隧道清洁机械手设计【全套CAD图纸+Word说明书】

买文档就送您 纸全套 ， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 南京理工大学泰州科技学院 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 3号楷体 学 号： 3号楷体 学院 (系 ): 3号楷体 专 业 : 3号楷体 题 目 : 隧道清洁机械手设计 指导者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 2014 年 6 月 3号楷体 3号楷体 3号楷体 3号楷体 买文档就送您 纸全套 ， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 毕业设计说明书（论文）中文摘要 隧道清洁机器人 是一种典型的机电一体化产品， 隧道清洁机器人 是 隧道清洁机器人 研究领域的热点。研究 隧道清洁机器人 需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。 本文对一种使用在 隧道清洁机器人 的结构进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。要求对 隧道清洁机器人 模型进行力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。 关键词： 结构设计， 机器臂， 关节型 隧道清洁机器人 ，结构分析 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 业设计说明书（论文）外文摘要 he is a is a of on a of at of In a of in of on of of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 1 绪论 . 1 引言 . 5 道清洁机器人研究概况 . 6 外研究现状 . 6 国内研究现状 . 7 . 8 要内容 . 9 2 总体方案设计 . 9 道清洁机器人工程概述 . 9 业隧道清洁机器人总体设计方案论述 . 10 隧道清洁机器人机械传动原理 . 11 道清洁机器人总体方案设计 . 12 章小结 . 14 3 隧道清洁机器人各部件设计及 计算 . 14 隧道清洁机器人的组成 . 14 清洁隧道清洁机器人末端执行器轨迹的规划 . 16 隧道清洁机器 人手腕回转中心 . 16 . 19 . 25 . 25 . 26 . 28 . 28 . 31 . 35 . 35 . 38 . 39 传动设计 . 39 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 选择带型 . 40 . 40 的基准长度并验算小轮包角 . 41 z . 42 . 42 . 42 . 42 轮 2上键的选择与校核 . 52 键的选择 . 52 键的校核 . 52 总结与展望 . 54 致 谢 . 55 参 考 文 献 . 56 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 1 绪论 引言 隧道清洁机器人 是一种典型的机电一体化产品， 隧道清洁机器人 是 隧道清洁机器人研究领域的热点。研究 隧道清洁机器人 需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。 隧道清洁机器人 是 隧道清洁机器人 的一种。 1959 年，世界上诞生了第一台工业 隧道清洁机器人 ，开创了 隧道清洁机器人 发展的新纪元。随着科学技术的发展， 隧道清洁机器人 的研究与应用迅猛发展。世界著名 隧道清洁机器人 专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过： “隧道清洁机器人 应当具有的最大特征之一是功能 ”。其中双足是方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生也曾说过这样一句话： “上帝创造人类，两条腿是最美妙的杰作 ”。系统具有非常丰富的动力学特性，对的环境要求很低，既能在平地上，也能在非结构性的复杂地面上，对环境有很好的适应性。功能的具备为扩大 隧道清洁机器人 的应用领域开辟了无限广阔的前景。 研究 隧道清洁机器人 的原因和目的，主要有以下几个方面：希望研制出机构，使它们能在许多结构和非结构环境中，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；希望更多得了解 和掌握人类得特性，并利用这些特性为人类服务，例如：人造假肢。系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及 隧道清洁机器人 的研究方向；隧道清洁机器人 可以作为一种智能 隧道清洁机器人 在人工智能中发挥重要的作用。 ， 隧道清洁机器人 的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国 隧道清洁机器人 协会给 隧道清洁机器人 下的定义： 隧道清洁机器人 是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对 隧道清洁机 器人 作如下定义： 隧道清洁机器人 是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。 是可进行自动喷漆或 关节 其他涂料的 工业 隧道清洁机器人 。 