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XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
管道機(jī)器人設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
2013 年 5 月 30 日
摘 要
隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷的擴(kuò)大，對(duì)應(yīng)用需求提出了新的要求，為提高機(jī)器人應(yīng)用的水平，我們研制了一套機(jī)器人系統(tǒng)。
本文闡述了機(jī)器人的發(fā)展歷程，國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，及其巨大的優(yōu)越性，提出具體的機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了本演示系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)和各自由度具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算；最后設(shè)計(jì)伸縮機(jī)構(gòu)和機(jī)身設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵字：管道機(jī)器人、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)
38
Abstract
With the rapid development of the technology of the industrial robot, robot application field is constantly expanding, to application demand put forward new demands, in order to improve the application level, we developed a set of in pipe clearing ash robot system for the purpose of.
This paper describes the development of robot, application status at home and abroad, and its great superiority, puts forward the specific robot design requirements, for the demonstration of the overall scheme of the system design and the various degrees of freedom specific structure design, final design calculation; telescopic mechanism and machine design.
Key Words: Pipeline robot, structure design, mechanical structure
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1 機(jī)器人概述 1
1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀 3
1.3機(jī)器人發(fā)展趨勢 5
1.4 本課題研究的內(nèi)容與要求 5
第2章 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 6
2.1總體設(shè)計(jì)的思路 6
2.2 設(shè)計(jì)方案過程及特點(diǎn) 6
2.3 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和比較 6
2.3.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6
2.3.2 撐開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8
第3章 移動(dòng)部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算 10
3.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 10
3.1.1 行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的預(yù)算 10
3.1.2 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.2大小錐齒輪的設(shè)計(jì)和校核 19
3.3 軸Ⅰ的設(shè)計(jì)和校核 23
3.4 鍵的校核 32
第4章 伸縮機(jī)構(gòu)和機(jī)身設(shè)計(jì)和計(jì)算 33
4.1 伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 33
4.2 操作臂的設(shè)計(jì) 34
總 結(jié) 35
參考文獻(xiàn) 36
致 謝 38
第1章 緒論
1.1 機(jī)器人概述
在現(xiàn)代化工業(yè)中，生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為特別突出的主題?；さ冗B續(xù)過程的自動(dòng)化生產(chǎn)已基本上得到解決。但是，在機(jī)械工業(yè)中，加工和裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床就是實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；數(shù)控機(jī)床、程控機(jī)床、加工中心等等自動(dòng)化機(jī)械有效地解決了很多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但是除切削加工本身外，另外還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)與應(yīng)用為這些工作的機(jī)械化奠定了很好的基礎(chǔ)。
“機(jī)器人”（工業(yè)機(jī)器人）：指的是程序變量的大部分（主編）裝置的自動(dòng)抓取，獨(dú)立的搬運(yùn)工，操作工具（稱為國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人或機(jī)器人）。
機(jī)器人是一種帶人體上肢的部分功能，有工作程序固定的自動(dòng)裝置。該機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于維修的優(yōu)點(diǎn)，但功能少，適應(yīng)性比較差。目前我國常有機(jī)器人的特性稱為特種機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人，稱為通用機(jī)器人。
總之，機(jī)器人是用機(jī)器來代替人手操作，把工件由某個(gè)位置移動(dòng)到指定位置，或按照要求控制工件的加工。
