創(chuàng)新SIT多功能爬壁機器人

1、湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項 目 申 報 表項目名稱: 多功能爬壁機器人學(xué)校名稱湖南大學(xué)學(xué)生姓名專 業(yè)性 別入 學(xué) 年 份金睿工程力學(xué)男2013李雷機械設(shè)計制造及其自動化男2012王琨淇機械設(shè)計制造及其自動化男2012韓進(jìn)華機械設(shè)計制造及其自動化男2012指導(dǎo)教師金秋談職稱副教授學(xué)科專業(yè)機械設(shè)計理論學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況湖南省工程模型設(shè)計制作大賽 獲省級二等獎大學(xué)生工程能力訓(xùn)練大賽 獲省級三等獎挑戰(zhàn)杯湖南大學(xué)校賽 獲校級一等獎指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況1995-2003參與小型水稻聯(lián)合收割機研發(fā)，通過省級成果鑒定，2002年參與類菱形新概念成研發(fā)，2006年參與四輪三軸月球車的結(jié)構(gòu)設(shè)

2、計及著陸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計；本項目為教育部的重點項目。2008年參與無人駕駛汽車機械結(jié)構(gòu)設(shè)改造設(shè)計；獲全國智能車大賽冠軍。2010年參與中氣子項“基于新概念通用底盤的關(guān)鍵技術(shù)研究”，2014年主持重慶市“151”汽車產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型重大專項-C級車AMT變速箱摘掛擋及離合器執(zhí)行器開發(fā)，2006年指導(dǎo)學(xué)生參與全國第二屆大學(xué)生機械設(shè)計創(chuàng)新大賽，項目獲國家級三等獎，2011級評為優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師，2012年第五屆全國大學(xué)生機械設(shè)計創(chuàng)新大賽二等獎，2012年獲全國大學(xué)生挑戰(zhàn)杯銀獎。2013年獲全國大學(xué)生挑戰(zhàn)杯省賽二等獎。指導(dǎo)SIT國家級重點項目五項，組織第五屆、第六屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽湖南大學(xué)選拔賽

3、，兩項發(fā)明專利（第一作者）。項目研究和實驗的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題1、項目研究的目的和要解決的主要問題：現(xiàn)代城市高樓林立，采用的瓷磚或玻璃結(jié)構(gòu)的大廈壁面常年裸露在外，需要進(jìn)行維護(hù)和清潔。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，迄今為止，這類工作仍由人工搭乘吊籃完成，不僅效率低、成本高，而且對人身安全和大樓壁面構(gòu)成極大威脅，下圖中的“蜘蛛俠”想必我們已經(jīng)司空見慣。 圖1 瓷磚墻壁 圖2 玻璃幕墻 圖3 人工高空外墻清洗 圖4 城市蜘蛛俠并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生活趨向自動化、智能化，琳瑯滿目的機器人有效地提高了生產(chǎn)、生活效率，改進(jìn)生產(chǎn)、生活質(zhì)量。同時在國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006

4、-2020年）中，明確指出將機器人作為未來優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略高新技術(shù)。綜上所述研究并制作一種爬壁機器人，代替人類從事危險性與重復(fù)性高的體力活動，為人們的生活提供更大的安全和方便，刻不容緩。并且，現(xiàn)在市場上的壁面清潔機器人類型較少并且很雜，普遍采用的是真空吸附交替行走的足爬方式。其真空吸附分為單吸盤和多吸盤兩種形式，單吸盤無冗長性，一旦不抽風(fēng)便立刻會脫落；多吸盤的壁面若有凸凹或裂縫則會產(chǎn)生真空泄漏，兩種吸附都不盡人意，并且清潔機器人體積比較大，清潔過程很復(fù)雜。查詢已有專利號為CN 104216407 A公布的一種爬墻機器人（圖5），它的主要結(jié)構(gòu)包括蝸輪吸附裝置、驅(qū)動裝置和清理裝置，其工作原理是利用渦

5、輪11產(chǎn)生氣壓差使遙控車主體10吸附在墻面，驅(qū)動車輪102控制車主體10在墻面上爬行，爬行過程中清理裝置16會對經(jīng)過的墻面進(jìn)行清理。上述技術(shù)方案利用類似于直升機螺旋槳的原理而設(shè)計，盡管能產(chǎn)生吸附，但是對蝸輪葉片的轉(zhuǎn)速要求高，功率要求大，從而使整個裝置體積大，質(zhì)量重，不方便操作、攜帶和移動。此外功能單一，不適合復(fù)雜的工作環(huán)境，成本高；此機器人的出現(xiàn)標(biāo)志著爬壁機器人興起于清潔領(lǐng)域。圖5 已有專利爬壁機器人 與此同時，如今常用投影設(shè)備是固定的，不能全方位全角度攝影與自拍。最近風(fēng)靡的自拍神器自拍桿，也受到距離的限制。該爬壁機器人可在壁面上攜帶微型攝像頭任意行走，自動捕捉識別人臉，圖像通過藍(lán)牙自動傳輸至

6、移動終端設(shè)備，帶來極大便利。此外在機器人上可配備微型投影儀，通過控制系統(tǒng)輸入源文件，經(jīng)過融合調(diào)試，組建成顯示系統(tǒng)。隨著機器人運動而形成移動的投影，可有效地渲染各種效果。我們也注意到，墻繪作為建筑物的附屬部分，它的裝飾和美化功能使它成為環(huán)境藝術(shù)的寵兒。目前墻繪普遍均由人工繪制而成（如圖7），耗時長，對工人水平要求高。在機器人功能末端上安裝可拆卸的顏料繪筆，通過控制系統(tǒng)，在移動終端設(shè)備上輸入需要的繪畫程序，通過控制機器人運動軌跡完成墻繪。人工與機器特點對比見表1。人工墻繪機器墻繪缺點：對工人技術(shù)要求高、效率較低，成本高、工作時所占空間較大，一般只能在裝修期間進(jìn)行繪圖。優(yōu)點：能繪制出較為規(guī)整復(fù)雜的圖