隧道清洁机器人 以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。 隧道清洁机器人 是在计算机控制下可编程的自动机器。采用 隧 道清洁机器人 是提高买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。 隧道清洁机器人 的诞生和发展虽只有 30 多年的历史，但它已应用到国民经济，民事技术等众多的领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力 1 道清洁机器人 研究概况 外研究现状 最早系统地研究人类和动物运动原理的是 发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在 1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照片。后来这种采用摄像机的方法又被 本世纪 30年代到50年代，苏联的 就运动作了非常形象化的描述。 真正全面、系统地开展 隧道清洁机器人 的研究是始于本世纪 60年代迄今，不仅形成了 隧道清洁机器人 一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态的 隧道清洁机器人 样机。这一部分，我们主要介绍队60年代到 1985年这一时期，在 隧道清洁机器人 领域所取得的最重要进展。 在 60年代和 70年代，对 隧道清洁机器人 控制理论的研究产 生了 3种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这 3种控制方法对各种类型的 隧道清洁机器人 都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的 961年提出来的 ，模型参考控制是由美国的 975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗 鲍宾研究所著名的 隧道清洁机器人 学专家 969年至 1972年问提出来的。这 3种控制方法之间有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况 1。 在步态研究 方面，苏联的 最优步态 ”， 两种步态不仅适应于而且也适应于多足 隧道清洁机器人 。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么 隧道清洁机器人在时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。 在 隧道清洁机器人 的稳定性研究方面，美国的 倒摆 )，从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑， 道清洁机器人 的 “降阶模型 ”问题进行了研究。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 前面我们曾指出 他仅限于导出各关节及整个系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题但在他的研究中， 姿态越平滑，类人型系统所消耗的功率就越少。 国内研究现状 国内 隧道清洁机器人 的研制工作起步较晚，我国是从 20 世纪 80 年代开始 隧道清洁机器人 领域的研究和应用的。 1986 年，我国开展了 “七五 ”隧道清洁机器人 攻关计划， 1987年，我国的 “863”高技术计划将 隧道清洁机器人 方面的研究开发列入其中。目前我国从事 隧道清洁机器人 研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国进行隧道清洁机器人 技术研究的主要目的是跟踪国际先进的 隧道清洁机器人 技术，随后取得了一定的成就。 哈尔滨工业大学自 1986 年开始研究 隧道清洁机器人 ，先研制成功静态双足 隧道清洁机器人 110 70 10 个自由度，实现平地上的前进、左右侧行以及上下楼梯 的运动，步幅 45速为 10 秒 /步，后来又相继研制成功了 42 103 12 个自由度，实现了步长 24速 每秒的。目前正在研制的 道清洁机器人 ，全身可有 52 个自由度，其在运动速度和平衡性方面都优于前三型 隧道清洁机器人 3 7。 国防科技大学在 1988 年春成功地研制了一台平面型 6 自由度的双足 隧道清洁机器人 能前进、后退和上下楼梯，最大步幅为 40速为 4 步每秒， 1989 年又研制出空间型 10 个自由度，高 69 13现进退、上下台阶的静态稳定以及左右的准动态。 1990 年在 平台上增加两个垂直关节，发展成 12 个自由度，具备了转弯功能，实现了实验室环境的全方位。 1995 年实现动态，步速 每秒，步长为 2022大斜坡角度达 13 度。 2000 年底在基础上研制成功我国首台仿人形 隧道清洁机器人 “先行者 ”，动态，可在小偏差、不确定的环境，周期达每秒两步，高 20头、眼、脖、身躯、双臂、双足，且具备一定的语言功能 8 13。 此外，清华 大学正在研制仿人形 隧道清洁机器人 13032个自由度，在清华大学 985 计划的支持下，项目也在不断取得进展。南京航空航天大学曾研制了一台 8 自由度空间型 隧道清洁机器人 ，实现静态功能 13,14。 本课题源于 “第一届全国大学生机械创新设计大赛 ”中 隧道清洁机器人 。目前， 隧道买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 清洁机器人 大多以轮子的形式实现功能阶段。