中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本科

中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)PAGE中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一、課題訓(xùn)練內(nèi)容本課題基于國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得的科研成果，針對(duì)中央空調(diào)矩形通風(fēng)管道系統(tǒng)的特點(diǎn)作了深入的分析和論證，在查閱和掌握大量有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)矩形的空調(diào)管道提出了管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。本課題訓(xùn)練內(nèi)容：移動(dòng)載體的設(shè)計(jì)﹑撐緊裝置的設(shè)計(jì)﹑機(jī)械手的設(shè)計(jì)零件設(shè)計(jì)計(jì)算以及強(qiáng)度校核對(duì)機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)的通過(guò)性進(jìn)行了分析二、設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)和要求（包括說(shuō)明書(shū)、論文、譯文、計(jì)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(duì)矩形的空調(diào)管道設(shè)計(jì)管道清潔機(jī)器人。論文要求：1.設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)按《武漢科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）格式模板》要求書(shū)寫(xiě)。2.譯文見(jiàn)附頁(yè)。3.程序要求框圖詳細(xì)完整，硬件圖紙完備，程序清單作為附頁(yè)附在論文后，程序及電子文檔刻成光盤(pán)與報(bào)告同時(shí)上交。4.設(shè)計(jì)指標(biāo)需考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性要求。三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要參數(shù)及主要參考資料主要參數(shù)：機(jī)器人車體長(zhǎng)為501mm，寬438mm，高為294mm，車體加上機(jī)械手附帶毛刷總長(zhǎng)為1281mm；機(jī)械手總長(zhǎng)為792.5mm水平最高行進(jìn)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(jī)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)范圍：360°；監(jiān)視器俯仰回轉(zhuǎn)范圍：240度。主要參考資料：[1]GB/T19210-2003．空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)清洗規(guī)范[S]．中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2003，(9):66-67[2]甘小明，徐濱士，董世運(yùn)等．管道機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀[J]．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2003，(6)：5-10[3]龔振邦等編著．機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1995[4]濮良貴，紀(jì)名剛等編著.第8版.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2005[5]孫桓，陳作模，葛文杰等編著.第7版.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2006[6]宋章軍，陳懇，楊向東等．通風(fēng)管道智能清污機(jī)器人MDCR-I的研制與開(kāi)發(fā)[J]．機(jī)器人，2005，27(2)：142-146[7]韓曉明，車立新，謝霄鵬等．中央空調(diào)管道清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械，2005，32(1)：39-41[8]謝文彬，楊建國(guó)，李蓓智等．管道檢測(cè)機(jī)器人的研制[J]．機(jī)械工程師，2005，(1)：16-18四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度表武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度表序號(hào)起止日期計(jì)劃完成內(nèi)容實(shí)際完成情況檢查人簽名檢查日期112.1-1.1查找資料，熟悉被選課題及其相關(guān)內(nèi)容,預(yù)選出課題名稱。21.2-2.1與輔導(dǎo)老師溝通確認(rèn)課題的難點(diǎn)和重點(diǎn)及要注意的問(wèn)題。并完成開(kāi)題報(bào)告。33.10畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題答辯43.11-3.31進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)零件的工作能力設(shè)計(jì)確定零部件的基本尺寸。54.1-4.30部件裝配草圖及總裝配草圖的設(shè)計(jì)。對(duì)所有零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，使零件有最合理的構(gòu)型。并用CAD畫(huà)出工程圖。65.1-5.15開(kāi)始寫(xiě)論文并翻譯一篇英文文獻(xiàn)75.16-5.25對(duì)論文中不合理的地方進(jìn)行修改。并根據(jù)學(xué)校對(duì)論文要求的格式對(duì)自己的論文進(jìn)行規(guī)范，準(zhǔn)備答辯。注：1.本任務(wù)書(shū)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(shuō)明書(shū)內(nèi)。2.“實(shí)際完成情況”和“檢查人簽名”由教師用筆填寫(xiě)，其余各項(xiàng)均要求打印，打印字體和字號(hào)按照《武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）規(guī)范》執(zhí)行。武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告課題名稱中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)院系名稱機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級(jí)機(jī)設(shè)062學(xué)生姓名潘宏偉課題意義近幾年來(lái)，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(mén)的關(guān)注。