喜歡就充值下載吧。。。資源目錄里展示的全都有，，下載后全都有請(qǐng)放心下載，原稿可自行編輯修改=【QQ：1304139763可咨詢交流】====================喜歡就充值下載吧。。
南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表
學(xué)生姓名
朱海澄
學(xué) 號(hào)
060104225
指導(dǎo)教師
孫中圣
選題情況
課題名稱
氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)
難易程度
偏難
適中
√
偏易
工作量
較大
合理
√
較小
符合規(guī)范化的要求
任務(wù)書(shū)
有
√
無(wú)
開(kāi)題報(bào)告
有
√
無(wú)
外文翻譯質(zhì)量
優(yōu)
良
√
中
差
學(xué)習(xí)態(tài)度、出勤情況
好
√
一般
差
工作進(jìn)度
快
按計(jì)劃進(jìn)行
√
慢
中期工作匯報(bào)及解答問(wèn)題情況
優(yōu)
良
√
中
差
中期成績(jī)?cè)u(píng)定：良
所在專業(yè)意見(jiàn)：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)前期工作材料
學(xué)生姓名:
朱海澄
學(xué) 號(hào)：
060104225
系：
機(jī)械工程系
專 業(yè):
機(jī)械工程及自動(dòng)化
設(shè)計(jì)(論文)題目:
氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師:
孫中圣
講師
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
材 料 目 錄
序號(hào)
名 稱
數(shù)量
備 注
1
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)選題、審題表
1
2
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)
1
3
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告〔含文獻(xiàn)綜述〕
1
4
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯〔含原文〕
1
5
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表
1
2010年 3月
注：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查工作結(jié)束后，請(qǐng)將該封面與目錄中各材料合訂成冊(cè)，并統(tǒng)一存放在學(xué)生“畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料袋”中（打印件一律用A4紙型）。
南京理工大學(xué)紫金學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)
作 者:
朱海澄
學(xué) 號(hào)：
060104225
系：
機(jī)械工程系
專 業(yè):
機(jī)械工程及自動(dòng)化
題 目:
氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)
講師
孫中圣
指導(dǎo)者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
郭鋼
副教授
評(píng)閱者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
2010年 5月
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要
隨著科技的進(jìn)步，機(jī)器人已經(jīng)日趨廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，城鎮(zhèn)中隨之矗立起無(wú)數(shù)電線桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索等高層建筑。長(zhǎng)期以來(lái)怎樣綠色環(huán)保、高效、低成本的解決這些集實(shí)用性與美觀性一體的桿狀城市建筑的清洗、維護(hù)問(wèn)題，一直是環(huán)保工作者們研究的一個(gè)課題。
論文針對(duì)上述市政工程中需要大量爬桿作業(yè)的需求，研制出一種基于氣動(dòng)元件的爬桿機(jī)器人，該機(jī)器人有一定的載重能力，可廣泛替代人工應(yīng)用到市政爬桿作業(yè)中。在比較幾類爬行機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，確定了機(jī)器人本體的大致結(jié)構(gòu),采用氣動(dòng)元件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬升運(yùn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)雙向螺旋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行機(jī)器人手臂的夾緊。隨后根據(jù)路燈桿的尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)估算出機(jī)器人的各零部件的尺寸與質(zhì)量，據(jù)此，確定氣缸和電機(jī)的型號(hào)。最后，對(duì)各個(gè)元件進(jìn)行校核驗(yàn)算，設(shè)計(jì)出爬桿機(jī)器人。
關(guān)鍵詞 爬桿機(jī)器人 氣缸 攀爬 仿生學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要
Title Design of pole-climbing robot driven by cylinders
Abstract
With the development of the science and technology, robotics have become more widely used in industrial production and daily life. With the growth of the economic, there are a lot of high-rise buildings such as the poles，the road poles and cable-stayed bridges appeared in the numerous cities and towns. How to solve the cleaning and maintenance of these sets with green environmental, highly efficient and low-cost method integrating with the aesthetics and practicability, which is subject of study for environ-mental protection workers for a long time.
In this paper, a kind of pneumatic pole-climbing robot was designed for satisfying the great demands on pole-climbing tasks in city planning engineering. The robot has certain load capacity. It can be widely used in city planning pole-climbing tasks instead of manpower. Based on compared the merits and demerits of several kind of crawling mechanism， we determine the general structure of robot body， adopt pneumatic components of climbing robot, motor drive two-way spiral movement mechanism motion for the clamping robot arm. Then according to the size of reading data，design of robot estimate the size of components with quality，accordingly, determine the cylinder and motor model. Finally, the test of each element, climb bare-footed robot is designed.
