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1、1.绪 论1.1课题背景和研究意义机器人的万能性和可编程序性，决定了它将取代一些自动化机器 ，特别是在生产中它与我们人类紧密相连。由于它的万能性，可以提高生产率，改进生产质量，并从多方面降低成本。对于一个产品经常变化的市场来说，对机器人重新调整和编程所需要费用，远远低于重新调整固定化的自动化机器。另外由于机器人承担了很多危险或令人厌烦的工作，许多的职业病、工伤及因此需要支付的高昂代价都可以避免了。因为机器人中可以总是可以以相同的方式完成其工作，所以产品质量十分稳定，这也会给制造者带来确定的效益;产品总价值中每一项费用的节省，都将提高产品在各种市场上的竞争能力。机器人的另一大优点是可用于小批量生
2、产，而固定化的自动装置一般只对大批量的、标准化的生产才是有利的。所以综合上述，研究机器人势在必行。在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中小
3、企业投资购买机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。根据UNECE的统计，2001年全世界有75万台工业机器人用于工业制造领域，其中38.9万在日本、19.8万在欧盟、9万在北美，7.3万在其余国家。至2004年底全世界在役的工业机器人至少有约100万。随着机器人技术的出现和发展以及人们自我保护意识的增强，人们迫切希望能用机器人代替人进行这些高空极危险的作业，从而把人从恶劣的环境和繁重的劳动中解脱出来。清洗爬壁机器人的使用将大大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，势必会带来清洗业的一次革命，具有一定的社会效益、经济意义和广阔的应用前景。为此，国
4、内外多家研究机构竞相开展此项研究工作。本课题是为了让机器人根好地为人类服务而研制的。它将代替人类从事危险性高，重复性高的体力劳动。它的研制成功必将对人们的生活提供更大的安全和方便。1.2 机器人的发展现状与趋势当前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下几个方面： 一 工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。图1-1 苏州大学研制的爬墙机器人二 机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控
5、制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。图1-2机器人乐队三 多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。四机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。图1-3仿人机器人四 机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建
6、立预先显示进行遥控等。多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真技术等多种学科和技术的综合成果。图1-4清洗巨人智能机器人做为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域占有更广泛、更重要的位置，这对人类开辟新的产业，提高生产与生活水平具有十分现实的意义。图1-5擦窗机器人图1-6墙面清洗机器人随着机器人技术的出现和发展以及人们自我保
7、护意识的增强，人们迫切希望能用机器人代替人进行这些高空极危险的作业，从而把人从恶劣的环境和繁重的劳动中解脱出来。清洗爬壁机器人的使用将大大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，势必会带来清洗业的一次革命，具有一定的社会效益、经济意义和广阔的应用前景。为此，国内外多家研究机构竞相开展此项研究工作。本课题是为了让机器人根好地为人类服务而研制的。它将代替人类从事危险性高，重复性的体力劳动。它的研制成功必将对人们的生活提供更大的安全和方便。1.3 本课题的主要目的和关键技术为了让机器人能够更好的为人们服务，我们研制的机器人需要能够在壁面上吸附和移动，并且能够改变方向，实现三维运动
