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1 山东英才学院 本科毕业设计（论文） 题 目 中央空调管道清洁机器人 学 院 机电学院 专业班级 1503 学生姓名 王永恒 学 号 201501010771 指导教师 段辉 日 期 2019 年 月 日 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） I 摘 要 随着科技的发展,中央空调为人们创造舒适环境的同时却又带来了隐患。 “空调病”患者逐渐增多,造成这样原因的就是中央空调管道的并不能得到及时 清洗， 这让人体健康受到了极大伤害。另一个方面的影响是不洁净的空调管道还 会让制冷效果下降,使得大量的能源被浪费。故制造中央空调管道清洗机器人目 前刻不容缓。 本文阐述了国内外中央空调清洁机器人的发展状况， 讲明了本课题的研究背 景及意义，进行了中央空调管道清洗机器人的机械结构的研究设计，并针对现存 情况,本文研制出一种具有自适应可调型空调管道清扫机器人,通过更换不用的 刷头及履带足自变位系统机器人能够满足方管、圆管管道的清扫工作要求。通过 履带足上的电磁铁的通断电能够实现水平与垂直上升的工作要求。 通过 CCD 彩色 摄像机能实现控制人员的实时监控。 所设计的中央空调管道清洗机器人最终实现了不同管径、 不同管道的清洗工 作，完成了自适应功能，实现了机器人小型化、轻量化的要求，更适应目前国内 的发展形势。 关键词：自适应；结构设计；受力分析 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） II Abstract With the development of technology, central air-conditioning creates a comfortable environment for people while bringing hidden dangers. The number of patients with air-conditioning disease has gradually increased. The reason for this is that the central air-conditioning ducts cannot be cleaned in time, which is extremely harmful to the health of the body. Another aspect of the impact is that unclean air conditioning ducts will also reduce the cooling effect, causing a large amount of energy to be wasted. Therefore, it is urgent to manufacture a central air-conditioning pipe cleaning robot. This paper expounds the development status of central air-conditioning cleaning robots at home and abroad, explains the research background and significance of this topic, and carries out the research and design of the mechanical structure of central air-conditioning pipe cleaning robots, and develops a self-contained It can adapt to the adjustable air conditioning pipe cleaning robot. It can meet the cleaning requirements of square pipe and round pipe by replacing the unused brush head and the track foot self-displacement system robot. The horizontal and vertical rise of the working requirements can be achieved by the on and off of the electromagnet on the