【正文】 心與爬壁機器人重心的距離為d=320mm。 爬壁機器人吸附結構的論證，當機器人在玻璃壁面上移動時有兩種危險的情況可能發(fā)生：一種情況是它從墻面上滑落；另一種情況是由于最上方接觸的吸盤由于受傾翻力矩太大脫離墻面，引起機器人的。避免機器人從墻面上滑落。根據(jù)摩擦力的特性，同樣工況下，最大靜摩擦力要大于滑動摩擦力，所以有：G min(，) = = Nμ (31)式中：μ———最小摩擦因數(shù)；N ———兩接觸表面間的正壓力。 壁面機器人傾翻從理論上，由式(31) 可知，只要滿足 0 ,則條件(2) 滿足條件，求得： (32)根據(jù)式(31) 和(32) ，機器人牢靠吸附在工作面上(不從玻璃壁面上滑落或傾翻下來) 的條件應該滿足:G min(，) (33)理論上： = 5μV　 (34)= (35)根據(jù)設計數(shù)據(jù)可知，p=，d=320mm，根據(jù)圖33的吸力與最大負載，當負載為大約500N時應取真空度V=，由此可以得到： (36) (37)圖33 吸力與最大負載曲線圖（圖片來自文獻[1]） (38)根據(jù)計算分析出最可能發(fā)生危險的情形是爬墻機從壁面滑落。在保證次危險安全的情況下，保證最危險的情況不會發(fā)生，由此才能保證爬壁機安全地工作。考慮到機器人在越障時第一組吸盤可能發(fā)生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，應當另外增加安全系數(shù)，在設計時，考慮只有下面4 組吸盤組工作時機器人仍能夠安全吸附。因此，保證機器人的安全，要確保： (39) ，根據(jù)爬壁機器人的設計要求，總重量M=45kg，故： (310) G (311)由式（311）可知，爬墻機不會發(fā)生滑落的危險，由知其也不會從壁面傾翻。綜合以上論證，爬壁機器人吸附機構的設計是合理的，是能夠支持爬壁機器人正常工作的。 爬壁機器人行走機構的設計與論證履帶吸盤式爬壁機器人的行走機構主要由：吸盤組件、履帶、履帶輪、動力源、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等構成。本課題主要研究機器人的結構原理，故重點進行前三部分的設計與論證。 爬壁機器人行走機構的設計，在此不贅述。履帶采用橡膠履帶，橡膠履帶是由橡膠主體、芯金、簾線骨架材料，通過模壓硫化而制成。橡膠履帶具有接地比壓小、牽引力大、振動小、噪音低、濕田通過性能好、不損傷路面、速度快的優(yōu)點。履帶輪采用的材料為聚碳酸酯注塑而成。履帶和履帶輪聯(lián)結模擬齒輪齒條嚙合，相嚙合齒的模數(shù)為2。 爬壁機器人行走機構的論證表格31所示為橡膠履帶基質天然橡膠和順丁橡膠的主要性能，表格32為履帶輪材料聚碳酸酯的主要。表31 天然橡膠和順丁橡膠的主要性能（表格摘自文獻[7]）品種抗拉強度（MPa）伸長率（%）使用溫度（（））天然橡膠25~35650~900120順丁橡膠18~25450~800120表32 聚碳酸酯的主要性能（表格摘自文獻[7]）塑料名稱密度(透明性抗拉強度（MPa）抗拉彈性模量（熔點（）聚碳酸酯（PC） 透66~70~25220~230由表格31和表格32可以看出，履帶基質天然橡膠和順丁橡膠的抗拉強度比履帶輪材料聚碳酸酯低。但是履帶是由橡膠主體、芯金、簾線骨架材料組成，碳素彈簧鋼絲（）抗拉強度為2059~2452MPa，因此履帶輪出現(xiàn)危險的可能性大，下面對履帶輪進行校核。圖34為主動輪的三維造型圖。 圖34 主動輪的三維造型圖履帶輪驅動履帶轉動時，根據(jù)功率的關系： (312)式中各符號的意義為：P——驅動輪傳遞給履帶的功率，單位為W；——主動輪驅動履帶的扭矩，單位為；——為主動輪轉動的角速度，單位rad/s；——安全系數(shù)，是為了保證有一定的功率裕量和功率損耗，一般取2~3；——機器人的總質量，單位為；——重力加速度，單位為；——機器人在壁面上運行的速度，單位。設在主動輪工作中一個齒上的剪力為，則有： (313)式中，A——主動輪齒底部的截面積，單位為；——主動輪輪齒底部受到的切應力，單位為Pa；——主動輪輪齒底部截面的長度，單位為；——主動輪輪齒底部截面的寬度，單位為。