机械毕业设计（论文）-游泳池清刷机器人的结构设计（全套图纸） .doc

xxxxx大学机械工程学院毕业设计说明书设计题目: 游泳池清刷机器人结构设计 学生姓名： xxxx 学 号： xxxxx 专业班级： xxxxx 指导教师： xxxxx xxxx年 xx月xx日47目次1引言42国内外水下清刷机器人的发展状况42.1 国外水下清刷机器人的发展状况42.2国内水下清刷机器人的发展状况63.实地调研74总体技术方案84. 1主要技术性能指标84. 2方案组成及工作原理85 机械本体技术方案分析95.1吸附方式的选择95.2移动方式选择115.3四轮式移动机构的研究125.4电机的选择156清刷机构的设计196.1刷丝的选择196.2游泳池清刷机构的结构设计196.3游泳池清刷机构动力学模型建立217过滤装置设计257.1过滤装置结构设计257.2水泵的选择267.3过滤材料的选择277.4过滤箱288关键零件的设计与校核298.1驱动轴设计298.2从动轴设计328.3带轮轴设计358.4轴承的校核389控制系统方案设计409.1步进电机的工作原理409.2设计方案4010.密封和防腐结构的设计4111总结42致谢44参考资料451引言现代人在解决了温饱之后，自然就会想到如何享受生活，寻找快乐。而游泳是现代人比较喜欢的时尚运动。游泳是在水中运动的体育项目，它有众多大家熟知的好处，经常参加游泳锻炼，不仅能增大呼吸肌的力量，而且能扩大胸部活动的幅度，增大肺的容量，提高呼吸系统的机能。另外，游泳能缓解脊柱受地心引力的压迫，对颈椎、腰椎病人，有缓解和改善、并起到理疗的作用。此外，游泳还有增强心肌功能，增强抵抗力，减肥降脂，健美形体，加强肺部功能等等作用。但是，游泳给大家带来快乐的同时，也带来了麻烦，就是游泳池池底沉淀物处理问题。据调查游泳池水绝大部分是自来水，自来水管道输送过程中，受到管道的污染，另外会所的游泳池大多是露天，每天有大量泳客游泳，皮肤会给水中带来许多细菌和病毒，加之空气中尘埃也容易落入池中，因此游泳池水必须进行净化处理，才能保证泳客身体健康。全套图纸，加153893706为满足广大用户日渐追求享受干净、清洁、健康的游泳乐趣，及符合国际环保标准要求，节约水资源。我们必须游泳池池水进行清洁处理，而传统的清洁方法是日常对游泳池进行打捞，这已经达不到理想的清洁目的，沉淀在池底部的沙尘、垃圾以及各种微生物得不到有效的去除，一定时间内，池内还可能会滋生出各种病菌，影响人们的身体健康，而更换池水的方法不仅每次会浪费数以百计立方米的水资源，还会浪费灌、放池水的时间，不符合经济效益。为此，我们特研究游泳池清刷机器人，可在不用更换池水的情况下，对游泳池池底的沉淀物进行快捷方便的有效处理。2国内外水下清刷机器人的发展状况2.1 国外水下清刷机器人的发展状况清洁机器人是服务机器人的一种，所谓服务机器人是指自主或半自主的、从事非生产活动、能完成有益于人类健康的服务工作的机器人。世界各国尤其是西方发达国家都在致力于研究开发和广泛应用服务机器人。目前，在一些发达国家，对办公室、工厂、车站、机场等场合的清扫已开始采用清洁机器人。随着科学技术的进步和社会的发展，人们希望更多地从繁琐的日常事务中解脱出来，这就使得清洁机器人进入家庭成为可能。如果清洁机器人性价比足够高，那么清洁机器人市场将会被看好。在日本，东日本铁路公司、shinko电器公司和howa工业有限公司联合研制了车站地面清扫机器人，机器人可沿墙壁从任何一个位置自动启动，利用不断旋转的刷子将废弃物扫入自带容器中。该机器人可采用“ 磁导引方式”、“ 示教方式”或“ 墙面复制方式”控制。日本静甲株式会社的清水工厂开发出一种自动清扫机器人，可用于各种工厂的清扫工作，机器人采用光纤陀螺控制机器人的方向，采用编码器和超声波传感器测距，采用光学探测器探测障碍物，机器人的四周装有橡胶垫，橡胶垫内部装有触觉传感器，一旦机器人与人接触，触觉传感器信号会使机器人停下来以保证人的安全。松下和日立公司也研制出了可清扫砖地木质地板和地毯地面的清洁机器人，该机器人采用蓄电池作为动力源，可自动去充电站充电，能够自主避障和路径规划。松下电器产业公司在2002年上半年推出了家庭用清洁机器人的试制机。该机器人可以根据房间的形状、地板状况、垃圾量进行自动清扫，还配备有避开墙壁、炉子等热源以及障碍的安全功能；该机器人配备有50个传感器，可一边自动行走一边进行清扫，工作时首先沿房间四周走一圈，记忆房间形状，然后在避开障碍物的同时开始纵横来回移动，清洁工作完成后会自动停止。