畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要鉤爪式爬壁機(jī)器人是一種能夠在垂直壁面上進(jìn)行高空作業(yè)的移動式服務(wù)機(jī)器人。它屬于極限作業(yè)機(jī)器人的一種，可以將人從危險的工作中解脫出來，是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。本文通過對國內(nèi)外各種類型爬壁機(jī)器人現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與比較，論述了鉤爪式爬壁機(jī)器人的運(yùn)動方式、吸附方式、控制系統(tǒng)等。首先介紹了國內(nèi)外爬壁機(jī)器人研究現(xiàn)狀，闡明本課題研究的目的、意義。然后進(jìn)一步介紹了本爬壁機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)，同樣也要求設(shè)計出合理高效的爬行裝置，并在此基礎(chǔ)上著重闡述了爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)主要問題及其解決方法，機(jī)器人的控制系統(tǒng)必須具有操作簡單、安全、可靠、高效、方便等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞: 爬壁機(jī)器人；鉤爪；移動；粗糙壁面；發(fā)展趨勢AbstractThe wall climbing robot of hook claw is a climbing robot can worked at height on the vertical wall of mobile service robots. It belongs to a robot of limit, Will work from the dangerous freed, currently, it is one of the hotspots where the field of robotics research. Based on the current situation at home and abroad to conduct various types of wall-climbing robot system for analysis and comparison, discusses the wall climbing robot of hook claws mode, adsorption and control systems. Firstly, it is introduce that Research to the climbing robot at home and abroad, clarify the purpose of the research, significance. And then further describes the overall structure of the wall-climbing robot, meanwhile it is also asked to design reasonable and efficient of crawling device, and in this basis, it is focused on the main problems and solutions for climbing robot control system, the robots control system must be simple, safe, reliable, efficient, and convenient.Keywords: wall-climbing robot; hook claw; rough wall; Development目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第1章 緒論11.1 本文研究的目的及意義11.2 國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢11.2.1 國外爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀11.2.2 國內(nèi)爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀31.2.3 爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢41.3 研究內(nèi)容及研究方法51.3.1 研究內(nèi)容51.3.2 研究方法5第2章 鉤爪式爬壁機(jī)器人方案設(shè)計62.1 總體方案分析62.1.1 本體系統(tǒng)設(shè)計62.1.2 現(xiàn)存問題72.1.3 本課題的開發(fā)具有以下優(yōu)點(diǎn)82.2 機(jī)器人基本功能方案82.2.1 抓附方案的選擇82.2.2 移動方案的選擇92.3 總體方案性能分析92.3.1 負(fù)載能力92.3.2 機(jī)構(gòu)尺寸102.3.3 移動速度102.3.4 設(shè)計性能指標(biāo)10第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計113.1 電機(jī)的選擇113.1.1 試選電機(jī)113.1.2 校核電機(jī)123.1.3 聯(lián)軸器的選擇123.2 滑桿的設(shè)計與校核133.2.1 校核滑桿的抗彎強(qiáng)度133.2.2 校核滑桿的抗拉強(qiáng)度183.3 爪片的設(shè)計193.3.1 彈簧的設(shè)計193.4 銷的校核203.5 面槽盤形凸輪的介紹213.5.1 結(jié)構(gòu)簡圖213.5.2 凸輪曲線的做法213.5.3 理論輪廓曲線，工作廓線，基圓，根圓223.5.4 從動件的壓力角223.6 蝸輪蝸桿的設(shè)計計算233.6.1 選擇傳動的類型和精度等級233.6.2 選擇材料,確定許用應(yīng)力233.6.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計233.6.4 蝸輪和蝸桿主要幾何尺寸計算243.6.5 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度253.6.6 驗算效率263.6.7 精度等級公差和表面粗糙度的確定263.7 軸的設(shè)計計算263.7.1 軸的概述263.7.2 軸的設(shè)計及其校核273.7.3 軸的設(shè)計293.8 平鍵連接（動連接）校核計算結(jié)果343.9 本章小結(jié)34結(jié) 論35參考文獻(xiàn)36致 謝3739 第1章 緒論1.1 本文研究的目的及意義隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人已越來越多地進(jìn)入我們的生活領(lǐng)域，以機(jī)器人代替人類從事各種單調(diào)、重復(fù)、繁重、危險以及有毒有害的工作是社會發(fā)展的一個趨勢。現(xiàn)代機(jī)器人一般分為兩大類：一類是工業(yè)機(jī)器人，主要指裝配、搬運(yùn)、焊接、噴漆等機(jī)器人。另一類是極限工作機(jī)器人，主要指在人難以到達(dá)的惡劣環(huán)境下代替人工作業(yè)的機(jī)器人。如：海底資源的勘測開發(fā)、空間人造衛(wèi)星的收發(fā)、戰(zhàn)場上的偵察和排險、核放射場所的維護(hù)、高層建筑的壁面清洗、滅火救助等。作為極限作業(yè)機(jī)器人重要開發(fā)項目之一的壁面爬行機(jī)器人近些年來得到了蓬勃的發(fā)展，受到了人們越來越多的重視。