【文章內(nèi)容簡介】 不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運(yùn)動(dòng)靈活，適應(yīng)于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 物，因此足式結(jié)構(gòu)將在爬壁機(jī)器人上有著較好的應(yīng)用前景。 (3) 驅(qū)動(dòng)設(shè)備 傳統(tǒng)伺服電機(jī)因功率重量比低，必須安裝在遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)的地方，而且電機(jī)高速運(yùn)行后需有減速齒輪來降低速度，致使傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)累贅，不 能滿足實(shí)用化的要求，為此需要研制利用功能材料構(gòu)成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機(jī)。 (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(qiáng)的電池，或者通過遙控途徑對機(jī)器人提供能量和控制信號(hào)。目前國內(nèi)外正對此進(jìn)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(shù)應(yīng)用到一臺(tái)無線機(jī)器人上，該技術(shù)成功的應(yīng)用將會(huì)使爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍得到較大的擴(kuò)展。 研究內(nèi)容及研究方法 研究內(nèi)容 （ 1） 根據(jù) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造 技術(shù)要求，設(shè)計(jì)出適合 鉤爪式爬壁機(jī)器人攀爬垂直墻壁的鉤爪，設(shè)計(jì) 合適的鉤爪結(jié)構(gòu)及尺寸，鉤爪的形狀和數(shù)目等。合理的設(shè)計(jì)連接鉤爪支撐架的擺動(dòng)連桿連接處等部件。 （ 2）通過對 鉤爪式爬壁機(jī)器人 的設(shè)計(jì)研究，確定 機(jī)器人的爬行速度 與 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 之間的關(guān)系。 （ 3）設(shè)計(jì) 鉤爪式爬壁機(jī)器人 的 整體 結(jié)構(gòu)及 安全 裝置。 研究方法 （ 1）深入調(diào)查研究，了解目前 鉤爪式爬壁機(jī)器人 的結(jié)構(gòu)形式，理解其工作原理； （ 2）通過查閱相關(guān)資料和深入 學(xué)習(xí) ，制定 鉤爪式爬壁機(jī)器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案； （ 3）實(shí)施 鉤爪式爬壁機(jī)器人 的設(shè)計(jì)：包括相關(guān)零部件的選擇（ 抽 風(fēng)機(jī)的選擇）和 擺動(dòng)兩岸 的設(shè)計(jì)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 鉤爪式爬壁機(jī) 器人方案設(shè)計(jì) 總體方案分析 欲使機(jī)器人在壁面上自由地移動(dòng)，必須具備兩種功能 :抓附功能與移動(dòng)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(jī)器人對墻面有一個(gè)正壓力，應(yīng)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(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)爬壁運(yùn)動(dòng)。 在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)考慮機(jī)器人的用途，因?yàn)椴煌挠猛?，移?dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是不同的。此外，還應(yīng)考慮機(jī)器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費(fèi)用等。 設(shè)計(jì)這種爬壁機(jī)器人，它的工作對象為粗糙的傾斜壁面。機(jī)器人要求有 一定的承載能力、接觸面積小、速度適中，適應(yīng)能力強(qiáng)。通過比較各種方案，設(shè)計(jì)了一種連桿機(jī)構(gòu)爬行結(jié)構(gòu)形式，這是一種新穎的爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案能基本滿足我們設(shè)定的工作狀況。在爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)中用連桿機(jī)構(gòu)爬行具有很多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)，控制簡便，還可以根據(jù)使用要求，作各種變形設(shè)計(jì)，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。 本體系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)以上的總體結(jié)構(gòu)方案，結(jié)合鉤爪式爬壁機(jī)器人工作環(huán)境特點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖 21： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 21樣機(jī)結(jié)構(gòu) 動(dòng)力部分由小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了獲得所需要的速度 ，在電機(jī)前面加了蝸輪蝸桿減速器，防止機(jī)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(gè)機(jī)器人采用 45 號(hào)鋼材料，在減輕自身重量的情況下最大程度獲得很高的強(qiáng)度和剛度。 現(xiàn)存問題 國際上對爬壁機(jī)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(jī)或產(chǎn)品，總體起來看，爬壁機(jī)器人人還存在著如下一些問題： 第一，運(yùn)動(dòng)靈活性與吸附能力的矛盾。