该机器人清扫一般的日本式房间约需要9min，相当于人打扫同样大房间所需时间的11.5倍，可清扫房间地板的92%93%；机器人利用光及超声波的测距传感器及感压传感器来避开障碍物，机器人的内置回转传感器用来控制行走姿势以保持既定的行进方向，但在地毯上行走时如果不采取措施则会受到“ 地毯花纹”影响而弯曲前进，因此该公司在机器人中安装了方向舵传感器，可以检测出由于地毯花纹影响而产生的行进方向偏差，因此即使在铺有地毯的地板上也能够直线前进，机器人体内还安装有防止从台阶等高处滚下的落差传感器、感知暖炉等热源的热传感器、检测自身所受外力大小的重量传感器及防滑传感器、检测添加动力的负载传感器，机器人同普通的障碍物最少保持10cm的距离，而在探测到热源时，将会同热源至少保持50cm的距离。欧、美的一些发达国家也对清洁机器人进行了大量的研究和推广。20世纪90年代，美国就推出了地面清洁机器人rob scrub，该机器人配有激光导航系统，采用超声波测距和避障，用光码条实现定位。2002年9月清洁机器人“roomba”在美国面市， “roomba”重约2kg，直径为30英寸，具有高度自主能力，可以游走于房间各家具缝隙间，灵巧地完成清扫工作，据说这是将用于军事的“ 躲避地雷的移动技术”应用到了吸尘器上。roomba的动作有点儿迟缓，但它却能稳定、安全地完成任务。由于能够在完成任务后自动切断电源，所以可以在外出期间让roomba在家进行清扫。2002年10月1日，瑞典的拉克斯电子公司与日本东芝公司共同开发的清洁机器人“ 特里洛巴伊特”上市销售，“ 特里洛巴伊特”主要由清扫机器和超声波传感器构成，在工作时可避开室内摆放的各种家具用品。只要家庭主妇领着它搞过一次清扫后，它便可以按行走过的清扫线路进行自动清扫。这种机器人是充电式的，每一次充电可连续工作1h。瑞典家电制造商伊莱克斯（electrolux）研制生产的清洁机器人小“三叶虫”高13mm，直径35mm，表面光滑，呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一旦微处理器识别出这些障碍物，它可重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被清扫。在楼梯的台阶等一些没有天然障碍物的地方，只要有一条磁铁，小“三叶虫”便不会跨越。小“三叶虫”开始启动后，体内的搜索雷达会探测出距离最近的墙壁，先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽。这样它便能探测出整个房间的格局，计算出清扫整个房间所需的时间。只要一接近一件障碍物，它便会重新设定行进路线，不会漏掉每一个角落。电线或地毯的边缘不会被认作是障碍物。小“三叶虫”的吸刷装置中装有一只专利设计滑轮，可以越过电线或地毯边缘，不被绊住。电源不足时，小“三叶虫”会自动回到充电卡座自行充电。如果此时房间还没有清扫完毕，小“三叶虫”还有记忆功能，充好电后自己回到原处继续吸尘。2.2国内水下清刷机器人的发展状况在国内，哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单位也对清洁机器人进行了大量的研究并取得了一些成果，对清洁机器人相关技术如机器感知、机器人导航和定位与路径规划、机器人控制、电源与电源管理、动力驱动等技术的研究则更多，这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。清洁机器人作为服务机器人的一种，有着巨大的市场潜力和广阔的应用前景，将给人们带来很大的便利和生活的舒适。目前传感器技术的研究发展水平极大地制约了清洁机器人的智能化程度和研究发展水平，昂贵的价格也是影响清洁机器人发展和推广的重要因素（传感器在其中占了很大比例）。事实上，机器人的智能化程度一方面取决于它从外界获取信息量的大小，另一方面取决于它所拥有的专家知识的多少。随着传感器技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、人工智能等相关科学与技术的发展，成本低、功能强、智能化程度高、适应性强、应用广泛的清洁机器人将会很快出现，服务于社会，服务于千家万户，并带来巨大的社会效益和经济效益。3.实地调研2010年3月2日，我来到河南王清熙水处理设备有限公司进行实地调研。河南王清熙水处理设备有限公司是隶属于北京王清熙水处理发展有限公司的高新技术企业，该公司创立于2003年，主要从事游泳池、景观水处理设计及施工，以及本集团公司的专利产品系列水处理设备在河南的销售及售后服务。