中央空调管道清洁机器人的设计及运动仿真三维UG
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中央空调管道清洁机器人的设计及运动仿真三维UG,中央空调,管道,清洁,机器人,设计,运动,仿真,三维,UG
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摘摘 要要随着科技的发展,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通风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风管还会让制冷效果下降,使得大量的能源被浪费。故制造中央空调风管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，进行了中央空调风管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风管清扫机器人,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。所设计的中央空调风管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Abstract With the development of science and technology, and create a comfortable environment for people of central air conditioning and brings hidden trouble.Air-condition disease patients gradually increased, cause this is the central air conditioning ventilation pipes and cant get timely cleaning, greatly damage the human body health.Another aspect is the influence of unclean air duct refrigeration effect, still can let makes a lot of energy is wasted.So the manufacture of central air-conditioning duct cleaning robot is urgent. This paper expounds the development status of central air conditioning cleaning robots at home and abroad, clarifying the research background and significance of this topic, the central air-conditioning duct cleaning robot mechanical structure of the research design, and in view of existing situation, this paper developed a kind of adaptive adjustable type air duct cleaning robot, by changing the dont have to brush a head and tracked robot foot since the deflection system can satisfy the square tube, pipe pipe cleaning work requirements.By means of the electromagnet of caterpillar foot power to achieve horizontal and vertical rising job requirement.Through the CCD color video camera can realize real-time monitoring control personnel. The design of central air-conditioning duct cleaning robot finally achieved different pipe diameter, pipe cleaning, complete the function of adaptive, realize the request of the robot miniaturization, lightweight, more adapt to the development of the current domestic situation.Keywords: adaptive； structural design； stress analysis目 录摘要.ABSTRACT.目录.1 绪论.11.1 设计意义及发展现状 .11.2 国内中央空调管道清洗机器人的研究现状及存在的弊端 .11.3 本章小结.22 中央空调风管清洗机人的整体设计.32.1 机器人功能的总体设计方案.32.2 清洗机器人的尺寸及参数要求.32.3 清洗机器人的系统组成及功能.32.4 模拟清洗机器人的工作状态.33 中央空调风管清洗机器人移动部分的结构设计.53.1 清洗机器人整体尺寸大小的确定.53.2 机器人移动方式的选择.53.3 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.6 3.3.2 爬壁时运动力学分析.73.4 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.124 中央空调风管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 .155 机器人自适应装置的设计及监控设备的选择.165.1 履带足变位装置.165.2 刷头更换装置.165.3 中央空调风管清洗机器人照明和检测装置 .17 5.4 本章小结.176 机器人工作时的受力分析.186.1 机器人移动机构动力学分析 .186.2 机器人直线运动状态分析 .196.3 机器人在管道中移动时拖线阻力的分析.20 6.4. 