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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第32頁(yè) 共32頁(yè)
第一章 緒論
1.1論文研究的目的和意義
隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)、人民生活水平日益提高，城鎮(zhèn)中隨之矗立起無(wú)數(shù)的高層城市建筑，各類(lèi)集實(shí)用性與美觀性一體的市政、商業(yè)工程諸如電線桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索、廣告牌立柱等(如圖1-1)，它們通常5—30米，有的甚至高達(dá)百米，壁面多采用油漆、電鍍、玻璃鋼結(jié)構(gòu)等，由于常年裸露在大氣之中，長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)吹雨打會(huì)影響到它的美觀，同時(shí)空氣中混合的一些污染物質(zhì)也會(huì)對(duì)這些城市建筑特別是金屬桿件造成損壞，使它們快速生銹，并縮短它們的使用壽命，需要定期對(duì)它們進(jìn)行壁面清洗維護(hù)工作。
圖1-1 桿狀城市建筑物
為保持清潔、美觀，每年至少對(duì)這些建筑清洗數(shù)次。目前傳統(tǒng)的清洗技術(shù)主要有人工清洗(使用化學(xué)藥劑清洗)和高壓水槍清洗等方法。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，高空作業(yè)具有很大程度上的危險(xiǎn)性，工作效率也很低，耗資巨大。化學(xué)藥劑中所用的去污劑具有很強(qiáng)的毒副作用會(huì)對(duì)人的健康造成危害，并易造成環(huán)境的污染。高壓水槍清洗耗能比較大、成本高，在利用高壓水槍進(jìn)行清洗時(shí)，它的周邊不能有車(chē)輛、行人通過(guò)，會(huì)影響交通。其它高空作業(yè)諸如:各種桿狀城市建筑的油漆、噴涂料、檢查、維護(hù)，電力系統(tǒng)架設(shè)電纜、維修等工作主要要通過(guò)人工和大型設(shè)備來(lái)完成，但它們都有效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗能高、污染嚴(yán)重等負(fù)面問(wèn)題。
隨著機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展以及人們自我安全保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，迫切希望能用機(jī)器人代替人工進(jìn)行這些高空危險(xiǎn)作業(yè)，從而把人從危險(xiǎn)、惡劣、繁重的勞動(dòng)環(huán)境中解脫出來(lái)。開(kāi)發(fā)能夠?qū)嶋H運(yùn)用的柱狀爬桿清洗機(jī)器人，是很有意義的，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
爬桿清洗機(jī)器人的使用將大大降低高層桿狀建筑的清洗成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本課題旨在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種新型的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)適用、操作簡(jiǎn)便的適用于圓柱狀城市設(shè)施可搭載清洗、維護(hù)設(shè)備的爬桿機(jī)器人，用以解決當(dāng)前城鎮(zhèn)中存在的影響城市美觀的公共設(shè)施的清洗、維護(hù)問(wèn)題。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題
機(jī)器人是人類(lèi)新世紀(jì)的偉大發(fā)明之一，是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運(yùn)行、重復(fù)操作和精度較高的自動(dòng)化設(shè)備，機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)生根本性的變化，而且將對(duì)人類(lèi)的社會(huì)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)己成為當(dāng)代應(yīng)用最廣泛、發(fā)展迅速的高科技產(chǎn)業(yè)之一。機(jī)器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)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)。
1.2.1 機(jī)器人的分類(lèi)
機(jī)器人的種類(lèi)多種多樣，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類(lèi):工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人或者分為兩類(lèi):制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人、非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿生機(jī)器人。
仿生機(jī)器人是未來(lái)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向，按仿生學(xué)角度來(lái)分可分為:蝗螂式爬行機(jī)器人、蜘蛛式爬行機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、尺鑊式爬行機(jī)器人[1]等。
按驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分可分為:氣動(dòng)爬行機(jī)器人、電動(dòng)爬行機(jī)器人和液壓驅(qū)動(dòng)爬行機(jī)器人等。
按行走方式可分為:輪式、履帶式、蠕動(dòng)式[2]、多足式等。按工作空間來(lái)分可分為:管道爬行機(jī)器人、壁面爬行機(jī)器人、球面爬行機(jī)器人、陸地移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人、無(wú)人飛機(jī)、空間機(jī)器人等。
按功能用途來(lái)分可分為:焊弧爬行機(jī)器人、檢測(cè)爬行機(jī)器人、清洗爬行機(jī)器人、提升爬行機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、助殘機(jī)器人、巡線爬行機(jī)器人、玩具爬行機(jī)器人等。
根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)方式和功能等可以設(shè)計(jì)多種不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機(jī)器人，如氣動(dòng)管內(nèi)檢測(cè)爬行機(jī)器人，電磁吸附多足式爬行機(jī)器人、電驅(qū)動(dòng)壁面焊弧爬行機(jī)器人等，每一種形式的爬行機(jī)器人都有各自的應(yīng)用特點(diǎn)。