图（1）为我们调研的游泳池，它是该公司对游客开放的游泳场所，我们向管理员咨询了一些关于日常游泳池池水处理的问题，特别是关于池底沉淀物处理的问题，在交谈中我们得知这个问题一直是该公司所遇到的棘手问题，该公司主要从事水处理设备的生产，所以对于游泳池池水内的细菌、病毒、尘埃等是非常容易处理的，可是对于池底的沉淀物就无能为力了，我在调研过程中可以清楚的看到游泳池池底有大量的毛发、纸屑、杂草及大块颗粒等杂物，这不仅影响游客的身体健康，也会影响该公司的经济效益，而该公司的通常做法是定期放干池水，请工人清刷池底，这样就浪费大量的人力物力，而且也会影响该公司的经济效益。 图（1）河南王清熙水处理设备 图（2）郑州大学西亚斯学院游泳馆有限公司游泳池2010年3月7日，我来到郑州大学西亚斯学院游泳馆进行实地调研。在管理员的引导下我参观这个具有现代化的设施的比赛专用游泳馆，该游泳馆只有在学校大型的运会游泳比赛时才会开放，平时是禁止游泳的，因此，该游泳馆环境优美典雅，干净亮丽。但据管理员说，每当每年学校运动会期间，就是最忙的时候，要保持水的温度、浊度、池水深度等等。最麻烦的是池底的沉淀物，虽然游泳池内安装了比较先进的水处理循环系统，可是一天比赛过后仍有较多沉淀物急待解决。4总体技术方案4. 1主要技术性能指标(1) 吸附方式:推力吸附;(2) 移动方式:轮式;(3) 移动速度:28m/min;(4) 控制方式:有线遥控;(5) 负重能力:不小于200n;(6) 工作壁面:水面以下表面。4. 2方案组成及工作原理游泳池清刷机器人可分为机械本体、清刷作业装置、过滤装置和控制系统四部分,其工作原理为:在游泳池池边上放置有一个可自由移动的运载小车，小车上装有控制箱,通过控制总线，可控制游泳池清刷机器人自动在游泳池池底和四周侧面移动。小车上有控制柜,crt显示器,动力源及卷扬装置。动力源可为水下机器人的移动和清刷作业提供动力,当游泳池清刷机器人清刷四周侧面时，卷扬装置可为机器人的上下移动提供平衡力，并及时地收放保护缆绳,为机器人提供安全保障条件,同时为机器人输送动力和控制电缆。显示器通过安装在机器人本体上的摄像机,实时地显示机器人的工作环境,便于操作者掌握机器人的工作状态。机器人从运载小车爬下游泳池,先按从上至下的路径移动,当到达游泳池池底时,机器人向前运动,然后向后移动，走“之”字形。过滤装置为水泵和过滤箱组成，水泵将过滤的清水抽出，使箱内产生负压将池内的浊水引入过滤箱内，同时水泵向清刷机器人移动平面垂直的方向喷水，因此具有反冲力，使机器人紧压在移动平面上。清洗刷具由一个电机单独驱动做逆向旋转运动,机器人边移动边清刷,如此往复,完成清刷工作，其总体系统框图如图（3）所示。 图（3）游泳池清刷机器人总体系统框图总装图如图（4）所示：图（4）游泳池清刷机器人总装图5 机械本体技术方案分析5.1吸附方式的选择壁面移动机器人按吸附功能来分有真空吸附、磁吸附和推力吸附三类。真空吸附法有单吸盘和多吸盘两种。它是通过真空泵装置,使吸盘内腔产生负压或由喷射器经喷嘴将压缩空气喷出,在其周围形成真空,使机器人吸附在壁面上。它不受壁面材料的限制,但当壁面凹凸不平时,吸盘容易漏气,降低了吸附力和承载力，而且在水下真空吸附实现较困难。磁吸附法分永磁体和电磁体两种,它要求壁面必须是导磁材料,对壁面的凹凸适应性强,不存在漏气问题且结构简单。当壁面是导磁材料时优先考虑选用磁吸附，但。推力吸附法是一种新型的吸附方式,与真空吸附和磁吸附相比,在爬壁机器人的载体方面有了很大的创新。它不是依靠吸力而是借鉴了航空技术,使用螺旋桨或涵道风扇产生合适的推力,使机器人稳定可靠地吸附在壁面上。由于推力能始终指向壁面,机器人可容易地实现越障而适应于各种情况的壁面。考虑到游泳池表面一般比较平整，且无导磁性，为了提高吸附力,选用推力吸附法。由于是在水下作业,可也采用水泵抽水反冲的原理，使机器人紧压在游泳池表面，所以采用推力吸附法。5.1.1游泳池清刷机器人移动机构的对比选择在一般情况下，游泳池池底比较平整，因此，游泳池清刷机器人的工作环境可以简化为有阻尼的平整陆地。能够在平面环境中移动的机构形式主要有履带式移动机构、腿足式移动机构和车轮式移动机构。此外,还有适用与特定场合的步进式移动机构、蠕动式移动机构和蛇行式移动机构等。（1）履带式移动机构着地面积比较大,着地压强小,与路面的黏着力也较强,所以能够在凹凸和松软路面上移动。因此,履带式移动机构比较适用与路面状况比较复杂的场合。（2）腿足式移动机构适应地面的能力很强,以两足步行机器人为例,它需要获取姿态信息时,通过踝关节力矩反溃控制使其处于柔顺状态,使脚底适应地面情况,测量此时踝关节的角度就可得到姿态信息。