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自动 墙壁 清洗

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自动墙壁清洗机,自动,墙壁,清洗

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目 录摘要1关键词11前言21.1 课题研究的目的和意义21.2 课题研究现状及分析21.2.1 国外壁面清洗机器人研究现状21.2.2 国内壁面清洗机器人研究现状31.3 高层建筑外墙清洗机发展趋势42清洗机器人总体方案设计52.1 对楼顶楼面的实际考察5 2.1.1楼面结构考察52.1.2 楼顶的实际考察52.2 清洗机器人的总体方案52.3 清洗机器人清洗系统方案62.4 清洗机器人爬壁系统方案72.5 清洗机器人控制系统方案72.5.1设计的基本原则73 清洗机器人清洗系统设计83.1 清洗机器刷洗部分设计8 3.1.1 盘刷设计83.1.2 滚刷设计93.1.3刷洗部分所用弹簧的设计103.2 内空心轴设计113.3 清洗机主机滚轮的设计计算113.4 主机上传感器及行程开关的选择123.5复合缆的结构设计124 清洗机器人风压系统设计134.1 采用风压的意义134.2 基本原理134.3 气动计算的原始数据与技术要求134.4 风压部分力学计算145 清洗机器人主要零件设计155.1 直齿轮副的设计计算155.1.1 齿轮的设计计算及强度校核155.1.2 齿面接触疲劳强度计算175.1.3 齿根抗弯疲劳强度验算195.1.4 齿面静强度计算205.1.5 齿根（抗弯）静强度验算205.2 锥齿轮副的设计计算215.2.1 基础尺寸确定215.2.2 确定载荷系数K225.2.3 齿面接触疲劳强度计算225.2.4 齿根抗弯疲劳强度计算235结论24 参考文献 24 致谢26 附录27自动墙壁清洗机机器人的设计摘 要：近年来，随着社会的发展，楼层越来越高，使用玻璃幕墙的楼房也越来越多，避免清洗时一个很重要的问题，传统的方式多数为人工，或者是采用电缆从楼顶将机器人吊下，工作效率偏低，危险性高，于是清洗用爬壁机器人应运而生，本文的任务就是设计一种能够在壁面上吸附行走的清洗机器人。在简单介绍清洗机器人的国内外研究现状的基础上，基于二维软件CAD对四轮式风压吸附清洗机器人的本体机构进行了设计，对一些关键部分进行了设计计算及校核计算，重点是爬壁机器人的移动结构、吸附结构和驱动系统的设计计算。设计的清洗机器人采用四轮式小车形状结构，结构简单；采用风压吸附方式，利用螺旋桨对空气的压缩所产生的压力将机器人压在物体表面，避免了清洗机器人对壁面的局限，降低了控制难度；清洗机主要由伺服悬吊系统、清洗主机和由计算机控制系统组成；采用无人化清洗，自动清洗，自动供水，自动供清洗液，单片机系统控制，操作人员只需通过键盘即可操纵清洗机工作，而且在清洗过程中，清洗机能够自动进行边缘识别，可根据建筑楼层的具体情况选择为纵洗或横洗；采用后轮驱动，一个电机驱动两个后轮，后轮带动前轮完成机器人的行走，使用直齿圆柱齿轮传动装置作为减速器；采用楼顶供电；机器人可以在水平面或者垂直表面直线行走。本机的清洗效率较高，清洗效果良好。关键字：清洗机器人；风压吸附；齿轮机构；刷洗Design of Automatic Wall Cleaning MachineStudents: Zhou Yuan mingInstructor: Xiong Ying（Institute of technology, hunan agricultural university, changsha, 410128）Abstract：In recent years, with the development of society, more and more floors, with glass curtain wall building more and more to avoid cleaning a very important issue, most of the traditional way of artificial, or a cable from the top of the building will be used under the robotic crane, low efficiency, high-risk, then cleaned with a wall-climbing robot came into being, this task is to design a walk on the adsorption to the wall climbing robot for cleaning. This paper briefly wall-climbing robot based on the research status, based on 2D software, CAD, four-wheel vacuum on wall-climbing robot body bodies were designed, carried out on some key satisfied with the design calculation and checking terms, focusing on the mobile climbing robot structure, adsorption structure and drive system design and calculation. This designed wall-climbing robot car with four-wheel-type shape of the structure, simple structure;By pressure adsorption,robot using the pressure generated