爬壁機(jī)器人有很多種，鉤爪式爬壁機(jī)器人是爬壁機(jī)器人中比較難攻克的難題，但較其他爬壁機(jī)器人有很多相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。目前研究的爬壁機(jī)器人主要通過真空吸附、磁吸附或粘性吸附來實現(xiàn)在垂直壁面上的爬行，在現(xiàn)實中，主要應(yīng)用于核工業(yè)、石化工業(yè)、建筑行業(yè)、造船業(yè)、消防部門及偵查活動等。這些鉤爪式爬壁機(jī)器人可以獨(dú)立完成大部分工作。但是通過真空吸附和磁吸附來實現(xiàn)在垂直壁面上爬行的機(jī)器人不能滿足在磚塊、水泥和巖石等多孔或粗糙垂直表面上的運(yùn)動。鉤爪式爬壁機(jī)器人是爬壁機(jī)器人的一種，也是爬壁機(jī)器人在移動機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要部分，它把地面移動機(jī)器人技術(shù)與控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，可在垂直壁面上通過鉤爪固定，靈活的在垂直面爬行，并能攜帶工具，代替人工在極限條件下完成一定的作業(yè)任務(wù)，大大擴(kuò)展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。鉤爪式爬壁機(jī)器人就可以避免吸附式的缺點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)也相對簡單，它的應(yīng)用一定會取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。1.2 國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1.2.1 國外爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部的西亮教授在1996年成功研制出第一個垂直壁面移動機(jī)器人樣機(jī)，該機(jī)器人利用電風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)的低壓作用作為吸附力，使機(jī)器人貼附在垂直壁面上。1975年他又采用單吸盤結(jié)構(gòu)制作出以實用化為目標(biāo)的第二代爬壁機(jī)器人樣機(jī)。俄羅斯莫斯科機(jī)械力學(xué)研究所在1997年研制出的用于大型壁面和窗戶清洗作業(yè)的爬壁機(jī)器人也采用單吸盤結(jié)構(gòu)。如圖1所示，該機(jī)器人利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生真空負(fù)壓來提供吸附力，吸盤腹部裝有4個驅(qū)動輪，機(jī)器人可在壁面全方位移動。美國西雅圖的HenryRseemann在波音公司的資助下研制出一種真空吸附履帶式爬壁機(jī)器人“AutoCrawler”。其兩條履帶上各裝有數(shù)個小吸附室，隨著履帶的移動，吸附室連續(xù)地形成真空腔而使得履帶貼緊壁面行走。日本光榮公司研制了一種多吸盤爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人裝有兩組真空吸盤。機(jī)器人本體上自帶兩個真空泵、電池、控制系統(tǒng)和無線通訊系統(tǒng)。機(jī)器人一次充電可以工作約30min，工作范圍為距遙控天線10m以內(nèi)，最大行走速度為30cmmin，用于高大建筑物墻壁的檢測工作。英國樸次茅斯工藝學(xué)校在20世紀(jì)90年代初研制了一種多足行走式的爬壁機(jī)器人。采用模塊化設(shè)計，機(jī)器人由兩個相似的模塊組成，每個模塊包括兩個機(jī)械腿和腿部控制器?？筛鶕?jù)任務(wù)需要來安裝不同數(shù)量的腿，可重構(gòu)能力強(qiáng)。機(jī)械腿采用仿生學(xué)機(jī)構(gòu)，模擬大型動物臂部肌肉的功能，為兩節(jié)式，包括上、下兩個桿和3個雙作用氣缸，具有3個自由度。穩(wěn)定性好，承載能力大，利于機(jī)器人的輕量化，并能跨越較大的障礙物。除腿端部各有一真空吸盤外，機(jī)器人腹部設(shè)有吸盤，使機(jī)器人具有較大的負(fù)載質(zhì)量比，可達(dá)2：1：1。日本東京工業(yè)大學(xué)研制了一種爬壁機(jī)器人“NINJA”，可在不同表面(地面、墻壁、天花板)上爬行并具有較高承載荷能力。運(yùn)動系統(tǒng)采用腳部安裝有真空吸盤的腿，腿部為3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，為機(jī)器人在壁面上行走提供強(qiáng)大的驅(qū)動力；踝部采用一種新的機(jī)構(gòu)mcp(ConductwiredrivenParaUelo-gram)用來調(diào)整踝部的姿態(tài)；并采用VM(Valve-regulatedMulti-pk)閥調(diào)節(jié)多腔式真空吸盤，使機(jī)器人在遇到粗糙、有裂縫的墻壁時仍有較高吸附效率。機(jī)器人尺寸500mm1800mm400mm，質(zhì)量45kg。日本宮崎大學(xué)的Nishi教授研制出一種具有兩個旋轉(zhuǎn)葉片的“飛行機(jī)器人”，利用兩個旋轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生的指向壁面的推力，使機(jī)器人與壁面間產(chǎn)生足夠的摩擦力，而使機(jī)器人能夠附著在壁面上。機(jī)器人裝有兩個56cc的內(nèi)燃機(jī)，速度為 0.5m/s，質(zhì)量為20kg，可用于火災(zāi)搶險等危險作業(yè)。美國密歇根州立大學(xué)研制了兩種雙足結(jié)構(gòu)的小型爬壁機(jī)器人，均采用真空吸附方式。機(jī)器人由一個移動關(guān)節(jié)和4個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)組成運(yùn)動機(jī)構(gòu)，共5個運(yùn)動關(guān)節(jié)。采用模糊控制方式，機(jī)器人外形尺寸為高80mm、寬50mm，質(zhì)量為450g。機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃采用了一種有限狀態(tài)機(jī)制來描述機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)，并以此為基礎(chǔ)建立了機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃規(guī)則。圖6b為具有4個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的雙足爬壁機(jī)器人。兩個機(jī)器人樣機(jī)均采用欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)，減小了機(jī)器人的質(zhì)量和能耗。機(jī)器人可以在墻壁、天花板上爬行，以及在兩個表面之間過渡爬行，也可爬越管道一類的障礙物。西班牙馬德里CSIC大學(xué)工業(yè)自動化研究所從1990年自現(xiàn)在，剛研制出一種6足式爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人為磁吸附式，具有較大的靜載荷，目的是為了工業(yè)上的應(yīng)用?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)研制的采用人工合成干粘性材料的兩個爬壁機(jī)器人試驗樣機(jī)，該機(jī)制的粘性材料模仿壁虎腳掌的吸附機(jī)理，根據(jù)分子間范德華力的作用，采用特殊工藝制作而成?？