但其结构复杂,运动控制的难度较大,且运动的速度比较慢。（3）车轮式移动机构能高速稳定地移动,能量利用率高,机构简单,控制方便和能借鉴至今很成熟的汽车技术等。通过对比分析几种移动结构发现,履带式和腿足式都不适合用于游泳池清刷机器人的行走机构,前者适合路面情况复杂的情况,而游泳池池底的表面情况简单,不需要那么复杂的结构;后者结构极其复杂,各种关节的设计要求都很高,对于简单的清刷来说显然会增加机器人的成本和加工难度,因此选用轮式移动机构做为机器人的本体行走机构。它设计简单,控制容易,安全性高。5.1.2游泳池清刷机器人轮式结构研究设计及方案的选择轮式机器人的几种转向轮式移动机构又分为二轮机构、三轮机构、四轮机构和全方位移动机构,依据机器人结构的不同和所处环境来选择。5.2移动方式选择5.2.1二轮移动机构二轮式移动机构的结构非常简单,它和三轮式移动机构一样通过两个驱动轮差动转向,一般驱动轮与电机直接相连,通过对电机的控制改变两个轮子的速度来达到转向的功能,左右车轮处于同一平面内,以此来达到平衡，如图（5）。安装时要确保两驱动轮的轴线处于同一前后位置上,操作起来很容易,只要在向驱动轮安装架钻孔时事先做好标记就可以了。当电机与驱动轮直接连接时,还要注意驱动轮彼此同轴,也就是说,驱动轮都对准正前方,否则机器人肯定不会沿着既定的路线行驶。图（5）两轮移动机构5.2.2三轮式移动机构三轮式移动机构一般在两轮式的基础上增加一个万向轮或驱动轮,有两种驱动方式,它们是两后轮驱动,前轮导向，如图（6）；前轮作为驱动轮,而两后轮为转向轮,用一根轴连在一起。当两后轮驱动时,主动力轮分开置于机体左右两侧,支撑点处应用万向轮,但考虑到万向轮自身存在转弯半径,为了保持在转弯过程中机器人整体的几何中心不会偏移太大,而造成转弯后丢线,所以两个支撑轮的自身摩擦阻尼应该足够小,采用这种转向结构后,机器人可以做到0半径(几何中心不变)的360自由转向。但对于在水下进行清刷工作的机器人来说，三轮机构不够稳定，而且万向轮的转角不好控制。 图（6）后轮差动驱动前轮转向机构 图（7）后轮分散驱动四轮机构5.2.3四轮和全方位移动机构四轮机构和全方位机构的转向应用比较广泛,四轮式移动机构是典型的汽车运动的主要构成部分,一般分为三种转向方式:它们分别是两前轮驱动转向、两后轮驱动转向和四轮互相配合转向。两前轮驱动转向应用较少，四轮互相配合转向结构比较复杂，实现有一定难度；全方位移动机构可以进行任意的定位和定向,虽然它可以使机器人更加灵活地运动,有着显著的优越性,但它甚至比四轮互相配合转向机构更复杂、有难度；如图（7），两后轮驱动转向机构应用最为广泛，而且采用这种转向结构后,机器人可以做到0半径(几何中心不变)的360自由转向。根据机器人完成指定任务要求,机器人必须具备转向灵活,转弯半径尽可能小,即转向过程中机器人本身几何中心偏移量尽可能小,因此选择四轮式作为机器人的行走机构,在转弯的时候,由左、右轮进行差动转弯。进行两轮反向差动转向可以使机器人几何中心保持不动,不会影响转弯后的运动轨迹,完全能达到设计要求。5.3四轮式移动机构的研究5.3.1四轮式移动机构的机械部分四轮式移动机构是一般移动机器人都选择的移动方式,它的特点是机构组成容易,旋转中心是在连接两驱动轮的直线上,可以实现零回转半径,游泳池清刷机器人的运动情况,典型的四轮式由两个同一回转中心的固定式轮和一个偏心可定向轮组成。如图（7）所示为四轮机器人小车框架结构。游泳池清刷机器人小车的驱动系统由两个步进电机通过齿轮传动分别驱动两固定轮来实现,因此其驱动方式为差动方式,即通过左右轮的不同转速来实现小车的不同运动方式。轮7是偏心定向轮,也称为万向轮,作为小车的随动轮。c点为小车的质心, f点为万向轮相对于小车本体的不动点,光电编码器用于小车定位时输出反馈控制信号,不影响小车的运动模型。在四轮形式下小车可以实现直线运动、圆弧运动和本体质心条件不变下的运动。5.3.2清刷机器人运动学方程机器人直线行驶时,图中的两个驱动轮速度相等,全速前进;机器人左右转弯时,靠两个驱动轮的速度差实现转弯,瞬时回转中心在两个驱动轮轴线的连线上,回转半径主要取决于两个驱动轮的速度差的大小. 速度差大,回转半径小;速度差小,回转半径大;速度差等于零,回转半径趋向无穷远处. 机器人运动示意图如图（8）所示.图（8）所示的坐标系,其中为固结于所清刷游泳池池底上的固定坐标系, 为固定在机器人本体上的动坐标系, p为两个主动链轮轴线的中点, p 与重合, b为两条履带中心线之间的距离。