by the propeller on the compressed air pressure in the surface,avoiding the clear limitations of the robot on the wall,reducing the difficulty of control;Washing machine is suspended by a servo system, cleaning host and consists of computer control system;The cleaning of the unmanned, automatic cleaning, automatic water supply for automatic washing liquid, single chip control system, operating only through the keyboard to manipulate the work of the washing machine in the cleaning process, the washing machine to automatic edge recognition, according tothe building floor wash for vertical or horizontal wash;Rear-wheel drive, a motor to drive the two rear wheels, rear wheel drive the front wheels to complete the robot to walk, use of the spur gear transmission device as reducer;Roof supply; robot walk a straight line can be horizontal or vertical surface. The higher the cleaning efficiency of the machine a good cleaning effect.Key words: Cleaning Robot；Pressure Adsorption Mode； Gear mechanism； Scrub；1 前言1.1 研究的目的及意义随着城市现代化得发展和人口的日益增加，为了节省土地资源，高层建筑越来越多，各式各样的摩天大楼成为现代都市中一道亮丽的风景。在建筑业中，由于玻璃的采光性好，保温、防潮，而且采用彩色玻璃使用美观，高层建筑的外观越来越多的采用玻璃幕墙结构没有玻璃覆盖的地方也多采用瓷砖覆盖以增加建筑的美感，但也衍生出繁重的幕墙清洗任务。我国大多数高层建筑清洗工作还是由传统的人力完成，这种高空极限作业相当危险，如遇强空气流，对人身安全及玻璃面都有很大的威胁。因此需要一种能代替人工完成高层建筑清洗任务又有一定灵活性和适应性的自动机器来取代人工作业。高层外墙清洗机正是在这种背景下应用而生，它可在垂直壁面及屋顶移动进行物体表面的清洗。它的出现及进一步研究将极大降低建筑外墙的清洗成本改善工人的劳动环境，提高生产效率，并带来相当的社会效益和经济效益。1.2 课题研究现状及分析工业机器人已经在汽车，冶金等行业的机器人领域得到应用。 然而，随着人们生活水平的提高，机器人领域的新一代服务机器人也出现了。服务机器人主要从事清洁，运输，监控，检测检测等各类工作，提供和完成服务。 其中，清洁是最广泛使用的领域之一。 今天，高层建筑，需要改进清洁机器人的技术可以改进和完善。1.2.1 国外壁面清洗机器人研究现状第一个成功制造出来的清洗机器人是德国汉萨斯航空公司委托制作的“SKYWAH”（清洗巨人）。其主要结构是一个作用距离为33米的多关节巨型伸缩臂，有11个自由度，6个主轴，3个腕关节及两个自适应轴，总共12个可编程序轴。其余的运动链系使得它可以做各复杂运动，而其结构不会有任何变化。所有轴均由液压驱动并采用抗拉钢材，因而其结构重量轻。清洗刷长1.2m，定位精度为50mm,滚刷与飞机外形精确匹配。该机器人安装在一个标准汽车底盘上，可以从四个位置出发，机器人在人的监视下按照预定的模式运动，完成对飞机几乎所有表面的清洗工作。其特点是动作灵活，适合于各种规格的飞机。日本BE公司的固定式轨道式自动清洁机器人已经通过在车顶轨道和起重系统的窗户处安装窗户而成功开发了机器人，移动式清洁沿着垂直导向槽固定在建筑物的表面上，清洁机构 设置有多个旋转盘刷。 设备的效率很高，但价格非常昂贵。 另外，窗口系统开始时建筑物的设计要求将被考虑，铺设轨迹，极大地限制了机器人的作用范围和效率。德国马格堡的弗劳恩霍费尔自动控制与操作研究所（IPA）是德国主要的生产及自动化研究中心，它研制了一系列清洗建筑物玻璃的自动系统。对柏林新建火车站的巨大玻璃隧道进行了自动清洗。该机器人悬挂在水平的横向轨道上，可沿轨道左右移动，同时横向轨道可以沿垂直导槽上下移动，从而完成对整块玻璃的清洗。德国的Fraunhofer研究所研制了一种名为SIRIUSC壁面清洗机器人。该机器人作业时在机器人上方的建筑物顶部有一个随动小车，该小车除了起一个安全作用外，还是机器人位移的定位装置，机器人只能做上下运动，左右运动靠随动小车牵引实现。爬行机构是基于两队线性模块上，每个模块装有几个真空吸盘，每对模块有一个伺服电机驱动。除此以外，加拿大、德国、西班牙、以色列、新加坡、奥地利、俄罗斯、英国、澳大利亚等国家相继开展了壁面清洗机器人的研究。1.2.2 国内壁面清洗机器人研究现状国内爬壁机器人的研究虽然起步晚，但发展比较迅速。我国研究和发展机器人始于七十年代初。1975年在北京举办的日本科技展览会上，川崎重工公司首先在中国展出了工业机器人，以此为起点，我国掀起了第一个研制机器人的浪潮。自1988年以来，上海大学先后研制了玻璃窗清洗机器人和球形爬壁机器人。前者采用多层框架式机构，真空吸盘吸附，伺服电机驱动，但重量大，且没有装备清洗系统。