機(jī)器人一般分為三類。第一類是通用的機(jī)器人不需要人工操作，也是本文所研究的對(duì)象。它不屬于一個(gè)特定的主機(jī)設(shè)備，獨(dú)立，能根據(jù)任務(wù)程序的需要，完成操作規(guī)程。它除了具有普通的機(jī)械物理性能，還具有通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（機(jī)械手）。它起源于原子，軍事工業(yè)，先通過機(jī)器操作來完成某些任務(wù)，后來發(fā)展到使用無線電信號(hào)對(duì)月球探測的機(jī)器人。行業(yè)鍛造操作機(jī)采用也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)的機(jī)器人，主要屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決在機(jī)械傳動(dòng)的材料和工件。這種在國外機(jī)器人通常被稱為“機(jī)械手”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。但是也有例外，工作程序一般是固定的。
機(jī)器人因結(jié)構(gòu)形式的不同又可以分為多種類型，其中，關(guān)節(jié)型機(jī)器人以結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間小，相對(duì)工作空間最大，甚至還能夠繞過周圍的一些障礙物等這樣一些特點(diǎn)，成為了機(jī)器人中使用最多的結(jié)構(gòu)形式，世界著名機(jī)器人的本體部分都是采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。
要使機(jī)器人像人那樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似的把握和手指，手腕，手臂的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，關(guān)節(jié)和其他部位——致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)；手臂運(yùn)動(dòng)就像一個(gè)肌肉；指揮控制系統(tǒng)的手動(dòng)工作就像大腦。這些系統(tǒng)的性能決定了機(jī)器人的性能。在一般情況下，機(jī)器人通常是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成，如圖1-1所示。
圖1-1 機(jī)器人的一般組成
現(xiàn)代智能機(jī)器人，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置，視覺裝置和語言識(shí)別裝置。目前的研究主要集中在給定的機(jī)器人的“眼睛”，所以它可以識(shí)別物體和避開障礙物，以及機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人這些組件不是獨(dú)立的，或是不是簡單的疊加在一起，從而形成一個(gè)機(jī)器人。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，對(duì)機(jī)器人的零件之間也必然存在相互關(guān)聯(lián)，相互作用、相互制約。他們之間的關(guān)系如圖1-2所示。
圖1-2 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系
機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人完成工作任務(wù)的實(shí)體，經(jīng)常由連桿和關(guān)節(jié)組成，先由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，然后按控制系統(tǒng)的要求完成任務(wù)。驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)組成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)給機(jī)器人提供各關(guān)節(jié)所需的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)則是將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換成為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩有運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有的文章則把機(jī)器人分成為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中，機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，如同本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。
1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀
機(jī)器人首先開始在美國的發(fā)展。1958美國聯(lián)合控制公司開發(fā)的第一個(gè)機(jī)器人。結(jié)構(gòu)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)臂安裝在閥體上，安裝在電磁鐵工件取放機(jī)構(gòu)的末端部分，控制系統(tǒng)是一個(gè)新型的教學(xué)。
日本是一個(gè)工業(yè)機(jī)器人是最快的，大多數(shù)國家使用。自1969以來，從美國引進(jìn)了兩種典型的機(jī)器人，大力從事機(jī)器人研究。
目前，大部分還屬于第一代工業(yè)機(jī)器人，主要依靠人工控制；在開環(huán)式控制方法，沒有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度的。
第二代機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺機(jī)能。
第三代機(jī)器人（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機(jī)器人制造的研究和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大發(fā)展，國際學(xué)術(shù)交流活動(dòng)非?；钴S，歐洲和美國和其他國家進(jìn)行了大量的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)。國際工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)會(huì)議決定每年召開一次會(huì)議，開發(fā)和應(yīng)用的探討和研究機(jī)器人。
