真空吸盤式獨(dú)立行走爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)

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。本文在簡單介紹爬壁機(jī)器人的國內(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)簡單；采用真空吸盤吸附方式，設(shè)計(jì)一個(gè)月牙形的真空艙，

2、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AbstractAbstractIn recent years, with the development of society, more and more floors, with glass curtain wall building more and more to

3、 avoid cleaning a very important issue, most of the traditional way of artificial, or a cable from the top of the building will be used under 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 to the

4、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 terms, focus

5、ing 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-shapedvacuum chamber, the completion of the

6、 mechanical structure of robot vacuum suction of the adsorption and emission control, to avoid each a 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 robot walk, use a

7、worm gear reducer; use of ground power the ground to provide negative pressure means; robot can walk straight horizontal or vertical surface.Keywords:目錄目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 第一章緒論 4 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 本課題的研究背景 4 HYPERLINK l bookmark10 o Curre

8、nt Document 國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 5 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢 6 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 壁面自動(dòng)清洗機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向 7 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 設(shè)計(jì)內(nèi)容 8 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 第二章軟件介紹 9 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 第三章爬壁機(jī)器

9、人的設(shè)計(jì)方案 13 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 爬壁機(jī)器人的工作過程 13 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 爬壁機(jī)器人的基本功能 13 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì) 14爬壁機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu) 15移動(dòng)裝置和吸附裝置的設(shè)計(jì) 15減速裝置及傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 19聯(lián)軸器和軸承選擇 24爬壁機(jī)器人機(jī)體建模 24 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 爬壁機(jī)器人PROB1動(dòng)仿真 25

10、 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 第四章結(jié)論 27參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤！未定義書簽。29, ,Kx致謝爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)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。爬壁機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)分支，主要運(yùn)用于壁面和頂部內(nèi)部進(jìn)行清洗、消 防、檢修等移動(dòng)作業(yè)，現(xiàn)代社會(huì)中，在許多場合實(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)國民經(jīng)濟(jì)的

11、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?投入作業(yè)現(xiàn)場作業(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等。爬壁機(jī)器人必須具有兩個(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。本課題的研究背景近年來，我國城市面貌發(fā)生了翻

12、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開 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)工作的勞動(dòng)力，同時(shí)可以做到對(duì)高大建第二章軟件介紹筑物的墻壁的自動(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

13、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。國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀爬壁機(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，早在 1966年，就 有人設(shè)計(jì)出了一臺(tái)簡單的原理樣機(jī)：是在日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部任講師的西亮， 利

14、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，日本所取得的成績最為突出，美國、英國、意大利等多個(gè)國家也取得了不小 的成就；在國內(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)、長春光機(jī)所、上海大學(xué)等， 他們?yōu)閲鴥?nèi)爬壁機(jī)器人的研究做出了重要貢獻(xiàn)，到目前為止，國內(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?？?/p>

15、技博物館的 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：真空吸附和磁吸附。真空吸附方式致謝爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)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

16、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螅也?需要考慮斷電的可能性，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。

17、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

18、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)。止匕外，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)控制較為簡單20國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢驅(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)展趨勢歸結(jié)第二章軟件介紹起來主要有以下幾方面。(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

19、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。(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。(3)小型化、微型化是當(dāng)前爬壁機(jī)器人發(fā)展的趨勢。 在滿足功能要求的前提下 體積小、質(zhì)量輕的機(jī)器人可

20、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。(5)由簡單遠(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。(

21、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20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)器人已成為國內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。國外在這方面比較 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、美國國際機(jī)器人技致謝爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)術(shù)公司、英國樸茨茅斯理工學(xué)院等，國內(nèi)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。目前國內(nèi)外開發(fā)出的壁面自

22、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)椋?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。.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。.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。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500

23、mm 400mrK 100mm勺長方體四輪小車，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PRO軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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

24、墻壁上上下行走即可，不要求轉(zhuǎn)彎。第二章軟件介紹第二章軟件介紹本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，是基于軟件PROE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仿真功能 對(duì)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

25、。10多年來，經(jīng)歷20余次的改版，已成為全世界及中國 地區(qū)最普及的3D CAD/CAM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

26、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 CADJ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。10致謝爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)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)

27、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，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 CA CA CAMi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

28、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

29、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)測量指定部分的11第二章軟件介紹各種參數(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3Dt件動(dòng)態(tài)連接, 因此當(dāng)用戶修改生成視圖的3DK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

30、維護(hù)的時(shí)間。3)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中對(duì)PROE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7012致謝爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)13第三章爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案第三章爬壁機(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。爬壁機(jī)器人的工作過程本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任