Keywords pole-climbing robot cylinder speel bionics
南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名：
朱海澄
學(xué) 號(hào)：
060104225
專 業(yè)：
機(jī)械工程及自動(dòng)化
設(shè)計(jì)(論文)題目：
氣缸驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)
指 導(dǎo) 教 師:
孫中圣
2010年 3月 19日
開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求
1．開(kāi)題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)及所在專業(yè)審查后生效；
2．開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書(shū)寫(xiě)或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)；
3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書(shū)寫(xiě)（或打?。┰诒鹃_(kāi)題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫(xiě)文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)）；
4．有關(guān)年月日等日期的填寫(xiě)，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書(shū)寫(xiě)。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě)
2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
文 獻(xiàn) 綜 述
引言
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的分工越來(lái)越明細(xì)，尤其是在現(xiàn)代化的大產(chǎn)業(yè)中，有的人每天就只管擰一批產(chǎn)品的同一個(gè)部位上的一個(gè)螺母，有的人整天就是接一個(gè)線頭，人們感到自己的工作比較枯燥，于是人們強(qiáng)烈希望用某種機(jī)器代替自己工作，因此人們研制出了機(jī)器人，用以代替人們?nèi)ネ瓿赡切﹩握{(diào)、枯燥或是危險(xiǎn)的工作。機(jī)器人是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物，是一種典型的機(jī)構(gòu)和電控制結(jié)合的產(chǎn)物，在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。
在市政工程中，有大量的安裝及維修等工作需要爬桿作業(yè)。對(duì)于較粗的桿件，人工攀爬和工程車作業(yè)都比較方便。但是對(duì)于一些直徑較細(xì)，強(qiáng)度較小的桿件比如路燈桿等，人工攀爬較為困難。應(yīng)用帶升降機(jī)的工程車進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)成本較高，而且對(duì)于狹窄的胡同，工程車難以進(jìn)入，造成作業(yè)困難，因此爬桿機(jī)器人的研制一直是市政工程研究的熱點(diǎn)。爬桿機(jī)器人與一般在地面上移動(dòng)的機(jī)構(gòu)有著很大的不同，因?yàn)樗朔亓?lái)工作，并依靠圓柱桿的表面上升，進(jìn)行自主移動(dòng)，完成特定條件下的工作。本文主要是介紹一種適合于在圓柱桿狀物體表面爬行的氣壓驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人。
1、機(jī)器人的分類
機(jī)器人的種類多種多樣，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類:工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人?；蛘叻譃閮深悾褐圃飙h(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[1]、履帶式、蠕動(dòng)式、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[2]、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)。
2、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
爬行機(jī)器人[3][4][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[8]，已有車輪移動(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][10][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。
3、目前主要存在的問(wèn)題
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。
參考文獻(xiàn)
[1] 蔣新松. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M]. 遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.
[2] 王園宇，武利生，李元宗. 壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)淺析[J]. 引進(jìn)與咨詢2002. （4）：3-4.
[3] 邵浩. 壁面清洗爬壁機(jī)器人. 中國(guó)第五屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997：134-138.
[4] Elkmann N，F(xiàn)elsch T，Sack M，et al. Modular climbing robot for service-sector [J]. Industrial Robot，1999，26（6）：460-465.
[5] TohruMIYAKE，Hidenori ISHIHARA. Mechanisms and Basic Properties of Window Cleaning Robot[C]. Proceedings of the 2003 IEEUASME International Conference on Advanced Intel-ligent Mechatronics（AIM2003）:1372-1377.
[6] 趙興飛，周憶，石崇輝. 氣驅(qū)爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)與計(jì)算[J]. 機(jī)床與液壓，2003. （3）：1-3.
[7] 趙松年. 現(xiàn)代機(jī)械創(chuàng)新產(chǎn)品分析與設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000 . 1：1-3
[8] 吳功平，肖曉暉，郭應(yīng)龍. 架空高壓輸電線自動(dòng)爬行機(jī)器人的研制[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2006，17（3）：1-4.
[9] 徐生，張立彬，楊慶華，等. 氣動(dòng)蠕動(dòng)爬桿機(jī)器人[J]. 機(jī)械工程師，2004. （3）：2-3.
[10] 楊存智. 爬桿(繩)機(jī)器人的研制[J]. 機(jī)電一體化，2003，（4）：l-3.
[11] 陳俊龍，張美琴，盛剛，等. 繼電器控制的爬桿機(jī)器人[J]. 機(jī)電工程，2005，22（9）: 1-4.