机器人越障极限状态分析.22 6.5 机器人爬坡和跨越沟道能力的研究.24 6.6 机器人在风管内转弯时的通过性分析.25 6.6.1 机器人在水平直角弯管的通过性分析.25 6.6.2 机器人在矩形管斜接弯头的通过性分析.26 6.6.3 机器人在圆弧形弯头的通过性分析.27 6.7 机器人转弯半径的研究.28 6.8 本章小结.297 总结.30参考文献.31致谢.3211 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中空气的更新代谢，被称为“建筑物之肺”。而中央空调风管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，中央空调风管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，对中央空调风管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，对于中央空调风管管道的清洁颁布了较为严格的使用期限及清洗法律,例如美国国家风管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风管管道清洗协会,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。据数据统计,目前国际上生产通风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 国外较为典型的风管清扫机器人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 年我国第一台风管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风管道的规格设计的,它具有对风管管道内污染情况实施观察、在风管管道中行走、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2学、 12哈尔滨工业大学、深幼大学等,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。而举升式的清洗臂能适应于各种尺寸、各种管道的风管管道，同时自带的彩色摄像头则能够让操作人员随时监控着机器人的清扫效果。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通风管道一般选用圆管,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,使得风管内脏乱程度相对于国内较低。而国内的风管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通风管道的一些具体情况作出相适应的设计,造成在国内工作效果并不理想。另外国外的风管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。针对这些紧需改变的情况,本文研究设计出了一种自适应型风管管道清洗机器人,它实现了满足各种形状和尺寸的风管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,阐明了中央空调风管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通风管道系统清洗状况,引出了本课题的核心，即如何制造适应于国内中央空调风管的清洗机器人，并说明了本次课题研究的主要内容。32 中央空调风管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风管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风管的清扫及检测工作。目前大部分风管采用矩形管道,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风管中正常工作,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。且为了实现风管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，从而使该风管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）根据所给出需清洗管道的建筑图纸,根据实际情况制定详细的清洗方案。4（2）在适当位置开施工口,放入风管清洗机器人。（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风管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。