【正文】 an FdK mmYYTm Z? ? ??? ? ? ? ??? ???， 由機械原理書表 101 得取標準值 圓整 n mmm ?，取分度圓直徑1 67mmd ?。 按中心距修正螺旋角 ? ? ? ?11 1 8 5 4 1a r c c o s a r c c o s 1 8 . 6 72 2 3 8na mZZ?? ??? ? ??， 大、小齒輪的分度圓直徑 11 1 8 1 19c o s c o s 1 8 .6 7n mmmZd ? ?? ? ?， 18 22 5 4 1 57c o s c o s 1 8 .6 7n mmmZd ? ?? ? ?， 齒寬 1 1 1 9 1 9db m md?? ? ? ?，實際齒寬 1 25mmB ? 第二級直齒圓柱齒輪： 選擇閉式軟齒面齒輪傳動，小齒輪調(diào)制，參考機械設(shè)計書上表 101，選小齒輪調(diào)制 ，齒面硬度 217~255HBS,大齒輪正火，齒面硬度 162~217HBS，精度為 8 級。 由公式 19 得 2 21 332212 2 17 80 15 0. 01 22 6 0. 311 2. 13c os c os25F a SanFdK mmTY YYmZ ? ????? ??? ? ? ? ??? ????， 由機械原理書表 101 得 取標準值 1nm? ， 取分度圓直徑 1 ? 。 因為是軟齒面接觸按解除疲勞強度設(shè)計 ? ?213 2 1dK HEdHZZT???? ? ??? ?????? （公式 17） 式中??— 齒面重合度 ； ,初選 ? ，由機械設(shè)計書圖 1030 選取區(qū)域系數(shù) ? ， 表 106 查得彈性影響系數(shù) E= , 由圖 1026查得 1 2 1 20 .7 6 5 , 0 .8 0 0 , 1 .5 6 5? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?則 端 面 重 合 度， 511 10 PT n? ? ? （公式 18） 15 式中 P— 傳動功率 kw； n— 轉(zhuǎn)速， r/min。 ? ，運動和動力參數(shù)如下： 表 21 爬行系統(tǒng)數(shù)據(jù) Table21 Crawling system data 電機軸 Ⅱ 軸 Ⅲ 軸 工作機 軸 N(r/min) 3000 1000 273 273 P(kw) T(Nm) i 3 1 ? 第一級斜齒圓柱齒輪： 因是一般用途的齒輪傳動，齒輪材料選用 45 鋼，傳遞功率不大，選擇封閉式軟齒面齒輪傳動，參考機械設(shè)計書 表 101，選小齒輪調(diào)質(zhì)，齒面硬度 217~255HBS,大齒輪正常，齒面硬度 162~217HBS， 其硬度差 30~50HBS,精度為 8級。3gi ? ，則第二級 39。 爬行機構(gòu)設(shè)計 60 1000w vdn ???? （公式 16） 式中 V— 線速度， m/s； d— 直徑， m。 由以上假設(shè) 由公式 13 得 1 4 35 14 0m z m md ? ? ? ?， 由械設(shè)計書上表 107 查得 ? ? ，1 1tZZ???， 由械設(shè)計書上表 106 查得彈性影響系數(shù) ? ，區(qū)域系數(shù) ? , 1db d?? （公式 14） 式中 d? — 齒寬系數(shù)； 13 1d— 分度圓直徑 由公式 14得 齒寬 , 1 0 . 7 1 4 0 1 0 1 0 8d mmbd?? ? ? ? ?, AvK K K K K??? （公式 15） 式中AK— 使用系數(shù)； vK— 動載荷系數(shù) ； K? — 齒間載荷分布系數(shù)； K? — 齒向載荷分 布系數(shù) 。 工作壽命 3 36 5 16 17 52 0HLh? ? ? ?， j=1 ， n=86 0 6 0 2 7 3 1 1 7 5 2 0 2 .8 710hN n jL? ? ? ? ? ? ?， 由械設(shè)計書上圖 1018 查得壽命系數(shù)Kn= 圖 1020 查得 6 0 0 7 0 % 4 2 0FE MPa? ? ? ?， 則 由公式 10 得 ? ? 0 .9 0 4 2 0 2531 .5N FEF M P aSK ?? ?? ? ? 