真正模仿人类用腿走路的 隧道清洁机器人还不多，虽有一些六足、四足 隧道清洁机器人 涌现，但是 隧道清洁机器人 还是凤毛麟角。我们这个课题，探索设计仅靠巧妙的机械装置和简单的控制系统 就能实现模拟人类的 隧道清洁机器人 。其分功能有：交替迈腿、摇头、摆大臂、摆小臂。 体结构 组成 及各部分关系简介 隧道清洁机器人 的组成及各部分关系概述： 它主要由机械系统 (执行系统、驱动系统 )、控制检测系统及智能系统组成。 (1) 执行系统：执行系统是 隧道清洁机器人 完成 关节 工件，实现各种运动所必需 的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。 (a) 末端执行器 ： 隧道清洁机器人 为了进行作业而配置的操作机构，直接 喷漆 工件。 (b) 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变 末端执行器的工作方位。 (c) 臂部：联接机座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改变手部的空间位置，满足 隧道清洁机器人 的作业空间，将各种载荷传递到机座。 (d) 机身： 隧道清洁机器人 的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。 (2) 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有 机械传动、 机电 传动、气压传动和电传动。 (3) 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。 (4) 检测系统：作用 是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需 要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。 实践证明， 隧道清洁机器人 可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用 隧道清洁机器人 是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途 4 通过本设计，使我熟悉机械产品开发性设计的一般过程，培养了我综合运用所学 基础理论、专业知识和各项技能，着重培养设计、计算、分析和解决问题的能力，进而总买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 结、归纳和获得合理结论，进行较为系统的工程训练，初步锻炼科研能力，提高论文撰写和技术表述能力。为实际工作奠定基础，达到人才培养的目的与要求。 课题任务是设计一台工业机器人，代替人工实现地铁隧道墙壁表面粉尘的自动清洁工作。其原始数据和技术要求为： （ 1）地铁隧道截面为圆形半径 4米，最高处约 （ 2）手臂末段安装吸尘器，允许 隧道清洁机器人 安装在专用（改装）车辆上 ,允许每单程清洗半幅隧道。 （ 3）车辆行驶速度不低于 15km/h （ 4）同台车辆所用 隧道清洁机器人 1个 ,确定 隧道清洁机器人 的安装位置。清洁工作不得影响另半幅路面车辆行驶。 （ 5）自由度数目不超过 3个，选取 隧道清洁机器人 的坐标形式。 （ 6）保持吸尘器工作部位距隧道内壁距离 :50 厘米，允许偏差 10厘米。 （ 7） 选择合适的吸尘器口径 ,保证漏扫面积低于应扫面积的 40%。 课题的工作要求使确定总体方案和机器的排列方式。根据现场条件，确定相应的坐标系和自由度数目，选用合适的去动力源。做到方案合理，结构紧凑，满足生产要求。并对配套设备（吸尘器、车辆等）提出要求。 要内容 第 1 章 绪论 主要介绍 隧道清洁机器人 的相关知识和本课题研究的任务和要求 . 第 2 章 总体方案设计 ,介绍该 隧道清洁机器人 各部分的相关知识和总体设计 . 第 3 章 隧道清洁机器人 各部分设计的介绍 第 4 章 隧道清洁机器人 结构设计 2 总体方案设计 道清洁机器人 工程概述 隧道清洁机器人 工程是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学、机构学、机械设计、气动液压技术、传感技术、计算机技术和自动控制技术等学科领域。人们将已有学科分支中的知识有效地组合起来用以解决综合性的工程问题的技术称之为 “系统工程学 ”。以 隧道清洁机 器人 设计为例，系统工程学认为，应当将其作为一个系统来研究、买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 开发和运用，从 隧道清洁机器人 的整体出发来研究其系统内部各组成部分之间的有机联系和系统外部环境的相互关系的一种综合性的设计方法。 从系统功能的观点来看，将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能。因此，在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发，这个系统应具有如下特性： （ 1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体 的特定功能。 （ 2） 相关性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性。 （ 3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能。 （ 4） 环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化。 因此，在进行 隧道清洁机器人 设计时，不仅要重视组成 隧道清洁机器人 系统的各个部件、零件的设计，更应该按照系统工程学的观点，根据 隧道清洁机器人 的功能要求，将组成隧道清洁机器人 系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设计出性能优良适于工 作需要的 隧道清洁机器人 产品。在比较复杂的工业 隧道清洁机器人 系统中大致包括如下 :操作机，它是完成 隧道清洁机器人 工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、末端执行器和机构等。驱动系统，它包括作为动力源的驱动器，驱动单元，伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统。控制系统，它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置），人 机接口装置（键盘、示教盒等），各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入 /输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备 14。 工业 隧道清洁机器人 的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性，因而工业 隧道清洁机器人 能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料，进行装配或其他操作。在柔性制造系统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备）、辅助生产设备、控制装置和工业 隧道清洁机器人 等一起形成了各种不同形式地工业 隧道清洁机器人 技术综合体地工业 隧道清洁机器人 系统。在其他非制造业地生产部门，如建筑、采矿、交通运输等生产领域引用 隧道清洁机器人 系统亦是如此。 业 隧道清洁机器人 总体设计方案 论述 （一） 确定负载 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 目前， 国内外使用的工业 隧道清洁机器人 中，负载能力的范围很大，最小的额定负载在 5N 以下，最大可达 9000N。负载大小的确定主要是考虑沿 隧道清洁机器人 各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括 隧道清洁机器人 末端执行器的重量、 关节 工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载。 （二） 驱动方式 由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型 隧道清洁机器人等特点，故本次设计 采用了伺服电机驱动 （三）传动系统设计 隧道清洁机器人 传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高 隧道清洁机器人 的运动和位置控制精度。在 隧道清洁机器人 中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动。 （四）工作范围 工业 隧道清洁机器人 的工作范围是根据工业 隧道清 洁机器人 作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响 隧道清洁机器人的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择 （五） 运动速度 隧道清洁机器人 操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用 m/s 或（ ） /s 表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时 间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。 隧道清洁机器人 机械传动原理 该方案结构设计与分析 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 本课题要求设计一台经济实用，性能可靠的机器人 ,代替人工用来进行地铁隧 道内部壁面的清洁工作。根据现场条件和作业要求 ,设计总体方案和清洁方式：确定 相应的坐标形式和自由度数目，选用合适的驱动力源。做到方案合理，结构紧凑，满足生产要求。并对配套设备（吸尘器、车辆等）提出要求。 根据调研结果和实际要求，拟采用吸尘方式完成清洁工作，即该 隧道清洁机器人 末端执行器拟采用吸尘 器，其运动轨迹应与隧道内部壁面大致相同，为一圆弧。手臂能根据隧道壁面结构自行调整距离大小，与壁面垂直距离保持大于 40毫米小于 60毫米；为了确保清洁效果，吸尘器与垃圾存放箱相通，吸尘器吸进的灰尘放置其中；末端执行器的运动轨迹一般为一螺旋线；机器人应有三个自由度，一个转动加两个移动，考虑到地铁隧道的结构和作业条件，沿隧道长度方向的移动可由承载车来实现，所以 隧道清洁机器人 本体只需两个自由度来完成。 隧道清洁机器人 本体需要的两个自由度：一个摆动（转动）和一个移动的自由度（用来调整执行器与隧道内壁的垂直距离），如图 示；吸尘装置用来完成清洁工作，吸尘器的吸口部分为末端执行器； 隧道清洁机器人 本体、垃圾箱和吸尘器等都安装在承载车上。 