1.2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
爬行機(jī)器人[3-5]是機(jī)器人大家族中的一員，爬升機(jī)器人因?yàn)樾枰朔亓Φ淖饔枚煽康匾栏接谂郎砻嫔喜⒆灾饕苿?dòng)，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動(dòng)機(jī)器人，故爬升機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究分支，從運(yùn)動(dòng)方式上來(lái)表征的一種機(jī)器人，形式是多種多樣的。
最早開(kāi)始研究且研究最多的是爬壁機(jī)器人[6-7]，適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面[8-9]和大球形表面上的危險(xiǎn)作業(yè)。對(duì)于管道外壁表面，已有車(chē)輪移動(dòng)形、姿態(tài)可變形、尺鑊形和多關(guān)節(jié)形機(jī)器人，用于石油、化工企業(yè)等多為水平管線上的檢查和診斷，且牽引力較小。
國(guó)內(nèi)外的學(xué)者很早就對(duì)爬行機(jī)器人進(jìn)行研究工作，目前，國(guó)內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人、電動(dòng)液壓式爬桿機(jī)器人和氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人[9-11]等。
電動(dòng)機(jī)械式爬行器是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動(dòng)夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降。螺旋運(yùn)動(dòng)爬升機(jī)器人的爬行動(dòng)作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動(dòng)方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過(guò)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)該機(jī)構(gòu)便可實(shí)現(xiàn)上升和下降運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人和螺旋線運(yùn)動(dòng)爬桿機(jī)器人都是以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運(yùn)作，且機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。
氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人用氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交替夾緊和移動(dòng)，其向上爬行時(shí)氣缸動(dòng)作一個(gè)周期的過(guò)程為下部氣缸夾緊，上部氣缸松開(kāi)，提升氣缸活塞桿伸出，上部上升;上部氣缸夾緊，下部氣缸松開(kāi)，提升氣缸體上升，下部上升。如此反復(fù)，機(jī)器人就可以連續(xù)爬行。對(duì)于氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人，其上升和下降運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)由氣壓控制，需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本較高。
國(guó)外有代表性的有東京大學(xué)研制的關(guān)節(jié)型行走機(jī)器人，可沿水平或垂直的直桿爬行，能跨越法蘭障礙、平行桿[12]，并可繞T型桿和L型桿爬行。
國(guó)內(nèi)比較典型的有上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研究開(kāi)發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護(hù)用氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人[13]，可在各種斜度的纜索上爬行，能完成纜索檢測(cè)、清洗等工作，并具有一定的智能性。
清華大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人采用自重式鎖緊機(jī)構(gòu)，機(jī)器人靠自重壓迫鋼球使滑塊(機(jī)械手)鎖緊在桿壁上，可以爬行較小范圍的變直徑桿，但該結(jié)構(gòu)只可單向爬行(從下往上或是從大直徑處向小直徑處爬行)。該機(jī)構(gòu)改進(jìn)后可爬升和返回，但需要加上一套氣動(dòng)控制設(shè)備。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行和返回則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來(lái)解決，其上升和下降由氣壓控制，設(shè)備成本較高。
電動(dòng)機(jī)械式管外爬行機(jī)器人，國(guó)內(nèi)比較典型的有陜西科技大學(xué)[14]研制的管外爬桿機(jī)器人。
哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的沿桅桿或繩索爬行的機(jī)器人[15]，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人是由兩個(gè)形狀相似的圓形套筒內(nèi)嵌有一對(duì)活動(dòng)V型卡爪、一對(duì)槽型凸輪、鉸鏈、壓力傳感器、連桿、鑲嵌在頂部滑塊四周的檢測(cè)儀、電機(jī)等零部件構(gòu)成。
1.2.3 目前主要存在的問(wèn)題
爬行機(jī)器人并不少見(jiàn)，但是通常來(lái)說(shuō)，這類(lèi)機(jī)器人大多采用多足來(lái)進(jìn)行移動(dòng)或是使用腹部的摩擦表層來(lái)左右扭動(dòng)前進(jìn)。更主要的是，平常的機(jī)器人，因?yàn)轶w積或行動(dòng)方式的影響，不能到一些特殊的地方進(jìn)行工作，比如說(shuō)管道，壁面等等特種用途的領(lǐng)域。
由上面敘述可知目前國(guó)內(nèi)外所設(shè)計(jì)制造的各種電機(jī)機(jī)械式爬行器均有一個(gè)缺陷:它們大多采用凸輪機(jī)構(gòu)[16]夾緊，由于凸輪機(jī)構(gòu)的不可伸縮性，一個(gè)爬行器只能爬行特定直徑的等直徑的桿件。目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來(lái)解決，其上升和下降由氣壓控制，還需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較高。
