【文章內容簡介】 不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。正是由于足式結構多樣、運動靈活，適應于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙畢業(yè)設計（論文） 5 物，因此足式結構將在爬壁機器人上有著較好的應用前景。 (3) 驅動設備 傳統(tǒng)伺服電機因功率重量比低，必須安裝在遠離驅動的地方，而且電機高速運行后需有減速齒輪來降低速度，致使傳動系統(tǒng)復雜，結構累贅，不 能滿足實用化的要求，為此需要研制利用功能材料構成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機。 (4) 能源問題 迫切的需要探索出一種新的能源，體積小、供電性能強的電池，或者通過遙控途徑對機器人提供能量和控制信號。目前國內外正對此進行積極研究，這方面日本取得了較大的成果。日本已經(jīng)較為成功的將微波技術應用到一臺無線機器人上，該技術成功的應用將會使爬壁機器人的運動范圍得到較大的擴展。 研究內容及研究方法 研究內容 （ 1） 根據(jù) 機械設計制造 技術要求，設計出適合 鉤爪式爬壁機器人攀爬垂直墻壁的鉤爪，設計 合適的鉤爪結構及尺寸，鉤爪的形狀和數(shù)目等。合理的設計連接鉤爪支撐架的擺動連桿連接處等部件。 （ 2）通過對 鉤爪式爬壁機器人 的設計研究，確定 機器人的爬行速度 與 驅動電機 之間的關系。 （ 3）設計 鉤爪式爬壁機器人 的 整體 結構及 安全 裝置。 研究方法 （ 1）深入調查研究，了解目前 鉤爪式爬壁機器人 的結構形式，理解其工作原理； （ 2）通過查閱相關資料和深入 學習 ，制定 鉤爪式爬壁機器人 結構設計方案； （ 3）實施 鉤爪式爬壁機器人 的設計：包括相關零部件的選擇（ 抽 風機的選擇）和 擺動兩岸 的設計。 畢業(yè)設計（論文） 6 第 2 章 鉤爪式爬壁機 器人方案設計 總體方案分析 欲使機器人在壁面上自由地移動，必須具備兩種功能 :抓附功能與移動功能。抓附方式通過鉤爪抓取粗糙傾斜壁面；通過自身重力使機器人對墻面有一個正壓力，應用一組鉤爪抓取壁面，使自身固定在上面。再通過另一組鉤爪的間歇運動實現(xiàn)爬壁運動。 在設計移動機器人系統(tǒng)時，首先應考慮機器人的用途，因為不同的用途，移動機器人的移動機構是不同的。此外，還應考慮機器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機動性、可控性、復雜性、外型尺寸及制作費用等。 設計這種爬壁機器人，它的工作對象為粗糙的傾斜壁面。機器人要求有 一定的承載能力、接觸面積小、速度適中，適應能力強。通過比較各種方案，設計了一種連桿機構爬行結構形式，這是一種新穎的爬行機構設計方案，該方案能基本滿足我們設定的工作狀況。在爬行機器人結構中用連桿機構爬行具有很多優(yōu)點，結構簡單緊湊、運行平穩(wěn)，控制簡便，還可以根據(jù)使用要求，作各種變形設計，具有較高的技術經(jīng)濟效果。 本體系統(tǒng)設計 根據(jù)以上的總體結構方案，結合鉤爪式爬壁機器人工作環(huán)境特點，本課題設計的爬壁機器人樣機結構簡圖如圖 21： 畢業(yè)設計（論文） 7 圖 21樣機結構 動力部分由小功率電機驅動，為了獲得所需要的速度 ，在電機前面加了蝸輪蝸桿減速器，防止機器人在爬壁過程中出現(xiàn)由于突然斷電等原因引起的不穩(wěn)定因素。根據(jù)杠桿原理，起到了很好的自鎖作用，整個機器人采用 45 號鋼材料，在減輕自身重量的情況下最大程度獲得很高的強度和剛度。 現(xiàn)存問題 國際上對爬壁機器人的研究已經(jīng)有了幾十年的歷史，也研究出了各種各樣的樣機或產(chǎn)品，總體起來看，爬壁機器人人還存在著如下一些問題： 第一，運動靈活性與吸附能力的矛盾。一般要求爬壁機器人攜帶一定重量的負載，這就要求它具備可靠、穩(wěn)定的性能，但這一要求得到滿足的同時，其運動速度、靈活性、對 壁面的適應能力必須會受到不同程度的影響。 第二，集成化與可靠性的矛盾。從實用角度說，人們當然希望機器人有較高的集成度，又有較高的可靠性，但是，鄭重說法只是理論上成立，現(xiàn)實中不能完美結合。這一矛盾有賴于新型能源的開發(fā)和無線通訊技術的發(fā)展。 