畢業(yè)設(shè)計中央空調(diào)管道清潔機器人機構(gòu)設(shè)計說明

1、中央空調(diào)管道清潔機器人機構(gòu)設(shè)計一、課題訓(xùn)練容本課題基于國外已經(jīng)取得的科研成果，針對中央空調(diào)矩形通風(fēng)管道系統(tǒng)的特點作了深入的分析和論證，在查閱和掌握大量有關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，針對矩形的空調(diào)管道提出了管道機器人的機構(gòu)設(shè)計方案。本課題訓(xùn)練容：1. 移動載體的設(shè)計撐緊裝置的設(shè)計機械手的設(shè)計2. 零件設(shè)計計算以與強度校核3. 對機器人在轉(zhuǎn)彎時的通過性進行了分析二、設(shè)計（論文）任務(wù)和要求（包括說明書、論文、譯文、計算程序、圖紙、作品等數(shù)量和質(zhì)量等具體要求）論文任務(wù)： 針對矩形的空調(diào)管道設(shè)計管道清潔機器人。論文要求：1.設(shè)計說明書按科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）格式模板要求書寫。2.譯文見附頁。3.程序要求框圖詳細完

2、整，硬件圖紙完備，程序清單作為附頁附在論文后，程序與電子文檔刻成光盤與報告同時上交。4.設(shè)計指標(biāo)需考慮技術(shù)經(jīng)濟性要求。三、畢業(yè)設(shè)計（論文）主要參數(shù)與主要參考資料主要參數(shù)：機器人車體長為501mm，寬438mm，高為294mm，車體加上機械手附帶毛刷總長為1281mm；機械手總長為792.5mm水平最高行進速度：1m/s；垂直攀爬速度：100mm/s；垂直攀爬載重：10kg；回轉(zhuǎn)半徑：0；機械手自由度：4；監(jiān)視器回轉(zhuǎn)速度：2度/秒；監(jiān)視器水平回轉(zhuǎn)圍：360°；監(jiān)視器俯仰回轉(zhuǎn)圍：240度。主要參考資料：1 GB/T 19210-2003空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)清洗規(guī)S中國標(biāo)準(zhǔn)化，2003，(9):6

3、6-672 甘小明，徐濱士，董世運等管道機器人的發(fā)展現(xiàn)狀J機器人技術(shù)與應(yīng)用，2003，(6)：5-10 3 龔振邦等編著機器人機械設(shè)計M：電子工業(yè)，19954 濮良貴，紀(jì)名剛等編著.第8版.機械設(shè)計M.：高等教育，20055 桓，作模，文杰等編著.第7版.機械原理M.：高等教育，20066 宋章軍，懇，向東等通風(fēng)管道智能清污機器人MDCR-I的研制與開發(fā)J機器人，2005，27(2)：142-146 7 曉明，車立新，霄鵬等中央空調(diào)管道清掃機器人的設(shè)計J機械，2005，32(1)：39-418 文彬，建國，蓓智等管道檢測機器人的研制J機械工程師，2005，(1)：16-18 四、畢業(yè)設(shè)計（論文

4、）進度表紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）進度表序號起止日期計劃完成容實際完成情況檢查人簽名檢查日期112.1-1.1查找資料，熟悉被選課題與其相關(guān)容,預(yù)選出課題名稱。21.2-2.1與輔導(dǎo)老師溝通確認課題的難點和重點與要注意的問題。并完成開題報告。33.10畢業(yè)設(shè)計開題答辯43.11-3.31進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，對零件的工作能力設(shè)計確定零部件的基本尺寸。54.1-4.30部件裝配草圖與總裝配草圖的設(shè)計。對所有零件進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計，使零件有最合理的構(gòu)型。并用CAD畫出工程圖。65.1-5.15開始寫論文并翻譯一篇英文文獻75.16-5.25對論文中不合理的地方進行修改。并根據(jù)學(xué)校對論文要求的格式對自己的論文

5、進行規(guī)，準(zhǔn)備答辯。注：1.本任務(wù)書一式兩份，一份院（系）留存，一份發(fā)給學(xué)生，任務(wù)完成后附在說明書。2.“實際完成情況”和“檢查人簽名”由教師用筆填寫，其余各項均要求打印，打印字體和字號按照紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）規(guī)執(zhí)行。紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告課題名稱中央空調(diào)管道清潔機器人機構(gòu)設(shè)計院系名稱機電工程學(xué)院專 業(yè)機械設(shè)計制造與其自動化班 級機設(shè)062學(xué)生宏偉課題意義近幾年來，中央空調(diào)不定期清洗的巨大危害已經(jīng)引起了決策部門的關(guān)注。2003年，國家質(zhì)檢總局發(fā)布了空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)清洗規(guī)，衛(wèi)生部頒布了公共場所集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)；2005年，建設(shè)部與國家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布了有關(guān)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運行管理規(guī)的國