track foot. The real-time monitoring of the control personnel can be realized by the CCD color camera. The designed central air-conditioning pipe cleaning robot finally realized the cleaning work of different pipe diameters and different pipes, completed the adaptive function, realized the requirements of miniaturization and light weight of the robot, and better adapted to the current domestic development situation. Keywords: adaptive；structural design；stress analysis 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） III 目录 摘 要. I Abstract . II 1 绪论. 1 1.1 设计意义及发展现状. 1 1.2 国内中央空调管道清洗机器人的研究现状及存在的弊端. 1 1.3 本章小结 . 2 2 中央空调管道清洗机人的整体设计. 3 2.1 机器人功能的总体设计方案 . 3 2.2 清洗机器人的尺寸及参数要求 . 3 2.3 清洗机器人的系统组成及功能 . 3 2.4 模拟清洗机器人的工作状态 . 4 2.5 本章小结 . 4 3 中央空调管道清洗机器人移动部分的结构设计. 5 3.1 清洗机器人整体尺寸大小的确定 . 5 3.2 机器人移动方式的选择 . 5 3.3 机器人履带爬壁的力学分析. 6 3.3.1 爬壁时静态力学分析. 7 3.3.2 爬壁时运动力学分析. 7 3.4 机器人履带足的选择. 8 3.4.1 驱动电机的选择. 8 3.4.2 驱动电机的选择计算. 9 3.5 机器人履带的强度校核 . 11 3.6 本章小结 . 12 4 中央空调管道清洗机器人清洗部分的结构设计. 13 4.1 清洗臂升降结构的设计 . 13 4.2 清洗刷驱动电机的确定 . 14 4.3 本章小结 . 15 5 机器人自适应装置的设计及监控设备的选择. 16 5.1 履带足变位装置 . 16 5.2 刷头更换装置 . 17 5.3 中央空调管道清洗机器人照明和检测装置. 17 5.4 本章小结 . 18 6 机器人工作时的受力分析. 19 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） IV 6.1 机器人移动机构动力学分析. 19 6.2 机器人直线运动状态分析. 20 6.3 机器人在管道中移动时拖线阻力的分析 . 22 6.4. 机器人越障极限状态分析 . 24 6.5 机器人爬坡和跨越沟道能力的研究 . 25 6.6 机器人在管道内转弯时的通过性分析 . 26 6.6.1 机器人在水平直角弯管的通过性分析. 26 6.6.2 机器人在矩形管斜接弯头的通过性分析. 27 6.6.3 机器人在圆弧形弯头的通过性分析. 28 6.7 机器人转弯半径的研究 . 29 6.8 本章小结 . 30 7 总结. 31 参考文献. 32 致谢. 33 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 1 1 绪论 1.1 设计意义及发展现状 随着现代社会的发展，科技步入了人们的生活。空调系统在人们的日常生活 中已经发挥了越来越重要的作用。中央空调系统控制着楼内空气的更新代谢，被 称为“建筑物之肺” 。而中央空调管道在清洗工作中则会积聚许多粉尘或病菌及 放射物等，这些对人体有害的东西在送风进行中很容易的便感染了空气，并且长 期被人体吸入， 会极大地危害大众的身体。 因此， 人们在要求提高生活质量同时， 对于提高工作及居住场所的环境质量的呼声也越来越急迫。正是因为这样，中央 空调管道清洗行业也必将成为一个中国新兴的还将有着巨大潜力的发展行业， 对 中央空调管道清洁机器人的研究更是具有很高的社会价值及其商业价值。 在国外一些发达的国家， 对于中央空调管道的清洁颁布了较为严格的使用期 限及清洗法律,例如美国国家管道清洗协会制定的行业标准暖通管道空调系统 的评估、清洗及修复标准 ，而日本制定了日本风道管道清洗协会技术标准 。 医院、 学校等需要每年清洗一次。