稍诖蟛糠殖Ｒ姷墓饣诿娌牧仙衔?。美國Case Western Reserve University研制的采用4個“腿輪”的爬壁機(jī)器人樣機(jī)。與前兩種機(jī)器人相似，該機(jī)器人依靠4個“腿輪”上的仿生粘性材料來吸附，與圖9所示樣機(jī)不同的是這4個腿輪上腳掌的特殊分布更有利于機(jī)器人在壁面上穩(wěn)定爬行。該機(jī)器人質(zhì)量僅有87g。1.2.2 國內(nèi)爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀自1988年以來，在國家“863”高技術(shù)計劃的支持下，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附兩個系列的5種型號壁面爬行機(jī)器人我國研究的第一臺壁面爬行遙控檢測機(jī)器人，采用負(fù)壓吸附，全方位移動輪，用于核廢液儲存罐罐壁焊縫缺陷檢測。1994年開發(fā)的用于高樓壁面清洗作業(yè)的爬壁機(jī)器人CLRI，采用全方位移動機(jī)構(gòu)，機(jī)器人在原地就可以任意改變運(yùn)動方向。之后開發(fā)的CLRII，采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動方式同軸雙輪差速機(jī)構(gòu)，通過對兩輪速度的協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)機(jī)器人的全方位移動，機(jī)器人本體和地面控制站之間采用電力線載波通訊方式。上述3款爬壁機(jī)器人均采用單吸盤結(jié)構(gòu)，彈簧氣囊密封，保證了機(jī)器人具有較高爬行速度和可靠的附著能力。1995年研制成功的金屬管防腐用磁吸附爬壁機(jī)器人，采用永磁吸附結(jié)構(gòu)，靠兩條履帶的正反轉(zhuǎn)移動來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎牽引。該機(jī)器人可以為石化企業(yè)金屬儲料罐的外壁進(jìn)行噴漆、噴砂，以及攜帶自動檢測系統(tǒng)對罐壁涂層厚度進(jìn)行檢測。1997年研制的水冷壁清洗、檢測爬壁機(jī)器人，呈圓弧形永磁吸附塊與罐壁圓弧相吻合，提高了吸附力，也提高了作業(yè)的效率。上海大學(xué)也較早開展高樓壁面清洗作業(yè)機(jī)器人的研究，先后研制出垂直壁面爬壁機(jī)器人和球形壁面爬壁機(jī)器人。該球形壁面爬壁機(jī)器人采用多吸盤、負(fù)壓吸附、6足獨(dú)立驅(qū)動腿足行走方式，可用于不同曲率半徑的球形外壁面。1996年以來，北京航空航天大學(xué)先后研制成功WASH-MAN，CLEANBOT 1，SKYCLEAN，“吊籃式擦窗機(jī)器人”和“藍(lán)天潔寶”等幕墻清洗機(jī)器人樣機(jī)。吊籃式清洗機(jī)器人，依靠樓頂上的安全吊索牽引移動，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓使機(jī)器人貼附在壁面上。近年來，上海交通大學(xué)也開展了爬壁機(jī)器人的研究。設(shè)計了一種自身無行走機(jī)構(gòu)而依靠壁面牽引實現(xiàn)機(jī)器人移動的壁面清洗機(jī)器人樣機(jī)，1.2.3 爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢由于傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人具有很多的不足之處（如對壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強(qiáng)，跨越障礙物的能力弱，體積大，質(zhì)量重等），因此未來爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實用化的方向發(fā)展。(1) 吸附裝置最近幾年，美、英、俄等國的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個秘密就是分子間的作用力范德華力。范德華力是中性分子彼此距離非常近時產(chǎn)生的一種微弱電磁引力。科學(xué)家在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，壁虎腳趾上約有650萬根次納米級的細(xì)毛，每根細(xì)毛直徑約為200至500納米，約是人類毛發(fā)的直徑的十分之一。這些細(xì)毛的長度是人類毛發(fā)直徑的2倍，毛發(fā)前端有1001000個類似樹狀的微細(xì)分枝，每分枝前端有細(xì)小的肉趾，這種精細(xì)結(jié)構(gòu)使得細(xì)毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產(chǎn)生分子引力。雖然每根細(xì)毛產(chǎn)生的力量微不足道，但累積起來就很可觀。根據(jù)計算，一根細(xì)毛能夠提起一只蟻的重量，而一百萬根細(xì)毛雖然占地不到一個小硬幣的面積，但可以提起二十公斤力的重量。如果壁虎腳上650萬根細(xì)毛全部附著在物體表面上時， 可吸附住質(zhì)量為133千克的物體，這相當(dāng)于兩個成人的質(zhì)量?？茖W(xué)家說，壁虎實際上只使用一個腳，就能夠支持整個身體。從壁虎腳的附著力得到的啟示可用于研制爬壁機(jī)器人。在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用類比，模擬和模型方法，通過高分子材料化學(xué)，工程材料科學(xué)，力學(xué)和機(jī)械學(xué)的交叉研究，探索出一種與壁虎腳趾表面結(jié)構(gòu)相近的，經(jīng)物理改進(jìn)的極性高分子材料（人造壁虎仿生腳干性粘合劑），并應(yīng)用精密微機(jī)械加工的手段，設(shè)計并制作模擬壁虎腳趾的吸附裝置，該吸附裝置將適應(yīng)于各種材質(zhì)（如玻璃，粉墻和金屬等）和任意形狀的表面（如平面，柱面，弧面和拐角等）。這種裝置如果研制成功將使爬壁機(jī)器人的實用化邁出堅實的一大步。(2) 移動方式在移動機(jī)器人中，輪式和履帶式移動方式已獲得廣泛的應(yīng)用，但是足式移動方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點(diǎn)。足式移動方式的機(jī)器人可以相對較容易地跨過比較大的障礙 （如溝、坎等），并且機(jī)器人的足所具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動更加靈活，對凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強(qiáng)。足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟壁面接觸的面積小，可以在可達(dá)到的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運(yùn)動靈活，適應(yīng)于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結(jié)構(gòu)將在爬壁機(jī)器人上有著較好的應(yīng)用前景。(3) 驅(qū)動設(shè)備傳統(tǒng)伺服電機(jī)因功率重量比低，必須安裝在遠(yuǎn)離驅(qū)動的地方，而且電機(jī)高速運(yùn)行后需有減速齒輪來降低速度，致使傳動系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)累贅，不能滿足實用化的要求，為此需要研制利用功能材料構(gòu)成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機(jī)。