玻璃幕墙清洁机器人转向结构设计

前言随着时代的进步，人们对建筑文化要求越来越高，玻璃幕墙建筑的出现就是一个很好的体现。玻璃建筑在我们的生活中越来越多，尤其是在城市中，几乎随处可见。因为玻璃有着光鲜亮丽，光透性好，所以被人们所钟爱。用玻璃幕墙建造的高层建筑不仅给建筑增加了美观，也成为了城市中一道亮丽的风景线。虽然玻璃建筑漂亮美观，但是却有一个很大的缺点，那就是容易沾到空气中的灰尘和一些污渍。这将会让玻璃建筑变得不美观，所以人们需要定时去清理和维护。在玻璃建筑出现的初始阶段，都是依赖于人工去清理玻璃上的灰尘。但是人工的清洗成本高昂，清洗的工作量并不小，而且玻璃建筑大多数都是一些高楼大厦，这就使得清洗工人工作环境危险。因此，对于玻璃建筑的清洗市场还是有很大的发展前景。一开始清洁玻璃主要有两种方式，一种是依靠升降平台吊篮承载清洁工进行玻璃幕墙的清洗，这种对人身安全及玻璃壁面都有很大的危险性[1]。另一种是使用清洁机器去清洗玻璃。清洁机器的研发需要高成本，而且有些楼层并不好安装擦窗机器，所以这种方法局限性太大，也过于繁琐。可以预见这两种方法成本会逐渐提高。所以需要新的技术来取代这两种方法。玻璃幕墙清洁机器人的出现就是这一技术的体现。它能够灵活的攀爬在几十米甚至上百米的高处，能够吸附在玻璃墙面上移动，自身携带着清洁装置，这将大大的降低了成本。它的出现让清洁工不用在危险的高空中工作，工人的安全也得到了保障。目前世界各国都有了自己的玻璃清洁机器人，这项技术也在慢慢的完善，但是还是会有一些小缺点。例如有些转弯的地方清理不到，所以需要一款能够小半径转弯的清洁机器人。第1章研究背景与价值1.1选题的意义与价值随着人口的增长，高层玻璃建筑也越来越多。所以玻璃清洁需求也越来越大。人工清洁太不合理，存在劳动强度大、工作效率低、作业环境极差、工人安全得不到保障等问题。随着我国的科技发展，人工操作已经越来越不被人们看好，所以人们需要一款代替人工的清洁机器装置。玻璃清洁机器人工作可靠，效率高，它将人们从繁重危险的工作中解放出来，同时为城市中的玻璃建筑带来干净，带来亮丽，带来美观。玻璃幕墙清洁机器人与清洁机器最大的区别是机器人能够自行移动，不需要外物固定。玻璃清洁机器人属于移动机器人的一个分支，它主要的作用是清洗建筑玻璃，是非常实用的机器人。它通过吸附机构吸附在玻璃墙面，携带着清洗机构清洗墙面，是现在清洗服务行业的主要清洁方案。清洁机器人的出现代替了人工的清洗，对城市环境美化起到重要作用。这不仅推动了清洗业的发展，也带动了社会的经济发展。越来越多的人关注玻璃幕墙清洁机器人的探索，日本是这一领域最突出的国家，随后美国、英国、法国、意大利、西班牙等国也在连续地推动玻璃幕墙清洁机器人的发展状况。1.2国内外玻璃幕墙清洁机器人研究概况本小结主要介绍了国内外对玻璃幕墙清洁机器人的发展过程，增加对它的认识，让我们更能够直观地去了解玻璃清洁机器人的情况。1.2.1国外玻璃幕墙清洁机器人研究现状1978年，一台被命名为Walkers的壁面机器人被研发出来，它的出现为后来研发玻璃清洁机器人提供了一个良好的思路。日本的清水建设株式会社很早就对玻璃清洁爬行机器人进行了研究，研发出的机器人是利用横向放置的两个气缸和一个纵向放置的气缸来实现移动的，它的结构是由本体、内部和外部支援设备这三部分组成。该机器人样机如图1.1所示。机器人纵向端有吸附结构，图1.1日本玻璃清洁爬行机器人在机器人横向气缸一端携带着清洁装置。控制机、水管、气管收放装置、电缆和水泵这五部分组成内部支援设备。外部支援设备是一个可移动的平台，可调节管道，并确保机器人可以放置安全绳。该机械机构可以跨越纵向障碍，无法跨越横向障碍[2]。这款机器人重量轻，是一种携带清洁设备的爬墙机器人，是最早开始研究的玻璃幕墙清洁机器人之一，为后来开发和研究玻璃幕墙机器人提供了理论基础和经验基础。1998年，德国的Aalen商业技术学院研发了一款爬行清洁机器人样机，该样机去除了履带真空吸附式的弊端，例如不易转弯等[3]。1986年，美国的一家公司研发了一款名为SKYWASHER的机器人，这款机器人主要用于清洗高层建筑的玻璃。它是由两组形状类似L的框架来实现移动功能的。每组框架都由装载真空吸盘的三根柱子组成，这使得机器人能够吸附在玻璃上。两组框架交替吸附与滑动来进行移动，该机器人能够横向移动，并且能够跨越一些小障碍。2002年，德国Fraunhofer生产技术与自动化研究所（IPA）研发出了SFR-I系统和SFR-II系统。图1.2为SFR-I系统，图1.3为SFR-II系统。SFR-I系统能够左右清洗和上下清洗，图1.2德国SFR-I系统图1.3德国SFR-II系统这样清洁面更大，更全面。SFR-II系统是SFR-I系统的升级版，该系统采用X、Y、Z向移动的方式[4]。SFR-II系统比SFR-I系统多了Z方向的移动，也就使得拥有这样系统的机构可以实现越障的功能。同样，德国慕尼黑技术大学也研发了用于高层建筑物外墙的清洁机器人[5]。机器人采用半自主清洗系统，4个吸盘脚起到吸附与移动的作用。图1.4为该机器人的三维模型。图1.4德国清洗机器人三维模型1.2.2国内玻璃幕墙清洁机器人研究现状上个世纪七十年代初期，我国正式开始研究以及开发机器人，我国因为工业发展较晚，所以开始研究机器人的也比国外晚。