無線遙控爬桿器的設(shè)計論文和開題報告任務(wù)書.doc

畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書題目：無線遙控爬桿器的設(shè)計學(xué)生姓名 鄭 浩 學(xué)院名稱 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化學(xué) 號 3008201091 指導(dǎo)教師 車建明 職 稱 副教授 一、原始依據(jù)（包括設(shè)計或論文的工作基礎(chǔ)、研究條件、應(yīng)用環(huán)境、工作目的等。）爬桿器（或爬桿機器人）多用于替代人工進行高空作業(yè)。本設(shè)計課題針對直立電線桿，設(shè)計一臺既可作沿桿軸線方向的直線動，又可作圍繞桿軸線的旋轉(zhuǎn)運動的爬竿機器，用來清洗、噴涂或安裝桿上部件。該爬桿器由人工手動安裝在電線桿底部，其操作結(jié)構(gòu)和方法要直觀易于理解，且操作簡單安裝方便。在結(jié)構(gòu)方面要盡量簡便以利于制造和降低制造成本。爬桿器向上升時，采取干電池和有線電纜方式，爬升到理想高度（12m）時，有線電纜可自由脫離爬桿器。爬桿器應(yīng)設(shè)計有旋轉(zhuǎn)平臺能夠水平旋轉(zhuǎn)。爬桿器上升或下降均應(yīng)平穩(wěn)、安全，應(yīng)適應(yīng)具有一定錐度的電線桿。二、參考文獻1張策. 機械原理與機械設(shè)計M. 北京：機械工業(yè)出版社，20102成大先. 機械設(shè)計手冊M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20033Dennis Clark, Mocharl Owings. Building robot drive trains M. 北京：科學(xué)技術(shù)出版社，20044宗光華. 機器人的創(chuàng)意設(shè)計與實踐M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20045費仁元，張惠惠. 機械人機械設(shè)計和分析M. 北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，19986吳宗澤. 機械設(shè)計禁忌1000例M. 北京：機械工業(yè)出版社，20117方建軍. 智能機械人M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20048趙松年. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計M. 北京：機械工業(yè)出版社，20049黃真. 空間機構(gòu)學(xué)M. 北京：機械工業(yè)出版社，199110徐元昌. 機電系統(tǒng)設(shè)計M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005三、設(shè)計（研究）內(nèi)容和要求（包括設(shè)計或研究內(nèi)容、主要指標與技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)課題性質(zhì)對學(xué)生提出具體要求。）1、設(shè)計內(nèi)容本設(shè)計主要進行爬桿器的方案與機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括爬桿器的行走方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計、水平旋轉(zhuǎn)平臺方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力及傳動系統(tǒng)方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計、便捷安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計等。2、主要指標與技術(shù)參數(shù)爬桿直徑 10cmd35cm ；爬桿高度 h15m； 爬桿速度 v15m/s；水平旋轉(zhuǎn)范圍：180旋轉(zhuǎn)角度360； 最小負重 6kg； 可以在電線桿上懸停，懸停時間5小時；爬桿器成品的直徑60cm。3、具體要求完成不少于2000字開題報告；設(shè)計并繪制爬桿器裝配圖和主要零件圖（累計3張零號圖）；編寫設(shè)計說明書20000字以上；翻譯外文資料；參考文獻15篇以上。指導(dǎo)教師（簽字）年 月 日審題小組組長（簽字）年 月 日天津大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告課題名稱無線遙控爬桿器學(xué)院名稱機械學(xué)院專業(yè)名稱機械設(shè)計制造及其自動化學(xué)生姓名鄭浩指導(dǎo)教師車建明（內(nèi)容包括：課題的來源及意義，國內(nèi)外發(fā)展狀況，本課題的研究目標、研究內(nèi)容、研究方法、研究手段和進度安排，實驗方案的可行性分析和已具備的實驗條件以及主要參考文獻等。）1. 課題的來源及意義目前全國日益加快的現(xiàn)代化建設(shè)步伐，并且隨著我國國名經(jīng)濟的飛速增長、人民生活水平日益提高，城鎮(zhèn)中隨之矗立起無數(shù)的高層城市建筑，各類集實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，它們通常530米，有的甚至高達百米，壁面多采用油漆、電鍍、玻璃鋼結(jié)構(gòu)等，但是同時也產(chǎn)生了許許多多的問題，比如由于電桿或線桿常年裸露在大氣中，長年累月會形成灰塵層，縮短它們的使用壽命，需要定期進行維護工作。這是就存在著許多高空作業(yè)諸如：各種桿狀城市建筑的油漆、噴涂料、檢查、維護等工作主要由人工和大型設(shè)備來完成，但它們都集中表現(xiàn)出效率低、勞動強度大、耗能高等問題。隨著機器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展以及人們自我安全保護意思的增強，迫切希望能用機器人代替人工進行這些高空危險作業(yè)，從而把人從危險、惡劣、繁重的勞動環(huán)境中解脫出來。因此研制出一套高效可靠的爬桿機器人以替代人工進行高空作業(yè)將是很有意義的，必具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。2. 國內(nèi)外發(fā)展狀況2.1 爬桿機器人的分類爬桿機器人的種類多種多樣。按仿生學(xué)角度來分爬桿機器人可分為：螳螂式爬行機器人、蜘蛛式爬行機器人、蛇形機器人、足蠖式爬行機器人等。按驅(qū)動方式來分可分為：氣動爬行機器人、電動爬行機器人和液壓驅(qū)動爬行機器人等。按行走方式可分為：輪式、履帶式、蠕動式、多足式等。按工作空間來分可分為：管道爬行機器人、壁面爬行機器人、球面爬行機器人、陸地移動爬行機器人、水下機器人、空間機器人等。按功能用途來分可分為：焊弧爬行機器人、檢測爬行機器人、清洗爬行機器人、提升爬行機器人、巡線爬行機器人等。