6、家標(biāo)準(zhǔn)；2006年3月1日，衛(wèi)生部頒布了公共場所集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生管理辦法。中央空調(diào)長期使用后，灰塵、污垢、細菌等會積聚在空調(diào)通風(fēng)管道部，不但影響空調(diào)的制冷，還會促成螨蟲的滋生；附著在室機的細菌隨送風(fēng)系統(tǒng)吹回室，污染室的空氣、傳播疾病，嚴(yán)重影響人們身心健康。人長期呆在空調(diào)房里，就會患空調(diào)綜合癥（頭暈、乏力，免疫力下降，俗稱空調(diào)?。?，還容易感染皮膚病。另外空調(diào)在無數(shù)次的重復(fù)運行中，空氣中夾雜的大量塵埃和液態(tài)煙霧就會層層包裹散熱片，并嚴(yán)重堵塞散熱片之間微小空隙，影響散熱片的散熱，從而導(dǎo)致冷凝器壓力升高，壓縮機馬達電流增大，運行時間成倍延長，耗電量顯著增加。因此清洗空調(diào)可保護壓縮機，延長使用壽命，

7、降低能耗，改善制冷效果。因此需要定期清洗中央空調(diào)通風(fēng)管道。但高樓空調(diào)管道縱橫交錯、管路復(fù)雜，有大口徑的總管和小口徑的支管，管道截面有矩形管和圓形管，不同管徑和不同形狀的管道之間構(gòu)成有階梯接口、錐形接口、圓弧彎道、“L”直角彎道、“T”或“Y”岔道等規(guī)格繁多，非人力所能與，而且人爬進管道清洗也不符合勞動衛(wèi)生規(guī)。而用管道機器人清洗通風(fēng)管道有著其他管道清洗方式不可比擬的優(yōu)勢 ,管道清洗機器人不僅可以清洗 ,還可以實時檢查清洗效果以與進行管道探傷、噴涂、消毒, 所以需采用專用的機器人進行清洗和消毒。    所屬領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r 目前，國外的管道清洗機器人已形成產(chǎn)業(yè)化。如美國

8、、丹麥、日本、國等諸多國家均有管道清洗機器人系列產(chǎn)品?？v觀國外管道清洗機器人，其結(jié)構(gòu)小異，性能水平也沒太大的差別：1） 大多采用輪式或雙履帶式移動機構(gòu)；2）配有高速旋轉(zhuǎn)的清掃機構(gòu)，用來把管的灰塵打落、清除。由于管道有矩形管和圓管之分，所以可更換相應(yīng)的清洗矩形管和圓管的清潔刷；3）裝有CCD攝像頭與照明燈，用于探測管道的狀況，這在人所不能到達的管道部是必不可少的；4）由于管道機器人還不可能達到完全自主清潔，故采用線控方式，由操作人員在管道外進行操作。研究容、研究方法、研究手段空調(diào)管道清洗機器人應(yīng)具備清掃管道、噴射清洗氣霧或消毒藥水或直接進行吸塵、攜帶攝像機和傳感器檢測管道狀況的功能。要實現(xiàn)這些功

9、能，機器人必須擁有的 “器官”包括：靈活的移動載體、多種清掃和清洗作業(yè)工具、CCD攝像機與照明系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和操作盒以與一些輔助設(shè)備和設(shè)施。本課題研究在于滿足基本功能的情況下，使其具有重量輕、體積小、價格低的特點。中央空調(diào)通風(fēng)管道大多采用扁平矩形截面 ,管道高度圍相當(dāng)大 ,最扁平 的管道高度僅 150 mm 左右。因此管道清洗機器人設(shè)計指標(biāo)確定為矩形管高度各項技術(shù)性能均 150650 mm。本方案有主要包括：車體、控制臂、多功能臂和遠程調(diào)控裝置，控制臂與多功能臂組成一個主從隨動伺服裝置。用于管道清掃、攀越障礙的多功能臂裝在車體上，同時還有設(shè)有能與空調(diào)通風(fēng)管道聯(lián)通的負壓吸塵管，負壓吸塵管與風(fēng)機連

10、接。工作原理：將清潔車放入中央空調(diào)通風(fēng)管道，并將負壓吸塵管管頭插入通風(fēng)管道，再用氣墊將管道兩頭封閉，然后選擇手動開關(guān)，通過開關(guān)控制電路和控制電纜控制清潔車的行走、清潔刷的工作以與攝像頭轉(zhuǎn)向。其工作過程是：選擇手動開關(guān)是清潔車上的攝像頭轉(zhuǎn)動將管道壁的結(jié)垢情況與清掃狀況攝下并在顯示器上顯示出來，操作人員根據(jù)顯示情況與清掃狀況用手動開關(guān)操縱清掃車的運動，并控制清潔刷旋轉(zhuǎn)，將污垢從管壁上掃下再通過與氣泵連接的負氣吸塵管吸走。工作簡圖：研究步驟1） 進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計2） 機器的運動學(xué)設(shè)計。根據(jù)結(jié)構(gòu)方案確定原動件的參數(shù)(功率、轉(zhuǎn)速、線速度等)。然后做運動學(xué)計算，從而確定個運動構(gòu)件的運動參數(shù)（參數(shù)、速度、加

