玻璃清洁机器人结构设计毕业论文

编号： 毕业设计（论文）说明书毕业设计（论文）说明书 题 目：玻璃清洁机器人结构设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2013 年 4 月 23 日 I 摘 要 由于各种因素的影响，市场上玻璃清洁机器人的技术还处于初级阶段，在实际运 用中还存在诸多问题。本次设计通过研究玻璃清洁机器人的工作原理及过程，经过详 细的方案规划，反复论证方案，找出一种目前技术上最成熟、最符合实际运用的运动 方案。 本文介绍了解决目前玻璃幕墙难于清洗这一难题的玻璃清洁机器人的研究,设计, 运用方案,并把其中一种我们认为是目前最合理,最具有市场前景的设计方案进行详细 规划及分析,反复对方案进行认证,逐步进行修改及优化.确定玻璃清洁机器人以轮式自 主移动机器人为载体.最终完成玻璃清洁机器人的结构设计、机构各种参数计算和分析、 相关零件材料的选用及工艺分析。 从玻璃清洁机器人在玻璃墙壁上的行走机构,转向和自动避障机构,自动清洗机构 三个模块详细阐述了机器人系统的工作原理和实现方法.玻璃清洁机器人的工作原理是 利用两对传动齿轮将驱动电机上的力矩传递到驱动轴上,从而带动两个后轮转动,实现 机器人在玻璃墙壁上的自由行走.机器人的两个前轮均采用嵌入式直接驱动装置,在机 器人正常直线行走时为机器人提供一定的牵引力,在机器人遇到障碍物时则一个电机正 转,一个电机反转,实现机器人的零转弯半径转向.清洗机构为滚桶式,由驱动电机提供 动力,并且中间无减速机构,即滚筒的转速与驱动电机的转速相同。 通过在已有的方案基础上进行创新设计，使得设计出来的玻璃清洁机器人更能满 足用户的需求，以此拓展它的市场前景。 关键词：轮式；玻璃；滚筒；嵌入式直接驱动装置；正反转 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 录 1 引言 1 1.1 课题研究的背景.1 1.2 课题研究的意义.2 1.3 玻璃清洁机器人的发展状况和目前具有的技术水平.2 2 玻璃清洁机器人总体运动方案规划 2 2.1 玻璃清洁机器人行走、转向机构方案设计.2 2.1.1 足式行走机构3 2.1.2 履带式行走机构4 2.1.3 轮式行走、转向机构 4 2.2 清洗机构 7 2.3 传动机构 8 2.3.1 方案一8 2.3.2 方案二8 2.4 最终选用的总体方案 8 3 电机选型 9 4 玻璃清洁机器人结构设计和主要参数计算、分析 .12 4.1 车轮设计 .12 4.2 后轮驱动减速机构设计 .13 4.3 后轮驱动轴的结构设计与校核 .18 4.4 齿轮的定位结构设计 .20 4.5 中间轴的结构设计与校核 .21 4.6 电机连接轴的结构设计 .24 4.7 后轮减速机构箱体结构设计 .25 4.8 底盘结构设计 .26 4.9 螺栓组连接的结构设计 .28 4.10 吸附机构的结构设计及合理性分析 29 5 玻璃清洁机器人稳定性分析 .30 6 重要零件的材料选用和加工工艺的编写 .31 6.1 轴类零件的材料选用与加工工艺分析 .31 6.2 底盘的热处理与加工工艺分析 .37 6.3 减速机构上箱体和机器人外盖的加工艺分析 .38 6.4 齿轮的加工工艺分析 .39 6.5 磁吸盘的加工工艺分析 .39 IV 7 装配干涉分析结果 .39 8 玻璃清洁机器人总装配图 .40 9 结论 .41 谢 辞 42 参考文献 43 附 录 44 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 1 页 共 46 页 1 引言 1.1 课题研究的背景 在繁华的市中心区域，高层建筑越来越多，样式多样的摩天大楼成为现代都市中 一道亮丽的风景。随着玻璃制作工艺技术的不断革新，玻璃的强度不断提高，并且玻 璃的采光性好，保温防潮性能好，彩色玻璃实用美观，建筑师在设计时高层建筑的外 壁越来越多地采用钢化玻璃制作玻璃幕墙结构。但是由于玻璃没有自我清洁的能力， 时间一长，空气中悬浮颗粒就会吸附于玻璃外墙上，为了保证建筑外观的整洁美观， 就需要对墙壁进行清洗，以美化城市市容市貌。玻璃幕墙难于清洗,清洗成本高昂,清 洗工作量大并且清洗工人工作环境危险等难题。因此,面对市场对于清洗玻璃建筑的巨 大需求, 市场上目前投入使用的少量玻璃清洁机器人,技术上仍然存在许多的问题,例 如:避障时机器人的转弯半径过大,机器人无法清洗机器人边缘经过的玻璃墙面,机器人 轮子传动轴径向力过大等问题,因此开发一款用于自动清洗玻璃幕墙的满足市场需求的 实用玻璃清洁机器人已经成为科研人员工作的重点。 目前高层建筑的玻璃幕墙清洗工作主要由专门的清洁公司来完成，清洁公司的清 洁方法中最主要的有两种：一种方式是使用安装在高楼楼顶的专用轨道或吊索系统将 清洁机器对准窗户进行自动擦洗。