8、。总之随着社会的进步，对这种服务型的机器人越来越需要了。本课题的关键技术有： （1）吸附及密封技术：壁面环境复杂，要求吸附机构可以产生一定的吸附力，使机器人安全可靠地吸附在工作壁面上。（2）移动技术：移动机构要小型、高效，使机器人具有壁面移动功能，并可灵活调节行走的速度和方向。（3）控制技术：控制机器人的整体工作，各部分的协调、故障诊断和综合管理，要求控制灵活、可靠。（4）遥控技术：要保证信号远距离通讯的实时性、可靠性，实现机器人的灵活控制。1.4 本课题主要设计任务及目标1.4.1 设计任务 机械系统设计部分包括完成机器人运动方案，设计机器人机构。完成机器人本体的零件设计、加工和装配工作，并
9、完成机器人自身运动的相关控制。电气部分需要完成气动元件（吸盘、气缸）的控制，和电机的控制。本系统的主要技术指标为：（1）可搬运重量：最大20Kg；（2）整体爬行最大运动速度2m/s；（3）驱动电机为步进电机，选择步进角为0.9；（4）运动重复精度10mm。1.4.2 工作目标 通过充分的调研，并结合现有的机器人技术、无线电技术以及单片机的控制技术，本课题应达到的目标如下：(1)机器人能够在墙面上吸附，并能够实现三维运动；(2)能够实现自动和手动控制方式下的运动；(3)远程遥控功能；本文确定了机器人系统总体方案，完成了机器人机械结构的设计其中包括机器人零件图和装配图设计，最终完成机器人零件加工和
10、组装和机械调试。其中数据传输采用无线电数据传输。2 机械结构设计2.1 整体结构 1.吸盘2.电机3.气缸4.谐波减速器5.转向电机图2-1爬墙机器人结构简图机器人采用真空吸盘1吸附在墙面上，气缸3的伸缩实现往前移动，三个步进电机2的转动调整方向。前行时，后面的两个吸盘吸附在壁面上，前面的吸盘松开。电机的旋转带动前吸盘离开强面，以避免运动时，吸盘和墙面摩擦。气缸伸长，电机反相旋转吸盘和墙面接触然后充气，前面的吸盘吸附在墙面上，后面的吸盘松开。气缸收缩，由于前吸盘时相对墙面固定的，所以，机器人本体前移。周而复始实现机器人在墙面上的前移。转向时，后吸盘固定，转向电机5旋转带动机器人本体旋转，从而改
11、变方向。为了减少气缸的径向扭矩，在气缸侧向设计了三个均部的导杆。导杆通过气缸的伸缩实现机体的直线滑动。本机器人通过横向和纵向两组各四个吸盘的交眷吸附场面而完成机器人的前进、后退、向左、向右以及停止等5个基本动作的。主要的动作原理：以向前运动为例，假设机器人处于初始状态，即端面驱动气缸人H仲出，让吸盘贴附在墙面，然后提供真空，这样整个机器人便可通过真空吸附在墙面上。接下来的动作如下：1)释放吸盘V5。v8的真空，并且转动电机，使吸盘8脱离墙面。 2)通过吸盘固定作用，切换纵向气缸I、J的气路，在活塞扦相对墙面不动的情况下，驱动气缸I、J，使其缸身带动横向机构向前移动一定的距离。3)气缸伸出，让吸
12、盘接触墙面，并提供真空。4)通过横向吸盘固定作用后，释放V1V4的真空，缩回气缸AD。5)切换气缸I、J气路，保持缸身不动，纵向结构的端面随活塞杆向前移动。 6)伸出气缸AD，并向纵向吸盘v1v4提供真空，使其吸附墙面。从上面的动作序列可以看出，动作的结果是驱动整个机器人的躯体整体向前移动了一步。向后、向左及向右的动作具有相同的动作原理。通过几个基本动作的组合，机器人便可以向各个方向运动。气动系统包括两部分：气缸驱动气动回路和真空气动回路。真空气动回路：由一个4位真空发生器组合构成，其分别向8个真空吸盘提供真空。气缸驱动气动回路主要是对4个双出杆双作用缸(I、J、K、L)和8个单出杆双作用缸(
13、AH)的驱动及控制。由于机器人设计的对称结构。我们采用同步控制，分别由一个单电控两位五通电磁阀控制相同作用的两个气缸，具体采用一个6位的电磁阀组合。机器人的控制其实就是一组动作的顺序控制，机器人的运动分解为5个基本动作：向前、向后、向左、向右和停止，所以程序结构采用模块化的设计思想。5个基本动作存在以下关系。首先5个基本动作的非同步性，即在某一时刻，只有其中一个动作在进行；第二，每个动作都要有完整性，即当一个动作发生时，就必须完整的进行完成。第三，停止动作是一个转折点和衔接点，向左、向右、向前、向后4个基个基本动作，从而实现4个动作的灵活组合。 依据这个动作划分原理，使得程序的编制利于实现模块