2003年，國(guó)家質(zhì)檢總局發(fā)布了《空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)清洗規(guī)范》，衛(wèi)生部頒布了《公共場(chǎng)所集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范》；2005年，建設(shè)部與國(guó)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(yùn)行管理規(guī)范》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；2006年3月1日中央空調(diào)長(zhǎng)期使用后，灰塵、污垢、細(xì)菌等會(huì)積聚在空調(diào)通風(fēng)管道內(nèi)部，不但影響空調(diào)的制冷，還會(huì)促成螨蟲(chóng)的滋生；附著在室內(nèi)機(jī)的細(xì)菌隨送風(fēng)系統(tǒng)吹回室內(nèi)，污染室內(nèi)的空氣、傳播疾病，嚴(yán)重影響人們身心健康。人長(zhǎng)期呆在空調(diào)房里，就會(huì)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(wú)數(shù)次的重復(fù)運(yùn)行中，空氣中夾雜的大量塵埃和液態(tài)煙霧就會(huì)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(jī)馬達(dá)電流增大，運(yùn)行時(shí)間成倍延長(zhǎng)，耗電量顯著增加。因此清洗空調(diào)可保護(hù)壓縮機(jī)，延長(zhǎng)使用壽命，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。但高樓內(nèi)空調(diào)管道縱橫交錯(cuò)、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，非人力所能及，而且人爬進(jìn)管道清洗也不符合勞動(dòng)衛(wèi)生規(guī)范。而用管道機(jī)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(shì),管道清洗機(jī)器人不僅可以清洗,還可以實(shí)時(shí)檢查清洗效果以及進(jìn)行管道探傷、噴涂、消毒,所以需采用專用的機(jī)器人進(jìn)行清洗和消毒。

所屬領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r目前，國(guó)外的管道清洗機(jī)器人已形成產(chǎn)業(yè)化。如美國(guó)、丹麥、日本、韓國(guó)等諸多國(guó)家均有管道清洗機(jī)器人系列產(chǎn)品?？v觀國(guó)外管道清洗機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)大同小異，性能水平也沒(méi)太大的差別：大多采用輪式或雙履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)；2）配有高速旋轉(zhuǎn)的清掃機(jī)構(gòu)，用來(lái)把管內(nèi)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攝像頭及照明燈，用于探測(cè)管道內(nèi)的狀況，這在人所不能到達(dá)的管道內(nèi)部是必不可少的；4）由于管道機(jī)器人還不可能達(dá)到完全自主清潔，故采用線控方式，由操作人員在管道外進(jìn)行操作。研究?jī)?nèi)容、研究方法、研究手段空調(diào)管道清洗機(jī)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(jìn)行吸塵、攜帶攝像機(jī)和傳感器檢測(cè)管道內(nèi)狀況的功能。要實(shí)現(xiàn)這些功能，機(jī)器人必須擁有的“器官”包括：靈活的移動(dòng)載體、多種清掃和清洗作業(yè)工具、CCD攝像機(jī)及照明系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和操作盒以及一些輔助設(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(jià)格低的特點(diǎn)。中央空調(diào)通風(fēng)管道大多采用扁平矩形截面,管道高度范圍相當(dāng)大,最扁平的管道高度僅150mm左右。因此管道清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)指標(biāo)確定為矩形管高度各項(xiàng)技術(shù)性能均150～650mm。本方案有主要包括：車體、控制臂、多功能臂和遠(yuǎn)程調(diào)控裝置，控制臂與多功能臂組成一個(gè)主從隨動(dòng)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(shí)還有設(shè)有能與空調(diào)通風(fēng)管道聯(lián)通的負(fù)壓吸塵管，負(fù)壓吸塵管與風(fēng)機(jī)連接。工作原理：將清潔車放入中央空調(diào)通風(fēng)管道內(nèi)，并將負(fù)壓吸塵管管頭插入通風(fēng)管道內(nèi)，再用氣墊將管道兩頭封閉，然后選擇手動(dòng)開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電路和控制電纜控制清潔車的行走、清潔刷的工作以及攝像頭轉(zhuǎn)向。其工作過(guò)程是：選擇手動(dòng)開(kāi)關(guān)是清潔車上的攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)將管道內(nèi)壁的結(jié)垢情況及清掃狀況攝下并在顯示器上顯示出來(lái)，操作人員根據(jù)顯示情況及清掃狀況用手動(dòng)開(kāi)關(guān)操縱清掃車的運(yùn)動(dòng)，并控制清潔刷旋轉(zhuǎn)，將污垢從管壁上掃下再通過(guò)與氣泵連接的負(fù)氣吸塵管吸走。工作簡(jiǎn)圖：研究步驟進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)方案確定原動(dòng)件的參數(shù)(功率、轉(zhuǎn)速、線速度等)。然后做運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，從而確定個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（參數(shù)、速度、加速度等）。機(jī)器的動(dòng)力學(xué)計(jì)算。結(jié)合各部分的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算各主要零件所受載荷的大小及特性。零件的工作能力設(shè)計(jì)。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(jì)。設(shè)計(jì)所依據(jù)的工作能力準(zhǔn)則，通過(guò)計(jì)算或類比，即可決定零、部件的基本尺寸。部件裝配草圖及總裝配草圖的設(shè)計(jì)。根據(jù)已定的主要零、部件的基本尺寸，設(shè)計(jì)出部件裝配及總裝配草圖。草圖上需對(duì)所有零件的外形及尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。在此步驟中需很好的協(xié)調(diào)各零件的結(jié)構(gòu)及尺寸，全面地考慮所設(shè)計(jì)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。用CAD軟件畫(huà)出裝配圖參考書(shū)目[1]GB/T19210-2003．空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)清洗規(guī)范[S]．中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2003，(9):66-67[2]甘小明，徐濱士，董世運(yùn)等．管道機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀[J]．