集中空调管道自动清洁机器人设计（轮式结构）.doc
集中空调管道自动清洁机器人设计（轮式结构）（全套含CAD图纸）
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共41页)
编号：1553782
类型：共享资源
大小：3.42MB
格式：ZIP
上传时间：2017-08-10
上传人：机****料
认证信息
个人认证
高**（实名认证）
河南
IP属地：河南
50
积分
- 关 键 词：
-
集中
空调
管道
自动
清洁
机器人
设计
轮式
结构
全套
cad
图纸
- 资源描述：
-
- 内容简介：
-
2011, 1, 47011 () 2011 of a rm , 9, 2011; , 2011; 5, 2011 he of to of of to as be a as an is do so no To we to a of of it . he is as of 1. to as of a an is a or to to of 2. on is SO as an in or 1. to or to a of An or to as as or 007 % 14,000 At 007 in an 0,000 3. to of an to to in a a of a of of 4. of SA of is to a of a to a of 5. In is of of to a of as of a at of 6. on to . 48 1,000 in of is of up an by In a a a to a is of a a to be to to In in to of an of to as be a as an 2. he of is on a to a 6 of a by of is to a of of is or it is to of As is in a is is is of . of of in it is to a of is of a of 4 a of of of is is in in . by to of is is 80 by 9. of on by In of 0 of at , it is by A. on B, B ) C D) as . of 2011 49A. . of . of B. of E) of D) of B) L = 1 of m (of C) m (of D) m (of E) of in as , B, 1)-(4). of , 5), , 6), to , 7) 8), 0 (1) .8 m s (2) 0 (3) .8 m s (4) 220E m CD D L M (5) 2202D c M (6) m 278.6 oz (7) m oz (8) on is a 80 oz/it is we at , 8), we at to is at is 60 oz/of be , 0 30 a 7.9 of be to to 2011 . 50 it a we to of It to t a on be as In to a to to in of . By of in in we of In we of of a on in a of it is an in in of is . 3. o of to of . D . a by as . a in in y in x z by xz as . In 9: z: in z x: in x y: in y as , 21as 9) 10). 2222180 BC x 2(9) 222122x z2(10) 0(11) is to 1 is to 2. is 2011 51A. . . 11). of in to to 4. he is of of it is to a to it be or is in an we of of is of is a as 0. is by a in 0. 5. he be or In a a a to a to do In we of a a a in it be in a of is 1. is 68 a as 2. is in of , it a it is to is is a It to a as as 3, a s 2011 . 52 1. of 2. 3. on or a In is n As is a as 4. to a to or to to is In x y z 1 2 by an so be in a is is a as 5. to In it a 4. 2011 53A. 5. of it an of be as A on is a 80. of is an in In of we of a of as a to In to a as 6, be to as an a in by a or a of we 6. to as 7. by by to on to a on or on by to of to We a to 6. 7. of is by a in it is by to by in to of an polarizati 外文翻译 of a rm 个具有竞争力的低成本的四自由度机械人手臂的设计与开发 院 、 部 ： 机械工程学院 专业名称： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导老师： 摘 要 这项工作的主要重点是设计，开发和实施具有竞争力的机器人手臂具有增强控制和粗短的成本。机器人手臂的设计采用四自由度和才华来完成精确简单的任务，如光材料处理，这将被整合到了作为一个助理为工业劳动力的移动平台。