【導讀】論文在比較幾類爬行機構(gòu)的優(yōu)劣的基礎上，確定了機器人本體的大致結(jié)構(gòu)。在此基礎上詳細闡述了仿生爬行的原理和機器人模塊化設計的理念。的尺寸數(shù)據(jù)，設計機器人的三維模型。機器人建模的過程功能的實現(xiàn)與機械結(jié)。的渡過等難點的設計方法和設計準則，為此類爬行機器人的設計提供參考。目前傳統(tǒng)的清洗技術主要分為人工清洗化學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行高空作業(yè)來完成，工人的工作環(huán)。壓水槍進行清洗時，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、勞動強度大、耗能高、二次污染嚴重等問題。這種機器人的研制必將。該課題旨在研發(fā)一種新型的、施的清洗、維護問題。該機構(gòu)要能保證良好的運行效果，低耗能高效率，綠色環(huán)。且將對人類的社會生活產(chǎn)生深遠的影響。迅速的高科技產(chǎn)業(yè)之一。機器人作為高技術領域的重要分支，將成為21世紀各。國爭奪的經(jīng)濟技術的制高點。

　　

【正文】 機器人凸輪機構(gòu)的設計中，我們首要應該保證的是凸輪的升程壓力角和遠休止角，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、連桿的長度和下并聯(lián)盤形凸輪的尺寸參數(shù)確定后，就可以設計上移動凸輪的相關尺寸了，因為機器人在攀爬的過程中要保證有且只有一對機械手一直處于夾緊狀態(tài) 在機械手抓緊狀態(tài)換置時可以 2 對機械手同時抓緊 ，所以對于一定直徑范圍內(nèi)的路燈桿，下并聯(lián)盤形凸輪的升程角是一個范圍。而在回轉(zhuǎn)凸輪擺桿機構(gòu)的滾子行過凸輪升程角時，上夾爪應處于松開狀態(tài)，上移動凸輪機構(gòu)應有一個空行程過程， 對于變直徑桿爬行而諾言，這個空行程也是一個范圍。在設計機器人的傳動機構(gòu)時一個重要的注意點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。對于移動從動件，升程許用壓力角當要求凸輪尺寸盡可能小時，可取回程時，通常受力較小且一般無自鎖，回程許用壓力角。 對于上、下凸輪機構(gòu)，綜合抓緊機構(gòu) 上、下機械手抓緊裝置 和傳動裝置中的曲柄滑塊機構(gòu)即可確定出上、下凸輪機構(gòu)的尺寸關系。定好凸輪和導桿的相對位置關系，即可綜合設計出凸輪的升程 S、厚度以及凸輪擺桿機構(gòu)中的滾子連接件的尺寸。 爬桿機器人是利用彈簧預緊 力實現(xiàn)夾緊，在預緊力一定的情況下，移動凸輪和盤形凸輪的小徑盡量??；而當凸輪和移動凸輪運動到大徑處時，機械臂擺動，帶動爪子擺動，實現(xiàn)松開動作，凸輪大徑盡量大。為了設計方便，將盤形凸輪和移動凸輪的大、小徑設計為相等的尺寸。 S Rr 計算得到凸輪的升程 S 30mm 移動凸輪的長度如何確定呢，在這里就是 h 的數(shù)值，在這里，移動凸輪也有一個升程壓力角 和升程，和路燈桿的直徑尺寸范圍有關，必須由路燈桿的直徑尺寸范圍和移動凸輪的升程壓力角綜合確定出上移動凸輪長度時，上移動凸輪和下并聯(lián)盤形凸輪才算是協(xié)調(diào)配 合。 如圖 圖 機器人運動示意圖 移動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 針對本設計而言， b L 220mm， c R 60mm， A 40176。 解得 m a 270mm 所以移動凸輪的高度 h 50mm 在用 SolidWorks2021 建模裝配后以及進行運動模擬時，可根據(jù)實際情況修改相 關的尺寸參數(shù)。因為在凸輪擺桿機構(gòu)中，擺桿相對于凸輪的回轉(zhuǎn)平面而言是個直動機構(gòu)，而由于擺桿 上、下機械手連接臂 是在環(huán)繞導桿轉(zhuǎn)動的，所以，凸輪擺桿機構(gòu)是一個空間機構(gòu)，滾子在凸輪上的運動軌跡在凸輪厚度方向上是個空間環(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. 