类似的法律的产生完全可以预见将来空调法将 在世界各地开始实施。 目前， 许多发达国家均成立建设了中央空调管道清洗协会, 如美国、英国的、瑞典的等等,已经形成了一个非常具体的行业。据相关数据统 计,目前国际上生产管道清洗机器人的公司已不下 20 家,如瑞典的,加拿大的， 美 国的与韩国的，英国的等。一些比较成熟并且具有代表性的生产产品如图 1-1 所示。 图 1-1 国外较为典型的管道清扫机器人 1.2 国内中央空调管道清洗机器人的研究现状及存在的弊端 相较于国外,我国目前中央空调的应用正处于稳步发展中。2004 年我国第一 台管道清洗机器人由中科院兰州分院研发成功。据资料分析,其研制的清洗机器 人样机实际是根据矩形空调通管道的规格设计的,它具有对管道内污染情况实施 观察、在管道中行走、对污染物及时进行清洁的功能。这之后管道清洗机器人行 业已经取得了较大的发展。 如清华大学、 浙江大学、 东华大学、 哈尔滨工业大学、 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 2 深圳大学等,已经取得一定的成果。而东华大学独立研制的中国的、首个能完全 拥有自主知识产权的“自主变位的四履带足机器人”如图 1-2 所示,此机器人凭 借着四个独立的的运动支脚,实现在空调管道内灵活的移动,还能完成如越沟、 直 立、爬坡等这些高难度动作。而举升式的清洗臂可以适应于各种尺寸、各种形状 的管道，同时自带的彩色摄像头则能够让操作人员随时监控机器人的清扫效果。 可更换的清洗刷能够适应于各种形状的管道并进行清洗。 此机器人采用多电机驱 动的技术,从而实现了结构简单,可靠性好优点。 图 1-2 东华大学自主变位四履带足机器人 中央空调系统管道一般选用圆管,使其易于清洗,并且各种形状管道的尺寸 规格等都有明确的标准,加上空调系统的维护与保养也较为到位,使得管道内脏 乱程度相对于国内较低。 而国内的管道制作极为不规范,管道设计规格多,且经常 存在变径的情况,再加上空气质量普遍较差,造成管道内比较脏，造成清洗难度 大。 并且设备本身而言就很少针对中国的空调管道的一些具体情况做出相适应的 设计,造成在国内工作效果并不理想。另外国外的管道清洗机器人设备价格较为 昂贵,使得一般清洗服务单位实在很难承受。 针对这些急需的情况,本文研究设计 出了一种自适应型管道清洗机器人,它实现了满足各种形状和尺寸的管道的清扫 工作的要求,并且本文还对其各种运动状态及其受力情况进行了分析。 1.3 本章小结 本章主要介绍了所选的课题的来源以及研究背景,阐明了中央空调管道污染 所造成的严重性以及定期清洗的必要性,并且说明了目前国内外中央空调管道系 统清洗状况,引出了本课题的核心，即如何制造适应于国内中央空调管道的清洗 机器人，并说明了本次课题研究的主要内容。 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 3 2 中央空调管道清洗机人的整体设计 2.1 机器人功能的总体设计方案 本文所研究并且设计的中央空调管道清洗机器人所要完成的主要任务是实 现不同规格的中央空调管道的清扫及检测工作。目前大部分管道采用矩形管道, 而圆形管道则是符合了我国中央空调送风系统清洗行业达到规范化的趋势,所以 从现实和前景来综合考虑,本文所研制的清洗机器人是有自适应型结构的机器人, 这种结构使它能够在不同的形状和尺寸的管道中正常工作,同时也确保清洗机器 人系统的灵活性、可靠性以及清洗作业装置的高效率性,并要实现在此基础上, 尽可能的使整个设置实现小型化和操作方便合理化,要使其具备一定的转弯、爬 坡和越障能力。为了实现管道机器人的自适应性,本文所研制的机器人采用履带 足变位装置，通过连接杆的角度变化可以实现在矩形管和圆管中的清洗工作。通 过更换底部履带足与吸盘底则可以实现在水平管与垂直管中的行走。 同时清扫臂 举升机构采用丝杆结构，通过电动机的正反转可以实现升高或降低。另外，通过 清洗臂的刷头转化装置则可以更换清洗刷， 从而使该管道清洗机器人能够适应各 种不同类型和尺寸的管道。 2.2 清洗机器人的尺寸及参数要求 为尽可能使整个系统小型化及操作合理方便, 能够稳定运行并且具有一定 的越障、和爬坡自适应能力。顺利完成清扫作业任务。现对清洗机器人系统提出 以下性能参数指标： （1）机器人主体尺寸 340*292*156（mm） （2）清洗高度范围：200-600（mm） （3）机器人自重：6kg （4）最大行走速度：12m/min （5）最大爬坡角度：30 （6）最大工作行程：30m （7）驱动方式：直流电机 （8）行走方式：履带式 （9）最小回转半径：146mm （10）工作时间：8 小时 （11）控制方式：电缆线连接清洗机器人传输信号 2.3 清洗机器人的系统组成及功能 为保障清洗机器人能够顺利、高效的完成清洗任务。