中央空调管道清洁机器人机构设计学士学位论文.doc

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1、中央空调管道清洁机器人机构设计中央空调管道清洁机器人机构设计一、课题训练内容一、课题训练内容本课题基于国内外已经取得的科研成果，针对中央空调矩形通风管道系统的特点作了深入的分析和论证，在查阅和掌握大量有关文献的基础上，针对矩形的空调管道提出了管道机器人的机构设计方案。本课题训练内容：1.移动载体的设计撑紧装置的设计机械手的设计2.零件设计计算以及强度校核3.对机器人在转弯时的通过性进行了分析二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、论文、译文二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、论文、译文、计算程序、图纸、作品等数量和质量等具体要求）计算程序、图纸、作品等数量和质量等具体要求）论文任务：针对矩

2、形的空调管道设计管道清洁机器人。论文要求：1.设计说明书按武汉科技学院毕业设计（论文）格式模板要求书写。2.译文见附页。3.程序要求框图详细完整，硬件图纸完备，程序清单作为附页附在论文后，程序及电子文档刻成光盘与报告同时上交。4.设计指标需考虑技术经济性要求。三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料主要参数：机器人车体长为 501mm，宽 438mm，高为 294mm，车体加上机械手附带毛刷总长为 1281mm；机械手总长为 792.5mm 水平最高行进速度：1m/s；垂直攀爬速度：100mm/s；垂直攀爬载重：10kg；回转半径：0；机械手自由度：

3、4；监视器回转速度：2 度/秒；监视器水平回转范围：360；监视器俯仰回转范围：240度。主要参考资料：1 GB/T 19210-2003 空调通风系统清洗规范S 中国标准化，2003，(9):66-672 甘小明，徐滨士，董世运等管道机器人的发展现状J机器人技术与应用，2003，(6)：5-103 龚振邦等编著机器人机械设计M北京：电子工业出版社，19954 濮良贵，纪名刚等编著.第 8 版.机械设计M.北京：高等教育出版社，20055 孙桓，陈作模，葛文杰等编著.第 7 版.机械原理M.北京：高等教育出版社，20066 宋章军，陈恳，杨向东等通风管道智能清污机器人 MDCR-I 的研制与开

4、发J机器人，2005，27(2)：142-1467 韩晓明，车立新，谢霄鹏等中央空调管道清扫机器人的设计J机械，2005，32(1)：39-418 谢文彬，杨建国，李蓓智等 管道检测机器人的研制J 机械工程师，2005，(1)：16-18四、毕业设计（论文）进度表四、毕业设计（论文）进度表武汉纺织大学武汉纺织大学毕业设计（论文）进度表毕业设计（论文）进度表序号起止日期计划完成内容实际完成情况检查人签名检查日期112.1-1.1查找资料，熟悉被选课题及其相关内容,预选出课题名称。21.2-2.1与辅导老师沟通确认课题的难点和重点及要注意的问题。并完成开题报告。33.10毕业设计开题答辩43.11

5、-3.31进行整体结构设计，对零件的工作能力设计确定零部件的基本尺寸。54.1-4.30部件装配草图及总装配草图的设计。对所有零件进行结构化设计，使零件有最合理的构型。并用 CAD 画出工程图。65.1-5.15开始写论文并翻译一篇英文文献75.16-5.25对论文中不合理的地方进行修改。并根据学校对论文要求的格式对自己的论文进行规范，准备答辩。注：1.本任务书一式两份，一份院（系）留存，一份发给学生，任务完成后附在说明书内。2.“实际完成情况”和“检查人签名”由教师用笔填写，其余各项均要求打印，打印字体和字号按照武汉纺织大学毕业设计（论文）规范执行。武汉纺织大学毕业设计（论文）开题报告武汉纺

6、织大学毕业设计（论文）开题报告课题名称中央空调管道清洁机器人机构设计院系名称机电工程学院专业机械设计制造及其自动化班级机设062学生姓名潘宏伟课题意义课题意义近几年来，中央空调不定期清洗的巨大危害已经引起了决策部门的关注。2003年，国家质检总局发布了空调通风系统清洗规范，卫生部颁布了公共场所集中空调通风系统卫生规范；2005 年，建设部与国家质检总局联合发布了有关空调通风系统运行管理规范的国家标准；2006 年 3 月 1 日，卫生部颁布了公共场所集中空调通风系统卫生管理办法。中央空调长期使用后，灰尘、污垢、细菌等会积聚在空调通风管道内部，不但影响空调的制冷，还会促成螨虫的滋生；附着在室内机