14、化的设计，本控制程序主要包括以下于程序主要目的是使机器人在加电通气以后恢复到除始状态即停止状态，完成气缸的复位等动作。四个动作于程序朋完成4个方向上的基本动作，结果使机器人在该方向上前进一段距离。控制、响应判断程序构成程序的逻辑控制主体功能，当一个请求动作发出后，响应判断于程序用保持续电器保存请求，并设置相应动作的启动信号。接着判断该项动作是否可以执行，这取决于当前是否有动作正在进行。当动作可以执行时，启动相应的4个子程序之一开始执行相应的动作序列。当程序执行完后，设置动作结束标志。通过设计并试验，机器人能够完成在水平的平面、斜面尤其是垂直墙面的控制运动，并且该设计体现了一个简单的设计思想。在
15、设计中面临的问题是，机械结构相对重量较大，真空吸盘提供的吸力需要克服较大的重力，所以接下来的研究方向将着限于在保证机械结构的稳固的条件下，减轻机械重量，确定机器人重心的合理位置。更进一步的研究方向还包括提高机器人使用范围，比如不规则平面等，以及在各个方向、各种距离的运动灵活性。总的来说，真空吸力是气动技术的一个重要特点，有着很大的研究和应用空间。 图2-2为通过三维软件设计的实体造型，通过运动仿真，可以实现各个方向的动演示。 图2-2 气动爬壁机器人实体造型2.2吸盘的受力分析机器人本体通过吸盘吸附墙面，吸盘在墙面上吸附的受力方式有如图2-3所示：图2-3 吸盘受力情况图2-4为两种安装方式下
16、，真空吸盘的力学模型：图2-4吸盘受力分析如图2-4所示为真空吸盘用于两种不同位置工作时的安装方位。在图1a吸盘水平安装时，除了要吸持住工件负载外，还应该考虑吸盘移动时因工件的惯性力对吸力的影响。而图1b吸盘垂直安装时，吸盘的吸力与吸盘与工件间的摩擦力有密切关系。真空吸盘良种工作情况下的力学模型如图2所示，图中个参数说明如下：Pu为真空度；Fv为垂直负载；Aw为有效面积；Fh为水平负载；Pd为密封面的表面压力；Fr为摩擦力；Ad为密封面积；Ad为密封面积的受力；F为负载力；为真空吸盘与工件间的摩擦系数；Fs为吸力；Fa为加速度力；x、y为真空吸盘受力分析坐标。 由真空吸盘工作原理及上述受力图可
17、知，要满足正常的吸持物体的要求，即能够正常作业的条件为：Fd=PdAd0，且水平安装时Fr= FdFh，垂直安装时Fr= FdFv。设，已知被吸持物体重mkg，真空度为Pu，则Fs=PuAw。再设旋转角度 ，旋转半径r，重力加速度g，夹持时间t，Fs1为静态吸力，Fs2为动态吸力。a 静态负载计算：为静态吸力：Fs1=fv=mg；当取安全系数为n时，Fs1=nmgb 动态负载计算：当真空吸盘处于水平位置时，受力处于平衡状态，即：Fx=0 Fh-Fr=0 即 Fh=Fr Fy=0 Fv+Fd-Fs2=0即 Fd=Fs2-Fv因为摩擦力Fr等于密封面积的受力和摩擦系数的乘积，即：Fr=Fd=(Fs
18、2-Fv)吸盘的选用 上面导出公式即为真空吸盘吸持物体时所需要的动态吸力计算公式。对面积大的吸吊物，重的吸吊物，有振动的吸吊物或要求快速搬运的吸吊物，在应用公式时，必须计及工作环境系数、安全系数。实际中，为防止吸吊物脱落，通常使用多个吸盘进行吸吊，此时应注意使这些协同工作的吸盘合理配置，使吸吊合力作用点与被吸吊物的重心尽量靠近。图2-5为吸盘的的通过有限元分析的受力情况。吸盘在墙面上，的吸力和吸盘的面积以及吸盘和外界的气压差决定的。通过分析可以发现，受力时吸盘要承受拉力，另一个方向要承受压力。所以对吸盘的材质的要求就比较高。图2-5 吸盘的应力分析2.3气缸的动静态分析气缸是气动原件的组成部分
19、，气动元件包括气源处理元件，气动控制元件，气动执行元件，气动辅助元件。气缸就属于气动执行元件。气缸不属于压缩机，它是通过压缩空气来执行伸出和返回的动作，是水平运动的，而马达就伺服电机，是旋转运动的，所以选气缸而不选马达。气缸和气马达都是气压传动中所使用的执行元件。它们都是将压缩空气的压力转变成机械能的能量转换装置。气缸用于实现直线往复运动或摆动。气马达用于实现连续回转运动。大多数情况下使用气缸更为普遍，因此空气系统力学研究载体主要是气缸，主要研究气缸的特性。气缸的特性分为静态特性和动态特性。气缸的静态特性是指气缸的输出功与耗气量密切相关的最低工作压力。最高工作压力、密封处的摩擦阻力等。气缸的动