图 隧道清洁机器人 自由度示意图 隧道清洁机器人 本体的两个自由度可以通过气动或电动机来提供驱动力源，其中一个来提供转动动力，另一个提供移动动力 9。 道清洁机器人 总体 方案 设计 工业 隧道清洁机器人 的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下 3。 (1) 直角坐标 隧道清洁机器人 结构 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 直角坐标 隧道清洁 机器人 的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1(a)由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标 隧道清洁机器人 有可能达到很高的位置精度（ m 级）。但是，这种直角坐标 隧道清洁机器人 的运动空间相对 隧道清洁机器人 的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标 隧道清洁机器人 的结构尺寸要比其他类型的 隧道清洁机器人 的结构尺寸大得多。 直角坐标 隧道清洁机器人 的工作空间为一空间长方体。直角坐标 隧道清洁机器人 主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标 隧道清洁机器人 有悬臂式，龙门式，天车式 三种结构。 (2) 圆柱坐标 隧道清洁机器人 结构 圆柱坐标 隧道清洁机器人 的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图 2-1(b)。这种 隧道清洁机器人 构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。 (3) 球坐标 隧道清洁机器人 结构 球坐标 隧道清洁机器人 的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图 2-1(c)。这种 隧道清洁机器人 结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。 (4) 关节型 隧道清洁机器人 结构 关节型 隧道清洁机器人 的 空间运动是由三个回转运动实现的，如图 2-1(d)。关节型隧道清洁机器人 动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对 隧道清洁机器人 本体尺寸，其工作空间比较大。此种 隧道清洁机器人 在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的 隧道清洁机器人 。 (a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 图 1小臂 2大臂 3立柱 4基座 该 隧道清洁机器人 手臂运动范围大 ,且有较高的定位准确度 ,要求设计的 隧道清洁机器人 为六个自由度， 其中腰部有一个旋转自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度，手腕的俯仰、旋转自由度。 地铁隧道清洁 隧道清洁机器人 由实际上由三个自由度来完成的，两个移动自由度和一个转动自由度。所以隧道的清洁 隧道清洁机器人 的类型可以归结为两个直线的运动和一个转动。所以它的类型属于 图 是其中一个自由度靠承载小车来完成。所以 隧道清洁机器人 本体需要两个自由度：一个摆动（转动）和一个移动自由度（用来调整吸尘器与隧道截面垂直距离的大小） 14。 章小结 本章主要完成对 隧道清洁机器人 系统设计 ,通过 多种方案的选择来确定最终要确定的方案 . 确定了 隧道清洁机器人 的总体设计 方案 后，就要针对 隧道清洁机器人 的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。 3 隧道清洁机器人 各部件 设计 及计算 隧道清洁机器人 的组成 该地铁隧道清洁 隧道清洁机器人 分为三个部分：车载装置、 隧道清洁机器人 装置和吸尘装置，如图 （ 1）车载装置：用来装载 隧道清洁机器人 装置和吸尘装置，还可用来手臂沿隧道方向的移动方向的自由度以及一系列控制 隧道清洁机器人 的装置都装在承载小车上，承载小车的移动犹如地铁，直接骑在轨道上 沿着地铁轨道进行移动。 （ 2） 隧道清洁机器人 装置： 隧道清洁机器人 本体是地铁隧道清洁 隧道清洁机器人的核心装置，清洁的主要工作由它来完成。采用由电机驱动的曲柄摇杆机构来实现手臂买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 的来回摆动 ,由电机驱动曲柄的转动通过连杆从而带动摇杆实现来回的摆动（如果采用齿轮减速机构，电机需要循环不断的用正反转来实现手臂的来回摆动，因此，该方案不可用）。同时为了实现手臂的来回移动，采用由电机驱动的齿轮齿条传动从而带动手臂的移动来实现。手臂沿隧道截面为大半圆的隧道长度方向单程清洁半幅隧道。手臂能根据墙壁结构自行调整距离大小，与墙壁表 面垂直距离大于 40毫米小于 60毫米。 图 清洁装置示意图 （ 3）吸尘装置： 隧道清洁机器人 的末端执行器，具体的清洁工作由它来完成，用来清洁地铁隧道壁面的灰尘和其它污垢。由于它为执行器，安装在 隧道清洁机器人 的末端，所以它的来回摆动 和移动由 隧道清洁机器人 和承载车来带动实现的。 隧道清洁机器人 臂沿隧道长度方向向前运动可以由承载车来实现，再加上手臂自身的来回摆动，这样清洁 隧道清洁机器人 单程清洁半幅隧道时的轨迹为一螺旋线。