图（8）游泳池清刷机器人动力学模型设机器人左主动轮的驱动线速度为 ,右主动轮的驱动线速度为，、分别为左右驱动轮的角速度, r为驱动轮的半径。机器人在游泳池池底面上的运动变量包括:沿轴移动的速度,由于不等于而产生的角速度,显然有： （1） 因此， （2）机器人运动的约束条件为： （3） （4）其中,为机器人移动的最大速度(m/s) ,为机器人移动的最大加速度(m/s2)。和的大小取决于驱动轮的步进电机和减速机构。其中，所以： （5）当时,移动机构的回转半径r为： （6）上式可看出,移动机构的回转半径r与两驱动轮中心线之间的距离b成正比, 与两驱动轮的转速差成反比。要想转弯灵活，需要减小移动机构的回转半径r , 也就是减少两驱动轮中心线之间的距离b，增大两驱动轮的转速差。两驱动轮中心线之间的距离b与机构有关，当机构确定后，两驱动轮中心线之间的距离b就变成了常数，机构的回转半径r取决于两驱动轮的转速差。5.4电机的选择移动行走机构几何尺寸设计计算:将移动行走机构归为底箱部分,底箱是整个机器人的基础,其中包括电机、驱动器、电池、光电编码器和刷子等,设两个主动轮安装在底箱前部,差动驱动,主动轮与从动论的厚度为40 mm,直径为120mm,两主动轮的间距为320 mm,从动轮到主动轮的最大距离为200mm。通过这些数据我们来分析下如何选择行走机构的驱动电机。估算机器人的质量为20kg，最大的行走速度为0.15m/s，则车轮的角速度为： （7）由于机器人在水中行走，必然会受到水的阻力，可将机器人简化为一个长方体，因此，机器人在水中的粘滞阻力为： =1.5n （8）已知：阻力系数cd=2.0，= 1103kg/m3, 最大的行走速度=0.15m/s，特征面积a=0.06m2分3种情况讨论负载及轴所受到的扭矩:（1）启动后达到最大速度0.15m/s匀速前进,此时主动轮摩擦力和从动轮的摩擦力的关系如图（9）所示。图（9）匀速时小车的受力关系 （9）而 （10）取=0.5得： （11）滚刷在静止状态下压紧池底表面由主动轮带动前进时所受的阻力为： （12）取=0.6，刷子的正压力=10n，得： （13）所以，主动轮受力为： （14）则平均每个轮受力及扭矩为： 1/2= 101.75n （15） tl =101.750.06=6.1nm （16）2) 起始加速时:设从启动到达到0.15m/s时所需要的时间为100ms,则小车的加速度为： （17）小车在启动时间内的角加速度为： （18）小车的转动惯量为： （20）则轴所受的扭矩为： （21）图（10）小车转弯受力图由图分析可知： （22）所以，带入数据的：则轴所受的扭矩为：综上可知，选用南京华兴电机制造有限公司的两相混合式步进电机,型号为57byg4503,其参数如表（1）所示。表（1）步进电机57byg4503参数表步距角相数驱动电压(v)相电流 (a)保持转矩(nm)空载起动频率(步/秒)空载运行频率(千步 /秒)转动惯量(kgcm2)相电感 (mh)重量 (kg)零售价 (元)0.9/1.82/4361.51.01200 200.32.40.8240电机尺寸分别为b = 57, d (h7) = 6. 35, l1 = 21, d1( h7) = 38. 1, h = 1. 6, h1 = 5. 5, l = 67, d2 = 66. 6, d1 = 5。通过电机的安装尺寸做一个支架将电机用螺钉固定在机器人底板上。若直接让步进电机驱动机器人仍无法满足要求，因此可在步进电机前安装一微型减速器，该公司生产的减速器类型如表（2），外形如图（11）所示。表（2）减速器类型图（11）驱动电机由表可知，可选用57byg系列，减速比为i=1：20的齿轮型减速器，则输出扭矩最大为： （23）当机器人运行恒定时，取效率=0.75，则电机的输出功率为： （24）以上均满足要求。6清刷机构的设计6.1刷丝的选择刷丝的常见材料为.尼龙610、尼龙1010、pbt、猪鬃、金属丝、磨料尼龙丝等。尼龙1010的弹性最好，外观有比较出色的表现，抗冲击、抗老化等性能也非常好，适合用于工业设备及门窗等防尘部，但耐磨性不好，成本也最高。pbt的弹性较尼龙刷丝要好，pbt的性能较软，最适用于精细部件的清洗去污，比如汽车表面清洗，空调风管清洗等等，但耐磨性差；猪鬃常用于贵重物件的抛光，如金器、宝石、钢琴等表面的处理。金属丝如钢丝、铜丝、一般用于金属表面去毛刺等处理，其耐磨性能好，但不适合游泳池池底的清刷；磨料尼龙丝，具有很好的耐磨和耐酸碱性能，常用于pcb的表面处理、镀锌板酸洗线；尼龙610刷丝抗磨损性能较好，具有耐高温耐酸碱等特性，适用于工业除尘和清洗中针对较粗犷的部件，比如环卫车的扫地刷等等。