爬壁機(jī)器人論文

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1、摘要 摘 要 近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展，樓層越來越高，使用玻璃幕墻的樓房也越來越多，避免清洗時(shí)一個(gè)很重要的問題，傳統(tǒng)的方式多數(shù)為人工，或者是采用電纜從樓頂將機(jī)器人吊下，工作效率偏低，危險(xiǎn)性高，于是清洗用爬壁機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，本文的任務(wù)就是設(shè)計(jì)一種能夠在壁面上吸附行走的清洗爬壁機(jī)器人。 本文在簡(jiǎn)單介紹爬壁機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基于三維軟件PROE對(duì)四輪式真空吸附爬壁機(jī)器人的本體機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)一些關(guān)鍵部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算及校核計(jì)算，重點(diǎn)是爬壁機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu)、吸附結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。 本文設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人采用四輪式小車形狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；采用真空吸盤吸附方式，設(shè)計(jì)一

2、個(gè)月牙形的真空艙，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)完成機(jī)器人真空吸盤的吸附與排氣控制，避免在每個(gè)真空吸盤配備傳感器的需要，降低了控制難度；采用后輪驅(qū)動(dòng)，一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)后輪，后輪帶動(dòng)前輪完成機(jī)器人的行走，使用蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置作為減速器；采用地面供電，地面提供負(fù)壓的方式；機(jī)器人可以在水平面或者垂直表面直線行走。 關(guān)鍵詞：真空吸附 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 四輪式小車 Abstract In recent years, with the development of society, more and more floors, with glass curtain wall building more and

3、 more to avoid cleaning a very important issue, most of the traditional way of artificial, or a cable from the top of the building will be usedunder the robotic crane, low efficiency, high-risk, then cleaned with a wall-climbing robot came into being, this task is to design a walk on the adsorption

4、to the wall climbing robot for cleaning. This paper briefly wall-climbing robot based on the research status, based on three-dimensional software, PROE, four-wheel vacuum on wall-climbing robot body bodies were designed, carried out on some key satisfied with the design calculation and checking

5、terms, focusing on the mobile climbing robot structure, adsorption structure and drive system design and calculation. This designed wall-climbing robot car with four-wheel-type shape of the structure, simple structure; by vacuum suction adsorption, design of a crescent-shaped vacuum chamber, th

6、e completion of the mechanical structure of robot vacuum suction of the adsorption and emission control, to avoid eacha vacuum suction cups equipped with sensors need to reduce the difficulty of control; with rear-wheel drive, a motor drive two rear wheels, rear wheel drive front wheel complete the

7、robot walk, use a worm gear reducer; use of ground powerthe ground to provide negative pressure means; robot can walk straight horizontal or vertical surface. Keywords: 目錄 i 目錄 第一章 緒論 1 1.1 本課題的研究背景 1 1.2 國(guó)

8、內(nèi)外爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 2 1.3 國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 3 1.4壁面自動(dòng)清洗機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向 4 1.5設(shè)計(jì)內(nèi)容 5 第二章 軟件介紹 6 第三章 爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案 9 3.1爬壁機(jī)器人的工作過程 9 3.2爬壁機(jī)器人的基本功能 9 3.3爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì) 10 3.3.1爬壁機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu) 11 3.3.2移動(dòng)裝置和吸附裝置的設(shè)計(jì) 11 3.3.3減速裝置及傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 15 3.3.4聯(lián)軸器和軸承選擇 20 3.3.5爬壁機(jī)器人機(jī)體建模 20 3.4爬壁機(jī)器人PROE運(yùn)動(dòng)仿真 21 第四章 結(jié)論 22 參考文獻(xiàn) 24 致謝……

9、……………………………………………………………………………29 第一章 緒論 5 第一章 緒論 機(jī)器人是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與現(xiàn)代電子技術(shù)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，他是一種高速運(yùn)行、重復(fù)操作和精確度較高的自動(dòng)化設(shè)備。以機(jī)器人代替人類從事各種危險(xiǎn)、繁重、重復(fù)、單調(diào)及有毒有害的工作是社會(huì)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。 爬壁機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)分支，主要運(yùn)用于壁面和頂部?jī)?nèi)部進(jìn)行清洗、消防、

10、檢修等移動(dòng)作業(yè)，現(xiàn)代社會(huì)中，在許多場(chǎng)合實(shí)施作業(yè)必須采取安全防護(hù)措施，而這些工作對(duì)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的作用。爬壁機(jī)器人是得到了大力發(fā)展的其中的主要的開發(fā)項(xiàng)目。目前，已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的爬壁機(jī)器人已經(jīng)投入或?qū)⒁度胱鳂I(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，主要應(yīng)用有以下幾個(gè)方面： （1） 核工業(yè)：對(duì)核廢液儲(chǔ)罐進(jìn)行視覺檢查、測(cè)厚、探傷等； （2） 石化企業(yè)：對(duì)儲(chǔ)罐的內(nèi)表面進(jìn)行檢查、除銹等處理； （3） 建筑行業(yè)：安裝瓷磚、壁面清洗、擦玻璃等； （4） 消防部門：傳遞救援物質(zhì)，進(jìn)行救援工作等； （5） 造船行業(yè)：對(duì)船體或內(nèi)壁進(jìn)行噴涂等； （6） 電力行業(yè)：電站鍋爐水冷管壁厚的檢測(cè)等。 爬壁機(jī)器人必須具有

11、兩個(gè)基本功能：在壁面上的吸附功能和移動(dòng)的功能，以這兩個(gè)功能為基礎(chǔ)可以將爬壁機(jī)器人分為若干種[1]。 1.1 本課題的研究背景 近年來,我國(guó)城市面貌發(fā)生了翻天覆地的變化,高層建筑拔地而起,不僅節(jié)約了土地資源,也使城市面貌煥然一新,成為城市現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一。很大一部分樓房的壁面加了玻璃幕墻。建筑物的外包覆層不僅增加了建筑物的外觀美，同時(shí)也使得它們更有耐久性。但也帶來了如高空擦洗玻璃、高空消防急救、高空建筑施工等難題。以高層建筑外墻面的清洗為例,目前多采用吊籃懸吊或用液壓升降臺(tái)升降的人工作業(yè)方式,但其勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、安全隱患多。開發(fā)與應(yīng)用清洗用機(jī)器人系統(tǒng)可以解放從事于這種危險(xiǎn)

12、工作的勞動(dòng)力，同時(shí)可以做到對(duì)高大建筑物的墻壁的自動(dòng)清洗，更深層次的是，可以提高建筑維修行業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)力。同時(shí)清洗機(jī)器人系統(tǒng)可以用于不同的建筑物，這樣就可以節(jié)省很多由于個(gè)別的建筑物而搭建清洗系統(tǒng)的花費(fèi)。 以此為背景,研究人員設(shè)計(jì)提出了多種解決壁面清洗機(jī)器人的方案。但仍存在著一定的局限性。如磁力吸盤爬壁機(jī)器人只能用于導(dǎo)磁金屬壁面上,而對(duì)普通玻璃墻壁無法適用;許多大型懸掛清洗機(jī)器人要求有樓頂懸掛機(jī)構(gòu);履帶式機(jī)器人轉(zhuǎn)彎困難等,為應(yīng)用帶來困難。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)介紹一款真空吸盤式獨(dú)立行走爬壁機(jī)器人,它無需樓梯懸掛機(jī)構(gòu),巧妙地運(yùn)用了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)吸排氣的控制。 1.2 國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

