检测用攀行机器人结构设计

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 analysis

3、 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 前言机器人

4、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年日本首次研制成功壁面

5、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。哈尔滨理工大学研制成功测量

6、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际要求，采用直线导轨作为传动元

7、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不相同，工作条件不同，导致攀行

8、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表面上，再将机身中间的三足电磁脚

9、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。跳跃机器人和两腿步行机器人是步行机器人中依靠

10、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。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275mm×高170mm的

11、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，并在升降机构的下边分别安装两个电磁脚，这样便保

12、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

13、给机器人相应的执行部件，以实现各种预定的运动。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动，运转时不能保持恒定的传动比，磨损后易发生跳齿，工作

14、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，寿命可长达一、二十年，这也是其他机械传动所不能比拟的。这对机械传动来

15、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

16、5所示。2.3.3 升降机构设计 此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩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

17、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驱动系统具有运行精度高、调速范围广、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

18、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

19、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/º保持转矩/N·m空载起动频率/P·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，精度及参数 大齿轮：45钢，调质，取 小齿轮：45钢，正火，取齿数： 传动比：选择精度等级8级。3.2.2 按齿面接触强度设计 由公式 （1） 试选

20、载荷系数Kt=1.3 计算小齿轮传递的转矩 （2） 查表取齿宽系数=1查得材料的弹性影响系数 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限为 大齿轮的接触疲劳强度极限； 计算应力循环次数 （3） （4） 查得接触疲劳寿命系数 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） （6） 计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 =48.546mm 计算圆周速度V 计算齿宽b （7） 计算齿宽及齿高之比b/h 模数 齿高 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,由表查得,由表查得使用系数,由表查得8级精度,小齿轮相对支承非对称布置时: 将数据代入则 由=9

21、.78, 查图得,故载荷系数 （8）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径() 计算模数m3.2.3 按齿根弯曲强度设计由图查得小齿轮的弯曲疲劳极限 大齿轮的弯曲疲劳极限 查图得弯曲疲劳寿命系数, 计算弯曲疲劳许用应力,取弯曲疲劳安全系数S=1.4,则 计算载荷系数K 查取齿形系数由表查得 查取应力校正系数由表查得 计算大小齿轮的并加以比较 由此可见小齿轮的数值大 （9） 可取由弯曲强度算得的模数2.116mm，并就圆整为标准值2.5mm按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数: 大齿轮齿数: 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度11。 计算分度圆直径:

22、计算中心距: mm （10） 计算齿轮宽度: 齿宽取 （11） 齿根高: （12）齿全高: （13）验算故满足要求。3.3 轴的设计图7 轴Fig.7 axis求输出轴上的功率P,转速n和转矩T初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45钢，调质处理，根据表查取，于是得 (14)轴的尺寸如图7所示，左轴承与齿轮左端面之间用端盖定位,因轴承主要承受径向载荷的作用，故选用深沟球轴承。根据，由轴承产品，目录中初步选0基本游隙组，标准精度级选用深沟球轴承626，其尺寸为。选用深沟球轴承628，其尺寸为 ； ； ; 。3.4 连接件的选取攀行机器人上的零件紧固一般采用螺纹紧固、焊接和铆接等12，其连接的具体情

23、况如下：3.4.1 螺栓连接这种连接是在被连接件上开通孔插入螺栓后在螺栓的另一端拧上螺母。这种连接结构的特点是在被连接件的通孔和螺栓间留有间隙，通孔的加工精度要求低，结构简单，装拆方便，使用时不受被连接件的限制，因此应用很广，该连接的缺点是连接精度低，容易松脱13。3.4.2 螺钉连接这种连接的特点是螺栓直接拧进被连接件的螺纹孔中而不用螺母，在结构上比双头螺栓联结简单紧凑。其用途和双头螺栓相似，但经常拆装时，易使螺纹孔磨损，可能导致被连接件报废，故多用于受力不大，或不需要经常拆装的场合14。3.4.3 铆接用于机器人的连接部位不需要拆除或不便于钻大孔处的连接，如机器人方形杆之间的连接15。3.

24、4.4 焊接 机器人底盘加固梁和承受载荷较大的部分采用焊接15。3.5 机身结构尺寸设计 机身壁厚： 顶盖壁厚： 固定步进电机螺钉数目：n=4 端盖和电磁铁固定用螺栓直径：3.6 密封和润滑 齿轮的润滑采用油润滑，轴的润滑采用脂润滑。 在各个轴承端盖定位盖处安装0型密封圈密封。 在输入和输出轴的轴承端盖处设置环形槽，用垫圈密封。4 零件校核4.1 轴的校核齿轮与轴的周向定位用平键连接。按查得平键截面尺寸，键槽用键槽铣刀加工。为保证齿轮与轴有良好的对中性，故选轮毂与轴的配合为，倒角为。4.1.1 水平面内的受力 选用的是628型深沟球轴承，a=26.5mm。 =11.5mm mm mm =11.

