小型清潔機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)畢業(yè)論文

1、. . . . 畢業(yè)論文小型清潔機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)目 錄1引言·············································&

2、#183;···31.1 論文背景、意義與要求··································31.2 國(guó)外、國(guó)研究概況·······

3、83;························41.3 市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)·······················

4、3;···········61.4 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)·································62 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)·&#

5、183;······························72.1空調(diào)管道系統(tǒng)介紹與清洗原理················

6、83;···········72.2 機(jī)器人移動(dòng)載體方案設(shè)計(jì)······························82.2.1 總體方案設(shè)計(jì)···

7、3;······························82.2.2 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)·················&#

8、183;···············92.3緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)································

9、3;··113. 具體設(shè)計(jì)計(jì)算··································123.1 移動(dòng)載體傳動(dòng)計(jì)算·········

10、83;·······················123.1.1 左右驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)計(jì)算·······················

11、3;·······123.1.2 后萬(wàn)向輪傳動(dòng)計(jì)算···································203.2緊啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算··

12、83;·································243.2.1氣缸的選擇··············

13、83;······················243.2.2啟動(dòng)輔助元件和回路的選擇設(shè)計(jì)························

14、·······263.3 傳動(dòng)齒輪蝸輪蝸桿的尺寸計(jì)算··························· 273.4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核··········&

15、#183;·······················273.5 軸承的壽命計(jì)算························

16、···············324 機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)的管道通過(guò)性分析···························334.1 管道機(jī)器人在水平直角彎管的通過(guò)性分析·

17、·························334.2 管道機(jī)器人在矩形管水平圓弧形彎頭的通過(guò)性分析····················&#

18、183;· 355 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)···············································

19、;361 引言1.1 論文背景、意義與要求清潔機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)新產(chǎn)品,盡管目前國(guó)在這方面的研究開(kāi)發(fā)方面已經(jīng)取得一定的成果, 但是仍有許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要解決或提高, 行走機(jī)構(gòu)就是其中的一個(gè)比較重要的技術(shù)。有的可在房間隨機(jī)移動(dòng)，但要求有一定的動(dòng)力和對(duì)地面有足夠大的摩擦。事實(shí)上，雖然有一些公司推出了一些樣品或產(chǎn)品，但卻不能達(dá)到滿意程度：清潔效果不佳，遍歷時(shí)間長(zhǎng)。隨著當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)在日常生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。中央空調(diào)系統(tǒng)主宰著樓宇中空氣的新代，被稱為“建筑物之肺”。中央空調(diào)管道在長(zhǎng)期使用中會(huì)積累許多灰塵、病菌與放射物等，這些有害物質(zhì)在送風(fēng)過(guò)程中便污染了空氣，長(zhǎng)期

20、被人體吸入，就會(huì)危害大眾的健康。因此人們?cè)谄惹幸筇岣呱钯|(zhì)量的同時(shí)，要求提高工作居住場(chǎng)所與其他公共場(chǎng)所環(huán)境質(zhì)量(特別是空氣質(zhì)量)的呼聲也越來(lái)越急切。 國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家由于很早以前便應(yīng)用了眾多的中央空調(diào)系統(tǒng)，針對(duì)空氣質(zhì)量對(duì)人身健康的危害，國(guó)外民眾有比較深刻的認(rèn)識(shí)(1976年美國(guó)費(fèi)城的軍團(tuán)菌大爆發(fā)，事后認(rèn)定其傳染源就是該市某會(huì)場(chǎng)的中央空調(diào))。國(guó)外衛(wèi)生機(jī)構(gòu)相繼出臺(tái)了較為嚴(yán)密的中央空調(diào)使用與清洗法規(guī)，如:美國(guó)國(guó)家風(fēng)管清洗協(xié)會(huì)制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)暖通空調(diào)系統(tǒng)的評(píng)估、清洗和修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)) C ACR2002版)和日本制定的日本風(fēng)道清洗協(xié)會(huì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)CI990版)與芬蘭新頒布的法律要求賓館、飯店、洗衣房、工業(yè)加工產(chǎn)生粉塵

21、物質(zhì)的通風(fēng)系統(tǒng)，每年清潔一次;醫(yī)院、學(xué)校等每5年一次。類似的法律可以預(yù)見(jiàn)將在世界各地實(shí)施。目前發(fā)達(dá)國(guó)家均成立有中央空調(diào)風(fēng)管清洗協(xié)會(huì)，如:國(guó)際通風(fēng)衛(wèi)生評(píng)議會(huì)(TCVH)、美國(guó)風(fēng)道清洗協(xié)會(huì)(NADCA ) 、歐洲風(fēng)道清洗協(xié)會(huì)(EVHA)、英國(guó)風(fēng)道清洗協(xié)會(huì)(HVCA)舊本風(fēng)道清洗協(xié)會(huì)(JADCA)等，國(guó)外的集中空調(diào)的風(fēng)道清洗己經(jīng)形成了一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)。 國(guó)有超過(guò)500萬(wàn)個(gè)各類中央空調(diào)需要清洗保養(yǎng)，而且每年正在以10%的速度遞增，這些中央空調(diào)大部分運(yùn)行了20年以上卻從未清洗。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)室空氣質(zhì)量所帶來(lái)的危害越來(lái)越重視，尤其是2003年“非典”疫情的傳播，已使人們對(duì)中央空調(diào)帶來(lái)的疾病隱患有

22、了相當(dāng)深刻的認(rèn)識(shí)。為了保障公眾健康，2006年3月1日，衛(wèi)生部制定并實(shí)施了公共場(chǎng)所集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生管理辦法，中央空調(diào)的衛(wèi)生問(wèn)題得到了前所未有的關(guān)注，對(duì)空調(diào)管道進(jìn)行定期清洗勢(shì)在必行。當(dāng)前，人們已認(rèn)識(shí)到中央空調(diào)風(fēng)管的灰塵是傳播病毒的載體， 重視了中央空調(diào)的清洗，但是結(jié)果不盡人意。原因有三：一是我國(guó)大多數(shù)中央空調(diào)普遍使用粗效過(guò)濾器，最多只能過(guò)濾空氣中40的可懸浮顆粒物，近60的顆粒物進(jìn)入中央空調(diào)，依然為病毒載體，當(dāng)通風(fēng)時(shí)，仍有可能產(chǎn)生交叉感染；二是目前人們只注重中央空調(diào)機(jī)組的清洗和水處理，殊不知風(fēng)管面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)組面積，而中央空調(diào)系統(tǒng)95以上的藏塵量在風(fēng)管，水洗僅降低機(jī)體10水垢的產(chǎn)生；三是沒(méi)有

