喜歡這個資料需要的話就充值下載吧。。。資源目錄里展示的全都有預覽可以查看的噢，，下載就有,,請放心下載，原稿可自行編輯修改=【QQ：11970985 可咨詢交流】====================喜歡就充值下載吧。。。資源目錄里展示的全都有，，下載后全都有,,請放心下載，原稿可自行編輯修改=【QQ：197216396 可咨詢交流】====================

畢業(yè)設計（論文）中期檢查表（指導教師） 指導教師姓名： 　　 填表日期： 學生學號 學生姓名 題目名稱 玻璃清潔機器人結(jié)構(gòu)設計 已完成內(nèi)容 玻璃清潔機器人的總體方案選擇與設計，包含機器人的行走機構(gòu)、轉(zhuǎn)向與避障機構(gòu)、清洗機構(gòu)的選擇；機械部分大部分尺寸的規(guī)劃及正在用三維軟件制圖；專業(yè)外文翻譯已經(jīng)翻譯完成4萬字符。 檢查日期：2013-4-20 完成情況 □全部完成 □按進度完成 □滯后進度安排 存在困難 吸附機構(gòu)的設計 機構(gòu)的安裝尺寸的規(guī)劃 材料的選擇 加工工藝的編寫 解決辦法 查閱最新的吸附機構(gòu)的研究成果，從中吸取適合自己設計的部分 從機械制圖課本中查找安裝尺寸的設計方法 查看機械工程材料和金屬工藝學課本，確定材料和加工工藝的選擇 同時和身邊的同學一起討論解決。 預期成績 □優(yōu) 秀 □良 好 □中 等 □及 格 □不及格 建 議 教師簽名： 教務處實踐教學科制表 說明：1、本表由檢查畢業(yè)設計的指導教師如實填寫；2、此表要放入畢業(yè)設計（論文）檔案袋中； 3、各院(系)分類匯總后報教務處實踐教學科備案。 編號： 　畢業(yè)設計(論文)任務書 題 目： 玻璃清潔機器人 結(jié)構(gòu)設計 學　 院: 專 業(yè) 學生姓名 學 號 指導教師單位 姓 名 職 稱 題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設計 ¨工程技術研究 ¨軟件開發(fā) 注：1、本任務書一式一份，院辦留存，發(fā)給學生電子稿，任務完成后附在 說明書內(nèi)。 2、任務書均要求打印，打印字體和字號按照《本科生畢業(yè)設計（論文）統(tǒng)一格式的規(guī)定》執(zhí)行。 3、以下標題為四號仿宋體、加粗，正文中文用小四宋體，英文用小四Times New Roman，日期采用阿拉伯數(shù)字。 4、“一、畢業(yè)設計（論文）的內(nèi)容、要求”位于頁面最頂端，“任務下達時間”位于新頁面最頂端。 　　5、請不要修改最后一頁（即“任務下達時間”所在頁的內(nèi)容） 一、畢業(yè)設計（論文）的內(nèi)容 高層建筑中，玻璃幕墻受業(yè)主和建筑師的青睞。 但是，令人煩惱的玻璃清潔問題也隨之而來。風格迥異、 造型獨特的建筑物對玻璃幕墻清清的要求愈來愈高，傳統(tǒng)方式 人工吊板、吊籃從技術層面匕已經(jīng)無法滿足造型復雜、多變、個 性化的建筑的清洗需要。建筑物造型的多樣化，決定了清潔作 業(yè)的復雜性和網(wǎng)難程度。現(xiàn)在的墻壁清洗機器人一般是吸附式的，容易受到壁面材料和平整度的影響，存在吸盤漏氣和承載能力差等缺點。本設計以玻璃清機器人為載體，完成一種新型的墻壁清洗機器人設計。進一步提升專業(yè)技能，為踏上工作崗位做好準備。本設計的主要任務有一下幾點： 1、收集關于玻璃清機器人產(chǎn)品的相關知識，了解現(xiàn)有玻璃清機器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)； 2、熟悉玻璃清機器人的工作原理及過程； 3、查閱相關資料，熟悉機械產(chǎn)品設計、機械設計基礎、機械零件的加工工藝、工程力學、工程制圖等與本畢業(yè)設計課題相關的知識； 4、熟練掌握計算機輔助設計軟件； 5、對玻璃清機器人設計方案進行詳細規(guī)劃及分析，反復對方案進行論證，逐步進行修改及優(yōu)化； 6、完成玻璃清機器人的結(jié)構(gòu)設計； 7、完成玻璃清機器人相關機構(gòu)的各種參數(shù)計算和分析； 8、完成玻璃清機器人相關零件材料的選用及其工藝分析； 9、完成玻璃清機器人產(chǎn)品零件及裝配部件的3D和2D工程圖的繪制； 10、完成零件拆、裝過程及運動仿真視頻動畫的制作； 二、畢業(yè)設計（論文）的要求與數(shù)據(jù) 本畢業(yè)設計課題需要掌握機械產(chǎn)品設計、機械設計基礎、機械零件加工工藝、工程力學、工程制圖等相關知識及計算機輔助設計技能。本課題需要提交的數(shù)據(jù)及資料主要有以下方面： 1、在設計之前必須對方案進行詳細的規(guī)劃及分析； 2、玻璃清機器人產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計要合理，提交合理、完整的3D模型； 3、玻璃清機器人相關機構(gòu)的各種參數(shù)計算和分析，并提供結(jié)果； 4、零部件裝配正確合理，并提供干涉分析結(jié)果； 5、2D工程圖要整潔規(guī)范，必須符合國家標準，并提交規(guī)范完整圖紙； 6、機構(gòu)運動仿真及零件拆、裝過程視頻動畫畫面要清晰，并提交AVI視頻文件； 7、外文資料翻譯和畢業(yè)設計說明書（論文）的內(nèi)容及字符要符合“畢業(yè)設計任務書”的要求； 8、畢業(yè)設計說明書的格式必須符合 “2013年畢業(yè)設計說明書統(tǒng)一格式”的要求； 9、各個文件資料所需填寫的時間必須符合“2013年畢業(yè)設計(論文)管理辦法”的要求； 10、答辯PPT課件能清晰體現(xiàn)畢業(yè)設計課題的設計思路，并且版面簡介； 三、畢業(yè)設計（論文）應完成的工作 1、完成開題報告的撰寫； 2、完成中期檢查表的填寫； 3、完成二萬字左右的畢業(yè)設計說明書（論文）；在畢業(yè)設計說明書（論文）中必須包括詳細的300-500個單詞的英文摘要； 4、獨立完成與課題相關，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）； 5、對設計方案進行詳細規(guī)劃及分析，反復對方案進行論證，逐步進行修改及優(yōu)化； 6、完成玻璃清機器人的結(jié)構(gòu)設計； 7、完成玻璃清機器人相關機構(gòu)的各種參數(shù)計算和分析； 8、完成材料的選用及其工藝分析； 9、完成玻璃清機器人產(chǎn)品零件及裝配部件的3D和2D工程圖的繪制； 10、完成工作量折合A0圖紙3張以上，其中必須包含兩張A3以上的計算機繪圖圖紙； 11、完成零件拆、裝過程及運動仿真視頻動畫的制作； 12、完成答辯PPT課件的制作； 四、應收集的資料及主要參考文獻 至少查閱以下所列出的參考文獻5篇以上。 [1] 熊有倫． 機器人技術基礎［M］．武漢: 華中理工大學出版社，2000 [2] 袁鋒．UG機械設計工程范例教程M] ．機械工業(yè)出版社，2009.11 [3] 陳超超．輪式移動機器人避障的研究［D］．秦皇島：燕山大學，2004 [4] 魏曉濤．AGV移動機構(gòu)控制研究［D］．哈爾濱: 哈爾濱工程大學，2003 [5] 陳衛(wèi)平． 全區(qū)域覆蓋自主移動機器人路徑規(guī)劃與避障的研究[D]．南京:南京理工大學,2004. [6] 常迎梅，侯國棟. 雙動力臂爬壁機器人吸附系統(tǒng)設計［J］．機械研究與應用．2010年 05期 . [7] 何雪明． 真空吸附式爬壁機器人設計［J］． 西北輕工業(yè)學院學報.2000年04期報．1997年01期． [8] 趙興飛，周憶． 氣驅(qū)爬壁機器人設計與計算［J］． 機床與液壓．2003年06期 [9] 韓建海，章?。?真空吸盤的設計及應用［J］． 機床與液壓.2000年03期． [10] Robert J Schilling. Fundamentals of Robotics-Analysis and Control ［M] ．New J ersey: Prentice Hall, 2000 五、試驗、測試、試制加工所需主要儀器設備及條件 所需主要儀器設備及條件如下： 1、 微型計算機一臺; 2、 機械CAD軟件一套  任務下達時間： 2012年12月17日 畢業(yè)設計開始與完成時間： 2012年12月17日至 2013年05 月26日 組織實施單位： 教研室主任意見： 簽字： 2012年12月14日 院領導小組意見： 簽字： 2012 年12月16日 編號： 　畢業(yè)設計(論文)開題報告 題 目： 玻璃清潔機器人 結(jié)構(gòu)設計 院 （系）： 專 業(yè)： 學生姓名： 學 號： 指導教師單位： 姓 名： 職 稱： 題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設計 ¨工程技術研究 ¨軟件開發(fā) 開題報告填寫要求 ? 1．開題報告作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導教師簽署意見審查后生效。 ?2．開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫，或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見。 ?3．學生查閱資料的參考文獻應在5篇及以上（不包括辭典、手冊），開題報告的字數(shù)要在1000字以上。 ?4．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。 ?5．“指導教師（簽字）”日期填寫成在2012年12月27日~ 31日之間的某個日期；“開題小組組長（簽字）”日期填寫成在2013年1月4日~9日之間的某個日期。 1．畢業(yè)設計的主要內(nèi)容、重點和難點等 一、 內(nèi)容： 高層建筑中，玻璃幕墻受業(yè)主和建筑師的青睞。 但是，令人煩惱的玻璃清潔問題也隨之而來。風格迥異、 造型獨特的建筑物對玻璃幕墻清清的要求愈來愈高，傳統(tǒng)方式 人工吊板、吊籃從技術層面匕已經(jīng)無法滿足造型復雜、多變、個 性化的建筑的清洗需要。