(4) 能源問題迫切的需要探索出一種新的能源，體積小、供電性能強(qiáng)的電池，或者通過遙控途徑對機(jī)器人提供能量和控制信號。目前國內(nèi)外正對此進(jìn)行積極研究，這方面日本取得了較大的成果。日本已經(jīng)較為成功的將微波技術(shù)應(yīng)用到一臺無線機(jī)器人上，該技術(shù)成功的應(yīng)用將會使爬壁機(jī)器人的運(yùn)動范圍得到較大的擴(kuò)展。1.3 研究內(nèi)容及研究方法1.3.1 研究內(nèi)容（1）根據(jù)機(jī)械設(shè)計制造技術(shù)要求，設(shè)計出適合鉤爪式爬壁機(jī)器人攀爬垂直墻壁的鉤爪，設(shè)計合適的鉤爪結(jié)構(gòu)及尺寸，鉤爪的形狀和數(shù)目等。合理的設(shè)計連接鉤爪支撐架的擺動連桿連接處等部件。（2）通過對鉤爪式爬壁機(jī)器人的設(shè)計研究，確定機(jī)器人的爬行速度與驅(qū)動電機(jī)之間的關(guān)系。（3）設(shè)計鉤爪式爬壁機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)及安全裝置。1.3.2 研究方法（1）深入調(diào)查研究，了解目前鉤爪式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，理解其工作原理；（2）通過查閱相關(guān)資料和深入學(xué)習(xí)，制定鉤爪式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；（3）實施鉤爪式爬壁機(jī)器人的設(shè)計：包括相關(guān)零部件的選擇（抽風(fēng)機(jī)的選擇）和擺動兩岸的設(shè)計。第2章 鉤爪式爬壁機(jī)器人方案設(shè)計2.1 總體方案分析欲使機(jī)器人在壁面上自由地移動，必須具備兩種功能:抓附功能與移動功能。抓附方式通過鉤爪抓取粗糙傾斜壁面；通過自身重力使機(jī)器人對墻面有一個正壓力，應(yīng)用一組鉤爪抓取壁面，使自身固定在上面。再通過另一組鉤爪的間歇運(yùn)動實現(xiàn)爬壁運(yùn)動。在設(shè)計移動機(jī)器人系統(tǒng)時，首先應(yīng)考慮機(jī)器人的用途，因為不同的用途，移動機(jī)器人的移動機(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)動性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費(fèi)用等。設(shè)計這種爬壁機(jī)器人，它的工作對象為粗糙的傾斜壁面。機(jī)器人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)。通過比較各種方案，設(shè)計了一種連桿機(jī)構(gòu)爬行結(jié)構(gòu)形式，這是一種新穎的爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計方案，該方案能基本滿足我們設(shè)定的工作狀況。在爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)中用連桿機(jī)構(gòu)爬行具有很多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)，控制簡便，還可以根據(jù)使用要求，作各種變形設(shè)計，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。2.1.1 本體系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)以上的總體結(jié)構(gòu)方案，結(jié)合鉤爪式爬壁機(jī)器人工作環(huán)境特點(diǎn)，本課題設(shè)計的爬壁機(jī)器人樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1：圖2-1樣機(jī)結(jié)構(gòu)動力部分由小功率電機(jī)驅(qū)動，為了獲得所需要的速度，在電機(jī)前面加了蝸輪蝸桿減速器，防止機(jī)器人在爬壁過程中出現(xiàn)由于突然斷電等原因引起的不穩(wěn)定因素。根據(jù)杠桿原理，起到了很好的自鎖作用，整個機(jī)器人采用45號鋼材料，在減輕自身重量的情況下最大程度獲得很高的強(qiáng)度和剛度。2.1.2 現(xiàn)存問題國際上對爬壁機(jī)器人的研究已經(jīng)有了幾十年的歷史，也研究出了各種各樣的樣機(jī)或產(chǎn)品，總體起來看，爬壁機(jī)器人人還存在著如下一些問題：第一，運(yùn)動靈活性與吸附能力的矛盾。一般要求爬壁機(jī)器人攜帶一定重量的負(fù)載，這就要求它具備可靠、穩(wěn)定的性能，但這一要求得到滿足的同時，其運(yùn)動速度、靈活性、對壁面的適應(yīng)能力必須會受到不同程度的影響。第二，集成化與可靠性的矛盾。從實用角度說，人們當(dāng)然希望機(jī)器人有較高的集成度，又有較高的可靠性，但是，鄭重說法只是理論上成立，現(xiàn)實中不能完美結(jié)合。這一矛盾有賴于新型能源的開發(fā)和無線通訊技術(shù)的發(fā)展。第三，智能化問題。就爬壁機(jī)器人的現(xiàn)狀來說，智能化不盡如人意，這里的智能化主要是指對環(huán)境的自主適應(yīng)能力，自動壁障能力，自動糾錯能力等等。影響這些能力的關(guān)鍵是傳感技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展。第四，通用化合產(chǎn)業(yè)化問題。目前，研制的爬壁機(jī)器人大都是針對某一種工作要求面設(shè)計的，對壁面材料和形貌的依賴性比較大，很難具有普遍的適用性。另外，正式由于通用性和可靠性的限制，爬壁機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化道路始終走的比較緩慢，這也是爬壁機(jī)器人在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)所面臨的問題之一。2.1.3 本課題的開發(fā)具有以下優(yōu)點(diǎn)（1）克服了傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人真空系統(tǒng)復(fù)雜、噪音大、吸附輔助時間長等特點(diǎn)，創(chuàng)新性的提出了鉤爪鉤取抓附；該機(jī)構(gòu)具有耗能小，結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，鉤取和脫離快速，平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，噪音也比較小。并在試驗中取得了良好的實驗效果。（2）采用軸、推理軸承、蝸輪蝸桿等標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定，可靠。加快了機(jī)器人的應(yīng)用開發(fā)。（3）在研究動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)上開發(fā)的壁面規(guī)劃項目，可以成功實現(xiàn)預(yù)期爬行，又壁面控制系統(tǒng)的復(fù)雜。2.2 機(jī)器人基本功能方案2.2.1 抓附方案的選擇應(yīng)用在帕比機(jī)器人領(lǐng)域比較成熟的吸附方式主要有三種，即真空吸附、永磁吸附和電磁吸附，但都有相應(yīng)的缺點(diǎn)。中空吸附是依靠真空吸盤將機(jī)器人本體吸附于壁面，其特點(diǎn)是壁面必須光滑，當(dāng)壁面有裂縫或者凹凸不平時，容易造成吸盤漏氣，吸附力降低。