目前國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有在此類(lèi)爬行機(jī)構(gòu)方面的深入研究。鑒于綠色和環(huán)保的需要，因此，有必要研發(fā)和制造一種利用簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)替代繁瑣的氣動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)變直徑桿的攀爬，同時(shí)在爬行過(guò)程中可攜帶其它清潔能源實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈桿等桿狀城市建筑的清洗作業(yè)的設(shè)備。
1.3 本論文的研究工作
首先查找資料文獻(xiàn)，研究分析國(guó)內(nèi)外各種爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案找出它們的優(yōu)缺點(diǎn)。提出爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案并篩選滿足本論文條件的爬桿機(jī)器人。本課題的思路以及研究過(guò)程如下：
1）分析爬桿機(jī)器人各種結(jié)構(gòu)模型；
2）建立爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型；
3）提出本論文爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；
4）完成爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各部件尺寸設(shè)計(jì)；
5）零部件的校核計(jì)算；
6）爬桿機(jī)器人三維圖的繪制。
第二章 爬桿機(jī)器人仿生的結(jié)構(gòu)分析研究
2.1 仿生機(jī)器人概述
仿生機(jī)器人是指模仿生物、從事生物特點(diǎn)工作的機(jī)器人。目前在西方國(guó)家，機(jī)械寵物十分流行，另外，仿麻雀機(jī)器人可以擔(dān)任環(huán)境監(jiān)測(cè)的任務(wù)，具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。二十一世紀(jì)人類(lèi)將進(jìn)入老齡化社會(huì)，發(fā)展仿人機(jī)器人將彌補(bǔ)年輕勞動(dòng)力的嚴(yán)重不足，解決老齡化社會(huì)的家庭服務(wù)和醫(yī)療等社會(huì)問(wèn)題，并能開(kāi)辟新的產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)。
生物在經(jīng)過(guò)了千百萬(wàn)年的進(jìn)化之后，由于遺傳和變異的原因，已經(jīng)形成了從執(zhí)行、感知、控制方式，一直到信息加工處理、組織方式等諸多方面的優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)處。仿生機(jī)器人這門(mén)學(xué)科產(chǎn)生和存在的前提就在于，生物經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的自然選擇進(jìn)化而來(lái)，在結(jié)構(gòu)、功能執(zhí)行、信息處理、環(huán)境適應(yīng)、自主學(xué)習(xí)等多方面具有高度的合理性、科學(xué)性和進(jìn)步性[17]。而非結(jié)構(gòu)化的、未知的工作環(huán)境、復(fù)雜的精巧的高難度的工作任務(wù)和對(duì)于高精確度、高靈活性、高可靠性、高智能性的目標(biāo)需求則是仿生機(jī)器人提出和發(fā)展的客觀動(dòng)力。
圖2-1 仿生機(jī)器人主要研究?jī)?nèi)容
仿生機(jī)器人是機(jī)器人發(fā)展的最高階段，它既是機(jī)器人研究的最初目的，也是機(jī)器人發(fā)展的最終目標(biāo)之一。
仿生機(jī)器人是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機(jī)能的機(jī)器人系統(tǒng)[18]。從仿生學(xué)的角度來(lái)看，仿生機(jī)器人是仿生學(xué)技術(shù)的完美綜合與全面應(yīng)用。從本質(zhì)上來(lái)講，所謂“仿生機(jī)器人”就是指利用各種光、機(jī)、電、液等各種無(wú)機(jī)元器件和有機(jī)功能體相配合所組建起來(lái)的在運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式、感知模式和信息處理、控制協(xié)調(diào)和計(jì)算推理、能量代謝和材料結(jié)構(gòu)等多方面具有高級(jí)生命形態(tài)特征從而可以在未知的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下精確的、靈活的、可靠的、高效的完成各種復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)[19]。
人爬樹(shù)時(shí)（如圖2-2），兩腳夾緊樹(shù)桿，兩腿一蹬，兩手抱住樹(shù)桿上移，然后兩手抱緊樹(shù)桿，收腿提腳上移，一步步向上爬行，這就是本課題所研究的爬桿機(jī)器人在生物中找到的例子。
圖2-2 爬樹(shù)姿勢(shì)
2.2 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:貼附功能與移動(dòng)功能?？偟膩?lái)說(shuō)，貼附方式有吸附式和夾持式這兩種，運(yùn)動(dòng)移動(dòng)方式有輪式、履帶式、腿式和蠕動(dòng)式移動(dòng)這四類(lèi)。這些不同的方式可以進(jìn)行多種組合，構(gòu)成多種風(fēng)格不同用途的爬壁機(jī)器人。
2.2.1 貼附功能分析
吸附式是通過(guò)面接觸方式緊貼于壁面上，夾持式是靠點(diǎn)夾緊在桿上。吸附方式又有真空吸附[20]和電磁吸附[21-22]之分，其中真空吸附式用得比較多，因?yàn)樗鼘?duì)壁面的要求不十分嚴(yán)格;電磁吸附承載能力大，有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，但其應(yīng)用范圍窄，需要桿件壁面含有電磁場(chǎng)可吸附的含鐵、鉆、鎳等材料。下面的表2-1是對(duì)各種貼附方式的優(yōu)缺點(diǎn)做一個(gè)簡(jiǎn)單的比較。
夾持式的貼附方式是運(yùn)用機(jī)械手臂，由機(jī)械手的夾緊力產(chǎn)生的摩擦力使機(jī)械手夾緊在桿體上，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠適應(yīng)任何壁面，對(duì)工作環(huán)境沒(méi)什么特殊要求。
吸附式有真空吸附和電磁吸附兩種，真空吸附又分為使用真空泵吸附和噴射器吸附兩種，電磁吸附方式大致有永磁體吸附和電磁體吸附兩種，下面在表2-1中列出做一些比較介紹。
表2-1 貼附方式的比較
貼附方式
概要
特點(diǎn)
夾持式
機(jī)械手
由夾緊力產(chǎn)生的摩擦力使機(jī)械手夾緊在桿體上
能適應(yīng)任何壁面
吸附式
真空吸附
真空泵
設(shè)置許多吸盤(pán)，由真空泵裝置產(chǎn)生吸附力，使機(jī)器人吸附在壁面上
可實(shí)現(xiàn)小型、輕量化，無(wú)需附加供氣裝置，但要求壁面有一定的平滑度
噴射器
在本體上安裝噴嘴，由噴射器經(jīng)噴嘴將壓縮空氣噴出，其周?chē)纬烧婵?，吸附在壁面?