23、機(jī)器人參與清洗，人進(jìn)入風(fēng)管清洗又存在二次污染。 因此，加強(qiáng)中央空調(diào)通風(fēng)管道的清洗，消除病毒的污染源，必須要求從事中央空調(diào)清洗的專業(yè)隊(duì)伍技術(shù)先進(jìn)，設(shè)備精良，這使管道清掃機(jī)器人步入了歷史舞臺(tái)。 國(guó)外從20世紀(jì)70年代末80年代初開(kāi)始重視中央空調(diào)的風(fēng)道清洗，同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)、傳感器、現(xiàn)代控制理論和技術(shù)的發(fā)展，為管道機(jī)器人的研究應(yīng)用提供了技術(shù)保證。自從1980年丹達(dá)克林發(fā)明了世界上第一臺(tái)風(fēng)管清洗機(jī)器人直到1990年前后，國(guó)外的中央空調(diào)清洗得以普遍實(shí)施，并建立了相應(yīng)行業(yè)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 據(jù)調(diào)研，目前安裝有中央空調(diào)系統(tǒng)的各類樓宇有3000多幢， 由于此類管道通?？v橫交錯(cuò)，大管道由人來(lái)進(jìn)行管道檢測(cè)、維修工作不僅

24、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不衛(wèi)生。口徑小、長(zhǎng)度長(zhǎng)的管道不僅人無(wú)法進(jìn)去檢查，而且清掃起來(lái)也不容易。因此，管道清掃機(jī)器人的出現(xiàn)是一種必然的趨勢(shì)。 管道清掃機(jī)器人能輕松的爬入管道配合其他管道清洗設(shè)備將管道中的灰塵、塵螨，甚至昆蟲(chóng)尸體，死老鼠等垃圾一掃而空，最后還能對(duì)管道進(jìn)行消毒?？蛇m用于各種中央空調(diào)和除塵等管道的管道檢測(cè)、清洗、消毒、噴漆等作業(yè)。 因此，中央空調(diào)清洗行業(yè)將成為中國(guó)一個(gè)新興的有著巨大潛力的發(fā)展行業(yè)，對(duì)中央空調(diào)清潔機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)更是具有一定的社會(huì)價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。1.2 國(guó)外、國(guó)研究概況空調(diào)清潔技術(shù)起源于60余年前，是隨著中央空調(diào)技術(shù)同時(shí)誕生的。國(guó)外從20世紀(jì)70年代末80年代初開(kāi)始重視中央空調(diào)的

25、風(fēng)道清洗，直到1990年前后中央空調(diào)清洗才得以普遍實(shí)施，并建立了相應(yīng)行業(yè)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。目前在所有發(fā)達(dá)國(guó)家無(wú)一例外地實(shí)施了中央空調(diào)的清洗。風(fēng)管清洗在國(guó)外是一個(gè)比較成熟的市場(chǎng)，氣清洗機(jī)器人設(shè)備的研究和開(kāi)發(fā)業(yè)相應(yīng)地比較成熟。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)際上生產(chǎn)清洗機(jī)器人的廠家不下20家，其中比較著名的有瑞典的Wintclean機(jī)器人（售價(jià)100萬(wàn)元），丹麥的Danduct機(jī)器人（售價(jià)80萬(wàn)元），加拿大的Airtox機(jī)器人（售價(jià)60萬(wàn)元），還有美國(guó)的Nikro、Vsi（售價(jià)均為40萬(wàn)元）等。這些國(guó)外管道機(jī)器人，其形狀結(jié)構(gòu)小異，性能也能大致相當(dāng)?？照{(diào)管道機(jī)器人應(yīng)具備的功能有清掃管道灰塵、噴灑消毒藥水、攜帶CCD攝像機(jī)和傳感

26、器單元等，因此機(jī)器人必須擁有的“器官”有移動(dòng)載體、安裝清洗工具的部件、CCD攝像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)和其他一些輔助設(shè)備等。我國(guó)對(duì)中央空調(diào)風(fēng)管清洗的重要性認(rèn)識(shí)比較晚，對(duì)中央空調(diào)風(fēng)管設(shè)備的研制起步也比較晚。目前我國(guó)對(duì)集中式空調(diào)的管理尚屬空白。據(jù)了解，有關(guān)清潔公共場(chǎng)所空調(diào)的規(guī)定和措施，只有衛(wèi)生部在2003年6月發(fā)出的公共場(chǎng)所中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)的通知，這還是因?yàn)槭芊堑涞膯⑹?。該?guī)對(duì)場(chǎng)所的空調(diào)系統(tǒng)衛(wèi)生提出了檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定公共場(chǎng)所要定期更換或清洗空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的過(guò)濾器（網(wǎng)）、冷卻塔等。在頒布公共場(chǎng)所中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)后，我國(guó)的中央空調(diào)風(fēng)管清洗市場(chǎng)迅速升溫，全國(guó)各科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)單位

27、紛紛投入到中央空調(diào)風(fēng)管清洗設(shè)備的研制，并取得了很好的成果。據(jù)報(bào)道，東華大學(xué)在該校的一項(xiàng)“自主變位四履帶足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)”發(fā)明專利基礎(chǔ)上，首先二次開(kāi)發(fā)了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型管道機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，能很好的解決管道機(jī)器人適應(yīng)非等徑、變截面管道環(huán)境的難題。然后再在此基礎(chǔ)上研制成功一種可用于矩形和圓形通風(fēng)管道的清掃、視頻檢測(cè)、噴涂消毒的多功能清洗機(jī)器人產(chǎn)品。該機(jī)器人和家用的吸塵器差不多大小，四個(gè)腳上有四條履帶，能夠在9厘米高的臺(tái)階上下。它最大的本領(lǐng)就是能順暢自如地爬到中央空調(diào)的各個(gè)角落，甚至到各種形狀的通風(fēng)管道中清掃管道中的垃圾，并且通過(guò)視頻系統(tǒng)消除各個(gè)角落里的細(xì)菌、病毒，噴涂各種消毒液。該機(jī)器人具

28、有以下幾個(gè)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：1）行走機(jī)構(gòu)具備自主管障礙和防傾覆功能，適用復(fù)雜的矩形管道或者圓形管道環(huán)境清掃作業(yè)要求（國(guó)外產(chǎn)品大多僅適用圓形管道）；2）管道清洗機(jī)器人能進(jìn)入圓管260mm以上直徑、矩形管道140mm以上高度的空調(diào)、除塵管道進(jìn)行清洗；3）機(jī)器人采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便；4）機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)。拍攝資料便于保存、播放、攜帶（國(guó)外產(chǎn)品大多采用來(lái)錄像機(jī)儲(chǔ)存資料）。中國(guó)科學(xué)院分院科研人員研制成功的清潔機(jī)器人樣機(jī)是根據(jù)400毫米×400毫米和500毫米×500毫米空調(diào)通風(fēng)管道設(shè)計(jì)的，具有在管道中行走、對(duì)管道污染情況進(jìn)行觀察和對(duì)污染物進(jìn)行清

