【正文】 ing mechanism three modules in detail elaborated the working principle and realization method of the robot system. Glass cleaning robots working principle is to use two pairs of gear drives the torque on the machine, is passed on to the drive shaft to drive the two rear wheels turning, to realize robot walking on the glass wall of freedom. The robot39。 玻璃幕墻難于清洗 ,清洗成本高昂 ,清洗工作量大并且清洗工人工作環(huán)境危 險(xiǎn)等難題。另一種方式是使用升降平臺(tái)或者吊籃裝載清潔工進(jìn)行高樓玻璃幕墻的清洗，雖然簡(jiǎn)便易行，但清潔工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率又比較低，屬于高空危險(xiǎn)作業(yè)，對(duì)工人的人身安全及高樓玻璃幕墻壁面都有很大的威脅，并且中國(guó)的經(jīng)濟(jì)正處在轉(zhuǎn)型期，現(xiàn)在和可以預(yù)見的未來清潔工人的用工成本將不斷的上升。 美日韓及歐洲各國(guó)還有最近的中國(guó)都相繼 推 出了各自的 玻璃 清潔機(jī)器人，這項(xiàng)技術(shù)也在日益走向成熟，但卻并未為大多數(shù)人了解，許多相關(guān)的技術(shù)在外人看來還是遙不可及的，在網(wǎng)絡(luò)及出版物中相關(guān)的文章少之又少，這就需要對(duì)這一新型的技術(shù)進(jìn)行一些說明。因此，國(guó)內(nèi) 外多家研究機(jī)構(gòu)都在積極開展此項(xiàng)研究工作。因此 ,壁面機(jī)器人主要是按吸附機(jī)能和移動(dòng)機(jī)能來進(jìn)行分類的。國(guó)外清潔機(jī)器人的運(yùn)用起源早、技術(shù)成熟，有許多非常成熟的經(jīng)驗(yàn)值得我們借鑒。 玻璃清潔機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 所有的機(jī)器人都有一類共同的組成部分，即車輪、履帶、腿足等用于推動(dòng)車體在地面上進(jìn)行移動(dòng)的裝置。 足式行走機(jī)構(gòu) 步行移動(dòng)方式模仿人類或動(dòng)物的行走原，用腿腳走路。 圖 21 兩足機(jī)器人 圖 22 多足機(jī)器人 一般將有兩條腿機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人叫做兩足步行機(jī)器人，兩足步行機(jī)器人基本上是近似或 模仿人的下肢機(jī)構(gòu)形態(tài)而制成；三足以上的機(jī)器人稱為多足機(jī)器人，主要研究模仿四足和六足動(dòng)物的各種步態(tài)而制成，具有復(fù)雜的步態(tài)。另外 ，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實(shí)現(xiàn)上述功能的機(jī)器人很少。圖 23所示為履帶式行走機(jī)器人。但這都會(huì)使履帶與路面產(chǎn)生相對(duì)橫向滑動(dòng)，不但加大了機(jī)器人主體的能耗，還有可能損壞路面，如果運(yùn)用于玻璃清洗機(jī)器人，在工作過程中會(huì)刮花玻璃，影響墻壁美觀。以下分別介紹常用輪式移動(dòng)機(jī)器人走行系統(tǒng)。它們的最基本形式是兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左后、右后兩個(gè)主動(dòng)輪，這樣的機(jī)構(gòu)使機(jī)器人能夠?qū)?桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書用紙 第 5 頁 共 46 頁 現(xiàn)以自身為圓心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 圖 24 共軸驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu) 實(shí)際的應(yīng)用中，因?yàn)橹挥?3個(gè)車輪，該機(jī)器人在行走時(shí)易發(fā)生傾覆，所以在很多復(fù)雜條件下，它是不能正常完成任務(wù)的。但是該機(jī)構(gòu)所使用的輪子較特殊，制作復(fù)雜不適于實(shí)際的廣泛運(yùn)用。