7、形，成本低、效率高、工作時所用空間較小，不受空間限制。 表1 人工與機器特點對比 圖6 人工墻繪 鑒于此，我們小組通過市場調(diào)研和論證后決定設(shè)計一種高效的便攜式多功能爬壁機器人來彌補這方面的空白。2、研究內(nèi)容和要解決的問題：該項目以高層建筑作業(yè)比較困難為創(chuàng)意來源，通過真空式主輔雙層四吸盤實現(xiàn)真空吸附，可以跨越縫隙，氣密性好，安全性高；采用大變形柔性鉸鏈，實現(xiàn)豎直平面至天花板的翻轉(zhuǎn)；通過變速箱減速，由主軸驅(qū)動硅膠履帶實現(xiàn)靈活運動與轉(zhuǎn)向；該機器人集機械結(jié)構(gòu)，電氣控制，終端操縱于一體，是一臺機電一體化、自動化、智能化的代表產(chǎn)物，可廣泛應(yīng)用于生活各個方面。對于普通家庭，可作為清潔利器，能清潔有縫隙的多種

8、壁面，在各個墻面間實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)；對于電器愛好者，可作為二次開發(fā)的模型，制作出更加便利的產(chǎn)品；對于學(xué)校或科普館，該機器人可用于科普教育，開啟學(xué)生想象力大門的鑰匙；對于高層維護(hù)人員，降低高層建筑的作業(yè)成本，改善工人的勞動環(huán)境的同時提高了勞動生產(chǎn)率；對于產(chǎn)品宣傳，移動投影作為“可移動的電視”，給產(chǎn)品潤色了許多；同時，作為一款拓展性強大的產(chǎn)品，可以用作攝像、自拍、墻繪等功能，也可用作監(jiān)控、壁面檢查等安全功能；以求用途廣泛，達(dá)到更高的實用價值。主要功能拓展功能本作品用于自動清潔瓷磚、玻璃、粉刷墻等壁面，實現(xiàn)壁面間翻轉(zhuǎn)且可跨越縫隙。附帶多功能工具箱，手動更換功能區(qū)攜帶的工具，可以實現(xiàn)移動投影、全方位攝影以及墻

9、繪。表2 功能簡表國外爬壁機器人的發(fā)展概況：爬壁機器人是一種能夠在壁面爬行作業(yè)的機器人，過去的幾十年里在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展。早在1966年，大阪府立大學(xué)利用電風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)低壓空氣產(chǎn)生的負(fù)壓作為吸附力，制作了一臺垂直壁面移動機器人的原理樣機，這被看作是爬壁機器人研究的開端。而后，日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出了磁吸附爬壁機器人，它可以吸附在各種大型構(gòu)造物如油罐、船舶等的壁面，代替人進(jìn)行檢查或修理等作業(yè)。1990年以來，西班牙馬德里CSIC大學(xué)工業(yè)自動化研究所研制出一種6足式爬壁機器人，該機器人為磁力吸附式，具有較大的靜載荷，掀起了爬壁機器人在工業(yè)上應(yīng)用的熱潮。國外在爬壁機器人的研制和生產(chǎn)上，日本、俄

10、羅斯、美國等國起步較早，早在20世紀(jì)70年代開始，這些國家就開始了大量的研究與制造；此后的四十年里，爬壁機器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展，相繼研制出了不同種類的樣機，大部分已經(jīng)投入實用。目前這些先進(jìn)工業(yè)國家爬壁機器人技術(shù)處于國際先進(jìn)水平，在部分領(lǐng)域甚至還處于壟斷地位。近年來，發(fā)達(dá)國家紛紛將突破爬壁機器人技術(shù)、大力發(fā)展爬壁機器人產(chǎn)業(yè)作為自己的發(fā)展目標(biāo)之一，并將此產(chǎn)業(yè)作為新世紀(jì)拉動國民經(jīng)濟(jì)增長的重要引擎。國內(nèi)爬壁行機器人的發(fā)展概況：和國外相比，國內(nèi)爬壁機器人的研究起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，與國外的主要差距體現(xiàn)在自主研發(fā)能力落后于世界先進(jìn)水平、產(chǎn)學(xué)研脫節(jié)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，創(chuàng)新體系建設(shè)尚處于起步階段。但近幾年已取得了

11、很大進(jìn)步。在國內(nèi)自1988年以來，在國家“863”高技術(shù)計劃的支持下。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附兩個系列的5種型號壁面爬行機器人。其中我國第一臺壁面爬行遙控檢測機器人，采用負(fù)壓吸附，全方位移動輪，用于核廢液儲存罐罐壁焊縫缺陷檢測。上海大學(xué)也較早開展高樓壁面清洗作業(yè)機器人的研究，先后研制出垂直壁面爬壁機器人和球形壁面爬壁機器人。由于傳統(tǒng)爬壁機器人具有很多不足之處（如對壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強，跨越障礙物的能力弱，體積大，質(zhì)量重等），因此未來爬壁機器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實用化的方向發(fā)展。面對當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，針對我國服務(wù)機器人發(fā)展中存在的不足，“十二五”期間，國

12、民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展對我國服務(wù)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也提出了新的要求；并且隨著國民經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，推進(jìn)國家民生科技領(lǐng)域的應(yīng)用，可以預(yù)見，爬壁機器人作為一種戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)， 必將迎來新的巨大的發(fā)展空間。本項目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績該項目已獲湖南大學(xué)校級sit立項資格該作品已通過湖南大學(xué)挑戰(zhàn)杯初賽，進(jìn)入省賽項目的創(chuàng)新點和特色1、功能設(shè)計創(chuàng)新1）本產(chǎn)品主要用于玻璃、瓷磚、粉刷墻面等壁面的清潔，并且可以工作于有縫隙的壁面，清潔效率高，實用性強。2）通過控制子母機的相對旋轉(zhuǎn)可使機器人從任一壁面翻轉(zhuǎn)至另一壁面，如自豎直壁面翻轉(zhuǎn)至天花板。3）通過WIFI實現(xiàn)移動終端APP對機器人的控制與管理，時尚便捷。

