家用轿车洗车机器人操作臂设计【原创】（全套含CAD图纸）
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外文翻译资料 1 机电一体化技术及其应用研究 1 机电一体化技术发展 机电一体化是机械、微、控制、机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。 字化 微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。 数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。 能化 即要求机电产品有一定的智能 ,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在 控机床上增加人机对话功能，设置智能 I/O 接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。 块化 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而 有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。 络化 由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化 方向发展。 性化 机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在外文翻译资料 2 色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。 型化 微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(称 指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制 电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自 1986 年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针， 1988 年美国加州大学 校研制出第一个微电机以来，国内外在艺、材料以及微观机理方面取得了很大进展，开发出各种 件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器），各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）。 成化 集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程 中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。 源化 是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。 色化 技术的发展给人们的生活 带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。所以，人们呼唤保护环境，回归，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。 2 机电一体化技术在钢铁中应用 在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理机为核心，把微机、工控机、数外文翻译资料 3 据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来，采用组装合并方式，为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件，增强系统控制精度、质量和可靠性。机电一体化技术在钢铁企业中主要应用于以下几个方面： 能化控制技术 (由于钢铁具有大型化、高速化和连续化的特点，传统的控制技术遇到了难以克服的困难，因此非常有必要采用智能控制技术。智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经等，智能控制技术广泛于钢铁的产品设计、生产、控制、设备与产品质量 诊断等各个方面，如高炉控制系统、电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢 连铸 轧钢综合调度系统、冷连轧等。 布式控制系统 ( 分布式控制系统采用一台中央机指挥若干台面向控制的现场测控计算机和智能控制单元。分布式控制系统可以是两级的、三级的或更多级的。利用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。