能效低、噪音大，且需要供氣裝置，但對(duì)壁面的適應(yīng)能力強(qiáng)
電磁吸附
永磁體
由永磁體產(chǎn)生吸附力，吸在壁面上
吸附時(shí)不需要外部能量，但只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附
電磁體
電磁體通電將其吸附在壁面上
吸附時(shí)需要電能，也只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附
真空泵吸附是在吸盤(pán)上設(shè)置許多小的吸盤(pán)，由真空泵裝置產(chǎn)生吸附力，是機(jī)器人吸附在壁面上，其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化，但是對(duì)工作環(huán)境有一定要求，壁面必須有一定的平滑度。噴射器吸附是在機(jī)器人機(jī)構(gòu)上安裝噴嘴，由噴射器將空氣壓縮再經(jīng)噴嘴噴出，使周?chē)纬烧婵?，從而吸附在壁面上，這種形式的機(jī)器人可以達(dá)到很高的真空度，對(duì)壁面的適應(yīng)能力也很強(qiáng)，但是工作噪音大，能效低，而且需要供氣裝置。
永磁體吸附的方式是由永磁體產(chǎn)生吸附力，吸在壁面上，吸附時(shí)不需要提供外部能源，但是只適用于導(dǎo)磁的壁面的吸附。電磁體吸附方式是將電磁鐵通電使其吸附在壁面上，與永磁體吸附方式不同的是這種方式需要電能，而且可以控制磁體的通電，也是只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附。
2.2.2 移動(dòng)功能分析
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。作為桿件爬行機(jī)器人，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)研究，也有很多種移動(dòng)方式可供選擇，對(duì)于各種移動(dòng)方案優(yōu)缺點(diǎn)的比較如下：
輪式的移動(dòng)速度快，容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，控制也方便，但是與壁面的接觸面積小，容易打滑，越障能力較差。
履帶式的接觸面積大，承載能力大，移動(dòng)速度相對(duì)其他方案快，對(duì)不同壁面的適應(yīng)能力強(qiáng)，但是履帶的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)動(dòng)性能差，工作時(shí)的磨損比較大。
腿式的機(jī)構(gòu)越障能力強(qiáng)，承載能力也大，機(jī)動(dòng)性能比較好，擁有很強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力，但是結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，因?yàn)槭情g歇運(yùn)動(dòng)故速度慢，關(guān)節(jié)和各個(gè)腿腳的控制復(fù)雜。
蠕動(dòng)式機(jī)構(gòu)的承載能力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適應(yīng)各種環(huán)境的能力比較強(qiáng)，控制也簡(jiǎn)便，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且運(yùn)動(dòng)速度也比較慢。
要求所要設(shè)計(jì)的這種爬行機(jī)器人，它的工作對(duì)象為各種型號(hào)的城市桿狀建筑，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)，能夠跨越一般的障礙物。通過(guò)比較各種方案，決定使用一種氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案能基本滿足課題所設(shè)定的工作狀況。在爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)中這種爬行結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)方向上任意長(zhǎng)的距離提升重物，較同功能的其它機(jī)構(gòu)，能獲得更大的鎖緊力，從而可傳送較重的物體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)，控制簡(jiǎn)便，還可以根據(jù)使用要求，作各種變形設(shè)計(jì)。
2.3 本章小結(jié)
本章主要談及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理—仿生及攀爬中的若干問(wèn)題。第一節(jié)簡(jiǎn)要的概述了一下仿生機(jī)器人的起源和發(fā)展以及它的一個(gè)主要研究?jī)?nèi)容，第二節(jié)對(duì)機(jī)器人的各種貼附方案和移動(dòng)方案進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和比較，并簡(jiǎn)要的介紹了下本論文所需要研究爬桿機(jī)器人在這方面的要求等。
第三章 爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
爬桿機(jī)器人的主要用途是作為桿上傳送的載體，本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是爬行機(jī)器人的核心部分，要求承受一定的負(fù)載并能保持穩(wěn)定的爬行動(dòng)作。因此首要的目標(biāo)是使機(jī)器人能夠在較長(zhǎng)的爬行距離內(nèi)安全可靠的爬行，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的使機(jī)器人移動(dòng)靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，滿足一定的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性要求。
3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本課題所設(shè)計(jì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式其實(shí)是一種蠕動(dòng)爬行，蠕動(dòng)是一種周期性的動(dòng)作，蠕動(dòng)體的姿態(tài)呈現(xiàn)某種規(guī)律性的變化。我們所設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人的本體部分主要由三個(gè)機(jī)械單元組成，分為上、下夾緊機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在中間分別與上、下夾緊機(jī)構(gòu)相連接。上、下夾緊機(jī)構(gòu)分別起著保持夾緊的作用，而軀干部分則起著上下推進(jìn)的作用。
3.2 夾緊裝置分析研究
根據(jù)爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，夾緊機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵，所產(chǎn)生的夾緊力應(yīng)能保證機(jī)器人在單步運(yùn)動(dòng)中一端夾緊在桿上，使機(jī)器人在單步工作中保持穩(wěn)定，夾緊-放松的運(yùn)動(dòng)過(guò)程能自如的進(jìn)行。綜合考慮機(jī)器人系統(tǒng)工作環(huán)境和性質(zhì)，主要有兩種夾緊方式:機(jī)械式裝置和氣 (液)壓式裝置。
兩種方式都能產(chǎn)生足夠的夾緊力，各有其優(yōu)點(diǎn)。液(氣)壓式夾緊裝置夾緊力調(diào)節(jié)方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，但需要液(氣)源和液(氣)動(dòng)控制系統(tǒng)支持，體積龐大、噪音污染大并且其設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較高。