29、潔的功能。中國(guó)科學(xué)院分院科技合作處工作人員介紹，國(guó)自主研發(fā)的這種清潔機(jī)器人具有在管道前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等功能，行走速度在每分鐘0.5米到1米之間；清潔系統(tǒng)主要是安裝在機(jī)器人上、可在管道外部控制的清潔動(dòng)力刷；電纜長(zhǎng)度超過(guò)30米，不易損害，能夠滿足基本需要。同國(guó)外同類裝置相比，該機(jī)器人具有尺寸小、成本低、行動(dòng)靈活、操作可靠、清潔效率高和應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)，并且在移動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主動(dòng)控制臂系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和清潔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上均有創(chuàng)新。國(guó)在中央空調(diào)管道清潔設(shè)備方面的研究越來(lái)越多,并取得了一定的突破性成果。但是,包括以上所敘述的設(shè)備在, 目前國(guó)研制出來(lái)的中央空調(diào)管道清潔設(shè)備還僅限于水平管道或有小坡度管道的清

30、洗,至今還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可用于垂直管道清洗的中央空調(diào)管道清潔設(shè)備。1.3 市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)據(jù)介紹我國(guó)有超過(guò)500 萬(wàn)個(gè)各類中央空調(diào)需清洗保養(yǎng)，而且每年正在以10%的速度遞增，而這些中央空調(diào)大部分運(yùn)行了20 年以上卻從未清洗。就目前而言無(wú)論從中央空調(diào)風(fēng)道專業(yè)清洗服務(wù)公司來(lái)講還是從國(guó)外空調(diào)風(fēng)道清洗機(jī)器人設(shè)備廠家來(lái)看，都不能應(yīng)付這一龐大的清洗市場(chǎng)。 從國(guó)方面來(lái)說(shuō)，國(guó)空調(diào)管道清洗行業(yè)市場(chǎng)還未形成，空調(diào)風(fēng)道清洗行業(yè)剛剛起步，國(guó)幾乎沒(méi)有清洗公司能夠具備一流的清洗服務(wù)隊(duì)伍，滿足各類客戶需求，而設(shè)備生產(chǎn)廠家除了國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的成熟產(chǎn)品外，國(guó)能夠適應(yīng)各類風(fēng)道特點(diǎn)并且技術(shù)成熟，實(shí)用性強(qiáng)的清洗機(jī)器人設(shè)備廠家更是鳳毛麟角。所以我

31、國(guó)目前許多地區(qū)的中央空調(diào)通風(fēng)管道清洗市場(chǎng)是一片空白！從國(guó)外方面來(lái)說(shuō)，雖然國(guó)外廠家的機(jī)器人性能成熟，但是它是根據(jù)自身的中央空調(diào)風(fēng)道的而制造的，但國(guó)外的中央空調(diào)風(fēng)道是標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)的，而我國(guó)的中央空調(diào)風(fēng)道是根據(jù)建筑面積設(shè)計(jì)安裝的，各個(gè)風(fēng)道不盡一樣，生產(chǎn)規(guī)格統(tǒng)一程度較低，各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品規(guī)格不盡一樣，屬非標(biāo)產(chǎn)品。使得國(guó)外進(jìn)口的清洗設(shè)備對(duì)于國(guó)很多中央空調(diào)來(lái)說(shuō)并不適用，很大一部分不能對(duì)我國(guó)中央空調(diào)風(fēng)道產(chǎn)生作用。 從以上分析可以看出，我國(guó)的中央空調(diào)通風(fēng)管道清洗市場(chǎng)是有很大潛力的，尤其是在 2003 年“非典”疫情傳播后，人們對(duì)中央空調(diào)給人們帶來(lái)的疾病隱患有了相當(dāng)大的認(rèn)識(shí)，國(guó)家相應(yīng)地出臺(tái)了強(qiáng)制性空調(diào)清洗的法規(guī)，使

32、得風(fēng)道清洗行業(yè)將成為中國(guó)一個(gè)新興的有著巨大潛力的發(fā)展行業(yè)。開(kāi)發(fā)適合我國(guó)中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人產(chǎn)品有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。1.4 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)本次設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)與其緊裝置， 對(duì)于清潔機(jī)器人，移動(dòng)載體的設(shè)計(jì)是一個(gè)重點(diǎn)。由于機(jī)器人工作于空 間狹小的管道中，要求其移動(dòng)載體具有很好的轉(zhuǎn)彎能力。國(guó)清洗市場(chǎng)的產(chǎn)品僅適于水平管道的清洗，而本設(shè)計(jì)要求機(jī)器人同時(shí)還要能清洗垂直管道。因此，怎樣使中央空調(diào)管道清潔設(shè)備具有能攀爬垂直管道的能力并具有良好的轉(zhuǎn)彎能力是該產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)也是難點(diǎn)。緊裝置的設(shè)計(jì)也是該課題的重點(diǎn)。緊裝置與移動(dòng)載體相配合，使得機(jī)器人具有垂直上爬能力，因此，緊裝置的設(shè)計(jì)合理與否，直接關(guān)系到機(jī)器

33、人的工作能力。2 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.1空調(diào)管道系統(tǒng)介紹與清洗原理中央空調(diào)通風(fēng)管道按截面形狀分有圓管和方管，按管道軸線類型分有直管、 彎管（L 型彎管）、T 型管和十字型管等，管徑和接頭沒(méi)有規(guī)，有較多的斜坡或臺(tái)階。在實(shí)際的空調(diào)通風(fēng)管道中，使用方管比圓管要多，原因是方管在制作時(shí)高度比寬度小，所占去的高度比圓管要少， 并且方管安裝方便，所以方管使用比例大。由于加工、使用等原因，實(shí)際使用的管道并不一定時(shí)理想的幾何體，履帶、 管道均有一定的彈性，在重力、外界擠壓等力的作用下會(huì)產(chǎn)生變形。我們?cè)谘芯抗苄凶邫C(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)時(shí)，在不失實(shí)際意義的情況下假定：1. 管道具有理想的幾何形狀，接頭和分叉都是理想的幾何過(guò)

34、度。2. 管道與機(jī)器人的履帶變形可以忽略。管道清潔機(jī)器人的清掃原理：(1) 使用機(jī)器人進(jìn)行風(fēng)管部檢查；(2) 采用氣囊封堵風(fēng)口；(3) 機(jī)器人清掃風(fēng)管壁；(4) 使用集塵凈化器吸收風(fēng)管的菌團(tuán)和雜質(zhì)； (5) 監(jiān)視器觀察風(fēng)管壁的清洗效果，并錄像備案；(6) 恢復(fù)風(fēng)口和工作區(qū)域。如圖2.1所示： 圖2.1 中央空調(diào)通風(fēng)管道清洗示意圖2.2 機(jī)器人移動(dòng)載體方案設(shè)計(jì)2.2.1 總體方案設(shè)計(jì)機(jī)器人移動(dòng)載體的設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一 如果僅限于地面移動(dòng)，機(jī)器人的移動(dòng)載體形式有車輪形、履帶形、腿腳形、軀干形等四種形態(tài)。與其他移動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，車輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：高速穩(wěn)定地移動(dòng)、能量利用率高、機(jī)構(gòu)和控