[12] H.Hosokai，F(xiàn).Hara，Y. Uehild，etal. Mechanism and Control of Mobile Pipeline Maintenance Robot with Lazy Tongs Mechanism[C]. Proceedings of the 1995 Intemational Conference on Robotics and Automation，JaPan，1995：851-856.
[13] 丁彩紅，趙增梁，李恩光. 爬桿機(jī)械手的原理性設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械與電子，2001. （6）1-3.
[14] 馬光. 仿生機(jī)器人的研究進(jìn)展[J]. 機(jī)器人, 2001，23（5）：463-466.
[15] 王軍，任工昌，鄭甲紅. 管外爬桿機(jī)器人抓緊裝置[P]. 中國(guó)專利200420041989.2.
[16] 劉桂珍，王懷奧，王立權(quán). 高空爬行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，25（5）：2-4.
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：
爬桿機(jī)器人的使用將大大降低高層桿狀建筑的清洗檢查維修成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。這種機(jī)器人的研制必將具有很大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。本課題旨在研發(fā)一種新型的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)適用、價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)便的適用于路燈桿等桿狀城市設(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)中存在的影響市容的公共設(shè)施的清洗、維護(hù)問(wèn)題。該機(jī)構(gòu)要能保證良好的運(yùn)行效果，低耗能高效率，綠色環(huán)保，節(jié)省人力物力。
從上述看來(lái)所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)應(yīng)該能夠完成在圓柱狀物體表面的爬升運(yùn)動(dòng)，該圓柱體狀物體的直徑在10—30cm之間。欲使機(jī)器人在圓柱狀物體上自由地上下移動(dòng)，必須具備兩種功能：貼附功能與移動(dòng)功能。貼附方式有吸附式和夾持式兩種，移動(dòng)方式有輪式、履帶式、腿式及蠕動(dòng)式四種。這些不同的方式可以進(jìn)行多種組合，構(gòu)成多種風(fēng)格的機(jī)器人。
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。通過(guò)比較各種方案，本課題設(shè)計(jì)使用夾持式的蠕動(dòng)爬行結(jié)構(gòu)形式，該方案能基本滿足我們?cè)O(shè)定的工作狀況，可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)方向上任意長(zhǎng)的距離提升重物，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。爬升靠氣缸來(lái)完成，夾緊運(yùn)動(dòng)采用螺旋傳動(dòng)完成。
設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電機(jī)的選擇與計(jì)算，齒輪傳動(dòng)部分的計(jì)算與校核，螺旋傳動(dòng)部分的計(jì)算與校核，軸承副的選擇與計(jì)算，連接件的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算，氣缸的選型計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算好各個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸大小及型號(hào)之后，使用Proe完成三維圖的設(shè)計(jì)繪制工作。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)：
2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見(jiàn)：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 II 頁(yè) 共 Ⅱ 頁(yè)
目 錄
第一章 緒論……………………………………………………………………………………1
1.1 論文研究的目的和意義 ………………………………………………………………1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題……………………………………………………2
1.2.1 機(jī)器人的分類…………………………………………………………………………2
1.2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀………………………………………………………………………3
1.2.3 目前主要存在的問(wèn)題 ………………………………………………………………4
1.3 本論文的研究工作………………………………………………………………………4
1.4 本章小結(jié) …………………………………………………………………………………7
第二章 爬桿機(jī)器人仿生結(jié)構(gòu)分析研究 …………………………………………………6
2.1 仿生機(jī)器人概述…………………………………………………………………………6
2.2 整體結(jié)構(gòu)分析……………………………………………………………………………7
2.2.1 貼附功能分析 ………………………………………………………………………7
2.2.2 移動(dòng)功能分析 ………………………………………………………………………9
2.3 本章小結(jié)…………………………………………………………………………………10
第三章 爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)……………………………………………………11
3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) …………………………………………………………………………11
3.2 夾緊裝置分析研究……………………………………………………………………11
3.3 爬升動(dòng)力系統(tǒng)分析研究………………………………………………………………11
3.4 爬桿機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理…………………………………………………………………12
3.5 本章小結(jié)…………………………………………………………………………………13
第四章 主體尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)校核………………………………………………………14
4.1 爬桿機(jī)器人各零部件的尺寸估算設(shè)計(jì)……………………………………………14
4.2 滑動(dòng)螺旋絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核……………………………………………18
4.2.1 傳動(dòng)螺紋類型的選擇………………………………………………………………19
4.2.2 絲杠耐磨性計(jì)算及選材……………………………………………………………19
4.2.3 絲杠校核驗(yàn)算 ………………………………………………………………………19
4.3 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) …………………………………………………………………………21
4.3.1 齒輪類型、精度、材料及齒數(shù)的選定…………………………………………21
4.3.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) ………………………………………………………21
4.3.3 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 …………………………………………………23
4.3.4 幾何尺寸計(jì)算 ………………………………………………………………………25
4.4 軸承的選用……………………………………………………………………………25
4.4.1 直線軸承介紹………………………………………………………………………25
4.4.2 直線軸承的選用……………………………………………………………………26
4.5 聯(lián)軸器的選擇…………………………………………………………………………26
4.6 本章小結(jié) ………………………………………………………………………………28
結(jié)論………………………………………………………………………………………………29
致謝………………………………………………………………………………………………30
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………………31
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?；瘜W(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
機(jī)器人的種類多種多樣，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類:工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人或者分為兩類: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。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，其周圍形成真空，吸附在壁面上
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，使周圍形成真空，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：滑動(dòng)螺旋，滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋?；瑒?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的設(shè)備，嚙合傳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲。
4.3.1 選定齒輪類型、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)
[1] 蔣新松. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M]. 遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.