后者采用腿足式移动机构，足端为带有裙边的铰接式真空吸盘，设计者从满足稳定性和控制复杂程度的综合，考虑到吸盘稳定性较差，安全性不是很好。此外，他们还在清洗装备和工艺做了较为深入的研究，并根据玻璃幕墙障碍的特点，开发了一种全方位越障机构，大幅度提高了机器人的越障能力。哈尔滨工业大学也是国内壁面移动机器人研究较早的单位，在国家“863”智能机器人的支持下，已经先后开发出两个系列共5个品种的爬壁机器人。较早完成的是轮式负压吸附壁面爬行遥控检查机器人。该机器人采用双轮进行驱动。主体下部是一个带有驱动轮的滑动密封式负压吸盘。清洗机构置于尾部，同时还设有卷扬机，地面支援小车等附属设施。由于密封装置采用柔性设计，对壁面的适应能力较强，可以在瓷砖壁面或大直径圆柱面上运动，但越障和面面转换能力较差1。北京航空航天大学自1996年以来，在国家“863”计划的大力资助下，先后研制成功了WASHMAN、CLEANBOT、SKYCLEAN、“灵巧型擦窗机器人”、“吊篮式擦窗机器人”、 “蓝天洁宝”等系列幕墙清洗机器人样机。前三种均为全自动清洗机器人，采用十字构型，为自主步行移动机器人，机器人运动和功能统一。其中CLEANBOT-的纵横气缸之间有一能做微小角度转动的腰关节，以实现机器人运动方向的调整。之后北航又推出蓝天洁士、型擦窗机器人2。2000年发展研制的“灵巧型擦窗机器人”类似于佐藤多秀研制的双车体机器人，但重量小的多，仅有20kg。该机器人本体结构采用具有滑动密封负压吸附装置的履带式驱动的双车体结构，能实现越障和曲面转换功能。2001年研制开发的“吊篮式擦窗机器人”则模拟人手擦窗的作业方式进行作业。“蓝天洁宝”属于被动清洗机器人，使用大面积负压吸盘吸附，利用风机产生真空，结构简单，工作效率高，具有很高的实用价值3。1.3高层建筑外墙清洗机发展趋势由于清洗工作环境及任务的特殊性，清洗爬壁机器人的总体设计要求相当苛刻。其总的设计原则是：减轻重量，降低造价，安全可靠，能适应多种建筑物表面，且要有足够高的清洗效率。从清洗机的工作环境来看，其主机可能有两个发展方向：其一：适用于平整瓷砖和玻璃幕墙清洗，它结构简单，易于控制，属小型轻量化。其二：适用于复杂墙面，如阶梯墙面，壁面多窗户的壁面清洗，它的结构、动作、控制都很复杂。其三：以壁面机器人为载体，配以专用的清洗机构，可以适应不同壁面机构2清洗机器人总体方案设计2.1 对楼顶楼面的实际考察在接受课题之后，为了顺利地完成我们的毕业设计任务，我查阅了多种关于高层建筑和以往对建筑物的清洗的相关资料，其中大部分是难以人工清洗的，因此设计开发高层建筑外墙清洗机是非常必要的。2.1.1楼面结构考察参观调查得到初步方案，清洗机主要由楼顶的随动小车和清洗主机部分组成，并且采用单片机控制。楼顶的随动小车在楼顶上预装的轨道上行走，可使悬吊的清洗机部件实现纵洗和横洗；清洗机部件利用风压使之贴在墙壁上，通过盘刷和滚刷完成清洗墙面的工作。因此，楼面情况就决定了我们如何设计轨道、变向、压紧和清洗液的输送、回收等问题。2.1.2 楼顶的实际考察几种典型建筑物楼顶结构如图1：图1 楼顶结构Figure 1The roof structure2.2 清洗机器人的总体方案根据清洗机器人清洗作业的要求，机器人首先必须具备清洗作业功能和控制功能，此外清洗机器人还必须在高层建筑物表面进行吸附和移动，因此清洗机器人系统应该包括机器人清洗系统、爬壁系统和控制系统三大部分。主机主要由箱体，支撑架，防护罩，刷子，电机，螺旋桨风压系统，齿轮传动系统等组成。，通过螺旋桨风压系统使主机吸附在墙面上，并使刷子压紧，产生一定的刷洗压力，通过电机带动刷子转动，达到刷洗的目的。主轴具有悬挂支撑架，悬架支撑架与悬架系统连接。可调式风压系统安装在悬架支撑架的后面。气压系统通过调节螺旋桨转速来控制清洗力。悬挂支撑架穿过圆形导轨，连接柜（安装在其上的两个圆盘），所有的清洁装置安装在机柜上。清洗系统由安装在悬置支架上的步进电机在90单元旋转实现横向冲洗。有两个圆盘状的清洁刷盒，刷的底部有12个清洗液注入孔 4 ，和另外两个圆柱形滚筒刷，在它的喷水孔前，安装一个柔软的擦板，清洗零件快速风干，避免清洗液腐蚀壁 5 。有一个电机通过锥齿轮箱将被转移到一个圆盘式清洁刷，然后通过齿轮传动系统将被转移到另一个磁盘上刷，所以在相反方向的两刷旋转，可以达到更好的清洗效果，圆柱滚子刷是由电机尾轴传动。悬挂支架上有保护盖，防止清洗液飞溅。水、清洗液、电机供电和控制电缆由复合电缆提供，复合电缆连接悬挂系统。在风压上用重物托架，用杆的重量可以移动 6 。通过调整配重可以调节系统的平衡，从而达到减振的效果。超声波传感器放置在洗衣机主体的上下部分用于边缘识别。该箱配有两对滚轮，该轮由电机驱动，实现前后运动，并通过转动箱实现旋转。2.3 清洗机器人清洗系统方案根据以上提出的技术性能及要求，初步确定清洗方案如下：第一种：结构简图如图2：此种方案采用负压履带吸盘式盘滚组合式清洗，由于受到墙表面材料的影响较大，一般情况下，每两块瓷砖之间都有45毫米的缝隙，密封不可靠。 图2 结构一 图3 结构二Figure 2 Structure of one Figure 3 Structure of two第二种：结构简图如图2：这种方案采用了风压式压紧，盘滚组合式清洗，清洗效率高，可靠性高，可以采用。但由于中间传动的需要，结构不对称,风扇的中心与刷子的中心不重合，刷洗压力不均匀，中心不稳定，容易引起震动问题。但可以考虑配重问题。第三种：结构简图如图4：图4 结构三Figure 4 Structure of three这种方案吸取了第二种方案的优点，传动的改变，使振动的问题减小，机体尺寸减小。这种方案为螺旋桨风压式高层建筑外墙清洗机，其优点是： 在清洗机外机架背后安装可调风压系统来提供连续均匀的清洗力，螺旋桨可调节转速来控制清洗压力； 机架内采用一清洗系统旋转装置，方便的实现了纵横两不同清洗方向的调整，减少非作业时间，增加了工作柔性，大大提高了工作效率； 应用两盘两滚相结合的清洗方式，清洗液和清水分别由盘刷和滚刷提供以达到最佳清洗效果。