综上所述，尼龙610刷丝的各方面特性，经济性都优于其他材料，因此，游泳池清刷机器人的清刷机构的刷丝选用尼龙610刷丝。6.2游泳池清刷机构的结构设计清刷机构是游泳池清刷机器人的关键部件，是用来完成游泳池池底清刷的作业工具。游泳池池底清刷机构的设计质量直接影响池底表面清刷机器人的清刷效果。清刷机构的清刷功能依靠滚刷上的刷毛作旋转运动来实现，同时滚刷还具有随游泳池池底变化的轴自适应功能。清刷机构结构如图（12），由刷丝和滚筒组成。其滚刷的旋转由步进电机通过v带带动滚筒，滚刷由两边的薄钢挡板固定，薄钢挡板用螺栓连接在机体上，并且可以根据实际需要调整滚刷轴中心线与地面的距离。清刷机构部装图如图（14）。 图（12）滚刷的结构 图（13）滚刷的装配结构图（14）清刷机构部装图6.3游泳池清刷机构动力学模型建立 游泳池清刷机构安装在机器人本体上，通过机器人的移动来清除游泳池池底表面的沉淀物和微生物。当机器人的行走速度为28m/min 工作时，在单位时间内机器人的移动距离很小，因此假设机器人处于静止状态对清刷机构进行动力学建模。清刷机构滚刷在水下作旋转运动，可由式（23）来表示： （25）式中：-水下电机所需提供力矩；-滚刷受到水的粘滞阻力矩，；-摩擦阻力矩，；-滚刷惯性阻力矩，。6.3.1 滚刷受到水的粘滞阻力矩 （26）式中：-水的密度，kg/m3；-滚刷半径，mm；-水的运动粘性系数，m2/s； -滚刷旋转的角速度，rad/s。已知当时，水的运动粘性系数。根据公式： （27）当t=250c时，且已知，因此，（26）式中mv仅与滚刷半径、角速度有关，用matlab软件分析可知：图（15）滚刷粘滞阻力矩mv与滚刷半径、角速度的关系6.3.2滚刷与游泳池池底摩擦阻力 （28）式中：f-滚刷对游泳池池底的正压力，n；f-刷丝与游泳池池底之间的摩擦系数；r-滚刷无刷丝部分半径，m；r-滚刷有刷丝部分半径，m。根据经验可取摩擦系数f=0.06,刷子与池底的正压力f=10n，因此，滚刷摩擦阻力矩mf仅与滚刷有刷丝部分半径r、无刷丝部分半径r有关，所以用matlab软件分析可知：图（16）滚刷的摩擦阻力矩mf与有刷丝部分半径r、无刷丝部分半径r关系6.3.3滚刷启动时惯性阻力 （29）式中：r-滚刷半径，m；m-滚刷质量，mg；n-滚刷转速，r/min；t-滚刷启动时间，s。取滚刷的启动时间为t=0.1s,滚刷的质量预设为m=0.3kg，因此，滚刷启动时惯性阻力矩仅与滚刷半径r、滚刷转速n有关。所以用matlab软件分析可知：图（17）滚刷启动时惯性阻力矩mg与滚刷半径r、滚刷转速n的关系6.3.4水下电机的功率水下电机功率w应满足下式： p=2nm/60 （30）由图（15）滚刷粘滞阻力矩mv与滚刷半径、角速度的关系，图（16）滚刷的摩擦阻力矩mf与有刷丝部分半径r、无刷丝部分半径r关系，图（17）滚刷启动时惯性阻力矩mg与滚刷半径r、滚刷转速n的关系，综合分可知，在机器人所能承受的负载及安装空间下，要在清刷效果与转速之间寻找到一个二者都可兼顾的转速值，选滚刷有刷丝部分半径r=50mm，无刷丝部分半径r=30mm，滚刷的转速n=300r/min。当r=50mm，r=30mm，n =300r/min时，进而可由公式（26）、（27）、（28）、（29）滚刷的粘滞阻力矩mv=4.67nm，摩擦阻力矩mf=0.8773nm，启动时惯性阻力矩mg=0.157nm，所以水下电机提供的总力矩：=5.7043nm电机的提供的最小功率pmax=180w。综上可知，选用南京华兴电机制造有限公司的两相混合式步进电机,型号为57byg4501,其参数如表（3）所示。表（3）步进电机57byg4501参数表步距角相数驱动电压(v)相电流 (a)保持转矩(nm)空载起动频率(步/秒)空载运行频率(千步 /秒)转动惯量(kgcm2)相电感 (mh)重量 (kg)零售价 (元)0.9/1.82/4361.50.61200 200.1351.40.5160电机尺寸分别为b = 57, d (h7) = 6. 35, l1 = 21, d1( h7) = 38. 1, h = 1. 6, h1 = 5. 5, l = 45, d2 = 66. 6, d1 = 5。通过电机的安装尺寸做一个支架将电机用螺钉固定在机器人底板上。若直接让步进电机驱动机器人仍无法满足要求，因此可在步进电机前安装一微型减速器，该公司生产的减速器类型如表（4）。表（4）减速器类型7过滤装置设计7.1过滤装置结构设计过滤装置为水泵和过滤箱组成，水泵将过滤的清水抽出，使箱内产生负压将池内的浊水引入过滤箱内，同时水泵向清刷机器人移动平面垂直的方向喷水，因此具有反冲力，使机器人紧压在移动平面上。