[2] 王園宇，武利生，李元宗. 壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)淺析[J]. 引進(jìn)與咨詢，2002，18（4）：3-4.
[3] 邵浩. 壁面清洗爬壁機(jī)器人. 中國(guó)第五屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.
[4] Elkmann N，F(xiàn)elsch T，Sack M，et al. Modular climbing robot for service-sector [J]. Industrial Robot，1999，26（6）：460-465.
[5] TohruMIYAKE，Hidenori ISHIHARA. Mechanisms and Basic Properties of Window Cleaning Robot[C]. Proceedings of the 2003 IEEUASME International Conference on Advanced Intel-ligent Mechatronics（AIM2003）：1372-1377.
[6] 趙興飛，周憶，石崇輝. 氣驅(qū)爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)與計(jì)算[J]. 機(jī)床與液壓，2003.（3）：1-3.
[7] 趙松年. 現(xiàn)代機(jī)械創(chuàng)新產(chǎn)品分析與設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.
[8] 吳功平，肖曉暉，郭應(yīng)龍. 架空高壓輸電線自動(dòng)爬行機(jī)器人的研制[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2006，17（3）：1-4.
[9] 徐生，張立彬，楊慶華，等. 氣動(dòng)蠕動(dòng)爬桿機(jī)器人[J]. 機(jī)械工程師，2004. （3）：2-3.
[10] 楊存智. 爬桿(繩)機(jī)器人的研制[J]. 機(jī)電一體化，2003，（4）：l-3.
[11] 陳俊龍，張美琴，盛剛，等. 繼電器控制的爬桿機(jī)器人[J]. 機(jī)電工程，2005，22（9）： 1-4.
[12] H.Hosokai，F(xiàn).Hara，Y. Uehild，etal. Mechanism and Control of Mobile Pipeline Maintenance Robot with Lazy Tongs Mechanism[C]. Proceedings of the 1995 Intemational Conference on Robotics and Automation，JaPan，1995：851-856.
[13] 丁彩紅，趙增梁，李恩光. 爬桿機(jī)械手的原理性設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械與電子，2001. （6）1-3.
[14] 馬光. 仿生機(jī)器人的研究進(jìn)展[J]. 機(jī)器人， 2001，23（5）： 463-466.
[15] 王軍，任工昌，鄭甲紅. 管外爬桿機(jī)器人抓緊裝置[P]. 中國(guó)專利200420041989.2.
[16] 劉桂珍，王懷奧，王立權(quán). 高空爬行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，25（5）：2-4.
[17] 張秀麗，鄭浩峻，陳懇，等. 機(jī)器人仿生學(xué)研究綜述[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與電子，2002，24（3）：188-192.
[18] 鄒慧君編. 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，1994.
[19] 許宏巖，付宜利，王樹(shù)國(guó)，等. 仿生機(jī)器人的研究[J]. 機(jī)器人. 2004，26（3）：1-4.
[20] 張國(guó)平，楊杰，高姑宇.爬壁機(jī)器人真空吸附及運(yùn)動(dòng)方式探討[J]. 液壓氣動(dòng)與密封， 2007, 13（1）：1-3.
[21] 王炎. 噴砂噴漆用履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人[J]. 機(jī)器人（增刊），1996：18-22.
[22] 王朝陽(yáng).高層建筑外墻清潔涂裝壁面爬行機(jī)器人研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué). 2007. 6：24-32.
[23] 申永勝主編. 機(jī)械原理教程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社，1998.
[24] 王曉光，陳明森，張青. 立柱清洗機(jī)器人[P]. 中國(guó)專利： ZL85100748，1986-09-24.