于是机器人具有以下功 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 4 能模块： （1）移动模块； （2）清洗模块； （3）控制模块； （4）驱动模块； （5）监控模块； （6）自适应模块。 2.4 模拟清洗机器人的工作状态 （1）根据所给出需要洗管道的建筑图纸,根据实际情况制定详细的清洗方 案。 （2）在适当位置开施工口,放入管道清洗机器人。 （3）根据矩形管或是圆管，更换相适应的清洗刷。另外还需要调节履带足 的角度，使之实现自适应性。通过连接杆可以改变履带足的角度，使之适应于圆 管。 （4）根据水平管道或垂直管道，可以将底部履带足上的电磁铁通电，将机 器人的水平运动改为垂直运动，实现自适应性。 （5）在机器人行走的过程中，工作人员可以通过监控摄像头确定机器人的 工作状态并进行及时的调整。 2.5 本章小结 本章主要介绍了本文所设计的中央空调管道清洗机器人总体设计方案,提出 了其具体参数及工作指标,并阐述了管道机器人各个组成单位间的关系及主要作 用及各模块的功能。 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 5 3 中央空调管道清洗机器人移动部分的结构设计 3.1 清洗机器人整体尺寸大小的确定 要完成机器人的自适应性，则要保证他在各种尺寸的管道中能够正常工作， 根据实际情况而言， 机器人较容易出现不能正常工作的地方即卡死的地方是直角 弯管。 图 3-1（a） 图 3-1（b） 计算机器人通过率时，需计算两种极限情况。 第一种如图 3-1（a）所示，当机器人的前后两端处于弯管的直管部分时，机 器人的宽度 d 及长度 L 应满足下式： max 0(/ 2)cos45(/ 2) (/ 2)sin45(/ 2)cos45 dRDRD LRDRDd + =+ （3-1） 要使(R+D/2)cos45 （R-D/2）0，则弯管曲率半径 L 与空调管道直径 D 应满足 R/D3,而在实际生活弯管曲率半径通常大于 3m， 管道直径小于 600mm， 所以第一种情况可以排除。 第二种如图 3-1（b）所示，当机器人的前后两端处于弯管的弯管部分时，机 器人的宽度 d 及长度 L 应满足下式： 22 max 0 2 (/2)(/2) dD LRDRDd =+ （3-2） 由这两个公式，将机器人长度 L、管道宽度 D、及机器人宽度 d 代入式中， 可得机器人长度最大长度 L513mm。综合考虑机器人的性能且要实现小型化， 故最终确定尺寸为 340294156（mm） 3.2 机器人移动方式的选择 目前国内外的中央空调管道清洗机器人的移动实现形式主要采用车轮式、 腿 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 6 足式、履带式、蛇行式等,根据具体情况的不同来分别选用合适的移动机构。其 中车轮式、腿足式和履带式这三种移动方式较为实用，因为它们结构简单、易于 安装与控制，故应用也最多的。本文为了优选移动方式,对这三种移动方式的优 势劣势进行了对比。详情见下表 3-2。 表 3-2 车轮式、履带式、腿足式移动方式的比较 根据这三种行走方式综合考虑， 本文的中央空调管道清洗机器人选用履带足 行走机构。因为履带式行走机构具有较大的稳定性,支撑面积大,越障能力较强, 符合本文的多适应性原则。 本文中履带式行走机构由两个各装有一个驱动电机的 履带足控制移动。通过点击的正反转及单个电机的驱动就可以实现机器人的前 进、后退及转弯。 3.3 机器人履带爬壁的力学分析 根据本文设计的设计方案、设计指标以及设计准则，这一节进行相适应的力 学分析，确保机器人能够完成设计目标，实现设计目的。并且为下一节的结构设 计提供必要的设计参数。 本文采用静电吸附原理实现机器人的爬壁运动。 静电吸附是指对导电电极施 加高压静电从而在电极上产生出大量自由电荷， 利用自由电荷所激发的高压强电 场促使吸附单元磁化，进而实现吸附。以铝箔为吸附电极，两端覆以绝缘层，防 止电荷流失及受外界环境影响。 要实现在垂直壁面上的运动，要完成“吸附” 、 “移动”这两方面。首先，根 据“爬壁”这一特性来进行力学分析，为了使机器人能够在垂直壁上行走，需要 对垂直避免上的近期人进行静态的受力分析：其次，要对其移动状态进行受力分 析，用来确定电机的转矩及履带轮的设计，确定电机的型号及参数，进而进行设 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 7 计。 