这种清洗方式初次投资成本较高，而且要求建筑物 设计之初就必须考虑到擦窗系统的安装，所以限制了它的使用范围。另一种方式是使 用升降平台或者吊篮装载清洁工进行高楼玻璃幕墙的清洗，虽然简便易行，但清洁工 人的劳动强度大，工作效率又比较低，属于高空危险作业，对工人的人身安全及高楼 玻璃幕墙壁面都有很大的威胁，并且中国的经济正处在转型期，现在和可以预见的未 来清洁工人的用工成本将不断的上升。所以迫切需要一种能代替人而且又有一定灵活 性和适用性的全自动机器装置来完成这项工作，而且高楼的玻璃幕墙一般情况下面积 较大，大多数处于几十米甚至位于上百米的高处，而且周围又无可攀援的支架，这就 使得对玻璃幕墙的清洗成为一项繁重、高危险、耗资的工作。如果让人去清洗玻璃壁 面，不仅花费高，而且安全难以得到保证。特别是目前一些国家和地区已经通过立法 对包括擦窗作业在内的人工高空攀爬进行了限制，人们不得不寻找其它解决办法。 美日韩及欧洲各国还有最近的中国都相继推出了各自的玻璃清洁机器人，这项技 术也在日益走向成熟，但却并未为大多数人了解，许多相关的技术在外人看来还是遥 不可及的，在网络及出版物中相关的文章少之又少，这就需要对这一新型的技术进行 一些说明。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 2 页 共 46 页 1.2 课题研究的意义 高楼玻璃幕墙清洗机器人是移动机器人的一个分支。它是基于壁面移动机器人技 术，并针对具体的作业对象，具有明确功能的实用机器人，其工作在垂直危险的玻璃 壁面，能够克服重力的作用，携带清洗设备，是面向现代高层建筑玻璃外墙表面保洁、 清洗服务的极限作业机器人，它可以将人们从危险的高空作业环境中解脱出来，不仅 可以避免事故的发生，而且能够美化城市环境，造福人类，具有十分广阔的应用前景。 它的出现将极大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产效率，也 必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。因此，国内外多家 研究机构都在积极开展此项研究工作。 1.3 玻璃清洁机器人的发展状况和目前具有的技术水平 玻璃清洁机器人属于壁面移动机器人的其中一种，它的移动承载体的相关技术在 壁面移动的相关技术中具有共性的一面。对现有的壁面移动机器人的结构特点进行详 细的分析，对本次的设计玻璃清洁机器人移动载体具有很好的参考意义。 机器人如果能够在壁面上自由地移动,并且进行作业,必须具备三大机能:吸附功能、 转向避障功能和移动功能。因此,壁面机器人主要是按吸附机能和移动机能来进行分类 的。 壁面机器人按照移动方式可以分为车轮式、履带式和足式三类。 不同的吸附方案和移动方案的组合最终构成了各种各样的壁面机器人,例如:履带 式吸附壁面机器人,轮式吸盘壁面机器人等。 目前国内的清洁机器人的研究起步较晚，但发展比较迅速。国外清洁机器人的运 用起源早、技术成熟，有许多非常成熟的经验值得我们借鉴。 2 玻璃清洁机器人总体运动方案规划 本次设计任务主要求是设计的机器人机构能实现在玻璃上行走、自动转向避障功 能和自动清洁功能。分析可知这次任务可以分为三个模块，即行走、转向、清洗。我 们将对他们分别各自的特点作全面的分析，并从中选择最适合实际需求的方案运用于 设计过程中。 2.1 玻璃清洁机器人行走、转向机构方案设计 所有的机器人都有一类共同的组成部分，即车轮、履带、腿足等用于推动车体在 地面上进行移动的装置。配置这些车轮、履带或者腿足使其发挥应有的功能称为移动 系统行走机构设计。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 3 页 共 46 页 不同的移动机器人由于其用途不同，其工作环境、整体结构都不尽相同，为了达 到让机器人平稳而准确地运动这一目的，必须选择一种合适的行走机构。目前，常用 的行走机构有 3 种:足式行走机构、履带式走行机构和轮式走行机构。 2.1.1 足式行走机构 步行移动方式模仿人类或动物的行走原，用腿脚走路。它不仅能在平地上行走， 而且能在凹凸不平的地面行走，甚至可以跨越障碍、上下台阶，对环境的适应性强， 智能程度相对较高，具有轮式机器人无法达到的机动性，具有独特的优越性能。 但对设计和制作者来说，步行机器人的研究极具挑战性，其主要难点在于各腿之 间的协调控制、机身姿态控制、转向机构和转向控制、动力的有效传递和走行机构机 理。足式机器人的种类很多，一般可以分为两足机器人和多足机器人，如图 2-1、2-2 所示。 图 2-1 两足机器人 图 2-2 多足机器人 一般将有两条腿机构的移动机器人叫做两足步行机器人，两足步行机器人基本上是近 似或模仿人的下肢机构形态而制成；三足以上的机器人称为多足机器人，主要研究模 仿四足和六足动物的各种步态而制成，具有复杂的步态。 