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檢測(cè)用攀行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué) 生:
指導(dǎo)老師:
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,長(zhǎng)沙410128)
摘 要:本文介紹了檢測(cè)用攀行機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。檢測(cè)用攀行機(jī)器人主要由吸附機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)及檢測(cè)裝置構(gòu)成，本文重點(diǎn)介紹吸附機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要內(nèi)容包括：吸附機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的分析及確定，機(jī)械結(jié)構(gòu)中各功能部件的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其安裝方式的確定，重要零部件的強(qiáng)度校核等。
關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)方案；強(qiáng)度校核；吸附機(jī)構(gòu)；移動(dòng)機(jī)構(gòu)
The Design of Detection Using Climbing Robot Structure
Student:PengYuanzhuo
Tutor：MoYawu
(College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)
Abstract: The design of the main structure of the detection using climbing robot was introduced in this article. Line detection using climbing robot is mainly composed of adsorption mechanism, mobile mechanism and a detection device, this article focuses on mobile mechanism, adsorption mechanism and the main content includes: adsorption mechanism, mobile mechanism analysis and determine the design scheme, the mechanical structure of each functional unit in the design, the determination of drive motor and its installation method, the strength of the important parts for check, etc.
Key words:Function parts;Intensity compute; adsorption mechanism; travel mechanism
1 前言
機(jī)器人是傳統(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。長(zhǎng)期以來(lái)，人們就向往能在垂直陡壁上攀行，由于在垂直陡壁上作業(yè)是非常困難和危險(xiǎn)的，超越了人的能力極限，所以在國(guó)外稱(chēng)此類(lèi)機(jī)器人為極限作業(yè)機(jī)器人。壁面攀行機(jī)器人可用來(lái)代替人工進(jìn)行一些危險(xiǎn)操作，進(jìn)行各種儲(chǔ)存有毒有害介質(zhì)的儲(chǔ)存罐以及高層鋼結(jié)構(gòu)建筑物表面的檢測(cè)工作。其中包括核工業(yè)和城市石化工業(yè)球形儲(chǔ)液罐的視覺(jué)檢查、超聲側(cè)厚和焊縫探傷等作業(yè)。[1]
攀行檢測(cè)機(jī)器人有著很大應(yīng)用前景，它一經(jīng)問(wèn)世就受到了各方的重視。1966年日本首次研制成功壁面移動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人樣機(jī)，并在大阪府立大學(xué)表演成功，這是一種依靠負(fù)壓吸附的攀行機(jī)器人。日立制造所研制了履帶式磁吸附檢查機(jī)器人，帶有超聲檢測(cè)裝置。由于采用了負(fù)荷分散機(jī)構(gòu)，它能夠適應(yīng)各種凹凸不平的曲面和棚頂。到80年代末期，各類(lèi)攀行機(jī)器人已經(jīng)開(kāi)始在生產(chǎn)中應(yīng)用。英國(guó)在攀行機(jī)器人領(lǐng)域也取得許多成果。90年代初RTD公司推出了輪式磁吸附爬壁機(jī)器人(取名Beetle)，已作為商品銷(xiāo)售。最高爬行速度達(dá)每分種12米，可以自動(dòng)記錄每隔一定距離的壁厚。我國(guó)自90年代以來(lái)，有許多單位根據(jù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要，研制成功各種類(lèi)型與功能的攀行機(jī)器人。上海交通大學(xué)研制成功測(cè)量大罐容積的磁吸附攀行檢測(cè)機(jī)器人。哈爾濱理工大學(xué)研制成功測(cè)量大罐漆膜厚度的履帶復(fù)合式攀行機(jī)器人。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究所在“863計(jì)劃”支持下，于1994年研制成功核工業(yè)用的壁面攀行遙控檢查機(jī)器人。