嚴(yán)重的會使機(jī)器人從壁面剝離，要是想完美實現(xiàn)難度較高。突然停電、斷電或輸送氣管等的故障均可使機(jī)器人從壁面剝落。磁吸附包括永磁式和電磁式兩種，依靠磁力吸附于壁面。但要求壁面是磁性金屬。這個條件限制其應(yīng)用范圍。但是它的吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附，對壁面適應(yīng)能力較強(qiáng)。我們要求爬行的壁面為傾斜且粗糙度很大的壁面，最好是砂石壁面，像我們學(xué)校的一號寢室樓的那種，所以，以上兩種吸附方式均不可。我們設(shè)計的方案是鉤爪抓附方案，每個爪子上有一個爪框和三片爪片，爪片上有爪尖，移動時通過擺動連桿的擺動，使兩組鉤爪相互交錯上下運(yùn)動，爪尖抓附壁面，使機(jī)器人爬行。綜合以上原因，本次畢業(yè)設(shè)計的方案為鉤爪抓附，這樣的機(jī)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 穩(wěn)定性好。結(jié)構(gòu)簡單；(2) 與機(jī)器人合為一體，擴(kuò)大了工作范圍；(3) 能源消耗少，減輕機(jī)器人自重；(4) 適應(yīng)機(jī)器人爬行壁面的結(jié)構(gòu)和材料；(5) 運(yùn)動速度快，提高工作效率2.2.2 移動方案的選擇爬壁機(jī)器人主要的移動方式可分為：車輪式、履帶式、腳步行式等。其原理和特點(diǎn)如下：（1） 車輪式原理：配置多個輪子，每個輪子有電機(jī)驅(qū)動。特點(diǎn)：移動速度較快，便于控制，接觸地面面積小，維持一定的摩擦力較為困難。（2） 履帶式原理：有電機(jī)驅(qū)動兩個無軌道履帶特點(diǎn)：著地面積大，對壁面適應(yīng)性強(qiáng)，體積較大（3） 腳步行式原理：通過與多個腳的反復(fù)吸附與脫落來進(jìn)行移動特點(diǎn)：移動困難，移動速度慢，帶載能力強(qiáng)為了克服傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的性能限制，人們又研制出了其他一些形式的機(jī)器人。如：飛行形式，繩索牽動形式等，但這些還處于實驗階段。根據(jù)我們面臨的條件，粗糙的傾斜壁面，吸附機(jī)構(gòu)為鉤爪抓取，如果用履帶式和車輪式不能與鉤爪機(jī)構(gòu)相互配合，就算配合了也比較勉強(qiáng)，多此一舉，既浪費(fèi)資源，又沒有用處。所以我們選用鉤爪直接支撐壁面，帶動機(jī)器人運(yùn)動，這種移動方案比較新穎，經(jīng)過實驗，雖然還不盡善盡美，但也滿足了我們的要求。2.3 總體方案性能分析對鉤爪式爬壁機(jī)器人的基本要求是，能夠在粗糙的傾斜壁面上平穩(wěn)可靠的移動，并成功的完成任務(wù)，因此，機(jī)器人應(yīng)滿足以下若干性能要求。2.3.1 負(fù)載能力按照模塊化設(shè)計的思想，鉤爪式爬壁機(jī)器人本體是各種功能模塊的載體，在本體上安裝不同的模塊，就可以實現(xiàn)多樣的功能，如檢測、檢修、噴漆、除銹等等。為此，要求機(jī)器人具備一定的負(fù)載能力。如果按照工作機(jī)構(gòu)的平均重量在1.5kg左右，如果再考慮附屬機(jī)構(gòu)、電源線、信號線等重量，機(jī)器人負(fù)載能力應(yīng)該在3kg左右，當(dāng)然，這個負(fù)載并不包括機(jī)器人自重。2.3.2 機(jī)構(gòu)尺寸一方面，機(jī)器人要順利地出入各種復(fù)雜壁面結(jié)構(gòu)，而要出入各種壁面的復(fù)雜地形只能通過機(jī)器人的自身變形。綜上所述，設(shè)定機(jī)器人的尺寸約為460x350x240mm。2.3.3 移動速度 移動速度的設(shè)定主要取決于高效性和安全性來年各個安全因素來考慮，在考慮安全因素和電機(jī)功率限制的條件下，機(jī)器人的移動速度V平=0.06m/s2.3.4 設(shè)計性能指標(biāo)（1）最大尺寸：460x350x250mm（2）)機(jī)器人自重：2.5kg（3）機(jī)器人負(fù)載能力5kg（4）移動速度28m/min第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 電機(jī)的選擇根據(jù)鉤爪式爬壁機(jī)器人的爬行速度與本身的重量，確定電機(jī)的功率為小功率電機(jī)。3.1.1 試選電機(jī)選取機(jī)座型號為代號50的電機(jī)功率W=0.04kW，電流I=0.22A，轉(zhuǎn)速n=1400r/min，效率為=50%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)算出：=136.4NmP3=4050%=0.02kW功率太小，不足以帶動機(jī)器人順利爬行，隨意要重新選擇電機(jī)。再次選取機(jī)座型號為代號A02-5624的小功率電機(jī)功率W=0.09kW，轉(zhuǎn)速r=1400r/min，效率為=58%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)算出：P1=9058%=0.0522kWP2=9058%=0.0522kWP1= P2=0.0522kWP1電機(jī)傳遞的功率，單位為kW；P2蝸桿傳遞的功率，單位為kW；P3蝸輪傳遞的功率，單位為kW；P4凸輪傳遞的功率，單位為kW；n1電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；n2蝸桿的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；n3蝸輪的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；n4凸輪的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；3.1.2 校核電機(jī)凸輪每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)器人整體運(yùn)動64mm機(jī)器人運(yùn)動，作用在導(dǎo)軌上的力為300N所以，凸輪作用在擺動連桿上的力為600N = = =98%解得： =0.0367kWP2/= P1解得： P1=0.079kW0.09kW電機(jī)滿足我們的要求，可以選用。3.1.3 聯(lián)軸器的選擇彈性聯(lián)軸節(jié)的選擇：以下選擇連軸器的型號。計算轉(zhuǎn)矩，考慮到轉(zhuǎn)矩變化應(yīng)取，則 Nm 77.59Nm根據(jù)計算轉(zhuǎn)矩，查文獻(xiàn)18，選用TL 4型，半聯(lián)軸器的孔徑直徑為14mm3.2 滑桿的設(shè)計與校核3.2.1 校核滑桿的抗彎強(qiáng)度兩根滑桿選擇的材料為45號鋼桿1：長x寬x高=588x30x30mm桿2：長x寬x高=510x30x30mm比較兩桿，桿1與桿2相比，桿1比桿2長78mm，所以桿1沒有桿2穩(wěn)固，又因為桿1和桿2的運(yùn)動形式相同，受到的載荷也相同，因此，只要校核桿1的強(qiáng)度即可，如果桿1滿足條件，桿2也相應(yīng)的滿足，如果桿1不滿足，則校核之后再校核桿1，設(shè)計完成在校核，知道滿足所要求即可。構(gòu)如圖3-1:圖3-1 桿1的結(jié)構(gòu)簡圖桿2的形狀與桿1相同，長度短78mm已知：機(jī)器人的重量為 m1=25kg 負(fù)載情況為 m2=5kgG1=m1g=250N/kgG2=m2g=50NG=G1G2=300N當(dāng)機(jī)器人在水平面上爬行時，滑桿受到的剪切力與彎矩最大，只要校核這一極限位置即可校核剪切力與彎矩。桿1的受力情況如圖3-2：圖3-2 桿1的受力情況桿1的運(yùn)動情況有兩種，一種在最下面，另一種情況在嘴上面，這兩種情況是桿1受到的兩種極限位置，校核這兩個位置即可。