随着测控技术的，分布式控制系统的功能越来越多。不仅可以实现生产过程控制，而且还可以实现在线最优化、生产过程实时调度、生产计划统计管理功能，成为一种测、控、管一体化的综合系统。 有特 点控制功能多样化、操作简便、系统可以扩展、维护方便、可靠性高等特点。 监视集中控制分散，故障面小，而且系统具有连锁保护功能，采用了系统故障人工手动控制操作措施，使系统可靠性高。分布式控制系统与集中型控制系统相比，其功能更强，具有更高的安全性。是当前大型机电一体化系统的主要潮流。 放式控制系统 (开放控制系统 (计算机技术发展所引出的新的结构体系概念。“开放”意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家 产品的兼容和互换，且资源共享。开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。 算机集成制造系统 (钢铁企业的 将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控外文翻译资料 4 制。目前钢铁企业已基本实现了过程自动化，但这种“自动化孤岛”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应钢铁生产的要求。 未来钢铁企业竞争的焦点是多品种、小批量生产，质优价廉，及时交货。为了提高生产率、节能降耗、减少人员及现有库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，关键就是加强管理，获取必须的效益，提高了企业的竞争力。美国、日本等一些大型钢铁企业在 20 世纪 80 年代已广泛实现 。 场总线技术 ( 现场总线技术 ( 连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。采用现场总线技术取代现行的信号传输技术 (如 4 20 C 直 流传输 )就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进行双向传送。通过现场总线连接可省去 66%或更多的现场信号连接导线。现场总线的引入导致变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表，如智能变送器、智能执行器、现场总线化检测仪表、现场总线化 现场就地控制站等的发展。 流传动技术 传动技术在钢铁工业中起作至关重要的作用。随着电力技术和微电子技术的发展，交流调速技术的发展非常迅速。由于 交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动，数字技术的发展，使复杂的矢量控制技术实用化得以实现，交流调速系统的调速性能已达到和超过直流调速水平。现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速。交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。 外文资料翻译 1 n is on of of of a of a of of as NC of as of a of it is to in NC / O of as of up a As of of a is a If is to of 文资料翻译 2 as in we As of of is of to AN a to a as of so in be of of be no 1.5 of is to of is in to it so on of or a to as is of 1.6 is a in to to be by is of or 986 1988 at at of as . 外文资料翻译 3 a of of of in at In to of a be to of at be to 1.8 to as As on be to a of of in s in at of of in of is of In of be in of is to of is at of of 2 in of in In of at of as by of a 文资料翻译 4 in in in As a of it is to in as a of a be or to on of be of be as a of be is of is to a of Is of 外文资料翻译 5 is of by a of in be of so to to to is be to of to of of of of of is of of of In to of is to to of of in 980s is in of in to 0 C 外文资料翻译 6 it in in on be 6% or to of CS of as C in a of C C to of in C C of to AC C or be to or AC in of as a to 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 1 摘 要 本文以家用轿车洗车机械化为背景，设计小型化的移动式洗车机械操作臂，使该工作臂能够代替人工实现家用轿车的简单清洗，为人们日常生活提供方便，并节省一定的洗车开支。 