本論文主要研究以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:1、檢測(cè)用攀行機(jī)械人總體方案的確定：機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化裝置，必須采用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，對(duì)機(jī)器人各功能模塊進(jìn)行合理劃分。首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求從理論上分析工作狀況，然后提出設(shè)計(jì)思路，包括傳動(dòng)方式、控制方式等，整體規(guī)劃攀行檢測(cè)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)，從而選定最優(yōu)方案；2、檢測(cè)用攀行機(jī)器人前進(jìn)機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)：怎樣把步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力傳遞給機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)，是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)方面，本文結(jié)合作業(yè)中的實(shí)際要求，采用直線導(dǎo)軌作為傳動(dòng)元件通過(guò)齒條和齒輪的嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)；3、檢測(cè)用攀行機(jī)器人回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)：要實(shí)現(xiàn)在攀行過(guò)程中行進(jìn)方向的轉(zhuǎn)換，考慮機(jī)器人料的形狀和質(zhì)量，采用在機(jī)器人機(jī)身中間安裝三角電磁吸盤(pán)吸附，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)身的整體回轉(zhuǎn)，從而改變機(jī)器人的行進(jìn)方向；檢測(cè)用攀行機(jī)器人電磁腳方案的設(shè)計(jì)：為了使機(jī)器人能夠在鋼結(jié)構(gòu)上自由行走，在機(jī)器人的腳部安裝七個(gè)微盤(pán)組合是電磁吸盤(pán)，在機(jī)器人的前后各安裝兩個(gè)電磁腳，機(jī)身中間安裝一個(gè)三角式電磁腳，這樣可以保證機(jī)器人的行進(jìn)穩(wěn)定，并可在有溝槽或不平整的鋼結(jié)構(gòu)壁面上吸附并行走。
2 檢測(cè)用攀行機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求
由于攀行表面各不相同，工作條件不同，導(dǎo)致攀行機(jī)器人結(jié)構(gòu)特別是吸附機(jī)構(gòu)的差異。本文主要研究鋼結(jié)構(gòu)表面攀行的機(jī)器人。隨著社會(huì)城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑物也越來(lái)越多，為了檢測(cè)建筑物的表面工作是否存在安全隱患，人類(lèi)必須要進(jìn)行高空作業(yè)，但是高空作業(yè)難度系數(shù)高，危險(xiǎn)性大，為了保障高空作業(yè)的安全性，人們不斷研究能夠進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用的攀行機(jī)器人來(lái)代替人類(lèi)進(jìn)行高空作業(yè)。
檢測(cè)用攀行機(jī)器人要求能夠沿著鋼結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行攀行，在攀行過(guò)程中，完成對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑物表面的檢測(cè)工作，機(jī)器人通過(guò)機(jī)身中間的一只三足電磁腳先吸附在建筑物表面上，然后依靠步進(jìn)電機(jī)將機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)整體前移，再將安裝在前進(jìn)裝置上的兩對(duì)電磁腳降下來(lái)吸附在建筑物表面上，再將機(jī)身中間的三足電磁腳提升通過(guò)步進(jìn)電機(jī)將機(jī)身前移，這樣便完成了機(jī)器人的攀行動(dòng)作。機(jī)器人是通過(guò)電磁腳的交替運(yùn)作來(lái)實(shí)現(xiàn)整體伸縮前進(jìn)的。該機(jī)器人采用腿式交替伸縮的運(yùn)動(dòng)模式，可以提高其環(huán)境適應(yīng)能力和越障能力，并且比履帶式運(yùn)動(dòng)模式和三足旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)模式具有良好的穩(wěn)定性。
2.2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文的攀行機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是多足檢測(cè)攀行機(jī)器人，即攀行機(jī)器人的腿要多于兩條腿。對(duì)于攀行機(jī)器人來(lái)說(shuō)穩(wěn)定性是主要問(wèn)題，需要考慮它的靜穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性。靜態(tài)穩(wěn)定性只考慮在支撐位形下重力的作用，而動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性需要考慮重力和慣性力的共同作用。直觀上講，靜態(tài)穩(wěn)定性需要更多的接觸點(diǎn)，也就是比動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性需要更多的腿。跳躍機(jī)器人和兩腿步行機(jī)器人是步行機(jī)器人中依靠動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的例子。為了穩(wěn)定時(shí)平衡，行走機(jī)器人需要具有運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，以提供平衡機(jī)器人重力的地面反作用力。兩
圖1 機(jī)身 圖2 前進(jìn)機(jī)構(gòu)
Fig.1 Frame Fig.2 Forward gear