根據(jù)不同的驅(qū)動方式和功能等可以設(shè)計不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機器人，如氣動爬行機器人，電磁吸附多足式爬行機器人、電驅(qū)動壁面焊弧爬行機器人等。2.2 國內(nèi)外爬桿機器人發(fā)展現(xiàn)狀爬桿機器人是機器人大家族的一員，爬桿機器人因為需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動機器人，故爬桿機器人是機器人領(lǐng)域的一個重要研究分支，從運動方式上來表征的一種機器人，形式是多種多樣的。爬桿機器人與一般地面移動機構(gòu)的最明顯不同是需克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動，完成特定條件下的作業(yè)。目前，國內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動爬行機構(gòu)主要有電動機械式爬桿機器人、電動液壓式爬桿機器人和氣動蠕行式爬桿機器人等。（1）氣動蠕動式爬桿機器人上海交通大學(xué)機器人研究所研制的氣動蠕動式爬桿機器人，如圖1所示，可在各種斜度的斜拉橋纜索上爬行，能完成斜拉鎖的檢測、清洗、噴涂油漆等工作。圖1 氣動蠕動式爬桿機器人氣動蠕動式爬纜機器人運動中至少保證上下兩組夾緊爪中有一組夾緊于纜索上。爬桿機構(gòu)向上爬升時,首先下體夾緊爪夾緊于纜索上,上體夾緊爪松開,驅(qū)動氣缸活塞桿伸出,上體向上運動；然后上體夾緊爪夾緊,下體夾緊爪松開,驅(qū)動氣缸活塞桿縮回,下體向上運動；重復(fù)以上運動，機器人實現(xiàn)不斷向上爬行。改變氣缸動作順序,爬桿機構(gòu)則可以完成下降功能。對于氣動蠕動式爬纜機器人，其上升和下降運動由氣壓控制，需要氣源和氣動控制系統(tǒng)，設(shè)備成本較高。（2）摩擦輪式爬桿機器人國防科技大學(xué)設(shè)計的摩擦輪式爬桿機器人如圖2所示。機器人框架上下邊框上沿圓周均勻安裝三套主動爬行機構(gòu)，相互夾角120等間距布置，構(gòu)成兩個各包含三套主動爬行機構(gòu)且上下平行的驅(qū)動截面，使牽引力分散產(chǎn)生，增強行走時的自定心功能，有利于穩(wěn)定檢測。1-纜索； 2-主動爬行機構(gòu)； 3-機器人框架圖2 摩擦輪式爬桿機器人此類爬桿機器人都是以電動機帶動滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動整個機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作，且機器人總體機構(gòu)較復(fù)雜。（3）鋼球自鎖式爬桿機器人吉林大學(xué)機械學(xué)院基于鋼球自鎖裝置設(shè)計的爬桿機器人如圖3所示。圖3 鋼球自鎖式爬桿機器人構(gòu)造及爬行步態(tài)該機器人結(jié)構(gòu)簡單，主體部分僅為曲柄連桿和鋼球自鎖裝置，曲柄每轉(zhuǎn)一圈機器人整體向上爬行一次，重復(fù)狀態(tài)1至5就可以實現(xiàn)機器人不斷向上爬行。缺點是鋼球自鎖機構(gòu)束縛機器人只能向一個方向爬行，影響了實用性。（4）氣動爬桿機器人浙江大學(xué)陳俊龍教授設(shè)計的氣動爬桿機器人，如圖4所示。 圖4 氣動爬桿機器人其結(jié)構(gòu)是:在上部（10）和底部（1）上，各裝有一對套在直桿上的爪子（機器人可在地面上方便地作水平移動，使兩爪輕套在桿子上），每對爪子由固定爪和活動爪組成，固定爪（13）和（15）分別固定安裝在上部（10）和底部（1）上，而球頭活塞桿（7）的球頭則安裝在上部（10）上。當上夾氣缸（11）松開，下夾氣缸（16）夾緊時，升降氣缸（6）下腔進氣，上腔排氣，則活塞和球頭活塞桿（7）推動上部（10）沿著導(dǎo)柱（8）向上移動，到達行程終了位置時，上夾氣缸（11）夾緊，然后下夾氣缸（16）松開，即上爪緊，下爪松，與此同時，升降氣缸（6）上腔進氣，下腔排氣，從而使升降氣缸的缸體連同安裝的地步（1）一起沿著導(dǎo)柱（8）上升到與上部（10）相合止，至此，完成了攀升的一個循環(huán)。這樣，機器人一步一步往上攀升。（5）攀爬機器人國外有代表性的有賓夕法尼亞州大學(xué)研制的Rise系列攀爬機器人。該機器人是一款四足機器人，除了能夠在地面上奔跑外，還能夠爬樹，其腳部位置使用了外科手術(shù)針作為材料，這樣就可以在垂直物體上進行移動國內(nèi)比較典型的有吉林大學(xué)機械學(xué)院研究開發(fā)的仿尺蠖步態(tài)的爬桿機器人。該機器人主要由頭部、尾部與軀干3部分組成，其中頭部和尾部分別為一套單向自鎖機構(gòu)，軀干則為曲柄搖桿機構(gòu)，作為整個機器人的動力源，通過各個部分的協(xié)調(diào)配合來完成爬桿機器人的伸縮，進而實現(xiàn)爬桿機器人的爬桿動作。上海交通大學(xué)研發(fā)了一種新型的、在垂直外攀爬方面有較大優(yōu)勢的攀爬蛇形機器人。該機器采用一種具有萬向節(jié)功能的PR(pitch-roll)模塊，使得該蛇形機器人能夠輕松和靈活地附著于攀爬對象外壁。（6）仿蜘蛛的爬桿微機器人德國西門子公司研制出仿蜘蛛的爬桿微機器人，這類機器人有4、6、8只腳三種類型，可在各種類型的管內(nèi)移動，其運動原理是利用腿推壓桿來獲得驅(qū)動力，多腿可以很方便地在各種形狀的桿上移動作業(yè)，但其控制較復(fù)雜。3. 本課題的研究目標通過對路燈桿等各種桿狀的測量和考察，提出爬桿機器人的設(shè)計方案并設(shè)計制造出滿足條件的爬桿機器人。通過對爬桿機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計以實現(xiàn)其能在各種桿上多自由度的移動或轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)爬桿機器人在高空作業(yè)的技術(shù)性，以代替人類進行高空危險作業(yè)，滿足人們要求。4. 本課題的研究內(nèi)容本課題的研究內(nèi)容主要是進行爬桿機器人的方案和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中包括爬桿機器人的行走方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計、水平旋轉(zhuǎn)方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力及傳動系統(tǒng)方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計、便捷安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計等。5. 本課題的研究方法和研究手段根據(jù)空間機構(gòu)學(xué)原理設(shè)計、機械原理與機械設(shè)計、機電系統(tǒng)設(shè)計和機器人機械系統(tǒng)設(shè)計等原理進行設(shè)計分析，完成相關(guān)任務(wù)。6. 進度安排2012.02.272012.03.09:閱讀相關(guān)資料，書寫開題報告。