1、1检测用攀行机器人结构设计摘 要:本文介绍了检测用攀行机器人的主要结构设计。检测用攀行机器人主要由吸附机构、移动机构及检测装置构成，本文重点介绍吸附机构和移动机构，主要内容包括：吸附机构、移动机构设计方案的分析及确定，机械结构中各功能部件的设计，驱动电机及其安装方式的确定，重要零部件的强度校核等。关键词：设计方案；强度校核；吸附机构；移动机构The Design of Detection Using Climbing Robot StructureAbstract: The design of the main structure of the detection using climbing
2、 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 analysi
3、s 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 mechanism1 前言机器
4、人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。长期以来，人们就向往能在垂直陡壁上攀行，由于在垂直陡壁上作业是非常困难和危险的，超越了人的能力极限，所以在国外称此类机器人为极限作业机器人。壁面攀行机器人可用来代替人工进行一些危险操作，进行各种储存有毒有害介质的储存罐以及高层钢结构建筑物表面的检测工作。其中包括核工业和城市石化工业球形储液罐的视觉检查、超声侧厚和焊缝探伤等作业。 1攀行检测机器人有着很大应用前景，它一经问世就受到了各方的重视。1966 年日本首次研制成
5、功壁面移动检测机器人样机，并在大阪府立大学表演成功，这是一种依靠负压吸附的攀行机器人。日立制造所研制了履带式磁吸附检查机器人，带有超声检2测装置。由于采用了负荷分散机构，它能够适应各种凹凸不平的曲面和棚顶。到 80年代末期，各类攀行机器人已经开始在生产中应用。英国在攀行机器人领域也取得许多成果。90 年代初 RTD 公司推出了轮式磁吸附爬壁机器人(取名 Beetle)，已作为商品销售。最高爬行速度达每分种 12 米，可以自动记录每隔一定距离的壁厚。我国自90 年代以来，有许多单位根据国家经济建设需要，研制成功各种类型与功能的攀行机器人。上海交通大学研制成功测量大罐容积的磁吸附攀行检测机器人。哈
6、尔滨理工大学研制成功测量大罐漆膜厚度的履带复合式攀行机器人。哈尔滨工业大学研究所在“863 计划”支持下，于 1994 年研制成功核工业用的壁面攀行遥控检查机器人。本论文主要研究以下几个方面的问题:1、检测用攀行机械人总体方案的确定：机器人是典型的机电一体化装置，必须采用系统的观点，对机器人各功能模块进行合理划分。首先根据设计要求从理论上分析工作状况，然后提出设计思路，包括传动方式、控制方式等，整体规划攀行检测机器人的整体结构形式、驱动装置、传动系统，从而选定最优方案；2、检测用攀行机器人前进机构方案的设计：怎样把步进电机的动力传递给机器人的前进机构，是本设计的一个重点方面，本文结合作业中的实
7、际要求，采用直线导轨作为传动元件通过齿条和齿轮的啮合来实现机器人的前进运动；3、检测用攀行机器人回转机构方案的设计：要实现在攀行过程中行进方向的转换，考虑机器人料的形状和质量，采用在机器人机身中间安装三角电磁吸盘吸附，通过步进电机驱动实现机身的整体回转，从而改变机器人的行进方向；检测用攀行机器人电磁脚方案的设计：为了使机器人能够在钢结构上自由行走，在机器人的脚部安装七个微盘组合是电磁吸盘，在机器人的前后各安装两个电磁脚，机身中间安装一个三角式电磁脚，这样可以保证机器人的行进稳定，并可在有沟槽或不平整的钢结构壁面上吸附并行走。2 检测用攀行机器人总体方案设计2.1 机器人的设计要求由于攀行表面各
8、不相同，工作条件不同，导致攀行机器人结构特别是吸附机构的差异。本文主要研究钢结构表面攀行的机器人。随着社会城市化进程的不断发展，钢结构的高层建筑物也越来越多，为了检测建筑物的表面工作是否存在安全隐患，人类必须要进行高空作业，但是高空作业难度系数高，危险性大，为了保障高空作业的安全性，人们不断研究能够进行钢结构检测用的攀行机器人来代替人类进行高空作业。检测用攀行机器人要求能够沿着钢结构表面进行攀行，在攀行过程中，完成对钢结构建筑物表面的检测工作，机器人通过机身中间的一只三足电磁脚先吸附在建筑物3表面上，然后依靠步进电机将机器人的前进机构整体前移，再将安装在前进装置上的两对电磁脚降下来吸附在建筑物