促使我国重视并开展研发机器人的源头是来自日本型号为Unimate-2000的搬运机器人样机，此机器人第一次在我国首都北京露面，此机器人的面世受到了许多人的关注。国内玻璃幕墙清洁机器人的研究对比国外来说起步较晚，但是我们的进步还是非常大的，近几年我国已经研发出了许多的机器人。我国第一台机器人是哈尔滨工业大学研发的。1988年又研发出了轮式CLR-I与履带式CLR-II[6]。CLR-I型机器人是负压吸附，本体可载重5kg，移动速度0~10m/min，移动高度不超过100m。CLR-I型机器人携带高压水枪和旋转刷盘来达到清洗瓷砖的目的。CLR-II型机器人主要清洗玻璃，通过计算机去控制机器人的作业，利用电力载波的通讯方式进行传达信号，进而达到控制机器人行动的目的。航空航天大学机器人研究所在2003年专门对清洁我国美丽的国家大剧院外围设计了一台幕墙清洁机构样机[7]。这台清洁机器的结构能够在光滑弯曲的曲面上自由移动，并不会受到太大的阻碍，通过控制，可以按命令移动，它有四大结构，分别是攀爬结构、移动结构、清洁结构和俯仰调节结构，这四大结构组成机械结构本体。东北大学研制了一款采用双履带吸盘行走机构。这款机器人由真空吸盘、电磁离合器、清洗机构、涡轮蜗杆、气体分配器、链轮链条、电磁阀、电机等组成[8]。机器人行走时，履带上的吸盘吸附在玻璃壁面上，且每时每刻吸附在墙上至少有6只真空吸盘。吸盘吸气放气是通过杠杆装置完成，与传统的利用传感器来移动和避障的机器人有很大的区别。北京理工大学发明了一款履带吸盘式壁面清洁机器人[9]。它不仅可以在玻璃幕墙上进行清洁工作，还能够在瓷砖墙壁上进行清洁工作。机器人的履带装有吸盘，底盘中部装有转向吸盘，使得机器人吸附在墙壁。这款机器人能够转向并且带有清洗装置，能够完成清洗工作。第2章玻璃清洁机器人整体方案设计2.1玻璃清洁机器人各部分的选择清洁机器人必须满足能够在玻璃上行走、自动转向、避开障碍和自动清洁玻璃。玻璃清洁机器人可以分为四个部分：分别是清洁部分、移动部分、吸附部分、底盘。表2.1是对清洁装置、移动装置、吸附装置这三种装置各自进行分类。表2.1三种装置分析表清洁装置圆盘刷滚刷电刷移动装置车轮履带足式吸附装置负压吸附磁吸附推力吸附2.1.1移动机构移动机构分为轮式、履带式、足式。轮式轮式的特点是效率高，重量轻，加工简单，移动平稳、能耗小、移动速度容易改变和能够转向等，只有在平坦的路面上行走才能体现出来。轮式移动机器人种类多种多样，按照车轮的数目可以划分为三轮式、四轮式、五轮式。常用的就三轮式和四轮式。（1）三轮式三轮式行走机构结构简单，整体灵活性好，但稳定性不是很良好，只能算一般，一旦受到撞击或者地面凹凸不平就很容易侧翻。以为三轮机器人稳定性较差，所以将机器人重心集中在车身较低的位置。三轮移动机器人典型的配置方法是一个中心前轮，两个后轮，按照中心前轮的作用不同可以分为两类：一类是中心前轮作为操纵舵，用来引导机器人转向，两个后轮作为驱动轮起到推动的作用。另一种是中心前轮作为万向轮，也是从动轮，两个后轮作为主动轮用来驱动。机器人的中心前轮起到支承的作用，而左后轮和右后轮分别由两个电动机控制，两个电动机是独立控制，互不干扰，这样的机器人能够以自身为圆心做旋转运动。当机器人遇到障碍需要转向时，就需要靠机器人的两个后轮的转速差或转向来改变移动方向，从而实现小范围的灵活移动。但是要做长距离的直线移动时，两主动轮的直径差会使得机器人的移动产生偏差。在一些复杂的情况下，机器人很难完成任务，所以三轮机器人的应用都是针对特定环境来使用。（2）四轮式四轮式移动机构在行走机构中应用比较广泛，其工作原理与三轮式行走机构类似。四轮式行走机构有着在平坦路面行走平稳性好，整体灵活性好，结构较为简单等优点。四轮式移动机构根据车轮作用不同可以分为三种：一种是采用两个自位轮和两个驱动轮的行走机构；第二种是采用独立转向机构；第三种是四个车轮均能自由转向的机构。履带式履带式行走机构能够行走在松软且不平坦的地面，所以生活中能够看到很多采用履带机构的机器人。履带式机器人能够行走在不平坦的地面，也可以越过障碍物、攀爬较低的台阶等。履带式机器人的车轮不与地面直接接触，而是用履带作为缓冲，因此就可以在不平坦的路面上行走。图2.1为履带式行走机器人。图2.1履带式行走机器人履带式机器人的优点：=1\*GB3①支撑面积大、接地比压小、有较高的稳定性[10]。=2\*GB3②可原地转弯，所以可以在狭窄的地方工作；=3\*GB3③履带有很强的承载能力，所以能装重物；=4\*GB3④重心偏低，所以稳定性好。履带式行走机构多应用于军用车辆（例如坦克）与各类建筑机械（例如挖掘机）。履带式行走机构在灵活与转向有很大的不足之处。当机器人要改变方向时，由于没有自位轮和转向机构，所以只能靠某一侧的履带驱动系统减速或停止来实现转向，即左、右两个履带产生速度差，从而转向，或者反向驱动使车体自转达到目的。但是转向操作有一个问题，这个问题是履带与地面产生的磨擦过大，这不仅消耗很多的能量，还有可能损坏路面。如果将履带式行走机构应用于玻璃清洁机器人，在工作过程可能会刮伤玻璃，丢失玻璃原有的风采，那将会得不偿失。足式足式行走机构的灵感来源于人类与动物的行走方式。