2012.03.102012.03.12:翻譯外文資料。2012.03.132012.04.11:參考相關(guān)資料，完成爬桿器主框架和擺臂的零件圖。2012.04.122012.05.01:完成爬桿器旋轉(zhuǎn)軸的零件圖，并完成裝配圖。2012.05.022012.06.01:進行校核，完善零件圖和裝配圖，完成設(shè)計說明書。2012.06.022012.06.08:整理設(shè)計說明書，準備答辯。7. 方案的可行性分析和已具備的條件爬桿機器人的高效性和安全性使得人們迫切希望其替代人工高空操作帶來多方面的好處，就此國內(nèi)外也已經(jīng)有了很多相關(guān)方面的研究，如上海交通大學(xué)設(shè)計的氣動蠕動式爬桿機器人，國防科技大學(xué)設(shè)計的摩擦輪式爬桿機器人和賓夕法尼亞州大學(xué)研制的Rise系列攀爬機器人等等。通過大學(xué)中對機械原理與機械設(shè)計的學(xué)習(xí)，以及機械制造技術(shù)基礎(chǔ)和控制工程基礎(chǔ)等學(xué)科的實習(xí)，再者在科研團隊老師的指導(dǎo)下，我相信自己能完成此課題。采取的方案實施路線：首先對比選擇爬桿機器人的類型和其參數(shù)的選擇，如自由度的選擇、驅(qū)動方式的選擇等；其次進行爬桿機器人主框架的設(shè)計，再者進行爬桿機器人擺臂和旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計，最后完成其裝配圖。8. 主要參考文獻1費仁元，張惠惠.機械人機械設(shè)計和分析M. 北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.2方建軍. 智能機械人M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.3趙松年. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計M. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.4黃真. 空間機構(gòu)學(xué)M. 北京：機械工業(yè)出版社，1991.5徐元昌. 機電系統(tǒng)設(shè)計M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.6Dennis Clark, Mocharl Owings. Building robot drive trains M. 北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2004.7張海洪，龔振邦. 壁面自動清洗機器人清洗工藝分析J.機電一體化，2001.8蔣新松. 機器人學(xué)導(dǎo)論M.遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.9宗光華. 機器人的創(chuàng)意設(shè)計與實踐M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.10吳宗澤. 機械設(shè)計禁忌1000例M. 北京：機械工業(yè)出版社，2011.11朱世強，王宣銀.機器人技術(shù)及其應(yīng)用.浙江大學(xué)出版社，2001.12趙興飛，周憶，石崇輝.氣驅(qū)爬壁機器人設(shè)計與計算J.機床與液壓，2003.13楊存智.爬桿機器人的研制J.機電一體化，2003.14于復(fù)生，沈孝芹.一種氣動爬桿機器人P.中國專利，206620088771.1.15Elkm ann NeFelsch T.Modular Climbing Robot for Service Sector ApplicationsJ.Industrial Robot,1991,K26(6)：460-465.選題是否合適： 是 否課題能否實現(xiàn)： 能 不能指導(dǎo)教師（簽字）年 月 日選題是否合適： 是 否課題能否實現(xiàn)： 能 不能審題小組組長（簽字）年 月 日摘 要 隨著科學(xué)的發(fā)展和科技的進步，機器人越來越成為人們生活中不可或缺的一部分，而本次畢業(yè)設(shè)計我們主要研究了機器人家族中的爬桿機器人，希望能創(chuàng)造出一種既簡單又實用的爬桿機器人以滿足人們相應(yīng)的需要。本論文首先主要介紹了爬桿機器人的相關(guān)背景、目前國內(nèi)外某些爬桿機器人的發(fā)展狀況和相應(yīng)存在的一些問題，其次對爬桿機器人方案的選擇進行了相應(yīng)的比較和分析，之后進入機器人的實體設(shè)計階段。 其次，論文的重點主要是對爬桿機器人進行相應(yīng)的設(shè)計，其中包括爬桿機器人擺臂的設(shè)計，主框架的設(shè)計和旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計等等，同時對驅(qū)動方案的選擇也做了相應(yīng)的分析和比較。 最后，對本次設(shè)計進行了總結(jié)和展望。關(guān)鍵詞：爬桿機器人；設(shè)計；驅(qū)動方案ABSTRACT With the development of science and technology advances, the robot has increasingly become an integral part of peoples lives, in this graduation project, we study the pole climbing robot in the Robot family, hopes to create both simple and practical climbing pole robots to meet the corresponding needs. Firstly, this paper introduces the background of the climbing pole robot in our own country and abroad some thing of the robots climbing pole position and the corresponding number of problems, followed by the choice of climbing pole robot program comparison and analysis, after entering the robots physical design stage. Secondly, the paper focuses mainly on the corresponding design of the robot climbing pole, including the robot arm of the climbing pole design, the design of the main frame and the design of the rotation axis, and drive program selection made the corresponding analysis and comparison. Finally, I have a summary and outlook on the design.Key words: climbing pole robot; design; driven program目 錄 第一章 緒論 1.1 背景 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及其存在的問題第一章 緒論1.1 背景“機器人學(xué)的進步和應(yīng)用是本世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義的自動化”。