9、表面上，再将机身中间的三足电磁脚提升通过步进电机将机身前移，这样便完成了机器人的攀行动作。机器人是通过电磁脚的交替运作来实现整体伸缩前进的。该机器人采用腿式交替伸缩的运动模式，可以提高其环境适应能力和越障能力，并且比履带式运动模式和三足旋转式运动模式具有良好的稳定性。2.2 机器人的结构设计本文的攀行机器人实质上是多足检测攀行机器人，即攀行机器人的腿要多于两条腿。对于攀行机器人来说稳定性是主要问题，需要考虑它的静稳定性和动稳定性。静态稳定性只考虑在支撑位形下重力的作用，而动态稳定性需要考虑重力和惯性力的共同作用。直观上讲，静态稳定性需要更多的接触点，也就是比动态稳定性需要更多的腿。跳跃机器人和
10、两腿步行机器人是步行机器人中依靠动态稳定性的例子。为了稳定时平衡，行走机器人需要具有运动结构，以提供平衡机器人重力的地面反作用力。两图 1 机身 图 2 前进机构Fig.1 Frame Fig.2 Forward gear腿机器人没有静态平衡能力，因为一条腿在转移时，身体只剩下一个接触点，不能提供保持平衡所须的力。所以在运动时，最少要求用三条腿来保持稳定。所以在机器人的机身中间设计了一个三足吸盘 2。维持静平衡一般四条腿，所以在机器人的结构设计时，在机器人的前后两端各安装了两只电磁脚，用来保证机器人的运动稳定。4如图 1 所示，机器人的基本结构框架采用铝板制作，即采用一块长 540mm宽275
11、mm高 170mm 的一块铝合金板作为机器人的机身，并制作成一个框架。电机安装在机器人的机身中间。机器人框架上端面三个 8 的孔是用来安装三个齿轮轴的，一个 70 的孔是用来安装机器人的回转机构，一个 50 的孔是用来安装步进电机的，在安装的时候要保证各齿轮之间是相互啮合的。框架的中间是空的，这样既节省了材料又减轻了机器人本身的重量。在机身框架中安装两根导轨，用来保证安装在机身中间的机器人前进机构可以自由伸缩，并能达到机器人的前进的行程要求。图 3 总体布局Fig.3 The overall layout图 2 是机器人的前进机构简图。前进机构前后两个 70 的圆孔用来安装机器人的升降机构，并
12、在升降机构的下边分别安装两个电磁脚，这样便保证了机器人的稳定性。前进机构总长 800mm，宽 175mm，中间是空的，在中间的两个薄板的内壁上分别安装两个齿条，用来和传动齿轮啮合，这样就可以使前进装置相对于机器人的机身运动了。采用这样设计的优点是将机器人分成机器人的机身和前进机构两个，能够保证机器人的传动稳定，运动的灵活性，精简了机器人的结构。它的整体布局结构如图 3 所示。整个机器人系统设计为两个自由度，将运动分解为两部分：移动部分和回转部分。移动部分占一个自由度，即使机器人前后的移动机构；回转部分占一个自由度，即控制机器人方向的旋转运动机构，这两个自由度之间没有耦合，相互不干扰。2.3 传
13、动系统设计传动装置的作用主要是将驱动元件的动力传递给机器人相应的执行部件，以实现5各种预定的运动。目前常用的传动方式有: 齿轮传动、皮带轮传动、链条传动、齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动、谐波减速传动以及螺旋传动等。齿轮传动具有效率高、传动比稳定、结构紧凑等优点，应用广泛；谐波减速传动具有体积小、结构紧凑、效率高、能获得大的传动比等优点，但存在扭转刚度较低且传动比不能太小的缺点 3；皮带轮传动可以实现过载保护，但存在弹性滑动，使用一段时间后易松弛，传动运转过程中还产生动载荷；链传动虽然成本低，但链传动的制造与安装精度要求低，不适合用在要求传递精度高的机构当中，链传动在两根平行轴间职能用于同向回转的传
14、动，运转时不能保持恒定的传动比，磨损后易发生跳齿，工作时候噪音大，不宜在载荷变化很大和急速反向的传动中应用，因此链传动常用于传动精度要求不高的场合。2.3.1 转向部分传动设计图 4 转向机构Fig.4 Steering mechanism本设计采用齿轮传动作为转向部分传动。齿轮传动的主要特点有：效率高，在常用的机械传动中，以齿轮传动效率为最高。如一级圆柱齿轮传动的效率可达 99%。这对功率的传递十分重要，因为即使效率只提高 1%，也有很大的经济意义；结构紧凑，在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小；工作可靠、寿命长，设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长