综合比较以上三种方案，根据设计要求，由于对于墙面的压力要求大，工作稳定，结构容易实现，最后我决定用第三种方案。2.4 清洗机器人爬壁系统方案该方案使主发动机通过螺旋桨风压系统吸附在墙壁的表面上，并且将盘式刷和辊刷按压以产生一定的刷洗压力。 旋转刷的轨迹是一个信封，它清洁墙壁7。 刷喷水为水，冲洗墙壁，避免清洗剂左墙腐蚀，同时盘式刷和滚刷由电机驱动，减轻主机清洗重量，提高清洁度，清洗效率倍增。由于采用两盘两滚结构可减少不必要的回程时间，以达到提高效率的目的8。2.5 其它部分方案2.5.1材料选择根据课题要求，总体重量越轻越好，由于使用清洗液，耐腐蚀性能也要好而且此产品是轻载荷，故材料首先选用铝合金材料及非金属材料9。整个及其涉及到齿轮减速器的地方，齿轮的材料经过筛选与比较采用聚甲醛（均聚），见金属机械加工工艺人员手册10P.244。本机的各个传动轴均采用硬质合金LY11。螺旋桨材料选用尼龙66 (聚己二酰己二胺)。机架的材料采用铝合金。其他机件的选择根据通常材料在重量最轻原则下进行确定。3 清洗机器人清洗系统设计3.1 清洗机器刷洗部分设计按照任务书设计要求：清洗速度0.2m2/s。3.1.1 盘刷设计1）盘刷采用在塑料体上在塑料毛的盘刷，其具有一定的弹性和刚度，可保证一定的压紧力来清洗墙面，同时若墙面有一定高度的凸出物，塑料毛有一定的弹性可以退让，顺利通过。刷子半径214，有毛半径208，刷毛长度为50，盘刷与联刷体可通过螺栓来装配连接。2）联刷体采用联刷体的目的：1 使电机与盘刷连接起来;2 使盘刷具有可换性；3 可调节盘刷与墙面的距离；联刷体保证与电机连接处的强度、材料应尽量轻，其结构如图5：图5 联刷体 Figure 5 Al the brush body3）盘刷的工艺性根据资料可知：刷类的刷毛是用制毛器植上的，其基本原理如下：在壳体刚注塑完时，趁着壳体还为硬化，用机械方法把刷毛植进去。把一撮毛（约四至五根）折弯，在根部装上一韧性卡子，用专门植毛机把毛插入未硬化的壳体内，卡子插入后，待壳体凝固，便把刷毛固定下来，这样整个植毛工艺就完成了11。根据上述原理，盘刷也可以采用这种方法制作，其技术要求：毛孔直径：2.5mm间距：5mm孔深：10 mm每孔刷毛密度：五根滚刷原理与上面相同3.1.2 滚刷设计采用在钢轴外面加套橡胶轴套，在橡胶轴上栽刷毛的方法做成，可通过调换橡胶套的方法调换滚刷，滚刷半径为106，有刷毛部分长度为940。滚刷结构如图6：图6 滚刷 Figure 6 Roller 为了控制的方便，减轻主机的重量，应尽量减轻电机的数量，所以盘刷、滚刷共用一双输出轴电机，中间用齿轮和V带传动；从经济的角度考虑，采用普通的三相电机，带动两盘两滚共四个清洗刷12。依据实际实验，取洗刷的压强为螺旋桨工作压力为20公斤力。四个角轮 分别承受3公斤力。盘滚刷均承受两公斤力刷毛与墙面的摩擦系数为0.10.2，取=0.15对盘刷求积分转矩为 : 1) 洗力矩：盘刷：两个刷子的转矩：滚刷：所需总的刷洗力矩：2) 初定盘刷转速：360r/min根据刷洗力矩，型号为Y2-802-6，额定功率550W,转速900r/min,平键420，保持转矩为9.8N.m(查GBM)3.1.3刷洗部分所用弹簧的设计1）弹簧的种类：采用圆柱螺旋压缩弹簧;2) 弹簧的材料：选用碳素弹簧钢；3）弹簧的设计计算1 根据机械设计手册取弹簧的工作圈数2 根据机械设计手册取弹簧丝直径：，允许极限负荷下的单圈变形：单圈刚度：弹簧节距：最大工作载荷：极限工作载荷：弹簧每圈展开长度：3 计算数据弹簧中径：弹簧内径：弹簧间隙：弹簧总展开长度：螺旋角：弹簧自由高度：允许极限负载时弹簧高度：弹簧旋向：左旋右旋均可3.2 内空心轴设计空心轴的一端连接盘刷体，另一端与水管相连，在盘刷体转动时，空心轴固定不动13，其结构如图7：图7 空心轴 Figure 7 Hollow axis工作时清洗液从中间的孔流出，喷到墙面上，几乎不受外力弯矩、扭矩，所以略去刚度、强度的计算。3.3 清洗机主机滚轮的设计当清洗机工作时，风机向后吹出强大的高速气流，把清洗机压向墙面，与墙面接触的盘刷和滚刷都为柔性件，太大的压力会使刷毛弯曲过多，损坏加剧，所以大部分压力应由滚轮来承担，同时也增大了滚轮与墙面之间的摩擦力。当电机驱动时，清洗机横向行走。所以滚轮与墙面之间应有良好的接触 ，不可打滑14。结构设计如下图8：图8 清洗机主机滚轮结构图 Figure 8 Cleaning machine host roller structure3.4 主机上传感器及行程开关的选择为了增强清洗机的自动化程度，实现远程控制，在清洗机主机上安装传感器，以识别墙面的材料，来确定清洗机的进退预停止。通过查手册传感器技术,选用德国TURCK公司生产的超声波传器，其特点：有效作用距离大，与被测物的颜色、周围环境无关，具有开关量和模拟量两种输出，有利于控制15。在清洗机主体的上下部安放超声波传感器，为了安全，在下边缘安装行程开关，结构可见总装配图。3.5复合缆的结构设计由于本机的复杂性，管线较多（包括清水管，清洗液管，电缆，数据线，控制线等），且为了安全性，设计复合缆。由于各个管路的功能不同，且方便控制，决定采用分开复合的方法16，结构如图9：图9复合揽结构图 Figure 9 Composite cable diagram钢丝绳是起重机上应用最广的挠性构件，其优点是：卷绕性好，承载能力大，对于冲击载荷的承受能力也强，卷绕过程中平稳，即使在卷绕速度高的情况下也无噪声，由于绳股各钢丝断裂是逐渐发生的，一般不会发生整股钢丝绳突然断裂，工作时比较安全可靠17。在本复合缆中选用的型号：GB1102-74所选钢丝绳的破断拉力应满足下面的条件： (1)钢丝绳破断拉力（公斤）钢丝绳工作时承受的最大静拉力（公斤）根据机构重要性，工作类型及载荷情况而定的钢丝绳安全系数。所选钢丝绳为8，由资料查得此型号钢丝绳破坏拉力为3130公斤。因此机构为轻级起重机构，所以选绳N=5。考虑整个清洗机，由于体积较小，重量较轻，最大的静拉力为400公斤。由公式(1)：所以选用的钢丝绳强度足够。