這是宋健院士對機器人在上個世紀所取得的成就的精辟概括。同時機器人技術(shù)也是20世紀人類最偉大的發(fā)明之一，自60年代初問世以來，經(jīng)歷40余年的發(fā)展已取得長足的進步。走向成熟的工業(yè)機器人，各種用途的特種機器人的實用化，昭示著機器人技術(shù)燦爛的明天。所以我們必須走進它，了解它。近年來，在我國大學(xué)，機器人作為機械電子學(xué)、計算機技術(shù)、人工智能等的典型載體被廣泛地用來作為工科本科生的講授課程之一；在中學(xué)，模型機器人則逐漸成為素質(zhì)教育，技能實踐的選題之一，各種機器人比賽正方興未艾。進入21世紀，人們也愈來愈親身感受到機器人深入產(chǎn)業(yè)、深入生活、深入社會的堅實步伐。這些都說明了機器人技術(shù)離我們越來越近了。但大家是否可以給耳熟能詳?shù)臋C器人一個準確的定義呢？有人認為機器人無所不能，有人認為機器人必須像人。那么，何為機器人？雖然很難給機器人下準確的定義，但是通常的理解就是：機器人是一種在計算機控制下的可編程的自動機器，根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)的需要，它具有至少一項或多項擬人功能，如抓取功能或移動功能，或兩者兼而有之，另外還可能程度不等地具有某些環(huán)境感知功能（如視覺、力覺、觸覺、接近覺等）以及語音功能乃至邏輯思維、判斷決策功能等，從而使它能在要求的環(huán)境中代替人進行作業(yè)。如今進入二十一世紀，隨著科技的迅速發(fā)展，現(xiàn)代化進程的日益加快，機器人的創(chuàng)新與研究越來越成為一個國家科技力量的具體體現(xiàn)，越來越多的機器人已成為各個領(lǐng)域重要的組成部分，因此機器人的發(fā)展也日益成熟，為人們的生活提供了更多的方便與快捷。在世界經(jīng)濟快速發(fā)展的前提下，我國國民經(jīng)濟也有著飛速的增長，人民生活水平日益提高，伴隨著城市和鄉(xiāng)村矗立起無數(shù)的高層建筑和無數(shù)的高高的桿類，如電線桿、路燈桿等等。這些桿類長年累月的暴露在空氣中，很容易受到腐蝕和污染，不僅影響著城市的美觀，而且縮短了它們的壽命，也大大提高的它的危險性，對人們造成諸多不便與危險。然而，如果人工的對這些桿類進行清洗與保養(yǎng)，由于其條件所致，勢必需要清洗工人高空作業(yè)完成，這樣不僅工作效率低下，耗資巨大，而且安全系數(shù)低，很容易造成危險。如果采取高壓水槍清洗，則太浪費人力物力，得不償失了。這時，人們通過設(shè)想，能不能設(shè)計一種機器人，使得它能夠代替人類進行對桿類的清洗或進行相關(guān)工作，用這些機器人代替人工進行高空危險作業(yè)，從而把工人從危險、惡劣、繁重的勞動環(huán)境中解脫出來，不僅提高的工作效率，同時也保護了工人的生命安全。因此，我們需要設(shè)計一種爬桿機器人，使得它代替工人進行高空作業(yè)，改善工人的工作環(huán)境，提高工作效率，大大降低高層桿狀的清洗成本，或許將帶來清洗業(yè)的一次創(chuàng)新與革命。這種機器人的研制必將有很大的社會效益、經(jīng)濟效益和廣闊的應(yīng)用前景。本課題旨在設(shè)計一種新型的、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟適用、價格便宜、操作簡便的使用與路燈桿等桿類的可搭載清洗、維護設(shè)備的爬桿機器人，以解決當前城鎮(zhèn)中存在的桿狀清洗等問題。該機構(gòu)要保證良好的運行效果，低耗能高效率，綠色環(huán)保，節(jié)省人力物力。1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及其存在的問題1.2.1 爬桿機器人的分類爬桿機器人的種類多種多樣。按仿生學(xué)角度來分爬桿機器人可分為：螳螂式爬行機器人、蜘蛛式爬行機器人、蛇形機器人、足蠖式爬行機器人等。按驅(qū)動方式來分可分為：氣動爬行機器人、電動爬行機器人和液壓驅(qū)動爬行機器人等。按行走方式可分為：輪式、履帶式、蠕動式、多足式等。按工作空間來分可分為：管道爬行機器人、壁面爬行機器人、球面爬行機器人、陸地移動爬行機器人、水下機器人、空間機器人等。按功能用途來分可分為：焊弧爬行機器人、檢測爬行機器人、清洗爬行機器人、提升爬行機器人、巡線爬行機器人等。根據(jù)不同的驅(qū)動方式和功能等可以設(shè)計不同結(jié)構(gòu)和用途的爬行機器人，如氣動爬行機器人，電磁吸附多足式爬行機器人、電驅(qū)動壁面焊弧爬行機器人等。1.2.2 發(fā)展現(xiàn)狀爬桿機器人是機器人大家族的一員，爬桿機器人因為需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動機器人，故爬桿機器人是機器人領(lǐng)域的一個重要研究分支，從運動方式上來表征的一種機器人，形式是多種多樣的。爬桿機器人并不少見，但是通常來說，這類機器人大多采用多足來進行移動或是使用腹部的摩擦表層來左右扭動前進。更主要的是，平常的機器人，因為體積或行動方式的影響，不能到一些特殊的地方進行工作，比如說管道，壁面等等特種用途的領(lǐng)域。爬升機器人與一般地面移動機構(gòu)的最明顯不同是需克服重力的作用可靠地依附于爬升表面上并自主移動，完成特定條件下的作業(yè)。最早開始研究且研究最多的是帕比機器人，適于高層建筑、水里發(fā)電大壩等垂直壁面和大球形表面上的危險作業(yè)。對于管道外壁表面，已有車輪移動形、姿態(tài)可變形、尺蠖形和多關(guān)節(jié)形機器人，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。國內(nèi)外的學(xué)者很早就對爬桿機器人進行研究工作，獲得了豐碩的成果。目前，國內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動爬行機構(gòu)主要由電動機械式爬桿機器人、電動液壓式爬桿機器人和氣動蠕行式爬桿機器人等等。電動機械式爬桿機器人是由電動機帶動鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬桿機器人沿桿體上升下降。螺旋運動爬桿機器人的爬行動作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動時它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過電動機的正反轉(zhuǎn)該機構(gòu)便可實現(xiàn)上升和下降運動。