53 中央空调风管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： （3-1）max0(/ 2)cos45(/ 2)(/ 2)sin45(/ 2)cos45dRDRDRDRDdL要使(R+D/2)cos45（R-D/2）0，则弯管曲率半径 L 与空调风管管道直径D 应满足 R/D3,而在实际生活弯管曲率半径通常大于 3m，风管直径小于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： （3-2）22max02 (/ 2)(/ 2)dDRDRDdL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风管清洗机器人的移动实现形式主要采用车轮式、6腿足式、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移动方式车轮式履带式腿足式优点结构简单、移动速度快、操作灵活方便着地面积大、承载能力强、运动平稳性高，适用于多种路面自适应性较强、越障能力强、对路面的接触能力较强缺点着地面积小、越障能力不强、爬坡能力较弱、平稳性不强结构相对复杂，履带较容易磨损行走速度慢 、结构较复杂、效率低行走原理两侧履带由独立电机驱动来实现清洗机器人的移动有多个脚盘进行反复吸附、脱落而进行移动装配多个车轮，每个车轮有独立的电机驱动根据这三种行走方式综合考虑，本文的中央空调风管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，进而进行设计。 3.3.1 爬壁时静态力学分析7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： （3-3） GNNFiimi0由此式可推地： （3-4） nGFmi/爬壁机器人一半的重量，G=29.4NG壁面对履带上一个吸附单元的支持力，NNi履带上一个吸附单元对壁面的吸附力，NFmi一个吸附单元对壁面的摩擦力，=0.5单边履带上有吸附作用的个数，n=9n将数值代入，可得NFmi7即单个吸附单元对壁面产生的吸附力NFm7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，故满足爬壁的条件。NNF156 .23 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以及支持力形成的阻力局及重力产生的力矩。（H=机FmnNmnMfMG器人重心离壁面的距离，取 100mm）即 （3-5）0MMMGfQ8 （3-6）GHaFMmQ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mnMQ575. 12. 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：（为摩擦阻力矩，电机提供的转矩，重MfMQMG力产生的力矩） （3-7）0MMMfGQ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。故确定了此风管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1.575N.m。下一段将根据这个选择履带中的电机。MQ3.4 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 驱动方式的比较驱动方式电机驱动液压驱动气动驱动优点精度高、比较容易实现密封、有优良的调速技能，对周围环境要求较低，所需辅助设备较少，推力大、体积小、调速方便成本低、动作可靠、不发热、无污染缺点推力较小、要完成大推力时，成本较高系统成本高、可靠性差、维修保压麻烦推力较小，不能实现精准的中间位置调节，通常是两个极限位置使用综合本课题所研究的中央空调风管清洗机器人，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：9表 3-4-2 电机驱动方式的选择电机驱动方式交流电机直流电机步进电机伺服电机电机组成及工作原理主要分为同步电机和异步电机，定子绕组中通入三相电源时，定子绕组产生一个旋转磁场造成铁芯切割磁感线，铁芯上产生电流，电流收到磁场力的作用，铁芯旋转定子磁铁、转子、换向器、电刷、机壳、轴承等构成，通过转子和换向器使电流方向随转子的转动角度而变化，实现连续转动分为永磁式（pm）、反应式（vr）和混合式（hb），工作原理：利用电子电路，将直流电变为分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，分为直流和交流伺服电机两大类主要特点没有电刷与换向器，无需维修。但驱动电路复杂，价格高控制简单、体积小、转速和转矩容易控制、效率高，启动转矩大直接用数字信号控制，与计算机接口简单，寿命长，能量转换效率低，易失步，过载能力弱当信号电压为零时无自转现象，转速随着扭矩的增加而匀速下降调速方法分为电压控制与频率控制。其中，异步电机采用电压控制调速采用电压控制方式，两者成正比，转矩控制采用电流控制方式，两者成正比用控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到精准定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的调速方法由三种，调节电阻Ra、调节电枢电压Ua、调节磁通的值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10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，拟选定的同步带轮的直径为 d=45mm，此时，主动带轮最大的转速为： （3-8）min/9 .84045. 014. 312rdVn根据实际情况，设电缆的质量=2kg,与管壁间的摩擦系数=0.5,此时M0拖动电缆所需的力。而爬坡阻力为NgMF8 . 98 . 925 . 000式中，M 为机器人质量，为机器人最大爬坡角度，sin1MgFkgM6=30。