建筑物造型的多樣化，決定了清潔作 業(yè)的復雜性和網(wǎng)難程度。現(xiàn)在的墻壁清洗機器人一般是吸附式的，容易受到壁面材料和平整度的影響，存在吸盤漏氣和承載能力差等缺點。本設計以玻璃清機器人為載體，完成一種新型的墻壁清洗機器人設計。進一步提升專業(yè)技能，為踏上工作崗位做好準備。本設計的主要任務有一下幾點： 1、收集關于玻璃清機器人產(chǎn)品的相關知識，了解現(xiàn)有玻璃清機器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)； 2、熟悉玻璃清機器人的工作原理及過程； 3、查閱相關資料，熟悉機械產(chǎn)品設計、機械設計基礎、機械零件的加工工藝、工程力學、工程制圖等與本畢業(yè)設計課題相關的知識； 4、熟練掌握計算機輔助設計軟件； 5、對玻璃清機器人設計方案進行詳細規(guī)劃及分析，反復對方案進行論證，逐步進行修改及優(yōu)化； 6、完成玻璃清機器人的結(jié)構(gòu)設計； 7、完成玻璃清機器人相關機構(gòu)的各種參數(shù)計算和分析； 8、完成玻璃清機器人相關零件材料的選用及其工藝分析； 9、完成玻璃清機器人產(chǎn)品零件及裝配部件的3D和2D工程圖的繪制； 10、完成零件拆、裝過程及運動仿真視頻動畫的制作； 二、 重點： 收集關于玻璃清機器人產(chǎn)品的相關知識，了解現(xiàn)有關玻璃清機器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)；熟悉玻璃清機器人的工作原理及過程；對玻璃清機器人設計方案進行詳細規(guī)劃及分析，反復對方案進行論證，逐步進行修改及優(yōu)化。 三、 難點： 玻璃清機器人相關機構(gòu)的各種參數(shù)計算和分析；零件拆、裝過程及運動仿真視頻動畫的制作；玻璃清機器人的結(jié)構(gòu)設計；玻璃清機器人相關零件材料的選用及其工藝分析。 2．準備情況（查閱的文獻資料及調(diào)研情況、現(xiàn)有設備、實驗條件等） 一、調(diào)研情況： 各國的擦玻璃機器人基本都是專為某棟大樓而設計，即在建樓之初就要預設軌道，這無疑增加建樓成本和影響美觀；或則機器人非常笨重，移動速度很慢，且容易掉下來。從公開的資料來看，擦玻璃機器人在全世界都沒有很成熟通用的產(chǎn)品,無疑為本次設計提供了廣闊的設計空間和用戶市場。 二、現(xiàn)有設備： 硬件設備：電腦、軟件設備、Pro/E 5.0、autocad2004 三、試驗條件： 電腦機房 四、查閱文獻資料： [1] 熊有倫．機器人技術基礎［M］．武漢:華中理工大學出版社，2000 [2] 孟繁華．機器人應用技術[M]．哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000 [3] 陳超超．輪式移動機器人避障的研究［D］．秦皇島：燕山大學，2004 [4] 魏曉濤．AGV移動機構(gòu)控制研究［D］．哈爾濱: 哈爾濱工程大學，2003 [5] 陳衛(wèi)平．全區(qū)域覆蓋自主移動機器人路徑規(guī)劃與避障的研究[D]．南京:南京理工大學,2004. [6] 常迎梅，侯國棟. 雙動力臂爬壁機器人吸附系統(tǒng)設計［J］．機械研究與應用．2010年 05期? [7] 何雪明． 真空吸附式爬壁機器人設計［J］． 西北輕工業(yè)學院學報.2000年04期. [8] 趙興飛，周憶． 氣驅(qū)爬壁機器人設計與計算［J］． 機床與液壓．2003年06期 [9] 韓建海，章?。?真空吸盤的設計及應用［J］． 機床與液壓.2000年03期． [10] Robert J Schilling. Fundamentals of Robotics-Analysis and Control［M] ．New Jersey: Prentice Hall, 2000 3、實施方案、進度實施計劃及預期提交的畢業(yè)設計資料 一、實施方案： 玻璃清潔機器人結(jié)構(gòu)設計--- 設計玻璃清潔機器人設計整套圖紙；機構(gòu)能實現(xiàn)在玻璃上行走;機構(gòu)能實現(xiàn)在玻璃上轉(zhuǎn)向和自動避障功能;機構(gòu)能實現(xiàn)在玻璃上自動清潔功能;機構(gòu)自重不大于2kg，每小時清掃量不小于10平米。 二、進度計劃： 1、2012年12月17日—2013年3月1日： 完成開題報告的撰寫 2、2013年3月2日—2013年3月15日： 獨立完成與課題相關，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯 3、2013年3月16日—2013年4月1日： 完成包括任務書所給的各種參考書的閱讀 4、2013年4月2日—2013年4月3日： 完成中期檢查表的填寫 5、2013年4月4日—2013年4月6日： 在設計之前必須對方案進行詳細的規(guī)劃及分析 6、2013年4月7日—2013年4月9日： 設計能實現(xiàn)在玻璃上轉(zhuǎn)向和自動避障功能的機構(gòu) 7、2013年4月10日—2013年4月11日： 設計能實現(xiàn)在玻璃上行走的機構(gòu) 8、2013年4月12日—2013年4月15日： 反復對方案進行論證，逐步進行修改及優(yōu)化 9、2013年4月16日—2013年4月20日： 完成玻璃清機器人的結(jié)構(gòu)設計 10、2013年4月21日—2013年4月30日： 完成玻璃清機器人相關機構(gòu)的各種參數(shù)計算和分析 11、2013年5月1日—2013年5月3日： 完成材料的選用及其工藝分析 12、2013年5月4日—2013年5月9日： 完成玻璃清機器人產(chǎn)品零件及裝配部件的3D工程圖的繪制 13、2013年5月10日—2013年5月13日： 完成玻璃清機器人產(chǎn)品零件及裝配部件的2D工程圖的繪制 14、2013年5月14日—2013年5月15日： 完成零件拆、裝過程及運動仿真視頻動畫的制作 15、2013年5月16日—2013年5月23日： 完成二萬字左右的畢業(yè)設計說明書 16、2013年5月23日-2013年月26日： 完成答辯PPT課件的制作； 三、預期提交的畢業(yè)設計資料： 1、畢業(yè)設計說明書： 二萬字左右的畢業(yè)設計說明書、包括詳細的300-500個單詞的英文摘要 2、英文資料翻譯論文： 與課題相關，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯 3、A0圖紙3張： 其中包含兩張A3以上的計算機繪圖圖紙，包含兩張A3以上計算機繪圖圖紙； 4、視頻動畫： 零件拆、裝過程及運動仿真視頻動畫 指導教師意見 指導教師（簽字）： 2012年12月　　日 開題小組意見 開題小組組長（簽字）： 2013年1 月　　日 院（系、部）意見 主管院長（系、部主任）簽字： 2013年1月　　日 摘 要 由于各種因素的影響，市場上玻璃清潔機器人的技術還處于初級階段，在實際運 用中還存在諸多問題。本次設計通過研究玻璃清潔機器人的工作原理及過程，經(jīng)過詳 細的方案規(guī)劃，反復論證方案，找出一種目前技術上最成熟、最符合實際運用的運動 方案。 本設計介紹了解決目前玻璃幕墻難于清洗這一難題的玻璃清潔機器人的研究,設計,運 用方案,并把其中一種我們認為是目前最合理,最具有市場前景的設計方案進行詳細規(guī) 劃及分析,反復對方案進行認證,逐步進行修改及優(yōu)化.確定玻璃清潔機器人以輪式自主 移動機器人為載體.最終完成玻璃清潔機器人的結(jié)構(gòu)設計、機構(gòu)各種參數(shù)計算和分析、 相關零件材料的選用及工藝分析。 從玻璃清潔機器人在玻璃墻壁上的行走機構(gòu),轉(zhuǎn)向和自動避障機構(gòu),自動清洗機構(gòu) 三個模塊詳細闡述了機器人系統(tǒng)的工作原理和實現(xiàn)方法.玻璃清潔機器人的工作原理是 利用兩對傳動齒輪將驅(qū)動電機上的力矩傳遞到驅(qū)動軸上,從而帶動兩個后輪轉(zhuǎn)動,實現(xiàn) 機器人在玻璃墻壁上的自由行走.機器人的兩個前輪均采用嵌入式直接驅(qū)動裝置,在機 器人正常直線行走時為機器人提供一定的牽引力,在機器人遇到障礙物時則一個電機正 轉(zhuǎn),一個電機反轉(zhuǎn),實現(xiàn)機器人的零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向.清洗機構(gòu)為滾桶式,由驅(qū)動電機提供 動力,并且中間無減速機構(gòu),即滾筒的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速相同。 通過在已有的方案基礎上進行創(chuàng)新設計，使得設計出來的玻璃清潔機器人更能滿 足用戶的需求，以此拓展它的市場前景。 