對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)的要求是:能產(chǎn)生足夠大的夾緊力、放松和夾緊收放自如、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)可靠、質(zhì)量輕。結(jié)合實(shí)際情況，選用機(jī)械夾緊裝置，夾緊裝置的主體是一個(gè)雙向絲杠，由電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，具有自鎖功能的絲杠產(chǎn)生的軸向力帶動(dòng)兩個(gè)機(jī)械手臂相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)桿體的夾緊。
3.3 爬升動(dòng)力系統(tǒng)分析研究
目前對(duì)于機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)有多種不同的選擇方案，可以采用液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)等不同的方式[23-24] 。不同的動(dòng)力系統(tǒng)適用不同的工作環(huán)境，按照具體的要求來(lái)選擇合適的動(dòng)力達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。表3-2為不同的驅(qū)動(dòng)方式的性能對(duì)照表。
表3-1 驅(qū)動(dòng)方式性能對(duì)照表
項(xiàng)目
技術(shù)要求
動(dòng)作速度
穩(wěn)定性
驅(qū)動(dòng)力
環(huán)境要求
控制距離
經(jīng)濟(jì)性
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
使用維護(hù)
速度調(diào)整
氣壓驅(qū)動(dòng)
較低
較快
較差
中等
適應(yīng)性好
中等
便宜
簡(jiǎn)單
簡(jiǎn)單
容易
液壓驅(qū)動(dòng)
較高
較慢
良好
最大
不怕振動(dòng)
短
較貴
稍復(fù)雜
較高
容易
電氣驅(qū)動(dòng)
較低
慢
很好
較大
一般
短
一般
復(fù)雜
簡(jiǎn)單
困難
液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般使用2-15MPa的油液驅(qū)動(dòng)，能夠產(chǎn)生很大的驅(qū)動(dòng)力，但是其系統(tǒng)體積大，比較笨重，工作中有漏油的問(wèn)題，而且維護(hù)起來(lái)比較麻煩，故不適合在本系統(tǒng)中使用。
電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，直接獲得所需要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)具有易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，使用方便，信號(hào)監(jiān)測(cè)、傳遞和處理方便，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其動(dòng)作速度慢，總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，速度調(diào)整起來(lái)比較困難而且工作距離短，所以也沒(méi)有選用電氣驅(qū)動(dòng)的方式。
氣壓驅(qū)動(dòng)使用壓力通常在 0.4-0.6MPa，最高可達(dá)1MPa。氣壓驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便,價(jià)格便宜，使用維護(hù)起來(lái)相對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單許多，綜合上面各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到經(jīng)濟(jì)性、可靠性等多個(gè)方面，選擇氣缸驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上下攀爬運(yùn)動(dòng)。
3.4 爬桿機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理
爬桿機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。
結(jié)合圖3-1可以看出，機(jī)器人的爬行動(dòng)作原理可分為以下6步：
1） 下電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)下絲杠旋轉(zhuǎn)，使手臂夾緊在圓柱桿上。
2） 上電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)上絲杠旋轉(zhuǎn)，讓上手臂松開(kāi)。
3） 氣缸向上推動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到指定位置后，停止運(yùn)動(dòng)保持。
4） 上電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)上絲杠旋轉(zhuǎn)，讓上手臂夾緊桿子。
5） 下電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)下絲杠旋轉(zhuǎn)，使手臂松開(kāi)圓柱桿。
6） 氣缸收回，帶動(dòng)機(jī)器人下部分向上運(yùn)動(dòng)。
圖3-1 爬桿機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)
上述為爬桿機(jī)器人的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，每運(yùn)行一個(gè)周期，機(jī)器人整體向上爬行一次，重復(fù)上面6個(gè)步驟就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)械手之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作和機(jī)器人整體的攀爬運(yùn)動(dòng)。
3.5 本章小結(jié)
本章主要介紹了爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，第一節(jié)提出了機(jī)器人的大致總體結(jié)構(gòu)構(gòu)想，第二節(jié)對(duì)比分析了機(jī)械式和氣、液壓式夾緊裝置，第三節(jié)對(duì)動(dòng)力爬升系統(tǒng)進(jìn)行了具體分析研究，第四節(jié)闡述了爬桿機(jī)器人的工作原理。
第四章 主體尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)校核
4.1 爬桿機(jī)器人各零部件的尺寸估算設(shè)計(jì)
在估算零件質(zhì)量的過(guò)程中，忽略小孔及倒角、圓角，對(duì)絲杠作光桿處理，尺寸按較大方向來(lái)選取。
4.1.1 底板
為了減輕機(jī)器人的質(zhì)量又能夠達(dá)到工作所需要的強(qiáng)度，選用底板材料為鋁合金，密度，底板結(jié)構(gòu)及尺寸如圖4-1所示：
圖4-1 底板
厚度為15mm，估算底板的質(zhì)量
(4.1)
(4.2)
4.1.2絲杠