7、的细菌随送风系统吹回室内，污染室内的空气、传播疾病，严重影响人们身心健康。人长期呆在空调房里，就会患空调综合症（头晕、乏力，免疫力下降，俗称空调病），还容易感染皮肤病。另外空调在无数次的重复运行中，空气中夹杂的大量尘埃和液态烟雾就会层层包裹散热片，并严重堵塞散热片之间微小空隙，影响散热片的散热，从而导致冷凝器压力升高，压缩机马达电流增大，运行时间成倍延长，耗电量显著增加。因此清洗空调可保护压缩机，延长使用寿命，降低能耗，改善制冷效果。因此需要定期清洗中央空调通风管道。但高楼内空调管道纵横交错、管路复杂，有大口径的总管和小口径的支管，管道截面有矩形管和圆形管，不同管径和不同形状的管道之间构成有阶

8、梯接口、锥形接口、圆弧弯道、“L”直角弯道、“T”或“Y”岔道等规格繁多，非人力所能及，而且人爬进管道清洗也不符合劳动卫生规范。而用管道机器人清洗通风管道有着其他管道清洗方式不可比拟的优势,管道清洗机器人不仅可以清洗,还可以实时检查清洗效果以及进行管道探伤、喷涂、消毒,所以需采用专用的机器人进行清洗和消毒。所属领域的发展状况所属领域的发展状况目前，国外的管道清洗机器人已形成产业化。如美国、丹麦、日本、韩国等诸多国家均有管道清洗机器人系列产品。纵观国外管道清洗机器人，其结构大同小异，性能水平也没太大的差别：1）大多采用轮式或双履带式移动机构；2）配有高速旋转的清扫机构，用来把管内的灰尘打落、清除

9、。由于管道有矩形管和圆管之分，所以可更换相应的清洗矩形管和圆管的清洁刷；3）装有 CCD 摄像头及照明灯，用于探测管道内的状况，这在人所不能到达的管道内部是必不可少的；4）由于管道机器人还不可能达到完全自主清洁，故采用线控方式，由操作人员在管道外进行操作。研究内容、研究方法、研究手段研究内容、研究方法、研究手段空调管道清洗机器人应具备清扫管道、喷射清洗气雾或消毒药水或直接进行吸尘、携带摄像机和传感器检测管道内状况的功能。要实现这些功能，机器人必须拥有的“器官”包括：灵活的移动载体、多种清扫和清洗作业工具、CCD 摄像机及照明系统、通信系统和操作盒以及一些辅助设备和设施。本课题研究在于满足基本功

10、能的情况下，使其具有重量轻、体积小、价格低的特点。中央空调通风管道大多采用扁平矩形截面,管道高度范围相当大,最扁平的管道高度仅 150 mm 左右。因此管道清洗机器人设计指标确定为矩形管高度各项技术性能均 150650 mm。本方案有主要包括：车体、控制臂、多功能臂和远程调控装置，控制臂与多功能臂组成一个主从随动伺服装置。用于管道清扫、攀越障碍的多功能臂装在车体上，同时还有设有能与空调通风管道联通的负压吸尘管，负压吸尘管与风机连接。工作原理：将清洁车放入中央空调通风管道内，并将负压吸尘管管头插入通风管道内，再用气垫将管道两头封闭，然后选择手动开关，通过开关控制电路和控制电缆控制清洁车的行走、清

11、洁刷的工作以及摄像头转向。其工作过程是：选择手动开关是清洁车上的摄像头转动将管道内壁的结垢情况及清扫状况摄下并在显示器上显示出来，操作人员根据显示情况及清扫状况用手动开关操纵清扫车的运动，并控制清洁刷旋转，将污垢从管壁上扫下再通过与气泵连接的负气吸尘管吸走。工作简图：研究步骤研究步骤1）进行整体结构设计2）机器的运动学设计。根据结构方案确定原动件的参数(功率、转速、线速度等)。然后做运动学计算，从而确定个运动构件的运动参数（参数、速度、加速度等）。3）机器的动力学计算。结合各部分的结构及运动参数，计算各主要零件所受载荷的大小及特性。4）零件的工作能力设计。已知主要零检索瘦的工程再喝的大小和特性

12、，既可做零、部件的初步设计。设计所依据的工作能力准则，通过计算或类比，即可决定零、部件的基本尺寸。5）部件装配草图及总装配草图的设计。根据已定的主要零、部件的基本尺寸，设计出部件装配及总装配草图。草图上需对所有零件的外形及尺寸进行结构化设计。在此步骤中需很好的协调各零件的结构及尺寸，全面地考虑所设计的零、部件的结构工艺性，使全部零件有最合理的构型。6）用 CAD 软件画出装配图参考书目参考书目1GB/T 19210-2003 空调通风系统清洗规范S 中国标准化，2003，(9):66-672 甘小明，徐滨士，董世运等管道机器人的发展现状J机器人技术与应用，2003，(6)：5-103 龚振邦等