因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)向方式可以使輪胎產(chǎn)生更大的牽引力，具有更小的摩擦損耗，所以大部分汽車都采用這種轉(zhuǎn)向方式。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是遇到?jīng)_撞或地面不平時(shí)穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是機(jī)器人的行走過程只有三個(gè)輪著地，因此在行走時(shí)必須保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪著地，否則會(huì)影響機(jī)器人行走的定位精度。 清洗機(jī)構(gòu) 玻璃清潔機(jī)器人由于是在墻壁玻璃上行走，重量和體積均有很大的限制，所以在選擇清洗機(jī)構(gòu)時(shí)需要考慮這兩方面。同時(shí)，滾筒的旋轉(zhuǎn)是用正齒輪傳動(dòng)，加工難度小，成本低，傳動(dòng)效率高 ,如圖 210 所示。 缺點(diǎn)：直接使用 齒輪帶動(dòng)后車軸，兩后車輪轉(zhuǎn)速始 終相同，在車體過彎時(shí)動(dòng)力傳遞效率有所降低。 最終選用的總體方案 經(jīng)過反復(fù)對(duì)以上方案進(jìn)行論證，逐步進(jìn)行修 改及優(yōu)化，最終本次設(shè)計(jì)的玻璃清潔機(jī)器人方案使用的是輪式行走機(jī)構(gòu)、嵌入式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置、滾筒式清洗機(jī)構(gòu)、真空吸盤式或磁吸附式。因此機(jī)器人的設(shè)計(jì)和計(jì) 算我們將分步、分塊進(jìn)行。通過電刷和換 向 器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 按結(jié)構(gòu)分為同步和異步電電刷和換向器構(gòu)成。 步進(jìn)電機(jī) 直接用數(shù)字信號(hào)控制，與計(jì)算機(jī)接口簡(jiǎn)單，沒有電刷，維護(hù)方便，壽命長(zhǎng)。 永磁式是單向勵(lì)磁， 精度高，但易失步，反應(yīng)式；是雙向勵(lì)磁，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過沖小，但效率低； 混合式是單 雙向勵(lì)磁 ,分辨率高 , 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。因?yàn)檐囍睆綖?0mm,則每個(gè)前輪所需要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為： T=Fd=10N = （ 31） 所以玻璃清潔機(jī)器人選用“森創(chuàng)”步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為： A15KS545(W)G10，詳細(xì)參數(shù)如下表 32 所示。 圖 31 機(jī)器人受力簡(jiǎn)圖 機(jī)器人所受的最大牽引力： F 牽 = G + Ff F 牽 在墻壁上行走需要的最大牽引力 Ff機(jī)器人在墻壁上受到的摩擦阻力： Ff=u F 吸 （ 32） u為摩 擦因數(shù)，一般玻璃與橡膠取 則玻璃清潔機(jī)器人需要的最大牽引力為 : F 牽 =G + Ff =20N+ 100N=40N （ 33） 設(shè)定機(jī)器人在墻上行走的速度為 :V=1m/s 則機(jī)器人在墻壁上運(yùn)動(dòng)的功率為： P= F 牽 （ 45） 前輪為轉(zhuǎn)向輪，本次設(shè)計(jì)使用的是嵌入式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，它的原理是電機(jī)固定不動(dòng)，由電機(jī)機(jī)芯驅(qū)動(dòng)法蘭盤和前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)與輪子之間安裝有軸承和大、小套筒，以此保證它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。 ⑶ 嵌入式結(jié)構(gòu)使電機(jī)和連接結(jié)構(gòu)嵌入車輪，體積縮小、同樣的體積上可以選擇功率更大的電機(jī)，使用此裝置的機(jī)器人轉(zhuǎn)向速度快、力量大。 