足式机器人能在平坦地面和凹凸不平的地面行走，能够适应不同的环境，具有很强的灵活性与智能性。足式机器人虽然比其它类型的机器人更优越，但是研究起来需要花费更多的人力与物力，是非常具有挑战性的。足式机器人机体的平衡，双腿的协调控制以及信息与动力的有效传递都是难点。足式机器人可以分为两足机器人与多足机器人，如图2.2、2.3所示。图2.2两足机器人图2.3多足机器人两足机器人是模仿人的下肢部分而设计的；多足机器人是腿部超过3条的机器人，设计思路是生活中常见的四足和六足动物，通过观察它们移动时腿与腿之间的相互协调来设计。足式行走机器人结构复杂，设计者需要运用运动学以及动力学知识，控制难度巨大。轮式机构与履带式机构无论结构有多么复杂，它们只能在二维平面移动，因为车体与移动机构是固定住的，所以只能适应一般的活动环境，局限性太大。足式机器人的移动有很大的不同，它能够在保持身体不动的情况下前后左右移动，还能够一步一步的爬楼梯，它的移动属于三维空间移动。因为机器人的腿部在移动时控制难度很大，所以足式机器人在市面上还是很少，技术上还不太成熟，在较高的场合还是有点不适应。通过上面三种移动方式的对比，最后选择四轮式机构作为玻璃清洁机器人的移动机构，这种移动方式的特点是在平坦的路面上行走平稳，整体的灵活性良好，结构简单等。车轮是两个前轮为自位轮，后轮为驱动轮。2.1.2清洗部分设计清洗部分分为三种：盘刷式，滚刷式、电刷式。盘刷的工作原理是通过高速旋转来达到清洗的目的，这种清洗方式能够快速的清理玻璃上的污渍，但是盘刷形状是圆形，有些角落的脏东西清洗不到，所以本次设计不使用这种方式。电刷的工作原理是类似于普通的刷子，以上下移动的方式进行清洗，这种方式虽然能够清洗所有的地方，但是效率太低了，清洁程度也不是很高。滚刷的工作原理是通过高速滚动对玻璃进行清洗，这种方式效率高，清洗全面清洁效果更好，所以清洁部分选用滚刷式。2.1.3吸附部分设计吸附部分分为三种：磁吸附、负压吸附、推力吸附。磁吸附的工作原理是利用电流流过磁吸盘，然后吸盘产生磁力，从而使得玻璃清洁机器人被牢牢的固定在玻璃墙壁上。负压吸附的工作原理是滑动密封负压吸盘用于通过控制密封圈中的气体压力并采用充气橡胶密封裙边来确保密封。密封环可以更好地填补吸盘间隙，将吸盘和墙壁结合在一起。因此，吸盘的腔内能形成类似真空的环境。推力吸附的工作原理是利用风扇的快速旋转产生垂直于玻璃墙壁的推力，该推力指向墙壁，所以机器人才能够吸附在墙壁。风扇旋转越快，推力越大，噪音也越大。磁吸附机构的吸力不需要通过连接电源来维持，吸力均匀，连续工作也不会产生热能，不需要维护保养，所以吸附部分选用磁吸附。2.1.4传动部分设计传动部分是利用电机提供动力，再由D轴、齿轮将电机转速传递到后轮使机器人直线移动。下面是两种传递方案，最终选用方案二。（1）锥齿轮传动采用的是锥齿轮、D轴传动。这种方案的优点是车体在过弯道时能够自动调节两侧后轮的动力输出配比，减少多余损耗。缺点是传动效率低，而且锥齿轮的安装位置会干扰清洁装置的安装位置，所以这种方案不适合用于本次设计。锥齿轮传动如图2.4所示。驱动电机驱动电机图2.4锥齿轮传动图2.5直齿轮传动（2）直齿轮传动采用的是直齿轮、D轴传动，这种传动的优点是结构简单，配件价格低廉，易于购买，传递效率高，容易组装，如图2.5所示。缺点是车轴与两车轮相连，使得两车轮转速始终相同，在车体转弯时传递效率会降低。2.2玻璃清洁机器人工作原理玻璃清洁机器人的电机开始启动，将机器人放置在玻璃墙壁上，磁吸盘开始吸附在玻璃上。驱动电机旋转，经过二级直齿轮减速装置减速，后轮开始旋转，机器人开始行走。机器人的清洁机构是滚刷，滚刷的运动过程是驱动电机旋转，与电机连在同一根轴的小齿轮与清洁机构的小齿轮相啮合，滚刷转速与电机转速为1:1。当机器人需要转向时，它的前轮电机一个正转，一个反转进行转向，当不需要转向时，两个电机也提供牵引力。机器人总装配图如2.6所示。图2.6清洁机器人装配图第3章幕墙清洁机器人的机械结构设计3.1电机的选取交流伺服电机、步进电机和直流伺服电机这三种电机经常用来作为清洁机器人的动力源，它们优缺点、控制方式和结构如表3.1所示。表3.1三种电机的特点交流伺服电机交流伺服电机是输入或输出为交流电能的旋转电机。结构：它的结构主要可以分为转子和定子。工作原理：交流伺服电机有控制电压时，定子产生旋转磁场，转子沿着磁场方向旋转。当无控制电压时，励磁绕组产生脉动磁场，转子静止不动。控制方式：电压控制和频率控制。优缺点：启动转矩大；无自转现象；工维护成本和保养要求低；惯量小，易于提高系统反应；体积和重量小；驱动电路复杂，价格高。直流伺服电机直流伺服电机是输入或输出为直流电能的旋转电机。结构：它的模拟调速系统由速度闭环和电流闭环两个闭环系统构成。工作原理：电枢气流与气隙磁通相互作用下产生电磁转矩，使得电机旋转。在励磁电压不变的情况下，通过改变电压来影响转速。电压与转速成正比，电压与电流同时有，同时无。控制方式：转矩控制采用电流控制方式，两者成正比。转动控制采用电压控制方式，两者成反比。优缺点：有刷电机成本低，结构简单，控制方便，启动转矩大，调速范围宽，要定时维护和更换电刷，使用寿命短、噪声大。