20、态特性是指各腔压力的变化、活塞的速度变化、动作时间及缓冲特性等。这些运动特性均与气体的可压缩性有关。2.3.1气缸的静态特性1.无负载工作特性 所谓无负载工作特性是指在无负载条件下进行试验时，使气缸产生动作的最低工作压力。这个压力是使活塞低速运动不产生爬行的极限压力。它集中表征了密封圈及气缸内表面的加工质量、配合状况及有关结构方面的合理程度。按一般规定，是让气缸经过数次往复运动后，使气缸在无负载的状态下水平放置，在缸的前后两端进、排气口交替输入压力为1bar的压缩空气，活塞在其有效行程内，应运行平滑，无爬行现象。此时活塞的平均速度约为500mm/s，可调节实验回路中排气节流阀来实现。有缓冲装置
21、的气缸，应使缓冲节流阀处于全开状态。2. 带负载工作特性 所谓带负载工作特性是指气缸带有规定的负载，在规定的工作压力和活塞运动速度下进行试验时，保证正常工作，且保证缸的各部位具有一定的强度性能。按一般规定，缸先经数次的往复运动之后，在活塞杆轴向施加相当于气缸最大输出力80%的负载，并在缸的前后两端进、排气口交替输入压力为7bar的压缩空气，活塞在全行程运动三个以上往复时，应运动平滑，检查气缸各部位应无异常现象。此时活塞的平均运动速度约为150mm/s左右，可调节排气节流阀来实现，如果是有缓冲装置的气缸，应使缓冲节流阀处于全开状态，以便考验缸的冲击性能。3. 气缸的动特性由于气体的可压缩性使气缸
22、的动态特性成了较为复杂的问题。这方面的基础理论研究司开娜（S.K.Skinner）、安藤弘平、茂等人均有专门论述。理论计算主要是求解气缸动特性的基本问题，气缸动特性基本方程是从伯诺里方程、气体状态方程、牛顿第二定律等出发得出的五个方程，其求解用一般方法很难求解，大多用电子计算机解决。其数学建模一直是研究气动领域学者必须参考或进行重新研究的对象。国内外的学者在这方面做了大量的工作，但由于动态特性的复杂性，一直很难找到一个比较准确的动态方程。下面就其动态过程作一下描述。4.理想无负载时缸的动态特性气缸完全没有负载的理想情况下，其两腔的压力p1、p2及活塞运动速度v随时间t的曲线。为了使其结果具有普
23、遍的意义，这里所涉及到的物理量，压力、速度及时间等均用无因次量表示。图中：p1气源压力；v0视缸内气体为等温度变化过程时，活塞的运动速度。一般称之为基准速度；t0=s/v基准速度时，活塞完成全程运行所需的时间；s活塞的全行程。动态特性曲线与气缸换向回路相结合可以看出，当换向阀的电磁铁换向时压缩空气进入气缸左腔，使p1成为ps；换向之前气缸p2，活塞在压差p1-p2的作用下即开始启动，并且加速运动。随着活塞的加速，气缸右腔压力p2也在减小，此时虽然(p1-p2)0的状态仍还在继续着，由于p1的减小，两腔压力差p1-p2变小，因而限制了活塞的加速运动，活塞运动速度v/v01之后不久，便出现第一次p
24、1=p2，活塞速度达最大值；由于活塞速度v大，气缸右腔被迅速增大，进而呈现（p1-p2）0的状态，活塞又开始加速运动。这种现象的反复出现，使活塞逐渐趋于平衡速度。5. 实际气缸的启动及活塞速度实际气缸的运动与如下因素有关：通向缸的进、排气管路上节流阀阀口开度、运动部件的质量、缸的容积和活塞启动时的位置、密封处的摩擦阻力等。由于涉及因素较多，纯粹的理论计算较为复杂，往往用理论计算和实验像结合得出较实用、可靠的结果。2.3.2 气动传动系统分析气压传动系统的动态特性是指有换向阀、包括节流调速元件在内的管道系统气动执行元件及其驱动的负载组成的气压传动系统，在执行元件工作过程中，各动态参数之间的关系及
25、其变化规律。2.3.3 主要参数特性气压传动系统的动态特性包括下列主要参数的特性。(1)压力特性 气压传动系统在工作过程中，各腔室中的压力随时间变化的特性，称为压力特性。压力特性与腔室进、排气通道的有效面积及负载的性质和大小有关。(2)温度特性 在气动系统中，作为工作介质的压缩空气，要通过充气、排气、压缩、膨胀、吸热和放热等一系列热力过程来实现能量的传递和转换，在这些过程中，系统内各处的温度随时都会发生变化。气压传动系统在工作过程中，各腔室内温度随时间变化的特性，称为温度特性。温度特性与系统的结构参数、负载的性质和大小有关，还与系统有无内、外泄漏以及外界的热交换有关。2.4 谐波减速器2.4.