腿機(jī)器人沒(méi)有靜態(tài)平衡能力，因?yàn)橐粭l腿在轉(zhuǎn)移時(shí)，身體只剩下一個(gè)接觸點(diǎn)，不能提供保持平衡所須的力。所以在運(yùn)動(dòng)時(shí)，最少要求用三條腿來(lái)保持穩(wěn)定。所以在機(jī)器人的機(jī)身中間設(shè)計(jì)了一個(gè)三足吸盤(pán)[2]。維持靜平衡一般四條腿，所以在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在機(jī)器人的前后兩端各安裝了兩只電磁腳，用來(lái)保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。
如圖1所示，機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)框架采用鋁板制作，即采用一塊長(zhǎng)540mm×寬275mm×高170mm的一塊鋁合金板作為機(jī)器人的機(jī)身，并制作成一個(gè)框架。電機(jī)安裝在機(jī)器人的機(jī)身中間。機(jī)器人框架上端面三個(gè)Φ8的孔是用來(lái)安裝三個(gè)齒輪軸的，一個(gè)Φ70的孔是用來(lái)安裝機(jī)器人的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，一個(gè)Φ50的孔是用來(lái)安裝步進(jìn)電機(jī)的，在安裝的時(shí)候要保證各齒輪之間是相互嚙合的。框架的中間是空的，這樣既節(jié)省了材料又減輕了機(jī)器人本身的重量。在機(jī)身框架中安裝兩根導(dǎo)軌，用來(lái)保證安裝在機(jī)身中間的機(jī)器人前進(jìn)機(jī)構(gòu)可以自由伸縮，并能達(dá)到機(jī)器人的前進(jìn)的行程要求。
圖3 總體布局
Fig.3 The overall layout
圖2是機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。前進(jìn)機(jī)構(gòu)前后兩個(gè)Φ70的圓孔用來(lái)安裝機(jī)器人的升降機(jī)構(gòu)，并在升降機(jī)構(gòu)的下邊分別安裝兩個(gè)電磁腳，這樣便保證了機(jī)器人的穩(wěn)定性。前進(jìn)機(jī)構(gòu)總長(zhǎng)800mm，寬175mm，中間是空的，在中間的兩個(gè)薄板的內(nèi)壁上分別安裝兩個(gè)齒條，用來(lái)和傳動(dòng)齒輪嚙合，這樣就可以使前進(jìn)裝置相對(duì)于機(jī)器人的機(jī)身運(yùn)動(dòng)了。
采用這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是將機(jī)器人分成機(jī)器人的機(jī)身和前進(jìn)機(jī)構(gòu)兩個(gè)，能夠保證機(jī)器人的傳動(dòng)穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)的靈活性，精簡(jiǎn)了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。它的整體布局結(jié)構(gòu)如圖3所示。整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩個(gè)自由度，將運(yùn)動(dòng)分解為兩部分：移動(dòng)部分和回轉(zhuǎn)部分。移動(dòng)部分占一個(gè)自由度，即使機(jī)器人前后的移動(dòng)機(jī)構(gòu)；回轉(zhuǎn)部分占一個(gè)自由度，即控制機(jī)器人方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這兩個(gè)自由度之間沒(méi)有耦合，相互不干擾。
2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
傳動(dòng)裝置的作用主要是將驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)力傳遞給機(jī)器人相應(yīng)的執(zhí)行部件，以實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的運(yùn)動(dòng)。目前常用的傳動(dòng)方式有: 齒輪傳動(dòng)、皮帶輪傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、諧波減速傳動(dòng)以及螺旋傳動(dòng)等。齒輪傳動(dòng)具有效率高、傳動(dòng)比穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛；諧波減速傳動(dòng)具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、能獲得大的傳動(dòng)比等優(yōu)點(diǎn)，但存在扭轉(zhuǎn)剛度較低且傳動(dòng)比不能太小的缺點(diǎn)[3]；皮帶輪傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，但存在彈性滑動(dòng)，使用一段時(shí)間后易松弛，傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中還產(chǎn)生動(dòng)載荷；鏈傳動(dòng)雖然成本低，但鏈傳動(dòng)的制造與安裝精度要求低，不適合用在要求傳遞精度高的機(jī)構(gòu)當(dāng)中，鏈傳動(dòng)在兩根平行軸間職能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能保持恒定的傳動(dòng)比，磨損后易發(fā)生跳齒，工作時(shí)候噪音大，不宜在載荷變化很大和急速反向的傳動(dòng)中應(yīng)用，因此鏈傳動(dòng)常用于傳動(dòng)精度要求不高的場(chǎng)合。
2.3.1 轉(zhuǎn)向部分傳動(dòng)設(shè)計(jì)
圖4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
Fig.4 Steering mechanism