机器人手臂上配有数个伺服电机的臂之间做链接和执行的手臂动作。伺服电机编码器包括使没有控制器实施。控制我们使用 它执行逆运动学计算和串行通信的适当的角度，以一个微控制器，驱动伺服电机，修改的位置，速度和加速度的能力的机器人。机器人手臂的测试和验证，进行和结果表明，正 常工作。关键词：机器人手臂，低成本，设计，验证，四自由度，伺服电机， 机器人控制 目 录 1 引言 . 1 2 机械设计 . 1 3 机械手逆 运动 . 6 4 最终选择效应 . 6 5 机械手的控制 . 7 运动学控制 . 8 动 . 9 6 测试和验证 . 10 7 结果与讨论 . 11 服电机运动范围 . 11 流消耗 . 12 大负载 . 12 终位置 . 12 8 结论 . 13 参考文献 . 14 1 1 引言 机器人实际上是定义为研 究，设计和使用机器人系统的制造 1。机器人通常用于执行不安全的，危险的，高度重复的，和 单调 的任务。它们具有许多不同的功能，如材料处理，组装，电弧焊接，电阻焊接，机床的装载和卸载功能，刷涂，喷涂等。主要有两种不同类型的机器人：一个服务机器人以及工业机器人。服务机器人是机器人，工作半或完全自主地去履行服务，有用的福祉人类和设备，但不包括生产操作 2 。工业用机器人，在另一方面，被正式通过 义的自动控制和多用途可编程操纵器在三个或更多个轴 3。工业机器人是移动的材料，零件，工具，或通过可变的程式动作的 专门设备来执行各种任务。工业机器人系统不仅包括工业机器人，但也能够执行其任务以及测序或监视通信接口需要对机器人的任何设备和 /或传感器。 2007 年全球市场增长了 3，约 114,000 新安装的工业机器人。截至 2007 年底，全国共有大约一万个工业机器人的使用，估计有50,000 服务机器人用于工业用途比较 3 。由于增加使用工业机器人手臂，演变到该主题开始试图模仿人类动作的细节模式。例如一组学生在韩国做创新的设计，为舞蹈的手，举重，中国书法和颜色分类机械臂考虑 4 。另一组工程师在美国开发八个自由度机械臂。该机 器人是能够把握多个对象与很多从笔形状的一球，也模拟人类的手 5。在空间上，航天飞机遥控器系统，被称为 其继任者是例子多度已经用来执行各种使用专门部署热潮的任务，例如航天飞机的检查自由机械臂有摄像头和连接在末端执行器和卫星的部署和检索演习从货舱航天飞机传感器 6 。 在墨西哥，科学家们已经上了轨道设计和 发展 许多机器人的手臂，墨西哥政府估计，在墨西哥有在不同的工业应用中使用了大约 11,000 机械臂。不过，专家认为，机器人手臂的最高点，不仅质量更高，而且准确，可重复性和粗短的成本 。 大多数机器人都设置了一个操作的示教和重复技术。在这种模式下，一个训练有素的操作者（编程器）通常使用的便携式控制装置（示教）手动教机器人的任务。在这些编程会话机器人的速度很慢。 目前的工作是一个两阶段的项目，这需要一个移动机器人能够运送工具从存储室到工业单元的一部分。在这个阶段中的项目，该项目开展了在科技，墨西哥蒙特雷大学，主要的重点是设计， 制定和实施了工业机器人手臂粗短的成本，准确和优越的控制。这个机器人手臂的设计采用四自由度和才华来完成简单的任务，如光队友里亚尔处理，这将被整合到移动平台的形式，作为 一个助理为工业劳动力。 2 机械设计 机器人手臂的机械设计是基于一个机器人操作器具有类似功能的一个人的 2 手臂 6这样的操纵器的链接是由关节，允许旋转运动和操纵器的链接被认为形成一个运动链连接。机械手的运动链的业务最终被称为末端效应器或臂端的 - 工具，它是类似于人的手。图 1 显示了自由体图的机器人手臂的机械设计。 图 1 机械手的自由体图 如图所示，端部执行器不包括在设计，因为市售的夹持器被使用。这是因为端部执行器是系统中最复杂的部分之一，并且，反过来，这是很容易和经济地使用商业 化 生 产 它。 图 2 示 出了机器人手臂的工作区域。 图 2 机械手工作区域图 这是一个机器人臂具有四个自由度（ ）的典型的工作空间。机械设计仅限于 4 自由度，主要是因为，这样的设计允许大部分必要的运动，并保持 成本和机器人竞争的复杂性。因此，关节的旋转运动被限制，其中旋转的肩完成围绕两个轴和周围只有一个在肘和手腕上，参见图 1。 机器人手臂的关节通常是由驱动的电气马达。伺服电动机被选择，因为它们包括编码器，它可以自动提供 3 反馈给电动机并相应地调整位置。但是， 这些电动机的缺点是转动范围小于 180跨度，从而大大减小了臂和可能的 位置到达该区域的 9。的基础上，选定了伺服电机的资格 由结构和可能的负载所需的最大扭矩。在目前的研究中，用于构造的材料是丙烯酸树脂。 图 3 示出用于负载计算的力的图。的计算均只对具有最大负荷关节，由于其他关节将具有相同的电机，即电机可以移动的链接没有问题。计算考虑了权重 的电动机，约 50 克，除电机在关节 B 的重量，因为它是通过链接的 4 示出了力示意图上链路 包含接头（ B 和 C）具有最高的负载（携带了该书的 计算如下进行。 图 3 机械手负载分布图 图 4 负载分布图 用于 扭矩计算的值： 克（体重链接的 克（体重链接的 克（体重链路的 L = 1 千克（负载） 斤（重电机） （公元前链路的长度） 4 液晶显示屏为 （链接的 度） 斯 = （ E 的长度） 执行力之和在 Y 轴，用负载，如图 4 中，并求解 方程（ 1） - （ 4）。同样，执行的时刻周围的点 C 的总和，式（ 5），和点 B，方程 化（ 6），以获得在 C 和 B，等式（ 7）和（ 8），分别在转矩。 0)( y 4 2 0)( y 4 7 5 2 )()( 22 0)()( 0)()( 2)()( 2 0)()( 2 C （ 6） c / （ 7） / （ 8） 该被选择的基础上，计算在伺服马达，是 其具有 280盎司 /英寸的扭矩。