本文介绍了对目前已有的洗车设备、方法的调研情况，在了解常用洗车设备的基础上进行了洗车机械操作臂的运动方案设计和机械结构设计，完成了机械操作臂的二维平面图。 本文设计的机械操作臂具有四个运动自由度，文中对每个自由度进行了结构设计，并简单估算了驱动功率，完成部分关节的驱动选型，并对关键部位强度进行校核，以保证操作臂工作的可靠性。 本文 最后提出了操作臂的洗车刷选择和供水附件的大略设计方案和操作臂的控制策略，为今后操作臂的最终完成提出了可能的方案。 关键词 ：洗车，机械操作臂，运动，设计 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 2 on of as of s in on of d In of of of on of of of of to of of of 买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 3 目 录 摘 要 . 1 . 2 论 . 6 题研究的背景和意义 . 6 题的背景 . 6 务型机器人 . 6 务型机器人产品的市场前景 . 8 车拥有量的增加 . 8 内外的研究现状 . 9 内的研究状况 . 9 外的研究状况 . 10 . 12 作方案 . 12 器人操作臂介绍及常用形式 . 12 案设计 . 13 . 15 械臂常用驱动比较 . 15 机驱动类型的选择 . 16 动方式 . 16 . 17 作臂结构 . 17 部结构 . 17 部结构 . 19 . 22 件设计的一般要求 . 22 件材料的选择 . 22 计计算部分 . 23 关节部分 . 23 仰关节设计计算 . 24 缩臂计算 . 28 直升降传动计算 . 30 结 论 . 32 参考文献 . 34 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 4 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 5 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 6 题研究的背景和意义 题的背景 随着经济的快速发展，家用轿车已经越来越多地为家庭所拥有，据统计， 2007年底，我国私人汽车拥有量已超过 1500万辆，与此同时，与汽车相关的需求也在激增，比如洗车设备。轿车每次用都会在表面积一层灰尘，不仅影响美观，还会对车漆造成伤害，因此对轿车表面的清洁工作很重要。 通常，较少进行日常简单清洁的轿车每周要洗一到两次，每次洗车的费用在 10元左右（不含上光打蜡）。轿车日常的简单清洁大多由车主人工完成， 费时费力，因此我们要设计一种能够代替人进行轿车的日常清洁工作的服务型机器人操作臂。 从第一台工业机器人问世到现在的四十多年中，机器人技术得到了迅速的发展。机器人具有高度的可靠性、灵活性、快速的反应能力以及巨大的信息储存和处理能力，能够不知疲倦的从事艰苦繁重的劳动，不受环境和情绪的干扰，能够进行无尘无菌操作，能够在人类难以生存的水下、太空以及剧毒等危险环境中工作，因此在工业、农业、军事的各个方面，机器人都得到广泛的应用，并发挥了重大的作用。虽然没有在工业中应用广泛，机器人在日常服务方面也有一定的应用，比如用于 助残方面的机器人，用于家庭日常打扫的机器人等。虽然现在应用较少，但随着科技发展和人类对生活水平要求的不断提高，服务型机器人的研究也必将得到更多的重视。 务型机器人 服务型机器人专指在人们的日常生活、工作、休闲等领域里，为人们提供各种便利服务的机器人。工作领域包括在家庭中从事各种家务劳动、看家护院防盗防灾、监管家用电器设备、照顾老人与儿童；帮助收发文件、传递信息、网络服务、接待客人；代替护理人员为病人送食物和药品、照顾残疾人日常起居活动；在博览会、展厅、游览区、公共场所提供交互式咨询服务、展示宣传 、表演活动等；提供精神安慰、休闲娱乐、文化教育等等。虽然服务型机器人属于较晚发展起来的是一类的机器人，但由于它们直接应用于普通大众活动的区域，可以为人们提供很大的方便，因此这类机器人拥有很大的发展潜力。本设计中的机器人即属于服务类型的机器人。 服务型机器人产品技术含量尤其是在智能方面要求较高，其产品往往代表了一个公司甚至一个国家的最高科技水平，国内外一直处于研发状态，直到二十世纪末才逐渐有公司正式推出限量生产的产品。