13、 爬壁機(jī)器人作為機(jī)器人的一個(gè)分支，發(fā)展歷史也是比較長(zhǎng)，早在1966年，就有人設(shè)計(jì)出了一臺(tái)簡(jiǎn)單的原理樣機(jī)：是在日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部任講師的西亮，利用電風(fēng)扇進(jìn)氣低壓空氣產(chǎn)生的負(fù)壓為吸附動(dòng)力制作的，這被看做是爬壁機(jī)器人的研究開端。自此，爬壁機(jī)器人技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，在這一領(lǐng)域，日本所取得的成績(jī)最為突出，美國(guó)、英國(guó)、意大利等多個(gè)國(guó)家也取得了不小的成就；在國(guó)內(nèi)，對(duì)爬壁機(jī)器人的研究，是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)在1988年率先進(jìn)行的，發(fā)展到現(xiàn)在，經(jīng)過了二十幾年的發(fā)展歷程，先后加入了一些大學(xué)及研究所等研究機(jī)構(gòu)；如：上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、長(zhǎng)春光機(jī)所、上海大學(xué)等，他們?yōu)閲?guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的研究做出了

14、重要貢獻(xiàn)，到目前為止，國(guó)內(nèi)的爬壁機(jī)器人技術(shù)也取得了不小的進(jìn)展。已經(jīng)有將機(jī)器人投入使用的先河：如2001年由北航設(shè)計(jì)的用來清洗上?？萍疾┪镳^的SKY三號(hào)機(jī)器人。 （1）爬壁機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 目前有很多實(shí)現(xiàn)在光滑垂直墻壁安全移動(dòng)的方案：輪式，履帶式，多腿等。 輪式和履帶式爬壁機(jī)器人已經(jīng)比較常見，它們的優(yōu)點(diǎn)是，移動(dòng)速度相對(duì)較快，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是不適用于清洗有障礙物的玻璃幕墻，而且不能自動(dòng)完成地面和墻壁之間的轉(zhuǎn)移。多腿的機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)學(xué)上很復(fù)雜，因?yàn)樽杂啥忍?，但是這也是它的優(yōu)點(diǎn)，它可以自動(dòng)處理障礙物。 （2）爬壁機(jī)器人吸附裝置的研究現(xiàn)狀 傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的吸附方式有兩種形式：真空吸附

15、和磁吸附。真空吸附方式不受壁面材料的限制，但是容易在凹凸不平的表面漏氣，導(dǎo)致吸附力下降，承載能力比較低。磁吸附方式有電磁體和永磁體兩種方式，與真空吸附方式相比，磁吸附形式對(duì)壁面的凹凸適應(yīng)性較強(qiáng)，吸附力大，也不存在漏氣的隱患，但是要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，因此對(duì)磁吸附式爬壁機(jī)器人的工作環(huán)境有限制。 在爬壁機(jī)器人壁面吸附方面，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)或研究者已經(jīng)取得了不小的進(jìn)展。 應(yīng)用于金屬壁面的爬壁機(jī)器人，因?yàn)榇盼绞脚辣跈C(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，通常情況下都是磁吸附式，同時(shí)，爬行機(jī)構(gòu)一般采用履帶式結(jié)構(gòu)，其爬行速度較快，控制也比較方便。其采用的次吸附方式多為永磁吸附，因?yàn)橛来盼轿搅Υ?，且不需要考慮斷電的可能性

16、，安全性比較高。由于這些吸附方式各自都有局限性，所研制的爬壁機(jī)器人往往針對(duì)性較強(qiáng)，只適用于某種特定任務(wù)，較難通用化。機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要針對(duì)工作任務(wù)、環(huán)境，選取合適的吸附方式。近年來，人們通過研究壁虎等爬行動(dòng)物腳掌的吸附機(jī)理，制作出高分子合成的粘性材料，這些材料利用分子與分子之間的范德華力，在很小的接觸面積上就可獲得巨大的吸附力，而且具有吸附力與表面材料特性無關(guān)的優(yōu)點(diǎn) （3）爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 在無障礙的避免運(yùn)行時(shí)對(duì)機(jī)器人的控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單，然而越障能力是爬壁機(jī)器人壁面適應(yīng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)工作面上有凸起、溝槽時(shí)，機(jī)器人要通過這些障礙物，就必須有足夠的越障能力。由于爬壁機(jī)器人工作

17、于壁面的特殊性，移動(dòng)機(jī)構(gòu)常和吸附機(jī)構(gòu)存在耦合，這給機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制帶來了一些困難。如多吸盤足式爬壁機(jī)器人，腿末端各有一個(gè)吸盤，每移動(dòng)一個(gè)腿需要完成“消除吸力一抬腿一邁腿一落腿一產(chǎn)生吸附力”一系列動(dòng)作。在此過程中，機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要和吸附機(jī)構(gòu)相互協(xié)調(diào)，才能保證機(jī)器人在壁面上的靈活移動(dòng)。此外，也有移動(dòng)機(jī)構(gòu)與吸附機(jī)構(gòu)分離的，如單吸盤爬壁機(jī)器人，吸盤可持續(xù)吸附，驅(qū)動(dòng)輪連續(xù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制較為簡(jiǎn)單[2]。 1.3 國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 驅(qū)動(dòng)、傳感、控制等硬軟件技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了爬壁機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,實(shí)際應(yīng)用的需求也對(duì)爬壁機(jī)器人的發(fā)展提出了挑戰(zhàn),爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)歸結(jié)起來

18、主要有以下幾方面。 (1)新型吸附技術(shù)的發(fā)展。吸附技術(shù)決定了機(jī)器人的應(yīng)用范圍，目前應(yīng)用比較成熟的吸附技術(shù)主要有磁吸附和真空吸附方式，都有很大的局限性,在很多情況下難以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。因此,開發(fā)和研究新型吸附技術(shù)是當(dāng)前爬壁機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，其中，仿壁虎腳掌仿生粘性材料的發(fā)展是當(dāng)前新型吸附技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。 (2)爬壁機(jī)器人的任務(wù)由單一化向多功能化方向發(fā)展。過去所研制的爬壁機(jī)器人大多用于清洗、噴涂、檢測(cè)等作業(yè),作業(yè)任務(wù)往往只局限于單一的任務(wù)。而目前人們則希望爬壁機(jī)器人能夠裝備多種工具,在不同的場(chǎng)合進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的功能。這樣可以減小人類使用機(jī)器人的成本，有利于爬壁機(jī)器人的發(fā)展。

19、 (3)小型化、微型化是當(dāng)前爬壁機(jī)器人發(fā)展的趨勢(shì)。在滿足功能要求的前提下,體積小、質(zhì)量輕的機(jī)器人可較小能耗,具有較高靈活性,可以承載更多的負(fù)荷，有利于實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的多功能性，并且在某些特殊場(chǎng)合也需要機(jī)器人具有小的體積。各種微型驅(qū)動(dòng)元件、控制元件及能源供應(yīng)方式的發(fā)展,以及在納米材料方面取得的進(jìn)步，為小型化、微型化奠定了基礎(chǔ)。 (4)由帶纜作業(yè)向無纜化方向發(fā)展。帶纜作業(yè)極大地限制了機(jī)器人的作業(yè)空間,所以,為了提高機(jī)器人的靈活性和擴(kuò)大工作空間,無纜化成為現(xiàn)在和未來爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。 (5)由簡(jiǎn)單遠(yuǎn)距離遙控向智能化方向發(fā)展。與人工智能相結(jié)合,使機(jī)器人在封閉環(huán)境中能夠具有一定的自主決策能力,完

