毕业设计（论文）-隧道清洁机械手设计

1南京理工大学泰州科技学院毕业设计说明书论文作者3号楷体学号3号楷体学院系3号楷体专业3号楷体题目隧道清洁机械手设计指导者姓名专业技术职务评阅者姓名专业技术职务2014年6月3号楷体3号楷体3号楷体3号楷体毕业设计说明书（论文）中文摘要隧道清洁机器人是一种典型的机电一体化产品，隧道清洁机器人是隧道清洁机器人研究领域的热点。研究隧道清洁机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。本文对一种使用在隧道清洁机器人的结构进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。要求对隧道清洁机器人模型进行力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。关键词结构设计，机器臂，关节型隧道清洁机器人，结构分析I毕业设计说明书（论文）外文摘要ABSTRACTTHEROBOTISATYPICALMECHATRONICPRODUCTS,SPRAYPAINTINGROBOTISAHOTRESEARCHFIELDOFTHEROBOTSTUDYONTHESPRAYPAINTINGROBOTREQUIRESACOMBINATIONOFMECHANICAL,ELECTRONIC,INFORMATIONTHEORY,ARTIFICIALINTELLIGENCE,BIOLOGYANDCOMPUTERSCIENCEKNOWLEDGE,ATTHESAMETIME,ITSDEVELOPMENTHASPROMOTEDTHEDEVELOPMENTOFTHESEDISCIPLINESINTHISPAPER,ADESIGNOFARMSTRUCTUREUSEDINTHEPAINTINGROBOT,ANDCOMPLETETHEGENERALASSEMBLYDRAWINGANDPARTDRAWINGREQUIREMENTSFORTHEMECHANICSANALYSISOFTHEROBOTMODEL,ESTIMATEREQUIREDONEACHJOINTTORQUEANDPOWER,COMPLETEMOTORANDREDUCERSELECTIONSECONDLY,FROMTHEMOTORANDREDUCERCONNECTIONANDFIXATIONOFJOINTSTRUCTURE,DESIGN,ANDTHEMECHANISMOFIMPORTANTCONNECTIONSCHECKTHESTRENGTHKEYWORDSSTRUCTUREDESIGN,ROBOTARM,STRUCTUREANALYSISII目录1绪论111引言112隧道清洁机器人研究概况2121国外研究现状2122国内研究现状313总体结构组成及各部分关系简介414主要内容52总体方案设计521隧道清洁机器人工程概述522工业隧道清洁机器人总体设计方案论述623隧道清洁机器人机械传动原理724隧道清洁机器人总体方案设计825本章小结103隧道清洁机器人各部件设计及计算1031隧道清洁机器人的组成1032清洁隧道清洁机器人末端执行器轨迹的规划1233隧道清洁机器人手腕回转中心1234四连杆机构设计15341确定设计变量21342建立目标函数21343确定约束条件22344写出优化数学模型2435电机的选型及计算2436齿轮齿条的设计计算2737小齿轮的强度计算31371齿面接触疲劳强度计算31372齿轮齿跟弯曲疲劳强度计算3438带传动设计计算35381带传动设计35III382选择带型36383确定带轮的基准直径并验证带速36384确定中心距离、带的基准长度并验算小轮包角37385确定带的根数Z38386确定带轮的结构和尺寸38387确定带的张紧装置38388计算压轴力3839带轮2上键的选择与校核48391键的选择48392键的校核48总结与展望50致谢51参考文献52全套设计请加197216396或401339828012341绪论11引言隧道清洁机器人是一种典型的机电一体化产品，隧道清洁机器人是隧道清洁机器人研究领域的热点。研究隧道清洁机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。隧道清洁机器人是隧道清洁机器人的一种。1959年，世界上诞生了第一台工业隧道清洁机器人，开创了隧道清洁机器人发展的新纪元。随着科学技术的发展，隧道清洁机器人的研究与应用迅猛发展。世界著名隧道清洁机器人专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过“隧道清洁机器人应当具有的最大特征之一是功能”。其中双足是方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生也曾说过这样一句话“上帝创造人类，两条腿是最美妙的杰作”。系统具有非常丰富的动力学特性，对的环境要求很低，既能在平地上，也能在非结构性的复杂地面上，对环境有很好的适应性。功能的具备为扩大隧道清洁机器人的应用领域开辟了无限广阔的前景。研究隧道清洁机器人的原因和目的，主要有以下几个方面希望研制出机构，使它们能在许多结构和非结构环境中，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；希望更多得了解和掌握人类得特性，并利用这些特性为人类服务，例如人造假肢。系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及隧道清洁机器人的研究方向；隧道清洁机器人可以作为一种智能隧道清洁机器人在人工智能中发挥重要的作用。