要求所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)完成10—30cm圓柱體的攀爬運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算初步將絲杠工作長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成150mm，直徑32mm，兩端長(zhǎng)度各為40mm，直徑20mm，絲杠材料選擇調(diào)質(zhì)45號(hào)鋼，密度，彈性模量為196~206Gpa，絲杠結(jié)構(gòu)如圖4-2所示：
圖4-2 絲杠
估算絲杠的質(zhì)量：
(4.3)
4.1.3 夾緊手臂
手臂材料選擇鋼材，密度；
夾爪于手臂之間用螺釘連接，其結(jié)構(gòu)如圖4-3所示：
圖4-3 手臂
(4.4)
(4.5)
4.1.4 電機(jī)
電機(jī)質(zhì)量估算4000g
4.1.5 估算上部分總質(zhì)量
機(jī)器人上部分總質(zhì)量：
(4.6)
還有齒輪以及一些小零件（螺栓、橡膠片、聯(lián)軸器等）估取
4.1.6 氣缸
根據(jù)工作所需力的大小來(lái)確定活塞桿上的推力和拉力。由此來(lái)選擇氣缸時(shí)應(yīng)使氣缸的輸出力稍有余量。若缸徑選小了，輸出力不夠，氣缸不能正常工作；但缸徑過(guò)大，不僅使設(shè)備笨重、成本高，同時(shí)耗氣量增大，造成能源浪費(fèi)。
下面是氣缸理論力的計(jì)算公式：
(4.7)
氣缸的工作效率為85%，則氣缸理論輸出力：
(4.8)
設(shè)氣源壓力為0.5Mpa，則；
計(jì)算得出；
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇QM系列氣缸，氣缸直徑為25mm，氣缸的結(jié)構(gòu)及安裝尺寸如圖4-4所示。
圖4-4 氣缸
基本尺寸如下（mm）：
缸徑: 25
MM: M10×1.25 NN: M27×2 PP: ZG1/8
A: 22 B: 15 C: 58
D: 37.7 E: 34 L: 120
4.1.7 估算整體質(zhì)量
(4.9)
估算選取。
4.1.8 計(jì)算工作所需夾緊力
摩擦材料選擇橡膠，橡膠對(duì)鑄鐵摩擦系數(shù)
，,；
(4.10)
所以工作所需夾緊力為225N。
4.1.9 電機(jī)的選擇計(jì)算與定型
電動(dòng)機(jī)俗稱馬達(dá)，是一種將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，并可再使用機(jī)械能產(chǎn)生動(dòng)能，用來(lái)驅(qū)動(dòng)其他裝置的電氣設(shè)備。它是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種機(jī)器。通常電動(dòng)機(jī)的做功部分作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種電動(dòng)機(jī)稱為轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)；也有作直線運(yùn)動(dòng)的，稱為直線電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)能提供的功率范圍很大，從毫瓦級(jí)到萬(wàn)千瓦級(jí)。電動(dòng)機(jī)的使用和控制非常方便，具有自起動(dòng) 、加速、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、掣住等能力，能滿足各種運(yùn)行要求；電動(dòng)機(jī)的工作效率較高，又沒(méi)有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。由于它的一系列優(yōu)點(diǎn)，所以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設(shè)備等各方面廣泛應(yīng)用。
下面進(jìn)行電機(jī)的計(jì)算選型，上文經(jīng)過(guò)估算已近計(jì)算得出，工作所需的夾緊力為225N,則
(4.11)
(4.12)
計(jì)算工作所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩：
(4.13)
圖4-5 電動(dòng)機(jī)
根據(jù)轉(zhuǎn)矩查相關(guān)機(jī)械手冊(cè)，選取電機(jī)型號(hào)40YB01電機(jī)+標(biāo)準(zhǔn)減速箱；
電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為260r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1.3，質(zhì)量4kg；外形、尺寸如圖4-5所示。
4.2 滑動(dòng)螺旋絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核
螺旋傳動(dòng)是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。螺旋傳動(dòng)根據(jù)螺紋副的摩擦情況，可以分為三類(lèi)：滑動(dòng)螺旋，滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋。滑動(dòng)螺旋構(gòu)造簡(jiǎn)單、加工方便、易于自鎖、但摩擦大、效率低（一般為 30%-40%） 、磨損快，低速時(shí)可能爬行，定位精度和軸向剛度較差。靜壓螺旋實(shí)際上是采用靜壓流體潤(rùn)滑的滑動(dòng)螺旋。靜壓螺旋傳動(dòng)效率可達(dá) 99%，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要供油系統(tǒng)。滾珠絲杠傳動(dòng)是滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的一種，其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高，精度也很高，但結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜且價(jià)格較貴。綜合起來(lái)看，本課題爬桿機(jī)器人的精度要求并不是很高，鑒于構(gòu)造簡(jiǎn)單及經(jīng)濟(jì)性原則，選擇滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的主要失效形式是螺紋磨損，因此螺桿的直徑和螺母的高度通常是根據(jù)耐磨性計(jì)算確定。傳力螺旋應(yīng)校核螺桿危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度，青銅或鑄鐵螺母以及承受重載的調(diào)整螺旋應(yīng)校核螺紋牙的剪切和彎曲強(qiáng)度。要求自鎖的螺桿應(yīng)校核其自鎖性。精密的傳導(dǎo)螺旋應(yīng)校核螺桿的剛度。當(dāng)螺桿受壓力，其長(zhǎng)徑比又很大時(shí)，容易產(chǎn)生側(cè)向彎曲，應(yīng)校核其穩(wěn)定性，較長(zhǎng)的螺桿而轉(zhuǎn)速又較高時(shí)，可能產(chǎn)生橫向振動(dòng)，還應(yīng)校核他的臨界轉(zhuǎn)速。
調(diào)整螺旋和部分傳力螺旋要求自鎖時(shí)，一般采用單頭螺紋；為了提高傳動(dòng)效率以及要求較高的直線運(yùn)動(dòng)速度，可采用多頭螺紋，以得到較大的螺紋升角和導(dǎo)程。
4.2.1 傳動(dòng)螺紋選擇
梯形螺紋工藝性好，切牙根強(qiáng)度高，對(duì)中性好，是最常用的傳動(dòng)螺紋，傳動(dòng)螺紋選用梯形螺紋，牙型為等腰梯形，牙型角=30，高徑比=1.5。
4.2.2 耐磨性計(jì)算及選材
絲杠材料選用45號(hào)鋼，螺母材料同樣也選用45鋼。查表得，許用壓力=7.5~13Mpa，選擇=8Mpa，摩擦因數(shù)為0.11~0.17，選擇f=0.12，從耐磨觀點(diǎn)計(jì)算所需的中徑，
27.3mm (4.14)
根據(jù)（GB/T 5796.1~5796.3—1986）選擇絲杠標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑d=32mm.