其代表性产品如下： （ 1） 宠物机器人 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 7 1999 年日本索尼 (司首次推出家用电子 宠物机器狗 它 拥有一定的自我学习及成长本能。它会像真狗一样做出各种有趣的动作，如摆尾、打滚 它也能懂得分辨对它的称呼和责备。主人和它相处一定时间后，它会记得主人的声音、动作、容貌。并且随着时间的增长，面对不同的生活环境 以发展出不同的个性。主人还可以通过计算机编程为它设计一些新的动作，如挠痒解闷、摇尾乞怜、打滚撒娇等等，具有很强的娱乐性，因此尽管价格不菲，却极受欢迎，刚一上市，就迅速被抢购一空。 （ 2）双足步行人型机器人 双足步行机器人最成熟的技术在日本，例如本田、索尼等公司都有很成熟的双 足步行机器人产品。 本田公司于 2000年推出两脚站立行走式类人机器人 “ 通过引进智能实时自在步行（ i术， 以完成转换方向时的连续动作，确保能够象人一样自如行走。 出之后，很快就成了机器人明星，同时也成了日本最先进机器人技术的代表。 同样的， 索尼公司的机器人“ 整合了索尼所有高科技技术的精髓，如电子操控、精密的电子机械、感应式仪器及操控软件等。由于安装了多种传动感知系统，再加上记忆与学习的行为控制软件与灵活的机械装置，精巧的 仅可以表现多 样化丰富的表演，如跳舞、唱歌等，更可以调整步行姿势以适应各种路面。透过纪录人的声音与脸部特征， 具有对人的辨识能力，得以与人类进行更丰富的交流。 003年 9月成为索尼全球亲善大使。 （ 3）家务清扫机器人 2002 年 9 月，由美国麻省理工学院人工智能实验室研发，美国 司生产的家用智能吸尘器机器人 世，标志家务用途的机器人首次市场化。并被时代周刊评为 2002 年度全球最佳发明。吸尘机器人又称或清洁机器人或自动吸尘器或智能吸尘器，它是目前家用电器领域最具挑战性 的热门研发课题。日本松下、韩国三星、 典伊莱克斯、荷兰飞利浦、美国 湾联腾电子等公司也均在此领域积极开发研制，并试制了一些样品或小批量产品。如果说玩具等产品并不真正属于“服务”，而吸尘器机器人则是一款可以完成日常清扫家务的机器人。 （ 4）国产机器人产品 香港 具公司 2004 年推出了倍受欢迎的玩具机器人 个玩具是由美国国家航空宇航局 (学家马克 特尔顿 (士利用物学、电子 学、美学、机械学）原理与技术设计的一款高级玩具。 有 67 种预编功能 : 拾东西 , 投掷 , 踢皮球 , 跳舞 , 功夫等 ; 3 种示范模式， 远程全购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 8 功能外部编程扩展 : 有将近 84 种可编步态。性能优越但价格低廉，只有 100 美元 ,相当于人民币 890 元。 我国目前在服务型机器人领域仍处于研发状态，大多数产品由大专院校的科研机构进行研发，成熟的量产化产品较少，多数是一些教育类产品。还有一部分限量的产品在特定的场合应用，如海尔哈工大机器人技术有限公司的智能导游服务机器人，经常在一些国内外的展览会 上露面。 务型机器人产品的市场前景 机器人产业发展的最初动力是现代工业对生产制造过程自动化的需求，因此工业机器人的市场前景一直看好。但据 2003 年联合国欧洲经济委员会 (报告预测，未来几年内需求增长速度最快的将会是服务型机器人，而不是工业机器人。服务型家用机器人将赶上工业机器人的市场份额。联合国 2004 年 10 月 20 日公布的世界机器人技术年度调查报告也预报说，服务型家用机器人的数量将在未来 3 年间迅速增长 7 倍。未来的数字家庭中，机器人将是主宰者。相关分析人士指出，随着技术进步以及市场空间的扩大，机器人的价格也将像 品一样迅速下降。将来，一台拥有较高智能的机器人的价格将控制在 2万到 3万美元之间。一台较低智能的机器人价格将控制在几千至几百美元。成本大幅下降将有助于机器人产品的普及与推广，将来，家用及民用机器人的上市数量会超过制造业用机器人。 已经有越来越多的大企业把目光投注到服务机器人上，并制定了一系列长期的产品开发战略规划，产品内容包括从提供家庭日常服务的机器人到机器人玩具。尤其是玩具机器人，因为技术起点相对较低，目前已成为诸多大的生产厂家的追逐热点。 车拥有量 的增加 随着经济的快速发展，家用轿车已经越来越多地为家庭所拥有，据统计， 2007年底，我国私人汽车拥有量已超过 1500万辆，与此同时，与汽车相关的需求也在激增，比如洗车设备。轿车每次用都会在表面积一层灰尘，不仅影响美观，还会对车漆造成伤害，因此对轿车表面的清洁工作很重要。通常，较少进行日常简单清洁的轿车每周要洗一到两次，每次洗车的费用在 10元左右（不含上光打蜡）。轿车日常的简单清洁大多由车主人工完成，费时费力，因此我们要设计一种能够代替人进行轿车的日常清洁工作的服务型机器人操作臂。 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 9 内外的研究现状 内的研究状况 （ 1）高压水枪洗车 :高压水枪洗车是先用高压水枪喷洒水雾润湿车身，再用高压射流清洗车身然后用清洗液清洗，最后用高压射流清洗干净，用麂皮将水吸千。