目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸，搬運(yùn)，焊接，鑄造，熱處理，無論數(shù)量，品種，性能不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作，主要是在危險(xiǎn)作業(yè)（廣義），粉塵，高溫，噪聲，工作空間狹小，不適合人工作業(yè)的環(huán)境。
在國外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)器人本身的損壞。
隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專用機(jī)器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。
美國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：
（1）1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年， 萬能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900型。
（2）1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時(shí)期，工業(yè)機(jī)器人在美國進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺(tái)工業(yè)機(jī)器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動(dòng)線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動(dòng)線上的448臺(tái)沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件。
（3）1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國大約200臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá)60萬小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(jí)機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺(tái)機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動(dòng)公司制成了由25臺(tái)機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動(dòng)線。麻省理工學(xué)院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識(shí)別能力微型機(jī)器人。
其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開始以美國的“Versatran”和“Unimate”型機(jī)器人為藍(lán)本開始進(jìn)行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機(jī)公司 引進(jìn)美國的“Versatran”,川崎重工公司引進(jìn)“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機(jī)器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實(shí)用化時(shí)期以后，從1980年開始進(jìn)入廣泛的普及時(shí)代。
我國雖然開始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計(jì)劃地從國外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。
1.3機(jī)器人發(fā)展趨勢
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。
就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢：
a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人；
b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場合；
c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。
1.4 本課題研究的內(nèi)容與要求
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，管道作為一種重要的物料輸送手段，其應(yīng)用范圍日益廣泛，數(shù)量也不斷增多。管道在使用過程中，由于各種因素的影響，會(huì)形成各種各樣的管道堵塞與管道故障和損傷。如果不及時(shí)對(duì)管道檢測、維修及清洗就可能會(huì)產(chǎn)生事故，形成不必要的損失和浪費(fèi)。然而，管道所處的環(huán)境往往是人們不易直接達(dá)到或不允許人們直接進(jìn)入的，檢修及清洗難度很大。因此最有效的方法之一就是利用管道機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)的在線檢測、維修和清洗。
機(jī)器人工作要求
1）機(jī)器人必須小巧、靈活、拆卸方便，
2）生產(chǎn)能力高，機(jī)器人行走速度約1m/s；
3）機(jī)器人在工作過程中，其結(jié)構(gòu)可適應(yīng)不同管徑的變化情況；
4）機(jī)器人自動(dòng)化程度高，控制方便靈活。
第2章 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)
2.1總體設(shè)計(jì)的思路
設(shè)計(jì)機(jī)器人大體上可分為兩個(gè)階段：
一、系統(tǒng)分析階段
1、根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)。
2、分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。
3、根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度、信息的存儲(chǔ)量、計(jì)算機(jī)功能、動(dòng)作精度的要求、所能抓取的重量、容許的運(yùn)動(dòng)范圍、以及對(duì)溫度、震動(dòng)等環(huán)境的適應(yīng)性。
二、技術(shù)設(shè)計(jì)階段
1、根據(jù)系統(tǒng)的要求的自由度和允許的空間空做范圍，選擇機(jī)器人的坐標(biāo)形式
2、擬訂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線和空間作業(yè)圖。
3、確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型。
4、擬訂控制系統(tǒng)的控制原理圖。
5、選擇個(gè)部件的具體集體夠，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)。
6、繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。