故爬坡阻力=29.4N，考虑到机器人在行走过程中还会遇到一些其F1它的阻力，故去总阻力为则单个履带足所需要提供的驱动力为 35N，NF702则单个履带足最大的功率为。则驱动功率： WFVP7(）WPKPAc2 .1176 . 16 . 1查表得到，取KA （3-9） WPcMP4 .1198. 02 .11式中 带轮的传动效率，98. 0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min/17.1185 . 10rnn根据驱动功率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Pc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，齿数为 Z=30，节距=5.08。根据机器人总体尺寸设中心距为mmd51.480Pba=250mm，则带长。按国标 GB/T11616 表 6.1-58，选标准mmaLd65320带长为 655.32mm。节线长，齿数为 130 个齿。根据带长反推可mmLp64.660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mkgM 2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 3.6NmmkgnNFrM225 . 0) 26 (11 （3-10）mNnPTnTP/34. 195509550显然，故此电机可以满足本文设计的清洗机器人所需的驱动功mNp6 . 3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。 （3-11）vPZvmax3210经查询与计算，满足条件。smsmvv/3025/2 . 0max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时，6Zm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F1 （3-12）NdMFr6 .4111同步带所受到的拉应力近乎等于剪切力，即 （3-13）NTFTaa46.2441经计算，履带的拉应力总是小于许用拉应力，则可得出结论，在正常的Ta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：123.6 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。134 中央空调风管清洗机器人清洗部分的结构设计清洗机器人要完成清洗风管的正常清洗工作，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风管管道，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着逆时针旋转,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风管管道。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风管管道的清洗工作。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风管管道。现在进行简单地设计计算，丝杆的设计计算： （4-1） 303332 . 095500002 . 09550000nPnPnPdATT此时,故丝杆直径1400A，取丝杆直径mmd5 . 3mmd6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，速度为，丝杆转速NF500min/2 . 1 mv min/63rdvn14则电动机所需的功率，故电机所需扭矩WFvP10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,并按下式计算：Tca （4-3）TKTAca式中：公称转矩，TmN 工作情况系数，查机械设计表 14-1，取KA3 . 1KA故mNTca1976. 0按照计算转矩及所选的联轴器类型，按照Tca （4-4） TTca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 T器的许用转矩，经查询计算机比较得 mNTTca4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 ，即设计如图 4-1 所示：nmaxmin/4000maxrnn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mNnPT52.1955015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,为毛刷在工作过程中所需的稳定的驱动力,为毛刷轴半径。对于一FRM FR个已知的清洗刷头,可以直接用尺量出,我们只需要测出的大小,就可以计算RF出所需扭矩。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M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的大小。F 图 4-2 测量毛刷扭矩示意图 将测出的数据带入里计算出能使毛刷在一般情况下正常平稳运转的FRT 驱动电机输出扭矩为。为了保证基本的清洗要求,根据实际情况选mNT5 . 0取毛刷驱动电机转速计算。min/1000rn 此时电机功率可以通过下式求出： （4-5）WTnP4 .52955010005 . 