一般要求爬壁機(jī)器人攜帶一定重量的負(fù)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(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度、靈活性、對 壁面的適應(yīng)能力必須會(huì)受到不同程度的影響。 第二，集成化與可靠性的矛盾。從實(shí)用角度說，人們當(dāng)然希望機(jī)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(shí)中不能完美結(jié)合。這一矛盾有賴于新型能源的開發(fā)和無線通訊技術(shù)的發(fā)展。 第三，智能化問題。就爬壁機(jī)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(yīng)能力，自動(dòng)壁障能力，自動(dòng)糾錯(cuò)能力等等。影響這些能力的關(guān)鍵是傳感技術(shù)和控制技術(shù)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(jī)器人大都是針對某一種工作要求面設(shè)計(jì)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(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化道路始終走的比較緩慢，這也是爬壁機(jī)器人在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)所面臨的問題之一。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 本課題的開發(fā)具有以下優(yōu)點(diǎn) （ 1）克服了傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人真空系統(tǒng)復(fù)雜、噪音大、吸附輔助時(shí)間長等特點(diǎn)，創(chuàng)新性的提出了鉤爪鉤取抓附；該機(jī)構(gòu)具有耗能小，結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，鉤取和脫離快速，平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，噪音也比較小。并在試驗(yàn)中取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。 （ 2）采用軸、推理軸承、蝸輪蝸桿等標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定，可靠。加快了機(jī)器人的應(yīng)用開發(fā)。 （ 3）在研究動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上開發(fā)的壁面規(guī)劃項(xiàng)目，可以成功實(shí)現(xiàn)預(yù)期爬行，又壁面控制系統(tǒng)的復(fù)雜。 機(jī)器人基本功能方案 抓附方案的選擇 應(yīng)用在帕比機(jī)器人領(lǐng)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(yīng)的缺點(diǎn)。 中空吸附是依靠真空吸盤將機(jī)器人本體吸附于壁面，其特點(diǎn)是壁面必須光滑，當(dāng)壁面有裂縫或者凹凸不平時(shí)，容易造成吸盤漏氣，吸附力降低。嚴(yán)重的會(huì)使機(jī)器人從壁面剝離，要是想完美實(shí)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(jī)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(gè)條件限制其應(yīng)用范圍。但是它的吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附，對壁面適應(yīng)能力較強(qiáng)。 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(xué)校的一號(hào)寢室樓的那種，所以，以上兩種吸附方式均不可。 我們設(shè)計(jì)的方案是鉤爪抓附方案，每個(gè)爪子上有一個(gè)爪框和三片爪片，爪片上有爪尖，移動(dòng)時(shí)通過擺動(dòng)連桿的擺動(dòng)，使兩組鉤爪相互交錯(cuò)上下運(yùn)動(dòng)，爪尖抓附壁面，使機(jī)器人爬行。 綜合以上原因，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的方案為鉤爪抓附，這樣的機(jī)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 穩(wěn)定性好。結(jié)構(gòu)簡單； (2) 與機(jī)器人合為 一體，擴(kuò)大了工作范圍； (3) 能源消耗少，減輕機(jī)器人自重； (4) 適應(yīng)機(jī)器人爬行壁面的結(jié)構(gòu)和材料； (5) 運(yùn)動(dòng)速度快，提高工作效率 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 移動(dòng)方案的選擇 爬壁機(jī)器人主要的移動(dòng)方式可分為：車輪式、履帶式、腳步行式等。其原理和特點(diǎn)如下： （ 1） 車輪式 原理：配置多個(gè)輪子，每個(gè)輪子有電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 特點(diǎn)：移動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)無軌道履帶 特點(diǎn)：著地面積大，對壁面適應(yīng)性強(qiáng)，體積較大 （ 3） 腳步行式 原理：通過與多個(gè)腳的反復(fù)吸附與脫落來進(jìn)行移動(dòng) 特點(diǎn)：移動(dòng)困難，移動(dòng)速度慢 ，帶載能力強(qiáng) 為了克服傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的性能限制，人們又研制出了其他一些形式的機(jī)器人。如：飛行形式，繩索牽動(dòng)形式等，但這些還處于實(shí)驗(yàn)階段。 根據(jù)我們面臨的條件，粗糙的傾斜壁面，吸附機(jī)構(gòu)為鉤爪抓取，如果用履帶式和車輪式不能與鉤爪機(jī)構(gòu)相互配合，就算配合了也比較勉強(qiáng)，多此一舉，既浪費(fèi)資源，又沒有用處。