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2003，(6)：5-10[3]龔振邦等編著．機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1995[4]濮良貴，紀(jì)名剛等編著.第8版.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2005[5]孫桓，陳作模，葛文杰等編著.第7版.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2006[6]宋章軍，陳懇，楊向東等．通風(fēng)管道智能清污機(jī)器人MDCR-I的研制與開(kāi)發(fā)[J]．機(jī)器人，2005，27(2)：142-146[7]韓曉明，車立新，謝霄鵬等．中央空調(diào)管道清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械，2005，32(1)：39-41[8]謝文彬，楊建國(guó)，李蓓智等．管道檢測(cè)機(jī)器人的研制[J]．機(jī)械工程師，2005，(1)：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(jī)器人是一種可以沿管道內(nèi)部自動(dòng)行走，在操作人員的遙控操作下能夠進(jìn)行空調(diào)管道的清潔系統(tǒng)。本論文基于國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得的科研成果，針對(duì)中央空調(diào)矩形通風(fēng)管道系統(tǒng)的特點(diǎn)作了深入的分析和論證，在查閱和掌握大量有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)矩形的空調(diào)管道提出了管道機(jī)器人的行走方案。本次設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分：移動(dòng)載體的設(shè)計(jì)﹑撐緊裝置的設(shè)計(jì)﹑機(jī)械手的設(shè)計(jì)。在移動(dòng)機(jī)構(gòu)中采用車輪式，并且在車體前后設(shè)置了萬(wàn)向輪，從而使機(jī)器人在管道中有更好的運(yùn)動(dòng)能力。壓緊裝置和機(jī)械手的設(shè)計(jì)也是課題的重點(diǎn)，壓緊裝置和移動(dòng)載體相配合，使得機(jī)器人具有垂直上升能力，而清潔的功能通過(guò)機(jī)械手上面的毛刷來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后對(duì)設(shè)計(jì)中所涉及的零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，最后對(duì)機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)的通過(guò)性進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞:機(jī)器人；管道；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；中央空調(diào)；清潔AbstractACentralairconditionductcleanrobotisamechanicalsystem,whichcanwalkautomaticallyinsideapipe.Itworksincentralairconditionpipesunderthecontrolofanoperatorwitharemotedevice.Baseontheresultswhichhavebeenmadeinthisareasofar,theauthormadeacomprehensivestudyonsometheoreticalandpracticalproblemsforaspecialtypepiperobot.Throughreadingalargequantityofprofessionalbooksonpiperobot,theauthorgivesafullstudyofitsmotiontheory,drivingmodelandconfiguration,andadetailedofthetechnicalissuesrelatedtoexplanationpiperobotresearchandmanufacturing.Accordingtorectangularpipe’scharacteristics,asystemofpiperobotispresented.Thisdesignisdividedintothreeparts:thedesignofmobilecarriers,thedesignofsupportdevice，thedesignofmanipulator.Weusewheel-typemobilemechanismasthemovingdevice,andsetacasterinfrontoftherobot,aswellasintheback,whichallowingtherobothavingabetterathleticabilityinthepipeline.Compressiondevicesandrobotdesignisthekeyissue.Withthecompressionandmobiledevice,therobotcanmovevertically.Thencheckthestrengthofthepartsinvolvedindesign.Atlastrobot’straveling-capabilityatthecornerisdiscussed.Keywords:robot;pipe;mechanismdesign;centralaircondition;clean目錄緒論···············································11.1論文背景、意義及要求··································11.2國(guó)外、國(guó)內(nèi)研究概況····································21.3市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)··········································41.4設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)······································42機(jī)器人的設(shè)計(jì)········································52.1空調(diào)管道系統(tǒng)介紹及清洗原理····························52.2機(jī)器人移動(dòng)載體方案設(shè)計(jì)································62.2.1總體方案設(shè)計(jì)········································62.2.2傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)······································82.3撐緊機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)······································92.4機(jī)械手方案設(shè)計(jì)·······································112.4.1自由度分配方案設(shè)計(jì)·································112.4.2關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)···································113.