25、5mm mm mm mm 各个力对A点取矩,则求得竖直方向合力求得 B点的弯矩mm4.1.2 弯矩图与扭矩图图8 受力分析Fig.8 Stress analysis 由总弯矩图和扭矩图可知,截面B受力最大,故截面B处为危险截面。如图8所示。4.1.3 按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴上的承受最大弯矩和扭拒的截面B的强度，取=0.6，则轴的计算应力 （15）轴的材料为45钢，调质处理，则,故,轴的强度符合要求。4.1.4 轴承寿命计算 圆锥滚子轴承32911的额定动载荷为66.8KN,圆锥滚子轴承32912的额定动载荷为73.0KN，则 （16）4.2 键的校核4.2.1 轴上键的校核 键 ，则

26、 （17）根据材料查得，所以，满足要求。4.2.2 步进电机轴上键的校核键GB/T1095-2003， ，则，根据材料查得所以，满足要求。5 电磁脚的设计此机器人为检测用攀行机器人，且针对钢结构的攀行，故可考虑使用真空吸盘或电磁吸盘。若采用真空吸盘，则需采用空气压缩机及气压管路元件，设备要求高，成本高，达到吸附稳定的要求难度大。若用电磁吸盘，采用电磁铁控制，则需采用电源控制电磁铁的通断，结构和控制都较真空吸盘简单，故本机器人采用电磁吸盘。机器人的电磁脚是由吸盘、主传动机构、转角机构、运动转换机构、控制系统以及电源等部分组成，其中主传动机构是其关键技术。电磁脚的基本尺寸为，脚的直径72mm，高度

27、42mm，内部结构主要有铁心、脚底、隔磁环、磁盘、卡环、线圈、轴承、挡圈和球形环节等。电磁脚由螺钉固定在升降结构的连杆上，这样就可以保证在步进电机带动齿轮齿条运转时，机器人的电磁脚便可以实现升降工作。最高可以抬升60mm，这样便能实现机器人的跨越障碍能力，保证了机器人攀行的顺利。如图9所示。图9 电磁脚Fig.9 Electromagnetic feet6 机器人检测装置分析本设计为钢结构检测用攀行机器人设计，检测方案的设计也是本设计的一个重点，现代的检测技术已经十分发达了，种类也十分繁多，但是要将这些技术用于机器人身上，就需要在机器人身上安装传感器。为了方便设计并且也能达到钢结构表面的检测要

28、求，最直接的方法就是在机器人的前端安装一个微型摄像头，并将钢结构表面的状况通过传感器反馈回来。但由于安装摄像头只能看到一些表面的现象，对内部缺陷还不能作出具体的判断，这就需要安装传感器来完成，本设计选用电涡流式传感器。6.1 电涡流传感器块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流在导体内是闭合的，称为涡流。 涡流的大小与金属体的电阻率、磁导率、厚度t、线圈与金属体的距离X以及线圈的激励电流频率f等参数有关。固定其中若干参数，就能按涡流大小测量出另外一些参数。 涡流传感器的特点是对位移、厚度、材料缺陷等实现非接触式连续测量，动态响应好，灵敏度

29、高，工业应用广泛。涡流传感器在金属体内产生涡流，其渗透厚度与传感器线圈的激励电流的频率高低有关。所以涡流传感器分为高频反射式和低频透射式两类。6.2 高频反射电涡流传感器 涡流传感器的工作原理如图10所示。高频信号加在电感线圈L上，L产生同频率的高频磁场作用于金属表面，由于趋肤效应，高频电磁场在金属板表面感应出涡流i，涡流产生的反磁场反作用于，使线圈的电感和电阻发生变化，从而使线圈阻抗变化。传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为Z = F（，f，x）由于涡流效应，金属板电阻率、磁导率、线圈半径r、线圈激励频率f以及线圈与金属板距离x的变化均会引起线圈阻抗Z的变化。如果，f参数已定，

30、Z成为线圈与金属板距离x的单值函数，由Z可求出x。图10 涡流传感器原理Fig.10 Principle of eddy current sensor7 控制分析 机器人要实现的向上攀爬的动作，需要实现的动作分别是中心电磁脚的吸合，前脚的抬起，前脚的前伸，前脚的下放吸合等。机器人要实现转向动作，需要执行的动作分别是中心电磁脚的吸合，前后脚抬起，转向机构转向，前后脚的下放等，各步动作均由软件协调控制16。机器人驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制，同时还要考虑价格因素的影响以及所能达到的技术水平。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、

31、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。另外，步进电机的抗干扰能力强、无累计定位误差，可重复反转而不损坏，并且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17。 电机2前腿升降齿轮转动后腿升降电机1电机3机器人攀行前进检测机构执行任务图11 驱动控制 Fig.11 Drive control8 结论 本文在参考近几年机器人领域取得重大成果的基础上，结合攀行机器人和检测机器人这个课题，对检测用攀行机器人进行了机械结构设计、同时，对传动方式和控制系统进行了研究和分析，本论文的研究主要取得了以下

32、成果:1）对钢结构检测用攀行机器人采用机械电子学思想进行了总体设计。立足于机电一体化的观点，对机器人的机械结构形式、驱动装置、传动方式等各组成部分进行了较为全面的分析，最后得出钢结构检测用攀行机器人机械结构的总体方案，提出用步进电机驱动，用齿轮、齿轮齿条和导轨传动力和扭矩1819。2）根据钢结构检测用攀行机器人的结构特点，对前进机构的运动方式和特点进行了详细的分析。采用步进电机来控制齿轮的扭矩和动力传递，防止扭矩和力过大，使前进机构损坏。 3）采用齿轮齿条来进行机器人回转升降机构的控制，这部分的设计比较复杂，尤其是回转装置的结构和安装位置的确定，通过查阅资料和分析整体结构，最后决定把机构安装在机器人机架的中心部位，这样既可以使结构紧凑，又可以使机器人的受力均匀，保持机器人的运动稳定20。通过以上的工作，从总体结构分析和驱动系统的设计和制造，最终实现了钢结构检测用攀行机器人的简单、实用的整体设计方案。参考文献1 刘淑霞，王炎，徐殿国等.爬壁机器人技术的应用J.机器人，1999，21(2): 148-155.