（1）桿1運(yùn)動到最下面的位置時L1185mmL2403mmFAFB 00FB(L1L2) L20FB=15047.2NFA150 47.2102.8N如圖（1） FA FS10 FS1102.8N 0 MS1 FAX10 MS1102.8 X1如圖（2） FA FB2 0 FB2150 102.847.2N 0 MS2(X2 L1) FAX20 MS2 (FA )X2L1= 47.2X2150L1 MMAX13.878Nm FMAX102.8N剪力圖、彎矩圖如圖3-3：圖3-3 剪力彎矩圖滑桿的截面為實心矩形最大正應(yīng)力正應(yīng)力不僅與M有關(guān)，而且也和截面的形狀和尺寸有關(guān)，實心與空心也有很大的關(guān)系。所以，引用 W-抗彎截面系數(shù) 1. 當(dāng)截面為矩形時 截面的高為h，截面的寬為b。2. 截面為圓形時 根據(jù) (a)MMAX=13.878 Nm (b)W= (c) 根據(jù)（a）（b）（c）得：所以滑桿在最下面的位置滿足條件。（2）桿1運(yùn)動到最上面的位置時L1249mmL2339mmFA1FB1 00FB1(L11L21) L210FB1150=15063.5NFA1150 63.586.5N如圖（3） FA1 FS10 FS186.5N 0 MS1 FA1X10 MS186.5 X1如圖（4） FA1 FB1 0 FB1=86.5 150 63.5N 0 MS2(X2 L11) FA1X20 MS2 (FA1 )X2L1 63.5X2L1 MMAX21.54Nm FMAX86.5N如圖3-4：圖3-4剪力圖、彎矩圖滑桿的截面為實心矩形最大正應(yīng)力正應(yīng)力不僅與M有關(guān)，而且也和截面的形狀和尺寸有關(guān)，實心與空心也有很大的關(guān)系。所以，引用 W-抗彎截面系數(shù) 3. 當(dāng)截面為矩形時 截面的高為h，截面的寬為b。4. 截面為圓形時 根據(jù) (d)MMAX=13.878 Nm (e)W= (f) 根據(jù)（d）（e）（f）得：所以滑桿在最上面的位置也滿足條件。桿2無需校核，同樣滿足條件。3.2.2 校核滑桿的抗拉強(qiáng)度當(dāng)機(jī)器人爬垂直墻壁時，滑桿受到的拉應(yīng)力最大，所以校核該運(yùn)動狀態(tài)即可。每根滑桿受到的拉應(yīng)力為不小于G根據(jù)：-抗拉強(qiáng)度S-截面面積F -截面受到的拉應(yīng)力因為機(jī)器人運(yùn)動時，只有一根滑桿與壁面接觸，所以，每根桿受到的力一定要大于G。3.3 爪片的設(shè)計一個滑桿上連接4只爪子，一個滑桿受到N的力，一個爪子受到N的力，一個爪子上有3個爪片，所以，每個爪片受到N的力。還是以垂直墻面為例，這是一個極限位置，只要滿足這個條件，其他都可以實現(xiàn)。所以滿足條件。鉤爪的結(jié)構(gòu)圖3-5:圖3-5 鉤爪的結(jié)構(gòu)3.3.1 彈簧的設(shè)計在本機(jī)器人中，彈簧的作用很重要，機(jī)器人能否可靠的傾斜墻壁上爬行取決于彈簧的壓縮力。由于此機(jī)器人鉤爪所承受的載荷不是很大，在滿足最小彈簧力的條件下，選用材料最細(xì)，中徑最大的彈簧，這樣就可以保證壓縮力的前提下設(shè)計出來的彈簧圈數(shù)盡可能的多，也就可以保證彈簧在壓緊時，最大壓力盡可能的小。根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊（新編軟件版）里的彈簧計算公式，得出：安裝載荷(要求) F1=0.62 (N)，安裝高度 H1=35 (mm)，工作載荷(要求) F2=1 (N)，工作行程 h=2 (mm)，要求剛度 k=0.19 (N/mm)，載荷作用次數(shù) N=10000 (次)，載荷類型 NType=類。機(jī)器人工作時，彈簧受到的最小力,受到的最大力為。內(nèi)徑：外經(jīng)： 節(jié)距：有效圈數(shù)：n=15mm3.4 銷的校核銷的受力如圖3-6：圖3-6 銷的受力圖材料為45號鋼F=12.5Nd=8mm列平衡方程：F-2FS=0 FS=強(qiáng)度滿足要求。3.5 面槽盤形凸輪的介紹3.5.1 結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-7圖3-7 凸輪的結(jié)構(gòu)3.5.2 凸輪曲線的做法（1）選定最小尺寸OG=OA=OB=50mm;OD=82mm;（2）從動件從A點(diǎn)移動到D點(diǎn)的位置，升距為h=32mm。（3）凸輪按照順時針旋轉(zhuǎn)。（4）凸輪以低速順時針方向轉(zhuǎn)76o時，上升h=32mm，再轉(zhuǎn)28o時，保持上升到位移32mm的位移不變，之后再旋轉(zhuǎn)76o時，下降至原來的位置，最后經(jīng)過180o時，在原來的位置停歇。任選 =EC=30mm由= =EC=30mm解得：R=57.6mm =50+57.6=107.6mm =15mm滾子半徑，單位為mm；最小曲率半徑> ，所以設(shè)計的合理。3.5.3 理論輪廓曲線，工作廓線，基圓，根圓圓弧為“理論輪廓曲線”或“節(jié)線”。用最小半徑 =OA的圓為“基圓”。節(jié)線圓弧中的和D為相鄰圓弧的切點(diǎn)，由于切點(diǎn)上，故這個凸輪用于低速旋轉(zhuǎn)。滾子從動件在節(jié)線上取圓心，滾子半徑為 =15mm，用滾子半徑作一系列圓，圓族的包絡(luò)線即為凸輪廓線或者稱“工作廓線”；用廓線上的最小半徑OA作圓，所作的圓稱為“根圓”。（1）推程階段：1=76（2）遠(yuǎn)休止階段：2=28（3）回程階段：3=76（4）近休止階段：4=1803.5.4 從動件的壓力角 從動件受力點(diǎn)的力方向與速度方向之間的夾角（180）稱為從動件的“壓力角”，以表示。根據(jù)凸輪的簡圖可以算出，max 3.6 蝸輪蝸桿的設(shè)計計算普通圓柱蝸桿傳動, 已知：蝸桿輸入功率 =52.2kW，轉(zhuǎn)速，傳動比i=25，雙向轉(zhuǎn)動, 載荷平穩(wěn)，輕微沖擊,要求使用壽命5年。3.6.1 選擇傳動的類型和精度等級考慮到傳遞功率不大，轉(zhuǎn)速低，選用漸開線蝸桿（ZI），GB10089883.6.2 選擇材料,確定許用應(yīng)力蝸桿：45號鋼，要求表面淬火，淬火后的硬度為硬度45-55HRC，蝸輪：鑄錫青銅ZCUSN10P1，金屬模鑄造，查機(jī)械設(shè)計第八版，由西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室 編著。3.6.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計 根據(jù)蝸桿傳動的設(shè)計準(zhǔn)則，先按齒輪接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，在校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，由式（1），傳動中心距 （1）（1）確定作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩T2根據(jù)=2，估計渦輪效率=0.8，則（2）確定載荷系數(shù)K去載荷分布不均勻系數(shù)=1.5，選取選用系數(shù)=1.15，去動載荷系數(shù)=1。則 （3）確定彈性影響系數(shù)（4）確定彈性系數(shù)設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和傳動中心距a的比值，因此=2.9（5）確定許用接觸應(yīng)力根據(jù)渦輪蝸桿材料為ZCuSn10P1，金屬模制造，蝸桿螺旋齒面硬度45HRC，查得渦輪的基本許用應(yīng)力=268MPa應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 壽命系數(shù) 許用應(yīng)力 （6）計算中心距 =38.92mm 取中心距a=50mm，i=25，因此m=1.6，蝸桿分度圓直徑d1=20mm，查機(jī)械設(shè)計教材圖11-18可查得接觸系數(shù)=2.7因為，因此，以上結(jié)果可用。