15、达一、二十年，6这也是其他机械传动所不能比拟的。这对机械传动来说有着很大的经济性和实用性；传动比稳定，传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用，也就是由于具有这一特点。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，不宜用于传动距离大的场合 4。综合齿轮传动的各项特点，齿轮传动能保证攀行机器人回转精度，且能保证结构紧凑，故选择齿轮传动作为转向装置传动方案，如图 4 所示2.3.2 前进机构传动设计图 5 前进机构Fig.5 forward gear机器人的前进机构运动主要依靠齿轮齿条进行动力的传递。选用齿轮齿条传递，主要是考虑机器人的内部结构的要求，将齿条安装固定在前进装置的内
16、表面上，这样便于与齿轮啮合，传递齿轮所传递的驱动力，使机器人前进。如图 5 所示。2.3.3 升降机构设计升降机构用于调节攀行机器人底盘高度，以便于跨越障碍，适应复杂攀行表面。机器人的升降机构采用的是蜗杆传动，蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意值，通常用的为 90。这种传动由于具有下述特点：1）当使用单头蜗杆（相当于单线螺纹）时，蜗杆旋转一周，涡轮只转过一个齿距，因而能实现大的传动比。在动力传动中，一般传动比 i=58；在分度机构或者手动机构的传动中，传动比可达 300；若只传递运动，传动比可达 1000。由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧
17、凑；2）在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和涡轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对较多，故冲击载荷小，传动稳定，噪音低；73）当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性。蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大，工作条件不够良好的时候，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过热，使润滑情况恶化。因此摩擦损失较大，效率低 5。图 6 蜗杆机构Fig.6 Worm and worm wheel mechanism本设计采用的是环面蜗杆传动，如图 6 所示。环面蜗杆的传动特征是，蜗杆体在轴外的外形是以凹圆弧为母线所形成的旋转曲面 6。
18、在这种传动的啮合带内，涡轮的节圆位于蜗杆的节弧面上，亦即蜗杆的节弧沿涡轮的节圆包着涡轮 7。在中间平面内，蜗杆和涡轮都是直线齿廓。由于同时相啮合的齿对多，而且齿轮的接触线与蜗杆运动的方向近似于垂直，这就大大改善了轮齿受力情况和润滑油膜形成的条件，因而承载能力约为阿基米德蜗杆传动的 24 倍，效率一般高达 0.850.9；但它需要较高的制造和安装精度 8。2.4 驱动系统分析与设计机器人驱动系统的设计往受到作业环境的限制，同时还要考虑价格因素的影响以及所能达到的技术水平。目前机器人的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电气驱动三种形式。液压驱动系统能够提供较大的驱动压力和功率，具有结构简单、性能稳
19、定等特点，液压伺服驱动系统响应速度快，可达到较高的定位精度和刚度，但油路系统复杂，工作性能受环境影响较大，移动性能差，且易造成泄漏现象，常用于要求提供较大驱动力矩、对移动性能要求差的特大功率机器人系统中。气动系统具有结构简单、动作迅速，可在恶劣的环境中工作，但气动装置也存在噪声问题，只适用于精度要求不高的点位系统中。电气驱动系统具有精度高、控制准确、响应迅速等优点。综合考虑各种驱动式的优缺点，选用电气驱动方式 9。电气驱动方式包括普通电机、直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机以及力矩电机等驱动方式。伺服电机转子惯量小、动态特性好，由伺服电动机所构成的机器人8驱动系统具有运行精度高、调速范围广、