该电动机被推荐，因为它比任何其他电机与同样规格便宜得多。由于我们需要更大的扭矩在关节 B，见公式（ 8） ，我们使用两个电动机在点 B 处，以符合扭矩要求 ;然而，一个马达是不够的其它关节。采用两台电机的合资 B 比使用一个大电机 560 盎司 /英寸便宜得多。 图 5 伺服电机 可以在图 5 中示出，其他有关的特征是，它们可以转动 60 度，在 130 毫秒 5 和它们有各自 的重量。一旦被定义为机器人手臂和电机的初始尺寸，设计进行 了使用 台 ;设计应仔细考虑丙烯酸类片材的厚度和该块将被彼此连接的方式。用于使机器人的聚丙烯酸酯片材是 1/8 厚度和该薄片的选择，因为它更容易加工和更轻的重量以良好的抗性。在设计过程中，我们面临着由于强烈的加盟薄亚克力部分的方式有些困难。它是需要工具来烧，并加入丙烯酸零件和未提供的和球队认为机械结基于螺钉和螺母会比其他的替代品，如胶如多强。为了做到这一点，一个小的特征，设计这允许紧固用螺母，螺栓，而不必在薄的丙烯酸层的螺丝。这个过程的结果是在图 6 所示立体设计。 图 6 机械手 3D 模型 按照设计的结束，每个部分被印在满刻度的硬纸板，然后我们核实了所有尺寸和组件的接口。反过来，我们建立了机器人手臂的第一个原型。接着，上述机器人手臂的部件从使用圆锯和皮肤的工具的聚丙烯酸酯片材进行机械加工。的详细说明在各部分被做在一个专业工场因为机器人手臂的部分太小，这并不是一件容易的实现这种小而准确的切割。在组装机器人部件的电机，几个问题弹出。有报道说，没有抵抗所述紧固，并且，反过来，可能会破裂的临界点 ;因此，在这些点援军进行了审议。机器人手臂的最终结果示于图 7。 图 7 机械手总体装配图 6 3 机械手 逆运动 为了验证机械臂的定位准确，逆运动学计算进行。这样的计算来获得每个电机从通过使用直角坐标系， 图 8 坐标系 如图 8 所示的位置上的角度各电动机将具有特定功能：位于 A 结合的位置的马达，在 y 的最终元件轴，马达 B 和 C 的位置在 x 和 z 轴的最后一个元件。该问题已经通过使用 面简化，如图 9 在其下面的已知值被定义在 9 ：前臂长度。 臂长。 Z：在 z 轴上的位置。 X：在 x 轴的位置。 Y：在 y 轴的位置。利用三角关系，如图 9 所示， 2 和 1 可以得到，如在方程（ 9）可见，（ 10）的马达角度。 图 9 面 马达 B 将使用 1和马达 C 被打算用 2。的角度为马达 A 的计算公式为 11）。通过这些计算，伺服电机的角度得到，从而他们采取的行动，整个结构移动到特定位置。 4 最终选择效应 端部执行器可能是该系统的最重要和最复杂的部分之一。 明显 的，它是非常 7 容易和经济地使用商业人比构建它。端部执行器主要是根据应用和机器人臂完成的任务而变化 ;它可 以是气动，电动或液压。由于我们的机器人手臂是基于在电力系统中，我们可以选择末端效应器的电基础。此外，本系统的主要应用是处理，因此，我们的末端执行器的推荐类型是一个夹持器，如图 10。 图 10 夹持器与伺服 5 机械手的控制 该机器人手臂能自动或手动控制。在手动模式下，训练有素的操作人员（程序员）通常使用的便携式控制装置（示教）教一个机器人做手工任务。在机器人的速度这些编程会话是缓慢的。在目前的工作中，我们所包围的两种模式。一个微控制器，一个驱动器和一个台电脑化用户界面：三个层次的呈现机器人手臂的控制基 本上由。该系统具有独特的特点，允许灵活的编程和控制方法，它是利用逆实施运动学 ;此外它也可以在全手动模式下实现。控制的电子设计示于图 11。 图 11 控制器的电子方案 8 用微控制器是一个的 68 ，它有一个名为 “ ”发展规划板，如图 12 。 图 12 微控制器板 图 13 伺服控制器驱动器 编程语言非常类似于 C ，但包括几个库，帮助在 I / O 端口，定时器的控制和串行通信。该微控 制器被选中因为它具有低的价格，这是很容易重新编程，该编程语言是简单的，并且中断可用于这个特定的芯片。所使用的驱动程序是一个六通道微大师伺服控制器板。它支持三种控制方式： 接连接到一台计算机， 口与嵌入式系统，如 微控制器和内部脚本中使用自包含和主机无需控制器的应用。这个控制器，如图 13 所示，包括位置和内置的速度和加速度控器 秒分辨率 用户界面取决于所使用的控制方法，即，逆运动学或全手动模式。在下文中，每个接口描述： 运动学控制 在这种控制方法中，用户输入的坐标系 统中的位置，其中夹爪应。至于后果，接口与 过一个可视化的用户生成的，如图 14 图 14 用户界面 9 程序将自动执行逆运动学的计算，以得到每个电机应具有的角度，然后发送一个命令要么到微控制器，或直接将机器人移动到指定的位置的驱动器。通信是通过 32 协议进行。在下文中，您可能会看到 用户界面的输入和输出。 用户界面输入： X 轴位置。 y 轴的位置。 Z 轴位置。夹持器打开。叼纸牙攻角。串行端口。 用户界面输出是： 电机 A 角。 电机 度。 电机 度。 电机 角。 攻角。 姿势角度 这样的输出变量进行处理，并通过适当的方式发送的，这样的信息可以在一个正确的方式来解释。该输出是通过其连通于控制器串行端口发送。当按钮 “移动 ”被点击时，一个过程将发生，如图 15 图 15 程序流程 在图 15 中，随着这个动作，所述机器人臂将根据所输入的值改变其位置。此外，它有一个待机按钮，停止该通信控制器。 这种方法的主要优点是，它使用移动的有效方法，并提供进一步的功能，可以实现，比如位置和顺序学习。的缺 点，另一方面，是使 具有有效的角度逆运动学计算之后可能的位置是非常有限的，因为伺服电机有180一个约束。 动 这种类型的控制是我们的系统，在特定的位置有用多了一种选择。在强制的情况下持仓逆运动学模式不能计算其有效的角度，我们可以用手动控制来代替。 