關鍵詞：輪式；玻璃；滾筒；嵌入式直接驅(qū)動裝置；正反轉(zhuǎn) Abstract Because of the influence of various factors, glass cleaning robot technology is still in its infancy in the market, there are lots of problems in practice. This design through the study of working principle and process of glass cleaning robot, through the detailed program planning, repeated demonstration project, to find out a kind of the most mature on the technology at present, the most practical use of motion scheme. Researching, designing, using the scheme of glass cleaning robot to solve the glass curtain wall is difficult to clean are introduced in this paper，and the one we think is the most reasonable, most has the market prospect of detailed planning and analysis has been made to the design, repeated authentication scheme, modify and optimize step by step. Finally determine the glass cleaning robots with wheeled autonomous mobile robot as the carrier, and finishing glass cleaning robot structure design, calculation and analysis of various parameters, material selection of parts and process analysis. This article from the travel mechanism of glass in glass wall cleaning robot, steering and automatic obstacle avoidance mechanism，automatic cleaning 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 robots two front wheels adopts embedded direct drive device, in the robot walking straight and normal provide certain traction force for robot, in the robot meet with obstacles is a motor forward, a motor reversal, realize zero turning radius turn of the robot. Cleaning mechanism is barrel type, provided by the drive motor power, and the middle without retarding mechanism, namely the rattler at the same speed with the speed of the drive motor. Through innovative designing based on the existing solutions, makes the designed glass cleaning robot can meet the needs of users, to expand its market prospects. Key words: wheel；glass；rattler；embedded direct drive device；pros and cons go 目 錄 1 引言 ........................................................1 1.1 課題研究的背景 ........................................................1 1.2 課題研究的意義 ........................................................2 1.3 玻璃清潔機器人的發(fā)展狀況和目前具有的技術水平 ..........................2 2 玻璃清潔機器人總體運動方案規(guī)劃 ..............................2 2.1 玻璃清潔機器人行走、轉(zhuǎn)向機構(gòu)方案設計 ..................................2 2.1.1 足式行走機構(gòu).........................................................3 2.1.2 履帶式行走機構(gòu).......................................................4 2.1.3 輪式行走、轉(zhuǎn)向機構(gòu)...................................................4 2.2 清洗機構(gòu) ..............................................................7 2.3 傳動機構(gòu) ..............................................................8 2.3.1 方案一...............................................................8 2.3.2 方案二...............................................................8 2.4 最終選用的總體方案 ....................................................8 3 電機選型 ....................................................9 4 玻璃清潔機器人結(jié)構(gòu)設計和主要參數(shù)計算、分析 .................12 4.1 車輪設計 .............................................................12 4.2 后輪驅(qū)動減速機構(gòu)設計 .................................................13 4.3 后輪驅(qū)動軸的結(jié)構(gòu)設計與校核 ...........................................18 4.4 齒輪的定位結(jié)構(gòu)設計 ...................................................20 4.5 中間軸的結(jié)構(gòu)設計與校核 ...............................................21 4.6 電機連接軸的結(jié)構(gòu)設計 .................................................24 4.7 后輪減速機構(gòu)箱體結(jié)構(gòu)設計 .............................................25 4.8 底盤結(jié)構(gòu)設計 .........................................................26 4.9 螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設計 .................................................28 4.10 吸附機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計及合理性分析 ......................................29 5 玻璃清潔機器人穩(wěn)定性分析 ...................................30 6 重要零件的材料選用和加工工藝的編寫 .........................31 6.1 軸類零件的材料選用與加工工藝分析 .....................................31 6.2 底盤的熱處理與加工工藝分析 ...........................................37 6.3 減速機構(gòu)上箱體和機器人外蓋的加工藝分析 ...............................38 6.4 齒輪的加工工藝分析 ...................................................39 6.5 磁吸盤的加工工藝分析 .................................................39 7 裝配干涉分析結(jié)果 ...........................................39 8 玻璃清潔機器人總裝配圖 .....................................40 9 結(jié)論 .......................................................41 謝 辭 ........................................................42 參考文獻 ......................................................43 附 錄 ........................................................44 編號： 畢業(yè)設計（論文）說明書 題 目：玻璃清潔機器人結(jié)構(gòu)設計 學 院： 專 業(yè)： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 職 稱： 題 目 類 型 ： 理 論 研 究 實 驗 研 究 工 程 設 計 工 程 技 術 研 究 軟 件 開 發(fā) I 摘 要 由于各種因素的影響，市場上玻璃清潔機器人的技術還處于初級階段，在實際運 用中還存在諸多問題。