13、4）附帶多功能工具箱，連接微型投影儀，實現(xiàn)移動投影；連接顏料繪筆，實現(xiàn)墻繪；連結(jié)攝像頭，實現(xiàn)多角度攝影、自拍；功能豐富，可操作性好，娛樂性強。2、結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新1)采用真空式吸盤結(jié)構(gòu)，內(nèi)層主吸盤采用三角形最優(yōu)化的布局結(jié)構(gòu)，在存在壁縫的情況下，能夠保證至少有一個工作吸盤處于工作狀態(tài)，增加了對壁面適應(yīng)性，使用更安全。2）采用主輔雙層吸盤結(jié)構(gòu)，外層輔助吸盤形成初步真空，三個內(nèi)層主吸盤在初步真空中進(jìn)一步形成真空，吸附力增大，氣密性提高，大大降低主吸盤因為泄漏而失效的機率，運行更穩(wěn)定。3）大變形柔性鉸鏈具有變形大、疲勞強度高等特點，可通過其實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)功能，無需任何輔助動力且結(jié)構(gòu)簡單，自適應(yīng)性好，成本低。項目

14、的技術(shù)路線、進(jìn)度安排及預(yù)期成果1、技術(shù)路線：通過查閱相關(guān)資料，將整個設(shè)計過程分為方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和制作調(diào)試三個階段。在產(chǎn)品方案設(shè)計階段，通過市場調(diào)研、需求分析、預(yù)測及可行性分析，確定任務(wù)設(shè)計書，根據(jù)任務(wù)設(shè)計書進(jìn)行產(chǎn)品功能原理的設(shè)計。經(jīng)過對設(shè)計任務(wù)的抽象，建立功能結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)品設(shè)計模塊分為吸附系統(tǒng)，運動系統(tǒng)，翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。其主要設(shè)計過程如圖7。圖7.設(shè)計流程圖建立功能結(jié)構(gòu)后，對設(shè)計任務(wù)進(jìn)行抽象，確定本質(zhì)功能，然后建立功能結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜的總功能（爬壁）分解成相對較簡單、相互聯(lián)系的分功能（吸附、運動、翻轉(zhuǎn)等），通過以下所述實現(xiàn)各種功能，確定設(shè)計方案。1）吸附功能的實現(xiàn)吸附功能是爬壁機器人的根本

15、要求。目前吸附方式主要有真空吸附、磁吸附和推力吸附三種方案。每一種吸附方式都有顯著的特點和限制條件，與工作環(huán)境的要求、壁面的結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)、高度、表面質(zhì)量以及幾何形狀密切相關(guān)。所以，吸附方式的選擇必須綜合考慮上述各種因素的影響，如何求得一個最優(yōu)解決方案，以及評價標(biāo)準(zhǔn)是我們必須面對的問題。推力吸附利用直升機原理，由螺旋槳產(chǎn)生的高速氣流產(chǎn)生始終指向壁面的推力，從而實現(xiàn)了機器人的吸附功能，該吸附機構(gòu)噪聲很大且效率很低,所以首先排除,在真空吸附以及磁吸附之間進(jìn)行選擇。真空吸附與磁吸附優(yōu)缺點對比見表3。吸附種類單吸盤真空吸附多吸盤吸附磁吸附電磁吸附對墻面光潔度要求一般一般較低較低對墻面材質(zhì)要求不高不高鐵

16、金屬鋼鐵金屬是否備氣泵帶帶不帶不帶對墻面?zhèn)Τ潭纫话阈〈蟠笪椒€(wěn)定性低較高較低較高表3 真空吸附與磁吸附優(yōu)缺點對比鑒于建筑物壁面的非導(dǎo)磁性,爬壁機器人多采用真空吸附方式,通常是依靠抽風(fēng)機、真空泵等真空發(fā)生設(shè)備在機器人的吸盤和墻壁的接觸面間形成負(fù)壓,依靠壓差使機器人吸附在墻壁上。在日常生活中，真空吊具隨處可見；真空吊具真空能量存儲在真空蓄能器里，主要是依靠真空源在抽空吸盤內(nèi)部的空氣產(chǎn)生真空，使用時不僅對表面無傷害，而且操作簡單，安全性高。通過觀察日常生活中的真空吊具，我們根據(jù)需要設(shè)計出綜合以上優(yōu)點的主輔真空吸盤。該吸盤由圓形的耐磨塑料制成，輔助吸盤包圍三個主吸盤，此種方式的優(yōu)勢是減小了吸盤失效的

17、可能性。2）運動功能的實現(xiàn)要求：1）可驅(qū)動真空吸盤運動； 2）結(jié)構(gòu)簡單，移動速度快，適應(yīng)能力強； 3） 壁面光滑且絕緣，無其他輔助裝置；方案一：車輪式（圖8）: 外形與汽車相似，有四個小型車輪，后面兩個車輪通過電機驅(qū)動，控制電機的運動方向與速度，實現(xiàn)機器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。機械結(jié)構(gòu)簡單，控制簡單便捷，運動靈活，但是與墻壁之間屬于線接觸，摩擦力小，須特制車輪以防止打滑。圖8 輪式運動方案二：履帶式（圖9）：爬墻機器人采用的是履帶輪作為移動機構(gòu)。履帶式爬墻機器人可以連續(xù)運動，因此可以提高移動速度。它的最大爬行速度可以達(dá)到15m/min，其控制方式和車輪式一致，簡單便捷，通過編程控制兩側(cè)電機的運轉(zhuǎn)

18、方向、速度，實現(xiàn)機器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。不僅與壁面的接觸面積大，適應(yīng)能力強，而且硅膠履帶增強吸附能力，提高與壁面的摩擦力，能有效的防止移動打滑。圖9 履帶運動方案三：足腳式（圖10）：通過動物仿生，設(shè)計四足爬行（類似壁虎），需要設(shè)計多項關(guān)節(jié)和肢體，技術(shù)要求高。同時驅(qū)動裝置眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積和重量增大，成本大大提高。此方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作和控制難度較大，工藝性差，效率較低。表4 運動方式對比圖10足腳式運動根據(jù)上述要求，通過查找論文等資料建表4，結(jié)合實際情況綜合考慮，采用方案二。3)翻轉(zhuǎn)功能的實現(xiàn)方案一：采用電機控制的行星輪式結(jié)構(gòu)，在母機的末端裝有伺服電機驅(qū)動裝置，同時傳動出的動力通過相嚙合齒