具體設(shè)計(jì)計(jì)算······································123.1移動(dòng)載體傳動(dòng)計(jì)算·····································123.1.1左右驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)計(jì)算·································123.1.2后萬(wàn)向輪傳動(dòng)計(jì)算···································203.2撐緊啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算·······························253.2.1氣缸的選擇·········································253.2.2啟動(dòng)輔助元件和回路的選擇設(shè)計(jì)······················263.3機(jī)械手的具體設(shè)計(jì)計(jì)算·································273.3.1電機(jī)的選擇及傳動(dòng)比的分配··························273.3.2傳動(dòng)齒輪﹑蝸輪蝸桿的尺寸計(jì)算······················283.4軸的設(shè)計(jì)﹑計(jì)算和校核································293.5軸承的壽命計(jì)算······································334機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)的管道通過(guò)性分析·························354.1管道機(jī)器人在水平直角彎管的通過(guò)性分析·················354.2管道機(jī)器人在矩形管水平圓弧形彎頭的通過(guò)性分析·········365結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)··············································376.總結(jié)與展望···········································38參考文獻(xiàn)················································40外文資料················································41中文譯文················································46致謝····················································51武漢紡織大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文PAGE501緒論1.1論文背景、意義及要求室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ一一IndoorAirQuality)是近十年國(guó)際空調(diào)界最關(guān)注的課題之一。現(xiàn)代建筑為滿足舒適性和工藝性兩方面越來(lái)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(jì)算機(jī)等的普及、建筑密閉性的提高、運(yùn)行管理水平的局限以及為了節(jié)能或降低造價(jià)而盡可能減小新風(fēng)量等原因，使室內(nèi)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含量升高，有害細(xì)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(guò)敏、工作效率下降等。人們90％的時(shí)間是呆在室內(nèi)的，室內(nèi)的空氣污染程度比室外嚴(yán)重2—50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(guó)的中央空調(diào)大多采用“間接式盤(pán)管換熱”，即水在管內(nèi)流動(dòng)、空氣在盤(pán)管外流動(dòng)，與管內(nèi)水進(jìn)行熱量交換。這種設(shè)計(jì)會(huì)在凝結(jié)水盤(pán)內(nèi)形成高濕環(huán)境，如果施工不當(dāng)或設(shè)計(jì)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(guò)新風(fēng)入口由灰塵帶入，或者室內(nèi)空氣中的致病微生物從回風(fēng)口盤(pán)旋而上，就會(huì)粘附在盤(pán)管上，沉降在凝結(jié)水盤(pán)中。而凝結(jié)水盤(pán)的高濕環(huán)境正有利于病原微生物的大量繁殖，它們同時(shí)還會(huì)被送入空調(diào)到達(dá)的每一個(gè)空間。再加上中央空調(diào)管道內(nèi)的許多有害顆粒和灰塵、病菌、病毒、塵螨及碳放射物等，在送風(fēng)過(guò)程中也會(huì)對(duì)人體健康帶來(lái)不利的影響。科學(xué)家曾做過(guò)一項(xiàng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)：開(kāi)空調(diào)1小時(shí)后，室內(nèi)空氣中細(xì)菌的含量是不開(kāi)空調(diào)房間內(nèi)的3—4倍。城市“大樓病”的諸多病因中，中央空調(diào)常常是罪魁禍?zhǔn)?。?dāng)前，人們已認(rèn)識(shí)到中央空調(diào)風(fēng)管內(nèi)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)內(nèi)95％以上的藏塵量在風(fēng)管內(nèi)，水洗僅降低機(jī)體內(nèi)10％水垢的產(chǎn)生；三是沒(méi)有機(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)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)調(diào)研，目前上海安裝有中央空調(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)、維修工作不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不衛(wèi)生?？趶叫?、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)。本設(shè)計(jì)要求達(dá)到的指標(biāo)：可清潔水平、垂直管道；水平最高行進(jìn)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(jī)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)范圍：360°；監(jiān)視器俯仰回轉(zhuǎn)范圍：240度；供電方式：電纜；具備自動(dòng)故障和報(bào)警功能。1.2國(guó)外、國(guó)內(nèi)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)及國(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)大同小異，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)范》的通知，這還是因?yàn)槭芊堑涞膯⑹?。