4 清洗机器人风压系统设计4.1 采用风压的意义采用风压作为洗刷压力，可以避免因外墙材料和形状的变化对稳定性和可靠性的影响，即有障碍物，或者有突起，对压力影响不大，提高了可靠性，对建筑物外形形状的适应性也更强19。4.2 基本原理采用正压与负压相结合，利用偏心压紧，使清洗机的轮的一端先接触墙面，形成一个相对小的腔体，再利用悬吊系统，使清洗机逐渐靠近墙面同时，风机电扇的旋转，会使空气流动，与外界大气产生一定的压力差，从而产生一定的负压，使清洗机压紧墙面。空气流经由进口导流器、收敛器、进入风扇，在离心力的作用下，流出蜗壳，与机体相碰撞，会产生一定的压力，以减小空气流的速度。随着腔体的越来越小，和清洗液的涂抹，机体内的压强会越来越小，产生负压，使清洗机压紧墙面。当腔体很大时，空气会流通畅快，产生正压，使机体压紧墙面。随着腔体变小，空气流速度减小，正压减小，负压增强，调整电机转速，可得到所需的压力，使清洗机具有一定压力的贴在墙体表面，提供连续均匀的清洗力，通过调节螺旋桨的转速可以调节清洗力的大小 ，以达到最佳清洗效果。如对于玻璃墙面，采用低转速，对于砖墙，采用高转速，调速由电机的星三角转换完成20。4.3 气动计算的原始数据与技术要求原始数据给定为：箱体的长宽高=9451080540其中的充气体积为 V=2408033527=9451080540-2408033527=377460000mm3 =0.377m3螺旋桨初定选用参数：1. 螺旋桨直径D的选择：D约为1000mm.2. 所选电机：选用普通的三相电机，由于螺旋桨的要求转速较高，故选用风扇电机的功率为2.2103W，额定电压为380V，转速为780r/min3. 电机轴与螺旋桨直接用键和轴连接，轮毂和电机轴过盈配合由定位销定位。因螺旋桨的洗刷压力始终使螺旋桨压向电机，不会甩脱21。4. 被压缩气体进口条件下的容积效率为v =10%流量进口气体参数为：P0=1.01105Pa；T1=293K； C1=0.22m/s技术要求为：1.高效率；2.尺寸小，重量轻；3.变工况特性好；4.使用寿命要求在8000小时以上；5.结构合理，运行安全可靠。4.4风压部分力学计算风压部分的吸附物体表面的力源，其中进口导流器的作用是使气流以轴线方向或以所需方向进入下一级或固定容器，起着整流作用。收敛器的作用是使利用气体自中心向外缘流动过程中有效流动面积的增加和减小；来达到增压的目的，减小空气流的速度。风扇的作用是产生离心力，使空气向四周流动，增大空气流的动能，使其对机体产生较大的冲击力22。假设有1/10V的气体被抽出腔体，由气体连续性方程： (2)气体进口即进入导流器时的速度为：(3)忽略中间的损失，由气体连续方程公式(4.1)可得： (4)2即为气体进入风扇的进口速度。气体质量流率为：1 小时内的气体质量为电机功率为2.2kW由动能定理可得：(5)气体出口处与大气相通，速度一般为10-15m/s,取由流体力学动量定理知，单位时间内流出控制面的动量与流入控制面的动量的差值，等于作用于控制面内流体的全部外力之和23，即：(6)所产生的总的压力为：5 清洗机器人主要零件设计5.1 直齿轮副的设计计算5.1.1 齿轮的设计计算及强度校核电动机驱动的闭式直齿圆柱齿轮传动，标称功率P=1.5kW,小齿轮转速n1=1500r/min，传动比i=4.1许有4%的误差,长时工作，预期寿命五年，每年按200天计。工作有轻微冲击，齿轮对称布置。（1） 选材料确定初步参数 依据参考文献5表5-5选材料小齿轮：40Cr调质，平均取齿面硬度为260HBS大齿轮：45钢调质，平均取齿面硬度为230HBS（2） 初选齿数 取小齿轮齿数为=32，则大齿轮齿数为：园整，为使u为除不尽的数取 =129（3） 齿数比验算传动比误差，100%=1.7%允许（4） 选择齿宽系数d和传动精度等级 查参考文献5表5-8得齿宽系数d=0.275初估小齿轮直径则齿宽齿轮圆周速度： ,查参考文献5表5-4可选择精度等级为7级,（5） 计算小齿轮转矩(7)定重合度系数、 (8)由公式(8)定重合度 =1.88-3.2（1/32+1/129）=1.755分别由参考文献7中公式得=0.865=0.25+（6） 确定载荷系数、 (9)1) 使用系数 由参考文献6表10-2查表，取=1.352) 动载系数 由参考文献6图10-8可查得，=1.143) 齿向载荷分布系数,由参考文献6图10-4可取=1.294) 齿间载荷分配系数、根据条件查参考文献6表10-3得 =1/ Y=1/0.677=1.485) 载荷系数 、 由公式(9)可算得5.1.2 齿面接触疲劳强度计算（1） 确定许用应力1) 总工作时间：2) 应力循环次数N、N由参考文献6公式(10-13)及参考文献6表10-18可计算查得：3) 寿命系数、 由机械设计手册(第5版)图8.2-17取=1 =14) 接触疲劳极限 ： 由参考文献7图8.2-13取=630MPa，=490MPa5) 安全系数 ： 参照参考文献7照表8.2-13，取=16) 许用应力、：由参考文献7式(8.2-15)=（2） 弹性系数： 由参考文献7表8.2-11，取=190（3） 节点区域系数 ： 由参考文献7图8.2-12，取=2.5（4） 求所需小齿轮直径 由参考文献7式（8.2-11）=符合初估数值（5） 确定中心距、模数等主要几何参数1) 中心距a 初算中心距园整取中心距a =200mm2) 模数m 由中心距a及初选齿数、得按标准取m=2.5mm3) 分度圆直径、=m z=2.532=80mm=m =2.5129=322.5mm 取为=320mm4) 确定齿宽 取大齿轮齿宽=b=22mm,小齿轮齿宽=32mm5.1.3 齿根抗弯疲劳强度验算（1） 求许用弯曲应力 1) 应力循环次数 由以上计算可得 2) 寿命系数、 取= =1 3) 极限应力 、 由图9-21取：=220MPa =170MPa4) 尺寸系数 由参考文献7图8.2-26，取=15) 安全系数 参照参考文献7表8.2-13，取=1.56) 许用应力、 由参考文献7式(8.2-20)，许用弯曲应力：=（2） 齿形系数、 由参考文献7图9-19，取： =2.5=2.15（3） 应力修正系数、 由参考文献7图9-20，取：=1.63 =1.82（4）校核齿根抗弯曲疲劳强度 由参考文献7式（8.2-17），齿根弯曲应力 抗弯疲劳强度足够。