【正文】 進(jìn)入風(fēng)管清洗又存在二次污染。 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。 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。因此，管道清掃機(jī)器人的出現(xiàn)是一種必然的趨勢(shì)?？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)。；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。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)。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。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)。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。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?。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。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。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。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，；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。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。 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。 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。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。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。 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)。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。壓緊裝置和機(jī)械手的設(shè)計(jì)也是該課題的重點(diǎn)。機(jī)械手的設(shè)計(jì)關(guān)系到機(jī)器人的工作質(zhì)量。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。2 機(jī)器人的設(shè)計(jì)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。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。2. 管道及機(jī)器人的履帶變形可以忽略。： 中央空調(diào)通風(fēng)管道清洗示意圖 機(jī)器人移動(dòng)載體方案設(shè)計(jì) 總體方案設(shè)計(jì)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)。因此本設(shè)計(jì)采用輪式結(jié)構(gòu)。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。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)。 典型的四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)有如下幾種：1) 兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式 ： 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。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。2) 汽車車輪配置方式 ： 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。3) 全方位移動(dòng)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(jìn)行任意的定位和定向。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。因此要求機(jī)器人的各部分結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單。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。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。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(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。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。這個(gè)方案的缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，增加了載重。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。 ： 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。 機(jī)械手方案設(shè)計(jì) 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。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。 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。 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。1） 電機(jī)的選擇A． 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)。① 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= ： 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=（Nm）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=，則：==（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。 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。m2重 量KgД П 40－4040300032） 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。因?yàn)?22，故有：=10，平均分配傳動(dòng)比：===3） 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)A. 水平行走① 各軸轉(zhuǎn)速nⅠ=nW=3000r/min nⅡ= ② 各軸功率， B. 垂直行走① 各軸轉(zhuǎn)速 nⅠ=nW=3000r/min nⅡ= ② 各軸功率③ 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：4) 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。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。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887。Z 1 =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。按載荷有輕微沖擊，查得KA=,初選載荷系數(shù)Kf=T1=TI= 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。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。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=225=50 齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式為： 查表得。初選=本設(shè)計(jì)不采用變位，取a=30mm不變?；瑒?dòng)速度，所選渦輪材料ZcuAl10Fe3Mn2合適。E． 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F． 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：4） 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)。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。我選擇的產(chǎn)品型號(hào)為HF1416，極限轉(zhuǎn)速為9500r/min。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。其使用壓力范圍為（）MPa，使用溫度范圍為（2580）℃。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。估計(jì)整臂的長(zhǎng)度為350mm。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。查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，額定轉(zhuǎn)速為4400r/min。此時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。1） 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：2） 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。經(jīng)過(guò)具體的設(shè)計(jì)，： 行走機(jī)構(gòu)輸出軸3） 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。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， 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：： 水平受力求得支反力：, 剪力圖彎矩圖： 垂直方向受力圖求得支反力：， ： 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