由于手臂的回转中心与隧道的中心不是同一个点，碰到凹凸不平的壁面，我们可以通过位置传感器来控制手臂的自动调节。当手臂的执行器（即吸尘器）与壁面的垂直距离超出某个范围时，便发出信号，这样手臂可自行伸长或缩回，手臂就能随壁面不同形状而改变其长度来清洁隧道壁面。 另外，吸尘器与垃圾存放箱是相通的，吸尘器吸进灰尘后，灰尘被装在存放箱 。装在手臂上的吸尘器的运动轨迹是螺旋线，考虑到壁面可能会有死角处不能被清洁到，为了保证漏扫面积低于应扫面积的 40%，我们需要控制好吸尘器的口径大小 10， 11。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 清洁 隧道清洁机器人 末端执行器轨迹的规划 隧道清洁机器人 末端执行器为一吸尘器的吸口，沿着隧道壁面运动，隧道的截面为大半圆形，隧道的高度以及隧道的路面宽度，如图 已知 : m , 8D m , 求： L 根据勾股定理： 2)2( 22 )2()2( 带入数据得： 222 )28()2() 1002/ L 隧道截面示意图 隧道清洁机器人 手腕回转中心 腕部处于臂部的最前端，它连同手臂的静、动载荷都由臂部承受。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响到臂部的结构、重量和运转的特性。因此，腕部的设计，必须力求机构紧凑，质量轻等特点。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 腕部是 隧道清洁机器人 的执行机构，它还起到连接和支承的作用，除需保证力和运动的要求以及具有足够的强度、刚度外，还需综合考虑，合理布局。由于隧道清洁的工作环境比较恶劣，隧道比较宽而且比较高，所以在设计腕部时应充分的考虑到可能存在的环境对腕部的不良影响。 隧道清洁机器人 装置的手腕回转中心的定位关系到整 个隧道壁面的清洁范围，同时它还影响到手臂的伸缩量。由于隧道截面的直径比较大，为了保证手臂移动时的稳定性，手臂的伸缩量越小越好 12。 图 隧道清洁机器人 工作区域 根据中垂线定理，连接 C 和 M 两点，作线段 中垂线，在距离隧道中心 1 米处的 道清洁机器人 的手腕关节处。手臂在 点两处的长度相等且是最长的，在中垂线处的长度最短（即 D 到 N 的长度最短 ） 。这样，手臂在工作时就可以保持它的伸缩量最小了，能达到平稳的效果。如图 示： 通过下列的计算： B O S 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 51 1 2 9511 8 0C O M m 2 OR m m 3 D C 11 158112180C D M c o s O C R R 151126O 2 CD 可以得出： 15 1583700 ： 工作区域为图 22 C O n 21294 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 连杆机构设计 连杆机构是最常用的机构，因此连杆机构优化设计在机构设计中十分重要，研究工作开展得也最为广泛。有大量的文献介绍有关平面四杆机构、平面五杆机构、柔性连杆机构、曲柄连杆机构、槽轮连杆机构、凸轮连杆组合机构和齿轮连杆等机构的优化。鉴于四连杆机构的典型性，本节结合四连杆机构的函数再现优化设计问题，阐述连杆机构优化问题的一般方法及流程。 四连杆机构的优化设计就 是对四连杆机构的参量进行优化调整，使得机构给定的运动和机构所实现的运动之间误差最小。因此四连杆机构的优化设计的过程，就是寻找使得四连杆机构运动误差最小的一组机构设计参量。四连杆机构设计参量确定后，就可认为实现了机构的优化设计。 四连杆机构的优化设计包括四连杆机构优化模型建立和优化模型求解二个主要过程。通过对四连杆机构的分析确定优化方案，确定设计变量，给出目标函数，并将机构设计制约条件，如杆长条件、传动角条件等，写成相应的约束条件，即可建立机构优化设计模型。 下面介绍四连杆机构函数再现优化设计模型的建立。连杆 机构函数再现设计主要通过选取输人构件和输出构件相对应若干位置、采用机构图解法或分析法确定机构各参数。图 1是典型的平面铰链四杆机构， 、 、 和 分别表示于四个构件的长度，杆设图 1所示的平面铰链四杆机构再现给定函数为 ， 即买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 ，则机构位置取决于 、 、 、 铰链 及输人构件转角 等七个变量。 为简化问题，可令 A 的位置为 ， ， 构件的长度为 1(参考构 件 )，由此可将问题维数降为四维，并不影响构件输入、输出的函数关系。由此可以得到输出构件转角 外与输入构件转角 之间的函数关系式： （ 1） 机构优化设计目标就是使得输出构件转角与给定值在 ， 所有位置上的误差最小。因此机构优化 设计的目标函数可用下式表示 （ 2） 当输入构件转角为 时，输出构件转角 外可由下式求得， （ 3） 式中： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 所以 （ 4） 将上式代入式（ 3），并令 代表设计变量 、 、 及 ，机构优化设计目标函数可写为： （ 5） 机构优化设计的约束条件应根据机构设计的实际情况确定。例如曲柄摇杆式四连杆机构必须满足如下关系式： 或 （ 6） 如果机构要求传动灵活可靠，则传动角 应满足： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 或 其中 从上式可知，传动角 随 的变化而变化，当 为最大值时， 为最小，为最小值时， 为最大。要满 足上式条件，约束方程应为： 曲柄摇杆机构有 ，因此