高压水枪清洗速度快、效果好；劣质洗涤灵会降低车漆的亮度；洗后用毛巾多次擦拭会使车身增加划痕。 （ 2）蒸汽洗车：蒸汽洗车是将水加热成蒸汽后，用蒸汽来消洗汽车。其具有节水、节能的特点。但由于设备质量问题，存在安全性不高，极易产生污水造成污染，洗车效果和效率差的缺点 。 （ 3）无水洗车：无水洗车是先用掸子掸去车身表面浮土，再用无水洗车液进行汽车清洗 的一种新型环保洗车方式。它具有节约水资源，绿色环保等优点，受到政府的扶持，但是，对于较脏车辆以及汽车底盘等部位，无水洗车不能满足要求，因此它并不能完全替代有水洗车。 （ 4） 无刷毛自动洗车机：采用高速水刀喷出的高压力水雾从上往下清洗汽车，灰尘冲掉后，自动泡沫喷头喷淋，然后用高压清水进行清洗。 某自动洗车机结构如下，包括高压喷头、机械清洗机构、吹干机构，其中，清洗机构包括一个顶刷，两个大侧刷，两个小侧刷，如图： 图 动洗车机构 洗车时，首先汽车停靠到位，由高压喷头喷水冲掉汽车表 面泥沙，再由组成清洗机构的五个刷子围绕汽车运动进行清洗、打蜡，然后由吹干机构将汽车表面吹干。这样的大型机构洗车时确实有很好的效果，但是用于个人洗车设备却很不适宜。首先在水、电等资源方面会有很大的消耗，另外，其体积（通常 3m*3m*3m，轨道 10米，隧道式更大），价格（几万到十几万间）也让个人很难接受。 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 10 外的研究状况 适合个人使用的小型自动洗车设备的研究方面较少，具有代表性的为日本人平松正彦的一项专利，其结构（主视图和俯视图）如图 1 图 1松正彦的专利（主视图） 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 11 图 1松正彦的专利（俯视图） 该洗车装置主要包括洗车刷 1、底盘 3、支撑架 6及底盘上的设备（水箱、发电机、控制器等） 4。 首先，洗车刷可以拆卸，安装在刷轴上，由电机 7带动其转动，实现洗车动作。底盘上安装有两个驱动轮及相应的两个驱动电机和四个万向轮。支撑架上安装喷水管2、导轮 5和照明装置、力传感器。控制部分、水箱、泵、发电机等安装在底盘上洗车刷后面。 进行汽车清洗时，喷水管向车身喷水、洗车刷与车表面接触并转动洗去车表面灰尘等，同时，力传感器检测洗车刷和汽车间的压力，由力传感器检测出的压力值来控制转向单元 ，当该检测值大于预先设定的允许范围时，使洗车机向远离车身外周面的离开方向行驶，而当该检测值小于预先设定的允许范围时，使洗车机向接近该车身外周面的接近方向行驶。洗车设备围绕汽车行驶一周后完成车侧表面的清洗。但该设备的局限性在于它只有清洗侧面的立刷，不能对车顶部进行清洗，并不能完全代替人对汽车进行较全面的清洗。 因此我们要设计一种可以代替人进行日常汽车清洗工作的机械操作臂。 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 12 作方案 器人操作臂介绍及常用形式 机器人操作臂的设计涉及了力学、控制 、计算机科学和电子工程等多个学科，其结构一般是由一系列连杆由旋转关节或移动关节相连接的具有一定自由度数的开式运动链，一端固定在支座上，另一端自由，安装手爪、工具等以实现各种操作。操作臂的自由度数按照不同的适用场合不同，一般工业机器人操作臂的自由度数在 6个以下，高自由度数的机器人具有冗余度，一般用于假肢或特殊场合，其价格也相应更高。 按照对手臂机构的坐标描述方式，机器人操作臂通常分为直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型和多关节型，如图： 图 2构类型 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 13 案设计 在本设计中，操作臂搭载在一个可 移动平台上，和可移动平台组成移动机械操作臂系统，这样的结构使得操作臂拥有几乎无限大的工作空间和很高的冗余度，同时拥有移动和操作功能，因此，对于操作臂结构而言，采用上述任何一种坐标方式，只要设置得当，都可以使操作臂末梢达到汽车表面需要清洗的每个地方。 根据洗车的需要分析，初步拟定了如下几种动作方案： 首先考虑洗车动作，洗车刷与汽车表面产生相对运动擦除灰尘，可以用 1、模仿人手擦车动作，用摆动关节实现； 2、仿照大型电脑洗车，用圆柱形洗车刷的旋转运动实现相对运动。使用摆动式洗车结构，因为汽车表面不在同一个平面内，比 如顶面、车前挡风玻璃面、侧面，要在这几个不同的面内实现摆动式擦车，其机构相对要复杂得多。因此采用旋转刷洗车的结构。 方案 1采用双臂结构，两个洗车刷装在两个腕关节处，腕关节旋转自由度实现洗车运动。