，隧道清洁机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国隧道清洁机器人协会给隧道清洁机器人下的定义隧道清洁机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对隧道清洁机器人作如下定义隧道清洁机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。是可进行自动喷漆或关节其他涂料的工业隧道清洁机器人。隧道清洁机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种5操作。隧道清洁机器人是在计算机控制下可编程的自动机器。采用隧道清洁机器人是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。隧道清洁机器人的诞生和发展虽只有30多年的历史，但它已应用到国民经济，民事技术等众多的领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力12。12隧道清洁机器人研究概况121国外研究现状最早系统地研究人类和动物运动原理的是MUYBRIDGE，他发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照片。后来这种采用摄像机的方法又被DEMENY用来研究人类的运动。从本世纪30年代到50年代，苏联的BERNSTEIN从生物动力学的角度也对人类和动物的机理进行深入的研究，并就运动作了非常形象化的描述。真正全面、系统地开展隧道清洁机器人的研究是始于本世纪60年代迄今，不仅形成了隧道清洁机器人一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态的隧道清洁机器人样机。这一部分，我们主要介绍队60年代到1985年这一时期，在隧道清洁机器人领域所取得的最重要进展。在60年代和70年代，对隧道清洁机器人控制理论的研究产生了3种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这3种控制方法对各种类型的隧道清洁机器人都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的TOMOVIC在1961年提出来的，模型参考控制是由美国的FARNSWORTH在1975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗鲍宾研究所著名的隧道清洁机器人学专家VUKOBRATOVIC博士在1969年至1972年问提出来的。这3种控制方法之间有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况1。在步态研究方面，苏联的BESSONOV和UMNOV定义了“最优步态”，KUGUSHEV和JAROSHEVSKIJ定义了自由步态。这两种步态不仅适应于而且也适应于多足隧道清洁机器人。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么隧道清洁机器人在时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。在隧道清洁机器人的稳定性研究方面，美国的HEMAMI等人曾提出将系统的稳定性6和控制的简化模型看作是一个倒立振子倒摆，从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑，HEMAMI等人还曾就隧道清洁机器人的“降阶模型”问题进行了研究。前面我们曾指出VUKOBRATOVIC也对类人型系统进行了能量分析，但他仅限于导出各关节及整个系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题但在他的研究中，VUKOBRATOVIC得出了一个有用的结论，即姿态越平滑，类人型系统所消耗的功率就越少。122国内研究现状国内隧道清洁机器人的研制工作起步较晚，我国是从20世纪80年代开始隧道清洁机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”隧道清洁机器人攻关计划，1987年，我国的“863”高技术计划将隧道清洁机器人方面的研究开发列入其中。目前我国从事隧道清洁机器人研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国进行隧道清洁机器人技术研究的主要目的是跟踪国际先进的隧道清洁机器人技术，随后取得了一定的成就。哈尔滨工业大学自1986年开始研究隧道清洁机器人，先研制成功静态双足隧道清洁机器人HITI，高110CM，重70KG，有10个自由度，实现平地上的前进、左右侧行以及上下楼梯的运动，步幅45CM，步速为10秒/步，后来又相继研制成功了HITII和HITIII，重42KG，高103CM，有12个自由度，实现了步长24CM，步速23步每秒的。目前正在研制的HI下IV隧道清洁机器人，全身可有52个自由度，其在运动速度和平衡性方面都优于前三型隧道清洁机器人37。国防科技大学在1988年春成功地研制了一台平面型6自由度的双足隧道清洁机器人KDW1，它能前进、后退和上下楼梯，最大步幅为40CM，步速为4步每秒，1989年又研制出空间型KDWII，有10个自由度，高69CM，重13KG实现进退、上下台阶的静态稳定以及左右的准动态。