該?guī)范對(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)范》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)具備自主管內(nèi)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)院蘭州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)管道內(nèi)污染情況進(jìn)行觀察和對(duì)污染物進(jìn)行清潔的功能。中國(guó)科學(xué)院蘭州分院科技合作處工作人員介紹，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的這種清潔機(jī)器人具有在管道內(nèi)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)內(nèi)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)備在內(nèi),目前國(guó)內(nèi)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)內(nèi)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)內(nèi)方面來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)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)內(nèi)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)內(nèi)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)范的，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)道不盡相同，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)格不盡相同，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)內(nèi)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)主要由三大主要部分的設(shè)計(jì)構(gòu)成：（1）移動(dòng)載體的設(shè)計(jì)，（2）撐緊裝置的設(shè)計(jì)，（3）機(jī)械手的設(shè)計(jì)。對(duì)于管道機(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)內(nèi)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)。壓緊裝置和機(jī)械手的設(shè)計(jì)也是該課題的重點(diǎn)。壓緊裝置與移動(dòng)載體相配合，使得機(jī)器人具有垂直上爬能力，因此，壓緊裝置的設(shè)計(jì)合理與否，直接關(guān)系到機(jī)器人的工作能力。機(jī)械手的設(shè)計(jì)關(guān)系到機(jī)器人的工作質(zhì)量。機(jī)器人的工作管道截面面積小，同時(shí)機(jī)器人的垂直上爬是依靠摩擦力實(shí)現(xiàn)的，這對(duì)整機(jī)的空間尺寸大小和自身重量提出了嚴(yán)格限制。這要求機(jī)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(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很大的難題。2機(jī)器人的設(shè)計(jì)2.1空調(diào)管道系統(tǒng)介紹及清洗原理中央空調(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)范，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)谘芯抗軆?nèi)行走機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)時(shí)，在不失實(shí)際意義的情況下假定：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)度。管道及機(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：使用機(jī)器人進(jìn)行風(fēng)管內(nèi)部檢查；采用氣囊封堵風(fēng)口；機(jī)器人清掃風(fēng)管內(nèi)壁；使用集塵凈化器吸收風(fēng)管內(nèi)的菌團(tuán)和雜質(zhì)；監(jiān)視器觀察風(fēng)管內(nèi)壁的清洗效果，并錄像備案；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及五輪以上等幾種。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：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。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，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。全方位移動(dòng)車方式（OmniDirectionalVehicle,ODV）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Z2—齒輪Z3—齒輪Z4—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Z2—齒輪Z3—齒輪Z4—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撐緊機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)撐緊機(jī)構(gòu)的過(guò)程中，我首先從動(dòng)力源開(kāi)始考慮。按照動(dòng)力源的不同，撐緊機(jī)構(gòu)可分為兩種：1)電氣撐緊動(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：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。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)撐緊。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)撐緊由壓縮空氣驅(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，并且氣動(dòng)能很容易地保持輸出壓力不變?？紤]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。2.4機(jī)械手方案設(shè)計(jì)2.4.1自由度分配方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)要求的機(jī)械手自由度數(shù)為4。4自由度機(jī)械手的自由度分配方案很多，在進(jìn)行本環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)時(shí)，一開(kāi)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(jī)械手可以像人的手臂那樣通過(guò)大臂和小臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)手爪（對(duì)本設(shè)計(jì)是刷子）的移動(dòng)來(lái)進(jìn)行工作，而機(jī)器人本體可以靜止。