對主動輪中心取矩，由平衡方程，可得： (314)式中，——主動輪工作中一個齒上的剪力為；——主動輪的直徑，單位為mm；——同時處于工作狀態(tài)的齒輪數(shù)；對于主動輪的轉動有： (315)式中，r——主動輪的半徑，單位m；聯(lián)立式312，313，314，315可以得到，主動輪輪齒底部受到的切應力： (316)式中，機器人的總重量m為45Kg，，主動輪輪齒底部寬l為30mm，將以上數(shù)據(jù)代入式（316），可以得到： (317)對于主動輪的聚碳酸酯材料可以由其抗拉強度參考其抗切應力的強度，故有： (318)由式318可知，爬壁機器人的主動輪強度滿足要求，綜合以上討論證明可知爬壁機器人的行走機構滿足強度要求，能夠保證機器人安全可靠地完成工作任務。 爬壁機器人車體的設計與論證爬墻機器人的車體是支撐爬壁機器人所有部件的基礎，因此機器人車體的設計應盡量簡潔工作可靠。機器人的動力源、傳動系統(tǒng)、背倉等都是裝在車體內部的，因此車體應當做成上下車體組裝的形式；為了擴大零部件安裝的空間車體設計成上下分層的結構。上下車體之間是用螺栓進行連接的，在機器人工作的過程中車體連接螺栓受到很大的剪切力，因此為保證機器人正常工作應當對螺栓的強度進行校核。 爬壁機器人車體的設計爬壁機器人車體長為900mm，寬為400mm，硬質合金鑄件壁厚8mm，為提高車體強度，上下車體的內側均有加強肋板。上下車體連接螺栓使用M16，共12個螺栓，均布在上下車體連接凸出面上。上車體上面凸出室分為兩個空間分別放置控制系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)，上車體前端預留有兩個孔一個用于為汽油機加油，一個用于啟動汽油機。下車體后部有功能部件聯(lián)結口，功能部件由螺栓安裝在下車體上。圖35為車體的裝配圖。 圖35 車體裝配圖 爬壁機器人車體的論證在機器人工作的過程中，上下車體連接螺栓承載上車體的重量以使上車體緊緊貼在下車體上并隨下車體一同沿壁面移動。因此，車體連接螺栓受到較大的剪。在爬壁機器人工作時，螺栓在結合面除受剪還與被連接件即車體相互擠壓。聯(lián)結損壞可能的形式有：螺栓被剪斷，孔壁被壓潰等。為防止硬質合金的車體螺栓孔壁被壓潰，在安裝螺栓時采用襯套，因此孔壁被壓潰的可能性相對于螺栓被剪斷低。在此，僅進行螺栓受剪強度的校核。設螺栓所受的剪力為（聯(lián)結受橫向力，），如圖36所示為上下車體聯(lián)結受剪螺栓受力圖，則螺栓受到的切應力為： （319）式中，——螺栓受到的切應力； ——螺栓抗剪面直徑； ——螺栓抗剪面數(shù)目； ——螺栓所受的剪力為； 圖36 上下車體聯(lián)結受剪螺栓受力圖在爬壁機器人工作時，因為其勻速移動，故可認為螺栓受到靜載荷，螺栓的許用切應力為： (320)式中，[]——螺栓的許用切應力； ——螺栓的屈服強度； ——安全系數(shù)，；選擇螺栓的材料為35鋼，螺栓的拉伸強度為： (321)螺栓的屈服強度為： (322)可得螺栓的許用切應力為： (323)估算可得爬墻機器人工作時需有12枚螺栓承受的的質量為m=11Kg，故有每枚螺栓所承受的切力為： (324)螺栓抗剪面的直徑為16mm，螺栓抗剪面數(shù)目為1，代入公式（319）可得，螺栓受到的切應力為： (325)由式（325）可知車體連接螺栓滿足剪切強度要求，能夠保證爬壁機器人安全地工作。 本章小結為了將對履帶吸盤式爬壁機器人的結構原理的研究與實踐相結合，本章對履帶吸盤式爬壁機器人進行了開發(fā)設計，針對可能出現(xiàn)的安全可靠性問題進行了分析與驗證。吸附機構采用的是吸盤吸附方式，該吸附方式容易出現(xiàn)的不安全事故包括機器人滑落與傾翻，經(jīng)過一系列的分析計算確定最可能的事故為滑落，對滑落危險進行了計算校核。履帶與履帶輪的聯(lián)結經(jīng)過校核最可能出現(xiàn)的不安全事故為履帶輪輪齒的失效，因此對履帶輪的輪齒進行了校核計算。在機器人工作過程中，上下車體聯(lián)結螺栓承受較大的剪切力，因此容易出現(xiàn)螺栓的剪斷或螺栓孔被壓潰的安全事故，經(jīng)過分析確定了最可能發(fā)生的危險情況，對螺栓受剪切安全性