步行机器人的机构复杂，由于其运动学及动力学模型复杂，控制难度较大。从移 动的范围来讲，车轮形及履带形的移动机构，无论它有多么复杂都只能在二维平面内 移动，虽然能够应付一定的坡度和凹凸表面，但是车体与移动机构始终保持着固定的 位置关系。而步行机器人的移动却有着很大的不同，它可以在保持身体姿态不变的前 提下，能前后左右移动又能沿着楼梯拾级而上，从这一点来看步行机器人的移动是三 维空间移动。另外，要控制它的步行和不倾倒有很大的难度，目前实现上述功能的机 器人很少。正因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上还不成熟， 不适用于对灵活性和可靠性要求较高的场合中。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 4 页 共 46 页 2.1.2 履带式行走机构 为了提高车轮对松软地面和不平坦地面的适应能力，履带式行走机构被广泛采用。 履带方式又叫循环轨道方式，其最大的特征是将圆环状的循环轨道履带卷绕在若干车 轮外，使车轮不直接与路面接触，利用履带可以缓冲路 面状态，因此就可以在各种路面上行走。图 2-3 所示为 履带式行走机器人。 机器人采用履带式行走方式有以下优点： （1）由于冲角的作用，能登上较高的台阶 （2）履带有较强的驱动力，适合在阶梯上移动 （3）能够原地旋转，所以适合在狭窄的屋内移动 (4）因重心低而稳定性较好 图 2-3 履带式机器人 履带式行走机构广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。履带式走行机构的不足之 处是转弯不如车轮式灵活。在要改变方向时，要将某一侧的履带驱动系统减速或制动 来实现转向，或者反向驱动实现车体的原地自转。但这都会使履带与路面产生相对横 向滑动，不但加大了机器人主体的能耗，还有可能损坏路面，如果运用于玻璃清洗机 器人，在工作过程中会刮花玻璃，影响墙壁美观。 2.1.3 轮式行走、转向机构 轮式走行机构由滚动代替滑动摩擦，主要特点是效率高，适合在平坦的路面上移 动，定位，而且重量较轻，制作简单，本次设计机器人的行走机构将使用轮式，因此 在这里重点进行讲解，比较它们各自的优缺点，从中选出合适的方案进行规划、分析， 逐步进行修改及优化。 绝大多数轮式机构都是非完整运动约束驱动系统，轮式移动方式的分类有很多种， 按照轮子的数目划分有三轮、四轮、五轮。目前机器人中最常用的是三轮或四轮移动 方式，在某些特殊应用情况下也有五轮以上的机器人，但这种机器人结构和控制都很 复杂。以下分别介绍常用轮式移动机器人走行系统。 三轮移动方式 典型三轮移动机器人通常采用一个中心前轮和两个后轮的布置方式，车体配置虽 然结构简单，但稳定性稍差，遇到冲撞或地面不平时容易倾倒。在这种移动方式下， 应该将各种元器件放在机器人的下层，确保机器人的重心处于比较低的位置，以弥补 此结构本身存在的稳定性差的问题。 共轴驱动行走机构 最常见的非完整运动约束机器人系统是共轴驱动系统，其结构如图 2-4 所示。它 们的最基本形式是两个电机分别驱动左后、右后两个主动轮，这样的机构使机器人能 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 5 页 共 46 页 够实现以自身为圆心的旋转运动。在机器人底盘的前方安装一个从动轮的前轮系统， 用于对本体进行支撑。因为两个后轮共用一个轴，而在实际应用中两个车轮的对应不 一定非常精确。在实际的应用中，通常的做法是将底盘设计成梯形，使机器人转向具 有较好的灵活性和稳定性。 图 2-4 共轴驱动行走机构 实际的应用中，因为只有 3 个车轮，该机器人在行走时易发生倾覆，所以在很多 复杂条件下，它是不能正常完成任务的。 全方位移动机构 全方位移动机构是一种比较特殊的车轮，如图 2-5 所示，3 个主轮互相之间成 600 图 2-5 全方位移动机构 夹角，轴线与中线重合。之所以选择 3 个万向轮正三角组合，是因为正三角形组合方 式有它独特的优势。因为三点确定一个平面，无论怎样，3 个点总是在同一平面上，即 无论什么情况，3 个多向轮都必然着地，不会出现某个轮悬空的情况，这是四轮或更多 轮的行走机构无法做到的。但是该机构所使用的轮子较特殊，制作复杂不适于实际的 广泛运用。 四轮移动方式 四轮驱动方式 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 6 页 共 46 页 该驱动方式是通过前部转向轮的朝向确定行走方向，如图 2-6 所示。这种方式非 常适合于户外应用，特别是在崎岖地形，然而这样的机器人比传统的差速驱动方式的 机器人制作起来复杂一些。 