電動機械式爬桿機器人和螺旋線運動爬桿機器人都是以電動機帶動滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動整個機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作，且機器人總體機構(gòu)較復(fù)雜。氣動蠕行式爬桿機器人用氣缸驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)交替夾緊和移動，其向上爬行是氣缸動作一個周期的過程為下部氣缸夾緊，上部氣缸松開，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，提升氣缸體上升，下部上升。如此反復(fù)，機器人就可以連續(xù)爬行。對于氣動蠕行式爬桿機器人，其上升和下降運動的實現(xiàn)由氣壓控制，需要氣源和氣動控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本較高。國外有代表性的有東京大學(xué)研制的關(guān)節(jié)型行走機器人，賓夕法尼亞州大學(xué)研制的Rise系列攀爬機器人，德國西門子公司研制出仿蜘蛛的爬桿微機器人。國內(nèi)比較典型的有上海交通大學(xué)研究所研發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護用氣動蠕動式爬纜機器人，國防科技大學(xué)設(shè)計的摩擦輪式爬桿機器人，吉林大學(xué)機械學(xué)院基于鋼球自鎖裝置設(shè)計的爬桿機器人，浙江大學(xué)陳俊龍教授設(shè)計的氣動爬桿機器人等。1.2.3 目前存在的問題由上面敘述及調(diào)研知目前國內(nèi)外所設(shè)計制造的各種電機機械式爬桿器有一個缺陷：它們大多只能依靠氣動蠕行式爬桿器來解決變直徑桿的爬行，其上升和下降由氣壓控制，還需要氣動控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本和維護費用較高。因此，有必要設(shè)計一種利用簡單的機械結(jié)構(gòu)來替代繁瑣的氣動設(shè)備實現(xiàn)變直徑桿的攀爬，同時在爬行過程中可攜帶其他清潔能源實現(xiàn)對路燈桿等桿狀城市建筑的清洗作業(yè)的設(shè)備。1.3 仿生機器人概述 生物在經(jīng)歷了千百萬年的進化之后，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)勢和長處。仿生機器人這門學(xué)科產(chǎn)生和存在的前提就在于，生物經(jīng)過了長期的自然選擇進化而來，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)等方面具有高度的合理性、科學(xué)性和進步性。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)和對于高精度、高靈活性、高可靠性、高魯棒性、高智能型的目標需求則是仿生機器人提出和發(fā)展的客觀動力。 “模仿生物的身體結(jié)構(gòu)和功能，從事生物特點工作的仿生機器人，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)機器人，成為未來機器人領(lǐng)域的發(fā)展方向?！?004年8月在沈陽舉行的“2004IEEE機器人學(xué)與仿生學(xué)國際學(xué)術(shù)會議”上，與會的機器人學(xué)專家這樣表示。 日本東京工業(yè)大學(xué)教授廣瀨茂男曾獲得IEEE頒發(fā)的領(lǐng)先成就獎，是世界機器人研究領(lǐng)域的權(quán)威科學(xué)家。在他看來，模仿生物活動機能和身體結(jié)構(gòu)的仿生機器人，應(yīng)當是機器人研究領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。他說，很多生物為了生存，在進化過程中具備適應(yīng)大自然的獨特功能，科學(xué)界在機器人的發(fā)明制造上，就應(yīng)當借鑒一些生物的獨特本領(lǐng)為人類服務(wù)。所以，仿生機器人必將是超出人類一般需求之前探索的一門真正的前沿科學(xué)。仿生機器人是機器人發(fā)展的最高階段，它既是機器人研究的最初目的，也是機器人發(fā)展的最終目標之一。仿生機器人就是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機能的機器人系統(tǒng)。從仿生學(xué)的角度來看，仿生機器人是仿生學(xué)技術(shù)的完美綜合與全面應(yīng)用。從本質(zhì)上來講，所謂“仿生機器人”就是指利用各種光、機、電、液等各種無機元器件和有機功能體相配合所組建起來的在運動機理和行為方式、感知模式和信息處理、控制協(xié)調(diào)和計算推理、能量代謝和材料結(jié)構(gòu)等多方面具有高級生命形態(tài)特征從而可以在未來的非結(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)的機器人系統(tǒng)。按照所模仿的運動機理、感知機理、控制機理及能量代謝和材料組成的不同，劃分仿生機器人的主要研究內(nèi)容如圖2-1所示。其中運動仿生下的劃分也可看作基于不同運動機理的仿生機器人分類。仿生機器人運動仿生位移運動仿生陸地生物運動仿生水中生物運動仿生空中生物仿生執(zhí)行運動仿生如仿生手等感知仿生聽覺仿生視覺仿生嗅覺仿生其他感知仿生仿生耳仿生眼仿生鼻控制仿生定向?qū)Ш椒律嬎阃评矸律后w控制仿生如仿蜜蜂定位等如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等如蟻群通信控制仿真等能量仿生如分解碳水化合物驅(qū)動等材料仿生如仿生皮膚等圖1-3 仿生機器人的主要研究內(nèi)容及分類第二章 爬桿機器人方案選擇2.1 總體方案分析欲使機器人在桿上自由地移動，必須具備兩種功能：貼附功能與移動功能。貼附方式有吸附式和夾持式兩種，運動方式有輪式、履帶式、腿式及蠕動式四種。這些不同的方式可以進行多種組合，構(gòu)成多種風(fēng)格的機器人。吸附式是通過面接觸方式緊貼于壁面上，夾持式是靠點夾緊在桿上。吸附式又有真空吸附和電磁吸附之分，其中真空吸附式用得比較多，因為它對壁面的要求不十分嚴格；電磁吸附承載能力大，有很強的適應(yīng)能力，但其應(yīng)用范圍窄，需要桿件壁面含有電磁場可吸附的含鐵、鈷、鎳等材料。各種貼附方式的優(yōu)缺點和比較如表2-1所示。