无刷电机体积小，重量轻，响应快，速度高，惯量小，转动平稳，力矩稳定，效率高，寿命长。步进电机步进电机是一种将电能转换为机械能的电机。结构：从结构上可以将步进电机分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机等多种类型。工作原理：电流流过定子绕组，绕组产生矢量磁场。转子受磁场影响旋转一定角度，最后转子磁场方向与定子磁场方向一致。转子始终跟着定子的矢量磁场旋转。电机的输出角位移与输入脉冲成正比、转速与脉冲频率成正比。电机正反转受绕组通电顺序的影响。控制方式：反应式是双向励磁；永磁式是单向励磁；。混合式是单向、双向励磁。优缺点：启停反应快，较好的精度，没有电刷，可靠性高，寿命长。但是能源利用率低，易失步，噪音大，过载能力弱等。本次设计的玻璃清洁机器人所使用的电机性能需要有以下特点：（1）启停和反向均能进行，响应速度快。（2）正反转特性相同，运转平稳。（3）对环境适应强，能够很好的对抗外界干扰。（4）体积小，重量轻，精度高。（5）容易维修，保养简单。通过对上述三种不同电机的结构与工作原理、控制方式、优缺点的比较，我们可以从中了解到步进电机有着启停响应快、正反转运转平稳、控制性能好、精度高、维修与保养都不需要花费太大的精力。步进电机所拥有的优点正好符合我们所需要的电机，所以最后玻璃清洁机器人的前轮电机采用步进电机。机器人前轮转向机构采用了两个步进电机，这两个电机各自控制一个前轮，转向时，一个电机正传，一个电机反转达到转向目的。本次设计的玻璃清洁机器人重量不能超过5kg，所以它所受的最大摩擦力在50N以下。假设车轮直径100mm，则每个前轮的驱动转矩为：T=Fd=通过计算值机器人可选用两相混合式步进电机，型号为：57BYG250-76，参数如表3.2所示，电机图如3.1所示。表3.2步进电机参数表型号相数步距角扭矩（N•m）转速（r/min）额定转速（r/min）电机长度（mm）57BYG250-7621.8o1.5120060076图3.1步进电机图机器人的两个后轮作为驱动轮，驱动轮的电机需要控制简单，效率高，精度高，启动转矩大等特点。通过上述三种电机结构、工作原理、控制方式、优缺点的比较，最终机器人的驱动电机选择直流伺服电机。玻璃清洁机器人在玻璃墙壁移动时的受力情况如图3.2所示，通过分析机器人垂直移动时所受的力可知向上移动阻力最大。通过计算得出电机所需的最小功率。F牵F吸F牵F吸G+Ff图3.2机器人受力图最大牵引力：为移动时的最大牵引力为机器人移动时受到的磨擦阻力G为机器人的重力50N：µ为磨擦系数，玻璃与橡胶的磨擦系数范围0.2-0.3，取0.2则玻璃清洁机器人的最大牵引力为：=50N+0.2×250N=100N假设机器人移动速度为V=1m/s则机器人的运动功率为：=100N×1m/s=100W传动装置总效率为：η=η所以直流电机所需最小功率为：P通过上述的计算，再经过反复推敲，最后选择的直流伺服电机型号为90SZ53，参数如下表3.3所示，电机图如3.3所示。表3.3直流伺服电机技术参数型号转矩（mN.m）转速（r/min）功率(W)电压(V)电流(A)允许顺逆转速差(r/min)转动惯量(mN.m.s2)电枢激磁电枢激磁90SZ5348030001501101102.00.2302000.250图3.3直流伺服电机图3.2清洁装置的设计本次设计使用滚刷式清洁。清洁装置是由滚刷，小齿轮，轴组成。它位于整个减速装置的下方，滚刷的滚动是受驱动电机控制。工作原理是滚刷与小齿轮连在同一根轴上，小齿轮与减速装置小齿轮是相同的。相同的齿轮更能够相互配合。因为小齿轮与减速装置的一级传动主动轮啮合，所以滚刷的转速与电机的转速是一致的，是驱动轮转速的四倍。小齿轮与玻璃墙有一小段距离。滚刷的传动是由D型轴来实现的，这种连接方式简洁，加工快速简单，它们的定位都是由螺钉来实现的。图3.4为清洁机构图。图3.4清洁机构装配图3.3车轮设计机器人的驱动后轮采用的材料是尼龙，尼龙重量轻，做机器人的车轮很合适。车轮的外表包裹一层有一定厚度的橡胶，车轮尺寸与形状如图3.5所示。图3.5后轮结构图车轮直径为100mm，则车轮转一圈机器人移动的距离为：=3.14×0.1=0.314m由此可求出车轮最大转速为：n=3000/4=750r/min=12.5r/s机器人的最大移动速度为：=0.314×12.5=3.925m/s由上面式子3.3求出的机器人所受摩擦力为：Ff=50N机器人向上移动时电机转矩不满足所需条件，所以为了解决这个问题，必须在机器人垂直向上移动时将吸附力减小，吸附力减小，摩擦力也减小，进而满足电机转矩范围内。设减小后的摩擦力为：Ff=10N此时机器人的功率为：P最大加速度为：a=机器人的转向轮与步进电机直接相连的，电机固定，由电机机芯驱动法兰盘和前轮转动。因为电机与车轮之间要有相对运动，所以在电机与车轮之间安装轴承和大小套筒。这种安装方法简单，稳定性高，车轮与电机紧凑，噪音小，如图3.6所示。这种驱动方案比传统的驱动方案更简便，效果更突出，特点如下：图3.6前轮结构图（1）电机直接驱动，中间没有多余的磨擦损失，动力损耗降到最低，转角误差小，定位更准确。（2）结构简单，重量轻，稳定性较高，车轮寿命比普通的更长，更耐磨损。