下面結(jié)合本演示系統(tǒng)的基本要求和設(shè)計(jì)的基本原則確定本系統(tǒng)的方案。
2.2 設(shè)計(jì)方案過程及特點(diǎn)
a. 機(jī)器人必須小巧、靈活、拆卸方便；
b．機(jī)器人在工作過程中，其結(jié)構(gòu)可適應(yīng)應(yīng)不同管徑的變化情況；
c．機(jī)器人自動(dòng)化程度高，控制方便靈活；
2.3 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和比較
2.3.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
根據(jù)國內(nèi)外的管道機(jī)器人的移動(dòng)方式大致可分為六種：
㈠活塞移動(dòng)方式 ㈡滾輪移動(dòng)方式 ㈢履帶移動(dòng)方式
㈣足腿移動(dòng)方式 ㈤蠕動(dòng)移動(dòng)方式 ㈥螺旋移動(dòng)方式
其各有優(yōu)缺點(diǎn)。以下分別介紹。
㈠活塞移動(dòng)式依靠其首尾兩端管內(nèi)流體形成的壓差為驅(qū)動(dòng)力，隨著管內(nèi)流
多輪方式時(shí)牽引力隨輪數(shù)增加而增加。缺點(diǎn)是著地面積小，維持一定的附著力較困難，這使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，越障能力有限。
㈢履帶移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是著地面積大，易產(chǎn)生較大的附著力，對(duì)路面的適應(yīng)性強(qiáng)，牽引性能好，越障能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是體積大不易小型化，拐彎半徑大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還要保持履帶的張緊。
㈣足腿移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)粗糙路面適應(yīng)性能較好，越障能力極強(qiáng)，可適應(yīng)不同管徑的變化。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，行走速度慢。
㈤蠕動(dòng)移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)微小管徑，越障能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是移動(dòng)速度慢，
控制復(fù)雜。
㈥螺旋移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是有一定的越障能力，可適應(yīng)不同管徑的變化，可在垂直管道中行進(jìn)。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移動(dòng)速度慢，驅(qū)動(dòng)力要求高。
根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求，所要研制的管道機(jī)器人必須要有高可靠性，高效率。所以采用上述行走機(jī)構(gòu)的移動(dòng)方式的組合來實(shí)現(xiàn)行走，這樣可利用其綜合優(yōu)點(diǎn)避免單一移動(dòng)方式的缺點(diǎn)。由于管道存在不同的彎管，這就要求機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)有一定的拐彎能力和越障能力。所以，設(shè)計(jì)了一種如下頁圖所示的可伸縮的三只履帶腿式（三只腿成120°分布）組合行走機(jī)構(gòu)。
其特點(diǎn)是：移動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)彎比較容易、有較大牽引力、對(duì)粗糙路面適應(yīng)
性好、越障能力強(qiáng)；同時(shí)，可伸縮性使得機(jī)器人對(duì)變徑管道有較好的自適應(yīng)性。
2.3.2 撐開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
由于管徑的變化，需要撐開機(jī)構(gòu)來適應(yīng)管徑的變化。在本機(jī)器人設(shè)計(jì)中，采用滾珠絲杠螺母副來和放大桿組來實(shí)現(xiàn)。其機(jī)構(gòu)簡圖如下圖所示：
1—基 座 2—放大桿組 3—撐開桿
4—絲 杠 5—絲杠螺母 6—行走機(jī)構(gòu)
1—基座
2—放大桿組
3—撐開桿
4—絲 杠
5—絲杠螺母
6—行走機(jī)構(gòu)
當(dāng)絲杠4旋轉(zhuǎn)時(shí)，絲杠螺母5在絲杠上左右移動(dòng)，從而拉動(dòng)撐開桿3，撐開桿3鉸接在放大桿組2上，從而改變其傾角來適應(yīng)管徑的變化。
（4）最終方案的確定
根據(jù)以上的分析和比較，最后得出最終方案。
設(shè)計(jì)的管道清潔機(jī)器人包括以下五部分：
㈠行走裝置 （為整個(gè)行走提供動(dòng)力）；
㈡撐開桿組 （適應(yīng)管徑的變化）；
㈢操作臂裝置（操作臂包括吸塵器的操作部分和傾倒垃圾部分）；
㈣信號(hào)采集裝置（為控制提供信號(hào)和圖像）；
㈤控制裝置（控制管道清潔機(jī)器人行走和動(dòng)作）。
第3章 移動(dòng)部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算
3.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算
3.1.1 行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的預(yù)算
管道機(jī)器人受力圖如上圖所示：其中預(yù)取：
=1470.6+400
=1870.6N
由于履帶是三組；成120°分布；受到的是摩擦阻力;
（其中μ是橡膠與鋼之間的摩擦系數(shù)）
=2×0.8×1870.6+0.8×400
=3312.96N
取管道機(jī)器人的工作行程速度V為：V=0.5m/s
（是有效功率）
由于是三組履帶，所以每個(gè)履帶的驅(qū)動(dòng)電機(jī)至少為：
W=÷3＝1656.48÷3=552.16W
所以，選取電機(jī)的功率為800W;同時(shí)電機(jī)要能變速，才能在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎；所以
選擇伺服電機(jī)，最終選擇SGMAH-08A伺服電機(jī)（安川公司）。
=1870.6N
3312.96N
V=0.5m/s
=1656.48W
W=552.16W
3.1.2 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
①確定行走機(jī)構(gòu)----履帶的外形尺寸
同時(shí)總體方案中已經(jīng)確定采用3組履帶，相對(duì)來說比較狹小；所以行走機(jī)構(gòu)尺寸不能太大。關(guān)于轉(zhuǎn)彎的功能，它能轉(zhuǎn)多少大于150度的角，轉(zhuǎn)大概ф200mm的轉(zhuǎn)彎半徑.