19、輪及兩端的裝配形成行星輪機構(gòu)；子機與母機末端帶有連接裝置，通過電磁繼電器控制其翻轉(zhuǎn)處的聯(lián)接，此時還需攜帶傳感器等設(shè)備。制作成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且給機器人本身重量帶來負(fù)擔(dān)。如下圖11所示，功能拓展區(qū)繞1轉(zhuǎn)動，伺服電機輸出動力通過齒輪3與齒輪4嚙合，齒輪3在繞2自轉(zhuǎn)的同時，也繞1公轉(zhuǎn)，形成行星輪機構(gòu)。 1.軸1 2.軸2 3.齒輪1 4.齒輪2 5.功能拓展區(qū)6.電磁繼電器 7.電動機 8.母機圖11 行星輪系翻轉(zhuǎn)機構(gòu)方案二：大變形柔性鉸鏈由彈性較大的橡膠材料制成,具有無摩擦、變形大、疲勞強度高等特點；當(dāng)使用大變形柔性鉸鏈時，其兩端凹槽為與母機與子機的連接端，中間為變形段，如圖12；當(dāng)連接的子母機

20、運動至需翻轉(zhuǎn)處時，前側(cè)機器人關(guān)閉動力源，后側(cè)擠壓前側(cè)機器人，與此同時前側(cè)機器人前端的翻轉(zhuǎn)輪與圓弧形結(jié)構(gòu)的設(shè)計使大變形柔性鉸鏈擠壓并逐漸帶動前側(cè)機器人翻轉(zhuǎn)，直至翻轉(zhuǎn)的那側(cè)的爬壁機器人與墻壁接觸，形成真空負(fù)壓，此時后側(cè)機器人關(guān)閉動力源。在此過程中通過壓力傳感器的檢測，完成由任一墻面向任一墻面上的翻轉(zhuǎn)。 圖12 大變形柔性鉸鏈綜合考慮兩種方案，方案二無需任何附加動力，且機構(gòu)簡單，自適應(yīng)性好，成本低，明顯優(yōu)于方案一，由此選擇方案二。4）控制功能的實現(xiàn)要求： 1)使用成本低，開發(fā)周期短； 2)可拓展性強，易于維護(hù)和更新； 3)系統(tǒng)穩(wěn)定，反映靈敏，操作方便；方案一：51單片機開發(fā)板與紅外遙控控制系統(tǒng): 即

21、以51單片機為控制核心，驅(qū)動各個運動部件及傳感器，綜合收集傳感器信息并分析，如下圖13所示；操作人員通過紅外遙控器進(jìn)行機器人的運動控制，與此同時51單片機通過對超聲波傳感器，壓力傳感器等信息的處理，綜合決定爬墻機器人的運動。（避免由于人為的誤操作，撞上障礙物或超過爬行壁面等，降低風(fēng)險保護(hù)機器。）圖13 51單片機控制系統(tǒng)框圖方案二：Arduino電路板下位機與WIFI上位機（平板、手機等智能終端）控制系統(tǒng)：即以AVR單片機為控制核心，基于Arduino開源電子原型平臺進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計，通過外圍壓力傳感器與距離傳感器，搭建起一個能自動避障、自動翻轉(zhuǎn)識別的系統(tǒng)，由 WIFI連接上位機Android

22、 APP進(jìn)行視頻實時畫面?zhèn)骰夭⑦h(yuǎn)程控制的爬墻機器人，系統(tǒng)聯(lián)系如下圖14所示。根據(jù)上述初始方案， 查找論文、書籍等資料。可知，Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號板）和軟件（IDE)。系統(tǒng)開發(fā)周期短，有許多成熟的庫文件，編程容易，調(diào)試方便，易于上手，外圍傳感器模塊化程度高，方便使用且成本低廉（控制板代碼見附件三）；開發(fā)Android APP 使用MIT的App Inventor可以方便的編寫好所需的APP程序；如今智能手機普及，通過Android應(yīng)用控制爬壁機器人，更加方便且不受位置限制。如果基于51單片機開發(fā)系統(tǒng)，開發(fā)難度高，編程代碼量大，切模塊化程度低

23、，不宜調(diào)試和維護(hù)；紅外遙控容易受機器人位置的影響而無法準(zhǔn)確的下達(dá)命令。因此，綜合各方面因素考慮，采用方案二。圖14 Arduino開發(fā)板控制系統(tǒng)框圖方案確定：根據(jù)系統(tǒng)結(jié)合法結(jié)合所有子功能，形成初步設(shè)計方案，再評價和篩選初步設(shè)計方案（主要通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價），確定吸附系統(tǒng)采用真空式的主輔雙層四吸盤結(jié)構(gòu)，移動系統(tǒng)采用硅膠式履帶，翻轉(zhuǎn)功能采用大變形柔性鉸鏈；下步將進(jìn)行技術(shù)設(shè)計階段，確定結(jié)構(gòu)原理方案，而后進(jìn)行總體設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計以及工藝設(shè)計。經(jīng)過方案論證與分析，最后確定以下結(jié)構(gòu)方案，通過對個結(jié)構(gòu)方案的計算分析（見附件一）與建模仿真（見附件二），證明了其理論上的正確性以及可行性。以下為最終結(jié)構(gòu)方案：在結(jié)構(gòu)方

24、案設(shè)計中，總體布局上采用簡單的對稱結(jié)構(gòu)，受力均勻,真空吸盤位于底盤中央，提供足夠的吸附力，硅膠履帶對稱布置，提供機器人移動的摩擦力驅(qū)使運動。零部件設(shè)計充分考慮強度、剛度、可靠性等機械性能，以及加工工藝性、產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等諸多因素?？紤]到部分零件是標(biāo)準(zhǔn)件、可以購買;同時除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多數(shù)都可以通過3D打印技術(shù)加工，由此可以節(jié)約制作成本。3D打印常用材料有尼龍纖維、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、橡膠類材料等。在查閱資料時發(fā)現(xiàn)，打印結(jié)構(gòu)的排斥性是很低的，換句話說，3D打印能夠打印出很多的結(jié)構(gòu)類型，甚至一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)對它來說也易如反掌利用3D打印“切片式”的原理，可以