表 41 車輪相關(guān)參數(shù) 參數(shù) 數(shù)據(jù) /mm 參數(shù) 數(shù)據(jù) /mm 車輪最大外徑 70 腹板厚度 2 輪心孔直徑 4 腹板大孔直徑 10 車輪寬度 20 腹板小孔直徑 5 后輪驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 在前面選電機(jī)部分，我們選擇的是直流電機(jī)作為后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速一般都較高，不能直接連接到車輪軸上，需要用減速箱來降速，同時(shí)提高了轉(zhuǎn)距。 根據(jù)本設(shè)計(jì)中機(jī)器人的要求，輸出轉(zhuǎn)矩大傳動(dòng)效率高噪音小等條件，我們采用兩 級(jí)齒輪傳動(dòng)，減速比為 4:1。中間軸上安裝有大小兩個(gè)齒輪，它們的齒數(shù)比為 2： 1。） a．選擇齒輪齒數(shù)、材料及精度等級(jí) ⑴ 玻璃清潔機(jī)器人為精密機(jī)器，要求運(yùn)動(dòng)精度高，故選用 5 級(jí)精度。大齒輪選用 45鋼，調(diào)質(zhì)，齒面硬度 240HBS，二者材料硬度相差為 40HBS。mm （ 46） ⑶ 由機(jī)械設(shè)計(jì) 205 頁表 107選取齒寬系數(shù) φ d=1 ⑷ 由機(jī)械設(shè)計(jì) 201 頁表 106查得材料彈性影響系數(shù) ZE=⑸ 由機(jī)械設(shè)計(jì) 209 頁圖 1021d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σ Hlim1=750 MPa，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 σ Hlim2=700MPa。 ⑻ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 由機(jī)械設(shè)計(jì) 193 頁表 10— 2查得使用系數(shù) KA=1； 由機(jī)械設(shè)計(jì)表 10— 4用插值法查得 5級(jí)精度 、小齒輪相對(duì)支承對(duì)稱布置時(shí) KHΒ = 由 b/h=8, KHΒ =,查機(jī)械設(shè)計(jì) 198 頁圖 10— 13 得 KFΒ =。 d．幾何尺寸計(jì)算 ⑴ 計(jì)算分度圓直徑 d1=z1 m=10mm d2=z2 m=20mm 為了方便設(shè)計(jì)，最后取 d1=20 mm， d2=40mm ⑵ 計(jì)算中心距 a=(d1+d2)/2=30mm ⑶ 計(jì)算齒輪寬度 b=? dd1=1 10mm=10mm 實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)我們最后取 B1=B2=12mm e．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪制齒輪零件圖如圖 45所示： 圖 45 大小齒輪結(jié)構(gòu)圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書用紙 第 18 頁 共 46 頁 f．齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑方式的選擇 開式及半開式齒輪傳動(dòng)，或速度較低的閉式齒輪傳動(dòng)，通常用人工周期性加油潤(rùn)滑，所用潤(rùn)滑劑為潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂。 圖 46 后輪驅(qū)動(dòng)軸 I．求輸出軸上的功率 P3和轉(zhuǎn)矩 T3 設(shè)取每級(jí)齒輪傳動(dòng)的效率 η =,則 P3=Pη 2=50 = 前面我們已知： n3=375r/min，所以： T3=9550 II. 求作用在齒輪上的力 因已知低速級(jí)大齒輪的分度圓直徑為 d2=40mm 而 322 2 60119840t TFNd ?? ? ? （ 413） Fr= Fttan200=60 = （ 414） Fn= Ft/cos200=60N/=63N （ 415） 圓周力 Ft，徑向力，及軸向力的方向如圖 47所示： 圖 47 齒輪受力示意圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書用紙 第 19 頁 共 46 頁 查資料得： [? T]=45MPa 因此，軸的最小直徑是 根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，最后我們?nèi)?d= 在能夠滿足強(qiáng)度和 剛度要求的同時(shí)，為了滿足與其他各部分零件的裝配需要，以及軸的加工工藝的要求，機(jī)器人后輪驅(qū)動(dòng)軸的整體尺寸設(shè)計(jì)如開始的圖 431所示。 