过滤装置部装图如图（18）。图（18）过滤装置部装图7.2水泵的选择游泳池清刷机器人不仅要在池底表面工作，还要对游泳池四周侧壁进行清刷，但对于900的侧壁来说，机器人受重力影响，且在垂直清刷表面的方向受力为零，无法完成清刷工作，因此，要在垂直清刷表面的方向上施加推力，可选择潜水泵，利用水泵向外抽水对机器人产生反冲力。水泵是一种面大量广的通用型机械设备，它广泛地应用于石油、化工、电力冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部门，在国民经济中占有重要的地位。但是目前由于选型 不合理，许多的泵处于不合理运行状况，运行效率低，浪费了大量能源。所谓合理选泵，就是要综合考虑泵的投资和运行费用等综合性的技术经济指标，使之符合经济、安全、适用的原则。具体来说，有以下几个方面： 必须满足使用流量和扬程的要求，即要求泵的运行工次点（装置特性曲线 与泵的性能曲线的交点）经常保持在高效区间运行，这样既省动力又不易损坏机件。 所选择的水泵既要体积小、重量轻、造价便宜，又要具有良好的特性和较高的效率。 具有良好的抗汽蚀性能，这样使水泵不发生汽蚀，运行平稳、寿命长。 综上因素，选择深圳市中科世纪科技有限公司生产的dc40潜水泵，参数如表（5）。表（5）dc40参数表由表可知：水泵可由24v电源电压供电，扬程为h=4.5m，流量q=750l/h=12.5l/s，因此，每秒钟水泵排出水的质量为12.5kg，所以，g=125n/s。经计算可知，水泵对游泳池清刷机器人的反冲力为154n，足以使机器人紧压在池壁表面，完成清刷任务。机器人在竖直方向上所受的重力可由池边的移动运载小车提供平衡力抵消。如图（19）水泵外形图。图（19）水泵外形图7.3过滤材料的选择常见的水过滤材料有pp熔喷滤芯、活性炭、线绕滤芯、不锈钢、聚四氟乙烯合成纤维等。pp熔喷滤芯是采用无毒无味的聚丙烯粒子，经过加热熔融、喷丝、牵引、接受成形而制成的管状滤芯. 如果原料以聚丙烯为主.就可以称做pp溶喷滤芯. 不仅在水净化大批量使用.还具有杰出的化学兼容性,适用于强酸、强碱及有机溶剂的过滤。纳污能力强，使用寿命长,成本低.活性炭是黑色粉末状或颗粒状的无定形碳。活性炭主成分除了碳以外还有氧、氢等元素。活性炭在结构上由于微晶碳是不规则排列，在交叉连接之间有细孔，在活化时会产生碳组织缺陷，因此它是一种多孔碳，堆积密度低，比表面积大。空气净化、污水处理场排气吸附、饮料水处理、电厂水预处理、废水回收前处理、生物法污水处理、有毒废水处理等。线绕滤芯，是一种深层过滤芯，用于低粘度、低杂质量的过滤，是用纺织纤维线（丙纶线、脱脂棉线等），按特定工艺精密地缠绕在多孔骨架（聚丙烯或不锈钢）上面制成，具有外疏内密的蜂窝状结构，能有效地去除流体中的悬浮物、微粒、铁锈等杂物，具有十分优良的过滤特性。线绕滤芯能有效除去液体中悬浮物，微粒等。流量大，压力损失小。滤渣负荷高，使用寿命长。可以承受较高的过滤压力。根据被过滤液体的性质，滤芯有多种不同的材质可供选择，使滤芯与滤液有良好的相容性。不锈钢过滤网，主要材料：304、304l、316、316l不锈钢冲孔网、不锈钢编织网、不锈钢电焊网等，用于酸、碱环境条件下筛分和过滤，石油工业作泥浆网、化工化纤工业作筛滤网、电镀工业作酸洗网。聚四氟乙烯合成纤维滤袋是一种独特的材料制成的滤袋，在240的连续运行温度，瞬间260的温度条件下，能耐全部ph值范围内的酸碱侵蚀。聚四氟乙烯合成纤维滤袋自润性极佳、不吸潮、能承受紫外线辐射。但ptfe纤维滤料的耐磨性一般，所以对滤袋框架有较严格的要求（光洁度）。游泳池清刷机器人的工作环境在游泳池，池底有大量的毛发、纸屑、杂草及大块颗粒等杂物需要过滤，综上可知，线绕滤芯可以完成这一任务。7.4过滤箱游泳池清刷机器人清刷过程中将池底大量的毛发、纸屑、杂草及大块颗粒等杂物刷起，使杂物和池水搅在一起变成浊水，浊水经过水门芯进入过滤箱内，然后经过过滤器的过滤后变为清水，水泵将过滤的清水抽出，注入游泳池内，而过滤箱内产生负压将池内的浊水引入过滤箱内，如此循环，就可将池水净化。水门芯可使杂物进入，但却不能使杂物出去，这样就可使杂物留在过滤箱内。水门芯结构图如图（20）。图（20）水门芯结构图8关键零件的设计与校核8.1驱动轴设计由前面的计算知道 p1=40.63w，n1=9r/min，t1=6.1nm （31）求作用在齿轮上的力 ft1= （32） fr1= （33）8.1.1初步确定轴的最小直径 先按参考资料【1】式15-2初步估算轴的最小直径，材料40cr，调质处理。