25、非常便利的完成制作。加工零件見表5。序號名稱數(shù)量3D打印材料1底盤ABC塑料2吸盤ABC塑料3吸盤螺釘樹脂4履帶ABC塑料5履帶輪ABC塑料6安全閥樹脂7電機固定架樹脂8柔順鉸鏈橡膠表5 主要零件信息1）原動裝置原動裝置采用直流動電機和鋰電池作為動力源。鋰電池額定容量1000mAh，電壓12V。伺服電動機的額定電壓為12V，額定功率17W， 轉(zhuǎn)速780r/min，額定轉(zhuǎn)矩1.3N·M。鋰電池能量比較高，具有高儲存能量密度，使用壽命長，具備高功率承受力，便于高強度的啟動加速，體積小、重量輕，綠色環(huán)保，不論生產(chǎn)、使用和報廢，都不產(chǎn)生有毒有害重金屬元素和物質(zhì)。伺服電動機可使控制速度，位置精

26、度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有起動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速性能好，過載能力較強。據(jù)以上分析，我們確定采用原動裝置采用伺服電動機和鋰電池。2)抽氣裝置氣動隔膜泵是容積泵中較為特殊的一種形式，采用壓縮空氣為動力源，利用缸內(nèi)的隔膜來回鼓動做功，達(dá)到輸送各種介質(zhì)的目的。其原理(如圖15)是依靠一個隔膜片的來回鼓動而改變工作室容積來吸入和排出氣體的。1電機啟動驅(qū)動10凸輪，10凸輪經(jīng)軸承帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，從而使膜片來回運動發(fā)生形變。1電機驅(qū)動時使兩氣室分別同時處于吸氣和排氣的狀態(tài)，7飛輪充當(dāng)儲能裝置，使凸輪走

27、過死點。當(dāng)6膜片運動使2氣室中的體積增大時，吸盤中的氣體從5吸氣管經(jīng)4單向閥進(jìn)入氣室，當(dāng)6膜片運動使2氣室中的體積減少時，吸盤中的氣體從3吸氣管經(jīng)4單向閥從氣室中排出。從而將吸盤中的氣體吸出，形成真空。圖15 隔膜泵結(jié)構(gòu)示意圖選用優(yōu)勢：1)由于吸附裝置采用的是雙層吸盤機構(gòu)，需要雙氣泵或者氣泵與各種壓力閥聯(lián)合使用。兩種情況都會增大機器人的體積和質(zhì)量，布局和設(shè)計更加復(fù)雜，系統(tǒng)控制量增大。2)在機器人清潔過程中，可能含有較大顆粒的灰塵，使用普通泵會造成堵塞，而氣動隔膜泵則不僅不會發(fā)生此種狀況，且可以當(dāng)作是對壁面的再一次清潔。3)氣動隔膜泵可以空運行，安全性能好。在泵將吸盤中抽成相對真空時，泵會停止下

28、不被燒壞，提高了整個機器人的安全性能。4)無需復(fù)雜的控制系統(tǒng)，體積小、重量輕，便于移動。無需潤滑所以維修簡便，泵始終能保持高效，不會因為磨損而降低。表6 氣泵對比表3)底盤設(shè)計真空吸盤在吸附時主要的失效形式是吸盤與工件貼合不理想產(chǎn)生大量泄漏，導(dǎo)致破壞真空，失去吸附性能。在單吸盤行走的過程中遇到墻壁的微小縫隙或者壁面與壁面接頭處時，會導(dǎo)致吸盤漏氣，吸附力不足，為解決該問題，暫決定采用圖16所示的三吸盤結(jié)構(gòu)。根據(jù)兩點確定一條直線，至多有2個吸盤吸附能力下降，所以在工作情況下至少一個吸盤保持正常工作，保證機器人正常工作。由于單個吸盤所負(fù)壓產(chǎn)生墻體的壓力有限，出于安全考慮最終確定如圖17所示吸盤組；外

29、層為大吸盤提供初步真空，而內(nèi)層三個吸盤的在初步真空基礎(chǔ)上形成再真空，使吸附更可靠。同時當(dāng)內(nèi)層吸盤通過壁縫時真空度減小時，外層的大吸盤也可起保護(hù)作用。 圖16 無安全緩沖吸盤布置圖 圖17 具有安全緩沖吸盤布置圖 當(dāng)吸盤1與吸盤2因壁縫影響而不能正常工作時，吸盤3正常工作；若壁縫相對移動到右下圖時，吸盤2與吸盤3均正常工作，如圖18，從而實現(xiàn)了跨越壁縫的功能。圖18吸盤跨縫的簡單原理示意圖4)執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置目的是為實現(xiàn)壁面清潔、攝影、移動投影、墻繪等四項功能，采用可拆換裝置，閑置時，并功能實現(xiàn)裝置收入多功能工具箱。 壁面清潔執(zhí)行機構(gòu)：采用背膠魔術(shù)貼，將可更換抹布粘在多功能爬壁機器人的功能區(qū)，如

30、圖19所示，清潔抹布上凹槽設(shè)計可收集臟物，以免其進(jìn)入吸盤；開啟機器人運動，當(dāng)接觸到壁面邊緣時，所搭載的超聲波距離傳感器將信號反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，確定壁面尺寸形狀以后進(jìn)行軌跡的計算實現(xiàn)對壁面的全尺寸無死角的清潔。圖19 清潔抹布建模圖及示意圖墻繪執(zhí)行機構(gòu)：將顏料繪筆末端與預(yù)留的卡槽相配合，如圖20所示，將繪筆顏料更換部分與控制系統(tǒng)相連接，在移動終端內(nèi)輸入需要的圖畫，并確定繪圖基準(zhǔn)，由控制系統(tǒng)確定攜帶繪筆的爬壁機器人的運動路徑實現(xiàn)墻繪功能。圖20 墻繪筆建模圖攝影、移動投影執(zhí)行機構(gòu)：將攝像頭、微型投影儀，通過卡槽與機器人外殼連接，如圖21所示，通過機器人移動至需要位置，即可自動開啟設(shè)備，實現(xiàn)全