但該方案只能實(shí)現(xiàn)刷子的平動(dòng)，不能很好地適應(yīng)有傾斜面情況的清洗。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)與老師討論，采用自由度分配如圖2.10所示的機(jī)械手臂。圖2.10自由度分配該手臂腕關(guān)節(jié)可以轉(zhuǎn)動(dòng)，刷子裝在手腕上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)很好地適應(yīng)了斜面清洗的情況。刷子依靠機(jī)器人的前進(jìn)后退來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。2.4.2關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)查閱了有關(guān)專業(yè)資料后確定本設(shè)計(jì)機(jī)械手關(guān)節(jié)采用“齒輪式機(jī)器人關(guān)節(jié)”，其結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單。由于機(jī)器手關(guān)節(jié)要求具有自鎖功能，因此再加一級(jí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，其傳動(dòng)方案如圖2.11：圖2.11機(jī)械手傳動(dòng)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。電機(jī)的選擇電機(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)選用直流伺服電機(jī)。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：Mf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：=0.1×12.25=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Z2—齒輪Z3—齒輪Z4—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Z2—齒輪Z3—齒輪Z4—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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由于單級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比范圍為1~5，則有：水平行走總傳動(dòng)比：,電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍：136.5×(1-125)=136.5-17062(r/min)垂直行走總傳動(dòng)比：，電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍：136.5×(1-15625)=136.5-213281(r/min)查手冊(cè)選直流伺服電機(jī)ДП40－40，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表2-1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KgДП40－40400.095300031.91.1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：===3.16計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)水平行走各軸轉(zhuǎn)速nⅠ=nW=3000r/minnⅡ=各軸功率，垂直行走各軸轉(zhuǎn)速nⅠ=nW=3000r/minnⅡ=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：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)算方式是相同的。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130MPa，齒面硬度45～50HRC。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Z2=i1·Z1=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)查表取：有公式N=60njLk（按設(shè)備每天工作8小時(shí)，年限為10年），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)果列表如下表3-2：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)1111111.251.251.251.253.1.2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)相同，因此這里的電機(jī)仍選用直流伺服電機(jī)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：表3-3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55SZ51242.250.492930009.112）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45～50HRC；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，??；因載荷平穩(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)不采用變位，取a=30mm不變。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。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：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，選擇洛陽(yáng)高新超越機(jī)械有限公司的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撐緊啟動(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。由力的平衡有等式：式中：F為氣缸的撐緊力所以代入可得：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)選取廣東肇慶方大氣動(dòng)有限公司生產(chǎn)的氣缸內(nèi)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。其使用壓力范圍為（0.05-1.0）MPa，使用溫度范圍為（-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)，選擇無(wú)錫市華通氣動(dòng)制造有限公司生產(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：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)壓及油霧的作用。這里，我們選擇了無(wú)錫市華通氣動(dòng)制造有限公司生產(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，便可以畫(huà)出氣動(dòng)系統(tǒng)原理回路如圖3.3：圖3.3氣動(dòng)系統(tǒng)原理3.3機(jī)械手的具體設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度定為，根據(jù)類比法估計(jì)重量：大臂：5Kg；小臂：5Kg。