1990年在KDWII的平台上增加两个垂直关节，发展成KDWIII，有12个自由度，具备了转弯功能，实现了实验室环境的全方位。1995年实现动态，步速08步每秒，步长为20CM22CM，最大斜坡角度达13度。2000年底在KDWIII的基础上研制成功我国首台仿人形隧道清洁机器人“先行者”，动态，可在小偏差、不确定的环境，周期达每秒两步，高14M，重20KG，有头、眼、脖、身躯、双臂、双足，且具备一定的语言功能813。此外，清华大学正在研制仿人形隧道清洁机器人THBIPI，高17M，重7130KG，32个自由度，在清华大学985计划的支持下，项目也在不断取得进展。南京航空航天大学曾研制了一台8自由度空间型隧道清洁机器人，实现静态功能13,14。本课题源于“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中隧道清洁机器人。目前，隧道清洁机器人大多以轮子的形式实现功能阶段。真正模仿人类用腿走路的隧道清洁机器人还不多，虽有一些六足、四足隧道清洁机器人涌现，但是隧道清洁机器人还是凤毛麟角。我们这个课题，探索设计仅靠巧妙的机械装置和简单的控制系统就能实现模拟人类的隧道清洁机器人。其分功能有交替迈腿、摇头、摆大臂、摆小臂。13总体结构组成及各部分关系简介隧道清洁机器人的组成及各部分关系概述它主要由机械系统执行系统、驱动系统、控制检测系统及智能系统组成。1执行系统执行系统是隧道清洁机器人完成关节工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。A末端执行器隧道清洁机器人为了进行作业而配置的操作机构，直接喷漆工件。B腕部又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变末端执行器的工作方位。C臂部联接机座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改变手部的空间位置，满足隧道清洁机器人的作业空间，将各种载荷传递到机座。D机身隧道清洁机器人的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。2驱动系统为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有机械传动、机电传动、气压传动和电传动。3控制系统通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。4检测系统作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。实践证明，隧道清洁机器人可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用隧道清洁机器人是有效的。此外，它能在高温、低8温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途48。通过本设计，使我熟悉机械产品开发性设计的一般过程，培养了我综合运用所学基础理论、专业知识和各项技能，着重培养设计、计算、分析和解决问题的能力，进而总结、归纳和获得合理结论，进行较为系统的工程训练，初步锻炼科研能力，提高论文撰写和技术表述能力。为实际工作奠定基础，达到人才培养的目的与要求。课题任务是设计一台工业机器人，代替人工实现地铁隧道墙壁表面粉尘的自动清洁工作。其原始数据和技术要求为（1）地铁隧道截面为圆形半径4米，最高处约65米。（2）手臂末段安装吸尘器，允许隧道清洁机器人安装在专用（改装）车辆上,允许每单程清洗半幅隧道。（3）车辆行驶速度不低于15KM/H（4）同台车辆所用隧道清洁机器人1个,确定隧道清洁机器人的安装位置。清洁工作不得影响另半幅路面车辆行驶。（5）自由度数目不超过3个，选取隧道清洁机器人的坐标形式。（6）保持吸尘器工作部位距隧道内壁距离50厘米，允许偏差10厘米。（7）选择合适的吸尘器口径,保证漏扫面积低于应扫面积的40。课题的工作要求使确定总体方案和机器的排列方式。根据现场条件，确定相应的坐标系和自由度数目，选用合适的去动力源。做到方案合理，结构紧凑，满足生产要求。并对配套设备（吸尘器、车辆等）提出要求。14主要内容第1章绪论主要介绍隧道清洁机器人的相关知识和本课题研究的任务和要求第2章总体方案设计,介绍该隧道清洁机器人各部分的相关知识和总体设计第3章隧道清洁机器人各部分设计的介绍第4章隧道清洁机器人结构设计92总体方案设计21隧道清洁机器人工程概述隧道清洁机器人工程是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学、机构学、机械设计、气动液压技术、传感技术、计算机技术和自动控制技术等学科领域。人们将已有学科分支中的知识有效地组合起来用以解决综合性的工程问题的技术称之为“系统工程学”。以隧道清洁机器人设计为例，系统工程学认为，应当将其作为一个系统来研究、开发和运用，从隧道清洁机器人的整体出发来研究其系统内部各组成部分之间的有机联系和系统外部环境的相互关系的一种综合性的设计方法。从系统功能的观点来看，将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能。因此，在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发，这个系统应具有如下特性（1）整体性由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能。