（3）电机直接固定在车底，没有太复杂的结构，减少成本。车轮的相关参数如表3.4所示表3.4车轮技术参数参数数据/mm车轮最大外径100轮心孔直径4车轮宽度203.4减速机构的设计前面我们已经得到后轮所需电机型号为90SZ53的直流电机，该直流电机作为驱动电机，转速快，如果直接与后轮相连的话会不好调控，所以车轮与电机之间需要有一个过渡装置——减速箱，减速箱能够降低转速，同时也能够提高转矩。减速箱种类多种多样，但是机器人所使用的减速箱往往没有合适的，市场上很难买到，所以需要自己设计与机器人匹配的减速装置，合适的减速装置对机器人的性能有很大的帮助。齿轮传动：传动精度高；工作可靠，使用寿命长；传动效率高，一般为0.94~0.99；结构紧凑，适用范围宽；瞬时传动比为常数，易于计算。所以本次机器人的减速装置采用齿轮作为减速传动机构的传动件。玻璃清洁机器人的传动装置需要达到传动效率高、噪音小、输出转矩大等目的，为了达到这些目的，我们设计的齿轮传动装置采用两级齿轮传动，减速比设为4:1，电机与主动齿轮的连接采用D型孔相连，而不是用联轴器，这样能降低成本，结构也简单。D型孔连接提高了传动精度，减轻机器人重量。减速机构共有四个齿轮，轮毂与第四个齿轮连在同一根轴上，所以二级传动的从动轮与车轮转速相同。中间轴上安装的两个大小齿轮齿数比为2:1。减速装置采用的齿轮为直齿齿轮，这种齿轮比较普通，市场上容易购买，不用自己设计制造，减轻了工作量，同时也降低了生产成本，减速机构如图3.7所示。图3.7减速机构图3.5齿轮的定位结构设计驱动轴上的零件定位：轴向定位靠轴肩、挡圈；周向定位靠平键连接和过盈配合。为了达到更好的稳定性，我们需要对这些定位零件进行细致的设计和校核。键连接是通过键实现轴和轴上零件间的周向固定以传递运动和转矩[11]。键是一种标准件，主要用作轴和轴上零件之间的周向固定以传递扭矩，有些键还可以实现轴上零件的轴向固定和轴向移动[12]。但是本次设计玻璃清洁机器人是一种轻型的机器人，整个机体尺寸较小，如果用键来固定齿轮的水平方向的话，轴的强度会被大大削弱，所以这次的设计将去掉键，将轴换成D型轴，这样的话既能达到齿轮的周向定位，也能避免轴的强度不够。为了与D型轴配套使用，我们需将轴上的零件孔都设计为D型孔，该段轴的直径为6mm，D型切面与轴截面圆心的距离为2.5mm。3.6中轴的设计确定每段轴的直径和长度（1）确定轴上零件的安装根据设计要求，最后确定轴上零件的安装位置，图3.8中轴装配图。图3.8中轴零件装配图（2）确定中间轴的每段直径和长度轴的左边第一段需要露出轴肩进行轴向定位，所以第一段直径为d1=5mm，左右第二段的直径都为d2=6mm。根据轴承只受径向力，且d1=5mm，所以选取轴承0基本游隙、4级公差的深沟球轴承。尺寸设计为d×D×T=5mm×12mm×5mm。因为前面我们我们将轴的第二段直径设计为d2=6mm，，齿轮的左端与左轴承之间用套筒进行固定。齿轮轮毂的宽度选为12mm，第二段轴长取为28mm，所以套筒长度等于第二段轴长减去轮毂宽度，即16mm，厚度设计为1mm，D型轴传递转矩，轴的切面与轴截面圆心距离为2.5mm。齿轮右端采用轴肩定位方式，h=0.5mm，直径d3=3mm，中间轴的两端采用中间对称的方式。3.7高速轴结构设计与电机直接相连的轴为高速轴，即输入轴，输入轴上安装有一个小齿轮，是减速装置的承载部位，所以需要有很高的强度和抗弯、抗扭能力。为了保证机器人整体重量，所以采用硬铝合金材料作为驱动轴。硬铝合金相对密度小，重量轻，强度高，所以非常符合我们的设计要求，高速轴装配图如3.9所示。图3.9高速轴装配图高速轴的设计校核与低速轴、中间轴的设计校核过程是相同的，所以只要按步骤一步一步计算就行，在这里我们就不再进行计算校核。高速轴采用的也是D型轴段来传递转矩，轴肩的作用是轴向定位，套筒的作用是周向定位。高速轴的长度可以分为5段，从左到右数尺寸长度分别为5.1mm、31mm、4mm、12mm、5.1mm。第一段轴的直径设计为d1=5mm，这段用于安放轴承，轴肩h=0.5mm；第二段轴的直径设计为d2=6mm，齿轮轮毂厚度设计为12mm，轴肩h=0.5mm；第三段轴的直径设计为d3=7mm；第四段轴的直径设计为d4=6mm；第五段轴的直径设计为d5=5mm，这段轴安装着右轴承。以上就是高速轴的尺寸设计与零件装配。3.8减速装置箱体设计减速箱体的设计需要考虑三个因素：第一个是要考虑箱体的刚度要满足机器人本体；第二个是要考虑箱体的重量，因为清洁机器人整个机体都是轻小的，所以箱体也不能采用太重的材料，要在有效承载重量范围内；第三个是要考虑减速箱体的零件部位安装好后，能达到平衡、对称和同轴。箱体采用的材料为纳米陶瓷铝合金，厚度为1mm。玻璃清洁机器人的减速机构是二级传动，所以传动机构有三根轴，箱体的设计需要配合每根轴的长度、轴的直径、滚动轴承、齿轮直径等。由图4.17我们可以清楚的了解到箱体的设计以及尺寸，箱体左右伸出的半圆柱最长为142mm，中间那个像梯形的宽度为56mm，半圆柱筒的直径为12mm。三个轴承盖之间间隔都为10mm，轴承盖的长度与宽度分别为16mm和20mm。减速箱上盖中有三个圆环，它们的厚度为5mm，6mm，3mm。它们的直径为14mm，18mm。