12 有公式 9得 2 2 4 5 2 .4 6 1 .6 5 0 .6 10 .6 3 5 2 5 3m ??? ? ? ?? 有機械原理書 取 m=4，校核齒輪面接觸強度 區(qū)安全系數(shù) ?? ，工作壽命 3 36 5 16 17 52 0HLh? ? ? ?， j=1， n=環(huán)次數(shù) 86 0 6 0 2 7 2 .9 8 1 1 7 5 2 0 2 .8 7 10hN n jL? ? ? ? ? ? ?，由械設(shè)計書上圖 1019 查得壽命系數(shù) Kn= 圖 1021 查得 90 0 70 % 63 0H MPa? ? ? ?， 則 則 由公式 10? ? 0 . 9 2 6 3 0 3 8 6 . 41 . 5N FEH M P aSK ?? ?? ? ? 311tHEHdK F ZZd ??? ? ??? （公式 12） 式中HZ— 區(qū)域系數(shù) ； EZ— 彈性影響系數(shù) ； 1d — 對應(yīng)分度圓 直徑 ； ? — 泊松比 ； d? — 齒寬系數(shù) ； K— 載荷系數(shù)。 i 2 T 2 T= 2 5 9 . 8 2 4 5d m zF N? ? ? ?，取 z=35，則 2 4 5 m z 2 4 5 3 5 mT = 4 2 8 7 . 5 m22 N???? 又3 2Fd2 KT YYm Z Fa S a? ???【 】 （公式 8） SaFdKm YYt FaZF? ?? ? ?【 】 （公式 9） 式中 K — 載荷系數(shù) tF — 切向力 11 d?— 齒寬系數(shù) Z — 對應(yīng)齒數(shù) YFa — 齒形系數(shù) SaY— 應(yīng)力校正系數(shù) F?【 】— 許用應(yīng)力 由械設(shè)計書上表 102 取 A ? ,初選載荷系數(shù) t 2K? 由械設(shè)計書上表 105 查得 112. 45 , 1. 65Fa SaYY??， 由械設(shè)計書上表 107 查得 ， ? ? ? ? N FEF SK ?? ? （公式 10） 式中 S — 區(qū)安全系數(shù) ； NK— 壽命系數(shù) ； FE?— 彎曲疲勞強度 ； 區(qū)安全系數(shù) ?? 。由于工作環(huán)境惡劣，選擇閉式硬齒面齒輪傳動，承載能力 一般取決于彎曲疲勞強度，故先按彎曲疲勞強度設(shè)計，驗算接觸強度。 [9] 行走機構(gòu)設(shè)計 行走機構(gòu)運動動是有中框架上的主電機經(jīng)兩級圓柱齒輪減速后帶動行走傳動軸，從而驅(qū)動行走齒輪在外框架上的齒條上運動來實現(xiàn)的。此時內(nèi)吸盤處于吸附狀態(tài)，外吸盤對壁面已有一定壓力但尚未吸附，這種壓力對機器的吸附狀態(tài)是有害的。 ，即 ? 。取 ，這有 [ ] SwF? ，又知 []W nW? ,其中 n 為安全系數(shù)， 9 取其為 2，則有上述兩式可得 ≥ 2 用水平方向靜力平衡方程n isi1N=n F? ?? 代入公 式 1得 [] Sw n F?? ? ? , （公式 2） 式中 n— 安全系數(shù) 181?！?摩擦系數(shù) 。為摩擦系數(shù) ），有鉛垂方向靜力平衡方程 【 8】 得 ? ? 11nnfi iiiW F N???? ? ??? （公式 1） 式中 fF — 單個吸盤摩擦力， N。 再該機器人行走過程中的任一時刻，都有四個足處于吸附狀態(tài)，機器人受到的外力分別為重力 W，每只吸盤上吸力 Fs，壁面法相反力 Ni和切向反力（摩擦力） Ffi=1,2,…， n 8 圖 23 機架方案 Figure23 Frame 機器人在壁面上附著的安全條件包括不沿著壁面滑落和不離開壁面傾覆兩方面，其中抗滑落安全系數(shù) S 滑 =[w]Ws ，其中 Ws 機器人的實際重量，本次設(shè)計中設(shè)定其小于 50kg；【 w】定義為極限重力；它是吸盤于壁面處于臨界摩擦狀態(tài)時最大允許機器人重力。這一點由機器人上處于吸附狀態(tài)的足來保證。因為轉(zhuǎn)向角度的是任意的，故該爬向機構(gòu)具備在平壁上 實現(xiàn)全方位移動的能力。第二個循環(huán)開始，……這樣周而復(fù)始，實現(xiàn)爬行機構(gòu)整體的直線運動。