（2）相关性系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性。（3）目的性每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能。（4）环境适应性任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化。因此，在进行隧道清洁机器人设计时，不仅要重视组成隧道清洁机器人系统的各个部件、零件的设计，更应该按照系统工程学的观点，根据隧道清洁机器人的功能要求，将组成隧道清洁机器人系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设计出性能优良适于工作需要的隧道清洁机器人产品。在比较复杂的工业隧道清洁机器人系统中大致包括如下操作机，它是完成隧道清洁机器人工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、末端执行器和机构等。驱动系统，它包括作为动力源的驱动器，驱动单元，伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统。控制系统，它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置），人机接口装置（键盘、示教盒等），各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入/输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备14。工业隧道清洁机器人的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性，因而工业隧10道清洁机器人能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料，进行装配或其他操作。在柔性制造系统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备）、辅助生产设备、控制装置和工业隧道清洁机器人等一起形成了各种不同形式地工业隧道清洁机器人技术综合体地工业隧道清洁机器人系统。在其他非制造业地生产部门，如建筑、采矿、交通运输等生产领域引用隧道清洁机器人系统亦是如此。22工业隧道清洁机器人总体设计方案论述（一）确定负载目前，国内外使用的工业隧道清洁机器人中，负载能力的范围很大，最小的额定负载在5N以下，最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿隧道清洁机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括隧道清洁机器人末端执行器的重量、关节工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载。（二）驱动方式由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型隧道清洁机器人等特点，故本次设计采用了伺服电机驱动（三）传动系统设计隧道清洁机器人传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高隧道清洁机器人的运动和位置控制精度。在隧道清洁机器人中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动。（四）工作范围工业隧道清洁机器人的工作范围是根据工业隧道清洁机器人作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响隧道清洁机器人的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择（五）运动速度隧道清洁机器人操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用M/S或（）/S表示，各动11作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。23隧道清洁机器人机械传动原理该方案结构设计与分析本课题要求设计一台经济实用，性能可靠的机器人,代替人工用来进行地铁隧道内部壁面的清洁工作。根据现场条件和作业要求,设计总体方案和清洁方式确定相应的坐标形式和自由度数目，选用合适的驱动力源。做到方案合理，结构紧凑，满足生产要求。并对配套设备（吸尘器、车辆等）提出要求。根据调研结果和实际要求，拟采用吸尘方式完成清洁工作，即该隧道清洁机器人末端执行器拟采用吸尘器，其运动轨迹应与隧道内部壁面大致相同，为一圆弧。手臂能根据隧道壁面结构自行调整距离大小，与壁面垂直距离保持大于40毫米小于60毫米；为了确保清洁效果，吸尘器与垃圾存放箱相通，吸尘器吸进的灰尘放置其中；末端执行器的运动轨迹一般为一螺旋线；机器人应有三个自由度，一个转动加两个移动，考虑到地铁隧道的结构和作业条件，沿隧道长度方向的移动可由承载车来实现，所以隧道清洁机器人本体只需两个自由度来完成。隧道清洁机器人本体需要的两个自由度一个摆动（转动）和一个移动的自由度（用来调整执行器与隧道内壁的垂直距离），如图24所示；吸尘装置用来完成清洁工作，吸尘器的吸口部分为末端执行器；隧道清洁机器人本体、垃圾箱和吸尘器等都安装在承载车上。