35、制簡(jiǎn)單、能借鑒當(dāng)今已積累的汽車技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)等。因此本設(shè)計(jì)采用輪式結(jié)構(gòu)。按照車輪數(shù)目的不同，輪式載體可分為單輪至四輪與五輪以上等幾種。其中單輪與兩輪主要是用來(lái)進(jìn)行直立穩(wěn)定移動(dòng)控制問(wèn)題的基礎(chǔ)研究，而不是著眼于機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)用化問(wèn)題。如果單考慮平面移動(dòng)的話，三輪機(jī)構(gòu)已經(jīng)可以了，但從加強(qiáng)移動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性角度來(lái)考慮，目前多數(shù)采用的是四輪機(jī)構(gòu)。五輪以上的機(jī)構(gòu)的提出，是因?yàn)樗谘b載重物時(shí)具有較大的穩(wěn)定性，而且適用于臺(tái)階、階梯等非平地狀態(tài)的移動(dòng)。因此，本設(shè)計(jì)采用四輪機(jī)構(gòu)的移動(dòng)載體。 典型的四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)有如下幾種：1) 兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式 如下圖2.2所示：圖2.2 驅(qū)動(dòng)方式圖前后兩個(gè)為輔助輪（萬(wàn)向輪），左右

36、兩輪為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪，其自轉(zhuǎn)中心與車體中心重合。它的轉(zhuǎn)向不是通過(guò)操舵機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，而是依靠左右兩輪的差速實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)兩輪以相反速度方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，車體能饒自身中心自轉(zhuǎn)，以便在狹窄場(chǎng)合改變方向。這種車輪布置方式在靈活性和穩(wěn)定性上都是比較好的，由于沒(méi)有操舵機(jī)構(gòu)，因此該機(jī)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，可以減輕重量，適合空調(diào)管道機(jī)器人要求體積小重量輕的要求。它的缺點(diǎn)是當(dāng)遇到溝槽使得左右兩驅(qū)動(dòng)輪被架空時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)輪不著地不能產(chǎn)生動(dòng)力，這樣的話整個(gè)機(jī)器人便不能移動(dòng)了。2) 汽車車輪配置方式 如圖2.3所示：圖2.3 車輪配置方式兩個(gè)操舵輪需要同一個(gè)操舵機(jī)構(gòu)來(lái)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向，此外后輪配有差動(dòng)齒輪裝置，增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。由于它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜

37、，所以僅用于智能汽車等的研究方面，而在機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)中不太采用。3) 全方位移動(dòng)車方式三輪車或四輪車基本是 2 自由度的，不能進(jìn)行任意的定位和定向。 ODV 的提出就是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人任意方向的運(yùn)動(dòng)而開(kāi)發(fā)的，它的移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有原地改變方向或以一定姿態(tài)角度移動(dòng)等多種功能。這種ODV 結(jié)構(gòu)需要有轉(zhuǎn)向操舵機(jī)構(gòu)和多個(gè)離合器，因此，雖然其性能很優(yōu)越，但機(jī)構(gòu)很 復(fù)雜，并不適合本設(shè)計(jì)對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求。 由于本設(shè)計(jì)的空調(diào)管道清洗機(jī)器人要求在管道中行走，對(duì)其自身的空間尺寸和自重提出了嚴(yán)格的限制。因此要求機(jī)器人的各部分結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單。綜合考慮上面的方案，結(jié)合本設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)選用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式的移動(dòng)載體。為了克服

38、上述所提到的該機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，可以在后萬(wàn)向輪中安裝一應(yīng)急電機(jī)，同時(shí)在輪軸中安裝一超越離合器，機(jī)器人正常時(shí)應(yīng)急電機(jī)不工作，超越離合器處于超越狀態(tài)，當(dāng)遇到左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪被架空時(shí)，超越離合器處于嚙合狀態(tài)，應(yīng)急電機(jī)工作。2.2.2 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)由于齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)、效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，因此在考慮具體的傳動(dòng)方案時(shí)，應(yīng)該選用齒輪傳動(dòng)。由于兩電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，兩驅(qū)動(dòng)輪的傳動(dòng)方案是一樣的，下面以一輪為例來(lái)討論。 在查閱了大量資料之后同時(shí)考慮到機(jī)器人的水平行走速度和垂直行走速度，經(jīng)過(guò)反復(fù)的計(jì)算，確定驅(qū)動(dòng)輪的傳動(dòng)方案如圖2.4所示：圖2.4 驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)方案圖Z7與 Z10為制造有半牙嵌離

39、合器的齒輪。機(jī)器人水平行進(jìn)時(shí)，其速度較高，牙嵌離合器嚙合，傳力路線為：電機(jī)齒輪Z1 齒輪Z 2齒輪Z 3齒輪Z 4齒輪Z5齒輪Z6 齒輪Z7 齒輪Z10 車輪；機(jī)器人垂直行走時(shí)速度較低，牙嵌離合器脫離嚙合，傳力路線為：電機(jī)齒輪Z1 齒輪Z 2齒輪Z 3齒輪Z 4齒輪Z5齒輪Z6 齒輪Z7 齒輪Z8 齒輪Z9 齒輪Z10 車輪。由于后萬(wàn)向輪電機(jī)僅在特殊情況下工作，對(duì)其傳動(dòng)要求并不很嚴(yán)格，再考慮到安裝的難易程度，該傳動(dòng)選為蝸輪蝸桿傳動(dòng)，其傳動(dòng)比大、所采用的零件數(shù)目少、結(jié)構(gòu)緊湊，其傳動(dòng)方案如圖2.5所示：圖2.5 后萬(wàn)向輪傳動(dòng)方案2.3 緊機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)緊機(jī)構(gòu)的過(guò)程中，我首先從動(dòng)力源開(kāi)始考慮。按

40、照動(dòng)力源的不同，緊機(jī)構(gòu)可分為兩種：1) 電氣緊 動(dòng)力由電機(jī)提供，考慮理由是電氣驅(qū)動(dòng)應(yīng)用普遍、噪聲小、提供動(dòng)力大。 在電機(jī)作為動(dòng)力源的前提下，傳動(dòng)方案又有兩種：A） 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng) 如圖2.6：圖2.6 絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)輪子固定在螺母上，電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使得螺母連同輪子往上移動(dòng)實(shí)現(xiàn)撐緊。這個(gè)方案的缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，增加了載重。B） 齒輪齒條傳動(dòng) 如下圖2.7：圖2.7 齒輪齒條傳動(dòng)輪子固定在齒條上，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得輪子連同齒條往上移動(dòng)實(shí)現(xiàn)緊。這個(gè)方案的缺點(diǎn)除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜外還有摩擦很大。2) 氣動(dòng)緊 由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣缸提供動(dòng)力，考慮理由是在所有的驅(qū)動(dòng)方式中，氣壓驅(qū)動(dòng)操作簡(jiǎn)單、成本低、易于編程