26、1 谐波减速器基本构件组成和工作原理谐波发生器（简称波发生器）是凸轮（通常为椭圆形）及薄壁轴承组成，随着凸轮转动，薄壁轴承的外环作椭圆形变形运动（弹性范围内）。刚轮是刚性的内齿轮。柔轮是薄壳形元件，具有弹性的外齿轮以上三个构件可以任意固定一个，成为减速传动及增速传动，或者发生器、刚轮主动，柔轮从动，成为差动机构（即转动的代数合成）。谐波传动工作过程如图2-6所示图2-6谐波减速器结构当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就近使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开
27、。 波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。这是啮合区，一般有30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出。波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入啮合啮出脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，
28、作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的和谐波，故称之为：“谐波”。图2-7谐波减速器运动原理谐波传动是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动，它是利用机械波使薄壁齿圈产生弹性变形来达到传动目的的。图2-8谐波减速器应力分析KA - 含空回及在约20%额定扭矩值时，输出轴弹性变形的扭转刚度系数。 KB - 在此以后，当输出轴上的扭矩加到额定扭矩值时，产生弹性变形的扭转刚度系数在额定转速、额定负载的正常工作条件下，24小时不停运转，当柔性轴承不低于5000小时
29、，使用寿命为10000小时。理论计算公式如下：L10 = 5000 ( Nn / N ) ( Tn / T )3 hrs其中：L10 - 柔性轴承10%的失效率Nn - 额定输入转速N - 实际输入转速Tn - 额定载荷T - 实际载荷2.4.2 谐波减速器的优点1.结构简单，体积小，重量轻。谐波齿轮传动的主要构件只有三个：波发生器、柔轮、刚轮。它与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少50%，体积和重量均减少1/3左右或更多。2.传动比范围大单级谐波减速器传动比可在50300之间，优选在75250之间；双级谐波减速器传动比可在300060000之间；复波谐波减速器传动比可在200140000
30、之间。3.同时啮合的齿数多。 双波谐波减速器同时啮合的齿数可达30%，甚至更多些。而在普通齿轮传动中，同时啮合的齿数只有27%，对于直齿圆柱渐开线齿轮同时啮合的齿数只有12对。正是由于同时啮合齿数多这一独特的优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大，进而实现大速比、小体积。4.承载能力大。 谐波齿轮传动同时啮合齿数多，即承受载荷的齿数多，在材料和速比相同的情况下，受载能力要大大超过其它传动。其传递的功率范围可为几瓦至几十千瓦。5.运动精度高。 由于多齿啮合，一般情况下，谐波齿轮与相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能提高四倍左右。6.运动平稳，无冲击，噪声小。 齿的啮入、啮出是随着柔轮的变形，逐
31、渐进入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合过程中齿面接触，滑移速度小，且无突然变化。7.齿侧间隙可以调整。 谐波齿轮传动在啮合中，柔轮和刚轮齿之间主要取决于波发生器外形的最大尺寸，及两齿轮的齿形尺寸，因此可以使传动的回差很小，某些情况甚至可以是零侧间隙。8.传动效率高。 与相同速比的其它传动相比，谐波传动由于运动部件数量少，而且啮合齿面的速度很低，因此效率很高，随速比的不同（u=60-250），效率约在6596%左右（谐波复波传动效率较低），齿面的磨损很小。9.同轴性好。 谐波齿轮减速器的高速轴、低速轴位于同一轴线上。10.可实现向密闭空间传递运动及动力。 采用密封柔轮谐波传动减速装置，可以驱动工作在高