本設(shè)計(jì)采用齒輪傳動(dòng)作為轉(zhuǎn)向部分傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)有：效率高，在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，以齒輪傳動(dòng)效率為最高。如一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)的效率可達(dá)99%。這對(duì)功率的傳遞十分重要，因?yàn)榧词剐手惶岣?%，也有很大的經(jīng)濟(jì)意義；結(jié)構(gòu)緊湊，在同樣的使用條件下，齒輪傳動(dòng)所需的空間尺寸一般較?。还ぷ骺煽?、壽命長(zhǎng)，設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪傳動(dòng)，工作十分可靠，壽命可長(zhǎng)達(dá)一、二十年，這也是其他機(jī)械傳動(dòng)所不能比擬的。這對(duì)機(jī)械傳動(dòng)來(lái)說(shuō)有著很大的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性；傳動(dòng)比穩(wěn)定，傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是對(duì)傳動(dòng)性能的基本要求。齒輪傳動(dòng)獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于具有這一特點(diǎn)。但是齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，不宜用于傳動(dòng)距離大的場(chǎng)合[4]。
綜合齒輪傳動(dòng)的各項(xiàng)特點(diǎn)，齒輪傳動(dòng)能保證攀行機(jī)器人回轉(zhuǎn)精度，且能保證結(jié)構(gòu)緊湊，故選擇齒輪傳動(dòng)作為轉(zhuǎn)向裝置傳動(dòng)方案，如圖4所示
2.3.2 前進(jìn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)
圖5 前進(jìn)機(jī)構(gòu)
Fig.5 forward gear
機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)主要依靠齒輪齒條進(jìn)行動(dòng)力的傳遞。選用齒輪齒條傳遞，主要是考慮機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要求，將齒條安裝固定在前進(jìn)裝置的內(nèi)表面上，這樣便于與齒輪嚙合，傳遞齒輪所傳遞的驅(qū)動(dòng)力，使機(jī)器人前進(jìn)。如圖5所示。
2.3.3 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
升降機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)攀行機(jī)器人底盤(pán)高度，以便于跨越障礙，適應(yīng)復(fù)雜攀行表面。機(jī)器人的升降機(jī)構(gòu)采用的是蝸桿傳動(dòng)，蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯(cuò)的夾角可為任意值，通常用的為90o。這種傳動(dòng)由于具有下述特點(diǎn)：
1）當(dāng)使用單頭蝸桿（相當(dāng)于單線螺紋）時(shí)，蝸桿旋轉(zhuǎn)一周，渦輪只轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，因而能實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比。在動(dòng)力傳動(dòng)中，一般傳動(dòng)比i=5—8；在分度機(jī)構(gòu)或者手動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)中，傳動(dòng)比可達(dá)300；若只傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比可達(dá)1000。由于傳動(dòng)比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)很緊湊；
2）在蝸桿傳動(dòng)中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和渦輪齒是逐漸進(jìn)入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時(shí)嚙合的齒對(duì)較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)穩(wěn)定，噪音低；
3）當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)便具有自鎖性。蝸桿傳動(dòng)與螺旋齒輪傳動(dòng)相似，在嚙合處有相對(duì)滑動(dòng)。當(dāng)滑動(dòng)速度很大，工作條件不夠良好的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的摩擦與磨損，從而引起過(guò)熱，使?jié)櫥闆r惡化。因此摩擦損失較大，效率低[5]。
圖6 蝸桿機(jī)構(gòu)
Fig.6 Worm and worm wheel mechanism
本設(shè)計(jì)采用的是環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，如圖6所示。環(huán)面蝸桿的傳動(dòng)特征是，蝸桿體在軸外的外形是以凹圓弧為母線所形成的旋轉(zhuǎn)曲面[6]。在這種傳動(dòng)的嚙合帶內(nèi)，渦輪的節(jié)圓位于蝸桿的節(jié)弧面上，亦即蝸桿的節(jié)弧沿渦輪的節(jié)圓包著渦輪[7]。在中間平面內(nèi)，蝸桿和渦輪都是直線齒廓。由于同時(shí)相嚙合的齒對(duì)多，而且齒輪的接觸線與蝸桿運(yùn)動(dòng)的方向近似于垂直，這就大大改善了輪齒受力情況和潤(rùn)滑油膜形成的條件，因而承載能力約為阿基米德蝸桿傳動(dòng)的2—4倍，效率一般高達(dá)0.85—0.9；但它需要較高的制造和安裝精度[8]。
2.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)