12图24隧道清洁机器人自由度示意图隧道清洁机器人本体的两个自由度可以通过气动或电动机来提供驱动力源，其中一个来提供转动动力，另一个提供移动动力9。24隧道清洁机器人总体方案设计工业隧道清洁机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下3。1直角坐标隧道清洁机器人结构直角坐标隧道清洁机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图21A由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标隧道清洁机器人有可能达到很高的位置精度（M级）。但是，这种直角坐标隧道清洁机器人的运动空间相对隧道清洁机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标隧道清洁机器人的结构尺寸要比其他类型的隧道清洁机器人的结构尺寸大得多。直角坐标隧道清洁机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标隧道清洁机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标隧道清洁机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。2圆柱坐标隧道清洁机器人结构圆柱坐标隧道清洁机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图21B。这种隧道清洁机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。3球坐标隧道清洁机器人结构球坐标隧道清洁机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图21C。这种隧道清洁机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。4关节型隧道清洁机器人结构关节型隧道清洁机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图21D。关节型隧道清洁机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对隧道清洁机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种隧道清洁机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的隧道清洁机器人。13A直角坐标型B圆柱坐标型C球坐标型D关节型图44RRR坐标式1小臂2大臂3立柱4基座该隧道清洁机器人手臂运动范围大,且有较高的定位准确度,要求设计的隧道清洁机器人为六个自由度，其中腰部有一个旋转自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度，手腕的俯仰、旋转自由度。地铁隧道清洁隧道清洁机器人由实际上由三个自由度来完成的，两个移动自由度和一个转动自由度。所以隧道的清洁隧道清洁机器人的类型可以归结为两个直线的运动和一个转动。所以它的类型属于RPP型，如图43所示。但是其中一个自由度靠承载小车来完成。所以隧道清洁机器人本体需要两个自由度一个摆动（转动）和一个移动自由度（用来调整吸尘器与隧道截面垂直距离的大小）14。25本章小结本章主要完成对隧道清洁机器人系统设计,通过多种方案的选择来确定最终要确定的方案确定了隧道清洁机器人的总体设计方案后，就要针对隧道清洁机器人的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。3隧道清洁机器人各部件设计及计算1431隧道清洁机器人的组成该地铁隧道清洁隧道清洁机器人分为三个部分车载装置、隧道清洁机器人装置和吸尘装置，如图31所示。（1）车载装置用来装载隧道清洁机器人装置和吸尘装置，还可用来手臂沿隧道方向的移动方向的自由度以及一系列控制隧道清洁机器人的装置都装在承载小车上，承载小车的移动犹如地铁，直接骑在轨道上沿着地铁轨道进行移动。（2）隧道清洁机器人装置隧道清洁机器人本体是地铁隧道清洁隧道清洁机器人的核心装置，清洁的主要工作由它来完成。采用由电机驱动的曲柄摇杆机构来实现手臂的来回摆动,由电机驱动曲柄的转动通过连杆从而带动摇杆实现来回的摆动（如果采用齿轮减速机构，电机需要循环不断的用正反转来实现手臂的来回摆动，因此，该方案不可用）。同时为了实现手臂的来回移动，采用由电机驱动的齿轮齿条传动从而带动手臂的移动来实现。手臂沿隧道截面为大半圆的隧道长度方向单程清洁半幅隧道。手臂能根据墙壁结构自行调整距离大小，与墙壁表面垂直距离大于40毫米小于60毫米。图31清洁装置示意图（3）吸尘装置隧道清洁机器人的末端执行器，具体的清洁工作由它来完成，用来清洁地铁隧道壁面的灰尘和其它污垢。由于它为执行器，安装在隧道清洁机器人的15末端，所以它的来回摆动和移动由隧道清洁机器人和承载车来带动实现的。隧道清洁机器人臂沿隧道长度方向向前运动可以由承载车来实现，再加上手臂自身的来回摆动，这样清洁隧道清洁机器人单程清洁半幅隧道时的轨迹为一螺旋线。由于手臂的回转中心与隧道的中心不是同一个点，碰到凹凸不平的壁面，我们可以通过位置传感器来控制手臂的自动调节。当手臂的执行器（即吸尘器）与壁面的垂直距离超出某个范围时，便发出信号，这样手臂可自行伸长或缩回，手臂就能随壁面不同形状而改变其长度来清洁隧道壁面。