32、真空、有腐蚀性及其它有害介质空间的机构，谐波传动这一独特优点是其它传动机构难于达到的。11.可实现高增速运动。 由于谐波齿轮传动的效率高及机构本身的特点，加之体积小、重量轻的优点，因此是理想的高增速装置。对于手摇发电机、风力发电机等需要高增速的设备有广阔的应用前景。12.方便的实现差速传动。 由于谐波齿轮传动的三个基本构件中，可以任意两个主动，第三个从动，那么如果让波发生器、刚轮主动，柔轮从动，就可以构成一个差动传动机构，从而方便的实现快慢速工作状况。这一点对许多机床的走刀机构很有实用价值，经适当设计，可以大大改变机床走刀部分的结构性能。 图2-9谐波减速器剖析图2.4.3 谐波减速器的选择根
33、据给定的转速64r/min及电动机的转速140r/min，可知，我们所需要的减速器的速比为64左右，而我们所选的型号的减速器最大速比才160，显然不满足我们的传动要求。可我们并没有因为这一点而放弃我们所做的选择。为了使上述参数能够满足，我们还专门设计了一内齿轮副与减速器一同来承担减速的任务。前面已经介绍了我们所选的内齿轮副的速比为2.2，这样一来可以推算出减速器所需传动比为：i=14000(4119) 64101。再根据给出的减速器规格查得跟我们的计算数据最接进的为100。反过来再推算一下车轮的转速：=14000(4119) 100=64.88r/min，则车的最大行驶速度vmax=R=64.
34、886020.060.41m/s。电机在能长时间运行的条件下，其速度范围是11500r/min14000r/min。由此，我们可得到它的转速范围是53.29r/min64.88r/min，则它的行驶速度范围是0.33m/s0.41m/s。当然，它也可获得更高或再底的转速，只是得保证它不能在这种状态下运行太长的时间。在柔轮几何尺寸不变的条件下，为获得最大的理论齿高，刚轮和柔轮的齿数差应等于波数。而我们根据前面的叙述已选定双波传动，即Z2 -Z1为确定值2。由此可推算得：Z2=i( Z2 - Z1)=1002=200； Z1= Z2 - 2=198在我们所选的北京谐波减速器公司的谐波减速器中，它为
35、了增加径向尺寸以及平衡整个谐波齿轮，增加了一个固定的刚轮，它不承担任何输出任务，只是固定在机架上，所以这个固定刚轮的齿数和柔轮的齿数相同，以避免不必要的磨损。对双波传动，渐开线齿廓有两种：一种压力角=28.6，基本上能满足一般传动的要求，在动力传动中应用较多，并已有几种专用刀具。另一种=20，可用标准刀具，经变位切制达到传动要求。另外，由于谐波减速器只作减速用，所要求它输出的转矩不是很大，所以我们可不对它进行校核。3 程序流程图开始中断保护I/O口初始化等待命令读取串口数据转换为命令组字开串行口中断待添加的隐藏文字内容3清除接收标志读取命令中断弹出驱动电机中断返回控制电磁阀，让吸盘吸附气缸伸缩
36、控制电磁阀，让吸盘吸附通过设计并试验，机器人能够完成在水平的平面、斜面尤其是垂直墙面的控制运动，并且该设计体现了一个简单的设计思想。在设计中面临的问题是，机械结构相对重量较大，真空吸盘提供的吸力需要克服较大的重力，所以接下来的研究方向将着限于在保证机械结构的稳固的条件下，减轻机械重量，确定机器人重心的合理位置。更进一步的研究方向还包括提高机器人使用范围，比如不规则平面等，以及在各个方向、各种距离的运动灵活性。总的来说，真空吸力是气动技术的一个重要特点，有着很大的研究和应用空间。机器人采用真空吸盘吸附在墙面上，气缸的伸缩实现往前移动，三个步进电机的转动调整方向。前行时，后面的两个吸盘吸附在壁面上
37、，前面的吸盘松开。电机的旋转带动前吸盘离开强面，以避免运动时，吸盘和墙面摩擦。气缸伸长，电机反相旋转吸盘和墙面接触然后充气，前面的吸盘吸附在墙面上，后面的吸盘松开。气缸收缩，由于前吸盘时相对墙面固定的，所以，机器人本体前移。周而复始实现机器人在墙面上的前移。转向时，后吸盘固定，转向电机5旋转带动机器人本体旋转，从而改变方向。为了减少气缸的径向扭矩，在气缸侧向设计了三个均部的导杆。导杆通过气缸的伸缩实现机体的直线滑动。本机器人通过横向和纵向两组各四个吸盘的交眷吸附场面而完成机器人的前进、后退、向左、向右以及停止等5个基本动作的。4 结 论毕业设计可以说是对在学校这三年所学知识的一个总结，是对学生