10 基本上，手动控制包括一系列模拟输入，诸如电位器，一种是与这将解释该值并发送一个命令到伺服驱动器的微控制器相连。为了实现这一点，一个控制板，如图 16 图 16 电位器板 应该被构建为一个接口与用户的工作。可能实现包括教学功能，使微控制器存储在 内存中，并通过键盘或系列交换机，我们可能还记得这些职位的职位 。 6 测试和验证 若干 测试 是 验证该机器人臂和它的组件。 测验 涉及的特定元件和整个系统的，如图 17 所示。 图 17 机械手测试 微控制器测试是由软件发送不同的命令给单片机，检查这是连接到开启或关闭取决于命令伺服电机的输出发生变化。伺服电动机分别通过发送不同的直接脉冲到每个伺服电动机和验证移动到合适的位置的响应之后进行测试。我们使用的 11 标记知道在哪里的初始位置是和最终电机的位置是通过与微控制器发送信号，并且，反过来，它是由伺服解释和比较，由编码器提供的信 号，从而在旋转到所需的位置来确定。在测试过程中，伺服电动机是因为不正确的极化的不一致性与机器人臂系统。 伺服电机驱动器中使用 件发送命令到发送的特定命令其中有一台电机连接根据称道改变位置的驱动微控制器也测试。要注意到，在这一点很重要开始一个项目的不同的伺服电机驱动器被选中，但与他们和微控制器之间的通信几个问题都存在。所以，我们选择一个驱动器，允许数据被直接从计算机发送到它与只有一个 ，所以，微控制器将仅在箱子的使用实现手动控制。其他测试，以验证整个系统的功能， 图 18 机器人手臂的动作 如显示在图 18 中通过引入在 面中的特定位置和测量，以验证一个参考点和最后点之间的距离发生了那些测试：该从逆正确变换到正运动学，指定的角度和马达的转动之间的关系。机器人手臂的测试和验证是需要细长时间，因为需要几次迭代的任务之一。在我们的测试中，很多问题出现的：错误的角度计算，电机的错误校正，问题与物理角度和位置测量，因为这是没有预料过载烧毁伺服电机之一 。 7 结果与讨论 服电机运动范围 伺服电机的极限得到规范，因为这种类型的电机都包含有小于 180 度的跨 12 度。实际范围为所有 电机被发现是在范围 125 - 142 度，如表 1 所示的这清楚地表明，机器人手臂的实际操作是从机架的情况下不同。 表 1 电机角的范围 电动机 角度范围 电机 A 130 电机 135 电机 140 电机 142 电机攻击角度 125 流消耗 消耗电流取决于负载和机器人臂的运动的类型。在目前的研究中，有 4 个级别的电流消耗为： 低（从 0 到 200 这种消费发生时，机器人处于静止状态（不运动的情况下）。 正常（从 200 到 500 这件事发生时，机器人手臂移动与能力去目标没有很大的扭矩需求。 高（ 500 900 毫安）。达到按账面负载的开头这个范围。通过克服的惯性载荷的初始瞬间，在正常范围内发生的地方。 过电流（超过 900 负荷太重，电机不能动弹。为在此条件下被用于多于一分钟，将马达烧毁，也就是说，它是不可能使用的任何多 大负载 这些结果是用不同的权重得到的 ;一袋玉米被用于与规模来决定包的体重。结果进行了使用机器人手臂拿起袋子，并将其移动到特定位置。表 2电流消耗袋玉米的不同权重。从表 2 中可以看出，该机器人可在负载没有问题的移动超过 50 克以下。在负载 60 克，机器人手臂开始有困难，并通过 80 克后发生严重的情况，其中愤怒可逆的损害可发生在马达。 终位置 结果表明，该机器人臂的精度移动至不同的重量（ 50 克），结果列于表 3 ，如图所示，在机器人手臂能够执行移动到指定的位置。然而，这种移动不平滑，有时马达没有足够的力，尤其是当负载很重。此外，一些问题可能会由于同步两个底部的电机。两个电机的步骤是不重合而引起的丙烯酸部位张力，这在箱子被过多会破坏的部分。 13 表 2 负载与电流消耗 空载 电流损耗 20 克 低 40 克 正常 50 克 正常 60 克 高 80 克 过流 100 克 过流 表 3 精度上的所有轴 轴 精度（ + / - ） 1 厘米 2 厘米 1 厘米 8 结论 本文介绍了机器人手臂，具有天赋太一， 单的任务，如光材料处理的设计，开发和实施。机器人手臂的设计和建造从那里伺服电机被用来进行武器之间的联系和执行的手臂动作亚克力材质。伺服电机编码器包括使没有控制器实施 ;然而，电机的转动范围小于 180范围，从而大大减小了臂和可能的位置到达该区域。机器人手臂的设计，因为这是有限的四个自由度设计允许大多数必要的运动和保持成本和机器人竞争的复杂性。末端执行器是不包括在设计，因为市售的夹持器使用，因为它是更容易和经济地使用商业 1 比生成它。在设计过程中，我们面临着由于强烈的加盟薄亚克力部分的方式有些困难。根据螺钉和螺母的机械连接点被使用，并且，为了实现这一点，一个小的特征，设计这使与紧固螺母螺栓，而无需在薄亚克力层螺旋。到控制的机器人手臂，三种方法被执行：一个微控制器，一个驱动器，和一个基于计算机的用户界面。该系统具有独特的特点，允许在编程和控制方法的灵活性，它利用逆运动学实施 ;是 - 两侧也有可能是在全手动模式下实现 。这个机器人手臂是与他人的对比作为多比现有机器人手臂更便宜，还可以控制所有从一台计算机的动作，使用 接口。数进行测试，以验证上述机器人手臂其中睾丸不但涉及特定元素和整个系统 ;在不同的操作条件下的结果显示信任的机器人手臂呈现的。 14 参考文献 1 操作型工业机器人 - 词汇，国际标准化组织标准 8373 ， 1994 . 2 工业和服务机器人，机器人的 际联合会， 2010. 3 案例研究和投资的机器人，机器人协会统计部， 2008 年盈 利能力。 4 ， 人， “多重功能的智能机械臂， ” 志，韩国， 2009 年 8 月 20 ,1995。 