3.3.1 爬壁时静态力学分析 由于机器人在垂直壁面上的失效形式是是沿壁面下滑， 于是就此进行分析计 算。计算极限条件，要使机器人刚好下滑，有以下计算： 0 mii i FN NG = （3-3） 由此式可推地： / mi G Fn （3-4） G爬壁机器人一半的重量，G=29.4N i N壁面对履带上一个吸附单元的支持力，N mi F履带上一个吸附单元对壁面的吸附力，N 一个吸附单元对壁面的摩擦力,=0.5 n单边履带上有吸附作用的个数，n=9 将数值代入，可得7 mi FN,单个吸附单元对壁面产生的吸附力7 mi FN。 由此可知，单个吸附单元的最小吸附力约为 7N，考虑到一些不确定因素， 需要适当的提高机器人与壁面的吸附力，但同时吸附力增大，会增大电机的输出 扭矩，导致爬壁机器人的体积增大，综合考虑，采用的单个吸附单元最小吸附力 为 F=15N。 由于吸附装置需要配套在同步带上，所以其长度有一定的限制，但是考虑到 吸附张志需要支撑整个爬壁机器人，所以希望吸附的长度尽可能长些，以保证爬 壁机器人的稳定性，所以按要求选择的电磁铁的长度接近同步带的宽度为 37mm。 整 个 电 磁 铁 的 总 体 尺 寸 为 203510mm 。 此 标 准 的 电 磁 铁 吸 附 力 23.615FNN=，故满足爬壁的条件。 3.3.2 爬壁时运动力学分析 首先分析基本的单电极吸附模式，如图 3-3 所示，为使机器人在垂直壁面 上运动，需要所选用的电机提供足够的动力，下面进行必要的计算，从而确定电 机的参数及型号。 1.机器人向上爬行时的受力分析 向上爬行时， 机器人单侧的输出力矩应该克服履带最下端的吸附单元的吸附 力 mn F以及支持力 mn N形成的阻力 f M及重力产生的力矩 G M。 （H=机器人重心离 壁面的距离，取 100mm）即： 0 QfG MMM= （3-5） 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 8 Qm MaFGH+ （3-6） 式中 a吸附力与支持力的距离，取最大值 a=10mm（吸附装置宽度 a=20mm） 所以1.575 Q Mn m= 2. 机器人向下爬行时的受力分析 清洗机器人向下运动时， 相比向上运动时需要一个制动力矩来防止机器人下 滑，做出受力分析： （ f M为摩擦阻力矩， Q M电机提供的转矩， G M重力产生的 力矩） 0 QfG MMM+= （3-7） 此时可以很明显的发现，相比之下，向上爬行的所需电机力矩更大一些。 故确定了此管道清洗机器人的履带足上最小吸附力 Fm=15N，履带足上的电 机所需的输出转矩 Q M1.575N.m。下一段将根据这个选择履带中的电机。 3.4 机器人履带足的选择 3.4.1 驱动电机的选择 目前，国内外一致将机器人驱动方式分为：电机驱动、液压驱动、电磁驱动 及气动驱动等。横向做出以下比较。 表 3-4-1 驱动方式的比较 综合本课题所研究的中央空调管道清洗机器人， 要实现在密封狭小的工作环 境中正常工作，又要实现小型化、轻量化且成本较低，完全可以满足所需的工作 条件，故最终选用电机驱动。 而电机驱动目前又分为交流电机、 直流电机和步进电机。 下面做出比较选择： 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 9 根据本文的实际要求，要达到有较大的转矩，且实现较为复杂的速度变化， 具有较快的响应能力，有较大的负载能力，且要对电机进行灵活的控制机调速， 故应选择控制类电机， 根据本文设计的机器人索要满足的结构条件及所要适应的 工作环境综合考虑，满足这些要求的，即选用直流伺服电机。 3.4.2 驱动电机的选择计算 根据机器人的设计要求，我们选取机器人移动的最大速度为 Vmax=12m/min，综合考虑清洗机器人的安装尺寸及性能要求等方面的因素，拟选 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 10 定的同步带轮的直径为 d=45mm，此时，主动带轮最大的转速为： 12 84.9 /min 3.14 0.045 V nr d = （3-8） 根据实际情况，设电缆的质量 0 M=2kg,与管壁间的摩擦系数=0.5,此时拖 动电缆所需的力 00 0.5 2 9.89.8FM gN= =。而爬坡阻力为 1 sinFMg=式 中，M 为机器人质量，6Mkg=，为机器人最大爬坡角度，=30。故爬坡阻 力 1 F =29.4N，考虑到机器人在行走过程中还会遇到一些其它的阻力，故去总阻 力为 2 70FN=则单个履带足所需要提供的驱动力为 35N， 则单个履带足最大的功 率为7PFVW=。