當步進電機工作時，通過一對齒輪將運動傳遞到絲杠上，與絲杠嚙合的螺母執(zhí)行直線運動，從而帶動與其骨節(jié)的外吸盤的 抬腿運動。 而總框架上的旋轉(zhuǎn)由電機（步進電機 ）經(jīng)兩級直齒輪減速 后帶動一蝸桿軸旋轉(zhuǎn)，與蝸桿嚙合的蝸輪（安裝于內(nèi)框間的中心軸上）隨之轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)中框和內(nèi)框架的相對旋轉(zhuǎn)運動。外框架上的四個獨立升降足組件的設(shè)置是考慮到爬行機構(gòu)機構(gòu)一旦后仰或壁面有明顯不平時仍能實現(xiàn)可靠的吸附 。外框架和中框架由導(dǎo)軌和滾輪可靠聯(lián)結(jié)，允許一個方向上的相對移動。 為框架上的四個 足組肩上分別裝有一個真空吸盤（為吸盤）。圖 c為本次設(shè)計采用的機構(gòu)，內(nèi)吸盤組集中驅(qū)動，外吸盤組分別驅(qū)動。 6 圖 21 壁面移動機器人系統(tǒng)組成框圖 Figure21 Wall mobile robot system diagram 圖 22 多層框架式移動機構(gòu)有幾種可能的實現(xiàn)方案 Figure21 Multilayer frame type mobile mechanism has several possible scheme 無線通訊 行走系統(tǒng) 消防救護系統(tǒng) 行走系統(tǒng) 遙控操縱系統(tǒng) 微機控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 傳感系統(tǒng) 行走機構(gòu) 行走機構(gòu) 行走機構(gòu) 行走機構(gòu) 行走機構(gòu) 行走機構(gòu) 行走機構(gòu) 行走機構(gòu) 行走機構(gòu) 7 其中 a為內(nèi)外吸盤組的整體驅(qū)動方案，這種機構(gòu)的特點是可以用最少的自由度（三個）實現(xiàn)移動機構(gòu)的全方位運動，但在本次設(shè)計的壁面移動機構(gòu)中應(yīng)用重量較大，兩組吸盤要保證較大的剛性有一定困難。 總體結(jié)構(gòu) 基于以上設(shè) 計任務(wù)分析，確定整個機器人系統(tǒng)由幾個子系統(tǒng)組成：行走系統(tǒng)、消防保護系統(tǒng)及探測警報系統(tǒng)，如下圖所示。 在吸收國外研究成果的基礎(chǔ)上，重兼顧先進性和實用性兩方面發(fā)出，提出本款機器人的主要性能指標如下： 適應(yīng)避免：具有窗框結(jié)構(gòu)的粉墻、漆墻、水磨石強等類型的壁面； 運動速度：無障礙直線 行走 最大速度 20m∕ s； 無障礙直線行走平均速度 ∕ s； 無障礙方位回轉(zhuǎn)速度 30176。 2 總體設(shè)計 設(shè)計任務(wù)分析 本款壁面移動機器人是為具有窗框結(jié)構(gòu)的粉墻、漆墻、水磨石強等類型避免的高層建筑的消防工作而研究設(shè)計的。 由以上功能初步確定該消防機器人主 要有傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、 安全救護系統(tǒng)、消防系統(tǒng)及探測警報系統(tǒng)組成。吸附方式采用真空吸盤吸附。 {7} 由此可見，無論是在國外還是國內(nèi)，爬壁機器人及各種類型的消防機器人已有很大發(fā)展，但同時我們也注意到各種消防機器人都有其局限之處 ，有的只用于支援消防隊員，有的只用于在危險場所，那么針對高層建筑的消防問題，設(shè)計一款功能齊全并且可快速到達火災(zāi)現(xiàn)場的消防機器人就十分必要了。實驗證明，這種爬行機構(gòu)行走靈活，有一定的承載能力，對壁面適應(yīng)能力也較強，可由于表面變化不劇烈的各種垂直壁面上的多種 作業(yè)。他 們研究的兩載體機構(gòu)有：（ 1）具有全方位移動功能的爬壁機構(gòu)；（ 2）磁吸附壁面移動機構(gòu)。 [5]在我國，哈爾濱工業(yè)大學(xué)從 1988 年就開始爬壁機器人的研究，山?？萍即髮W(xué)、 哈爾濱船舶工程學(xué)院、中科院沈陽自動化所、哈爾濱科技大學(xué)等單位也先后開展爬壁機器人的研究。 [4] 由于本次設(shè)計主要針對高層建筑的外壁，考慮到壁面的非磁性，應(yīng)選擇真空吸附方式，用真