估計(jì)整臂的長(zhǎng)度為350mm。3.3.1電機(jī)的選擇及傳動(dòng)比的分配機(jī)械手的自由度為4，故應(yīng)該有4個(gè)關(guān)機(jī)電機(jī)。另外機(jī)械人的清晰是依靠刷子的告訴旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此還應(yīng)該有一驅(qū)動(dòng)刷子旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，因此本機(jī)械手的共包括5個(gè)電機(jī)。這里的電機(jī)同樣選為直流伺服電機(jī)。這里詳細(xì)介紹大臂關(guān)節(jié)的擺動(dòng)自由度電機(jī)的選擇計(jì)算，其他電機(jī)只給出結(jié)果。近似設(shè)計(jì)：把手臂看做均質(zhì)細(xì)長(zhǎng)桿，其質(zhì)心位于手臂中心則大臂關(guān)節(jié)所承受的最大力矩為:則大臂關(guān)節(jié)處的功率：電機(jī)所需輸出功率：由于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速都很高，為了使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，機(jī)械手的電機(jī)選用自帶減速機(jī)的電機(jī)。查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，SKY空心杯永磁直流伺服電機(jī)38SKY60.24.40.G.T.01的額定功率為18W，額定轉(zhuǎn)速為4400r/min。減速機(jī)的減速比選為18，其效率為73%，則選用該電機(jī)與減速機(jī)組合時(shí)電機(jī)的最終所須的輸出功率為，因此選擇該電機(jī)合適。此時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。大齒輪的轉(zhuǎn)速，則總傳動(dòng)比因此可以分配傳動(dòng)比為：齒輪級(jí)：4；蝸輪級(jí)：12.22.機(jī)械手臂其他電機(jī)的計(jì)算類似，計(jì)算結(jié)果如下表3-5：表3-5大臂Z向和X向旋轉(zhuǎn)電機(jī)小臂Z旋轉(zhuǎn)電機(jī)手腕電機(jī)刷子旋轉(zhuǎn)電機(jī)型號(hào)38SKY60.24.40.G.T.0128SKY41.27.80.G.T.0128SKY41.27.80.G.T.0128SKY41.27.80.G.T.01額定功率P（W）187.37.37.3減速電壓V（v）24272727減速機(jī)減速比i183010018額定輸出轉(zhuǎn)速n(r/min)244.4216.71083613.3.2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表3-6齒輪蝸輪蝸桿齒輪Z1872224分度圓直徑d18721448模數(shù)m1122表3-7齒輪蝸輪蝸桿齒輪Z1957228分度圓直徑d19571035模數(shù)m111.251.253.4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)校核過(guò)程。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98—107，這里取100則對(duì)輸出軸：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，以及定位﹑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)輸出軸軸的校核由于機(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Ⅰ﹑Ⅱ﹑Ⅲ﹑Ⅳ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)Ⅰ﹑Ⅱ截面，由于其半徑相同，只需校核I截面即可：對(duì)截面Ⅲ:,由于截面Ⅲ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Ⅳ，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。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：計(jì)算軸承的軸向載荷A1和A2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，查得內(nèi)徑為17mm的雙列角接觸球軸承的C=14KN,Co=8.65KN。軸承內(nèi)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)椴楸淼脧较蜉d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)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)器人在管道內(nèi)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)θ(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mmax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)，θ=45°，可直接用求解?？傻胊=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，管道內(nèi)邊半徑R-，外邊半徑R+。由=R+,=,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)，以排除管道內(nèi)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)分為三大主要部分：移動(dòng)載體﹑撐緊裝置和機(jī)械手，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﹑撐緊機(jī)構(gòu)和機(jī)械手分別獨(dú)立加工裝配，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?jī)?nèi)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?？紤]到管道內(nèi)壁不會(huì)嚴(yán)格是平面，故在撐緊機(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)器人在管道內(nèi)壁有輕微傾斜的情況下仍能保證撐緊輪同時(shí)與管壁接觸。撐緊機(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。在機(jī)械手的設(shè)計(jì)中﹑同樣是把同軸上的齒輪與蝸輪做成一體的惰輪。惰輪在軸上轉(zhuǎn)動(dòng)而軸固定。機(jī)械手與行走本體是痛過(guò)螺釘連接在一起的。6.總結(jié)與展望作為一種代替人在管道內(nèi)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。