本次設計通過研究玻璃清潔機器人的工作原理及過程，經(jīng)過詳 細的方案規(guī)劃，反復論證方案，找出一種目前技術上最成熟、最符合實際運用的運動 方案。 本設計介紹了解決目前玻璃幕墻難于清洗這一難題的玻璃清潔機器人的研究,設計,運 用方案,并把其中一種我們認為是目前最合理,最具有市場前景的設計方案進行詳細規(guī) 劃及分析,反復對方案進行認證,逐步進行修改及優(yōu)化.確定玻璃清潔機器人以輪式自主 移動機器人為載體.最終完成玻璃清潔機器人的結(jié)構(gòu)設計、機構(gòu)各種參數(shù)計算和分析、 相關零件材料的選用及工藝分析。 從玻璃清潔機器人在玻璃墻壁上的行走機構(gòu),轉(zhuǎn)向和自動避障機構(gòu),自動清洗機構(gòu) 三個模塊詳細闡述了機器人系統(tǒng)的工作原理和實現(xiàn)方法.玻璃清潔機器人的工作原理是 利用兩對傳動齒輪將驅(qū)動電機上的力矩傳遞到驅(qū)動軸上,從而帶動兩個后輪轉(zhuǎn)動,實現(xiàn) 機器人在玻璃墻壁上的自由行走.機器人的兩個前輪均采用嵌入式直接驅(qū)動裝置,在機 器人正常直線行走時為機器人提供一定的牽引力,在機器人遇到障礙物時則一個電機正 轉(zhuǎn),一個電機反轉(zhuǎn),實現(xiàn)機器人的零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向.清洗機構(gòu)為滾桶式,由驅(qū)動電機提供 動力,并且中間無減速機構(gòu),即滾筒的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速相同。 通過在已有的方案基礎上進行創(chuàng)新設計，使得設計出來的玻璃清潔機器人更能滿 足用戶的需求，以此拓展它的市場前景。 關鍵詞：輪式；玻璃；滾筒；嵌入式直接驅(qū)動裝置；正反轉(zhuǎn) II Abstract Because of the influence of various factors, glass cleaning robot technology is still in its infancy in the market, there are lots of problems in practice. This design through the study of working principle and process of glass cleaning robot, through the detailed program planning, repeated demonstration project, to find out a kind of the most mature on the technology at present, the most practical use of motion scheme. Researching, designing, using the scheme of glass cleaning robot to solve the glass curtain wall is difficult to clean are introduced in this paper，and the one we think is the most reasonable, most has the market prospect of detailed planning and analysis has been made to the design, repeated authentication scheme, modify and optimize step by step. Finally determine the glass cleaning robots with wheeled autonomous mobile robot as the carrier, and finishing glass cleaning robot structure design, calculation and analysis of various parameters, material selection of parts and process analysis. This article from the travel mechanism of glass in glass wall cleaning robot, steering and automatic obstacle avoidance mechanism，automatic cleaning 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 robots two front wheels adopts embedded direct drive device, in the robot walking straight and normal provide certain traction force for robot, in the robot meet with obstacles is a motor forward, a motor reversal, realize zero turning radius turn of the robot. Cleaning mechanism is barrel type, provided by the drive motor power, and the middle without retarding mechanism, namely the rattler at the same speed with the speed of the drive motor. Through innovative designing based on the existing solutions, makes the designed glass cleaning robot can meet the needs of users, to expand its market prospects. Key words: wheel；glass；rattler；embedded direct drive device；pros and cons go III 目 錄 1 引言 ........................................................1 1.1 課題研究的背景 ........................................................1 1.2 課題研究的意義 ........................................................2 1.3 玻璃清潔機器人的發(fā)展狀況和目前具有的技術水平 ..........................2 2 玻璃清潔機器人總體運動方案規(guī)劃 ..............................2 2.1 玻璃清潔機器人行走、轉(zhuǎn)向機構(gòu)方案設計 ..................................2 2.1.1 足式行走機構(gòu).........................................................3 2.1.2 履帶式行走機構(gòu).......................................................4 2.1.3 輪式行走、轉(zhuǎn)向機構(gòu)...................................................4 2.2 清洗機構(gòu) ..............................................................7 2.3 傳動機構(gòu) ..............................................................8 2.3.1 方案一...............................................................8 2.3.2 方案二...............................................................8 2.4 最終選用的總體方案 ....................................................8 3 電機選型 ....................................................9 4 玻璃清潔機器人結(jié)構(gòu)設計和主要參數(shù)計算、分析 .................12 4.1 車輪設計 .............................................................12 4.2 后輪驅(qū)動減速機構(gòu)設計 .................................................13 4.3 后輪驅(qū)動軸的結(jié)構(gòu)設計與校核 ...........................................18 4.4 齒輪的定位結(jié)構(gòu)設計 ...................................................20 4.5 中間軸的結(jié)構(gòu)設計與校核 ...............................................21 4.6 電機連接軸的結(jié)構(gòu)設計 .................................................24 4.7 后輪減速機構(gòu)箱體結(jié)構(gòu)設計 .............................................25 4.8 底盤結(jié)構(gòu)設計 .........................................................26 4.9 螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設計 .................................................28 4.10 吸附機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計及合理性分析 ......................................29 5 玻璃清潔機器人穩(wěn)定性分析 ...................................30 6 重要零件的材料選用和加工工藝的編寫 .........................31 6.1 軸類零件的材料選用與加工工藝分析 .....................................31 6.2 底盤的熱處理與加工工藝分析 ...........................................37 6.3 減速機構(gòu)上箱體和機器人外蓋的加工藝分析 ...............................38 6.4 齒輪的加工工藝分析 ...................................................39 6.5 磁吸盤的加工工藝分析 .................................................39 IV 7 裝配干涉分析結(jié)果 ...........................................39 8 玻璃清潔機器人總裝配圖 .....................................40 9 結(jié)論 .......................................................41 謝 辭 ........................................................42 參考文獻 ......................................................43 附 錄 ........................................................44 1 引言 1.1 課題研究的背景 在繁華的市中心區(qū)域，高層建筑越來越多，樣式多樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中 一道亮麗的風景。隨著玻璃制作工藝技術的不斷革新，玻璃的強度不斷提高，并且玻 璃的采光性好，保溫防潮性能好，彩色玻璃實用美觀，建筑師在設計時高層建筑的外 壁越來越多地采用鋼化玻璃制作玻璃幕墻結(jié)構(gòu)。但是由于玻璃沒有自我清潔的能力， 時間一長，空氣中懸浮顆粒就會吸附于玻璃外墻上，為了保證建筑外觀的整潔美觀， 就需要對墻壁進行清洗，以美化城市市容市貌。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)境危險等難題。因此,面對市場對于清洗玻璃建筑的巨 大需求, 市場上目前投入使用的少量玻璃清潔機器人,技術上仍然存在許多的問題,例 如:避障時機器人的轉(zhuǎn)彎半徑過大,機器人無法清洗機器人邊緣經(jīng)過的玻璃墻面,機器人 輪子傳動軸徑向力過大等問題,因此開發(fā)一款用于自動清洗玻璃幕墻的滿足市場需求的 實用玻璃清潔機器人已經(jīng)成為科研人員工作的重點。 目前高層建筑的玻璃幕墻清洗工作主要由專門的清潔公司來完成，清潔公司的清 潔方法中最主要的有兩種：一種方式是使用安裝在高樓樓頂?shù)膶Ｓ密壍阑虻跛飨到y(tǒng)將 清潔機器對準窗戶進行自動擦洗。這種清洗方式初次投資成本較高，而且要求建筑物 設計之初就必須考慮到擦窗系統(tǒng)的安裝，所以限制了它的使用范圍。另一種方式是使 用升降平臺或者吊籃裝載清潔工進行高樓玻璃幕墻的清洗，雖然簡便易行，但清潔工 人的勞動強度大，工作效率又比較低，屬于高空危險作業(yè)，對工人的人身安全及高樓 玻璃幕墻壁面都有很大的威脅，并且中國的經(jīng)濟正處在轉(zhuǎn)型期，現(xiàn)在和可以預見的未 來清潔工人的用工成本將不斷的上升。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，而且高樓的玻璃幕墻一般情況下面積 較大，大多數(shù)處于幾十米甚至位于上百米的高處，而且周圍又無可攀援的支架，這就 使得對玻璃幕墻的清洗成為一項繁重、高危險、耗資的工作。如果讓人去清洗玻璃壁 面，不僅花費高，而且安全難以得到保證。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。 美日韓及歐洲各國還有最近的中國都相繼推出了各自的玻璃清潔機器人，這項技 術也在日益走向成熟，但卻并未為大多數(shù)人了解，許多相關的技術在外人看來還是遙 不可及的，在網(wǎng)絡及出版物中相關的文章少之又少，這就需要對這一新型的技術進行 一些說明。 1.2 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。它是基于壁面移動機器人技 術，并針對具體的作業(yè)對象，具有明確功能的實用機器人，其工作在垂直危險的玻璃 壁面，能夠克服重力的作用，攜帶清洗設備，是面向現(xiàn)代高層建筑玻璃外墻表面保潔、 清洗服務的極限作業(yè)機器人，它可以將人們從危險的高空作業(yè)環(huán)境中解脫出來，不僅 可以避免事故的發(fā)生，而且能夠美化城市環(huán)境，造福人類，具有十分廣闊的應用前景。 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。因此，國內(nèi)外多家 研究機構(gòu)都在積極開展此項研究工作。 1.3 玻璃清潔機器人的發(fā)展狀況和目前具有的技術水平 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技術在 壁面移動的相關技術中具有共性的一面。對現(xiàn)有的壁面移動機器人的結(jié)構(gòu)特點進行詳 細的分析，對本次的設計玻璃清潔機器人移動載體具有很好的參考意義。 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。因此,壁面機器人主要是按吸附機能和移動機能來進行分類 的。 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。 不同的吸附方案和移動方案的組合最終構(gòu)成了各種各樣的壁面機器人,例如:履帶 式吸附壁面機器人,輪式吸盤壁面機器人等。 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。國外清潔機器人的運 用起源早、技術成熟，有許多非常成熟的經(jīng)驗值得我們借鑒。 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。分析可知這次任務可以分為三個模塊，即行走、轉(zhuǎn)向、清洗。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。 2.1 玻璃清潔機器人行走、轉(zhuǎn)向機構(gòu)方案設計 所有的機器人都有一類共同的組成部分，即車輪、履帶、腿足等用于推動車體在 地面上進行移動的裝置。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。 不同的移動機器人由于其用途不同，其工作環(huán)境、整體結(jié)構(gòu)都不盡相同，為了達 到讓機器人平穩(wěn)而準確地運動這一目的，必須選擇一種合適的行走機構(gòu)。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)。 2.1.1 足式行走機構(gòu) 步行移動方式模仿人類或動物的行走原，用腿腳走路。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。 但對設計和制作者來說，步行機器人的研究極具挑戰(zhàn)性，其主要難點在于各腿之 間的協(xié)調(diào)控制、機身姿態(tài)控制、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和轉(zhuǎn)向控制、動力的有效傳遞和走行機構(gòu)機 理。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 2-1、2-2 所示。 圖 2-1 兩足機器人 圖 2-2 多足機器人 一般將有兩條腿機構(gòu)的移動機器人叫做兩足步行機器人，兩足步行機器人基本上是近 似或模仿人的下肢機構(gòu)形態(tài)而制成；三足以上的機器人稱為多足機器人，主要研究模 仿四足和六足動物的各種步態(tài)而制成，具有復雜的步態(tài)。 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。從移 動的范圍來講，車輪形及履帶形的移動機構(gòu)，無論它有多么復雜都只能在二維平面內(nèi) 移動，雖然能夠應付一定的坡度和凹凸表面，但是車體與移動機構(gòu)始終保持著固定的 位置關系。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。另外，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實現(xiàn)上述功能的機 器人很少。