移動凸輪 b. 盤形凸輪 圖 凸輪機構(gòu)尺寸 上、下凸輪的配合研究 在此機器人的爬行過程中，上下凸輪配合尤其重要。因為上下凸輪的動作直接轉(zhuǎn)化為上下機械手的動作，而這個是機器人爬行的關鍵。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、凸輪機構(gòu)中所允許的壓力角和凸輪的尺寸綜合設計出。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凸輪機構(gòu)中所允許的升程壓力角綜合設計出?；爻虊毫且话銦o自鎖，可達。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升程 S. （ ） ―滑塊總的升程； ―機器人在一個周期內(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)化為機器人的爬行，看似無益，其實這段空行程在上下凸輪的配合中是非常必要甚至是至關重要的。 彈簧的設計與校核 本設計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力。 選用 C 級碳素彈簧鋼絲。 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計算彈簧絲直徑 d 由式 得 K 。 由式 得 知 d 4mm 滿足強度條件。 ③計算有效工作圈數(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 。 這一計算結(jié)果即滿足強度與剛度約束條件，從外形尺寸和重量來看，又是一個較優(yōu)的解，可將這個解初步確定下來，以下再計算其它尺寸并作穩(wěn)定性校核。 ④ 確定變形量 λ、λ min、λ lim 和實際最小載荷 Fmin 彈簧的極限載 荷為： 因為工作，故彈簧的變形量和最小載荷也相應有所變化。 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和簧絲展開長度 L 在 F 作用下相鄰兩圈的間距δ≥ ，取δ ，則無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 準值 H0 52mm。 無載荷作用下彈簧的螺旋升角為 基本滿足γ 5176?！?9176。的范圍。 彈簧簧絲的展開長度 ⑥ 穩(wěn)定性計算 b H0/D2 52/24 采用兩端固定支座， b ，故不會失穩(wěn)。 ⑦繪制彈簧特性線和零件工作圖。 本章小結(jié) 本章主要介紹了機器人本體的結(jié)構(gòu)設計方案。第一節(jié)先介紹了模塊化設計理念，接著介紹了此類爬行機器人的一些設計要求和準則；第二節(jié)首先討論了夾緊機構(gòu)、傳動機構(gòu)、動力系統(tǒng)等 3 個模塊的方案，以此基礎上初步確定的機器人結(jié)構(gòu)原理方案并詳細介紹了機器人的五步式爬行動作原理；第三 節(jié)采用柔性夾緊機構(gòu)解決了機器人變直徑桿的爬行問題 夾緊問題 ；第四節(jié)主要詳細介紹了機器人本體的設計和尺寸參數(shù)的界定以及電機的選擇；第五節(jié)介紹了彈簧的設計和校核。本章對機械設計的初步構(gòu)架定性做了一個簡要介紹，并在機構(gòu)上基本將機器人設計完成，對各種機械結(jié)構(gòu)的設計 特別是此類機器人的設計 有很重要的指導意義。 結(jié)語 該機器人運用了簡單的曲柄滑塊機構(gòu)，采用電機作為驅(qū)動，兩者在選材上都很方便，而且在設計時選用了材質(zhì)較為輕盈的鋁材作為結(jié)構(gòu)材料，減輕了機器人的重量，使其更大效率的利用電機的功率，提高了機器人的爬行速度。在 設計中，研究方案很好的保證了機器人整體的協(xié)調(diào)動作，并避開了提升力的零點問題。 該機器人在以下 2 個方面有著很強的創(chuàng)新意識。 ①功能創(chuàng)新：該設計適用于路燈桿等桿狀城市設施的清洗、維護作業(yè)，填補了城市桿狀公共設施清洗、維護設備的空白。 ②結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：機器人依靠彈簧預緊力夾緊在路燈桿上，以凸輪機構(gòu)、擺桿機構(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)等機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了機器人各機構(gòu)之間的多動作協(xié)調(diào)聯(lián)動攀爬。 致謝 在論文的最后，衷心感謝我的指導老師袁俊杰。這一學期，袁老師在學習上給了我很多幫助和建議。在我畢業(yè)設計論文選題、具體實踐和論文撰寫等各個方面 ，都得到袁老師的悉心指導和大力支持。袁老師嚴謹?shù)目蒲凶黠L、實事求是的治學態(tài)度以及豐富的實踐經(jīng)驗都給我留下了深深地印象。在開題報告答辯時，得到了答辯委員會各位老師的頗多建議，在這里表示衷心的感謝！ 同時，在完成論文的過程期間，還得到同系很多同學的寶貴意見，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)、理論等相關參考資料，對此對原著者表示誠摯的感謝。 另外還要感謝我的父母對我的關心和支持，在四年的大學學習生活過程中，無論在經(jīng)濟上還是精神上，他們始終堅定不移地支持著我，對我的學習和生活默默地關心。他們 所付出的心血和汗水我將銘記在心！他們對我的期望和鼓勵給予了我無限的動力，使我不斷進步和成長。 最后 ,對培養(yǎng)我四年的母校北方工業(yè)大學機電工程學院的全體教師表示最崇高的謝意！對與會的答辯組的各位老師表示感謝，感謝你們的細心審閱！ 參考文獻 [l] 張海洪，談士力，龔振邦，等 .壁面自動清洗機器人清洗工藝分析 [J].機電一體化， 2021. 1 ： 13 [2] 王園宇，武利生，李元宗 .壁面清洗機器人發(fā)展趨勢淺析 [J].引進與咨詢， 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器 人的設計 [J].機械制造， 2021. 12 ： 3639 [4] 徐生，張立彬，楊慶華，等 .氣動蠕動爬桿機器人 [J].機械工程師， 2021. 3 ： 23 [5] 楊存智 .爬桿 繩 機器人的研制 [J].機電一體化 ,2021. 4 ： l3 [6] 陳俊龍，張美琴，盛剛，等 .繼電器控制的爬桿機器人 [J].機電工程， 9 ： 14 [7] 呂恬生，張家梁，羅均，等 .氣動蠕動式纜索爬升機器人的基本結(jié)構(gòu) [J].機械與電子， 2021. 3 ： 13 [8] 馬光 .仿生機器人的研究進展 [， 23 5 ： 463466 [9] 張國平，楊杰，高姑宇 .爬壁機器人真空吸附及運動方式探討 [l].液壓氣動與密封， 2021. 1 ： 13 [10] 王炎 .噴砂噴漆用履帶式磁吸附爬壁機器人 [J].機器人 增刊 ， 1996：1822 [11] 干朝陽 .高層建筑外墻清潔涂裝壁面爬行機器人研究 [d].哈爾濱：2432 [12] 王曉光，陳明森，張青 .立柱清洗機器人 [P].中國專利， [13] 王軍，任工昌，鄭甲紅，等 .管外爬桿機器人抓緊裝置 [P].中國專利，2021 [14] 于復生，宿孝慶，沈孝芹，等 .一種氣動爬桿機器人 [P].中國專利， [15] 蔣新松 .機器人學導論 [M].遼寧：遼寧科學技術出版社， 1994： 1218 [16] 申永勝主編 .機械原理教程 [M].北京：清華大學出版社， 1998： 123125 [17] 鄒慧君編 .機械運動方案設計手冊 [M].上海：上海交通大學社， 1994：81 [18] 賈延林主編 .模塊化設計 [M].北京：機械工業(yè)出版社 .1993： 45 51 [19] Yu Shengwei, Yan Wenjun. 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