3.6.4 蝸輪和蝸桿主要幾何尺寸計算(1)蝸桿蝸桿分度圓直徑 蝸桿軸向齒距 Pa=m=3.141.6=5.024mm蝸桿直徑系數(shù) 蝸桿齒頂圓直徑 蝸桿齒根圓直徑 蝸桿導(dǎo)程角 蝸桿導(dǎo)程 蝸桿軸向齒厚 (2) 蝸輪渦輪齒數(shù)51，變位系數(shù)-0.5；驗算傳動比i=51/2=25.5；傳動比誤差0.5/25=2%，是允許的。蝸輪分度圓直徑 蝸輪喉圓直徑 蝸輪齒根圓直徑 渦輪咽喉母圓半徑 3.6.5 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度(1) 計算蝸桿導(dǎo)程角 (2) 計算蝸輪當(dāng)量齒數(shù) (3) 確定齒形系數(shù) 根據(jù),查機(jī)械設(shè)計教材，從文獻(xiàn)14中查得.(4) 確定螺旋角系數(shù) (5) 校核彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度滿足要求。3.6.6 驗算效率已知r= =11.9o；=arctanfv，fv與相對滑動運(yùn)動Vs有關(guān)Vs=0.06m/s從機(jī)械設(shè)計書上查得： fv=0.0204，=1.1687 解得 =0.86=86%大于原估計值，不用重復(fù)計算。3.6.7 精度等級公差和表面粗糙度的確定考慮到所設(shè)計的蝸桿傳動式動力傳動，屬于通用機(jī)械減速器，從GB/T10089-1988圓柱蝸桿、渦輪精度中選擇8等級精度，側(cè)隙種類為f，標(biāo)注為8f GB/10089-1988。然后由有關(guān)手冊查得要求的公差項目及表面粗糙度，此處從略。3.7 軸的設(shè)計計算3.7.1 軸的概述、軸的用途 軸是組成機(jī)器的主要零件之一。一切作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的傳動零件，都必須安裝在軸上才能進(jìn)行運(yùn)動及動力的傳遞。因此軸的主要功用是支承回轉(zhuǎn)零件及傳遞運(yùn)動和動力。、軸設(shè)計的主要內(nèi)容軸的設(shè)計包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力計算兩方面的內(nèi)容。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。軸的工作能力計算指的是軸的強(qiáng)度、剛度和振動穩(wěn)定性等到方面的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強(qiáng)度。這時只需對軸進(jìn)行強(qiáng)度計算，以防止斷裂或塑性變形。而對剛度要求高的軸和受力大的細(xì)長軸，還應(yīng)進(jìn)行剛度計算，以防止工作時產(chǎn)生過大的彈性變形。對高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)進(jìn)行振動穩(wěn)定性計算，以防止發(fā)生共振而破壞。軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。由于碳鋼比合金鋼價廉，對應(yīng)力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學(xué)熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，故采用碳鋼制造軸尤為廣泛，其中最長用的是45鋼。3.7.2 軸的設(shè)計及其校核軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。、擬定軸上零件的裝配方案 擬定軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，它決定著軸的基本形式。所謂裝配方案，就是預(yù)定出軸上方根零件的裝配方向，順序和相互關(guān)系。、軸上零件的定位為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運(yùn)動，軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn)的要求者外，都必須進(jìn)行軸向和周向定位，以保證其準(zhǔn)確的工作位置。(1) 零件的軸向定位軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、軸端擋圈和圓螺母等來保證的。軸肩分為定位軸肩和非定位軸肩兩類。利用軸肩定位是最方便可靠的方法，但采用軸肩就必然會使軸的直徑加大，而且軸肩處將因截面突變而引起應(yīng)力集中。因此，軸肩位多用于軸向力較大的場合。定位軸肩的高度h 一般取為h=（0.070.1）d, d 為與零件相配處的軸的直徑，單位為mm。流動軸承的定位軸肩高度必須低于軸承內(nèi)圈端面的高度，以便拆卸軸承。非定位軸肩是為了加工和裝配方便而設(shè)置的，其高度一般取為12mm。(2) 零件的徑向定位徑向定位的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。常用的徑向定位零件鍵、花鍵、銷、緊定螺釘以及過盈配合等。3、軸的強(qiáng)度計算軸的計算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求，必要時還應(yīng)校核軸的振動穩(wěn)定性。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計算：軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為: （3-5）式中 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力單位為MPa； T軸所受的扭矩，單位為Nm；軸的抗扭截面系數(shù)，單位為mm3；n軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；P軸傳遞的功率，單位為kW；d計算截面處軸的直徑，單位為mm；許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa。由上式可得軸的直徑 d （3-6）式中 A= , 對于空心軸，則 （3-7） 式中 , 即空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d之比，通常取=0.50.6。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)軸截面上開有鍵槽時，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強(qiáng)度的削弱。對于直徑d100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大3；有兩個鍵槽時，應(yīng)增大7.對于直徑d 100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大5%7；有兩個鍵槽時，應(yīng)增大10%15.然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。