根据参考资料【1】表 15-3，取a0i=110，于是得： dmini=a0i （34） 最细处是安装小齿轮的地方，小齿轮直接与电动机连接，根据前面已经选好的电动机知道，电机的输出轴直径d=8mm，大齿轮与前轴配合连接。8.1.2轴的结构设计根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度（1）为了满足大齿轮轴向定位的要求,vii轴段左端需要制出一轴肩,故取vii的直径；右端用螺母垫片锁紧定位,按轴端直径取垫片直径套筒与轴配合的轮毂孔长度l=25mm，为了保证轴端挡圈只压在齿轮上而不压在轴端上, 故vii的长度应比l略短一些,取。（2）初步选择滚动轴承，因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据 ,由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列陶瓷深沟球轴承6904ce型。参数为ddb=20379，故， li=21.75，右端采用主体定位。（3）已知=9mm，为使套筒压紧齿轮，取=28mm，考虑到与轴的配合，取=41mm。（4）取车轮与箱壁之间相距为11mm，取滚动轴承距箱内壁距离为8mm，则=11+8+12+9+9=49mm。（5）轴上零件的周向定位 斜齿轮、联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按连接处的直径，由参考资料【1】表6-1查得平键的结构尺寸键宽b键高h健长l分别为：（大齿轮）； （车轮）（单位mm）。同时保证了齿轮和轴的良好的对中性所以选择轮毂和轴的配合为 ，滚动轴承与轴的同向定位为过渡配河来保证，此处轴的尺寸公车为（6）确定圆角及倒角：参考参考资料【1】表15-2，取轴端倒角为1.545，各处轴肩圆角半径均为1mm。8.1.3求轴上载荷（1）y方向上： （35）（2）z方向上： （36） （37）（3）总弯矩： （38）（4）轴的载荷分布图为图（21）驱动轴的载荷分布图从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出齿轮截面处是危险截面。现将计算出的危险截面的my，mz及m总的值列于下表（3）： 表（6）驱动轴所受载荷、弯矩与扭矩载荷水平面 y垂直面 z支持力f弯矩m总弯矩m1=167.87nmm同理：m2=126.22nmm扭矩tt1=6.8nm8.1.4按弯曲合成应力校核强度 从轴的结构弯矩扭矩图中可以看出c截面是轴的危险截面c截面上所有数据上步中均已算出根据参考资料【1】式15-5以及轴单向旋转扭转切应力为脉动循环变应力强度校核小于材料强度极限故40cr合格。8.1.5轴的工作图图（22）驱动轴工作图8.2从动轴设计由前面的计算知道 p1=40w，n1=9r/min，t1=4nm （39）求作用在齿轮上的力 ft1= （40） fr1= （41）8.2.1初步确定轴的最小直径 先按参考资料【1】式15-2初步估算轴的最小直径，材料40cr，调质处理。根据参考资料【1】表 15-3，取a0i=110，于是得： dmini=a0i （42）最细处是安装小齿轮的地方，小齿轮直接与电动机连接，根据前面已经选好的电动机知道，电机的输出轴直径d=8mm，大齿轮与前轴配合连接。8.2.2轴的结构设计根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 （1）为了满足大齿轮轴向定位的要求,vii轴段左端需要制出一轴肩,故取vii的直径；右端用螺母垫片锁紧定位,按轴端直径取垫片直径套筒与轴配合的轮毂孔长度l=25mm，为了保证轴端挡圈只压在齿轮上而不压在轴端上, 故vii的长度应比l略短一些,取。 （2）初步选择滚动轴承，因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据 ,由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列陶瓷深沟球轴承6904ce型。参数为ddb=20379，故， li=21.75，右端采用主体定位。 （3）已知=9mm，为使套筒压紧齿轮，取=28mm，考虑到与轴的配合，取=41mm。 （4）取车轮与箱壁之间相距为11mm，取滚动轴承距箱内壁距离为8mm，则=11+8+12+9+9=49mm。 （5）轴上零件的周向定位