11、速度等）。3） 機器的動力學(xué)計算。結(jié)合各部分的結(jié)構(gòu)與運動參數(shù)，計算各主要零件所受載荷的大小與特性。4） 零件的工作能力設(shè)計。已知主要零檢索瘦的工程再喝的大小和特性，既可做零、部件的初步設(shè)計。設(shè)計所依據(jù)的工作能力準(zhǔn)則，通過計算或類比，即可決定零、部件的基本尺寸。5） 部件裝配草圖與總裝配草圖的設(shè)計。根據(jù)已定的主要零、部件的基本尺寸，設(shè)計出部件裝配與總裝配草圖。草圖上需對所有零件的外形與尺寸進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計。在此步驟中需很好的協(xié)調(diào)各零件的結(jié)構(gòu)與尺寸，全面地考慮所設(shè)計的零、部件的結(jié)構(gòu)工藝性，使全部零件有最合理的構(gòu)型。6） 用CAD軟件畫出裝配圖參考書目1GB/T 19210-2003空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)清洗規(guī)

12、S中國標(biāo)準(zhǔn)化，2003，(9):66-672 甘小明，徐濱士，董世運等管道機器人的發(fā)展現(xiàn)狀J機器人技術(shù)與應(yīng)用，2003，(6)：5-10 3 龔振邦等編著機器人機械設(shè)計M：電子工業(yè)，19954 濮良貴，紀(jì)名剛等編著.第8版.機械設(shè)計M.：高等教育，20055 桓，作模，文杰等編著.第7版.機械原理M.：高等教育，20066 宋章軍，懇，向東等通風(fēng)管道智能清污機器人MDCR-I的研制與開發(fā)J機器人，2005，27(2)：142-146 7 曉明，車立新，霄鵬等中央空調(diào)管道清掃機器人的設(shè)計J機械，2005，32(1)：39-418 文彬，建國，蓓智等管道檢測機器人的研制J機械工程師，2005，(1

13、)：16-18 指指導(dǎo)教師簽名：年 月 日摘 要中央空調(diào)管道清潔機器人是一種可以沿管道部自動行走，在操作人員的遙控操作下能夠進行空調(diào)管道的清潔系統(tǒng)。本論文基于國外已經(jīng)取得的科研成果，針對中央空調(diào)矩形通風(fēng)管道系統(tǒng)的特點作了深入的分析和論證，在查閱和掌握大量有關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，針對矩形的空調(diào)管道提出了管道機器人的行走方案。本次設(shè)計分為三個部分：移動載體的設(shè)計撐緊裝置的設(shè)計機械手的設(shè)計。在移動機構(gòu)中采用車輪式，并且在車體前后設(shè)置了萬向輪，從而使機器人在管道中有更好的運動能力。壓緊裝置和機械手的設(shè)計也是課題的重點，壓緊裝置和移動載體相配合，使得機器人具有垂直上升能力，而清潔的功能通過機械手上面的毛刷來實

14、現(xiàn)，然后對設(shè)計中所涉與的零件進行強度校核，最后對機器人在轉(zhuǎn)彎時的通過性進行了分析。關(guān)鍵詞:機器人； 管道； 機構(gòu)設(shè)計； 中央空調(diào)； 清潔AbstractA Central air condition duct clean robot is a mechanical system, which can walk automatically inside a pipe. It works in central air condition pipes under the control of an operator with a remote device. Base on the results

15、which have been made in this area so far, the author made a comprehensive study on some theoretical and practical problems for a special type pipe robot. Through reading a large quantity of professional books on pipe robot, the author gives a full study of its motion theory, driving model and config

16、uration, and a detailed of the technical issues related to explanation pipe robot research and manufacturing. According to rectangular pipes characteristics, a system of pipe robot is presented.This design is divided into three parts: the design of mobile carriers, the design of support device，the d

17、esign of manipulator. We use wheel-type mobile mechanism as the moving device, and set a caster in front of the robot, as well as in the back, which allowing the robot having a better athletic ability in the pipeline. Compression devices and robot design is the key issue. With the compression and mo

18、bile device, the robot can move vertically. Then check the strength of the parts involved in design. At last robots traveling-capability at the corner is discussed.Keywords: robot; pipe; mechanism design; central air condition; clean目 錄1. 緒論··········

19、;·····································11.1 論文背景、意義與要求··········&#

20、183;·······················11.2 國外、國研究概況························&

21、#183;···········21.3 市場需求預(yù)測····································&#

22、183;·····41.4 設(shè)計的重點與難點······································42 機器人的設(shè)計··

23、3;·····································52.1空調(diào)管道系統(tǒng)介紹與清洗原理··········

24、;··················52.2 機器人移動載體方案設(shè)計·····························&

25、#183;··62.2.1 總體方案設(shè)計········································62.2.2 傳動方案的設(shè)計··

26、3;···································82.3 撐緊機構(gòu)方案設(shè)計············

27、83;·························92.4 機械手方案設(shè)計······················

28、83;················112.4.1 自由度分配方案設(shè)計······························

29、3;··112.4.2 關(guān)節(jié)傳動方案設(shè)計···································113. 具體設(shè)計計算········&

30、#183;·····························123.1 移動載體傳動計算··················

31、;···················123.1.1 左右驅(qū)動輪傳動計算····························

32、·····123.1.2 后萬向輪傳動計算···································203.2 撐緊啟動系統(tǒng)的設(shè)計計算····