则驱动功率：1.6 711.2 cA PK PW= ( A K1.6查表得到，取 ） 11.2 11.4 0.98 c M P PW = （3-9） 式中带轮的传动效率，0.98= 由 于 电 机 与 主 动 轮 的 传 动 比 是 1.5:1 ， 故 驱 动 电 机 的 最 高 转 速 0 1.5118.17 /minnnr= 根据驱动功率 c P及主动带轮的转速就可以根据同步带选型图确定所选的代 行为 XL 型。查询机械设计手册，确定标准带轮的外径 d=48.00mm，节径 0 48.51dmm=，齿数为 Z=30，节距 b P=5.08。根据机器人总体尺寸设中心距为 a=250mm，则带长 0 2653Ladmm=+= 。按国标 GB/T11616 表 6.1-58，选标准 带长为 655.32mm。节线长660.64 P Lmm=，齿数为 130 个齿。根据带长反推可得 出，带轮间的中心距应该为 a=251mm。根据机器人的综艺设计结构，取带宽为 37mm。 此时还要进行驱动电机的扭矩计算， 故根据本文所设计的机器人的两种运动 状态来确定履带足最大的驱动力矩为 2Mkg m= 表 3-4-3 履带足驱动电机的主要参数： 额定电压 24v 转速 50200rpm 电机尺寸 36*63（mm） 出轴直径 6mm 输出轴长 15mm 功率 约 30W 扭矩 约 3.6Nm 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 11 9550 9550 1.34/ Tn P P TN m n = = （3-10） 显然mNp6 . 3，故此电机可以满足本文设计的清洗机器人所需的驱动功 率及转矩。 3.5 机器人履带的强度校核 选取同步带时为了满足上面所需要固定的吸附单元，故选带宽为 37mm。 3 max 10 2 PZ v v = （3-11） 经查询与计算， max 0.2/25 30/vm sm s v =，满足条件。 同步带传动时，带齿受力情况有剪切应力，带齿及带轮之间的摩擦磨损，同 时，在同步带传动力矩是，同步带在进入主动轮还会受到拉应力。故，同步带的 失效形式有以下几种： （1）同步带受拉应力一起疲劳断裂 （2）带齿断裂 （3）带齿工作面被磨损，失去有效的工作面 通过研究与查询，当同步带工作时，并且带吃鱼带齿轮啮合齿数6 m Z时， 同步带的带齿剪切强度会大于抗拉强度。在现代加工工艺中，同步带的耐磨性有 了长足的进步，故先暂时不考虑带齿失效的现象。在本文的正常工作条件下，同 步带的失效形式是在拉应力作用下的疲劳断裂。 所以要用同步带的抗拉强度作为 设计准则。 在同步带张紧且不打滑的情况下，及同步带与同步轮啮合处，刚好是同步带 入弯点，这样可以是剪切应力沿同步带的平面方向，方便进行计算。 进分析可得，同步带齿所受的力是轮齿作用给带齿的剪切力 1 F 1 1 41.6 r M FN d = （3-12） 同步带所受到的拉应力近乎等于剪切力，即 1 244.46 aa TFTN = = （3-13） 经计算，履带的拉应力总是小于许用拉应力 a T，则可得出结论，在正常的工 作条件时，本文所设计的同步带并不会出现断裂的情况。 最终设计出来的履带机构如下图所示： 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 12 3.6 本章小结 本章对机器人各部分结构进行了分析和确定,主要包括移动机构、即履带的 水平及爬壁方式进行了设计和选用。移动机构确定了移动方案和驱动方式,并选 择出相应的驱动电机。最后进行了一系列的受力分析及强度计算，经计算，所设 计的移动机构满足所需要求。 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 13 4 中央空调管道清洗机器人清洗部分的结构设计 清洗机器人要完成清洗管道的正常清洗工作，清洗部分的设计必不可少。清 洗装置包括清洗臂、清洗臂升降机构、清洗刷。下面就进行设计及计算，通过清 洗臂及升降机构来适应不同尺寸的管道， 再通过清洗刷的旋转运动时毛刷与管壁 接触，从而完成正常的清洗工作，确保清洗的效率及质量。 4.1 清洗臂升降结构的设计 目前，运用在清洗机器人举升机构上的结构主要有螺杆滑块结构。实现升降 的步骤是：螺杆在电机的带动下作顺时针或者逆时针旋转,这时螺杆上的滑块沿 着螺杆左右移动， 接着通过支撑杆把清洗臂升起或是降落。 而在实际清洗过程中, 清洗臂的调节角度不宜过度,所实现的最大举升高度约为 0.7 倍臂长,这种举升 机构并不是适应于目前我国国内还没有进行规范的管道。 