表2-1 爬桿機器人貼附方案的比較貼附方式概要特點夾持式機械手由夾緊力產(chǎn)生的摩擦力使機械手夾緊在干提上能適應(yīng)任何壁面吸附式真空吸附真 空泵設(shè)置許多吸盤，由真空泵裝置產(chǎn)生吸附力，使機器人吸附在壁面可實現(xiàn)小型、輕量化，無需附加供氣裝置，但要求壁面有一定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，吸附在避免上能效低、噪音大，且需要供氣裝置，但可以達到高真空度，對壁面適應(yīng)性強電磁吸附永磁體由永磁體產(chǎn)生吸附力，吸在壁面上吸附時不需外部能量，但只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附電磁鐵電磁鐵通電將其吸附在避免上吸附時需要電能，也只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附在設(shè)計移動機器人系統(tǒng)時，首先應(yīng)考慮機器人的用途，因為不同的用途，移動機器人的移動機構(gòu)是不同的。此外，還應(yīng)考慮機器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機動性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費用等。作為桿件爬行機器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案，有很多種移動方式可供選擇。各種移動方案的比較見表2-2所示。表2-2 爬行機器人移動方案的比較移動方式優(yōu)點缺點輪式移動速度快，控制方便，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)彎容易。接觸面積小，越障能力差，易打滑。履帶式接觸面積大，承載能力大，移動速度快，適應(yīng)能力強。履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機動性差。腿式越障能力強，承載能力大，機動性好，具有很強的壁面適應(yīng)能力。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間歇移動，速度慢，關(guān)節(jié)和足數(shù)多，控制復(fù)雜。蠕動式承載能力大，運動平穩(wěn)，控制簡便，適應(yīng)能力比較強。運動速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 根據(jù)設(shè)計本課題所提的要求，及考慮現(xiàn)實生活中的實用性與結(jié)構(gòu)簡單的原則，要求承載能力始終，控制方面，接觸面積小等設(shè)計原則，通過對比各種方案，對于本課題我選擇了輪式爬桿機器人的結(jié)構(gòu)形式，這種方案能基本滿足我們設(shè)定和要求的工作狀況。對于輪式爬桿機器人，它具備以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，可操作性強，控制方面，移動速度快，接觸面積小，而且易采用電動機驅(qū)動的方式，這種驅(qū)動方式運動精度高，方便，成本低，驅(qū)動效率高。2.2 輪式爬桿機器人 在本方案的設(shè)計中，采取輪式爬桿機器人設(shè)計，主要以實現(xiàn)機器人沿桿向上做往復(fù)運動為主要目標。往復(fù)運動的實現(xiàn)有很多種，常見的機構(gòu)有：不完全齒輪齒條雙側(cè)停息機構(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)、圓柱齒輪齒條機構(gòu)、螺旋絲桿機構(gòu)等。 在本方案的設(shè)計中，我采取的是圓柱齒輪齒條機構(gòu)，它具有以下特點：（1）圓柱齒輪齒條機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單；（2）依靠摩擦力傳遞運動；（3）運動所需機構(gòu)和驅(qū)動器數(shù)目少。而對于它所存在的缺點，像輪式爬桿器易打滑這點，我們可以通過選擇與電線桿等桿狀物接觸的材料如橡膠材料來改善其易打滑的缺點。第三章 爬桿機器人結(jié)構(gòu)方案設(shè)計3.1 設(shè)計任務(wù)3.1.1 設(shè)計要求1、爬桿直徑： 10cmd35cm；2、爬桿高度： h15cm；3、爬桿速度： v15cm/s；4、最小負重：6kg；5、可以在電線桿上懸停，懸停時間5小時；6、爬桿器成品的直徑盡量?。?、爬桿器留有開口，使用是先將爬桿器扣于電線桿上鎖緊，再進行控制操作。3.1.2 設(shè)計任務(wù)1、設(shè)計爬桿機器人，使其能完成所要求的相關(guān)任務(wù)；2、繪制主要零件圖，繪圖量不少于3張零號圖；3、編寫設(shè)計說明書20000字以上；4、參考文獻15篇以上；5、翻譯外文資料5000漢字以上。3.2 爬桿機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計準則 輪式爬桿機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計是本論文的關(guān)鍵，在此采用模塊化設(shè)計方法對機器人本體進行模塊化設(shè)計，模塊化設(shè)計方法分為基于結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計方法和側(cè)重功能分解的設(shè)計方法，將根據(jù)功能劃分方法對爬桿機器人進行設(shè)計。3.2.1 模塊化設(shè)計基礎(chǔ)理論 模塊化設(shè)計是在產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)不斷發(fā)展的過程中逐步形成，是一種設(shè)計方法。而模塊化設(shè)計思想?yún)s由來已久，其基本思想是以產(chǎn)品（系統(tǒng)）的總功能為對象，以功能分析為基礎(chǔ)，將整個產(chǎn)品分解為若干特定的模塊，然后通過模塊的不同組合，可以得到不同品種、不同功能的產(chǎn)品，以滿足市場的各種需求。模塊化又稱模件化，模塊化的定義有很多種，但是按其概念有如下的定義：由若干個具有不同用途（或性能）并可互換的模塊，經(jīng)不同的組合，以滿足不同需要的這種方法稱之為模塊化。 由此可見模塊化應(yīng)具有四個基本含義： （1）必須具有一定數(shù)量的模塊； （2）應(yīng)用系統(tǒng)組合原理； （3）最終要獲得能基本滿足各種不同功能的需要； （4）模塊化的可分性。 進行模塊化設(shè)計時，必須首先把產(chǎn)品劃分為若干模塊，然后以模塊為基本單元進行設(shè)計。因此，模塊合理劃分與否將直接影響產(chǎn)品的性能、外觀以及模塊通用化的程度和成本。模塊化產(chǎn)品，通常按功能將產(chǎn)品劃分為若干單元，并使功能單元獨立化，這些單元被稱為功能模塊，然后由功能模塊系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品的總功能。3.2.2 爬桿機器人的模塊化設(shè)計要求我們按照功能劃分的模塊化設(shè)計方法，將爬桿機器人劃分為夾緊模塊和傳動模塊。模塊之間除標準化的機械與電氣連接接口外，其設(shè)計相互獨立。模塊之間在模塊化設(shè)計中應(yīng)遵循如下基本原則： （1）模塊應(yīng)具有自身的獨立性； （2）可用有限數(shù)目的模塊構(gòu)成不同組合的產(chǎn)品； （3）模塊的穩(wěn)定性； （4）模塊的經(jīng)濟型。