33、83;··························253.2.1 氣缸的選擇·····················&#

34、183;···················253.2.2 啟動輔助元件和回路的選擇設(shè)計······················263.3 機械手的具體設(shè)計計算··

35、·······························273.3.1 電機的選擇與傳動比的分配···············

36、3;··········273.3.2 傳動齒輪蝸輪蝸桿的尺寸計算······················283.4 軸的設(shè)計計算和校核···········

37、3;····················293.5 軸承的壽命計算···························

38、83;··········334機器人轉(zhuǎn)彎時的管道通過性分析·························354.1 管道機器人在水平直角彎管的通過性分析·······

39、3;·········354.2 管道機器人在矩形管水平圓弧形彎頭的通過性分析·········365 結(jié)構(gòu)設(shè)計·························

40、3;····················376. 總結(jié)與展望····························

41、···············38參考文獻··································

42、··············40外文資料···································

43、·············41中文譯文····································

44、············46致·····································

45、83;··············5151 / 661 緒論1.1 論文背景、意義與要求室空氣品質(zhì)(IAQ一一Indoor Air Quality)是近十年國際空調(diào)界最關(guān)注的課題之一?，F(xiàn)代建筑為滿足舒適性和工藝性兩方面越來越高的要求，普遍引入了空調(diào)系統(tǒng)，但是隨著各種合成建材的使用、現(xiàn)代辦公設(shè)備如計算機等的普與、建筑密閉性的提高、運行管理水平的 局限以與為了節(jié)能或降低造價而盡可能減小新風(fēng)量等原因，使室產(chǎn)生的有害氣體和生物污染物得不到合理稀釋和置換。C02含量

46、升高，有害細菌繁生，致使空氣品質(zhì)劣化，出現(xiàn)各種呼吸道疾病癥狀，表現(xiàn)如困倦、乏力、胸悶、精神恍惚、過敏、工作效率下降等。人們90的時間是呆在室的，室的空氣污染程度比室外嚴(yán)重250倍左右，如果不清沽空調(diào)風(fēng)道，甚至可以嚴(yán)重到100倍以上。 目前我國的中央空調(diào)大多采用“間接式盤管換熱”，即水在管流動、空氣在盤管外流動，與管水進行熱量交換。這種設(shè)計會在凝結(jié)水盤形成高濕環(huán)境，如果施工不當(dāng)或設(shè)計不周，甚至?xí)斐赡Y(jié)水聚積。一旦室外空氣中致病微生物通過新風(fēng)入口由灰塵帶入，或者室空氣中的致病微生物從回風(fēng)口盤旋而上，就會粘附在盤管上，沉降在凝結(jié)水盤中。而凝結(jié)水盤的高濕環(huán)境正有利于病原微生物的大量繁殖，它們同時還會

47、被送入空調(diào)到達的每一個空間。再加上中央空調(diào)管道的許多有害顆粒和灰塵、病菌、病毒、塵螨與碳放射物等，在送風(fēng)過程中也會對人體健康帶來不利的影響?？茖W(xué)家曾做過一項對比實驗：開空調(diào)1小時后，室空氣中細菌的含量是不開空調(diào)房間的34倍。城市“大樓病”的諸多病因中，中央空調(diào)常常是罪魁禍?zhǔn)住．?dāng)前，人們已認識到中央空調(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。原因有三：一是我國大多數(shù)中央空調(diào)普遍使用粗效過濾器，最多只能過濾空氣中40的可懸浮顆粒物，近60的顆粒物進入中央空調(diào)，依然為病毒載體，當(dāng)通風(fēng)時，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)機組的清洗和水處理，殊不知風(fēng)管面積遠

48、遠大于機組面積，而中央空調(diào)系統(tǒng)95以上的藏塵量在風(fēng)管，水洗僅降低機體10水垢的產(chǎn)生；三是沒有機器人參與清洗，人進入風(fēng)管清洗又存在二次污染。 因此，加強中央空調(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)隊伍技術(shù)先進，設(shè)備精良，這使管道清掃機器人步入了歷史舞臺。 國外從20世紀(jì)70年代末80年代初開始重視中央空調(diào)的風(fēng)道清洗，同時，隨著計算機、傳感器、現(xiàn)代控制理論和技術(shù)的發(fā)展，為管道機器人的研究應(yīng)用提供了技術(shù)保證。自從1980年丹達克林發(fā)明了世界上第一臺風(fēng)管清洗機器人直到1990年前后，國外的中央空調(diào)清洗得以普遍實施，并建立了相應(yīng)行業(yè)與國家標(biāo)準(zhǔn)。 據(jù)調(diào)研，目前安裝有中央空調(diào)系統(tǒng)