13、编著机器人机械设计M北京：电子工业出版社，19954 濮良贵，纪名刚等编著.第 8 版.机械设计M.北京：高等教育出版社，20055 孙桓，陈作模，葛文杰等编著.第 7 版.机械原理M.北京：高等教育出版社，20066 宋章军，陈恳，杨向东等通风管道智能清污机器人 MDCR-I 的研制与开发J机器人，2005，27(2)：142-1467 韩晓明，车立新，谢霄鹏等中央空调管道清扫机器人的设计J机械，2005，32(1)：39-418 谢文彬，杨建国，李蓓智等 管道检测机器人的研制J 机械工程师，2005，(1)：16-18指指导教师签名：年月日摘要中央空调管道清洁机器人是一种可以沿管道内部自动

14、行走，在操作人员的遥控操作下能够进行空调管道的清洁系统。本论文基于国内外已经取得的科研成果，针对中央空调矩形通风管道系统的特点作了深入的分析和论证，在查阅和掌握大量有关文献的基础上，针对矩形的空调管道提出了管道机器人的行走方案。本次设计分为三个部分：移动载体的设计撑紧装置的设计机械手的设计。在移动机构中采用车轮式，并且在车体前后设置了万向轮，从而使机器人在管道中有更好的运动能力。压紧装置和机械手的设计也是课题的重点，压紧装置和移动载体相配合，使得机器人具有垂直上升能力，而清洁的功能通过机械手上面的毛刷来实现，然后对设计中所涉及的零件进行强度校核，最后对机器人在转弯时的通过性进行了分析。关键词:

15、机器人；管道；机构设计；中央空调；清洁AbstractA Central air condition duct clean robot is a mechanical system,which can walk automatically inside a pipe.It works in central aircondition pipes under the control of an operator with a remote device.Base on the results which have been made in this area so far,the authorma

16、de a comprehensive study on some theoretical and practical problemsfor a special type pipe robot.Through reading a large quantity ofprofessional books on pipe robot,the author gives a full study of itsmotion theory,driving model and configuration,and a detailed of thetechnicalissuesrelatedtoexplanat

17、ionpiperobotresearchandmanufacturing.According to rectangular pipes characteristics,a systemof pipe robot is presented.This design is divided into three parts:thedesign of mobile carriers,the design of support device，the design ofmanipulator.We use wheel-type mobile mechanism as the moving device,an

18、d set a caster in front of the robot,as well as in the back,whichallowing the robot having a better athletic ability in the pipeline.Compression devices and robot design is the key issue.With thecompression and mobile device,the robot can move vertically.Thencheck the strength of the parts involved

19、in design.At last robotstraveling-capability at the corner is discussed.Keywords:robot;pipe;mechanism design;central air condition;clean目录1.绪论 11.1 论文背景、意义及要求 11.2 国外、国内研究概况 21.3 市场需求预测 41.4 设计的重点与难点 42 机器人的设计 52.1 空调管道系统介绍及清洗原理 52.2 机器人移动载体方案设计 62.2.1 总体方案设计 62.2.2 传动方案的设计 82.3 撑紧机构方案设计 92.4 机械手方案设

20、计 112.4.1 自由度分配方案设计 112.4.2 关节传动方案设计 113.具体设计计算 123.1 移动载体传动计算 123.1.1 左右驱动轮传动计算 123.1.2 后万向轮传动计算 203.2 撑紧启动系统的设计计算 253.2.1 气缸的选择 253.2.2 启动辅助元件和回路的选择设计 263.3 机械手的具体设计计算 273.3.1 电机的选择及传动比的分配 273.3.2 传动齿轮蜗轮蜗杆的尺寸计算 283.4 轴的设计计算和校核 293.5 轴承的寿命计算 334 机器人转弯时的管道通过性分析 354.1 管道机器人在水平直角弯管的通过性分析 354.2 管道机器人在矩

21、形管水平圆弧形弯头的通过性分析 365 结构设计 376.总结与展望 38参考文献 40外文资料 41中文译文 46致谢 51武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文11 绪论1.1论文背景、意义及要求室内空气品质(IAQ 一一 Indoor Air Quality)是近十年国际空调界最关注的课题之一。现代建筑为满足舒适性和工艺性两方面越来越高的要求，普遍引入了空调系统，但是随着各种合成建材的使用、现代办公设备如计算机等的普及、建筑密闭性的提高、运行管理水平的 局限以及为了节能或降低造价而尽可能减小新风量等原因，使室内产生的有害气体和生物污染物得不到合理稀释和置换。C02含量升高，有害细菌繁生，