双臂中一臂固定在移动小车上，侧刷竖直，高度比汽车车身稍高，用于完成汽车侧面清洗，另一臂水平，有竖直方向上的移动自由度，完成车顶的清洗，如图： 图 2案一结构图 该方案相当于保留大型龙门式洗车的一个侧刷和半个顶刷，将汽车的待清洗表面当作一个较规则的长方体表面，虽然体积有了 一定减小，但整体尺寸依然很大，而且其洗车特点接近大型洗车机器，难以照顾到汽车的弧形不规则表面等细微之处。 方案 2有一个腕关节旋转自由度为刷子的刷洗动作，一个竖直方向上的移动自由度和臂上一个关节的旋转自由度使刷子能够到达汽车表面各处，如图 : 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 14 图 2案二结构图 这个方案与前一个相比体积有所减小，但机构采用的洗车刷要接近一米长，仍然很大，同样难以达到汽车表面的弧形部分，即使采用较软的洗车刷，利用刷变形来勉强与汽车表面曲线贴合，也会产生刷车的摩擦力不均匀的问题。 方案 3是在方案 2的基础上加一个水平方向 的移动自由度，这样可以选择较小的洗车刷，用臂的伸缩刷车的不同部位。虽然其结构与前两个相比更显得复杂，重量也有所增加，但换来的是更多的自由度，操作臂的灵活性得到极大的提高，可以使执行末端更容易地适应汽车的曲面外形。 图 2案三结构图 因此，最终我们选择方案 3，刷洗过程为：首先由俯仰关节将刷面调整到水平方向，并可以作微小调整，使刷面与汽车的弧形顶面更好地贴合，竖直方向的移动副将刷子升到车顶高度，移动平台绕汽车车身行走，同时伸缩关节调整刷的水平位置，完成车顶的刷洗，过程中可以选择喷水或不喷水；刷洗车侧 面时，将刷面调整为竖直方向，并使刷子与车侧面贴合，同样绕车行驶，并配合升降机构完成侧面刷洗。 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 15 动方式 驱动机构作为机器工作的动力来源，通常是将其它种能源 比如电能、化学能等 转化成机械能，是任何一种机器都必不可少的，常见的形式包括水轮机、液压马达、电动机、内燃机等。 械臂常用驱动比较 机械臂常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电机驱动等不同方式，他们有各自的特点，但在机器人中都有很广泛的应用，前两种主要用于工业机器人，有些机器人甚至同时采用多种驱动方式。他们的特点如下： 液压驱动特点 ： （ 1）驱动力及驱动力矩大，在产生相同驱动力的条件下，液压驱动体积小、重量轻、惯性小； （ 2）速度反应性好，调速范围大，而且可以无级调速； （ 3）传动平稳，能吸收冲击，可平稳的实现较频繁的换向； （ 4）定位精度较高； （ 5）油液泄漏、混入气体、温度变化等都会对系统传动性能、定位精度产生影响。 液压驱动常用于低速重载的情况。 气压驱动特点： （ 1）压缩空气可直接从大气中吸取，动力源获取方便、廉价； （ 2）动作速度更快，可实现无级调速； （ 3）与液压传动相比，管路压力损失小，适于长距离传输； （ 4）空气压缩性 较大，因此气压系统运动平稳性及定位精度都较差； （ 5）结构体积大，噪声大 气压驱动系统常用于高速、低负载和工作条件较恶劣的场合。 电机驱动： （ 1）避免将电能转换成压力的中间环节，效率更高； （ 2）电机系统的体积最小； （ 3）电机系统的可靠性高、位置精度控制十分精确； （ 4）与气压液压系统相比，电机系统维护更方便。 通过上述比较，可以看出，液压及气压系统组成的机构的繁琐、维护不便对于本设计中的移动操作臂来说是一个无法实现的问题，另外从位置控制精度角度考虑，电购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 16 机也是更好的选择，因此最终选用电机作为驱动系统。 机驱动类型的选择 电机的类型按使用电源分有交流电机、直流电机。使用交流电机必然会有电源线，对于移动机器操作臂来说，带着长长的电源线移动不仅不方便、移动距离受限制，在遇到物体时还难免会有电源线缠绕、交叉等问题，因此难以实现，只能采用直流电机系统，用同样搭载于移动平台上的电池作为电源。 直流电机系统有普通直流电机、步进电机、直流伺服电机等形式，它们的价格依次升高，但相应的，其控制精度，输出力矩等性能也有很大提高，步进电机和伺服电机都能达到很高的控制精度要求。对于本设计而言，伺服电机的成本过高，因此采 用普通直流电机和步进电机。 按照前文选定的方案，该机械操作臂共有手部关节、腕关节、伸缩关节和竖直升降的关节四个自由度，即需要四个电机驱动，其中手部关节带动洗车刷连续转动工作，不需要位置精度控制，只要能够输出不同的转速即可，因此可以采用普通直流减速电机，另外三个关节需要控制速度的同时还要求较高的位置精度控制，因此都使用步进电机，必要的地方用齿轮或者加减速箱以增大扭矩。 各个关节的具体电机功率计算和选型在下一章中介绍。 动方式 传动方式是实现能量传递和改变运动方式的一类装置，其主要作用是实现能量的分配与 传递和运动形式或运动速度的改变。