5.1.4 齿面静强度计算(1) 确定许用接触应力：参照参考文献7表8.2-13，取静强度安全系数由参考文献7图8.2-17，取寿命系数于是由参考文献7式(8.2-21)，许用接触应力（大轮较低）(2) 校核齿面静强度 根据过载条件，由参考文献7式(8.2-21)，齿面最大接触应力齿面静强度足够。5.1.5 齿根（抗弯）静强度验算（1）确定许用弯曲应力 参照参考文献7表8.2-13，取静强度安全系数由参考文献7图8.2-25，取寿命系数于是由参考文献7式(8.2-22)，许用弯曲应力（2）求最大弯曲应力并校核强度 由参考文献7式(8.2-22)，最大弯曲应力 静强度满足要求。带动两个盘刷的齿轮对称布置5.2 锥齿轮副的设计计算根据参考文献6 2-369，材料选择聚甲醛（均聚），参照参考文献7第6卷5.2.1 基础尺寸确定由小锥齿轮所传递转距为,根据图2.4-14和图2.4-15选择小齿轮大端分度圆直径为，取大端模数。则齿数： 轴交角 分锥角 外锥距：齿宽系数取0.3，则齿宽： 取b=24mm齿顶高：齿根高：齿高：大端齿顶圆直径：(10)齿根角：齿顶角：顶锥角：根锥角：冠顶距：确定传动的精度等级初选平均切线速度由参考文献7Pg159 表8.2-5，选择传动等级为8级5.2.2 确定载荷系数K:使用系数,由已知条件查表8.2-9，取动载荷系数,由图8.2-6，取齿向载荷分布系数,按小锥齿轮悬臂24考虑取载荷系数5.2.3 齿面接触疲劳强度计算1 确定许用应力 寿命系数,由已知条件取安全系数,参照表258.2-13，取接触疲劳极限2 弹性系数3 节点区域系数 4 小齿轮所需大端分度圆直径,由参考文献7式(8.2-44) 5 验算速度平均直径： 平均线速度：6 确定模数m: 5.2.4 齿根抗弯疲劳强度计算（1） 确定许用弯曲应力 1) 寿命系数2) 安全系数3) 尺寸系数4) 极限应力,取5) 许用弯曲应力（2） 齿形系数, 1) 分锥角 2) 当量齿数: 3) 由参考文献7图8.2-19，取,4) 应力修正系数 由参考文献7图8.2-20 取，5) 校核齿根抗弯疲劳强度由参考文献7式8.2-46 (11) (12) (13)三式联立求得满足要求36 嵌入式控制系统设计本章节主要介绍机器人的嵌入式控制系统的设计方案，本文选用STM32作为核心控制芯片，STM32功能全面，资料丰富，是一款非常成熟的单片控制芯片。本文为了可以远程控制机器人清洗工作，采用SIM900A无线收发信号，控制机器人的工作，并在远端通过LCD1602显示当前机器人的工作状态。6.1 系统总体框架6.1.1系统总体结构本文的系统框架如图3-1所示，分为两块，控制模块和驱动模块，控制模块与驱动模块之间通过GPRS进行通讯，通过不同的信号触发GPRS发送不同的指令，例如上升，下降，静止等动作，电机的转速有L298驱动芯片控制，通过PWM脉冲来驱使，同时，电机的正转反转是通过控制电平的正反来实现的。图6.1 整体框架图6.1.2 系统功能说明本章设计的嵌入式系统主要有如下功能：（1）主控制板和驱动板之间通过GPRS进行通讯。（2）主控制板可以通过按键，触发GPRS发出不同的信号，从而使的电机作出不同的动作。（3）驱动板主要根据主控板发来的信号驱动运行，控制滚刷、盘刷和风扇的转动。6.2硬件模块设计6.2.1 电源设计本系统中，stm32核心板外接+24V电源，核心板通过电源转换模块将电压转换为+12V，+5V和+3.3V，+5V用于给超声波探测模块供电，+3.3V用于给核心板的最小系统供电。其中24V转12V选择使用TI公司的TPS5450DDA芯片，TPS5450DDA是宽输入的开关频率为500KHz的开关型降压转换器，输入电压为5.5V36V，可输出5A的电流，转换后的电压精度能达到1.5%，该芯片能适应复杂环境的使用。24V转12V的电路图如图3.2所示：图6.2 24V-12V电源转换电路在得到+12V电源后，利用LM2596将其转换为+5V，LM2596是电源管理单片电路，驱动电流能达到3A，具有负载调节特性。转换电路如图3.3所示：图6.3 12V-5V电源转换电路再利用AMS1117将+5V转换为+3V，AMS1117是线性的电源，文波比较小，转换电路如图3.4所示：图6.4 5V-3.3V电源转换电路6.2.2 核心板设计核心板是整个系统连接上下位的枢纽部分，负责完成下位数据的处理，以及与上位的通信驱动。为了安装方便以及电源稳定性，我们将系统电源模块嵌入到核心板部分。除此之外，核心板包括STM32最小系统模块，GPRS驱动模块，LCD1602显示、485通信模块以及一些预留I/O接口和串口接口，核心板的结构如图6.5所示。图6.5 核心板结构示意图1. STM32最小系统STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品。意法半导体 (ST) 集团于1987年6月成立，是由意大利的 SGS 微电子公司和法国 Thomson 半导体公司合并而成。1998年5月，SGS-THOMSON 将公司名称改为意法半导体有限公司。微控制器是嵌入式系统的核心部分，本文中核心板使用的是ST公司的STM32F103ZET6型号的控制芯片，该芯片具有如下优点：（1）具有先进架构的Cortex-M3核 使用Thumb-2指令集，内置了快速的中断控制制器，提供优越的实时性能，拥有单周期乘法指令和硬件除法指令。（2）优秀的功耗控制 在运行模式下高效率的动态耗电机制，在待机状态的功耗极低，电池供电下的低电压工作能力。（3）丰富的外设资源 可用I/O最多可达到118个；两个IIC接口；5个串口；3个SPI口；还有很多其他功能接口，资源相当丰富。