49、的各類樓宇有3000多幢， 由于此類管道通?？v橫交錯，大管道由人來進行管道檢測、維修工作不僅費時費力，而且不衛(wèi)生?？趶叫　㈤L度長的管道不僅人無法進去檢查，而且清掃起來也不容易。因此，管道清掃機器人的出現(xiàn)是一種必然的趨勢。 管道清掃機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，甚至昆蟲尸體，死老鼠等垃圾一掃而空，最后還能對管道進行消毒?？蛇m用于各種中央空調(diào)和除塵等管道的管道檢測、清洗、消毒、噴漆等作業(yè)。本設(shè)計要求達到的指標(biāo)：可清潔水平、垂直管道；水平最高行進速度：1m/s；垂直攀爬速度：100mm/s；垂直攀爬載重：10kg；回轉(zhuǎn)半徑：0；機械手自由度：4；監(jiān)視器回轉(zhuǎn)速度：2度

50、/秒；監(jiān)視器水平回轉(zhuǎn)圍：360°；監(jiān)視器俯仰回轉(zhuǎn)圍：240度；供電方式：電纜；具備自動故障和報警功能。1.2 國外、國研究概況空調(diào)清潔技術(shù)起源于60余年前，是隨著中央空調(diào)技術(shù)同時誕生的。國外從20世紀(jì)70年代末80年代初開始重視中央空調(diào)的風(fēng)道清洗，直到1990年前后中央空調(diào)清洗才得以普遍實施，并建立了相應(yīng)行業(yè)與國家標(biāo)準(zhǔn)。目前在所有發(fā)達國家無一例外地實施了中央空調(diào)的清洗。風(fēng)管清洗在國外是一個比較成熟的市場，氣清洗機器人設(shè)備的研究和開發(fā)業(yè)相應(yīng)地比較成熟。據(jù)統(tǒng)計，國際上生產(chǎn)清洗機器人的廠家不下20家，其中比較著名的有瑞典的Wintclean機器人（售價100萬元），丹麥的Danduct機器

51、人（售價80萬元），加拿大的Airtox機器人（售價60萬元），還有美國的Nikro、Vsi（售價均為40萬元）等。這些國外管道機器人，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攝像機和傳感器單元等，因此機器人必須擁有的“器官”有移動載體、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。我國對中央空調(diào)風(fēng)管清洗的重要性認識比較晚，對中央空調(diào)風(fēng)管設(shè)備的研制起步也比較晚。目前我國對集中式空調(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)出的公共場所中央空調(diào)通風(fēng)系

52、統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)的通知，這還是因為受非典的啟示。該規(guī)對場所的空調(diào)系統(tǒng)衛(wèi)生提出了檢測標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定公共場所要定期更換或清洗空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的過濾器（網(wǎng)）、冷卻塔等。在頒布公共場所中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)后，我國的中央空調(diào)風(fēng)管清洗市場迅速升溫，全國各科研機構(gòu)、企業(yè)單位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)報道，東華大學(xué)在該校的一項“自主變位四履帶足機器人行走機構(gòu)”發(fā)明專利基礎(chǔ)上，首先二次開發(fā)了一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型管道機器人行走機構(gòu)，能很好的解決管道機器人適應(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、噴涂消毒的多功能清洗機器人產(chǎn)品

53、。該機器人和家用的吸塵器差不多大小，四個腳上有四條履帶，能夠在9厘米高的臺階上下。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，并且通過視頻系統(tǒng)消除各個角落里的細菌、病毒，噴涂各種消毒液。該機器人具有以下幾個特點和優(yōu)勢：1）行走機構(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（國外產(chǎn)品大多僅適用圓形管道）；2）管道清洗機器人能進入圓管260mm以上直徑、矩形管道140mm以上高度的空調(diào)、除塵管道進行清洗；3）機器人采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計和多電機驅(qū)動技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單、維護方便；4）機器人采用計算機圖像處理技術(shù)。拍攝資料便于

54、保存、播放、攜帶（國外產(chǎn)品大多采用來錄像機儲存資料）。中國科學(xué)院分院科研人員研制成功的清潔機器人樣機是根據(jù)400毫米×400毫米和500毫米×500毫米空調(diào)通風(fēng)管道設(shè)計的，具有在管道中行走、對管道污染情況進行觀察和對污染物進行清潔的功能。中國科學(xué)院分院科技合作處工作人員介紹，國自主研發(fā)的這種清潔機器人具有在管道前進、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)主要是安裝在機器人上、可在管道外部控制的清潔動力刷；電纜長度超過30米，不易損害，能夠滿足基本需要。同國外同類裝置相比，該機器人具有尺寸小、成本低、行動靈活、操作可靠、清潔效率高和應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點，并

55、且在移動機構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)、主動控制臂系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和清潔系統(tǒng)的設(shè)計上均有創(chuàng)新。國在中央空調(diào)管道清潔設(shè)備方面的研究越來越多,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, 目前國研制出來的中央空調(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洗,至今還沒有發(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 市場需求預(yù)測據(jù)介紹我國有超過500 萬個各類中央空調(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)大部分運行了20 年以上卻從未清洗。就目前而言無論從中央空調(diào)風(fēng)道專業(yè)清洗服務(wù)公司來講還是從國外空調(diào)風(fēng)道清洗機器人設(shè)備廠家來看，都不能應(yīng)付這一龐大的清洗市場。 從國方面來說，國