另外，吸尘器与垃圾存放箱是相通的，吸尘器吸进灰尘后，灰尘被装在存放箱。装在手臂上的吸尘器的运动轨迹是螺旋线，考虑到壁面可能会有死角处不能被清洁到，为了保证漏扫面积低于应扫面积的40，我们需要控制好吸尘器的口径大小10，11。32清洁隧道清洁机器人末端执行器轨迹的规划隧道清洁机器人末端执行器为一吸尘器的吸口，沿着隧道壁面运动，隧道的截面为大半圆形，隧道的高度以及隧道的路面宽度，如图32所示已知M,M,求56H8DL根据勾股定理22D带入数据得228856LMM40MM31/16图32隧道截面示意图33隧道清洁机器人手腕回转中心腕部处于臂部的最前端，它连同手臂的静、动载荷都由臂部承受。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响到臂部的结构、重量和运转的特性。因此，腕部的设计，必须力求机构紧凑，质量轻等特点。腕部是隧道清洁机器人的执行机构，它还起到连接和支承的作用，除需保证力和运动的要求以及具有足够的强度、刚度外，还需综合考虑，合理布局。由于隧道清洁的工作环境比较恶劣，隧道比较宽而且比较高，所以在设计腕部时应充分的考虑到可能存在的环境对腕部的不良影响。隧道清洁机器人装置的手腕回转中心的定位关系到整个隧道壁面的清洁范围，同时它还影响到手臂的伸缩量。由于隧道截面的直径比较大，为了保证手臂移动时的稳定性，手臂的伸缩量越小越好12。17图33隧道清洁机器人工作区域根据中垂线定理，连接C和M两点，作线段CM的中垂线，在距离隧道中心1米处的D点便可定为隧道清洁机器人的手腕关节处。手臂在C和M点两处的长度相等且是最长的，在中垂线处的长度最短（即D到N的长度最短）。这样，手臂在工作时就可以保持它的伸缩量最小了，能达到平稳的效果。如图33所示通过下列的计算62504BOCS1M98M63904M716342OR22COMSINRCOSINI18M701ORD3263/CTG1R5880DM963/4COSO25CR1MM370632D可以得出15OC8MMM370D即CD和DM处为两极限位置，其工作区域为图33的阴影部分。34四连杆机构设计连杆机构是最常用的机构，因此连杆机构优化设计在机构设计中十分重要，研究工作开展得也最为广泛。有大量的文献介绍有关平面四杆机构、平面五杆机构、柔性连杆机构、曲柄连杆机构、槽轮连杆机构、凸轮连杆组合机构和齿轮连杆等机构的优化。鉴于四连杆机构的典型性，本节结合四连杆机构的函数再现优化设计问题，阐述连杆机构优化问题的一般方法及流程。19四连杆机构的优化设计就是对四连杆机构的参量进行优化调整，使得机构给定的运动和机构所实现的运动之间误差最小。因此四连杆机构的优化设计的过程，就是寻找使得四连杆机构运动误差最小的一组机构设计参量。四连杆机构设计参量确定后，就可认为实现了机构的优化设计。四连杆机构的优化设计包括四连杆机构优化模型建立和优化模型求解二个主要过程。通过对四连杆机构的分析确定优化方案，确定设计变量，给出目标函数，并将机构设计制约条件，如杆长条件、传动角条件等，写成相应的约束条件，即可建立机构优化设计模型。下面介绍四连杆机构函数再现优化设计模型的建立。连杆机构函数再现设计主要通过选取输人构件和输出构件相对应若干位置、采用机构图解法或分析法确定机构各参数。图1是典型的平面铰链四杆机构，、和分别表示于四个构件的长度，杆AB是输入构件。假设图1所示的平面铰链四杆机构再现给定函数为，即，则机构位置取决于、铰链A的位置、AD与机架X轴夹角以及输人构件转角等七个变量。为简化问题，可令A的位置为，构件的长度为1参考构件，由此可将问题维数降为四维，并不影响构件输入、输出的函数关系。由此可以得到输出构件转角外与输入构件转角之间的函数关系式（1）机构优化设计目标就是使得输出构件转角与给定值在，所有位置上的误差最小。因此机构优化设计的目标函数可用下式表示（2）当输入构件转角为时，输出构件转角外可由下式求得，（3）20式中所以（4）将上式代入式（3），并令代表设计变量、及，机构优化设计目标函数可写为（5）机构优化设计的约束条件应根据机构设计的实际情况确定。例如曲柄摇杆式四连杆机构必须满足如下关系式21或（6）如果机构要求传动灵活可靠，则传动角应满足或其中从上式可知，传动角随的变化而变化，当为最大值时，为最小，为最小值时，为最大。要满足上式条件，约束方程应为曲柄摇杆机构有，因此，约束方程为22（7）当所选定的设计变量为构件长度时，则构件长度必须是正数，即约束方程为式中是为了使构件长度不小于而设的。此外，由于具体结构尺寸的限制，往往对某些构件的长度限定在某一范围内选取，例如连杆BC的长度最短为的倍，最长为的倍，即则约束方程为（8）下面介绍再现函数为的曲柄摇杆机构的优化设计。先变换给定函数为，并设输人构件初始角为，输出构件初始角为，选取输入构件的转角为,输出构件的转角为。当输入构件从转到时，输出构件从转到，输入构件从转到时，输出构件则从回到。显然有及，即及。代入函数式得23设将输入构件的转角均分成20等分，则，取权因子，再令代表设计变量、及，则由式（5）得曲柄连杆机构优化目标函数为曲柄摇杆机构优化设计约束条件如下由式（6）得要求传动角满足，由式（7）得根据机构结构尺寸，要求各构件长度相对机架的尺寸在给定的范围内，由式8得因此曲柄摇杆机构优化设计模型如下24MINST采用内点惩罚函数法和POWELL法求解曲柄摇杆机构优化设计模型。选择初始惩罚参数，递减函数E001，初始点，取惩罚函数法收敛精度，POWELL法目标函数值收敛精度，一维搜索精度。341确定设计变量根据设计要求，由机械原理知识可知，设计变量有L1、L2、L3、L4、。