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。 2.1.2 履帶式行走機構(gòu) 為了提高車輪對松軟地面和不平坦地面的適應能力，履帶式行走機構(gòu)被廣泛采用。 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。圖 2-3 所示為 履帶式行走機器人。 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 2-3 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。履帶式走行機構(gòu)的不足之 處是轉(zhuǎn)彎不如車輪式靈活。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)。但這都會使履帶與路面產(chǎn)生相對橫 向滑動，不但加大了機器人主體的能耗，還有可能損壞路面，如果運用于玻璃清洗機 器人，在工作過程中會刮花玻璃，影響墻壁美觀。 2.1.3 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。 絕大多數(shù)輪式機構(gòu)都是非完整運動約束驅(qū)動系統(tǒng)，輪式移動方式的分類有很多種， 按照輪子的數(shù)目劃分有三輪、四輪、五輪。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。以下分別介紹常用輪式移動機器人走行系統(tǒng)。 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。在這種移動方式下， 應該將各種元器件放在機器人的下層，確保機器人的重心處于比較低的位置，以彌補 此結(jié)構(gòu)本身存在的穩(wěn)定性差的問題。 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 2-4 所示。它 們的最基本形式是兩個電機分別驅(qū)動左后、右后兩個主動輪，這樣的機構(gòu)使機器人能 夠?qū)崿F(xiàn)以自身為圓心的旋轉(zhuǎn)運動。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。因為兩個后輪共用一個軸，而在實際應用中兩個車輪的對應不 一定非常精確。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。 圖 2-4 共軸驅(qū)動行走機構(gòu) 實際的應用中，因為只有 3 個車輪，該機器人在行走時易發(fā)生傾覆，所以在很多 復雜條件下，它是不能正常完成任務的。 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 2-5 所示，3 個主輪互相之間成 600 圖 2-5 全方位移動機構(gòu) 夾角，軸線與中線重合。之所以選擇 3 個萬向輪正三角組合，是因為正三角形組合方 式有它獨特的優(yōu)勢。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。但是該機構(gòu)所使用的輪子較特殊，制作復雜不適于實際的 廣泛運用。 四輪移動方式 四輪驅(qū)動方式 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 2-6 所示。這種方式非 常適合于戶外應用，特別是在崎嶇地形，然而這樣的機器人比傳統(tǒng)的差速驅(qū)動方式的 機器人制作起來復雜一些。 圖 2-6 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，這種技術叫做阿克曼轉(zhuǎn)向。因為這種轉(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。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)向技術在機器人上 的應用并不多。 四輪驅(qū)動方式 2 如圖 2-7 所示為移動機器人領域常見的一種四輪移動方式。前輪是兩個萬向輪， 后 圖 2-7 四輪驅(qū)動方式 2 輪是兩個獨立的驅(qū)動輪。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是遇到?jīng)_撞或地面不平時穩(wěn)定性好，缺點是 機器人的行走過程只有三個輪著地，因此在行走時必須保證兩個驅(qū)動輪著地，否則會 影響機器人行走的定位精度。 四輪移動方式 3 如圖 2-8 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 2-8 四輪驅(qū)動方式 3 便于在狹窄場所改變行走方向。但前后輔助的萬向輪有時不能同時著地支撐，在高速 啟動和制動時會產(chǎn)生俯仰和前沖，或者在加速度很大時不走直線。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。 2.2 清洗機構(gòu) 玻璃清潔機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 選擇清洗機構(gòu)時需要考慮這兩方面。 方案一：曲柄滑塊機構(gòu) 圖 2-9 曲柄滑塊清潔機構(gòu) 如圖 2-9 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。要實現(xiàn)往 復的清洗功能,軸的力矩傳遞需要轉(zhuǎn)向,使用錐齒輪傳遞效率低，加工難度大，成本高。 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。同時，滾筒的旋轉(zhuǎn) 是用正齒輪傳動，加工難度小，成本低，傳動效率高,如圖 2-10 所示。 圖 2-10 滾筒清潔機構(gòu) 2.3 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。兩種方案如下所述，比較兩者優(yōu)缺點和實際運用的要求，最終確定選用方案 一。 2.3.1 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 2-11 所示。 缺點：直接使用齒輪帶動后車軸，兩后車輪轉(zhuǎn)速始 終相同，在車體過彎時動力傳遞效率有所降低。 圖 2-11 傳動方案一 2.3.2 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 2-12 所示。 缺點：錐齒輪傳動效率低，由于錐齒輪軸與后輪車軸垂直，會增加整個機器人長 度方向的尺寸，清洗機構(gòu)的傳動必須再次傳動換向，不利于清洗機構(gòu)的安裝。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 2-12 傳動方案二 法購買。 2.4 最終選用的總體方案 經(jīng)過反復對以上方案進行論證，逐步進行修改及優(yōu)化，最終本次設計的玻璃清潔 機器人方案使用的是輪式行走機構(gòu)、嵌入式驅(qū)動轉(zhuǎn)向裝置、滾筒式清洗機構(gòu)、真空吸 盤式或磁吸附式。 如前面圖 2-4 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 圖 2-13 機器人總體方案 轉(zhuǎn)向功能。并且前輪的驅(qū)動電機使用嵌入式安裝方式，電機被置于前輪輪轂中，對電 機尺寸的要求較高,最終確定的總體方案如圖 2-13 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。因此機器人的設計和計算我們將分步、 分塊進行。 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 3-1 所示。 表 3-1 三種電機的主要特點、結(jié)構(gòu)與工作原理、控制方式 電機類型 主要特點 結(jié)構(gòu)與工作原理 控制方式 直流伺服電機 接通直流電即可工 作，控制簡單；啟 動轉(zhuǎn)矩大、體積小、 重量輕，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn) 矩容易控制、效率 高；需要定時維護 和更換電刷，使用 壽命短、 由永磁體定子、線 圈 轉(zhuǎn)子、電刷和換向 器 構(gòu)成。通過電刷和 換 向器使電流方向隨 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度而 轉(zhuǎn)動控制采用電壓 控制方式,兩者成正 比。轉(zhuǎn)矩控制采用 電流控制方式,兩者 也成正比。 噪聲大。 變化，實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn) 動。 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。 按結(jié)構(gòu)分為同步和 異步電電刷和換向 器構(gòu)成。通過電刷 和換向器使電流方 向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角 度而變化，實現(xiàn)連 續(xù)轉(zhuǎn)動。 分為電壓控制和頻 率控制兩種方式。 異步電機常采用電 壓控制。 步進電機 直接用數(shù)字信號控 制，與計算機接口 簡單，沒有電刷， 維護方便，壽命長。 缺點是能量轉(zhuǎn)換效 率低，易失步，過 載能力弱。 按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式 可以分為:永磁式， 反應式和混合式。 混合式能產(chǎn)生較大 轉(zhuǎn)矩，連續(xù)轉(zhuǎn)動。 