56、空調(diào)管道清洗行業(yè)市場還未形成，空調(diào)風(fēng)道清洗行業(yè)剛剛起步，國幾乎沒有清洗公司能夠具備一流的清洗服務(wù)隊伍，滿足各類客戶需求，而設(shè)備生產(chǎn)廠家除了國外發(fā)達國家的成熟產(chǎn)品外，國能夠適應(yīng)各類風(fēng)道特點并且技術(shù)成熟，實用性強的清洗機器人設(shè)備廠家更是鳳毛麟角。所以我國目前許多地區(qū)的中央空調(diào)通風(fēng)管道清洗市場是一片空白！從國外方面來說，雖然國外廠家的機器人性能成熟，但是它是根據(jù)自身的中央空調(diào)風(fēng)道的而制造的，但國外的中央空調(diào)風(fēng)道是標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)的，而我國的中央空調(diào)風(fēng)道是根據(jù)建筑面積設(shè)計安裝的，各個風(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。使得國外進口的清洗設(shè)備對于國很多中央空調(diào)來說并不適

57、用，很大一部分不能對我國中央空調(diào)風(fēng)道產(chǎn)生作用。 從以上分析可以看出，我國的中央空調(diào)通風(fēng)管道清洗市場是有很大潛力的，尤其是在 2003 年“非典”疫情傳播后，人們對中央空調(diào)給人們帶來的疾病隱患有了相當(dāng)大的認識，國家相應(yīng)地出臺了強制性空調(diào)清洗的法規(guī)，使得風(fēng)道清洗行業(yè)將成為中國一個新興的有著巨大潛力的發(fā)展行業(yè)。開發(fā)適合我國中央空調(diào)管道清洗機器人產(chǎn)品有很大的經(jīng)濟價值。1.4 設(shè)計的重點與難點本次設(shè)計主要由三大主要部分的設(shè)計構(gòu)成：（1）移動載體的設(shè)計，（2）撐緊裝置的設(shè)計，（3）機械手的設(shè)計。 對于管道機器人，移動載體的設(shè)計是一個重點。由于機器人工作于空 間狹小的管道中，要求其移動載體具有很好的轉(zhuǎn)彎能力

58、。國清洗市場的產(chǎn)品僅適于水平管道的清洗，而本設(shè)計要求機器人同時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)計的一個重點也是難點。壓緊裝置和機械手的設(shè)計也是該課題的重點。壓緊裝置與移動載體相配合，使得機器人具有垂直上爬能力，因此，壓緊裝置的設(shè)計合理與否，直接關(guān)系到機器人的工作能力。機械手的設(shè)計關(guān)系到機器人的工作質(zhì)量。 機器人的工作管道截面面積小，同時機器人的垂直上爬是依靠摩擦力實現(xiàn)的，這對整機的空間尺寸大小和自身重量提出了嚴(yán)格限制。這要求機器人的各部件空間尺寸要盡量地小、質(zhì)量要盡量地輕。這給機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了很大的難題。2 機器人

59、的設(shè)計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，管徑和接頭沒有規(guī)，有較多的斜坡或臺階。在實際的空調(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，實際使用的管道并不一定時理想的幾何體，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產(chǎn)生變形。我們在研究管行走機構(gòu)動力學(xué)時，在不失實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度。2. 管道與機器人的履帶變形

60、可以忽略。管道清潔機器人的清掃原理：(1) 使用機器人進行風(fēng)管部檢查；(2) 采用氣囊封堵風(fēng)口；(3) 機器人清掃風(fēng)管壁；(4) 使用集塵凈化器吸收風(fēng)管的菌團和雜質(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 機器人移動載體方案設(shè)計2.2.1 總體方案設(shè)計機器人移動載體的設(shè)計是本次設(shè)計的難點之一 如果僅限于地面移動，機器人的移動載體形式有車輪形、履帶形、腿腳形、軀干形等四種形態(tài)。與其他移動機構(gòu)相比，車輪形移動機構(gòu)具有以下一些優(yōu)點：高速穩(wěn)定地移動、能量利用率高、機構(gòu)和控制簡單、能借鑒當(dāng)今已積累的汽車技術(shù)

61、與經(jīng)驗等。因此本設(shè)計采用輪式結(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進行直立穩(wěn)定移動控制問題的基礎(chǔ)研究，而不是著眼于機器人移動機構(gòu)的實用化問題。如果單考慮平面移動的話，三輪機構(gòu)已經(jīng)可以了，但從加強移動過程中的穩(wěn)定性角度來考慮，目前多數(shù)采用的是四輪機構(gòu)。五輪以上的機構(gòu)的提出，是因為它在裝載重物時具有較大的穩(wěn)定性，而且適用于臺階、階梯等非平地狀態(tài)的移動。因此，本設(shè)計采用四輪機構(gòu)的移動載體。 典型的四輪移動機構(gòu)有如下幾種：1) 兩輪獨立驅(qū)動方式 如下圖2.2所示：圖2.2 驅(qū)動方式圖前后兩個為輔助輪（萬向輪），左右兩輪為獨立驅(qū)動輪，其自轉(zhuǎn)中心與車體