22、致使空气品质劣化，出现各种呼吸道疾病症状，表现如困倦、乏力、胸闷、精神恍惚、过敏、工作效率下降等。人们 90的时间是呆在室内的，室内的空气污染程度比室外严重 250 倍左右，如果不清沽空调风道，甚至可以严重到 100 倍以上。目前我国的中央空调大多采用“间接式盘管换热”，即水在管内流动、空气在盘管外流动，与管内水进行热量交换。这种设计会在凝结水盘内形成高湿环境，如果施工不当或设计不周，甚至会造成凝结水聚积。一旦室外空气中致病微生物通过新风入口由灰尘带入，或者室内空气中的致病微生物从回风口盘旋而上，就会粘附在盘管上，沉降在凝结水盘中。而凝结水盘的高湿环境正有利于病原微生物的大量繁殖，它们同时还会

23、被送入空调到达的每一个空间。再加上中央空调管道内的许多有害颗粒和灰尘、病菌、病毒、尘螨及碳放射物等，在送风过程中也会对人体健康带来不利的影响。科学家曾做过一项对比实验：开空调 1 小时后，室内空气中细菌的含量是不开空调房间内的 34 倍。城市“大楼病”的诸多病因中，中央空调常常是罪魁祸首。当前，人们已认识到中央空调风管内的灰尘是传播病毒的载体，重视了中央空调的清洗，但是结果不尽人意。原因有三：一是我国大多数中央空调普遍使用粗效过滤器，最多只能过滤空气中 40的可悬浮颗粒物，近 60的颗粒物进入中央空调，依然为病毒载体，当通风时，仍有可能产生交叉感染；二是目前人们只注重中央空调机组的清洗和水处理

24、，殊不知风管面积远远大于机组面积，而中央空调系统内 95以上的藏尘量在风管内，水洗仅降低机体内 10水垢的产生；三是没有机器人参与清洗，人进入风管清洗又存在二次污染。因此，加强中央空调通风管道的清洗，消除病毒的污染源，必须要求从事中武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文2央空调清洗的专业队伍技术先进，设备精良，这使管道清扫机器人步入了历史舞台。国外从 20 世纪 70 年代末 80 年代初开始重视中央空调的风道清洗，同时，随着计算机、传感器、现代控制理论和技术的发展，为管道机器人的研究应用提供了技术保证。自从 1980 年丹达克林发明了世界上第一台风管清洗机器人直到1990 年前后，国外的中央

25、空调清洗得以普遍实施，并建立了相应行业及国家标准。据调研，目前上海安装有中央空调系统的各类楼宇有 3000 多幢，由于此类管道通常纵横交错，大管道由人来进行管道检测、维修工作不仅费时费力，而且不卫生。口径小、长度长的管道不仅人无法进去检查，而且清扫起来也不容易。因此，管道清扫机器人的出现是一种必然的趋势。管道清扫机器人能轻松的爬入管道配合其他管道清洗设备将管道中的灰尘、尘螨，甚至昆虫尸体，死老鼠等垃圾一扫而空，最后还能对管道进行消毒。可适用于各种中央空调和除尘等管道的管道检测、清洗、消毒、喷漆等作业。本设计要求达到的指标：可清洁水平、垂直管道；水平最高行进速度：1m/s；垂直攀爬速度：100m

26、m/s；垂直攀爬载重：10kg；回转半径：0；机械手自由度：4；监视器回转速度：2 度/秒；监视器水平回转范围：360；监视器俯仰回转范围：240 度；供电方式：电缆；具备自动故障和报警功能。1.2 国外、国内研究概况空调清洁技术起源于 60 余年前，是随着中央空调技术同时诞生的。国外从20 世纪 70 年代末 80 年代初开始重视中央空调的风道清洗，直到 1990 年前后中央空调清洗才得以普遍实施，并建立了相应行业及国家标准。目前在所有发达国家无一例外地实施了中央空调的清洗。风管清洗在国外是一个比较成熟的市场，气清洗机器人设备的研究和开发业相应地比较成熟。据统计，国际上生产清洗机器人的厂家不