機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往受到作業(yè)環(huán)境的限制，同時(shí)還要考慮價(jià)格因素的影響以及所能達(dá)到的技術(shù)水平。目前機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)三種形式。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠提供較大的驅(qū)動(dòng)壓力和功率，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可達(dá)到較高的定位精度和剛度，但油路系統(tǒng)復(fù)雜，工作性能受環(huán)境影響較大，移動(dòng)性能差，且易造成泄漏現(xiàn)象，常用于要求提供較大驅(qū)動(dòng)力矩、對(duì)移動(dòng)性能要求差的特大功率機(jī)器人系統(tǒng)中。氣動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速，可在惡劣的環(huán)境中工作，但氣動(dòng)裝置也存在噪聲問(wèn)題，只適用于精度要求不高的點(diǎn)位系統(tǒng)中。電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有精度高、控制準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮各種驅(qū)動(dòng)式的優(yōu)缺點(diǎn)，選用電氣驅(qū)動(dòng)方式[9]。
電氣驅(qū)動(dòng)方式包括普通電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)以及力矩電機(jī)等驅(qū)動(dòng)方式。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量小、動(dòng)態(tài)特性好，由伺服電動(dòng)機(jī)所構(gòu)成的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有運(yùn)行精度高、調(diào)速范圍廣、速度運(yùn)行平滑、具有高可靠性并易于控制等優(yōu)點(diǎn)，交直流伺服電動(dòng)機(jī)己成為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流，直流伺服電動(dòng)機(jī)的電刷易磨損形成電火花，限制了其應(yīng)用范圍。近年來(lái)隨著交流調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是交流伺服電機(jī)必須采用閉環(huán)控制方式，這種復(fù)雜的控制系統(tǒng)造成控制成本大大提高。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，伺服系統(tǒng)的價(jià)格在大幅度降低，可靠性也得到了提高。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種可以直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件，具有控制簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、工作可靠、無(wú)累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)。它能夠直接接受數(shù)字信號(hào)，無(wú)需中間轉(zhuǎn)換，直接輸出的位移量與輸入數(shù)字脈沖量相對(duì)應(yīng)，能實(shí)現(xiàn)直接的數(shù)字控制。步進(jìn)電機(jī)以開(kāi)環(huán)方式工作，可省去伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置中位置檢測(cè)與反饋部分以及A/D, D/A轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使控制成本大大降低。步進(jìn)電機(jī)的位置和速度控制簡(jiǎn)單，具有一定精度，使用與維護(hù)都很方便?？偤弦陨弦蛩?，在本設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)[10]。
3 機(jī)器人參數(shù)計(jì)算
3.1 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)
選用BF系列55BF005型號(hào)臥式步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 電機(jī)參數(shù)
Table1 Motor parameters
相數(shù)
額定電壓/V
靜態(tài)電流/A
步距角
/o
保持轉(zhuǎn)矩/N·m
空載起動(dòng)頻率/P·
外形總長(zhǎng)/mm
3 30 3 3.75/7.5 0.343 16000 70
3.2 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
3.2.1 選擇材料，精度及參數(shù)
大齒輪：45鋼，調(diào)質(zhì)，，取
小齒輪：45鋼，正火，，取
齒數(shù)：
傳動(dòng)比：
選擇精度等級(jí)8級(jí)。
3.2.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由公式 （1）
試選載荷系數(shù)Kt=1.3
計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
（2）
查表取齒寬系數(shù)=1
查得材料的彈性影響系數(shù)
按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；
計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（3）
（4）
查得接觸疲勞壽命系數(shù)
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1 則