箱体上盖的形状类似一个直角梯形，左右两边各长着互相对称的3对半圆柱筒。上盖长56mm，宽122mm，梯形缺失了长为16mm，宽为40mm的方形块。上盖的总深度为36mm，轴承座到箱底的距离为26mm。3.9底盘的设计（1）机器人的底盘设计常用的材料有两种：一种是钢，另一种是铝。钢这种材料强度高、韧性好、性能可靠、防震性好、易于加工和有良好的焊接性等，但是易腐蚀、维护的成本高、生产耗能大，重量不轻。铝是一种轻金属材料，材质较软、密度小、易加工、塑性好、耐腐蚀、导热性好、美观等，但是硬度不强。因为清洁机器人整体较轻小，所以底盘不能太重。底盘的制作要方便，易切割，可以自己制作，效率高制作周期不长。当底盘出现问题时，人们能够很好地进行维修，且维修成本低。铝材料制作的底盘就能够实现我们所需要的特点，具有钢底盘不具备的优点。虽然铝制底盘有着本次设计机器人所需要的优点，但是还是有些许不足。本来用铝这种轻金属制作的底盘应该是较轻的，但是因为底盘的横截面积相对与钢制底盘较大，所以结果可能是铝制底盘重量大于钢制底盘。而且铝这种材料强度不太高。钢底盘制作精度高，结构相对固定，但是易磨损，一旦底盘有磨损或者损坏的话，需要较长的维修时间。最后决定选择铝材料制作底盘。（2）底盘结构尺寸的设计底盘的尺寸设计需要与前后4个车轮，传动结构，清洁结构，吸附结构互相配合。底盘的设计可以分成两部分：即前半部分和后半部分。前半部分主要考虑的是车轮与电机的安放，保证机器人的正常转向。底盘长为142mm，宽为291mm。后半部分是减速装置与驱动机构的安装。从长度方向可以将它们的距离设计为13mm，2mm，7mm；从宽度方向可以将它们的距离设计为10mm，10mm。轴承座的尺寸为长为17mm,宽为20mm，高为10mm。底盘挖了一个与减速箱上盖对应的槽，即减速箱下箱体。长为56mm，宽为122mm，深度设计为16mm。其它尺寸按照自己设计的零件相配和就行，在这里不过多说明。3.10吸附机构设计在一开始的吸附方案设计中，我们确定了两种吸附方式，两种方式都有很高的可行性，在对应的场所使用对应的吸附方式。（1）磁吸盘方式磁吸附式机器人靠的是磁吸盘产生吸附力使得机器人紧贴于墙壁上，磁吸盘选用的材料是铸铁。磁吸盘合理分布在底盘下部，采用的是阵列分布。经过合理分析，吸盘可以分三段，第一段为吸盘的吸附面直径为16mm，厚度设计为2mm；第二段的直径为6mm，厚度为4mm；第三段的直径为5mm，厚度为5mm。磁吸盘与底盘的连接采用螺纹连接，这种连接稳定且不需要太多其它固定零件。经过不停的推敲，最后将吸盘设计如图3.10所示。图3.10磁吸盘结构图（2）径流式离心风扇径流式离心风扇的基本原理是利用风扇的快速旋转，使得对应的墙面产生真空。风扇转动导致空气外部空气接触流，产生一定的压力差，从而大气压强大于真空压强，最后机器人被大气压力牢牢的与玻璃粘在一起。风扇需要单独与一个三相电机连在一起，靠三相电机提供动力，进而旋转。因为这种方式成本相对大一点，机器人的重量也会增大，所以本次设计不考虑用这种方式。第4章主要结构的计算与校核4.1齿轮的计算与校核4.1.1选择齿轮齿数、材料及精度等级齿轮参数如下：一级齿轮机构参数：i=2，m=1，z1=22，d1=20mm，z2=44，d2=40mm。二级齿轮机构参数：i=2，m=1，z1=22，d1=20mm，z2=44，d2=40mm。减速机构齿轮计算过程如下：因为一级齿轮机构与二级齿轮机构数据相同，所以我们只需要计算一级齿轮机构数据来进行校核。（1）机器人的运动精度选择5，因为机器人要求精度高。（2）材料选择：小齿轮采用40Gr调质，齿面硬度为280HBS。大齿轮采用45钢调质，齿面硬度为240HBS，两者硬度相差为40HBS。（3）选择小齿轮齿数z1=22，大齿轮齿数z2=44，传动比i=2:按齿面接触疲劳强度设计小齿轮分度圆直径d1t：由d（1）确定各计算数值=1\*GB3①载荷系数kt=1.3.=2\*GB3②计算小齿轮转矩。T=9.55×=3\*GB3③由机械设计手册取Φd=1.=4\*GB3④由机械设计手册得锻钢ZE=189.8MPa1/2=5\*GB3⑤由机械设计手册取小齿轮的接触疲劳强度极限为σlim1=600MPa；大齿轮的接触疲劳强度极限为σlim2=550MPa。=6\*GB3⑥由机械设计手册计算应力循环次数。N因为传动比为：i=2所以N2=N1/2=3.45×109=7\*GB3⑦由机械设计手册得接触疲劳寿命系数KHN1=0.94；KHN2=0.98=8\*GB3⑧计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，由机械设计手册得[σH]1=σlim1KHN1/S=600×0.94/1.0MPa=564MPa[σH]2=σlim2KHN2/S=550×0.98/1.0MPa=539MPa（2）计算=1\*GB3①计算小齿轮分度圆直径d1t，代入[σH]中较小的值。d=2.32[1.3×338×(2+1)/2×(189.8/539)2]1/3mm=10mm=2\*GB3②计算圆周速度v。 v=π=3\*GB3③计算齿宽b。b==4\*GB3④计算齿宽与齿高之比b/h。