【正文】 循環(huán)次數(shù)。 T=106 P Ⅴ /n4=1 06 ⑶ 選小齒輪齒數(shù) z1=20,大齒輪齒數(shù) z2=40,傳動比 i=2:1 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 15 頁 共 46 頁 b．按齒面接觸疲勞強度設計 由 d1t≥ [(kT1(u177。由機械設計 191 頁表 101 選擇小齒輪為 40Cr 調(diào)質(zhì)，齒面硬度為 280HBS。 ⑵ 材料選擇。 圖 44 減速機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 選用的齒參數(shù)如下： 第一級減速： i=2, m=1,z1=20,d1=20mm,z2=40,d2=40mm 第二級減速： i=2, m=1,z1=20,d1=20mm,z2=40,d2=40mm 減速機構(gòu)的齒輪計算：（因為第一級減速和 第二級減速相同，所以只選擇一級作較核計算。齒輪類型為漸開線直齒齒輪，屬于通用標準件，可以直接購買，使得加工工作量減小，同時也降低了生產(chǎn)成本。輪 轂和二級傳動的被動齒輪安裝在同一根軸上，他們轉(zhuǎn)速相同。安裝主動齒輪的輸入軸與電機相聯(lián)的一端設計 D型孔，不是用聯(lián)軸器，降低了生產(chǎn)成本，使結(jié)構(gòu)更簡單。所以，本次設計選用齒輪作為減速機構(gòu)的傳動件。減速裝置的形式多 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 14 頁 共 46 頁 種 多樣，一般很難買到適合機器人使用的減速箱，所以只能自己設計減速裝置，選擇一種合適的減速裝置對機器人的性能有著相當重要的作用。 車輪的相關(guān)參數(shù)如表 41所示。 圖 43 前輪結(jié)構(gòu)圖 ⑷ 嵌入輪內(nèi)的短柱狀結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的細長輪軸，無需聯(lián)軸器，同時保護了電機，抗沖擊性好 。 ⑵ 無相對摩擦，減少不必要的磨損和功率損失。它結(jié)構(gòu)精簡，體積小，穩(wěn)定性高和緊密度高，如圖 42和圖 43 所示。 設減小摩擦后機器人所受摩擦力為： Ff=10N 則此時機器人的功率為： Pw=(Ff+G) V=30 = （ 44） 其最大加速度為： a=Fa/m=30/2=15m/s178。 V=40 1=40W （ 34） 傳動裝置的總效率為： η =η 2= = （ 35） 所需直流電機的最小功率 : PW=P/η =40/= （ 36） 通過以上的比較和計算，最終選擇 博山電機 的 90SZ01，其技術(shù)參數(shù)如表 33所示： 表 33 直流伺服電機的技術(shù)參數(shù) 型號 轉(zhuǎn)矩（ ） 轉(zhuǎn)速（ r/min） 功率(W) 電壓 (V) 電流 (A) 允許順逆轉(zhuǎn)速差(r/min) 轉(zhuǎn)動慣量(2) 電樞 激磁 電樞 激磁 90SZ01 323 1500 50 110 110 100 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 12 頁 共 46 頁 4 玻璃清潔機器人結(jié)構(gòu)設計和主要參數(shù)計算、分析 車輪設計 圖 41 后輪結(jié)構(gòu)圖 后輪采用尼龍加工而成，為減輕質(zhì)量，設計成腹板式結(jié)構(gòu)，同時在驅(qū)動輪的輪緣包裹一定厚度的橡膠材料，具體設計參數(shù)如圖 41 所示。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 11 頁 共 46 頁 所需電機的功率計算 .玻璃清潔機器人的受力簡圖如圖 31所示，分析可知機器人垂直向上行走時所受的阻力最大。 表 32 步進電機的參數(shù) 型號 A/相（ A） 最大保持轉(zhuǎn)矩() 最大允許轉(zhuǎn)矩() 轉(zhuǎn)動慣性() 線組抗 電機長度（ mm） A15KS545(W)G10 15 68 47 ② 機器人的兩個后輪是驅(qū)動輪，要求控制性好且精度高，能耗低，輸出轉(zhuǎn)矩大，有一定過載能力，而且穩(wěn)定性好。因為機器人的重量不能超過 2kg，所以它受的最大摩擦力不會超過 20N。 本次設計的玻璃清潔機器人所用電機的基本性能要求： ⑴ 啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進行 ,具有良好的響應特性 . ⑵ 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時的特性相同 ,且運行特性穩(wěn)定 . ⑶ 良好的抗干擾能力 ,對輸出來 說 ,體積小、重量輕 . ⑷ 維修容易，不用保養(yǎng) . ① 前面表 31 中我們比較分析了三種不同電機的特點、結(jié)構(gòu)與工作原理和控制方式從中我們知道步進電機具有精度高，控制性能強，容易控制的特點，步進電機具有以上所有優(yōu)點，但是前輪是使用嵌入驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)向，步進電機的外型尺寸不滿足條件，所以我們最后選擇直流電機?