20、成任務(wù),并具有自我保護(hù)能力,是移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的重要方向,也是爬壁移動(dòng)機(jī)器人的重要發(fā)展方向。 (6)可重構(gòu)是機(jī)器人適應(yīng)能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為了使機(jī)器人能夠應(yīng)用于不同場(chǎng)合,根據(jù)任務(wù)需求,在不需要重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)條件下,充分利用已有的機(jī)器人系統(tǒng),應(yīng)使機(jī)器人具有可重構(gòu)性,即具有模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)任務(wù)需求,可以把需要的模塊直接連接起來組成新的機(jī)器人。此可以大大降低機(jī)器人的制造成本[2]。 1.4壁面自動(dòng)清洗機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向 目前壁面自動(dòng)清洗機(jī)器人已成為國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。國(guó)外在這方面比較有代表性的有日本通產(chǎn)工業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)院、日本三菱電機(jī)公司、美國(guó)國(guó)際機(jī)器人技術(shù)公司、英國(guó)樸茨茅斯理工學(xué)院等，國(guó)內(nèi)

21、比較有代表性的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海大學(xué)等。目前國(guó)內(nèi)外開發(fā)出的壁面自動(dòng)清洗機(jī)器人歸納起來主要有兩種類型：一種是為研究而研制的實(shí)驗(yàn)性壁面清洗機(jī)器人，另一種是為應(yīng)用而開發(fā)的實(shí)用性壁面清洗機(jī)器人。從實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的角度出發(fā)，壁面清洗機(jī)器人的主要研究技術(shù)方向?yàn)? 1.高清洗效率的壁面清洗機(jī)器人。一方面開發(fā)出新的壁面清洗裝置，清潔、高效的清洗壁面；另一方面開發(fā)出高效的清洗裝置的載體(即機(jī)器人本體)，提高機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、靈活性。 2.對(duì)壁面廣泛適應(yīng)性的清洗機(jī)器人，以滿足特殊壁面的清洗要求如階梯狀表面、傾斜面、球型面等外墻面。 3.合理的性價(jià)比、高可靠性和通用性的壁面清洗機(jī)器人[3]

22、。 1.5設(shè)計(jì)內(nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)一款真空吸盤式獨(dú)立行走爬壁機(jī)器人,是一個(gè)形體約為500mm400mm100mm的長(zhǎng)方體四輪小車，每個(gè)車輪都分兩排裝設(shè)有24個(gè)真空吸盤，由地面的真空泵提供負(fù)壓。它無需樓梯懸掛機(jī)構(gòu),巧妙地運(yùn)用了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)吸排氣的控制。該機(jī)器人的設(shè)計(jì)是這樣實(shí)現(xiàn)的： 爬壁機(jī)器人最主要的要求是能夠在墻壁吸附行走，所以首先在確定的總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)吸附裝置，即輪子與真空發(fā)生裝置，運(yùn)用了一種機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人稀奇排氣的控制；然后設(shè)計(jì)傳動(dòng)減速裝置，選擇合適的電機(jī)后，采用蝸輪蝸桿裝置，選擇聯(lián)軸器和軸承等傳動(dòng)裝置；最后建立機(jī)器人小車的模型，并對(duì)其基于PROE軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)

23、仿真，運(yùn)動(dòng)分析，進(jìn)一步改善機(jī)器人結(jié)構(gòu)。由于能力有限，所以本次設(shè)計(jì)只要求機(jī)器人能夠在墻壁上上下行走即可，不要求轉(zhuǎn)彎。 第二章 軟件介紹 9 第二章 軟件介紹 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，是基于軟件PROE系統(tǒng)軟件來進(jìn)行的,首先設(shè)計(jì)出輪子、真空艙、減速傳動(dòng)裝置和機(jī)器人機(jī)體等，然后再用該軟件裝配，最后基于PROE的仿真功能對(duì)

24、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行仿真。 傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)中，首先要構(gòu)思設(shè)備三維結(jié)構(gòu)，繪制相應(yīng)的機(jī)械零件圖、裝配圖等二維圖紙，然后進(jìn)行尺寸鏈分析，繪制機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的特定位置圖或者求解運(yùn)動(dòng)方程，檢驗(yàn)各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)和裝配尺寸、運(yùn)動(dòng)規(guī)律是否合格。以往計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)以二維圖紙繪制為主，直觀性差。 Pro/E軟件，即Pro／E是三維實(shí)體建模與分析軟件中性能非常出色的一款。應(yīng)用Pro／E，問世于1988年。10多年來，經(jīng)歷20余次的改版，已成為全世界及中國(guó)地區(qū)最普及的3D CAD/CAM系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械零部件的實(shí)體建模、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真、強(qiáng)度分析等工作，具有直觀、便捷等特點(diǎn)，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中非常重要

25、的設(shè)計(jì)工具之一。與二維繪圖軟件相比，三維設(shè)計(jì)軟件Pro／Engineer不僅可以進(jìn)行三維實(shí)體建模，還可進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、虛擬裝配和干涉檢驗(yàn)、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、強(qiáng)度分析、工業(yè)造型設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)、工程圖制作等功能，可自動(dòng)生成多視圖的二維圖紙并自動(dòng)標(biāo)注。所有在三維模型上所做的修改可即刻反映在所有生成的二維圖紙上。建立好的三維模型經(jīng)過渲染后，可以直接作為產(chǎn)品宣傳的內(nèi)容，表現(xiàn)產(chǎn)品形態(tài)、功能等。相對(duì)二維圖形，三維模型更易實(shí)現(xiàn)數(shù)控代碼的生成從而使用戶縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間并簡(jiǎn)化了開發(fā)的流程。 Pro／E的特點(diǎn) (1)基于特征的參數(shù)化建模 參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種使用重要幾何參數(shù)快速構(gòu)造和修改幾何模型的造型方法。參數(shù)化

26、模型通過調(diào)整幾何參數(shù)來修改和控制幾何形狀，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型。這些幾何參數(shù)包括模型定型、定位尺寸等。不同于CAD設(shè)計(jì)以圖形線條為設(shè)計(jì)元素，Pro／E以參數(shù)為設(shè)計(jì)元素，從構(gòu)建特征入手，建立零件數(shù)字化模塊。參數(shù)化技術(shù)以約束為核心。優(yōu)點(diǎn)主要有： a．對(duì)設(shè)計(jì)人員的初始設(shè)計(jì)要求低。提高了設(shè)計(jì)的柔性。 b．便于系列化設(shè)計(jì)。同種規(guī)格零件的不同尺寸系列可在一次設(shè)計(jì)成型后通過修改尺寸得到。節(jié)省了大量的重復(fù)設(shè)計(jì)時(shí)間，簡(jiǎn)便快捷，為數(shù)字化制造建立了基礎(chǔ)。 c．便于隨時(shí)編輯、修改，滿足反復(fù)設(shè)計(jì)要求。 （2）全相關(guān)性 　 Pro/E的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，