31、方位的攝影與移動投影。圖21 攝像機構(gòu)建模圖2、進(jìn)度安排：2015年4月-5月，理論設(shè)計及建模2015年6月，成品制作與調(diào)試2015年10月，代表湖南大學(xué)參加湖南省第十一屆挑戰(zhàn)杯比賽2016年2月，論文總結(jié)及成品改進(jìn)3、預(yù)期成果：1、代表湖南大學(xué)參加湖南省挑戰(zhàn)杯比賽，期望取得好成績；2、參加全國機械產(chǎn)品數(shù)字化大賽，期望取得好成績；3、該作品可適用于生活各個方面，根據(jù)機器人的特點，該產(chǎn)品針對兩方面的需求；一方面主要服務(wù)于高層建筑清潔，壁面檢修與墻繪；另一方面用于移動投影，全方位攝影，多角度自拍。目前市場上的高層壁面作業(yè)機器人類型較少，并且功能單一，安全問題也不能保證；與此同時該機器人的出現(xiàn)給投影

32、設(shè)備帶來了自由移動控制的方便性，解決了墻繪易出現(xiàn)不滿足雇主意愿、效率較低，工作時所占空間較大的問題，并且移動投影也給生活帶來了許多便利性和娛樂性。由于集多項功能于一體，減小了成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。以期為將來多功能爬壁機器人的研究發(fā)展帶來借鑒意義。指導(dǎo)教師意見同意推薦簽字： 日期：附錄一：理論計算與分析1、 大變形柔性鉸鏈的設(shè)計與分析柔性鉸鏈?zhǔn)墙?jīng)過一體化設(shè)計和加工并利用材料彈性變形來實現(xiàn)預(yù)期運動的具有一定形狀的特殊運動副。大變性鉸鏈可由彈性較大的橡膠材料制成,具有無摩擦、變形大、疲勞強度高等特點；而圓角型柔性鉸鏈，鏈的變形集中在柔性鉸鏈的圓弧部分,該鉸鏈最大變形角為：其中，L與C為系數(shù)，M為轉(zhuǎn)

33、矩，R為圓角型鉸鏈的半徑，t為厚度，b為厚度，為R對應(yīng)的角度忽略柔性鉸鏈圓弧以外部分的變形，此種方法完全符合實際需要，而且柔性好、轉(zhuǎn)角范圍大,所以該項目采用此種大變形柔性鉸鏈，如下圖1所示。圖1在大變形柔性鉸鏈的基礎(chǔ)上，通過位移傳感器與壓力傳感器的精確控制實現(xiàn)壁面間的翻轉(zhuǎn)，具有良好的自適應(yīng)性，結(jié)構(gòu)簡單。橡膠材料的應(yīng)變應(yīng)力關(guān)系屬于大變形,不滿足廣義胡克定律的小變形假設(shè)，可用Mooney2Rivlin 模型來描述以橡膠材料為基質(zhì)的柔性鉸鏈力學(xué)特性。由于適用范圍的限制，要求對柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角最大值進(jìn)行一定的限制,|rad與參數(shù)t/R 的關(guān)系如圖2. 圖2考慮到機器人的大小與體積，可拆卸大變形柔性鉸鏈的

34、寬度b=12cm；若需自豎直壁面翻轉(zhuǎn)至天花板，則翻轉(zhuǎn)的角度為90度，由上表可知， t/R=0.5；翻轉(zhuǎn)時，當(dāng)母機行至另一側(cè)壁面，此時若使子機通過大變形柔性鉸鏈變形自動回復(fù)，需要的力矩為：M=F×L=G×2/L1=1.1Nm由上述兩個已知條件來設(shè)計大變形柔性鉸鏈并進(jìn)行有限元分析，用二分法不斷逼近，求取其最優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計過程如下所示：a)首先假定t=1cm,R=2cm,在鉸鏈?zhǔn)┘?.1 Nm的力矩時，其ANSYS有限元受力分析如圖3所示：此時其剛度符合要求，但變形角度遠(yuǎn)小于90度，故不符合設(shè)計要求,并且R應(yīng)減小。圖3b)假定t=0.3cm,R=0.6cm,在鉸鏈?zhǔn)┘?.1 Nm

35、的力矩時，其有限元受力分析如圖4所示：變形過大，剛度符合應(yīng)用要求，所以適當(dāng)增加R的值。 圖4c)假定t=0.5cm,R=1cm; 在鉸鏈?zhǔn)┘?.1 Nm的力矩時，其有限元受力分析如圖5所示：此種情況下剛好符合設(shè)計要求，故大變形柔性鉸鏈t=0.5cm,R=1cm;而與子母機相連的可拆卸結(jié)構(gòu)選用內(nèi)凹性，受力穩(wěn)定，安全可靠。圖52、 吸附力的計算與分析A0吸盤與壁面的接觸面積； A吸盤腔內(nèi)面積；P0吸盤腔內(nèi)的壓力； P吸盤外部的大氣壓力；G母機機器人的重量； G1子機機器人的重量；F機器人的驅(qū)動力； F1 履帶與壁面的摩擦力；n安全系數(shù)，取2。吸附力滿足要求是機器人整個設(shè)計制作過程中最根本的問題。由

36、吸盤結(jié)構(gòu)可知，在機器人運動過程中，輔助吸盤起密封保護(hù)作用，而三個主吸盤決定吸附力的大小，因此我們主要分析三個主吸盤的力學(xué)性能。由底盤的面積確定輔助吸盤的的R=13cm（不包含密封厚度b），利用CAD建模確定三個最大內(nèi)切圓，考慮到機器人可通過的最大縫隙為20mm,兩吸盤間的間 距為d;即 2b+d=20。由實際工作條件，對三個主吸盤進(jìn)行有限元分析，施加0.03Mpa（由理想壓力與接觸面積比值確定）的壓力時，如下圖6所示，在滿足剛度強度及應(yīng)力的條件下，通過改變b的值不斷進(jìn)行優(yōu)化，最終確定b=8mm,d=4mm.圖6真空氣泵的抽氣速率S=2.303V/t*Log(P1/P2) ，而微型隔膜

37、泵流量大于等于1.1L/min，真空度可達(dá)-50kpa,可抽氣至半個真空度，此時最大吸附力為：F= P×(A+A0)-P0×AA0=0.00116，A=0.0024，所以F=224.3N而在實際工作過程中，由于壁面粗糙度的不同及考慮壁縫存在時，安全系數(shù)n=2,吸附力可達(dá)到112.15N，此種硅膠的摩擦系數(shù)為0.97，可最大負(fù)重11.2kg的重物；由此可知此種設(shè)計的大變形柔性鉸鏈?zhǔn)峭耆瞎δ苄枰摹?、 吸附力與驅(qū)動力的關(guān)系當(dāng)吸附力過大時，吸盤與壁面靜摩擦力較大導(dǎo)致機器人難以驅(qū)動，無法靈活運動，所以吸附力與驅(qū)動力存在一定的關(guān)系，通過以下的過程進(jìn)一步探討二者之間的關(guān)系。負(fù)壓的