；旌鲜侥墚a(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，連續(xù)轉(zhuǎn)動。缺點是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步，過載能力弱 。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 10 頁 共 46 頁 隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度而變化，實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。通過電刷和換向器使電流方向分為電壓控制和頻率控制兩種方式。 交流伺服電機 沒有電刷和換向器，無需維護，驅(qū)動電路 復雜，價格高。 轉(zhuǎn)動控制采用電壓控制方式 ,兩者成正比。 由永磁體定子、線圈 轉(zhuǎn)子、電刷和換向器 構(gòu)成。 3 電機選型 玻璃清潔機器人的運動控制中常用電機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機，它們的特點、構(gòu)造與工作原理和控制方式如下表 31所示。 本次設計可以分模塊進行設計，這樣既可以提高設計的效率，也可以避免在設計清潔機器人各部分之間相互的干擾，減小設計的難度，同時也可以使得機器人在實際運用中的維護更加方便 ,各模塊的移植性較好。 如前面圖 24所示，后輪為共軸驅(qū)動行走機構(gòu)，前輪由兩個獨立的電機單獨驅(qū)動，為機器人前行提供牽引力，也可以一個電機正轉(zhuǎn)，另一個電機反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)機器人的 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 9 頁 共 46 頁 圖 213 機器人總體方案 轉(zhuǎn)向功能。差速器不是標準 件，市場上的的差速器尺寸不能滿足機器人的設計需要，無 圖 212 傳動方案二 法購買。 圖 211 傳動方案一 方案二 使用錐齒輪、 D型軸傳動，在后輪車軸上增加一個差速器，使車體在過彎時能自動根據(jù)兩側(cè)后輪不同的阻力比調(diào)整動力的輸出配比，減小后輪在轉(zhuǎn)向時的動力損耗 , 如圖 212所示。 方案一 使用直齒輪、 D型軸將轉(zhuǎn)矩傳遞到后輪軸，結(jié)構(gòu)比較簡單，直齒輪為標準件方便采購，成本低，裝配難度不大，傳遞效率高，如圖 211 所示。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 8 頁 共 46 頁 圖 210 滾筒清潔機構(gòu) 傳動機構(gòu) 傳動部分使用電機作為動力源，通過 D軸、齒輪將轉(zhuǎn)矩傳遞到后輪，實現(xiàn)后輪共軸驅(qū)動。 方案二 :滾筒式清洗機構(gòu) 滾筒清洗機構(gòu)是通過滾筒的旋轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)清洗玻璃墻壁的功能，機構(gòu)本身的構(gòu)件不需要除本身尺寸以外的運動空間，使得機器人結(jié)構(gòu)更加緊湊。 方案一：曲柄滑塊機構(gòu) 圖 29 曲柄滑塊清潔機構(gòu) 如圖 29 所示， 該機構(gòu)所需要的零件簡單 ,加工方便 ,成本低 ,但是連桿所占的空間較大 ,使得機器人的總體尺寸無法滿足任務要，而且會降低機器人的靈活性。應盡量將機器人重心配置在兩個驅(qū)動輪連線的附近，以減少慣性的影響。 ③ 四輪移動方式 3 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 7 頁 共 46 頁 如圖 28所示，前后輪為萬向輪，左右輪為驅(qū)動輪，其自轉(zhuǎn)重心在車體中間， 圖 28 四輪驅(qū)動方式 3 便于在狹窄場所改變行走方向。前輪是兩個萬向輪，后 圖 27 四輪驅(qū)動方式 2 輪是兩個獨立的驅(qū)動輪。因為該驅(qū)動轉(zhuǎn)向方式轉(zhuǎn)向半徑在所有方案中最大，所以這種轉(zhuǎn)向技術(shù)在機器人上的應用并不多。 圖 26 四輪驅(qū)動方 1 內(nèi)側(cè)的輪子將沿著一個比外側(cè)的輪 子軌跡更小的圓周進行運動，那么就可以得到更好的轉(zhuǎn)向精度和更大的牽引力，這種技術(shù)叫做阿克曼轉(zhuǎn)向。 ⑵ 四輪移動方 式 ① 四輪驅(qū)動方式 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 6 頁 共 46 頁 該驅(qū)動方式是通過前部轉(zhuǎn)向輪的朝向確定行走方向，如圖 26 所示。