38、实际工作能力的具体训练和考察过程。通过这次设计我学习会了很多东西的同时也发现了很多自身的不足。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。整个设计过程不能说是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，设计的过程中还是发现了自己许多不足之处，使自己认识到对以前所学知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说液压元件好多细节没有掌握，以致于错用，对溢流阀的危害没有很深了解，以致于系统图上用了太多的溢
39、流阀，增大了沿程阻力损失，还有原系统图设计过于复杂，在老师的指导下，获得了很大的进步。这次设计能够圆满完成，要多多感谢我的指导老师，张艳老师可以说是对我们的设计费心尽力，用了很大的功夫来指导我们，所以在此要向老师表示我最真心的感谢，同时也对我的同学以及这三年所有带课老师说声感谢。设计虽然做完了，但仍有很多不足之处需要改进，还望老师多多指导。参考文献1.成大先主编。机械设计手册（1-5卷）。第四版。北京：化学工业出版社。20022.吴国政主编。电梯原理、使用、维修。北京:电子工业出版社。19993.濮良贵、纪名刚主编。机械设计。第七版。北京：高等教育出版社。20014.杨兰春主编。电梯曳引机设计
40、、安装、维修。北京：机械工业出版社。20005.苏翼林主编。材料力学（上、下册）。第二版。北京：高等教育出版社。19876.张建明等.机电一体化系统设计M.北京:北京理工大学出版社.2000.7.杨俊.机床数控系统课程设计指导书M.北京:中国科学技术出版社，1991.8. 张新义.经济型数控机床系统设计M.北京:机械工业出版社，1994.9.李宝仁，朱玉泉，许耀铭气动位置伺服系统的自适应控制研究J 10.蔡自兴智能控制基础与应用 M北京：国防工业出版社，199810.蔡自兴机器人学M北京：清华大学出版社，200011.陶永华，尹怡欣，葛芦生新型PID控制及其应用M北京：机械工业出版社，1998
41、12.蔡自兴机器人学M北京：清华大学出版社，2000 13.西北工业大学机械原理籍机械零件教研室编著，濮良贵，纪名刚主编. 机械设计. 北京：高等教育出版社，2001. 614.蔡自兴智能控制基础与应用 M北京：国防工业出版社，199815. Jones C., et al, Laser Scanning and Quasi-helical Tool Path Definition of Arbitrary Curved 16.蔡自兴机器人学M北京：清华大学出版社，2000 17.西北工业大学机械原理籍机械零件教研室编著，濮良贵，纪名刚主编. 机械设计. 北京：高等教育出版社，2001. 61
42、8.周伯英.工业机器人设计.北京：机械工业出版社，1995.6致 谢马上面临毕业，心里总是万分难舍。但总是要离开，所以要向我的母校我的老师我的同学真诚的说声谢谢，三年之中是你们每天陪伴着我走过了那么多日日夜夜。在这里首先要感谢的是我的母校，您使我学会了走向社会的技能，是您给我了我美好的明天，在此向您表示感谢。其次要感谢的是我的老师，是你们在这三年里不辞辛苦把我们由一个刚入学的孩子慢慢地带向成熟，在此纵有千言万语，也道不清我对您心中的感激，所以仍然要说声谢谢。再次是我的同学，多少次欢笑已步入回忆，我会永远记得你们，谢谢。 毕业是走向社会的门槛，而毕业设计是我们对三年所学的一个总结，是步入社会验证技能的铺路石，所以我还是要对张艳老师表示感谢，感谢您百忙之中仍然抽空指导我们让我们完成这三年里最后的任务，最后要感谢的是学院领导,我的班主任,还有所有考核老师。谢谢你们三年来对我们的关心帮助，请你们放心，我们一定会在以后的人生道路上谨记您们的教导，做一个有理想对社会有回报的人。 祝老师在今后的生活工作中事事顺心，万事如意。