所以本文所采用的举升 机构是丝杆滑块机构，符合本文所涉及的机器人轻量化、小型化的要求，并且能 够通过更滑清洗刷完成不同尺寸管道的清洗工作。 本文设计的升降机构类似于卡车自卸车的举升机构，由支撑板、连接杆、丝 杆及万向轮构成。能够实现举升角度为 40，举升高度为 200mm，这使清洗机器 人具有了更大的清洗范围，能够适应不同尺寸的管道。 现在进行简单地设计计算，丝杆的设计计算： 33 33 0 95500009550000 0.20.2 TT PPP dA nnn = （4-1） 此时 0 140A =,故丝杆直径 3.5dmm，取丝杆直径6dmm= 并由此可知，丝杆滑块举升机构各部分的零件直径只需大于 3.5mm，就可完 成举升运动所需的强度条件。 现在电机的扭矩计算，由结构设计可知，此电动机仅仅用于清洗臂的举升机 构的升降。它需要克服的力包含清洗臂的重量，举升机构的重量及清洗工作进行 时的阻力，本文设计的小车为实现轻量化的原则，清洗臂及举升机构的自身重力 都不大，所选用的 30W 直流电机能够满足清洗要求。为留有安全余量，现设电动 机需举起的力为500FN=，速度为1.2/minvm=，丝杆转速63 /mVr=,电动机 所需的功率10PFvW=，故电机所需扭矩 1.52TN m=。 这个作为选电机的依据，根据前面表 3-2-1 所列电机选择直流减速电机，故 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 14 所选举升机构的电动机参数如下： 表 4-1 清洗臂驱动电机的主要参数： 额定电压 24v 转速 50200rpm 电机尺寸 36*63（mm） 出轴直径 6mm 输出轴长 15mm 功率 约 30W 扭矩 约 3.6Nm 由于机器启动时的动载荷和运转中可能出现的过载现象， 所以应当按轴上的 最大转矩最为联轴器的计算转矩 ca T ,并按下式计算： caA TK T= （4-3） 式中： T公称转矩， N m A K工作情况系数，查机械设计表 14-1，取 故 0.1976 ca TN m= 按照计算转矩 ca T及所选的联轴器类型，按照 ca TT （4-4） 条件由联轴器标准中选定该联轴器型号为 00GD。式中的 为该型号联轴器的 许用转矩，经查询计算机比较得 4 ca TTN m= 接着校核最大转速， 被连接轴的转速 n 不应超过所选联轴器允许的最高转速 maxn ,即 max 4000 /minnnr=设计如图 4-1 所示： 图 4-1 举升机构设计图 4.2 清洗刷驱动电机的确定 对于清洗工作，清洗刷与管道的契合度是一个很重要的因素。机器人进行清 扫工作时,清洗刷处于高速旋转的状态中,刷毛扫过边角以及与管壁的摩擦都会 受到较大的阻力矩,如果毛刷驱动电机功率不够就会因扭矩不足而停止转动,时 间一长甚至会烧毁电机。 因此在清洗刷机构的设计中我们需要选用一个功率和转 速都符合要求的毛刷驱动电机。 本文通过测量毛刷旋转所需扭矩来确定驱动电机参数。如图 4-2 所示,扭矩 MFR=,F为毛刷在工作过程中所需的稳定的驱动力, R为毛刷轴半径。 对于一 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 15 个已知的清洗刷头, R可以直接用尺量出,我们只需要测出F的大小,就可以计 算出所需扭矩M。可以采用如下模拟的方法来测量将一条绳子系在弹簧秤上,然 后将绳子的另一头绕在毛刷轴之上,并确保绳与轴之间不产生相对滑动,开始进 行实况模拟,将毛刷放置于管道内,固定其中心轴的位置,拉动弹簧秤使毛刷产生 平稳转动,此时弹簧秤的数值即为F的大小。 图 4-2 测量毛刷扭矩示意图 将测出的数据带入FRT =里计算出能使毛刷在一般情况下正常平稳运转的 驱动电机输出扭矩为mNT=5 . 0。为了保证基本的清洗要求,根据实际情况选取 毛刷驱动电机转速min/1000rn =计算。 此时电机功率可以通过下式求出： W Tn P4 .52 9550 10005 . 0 9550 = = （4-5） 由于电机在实际传动过程中会损失一部分功率,因此我们选择电机的功率 要大于这个数值,综合考虑到电机的性价比和安装尺寸等,最后选择型号为 57BLF01 的直流电机作为刷头驱动电机。 表 4-2 清洗刷驱动电机的主要参数： 额定电压 24v 转速 3000rpm 电机长度 48（mm） 重量 600g 输出轴长 15mm 功率 63W 扭矩 0.6Nm 4.3 本章小结 本章对机器人的清洗机构进行了设计和计算。确定了清洗方案,并选择出相 应的驱动电机，完成了清洗机构包括清洗臂举升机构和清洗刷机构的设计,并且 选定了毛刷驱动电机，满足机器人工作环境的需要。 