絲杠螺距P=6mm，牙頂間隙=0.5mm，中徑29mm，=25mm 。
螺母高度H==1.529=43.5mm，圓整成整數(shù)為44mm。螺母旋合圈數(shù)n=H/P=44/6=7.33， n10-12，滿足條件。
4.2.3 校核驗(yàn)算
(1) 自鎖性驗(yàn)算：
要求自鎖時(shí)，當(dāng)量摩擦角；
=arctan(f/cos)= arctan(0.12/cos15)=8.25 (4.15)
dtan=3.1432tan8.25=14.57mm
，符合自鎖條件，可以實(shí)現(xiàn)自鎖。
(2) 絲杠強(qiáng)度校核驗(yàn)算：
在當(dāng)量應(yīng)力時(shí)，絲杠強(qiáng)度通過(guò)。
查表計(jì)算得，許用拉應(yīng)力：
(4.16)
，絲杠強(qiáng)度驗(yàn)算通過(guò)。
(3) 螺母螺牙強(qiáng)度校核驗(yàn)算：
查機(jī)械手冊(cè)得，許用彎曲應(yīng)力：
(4.17)
許用切應(yīng)力
(4.18)
梯形螺紋螺牙根部寬度b：
(4.19)
梯形螺紋螺紋的工作高度：
(4.20)
螺牙切應(yīng)力的計(jì)算：
絲杠
(4.21)
螺母
(4.22)
絲杠彎曲應(yīng)力的計(jì)算：
絲杠
(4.23)
螺母
(4.24)
絲杠切應(yīng)力，螺母切應(yīng)力，絲杠彎曲應(yīng)力，螺母彎曲應(yīng)力；螺母螺牙強(qiáng)度校核通過(guò)。
(4) 穩(wěn)定性校核：
計(jì)算細(xì)長(zhǎng)比
查機(jī)械手冊(cè)得，長(zhǎng)度系數(shù)
(4.25)
，符合要求，故無(wú)需校核絲杠的穩(wěn)定性。
4.3 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
齒輪傳動(dòng)是指用主、從動(dòng)輪輪齒直接、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的裝置。齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。按齒輪軸線的相對(duì)位置分平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸螺旋齒輪傳動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。在所有的機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)應(yīng)用最廣，可用來(lái)傳遞相對(duì)位置不遠(yuǎn)的兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。
齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是：齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，工作可靠、效率高、壽命長(zhǎng)，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳遞功率可以從很小至幾十萬(wàn)千瓦；速度最高可達(dá)300m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至二十多米。但是制造齒輪需要有專門(mén)的設(shè)備，嚙合傳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲。
4.3.1 選定齒輪類(lèi)型、精度、材料及齒數(shù)
（1）按工作要求，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
（2）大小齒輪的材料選用40Cr，表面淬火，表面硬度為HRC48-55。
（3）因?yàn)楸砻娲慊?，輪齒變形小，采用七級(jí)精度。
（4）試選小齒輪齒數(shù)，。
4.3.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)公式進(jìn)行試算，即
(4.26)
確定上式中個(gè)參數(shù)
① 試選載荷系數(shù)；
② 小齒輪傳遞的扭矩為
③ 查表，選齒寬系數(shù)；
④ 查表，得彈性影響系數(shù)；
⑤ 按齒面硬度中間值HRC52，查得大、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為：
⑥ 重合度系數(shù)，斷面重合度：
(4.27)
(4.28)
⑦ 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
(4.29)
(4.30)
⑧ 查圖，得接觸疲勞壽命系數(shù)：
，；
⑨ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)，則
(4.31)
(4.32)
計(jì)算：
① 設(shè)計(jì)公式中帶入中較小的值，得
(4.33)
② 計(jì)算小齒輪分度圓圓周速度：
(4.34)
③ 計(jì)算齒寬：
(4.35)
④ 計(jì)算齒寬與齒高之比：
模數(shù) (4.36)
齒高
(4.37)
⑤ 計(jì)算載荷系數(shù)：
查圖，由，7級(jí)精度，得；
查表，得，，，；
故，載荷系數(shù)：
(4.38)
⑥ 計(jì)算模數(shù)：
(4.39)
4.3.3 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算
設(shè)計(jì)公式為：
(4.40)
（1） 確定設(shè)計(jì)公式中的參數(shù)
① 查圖，得大、小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限：
;
② 查圖，得彎曲疲勞壽命系數(shù)：
,;
③ 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力：
取安全系數(shù)S=1.4,則
(4.41)
(4.42)
④ 計(jì)算載荷系數(shù)：
(4.43)
⑤ 查表，得齒形系數(shù)：
，；
⑥ 查表，得應(yīng)力校正系數(shù)：
，；
⑦ 計(jì)算重合度系數(shù)：
(4.44)
⑧ 計(jì)算大小齒輪的的值
(4.45)
(4.46)
所以，小齒輪的彎曲強(qiáng)度較弱。
（2） 計(jì)算齒輪模數(shù)
設(shè)計(jì)計(jì)算中帶入的較大值，得
(4.47)
就近圓整模數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值，；取
則，
4.3.4 幾何尺寸計(jì)算
（1）計(jì)算分度圓直徑：
(4.48)
（2）計(jì)算中心距：
(4.49)
（3）計(jì)算齒輪寬度：
(4.50)
，
4.4 軸承的選用
手臂在導(dǎo)桿上滑動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，大大降低爬桿機(jī)器人工作時(shí)的工作效率，有的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)卡死的情況，影響機(jī)器人的正常工作，手臂與導(dǎo)桿還會(huì)有嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，增加了維護(hù)成本，降低了機(jī)器人的工作壽命。
鑒于以上情況，特在手臂與導(dǎo)桿之間加上一個(gè)軸承，來(lái)減小導(dǎo)桿與手臂的摩擦力，增加機(jī)器人的工作穩(wěn)定性和使用壽命，由于導(dǎo)桿和手臂是相對(duì)的軸向移動(dòng)，所以在這邊選用直線軸承。
4.4.1 直線軸承介紹