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)內(nèi)外的現(xiàn)狀，為了使管內(nèi)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)，管內(nèi)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)管道內(nèi)部這類非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，現(xiàn)有的管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中的傳感器或無(wú)法正常發(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，才能為提高管內(nèi)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)管內(nèi)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)別管內(nèi)環(huán)境(是否拐彎,是否有枝杈等)；（3）識(shí)別機(jī)器人的姿態(tài)(是否有轉(zhuǎn)體,相對(duì)于作業(yè)位置的距離等)。在管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中采用視覺(jué)伺服技術(shù)，有利于提高其控制性能和自主能力，并對(duì)其智能化進(jìn)程有重要意義。3.在復(fù)雜管道環(huán)境下機(jī)器人智能控制技術(shù)的研究。在管道內(nèi)部復(fù)雜的環(huán)境中，為減輕操作人員的負(fù)擔(dān)，機(jī)器人具有自主能力是必要的，先進(jìn)的控制策略，如路徑規(guī)劃，控制器參數(shù)的在線優(yōu)化等的研究也必將使管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的智能化水平得到進(jìn)一步的提高。但這有賴于先進(jìn)的傳感器技術(shù)，特別是管內(nèi)環(huán)境識(shí)別技術(shù)作保證。4.發(fā)展遠(yuǎn)距離控制技術(shù)，解決拖線供能、通信對(duì)機(jī)器人的行走距離的約束。信號(hào)、電力的傳輸和供給方式：在直管道線纜可以順利進(jìn)出，但是在彎曲管道里，尤其是有幾個(gè)彎曲的管道里，必須考慮線纜在轉(zhuǎn)彎處的阻力，因此現(xiàn)在的機(jī)器人一般只能進(jìn)入帶彎道管道的深度為30m。采用無(wú)線的方式來(lái)傳遞信號(hào)，由于金屬管道具有一定的屏蔽作用，需要考慮發(fā)射信號(hào)的頻率。電力的供給現(xiàn)在一般采用高能干電池、蓄電池和管外供電(線纜)的方式。這些方式對(duì)機(jī)器人的行程有較大的影響。5.機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器的小型化、微型化。參考文獻(xiàn)：[1]GB/T19210-2003．空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)清洗規(guī)范[S]．中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2003，(9):66-67[2]甘小明，徐濱士，董世運(yùn)等．管道機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀[J]．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2003，(6)：5-10[3]程良倫，楊宜民．一種新型管道內(nèi)機(jī)器人的研究[J]．機(jī)器人，1999。(7)：47—52[4]程良輪，楊宜民．管道內(nèi)微機(jī)器人彎管運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性[J]．控制理論與應(yīng)用．2002，18(1)：62～68[5]謝文彬，楊建國(guó)，李蓓智等．管道檢測(cè)機(jī)器人的研制[J]．機(jī)械工程師，2005，(1)：16-18[6]宋章軍，陳懇，楊向東等．通風(fēng)管道智能清污機(jī)器人MDCR-I的研制與開(kāi)發(fā)[J]．機(jī)器人，2005，27(2)：142-146[7]韓曉明，車立新，謝霄鵬等．中央空調(diào)管道清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械，2005，32(1)：39-41[8]孫桓，陳作模，葛文杰等編著.第7版.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2006[9]濮良貴，紀(jì)名剛等編著.第8版.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2005[10]龔振邦等編著．機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1995[11]唐增寶,常建娥.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].第3版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006[12]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)著.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004[13]許福玲等.《液壓與氣壓傳動(dòng)》（第三版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2008.[14]朱驥北.《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》（重印本）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，6.外文資料BasicprincipleofductcleaningWhatisAirDuctCleaning?Inmanycases,thetwoterms"airductcleaning"and"indoorairpollution"areinextricablyconnected.Infact,airductcleaninghasevolvedinresponsetotheincreasingconcernsoverindoorairpollution.Althoughmostindoorairqualityproblemscanbetracedtoproblemsoutsidethephysicalairconveyancesystem,asignificantportionofindoorairqualityissuescanbetraced,atleastinpart,toconditionswithintheairconveyancesystemitself.Mostindoorairquality(IAQ)problemsareacombinationofmanyfactors,thephysicalconditionoftheheating,ventilation,andairconditioning(HVAC)systembeingoneofthem.

ThegoalofHVACorairductcleaningistoremovevisiblecontaminantssuchasdust,debrisandmoisturefromtheentireairconveyancesystemsothattheairpassesovercleansurfaces.Modernarchitectureandtechnologytomeetthecomfortofbothincreasingdemands,thegeneralintroductionoftheairconditioningsystem,butwiththeuseofvarioussyntheticmaterials,modernofficeequipmentsuchascomputersandsopopular,theimprovementofairtightconstruction,operationmanagementlimitationsandinordertoreducethecostandenergy-savingorotherreasons