机械传动有啮合传动、摩擦传动和流体传动三大类，在本设计中可能采用的具体传动方式包括带传动、链传动、齿轮传动、螺旋传动，下面对这几种传动方式进行比较并为各个关节选择传动方式。 带传动：带传动通常由主动带轮、从动带轮和张紧在两轮上的传动带组成，当主动轮转动时，依靠带与带轮间的摩擦力（平带或者 者带与带轮间的啮合（齿形带）拖动从动轮转动。带传动结构简单，传动平稳，缓冲吸振，能实现较大间距的轴间的动力传递，但其传动效率不高，平带还存在打滑、传动比不精确的问题，但齿形带已经解决 了大部分缺点。 齿轮传动：齿轮传动是机械结构中使用最为广泛的，其传动效率是常用机械传动中效率最高的，而且结构紧凑，具有不变的瞬时传动比。在正确安装，良好润滑的和正常维护的条件下，其工作可靠性、使用寿命、传动精确性也是其它机械传动难以比拟的。但其制造及安装精度要求较高，价格较贵，而且通常的齿轮传动采用闭式传动，需要良好的保养维护，因此使用齿轮的成本较高，而且齿轮传动只适用于轴间距较短购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 17 的轴间动力传递。 链传动：链传动与带传动近似，由链条、主动链轮和从动链轮组成。链传动与平带相比具有传动精确、效率高、不需要大的张 紧力等优点，而且载荷能力比带传动大得多。但其传动精度低于同步带轮，与齿轮相比具有制造安装要求低的优点，但其传动不平稳，有较大噪声、冲击，而且瞬时传动比不同，磨损后容易发生跳齿现象，主要在要求工作可靠，负载大，轴距较远，工作环境差的条件下。 螺旋传动：由螺杆及螺母组成，利用螺杆与螺母的相对运动将旋转运动转化为直线运动。螺旋传动具有传动平稳，精度高，结构简单紧凑，具有増力作用，降速传动比大，能够自锁，可以产生较大轴向负载等优点。但是对于滑动螺旋传动，由于工作面间是滑动摩擦，使其工作效率低，磨损快，不适宜用作高 速和大功率传递。 作臂结构 对机器的设计而言，首先事先预定的使用功能是最基本的要求，然后再考虑性能、使用方便性、工作可靠性、小体积、高效率、美观的外形等一系列问题。对机器经济性方面，应该在设计的过程中进行全面的综合的考虑，尽量用最低的成本设计出能够实现预期功能的机器。这就要求合理地设计机器的各个部分的结构。 通常，机械臂有手部、腕部等多个关节结构，本设计中的机械臂为专用机械臂，其手部结构为一洗车刷，不需要增加额外的夹持自由度，因此机械臂有腕部的旋转、俯仰，以及臂的水平和竖直方向上的两 个直线运动组成。 部结构 （ 1）腕部转动结构 腕部的转动自由度部分结构直接与洗车刷相连接，其作用是使洗车刷转动实现洗车的动作，其运动形式是绕洗车刷的刷轴的旋转运动。一个最简单的就是将电机轴直接与刷轴相连，带动刷旋转。其结构的主要零部件包括轴承、电机、外壳、轴承座、电机座以及相应的连接件等。腕部的结构如图示： 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 18 图 3部结构图 图中未画出螺栓等连接紧固件。 （ 2）腕部俯仰关节结构 俯仰关节结构属于腕部的另一个自由度，它的作用是在臂部运动的基础上进一步改变或调整末端执行器的空间位置，扩大机械臂 工作范围，使机械臂更为灵巧。在本例中，俯仰关节的具体作用是让洗车刷工作面在洗车顶和车侧面时分别定位于水平、竖直平面内，并且让刷面能够作小角度的调整以适应车身的弧面。 俯仰关节的结构如下图所示，其摆动自由度的摆动范围超过 180，完全能够满足工作的需要。另外，出于美观及协调考虑，将电机置于操作臂内部，电机轴线与俯仰的转动轴垂直，要求传动空间垂直的两轴间的转动，可以采用蜗轮蜗杆或者是圆锥齿轮传动。虽然蜗轮蜗杆传动能够实现机构上的自锁，但其传动效率低而且更容易磨损，因此选择直齿圆锥齿轮传动方式。 图 3仰关节结构图 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 19 部结构 手臂部分是机械臂结构的主要结构，它要支撑腕部结构和末端执行器，并带动它们做空间运动，将末端执行器送到需要的工作面上的任意一点，另外，臂部还要承担调整末端姿态的任务，因此，一般臂部需要有伸缩、左右旋转和升降三个自由度。对于洗车机械操作臂而言，因为有移动平台，故左右回转的自由度可以省略，只需要伸缩和升降两个关节。 由于臂部通常受到扭转和弯曲的作用，因此主要要考虑臂部的抗弯和抗扭强度。很显然，在材料相同，截面积和重量近似的情况下，空心结构的抗弯刚度要大得多，因此采用中空的型材能提高抗弯刚度的同时也大大减轻了臂的自重。 （ 1）伸缩自由度 伸缩关节的主体结构采用铝合金方管型材，并且进行镂空去掉部分材料以减轻重量。伸缩关节的作用是使操作臂末端能达到汽车的宽度上每一处，而一般家用轿车宽度约 米，因此，伸缩机构的行程至少要达到车宽的一半即 才能满足工作要求。为了减小收缩时的尺寸，伸缩机构整体采用一级伸缩的结构。