（4）开发方便快速 STM32具有完备的开发固件库和开发工具集，开发容易方便，降低开发时间，提高了开发效率。2. GPRS驱动模块本文选择的是sim900AGPRS通信模块，其功能框图如下所示：图6.6 SIM900A功能框图控制板通过RS232控制GPRS模块的运行，本文通过MAX3232芯片进行电平转换，其电路如图6.8（a）所示，由于实际应用中发现，GPRS模块偶尔会产生死机现象，于是，在控制板中加入了GPRS模块重启电路，若GPRS死机，则进行断电处理，控制电路如图3.8（b）所示。图6.7（a）RS232电平转换电路图6.7（b）GPRS重启控制电路6.2.3 驱动板的设计驱动板主要就是电机驱动模块的设计，其主要分为单片机控制模块，L298电机驱动模块，占空比显示模块，运行方式设置模块。图6.8 直流电机驱动方式（1） 电机驱动模块L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。图6.9 L298驱动电路示意图 (2) 显示模块本文采用LCD1602模块作为显示模块，主要用来显示当前电机的占空比，当前运行模式等状态信息，便于用户远程操控。为了方便现场检测调试设备，系统在核心板上设计了数据显示功能，采用LCD1602液晶显示屏，LCD1602显示模块是一种专门用于显示字符、数字、符号等点阵式LCD，显示容量16*2行，芯片最佳工作电压4.5-5V，本文采用的LCD1602是带背光的16脚接口，其内部控制器共有11条控制指令，如表3.1所示，其中D0-D7是8位双向数据线，RS为寄存器选择引脚，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器。序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容表6.1 LCD1602控制命令表LCD1602显示屏使用简单，直接与微控制器相关引脚连接即可使用，其电路图如图3.7所示:图6.10 LCD1602电路图6.3 软件设计6.3.1 系统软件框图核心板上电初始化后，将不停扫描键盘状态，如果有键盘输入，则判操作要求进行对应的GPRS指令发送。风扇和刷子的电机速度都可以控制，LCD上将显示机器人的运作方向和电机运行速度。图6-11 核心板软件框架图6.3.2驱动板程序驱动板在上电初始化后，将反复检测GPRS缓冲区中是否收到对应的控制板的指令，如果收到作出对应的驱动动作。图6.12 驱动板程序框图7 结论（一）总结高层壁面清洗机器人是一个实用性很强的项目，自从本世纪六十年代以来，爬壁机器人及其相关技术受到人们的广泛关注。作为高层建筑清洗用的爬壁机器人来说，结构设计虽然设计虽然百花齐放，但在真正能用于实际工作方面的具体设计并不多。本文针对壁面作业的特殊情况，在国内外壁面自主移动机器人研究的基础上，设计出一种风压吸附、单片机控制、自主移动的清洗机器人，本文主要进行了一下几方面的工作得出了结论。1) 设计了清洗机器人的清洗系统。考虑到机器人的作业环境、清洗效率和环保要求，整个清洗作业系统包括滚刷系统、盘刷系统、喷淋系统，并采用冲洗、双刷洗联合作用的清洁作用方式。用于双刷洗，有利于提高对水的利用率和清洗机器人的效率，减轻清洗机器人负载的重量2) 设计出清洗机器人的移动和吸附系统。整个移动吸附系统包括移动机构设计、驱动系统设计和风压吸附设计。本文采用四轮小车结构、螺旋叶风压组以及使用电驱动方式，有效的满足负载承受能力、自由移动、越障和吸附功能。 3) 设计除了机器人控制系统，通过stm32作为核心芯片，GPRS作为通信手段，实现远程控制机器人运作的控制。控制了系统的成本。（二）进一步展望本次毕业设计的题目是墙壁清洗机器人的设计，我认为本课题所涉及的领域是一个比较新颖的领域，是一个现今还需要大量新的思想进入的领域，是一个有着远大发展前景的领域，在工业、信息处理、通讯、航空航天、医学和生物工程都有着潜在的巨大应用前景的领域。而且我认为有必要在以下几个方面继续研究，以使得该领域获得更好的发展。 （1）设计出更好的简单结构以完成既定的所需求的功能。 （2）在条件所允许的情况下，考虑现实因素，增加试验过程中的试验因素，比如路灯杆的清洗功能测试、抗振测试、以及故障测试等等，同时以经济性、实用性作为试验指标，设计优化试验。 （3）选择更加合适的橡胶，使机器人在攀爬的时候获得更大的摩擦力和抗老化能力，以及改善夹爪橡胶的安装方式，使之更加方便。 （4）选择更加合适的电动机或者说使用搭配的电动机驱动，从而提升机器人的搭载能力。 （6）完善搭载平台结构的设计，使之成为一个能够搭载各种功能设备的搭载平台，为高空作业提供支持。参考文献1 于今, 刘雪飞. 一种新型爬壁机器人研究J. 液压与气动, 2010, (10), 2003:22-262 吴成东, 赵博宇, 陈莉. 一种基于DSP的爬壁机器人控制系统设计J. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2002:21-343 黄之峰, 王鹏飞, 李满天等. 基于柔性静电吸附技术的爬壁机器人研究J. 机械设计与制造. 2004:33-454 刘明芹, 戴永雄, 黄文攀等. 小型吸附式爬壁机器人机械结构及平衡性J. 机械设计与制造. 2011:34-405 马秋生. 机械设计基础M. 北京：机械工业出版社. 2010:37-506 濮良贵, 纪名刚. 机械设计(第八版)M. 北京：高等教育出版社. 2006:27-357 闻邦椿. 机械设计手册(第5版)M. 北京：机械工业出版社. 2010:35-678 杨老记,李俊武. 简明机械制图手册M. 北京：机械工业出版社. 2008:44-529 段正澄. 光机电一体化技术手册（上）M. 北京：机械工业出版社. 2010:23-3510 谈力士, 沈林勇. 垂直壁面行走机器人系统研制J. 机器人, 2004: 242-247.11 廖广奎，飞机清洗机器人“SKYWASH”J. 机器人技术与应用，1996:12-14.12 郑春崎. 