5 ，米 人， “设计 8 自由度人型机器人手臂， ”国际智能与先进系统，吉隆坡， 2007 年 11 月 25 1069 6 丽酿， 罗伯茨， “介绍到航天飞行设计：太空机器人 ”太空机器人，马里兰大学巴尔的摩， 2002 年 3 月 26 日的研讨会。 7 职业安全与健康 管理局技术手册， 167 ，劳动， 1970 年美国国防部。 8 L. G “机器人，建模，规划与控制 ”，施普林格，伦敦， 2009 。 9 M. P. “工业机器人 ,可编程 的技术 应用 “西哥 1989 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 装 订 线 集中空调管道自动清洁机器人设计 摘要 本文主要介绍了集中空调管道自动清洁机器人的设计分析与计算。 中央空调管道清洁机器人主要是为替代人工工作，用于清洗黑暗、潮湿、结构复杂、人力无法触及的中央空调通风管道的清洗。本设计机器人不仅能完成水平矩形管道的清洗，而且能实现垂直管道的清洗。本次设计采用模块化的设计方法，把机器人分为三大主要模块：行走载体、撑紧机构与机械手分别设计，然后把各模块组装在一起。在各模块的设计中，充分考虑了机器人在管道中可能遇到的各种情况，使得机器人具有良好的管道适应性。同时，在本设计中， 还为该机器人设计了一套自动控制伺服系统，使得该机器人具有一定的实时状态监控和故障诊断功能。 关键词 集中空调管道 行走载体 模块 伺服系统 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 装 订 线 of of of of is on of in of of is t be by of of is In of in At a of is of 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 页 第 I 页 装 订 线 目 录 第 1 章 绪 论 . 1 设计题目、意义及要求 . 1 国外、国内研究概况 . 2 市场需求预测 . 3 设计的重点和难点 . 4 第 2 章 总体方案设计 . 5 机器人移动载体方案设计 . 5 总体方案设计 . 5 传动方案设计 . 6 撑紧机构方案设计 . 7 机械手方案设计 . 9 自由度分配方案设计 . 9 关节传 动方案设计 . 10 第 3 章 具体设计计算 . 11 移动载体传动计算 . 11 左右驱动轮传动计算 . 11 后万向轮传动计算 . 17 撑紧气动系统的设计计算 . 21 气缸的选择 . 21 气动辅助元件和回路的选择设计 . 22 机械手的具体设计计算 . 23 电机的选择及传动比的分配 . 23 传动齿轮、蜗轮蜗杆的尺寸计算 . 24 轴的设计、计算与校核 . 25 轴承的寿命计算 . 28 第 4 章 结构设计 . 30 第 5 章 控制部分设计 . 31 测控系统总体方案制订 . 31 测控系统硬件模块的设计 . 32 结 论 . 35 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 页 第 装 订 线 致 谢 . 36 参考文献 . 37 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 1 页 装 订 线 集中空调管道自动清洁机器人设计 摘要 本文主要介绍了集中空调管道自动清洁机器人的设计分析与计算。 中央空调管道清洁机器人主要是为替代人工工作，用于清洗黑暗、潮湿、结构复杂、人力无法触及的中央空调通风管道的清洗。本设计机器人不仅能完成水平矩形管道的清洗，而且能实现垂直管道的清洗。本次设计采用模块化的设计方法，把机器人分为三大主要模块：行走载体、撑紧机构与机械手分别设计，然后把各模块组装在一起。在各模块的设计中，充分考虑了机器人在管道中可能遇到的各种情况，使得机器人具有良好的管道适应性。同时，在本设计中， 还为该机器人设计了一套自动控制伺服系统，使得该机器人具有一定的实时状态监控和故障诊断功能。 关键词 集中空调管道 行走载体 模块 伺服系统 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 2 页 装 订 线 of of of of is on of in of of is t be by of of is In of in At a of is of 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 3 页 装 订 线 目 录 第 1 章 绪 论 . 1 设计题目、意义及要求 . 1 国外、国内研究概况 . 2 市场需求预测 . 3 设计的重点和难点 . 4 第 2 章 总体方案设计 . 5 机器人移动载体方案设计 . 5 总体方案设计 . 5 传动方案设计 . 6 撑紧机构方案设计 . 7 机械手方案设计 . 9 自由度分配方案设计 . 9 关节传动方案设计 . 10 第 3 章 具体设计计算 . 11 移动载体传动计算 . 11 左右驱动轮传动计算 . 11 后万向轮传动计算 . 17 撑紧气动系统的设计计算 . 21 气缸的选择 . 21 气动辅助元件和回路的选择设计 . 22 机械手的具体设计计算 . 23 电机的选择及传动比的分配 . 23 传动齿轮、 蜗轮蜗杆的尺寸计算 . 24 轴的设计、计算与校核 . 25 轴承的寿命计算 . 28 第 4 章 结构设计 . 30 第 5 章 控制部分设计 . 31 测控系统总体方案制订 . 31 测控系统硬件模块的设计 . 32 结 论 . 35 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 4 页 装 订 线 致 谢 . 36 参考文献 . 