（5）
（6）
計(jì)算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
=48.546mm
計(jì)算圓周速度V
計(jì)算齒寬b
（7）
計(jì)算齒寬及齒高之比b/h
模數(shù)
齒高
計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)V=2.96m/s,精度等級(jí)8級(jí),由圖查得,直齒輪,假設(shè),由表查得,由表查得使用系數(shù),由表查得8級(jí)精度,小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱(chēng)布置時(shí):
將數(shù)據(jù)代入則
由=9.78, 查圖得,故載荷系數(shù)
（8）
按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑()
計(jì)算模數(shù)m
3.2.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由圖查得小齒輪的彎曲疲勞極限
大齒輪的彎曲疲勞極限
查圖得彎曲疲勞壽命系數(shù),
計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力,取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,則
計(jì)算載荷系數(shù)K
查取齒形系數(shù)
由表查得
查取應(yīng)力校正系數(shù)
由表查得
計(jì)算大小齒輪的并加以比較
由此可見(jiàn)小齒輪的數(shù)值大
（9）
可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)2.116mm，并就圓整為標(biāo)準(zhǔn)值2.5mm按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù):
大齒輪齒數(shù):
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度[11]。
計(jì)算分度圓直徑:
計(jì)算中心距:
mm （10）
計(jì)算齒輪寬度:
齒寬取 （11）
齒根高: （12）
齒全高: （13）
驗(yàn)算
故滿足要求。
3.3 軸的設(shè)計(jì)
圖7 軸
Fig.7 axis
求輸出軸上的功率P,轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T
初步確定軸的最小直徑
選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)表查取，于是得
(14)
軸的尺寸
如圖7所示，左軸承與齒輪左端面之間用端蓋定位,因軸承主要承受徑向載荷的作用，故選用深溝球軸承。根據(jù)，由軸承產(chǎn)品，目錄中初步選0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)選用深溝球軸承626，其尺寸為。選用深溝球軸承628，其尺寸為
； ； ; 。
3.4 連接件的選取
攀行機(jī)器人上的零件緊固一般采用螺紋緊固、焊接和鉚接等[12]，其連接的具體情況如下：
3.4.1 螺栓連接
這種連接是在被連接件上開(kāi)通孔插入螺栓后在螺栓的另一端擰上螺母。這種連接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在被連接件的通孔和螺栓間留有間隙，通孔的加工精度要求低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，使用時(shí)不受被連接件的限制，因此應(yīng)用很廣，該連接的缺點(diǎn)是連接精度低，容易松脫[13]。
3.4.2 螺釘連接
這種連接的特點(diǎn)是螺栓直接擰進(jìn)被連接件的螺紋孔中而不用螺母，在結(jié)構(gòu)上比雙頭螺栓聯(lián)結(jié)簡(jiǎn)單緊湊。其用途和雙頭螺栓相似，但經(jīng)常拆裝時(shí)，易使螺紋孔磨損，可能導(dǎo)致被連接件報(bào)廢，故多用于受力不大，或不需要經(jīng)常拆裝的場(chǎng)合[14]。
3.4.3 鉚接
用于機(jī)器人的連接部位不需要拆除或不便于鉆大孔處的連接，如機(jī)器人方形桿之間的連接[15]。
3.4.4 焊接
機(jī)器人底盤(pán)加固梁和承受載荷較大的部分采用焊接[15]。
3.5 機(jī)身結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)
機(jī)身壁厚：
頂蓋壁厚：
固定步進(jìn)電機(jī)螺釘數(shù)目：n=4
端蓋和電磁鐵固定用螺栓直徑：
3.6 密封和潤(rùn)滑
齒輪的潤(rùn)滑采用油潤(rùn)滑，軸的潤(rùn)滑采用脂潤(rùn)滑。
在各個(gè)軸承端蓋定位蓋處安裝0型密封圈密封。
在輸入和輸出軸的軸承端蓋處設(shè)置環(huán)形槽，用墊圈密封。
4 零件校核
4.1 軸的校核
齒輪與軸的周向定位用平鍵連接。按查得平鍵截面尺寸，鍵槽用鍵槽銑刀加工。為保證齒輪與軸有良好的對(duì)中性，故選輪轂與軸的配合為，倒角為。
4.1.1 水平面內(nèi)的受力
選用的是628型深溝球軸承，a=26.5mm。
=11.5mm
mm
mm
=11.5mm
mm
mm
mm
各個(gè)力對(duì)A點(diǎn)取矩,則求得
豎直方向合力求得
B點(diǎn)的彎矩mm
4.1.2 彎矩圖與扭矩圖
圖8 受力分析
Fig.8 Stress analysis
由總彎矩圖和扭矩圖可知,截面B受力最大,故截面B處為危險(xiǎn)截面。如圖8所示。
4.1.3 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
校核軸上的承受最大彎矩和扭拒的截面B的強(qiáng)度，取α=0.6，則軸的計(jì)算應(yīng)力
（15）
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，則,故,軸的強(qiáng)度符合要求。
4.1.4 軸承壽命計(jì)算
圓錐滾子軸承32911的額定動(dòng)載荷為66.8KN,圓錐滾子軸承32912的額定動(dòng)載荷為73.0KN，則
（16）
4.2 鍵的校核
4.2.1 軸上鍵的校核
鍵
，則
