【導(dǎo)讀】論文在比較幾類爬行機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，確定了機(jī)器人本體的大致結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了仿生爬行的原理和機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)的理念。的尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)機(jī)器人的三維模型。機(jī)器人建模的過程功能的實(shí)現(xiàn)與機(jī)械結(jié)。的渡過等難點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為此類爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供參考。目前傳統(tǒng)的清洗技術(shù)主要分為人工清洗化學(xué)藥劑清洗和高壓水槍清洗等。其中人工清洗是由清潔工人搭乘吊籃進(jìn)行高空作業(yè)來(lái)完成，工人的工作環(huán)。壓水槍進(jìn)行清洗時(shí)，它的周邊不能有車輛、行人通過，且不能有過近的建筑物。效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗能高、二次污染嚴(yán)重等問題。這種機(jī)器人的研制必將。該課題旨在研發(fā)一種新型的、施的清洗、維護(hù)問題。該機(jī)構(gòu)要能保證良好的運(yùn)行效果，低耗能高效率，綠色環(huán)。且將對(duì)人類的社會(huì)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。迅速的高科技產(chǎn)業(yè)之一。機(jī)器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的重要分支，將成為21世紀(jì)各。國(guó)爭(zhēng)奪的經(jīng)濟(jì)技術(shù)的制高點(diǎn)。

　　

【正文】 機(jī)器人凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，我們首要應(yīng)該保證的是凸輪的升程壓力角和遠(yuǎn)休止角，回程壓力角在安全范圍內(nèi)可以選擇盡可能大，這樣回程角就可以盡可能小。曲柄、連桿的長(zhǎng)度和下并聯(lián)盤形凸輪的尺寸參數(shù)確定后，就可以設(shè)計(jì)上移動(dòng)凸輪的相關(guān)尺寸了，因?yàn)闄C(jī)器人在攀爬的過程中要保證有且只有一對(duì)機(jī)械手一直處于夾緊狀態(tài) 在機(jī)械手抓緊狀態(tài)換置時(shí)可以 2 對(duì)機(jī)械手同時(shí)抓緊 ，所以對(duì)于一定直徑范圍內(nèi)的路燈桿，下并聯(lián)盤形凸輪的升程角是一個(gè)范圍。而在回轉(zhuǎn)凸輪擺桿機(jī)構(gòu)的滾子行過凸輪升程角時(shí)，上夾爪應(yīng)處于松開狀態(tài)，上移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)應(yīng)有一個(gè)空行程過程， 對(duì)于變直徑桿爬行而諾言，這個(gè)空行程也是一個(gè)范圍。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)一個(gè)重要的注意點(diǎn)就是在滿足凸輪許用壓力角條件： 的前提下，確定凸輪的升程角和回程角。對(duì)于移動(dòng)從動(dòng)件，升程許用壓力角當(dāng)要求凸輪尺寸盡可能小時(shí)，可取回程時(shí)，通常受力較小且一般無(wú)自鎖，回程許用壓力角。 對(duì)于上、下凸輪機(jī)構(gòu)，綜合抓緊機(jī)構(gòu) 上、下機(jī)械手抓緊裝置 和傳動(dòng)裝置中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)即可確定出上、下凸輪機(jī)構(gòu)的尺寸關(guān)系。定好凸輪和導(dǎo)桿的相對(duì)位置關(guān)系，即可綜合設(shè)計(jì)出凸輪的升程 S、厚度以及凸輪擺桿機(jī)構(gòu)中的滾子連接件的尺寸。 爬桿機(jī)器人是利用彈簧預(yù)緊 力實(shí)現(xiàn)夾緊，在預(yù)緊力一定的情況下，移動(dòng)凸輪和盤形凸輪的小徑盡量??；而當(dāng)凸輪和移動(dòng)凸輪運(yùn)動(dòng)到大徑處時(shí)，機(jī)械臂擺動(dòng)，帶動(dòng)爪子擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)松開動(dòng)作，凸輪大徑盡量大。為了設(shè)計(jì)方便，將盤形凸輪和移動(dòng)凸輪的大、小徑設(shè)計(jì)為相等的尺寸。 S Rr 計(jì)算得到凸輪的升程 S 30mm 移動(dòng)凸輪的長(zhǎng)度如何確定呢，在這里就是 h 的數(shù)值，在這里，移動(dòng)凸輪也有一個(gè)升程壓力角 和升程，和路燈桿的直徑尺寸范圍有關(guān)，必須由路燈桿的直徑尺寸范圍和移動(dòng)凸輪的升程壓力角綜合確定出上移動(dòng)凸輪長(zhǎng)度時(shí)，上移動(dòng)凸輪和下并聯(lián)盤形凸輪才算是協(xié)調(diào)配 合。 