国外机器人在建筑行业中的应用J. 沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2005:301-306.13 王积伟, 章宏甲, 黄谊. 液压与气压传动M. 北京：机械工业出版社, 2005:56-8814 杨建元. 吸附性爬壁机器人研究D. 西安：西安工业大学, 2007:23-88.15 唐伯雁. 自攀爬幕墙清洗机器人机械机构的设计与研究D. 北京：北京工业大学, 2005:34-7816 胡启宝. 多吸盘式玻璃幕墙清洗机器人本体设计D. 上海：上海大交通学, 2007:34-6717 张海洪. 机器人壁面自动清洗系统的工程研究D. 上海：上海大学出版社, 2001:12-3518 张铁. 机器人学M. 广州：华南理工大学出版社. 2001：23-66.19 王荣华. 爬壁机器人设计及动力性能研究D. 沈阳大学, 2007:156-17820 钱志源. 带滑动式吸盘的爬壁机器人运动特性分析及其应用研究D. 上海：交通大学, 2006:145-167.21 吴宗泽, 罗圣国. 机械设计课程设计手册M. 北京：高等教育出版社, 2003:1-163.22 吴洪兴, 赵言正, 高学山. 高楼玻璃幕墙清洗机器人作业系统的研究J. 哈尔滨理工大学学报, 2002:34-7823 谢存禧, 张铁. 机器人技术及其应用M. 北京：机械工业出版社, 2005:112-13424 陈敏华. 机器人机构的优化综合J. 机械设计, 2003:44-57.25 A.Nishi. 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Linear Inequalities and Related Systems . 1956致 谢四年的大学生活匆匆而过，大学生活中的最后一项学习任务也即将结束。在这四年的大学生活中，我始终生活在老师的关怀和同学的帮助之中，尤其在这次毕业设计的过程中，我更是深深感受了这一点。本文是在熊瑛老师的精心指导下完成的。从毕业设计的选题到论文的结构，再到论文的表述规范，熊老师都给予了非常悉心的知道和严格的要求。在整个毕业设计的过程中，熊老师总是一丝不苟，不辞辛苦，按时为我们几个学生做精心的指导和监督。在这次毕业设计的过程中，国老师留给我最深的影响是老师她一心一意为学生负责的态度，令我深深敬佩。同时感谢我的同学，在相互的探讨中，使我受益匪浅，再他们的言语之中我也学到了一些新的知识，对课题有了更深层次的理解，对本次的设计来说是相当重要的。在此，我感谢他们对我的无私帮助。我一直对我的老师心存感激，在这毕业设计即将结束的时候，我再一次对帮助我的老师们表示衷心的感谢，感谢老师们给我无私的帮助和严格的要求。附件系统主要代码：LCD1602显示代码：/*写指令函数* void LCD_write_command(uchar cmd)DATAOUT=cmd; LCD_RS_0;/指令 LCD_RW_0;/写入 LCD_EN_1;/允许 LCD_EN_0; delay_nus(400); /*写数据函数* void LCD_write_data(uchar dat) DATAOUT=dat; LCD_RS_1;/数据 delay_nus(1); LCD_RW_0;/写入 delay_nus(1); LCD_EN_1;/允许 delay_nus(300); LCD_EN_0; /*初始化函数* void LCD_init(void) delay_nms(100); LCD_write_command(0x38);/设置8位格式，2行，5x7 delay_nms(10); LCD_write_command(0x0c); delay_nms(10); LCD_write_command(0x06);delay_nms(10); LCD_write_command(0x01);/整体显示，关光标，不闪烁 delay_nms(100); /*显示一个字符函数*void LCD_write_char(uchar x,uchar y,uchar dat) uchar address; if(y=0) address=0x80+x; else address=0xc0+x; LCD_write_command(address); LCD_write_data(dat); /*/*显示一个字符串*void LCD_write_str(uint x,uint y,uchar str) uint i=0; uint address; uint n = 0; if(y=0) address=0x80+x; else address=0xc0+x; LCD_write_command(address); while(stri!=0)LCD_write_data(stri);+i; /*清屏函数*void LCD_clear(void) LCD_write_command(0x01); delay_nms(5);void LCD_data_conver(void)void LCD_display()int wl2=0,pr3=0,tem2=0,rn2=0;GPRS代码：void Delay(unsigned short time) unsigned short i, j;for(; time 0; time-) for(j = 0; j 10; j+) for(i = 0; i GPRS_TCP_LINK_ERR_LIMIT)prints(exceed the limits of link errorrn);gprs_server_state = GPRS_SERVER_FINISH; / GPRS网络或服务器网络故障，放弃本次数据发送return;gprs_tcp_link = 0;switch(ret)case GPRS_STATUS_PDP_DEACT :module_status = 0;break;case GPRS_STATUS_IP_INITIAL :m