图 2-6 四轮驱动方 1 内侧的轮子将沿着一个比外侧的轮子轨迹更小的圆周进行运动，那么就可以得到 更好的转向精度和更大的牵引力，这种技术叫做阿克曼转向。因为这种转向方式可以 使轮胎产生更大的牵引力，具有更小的摩擦损耗，所以大部分汽车都采用这种转向方 式。因为该驱动转向方式转向半径在所有方案中最大，所以这种转向技术在机器人上 的应用并不多。 四轮驱动方式 2 如图 2-7 所示为移动机器人领域常见的一种四轮移动方式。前轮是两个万向轮， 后 图 2-7 四轮驱动方式 2 轮是两个独立的驱动轮。这种结构的优点是遇到冲撞或地面不平时稳定性好，缺点是 机器人的行走过程只有三个轮着地，因此在行走时必须保证两个驱动轮着地，否则会 影响机器人行走的定位精度。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 7 页 共 46 页 四轮移动方式 3 如图 2-8 所示，前后轮为万向轮，左右轮为驱动轮，其自转重心在车体中间， 图 2-8 四轮驱动方式 3 便于在狭窄场所改变行走方向。但前后辅助的万向轮有时不能同时着地支撑，在高速 启动和制动时会产生俯仰和前冲，或者在加速度很大时不走直线。应尽量将机器人重 心配置在两个驱动轮连线的附近，以减少惯性的影响。 2.2 清洗机构 玻璃清洁机器人由于是在墙壁玻璃上行走，重量和体积均有很大的限制，所以在 选择清洗机构时需要考虑这两方面。 方案一：曲柄滑块机构 图 2-9 曲柄滑块清洁机构 如图2-9 所示，该机构所需要的零件简单,加工方便,成本低,但是连杆所占的空间 较大,使得机器人的总体尺寸无法满足任务要，而且会降低机器人的灵活性。要实现往 复的清洗功能,轴的力矩传递需要转向,使用锥齿轮传递效率低，加工难度大，成本高。 方案二:滚筒式清洗机构 滚筒清洗机构是通过滚筒的旋转运动来实现清洗玻璃墙壁的功能，机构本身的构 件不需要除本身尺寸以外的运动空间，使得机器人结构更加紧凑。同时，滚筒的旋转 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 8 页 共 46 页 是用正齿轮传动，加工难度小，成本低，传动效率高,如图 2-10 所示。 图 2-10 滚筒清洁机构 2.3 传动机构 传动部分使用电机作为动力源，通过 D 轴、齿轮将转矩传递到后轮，实现后轮共 轴驱动。两种方案如下所述，比较两者优缺点和实际运用的要求，最终确定选用方案 一。 2.3.1 方案一 使用直齿轮、D 型轴将转矩传递到后轮轴，结构比较 简单，直齿轮为标准件方便采购，成本低，装配难度不大， 传递效率高，如图 2-11 所示。 缺点：直接使用齿轮带动后车轴，两后车轮转速始 终相同，在车体过弯时动力传递效率有所降低。 图 2-11 传动方案一 2.3.2 方案二 使用锥齿轮、D 型轴传动，在后轮车轴上增加一个差速 器，使车体在过弯时能自动根据两侧后轮不同的阻力比调整 动力的输出配比，减小后轮在转向时的动力损耗, 如图 2-12 所示。 缺点：锥齿轮传动效率低，由于锥齿轮轴与后轮车轴垂直，会增加整个机器人长 度方向的尺寸，清洗机构的传动必须再次传动换向，不利于清洗机构的安装。差速器 不是标准 件，市场上的的差速器尺寸不能满足机器人的设计需要，无 图 2-12 传动方案二 法购买。 2.4 最终选用的总体方案 经过反复对以上方案进行论证，逐步进行修改及优化，最终本次设计的玻璃清洁 机器人方案使用的是轮式行走机构、嵌入式驱动转向装置、滚筒式清洗机构、真空吸 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 9 页 共 46 页 盘式或磁吸附式。 如前面图 2-4 所示，后轮为共轴驱动行走机构，前轮由两个独立的电机单独驱动， 为机器人前行提供牵引力，也可以一个电机正转，另一个电机反转，从而实现机器人 的 图 2-13 机器人总体方案 转向功能。并且前轮的驱动电机使用嵌入式安装方式，电机被置于前轮轮毂中，对电 机尺寸的要求较高,最终确定的总体方案如图 2-13 所示。 本次设计可以分模块进行设计，这样既可以提高设计的效率，也可以避免在设计 清洁机器人各部分之间相互的干扰，减小设计的难度，同时也可以使得机器人在实际 运用中的维护更加方便,各模块的移植性较好。因此机器人的设计和计算我们将分步、 分块进行。 3 电机选型 玻璃清洁机器人的运动控制中常用电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电 机，它们的特点、构造与工作原理和控制方式如下表 3-1 所示。 表 3-1 三种电机的主要特点、结构与工作原理、控制方式 电机类型主要特点结构与工作原理控制方式 直流伺服电机 接通直流电即可工 作，控制简单；启 动转矩大、体积小、 重量轻，转速和转 矩容易控制、效率 高；需要定时维护 和更换电刷，使用 寿命短、 由永磁体定子、线 圈 转子、电刷和换向 器 构成。