（17）
根據(jù)材料查得，所以，滿足要求。
4.2.2 步進(jìn)電機(jī)軸上鍵的校核
鍵GB/T1095-2003
， ，
，則，根據(jù)材料查得所以，滿足要求。
5 電磁腳的設(shè)計(jì)
此機(jī)器人為檢測(cè)用攀行機(jī)器人，且針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的攀行，故可考慮使用真空吸盤(pán)或電磁吸盤(pán)。若采用真空吸盤(pán)，則需采用空氣壓縮機(jī)及氣壓管路元件，設(shè)備要求高，成本高，達(dá)到吸附穩(wěn)定的要求難度大。若用電磁吸盤(pán)，采用電磁鐵控制，則需采用電源控制電磁鐵的通斷，結(jié)構(gòu)和控制都較真空吸盤(pán)簡(jiǎn)單，故本機(jī)器人采用電磁吸盤(pán)。
機(jī)器人的電磁腳是由吸盤(pán)、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及電源等部分組成，其中主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是其關(guān)鍵技術(shù)。電磁腳的基本尺寸為，腳的直徑Φ72mm，高度42mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有鐵心、腳底、隔磁環(huán)、磁盤(pán)、卡環(huán)、線圈、軸承、擋圈和球形環(huán)節(jié)等。電磁腳由螺釘固定在升降結(jié)構(gòu)的連桿上，這樣就可以保證在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪齒條運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器人的電磁腳便可以實(shí)現(xiàn)升降工作。最高可以抬升60mm，這樣便能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的跨越障礙能力，保證了機(jī)器人攀行的順利。如圖9所示。
圖9 電磁腳
Fig.9 Electromagnetic feet
6 機(jī)器人檢測(cè)裝置分析
本設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人設(shè)計(jì)，檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)，現(xiàn)代的檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)十分發(fā)達(dá)了，種類(lèi)也十分繁多，但是要將這些技術(shù)用于機(jī)器人身上，就需要在機(jī)器人身上安裝傳感器。為了方便設(shè)計(jì)并且也能達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)表面的檢測(cè)要求，最直接的方法就是在機(jī)器人的前端安裝一個(gè)微型攝像頭，并將鋼結(jié)構(gòu)表面的狀況通過(guò)傳感器反饋回來(lái)。但由于安裝攝像頭只能看到一些表面的現(xiàn)象，對(duì)內(nèi)部缺陷還不能作出具體的判斷，這就需要安裝傳感器來(lái)完成，本設(shè)計(jì)選用電渦流式傳感器。
6.1 電渦流傳感器
塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流在導(dǎo)體內(nèi)是閉合的，稱(chēng)為渦流。 渦流的大小與金屬體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度t、線圈與金屬體的距離X以及線圈的激勵(lì)電流頻率f等參數(shù)有關(guān)。固定其中若干參數(shù)，就能按渦流大小測(cè)量出另外一些參數(shù)。
渦流傳感器的特點(diǎn)是對(duì)位移、厚度、材料缺陷等實(shí)現(xiàn)非接觸式連續(xù)測(cè)量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，工業(yè)應(yīng)用廣泛。渦流傳感器在金屬體內(nèi)產(chǎn)生渦流，其滲透厚度與傳感器線圈的激勵(lì)電流的頻率高低有關(guān)。所以渦流傳感器分為高頻反射式和低頻透射式兩類(lèi)。
6.2 高頻反射電渦流傳感器
渦流傳感器的工作原理如圖10所示。高頻信號(hào)加在電感線圈L上，L產(chǎn)生同頻率的高頻磁場(chǎng)Φ作用于金屬表面，由于趨膚效應(yīng)，高頻電磁場(chǎng)在金屬板表面感應(yīng)出渦流i，渦流產(chǎn)生的反磁場(chǎng)Φ反作用于Φ，使線圈的電感和電阻發(fā)生變化，從而使線圈阻抗變化。傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為
Z = F（ρ，μ，γ，f，x）
由于渦流效應(yīng)，金屬板電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、線圈半徑r、線圈激勵(lì)頻率f以及線圈與金屬板距離x的變化均會(huì)引起線圈阻抗Z的變化。如果ρ，μ，γ，f參數(shù)已定，Z成為線圈與金屬板距離x的單值函數(shù)，由Z可求出x。
圖10 渦流傳感器原理
Fig.10 Principle of eddy current sensor
7 控制分析
機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的向上攀爬的動(dòng)作，需要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作分別是中心電磁腳的吸合，前腳的抬起，前腳的前伸，前腳的下放吸合等。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向動(dòng)作，需要執(zhí)行的動(dòng)作分別是中心電磁腳的吸合，前后腳抬起，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向，前后腳的下放等，各步動(dòng)作均由軟件協(xié)調(diào)控制[16]。