所以我們選用鉤爪直接支撐壁面，帶動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，這種移動(dòng)方案比較新穎，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，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(jī)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(dòng)， 并成功的完成任務(wù)，因此，機(jī)器人應(yīng)滿足以下若干性能要求。 負(fù)載能力 按照模塊化設(shè)計(jì)的思想，鉤爪式爬壁機(jī)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(shí)現(xiàn)多樣的功能，如檢測、檢修、噴漆、除銹等等。為此，要求機(jī)器人具備一定的負(fù)載能力。如果按照工作機(jī)構(gòu)的平均重量在 左右，如果再考慮附屬機(jī)構(gòu)、電源線、信號(hào)線等重量，機(jī)器人負(fù)載能力應(yīng)該在 3kg 左右，當(dāng)然，這個(gè)負(fù)載并不包括機(jī)器人自重。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 機(jī)構(gòu)尺寸 一方面，機(jī)器人要順利地出入各種復(fù)雜壁面結(jié)構(gòu)，而要出入各種壁面的復(fù)雜地形只能通過機(jī)器 人的自身變形。綜上所述，設(shè)定機(jī)器人的尺寸約為460x350x240mm。 移動(dòng)速度 移動(dòng)速度的設(shè)定主要取決于高效性和安全性來年各個(gè)安全因素來考慮，在考慮安全因素和電機(jī)功率限制的條件下，機(jī)器人的移動(dòng)速度 V 平 = 設(shè)計(jì)性能指標(biāo) （ 1）最大尺寸： 460x350x250mm （ 2） )機(jī)器人自重：≤ （ 3）機(jī)器人負(fù)載能力≤ 5kg （ 4）移動(dòng)速度 2—8m/min 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 電機(jī)的選擇 根據(jù)鉤爪式爬壁機(jī)器人的爬行速度與本 身的重量，確定電機(jī)的功率為小功率電機(jī)。 試選電機(jī) 選取機(jī)座型號(hào)為代號(hào) 50 的電機(jī) 功率 W=，電流 I=，轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)器人順利爬行，隨意要重新選擇電機(jī)。 再次選取機(jī)座型號(hào)為代號(hào) A025624 的小功率電機(jī) 功率 W=，轉(zhuǎn)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(jī) 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(shè)計(jì)（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(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min； n2——蝸桿的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min； n3——蝸輪的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min； n4——凸輪的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min； 校核電機(jī) 21 25zi z?? 1321400 5 6 / m in25nnrn? ? ? 43 56 / m inn n r?? 凸輪每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng) 64mm 364 10 56 / m i n /V m m s?? ? ? ? ? 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，作用在導(dǎo)軌上的力為 300N 所以，凸輪作用在擺動(dòng)連桿上的力為 600N P驅(qū) = 6 0 0 0 . 0 6 0 . 0 3 61 0 0 0 1 0 0 0FV KW??? P ?驅(qū) 凸 = P凸 ?凸 =98% 解得： P凸 = P2/η = P1 解得： P1=＜ 電機(jī)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(shè)計(jì)（論文） 13 以下選擇連軸器的型號(hào)。計(jì)算轉(zhuǎn)矩 TKT Aca ? ，考慮到轉(zhuǎn)矩變化應(yīng)取?AK ，則 9 5 5 0 5 9 .6 9PT n? ? ? Nm 59. 69c a AT K T? ? ? ? ? m 根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩，查 文獻(xiàn) [18]，選用 TL 4 型，半聯(lián)軸器的孔徑直徑為 14mm 滑桿的設(shè)計(jì)與校核 校核滑桿的抗彎強(qiáng)度 兩根滑桿選擇的材料為 45號(hào)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?yàn)闂U 1 和桿 2 的運(yùn)動(dòng)形式相同，受到的載荷也相 同，因此，只要校核桿 1的強(qiáng)度即可，如果桿 1 滿足條件，桿 2也相應(yīng)的滿足，如果桿 1不滿足，則校核之后再校核桿 1，設(shè)計(jì)完成在校核，知道滿足所要求即可。 構(gòu)如圖 31: 圖 31 桿 1的結(jié)構(gòu)簡圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 桿 2 的形狀與桿 1 相同，長度短 78mm 已知：機(jī)器人的重量為 m1=25kg 負(fù)載情況為 m2=5kg G1=m1g=250N/kg G2=m2g=50N G=G1? G2=300N 當(dāng)機(jī)器人在水平面上爬行時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(gè)位置即可。 （ 1）桿 1 運(yùn)動(dòng)到最下面的位置時(shí) 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(shè)計(jì)（論文） 15