因為三點確定一個平面，無論怎樣， 3個點總是在同一平面上，即無論什么情況， 3 個多向輪都必然著地，不會出現(xiàn)某個輪懸空的情況，這是四輪或更多輪的行走機構(gòu)無法做到的。 ② 全方位移動機構(gòu) 全方位移動機構(gòu)是一種比較特殊的車輪，如圖 25 所示， 3個主輪互相之間成 600 圖 25 全方位移動機構(gòu) 夾角，軸線與中線重合。在實際的應用中，通常的做法是將底盤設計成梯形，使機器人轉(zhuǎn)向具有較好的靈活性和穩(wěn)定性。在機器人底盤的前方安裝一個從動輪的前輪系統(tǒng)，用于對本體進行支撐。 ① 共軸驅(qū)動行走機構(gòu) 最常見的非完整運動約束機器人系統(tǒng)是共軸驅(qū)動系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 24所示。 ⑴ 三輪移動方式 典型三輪移動機器人通常采用一個中心前輪和兩個后輪的布置方式，車體配置雖然結(jié)構(gòu)簡單，但穩(wěn)定性稍差，遇到?jīng)_撞或地面不平時容易傾倒。目前機器人中最常用的是三輪或四輪移動方式，在某些特殊應用情況下也有五輪以上的機器人，但這種機器人結(jié)構(gòu)和控制都很復雜。 輪式行走、轉(zhuǎn)向機構(gòu) 輪式走行機構(gòu)由滾動代替滑動摩擦，主要特點是效率高，適合在平坦的路面上移動，定位，而且重量較輕，制作簡單，本次設計機器人的行走機構(gòu)將使用輪式，因此在這里重點進行講解，比較它們各自的優(yōu)缺點，從中選出合適的方案進行規(guī)劃、分析，逐步進行修改及優(yōu)化。在要改變方向時，要將某一側(cè)的履帶驅(qū)動系統(tǒng)減速或制動來實現(xiàn)轉(zhuǎn) 向，或者反向驅(qū)動實現(xiàn)車體的原地自轉(zhuǎn)。 機器人采用履帶式行走方式有以下優(yōu)點： （ 1）由于沖角的作用，能登上較高的臺階 （ 2）履帶有較強的驅(qū)動力，適合在階梯上移動 （ 3）能夠原地旋轉(zhuǎn)，所以適合在狹窄的屋內(nèi)移動 (4）因重心低而穩(wěn)定性較好 圖 23 履帶式機器人 履帶式行走機構(gòu)廣泛用在各類建筑機械及軍用車輛上。履帶方式又叫循環(huán)軌道方式，其最大的特征是將圓環(huán)狀的循環(huán)軌道履帶卷繞在若干車輪外，使車輪不直接與路面接觸，利用履帶可以緩沖路面狀態(tài)，因此就可以在各種路面上行走。正因如此，步行移動方式在機構(gòu)和控制上是最復雜的，技術(shù)上還不成熟，不適用于對靈活性和可靠性要求較高的場合中。而步行機器人的移動卻有著很大的不同，它可以在保持身體姿態(tài)不變的前提下，能前后左右移動又能沿著樓梯拾級而上，從這一點來看步行機器人的移動是三維空間移動。 步行機器人的機構(gòu)復雜，由于其運動學及動力學模型復雜，控制難度較大。足式機器人的種類很多，一般可以分為兩足機器人和多足機器人，如圖 2 22所示。它不僅能在平地上行走，而且能在凹凸不平的地面行走，甚至可以跨越障礙、上下臺階，對環(huán)境的適應性強，智能程度相對較高，具有輪式機器人無法達到的機動性，具有獨特的優(yōu)越性能。目前，常用的行走機構(gòu)有 3種 :足式行走機構(gòu)、履帶式走行機構(gòu)和輪式走行機構(gòu)。配置這些車輪、履帶或者腿足使其發(fā)揮應有的功能稱為移動系統(tǒng)行走機構(gòu)設計。我們將對他們分別各自的特點作全面的分析，并從中選擇最適合實際需求的方案運用于設計 過程中。 2 玻璃清潔機器人總體運動方案規(guī)劃 本次設計任務主要求是設計的機器人機構(gòu)能實現(xiàn)在玻璃上行走、自動轉(zhuǎn)向避障功能和自動清潔功能。 目前國內(nèi)的清潔機器人的研究起步較晚，但發(fā)展比較迅速。 壁面機器人按照移動方式可以分為車輪式、履帶式和足 式三類。 機器人如果能夠在壁面上自由地移動 ,并且進行作業(yè) ,必須具備三大機能 :吸附功能、轉(zhuǎn)向避障功能和移動功能。 玻璃清潔機器人的發(fā)展狀況和目前具有的技術(shù)水平 玻璃清潔機器人屬于壁面移動機器人的其中一種，它的移動承載體的相關(guān)技術(shù)在壁面移動的相關(guān)技術(shù)中具有共性的一面。它的出現(xiàn)將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，也必將極大地推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當?shù)纳鐣б?、?jīng)濟效益。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 2 頁 共 46 頁 課 題研究的意義 高樓玻璃幕墻清洗機器人是 移動 機器人的一個分支。特別是目前一些國家和地區(qū)已經(jīng)通過立法對包括擦窗作業(yè)在內(nèi)的人工高空攀爬進行了限制，人們不得不尋找其它解決辦法。所以迫切需要一種能代替人而且又有一定靈活性和適用性的全自動機器裝置來完成這項工作，而且高