永磁式是單向勵磁， 精度高，但易失步， 反應式；是雙向勵 磁，輸出轉(zhuǎn)矩大， 轉(zhuǎn)子過沖小，但效 率低； 混合式是單 -雙向勵磁,分辨率 高, 運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 本次設計的玻璃清潔機器人所用電機的基本性能要求： 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. 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時的特性相同,且運行特性穩(wěn)定. 良好的抗干擾能力,對輸出來說,體積小、重量輕. 維修容易，不用保養(yǎng). 前面表 3-1 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。 前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)是利用兩個步進電機一個正轉(zhuǎn)、一個反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向的。 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。因為車直徑為 70mm,則每個前輪所需要的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為： T=Fd=10N0.035m=0.35N.m （3-1） 所以玻璃清潔機器人選用“森創(chuàng)”步進電機的型號為：A15K-S545(W)-G10，詳細 參數(shù)如下表 3-2 所示。 表 3-2 步進電機的參數(shù) 型號 A/相 最大保持 最大允許 轉(zhuǎn)動慣 線組 電機長 （A） 轉(zhuǎn)矩 (kgf.cm) 轉(zhuǎn)矩 (kgf.cm) 性 (g.cm2) 抗 度 （mm） A15K-S545(W)-G10 0.75 - 15 68 2.2 47 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。通過比較以上電機的特性、工作原理、控制方式及 清潔機器人的移動性能要求、受力性情況、傳動特點，最終選用直流電機作為驅(qū)動電 機。 所需電機的功率計算.玻璃清潔機器人的受力簡圖如圖 3-1 所示，分析可知機器 人垂直向上行走時所受的阻力最大。 圖 3-1 機器人受力簡圖 機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機器人在墻壁上受到的摩擦阻力： Ff=u F 吸 （3- 2） u 為摩擦因數(shù)，一般玻璃與橡膠取 0.2-0.3 則玻璃清潔機器人需要的最大牽引力為: F 牽 =G + Ff =20N+0.2100N=40N （3-3） 設定機器人在墻上行走的速度為:V=1m/s 則機器人在墻壁上運動的功率為： P= F 牽 V=401=40W （3-4） 傳動裝置的總效率為： = 1. 2=0.970.97=0.941 （3-5） 所需直流電機的最小功率: PW=P/=40/0.941=42.5W （3-6） 通過以上的比較和計算，最終選擇博山電機的 90SZ01，其技術參數(shù)如表 3-3 所示： 表 3-3 直流伺服電機的技術參數(shù) 電壓(V) 電流(A) 型號 轉(zhuǎn)矩（mN.m） 轉(zhuǎn)速（r/min） 功 率 (W) 電 樞 激 磁 電樞 激磁 允許順 逆轉(zhuǎn)速 差 (r/min) 轉(zhuǎn)動慣 量 (mN.m.s 2) 90SZ0 1 323 1500 50 110 110 0.66 0.200 100 0.18 4 玻璃清潔機器人結(jié)構(gòu)設計和主要參數(shù)計算、分析 4.1 車輪設計 圖 4-1 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 4-1 所示。 輪子的直徑為 d=70mm,轉(zhuǎn)一圈機器人移動的距離為： S=d=3.140.07=0.22m （4-1） 所以，輪子的最大轉(zhuǎn)速為： n=1500/4=375r/min=6.25r/s （4-2） 則清潔機器人的最大行走速度為： V=Sn=0.226.25=1.375m/s （4-3） 從面前的計算我們已知機器人所受的摩擦力為： Ff=20N 則可知電機在機器人豎直向上時其轉(zhuǎn)矩并不滿足條件，所以必須在機器人豎直向上運 動時減少磁吸附力，即可滿足運動條件。 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=301.375=41.25W （4-4） 其最大加速度為： a=Fa/m=30/2=15m/s （4-5） 前輪為轉(zhuǎn)向輪，本次設計使用的是嵌入式驅(qū)動轉(zhuǎn)向裝置，它的原理是電機固定不 動，由電機機芯驅(qū)動法蘭盤和前輪轉(zhuǎn)動，電機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運動的發(fā)生。它結(jié)構(gòu)精簡，體積小，穩(wěn)定性高和緊密度高， 如圖 4-2 和圖 4-3 所示。相對于傳統(tǒng)驅(qū)動方案而方，該裝置具有顯著優(yōu)點，包括： 圖 4-2 前輪爆炸圖 電機直接驅(qū)動，同步輸出，無中間傳動環(huán)節(jié)，避免了傳動帶來的累計轉(zhuǎn)角誤差， 定位準確。 無相對摩擦，減少不必要的磨損和功率損失。 嵌入式結(jié)構(gòu)使電機和連接結(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，使用此裝置的機器人轉(zhuǎn)向速度快、力量大。 圖 4-3 前輪結(jié)構(gòu)圖 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。 該裝置采取模塊化設計，各元件連接好后成獨立模塊，接上機器人車體即實現(xiàn) 驅(qū)動功能，移植性很強。 車輪的相關參數(shù)如表 4-1 所示。 表 4-1 車輪相關參數(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 4.2 后輪驅(qū)動減速機構(gòu)設計 在前面選電機部分，我們選擇的是直流電機作為后輪驅(qū)動電機，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，同時提高了轉(zhuǎn)距。減速裝置的 形式多種多樣，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。 齒輪傳動：工作可靠，使用壽命長；易于維護；瞬時傳動比為常數(shù)；傳動效率高； 結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度使用范圍很廣。所以，本次設計選用齒輪作為減速機構(gòu)的傳動 件。 根據(jù)本設計中機器人的要求，輸出轉(zhuǎn)矩大傳動效率高噪音小等條件，我們采用兩 級齒輪傳動，減速比為 4:1。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。既提高了精度又減輕了重量。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。中間軸上安裝有大小兩個齒 輪，它們的齒數(shù)比為 2：1。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。減速機構(gòu)如圖 4-4 所示。 圖 4-4 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。 ） a選擇齒輪齒數(shù)、材料及精度等級 玻璃清潔機器人為精密機器，要求運動精度高，故選用 5 級精度。 材料選擇?？紤]到清潔機器人傳遞的功率不大，所以齒輪采用軟齒面。由機 械設計 191 頁表 10-1 選擇小齒輪為 40Cr 調(diào)質(zhì)，齒面硬度為 280HBS。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。 選小齒輪齒數(shù) z1=20,大齒輪齒數(shù) z2=40,傳動比 i=2:1 b按齒面接觸疲勞強度設計 由 d1t2.32(kT 1(u1)/ du（Z E/ H) 21/3 (4-5) I、 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 試選載荷系數(shù) Kt=1.3 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。 T=9.55106 P /n4=9.551060.0425/1500=271Nmm （4-6） 由機械設計 205 頁表 10-7 選取齒寬系數(shù) d=1 由機械設計 201 頁表 10-6 查得材料彈性影響系數(shù) ZE=189.8MPa1/2 由機械設計 209 頁圖 10-21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 Hlim1=750 MPa，大齒輪的接觸疲勞強度極限 Hlim2=700MPa。 由機械設計 206 頁式 1013 計算應循環(huán)，計算應力循環(huán)次數(shù)。 N1=60n1jLh=6015001183008=2.88107 （4-7） 因為傳動比：i=2 N2=N1/2=1.44107 由機械設計 207 頁圖 10-19 取接觸疲勞壽命系數(shù) KHN1=0.94;KHN2=0.98; 計算接觸疲勞許用應力。 取失效概率為 1，安全系數(shù) S=1，由機械設計 205 頁式（1012）得 H1= Hlim1KHN1/S=7500.94/1.0Mpa =705Mpa H2= Hlim2 KHN2/S=7000.98/1.0Mpa =686Mpa II、計算 試算小齒輪分度圓直徑 d1t,代入H中較小的值。 