27、能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。 （3）工程數(shù)據(jù)再利用 三維實(shí)體造型將三維實(shí)體模型用于機(jī)械產(chǎn)品的CAD／CAE／CAM過程。用戶可以隨時(shí)計(jì)算出產(chǎn)品的質(zhì)量、體積、慣性矩等相關(guān)的物理量、幾何量，可迅速了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，掌握產(chǎn)品的信息，減少人為計(jì)算時(shí)間。 （4）在裝配圖中構(gòu)建實(shí)體 　　根據(jù)已建好的實(shí)體模型，在裝配中，利用其特征（平面，曲面或軸線）為基準(zhǔn)，直接構(gòu)建新的實(shí)體模型。這樣建立的模型便于裝配，在系統(tǒng)默認(rèn)狀態(tài)下，完成

28、裝配。 軟件在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用 (1)零部件設(shè)計(jì)： 這是Pro／E的基本功能。設(shè)計(jì)者首先規(guī)劃出要設(shè)計(jì)的零部件的功能、形態(tài)，然后利用Pro／E提供的各種造型工具，對(duì)一些基本幾何體進(jìn)行加工并最終形成滿足設(shè)計(jì)要求的直觀三維零部件模型。該模型的建立是后續(xù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、裝配仿真等工作的基礎(chǔ)。 (2)運(yùn)動(dòng)仿真與分析： 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)就是通過對(duì)機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)器，使其運(yùn)動(dòng)起來，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真可以在任意時(shí)刻查看各個(gè)組成部件的位置、速度、加速度、軌跡、位移、運(yùn)動(dòng)干涉等參數(shù)并加以分析，根據(jù)結(jié)果調(diào)整模型設(shè)計(jì)，以達(dá)到最優(yōu)的零件機(jī)構(gòu)配置。機(jī)構(gòu)仿真還可分析力與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，分析運(yùn)動(dòng)量以

29、及各運(yùn)動(dòng)副之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，關(guān)鍵部件的受力情況，實(shí)時(shí)測(cè)量指定部分的各種參數(shù)并繪制相應(yīng)曲線、圖表，可直觀了解運(yùn)動(dòng)主體上某點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。 （3）生成工程圖，Pro/E可以用來實(shí)現(xiàn)基于實(shí)體建模的工作流程而生成工程圖紙，用戶可以輕松地生成和保存2D工程圖紙，由于工程圖紙和3D零件動(dòng)態(tài)連接，因此當(dāng)用戶修改生成視圖的3D模型時(shí)，零件視圖、尺寸和注釋等都自動(dòng)更新，節(jié)約了圖紙管理和維護(hù)的時(shí)間。 3）本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中對(duì)PROE的運(yùn)用 學(xué)習(xí)了該軟件基本功能的實(shí)現(xiàn)，利用該軟件進(jìn)行機(jī)器人的輪子、吸附裝置和真空艙的設(shè)計(jì)，爬壁機(jī)器人建模，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行仿真[7]。

30、 第三章 爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案 23 第三章 爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案 根據(jù)此次設(shè)計(jì)的要求，簡(jiǎn)單檢驗(yàn)機(jī)器人的吸附力的強(qiáng)弱，確定機(jī)器人的自重以及所要攜帶的裝置的重量對(duì)于機(jī)器人的安全運(yùn)行的影響，如果再加上機(jī)器人在墻壁上行走時(shí)的傾覆力矩的檢驗(yàn)計(jì)算，就可以確定是否可以將真空泵安置在機(jī)器人上，以及能夠攜帶的清洗裝置的多少。然后依次設(shè)計(jì)出機(jī)器人的吸附裝置，傳動(dòng)裝置等，初步建立機(jī)器人小車的模型。 3.1爬壁機(jī)器人的工作過程 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)爬壁機(jī)器人，采用真空吸附四輪式機(jī)器

31、人，結(jié)構(gòu)類似于小車，是用來清洗高層建筑物上的玻璃幕墻，所以要求設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人能夠攜帶清洗結(jié)構(gòu)，在玻璃幕墻上按照一定的路徑行走，與此同時(shí)，機(jī)器人攜帶的清洗機(jī)構(gòu)能夠完成對(duì)玻璃幕墻的清洗工作。 3.2爬壁機(jī)器人的基本功能 爬壁機(jī)器人要能夠完成對(duì)高層建筑物的清洗工作，就需要解決一下幾個(gè)問題： （1）吸附與行走 吸附和行走是爬壁機(jī)器人的兩個(gè)最基本功能 爬壁機(jī)器人應(yīng)用具有兩個(gè)基本功能：吸附功能和移動(dòng)功能。爬壁機(jī)器人應(yīng)該具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力能夠大于機(jī)器人的自重和負(fù)載之和，防止墜落，還應(yīng)該保持一定的驅(qū)動(dòng)力，能夠保持機(jī)器人前進(jìn)，且能夠保證機(jī)器人的移動(dòng)速度為0. 15m/s左右。 爬壁

32、機(jī)器人的墜落可能是車體平行滑落導(dǎo)致的。其中吸盤在垂直壁面上時(shí)最容易發(fā)生脫落，此時(shí)是一個(gè)臨界條件，此時(shí)應(yīng)該有： μ∑Ni≥mg+ma 其中，m為爬壁機(jī)器人的質(zhì)量，a為車體運(yùn)動(dòng)的最大加速度，估取 a=0. 5m/s2，Ni為吸盤的吸附力，Ni=ΔpS，其中S為吸盤的吸附面積 S=π（8010-3）2/4m2 為吸盤內(nèi)外壓力差Δp= 7Pa（來自于真空泵銘牌），g為重力加速度，取 g=9. 8m/，μ是吸盤橡膠與玻璃幕墻之間的摩擦系數(shù)，取μ=0.4（玻璃幕墻 不是干凈的，這只是估算）,本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的是一個(gè)四輪式的爬壁

33、機(jī)人 根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以知道，每時(shí)每刻都能夠保證，每一個(gè)輪子上都有三個(gè)真空吸 盤吸附在玻璃幕墻上，所以機(jī)器人每時(shí)每刻都能夠保證同時(shí)有12個(gè)真空吸盤吸 附在玻璃幕墻上。所以根據(jù)上式有： m≤12?pS/(g+a) 將已知數(shù)據(jù)代入解得：m≤400kg。在機(jī)器人的安全方面，機(jī)器人的重力過大構(gòu)不成隱患，同時(shí)由于玻璃幕墻的不干凈而帶來的摩擦系數(shù)的改變所帶來的影響也可以不計(jì)，并不影響機(jī)器人的安全可靠性。 （2）轉(zhuǎn)彎問題和清洗能力 研究清洗爬壁機(jī)器人的初衷是代替手工工人，在高層建筑的玻璃幕墻上開展清洗或是玻璃幕墻維修工作，所以自主轉(zhuǎn)彎是爬壁機(jī)器人能夠?qū)嵱玫幕竟?/p>

34、能之一。在本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，由于自身能力的不足和時(shí)間的緊迫，放棄了對(duì)轉(zhuǎn)彎問題的考慮，本次設(shè)計(jì)中的爬壁機(jī)器人只是能夠在壁面上吸附，并且能夠完成直上直下的行走即可，也尚未涉及到清洗機(jī)構(gòu)的攜帶方式。 3.3爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì) 基于PROE軟件，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行整體建模。在前面所作工作的基礎(chǔ)上，首先確定機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)為輪子上裝置有真空吸盤的小車，然后進(jìn)一步設(shè)計(jì)出機(jī)器人小車的移動(dòng)系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、傳動(dòng)減速裝置等，最后確定機(jī)器人的車體結(jié)構(gòu)，并將這些結(jié)構(gòu)裝配在一起。 3.3.1爬壁機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu) 該爬壁機(jī)器人利用輪式式行走機(jī)構(gòu)吸附在墻壁上并自由爬行,通過外掛的清洗機(jī)構(gòu)清洗玻璃。該爬壁機(jī)器人外形就如玩具