31、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。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

32、為0. 15m/s左右。爬壁機(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：錯(cuò)誤！未找到引用源。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錯(cuò)誤！未找到引用源。，Ni為吸盤的吸附力，Ni=Ap-S,其中S為吸盤 的吸附面積14致謝爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)錯(cuò)誤！未找到引用源。為吸盤內(nèi)外壓力差A(yù)p=7X錯(cuò)誤！未找到引用源。Pa （來自于真空泵銘牌），g為 重力加速度，取g=9. 8m/錯(cuò)誤！未找到引用源。，N是吸盤橡膠與玻璃幕墻之間的摩擦系數(shù)，取=0.4 （玻璃帚墻不是干凈的，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

33、式的爬壁機(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：錯(cuò)誤！未找到引用源。錯(cuò)誤！未找到引用源。將已知數(shù)據(jù)代入解得：錯(cuò)誤！未找到引用源。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δ苤?一。在

34、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PRO歐件，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。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)器人外形就如玩具小車，后輪驅(qū)動(dòng)四輪式，只是輪

35、子上第三章爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案15帶了真空吸盤，形體約為500mrK 400m佛100mm勺長方體，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。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。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，不宜轉(zhuǎn)彎；腳步行式 是通過

36、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。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 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特點(diǎn)，但當(dāng)壁面凸凹不平時(shí)容易使吸

37、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。16致謝爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)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!空吸盤， 見圖3.1。該產(chǎn)品的優(yōu)勢：國內(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只直徑

38、80mmi勺真空吸盤。24個(gè)吸盤每12個(gè)為一排，每兩個(gè)吸盤 之間相隔30度，輪子上的兩排吸盤每兩個(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)吸盤通過圖3.1真空吸盤實(shí)物圖圖3.2真空泵實(shí)物圖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5017第三章爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案圖3.3機(jī)器人輪子與吸盤模型該爬壁機(jī)器人的最大特點(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)

39、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 o

40、18致謝爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)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)?低機(jī)器人的使用壽命。真空室離月牙盤為2c成 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，而每兩個(gè)吸盤接到輪盤上的接口相差15度，的所以圓心角第三章爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案1

41、9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。見圖圖3.4 月牙形真空艙圖3.5氣體分配盤及輪轂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

42、比較大，那么如果采用別的材料，一樣有一定的可行度。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。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/s o20致謝爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)圖3.7測試泡沫移動(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)、

43、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，簡單易行，在技術(shù)方面的要求低于前面兩種方式，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9021第三章爬壁機(jī)器人的

44、設(shè)計(jì)方案圖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) 網(wǎng)。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)， 下面是直流電動(dòng)機(jī)的選擇過程：(1)確定電動(dòng)機(jī)的功率電動(dòng)機(jī)所需的工作

45、功率按下式可求得：錯(cuò)誤！未找到引用源。；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，效率分別為錯(cuò)誤！未找到引用源。=0.99,錯(cuò)誤！未找到引用源。=0.4, 錯(cuò)誤！未找到引用源。=0.98,而W二四曲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22致謝爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)錯(cuò)誤！未找到引用源。其中，S,錯(cuò)誤！未找到引用源。，錯(cuò)誤！未找到引用源。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 錯(cuò)誤！未找到引用源。(2)確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速已知，機(jī)器人以v=0.15m/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

46、為2cm,可以得到連接輪子的軸的轉(zhuǎn)速 n。錯(cuò)誤！未找到引用源。錯(cuò)誤！未找到引用源。 ；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。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0第三章爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案23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580,零件數(shù)目少，可以保證結(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

47、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)，冉交合齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 40J京網(wǎng)式后尸、%(1)其中錯(cuò)誤！未找到引用源。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：錯(cuò)誤！未找到引用源。(2) K為載荷系數(shù)，與工作載荷的性質(zhì)有關(guān)； 錯(cuò)誤！未找到引用源。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)；錯(cuò)誤！未找到引用源。為接觸系數(shù)，與蝸桿的直徑和蝸輪蝸桿的傳動(dòng)中心距 錯(cuò)誤！未找到引用源。錯(cuò)誤！未找 到引用源。有關(guān)；錯(cuò)誤！未找到引用源。 bH 為材料的許用接觸應(yīng)力自然

48、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)成蝸桿和渦輪的分度圓直徑等。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。考慮到爬壁機(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PRO歌件畫出所選擇的聯(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50

49、24圖3.9深溝球軸承致謝爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)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

50、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。第三章爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案25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: 126致謝爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)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