如圖 圖 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)示意圖 移動(dòng)凸輪的升程和盤形凸輪的升程相等。凸輪的高度 h 可以通過正弦定理和余弦定理計(jì)算得到。 余弦定理， a^2 b^2 + c^2 2??b??c??cosA 正弦定理， a/sinA b/sinB c/sinC 2R 針對(duì)本設(shè)計(jì)而言， b L 220mm， c R 60mm， A 40176。 解得 m a 270mm 所以移動(dòng)凸輪的高度 h 50mm 在用 SolidWorks2021 建模裝配后以及進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況修改相 關(guān)的尺寸參數(shù)。因?yàn)樵谕馆啍[桿機(jī)構(gòu)中，擺桿相對(duì)于凸輪的回轉(zhuǎn)平面而言是個(gè)直動(dòng)機(jī)構(gòu)，而由于擺桿 上、下機(jī)械手連接臂 是在環(huán)繞導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以，凸輪擺桿機(jī)構(gòu)是一個(gè)空間機(jī)構(gòu)，滾子在凸輪上的運(yùn)動(dòng)軌跡在凸輪厚度方向上是個(gè)空間環(huán)形，該空間環(huán)形曲線在凸輪回轉(zhuǎn)平面上的投影即是凸輪的輪廓曲線。 a. 移動(dòng)凸輪 b. 盤形凸輪 圖 凸輪機(jī)構(gòu)尺寸 上、下凸輪的配合研究 在此機(jī)器人的爬行過程中，上下凸輪配合尤其重要。因?yàn)樯舷峦馆喌膭?dòng)作直接轉(zhuǎn)化為上下機(jī)械手的動(dòng)作，而這個(gè)是機(jī)器人爬行的關(guān)鍵。下并聯(lián)盤形凸輪的升程角和回程角如圖 所示，該升程角是由路燈桿的直徑、凸輪機(jī)構(gòu)中所允許的壓力角和凸輪的尺寸綜合設(shè)計(jì)出。即先由所要攀爬的路燈桿的直徑尺寸范圍轉(zhuǎn)換確定出凸輪的大小徑，再由凸輪的大小徑以及擺動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)中所允許的升程壓力角綜合設(shè)計(jì)出?；爻虊毫且话銦o(wú)自鎖，可達(dá)。確定出下并聯(lián)盤形凸輪的升程壓力角后，如圖 所示，滑塊在曲柄回轉(zhuǎn)一周的過程中有一個(gè)升程 S. （ ） ―滑塊總的升程； ―機(jī)器人在一個(gè)周期內(nèi)向上攀爬的有效距離； h―下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過升程角的過程中滑塊的升程。 如上式所述， h 為下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過升程角的過程中滑塊的升程 ，滑塊的這部分升程不能轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的爬行，看似無(wú)益，其實(shí)這段空行程在上下凸輪的配合中是非常必要甚至是至關(guān)重要的。 彈簧的設(shè)計(jì)與校核 本設(shè)計(jì)選擇圓柱形螺旋壓縮彈簧，簧絲剖面為圓形。已知最小載荷 Fmin 200N，最大載荷 F 500N，工作行程 h 10mm，彈簧Ⅱ類工作，要求彈簧外徑不超過 28mm，端部并緊磨平。 ①選擇彈簧材料和許用應(yīng)力。 選用 C 級(jí)碳素彈簧鋼絲。 根據(jù)外徑要求，初選 C 6，由 C D2/d Dd /d 得 d 4 mm， 由表查得 ?b 1520MPa，于是可知： [?] ?b 623MPa。 ②計(jì)算彈簧絲直徑 d 由式 得 K 。 由式 得 知 d 4mm 滿足強(qiáng)度條件。 ③計(jì)算有效工作圈數(shù) n 查表可知，λ ， G 79000， 由式 得 n 取 n 圈，仍參考兩端各并緊一圈， n1 n+2 。 這一計(jì)算結(jié)果即滿足強(qiáng)度與剛度約束條件，從外形尺寸和重量來(lái)看，又是一個(gè)較優(yōu)的解，可將這個(gè)解初步確定下來(lái)，以下再計(jì)算其它尺寸并作穩(wěn)定性校核。 ④ 確定變形量 λ、λ min、λ lim 和實(shí)際最小載荷 Fmin 彈簧的極限載 荷為： 因?yàn)楣ぷ?，故彈簧的變形量和最小載荷也相應(yīng)有所變化。 由式 得： λ min λ－ h mm ⑤ 求彈簧的節(jié)距 p、自由高度 H0、螺旋升角γ和簧絲展開長(zhǎng)度 L 在 F 作用下相鄰兩圈的間距δ≥ ，取δ ，則無(wú)載荷作用下彈簧的節(jié)距為 p d+λ /n+δ 1 4++ mm p 基本符合在 1/2～ 1/3 D2 的規(guī)定范圍。 端面并緊磨平的彈簧自由高度為 取標(biāo) 準(zhǔn)值 H0 52mm。 無(wú)載荷作用下彈簧的螺旋升角為 基本滿足γ 5176?！?9176。的范圍。 彈簧簧絲的展開長(zhǎng)度 ⑥ 穩(wěn)定性計(jì)算 b H0/D2 52/24 采用兩端固定支座， b ，故不會(huì)失穩(wěn)。 ⑦繪制彈簧特性線和零件工作圖。 本章小結(jié) 本章主要介紹了機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。