35、小車,后輪驅(qū)動(dòng)四輪式，只是輪子上帶了真空吸盤，形體約為500mm400mm100mm的長(zhǎng)方體，真空泵位于地面裝置，為真空吸盤提供負(fù)壓。它由固定在機(jī)架上的吸附系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)組成。 3.3.2移動(dòng)裝置和吸附裝置的設(shè)計(jì) 爬壁機(jī)器人的采用四輪式移動(dòng)方式，真空吸盤方式，每個(gè)輪子設(shè)置有24個(gè)真空吸盤，分為兩排，為了減少傳感器的使用，使機(jī)器人的控制更容易實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)月牙形的真空艙，連接于地面的真空泵，為真空吸盤提供負(fù)壓，并且控制真空吸盤的吸附與釋放動(dòng)作。 3.3.2.1移動(dòng)系統(tǒng) 清洗爬壁機(jī)器人按照移動(dòng)方式可分為車輪式、履帶式和腳步行式。履帶式由電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)無軌道履帶，對(duì)墻面適應(yīng)性強(qiáng)，但體積較大，

36、不宜轉(zhuǎn)彎；腳步行式是通過多個(gè)腳的反復(fù)吸附與脫落進(jìn)行移動(dòng)，帶載能力強(qiáng)，但移動(dòng)困難，移動(dòng)速度慢；車輪式移動(dòng)速度較快，著地面積小，便于控制，易于實(shí)現(xiàn)，所以，在這次設(shè)計(jì)過程中，選擇了車輪式機(jī)器人。 3.3.2.2吸附系統(tǒng) 按吸附功能，爬壁機(jī)器人可分為：真空吸附、磁吸附和推力吸附三類。真空吸附法是通過真空泵設(shè)置或者是真空發(fā)生器形成真空，使吸盤內(nèi)腔產(chǎn)生負(fù)壓，從而使機(jī)器人吸附在壁面上。本次設(shè)計(jì)過程中主要考慮了真空吸附和磁吸附兩種方式，磁吸附法要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，分為永磁吸附和電磁吸附。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附，且對(duì)壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，不存在真空吸附的漏氣問題；真空吸附具有不受壁面材料限制的

37、特點(diǎn)，但當(dāng)壁面凸凹不平時(shí)容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低。真空吸附方式的爬壁機(jī)器人在玻璃幕墻上的使用有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，但是在瓷磚表面的墻壁上不得不面對(duì)一個(gè)新的問題：墻壁的凹凸不平可能會(huì)導(dǎo)致真空吸盤漏氣，使得機(jī)器人的安全產(chǎn)生隱患。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)社會(huì)中爬壁機(jī)器人的清洗對(duì)象多為玻璃幕墻，或是瓷轉(zhuǎn)表面，不適于磁吸附方式，所以選擇了真空吸附的方式[11]。 在爬壁機(jī)器人與墻體間直接產(chǎn)生吸附力的裝置是固定在兩側(cè)輪子上的真空吸盤，輪子直徑定初步定為20cm，真空吸盤采用廣方氣動(dòng)ZHP-50-W-M6真空吸盤，見圖3.1。該產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)：國(guó)內(nèi)生產(chǎn)商，供貨及時(shí)，價(jià)格合理。 每個(gè)輪子上均勻分布地固定有24只

38、直徑80mm的真空吸盤。24個(gè)吸盤每12個(gè)為一排，每?jī)蓚€(gè)吸盤之間相隔30度，輪子上的兩排吸盤每?jī)蓚€(gè)之間相錯(cuò)開15度，見圖3.3，這樣在任意時(shí)刻至少有其中3只吸盤呈品字形處于吸附工作狀態(tài),總共有12只吸盤處于吸附狀態(tài)，依靠外內(nèi)壓差將吸盤牢固地壓緊在墻面上。同一輪子上的24個(gè)吸盤通過管路匯總到與輪轂設(shè)計(jì)為一體的氣體分配器上,氣體分配器再匯總到真空泵,組成真空抽氣系統(tǒng)。吸盤的吸附能力不會(huì)隨著吸盤個(gè)數(shù)的增加而降低[5]。 圖3.1 真空吸盤實(shí)物圖 圖3.2 真空泵實(shí)物圖 圖3.3 機(jī)器人輪子與吸盤模型 該爬壁機(jī)器人

39、的最大特點(diǎn)是，機(jī)器人吸盤的吸氣和排氣的有序控制是依靠純粹機(jī)械結(jié)構(gòu)的氣體分配器來實(shí)現(xiàn)的。 氣體分配器內(nèi)設(shè)有月牙形真空室,見圖3.4，后側(cè)氣口與真空泵相連,前側(cè)在分配器的下1/4處開有一個(gè)月牙形吸氣口,氣體分配盤（即為輪子的輪轂，見圖3.5）與之壓緊密封,氣體分配盤上均布著12個(gè)管每個(gè)管嘴連接著一個(gè)真空吸盤。其中帶有月牙形真空室的氣體分配器是固定在車體上不動(dòng)的，爬壁機(jī)器人由電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子前行時(shí)，當(dāng)某一個(gè)吸盤完全接觸墻壁,與之對(duì)應(yīng)的管嘴也恰好進(jìn)入了真空室的吸氣口,形成了氣流通路,真空泵便對(duì)這個(gè)吸盤抽氣;當(dāng)這個(gè)吸盤即將脫離墻壁時(shí),與之對(duì)應(yīng)的管嘴也恰好轉(zhuǎn)出了吸氣口,與大氣相通,吸盤便可順利脫離墻壁。完成

40、機(jī)器人在爬壁過程中的自動(dòng)吸附與脫離工作[5]。見圖3.6。 a b 圖3.6 真空艙與輪轂的配合 月牙形真空室所在處，月牙盤突出，其原因在于：該氣體分配器是固定在機(jī)器人機(jī)體上的，真空室所在面與輪盤之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)必須保證這兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)不能發(fā)生過多的漏氣，此處突出四分之一處既可以保證真空室所在面能夠與真空吸盤的氣嘴相接處，保證與輪盤緊密接觸，還可以降低兩個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力過大，給動(dòng)力能源帶來額外的負(fù)載，同時(shí)過大的摩擦?xí)档蜋C(jī)器人的使用壽命。 真空室離月牙盤為2cm，其圓心角為40度，這是因?yàn)檎婵帐冶仨氁瑫r(shí)為三個(gè)真空吸盤提供負(fù)壓，而每?jī)蓚€(gè)吸盤接到輪盤上