41、，并且氣動(dòng)能很容易地保持輸出壓力不變。 考慮方案如圖2.8：圖2.8 氣壓驅(qū)動(dòng)由于氣缸的活塞要求直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)同時(shí)又要有輕微的圓弧擺動(dòng)，因此氣缸的安裝方式為單耳尾座式。另外，氣缸活塞桿承受的力應(yīng)作用在桿軸線上，不允許有偏載，因此采用連桿機(jī)構(gòu)既可避免活塞桿偏載也能起到增力的作用。3. 具體設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 移動(dòng)載體傳動(dòng)計(jì)算3.1.1 左右驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)計(jì)算在前面的方案設(shè)計(jì)中已經(jīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的傳動(dòng)方案進(jìn)行了討論，經(jīng)過(guò)反復(fù)的計(jì)算對(duì)比，我選輪子的尺寸為140mm，即D=140mm，R=70mm。1） 電機(jī)的選擇A 電機(jī)類型的選擇此電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，要求對(duì)速度和位移形成反饋，為便于控制，本設(shè)計(jì)選用直流伺服

42、電機(jī)。B 選擇電機(jī)的容量根據(jù)同類產(chǎn)品估計(jì)機(jī)器的重量為 30Kg ，g 取 9.8N/Kg ，則 G=30×9.8=294N。 機(jī)器水平行走機(jī)器水平行走時(shí)分配到每個(gè)輪子上的載荷為： F=對(duì)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行受力分析如圖3.1：圖3.1 驅(qū)動(dòng)輪受力其中：設(shè)載體為5 kg，則FN=5×9.8N+73.5N=122.5NMf為滾動(dòng)摩阻，Mf=N按照實(shí)心橡膠輪胎在優(yōu)質(zhì)路上時(shí)取=1mm，則：Mf=N=1×122.5=122.5（N·mm）=0.1225（N·m）f 為輪子與管道面之間的摩擦力，按照塑料與硬橡膠的摩擦取摩擦系數(shù)u=0.1，則：=0.1×12

43、.25=12.25（N）則輪子行走過(guò)程中所受的阻力矩：工作機(jī)要求的功率 式中：由取則：電機(jī)所需的輸出的功率水平行走的動(dòng)力傳遞路線：電機(jī)齒輪Z1 齒輪Z 2齒輪Z 3齒輪Z 4齒輪Z5齒輪Z6 齒輪Z7 齒輪Z8 齒輪Z9 齒輪Z10 車輪。式中：為軸承的傳動(dòng)效率，取為0.99；為齒輪嚙合效率，取為0.97；為離合器效率，取為0.90.故有： =則有： 機(jī)器垂直行走機(jī)器垂直上爬時(shí)除了機(jī)器自重外還加上電纜等垂直攀爬載重 10kg，故總重量為40kg。 機(jī)器垂直上爬的理論功率工作機(jī)要求的功率電機(jī)所需的功率：其中：垂直行走路線：電機(jī)齒輪Z1 齒輪Z 2齒輪Z 3齒輪Z 4齒輪Z5齒輪Z6 齒輪Z7 齒

44、輪Z8 齒輪Z9 齒輪Z10 車輪。 故有：C.確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由于單級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比圍為15，則有： 水平行走總傳動(dòng)比：,電機(jī)的轉(zhuǎn)速圍： 136.5×(1-125)=136.5-17062(r/min)垂直行走總傳動(dòng)比：，電機(jī)的轉(zhuǎn)速圍： 136.5×(1-15625)=136.5-213281(r/min)查手冊(cè)選直流伺服電機(jī)110SN002，其額定功率Ped=40W，額定轉(zhuǎn)速n=3000r/min其技術(shù)參數(shù)如下表1型 號(hào)額定功率W額定力矩Nm額定轉(zhuǎn)速 min-1額定電流 A轉(zhuǎn)動(dòng)慣量10-5kg·m2重 量Kg110SN002400.095300031.91.

45、1表2-12） 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比 水平行走總傳動(dòng)比 水平行走傳動(dòng)比： 垂直行走總傳動(dòng)比：因?yàn)榇怪毙凶叩膫鲃?dòng)路線包括水平行走路線，所以可以先按水平行走計(jì)算，再加上兩級(jí)傳動(dòng)成為垂直行走的傳動(dòng)路線。水平行走時(shí)平均分配傳動(dòng)比，即：則垂直行走時(shí)的傳動(dòng)比，其中，分別為齒輪7，8和齒輪9，10 的傳動(dòng)比。因?yàn)?22，故有：=10，平均分配傳動(dòng)比：=3.163） 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)A. 水平行走 各軸轉(zhuǎn)速n=nW=3000r/min n= 各軸功率，B. 垂直行走 各軸轉(zhuǎn)速 n=nW=3000r/min n= 各軸功率 各軸轉(zhuǎn)矩由以上計(jì)算可以看出,機(jī)器人垂直行走時(shí)各軸的功率均比

46、水平行走各軸功率大,故計(jì)算各軸扭矩時(shí)應(yīng)以垂直行走時(shí)的功率計(jì)算.:I軸（電機(jī)軸）：II軸：III軸：IV軸：V軸：VI軸：4) 傳動(dòng)齒輪尺寸計(jì)算在該傳動(dòng)系統(tǒng)中雖然齒輪的位置、功能有所不同，并且材料也有所不同，但都是直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，都采用的硬齒面，因此這些齒輪的計(jì)算方式是一樣的。下面以高速級(jí)傳動(dòng)齒輪 Z1，Z2為例說(shuō)明齒輪尺寸計(jì)算的具體過(guò)程。A. 選擇齒輪材料、精度等級(jí)、齒輪齒數(shù)考慮到齒輪傳遞的功率和扭矩不大，并且機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求機(jī)器人各部件在滿足使用要求的前提下質(zhì)量要輕，齒輪結(jié)構(gòu)緊湊，所以考慮本級(jí)齒輪材料采用工程塑料。通過(guò)查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)，本級(jí)齒輪材料選用聚碳酸脂（PC），其抗彎強(qiáng)度為 130 M

47、Pa，齒面硬度 4550HRC。機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)傳動(dòng)齒輪對(duì)載荷分布均勻性要求高，故選擇齒輪精度為8-8-7。 初選小齒輪齒數(shù)Z1 =20，則Z 2 =i 1 ·Z 1 =2.8×20=56B. 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)對(duì)閉式硬面齒輪傳動(dòng)，承載能力一般取決于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，故按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再校核其接觸強(qiáng)度是否滿足。 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式如下：確定式中各項(xiàng)數(shù)值;按載荷有輕微沖擊，查得KA=1.10,初選載荷系數(shù)Kf=1.5T1=TI=114.6N·mm有公式 得：由公式 可得重合度系數(shù)再通過(guò)查表?。河泄絅=60njLk（按設(shè)備每天工作8 小時(shí)，年限為10 年），