通过电刷和 换 向器使电流方向随 转子的转动角度而 转动控制采用电压 控制方式,两者成正 比。转矩控制采用 电流控制方式,两者 也成正比。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 10 页 共 46 页 噪声大。变化，实现连续转 动。 交流伺服电机 没有电刷和换向器， 无需维护，驱动电 路 复杂，价格高。 按结构分为同步和 异步电电刷和换向 器构成。通过电刷 和换向器使电流方 向随转子的转动角 度而变化，实现连 续转动。 分为电压控制和频 率控制两种方式。 异步电机常采用电 压控制。 步进电机 直接用数字信号控 制，与计算机接口 简单，没有电刷， 维护方便，寿命长。 缺点是能量转换效 率低，易失步，过 载能力弱。 按产生转矩的方式 可以分为:永磁式， 反应式和混合式。 混合式能产生较大 转矩，连续转动。 永磁式是单向励磁， 精度高，但易失步， 反应式；是双向励 磁，输出转矩大， 转子过冲小，但效 率低； 混合式是单 -双向励磁,分辨率 高, 运转平稳。 本次设计的玻璃清洁机器人所用电机的基本性能要求： 启动、停止和反向均能连续有效的进行,具有良好的响应特性. 正转反转时的特性相同,且运行特性稳定. 良好的抗干扰能力,对输出来说,体积小、重量轻. 维修容易，不用保养. 前面表 3-1 中我们比较分析了三种不同电机的特点、结构与工作原理和控制方 式从中我们知道步进电机具有精度高，控制性能强，容易控制的特点，步进电机具有 以上所有优点，但是前轮是使用嵌入驱动装置转向，步进电机的外型尺寸不满足条件， 所以我们最后选择直流电机。 前轮转向机构是利用两个步进电机一个正转、一个反转来实现机器人的转向的。 因为机器人的重量不能超过 2kg，所以它受的最大摩擦力不会超过 20N。因为车直径为 70mm,则每个前轮所需要的驱动转矩为： T=Fd=10N0.035m=0.35N.m （3-1） 所以玻璃清洁机器人选用“森创”步进电机的型号为：A15K-S545(W)-G10，详细 参数如下表 3-2 所示。 表 3-2 步进电机的参数 型号A/相最大保持最大允许转动惯线组电机长 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 11 页 共 46 页 （A）转矩 (kgf.cm) 转矩 (kgf.cm) 性 (g.cm2) 抗度 （mm） A15K-S545(W)-G100.75-15682.247 机器人的两个后轮是驱动轮，要求控制性好且精度高，能耗低，输出转矩大， 有一定过载能力，而且稳定性好。通过比较以上电机的特性、工作原理、控制方式及 清洁机器人的移动性能要求、受力性情况、传动特点，最终选用直流电机作为驱动电 机。 所需电机的功率计算.玻璃清洁机器人的受力简图如图 3-1 所示，分析可知机器 人垂直向上行走时所受的阻力最大。 图 3-1 机器人受力简图 机器人所受的最大牵引力： F牵 = G + Ff F牵在墙壁上行走需要的最大牵引力 Ff机器人在墙壁上受到的摩擦阻力： Ff=u F吸 （3- 2） u 为摩擦因数，一般玻璃与橡胶取 0.2-0.3 则玻璃清洁机器人需要的最大牵引力为: F牵=G + Ff =20N+0.2100N=40N （3-3） 设定机器人在墙上行走的速度为:V=1m/s 则机器人在墙壁上运动的功率为： P= F牵V=401=40W （3-4） 传动装置的总效率为： =1.2=0.970.97=0.941 （3-5） 所需直流电机的最小功率: PW=P/=40/0.941=42.5W （3-6） 通过以上的比较和计算，最终选择博山电机的 90SZ01，其技术参数如表 3-3 所示： 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 12 页 共 46 页 表 3-3 直流伺服电机的技术参数 电压(V)电流(A) 型号 转矩 （mN.m） 转速 （r/min） 功 率 (W) 电 枢 激 磁 电枢激磁 允许顺 逆转速 差 (r/min) 转动惯 量 (mN.m.s 2) 90SZ0 1 3231500501101100.660.2001000.18 4 玻璃清洁机器人结构设计和主要参数计算、分析 4.1 车轮设计 图 4-1 后轮结构图 后轮采用尼龙加工而成，为减轻质量，设计成腹板式结构，同时在驱动轮的轮缘 包裹一定厚度的橡胶材料，具体设计参数如图 4-1 所示。 