其传 动方式采用丝杠螺母的螺旋传动方式，丝杠副的运动方式为丝杠转动螺母移动，螺母通过法兰与分别与伸缩级相连接，带动伸缩级运动。丝杠转动的动力由电机通过带传动提供。伸缩关节的结构如下图： 图 3缩关节结构图 （ 2）升降自由度 竖直方向的升降自由度作用是使洗车刷能够达到从车顶部到底部的所有表面，一般家用轿车的高度约 ，底盘高 1020 厘米，根据这一尺寸可以得出竖直方向上的升降行程要达到 以上，取 。升降机构主要包括三个部分：支架，购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 20 导向机构和传动机构。支架为四根型材，型材上有孔 ，将导向机构与支架相连接。导向机构是升降机构中比较重要的结构，若要精度高，最好采用直线导轨，但直线导轨特别是像这样行程很长直线导轨的价格过于昂贵，同时也会增加操作臂的整体重量，因此设计了一种精度稍差的导向机构。升降机构的传动采用同步齿形带传动，升降平台与同步带连接，由同步带带动工作台实现升降动作。 螺旋传动具有传动平稳，精度高，可以产生较大轴向负载等优点。通过比较，选择螺旋传动作为直线运动的实现方式。导向杆与小车焊接在一起。丝杠螺母选择丝杠转动，螺母移动的运动方式，用推力轴承将丝杠一端固定在小车上，丝杠上用键 连接齿轮，用来传动扭矩。螺母上有安装法兰，将工作台通过螺栓与螺母连接在一起上下运动。 本文设计的洗车操作臂的主要动作及相应的结构即为上述四个，操作臂的整体主视图如图所示： 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 21 图 3作臂主视图 购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 22 件设计的一般要求 机械零件是组成机器的最小也是最基本的单元，所有机器最终都是通过一个一个零件设计组装而成的。每一个零件的设计都可能影响机器的使用或者性能、成本等，因此设计零件时首先要满足机器的使用功能要求，在实现功能的同时综合考虑零件生产加工的经济性。 机器在设计完成后都有负载能力 、使用寿命的要求，即在规定的负载下在预期的使用寿命内机器不会出现各种可能的实效，这也是要通过零部件的设计保证的，即要求机器的动力源能够提供足够的功率、力或者力矩，机械零件在强度、刚度、耐磨性等方面满足一定的要求，这样才能保证机器工作的可靠性和使用寿命。 机器的成本同样也是通过零部件的设计来体现，零件的生产制造成本降低必然会带来机器整体成本的下降，因此在设计零部件时要加工工艺性方面多加考虑，包括选择合理的材料、合适的毛坯形式，根据情况选择制定合适的加工精度、表面粗糙度等，并使零件的结构尽量简单、合理、易于加工 装配。另外，能够使用标准化、系列化和通用零件时一定要使用，提高互换性。 件材料的选择 选择合适的零件材料使设计零件时首先要考虑的问题，不同的材料的强度、加工性能、密度、价格等都有非常大的差异，要根据机器的要求具体选择，例如对机器质量有限制时就应该选用密度小的材料。通常机械零件的材料主要是金属，包括黑色金属（钢材）、有色金属（铜、铝等）及其合金，另外，还有部分非金属材料（工程塑料如尼龙 66）等也常用来加工金属零件。他们各自有自己的特点，物理性能有很大差别。例如工程塑料和钢材的密度就可能相差五倍左右。 从材料选择的使用要求、加工性能和经济性、质量限制等方面考虑，合理选择机械臂的零件材料。 操作臂的材料选择主要有机械臂的主体部分，包括支架、导向机构、伸缩机构等、各关节处壳体等尺寸体积较大的零件，各个关节处的传动轴，传动零件如齿轮系、带轮等。 （ 1）大尺寸零件：任务要求设备的总体质量在 20强度满足的情况下应该尽量减少质量，因此选择密度小而强度高的铝合金材料，例如硬铝合金 2造铝合金 6061、 6063 等。他们都有较高的强度， 6061和 6063的可加工性能要好购买后包含有 纸和说明 书 ,咨询 Q 197216396 23 于 2然铝合金比常 用的钢材价格要高，但其密度也要小很多。例如支架，在截面面积接近的情况下，根据 用型钢时每根支撑体的质量是 12样操作臂的总质量就远大于任务要求。相应地，使用铝合金时每根支撑柱的质量只有 4此对于机械臂的主体材料，选择硬铝合金或者锻造铝合金是比较合理的。另外，对于可移动平台，因为要降低重心，使得操作臂行驶时更稳定，应选用铸铁或钢板这样密度大的材料。 （ 2）传动轴：在操作臂中，传动轴是很重要的零件，它们的强度、刚度等性能直接影响操作臂的工作性能。常用传动 轴的材料是碳素钢和合金钢，碳素钢价格低廉，进行热处理后物理性能也较好，应用很广泛。而合金钢的机械性能和热处理性能都更优秀，通常传动大动力并要求减小尺寸时采用。洗车机械操作臂要传递的动力较小，采用碳素钢可以满足设计要求，选择 45钢，并进行热处理。 （ 3）传动件：操作臂中的传动零件主要是齿轮和带轮。对于齿轮而
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