48、算得齒輪工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別為：再由上面所求的N1,N2查得：, 按一般可靠度查表選擇SFmin=1.25；按齒輪材料聚碳酸脂（PC），查得其彎曲疲勞極限則有： 取設(shè)計(jì)齒輪模數(shù)：將確定后的各項(xiàng)參數(shù)代入設(shè)計(jì)公式，求得：修正： 再經(jīng)過(guò)查表得：； 則為提高安全性和便于計(jì)算，按第一系列取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=1mm 則齒輪的主要幾何尺寸如下： 取C. 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式：經(jīng)過(guò)查表得：；; 按不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕，查得：， ；查出：； 查表選出 則有：將確定出的各項(xiàng)數(shù)值帶入接觸強(qiáng)度校核公式，得：因此齒輪的接觸強(qiáng)度滿足要求。根據(jù)同樣的計(jì)算步驟可以計(jì)算出該傳動(dòng)方案中其他齒輪的各參數(shù)，現(xiàn)將計(jì)算結(jié)

49、果列表如下表3-2：齒數(shù)Z20562056205622701958分度圓直徑d（mm）20562056205627.587.527.587.5齒寬B（mm）1210121012107597模數(shù)m(mm)1111111.251.251.251.25表3-23.1.2 后萬(wàn)向輪傳動(dòng)計(jì)算1）電機(jī)的選擇A電機(jī)類型的選擇由于傳動(dòng)性質(zhì)與左右兩驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)性質(zhì)一樣，因此這里的電機(jī)仍選用直流伺服電機(jī)C 選擇電機(jī)的容量輪子的直徑選為70mm，即D=70mm，R=35mm，此時(shí)移動(dòng)速度設(shè)為0.44m/s。這時(shí)分配到每個(gè)輪子上的載荷為：滾動(dòng)摩阻Mf和摩擦力f的計(jì)算與前同。即：則輪子行走過(guò)程中所受的阻力矩： 工作機(jī)要求

50、的功率 式中：由取則有：電機(jī)所需的輸出的功率由傳動(dòng)方案圖可知：式中：為渦輪嚙合效率，取為0.80.為軸承的傳動(dòng)效率，取為0.99；為齒輪嚙合的效率，取為0.97；故有： 則有： 查閱新編非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇直流伺服電機(jī)55SZ51，電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表3-3所示：型號(hào)電壓(V)電流(A)功率(W)轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)矩(Ncm)電樞勵(lì)磁電樞勵(lì)磁55SZ51 242.250.49 29 3000 9.11表3-32）渦輪蝸桿的計(jì)算由于渦輪軸即為車輪軸，因此渦輪轉(zhuǎn)速即為輪子的轉(zhuǎn)速，為120r/min，渦輪軸為電機(jī)軸，轉(zhuǎn)速為3000r/min，則傳動(dòng)比為A選擇渦輪蝸桿材料，確定許用應(yīng)力由于該傳動(dòng)作

51、為應(yīng)急傳動(dòng)，要求其要可靠，所以蝸桿材料為40Cr，表面淬火，硬度4550HRC；由于該渦輪蝸桿傳動(dòng)只是備用傳動(dòng)，并且轉(zhuǎn)速不高，因?yàn)闇u輪材料為ZcuA110Fe3Mn2,金屬模鑄造。應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 查表得：因此有：B選擇,傳動(dòng)比i=25，取=2,則=i×=2×25=50C.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式為：查表得;由于，?。灰蜉d荷平穩(wěn)， ??；則載荷系數(shù) =0.88;初選=1102.5N·mm查表得：；將這些數(shù)據(jù)帶入接觸強(qiáng)度計(jì)算公式，求得：按接觸強(qiáng)度要求，因此可以選取：中心距 由于a=30mm不是標(biāo)準(zhǔn)推薦中心距，如選擇標(biāo)準(zhǔn)中心距，渦輪將變位。本設(shè)計(jì)不采

52、用變位，取a=30mm不變。D 演算初設(shè)參數(shù) 渦輪圓周速度原估計(jì)，選值，相符?；瑒?dòng)速度，所選渦輪材料ZcuAl10Fe3Mn2合適。 蝸桿傳動(dòng)效率 查表得傳動(dòng)效率初選吻合。E 驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算公式：蝸輪當(dāng)量齒數(shù)，查得齒形系數(shù) 則可求得：，帶入上市中可得：彎曲強(qiáng)度滿足要求F 蝸桿、渦輪幾何尺寸計(jì)算蝸桿齒根圓直徑：蝸桿齒寬： 取蝸輪喉圓直徑：蝸輪齒根圓直徑：蝸輪咽喉母圓半徑：4） 超越離合器的選擇蝸輪與車輪軸之間應(yīng)該安裝一超越離合器，機(jī)器人正常時(shí)，超越離合器處于超越狀態(tài)，當(dāng)遇到左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪被架空時(shí)超越離合器處于嚙合狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)動(dòng)力通過(guò)蝸桿蝸輪和超越離合器傳遞到車輪軸上，驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)。選

53、擇超越離合器時(shí)應(yīng)該以計(jì)算出的車輪的扭矩Tw作為主要指標(biāo)，同時(shí)還應(yīng)該考慮蝸輪直徑和車軸的直徑。通過(guò)查閱相關(guān)信息，選擇高新超越機(jī)械的HFL沖壓外圈滾針超越離合器，這種離合器是一種具有最小徑向截面的外星輪式超越離合器。它由薄壁沖壓外圈、塑料保持架、鑲嵌于保持架中的金屬異型彈簧和裝于保持架兜孔中的滾針組成，滾針是鎖緊原件。我選擇的產(chǎn)品型號(hào)為HF1416，其扭矩為17.3Nm，極限轉(zhuǎn)速為9500r/min。3.2 緊啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算3.2.1 氣缸的選擇機(jī)器人垂直上爬時(shí)，對(duì)其各輪子進(jìn)行受力分析，如圖3.2：圖3.2 機(jī)器人垂直上升輪子受力G為機(jī)器人自重，50Kg；G1為垂直攀爬載重，10Kg。由力的平

54、衡有等式：式中： F為氣缸的緊力 所以代入可得： 故有：代入數(shù)值可得： 所以：F=2940(N)由于在汽缸的使用中采用了2倍增力機(jī)構(gòu)，因此汽缸的實(shí)際推力為：有公式: 可得： 式中：為氣缸的靜推力； D為氣缸活塞的直徑； P為氣壓；為載荷率。由于這里對(duì)氣缸的動(dòng)態(tài)參數(shù)要求低，且氣缸的工作頻率低，其載荷率取為0.85，取氣壓P為0.6MPa，則有：查閱手冊(cè)選取方大氣動(dòng)生產(chǎn)的氣缸徑為的10A-5系列氣缸，該系列產(chǎn)品引進(jìn)日本TAIYO株式會(huì)社技術(shù)，主要零部件用鋁合金制造，重量輕，無(wú)給油潤(rùn)滑。其使用壓力圍為（0.05-1.0）MPa，使用溫度圍為（-25-80）。3.2.2 啟動(dòng)輔助元件和回路的選擇設(shè)計(jì)為