轮子的直径为 d=70mm,转一圈机器人移动的距离为： S=d=3.140.07=0.22m （4-1） 所以，轮子的最大转速为： n=1500/4=375r/min=6.25r/s （4-2） 则清洁机器人的最大行走速度为： V=Sn=0.226.25=1.375m/s （4-3） 从面前的计算我们已知机器人所受的摩擦力为： Ff=20N 则可知电机在机器人竖直向上时其转矩并不满足条件，所以必须在机器人竖直向上运 动时减少磁吸附力，即可满足运动条件。 设减小摩擦后机器人所受摩擦力为： Ff=10N 则此时机器人的功率为： Pw=(Ff+G)V=301.375=41.25W （4-4） 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 13 页 共 46 页 其最大加速度为： a=Fa/m=30/2=15m/s （4-5） 前轮为转向轮，本次设计使用的是嵌入式驱动转向装置，它的原理是电机固定不 动，由电机机芯驱动法兰盘和前轮转动，电机与轮子之间安装有轴承和大、小套筒， 以此保证它们之间的相对运动的发生。它结构精简，体积小，稳定性高和紧密度高， 如图 4-2 和图 4-3 所示。相对于传统驱动方案而方，该装置具有显著优点，包括： 图 4-2 前轮爆炸图 电机直接驱动，同步输出，无中间传动环节，避免了传动带来的累计转角误差， 定位准确。 无相对摩擦，减少不必要的磨损和功率损失。 嵌入式结构使电机和连接结构嵌入车轮，体积缩小、同样的体积上可以选择功 率更大的电机，使用此装置的机器人转向速度快、力量大。 图 4-3 前轮结构图 嵌入轮内的短柱状结构代替传统的细长轮轴，无需联轴器，同时保护了电机， 抗冲击性好。 该装置采取模块化设计，各元件连接好后成独立模块，接上机器人车体即实现 驱动功能，移植性很强。 车轮的相关参数如表 4-1 所示。 表 4-1 车轮相关参数 参数数据/mm参数数据/mm 车轮最大外径70腹板厚度2 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 14 页 共 46 页 轮心孔直径4腹板大孔直径10 车轮宽度20腹板小孔直径5 4.2 后轮驱动减速机构设计 在前面选电机部分，我们选择的是直流电机作为后轮驱动电机，其转速一般都较 高，不能直接连接到车轮轴上，需要用减速箱来降速，同时提高了转距。减速装置的 形式多种多样，一般很难买到适合机器人使用的减速箱，所以只能自己设计减速装置， 选择一种合适的减速装置对机器人的性能有着相当重要的作用。 齿轮传动：工作可靠，使用寿命长；易于维护；瞬时传动比为常数；传动效率高； 结构紧凑；功率和速度使用范围很广。所以，本次设计选用齿轮作为减速机构的传动 件。 根据本设计中机器人的要求，输出转矩大传动效率高噪音小等条件，我们采用两 级齿轮传动，减速比为 4:1。安装主动齿轮的输入轴与电机相联的一端设计 D 型孔，不 是用联轴器，降低了生产成本，使结构更简单。既提高了精度又减轻了重量。轮毂和 二级传动的被动齿轮安装在同一根轴上，他们转速相同。中间轴上安装有大小两个齿 轮，它们的齿数比为 2：1。齿轮类型为渐开线直齿齿轮，属于通用标准件，可以直接 购买，使得加工工作量减小，同时也降低了生产成本。减速机构如图 4-4 所示。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 15 页 共 46 页 图 4-4 减速机构结构图 选用的齿参数如下： 第一级减速：i=2, m=1,z1=20,d1=20mm,z2=40,d2=40mm 第二级减速：i=2, m=1,z1=20,d1=20mm,z2=40,d2=40mm 减速机构的齿轮计算：（因为第一级减速和第二级减速相同，所以只选择一级作 较核计算。 ） a选择齿轮齿数、材料及精度等级 玻璃清洁机器人为精密机器，要求运动精度高，故选用 5 级精度。 材料选择。考虑到清洁机器人传递的功率不大，所以齿轮采用软齿面。由机 械设计 191 页表 10-1 选择小齿轮为 40Cr 调质，齿面硬度为 280HBS。大齿轮选 用 45 钢，调质，齿面硬度 240HBS，二者材料硬度相差为 40HBS。 选小齿轮齿数 z1=20,大齿轮齿数 z2=40,传动比 i=2:1 b按齿面接触疲劳强度设计 由 d1t2.32(kT1(u1)/ du（ZE/ H) 21/3 (4-5) I、 确定公式内的各计算数值 试选载荷系数 Kt=1.3 计算小齿轮传递的转矩。 T=9.55106 P/n4=9.551060.0425/1500=271Nmm （4-6） 由机械设计 205 页表 10-7 选取齿宽系数 d=1 由机械设计 201 页表 10-6 查得材料弹性影响系数 ZE=189.8MPa1/2 由机械设计 209 页图 10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim1=750 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim2=700MPa。 