09550 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 0.6Nm4.3 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16选定了毛刷驱动电机，满足机器人工作环境的需要。 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风管既有矩形管道又有圆形管道,且设计制造并不规范,使得风管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。17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 中央空调风管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。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风管清洗后的情况,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。185.4 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。6 机器人工作时的受力分析国内风管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中所受到的阻力之和,以提供足够的前进动力。牵引力必须小于或等于管壁与履带之间的附着力,使其不会打滑。由于履带式移动机构在地面运动时,即使只装有一对主从动带轮,仍然保持整个履带面都与地面接触,因此产生的正压力为机器人对管壁的全部正压力,从而具有较强的附着力。该机器人履带足中包含个从动带轮和个主动带轮,共同对机器人起支撑作用,为了便于分析,将履带足简化为 1 个从动轮和 1 个主动轮的形式。图 6-1 所示为简化后的履带式移动机构的动力学分析图。图 6-1 履带式移动机构动力分析图 由图中可以看出,右边的轮为主动轮。其中,为移动机构行走的速度,V为主动带轮的线速度即为履带传动的速度,为主动带轮上的牵引力,VTFZT为移动机构运动时所受的外阻力,为移动装置内部阻力。FWFw 机器人行走时,履带与管壁之间会产生单性滑动,因此一般情况下机器人行驶速度要小于履带速度。VVT 在第三章我们已经选定了移动机构的驱动电机,设驱动电机输出功率为,Pe传递到主动轮的效率为,转速为,驱动轮的扭矩为,半径为 ,主动轮TnMZTr19的功率为,则有以下的关系式:PT （6-1）TeTZTTPVFP （6-2）9550nMPZTe牵引力 （6-3）rMFZTZT设机器人的重量为,履带与管壁的附着系数为,则附着力FG (6-4)FFGf由式(6-4)可知,附着力的大小主要取决于两个因素：（1）履带所受的Ff正压力,即机器人的重量；（2）管壁与履带的附着系数。FG因此要使机器人能够行走必须满足：1FFFWWZT2FFfZT 由上述条件可知,只有产生足够大的附着力,才能将牵引力转化为FfFZT使机器人行走的推动力。由式(6-4)可知,为了增大附着力,可以增加机器人Ff的重量或提高附着系数。由式(6-3)可知,在驱动轮半径 r 确定时,可以FG增大驱动轮的扭矩来提高牵引力的大小,从而克服更大的阻力,加深MZTFZT机器人的行程,但是牵引力的大小又要受到附着力的限制,因此设计FZTFf时要充分考虑到各方面的因素。经计算，本文设计的牵引力满足条NFZT35件。6.2 机器人直线运动状态分析 机器人行走时包括同步带传动以及相对于地面的平移,运动状态较为复杂,为了便于分析,我们假定机器人的履带始终处于一个理想的状态;柔软且不可拉伸,履带上所有点都位于同一个平面内。图 6-2 所示为履带直线运动示意图,为Vx履带相对于机器人的转速,即履带传动的速度;为履带相对于底面的速度,即机Vq器人整体的移动速度。则履带上任意一点的速度即为这两个速度的矢量之和。Vj用公式表达为: (6-5)VVVqxj20图 6-2 履带直线运动分析图 由上图可知,在理想情况下,履带与地面接触的区段,此段的绝对速VVqx度,而履带未与带轮和地面接触的区段,绝对速度。但0VjVVqxVVxj2是由上一节我们知道,机器人在实际行驶过程中,由于履带与管壁之间的单性滑动,机器人行驶速度要小于履带速度,履带接地段的绝对速度不可能为。因此为了研0究机器人的各种运动状态及规律,首先需要研究外部环境对其运动的影响,对机器人运动过程中所受到的外力进行分析,主要包括自身重力、空气阻力、前进阻力以及牵引力。 （1）机器人自身重力 G 为了使机器人运动平稳,设计时采取左右两边对称的形式,使机器人的重心处于中间的对称面上。 （2）空气阻力 由前面设计我们可知,机器人工作时运行的速度很低,并且整体体积小,故可忽略掉空气阻力的影响。 （3）地面变形阻力Fw 机器人在行驶过程时,由于自身重力可能在承重轮部位对地面产生一定程度的变形,当承重轮经过后,由于变形的部位要恢复原样,会对履带产生一定的弹性阻力。本文研究的空调风管清洗机器人,机器人行走的风管是金属材料制造的,并且机器人并不很重,因此地面变形量极小,在此地面变形阻力忽略不计。Fw （4）拖线阻力FD风管清洗机器人采用电缆控制,行驶时要拖动电缆线一起运动,而电缆和管壁间会产生较大的摩擦阻力,且这个力会随着机器人行程的不断加深而增大 （5）机器人牵引力FZT 机器人运动时,履带通过主动带轮的驱动和管道之间会产生相互的作用力,当管道对履带的反作用力满足机器人行走的条件时,这个反作用力即为机器人的牵引力,能够推动机器人前进。牵引力是机器人运动过程中受到的主要外力,FZT其大小与机器人所受阻力及管道与履带间的附着力密切相关。经过上面的分析我们可知,机器人直线运动状态下主要受到牵引力、前FZT进阻力和附着力的影响,通过对这三个力的研究,可以分析出机器人直线FRFf21运动时的几种状况：当时,机器人做匀速直线运动或加速直线运动；FFFfZTR当时,机器人不断减速甚至停止移动；FFRZT当时,运动时履带与管道之间产生打滑。