盤布置于履帶上，個吸盤的真空度由噴射器產生， 對壁面適應性強，越障能力大，需供氣裝置 足腿式 能跨臺階，但動作是間歇的，速度不快，可以實現多吸盤形式，但負載能力不大，無需供氣裝置 需供氣裝置，可實現多吸盤形式，間歇動作，真空度高，但噪聲大，負載能力小 表 12 各種爬壁機構 性能比較 Table12 All sorts of climbing performance parison institutions 機械實施 控制實施 速度 運動平穩(wěn)性 轉向性能 載重自重比 越障能力 壁面適應性 壁面附設要求 偏心扭擺式 B A C D C B B C 無 多層框架式 B B B C A A B B 無 特種履帶式 D C B B C B C C 無 獨立驅動足式 C D D B A D A A 無 輪式及其變形 B A B B B C C D 無 輪驅動規(guī)行式 B A A A 無 A D D 有 索吊軌行式 A A A A 無 A 無 D 有 *A→ D（高分→低分） 4 目前，在外國，特別是日本，爬壁式機器人的研究和應用比較突出，主要產品有車輪式磁吸附爬壁機器人，步行式磁吸附爬壁機器人，吸盤式磁吸附爬壁機器人及履帶式磁吸附爬壁機器