由机械设计 206 页式 1013 计算应循环，计算应力循环次数。 N1=60n1jLh=6015001183008=2.88107 （4-7） 因为传动比：i=2 N2=N1/2=1.44107 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 16 页 共 46 页 由机械设计 207 页图 10-19 取接触疲劳寿命系数 KHN1=0.94;KHN2=0.98; 计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为 1，安全系数 S=1，由机械设计 205 页式（1012）得 H1=Hlim1KHN1/S=7500.94/1.0Mpa =705Mpa H2=Hlim2 KHN2/S=7000.98/1.0Mpa =686Mpa II、计算 试算小齿轮分度圆直径 d1t,代入H中较小的值。 d1td12.32(ktT1(u+1) /du (ZE/H)21/3 =2.321.3271(2+1)(189.82/686)2 1/3mm=10mm 计算圆周速度 v. V=d1tn1/(601000)=101500/(601000)=0.8m/s 计算齿宽 b b= dd1t=10mm 计算齿宽与齿高之比 b/h. 模数 mt= d1t /z1 =10/20=0.5mm 齿高 h=2.25mt=2.250.5=1.125mm b/h=10/1.125=8.9 计算载荷系数。 根据 v=0.8m/s, 5 级精度，由机械设计 194 页图 108 查得动载系数 KV=1.03 根据机械设计课本 P195 表 10-3 直齿轮，KH=KF=1; 由机械设计 193 页表 102 查得使用系数 KA=1； 由机械设计表 104 用插值法查得 5 级精度、小齿轮相对支承对称布置时 KH=1.30 由 b/h=8, KH=1.30,查机械设计 198 页图 1013 得 KF=1.26;故载荷系 数： K=KAKV KHKH=11.031.301.26=1.687 （4-8） 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（1010a）得 （4-9） 3 3 11 1.687 1010.91 1.3 t t K ddmm K 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 17 页 共 46 页 计算模数 m m =d1/z1=10.91/20=0.55 （4-10） c.按齿根弯曲强度设计 由机械设计 201 页式 10-5 得弯曲强度的设计公式为： （4-11） 2 3 2 FaSa F KT Y Y m 确定公式内的各计算数值 由机械设计 208 页图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 FE1=450Mpa；大齿轮的弯曲强度极限 FE2=420Mpa。 由机械设计 206 页图 10-18 取弯曲疲劳寿命系数 KFN1=0.9，KFN2=0.94 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全疲劳系数 S=1.4,由机械设计 205 页式（10-12）得： 11 1 0.49 289.3 1.4 50 F NFE F K Mpa S 22 2 0.94 282 1.4 420 F NFE F K Mpa S 计算载荷系数 K K=KAKVKFKF=11.0311.26=1.30 （4-12） 查得齿形系数 由机械设计 200 页表 10-5 查得 YFa1=2.80 YFa2=2.40 查得应力校正系数 由机械设计 200 页表 10-5 查得 Ysa1=1.55 Ysa2=1.68 计算大小齿轮的并加以比较。 FaSa F Y Y 11 2 2.8 2.4 0.02323 289.3 FaSa F YY 22 2 2.4 1.6 0.0143 282 8 FaSa F YY 小齿轮的数值较大 设计计算 （21.302710.02323/1400）/3=0.041 m 对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强 度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载 能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与 齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数 0.041,并就近圆整为标 准值 m=0.5,按接触强度算得的分度圆直径 d1=10.91mm,算出小齿轮齿数 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 18 页 共 46 页 z1=d1/m=10.91/0.5=20 大齿轮齿数:z2=220=40 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲 疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。 