FFFfRZT经过电机的驱动，可以实现机器人的运动或停止。6.3 机器人在管道中移动时拖线阻力的分析 机器人在管道中移动会受到较大的拖线阻力,随着机器人行程的加深,拖动的电缆线的长度会增加,拖线阻力也会随之变大。在第三章计算机器人驱动轮的半径及确定驱动电机功率时我们己经考虑到拖线阻力这一因素,在本节中再从理论上进行更为细致深入的讨论。由于机器人受到空间和自身结构的限制,移动装置的驱动电机所能输出的最大驱动力会有一定的限制,当机器人在风管内行走的距离过大导致牵引力小于机器人所受阻力时,就会使机器人停止移动。因此,通过对拖线阻力的分析可以确定机器人的最大行程。 为了便于分析和计算,我们假定机器人和电缆线处于一个理想的状态：机器人的运动始终处于水平面上,并保持速度不变；电缆线柔软且不可伸长,内部不产生摩擦力；电缆与管壁充分接触且受力均匀,经过弯管时紧贴管壁,呈现与弯曲处相同的弧线阅。当机器人在直管中行驶时,电缆受力状态如图 6-3 所示,主要受到机器人对电缆头部的拉力,电缆尾部的反向拉力,以及与地面之间的摩擦阻力的F2F1f作用； 表示电缆运动的速度和方向, 为拖动的电缆的长度。设电缆的线密度vs为,电缆与管壁间的摩擦系数为,则可得出,理想状态下机器人在直gsf管中做匀速直线运动,则电缆在直管状态下受力关系为： （6-6）gsfFFF112 图 6-3 电缆在直管状态下受力分析 图 6-4 电缆在弯管状态下受力分析机器人在通过弯管时,电缆线会产生弯曲并紧贴弯曲段,受到管道侧面对其的支持力,电缆在弯管状态下受力情况如图 6-4 所示, 、和的vF2F1表示含义与直管状态相同,为弯管的弯曲半径,为圆弧弧度。取电缆线的一R小段长度的竖直截面进行微观分析,为该段电缆所受拉力的合力,为管dsdTdN壁对该小段的总支持力,为与竖直方向的角度,为该小段电缆的圆弧弧dNd22度。当电缆处于平衡状态时,可列出各力的关系式： （6-7）02sin2sinsin02cos2coscossindFddFFdNdNdFddFFgsdNdTdN对式（6-7）进行化简可得： （6-8）FddNdNdFgdsdNsincos根据，由式（6-8）可得：1sincos22 （6-9） dFdsgdN2222由弧长公式，将代入式（6-9），则：Rdds dsddNFRg2222ddFFRg2222ddFFRg2222由 F 与的关系可得出在弯管状态下电缆的托线力计算公式： （6-10）eFgFFRgFF2221122222 由于电缆在经过弯管时会受到一定的离心力的作用,在计算过程中一般忽略重力对拖线力的影响,则式（6-10）可化简为： （6-11）eFF12 管道机器人在实际的应用中一般由直管进入,在初始状态下牵引力为 0,在23直线运动过程中牵引力逐步增加,当到达弯管接头的临界点时,可通过式（6-6）可求出当前的牵引力；进入弯管后此牵引力即为初始牵引力,根据式（6-11）可以得出通过弯管后的牵引力。6.4. 机器人越障极限状态分析 当机器人履带机构前端带轮越过垂直台阶的外边缘线后,随着机器人攀爬运动,前端带轮会继续升高,机器人与地面之间的仰角逐渐增大,重心也不断升高并向前移动。此时机器人的运动状态会出现两种情况：（1）机器人的重心在攀爬过程中不断上升和前移,并且能够越过垂直台阶的外边缘线,则由力矩平衡法则可知,此时机器人将在自身重力作用下,以台阶的拐角线作为支线,完成对垂直台阶的跨越,越障成功。（2）机器人的重心在移动的过程中始终无法越过垂直台阶的外边缘线,此时机器人则不能越过台阶,继续攀爬甚至可能使机器人发生反向翻转。 为了研究机器人的越障能力,我们需要对机器人刚好能跨越垂直台阶时的状态进行分析。由上面的两种情况可知,当机器人的重心刚好能越过垂直台阶的外边缘线时,此时机器人处于即将越过台阶的临界状态,如图 6-5 所示,机器人重心的铅垂线刚好与台阶的外边缘线重合。O图 6-5 机器人越障极限状态在图 6-5 建立以后端带轮的轴心为原点,以前后带轮轴心连线,为O1OO21轴正向的笛卡尔坐标系,为机器人的重心,设其坐标为,R 为履带轮xOyxO00,半径,为机器人与地面间的仰角,L 为的长度,为垂直台阶的高度。OO21hw为了得出可以跨越的台阶高度与其他参数的关系,则可建立如下函数:hwcossintan,0000RRHyxyx (6-12)coscossin000RRyyx 由式(6-12)可知,当机器人在跨越台阶的过程中,始终能够达到图 6-5 所示的越障极限状态时,则机器人能够越过的垂直台阶高度随着机器人与地面的hw仰角的变化而变化,机器人在越障过程中,的取值范围为。当我们得5 . 0 , 024出 R、的数值后,就能求得,与的关系式,此时,的最大值即x0y0hwhwhmax为机器人能够跨越的垂直台阶的最大高度。由于机器人要越过台阶,重心必须能够越过垂直台阶的外边缘线,因此重心的位置对机器人的越障能力会有一定的影响。在函数表达式(6-12)中,分别对、求偏导可得：x0y00sin0xH0tansin0yH 根据上面的结果可知,的为关于的增函数,关于的减函数。,00yxHx0y0因此在设计时使机器人的重心偏前、偏下一些能够提高机器人的越障能力。当机器人重心位置确定时,我们现在来分析与的关系,分别对函数hw求关于的 1 次、2 次偏导可得：,00yxHcos2000sinsincosRHyyxcossin3200022coscossinRHyyx由于的取值范围为,由数学知识可知,时,函数5 . 0 , 0022H存在最大值。当时,可以求得的最大值,此时,00yxH0Hhwhmax即为该机器人能够越过的垂直台阶的最大高度。经计算，越障能力小于hmax30mm。6.5 机器人爬坡和跨越沟道能力的研究（1）攀爬斜坡 机器人爬坡运动如图 6-6 所示,由于机器人运行速度很低,我们可以对其进行静力学分析。机器人在爬坡时会受到一个阻碍其前进的重力分力。