27、下 20 家，其中比较著名的有瑞典的 Wintclean 机器人（售价 100万元），丹麦的 Danduct 机器人（售价 80 万元），加拿大的 Airtox 机器人（售价60 万元），还有美国的 Nikro、Vsi（售价均为 40 万元）等。这些国外管道机器人，其形状结构大同小异，性能也能大致相当。空调管道机器人应具备的功能有清扫管道灰尘、喷洒消毒药水、携带 CCD 摄像机和传感器单元等，因此机器人必武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文3须拥有的“器官”有移动载体、安装清洗工具的部件、CCD 摄像系统和照明系统、通讯系统、操纵控制系统和其他一些辅助设备等。我国对中央空调风管清洗的重要性认

28、识比较晚，对中央空调风管设备的研制起步也比较晚。目前我国对集中式空调的管理尚属空白。据了解，有关清洁公共场所空调的规定和措施，只有卫生部在 2003 年 6 月发出的公共场所中央空调通风系统卫生规范的通知，这还是因为受非典的启示。该规范对场所的空调系统卫生提出了检测标准，并规定公共场所要定期更换或清洗空调通风系统的过滤器（网）、冷却塔等。在颁布公共场所中央空调通风系统卫生规范后，我国的中央空调风管清洗市场迅速升温，全国各科研机构、企业单位纷纷投入到中央空调风管清洗设备的研制，并取得了很好的成果。据报道，东华大学在该校的一项“自主变位四履带足机器人行走机构”发明专利基础上，首先二次开发了一种具有

29、自主知识产权的新型管道机器人行走机构，能很好的解决管道机器人适应非等径、变截面管道环境的难题。然后再在此基础上研制成功一种可用于矩形和圆形通风管道的清扫、视频检测、喷涂消毒的多功能清洗机器人产品。该机器人和家用的吸尘器差不多大小，四个脚上有四条履带，能够在 9 厘米高的台阶上下。它最大的本领就是能顺畅自如地爬到中央空调的各个角落，甚至到各种形状的通风管道中清扫管道中的垃圾，并且通过视频系统消除各个角落里的细菌、病毒，喷涂各种消毒液。该机器人具有以下几个特点和优势：1）行走机构具备自主管内障碍和防倾覆功能，适用复杂的矩形管道或者圆形管道环境清扫作业要求（国外产品大多仅适用圆形管道）；2）管道清洗

30、机器人能进入圆管 260mm 以上直径、矩形管道 140mm 以上高度的空调、除尘管道进行清洗；3）机器人采用模块化结构设计和多电机驱动技术，结构简单、维护方便；4）机器人采用计算机图像处理技术。拍摄资料便于保存、播放、携带（国外产品大多采用来录像机储存资料）。中国科学院兰州分院科研人员研制成功的清洁机器人样机是根据 400 毫米400 毫米和 500 毫米500 毫米空调通风管道设计的，具有在管道中行走、对管道内污染情况进行观察和对污染物进行清洁的功能。中国科学院兰州分院科技合作处工作人员介绍，国内自主研发的这种清洁机器人具有在管道内前进、后退和转弯等功能，行走速度在每分钟 0.5 米到 1

31、 米之间；清洁系统主要是安装在机器人上、可在管道外部控制的清洁动力刷；电缆长度超过 30 米，不易损害，能武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文4够满足基本需要。同国外同类装置相比，该机器人具有尺寸小、成本低、行动灵活、操作可靠、清洁效率高和应用领域广等特点，并且在移动机构的驱动系统、主动控制臂系统、照明系统和清洁系统的设计上均有创新。国内在中央空调管道清洁设备方面的研究越来越多,并取得了一定的突破性成果。但是,包括以上所叙述的设备在内,目前国内研制出来的中央空调管道清洁设备还仅限于水平管道或有小坡度管道的清洗,至今还没有发现可用于垂直管道清洗的中央空调管道清洁设备。1.3 市场需求预测据介绍

32、我国有超过 500 万个各类中央空调需清洗保养，而且每年正在以 10%的速度递增，而这些中央空调大部分运行了 20 年以上却从未清洗。就目前而言无论从中央空调风道专业清洗服务公司来讲还是从国内外空调风道清洗机器人设备厂家来看，都不能应付这一庞大的清洗市场。从国内方面来说，国内空调管道清洗行业市场还未形成，空调风道清洗行业刚刚起步，国内几乎没有清洗公司能够具备一流的清洗服务队伍，满足各类客户需求，而设备生产厂家除了国外发达国家的成熟产品外，国内能够适应各类风道特点并且技术成熟，实用性强的清洗机器人设备厂家更是凤毛麟角。所以我国目前许多地区的中央空调通风管道清洗市场是一片空白！从国外方面来说，虽然