62、中心重合。它的轉(zhuǎn)向不是通過操舵機構(gòu)的動作，而是依靠左右兩輪的差速實現(xiàn)的，當(dāng)兩輪以相反速度方向轉(zhuǎn)動時，車體能饒自身中心自轉(zhuǎn)，以便在狹窄場合改變方向。這種車輪布置方式在靈活性和穩(wěn)定性上都是比較好的，由于沒有操舵機構(gòu)，因此該機構(gòu)也比較簡單，可以減輕重量，適合空調(diào)管道機器人要求體積小重量輕的要求。它的缺點是當(dāng)遇到溝槽使得左右兩驅(qū)動輪被架空時，由于驅(qū)動輪不著地不能產(chǎn)生動力，這樣的話整個機器人便不能移動了。2) 汽車車輪配置方式 如圖2.3所示：圖2.3 車輪配置方式兩個操舵輪需要同一個操舵機構(gòu)來協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向，此外后輪配有差動齒輪裝置，增加了機構(gòu)的復(fù)雜性。由于它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以僅用于智能汽車等的研究方面，

63、而在機器人的移動機構(gòu)中不太采用。3) 全方位移動車方式（Omni Directional Vehicle,ODV）三輪車或四輪車基本是 2 自由度的，不能進行任意的定位和定向。 ODV 的提出就是為了實現(xiàn)機器人任意方向的運動而開發(fā)的，它的移動機構(gòu)具有原地改變方向或以一定姿態(tài)角度移動等多種功能。這種ODV 結(jié)構(gòu)需要有轉(zhuǎn)向操舵機構(gòu)和多個離合器，因此，雖然其性能很優(yōu)越，但機構(gòu)很 復(fù)雜，并不適合本設(shè)計對移動機構(gòu)的要求。 由于本設(shè)計的空調(diào)管道清洗機器人要求在管道中行走，對其自身的空間尺寸和自重提出了嚴(yán)格的限制。因此要求機器人的各部分結(jié)構(gòu)要盡量簡單。綜合考慮上面的方案，結(jié)合本設(shè)計要求，本設(shè)計選用兩輪獨立驅(qū)

64、動方式的移動載體。為了克服上述所提到的該機構(gòu)的缺點，可以在后萬向輪中安裝一應(yīng)急電機，同時在輪軸中安裝一超越離合器，機器人正常時應(yīng)急電機不工作，超越離合器處于超越狀態(tài)，當(dāng)遇到左右兩個驅(qū)動輪被架空時，超越離合器處于嚙合狀態(tài)，應(yīng)急電機工作。2.2.2 傳動方案的設(shè)計由于齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長、效率高、傳動比準(zhǔn)確等優(yōu)點，因此在考慮具體的傳動方案時，應(yīng)該選用齒輪傳動。由于兩電機獨立驅(qū)動，兩驅(qū)動輪的傳動方案是一樣的，下面以一輪為例來討論。 在查閱了大量資料之后同時考慮到機器人的水平行走速度和垂直行走速度，經(jīng)過反復(fù)的計算，確定驅(qū)動輪的傳動方案如圖2.4所示：圖2.4 驅(qū)動輪傳動方案圖Z7

65、與 Z10為制造有半牙嵌離合器的齒輪。機器人水平行進時，其速度較高，牙嵌離合器嚙合，傳力路線為：電機齒輪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；機器人垂直行走時速度較低，牙嵌離合器脫離嚙合，傳力路線為：電機齒輪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。由于后萬向輪電機僅在特殊情況下工作，對其傳動要求并不很嚴(yán)格，再考慮到安裝的難易程度，該傳動選為蝸輪蝸桿傳動，其傳動比大、所采用的零件數(shù)目少、結(jié)構(gòu)緊湊，其傳動方案如圖2.5所示：圖2.5 后萬向輪傳動方案2.3 撐緊機構(gòu)方案設(shè)計在設(shè)計撐緊機構(gòu)的過程

66、中，我首先從動力源開始考慮。按照動力源的不同，撐緊機構(gòu)可分為兩種：1) 電氣撐緊 動力由電機提供，考慮理由是電氣驅(qū)動應(yīng)用普遍、噪聲小、提供動力大。 在電機作為動力源的前提下，傳動方案又有兩種：A） 絲杠螺母傳動 如圖2.6：圖2.6 絲桿螺母傳動輪子固定在螺母上，電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，使得螺母連同輪子往上移動實現(xiàn)撐緊。這個方案的缺點是機構(gòu)比較復(fù)雜，增加了載重。B） 齒輪齒條傳動 如下圖2.7：圖2.7 齒輪齒條傳動輪子固定在齒條上，通過電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，使得輪子連同齒條往上移動實現(xiàn)撐緊。這個方案的缺點除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜外還有摩擦很大。2) 氣動撐緊 由壓縮空氣驅(qū)動氣缸提供動力，考慮理由是在所有的驅(qū)動方式

67、中，氣壓驅(qū)動操作簡單、成本低、易于編程，并且氣動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)動由于氣缸的活塞要求直線往復(fù)運動同時又要有輕微的圓弧擺動，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，因此采用連桿機構(gòu)既可避免活塞桿偏載也能起到增力的作用。2.4 機械手方案設(shè)計2.4.1 自由度分配方案設(shè)計本設(shè)計要求的機械手自由度數(shù)為 4。4 自由度機械手的自由度分配方案很多，在進行本環(huán)節(jié)的設(shè)計時，一開始考慮了如圖2.9所示的方案：圖2.9自由度分配該方案機械手可以像人的手臂那樣通過大臂和小臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)手爪（對本設(shè)計是刷子）的移動