38、控制通過調(diào)節(jié)隔膜泵的電機電壓來改變電機的轉(zhuǎn)速，同時采用負(fù)壓傳感器作為檢測元件，實時檢測負(fù)壓的變化，反饋給控制器，為調(diào)整壓力提供依據(jù)。P0由隔膜泵的抽氣速率決定，F(xiàn)由伺服電機決定，兩者在不同狀態(tài)下分別對應(yīng)不同的關(guān)系式，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，根據(jù)壓力傳感器采集的壓力值調(diào)節(jié)吸附能力，所以在運動中要找到每一種情況下對應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系。a)在豎直壁面運動如下圖7左所示，1為壁面，2為吸盤，二者之間構(gòu)成真空室。工作時吸盤與壁面之間形成密封腔，此時水平方向的正壓力滿足：N=P×(A+A0)-P0×A0其次，機器人運動時，需滿足驅(qū)動力至少等于摩擦力與重力之和， FF1+GF-N×u-n&

39、#215;G0F-P×(A+A0)-P0×A×u-n×G0P0(n×G-F)/u+ P×(A+A0)/Au為摩擦系數(shù)，取0.97，由上式可得出除P0與驅(qū)動力F外，其他量均為已知量，同時也得到P0余F的關(guān)系。當(dāng)機器人在豎直壁面運動時另一種極限情況時，如下圖右所示，此時水平方向上滿足：F P×(A+A0)-P0×A×u豎直方向上滿足：n×G=F1P0P×(A+A0) ×u-F/ (A×u)圖7b)在壁面翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)時，機器人的可靠性分析主要集中在機器人重力與傾覆力矩的分析。

40、當(dāng)母機與子機運動至剛開始翻轉(zhuǎn)時，如下圖8所示，母機此時不工作，通過大變形柔性鉸鏈與前段翻轉(zhuǎn)弧設(shè)計逐漸貼合另一墻面，整個系統(tǒng)的動力源來自于子機，此時同樣需滿足：N=P×(A+A0)-P0×A0F-N×u-n×(G+G1)0F-P×(A+A0)-P0×A×u-n×(G+G1)0P0(n×(G+G1)-F)/u+ P×(A+A0)/A與第一種情況相比，此時整個系統(tǒng)的重量增加了G1，其他均不變。當(dāng)母機與子機運動至即將翻轉(zhuǎn)結(jié)束時，如下圖所示，子機此時不工作，通過大變形柔性鉸鏈并逐漸翻轉(zhuǎn)至天花板，母機此時工

41、作并貼緊整個壁面運動，整個系統(tǒng)的動力源來自于母機，此時水平方向需要滿足：FF1，即FP×(A+A0)-P0×A×u豎直方向需滿足：P×(A+A0)-P0×A (G+G1)P0P×A+A0×u- F/(A×u)P0G+G1- P×(A+A0)/A圖8由受力分析可知，此時機器人系統(tǒng)受到的傾覆力矩最大,并且底盤如下圖9左裝配于底部時是最危險的。為了簡化計算，我們研究此種極限情況來判定其可靠性。根據(jù)實際情況我們完全假定各個主吸盤的真空度是相同的，則作用在所有吸盤組上的吸附力是相同的,同樣對壁面的吸附力大小均為N/

42、3;由受力分析列出力矩方程：32r×N3×2G×L2P0P×(A+A0)- G2×Lr /A圖9綜合可知，在機器人翻轉(zhuǎn)的整個過程中，同樣可通過控制系統(tǒng)控制隔膜泵抽氣速率與伺服電機控制F的關(guān)系來實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)功能。c)在天花板運動當(dāng)母機或子機運動時，水平方向需要滿足：FF1，即FP×(A+A0)-P0×A×u豎直方向需滿足：P×(A+A0)-P0×A GP0P×A+A0×u- F/(A×u)P0G- P×(A+A0)/A當(dāng)在天花板運動時，同樣可通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)運

43、動功能。4、變速箱的設(shè)計在傳動裝置中，考慮到伺服電機輸出的額定轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速，我們在伺服電機的輸出端采用可增大轉(zhuǎn)矩、減小轉(zhuǎn)速圓柱齒輪傳動減速箱結(jié)構(gòu)。根據(jù)其功能要求可知，機器人的運動速度不宜過大；當(dāng)運動速度過高時，噪音大、安全性也降低，通過分析和運動仿真，基于高效性和安全性兩個因素，模擬其爬壁及工作過程并考慮安全系數(shù)的影響，我們最終確定最大速度為15M/min。輸入條件：1）機器人移動的最大速度 15 m/min;2）機器人移動的最小速度 1.8 m/min;3）電動機的額定轉(zhuǎn)速 nd=780 r/min;4）電動機的額定功率 P=2.8 w；5）電動機的最高轉(zhuǎn)速 ndmax=13500 r/min

44、;設(shè)計參數(shù)：取履帶直徑D=6 cm，由v=3.14Dn；則鏈輪的最大轉(zhuǎn)速：nLmax=Vmax/（3.14*D）=1500/(6*3.14)=80 r/min;鏈輪的最小轉(zhuǎn)速：nLmin=Vmin/（3.14*D）=180/(6*3.14)=9.554 r/min;鏈輪要求的恒功率調(diào)速范圍：RLN= nLmax / nLmin =80/9.554=8.377;電動機可達(dá)到的恒功率調(diào)速范圍：RdN= ndmax / ndmin =13500/780=17.3077;因為 RLN < RdN ; 故只需在電機額定轉(zhuǎn)速時，經(jīng)減速箱減速輸出的鏈輪轉(zhuǎn)速為nLmin=9.554 r/min，電機在整