第三，智能化問題。就爬壁機器人的現(xiàn)狀來說，智能化不盡如人意，這里的智能化主要是指對環(huán)境的自主適應能力，自動壁障能力，自動糾錯能力等等。影響這些能力的關鍵是傳感技術和控制技術的發(fā)展。 第四，通用化合產(chǎn)業(yè)化問題。目前，研制的爬壁機器人大都是針對某一種工作要求面設計的，對壁面材料 和形貌的依賴性比較大，很難具有普遍的適用性。另外，正式由于通用性和可靠性的限制，爬壁機器人的產(chǎn)業(yè)化道路始終走的比較緩慢，這也是爬壁機器人在相當長的一段時間內所面臨的問題之一。 畢業(yè)設計（論文） 8 本課題的開發(fā)具有以下優(yōu)點 （ 1）克服了傳統(tǒng)爬壁機器人真空系統(tǒng)復雜、噪音大、吸附輔助時間長等特點，創(chuàng)新性的提出了鉤爪鉤取抓附；該機構具有耗能小，結構簡單的特點，鉤取和脫離快速，平穩(wěn)等優(yōu)點，噪音也比較小。并在試驗中取得了良好的實驗效果。 （ 2）采用軸、推理軸承、蝸輪蝸桿等標準件，結構簡單，穩(wěn)定，可靠。加快了機器人的應用開發(fā)。 （ 3）在研究動力學和運動學基礎上開發(fā)的壁面規(guī)劃項目，可以成功實現(xiàn)預期爬行，又壁面控制系統(tǒng)的復雜。 機器人基本功能方案 抓附方案的選擇 應用在帕比機器人領域比較成熟的吸附方式主要有三種，即真空吸附、永磁吸附和電磁吸附，但都有相應的缺點。 中空吸附是依靠真空吸盤將機器人本體吸附于壁面，其特點是壁面必須光滑，當壁面有裂縫或者凹凸不平時，容易造成吸盤漏氣，吸附力降低。嚴重的會使機器人從壁面剝離，要是想完美實現(xiàn)難度較高。突然停電、斷電或輸送氣管等的故障均可使機器人從壁面剝落。 磁吸附包括永磁式和電 磁式兩種，依靠磁力吸附于壁面。但要求壁面是磁性金屬。這個條件限制其應用范圍。但是它的吸附力遠大于真空吸附，對壁面適應能力較強。 我們要求爬行的壁面為傾斜且粗糙度很大的壁面，最好是砂石壁面，像我們學校的一號寢室樓的那種，所以，以上兩種吸附方式均不可。 我們設計的方案是鉤爪抓附方案，每個爪子上有一個爪框和三片爪片，爪片上有爪尖，移動時通過擺動連桿的擺動，使兩組鉤爪相互交錯上下運動，爪尖抓附壁面，使機器人爬行。 綜合以上原因，本次畢業(yè)設計的方案為鉤爪抓附，這樣的機構有以下優(yōu)點： (1) 穩(wěn)定性好。結構簡單； (2) 與機器人合為 一體，擴大了工作范圍； (3) 能源消耗少，減輕機器人自重； (4) 適應機器人爬行壁面的結構和材料； (5) 運動速度快，提高工作效率 畢業(yè)設計（論文） 9 移動方案的選擇 爬壁機器人主要的移動方式可分為：車輪式、履帶式、腳步行式等。其原理和特點如下： （ 1） 車輪式 原理：配置多個輪子，每個輪子有電機驅動。 特點：移動速度較快，便于控制，接觸地面面積小，維持一定的摩擦力較為困難。 （ 2） 履帶式 原理：有電機驅動兩個無軌道履帶 特點：著地面積大，對壁面適應性強，體積較大 （ 3） 腳步行式 原理：通過與多個腳的反復吸附與脫落來進行移動 特點：移動困難，移動速度慢 ，帶載能力強 為了克服傳統(tǒng)爬壁機器人的性能限制，人們又研制出了其他一些形式的機器人。如：飛行形式，繩索牽動形式等，但這些還處于實驗階段。 根據(jù)我們面臨的條件，粗糙的傾斜壁面，吸附機構為鉤爪抓取，如果用履帶式和車輪式不能與鉤爪機構相互配合，就算配合了也比較勉強，多此一舉，既浪費資源，又沒有用處。所以我們選用鉤爪直接支撐壁面，帶動機器人運動，這種移動方案比較新穎，經(jīng)過實驗，雖然還不盡善盡美，但也滿足了我們的要求。 總體方案性能分析 對鉤爪式爬壁機器人的基本要求是，能夠在粗糙的傾斜壁面上平穩(wěn)可靠的移動， 并成功的完成任務，因此，機器人應滿足以下若干性能要求。 負載能力 按照模塊化設計的思想，鉤爪式爬壁機器人本體是各種功能模塊的載體，在本體上安裝不同的模塊，就可以實現(xiàn)多樣的功能，如檢測、檢修、噴漆、除銹等等。為此，要求機器人具備一定的負載能力。如果按照工作機構的平均重量在 左右，如果再考慮附屬機構、電源線、信號線等重量，機器人負載能力應該在 3kg 左右，當然，這個負載并不包括機器人自重。 畢業(yè)設計（論文） 10 機構尺寸 一方面，機器人要順利地出入各種復雜壁面結構，而要出入各種壁面的復雜地形只能通過機器 人的自身變形。