首先，確定履帶的寬度。由于履帶的寬度較小，那么它的工作所提供的驅(qū)動(dòng)力就會(huì)減??；而其寬度太大時(shí)，所受到的阻力就會(huì)很大。通過作圖的方法，取履帶的寬度為：=150mm。
其次，確定履帶的長度。履帶的長度越長其轉(zhuǎn)彎的靈活性就會(huì)受到影響。所以，履帶的長度不能太長。所以其長度L為：L=580mm。
最后，確定履帶的高度。履帶的高度受到管道直徑的限制，同時(shí)還受到撐開桿組的影響；由于撐開桿組要能在φ=700mm—1000mm范圍內(nèi)變化，所以桿長要達(dá)到給定的范圍。通過對(duì)撐開桿組的設(shè)計(jì)，后最終確定高度H=175mm。
②確定行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)
由于外形尺寸的限制，電機(jī)內(nèi)置在履帶組中，同時(shí)采用錐齒輪來換向，最后驅(qū)動(dòng)履帶輪。其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：
=150mm
L=580mm
H=175mm
結(jié)構(gòu)總圖
1—軸01 2—電機(jī) 3—小錐齒輪 4—驅(qū)動(dòng)帶輪
5—軸02 6—直齒輪01 7—直齒輪02 8—軸03
9—大錐齒輪 10—從動(dòng)帶輪
③確定行走機(jī)構(gòu)中的履帶輪和履帶輪
采用同步帶的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)履帶。以下是同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：
1. 適用于兩軸中心距較大傳動(dòng)，承載能力較大。
2. 帶具有良好的彈性，可以緩沖、吸振，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。
3. 結(jié)構(gòu)簡單，制造和維護(hù)較為方便，價(jià)格低廉。
首先，確定同步帶的主要參數(shù)：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊13-42）
齒 形：梯 形
齒距制式：模數(shù)制
型 號(hào)：m7
節(jié) 距：=21.991mm
其次，設(shè)計(jì)帶輪：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊13-50）
(1)初選帶輪的次數(shù)：；
⑵選擇切削帶輪齒形的刀具類型—切出直線齒廓的特別刀具；
⑶齒槽角：2φ=2β=40°；
⑷節(jié) 距: =πm=mm；
⑸節(jié)圓直徑:；
⑹模 數(shù)：；
⑺齒側(cè)間隙：；
=21.991mm
2φ=40°
⑻名義徑向間隙：；
⑼徑向間隙：；
⑽外圓直徑：mm（其中δ=1.750）；
⑾外圓齒距：；
⑿外圓齒槽寬：；
⒀齒槽深：；
⒁齒槽底寬：；
⒂齒根圓角半徑： ；
⒃ ；
最后，設(shè)計(jì)履帶：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊13-43）
由于采用同步帶的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)履帶，同時(shí)履帶用于特殊的工作環(huán)境，所以不能完全采用同步帶的參數(shù)，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)履帶。
⑴節(jié) 距：=21.991；
⑵齒形角：2β=40°；
⑶齒根厚：σ=10.06 ；
⑷齒 高：=4.2 ；
⑸帶 高： ；
⑹齒頂厚： ；
⑺節(jié)頂距：δ=1.750 ；
⑻帶 寬： ；
=116.5mm
=21.529mm
=11.06mm
=8.036
=21.991
2β=40°
σ=10.06
=4.2
δ=1.750
④確定大小錐齒輪參數(shù)
整個(gè)行走裝置里，錐齒輪的主要作用----換向，傳遞動(dòng)力。同時(shí)考慮到其完全在行走裝置內(nèi)部，尺寸受到限制。根據(jù)以上的因素，設(shè)計(jì)大小錐齒輪的具體參數(shù)。
根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，采用軸交角。齒輪類型為：直齒錐齒輪、齒形制為GB/T 12369—1990,齒形角為20°、齒頂高系數(shù)=1、頂隙系數(shù)。（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊14-200）
大錐齒輪的次數(shù);小錐齒輪的次數(shù)。大小錐齒輪的具體參數(shù)分別如下：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊14-201）
大錐齒輪：
⑴法向模數(shù)： ；
⑵齒 數(shù)： ；
⑶法向齒形角：
⑷分度圓直徑：
⑸分度圓錐角：
⑹齒頂圓直徑：
=75+2×1×2.5×
=78.044mm
⑺齒根圓直徑：
大錐齒輪：
78.044mm
71.347mm
⑻錐 距：
=
=47.253mm
⑼齒頂角：
=
=3°1′43″
⑽齒根角：
=
=3°47′1″
⑾頂圓錐角：
=+3°1′43″
=55°33′9″
⑿根圓錐角：
=-3°47′1″
=48°44′25″
⒀齒 寬 ： b=25mm
47.253mm
b=25mm
小錐齒輪：
⑴法向模數(shù)：；
⑵齒 數(shù)：；