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 16 5 机器人自适应装置的设计及监控设备的选择 由于目前国内中央空调管道既有矩形管道又有圆形管道,且设计制造并不规 范,使得管道的尺寸大小各不相同。 为了提高其实用价值,机器人必须具备自适应 的功能。 本文所设计的管道机器人主通过履带足变位装置和刷头更换装置来实现 对各种不同形状和尺寸管道的适应功能。通过摄像机进行实时监控。 5.1 履带足变位装置 本文所设计的机器人既要在矩形管道内运行又要能工作于不同管径的圆形 管道,因此机器人移动机构应能根据管径不同进行相应的调整,使履带足面可以 与圆形管壁充分接触,保证机器人有足够的牵引力和其工作的稳定性。本文所设 计的机器人采用履带足变位装置实现这个要求,每个履带足形成一个整体,通过 摆腿与机器人本体相连如图一所示,根据当前管道情况手动调节履带足间的套筒 装置，从而调节两侧摆腿的张开角度,使管道机器人实现适应不同直径圆管的功 能。图 5-1 为所示为机器人通过调整摆腿角度适应不同管径管道的示意图,调节 履带足的张开角度,使机器人履带足面与圆形管壁始终保持充分良好的接触,而 保证机器人具有足够的牵引力和附着力。 图 5-1 适应不同管径示意图 图 5-2 套筒装置 履带足变位装置如图 5-2 所示,在机器人进入管道前,操作者事先根据管道 的实际情况,调节两履带间的套筒装置,通过连杆、螺杆和摆腿的一系列传动,使 得机器人的两个履带足横向张开,水平距离增大,就可以使履带足面与不同内径 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 17 的管壁保持充分接触,实现其自适应功能。 5.2 刷头更换装置 机器人在进入管道前,需要根据当前管道的形状和尺寸安装上相适应的刷 头。由上一章我们可知矩形管毛刷轴线与机器人行进方向垂直,毛刷对称于机器 人的中线并分列两侧圆形管毛刷轴线与机器人行进方向一致,并且处于管道的正 中心。对这两种情况进行综合协调,本文中设计出一种既可适用于圆形管道又可 用于矩形管道的管道清洗机器人刷头更换装置,可方便地根据管道情况更换刷 头。 刷头更换装置如下图所示,电机处于机器人清洗臂中线位置,且输出轴方向 与前进方向一致。当需要安装矩形管刷头时,只用装上一堆换向锥齿轮和一根双 输出轴,即可在两边安装毛刷； 同时要更换成圆形管刷头也十分方便,只需卸下上 述装置,在前方装上一根输出轴并用联轴器与电机输出轴相连即可。图 5-3、图 5-4,分别为矩形管和圆形管毛刷安装形式。 图 5-2-1 矩形管毛刷清洗装置 图 5-2-2 圆形管毛刷清洗装置 5.3 中央空调管道清洗机器人照明和检测装置 机器人采用摄像头作为视频输入设备,如图 5-3 所示。由于中央空调管道内 部的光线较暗,机器人要检测管内的状态,必须携带照明设备,CCD 摄像头才能正 确有效的工作。照明设备采用冷光源照明灯,亮度高,长时间工作不会发热,适合 在黑暗管道环境中使用。 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 18 图 5-3 彩色摄像机 机器人工作时需要在外监控管道内的状况,清扫完成后,也要利用机器人自 身携带摄像机拍摄管道清洗后的情况,作为清洗效果评定依据。该机器人前后端 均装有摄像机及照明系统如图 5-3 所示,采用图像处理技术,监控机器人的工作 状况并对管道进行检测及探伤。由于 CCD 具有固定像元结构,所以 CCD 彩色摄像 机不但具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性强、成本低等优点,而且 灵敏度和分辨率都很高,大大超过了电子束彩色摄像机。 5.4 本章小结 本章主要介绍了机器人自适应型装置的设计,详细描述了履带足变位装置和 刷头更换装置的结构、特征和作用原理。机器人通过这些装置并配合清洗臂的升 降和伸缩功能,来适应各种不同形状和尺寸的空调管道。同时给出了具体的效果 示意图及选用的彩色摄像机图片。 山东英才学院本科毕业论文设计（论文） 19 6 机器人工作时的受力分析 国内管道的设计制造和安装并不规范,在实际应用中经常会发生管径或尺寸 大小改变,出现弯角、障碍和坡度等情况。为了保证机器人正常稳定的工作,我们 有必要研究机器人在管道内的各种运动状态,并对其进行受力分析,进而确定出 合理优化的结构参数和对机器人动力系统的具体要求。 6.1 机器人移动机构动力学分析 该机器人采用双履带式移动机构,两侧的履带分别由一个单独电机驱动,而 履带式移动机器人能够行走必须要满足两个条件： 驱动装置牵引力必须大于或 等于行驶