第一節(jié)先介紹了模塊化設(shè)計(jì)理念，接著介紹了此類爬行機(jī)器人的一些設(shè)計(jì)要求和準(zhǔn)則；第二節(jié)首先討論了夾緊機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)等 3 個(gè)模塊的方案，以此基礎(chǔ)上初步確定的機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理方案并詳細(xì)介紹了機(jī)器人的五步式爬行動(dòng)作原理；第三 節(jié)采用柔性?shī)A緊機(jī)構(gòu)解決了機(jī)器人變直徑桿的爬行問題 夾緊問題 ；第四節(jié)主要詳細(xì)介紹了機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)和尺寸參數(shù)的界定以及電機(jī)的選擇；第五節(jié)介紹了彈簧的設(shè)計(jì)和校核。本章對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的初步構(gòu)架定性做了一個(gè)簡(jiǎn)要介紹，并在機(jī)構(gòu)上基本將機(jī)器人設(shè)計(jì)完成，對(duì)各種機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 特別是此類機(jī)器人的設(shè)計(jì) 有很重要的指導(dǎo)意義。 結(jié)語(yǔ) 該機(jī)器人運(yùn)用了簡(jiǎn)單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，兩者在選材上都很方便，而且在設(shè)計(jì)時(shí)選用了材質(zhì)較為輕盈的鋁材作為結(jié)構(gòu)材料，減輕了機(jī)器人的重量，使其更大效率的利用電機(jī)的功率，提高了機(jī)器人的爬行速度。在 設(shè)計(jì)中，研究方案很好的保證了機(jī)器人整體的協(xié)調(diào)動(dòng)作，并避開了提升力的零點(diǎn)問題。 該機(jī)器人在以下 2 個(gè)方面有著很強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)。 ①功能創(chuàng)新：該設(shè)計(jì)適用于路燈桿等桿狀城市設(shè)施的清洗、維護(hù)作業(yè)，填補(bǔ)了城市桿狀公共設(shè)施清洗、維護(hù)設(shè)備的空白。 ②結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：機(jī)器人依靠彈簧預(yù)緊力夾緊在路燈桿上，以凸輪機(jī)構(gòu)、擺桿機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人各機(jī)構(gòu)之間的多動(dòng)作協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)攀爬。 致謝 在論文的最后，衷心感謝我的指導(dǎo)老師袁俊杰。這一學(xué)期，袁老師在學(xué)習(xí)上給了我很多幫助和建議。在我畢業(yè)設(shè)計(jì)論文選題、具體實(shí)踐和論文撰寫等各個(gè)方面 ，都得到袁老師的悉心指導(dǎo)和大力支持。袁老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)、實(shí)事求是的治學(xué)態(tài)度以及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都給我留下了深深地印象。在開題報(bào)告答辯時(shí)，得到了答辯委員會(huì)各位老師的頗多建議，在這里表示衷心的感謝！ 同時(shí)，在完成論文的過程期間，還得到同系很多同學(xué)的寶貴意見，使本人圓滿完成畢業(yè)論文，在此表示謝意。另外文中引用的數(shù)據(jù)、理論等相關(guān)參考資料，對(duì)此對(duì)原著者表示誠(chéng)摯的感謝。 另外還要感謝我的父母對(duì)我的關(guān)心和支持，在四年的大學(xué)學(xué)習(xí)生活過程中，無(wú)論在經(jīng)濟(jì)上還是精神上，他們始終堅(jiān)定不移地支持著我，對(duì)我的學(xué)習(xí)和生活默默地關(guān)心。他們 所付出的心血和汗水我將銘記在心！他們對(duì)我的期望和鼓勵(lì)給予了我無(wú)限的動(dòng)力，使我不斷進(jìn)步和成長(zhǎng)。 最后 ,對(duì)培養(yǎng)我四年的母校北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的全體教師表示最崇高的謝意！對(duì)與會(huì)的答辯組的各位老師表示感謝，感謝你們的細(xì)心審閱！ 參考文獻(xiàn) [l] 張海洪，談士力，龔振邦，等 .壁面自動(dòng)清洗機(jī)器人清洗工藝分析 [J].機(jī)電一體化， 2021. 1 ： 13 [2] 王園宇，武利生，李元宗 .壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)淺析 [J].引進(jìn)與咨詢， 2021. 4 ： 34 [3] 王曉光，陳明森，趙鋒，等 .蠕行式仿生變直徑桿爬行機(jī)器 人的設(shè)計(jì) [J].機(jī)械制造， 2021. 12 ： 3639 [4] 徐生，張立彬，楊慶華，等 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