機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往要受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時(shí)還要考慮價(jià)格因素的影響以及所能達(dá)到的技術(shù)水平。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種可以直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件，具有控制簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、工作可靠、無(wú)累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)。它能夠直接接受數(shù)字信號(hào)，無(wú)需中間轉(zhuǎn)換，直接輸出的位移量與輸入數(shù)字脈沖量相對(duì)應(yīng)，能實(shí)現(xiàn)直接的數(shù)字控制。另外，步進(jìn)電機(jī)的抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)累計(jì)定位誤差，可重復(fù)反轉(zhuǎn)而不損壞，并且步進(jìn)電機(jī)的位置和速度控制簡(jiǎn)單，具有一定精度，使用與維護(hù)都很方便[17]。
電機(jī)2
前腿升降
齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)
后腿升降
電機(jī)1
電機(jī)3
機(jī)器人攀行前進(jìn)
檢測(cè)機(jī)構(gòu)
執(zhí)行任務(wù)
圖11 驅(qū)動(dòng)控制
Fig.11 Drive control
8 結(jié)論
本文在參考近幾年機(jī)器人領(lǐng)域取得重大成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合攀行機(jī)器人和檢測(cè)機(jī)器人這個(gè)課題，對(duì)檢測(cè)用攀行機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、同時(shí)，對(duì)傳動(dòng)方式和控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和分析，本論文的研究主要取得了以下成果:
1）對(duì)鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人采用機(jī)械電子學(xué)思想進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。立足于機(jī)電一體化的觀點(diǎn)，對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)方式等各組成部分進(jìn)行了較為全面的分析，最后得出鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體方案，提出用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用齒輪、齒輪齒條和導(dǎo)軌傳動(dòng)力和扭矩[18][19]。
2）根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)前進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制齒輪的扭矩和動(dòng)力傳遞，防止扭矩和力過(guò)大，使前進(jìn)機(jī)構(gòu)損壞。
3）采用齒輪齒條來(lái)進(jìn)行機(jī)器人回轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)的控制，這部分的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，尤其是回轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)和安裝位置的確定，通過(guò)查閱資料和分析整體結(jié)構(gòu)，最后決定把機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)器人機(jī)架的中心部位，這樣既可以使結(jié)構(gòu)緊湊，又可以使機(jī)器人的受力均勻，保持機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定[20]。
通過(guò)以上的工作，從總體結(jié)構(gòu)分析和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造，最終實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)用攀行機(jī)器人的簡(jiǎn)單、實(shí)用的整體設(shè)計(jì)方案。
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致 謝
本論文是在莫亞武老師的悉心指導(dǎo)下完成的。畢業(yè)設(shè)計(jì)是高等學(xué)校教學(xué)計(jì)劃的重要組成部分，是學(xué)生畢業(yè)前最后一個(gè)綜合性的教學(xué)環(huán)節(jié)。在老師的悉心指導(dǎo)下，通過(guò)仔細(xì)查閱資料，分析總結(jié)，完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我掌握了機(jī)械設(shè)計(jì)的方法，熟練掌握了CAD制圖軟件，提升了專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平。
本設(shè)計(jì)從課題的選擇、整體結(jié)構(gòu)的分析和研究，到論文的寫(xiě)作等階段都是在莫亞武老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在查閱資料，設(shè)計(jì)草案的確定和修改，詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配圖繪制等過(guò)程中，莫亞武老師都給了我很好的建議和指導(dǎo)。
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