模数m齿高h=2.25mt=2.25×0.45=1.0125mmb/h=10/1.0125=9.88=5\*GB3⑤计算载荷系数。根据v=1.57m/s，5级精度，由机械设计手册得动载荷系数Kv=1.3；直齿轮KHα=KFα=1；使用系数KA=1；用插值法查得5级精度、小齿轮相对支承对称布置时：KHβ=1.30由b/h=9.88，KHβ=1.3得KFβ=1.26；故载荷系数：=1×1.3×1×1.3=1.69=6\*GB3⑥按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，有=10×31.691.3=7\*GB3⑦计算模数m=11.422=0.524.1.3按齿根弯曲强度计算弯曲强度的计算公式为：（1）确定计算值=1\*GB3①由机械设计手册得小齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE1=500MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE2=380MPa。=2\*GB3②由机械设计手册取弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.78；KFN2=0.82；=3\*GB3③计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，则=0.78×5001.4=278.6MPa=0.82×3801.4=222.6MPa=4\*GB3④计算载荷系数K=1×1.3×1×1.26=1.638=5\*GB3⑤齿形系数的取值由机械设计手册得YFa1=2.72,YFa2=2.36=6\*GB3⑥查得应力校正系数由机械设计手册得YSa1=1.57,YSa2=1.68=7\*GB3⑦计算大、小齿轮的YFaYSa[YFa1YSa1YFa2YSa2故大齿轮的数值大。（2）设计计算=0.35对比计算结果，齿面接触疲劳强度计算的模数m大于齿根弯曲疲劳强度计算的模数，齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力[13]，而齿轮承载能力，仅与齿轮直径有关，取弯曲强度算得的模数0.35,并就近圆整为标准值m=0.5,按接触强度算得的分度圆直径d1=11.4mm,算出小齿轮齿数z取z1=22,则大齿轮齿数z2=22×2=44.这样设计的齿轮满足齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，节约材料。4.1.4几何尺寸计算（1）分度圆直径的计算d1=z1×m=22×0.5=11mmd2=z1×m=44×0.5=22mm因为分度圆直径过小，不易于设计，所以将其扩大相同倍数，取d1=22mm，d2=44mm。（2）中心距的计算=（22+44）/2=33mm（3）计算齿轮宽度=1×11=11mm最后结合实际取得b1=b2=12mm。齿轮零件图如4.1所示。图4.1大小齿轮零件图4.1.5齿轮传动的润滑方式的选择（1）开式、半开式、低速闭式，通常加润滑油或润滑脂润滑；闭式齿轮传动则根据齿轮圆周速度的大小选定[14]。（2）低速闭式齿轮传动采用浸油润滑。齿轮浸油不宜过深，大概在1到2个齿之间。油池深度不能太浅，为了防止齿轮与油池底部的杂质搅拌在一起，造成齿轮损坏。油池的油需要充足，这样易于散热。（3）高速闭式齿轮传动采用喷油润滑，喷油润滑供油充分、连续，比较适用于高速、重载的重要齿轮传动。本次设计的机器人减速装置齿轮箱体不是完全密闭的，所以润滑剂为钙基润滑脂，每星期一次，其不适合于在低温下工作，适合潮湿的环境。4.2后轮驱动轴的计算与校核4.2.1求驱动轴功率P3和转矩T3假设齿轮传动的效率η都为0.97，则：P3=Pη2=150×0.972=141.135W前面我们求得n3=750r/min，所以轴转矩T3为：T3=9550×141.135/750N·mm=1797N·mm4.2.2求作用在齿轮上的力上面求得d2=44mm，所以FFr=Fttan20o=29.7N=81.68/0.94=86.9N圆周力Ft，径向力，轴向力的方向如图4.2所示。FtFrFtFrFn图4.2齿轮受力图查资料得：[τT]=120MPa。因此，轴的最小直径是=316×17975×120所以最后轴的直径取d=4.5mm。驱动轴需要满足一定的强度与刚度，同时也要考虑与其它零件尺寸的配合，否则轴与孔过盈或者间隙配合都是不符合要求。4.2.3驱动轴的校核（1）按抗扭强度条件进行轴的强度校核τT=TWT（2）按弯矩转矩合成条件校核的强度=1\*GB3①由前面可知已选择清洁机器人的吸附力为250N，因为清洁机器人全身的重量主要集中在驱动轮这块，所以计算时取极限值。轴的受力分析如图4.3所示。F，F,FF，F,FF图4.3轴的受力分析图清洁机器人在玻璃墙上移动时，在250N的吸附力的作用下，机器人紧紧贴在墙面。机器人的四个轮子受到的支持力为四分之一，所以：F=F吸/4=250/4=62.5N轴受到的径向力为29.7N与支持力相反的力F’为：F’=（F+Fr）/2=46.1N=2\*GB3②驱动轴的弯矩图和转矩图如图4.4所示。