模塊化設(shè)計的核心思想是將產(chǎn)品進行模塊劃分后，通過對某些模塊進行重新設(shè)計或變異設(shè)計得到新的產(chǎn)品。根據(jù)此思想，我們可以對爬桿機器人進行各種變形設(shè)計，滿足不同使用要求和應(yīng)用環(huán)境要求。輪式爬桿機器人的本體是執(zhí)行爬行運動的驅(qū)動平臺和清洗維護設(shè)備的搭載平臺，因此本體機構(gòu)是整個系統(tǒng)的重要組合部分。為使機器人能夠安全、方便的完成工作任務(wù)，要求本體移動靈活，安全可靠，小巧輕便，本體機構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣是評價整個系統(tǒng)性能的首要指標。由于爬行設(shè)備的特殊性，所以設(shè)計時需要考慮的主要問題有：（1）從機器人爬桿動作的特殊性及提高運動型和安全性方面考慮，需盡量使爬桿機器人的體積小、重量輕。 （2）從系統(tǒng)的工作性能上考慮，應(yīng)盡量使爬桿機器人的工作沖擊較小，運行平穩(wěn)，提高工作時的穩(wěn)定性。 （3）從機器人的作業(yè)環(huán)境來看，由于在桿上爬行，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該充分考慮空間對結(jié)構(gòu)尺寸的限制，力求機構(gòu)簡單可靠。 （4）由于機器人的體積受限，所以在設(shè)計和布置時需要在盡量保證機構(gòu)功能、強度和性能的條件下，盡量減小零部件的體積。在布置各部件時，除考慮部件自身占據(jù)的空間地位外，還要給予檢查、維修及更換部件時所必要的空間。 （5）從系統(tǒng)的成本以及各零部件的加工難度和加工時間考慮，各零件和材料的加工和選取，盡量采用市場上可采購的材料和已有小零部件（如螺栓、彈簧等），減少自行設(shè)計和加工的原件，以減少設(shè)計難度和提高系統(tǒng)的可靠性，降低機械制造成本。3.2.3 對環(huán)境進行分析面對爬桿器人的設(shè)計這個課題，我們首先要做的是把這個課題簡化，希望所設(shè)計的結(jié)構(gòu)越簡單越好，而不是讓它復(fù)雜起來。第一，雖然爬桿機器人所處的環(huán)境是室外。但是我們不需要額外考慮諸如灰塵、雨雪、低溫以及強烈震動等惡劣環(huán)境下機器人的設(shè)計問題，即使在以后的實際應(yīng)用中這些是必須的，所以，在本設(shè)計中，將不會有這些功能模塊。 第二，對特定環(huán)境的分析。我所設(shè)計制作的是爬桿機器人，所以這個桿是非常重要的。初步的設(shè)定是這樣的：（1）桿的直徑在20-30mm之間，也就是說本課題設(shè)計的機器人是在20-30mm的桿上爬，也許這不是很重要的。但至少可以在某一種桿上順利爬行，它的直徑可以使25mm或者是市場上現(xiàn)成的在20-30mm之間的桿。（2）桿并不是豎直擺放的。它在空間的位置時任意的，所以重力對于機器人來說既不能拿來利用，也不能視而不見，要將它的影響降低至最小。不過有一點是肯定的，那就是桿在空間是牢固的。不會來回擺動，也不會倒下。還有桿是懸空的，只有它的兩端是固定在地面或者桌面上的。（3）桿的表面是什么樣的。這就好比制作移動機器人時的地面情況，基于第一條的設(shè)想，整個桿的材質(zhì)是一樣的，它的表面也是一樣的，而且是常用的表面情況，至少它不是兩種極端，即它不是光滑的，也不是黏糊糊的。在它的上面也沒有釘子、口香糖等障礙?？傊潜容^理想的。 第三，爬桿機器人的功能設(shè)定。丹尼斯克拉克和邁克爾歐文斯曾說過：“企圖設(shè)計出一個多功能的機器人，既在室內(nèi)又在室外，既是足球機器人，也是清潔機器人，而且還能戰(zhàn)斗，那么這肯定是不切實際的，只能是紙上談兵，根本無法把它制作起來?！蹦俏业臋C器人的功能是什么呢？很簡單，爬桿機器人，只要能在桿上爬來爬去，并能實現(xiàn)一定的功能，那么我就是比較成功的。 綜上所述，我所制作的機器人是能在室外環(huán)境下運動，沿常用桿做運動，爬桿機器人體積不會太大，而且不會脫離桿，同時在移動過程中是靠自身的動力系統(tǒng)提供動力的。3.3 爬桿機器人總體方案設(shè)計3.3.1 爬桿機器人擺臂的設(shè)計在本次爬桿機器人擺臂的設(shè)計中，爬桿機器人擺臂需要與電線桿的立柱直接接觸，原理則是利用摩擦力使得爬桿機器人能夠在電線桿等桿類形狀的立柱上不至于滑落并且能夠向上運動或靜止在桿類形狀的立柱上。 因此在設(shè)計爬桿機器人擺臂之前，我們需要先選擇我們所設(shè)計的爬桿機器人固定的桿的直徑大小，以便我們設(shè)計各個部分的尺寸大小。 在這里，根據(jù)實際的具體情況和現(xiàn)實生活中存在的桿類立柱來看，我選擇的是金屬材質(zhì)圓柱形電桿。其中一種金屬材質(zhì)圓柱形電桿的具體尺寸是：直徑為25cm，高度為20m。 在本次設(shè)計總體方案擺臂部分中，它的簡體如下，電動機啟動，通過鏈傳動帶動鏈輪和旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)再帶動另一個鏈輪轉(zhuǎn)動，再通過鏈傳動傳遞到與金屬材質(zhì)圓柱形電桿接觸的輪上，輪式機械手這樣可實現(xiàn)上、下移動，從而實現(xiàn)我們所要求的運動。圖3-1 爬桿機器人擺臂部分簡圖 在本次爬桿機器人擺臂的設(shè)計過程中，在兩擺臂之間必須加上一個拉伸彈簧。此拉伸彈簧的作用：一是拉伸彈簧對上擺臂提供一個向下的拉力，對下擺臂提供一個向上的拉力，這樣上下兩輪都有一個對金屬材質(zhì)圓柱形電桿的正壓力，產(chǎn)生的摩擦力使得爬桿機器人緊固在桿上；二是彈簧具有活動性，當圓柱形電桿的直徑不為25cm時，整個爬桿機器人可以通過對彈簧的調(diào)節(jié)使得所設(shè)計的爬桿機器人能作用于大部分桿上，使其具備很大的實用性。 在選擇傳動連接上，參考相關(guān)資料，桿與桿連接不推薦鉸接，因為此設(shè)計項目選用球鉸會產(chǎn)生上下徑向運動，影響運動的準確性。為了得到更好的運動準確性，桿與桿連接采用打孔定位軸連接，即滿足轉(zhuǎn)動即可。關(guān)于桿的材料的選擇，由于此爬桿機器人大多數(shù)是在空中完成操作，長期處于高空狀態(tài)，我們可以選擇45號鋼，45號鋼不僅便宜，常用，應(yīng)用范圍廣，而且在退火、淬火和熱態(tài)下的可塑性好，可熱處理強化、在淬火或自然失效狀態(tài)下使用，點焊焊接性良好。用作中等強度的零件非常適合。 通過上面對圓柱形立柱的選擇，我們知道立柱的直徑為250mm，在我們設(shè)計的過程中，由于三角形具有穩(wěn)定性等等一系列優(yōu)點，我們選擇的是在立柱的三個方向都設(shè)計一個帶輪的擺臂與立柱接觸，利用擺臂與立柱之間產(chǎn)生的摩擦力使得爬桿機器人固定在立柱上，甚至能沿著立柱向上運動，因此我們選擇的方案是機器人框架上下邊框上沿圓周均勻安裝三套主動爬行機構(gòu)，相互夾角120等間距布置，構(gòu)成兩個各包含三套主動爬行機構(gòu)且上下平行的驅(qū)動截面，使牽引力分散產(chǎn)生，增強行走時的自定心功能，有利于穩(wěn)定檢測。