41、的接口相差15度，的所以圓心角應(yīng)該稍大于30度。而真空室的寬度設(shè)為7mm，因?yàn)檩啽P上孔的直徑為6mm。另外還要將真空室與真空泵相連，所以要在月牙形盤上開孔至真空室。月牙盤的設(shè)計(jì)為控制帶來了方便，同時(shí)也增加了加工難度。 此處設(shè)計(jì)在運(yùn)行過程中的要求比較高：既能夠產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，還要保證足夠的密封。對(duì)此，在設(shè)計(jì)中用泡沫作為兩個(gè)結(jié)構(gòu)的使用材料，測(cè)試了漏氣的情況和真空艙容積對(duì)吸盤吸附能力的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)負(fù)壓效果與材料有一定的關(guān)系。見圖3.7與圖3.8。使用泡沫材料是這樣想的：泡沫材料是一種軟質(zhì)材料，它的結(jié)構(gòu)決定它的密封能力不夠好，容易產(chǎn)生漏氣，所以如果用泡沫材料做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候吸附力比較大，那么如果采用別的

42、材料，一樣有一定的可行度。 圖3.4 月牙形真空艙 圖3.5 氣體分配盤及輪轂 3.3.3減速裝置及傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 這部分由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、以及所附帶的聯(lián)軸器和軸承組成。蝸輪蝸桿裝置既是傳動(dòng)裝置，也起到了減速作用。 3.3.3.1傳動(dòng)系統(tǒng) 這部分由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、以及所附帶的聯(lián)軸器和軸承組成。連接于地面的電纜通直流電與機(jī)器人攜帶的直流電機(jī)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速太高，所以設(shè)計(jì)一臺(tái)雙側(cè)出軸的開式蝸輪蝸桿減速器，經(jīng)減速后傳遞到連接機(jī)器人作為驅(qū)動(dòng)輪的后輪軸上，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的從動(dòng)輪，完成機(jī)器人的整體移動(dòng)，正常的前進(jìn)速度應(yīng)該在0.15m/

43、s。 圖3.7 測(cè)試泡沫移動(dòng)的漏氣情況 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式可采用氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等三種。不同的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式具有不同的特點(diǎn)，選擇哪種作為動(dòng)力源，可以根據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)合以及具體的要求選擇。 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為地面設(shè)備常用，結(jié)構(gòu)較重；氣動(dòng)系統(tǒng)具有重量輕、成本低的特點(diǎn)，但是氣體的可壓縮性和系統(tǒng)氣路上的眾多元件，導(dǎo)致系統(tǒng)的線性度低，實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)的精確位置控制比較困難，系統(tǒng)的抗干擾能力較差。爬壁機(jī)器人作為自主移動(dòng)機(jī)器人的一種特例，應(yīng)具有良好的靈活性，一方面要求機(jī)器人載體重量輕，另一方面更要求與周邊的環(huán)境相對(duì)獨(dú)立。且相對(duì)于氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)，控制方法成熟，簡(jiǎn)單易行，在技術(shù)方面的要求低于前面兩種

44、方式，因此選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式[9]。 圖3.8 模仿月牙形真空艙的分離和貼合圖 在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，有直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)等實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，以及實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的直流電機(jī)。對(duì)于小型移動(dòng)機(jī)器人的控制，較為常用的電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)[8]。 其中直流電機(jī)實(shí)際上是機(jī)器人平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，有著極寬的功率調(diào)節(jié)范圍、實(shí)用性好、具有很高的性價(jià)比，是一種最為通用的電機(jī)。到目前為止，很多深入的研究使得直流電機(jī)變得更快、更有效。與步進(jìn)電機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)具有更小的體積和更少的功耗，直流電機(jī)的機(jī)器人的機(jī)體比較小。所以選擇了直流電動(dòng)機(jī)，下面是直

45、流電動(dòng)機(jī)的選擇過程[5]： （1）確定電動(dòng)機(jī)的功率 電動(dòng)機(jī)所需的工作功率按下式可求得： pd=Fv1000ηd; 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩依次通過聯(lián)軸器，蝸輪蝸桿減速器，一對(duì)軸承傳遞到機(jī)器人輪子上，效率分別為=0.99，=0.4，=0.98，而 ηd=η0η1η2 F為加在輪子上的驅(qū)動(dòng)力，必須克服真空吸盤所施加的摩擦力，所以有 Fmin=12μSΔp 其中，S，，已經(jīng)在計(jì)算機(jī)器人會(huì)不會(huì)滑落的計(jì)算中涉及過。 綜上可得電動(dòng)機(jī)的最小功率為pd=0.65kw （2）確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 已知，機(jī)器人以v=0.15

46、m/s左右的速度向前移動(dòng)，輪子直徑為D=20cm，吸盤離輪子的距離約為2cm，可以得到連接輪子的軸的轉(zhuǎn)速n。 n=60?1000vπD； 可得，n=13.02r/min。 根據(jù)以上球的的電動(dòng)機(jī)的最小功率和最小轉(zhuǎn)速可以有一定的選擇電動(dòng)機(jī)的范圍。 3.3.3.2減速裝置的設(shè)計(jì) 電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速較高，所以不能將電動(dòng)機(jī)直接連接到轉(zhuǎn)動(dòng)軸，本次設(shè)計(jì)中，選擇一個(gè)開式蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置作為過渡，起到減速的作用。 圖3.9 蝸輪蝸桿裝置 選擇蝸輪蝸桿裝置作為減速裝置有這樣一些優(yōu)點(diǎn)：蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比比較大，減速效果明顯，一般傳動(dòng)比5～80，零件數(shù)目少，可以保

47、證結(jié)構(gòu)的緊湊，也能夠保證機(jī)器人的自身重量不會(huì)太高；沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低，負(fù)荷爬壁機(jī)器人的要求；蝸輪蝸桿在一定的條件下可以滿足自鎖條件，可以防止電動(dòng)機(jī)偶然斷電時(shí)機(jī)器人反向移動(dòng)。按齒面疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)蝸輪蝸桿： 先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再交合齒根彎曲疲勞強(qiáng)度[4]。 a≥3KT2(ZEZρ[σH])2 （1）其中為作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩，由電機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速以及蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率決定： T2=9.55106p2n2=9.55106pηn1i12 （2）K為載荷系數(shù)，與工作載荷的性質(zhì)有關(guān)；為彈性影響系數(shù)，與所用的蝸輪蝸桿的材料的搭配有關(guān)；為接觸系數(shù)，與蝸桿的直徑和蝸輪蝸桿的傳動(dòng)中心

48、距q=d1a有關(guān)；為材料的許用接觸應(yīng)力自然與蝸輪蝸桿的材料有關(guān)，以上所述四個(gè)參數(shù)都是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)，可以查表得到。 這樣按齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，就可以得到蝸輪蝸桿的傳動(dòng)中心距的最小值，可以進(jìn)一步得到蝸輪蝸桿所必須的一些參數(shù)，模數(shù)m，蝸桿和渦輪的分度圓直徑等。 3.3.4聯(lián)軸器和軸承選擇 根據(jù)已經(jīng)選擇的電機(jī)和設(shè)計(jì)出的蝸輪蝸桿的參數(shù)選擇合適的聯(lián)軸器和軸承。因?yàn)榕辣跈C(jī)器人的軸的轉(zhuǎn)速比較小，且所承受的載荷也并不大，所以軸承選擇最為常見的深溝球軸承，價(jià)格低廉，可減少成本?？紤]到爬壁機(jī)器人中所選的電機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)矩并不是特別大，也并不存在嚴(yán)重的沖擊載荷，所以決定選擇普通的剛性聯(lián)軸器。利用PROE軟件畫出所選