d1td 12.32(k tT1(u+1) / du (ZE/H) 21/3 =2.321.3271(2+1)(189.82/686)2 1/3mm=10mm 計算圓周速度 v. V= d1tn1/(601000)= 101500/(601000)=0.8m/s 計算齒寬 b b= dd1t=10mm 計算齒寬與齒高之比 b/h. 模數(shù) mt= d1t /z1 =10/20=0.5mm 齒高 h=2.25mt=2.250.5=1.125mm b/h=10/1.125=8.9 計算載荷系數(shù)。 根據(jù) v=0.8m/s, 5 級精度，由機械設計 194 頁圖 108 查得動載系數(shù) KV=1.03 根據(jù)機械設計課本 P195 表 10-3 直齒輪，K H =KF =1; 由機械設計 193 頁表 102 查得使用系數(shù) KA=1； 由機械設計表 104 用插值法查得 5 級精度、小齒輪相對支承對稱布置時 KH =1.30 由 b/h=8, KH =1.30,查機械設計 198 頁圖 1013 得 KF =1.26;故載荷系 數(shù)： K=KAKV KH KH =11.031.301.26=1.687 （4-8） 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（1010a）得 （4-9）3311.6870.9ttdm 計算模數(shù) m m =d1/z1=10.91/20=0.55 （4-10） c.按齒根彎曲強度設計 由機械設計 201 頁式 10-5 得彎曲強度的設計公式為： （4-11）23FaSKTY 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 由機械設計 208 頁圖 10-20c 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 FE1=450Mpa；大齒輪的彎曲強度極限 FE2=420Mpa。 由機械設計 206 頁圖 10-18 取彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1=0.9，K FN2=0.94 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全疲勞系數(shù) S=1.4,由機械設計 205 頁式（10-12）得： 110.49 28.35FNEKMpaS 22. 計算載荷系數(shù) K K=KAKVKF KF =11.0311.26=1.30 （4-12） 查得齒形系數(shù) 由機械設計 200 頁表 10-5 查得 Y Fa1=2.80 YFa2=2.40 查得應力校正系數(shù) 由機械設計 200 頁表 10-5 查得 Y sa1=1.55 Ysa2=1.68 計算大小齒輪的 并加以比較。FaS 12.840.239FaS 2.6.1FaSY 小齒輪的數(shù)值較大 設計計算 （21.302710.02323/1400）/3=0.041m 對比計算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強 度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載 能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與 齒數(shù)的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù) 0.041,并就近圓整為標 準值 m=0.5,按接觸強度算得的分度圓直徑 d1=10.91mm,算出小齒輪齒數(shù) z1=d1/m=10.91/0.5=20 大齒輪齒數(shù):z 2=220=40 這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲 疲勞強度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。 d幾何尺寸計算 計算分度圓直徑 d1=z1m=10mm d2=z2m=20mm 為了方便設計，最后取 d1=20 mm， d 2=40mm 計算中心距 a=(d1+d2)/2=30mm 計算齒輪寬度 b= dd1=110mm=10mm 實際設計時我們最后取 B1=B2=12mm e結(jié)構(gòu)設計及繪制齒輪零件圖如圖 4-5 所示： 圖 4-5 大小齒輪結(jié)構(gòu)圖 f齒輪傳動的潤滑方式的選擇 開式及半開式齒輪傳動，或速度較低的閉式齒輪傳動，通常用人工周期性加油潤 滑，所用潤滑劑為潤滑油或潤滑脂。 本次設計因為減速部分的齒輪箱體并不完全是密閉的，所以使用鈣鈉基潤滑脂作 為潤滑劑，其適用于 80-1000C，有水分或較潮濕的環(huán)境中工作的齒輪傳動，但不適于 低溫工作情況，所以滿足設計產(chǎn)品的使用要求。 4.3 后輪驅(qū)動軸的結(jié)構(gòu)設計與校核 后輪驅(qū)動軸連接兩個后輪，是減速部分的最后執(zhí)行機構(gòu)，是主要的承重軸，所以 要求它有很高的強度和抗彎、抗扭性能。同時，根據(jù)設計要求，機器人有重量限制， 因此選用硬質(zhì)鋁合金作為驅(qū)動軸的材料，其結(jié)構(gòu)圖如圖 4-6 所示。 圖 4-6 后輪驅(qū)動軸 I求輸出軸上的功率 P3和轉(zhuǎn)矩 T3 設取每級齒輪傳動的效率 =0.97,則 P3=P 2=500.972=47.05W 前面我們已知：n 3=375r/min，所以： T3=955047.05/375N.mm=1198N.mm II. 求作用在齒輪上的力 因已知低速級大齒輪的分度圓直徑為 d2=40mm 而 （4-13）32601984tFN Fr= Fttan200=600.325=19.5N （4-14） Fn= Ft/cos200=60N/0.95=63N （4-15） 圓周力 Ft，徑向力，及軸向力的方向如圖 4-7 所示： 圖 4-7 齒輪受力示意圖 查資料得： T=45MPa 因此，軸的最小直徑是 根據(jù)設計的需要，最后我們?nèi)?d=4.5mm III.確定各段軸的直徑和長度 在能夠滿足強度和剛度要求的同時，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，機器人后輪驅(qū)動軸的整體尺寸設計如開始的圖 4-3-1 所示。 IV驅(qū)動軸的較核 按抗扭強度條件來進行軸的強度校核 （4-16）394.5184502T TMPapaW 按彎矩轉(zhuǎn)矩合成條件校核的強度 畫出力學模型簡圖。因為清潔機器人的吸附力為 100N，主要承重在驅(qū)動輪上， 所以取極限情況進行計算。軸的受力分析如圖 4-8 所示： 圖 4-8 力學模型簡圖 清潔機器人在工作時，受到的最大吸附力為 100N，所以每個輪子受到的支持力為 F=F 吸 /4=25N 軸受到齒輪的徑向力為 Fr= Fttan200=600.325=19.5N 支反力為 F=(F+Fr)/2=22.25N 作出彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖。 圖 4-9 彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖 驅(qū)動軸彎矩和轉(zhuǎn)矩分析如圖 4-9 所示,由圖可以明顯看出，驅(qū)動軸的危險截面是在 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。 其中，危險截面的彎矩為： M=FL=22.2570.5=1568.6mN.m 轉(zhuǎn)矩為 T=u F 吸 D/4=0.21000.07/4=0.35N.m 軸所承受的最大的輸出轉(zhuǎn)矩是由電動機提供的最大轉(zhuǎn)矩來決定的，本機器人采用 的是博山電機的 90SZ01，電機的最大轉(zhuǎn)矩為 0.323N.m,減速比為 4，因此電動機最大 的輸出轉(zhuǎn)矩為 1.292N. m,所以取 T=1.292N.m。 校核軸的強度 軸的抗彎截面系數(shù)為 (4-17) 333.14925dWm 所以軸的計算應力 （4-18）222()1.569.51caMTMpaW 選定軸的材料為鋁合金，經(jīng)查 =60MPa,因此滿足設計要求，故安全。1 4.4 齒輪的定位結(jié)構(gòu)設計 軸上零件的定位方式如下:軸向定位主要靠軸肩、擋圈定位；周向定位主要靠平鍵 連接和過盈配合來定位。因此，必須對這些關鍵部位時行細致的設計和校核。鍵是一 種標準零件，分為平鍵連接、半圓鍵連接、楔鍵連接和切向鍵連接，因為本設計是玻 璃清潔機器人，總體尺寸較小，如果使用鍵來進行齒輪的周向定位，會大大削弱軸的 強度，所以這里，我們使用四驅(qū)車常用的 D 型軸來進行齒輪的周向定位。其結(jié)構(gòu)如圖 4-10 所示。 圖 4-10 后輪驅(qū)動軸 與之配合的齒輪，我們也把其的軸孔設計成為 D 型孔，該段軸的直徑為 6mm,D 型 的切面與軸截面圓心的距離為 2.5mm，它能能實現(xiàn)把轉(zhuǎn)矩從齒輪傳遞給軸。如圖 4-11 所示： 圖 4-11 D 型軸段截面圖 4.5 中間軸的結(jié)構(gòu)設計與校核 中間軸是減速機構(gòu)傳動中的中間環(huán)節(jié)，上面安裝有一個大齒輪和一個小齒輪，齒 數(shù)分別為 z1=40 和 z2=20。同樣，為了減輕重量，我們選擇用硬質(zhì)鋁合金作為中間軸的 材料。 I中間軸的設計 中間軸的最小直徑 中間軸傳遞的功率： P2= P=500.97=48.5W 傳遞的轉(zhuǎn)矩: T2=955048.5/750=618mN.m 查得鋁合金的許用扭轉(zhuǎn)應力 =45MPa，中間軸的最小直徑：T 從安全的角度考慮，結(jié)合設計的需要，我們?nèi)。? d =5mmm 大齒輪的的受力計算 Ft=2T2/d2