因此对牵引力有更大的要求。为了保证机器人在爬坡时不会发生翻转或倾覆,斜坡的坡度必须不大于所允许的最大俯仰角为,且坡向不大于最大横滚角为,设maxmaxb 为机器人的宽度,则：25 （6-13）Ryx00maxarctan （6-14）yb0max2arctan图 6-6 机器人爬坡运动简图得30max（2）跨越沟道要使机器人较为平稳地跨越沟道,避免前端或后端掉进沟道的情况发生,需要满足两个条件设沟道的宽度为 D,当机器人的重心通过近侧的沟道边缘线时,机器人前端履带已经接触或越过远侧的沟道边缘线,即。当机器人的xLD0重心通过远侧的沟道边缘线时,机器人后端履带尚未完全离开近侧的沟道边缘线,即。xD0因此只需测出的大小,即可求得机器人能够平稳跨越的沟道的最大宽度xL0,即Dmax （6-15）xxDLD00max,min得mmDD30max6.6 机器人在风管内转弯时的通过性分析如果机器人的尺寸和弯管的形状尺寸不能满足一定的要求,则机器人在转弯过程中可能会被卡住无法移动,从而不能成功通过弯管。因此在机器人主体尺寸大小已经确定的情况下,我们有必要对其弯管通过性进行分析,以保证机器人能安全通过弯曲的管道。目前中央空调弯曲风管主要有三种形式水平直角弯管,矩形管斜接弯头以及圆弧形弯头。下面我们分别对机器人在这三种情况下的弯管通过性进行分析。 6.6.1 机器人在水平直角弯管的通过性分析 机器人经过直角弯管的情形如图 6-7 示,以直角弯管外拐点为原点,建立图示笛卡尔坐标系,设 y 轴方向管道的宽度为 a,x 轴方向管道的宽度为 b,机器人长度为 l,转过的角度为。为了使机器人更容易通过弯管,假定机器人相对于弯向的外侧始终沿着管道外侧运动,在图 6-7 中表示为：在机器人转弯的过程中,点 B 始终沿 x 轴移动,点 C 始终沿 y 轴移动,此时机器人要通过弯管,必须保证宽26度不大于点 A 到 BC 连线的垂直距离,即在由增大到的过程中,A 到 BC 的090最短距离就是能通过该直角弯角的机器人的最大宽度。图 6-7 机器人通过直角弯管情况由上图可知,A、B、C 三点的坐标为:,则 BC 的 sin, 0,0 ,cos,lClBbaA两点式方程式为:cos00sincos0lllxy可推出 BC 的一般直线方程式：0cossincossinlyx则点到直线 BC 的垂直距离 d 为：baA, （6-16）cossincossincossincossincossin22lbalbad 由于 a，b 的值可以测出, 的取值范围是（0,0.5）,求出 d 的最小值,dmax 则要通过该直角弯管,机器人的宽度 m 必须满足。即，dmmaxdmmaxmax当 a=b 时,可直接求出时。d 取得最小值。 45mmlad5 .39622max 在实际应用中,为了保证机器人能够安全顺利地通过直角弯道,一般给上面所求得的数值加上一个安全系数,当机器人的尺寸在安全范围以内时,就能够正常地工作,方便了具体作业的实施。 6.6.2 机器人在矩形管斜接弯头的通过性分析矩形管斜接弯头也是机器人经常遇到的转弯情况的一种,类似于直角弯管,一般情况下,两管之间的夹角为钝角。机器人通过斜接弯头的情形如图 6-8 所示,分析的基本原理与图 6-7 相似,机器人始终沿弯管外侧运动,则点 A 到直线 CD 的最短距离就是能通过该斜接弯头的机器人的最大宽度。27图 6-8 机器人通过斜接弯头的情况由图 6-8 分析各点的几何关系可得出直线 AB 的方程为：costanaxy将 y=b 代入上式可得点 A 坐标为，将 x=0 代入可得 B 点坐标bba,sincos为,设 C 点坐标为，D 点坐标为，由图中的几cos, 0a0 ,XCtan,XXDD何关系可得：与的关系式：XCXDlXXXDDC22tan)(直线 CD 的关系式：XXXXCDDDxy0tan0转换为一般方程： 0tantanXXXXXDCCDDyx可求得 A 点到直线 CD 的距离为: (6-17)XXXXXXXXCDDDCCDDbbad2tantansincostan2由于我们考虑的是两管相交的夹角为钝角的情况,因此 的取值范围为,此时求得 d 的最小值即为能通过该斜接弯头的机器人的最大宽度2, 0dmin。mmm2 .416max 6.6.3 机器人在圆弧形弯头的通过性分析 机器人转弯的另外一种情形是通过圆弧形弯头,如图 6-9 所示,设机器人长度为 l,管道弯曲半径为 R,宽度为 a,并且始终沿着管道外侧运动。由图中的几28何关系可知,BC 的长度即为通过该圆弧形弯头的机器人的最大宽度。mmax图 6-9 机器人通过圆弧形弯头的情况下面我们来求 BC 的长度。由图 6-11 矿物质，OC=R-a/2，OA=R+a/2，可得，则 BC=OB-OC,即：222/2/laROBocobbcmmax =2/2/2/22aRlaR = （6-18）24222aRlaaRR得mmm8 .354max 经过对机器人在风管内三种情况下的弯管通过性分析,我们可以在设计机器人的时候根据具体的管道情况来确定机器人的主体尺寸,在实际应用的过程中也能根据机器人对各种弯管的通过性来选择合适的机器人或者确定具体的工作范围,以保证机器人工作的顺利进行。6.7 机器人转弯半径的研究 本机器人采用双履带式移动机构,通过左右履带的速度差来实现机器人的转向运动。机器人转弯运动如图 6-10 所示,此时机器人的重心沿其行走轨迹的圆心做圆周运动,同时机器人绕自身重心做旋转运动。O图 6-10 机器人转弯运动分析图29 图 6-10 中,为机器人前进的速度和方向,为机器人绕自身重心旋转的V角速度,为左右两侧履带之间的距离,为履带轮的半径,分别为WRwrl,左右侧履带轮的角速度, 为机器人转弯的弧度。则由图中速度的关系可得出左右两侧履带轮的线速度：左
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