33、国外厂家的机器人性能成熟，但是它是根据自身的中央空调风道的而制造的，但国外的中央空调风道是标准和规范的，而我国的中央空调风道是根据建筑面积设计安装的，各个风道不尽相同，生产规格统一程度较低，各生产厂家的产品规格不尽相同，属非标产品。使得国外进口的清洗设备对于国内很多中央空调来说并不适用，很大一部分不能对我国中央空调风道产生作用。从以上分析可以看出，我国的中央空调通风管道清洗市场是有很大潜力的，尤其是在 2003 年“非典”疫情传播后，人们对中央空调给人们带来的疾病隐患有了相当大的认识，国家相应地出台了强制性空调清洗的法规，使得风道清洗行业将成为中国一个新兴的有着巨大潜力的发展行业。开发适合我国

34、中央空调管道清洗机器人产品有很大的经济价值。1.4 设计的重点与难点本次设计主要由三大主要部分的设计构成：（1）移动载体的设计，（2）撑紧装置的设计，（3）机械手的设计。对于管道机器人，移动载体的设计是一个重武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文5点。由于机器人工作于空 间狭小的管道中，要求其移动载体具有很好的转弯能力。国内清洗市场的产品仅适于水平管道的清洗，而本设计要求机器人同时还要能清洗垂直管道。因此，怎样使中央空调管道清洁设备具有能攀爬垂直管道的能力并具有良好的转弯能力是该产品设计的一个重点也是难点。压紧装置和机械手的设计也是该课题的重点。压紧装置与移动载体相配合，使得机器人具有垂直上爬

35、能力，因此，压紧装置的设计合理与否，直接关系到机器人的工作能力。机械手的设计关系到机器人的工作质量。机器人的工作管道截面面积小，同时机器人的垂直上爬是依靠摩擦力实现的，这对整机的空间尺寸大小和自身重量提出了严格限制。这要求机器人的各部件空间尺寸要尽量地小、质量要尽量地轻。这给机器人的结构设计提出了很大的难题。2 机器人的设计2.1 空调管道系统介绍及清洗原理中央空调通风管道按截面形状分有圆管和方管，按管道轴线类型分有直管、弯管（L型弯管）、T型管和十字型管等，管径和接头没有规范，有较多的斜坡或台阶。在实际的空调通风管道中，使用方管比圆管要多，原因是方管在制作时高度比宽度小，所占去的高度比圆管要

36、少，并且方管安装方便，所以方管使用比例大。由于加工、使用等原因，实际使用的管道并不一定时理想的几何体，履带、管道均有一定的弹性，在重力、外界挤压等力的作用下会产生变形。我们在研究管内行走机构动力学时，在不失实际意义的情况下假定：1.管道具有理想的几何形状，接头和分叉都是理想的几何过度。2.管道及机器人的履带变形可以忽略。管道清洁机器人的清扫原理：(1)使用机器人进行风管内部检查；(2)采用气囊封堵风口；(3)机器人清扫风管内壁；(4)使用集尘净化器吸收风管内的菌团和杂质；(5)监视器观察风管内壁的清洗效果，并录像备案；武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文6(6)恢复风口和工作区域。如图 2.

37、1 所示：图2.1 中央空调通风管道清洗示意图2.2 机器人移动载体方案设计2.2.1 总体方案设计机器人移动载体的设计是本次设计的难点之一 如果仅限于地面移动，机器人的移动载体形式有车轮形、履带形、腿脚形、躯干形等四种形态。与其他移动机构相比，车轮形移动机构具有以下一些优点：高速稳定地移动、能量利用率高、机构和控制简单、能借鉴当今已积累的汽车技术与经验等。因此本设计采用轮式结构。按照车轮数目的不同，轮式载体可分为单轮至四轮及五轮以上等几种。其中单轮与两轮主要是用来进行直立稳定移动控制问题的基础研究，而不是着眼于机器人移动机构的实用化问题。如果单考虑平面移动的话，三轮机构已经可以了，但从加强移

38、动过程中的稳定性角度来考虑，目前多数采用的是四轮机构。五轮以上的机构的提出，是因为它在装载重物时具有较大的稳定性，而且适用于台阶、阶梯等非平地状态的移动。因此，本设计采用四轮机构的移动载体。典型的四轮移动机构有如下几种：1)两轮独立驱动方式如下图 2.2 所示：武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文7图 2.2 驱动方式图前后两个为辅助轮（万向轮），左右两轮为独立驱动轮，其自转中心与车体中心重合。它的转向不是通过操舵机构的动作，而是依靠左右两轮的差速实现的，当两轮以相反速度方向转动时，车体能饶自身中心自转，以便在狭窄场合改变方向。这种车轮布置方式在灵活性和稳定性上都是比较好的，由于没有操舵机构