按彎扭合成強(qiáng)度條件計算作出軸的計算簡圖（即力學(xué)模型）在作計算簡圖時，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)把空間力分解為圓周力，徑向力和軸向力，然后把它們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上），并將其分解為水平分力和垂直分力。然后求出各支承處的水平反力和垂直反力。作出彎矩圖根據(jù)上述簡圖，分別按水平面和垂直平面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別作出平面上彎矩 和垂直面上的彎矩；然后按下式計算總彎矩并作出M圖； （3-8）作出扭矩圖校核軸的強(qiáng)度已知軸的彎矩和扭矩后，可針對某些危險截面作彎扭合成強(qiáng)度校核計算。按第三強(qiáng)度理論，計算應(yīng)力 （3-9）對于直徑為d圓軸，彎曲應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，將其代入上式中，則軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為： （3-10）式中 軸的計算應(yīng)力，單位為MPa；M軸所承受的彎矩，單位為Nmm；T軸所受的扭矩，單位為Nmm；W軸的抗彎截面系數(shù)，單位為mm3；對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力。3.7.3 軸的設(shè)計軸的設(shè)計已知：傳遞扭矩為Nm，輸出轉(zhuǎn)速為r/min 水平面支反力圓周力 NN 徑向力 NN1、初步確定軸的最小直徑根據(jù)使用條件，選取軸的材料為鋼，調(diào)質(zhì)處理，MPa, 所以mm當(dāng)軸截面上開有鍵槽時，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強(qiáng)度的消弱。對于直徑小于100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大5%7%；有兩個鍵槽時，應(yīng)增大10%15%。然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。應(yīng)當(dāng)注意，這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑。所以mm2、結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)軸的定向要求確定軸的各段直徑和長度如圖3-8：圖3-8 軸尺寸3、按彎曲合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度+按彎扭合成強(qiáng)度條件計算當(dāng)軸的支承位置和軸所受載荷的大小、方向及作用點(diǎn)等均已確定，支點(diǎn)反力及彎矩可以求得時，可按彎扭合成強(qiáng)度條件對軸進(jìn)行強(qiáng)度計算，具體步驟如下：1) 作軸的計算簡圖通常將軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的雙支點(diǎn)梁，其支點(diǎn)位置可根據(jù)軸承類型及組合方式，按圖3-9確定；由傳動件傳遞到軸上的載荷，通常簡化為作用于零件輪緣寬度中央的集中應(yīng)力，軸上轉(zhuǎn)矩則假定從傳動件輪轂寬度的中點(diǎn)算起；若各載荷構(gòu)成空間力系，則將其分解到兩個互相垂直的平面內(nèi)。把主軸簡化為圖3-9a中受集中力作用的鉸支梁。已知條件知 N，N由 N代入數(shù)據(jù)得： N，N由 N 代入數(shù)據(jù)得：N，N由以上數(shù)據(jù)畫出主軸在水平面和豎直面的受力簡圖，如圖3-9b、3-9d所示。2) 作軸的彎矩圖根據(jù)上述簡圖，分別計算軸上的水平面內(nèi)彎矩、豎直面內(nèi)彎矩。 NmNmNmNm 由式（3-8）得：NmNm作出水平面內(nèi)的彎矩圖如圖3-9c、豎直面內(nèi)彎矩如圖3-9e，以及合成彎矩圖如圖3-9f。3) 作軸的扭矩圖Nm如圖3-9g圖3-9 軸的載荷分析圖4) 作主軸的相當(dāng)彎矩圖由已知得到的合成彎矩和扭矩，根據(jù)第三強(qiáng)度理論計算相當(dāng)彎矩，并做出相當(dāng)彎矩圖。 (3-11)式中 是考慮彎矩和轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的應(yīng)力的循環(huán)特性不同而引入的修正系數(shù)，是彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力。當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時，?。划?dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，?。划?dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力亦為對稱循環(huán)變應(yīng)力時，則取。 由式（3-11）得：NmmNmm由式（3-11）得：MPa軸的材料為鋼，查文獻(xiàn)12得=110MPa。 ，故軸的強(qiáng)度滿足要求。 3.8 平鍵連接（動連接）校核計算結(jié)果 傳遞的轉(zhuǎn)矩 T =712200 Nmm軸的直徑 d =35 mm鍵的類型為 A型鍵的截面尺寸bh =10x8 mm鍵的長度L =100 mm鍵的有效長度L0 =90.000 mm接觸高度k =3.200 mm材料為45號鋼載荷類型 輕微沖擊載荷許用應(yīng)力p =45 MPa計算應(yīng)力p =14.1310 MPa校核計算結(jié)果： PP 滿足條件3.9 本章小結(jié) 本章是對回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的蝸輪蝸桿以及軸進(jìn)行設(shè)計計算，并設(shè)計要求對蝸輪蝸桿以及軸進(jìn)行了校核，滿足各方面要求。結(jié) 論本文完成了對鉤爪式爬壁機(jī)器人的主參數(shù)設(shè)定、運(yùn)動系統(tǒng)原理的設(shè)計、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計等。其中移動系統(tǒng)的設(shè)計是從各機(jī)構(gòu)所實現(xiàn)的功能入手，對各部分進(jìn)行定性設(shè)計，并進(jìn)行整體分析，包括傳動系統(tǒng)型式和鉤取抓附方式的介紹、對比，并從中確定用擺動連桿帶動滑桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是從移動機(jī)構(gòu)的爬行速度入手，確定所選結(jié)構(gòu)的傳動比，并對內(nèi)部的電機(jī)、聯(lián)軸器進(jìn)行選擇。并且對軸、凸輪進(jìn)行了設(shè)計、計算。最后，對支撐機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了校核，最終實現(xiàn)移動機(jī)構(gòu)所要求的爬行速度。 本次設(shè)計實現(xiàn)了最初的設(shè)計要求，并存在著對整機(jī)的優(yōu)化組合的考慮不足，也存在著對使用的材料的浪費(fèi)，但此次設(shè)計對確定鉤爪式爬壁機(jī)器人的設(shè)計方案，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義，本方案具有普遍性和廣泛性等特點(diǎn)，滿足了平穩(wěn)、啟動、制動沖擊小，微動性能良好等要求。參考文獻(xiàn) 1 黃善鈞. 壁面移動機(jī)器人的研究. 哈工大七十周