37 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 5 页 装 订 线 第 1 章 绪 论 计题目、意义及要求 本次设计题目是集中空调管道自动清洁设备设计（轮式结构）。 随着社会的发展，人们的生活水平逐步提高，对办公室环境和家居环境要求的标准也越来越高，趋于舒适和环保。因此， 中央空调逐步走入办公楼、商城、学校、医院、饭店及家庭等场所。空调给人们带来了工作环境和家居环境的舒适，改善了人们工作和生活的条件，但是如果只知道使用空调，而不定期对空调进行清洁，脏兮兮的空调是不能改善室内空气，给人们带来惬意的、舒适的、清新的空气。 人的一生约有 70%90%的时间是在室内度过的，室内空气环境是影响人们身体健康和生活工作质量的主要因素。中央空调系统主宰着楼宇中的空气新陈代谢，如果中央空调卫生状况不佳，不仅会影响出入这些场所的人们健康，还会导致人群感染和中毒。经权威部门测试，空调系统存在的感染 菌有：好氧性夹膜细菌、好氧芽孢细菌、好氧硫细菌、厌氧硫酸盐还原菌、铁细菌、丝状型真菌、酵母真菌、担子型真菌。在封闭的空调环境中，因新风不足或冷空气被污染而产生疲劳、头昏、口干、胸闷、眼痒、嗜睡、易交叉感染病毒、烦躁、注意力不集中等到人体产生的病态建军筑综合症，俗称 空调病 。据了解，我国卫生部 2004年对 30个省、自治区、直辖市开展了公共场所集中空调通风系统卫生状况监督检查。在这次检查中，全国共抽检了 60多个城市具备集中空调设施的 937家公共场所，其中宾馆饭店 540家，大型商场、超市 397家，检测样品 5600件。调查结果显示，接受检查的所有中央空调中，有 90%以上达不到国家相关卫生标准。 因此，空调管道的清洗问题不容忽视，但中央空调的清洗一直以来是 个难题。传统的人工清洗只能清洗部分换热面 ,过滤器 ,清洗效率低质量差 ,大部分管道无法清洗，并且工人工作危险性大、劳动量大。中央空调风管清洗设备主要是为替代人工，用于清洗黑暗、潮湿、结构复杂、人力无法触及的中央空调通风管道。中央空调的清洗技术国外早就有了，但是国内一直是空白。非典前上海曾有两家公司以每套 100多万元人民币的价格进口过国外的清洗设备。但是由于我国中央 空调的生产规格统一程度较低，各生产厂家的产品规格不尽相同，而国外的产品规格比较统一，使得国外进口的清洗设备对于国内很多中央空调来说并不适用。因此我国迫切需要进行中央空调管道清洗设备的研发，这是很有意义的。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 6 页 装 订 线 本设计要求达到指标： 可清洁水平、垂直管道；水平最高行进速度 ： 1 m/s；垂直攀爬速度： 100 mm/s；垂直攀爬载重： 10 转半径 ： 0；机械手自由度 ： 4；监视器回转速度 ： 20 / 秒；监视器水平回转范围 ： 360 度；监视器俯仰回转范围 ： 240 度；供电方式：电缆；具备自动故障诊 断和报警功能。 外、国内研究概况 空调清洁技术起源于 60余年前，是随着中央空调技术同时诞生的。国外从20世纪 70年代末 80年代初开始重视中央空调的风道清洗，直到 1990年前后中央空调清洗才得以普遍实施，并建立了相应行业及国家标准。目前在所有发达国家无一例外地实施了中央空调的清洗。风管清洗在国外是一个比较成熟的市场，其清洗机器人设备的研究和开发也相应地比较成熟。据统计，国际上生产清洗机器人的厂家不下 20家，其中比较著名的有瑞典的 价 100万元），丹麦的 售价 80万元），加拿大的 价 60万元），还有美国的 价均为 40万元）等。这些国外管道机器人，其外形结构大同小异，性能也大致相当。空调管道机器人应具备的功能清扫管道灰尘、喷消毒药水、携带 此机器人必须拥有的 器官 有移动载体、安装清洗工具的部件、 讯系统、操纵控制系统和其他一些辅助设备等。 我国对中央空调风管清洗的重要性认识较晚，对中央空调风管清洗设备的研制起步也较晚。目前我国对集中式空调的管理尚属空白。据了解，有 关清洁公共场所空调的规定和措施，只有卫生部在 2003 年 6 月发出的公共场所集中空调通风系统卫生规范的通知，这还是因为受非典的启示。该规范对公共场所的空调系统卫生提出了检测标准，并规定公共场所要定期更换或清洗空调通风系统的过滤器 (网 )、冷却塔等。在颁布公共场所集中空调通风系统卫生规范后，我国的中央空调风管清洗市场急速升温，全国各科研机构、企业单位纷纷投入到中央空调风管清洗设备的研究中 ,并取得了很好的成果。据报道 ,东华大学在该校的一项 自主变位四履带足机器人行走机构 发明专利基础上，首先二次开发了一种具 有自主知识产权的新型管道机器人行走机构，能很好地解决管道机器人适应非等径、变截面管道环境难题。然后再在此基础上研制成功一种可用于矩形和圆形通风管道的清扫、视频检测、喷涂消毒的多功能管道清洗机器人产品。该机器人和家用的吸尘器差不多大小，四个脚上有四条履带，能够在 9厘米高的台阶上上下下。它的最大的本领就是能顺畅自如地爬到中央空调的各个角落，甚至到各种形状的通风管道中清扫管道中的垃圾，并且通过视频系统清除各个角落里的细菌、病毒，喷涂各种消毒液。该机器人具有以下几个特点和优势：（ 1）行走机构具备自主管内越障和防倾覆 功能，适应复杂的矩形管道长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 7 页 装 订 线 或圆形管道环境清扫作业要求（国外产品大多仅适用于矩形管道，不具备管内越障功能）； (2) 管道清洗机器人能进入圆管 260上直径、矩形管道 140尘管道进行清洗（国外产品仅适用于 300上高度矩形管道）； (3) 机器人采用模块化结构设计和多电机驱动技术，结构简单、维护方便； (4) 机器人采用计算机图像处理技术，拍摄资料便于保存、播放、携带（国外产品大多采用录像机储存资料）。 