图4.4弯矩图和转矩图从图4.8我们可以发现，当驱动轴的弯矩和转矩都为最大时，它们是在同一个受力位置，驱动轴的危险截面与安装齿轮的轴截面就在这个受力位置。从已得数据可以求出危险截面的弯矩为：M=F’L=46.1×70.5=3250mN·m转矩可求得：=0.2×250×0.1/4=1.25N·m电机提供的最大转矩与轴所能承受的最大输出转矩息息相关。清洁机器人的后驱动电机选用的是型号为90SZ53的直流伺服电机，该电机的最大转矩为0.480N·m，减速比为4，所以电机的最大输出转矩为1.920N·m，轴的最大输出转矩T=1.920N·m。（3）校核轴的强度轴的抗弯截面系数为：=3.14×4.5332由此可计算出轴的计算应力为：=42MPa轴选用硬铝合金材料，查资料得[σ-1]=60MPa,因为计算结果比60MPa小，所以满足设计要求，故安全。4.3中间轴的计算与校核中间轴的作用是将一级传动的从动轮与二级传动的主动轮相连接起来，是减速结构的中间环节，从动轮是大齿轮，齿数为z1=44,主动轮是小齿轮，齿数为z2=22。中间轴选用的材料也是硬铝合金，与低速轴一样为了减轻重量。4.3.1中间轴的设计（1）中间轴传递功率的计算：=150×0.97=145.5W传递转矩：T2=9550×145.5/1500=926.35mN·m查资料的硬铝合金的需用扭转应力[τT]=120MPa，则中间轴最小直径：mm设计的中间轴不仅要达到所需目的，还应该安全，所以直径取：d=5mm从动轮的受力计算2×926.35/44=42N15.29N42/0.94=44.7N主动轮的受力计算2×926.35/22=84.2N30.6N84.2/0.94=89.6N4.3.2中轴校核（1）轴的强度校核因为硬铝合金的许用抗扭强度为60MPa，计算结果小于60MPa，所以满足设计要求（2）中轴强度的校核=1\*GB3①图4.5为中轴受力分析图。F,F小齿轮F,F,F小齿轮F,F大齿轮图4.5中轴受力图=2\*GB3②轴的弯矩图和转矩图如图4.6所示，从图中可以了解到，弯矩与转矩最大的位置就是中间轴的危险截面是在安装小齿轮的截面上。图4.6弯矩与转矩分析图危险截面的弯矩为转矩为（3）轴强度的校核轴的抗弯截面系数：轴的计算应力：16.6MPa因为选用的轴材料为硬铝合金，所以查资料的σ-1=60MPa。因为计算值小于60MPa，所以设计数据安全。4.4玻璃清洁机器人稳定分析玻璃清洁机器人在玻璃壁面上移动时，难免会与玻璃框架产生碰撞，所以为了保证机器人在碰撞时不发生侧翻，在设计机器人时需要将机器人的稳定性考虑进去。机器人碰撞时不稳定都是因为重心不稳，从而影响机器人的行走与定位。机器人在平稳状态下的重心分布图如4.7所示。机器人倾斜时有一个倾斜角θ，倾斜角公式为：图4.7机器人重心分布图机器人重心高度为H，后驱动轮轮距为L，倾斜角越大则机器人越稳定。本次设计的机器人两后轮间的距离为170mm，车轮直径为100mm。机器人左右分布较均匀，呈对称分布，机器人重心高度为50mm，求得机器人最大的倾斜角度。600通过计算值可以得出机器人的稳定性不低。机器人的驱动轮距离确定后不能随意更改，所以为了进一步提高机器人的稳定性，可以降低机器人的重心。例如将机器人的其它元件集中放置在驱动轮的范围，从而达到降低机器人的重心的目的。结论本次设计的玻璃清洁机器人不但能够达到清洗玻璃墙壁的目的，而且造价成本不太高，在可以接受的范围内。机器人的两个后驱动轮采用共轴驱动装置，减速装置为两级减速。车轮的转速为750r/min，输出转矩为电机转矩的四倍。减速装置的箱体分为两部分，即上盖与下盖，上盖是单独的，而下盖是与底盘融为一体的。这种设计减小了重量，零件的加工也大大的降低了。本次设计主要完成工作如下。（1）机器人转向设计。机器人的转向机构主要是两个单独的电动机，当机器人转向时，两个电机正反转来达到机器人转向的目的。机器人的转向工作原理是电机固定在车轮内侧，本身位置不会移动，主要由电机带动法兰盘转动，法兰盘带动前轮转动，从而达到移动的目的，这种方式更容易控制。（2）机器人清洁机构设计。机器人的清洗机构是滚刷式的，它位于整个减速装置的下方，滚刷的滚动是受驱动电机控制。工作原理是滚刷与小齿轮连在同一根轴上，滚刷的小齿轮与减速装置小齿轮是相同的。一样的齿轮配合度更高。因为小齿轮与减速装置的一级传动小齿轮啮合，所以滚刷的转速与电机的转速是一致的，是驱动轮转速的四倍。小齿轮与玻璃墙有一小段距离。滚刷的传动是由D型轴来实现的，这种连接方式简洁，加工快速简单，它们的定位都是由螺钉来实现的。（3）机器人吸附机构设计。机器人的吸附机构为磁吸附，磁吸盘的材料是铸铁。铸铁吸盘是带有螺纹的可拆卸吸盘，这种方式简洁，安装方便。吸盘与底盘用螺纹进行连接，吸盘呈阵列的形式分布在底盘的底部。本次设计未解决的问题有：（1）污水回收问题，因为清洁机器人轻小，所以携带水和回收污水要解决。（2）工作环境问题，因为磁吸附适用于光滑，导磁性的壁面。综上所述，玻璃清洁机器人有着体积小、重量轻，效率高等特点。这款机器人具有市场上一些清洁机器人所不具备的优点，更迎合大众需求，还是有很大的研发价值。参考文献[1]刘海波周璇许晓春.“高空清道夫”