将曲柄的长度取为一个单位长度1，其余三杆长可表示为L1的倍数。由图1所示的几何关系可知2543221ARCOSL为杆长的函数。另外，根据机构在机器中的许可空间，可以适当预选机架L4的长度，取L45，经以上分析，只剩下L2、L3两个独立变量，所以，该优化问题的设计变量为TTLX321,因此。本优化设计为一个二维优化问题。342建立目标函数按轨迹的优化设计，可以将连杆上M点与预期轨迹点坐标偏差最小为寻MIYX,优目标，其偏差为和，如图2。为此，把摇杆运IMIXIIYN,21动区间2到5分成S等分，M点坐标有相应分点与之对应。将各分点标号记作，根据I均方根差可建立其目标函数，即MIN2/12IMIYXXFSN3LYICOIIIX2，S为运动区间的分段数13SI43221ARCOSL于是由以上表达式便构成了一个目标函数的数学表达式，对应于每一个机构设计方案（即给定），即可计算出均方根差。21,XXF26图2343确定约束条件根据设计条件，该机构的约束条件有两个方面一是传递运动过程中的最小传动角应大于50度；二是保证四杆机构满足曲柄存在的条件。以此为基础建立优化线束条件。保证传动角50图3按传动条件，根据图3可能发生传动角最小值的位置图，由余弦定理642805COS（见图3（A）64280ARCOSAR3221L所以（A）322324149L（见图3（B）6480ARCOSARCOS321L所以27（B）322142396LL式（A）、（B）为两个约束条件，将，代入式（A）、（B），5412X23L得069121211XG42X曲柄存在的条件按曲柄存在条件，由机械原理知识可知，12L13324L，443把它们写成不等式约束条件（将，代入上式），得1512X2303XG24615042XG17经过分析，上述七个约束条件式中，和为紧约束条件，为松XG2XG73约束条件，即满足和的，必满足不等式，所01XG20G以本优化问题实际起作用的只有和两个不等式约束条件。12344写出优化数学模型综上所述，可得本优化问题的数学模型为SIIMIYXXF02/12MINTTL321,TS036491211XXG22即本优化问题具有两个不等式约束的二维约束优化问题。35电机的选型及计算（1）选择步进电机齿轮齿条工作时，需要克服摩擦阻力矩、工件负载阻力矩和启动时的惯性力矩。28根据转矩的计算公式15（31）惯负摩总M（32）总摩10（33）启惯TJMGL/（34）启负负负（35）LRV21（36）LJ负负（37）2123M（38）LV/式中偏转所需力矩（NM）；总M摩擦阻力矩（NM）；摩负载阻力矩（NM）；负启动时惯性阻力矩（NM）；惯工件负载对回转轴线的转动惯量（KGM2）；负J对回转轴线的转动惯量（KGM2）；偏转角速度（RAD/S）；质量（KG）；M负载质量（KG）；负启动时间（S）；启T部分材料密度（KG/M3）；末端的线速度（M/S）。V根据已知条件KG，M/S，M，M，M，52负M80V0351R02512LS，采用的材料假定为铸钢，密度KG/M3。20启T7将数据代入计算得L2112050438729KG761R/S208LVKGM2036152MJ负负2123RL2205376076KGM2319启负负负TJGLMM/20/673052NM4启惯TJGL/20/6713920176NM4245总惯负摩总MMNM7总因为传动是通过齿轮齿条实现的，所以查取手册15得弹性联轴器传动效率；901滚动轴承传动效率（一对）；3齿轮齿条传动效率；74计算得传动的装置的总效率。8501A电机在工作中实际要求转矩NM（39）34/AIM总电根据计算得出的所需力矩，结合北京和利时电机技术有限公司生产的90系列的五相混合型步进电机的技术数据和矩频特性曲线，如图33和图34所示,选择90BYG5200BSAKRML0301型号的步进电机。30图3390BYG步进电机技术数据图3490BYG5200BSAKRML0301型步进电机矩频特性曲线36齿轮齿条的设计计算1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数A选直齿圆柱齿轮B货叉为一般工作机械，速度不高，故选用7级精度（GB/009588）C材料选择。选择齿轮材料为40CR（调质），硬度为280HBS，齿条材料为45钢（调质），硬度为240HBS；D初选齿轮齿数为Z20。2按齿面接触强度计算设计公式为DT232431321DKTHZEA确定公式内各参数的值。（1）试选载荷系数KT12312计算齿轮传递的转矩T43210354MIN/269R147NMM3选齿宽系数045D（4）查得材料的弹性影响系数ZE1898MPA2/15按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限，齿条的接触疲劳强PAH60LIM度极限MPAH50LIM（6）取齿轮接触疲劳寿命系数KH090,齿条接触疲劳寿命系数KH095（7）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数S1，由公式求得齿轮的接触疲0HLIMSKN劳许用应力540MPA,齿条的接触疲劳许用应力5225MPA。