20、速度运行平滑、具有高可靠性并易于控制等优点，交直流伺服电动机己成为机器人驱动系统的主流，直流伺服电动机的电刷易磨损形成电火花，限制了其应用范围。近年来随着交流调速技术的迅速发展，交流电机的驱动系统得到了广泛的应用，但是交流伺服电机必须采用闭环控制方式，这种复杂的控制系统造成控制成本大大提高。随着集成电路技术的发展，伺服系统的价格在大幅度降低，可靠性也得到了提高。步进电动机是一种可以直接将数字脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件，具有控制简单、响应速度快、工作可靠、无累计误差等优点。它能够直接接受数字信号，无需中间转换，直接输出的位移量与输入数字脉冲量相对应，能实现直接的数字控制。步进电机以开环
21、方式工作，可省去伺服电机驱动装置中位置检测与反馈部分以及 A/D, D/A 转换，从而简化了系统结构，使控制成本大大降低。步进电机的位置和速度控制简单，具有一定精度，使用与维护都很方便。总合以上因素，在本设计中采用步进电机驱动 10。3 机器人参数计算3.1 步进电机型号选用 BF 系列 55BF005 型号卧式步进电机，电机技术数据见表 1。表 1 电机参数Table1 Motor parameters相数 额定电压/V静态电流/A步距角/保持转矩/Nm空载起动频率/P1s外形总长/mm3 30 3 3.75/7.5 0.343 16000 703.2 齿轮传动设计3.2.1 选择材料，精度
22、及参数大齿轮：45 钢，调质， ，取2517HB2401HB小齿轮：45 钢，正火， ，取62 9齿数： 18Z 386.21iZ传动比： .8/3/2u选择精度等级 8 级。3.2.2 按齿面接触强度设计9由公式 （1）321t1t TK 2.dHEdZiu试选载荷系数 Kt=1.3计算小齿轮传递的转矩（2）mNnPT 45151 1038.790./0.9查表取齿宽系数 =1d查得材料的弹性影响系数 MPaZE.按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限为 Pa506Hlim1大齿轮的接触疲劳强度极限 ；05Hlim2计算应力循环次数（3）9h01 107.2381976jLNn（4）12 0
23、./.i查得接触疲劳寿命系数 KHN198.KHN2计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%，安全系数 S=1 则（5）MPaSHNH58609.1lim1 （6）K39.2li2计算小齿轮分度圆直径 ，代入 中较小的值1tdH321t1t T 2.dEdZiu=48.546mm3245398.16.07.8 . 计算圆周速度 Vsm/87.1064.81.06nd1t 计算齿宽 b（7）dt 54.8.110计算齿宽及齿高之比 b/h模数 297./Zdm1tt齿高 m16.5.5ht.4648/b/计算载荷系数根据 V=2.96m/s,精度等级 8 级,由图查得 ,直齿轮,假设1.0KV,由
24、表查得 ,由表查得使用系数 ,由表查得 8 级10N/m/bFKtA2.kHF 1A精度,小齿轮相对支承非对称布置时:bd32H 10.)6.01(8.5将数据代入则456.18. 32由 =9.78, 查图得 ,故载荷系数b/h45KH 2.KF（8）96.1.VA按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径( )1.4tmdtt 42.503./92.546.8/331 计算模数 mZ7.1/2.0/13.2.3 按齿根弯曲强度设计由图查得小齿轮的弯曲疲劳极限 MPa390FE1大齿轮的弯曲疲劳极限 4FE2查图得弯曲疲劳寿命系数 ,86.1NK2.N计算弯曲疲劳许用应力,取弯曲疲劳安全系数 S=1.4,则 PaSKFENF 57.2394.08611 MFEF .22计算载荷系数 K 742.13.21.FVA查取齿形系数由表查得 7.21Y6.2查取应力校正系数