39、，因此该机构也比较简单，可以减轻重量，适合空调管道机器人要求体积小重量轻的要求。它的缺点是当遇到沟槽使得左右两驱动轮被架空时，由于驱动轮不着地不能产生动力，这样的话整个机器人便不能移动了。2)汽车车轮配置方式如图 2.3 所示：图 2.3车轮配置方式两个操舵轮需要同一个操舵机构来协调转向，此外后轮配有差动齿轮装置，增加了机构的复杂性。由于它的结构比较复杂，所以仅用于智能汽车等的研究方面，而在机器人的移动机构中不太采用。武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文83)全方位移动车方式（Omni Directional Vehicle,ODV）三轮车或四轮车基本是 2 自由度的，不能进行任意的定位和定

40、向。ODV 的提出就是为了实现机器人任意方向的运动而开发的，它的移动机构具有原地改变方向或以一定姿态角度移动等多种功能。这种 ODV 结构需要有转向操舵机构和多个离合器，因此，虽然其性能很优越，但机构很 复杂，并不适合本设计对移动机构的要求。由于本设计的空调管道清洗机器人要求在管道中行走，对其自身的空间尺寸和自重提出了严格的限制。因此要求机器人的各部分结构要尽量简单。综合考虑上面的方案，结合本设计要求，本设计选用两轮独立驱动方式的移动载体。为了克服上述所提到的该机构的缺点，可以在后万向轮中安装一应急电机，同时在轮轴中安装一超越离合器，机器人正常时应急电机不工作，超越离合器处于超越状态，当遇到左

41、右两个驱动轮被架空时，超越离合器处于啮合状态，应急电机工作。2.2.2 传动方案的设计由于齿轮传动具有结构紧凑、工作可靠、使用寿命长、效率高、传动比准确等优点，因此在考虑具体的传动方案时，应该选用齿轮传动。由于两电机独立驱动，两驱动轮的传动方案是一样的，下面以一轮为例来讨论。在查阅了大量资料之后同时考虑到机器人的水平行走速度和垂直行走速度，经过反复的计算，确定驱动轮的传动方案如图 2.4 所示：图 2.4驱动轮传动方案图Z7与 Z10为制造有半牙嵌离合器的齿轮。机器人水平行进时，其速度较高，武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文9牙嵌离合器啮合，传力路线为：电机齿轮 Z1齿轮 Z2齿轮 Z3齿

42、轮 Z4齿轮 Z5齿轮 Z6齿轮 Z7齿轮 Z10车轮；机器人垂直行走时速度较低，牙嵌离合器脱离啮合，传力路线为：电机齿轮 Z1齿轮 Z2齿轮 Z3齿轮 Z4齿轮 Z5齿轮 Z6齿轮 Z7齿轮 Z8齿轮 Z9齿轮 Z10车轮。由于后万向轮电机仅在特殊情况下工作，对其传动要求并不很严格，再考虑到安装的难易程度，该传动选为蜗轮蜗杆传动，其传动比大、所采用的零件数目少、结构紧凑，其传动方案如图 2.5 所示：图 2.5 后万向轮传动方案2.3 撑紧机构方案设计在设计撑紧机构的过程中，我首先从动力源开始考虑。按照动力源的不同，撑紧机构可分为两种：1)电气撑紧 动力由电机提供，考虑理由是电气驱动应用普遍

43、、噪声小、提供动力大。在电机作为动力源的前提下，传动方案又有两种：A）丝杠螺母传动如图 2.6：图 2.6 丝杆螺母传动武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文10轮子固定在螺母上，电机带动丝杠转动，使得螺母连同轮子往上移动实现撑紧。这个方案的缺点是机构比较复杂，增加了载重。B）齿轮齿条传动如下图 2.7：图 2.7 齿轮齿条传动轮子固定在齿条上，通过电机带动齿轮转动，使得轮子连同齿条往上移动实现撑紧。这个方案的缺点除了结构复杂外还有摩擦很大。2)气动撑紧由压缩空气驱动气缸提供动力，考虑理由是在所有的驱动方式中，气压驱动操作简单、成本低、易于编程，并且气动能很容易地保持输出压力不变。考虑方案如图

44、 2.8：图 2.8气压驱动由于气缸的活塞要求直线往复运动同时又要有轻微的圆弧摆动，因此气缸的武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文11安装方式为单耳尾座式。另外，气缸活塞杆承受的力应作用在杆轴线上，不允许有偏载，因此采用连杆机构既可避免活塞杆偏载也能起到增力的作用。2.4 机械手方案设计2.4.1 自由度分配方案设计本设计要求的机械手自由度数为 4。4 自由度机械手的自由度分配方案很多，在进行本环节的设计时，一开始考虑了如图 2.9 所示的方案：图 2.9 自由度分配该方案机械手可以像人的手臂那样通过大臂和小臂关节的转动来实现手爪（对本设计是刷子）的移动来进行工作，而机器人本体可以静止。但该