45、個需求速度范圍內(nèi)都是恒功率變速。因此減速箱的傳動比為：I= nd / nLmin =780/9.554=82;此時電動機所需的最大轉(zhuǎn)速為： Nd =I* nLmax =82*80=6560 r/min結(jié)論：減速箱的傳動比i>82,電動機的速度需求范圍7806560r/min初步確定變速箱結(jié)構(gòu)的總體傳動比為90，通過五級傳動實現(xiàn)，如圖10，其傳動比分別為Z11：Z12=10:25；Z21：Z22=11:26；Z31：Z32=11:26；Z41：Z42=13:31；Z51：Z52=10:27。使用圓柱齒輪傳動裝置結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大，傳動效率高，效率值可達(dá)0.9-0.97； 圖10齒輪副的強

46、度計算與論證整體過程類似，為不產(chǎn)生贅述，這里我們對Z21：Z22=11:26作出強度計算及論證如下：已知條件：P1=2.8W，n21=2880r/min，z1=11，z2=26，壽命Lh=1200h，小齒輪相對其軸的支承為不對稱布置。a)選定齒輪類型、精度等級、材料齒輪類型選擇：無特別要求的情況下，優(yōu)先選擇直齒圓柱齒輪；精度等級選擇：查P210表10-8，減速器屬于通用減速器，推薦精度等級為68級，類比選擇精度等級為8級（算比較高的）；材料選擇：查P189表10-1，選擇小齒輪材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為240HBS；大齒輪材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為240HBS；b)屬于軟齒面，按齒面接

47、觸疲勞強度設(shè)計設(shè)計公式為： 1）、確定公式中的各個參數(shù)值和系數(shù)（1）、試選載荷系數(shù)Kt=1.3 （2）、小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為：（3）、查P205表10-7得齒寬系數(shù)d=0.23（4）、查P201表10-6得彈性影響系數(shù)ZE=189.8（Mpa½）（5）查P207圖10-21d），以材料品質(zhì)與熱處理質(zhì)量一般計(即取ML線)，得齒輪的接觸疲勞強度極限為：小齒輪：lim1= 530（Mpa）大齒輪：lim2=530（Mpa）（6）、齒數(shù)比（7）、按P202式10-13計算工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：小齒輪：N1=60n1jLh=60×2880×1×1200=2.074&

48、#215;108大齒輪：N2=N1/i=2.074×108/2.364=0.8772×108（8）、由P203圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)小齒輪 KHN1=0.95大齒輪 KHN2=0.96（9）、取接觸疲勞強度安全系數(shù)SH=1 （10）、則兩齒輪的接觸疲勞強度許用應(yīng)力為：小齒輪：大齒輪：2）、代入接觸疲勞強度設(shè)計式并進(jìn)行設(shè)計計算（1）、按設(shè)計公式確定小齒輪分度圓的直徑d1，計算時取上面計算出的兩個許用應(yīng)力中較小的一個代入：（2）、計算圓周速度（3）、計算齒寬bb=d×d1t=0.23×5.1=1.173(mm)（4）、計算齒寬與齒高之比b/h模數(shù)：

49、 齒高： h=2.25m=2.25×0.464=1.043（mm）b/h=1.173/1.043=1.12(mm)（5）、計算載荷系數(shù)根據(jù)=0.6（m/s），8級精度，由P194圖10-8查得動Z載系數(shù)KV=1.1，直齒輪，假設(shè)KAFt/b<100N/mm 查P195表10-3得齒間載荷分配系數(shù)KH=KF=1.51.4查P193表10-2得使用系數(shù)KA=1.0查P196表10-4，知8級精度、小齒輪相對其軸的支承為不對稱布置時的齒向載荷分布系數(shù)為：KH=1.16 查P198圖10-13得使用系數(shù)KF=1.25 載荷系數(shù)K=KAKVKHKH=1×1.16×1.

50、1×1.5=1.914（6）、按實際的載荷系數(shù)校正前已計算出來的分度圓直徑：由P200式10-10a得修正后的分度圓直徑為：（7）、計算并確定模數(shù)m套標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)（見現(xiàn)代機械傳動手冊P82表2.22），取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=0.5（GB/T1357-1987）（8）、計算分度圓直徑： d1=mz1=0.5×11=5.5（mm）c)校核齒根彎曲疲勞強度校核公式為：1)、確定公式中的各個參數(shù)值和系數(shù)（1）、載荷系數(shù)K與上面計算的K值不一樣（注意系數(shù)KF、KF）K=KAKVKFKF 其中KA和KV與前面查得的一樣：KH=KF=1.5根據(jù)b/h=5.377和KH=1.16（前面已算出）查P19

51、8圖10-13得齒向載荷分布系數(shù)KF=1.25 載荷系數(shù)K=KAKVKFKF=1×1.1×1.5×1.25=2.0625 （2）、小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：T1=（3）、齒寬系數(shù)仍取為d=0.23（4）、模數(shù)按上面剛確定的值，即m=0.5（5）、小齒輪齒數(shù)按Z1=11齒計算（6）、查P200表10-5得齒形系數(shù)為YFa1=2.3，YFa2=2.6（插值法）（7）、查P200表10-5得應(yīng)力校正系數(shù)為YSa1=1.46，YSa2=1.595對小齒輪：YFa1×YSa1=2.3×1.46=3.358對大齒輪：YFa2×YSa2=2.6×

52、1.595=4.147可見：大齒輪的YFa×YSa=4.147較大些，應(yīng)取較大的值代入校核式進(jìn)行計算。于是：（8）、計算彎曲疲勞強度許用應(yīng)力F 取彎曲疲勞強度的安全系數(shù)為SF=1.4根據(jù)工作應(yīng)力循環(huán)系數(shù)N（前已求得）查P206圖10-18，得彎曲疲勞壽命系數(shù)為：小齒輪?。?KFN=0.95 大齒輪取： KFN=0.96查P208圖10-20c），對小齒輪：FE1=330（Mpa）對大齒輪：FE2=330（Mpa）設(shè)取Fmin=F則：對小齒輪：對大齒輪：（9）、比較并判斷由知故滿足彎曲疲勞強度的要求，可見前面設(shè)計所得到的數(shù)據(jù)是正確的。d)幾何齒輪計算1）、計算分度圓直徑d1=Z1m=11×0.5=5.5 (mm)d2=Z2m=26×0.5=13 (mm)2)、計算中心距