中国科学院兰州分院科研人员研制成功的清洁机器人样机是根据 400毫米400毫米和 500毫米 500毫米空调通风管道设计的，具有在管道中行走、对管道内污染情况进行观察和对污染物进行清洁的功能。中国科学院兰州分院科技合作处工作人员介绍，国内自主研发的这种清洁机器人具有在管道内前进、后退和转弯等功能，行走速度在每分钟 米之间；清洁系统主要是安装在机器人上、可在管道外部控制的清洁动力刷；电缆长度超过 30米，不易损害，能够满足基本需要。同国外同类装置相比，该机器人具有尺寸小、成本低、行动灵活、操作可靠、清洁效率高和应用领域广等特点，并且在移动机构的驱动系统、主动控制臂系统、照明系统和清洁系 统的设计上均有创新。国内在中央空调管道清洁设备方面的研究越来越多 ,并取得了一定的突破性成果。但是 ,包括以上所叙述的设备在内 ,目前国内研制出来的中央空调管道清洁设备还仅限于水平管道或有小坡度管道的清洗 ,至今还没有发现可用于垂直管道清洗的中央空调管道清洁设备。 市场需求预测 据介绍我国有超过 500万个各类中央空调需清洗保养，而且每年正在以 10%的速度递增，而这些中央空调大部分运行了 20 年以上却从未清洗。就目前而言无论从中央空调风道专业清洗服务公司来讲还是从国内外空调风道清洗机器人设备厂家来看，都不能 应付这一庞大的清洗市场。 从国内方面来说，国内空调管道清洗行业市场还未形成，空调风道清洗行业刚刚起步，国内几乎没有清洗公司能够具备一流的清洗服务队伍，满足各类客户需求，而设备生产厂家除了国外发达国家的成熟产品外，国内能够适应各类风道特点并且技术成熟，实用性强的清洗机器人设备厂家更是凤毛麟角。所以我国目前许多地区的中央空调通风管道清洗市场是一片空白！从国外方面来说，虽然国外厂家的机器人性能成熟，但是它是根据自身的中央空调风道的而制造的，但国外的中央空调风道是标准和规范的，而我国的中央空调风道是根据建筑面积设计 安装的，各个风道不尽相同，生产规格统一程度较低，各生产厂家的产品规格不尽相同，属非标产品。使得国外进口的清洗设备对于国内很多中央空调来说并不适用，很大一部分不能对我国中央空调风道产生作用。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 8 页 装 订 线 从以上分析可以看出，我国的中央空调通风管道清洗市场是有很大潜力的，尤其是在 2003 年 非典 疫情传播后，人们对中央空调给人们带来的疾病隐患有了相当大的认识，国家相应地出台了强制性空调清洗的法规，使得风道清洗行业将成为中国一个新兴的有着巨大潜力的发展行业。开发适合我国中央空调管道清洗机器人产品有很大的经济价值。 计的重 点和难点 本次设计主要由三大主要部分的设计构成：（ 1）移动载体的设计，（ 2）撑紧装置的设计，（ 3）机械手的设计。 对于管道机器人，移动载体的设计是一个重点。由于机器人工作于空间狭小的管道中，要求其移动载体具有很好的转弯能力。国内清洗市场的产品仅适于水平管道的清洗，而本设计要求机器人同时还要能清洗垂直管道。因此，怎样使 中央空调管道清洁设备具有能攀爬垂直管道的能力并具有良好的转弯能力是该产品设计的一个重点也是难点 。压紧装置和机械手的设计也是该课题的重点。压紧装置与移动载体相配合，使得机器人具有垂直上爬能力，因此 ，压紧装置的设计合理与否，直接关系到机器人的工作能力。机械手的设计关系到机器人的工作质量。 机器人的工作管道截面面积小，同时机器人的垂直上爬是依靠摩擦力实现的，这对整机的空间尺寸大小和自身重量提出了严格限制。这要求机器人的各部件空间尺寸要尽量地小、质量要尽量地轻。这给机器人的结构设计提出了很大的难题。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 9 页 装 订 线 第 2 章 总体方案设计 机器人移动载体方案设计 总体方案设计 机器人移动载体的设计是本次设计的难点之一 。 如果仅限于地面移动，机器人的移动载体形式有车 轮形、履带形、腿脚形、躯干形等四种形态。与其他移动机构相比，车轮形移动机构具有以下一些优点：高速稳定地移动、能量利用率高、机构和控制简单、能借鉴当今已积累的汽车技术与经验等。因此本设计采用轮式结构。按照车轮数目的不同，轮式载体可分为单轮至四轮及五轮以上等几种。其中单轮与两轮主要是用来进行直立稳定移动控制问题的基础研究，而不是着眼于机器人移动机构的实用化问题。如果单考虑平面移动的话，三轮机构已经可以了，但从加强移动过程中的稳定性角度来考虑，目前多数采用的是四轮机构。五轮以上的机构的提出，是因为它在装载重物时具 有较大的稳定性，而且适用于台阶、阶梯等非平地状态的移动。因此，本设计采用四轮机构的移动载体。 典型的四轮移动机构有如下几种： 1) 两轮独立驱动方式 如下图 2示： 图 2轮独立驱动 前后两个为辅助轮（万向轮），左右两轮为独立驱动轮，其自转中心与车体中心重合。它的转向不是通过操舵机构的动作，而是依靠左右两轮的差速实现的，当两轮以相反速度方向转动时，车体能饶自身中心自转，以便在狭窄场合改变方向。这种车轮布置方式在灵活性和稳定性上都是比较好的，由于没有操舵机构，因此该机构也比较简单 ，可以减轻重量，适合空调管道机器人要求体积小重量轻的要求。它的缺点是当遇到沟槽使得左右两驱动轮被架空时，由于长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 10 页 装 订 线 驱动轮不着地不能产生动力，这样的话整个机器人便不能移动了。 2) 汽车车轮配置方式 见下图 2示： 图 2车车轮配置方式 两个操舵轮需要同一个操舵机构来协调转向，此外后轮配有差动齿轮装置，增加了机构的复杂性。