68、來進行工作，而機器人本體可以靜止。但該方案只能實現(xiàn)刷子的平動，不能很好地適應(yīng)有傾斜面情況的清洗。為了克服這個缺點，經(jīng)過與老師討論，采用自由度分配如圖2.10所示的機械手臂。圖2.10 自由度分配該手臂腕關(guān)節(jié)可以轉(zhuǎn)動，刷子裝在手腕上實現(xiàn)轉(zhuǎn)動很好地適應(yīng)了斜面清洗的情況。刷子依靠機器人的前進后退來實現(xiàn)移動。2.4.2 關(guān)節(jié)傳動方案設(shè)計查閱了有關(guān)專業(yè)資料后確定本設(shè)計機械手關(guān)節(jié)采用“齒輪式機器人關(guān)節(jié)”，其結(jié)構(gòu)緊湊簡單。由于機器手關(guān)節(jié)要求具有自鎖功能，因此再加一級蝸輪蝸桿傳動，其傳動方案如圖2.11：圖2.11 機械手傳動3. 具體設(shè)計計算3.1 移動載體傳動計算3.1.1 左右驅(qū)動輪傳動計算在前面的方案

69、設(shè)計中已經(jīng)對驅(qū)動輪的傳動方案進行了討論，經(jīng)過反復(fù)的計算對比，我選輪子的尺寸為140mm，即D=140mm，R=70mm。1） 電機的選擇A 電機類型的選擇此電機用于驅(qū)動機器人行走機構(gòu)，要求對速度和位移形成反饋，為便于控制，本設(shè)計選用直流伺服電機。B 選擇電機的容量根據(jù)同類產(chǎn)品估計機器的重量為 30Kg ，g 取 9.8N/Kg ，則 G=30×9.8=294N。 機器水平行走機器水平行走時分配到每個輪子上的載荷為： F=對驅(qū)動輪進行受力分析如圖3.1：圖3.1 驅(qū)動輪受力其中：Mf為滾動摩阻，Mf=N按照實心橡膠輪胎在優(yōu)質(zhì)路上時取=1mm，則：Mf=N=1×122.5=12

70、2.5（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：=0.1×12.25=12.25（N）則輪子行走過程中所受的阻力矩：工作機要求的功率 式中：由取則：電機所需的輸出的功率水平行走的動力傳遞路線：電機齒輪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： 機器垂直行走機器垂直上爬時除了機器自重外還加上電纜等垂直攀爬載重 10kg，故總

71、重量為40kg。 機器垂直上爬的理論功率工作機要求的功率電機所需的功率：其中：垂直行走路線：電機齒輪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。 故有：C.確定電動機轉(zhuǎn)速由于單級圓柱齒輪傳動傳動比圍為15，則有： 水平行走總傳動比：,電機的轉(zhuǎn)速圍： 136.5×(1-125)=136.5-17062(r/min)垂直行走總傳動比：，電機的轉(zhuǎn)速圍： 136.5×(1-15625)=136.5-213281(r/min)查手冊選直流伺服電機 4040，其額定功率Ped=40W，額定轉(zhuǎn)速n=3000r/min其技術(shù)參數(shù)如下

72、表1表2-1型 號額定功率W額定力矩Nm額定轉(zhuǎn)速 min-1額定電流 A轉(zhuǎn)動慣量10-5kg·m2重 量Kg 4040400.095300031.91.12） 計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 水平行走總傳動比 水平行走傳動比： 垂直行走總傳動比：因為垂直行走的傳動路線包括水平行走路線，所以可以先按水平行走計算，再加上兩級傳動成為垂直行走的傳動路線。水平行走時平均分配傳動比，即：則垂直行走時的傳動比，其中，分別為齒輪7，8和齒輪9，10 的傳動比。因為=22，故有：=10，平均分配傳動比：=3.163） 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)A. 水平行走 各軸轉(zhuǎn)速n=nW=3000r/

73、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)矩由以上計算可以看出,機器人垂直行走時各軸的功率均比水平行走各軸功率大,故計算各軸扭矩時應(yīng)以垂直行走時的功率計算.:I軸（電機軸）：II軸：III軸：IV軸：V軸：VI軸：4) 傳動齒輪尺寸計算在該傳動系統(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，都采用的硬齒面，因此這些齒輪的計算方式是一樣的。下面以高速級傳動齒輪 Z1，Z2為例說明齒輪尺寸計算的具體過程。A. 選擇齒輪材料、精度等級、齒輪齒數(shù)考慮到齒輪傳遞的功率和扭矩不大，并且機器人的設(shè)計要求機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，所以考慮本級齒輪材料采用工程塑料。通過查閱設(shè)計手冊，本級齒輪材料選用聚碳酸脂（PC），其抗彎強度為 130 MPa，齒面硬度 4550HRC。機器人行走機構(gòu)傳動齒輪對載荷分布均勻性要求高，