49、擇的聯(lián)軸器和軸承的立體圖，以備在后面的設(shè)計(jì)過程中使用[5]。 圖3.9 深溝球軸承 3.3.5爬壁機(jī)器人機(jī)體建模 考慮到應(yīng)該盡量降低爬壁機(jī)器人的自身重量，再加上本次設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人有很多問題沒有解決，諸如如何攜帶清洗機(jī)構(gòu)，如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎等問題，所以建模過程中用了簡(jiǎn)單的用空心桿搭建的桁架結(jié)構(gòu)。真空泵設(shè)在地面裝置上，用一臺(tái)電機(jī)通過蝸輪蝸桿減速傳動(dòng)裝置帶動(dòng)后輪機(jī)器人前進(jìn)。 3.4爬壁機(jī)器人PROE運(yùn)動(dòng)仿真 設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人的目的是：代替人工進(jìn)行高層建筑物的墻壁尤其是玻璃幕墻的清洗檢修等，吸附功能和行走功能是機(jī)器人最主要的功能，對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)運(yùn)用PROE軟件進(jìn)行仿真，分析結(jié)果，檢查爬壁機(jī)器人模

50、型的可行性。 仿真過程 首先進(jìn)入裝配模塊，將前面設(shè)計(jì)過稱中設(shè)計(jì)的輪子、真空艙、蝸輪蝸桿減速裝置以及機(jī)器人車體等裝配起來，搭建機(jī)器人整體模型；然后進(jìn)入機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真模塊，根據(jù)前面選擇的電機(jī)的類型，定義伺服電機(jī)；再建立運(yùn)動(dòng)分析，設(shè)置參數(shù)Start time和End time，并且選擇當(dāng)前位置作為運(yùn)動(dòng)分析的初始位置；最后運(yùn)行運(yùn)動(dòng)分析。 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中最重要的是傳動(dòng)系統(tǒng)，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，首先對(duì)此進(jìn)行仿真。選擇電機(jī)的參數(shù)為： 額定電壓：6V 額定功率：4.2W 空載轉(zhuǎn)速：6000rpm 減速比：8：1 第四章

51、 結(jié)論 25 第四章 結(jié)論 爬壁機(jī)器人是現(xiàn)下相對(duì)比較前端的技術(shù)，但是經(jīng)過幾十年的世界上有關(guān)科技人員的努力研究，也取得了不小的成就。本次設(shè)計(jì)完成了機(jī)器人基本的吸附功能和直線行走功能，然而由于本人的知識(shí)儲(chǔ)備不夠，以及時(shí)間上的緊迫等原因，使得在設(shè)計(jì)過程中依然存在很多沒有解決的問題。 清洗用爬壁機(jī)器人的用途主要是代替人工用于清洗高層建筑的玻璃幕墻這樣的高危險(xiǎn)工作，有些幕墻上的玻璃是一個(gè)整塊，沒有障礙物，但更多的幕墻上的玻璃是用金屬分隔成小塊的，有時(shí)候還需要機(jī)器人從水平位置轉(zhuǎn)換到垂直位置，所以就牽涉到以下幾個(gè)本人在這次設(shè)計(jì)中沒有解

52、決的問題： （1）自主控制 機(jī)器人在高位數(shù)百米的位置工作，如果要越過障礙物，首先要確定障礙物的具體位置及形狀，在于地面的人眼是沒有辦法確定的，自然需要機(jī)器人自主識(shí)別能力和自我完成跨越障礙物的工作，如果要完成自主控制功能就要用到大量的傳感器甚至是攝像裝置。 （2）轉(zhuǎn)彎問題 清洗用爬壁機(jī)器人應(yīng)該具有轉(zhuǎn)彎功能，人工令其轉(zhuǎn)彎是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)檫@樣就失去機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)了。對(duì)于轉(zhuǎn)彎問題，一開始設(shè)計(jì)的是三輪機(jī)器人，后輪作為驅(qū)動(dòng)輪，而一個(gè)前輪作為轉(zhuǎn)向輪，因?yàn)閾?dān)心機(jī)器人吸附裝置的吸附力的大小，機(jī)器人在載荷爬壁過程中可能會(huì)存在安全隱患，所以改為四輪式機(jī)器人。對(duì)于真空吸附式爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)彎，最大的問題存在于轉(zhuǎn)彎過

53、程中真空吸盤要承受一定的扭矩，難度較大，所以在設(shè)計(jì)的過程中并沒有實(shí)現(xiàn)，但是有一種實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的方法值得借鑒：增加一個(gè)腹部吸盤[6]。機(jī)器人在正常爬行的過程中，腹部吸盤停止工作，當(dāng)機(jī)器人需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，腹部吸盤緊緊吸附在墻壁上，車體完成轉(zhuǎn)彎。 （3）安全問題 本次設(shè)計(jì)過程中，只是驗(yàn)證了四輪式機(jī)器人在墻壁爬行的過程中，自生重力加上機(jī)器人所帶載荷小于400kg左右時(shí)安全的，因?yàn)樽钚≠|(zhì)量比較大，所以可以確定機(jī)器人一般不會(huì)在爬壁過程中沿著墻壁滑落。然而爬壁機(jī)器人的實(shí)效方式還有一種方式：翻倒，即在傾覆力矩的作用下前輪失去吸附能力，設(shè)計(jì)中并沒有對(duì)此進(jìn)行檢驗(yàn)，但是還是考慮到了它可能存在的影響，并沒有將質(zhì)量比較大，

54、而且比較高的真空泵設(shè)計(jì)安裝在機(jī)體上，而是設(shè)計(jì)成為了地面裝置提供負(fù)壓的形式。 致 謝 27 致 謝 四年的大學(xué)生活匆匆而過，大學(xué)生活中的最后一項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)也即將結(jié)束。在這四年的大學(xué)生活中，我始終生活在老師的關(guān)懷和同學(xué)的幫助之中，尤其在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我更是深深感受了這一點(diǎn)。 本文是在段清娟老師的精心指導(dǎo)下完成的。從畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題到論文的結(jié)構(gòu)，再到論文的表述規(guī)范，段老師都給予了非常悉心的知道和嚴(yán)格的要求。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，段老師總是一絲不茍，不辭辛苦，按時(shí)為我們幾個(gè)學(xué)生做精心的指導(dǎo)和監(jiān)督。在這次

55、畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，段老師留給我最深的影響是老師她一心一意為學(xué)生負(fù)責(zé)的態(tài)度，令我深深敬佩。 我一直對(duì)我的老師心存感激，在這畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束的時(shí)候，我再一次對(duì)我的老師表示衷心的感謝，感謝老師給我無私的幫助和嚴(yán)格的要求。 29 參考文獻(xiàn) [1] 肖立，佟仕忠，丁啟敏，吳俊生. 爬壁機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展.機(jī)器人，2004（11）：81～83 [2] 付宜利,李志海. 爬壁機(jī)器人的研究進(jìn)

56、展.機(jī)械設(shè)計(jì)，2008,25（4）:1～5 [3] 姬國(guó)釗,張世偉,王奇斌,李俊秀,王卓. 真空吸盤式爬壁清洗機(jī)器人的研究與開發(fā).機(jī)械應(yīng)用與研究，2009（4）：5～8 [4] 吳宗澤，羅圣國(guó). 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）. 高等教育出版社，1998:119～154 [5] 紀(jì)銘剛，濮良貴. 機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）. 高等教育出版社，2006:239～269 [6] B.L. Luk, D.S. Cooke, A.A. Collie, N.D. Hewer, S. Chen. Intelligent legged climbing service robot for