55、實(shí)現(xiàn)汽缸的來(lái)回動(dòng)作，氣動(dòng)回路中必須有換向閥，這里的換向閥應(yīng)為兩位三通換向閥，查閱手冊(cè)，選擇市華通氣動(dòng)制造生產(chǎn)的PC系列二位四通直動(dòng)式電磁閥，其技術(shù)規(guī)格如下表3-4：型號(hào)工作介質(zhì)工作壓力/MPa額定流量/最高換向頻率/Hz允許泄漏量/工作壓力/VPC24-1/2潔凈壓縮空氣0-0.810110表3-4另外，在氣缸的使用中，安裝的氣源進(jìn)口必須設(shè)置有氣源調(diào)節(jié)裝置，過(guò)濾器-減壓閥-油霧器，在市場(chǎng)中吧這三種裝置做成一個(gè)組合件，即三聯(lián)件，它在氣動(dòng)系統(tǒng)中起著過(guò)濾、調(diào)壓與油霧的作用。這里，我們選擇了市華通氣動(dòng)制造生產(chǎn)的389系列三聯(lián)件，其輸出壓力為1MPa，輸出壓力為0.6MPa。選擇了上述氣缸和各種閥后，便

56、可以畫(huà)出氣動(dòng)系統(tǒng)原理回路如圖：圖3.3 氣動(dòng)系統(tǒng)原理3.3傳動(dòng)齒輪蝸輪蝸桿的尺寸計(jì)算這部分齒輪和蝸輪蝸桿的計(jì)算步驟與行走載體的齒輪和蝸輪蝸桿傳動(dòng)計(jì)算步驟相類似，這里只給出計(jì)算結(jié)果如下表3-6和3-7 齒輪 蝸輪蝸桿 齒輪Z1872 2 24 分度圓直徑d 18 72 14 48 模數(shù)m 1 1 2 2 表3-6 齒輪 蝸輪蝸桿 齒輪Z19 57 2 28 分度圓直徑d 19 57 10 35 模數(shù)m 1 1 1.25 1.25表3-73.4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核本設(shè)計(jì)中的軸大部分都是以心軸的形式存在的，即只承受彎矩而不承受扭矩，但輸出軸既承受彎矩也承受扭矩，因此這里只討論行走載體的輸出軸的設(shè)計(jì)校

57、核過(guò)程。1） 初估軸頸 一般按照許用扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力的方法估算軸徑，估算公式為： 主軸采用40Cr，C取98107，這里取100則對(duì)輸出軸：2） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在最小軸徑的基礎(chǔ)上，根據(jù)軸上零件的位置類型尺寸，以與定位定位方式和載荷情況，我們就可以設(shè)計(jì)階梯軸的軸向尺寸和形狀，對(duì)于要與例如軸承等標(biāo)準(zhǔn)零件配合的部分，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的軸徑，其他部分的軸徑和軸肩尺寸，只要略高于前端軸徑即可。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到具體的結(jié)構(gòu)定位問(wèn)題，把IV軸和VI軸做成是同一根軸，對(duì)于其是否滿足強(qiáng)度要求可以通過(guò)下面對(duì)軸的強(qiáng)度校核來(lái)說(shuō)明。經(jīng)過(guò)具體的設(shè)計(jì)，行走載體輸出軸的結(jié)構(gòu)圖3.4所示：圖3.4 行走機(jī)構(gòu)輸出軸3） 軸的校

58、核由于機(jī)器人水平行走和垂直行走要求不同的傳力路線，這里以垂直行走的傳力路線校核軸的強(qiáng)度。對(duì)輸出軸進(jìn)行受力分析，如圖3.5圖3.5 輸出軸受力分析其中： 由于齒輪6和齒輪7為通過(guò)軸承空套在軸上，因此其切向力和對(duì)軸的彎矩不產(chǎn)生影響，只需考慮徑向力和。另外，是通過(guò)兩端的深溝球軸承作用在軸上的，而由于離軸端很近，可認(rèn)為其直接作用在軸端，經(jīng)過(guò)以上分析，可把軸簡(jiǎn)化為圖3.6圖3.6 受力簡(jiǎn)化圖圖中：把其中受力分解為水平和垂直兩個(gè)方向：水平方向受力如圖3.7所示：圖3.7 水平受力求得支反力：, 作出其剪力圖和彎矩圖如下圖3.8圖3.8 剪力圖彎矩圖垂直方向受力如圖3.9所示：圖3.9 垂直方向受力圖求得支

59、反力：， 作出其剪力圖和彎矩如圖3.10：圖3.10 垂直方向剪力圖 彎矩圖從彎矩圖上可以看出，軸的危險(xiǎn)截面為截面，求得各截面的合成彎矩如下：按彎矩合成校核軸的強(qiáng)度：對(duì)截面，由于其半徑一樣，只需校核I截面即可： 對(duì)截面: ,由于截面帶有鍵槽，查得此時(shí)的抗彎截面系數(shù)，代入數(shù)值得：所以對(duì)截面，其只受彎矩的作用，故有：輸出軸材料采用40Cr，其許用彎曲應(yīng)力，由此可見(jiàn)，該軸的幾個(gè)危險(xiǎn)截面滿足強(qiáng)度要求。3.5 軸承的壽命計(jì)算這里計(jì)算輸出軸上的角接觸球軸承的壽命。(1) 計(jì)算軸承所受的徑向載荷R1和R2由前面軸的校核計(jì)算已知：水平支反力, 垂直支反力， 求得合成支反力：(2) 計(jì)算軸承的軸向載荷A1和A2

60、由于成對(duì)安裝兩個(gè)同一型號(hào)的角接觸處可按雙列軸承的數(shù)值，查得徑為17mm的雙列角接觸球軸承的C=14KN,Co=8.65KN。軸承部派生軸向力S=eR，其中e為判斷系數(shù)，其值有的大小來(lái)確定，先估取e=0.4，則有：因?yàn)?所以軸承1“放松”，軸承2“壓緊” 因此 求得，代入公式在此計(jì)算得：同理由軸向載荷判斷比較知軸承1“放松” 、軸承2“壓緊”，故有：(3) 計(jì)算軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P1和P2 因?yàn)?查表得徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)為： 軸承1 , ; 軸承2 , (選公稱接觸角a=5°的角接觸球軸承，其動(dòng)載荷系數(shù)按深溝球軸承取) 因?yàn)?故應(yīng)以計(jì)算軸承的壽命：4機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)的管道通過(guò)性分析機(jī)