由于它的结构比较复杂，所以仅用于智能汽车等的研究方面，而在机器人的移动机构中不太采用。 3) 全方位移动车方式（ 三轮车或四轮车基本是 2 自由度的，不能进行任意的定位和定向。 提出就是为了实现机器人任意方向的运动而开发的，它的移动机构具有原地改变方向或以一定姿态角度移动等多种功能。这种 构需要有转向操舵机构和多个离合器，因此，虽然其性能很优越，但机构很复杂，并不适合本设计对移动机构的要求。 由于本设计的空调管道清洗机器人要求在管道中行走，对其自身的空间尺寸和自重提出了严格的限制。因此要求机器人的各部分结构要尽量简单。综合考虑上面的方案，结合本设计要求，本设计选用两轮独立驱动方式的移动载体。为了克服上述所提到 的该机构的缺点，可以在后万向轮中安装一应急电机，同时在轮轴中安装一超越离合器，机器人正常时应急电机不工作，超越离合器处于超越状态，当遇到左右两个驱动轮被架空时，超越离合器处于啮合状态，应急电机工作。 传动方案设计 由于齿轮传动具有结构紧凑、工作可靠、使用寿命长、效率高、传动比准确等优点，因此在考虑具体的传动方案时，应该选用齿轮传动。由于两电机独立驱动，两驱动轮的传动方案是一样的，下面以一轮为例来讨论。 在查阅了大量资料之后同时考虑到机器人的水平行走速度和垂直行走速度，经过反复的计算，确定驱 动轮的传动方案如下图 2示： 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 11 页 装 订 线 图 2动轮传动方案 7器人水平行进时，其速度较高，牙嵌离合器啮合，传力路线为：电机 齿轮 1Z 齿轮 2Z 齿轮3Z齿轮 4Z 齿轮5Z齿轮6Z齿轮7Z齿轮10Z车轮；机器人垂直行走时速度较低，牙嵌离合器脱离啮合，传力路线为：电机 齿轮 1Z 齿轮 2Z 齿轮3Z齿轮 4Z 齿轮5Z齿轮6Z齿轮7Z齿轮8Z齿轮9Z齿轮10Z车轮。 由于后万向轮电机仅在特殊情况下工作，对其传动要求并不很严格，再考虑到安装的难易程度，该传动选为蜗轮蜗杆传动，其传动比大、所采用的零件数目少、结构紧凑，其传动方案如下图 2示： 图 2万向轮传动方案 撑紧机构方案设计 在设计撑紧机构的过程中，我首先从动力源开始考虑。按照动力源的不同，撑紧机构可分为两种： 1) 电气撑紧 动力由电机提供，考虑理由是电气驱动应用普遍、噪声小、提供动力大。 在电机作为动力源的前提下，传动方案又有两种： A） 丝杠螺母传动 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 12 页 装 订 线 如下图 2 图 2杠螺母传动 轮子固定在螺母上，电机带动丝杠转动，使得螺母连同轮子往上移动实现撑紧。这个方案的缺点是机构比较复杂，增加了载重。 B）齿轮齿条传动 如下图 2 图 2轮齿条传 动 轮子固定在齿条上，通过电机带动齿轮转动，使得轮子连同齿条往上移动实现撑紧。这个方案的缺点除了结构复杂外还有摩擦很大。 2) 气动撑紧 由压缩空气驱动气缸提供动力，考虑理由是在所有的驱动方式中，气压驱动操作简单、成本低、易于编程，并且气动能很容易地保持输出压力不变。 考虑方案如下图 2由于气缸的活塞要求直线往复运动同时又要有轻微的圆弧摆动，因此气缸的安装方式为单耳尾座式。另外，气缸活塞杆承受的力应作用在杆轴线上，不允许有偏载，因此采用连杆机构既可避免活塞杆偏载也能起到增力的作用。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 13 页 装 订 线 图 2 动撑紧 机械手方案设计 自由度分配方案设计 本设计要求的机械手自由度数为 4。 4自由度机械手的自由度分配方案很多，在进行本环节的设计时，一开始考虑了如下图 2示的方案： 图 2械手自由度分配方案 1 该方案机械手可以像人的手臂那样通过大臂和小臂关节的转动来实现手爪（对本设计是刷子）的移动来进行工作，而机器人本体可以静止。但该方案只能实现刷子的平动，不能很好地适应有倾斜面情况的清洗。为了克服这个缺点，经过与老师讨论，采用自由度分配如下图 2示的机械手臂。 图 2械手自由度分配方案 2 该手臂腕关节可以转动，刷子装在手腕上实现转动很好地适应了斜面清洗的情况。刷子依靠机器人的前进后退来实现移动。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 14 页 装 订 线 关节传动方案设计 查阅了有关专业资料后确定本设计机械手关节采用 齿轮式机器人关节 ，其结构紧凑简单。由于机器手关节要求具有自锁功能，因此再加一级蜗轮蜗杆传动，其传动方案如下图 2 图 2械手关节传动方案 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 41 页 第 15 页 装 订 线 第 3 章 具体 设计计算 移动载体传动计算 左右驱动轮传动计算 在前面的方案设计中已经对驱动轮的传动方案进行了讨论，经过反复的计算对比，我选轮子的尺寸为 即 D=140R=70 1）电机的选择 此电机用于驱动机器人行走机构，要求对速度和位移形成反馈，为便于控制，本设计选用直流伺服电机。 根据同类产品估计机器的重量为 50g，则 = 。 1 机器水平行走 机器水平行走时分配到每个轮子上的载荷为： =对驱动轮进行受力分析如下图 3 图 3轮受力 其中： f =按照实心橡胶轮胎在优质路上时
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
|
2:不支持迅雷下载,请使用浏览器下载
3:不支持QQ浏览器下载,请用其他浏览器
4:下载后的文档和图纸-无水印
5:文档经过压缩，下载后原文更清晰
|
川公网安备: 51019002004831号