綜上所述，設定機器人的尺寸約為460x350x240mm。 移動速度 移動速度的設定主要取決于高效性和安全性來年各個安全因素來考慮，在考慮安全因素和電機功率限制的條件下，機器人的移動速度 V 平 = 設計性能指標 （ 1）最大尺寸： 460x350x250mm （ 2） )機器人自重：≤ （ 3）機器人負載能力≤ 5kg （ 4）移動速度 2—8m/min 畢業(yè)設計（論文） 11 第 3 章 結構設計 電機的選擇 根據(jù)鉤爪式爬壁機器人的爬行速度與本 身的重量，確定電機的功率為小功率電機。 試選電機 選取機座型號為代號 50 的電機 功率 W=，電流 I=，轉速 n=1400r/min，效率為η =50%。 根據(jù)以上數(shù)據(jù)算出： npT ?? =m P3=40 50%= 功率太小，不足以帶動機器人順利爬行，隨意要重新選擇電機。 再次選取機座型號為代號 A025624 的小功率電機 功率 W=，轉速 r=1400r/min，效率為η =58%。 根據(jù)以上數(shù)據(jù)算出： P1=90 58%= P2=90 58%= P1= P2= P1——電機 傳遞的功率，單位為 kW； P2——蝸桿 傳遞的功率，單位為 kW； 畢業(yè)設計（論文） 12 P3——蝸輪 傳遞的功率，單位為 kW； P4——凸輪 傳遞的功率，單位為 kW； n1——電機的轉速，單位為 r/min； n2——蝸桿的轉速，單位為 r/min； n3——蝸輪的轉速，單位為 r/min； n4——凸輪的轉速，單位為 r/min； 校核電機 21 25zi z?? 1321400 5 6 / m in25nnrn? ? ? 43 56 / m inn n r?? 凸輪每轉一圈，機器人整體運動 64mm 364 10 56 / m i n /V m m s?? ? ? ? ? 機器人運動，作用在導軌上的力為 300N 所以，凸輪作用在擺動連桿上的力為 600N P驅 = 6 0 0 0 . 0 6 0 . 0 3 61 0 0 0 1 0 0 0FV KW??? P ?驅 凸 = P凸 ?凸 =98% 解得： P凸 = P2/η = P1 解得： P1=＜ 電機滿足我們的要求，可以選用。 聯(lián)軸器的選擇 彈性聯(lián)軸節(jié)的選擇： 畢業(yè)設計（論文） 13 以下選擇連軸器的型號。計算轉矩 TKT Aca ? ，考慮到轉矩變化應取?AK ，則 9 5 5 0 5 9 .6 9PT n? ? ? Nm 59. 69c a AT K T? ? ? ? ? m 根據(jù)計算轉矩，查 文獻 [18]，選用 TL 4 型，半聯(lián)軸器的孔徑直徑為 14mm 滑桿的設計與校核 校核滑桿的抗彎強度 兩根滑桿選擇的材料為 45號鋼 桿 1：長 x寬 x高 =588x30x30mm 桿 2：長 x寬 x高 =510x30x30mm 比較兩桿，桿 1與桿 2 相比，桿 1比桿 2 長 78mm，所以桿 1 沒有桿 2 穩(wěn)固，又因為桿 1 和桿 2 的運動形式相同，受到的載荷也相 同，因此，只要校核桿 1的強度即可，如果桿 1 滿足條件，桿 2也相應的滿足，如果桿 1不滿足，則校核之后再校核桿 1，設計完成在校核，知道滿足所要求即可。 構如圖 31: 圖 31 桿 1的結構簡圖 畢業(yè)設計（論文） 14 桿 2 的形狀與桿 1 相同，長度短 78mm 已知：機器人的重量為 m1=25kg 負載情況為 m2=5kg G1=m1g=250N/kg G2=m2g=50N G=G1? G2=300N 當機器人在水平面上爬行時，滑桿受到的剪切力與 彎矩最大，只要校核這一極限位置即可校核剪切力與彎矩。 桿 1 的受力情況如圖 32： 圖 32 桿 1 的受力情況 桿 1 的運動情況有兩種，一種在最下面，另一種情況在嘴上面，這兩種情況是桿 1 受到的兩種極限位置，校核這兩個位置即可。 （ 1）桿 1 運動到最下面的位置時 L1? 185mm L2? 403mm ? ?0Fy FA? FB? 2G ? 0 ?AM ? 0 FB(L1? L2) ? 2G L2? 0 FB=150211LLL? ? FA? 150? ? 如圖（ 1） ? ?0Fy FA? FS1? 0 FS1? ?S1M ?0 MS1? FAX1? 0 畢業(yè)設計（論文） 15