⑶法向齒形角：
⑷分度圓直徑：
⑸分度圓錐角：
⑹齒頂圓直徑：
=57.5+2×1×2.5×
=61.467mm
⑺齒根圓直徑：
=57.5-2×（1+0.2）×2.5×
=52.54mm
⑻錐 距：
=
=47.253mm
⑼齒頂角：
=
=3°1′43″
小錐齒輪：
57.5mm
=61.467mm
=52.54mm
47.253mm
⑽齒根角：
=
=3°47′1″
⑾頂圓錐角：
=+3°1′43″
=
⑿根圓錐角：
=-3°47′1″
=
⒀齒 寬 ： b=25mm
⑤確定直齒輪的參數(shù)
在整個(gè)行走裝置中，直齒輪的作用，主要是傳遞動(dòng)力。根據(jù)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和尺寸限制，同時(shí)為了減少零件的個(gè)數(shù)和降低成本，才用兩個(gè)完全相同的直齒輪，齒頂高系數(shù)=1、頂隙系數(shù)。齒數(shù)z=40，模數(shù)。其具體參數(shù)如下：
⑴分度圓直徑：
⑵齒 頂 高：
⑶齒 根 高：
=3.125
b=25mm
=100mm
=2.5
=3.125
⑷全 齒 高：=2.5+3.125=5.625
⑸齒頂圓直徑：
=100+2×2.5
=105mm
⑹齒根圓直徑：
=100-2×3.125
=93.75mm
⑺齒 厚：
⑻齒 根 寬：
⑼中 心 距：
⑽頂 隙：
3.2大小錐齒輪的設(shè)計(jì)和校核
⑴選擇齒輪的類型,精度等級(jí),材料和齒數(shù)
① 選擇直齒圓錐齒輪
② 8級(jí)精度齒輪,軟齒面
③ 小齒輪的材料為40Cr，調(diào)制處理，硬度為280HBS；大齒輪的材料為45鋼，調(diào)制處理HBS。
④ 初選小齒輪的齒數(shù)；大齒輪的齒數(shù)為。
⑵按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算
① 根據(jù)軸承布置方式和載荷的沖擊情況，取K=1.8。
② 查附錄2（機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)）得小齒輪的接觸疲勞極限為：
大齒輪的接觸疲勞極限為：
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：
③計(jì)算小齒輪的分度圓直徑
=195.153.856mm
其中
=36.1 N.m
⑶按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算
① 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)并查取齒形系數(shù)，兩齒輪的分度圓錐角分別為：
當(dāng)量齒數(shù)為：
查附錄2得：
② 由附錄2得，小齒輪的彎曲疲勞極限為：
大齒輪的彎曲疲勞極限為：
53.856mm
=36.1 N.m
=
③ 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力：
大齒輪數(shù)值大，代入計(jì)算
④ 計(jì)算：
=
=2.1635
取m=2.5則： 取
，?。?
⑤ 錐距為：
=47.253mm
⑥ 分度圓直徑為：
⑦ 分度圓錐角為：
，
2.1635
⑧ 齒 寬 ： b=25mm
3.3 軸Ⅰ的設(shè)計(jì)和校核
1. 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件，初步估計(jì)軸徑：
其中=110，查機(jī)械設(shè)計(jì)（P362）表15-3可得。
代入上面得值，計(jì)算可得：
由于軸上有一鍵槽，所以：，取軸的最小直徑為：d=20mm。
2. 軸的結(jié)構(gòu)簡圖如下：
3. 按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度校核
①做出軸的計(jì)算簡圖
軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，做出其受力簡圖如下圖所示：
b=25mm
d=20mm。
② 校核所需要的基本參數(shù)
③ 計(jì)算齒輪的嚙合力：
A: 直齒輪的齒輪嚙合力
1. 齒輪圓周力：
=685.9 N
直齒輪：
685.9 N
2.齒輪徑向力：
B: 錐齒輪的齒輪嚙合力
1. 齒輪圓周力：
=914.533 N
2. 齒輪徑向力：
=202.634 N
3. 齒輪軸向力：
=
=264.078 N
④ 求水平面的支反力和做出彎矩圖:
1. 其受力分析圖如下圖所示:
錐齒輪：
=914.533N
=202.634 N
=264.078 N
2. 對(duì)A點(diǎn)求矩：
則有：
=372.848 N
3. 對(duì)B點(diǎn)求矩：
則有：
=
= -144.216 N
4. 根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，畫出彎矩圖。
=372.848 N
⑤ 求垂直面內(nèi)的支反力，并作出彎矩圖
1. 受力分析如圖所示：
2. 對(duì)A點(diǎn)求矩：
則有：（其中）
= -8.590 N
2. 對(duì)D點(diǎn)求矩：
則有：
= -8.590 N
= -38.423 N
3. 做出對(duì)應(yīng)彎矩圖
⑥ 求支反力
=149.246 N
=312.965 N
⑦ 合成彎矩圖
=2889.432 N
=25774.198 N
=23238.956 N
⑧ 根據(jù)已知條件，做出扭矩
⑨ 校核危險(xiǎn)截面