圖 49 彎矩圖和 轉(zhuǎn)矩圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書用紙 第 20 頁 共 46 頁 驅(qū)動(dòng)軸彎矩和轉(zhuǎn)矩分析如圖 49 所示 ,由圖可以明顯看出，驅(qū)動(dòng)軸的危險(xiǎn)截面是在安裝齒輪的軸截面上，這里所受的彎矩和轉(zhuǎn)矩都是最大的。因此，必須對(duì)這些關(guān)鍵部位時(shí)行細(xì)致的設(shè)計(jì)和校核。如圖 411 所示： 圖 411 D 型軸段截面圖 中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 中間軸是減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)中的中間環(huán)節(jié)，上面安裝有一個(gè)大齒輪和一個(gè)小齒輪，齒數(shù)分別為 z1=40 和 z2=20。因軸承只受有徑向力作用，故選用深溝球軸承。齒輪的右端使用軸肩定位，取 h=,故軸環(huán)處的直徑 d3=3mm,軸的另 一端與前面的兩端對(duì)稱，所以與前面的設(shè)計(jì)一致，這樣即完成了中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其整體結(jié)構(gòu)尺寸如圖 413所示。 圖 414 中 間軸受力示意圖 ② 作彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖。 電機(jī)連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 電機(jī)的連接軸是輸入軸，上面裝有一個(gè)小齒輪，是主要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的承載體，所以要求它有很高的強(qiáng)度和抗彎、抗扭性能。到此即完成了電機(jī)連接軸的設(shè)計(jì)和尺寸規(guī)劃 ,完成后的軸零件圖如 圖 416 所示。減速箱上蓋設(shè)計(jì)圖如圖 417所示（見附錄）。第二個(gè)軸承蓋與第一個(gè)軸承蓋的距離為 10mm,軸承蓋的長(zhǎng)為 16mm,寬為 20mm。 上蓋的深度為 24mm,因?yàn)榈妆P上的軸承座與底板的距離為 10mm,所以上蓋的深度增為 34mm。最大的區(qū)別在于底盤是否需要依靠角鋁連接，相對(duì)于一體的焊接底盤，角鋁連接的零件數(shù)量要大得多，失效概 率也大很多。 但是采用鋁材制作的底盤也有無法克服的缺點(diǎn)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書用紙 第 27 頁 共 46 頁 圖 418 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 ⑵ 底盤結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)劃 底盤長(zhǎng)為 142mm,寬為 330mm。它與機(jī)器人的前端距離為 52mm，寬度為 15mm，數(shù)量為 4 個(gè)，兩邊各有兩個(gè)，距離 24mm，與底盤的連接處設(shè)計(jì)了半徑為 3 mm，以此減小其的局部應(yīng)力集中，延長(zhǎng)機(jī)器人的使用壽命。 后半部分是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)的軸承安裝座。 最后底盤的清洗板是用于貼抹布。為此 ,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮以下幾方面的問題。 不要在平行于工作載荷的方向上成排地布置 8 個(gè)以上的螺栓，以免載荷分布過于不均。扳手空間的尺寸可查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)應(yīng)注意，同一螺栓組中螺栓的材料、直徑和長(zhǎng)度均應(yīng)相同。法蘭盤和前輪在與接合面垂直的軸上轉(zhuǎn)動(dòng)，為了防止法蘭盤與前輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，采用鉸制孔用螺栓連接。 ⑴ 磁吸盤 安裝磁吸盤，則 機(jī)器人是靠磁吸附力緊貼于玻璃墻壁上，所以磁吸盤應(yīng)該選鑄鐵。經(jīng)過設(shè)計(jì)與尺寸規(guī)劃，最終設(shè)計(jì)出的吸盤如圖 420 所示。特殊型吸盤是為滿足特殊應(yīng)用場(chǎng)合而專門設(shè)