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58、海大學(xué) 碩士學(xué)位論文, 2004 [10] 張興悟. 高機(jī)動(dòng)性小型清潔爬壁機(jī)器人的研究, 機(jī)械研究與應(yīng)用，2007（2）：28～31 [11] 吳善強(qiáng) 李滿天 孫立寧.帕比機(jī)器人負(fù)壓媳婦方式概述. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備.2007, 35（2）：36～37 09/20 11:46 102機(jī)體齒飛面孔雙臥多軸組合機(jī)床及CAD設(shè)計(jì) 09/08 20:02 3kN微型裝載機(jī)設(shè)計(jì) 09/20 15:09 45T旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)液壓缸設(shè)計(jì) 08/30 15:32 5噸卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)計(jì) 10/30 17:1

59、2 C620軸撥桿的工藝規(guī)程及鉆2-Φ16孔的鉆床夾具設(shè)計(jì) 09/21 13:39 CA6140車床撥叉零件的機(jī)械加工工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì)831003 08/30 15:37 CPU風(fēng)扇后蓋的注塑模具設(shè)計(jì) 09/20 16:19 GDC956160工業(yè)對(duì)輥成型機(jī)設(shè)計(jì) 08/30 15:45 LS型螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì) 10/07 23:43 LS型螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì) 09/20 16:23 P-90B型耙斗式裝載機(jī)設(shè)計(jì) 09/08 20:17 PE10自行車無級(jí)變速器設(shè)計(jì) 10/07 09:2

60、3 話機(jī)機(jī)座下殼模具的設(shè)計(jì)與制造 09/08 20:20 T108噸自卸車拐軸的斷裂原因分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 09/21 13:39 X-Y型數(shù)控銑床工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 09/08 20:25 YD5141SYZ后壓縮式垃圾車的上裝箱體設(shè)計(jì) 10/07 09:20 ZH1115W柴油機(jī)氣缸體三面粗鏜組合機(jī)床總體及左主軸箱設(shè)計(jì) 09/21 15:34 ZXT-06型多臂機(jī)凸輪軸加工工藝及工裝設(shè)計(jì) 10/30 16:04 三孔連桿零件的工藝規(guī)程及鉆Φ35H6孔的夾具設(shè)計(jì) 08/30 17:57 三層貨運(yùn)電

61、梯曳引機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10/29 14:08 上蓋的工工藝規(guī)程及鉆6-Ф4.5孔的夾具設(shè)計(jì) 10/04 13:45 五噸單頭液壓放料機(jī)的設(shè)計(jì) 10/04 13:44 五噸單頭液壓放料機(jī)設(shè)計(jì) 09/09 23:40 儀表外殼塑料模設(shè)計(jì) 09/08 20:57 傳動(dòng)蓋沖壓工藝制定及沖孔模具設(shè)計(jì) 09/08 21:00 傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)繪與分析設(shè)計(jì) 10/07 23:46 保護(hù)罩模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 09/20 15:30 保鮮膜機(jī)設(shè)計(jì) 10/04 14:35 減速箱體數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)

62、 10/04 13:20 鑿巖釬具釬尾的熱處理工藝探索設(shè)計(jì) 09/08 21:33 分離爪工藝規(guī)程和工藝裝備設(shè)計(jì) 10/30 15:26 制定左擺動(dòng)杠桿的工工藝規(guī)程及鉆Ф12孔的夾具設(shè)計(jì) 10/29 14:03 前蓋板零件的工藝規(guī)程及鉆8-M16深29孔的工裝夾具設(shè)計(jì) 10/07 08:44 加油機(jī)油槍手柄護(hù)套模具設(shè)計(jì) 09/20 15:17 加熱缸體注塑模設(shè)計(jì) 10/07 09:17 動(dòng)模底板零件的工藝規(guī)程及鉆Φ52孔的工裝夾具設(shè)計(jì) 10/08 20:23 包縫機(jī)機(jī)體鉆孔組合機(jī)床總體

63、及夾具設(shè)計(jì) 09/21 15:19 升板機(jī)前后輔機(jī)的設(shè)計(jì) 09/09 22:17 升降式止回閥的設(shè)計(jì) 09/22 18:52 升降桿軸承座的夾具工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì) 09/09 16:41 升降杠桿軸承座零件的工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì) 08/30 15:59 半自動(dòng)鎖蓋機(jī)的設(shè)計(jì)（包裝機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)） 08/30 15:57 半軸零件的機(jī)械加工工藝及夾具設(shè)計(jì) 10/29 13:31 半軸零件鉆6-Φ14孔的工裝夾具設(shè)計(jì)圖紙 09/26 13:53 單吊桿式鍍板系統(tǒng)設(shè)計(jì) 08/30 16:20

64、 單級(jí)齒輪減速器模型優(yōu)化設(shè)計(jì) 08/30 16:24 單繩纏繞式提升機(jī)的設(shè)計(jì) 09/09 23:08 臥式加工中心自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 09/08 22:10 厚板扎機(jī)軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì) 09/18 20:56 叉桿零件的加工工藝規(guī)程及加工孔Φ20的專用夾具設(shè)計(jì) 08/30 19:32 雙臥軸混凝土攪拌機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì) 09/09 22:33 雙模輪胎硫化機(jī)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 09/09 22:32 雙輥驅(qū)動(dòng)五輥冷軋機(jī)設(shè)計(jì) 09/08 20:36 變位器工裝設(shè)計(jì)--0.1t普通座式焊接

65、變位機(jī) 09/28 16:50 疊層式物體制造快速成型機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 09/08 22:41 可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 09/08 22:42 可移動(dòng)的墻設(shè)計(jì)及三維建模 10/04 13:25 右出線軸鉆2-Ф8夾具設(shè)計(jì) 10/04 13:23 右出線軸鉆6-Ф6夾具設(shè)計(jì) 09/08 22:36 咖啡杯蓋注塑模具設(shè)計(jì) 10/07 08:33 咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計(jì)及橫封切斷裝置設(shè)計(jì) 09/09 16:15 啤酒貼標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)（總體和后標(biāo)部分的設(shè)計(jì)） 10/29 13:5

66、8 噴油泵體零件的工藝規(guī)程及鉆Φ14通孔的工裝夾具設(shè)計(jì) 08/30 19:39 四工位的臥式組合機(jī)床設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 09/21 13:39 四方罩模具設(shè)計(jì) 08/30 19:42 四組調(diào)料盒注塑模具設(shè)計(jì) 10/07 23:55 固定座的注塑模具設(shè)計(jì) 09/09 23:52 圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 09/09 23:48 圓珠筆管注塑模工藝及模具設(shè)計(jì) 10/13 16:36 圓盤剪切機(jī)設(shè)計(jì) 09/21 13:25 基于PLC變頻調(diào)速技術(shù)的供暖鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 09/08 22:20 基于pro-E的減速器箱體造型和數(shù)控加工自動(dòng)編程設(shè)計(jì) 08/30 18:00 基于PROE的果蔬籃注塑模具設(shè)計(jì) 08/30 19:37 基于UG的TGSS-50型水平刮板輸送機(jī)---機(jī)頭段設(shè)計(jì) 09/21 15:16 塑料油壺蓋模具設(shè)計(jì) 09/09 22:41 塑料膠卷盒注射模