直線軸承（圖4-6）是一種以低成本生產(chǎn)的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，用于無(wú)限行程與圓柱軸配合使用。由于承載球與軸呈點(diǎn)接觸，故使用載荷小。鋼球以極小的摩擦阻力旋轉(zhuǎn)，從而能獲得高精度的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。
直線軸承是與淬火直線傳動(dòng)軸配合使用，作無(wú)限直線運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。負(fù)荷滾珠和淬火傳動(dòng)軸因?yàn)槭屈c(diǎn)接觸，容許載荷較小，但直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦阻力最小，精度高，運(yùn)動(dòng)快捷。
圖4-6 直線軸承
直線軸承可分為標(biāo)準(zhǔn)型直線軸承、間隙調(diào)整型直線軸承、開(kāi)口型直線軸承、加長(zhǎng)型直線軸承、通用性直線軸承這些類(lèi)型。
4.4.2 直線軸承的選用
根據(jù)手臂和導(dǎo)桿的尺寸，查找機(jī)械手冊(cè)，選擇型號(hào)為L(zhǎng)B203245的開(kāi)口型直線軸承，其內(nèi)徑為20mm，外徑為32mm，寬度為45mm。
4.5 聯(lián)軸器
聯(lián)軸器是連接兩軸或軸和回轉(zhuǎn)件，在傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一同回轉(zhuǎn)而不脫開(kāi)的一種裝置，在傳動(dòng)過(guò)程中不改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)矩的大小，這是各類(lèi)聯(lián)軸器的共性功能。聯(lián)軸器連接的兩軸，由于制造及安裝誤差，承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證嚴(yán)格的對(duì)中，而是存在著某種程度的相對(duì)位移。
本裝置是將兩根絲杠用聯(lián)軸器連接起來(lái)，保證它們?cè)陔姍C(jī)帶動(dòng)下，同步轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞相同大小的扭矩，從而帶動(dòng)兩只手臂相對(duì)同步直線運(yùn)動(dòng)，來(lái)夾緊圓柱狀物體，實(shí)現(xiàn)攀爬運(yùn)動(dòng)。
聯(lián)軸器的固定方式有如下幾種：
（1）定位螺絲固定：兩個(gè)定位螺絲間隔 90°對(duì)所固定的軸進(jìn)行鎖緊，是一種傳統(tǒng)的固定方式。
（2）夾緊螺絲固定：利用內(nèi)六角螺栓擰緊的力量，使狹縫收縮，而將軸心緊緊夾持住。
（3）鍵槽型：這種類(lèi)型與定位螺絲固定型一樣，是一種最傳統(tǒng)的固定方式，適合高扭矩的傳動(dòng)，為防止軸向滑動(dòng)，通常與定位螺絲固定型、夾緊螺絲固定型并用。
（4）復(fù)合固定方式：在聯(lián)軸器的固定中，采用兩種固定方式來(lái)進(jìn)行聯(lián)接固定稱為復(fù)合固定方式。
查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，根據(jù)傳遞的扭矩以及絲杠小端直徑大小，選擇圓錐銷(xiāo)套筒聯(lián)軸器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，徑向尺寸小，成本較低，用于兩軸直徑相同的圓柱形軸伸，符合本機(jī)構(gòu)的工作，其結(jié)構(gòu)如圖4-7所示：
圖 4-7 聯(lián)軸器
一些基本尺寸如下：
軸直徑d(H7): 20mm
許用轉(zhuǎn)矩:90(N·m)
Do: 35mm
L: 60mm
l: 15mm
C: 1.0mm
C1: 1.0mm
圓錐銷(xiāo)GB/T 117-2000: 6×35mm
4.6 本章小結(jié)
本章主要詳細(xì)介紹了機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)和尺寸參數(shù)的界定，設(shè)計(jì)并校核了齒輪傳動(dòng)，絲杠傳動(dòng)，根據(jù)設(shè)計(jì)出的零件的尺寸選定了直線軸承和聯(lián)軸器，完成了對(duì)電動(dòng)機(jī)和氣缸的選型。
結(jié) 論
該機(jī)器人運(yùn)用了簡(jiǎn)單的反向絲杠夾緊機(jī)構(gòu)，以電機(jī)作為夾緊驅(qū)動(dòng)，采用氣缸來(lái)提供爬升動(dòng)力，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氣缸的功率，也具有良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。在設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的動(dòng)作方案很好的保證了機(jī)器人整體的協(xié)調(diào)動(dòng)作。
該機(jī)器人只是一個(gè)工作平臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝靈活，我們可以根據(jù)實(shí)際工作需求，在機(jī)器人上搭載不同的工作機(jī)構(gòu)，就可以在桿狀城市建筑上完成多種高空作業(yè)，實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的功能，具有使用價(jià)值高，應(yīng)用范圍廣，可推廣性強(qiáng)。
但是在設(shè)計(jì)中由于時(shí)間和精力有限還存在一些缺陷和遺憾，機(jī)械夾緊手臂還需要優(yōu)化和完善，目前的方案夾緊速度不快，影響到了機(jī)器人的整體爬升速度，而且人工控制起來(lái)比較麻煩，在不大幅度改變機(jī)器人現(xiàn)有機(jī)械結(jié)構(gòu)的前提下，增加智能控制部分，使之成為一個(gè)智能型機(jī)器人，可以適應(yīng)復(fù)雜工況的要求也提高工作效率。
可以進(jìn)行搭載平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使之成為一個(gè)正真意義上的搭載平臺(tái)，為城市桿狀建筑的清洗、維護(hù)提供支持。在條件允許的情況下，增加試驗(yàn)因素，比如路燈桿的清洗測(cè)試、抗振測(cè)試、以及故障測(cè)試等等，并以經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性作為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)。
致 謝
本文的研究工作是在我的導(dǎo)師孫中圣老師的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，在我的論文的研究工作中傾注著導(dǎo)師辛勤的汗水和心血。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)使我深受啟迪。導(dǎo)師對(duì)于細(xì)節(jié)的重視尤其讓我難忘。從尊敬的導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎實(shí)、寬廣的專業(yè)知識(shí)，也學(xué)到了做人的道理。在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深的敬意。
在此，向所有關(guān)心和幫助過(guò)我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)、朋友和家人表示由衷的謝意。
同時(shí)，衷心的感謝在百忙之中評(píng)閱論文和參加答辯的各位專家、教授。
參 考 文 獻(xiàn)
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