d几何尺寸计算 计算分度圆直径 d1=z1m=10mm d2=z2m=20mm 为了方便设计，最后取 d1=20 mm， d2=40mm 计算中心距 a=(d1+d2)/2=30mm 计算齿轮宽度 b= dd1=110mm=10mm 实际设计时我们最后取 B1=B2=12mm e结构设计及绘制齿轮零件图如图 4-5 所示： 图 4-5 大小齿轮结构图 f齿轮传动的润滑方式的选择 开式及半开式齿轮传动，或速度较低的闭式齿轮传动，通常用人工周期性加油润 滑，所用润滑剂为润滑油或润滑脂。 本次设计因为减速部分的齿轮箱体并不完全是密闭的，所以使用钙钠基润滑脂作 为润滑剂，其适用于 80-1000C，有水分或较潮湿的环境中工作的齿轮传动，但不适于 低温工作情况，所以满足设计产品的使用要求。 4.3 后轮驱动轴的结构设计与校核 后轮驱动轴连接两个后轮，是减速部分的最后执行机构，是主要的承重轴，所以 要求它有很高的强度和抗弯、抗扭性能。同时，根据设计要求，机器人有重量限制， 因此选用硬质铝合金作为驱动轴的材料，其结构图如图 4-6 所示。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 19 页 共 46 页 图 4-6 后轮驱动轴 I求输出轴上的功率 P3和转矩 T3 设取每级齿轮传动的效率 =0.97,则 P3=P2=500.972=47.05W 前面我们已知：n3=375r/min，所以： T3=955047.05/375N.mm=1198N.mm II. 求作用在齿轮上的力 因已知低速级大齿轮的分度圆直径为 d2=40mm 而 （4-13） 3 2 22 60 1198 40 t T FN d Fr= Fttan200=600.325=19.5N （4-14） Fn= Ft/cos200=60N/0.95=63N （4-15） 圆周力 Ft，径向力，及轴向力的方向如图 4-7 所示： 图 4-7 齿轮受力示意图 查资料得： T=45MPa 因此，轴的最小直径是 根据设计的需要，最后我们取 d=4.5mm III.确定各段轴的直径和长度 在能够满足强度和刚度要求的同时，为了满足与其他各部分零件的装配需要，以 及轴的加工工艺的要求，机器人后轮驱动轴的整体尺寸设计如开始的图 4-3-1 所示。 IV驱动轴的较核 按抗扭强度条件来进行轴的强度校核 （4-16） 39 4.51 1.198 3545 0.20 TT T T MPaMpa W 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 20 页 共 46 页 按弯矩转矩合成条件校核的强度 画出力学模型简图。因为清洁机器人的吸附力为 100N，主要承重在驱动轮上， 所以取极限情况进行计算。轴的受力分析如图 4-8 所示： 图 4-8 力学模型简图 清洁机器人在工作时，受到的最大吸附力为 100N，所以每个轮子受到的支持力为 F=F吸/4=25N 轴受到齿轮的径向力为 Fr= Fttan200=600.325=19.5N 支反力为 F=(F+Fr)/2=22.25N 作出弯矩图和转矩图。 图 4-9 弯矩图和转矩图 驱动轴弯矩和转矩分析如图 4-9 所示,由图可以明显看出，驱动轴的危险截面是在 安装齿轮的轴截面上，这里所受的弯矩和转矩都是最大的。 其中，危险截面的弯矩为： M=FL=22.2570.5=1568.6mN.m 转矩为 T=u F吸D/4=0.21000.07/4=0.35N.m 轴所承受的最大的输出转矩是由电动机提供的最大转矩来决定的，本机器人采用 的是博山电机的 90SZ01，电机的最大转矩为 0.323N.m,减速比为 4，因此电动机最大 的输出转矩为 1.292N. m,所以取 T=1.292N.m。 校核轴的强度 轴的抗弯截面系数为 (4-17) 3 3 3 3.144 9 32 .5 32 d Wmm 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 21 页 共 46 页 所以轴的计算应力 （4-18） 2222 ()