45、方案只能实现刷子的平动，不能很好地适应有倾斜面情况的清洗。为了克服这个缺点，经过与老师讨论，采用自由度分配如图 2.10 所示的机械手臂。图 2.10 自由度分配该手臂腕关节可以转动，刷子装在手腕上实现转动很好地适应了斜面清洗的情况。刷子依靠机器人的前进后退来实现移动。2.4.2 关节传动方案设计查阅了有关专业资料后确定本设计机械手关节采用“齿轮式机器人关节”，其结构紧凑简单。由于机器手关节要求具有自锁功能，因此再加一级蜗轮蜗杆传武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文12动，其传动方案如图 2.11：图 2.11 机械手传动3.具体设计计算3.1 移动载体传动计算3.1.1 左右驱动轮传动计算

46、在前面的方案设计中已经对驱动轮的传动方案进行了讨论，经过反复的计算对比，我选轮子的尺寸为140mm，即 D=140mm，R=70mm。1）电机的选择A电机类型的选择此电机用于驱动机器人行走机构，要求对速度和位移形成反馈，为便于控制，本设计选用直流伺服电机。B选择电机的容量根据同类产品估计机器的重量为 30Kg，g 取 9.8N/Kg，则 G=309.8=294N。1机器水平行走机器水平行走时分配到每个轮子上的载荷为：F=1129473.544GN对驱动轮进行受力分析如图 3.1：武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文13图 3.1 驱动轮受力其中：Mf为滚动摩阻，Mf=FN按照实心橡胶轮胎在优

47、质路上时取=1mm，则：Mf=FN=1122.5=122.5（Nmm）=0.1225（Nm）f 为轮子与管道面之间的摩擦力，NfFu按照塑料与硬橡胶的摩擦取摩擦系数 u=0.1，则：NfFu=0.112.25=12.25（N）则轮子行走过程中所受的阻力矩：312.2570 100.12250.98()WfTfRMN m工作机要求的功率9550WWWWTnP式中：0.98WTN m由12136.5(/min)220.07WWVVnnrRR取0.7W则：30.98 136.5 1020()955095500.7WWWWTnPW电机所需的输出的功率WdPP水平行走的动力传递路线：电机齿轮 Z1齿轮

48、Z2齿轮 Z3齿轮 Z4武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文14齿轮 Z5齿轮 Z6齿轮 Z7齿轮 Z8齿轮 Z9齿轮 Z10车轮。43rgl式中：r为轴承的传动效率，取为 0.99；g为齿轮啮合效率，取为 0.97；l为离合器效率，取为 0.90.故有：43rgl=430.990.970.90.79则有：2025.3()0.79WdPPW2机器垂直行走机器垂直上爬时除了机器自重外还加上电缆等垂直攀爬载重 10kg，故总重量为 40kg。机器垂直上爬的理论功率409.80.139.2()PW工作机要求的功率29.4()WPW电机所需的功率：WdPP其中：0.113.65(/min)220.0

49、7WVnrR垂直行走路线：电机齿轮 Z1齿轮 Z2齿轮 Z3齿轮 Z4齿轮 Z5齿轮 Z6齿轮 Z7齿轮 Z8齿轮 Z9齿轮 Z10车轮。55550.990.970.817rg故有：29.436()0.817dPWC.确定电动机转速由于单级圆柱齿轮传动传动比范围为 15，则有：水平行走总传动比：33151 125,电机的转速范围：136.5(1-125)=136.5-17062(r/min)垂直行走总传动比：55151 15625，电机的转速范围：武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文15136.5(1-15625)=136.5-213281(r/min)查手册选直流伺服电机 4040，其额定

50、功率 Ped=40W，额定转速n=3000r/min其技术参数如下表 1表 2-1型号额定功率 W额 定 力 矩Nm额定转速min-1额定电流A转动惯量10-5kgm2重量Kg 4040400.095300031.91.12）计算传动装置的总传动比和分配各级传动比 水平行走总传动比水平行走传动比：Wn300022n136.5i总垂直行走总传动比：Wn3000220n13.65i总因为垂直行走的传动路线包括水平行走路线，所以可以先按水平行走计算，再加上两级传动成为垂直行走的传动路线。水平行走时平均分配传动比3222.8i，即：123456iii2.8则垂直行走时的传动比7 89 10iiii，总