61、器人在直線方管中能通過(guò)的最小管道尺寸：438mm(寬)×294mm(高)而確定機(jī)器人的彎道通過(guò)性是十分重要的，因?yàn)楣艿罊C(jī)器人在管道彎道行走時(shí)，如管道環(huán)境和機(jī)器人尺寸不適應(yīng)，可能會(huì)產(chǎn)生卡住現(xiàn)象，造成機(jī)器人在管道進(jìn)退兩難。因此機(jī)器人要能安全通過(guò)彎道，必須充分考慮管道的通過(guò)性。4.1 管道機(jī)器人在水平直角彎管的通過(guò)性分析如下圖：圖4.1 普通垂直相交管道情況管道機(jī)器人在直角彎管中行進(jìn)的狀態(tài)如圖3.12所示。設(shè)管道寬度一端為a，另一端b，機(jī)器人長(zhǎng)l，如圖所示正通過(guò)矩形管直角彎道。以圖中O點(diǎn)為原點(diǎn)，建立圖示坐標(biāo)系，設(shè)機(jī)器人的一邊始終沿著管道外側(cè)運(yùn)動(dòng)，即B點(diǎn)始終在x軸上，C點(diǎn)始終在Y軸上，保證最

62、大限度地利用管道空間。在BC連線從x軸運(yùn)動(dòng)到Y(jié)軸的過(guò)程中，A點(diǎn)到BC線段最短距離就是該彎角所能允許的最大機(jī)器入寬度，由此可判定機(jī)線段最短距離就是該彎角所能允許的最大機(jī)器入寬度，由此可判定機(jī)器人的寬度能否通過(guò)該彎道。由圖3.12，可得出BC連線的兩點(diǎn)式方程式化簡(jiǎn)得 則A點(diǎn)(a,b)到該直線的距離d為設(shè)機(jī)器人允許最大寬度為mmax，則當(dāng)(0,)時(shí)，dmin=mmax其中需要說(shuō)明的是當(dāng)>0時(shí)，表明A點(diǎn)在BC 之上，反之則A點(diǎn)在BC之下，顯然，本題情況只有A點(diǎn)在BC之上時(shí)才合理。對(duì)于該問(wèn)題曾嘗試過(guò)解析解，但結(jié)果相當(dāng)復(fù)雜。故該問(wèn)題可根據(jù)具體的管道和機(jī)器人尺寸計(jì)算相應(yīng)的mmax，如果機(jī)器人尺寸小于m

63、max則可以通過(guò)彎角，反之則不能。在管道中常見(jiàn)的相交兩管等寬的情況屬于該問(wèn)題的一個(gè)特例，即A點(diǎn)坐標(biāo)為(a，a)，該情況下求出dmin時(shí)，=45°，可直接用求解。可得a=487.9mm,可取490mm 所以機(jī)器人能通過(guò)的直角彎管最小管道寬度為490mm4.2 管道機(jī)器人在矩形管水平圓弧形彎頭的通過(guò)性分析還有一種情況就是如圖3.13所示的矩形管圓弧形彎頭，圓管半徑 R，寬a。同樣假設(shè)機(jī)器人機(jī)體沿管道最外沿運(yùn)動(dòng)，從而充分利用管道空間。該情況下，可通過(guò)幾何關(guān)系得出所允許的機(jī)體寬最大值mmax。分析如下：圖4.2 通過(guò)矩形圓弧彎頭的情況如圖所示尺寸，管道邊半徑R-，外邊半徑R+。由=R+,=,

64、有 化簡(jiǎn)得通過(guò)以上分析計(jì)算，就可以根據(jù)具體的管道情況設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)體尺寸，或者驗(yàn)證已成形的管道機(jī)器人能否通過(guò)實(shí)際的管道。計(jì)算完成后應(yīng)該在算得的數(shù)據(jù)上加安全系數(shù)，以排除管道其它位置因素的影響，確保機(jī)器人可以順利通過(guò)矩形管道的彎角。5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)工作是一個(gè)反復(fù)進(jìn)行不斷修改尋優(yōu)的過(guò)程。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要考慮結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求剛度要求裝配的精度要求確保各個(gè)零件的可裝配性外，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊和便于安裝。在進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我把機(jī)器人的設(shè)計(jì)分為兩大主要部分：移動(dòng)載體緊裝置，采用模塊化設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，具有便于安裝和維修更換零部件的優(yōu)點(diǎn)。把機(jī)器人的移動(dòng)本體緊機(jī)構(gòu)分別獨(dú)立加

65、工裝配，然后組裝在一起。這樣對(duì)于各個(gè)部件的維修和更換是很方便的。行走載體主要包括一系列減速齒輪，為了使結(jié)構(gòu)緊湊，同一軸上的兩個(gè)齒輪做成一個(gè)整體，軸承外圈依靠過(guò)盈裝在齒輪組合體上，依靠圈與軸肩實(shí)現(xiàn)才、軸肩定位。支承軸固定不動(dòng)，只承受彎矩作用。考慮到管道壁不會(huì)嚴(yán)格是平面，故在緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，輪子與增力連桿之間設(shè)有球鉸，使得機(jī)器人在管道壁有輕微傾斜的情況下仍能保證緊輪同時(shí)與管壁接觸。緊機(jī)構(gòu)與行走本體的連接是通過(guò)下殼體氣缸座和氣缸尾部的連接與增力連桿和上殼體的連接裝配在一起的。6. 總結(jié)與展望作為一種代替人在管道作業(yè)的特種機(jī)器人，管道清掃機(jī)器人的研究和發(fā)展具有重要的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

66、本文設(shè)計(jì)的中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。針對(duì)目前國(guó)外的現(xiàn)狀，為了使管作業(yè)機(jī)器人能夠盡快進(jìn)入大規(guī)模實(shí)用化階段,必須在以下幾個(gè)方面有所突破：1. 研究開(kāi)發(fā)能夠適應(yīng)復(fù)雜管道和特殊管道的多功能行走機(jī)構(gòu)，管作業(yè)機(jī) 器人在彎管、支岔管中的通過(guò)性問(wèn)題仍未很好解決，要解決這一問(wèn)題，首先要在機(jī)構(gòu)上保證機(jī)器人能夠在這些特殊環(huán)境中順利行走，提高機(jī)器人在彎管、L 型和T型管中的通過(guò)性。因此要研究一種既融合各種機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，能夠提供較大的牽引力，又具有快速靈活，可靠性高的驅(qū)動(dòng)方案。 2. 基于多傳感器的管況識(shí)別技術(shù)的研究。對(duì)管道部這類非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，現(xiàn)有的管作業(yè)機(jī)器人中的傳感器或無(wú)常發(fā)揮作用，或過(guò)多地依賴人的介 入，已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的需要。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到傳感器的集成，即多種傳感器(光，機(jī)，電，儀)的綜合運(yùn)用是解決上述問(wèn)題的有效手段，才能為提高管作業(yè)機(jī)器人的智能控制水平打下良好的基礎(chǔ)。其中以攝像機(jī)為基礎(chǔ)的視覺(jué)傳感器，將是發(fā)展的一個(gè)主要方向。例如，目前已經(jīng)在機(jī)械手控制中引入視覺(jué)伺服技術(shù)，即利用視覺(jué)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的位置閉環(huán)控制。視覺(jué)對(duì)管機(jī)器人具有重要意義，利用視覺(jué)可以： （1）確定作業(yè)位置； （2）識(shí)別管