綜上所知，C面為危險(xiǎn)截面：
(其中，由于扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，所以取，T=36100)
=31767.982
(其中
=1251.74)
C截面圖
= ，軸滿足要求。
(其中=55查機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程P261-表11-13得)
下頁附：彎矩圖
1251.74
3.4 鍵的校核
在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，由于平鍵的制作方便，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性比較好，所以能采用平鍵的情況下，都采用平鍵。平鍵的主要失效形式為工作面被壓潰；嚴(yán)重過載時(shí)，可能出現(xiàn)鍵被剪斷。所以，通常情況下只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。
由于在軸01上的鍵 825 其結(jié)構(gòu)尺寸最小，受力較大。在這里就只校核該鍵，其余可以不予與校核。
普通平鍵的強(qiáng)度條件：
其中 T ---傳遞扭矩： ；
---鍵與輪轂鍵槽的接觸高度：
---鍵的工作長度，圓頭平鍵為：
---軸的直徑
=42.47
由于鍵的材料為45，同時(shí)其載荷性質(zhì)為輕微沖擊，查機(jī)械設(shè)計(jì)（P-106）表6-2可得：
所以 ，鍵滿足要求。
第4章 伸縮機(jī)構(gòu)和機(jī)身設(shè)計(jì)和計(jì)算
4.1 伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
其中該部分主要包括撐開機(jī)構(gòu)和放大桿組的設(shè)計(jì)
撐開機(jī)構(gòu)采用絲杠螺母和放大桿組的結(jié)合，來適應(yīng)管徑的變化。通過作圖法來模擬最小（圖a）、最大管徑（圖b）時(shí)的情況（在CAD中，按比例1：1）如下圖所示：
（圖a）
5.625
105mm
圖（b）
最后量出各桿件的長度：
撐開桿桿長：。
放大桿桿長：（由于在其之上安裝了壓力彈簧，其實(shí)際桿長為330—380mm）。
鉸接處的位置：在放大桿組90mm處。
4.2 操作臂的設(shè)計(jì)
由于管道的管徑是變化的，同時(shí)主要分布在管道底部，所以要求操作臂要能夠適應(yīng)管徑的變化，不僅要在最小管徑是能工作，也要在管徑最大是也能正常的工作。根據(jù)這些要求，設(shè)計(jì)了具有兩個(gè)平面自由度的桿件機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。
總 結(jié)
在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中我學(xué)到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，首先我明白了做學(xué)問要一絲不茍，對(duì)于出現(xiàn)的任何問題和偏差都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，在做事情的過程中要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅(jiān)持下去就可以找到思路去解決問題的。在工作中要學(xué)會(huì)與人合作的態(tài)度，認(rèn)真聽取別人的意見，這樣做起事情來就可以事半功倍。
此次論文的完成既為大學(xué)四年劃上了一個(gè)完美的句號(hào)。腳踏實(shí)地，認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)事求是的學(xué)習(xí)態(tài)度，不怕困難、堅(jiān)持不懈、吃苦耐勞的精神是我在這次設(shè)計(jì)中最大的收益。我想這是一次意志的磨練，是對(duì)我實(shí)際能力的一次提升，會(huì)對(duì)我未來的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。也為將來的人生之路做好了一個(gè)很好的鋪墊。
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20 金廣業(yè) 陶興汪.工業(yè)機(jī)器人與控制.東北大學(xué)出版社,1991:
致 謝
感謝王揚(yáng)威老師在我大學(xué)的最后學(xué)習(xí)階段——畢業(yè)設(shè)計(jì)階段給我的指導(dǎo)，從最初的定題，到資料收集，到寫作、修改，到論文定稿，他給了我耐心的指導(dǎo)和無私的幫助。在最后階段，王老師耐心的幫助我檢查圖紙繪制過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，以及論文在書寫的過程中應(yīng)注意的一些問題，再次感謝老師的幫助。
同時(shí)，感謝所有任課老師和所有同學(xué)在這四年來給自己的指導(dǎo)和幫助，是他們教會(huì)了我專業(yè)知識(shí)，教會(huì)了我如何學(xué)習(xí)，教會(huì)了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得顯著的進(jìn)步，在此向他們表示我由衷的謝意，并祝所有的老師培養(yǎng)出越來越多的優(yōu)秀人才，桃李滿天下！