HB按齿面接触强度计算1计算齿轮的分度圆直径DT232433321DKTZE2323421710589365MM（2）计算圆周速度V434106DTN253005M/S（3）齿宽BDT04536516425MM435D4计算齿宽与齿高之比HB模数MT365/201825MM436ZT齿高H225MT2251825411MM4373216425/4113996HB（5）计算载荷系数根据V005M/S,7级精度，由图可查得动载系数KV1002直齿轮，KHKF1由表查得使用系数KA125由表查得7级精度，齿轮悬臂布置时，KH1189由3996，KH1189，查得KF114；故载荷系数HBKKAKVKHKH10021125111891489438（6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由公式得DDT36539222MM4393KT3214897计算模数MMD/Z39222/20196MM43103按齿根弯曲强度计算弯曲强度的设计公式为M431132ZDKTFYASA确定公式内各参数的值（1）查得齿轮的弯曲疲劳强度极限；齿条的弯曲疲劳强度极限MPAE501MPAFE3802（2）查得齿轮的弯曲疲劳寿命系数KFN1083；齿条的弯曲疲劳寿命系数KFN2088；（3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S14，由公式得齿轮的许用应力29643MPA4312FSEKN145083齿条的许用应力23886MPA431324计算载荷系数KKKAKVKFKF10021251114142843145查取齿形系数查得齿轮的齿形系数YFA280336查取应力校正系数查得YSA1557计算0014644315FYAS5730182B设计计算M431632ZDKTFYAS324015748016151MM对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数151并就近圆整为标准值M2MM,按接触强度算得的分度圆直径D39222MM，算出齿轮齿数ZD/M39222/220这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。4几何尺寸的计算A计算分度圆直径DMZ22040MM4317B计算齿轮齿条宽度BD0454018MM,4318D取齿轮宽度B17MM,齿条宽度为B16MMC计算齿顶圆直径DAD2HAM402244MM4319D计算齿根圆直径DFD2HACM402125235MM4320E计算齿轮齿条的节距34PM24321F计算齿顶高HAM1224322HAG计算齿根高HFM10252254322C齿条齿部弯曲强度的计算齿条牙齿的单齿弯曲应力210/6SBHFXT式中齿条齿面切向力TB危险截面处沿齿长方向齿宽齿条计算齿高1HS危险截面齿厚从上面条件可以计算出齿条牙齿弯曲应力45116N/MM0F21630567292上式计算中只按啮合的情况计算的，即所有外力都作用在一个齿上了，实际上齿轮齿条的总重合系数是263（理论计算值），在啮合过程中至少有2个齿同时参加啮合，因此每个齿的弯曲应力应分别降低一倍。1822N/MM201F2齿条的材料我选择是45刚制造，因此抗拉强度690N/MM没有考虑热处理对强度的影响。B2齿部弯曲安全系数S/38B01F因此，齿条设计满足弯曲疲劳强度设计要求。又满足了齿面接触强度，符合本次设计的具体要求。37小齿轮的强度计算371齿面接触疲劳强度计算计算斜齿圆柱齿轮传动的接触应力时，推导计算公式的出发点和直齿圆柱齿轮相35似，但要考虑其以下特点啮合的接触线是倾斜的，有利于提高接触强度；重合度大，传动平稳。齿轮的计算载荷为了便于分析计算，通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷进行计算。沿齿面接触线单位长度上的平均载荷P（单位为N/MM）为PLFNFN作用在齿面接触线上的法向载荷L沿齿面的接触线长，单位MM法向载荷FN为公称载荷，在实际传动中，由于齿轮的制造误差，特别是基节误差和齿形误差的影响，会使法面载荷增大。此外，在同时啮合的齿对间，载荷的分配不是均匀的，即使在一对齿上，载荷也不可能沿接触线均匀分布。因此在计算载荷的强度时，应按接触线单位长度上的最大载荷，即计算PCA（单位N/MMM）进行计算。即PCAKPKLFNK载荷系数载荷系数K包括使用系数，动载系数，齿间载荷分配系数及齿向载AKVK荷分布数，即KAV使用系数是考虑齿轮啮合时外部领接装置引起的附加动载荷影响的系数。10A动载系数VK齿轮传动制造和装配误差是不可避免的，齿轮受载后还要发生弹性变形，因此引入了动载系数。10V齿间载荷系数K齿轮的制造精度7级精度212H齿向荷分配系数36齿宽系数DB/D1814/1213151112018106D02310B15HK23所以载荷系数K11121518AVHK斜齿轮传动的端面重合度BSIN0318DZTAN165/NM1在斜齿轮传动中齿轮的单位长度受力和接触长度如下PCAKPKLFN因为1COSBFNFT/COSCOS1N所以TTTNCABKFBKFLPCOSCOSCS111832976/1814/165/067296N/MM利用赫兹公式，代入当量直齿轮的有关参数后，得到斜齿圆柱齿轮的齿面接触疲劳强度校核公式21COSIN2112ATTTBHDKFE1BDKFZTHEH式中Z弹性系数E21E主动小齿轮选用材料20CRMO制造，根据材料选取，均为03，E，E都为1212合金钢，取1898MPA2/1求得Z57E节点区域系数H37TTBHZCOSIN2Z224齿轮与齿条的传动比U,U趋近于无穷则1所以516MPAH小齿轮接触疲劳强度极限1000MPA1LIM应力循环次数N2105所以11HK计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数S1，可得111000MPA