首先我們需要選擇與圓柱形立柱接觸的輪的直徑大小、厚度和材料。 考慮到立柱的直徑大小為250mm，同時考慮到整個爬桿機器人的總體大小，我們在選擇與圓柱形立柱接觸的滾輪的直徑為75mm，同時取滾輪的厚度大小為32.5mm，在材料的選擇方面，考慮到選擇的材料在與金屬圓柱形立柱接觸的時候所需的摩擦力越大越好，因此我們對于滾輪的材料方面的選擇為硬質(zhì)橡膠材料，一是硬質(zhì)橡膠材料普遍、經(jīng)濟實惠、應(yīng)用范圍廣，而且作為橡膠材料它與其它物體接觸是的摩擦系數(shù)高。下圖為滾輪的一些圖片。 在確定了滾輪的材料、直徑和厚度后，我們則需要設(shè)計一擺臂，使得電動機能通過擺臂運動傳遞到滾輪上，使得爬桿機器人能夠?qū)崿F(xiàn)沿立柱的上、下運動。通過對整體形狀的把握，我設(shè)計一個直徑為10mm，長度為110mm的圓柱形材料穿過滾輪的中心以帶動滾輪運動。在這個長為110mm，直徑為10mm的圓柱形材料上，需要在滾輪的一邊安裝一個鏈輪，通過鏈傳動使得電動機的力能夠通過鏈傳動傳遞到滾輪上。不僅如此，在該軸的兩邊，我們需要設(shè)計簡單機構(gòu)使得這個機構(gòu)不僅與滾輪有所接觸，而且能夠通過一些零件固定在主框架上。 綜合以上考慮，我所設(shè)計的擺臂機構(gòu)大致圖形如下所示：對于構(gòu)件1，參考相關(guān)資料和考慮到桿件的長度與整個構(gòu)件的尺寸，構(gòu)件1的具體尺寸如下圖所示：對于構(gòu)件2，它的具體尺寸如下圖所示：對于構(gòu)件3，它的具體尺寸如下圖：3.3.2 爬桿機器人主框架的設(shè)計 在設(shè)計爬桿機器人主框架的過程中，應(yīng)考慮它對負載的方便性、負荷能力和整體架構(gòu)方面。設(shè)計時應(yīng)該注意以下問題： 1. 剛度剛度是指機身在外力作用下抵抗變形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的變形量之比來度量的。變形越小，則剛度越大。爬桿機器人的主框架的剛度方面是一個突出的問題。為提高剛度，應(yīng)注意以下幾點： （1）根據(jù)受力情況，合理選擇框架形狀和輪廓尺寸。主框架通常需要承受彎曲力和扭轉(zhuǎn)力，應(yīng)選用抗彎和抗扭剛度較大的截面形狀。 （2）提高支承剛度和接觸剛度。機身的變形量不僅與結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)，而且于支承剛度及支承物和框架的接觸剛度有很大關(guān)系。要提高支承剛度，一方面要從支座的結(jié)構(gòu)形狀、底板的連接形式等方面考慮；另一方面，要特別注意提高配合面間的接觸剛度，即保證配合表面的加工精度和表面粗糙度。 2. 精度 爬桿機器人在主框架的精度也是非常重要。影響整個爬桿機器人的精度不僅體現(xiàn)在擺臂上，在主框架的設(shè)計中也需非常重視，而且就導(dǎo)向裝置而言，其導(dǎo)向精度、剛度和耐磨性等對爬桿機器人的精度和其他工作性影響很大，在設(shè)計時同樣得時刻注意。 3. 平穩(wěn)性 為了提高爬桿機器人工作時的平穩(wěn)性，應(yīng)該注意擺臂和主框架的運動部件應(yīng)力求緊湊、質(zhì)量輕，減少慣性力。 在上述設(shè)計的基礎(chǔ)上，再根據(jù)所設(shè)計的擺臂的尺寸和簡單的原則，我所設(shè)計的主框架的大致圖形如下所示：其具體尺寸大致如下： 在本次主框架的設(shè)計中，每隔一條邊變設(shè)計一個長方形狀小框架，使得主框架方便與擺臂安裝或和旋轉(zhuǎn)軸安裝，而對于另外的三條邊則可以作為承載所需要承載的物件或機械等等，使得其能滿足所要求的相關(guān)操作以達到相關(guān)機構(gòu)能夠高空作業(yè)。3.3.3 爬桿機器人旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計軸是機械設(shè)備中重要的零件之一，對于軸而言，它的主要功能是支承旋轉(zhuǎn)零件，并傳遞運動和動力。在本課題設(shè)計中，我們需要采用一傳動軸，用來傳遞轉(zhuǎn)矩。同時，我們還需要考慮軸的材料選擇方面，軸的常用材料及其主要力學(xué)性能見表3-4。表3-4 軸的常用材料及其主要力學(xué)性能材料牌號熱處理毛坯直徑/mm硬度（HBS）抗拉強度屈服強度彎曲疲勞極限剪切疲勞極限備注 MPaQ23516-40418225174100用于不重要或受力較小的軸Q27516-4055026522012745正火25241600360260150應(yīng)用最為廣泛正火回火100170-217600300240140100-300162-217580290235135調(diào)質(zhì)200217-25565036027015540Cr251000800485280用于載荷較大而無很大沖擊的重要軸調(diào)質(zhì)100241-266750550350200100-300241-26670055034018535SiMn42SiMn25900750445255用于較重要的軸，性能接近40Cr調(diào)質(zhì)100229-286800520355205100-300217-26975045032018540MnB251000800485280用于較重要的軸，性能接近40Cr調(diào)質(zhì)200241-28675050033519535CrMo251000850510285調(diào)質(zhì)100207-269750550350200100-300207-269700500320185 從這個表格中我們可以看出軸的一些常用材料及其主要力學(xué)性能，根據(jù)這個表格，再者考慮我們所需要設(shè)計的軸，我選擇的材料是45優(yōu)質(zhì)碳素鋼，因為45優(yōu)質(zhì)碳素鋼通過調(diào)質(zhì)和正火等處理，材料力學(xué)性能已經(jīng)得到改善，使得軸具有較高的強度和耐磨性，而且它對應(yīng)力集中的敏感性較低，其機械加工性好，價格低廉，市場供應(yīng)充足，取材比較方便。其次，在設(shè)計爬桿機器人旋轉(zhuǎn)軸尺寸的時候，我們需要考慮擺臂和主框架的尺寸。因為旋轉(zhuǎn)軸不僅需要將電動機輸出的動力傳遞到爬桿器擺臂上，而且在設(shè)計的過程中，旋轉(zhuǎn)軸還需要固定在主框架上，使之形成一個整體。 從之前設(shè)計的擺臂的尺寸中，我們可以知道擺臂的最大寬度可以從各個部件的尺寸得出，設(shè)擺臂的最大寬度為x，那么：x=110-102+85.122=175.1 mm 對于主框架而言，它的邊長為323mm。 因此，我們在設(shè)計旋轉(zhuǎn)軸的長度時，不僅需要設(shè)計合理，而且如設(shè)旋轉(zhuǎn)軸的長度y，則y需滿足y x=175.1mm。 綜上因素，我們設(shè)計的旋轉(zhuǎn)軸的大致圖形如下所示： 其主視圖主要尺寸如下圖所示：3.3.4 鏈傳動的選擇在本次設(shè)計過程中，需要通過中間撓性曳引元件傳遞運動和動力，而其傳遞方式的選擇有帶傳動和鏈傳動。對于帶傳動而言，它的主要優(yōu)點是：有緩沖和吸振作用；運行平穩(wěn)，噪聲?。唤Y(jié)構(gòu)簡單，制造成本