玻璃清潔機器人結構設計
玻璃清潔機器人結構設計,玻璃,清潔,機器人,結構設計
編號：
畢業(yè)設計（論文）說明書
題 目：玻璃清潔機器人結構設計
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專 業(yè)：
學生姓名：
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指導教師：
職 稱：
題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設計 ¨工程技術研究 ¨軟件開發(fā)
IV
摘 要
由于各種因素的影響，市場上玻璃清潔機器人的技術還處于初級階段，在實際運用中還存在諸多問題。本次設計通過研究玻璃清潔機器人的工作原理及過程，經過詳細的方案規(guī)劃，反復論證方案，找出一種目前技術上最成熟、最符合實際運用的運動方案。
本設計介紹了解決目前玻璃幕墻難于清洗這一難題的玻璃清潔機器人的研究,設計,運用方案,并把其中一種我們認為是目前最合理,最具有市場前景的設計方案進行詳細規(guī)劃及分析,反復對方案進行認證,逐步進行修改及優(yōu)化.確定玻璃清潔機器人以輪式自主移動機器人為載體.最終完成玻璃清潔機器人的結構設計、機構各種參數計算和分析、相關零件材料的選用及工藝分析。
從玻璃清潔機器人在玻璃墻壁上的行走機構,轉向和自動避障機構,自動清洗機構三個模塊詳細闡述了機器人系統(tǒng)的工作原理和實現方法.玻璃清潔機器人的工作原理是利用兩對傳動齒輪將驅動電機上的力矩傳遞到驅動軸上,從而帶動兩個后輪轉動,實現機器人在玻璃墻壁上的自由行走.機器人的兩個前輪均采用嵌入式直接驅動裝置,在機器人正常直線行走時為機器人提供一定的牽引力,在機器人遇到障礙物時則一個電機正轉,一個電機反轉,實現機器人的零轉彎半徑轉向.清洗機構為滾桶式,由驅動電機提供動力,并且中間無減速機構,即滾筒的轉速與驅動電機的轉速相同。
通過在已有的方案基礎上進行創(chuàng)新設計，使得設計出來的玻璃清潔機器人更能滿足用戶的需求，以此拓展它的市場前景。
關鍵詞：輪式；玻璃；滾筒；嵌入式直接驅動裝置；正反轉
Abstract
Because of the influence of various factors, glass cleaning robot technology is still in its infancy in the market, there are lots of problems in practice. This design through the study of working principle and process of glass cleaning robot, through the detailed program planning, repeated demonstration project, to find out a kind of the most mature on the technology at present, the most practical use of motion scheme.
Researching, designing, using the scheme of glass cleaning robot to solve the glass curtain wall is difficult to clean are introduced in this paper，and the one we think is the most reasonable, most has the market prospect of detailed planning and analysis has been made to the design, repeated authentication scheme, modify and optimize step by step. Finally determine the glass cleaning robots with wheeled autonomous mobile robot as the carrier, and finishing glass cleaning robot structure design, calculation and analysis of various parameters, material selection of parts and process analysis.
This article from the travel mechanism of glass in glass wall cleaning robot, steering and automatic obstacle avoidance mechanism，automatic cleaning mechanism three modules in detail elaborated the working principle and realization method of the robot system. Glass cleaning robots working principle is to use two pairs of gear drives the torque on the machine, is passed on to the drive shaft to drive the two rear wheels turning, to realize robot walking on the glass wall of freedom. The robot's two front wheels adopts embedded direct drive device, in the robot walking straight and normal provide certain traction force for robot, in the robot meet with obstacles is a motor forward, a motor reversal, realize zero turning radius turn of the robot. Cleaning mechanism is barrel type, provided by the drive motor power, and the middle without retarding mechanism, namely the rattler at the same speed with the speed of the drive motor.
Through innovative designing based on the existing solutions, makes the designed glass cleaning robot can meet the needs of users, to expand its market prospects.
Key words: wheel；glass；rattler；embedded direct drive device；pros and cons go
目 錄
1 引言 1
1.1 課題研究的背景 1
1.2 課題研究的意義 2
1.3 玻璃清潔機器人的發(fā)展狀況和目前具有的技術水平 2
2 玻璃清潔機器人總體運動方案規(guī)劃 2
2.1 玻璃清潔機器人行走、轉向機構方案設計 2
2.1.1足式行走機構 3
2.1.2履帶式行走機構 4
2.1.3輪式行走、轉向機構 4
2.2 清洗機構 7
2.3 傳動機構 8
2.3.1方案一 8
2.3.2方案二 8
2.4 最終選用的總體方案 8
3 電機選型 9
4 玻璃清潔機器人結構設計和主要參數計算、分析 12
4.1 車輪設計 12
4.2 后輪驅動減速機構設計 13
4.3 后輪驅動軸的結構設計與校核 18
4.4 齒輪的定位結構設計 20
4.5 中間軸的結構設計與校核 21
4.6 電機連接軸的結構設計 24
4.7 后輪減速機構箱體結構設計 25
4.8 底盤結構設計 26
4.9 螺栓組連接的結構設計 28
4.10 吸附機構的結構設計及合理性分析 29
5 玻璃清潔機器人穩(wěn)定性分析 30
6 重要零件的材料選用和加工工藝的編寫 31
6.1 軸類零件的材料選用與加工工藝分析 31
6.2 底盤的熱處理與加工工藝分析 37
6.3 減速機構上箱體和機器人外蓋的加工藝分析 38
6.4 齒輪的加工工藝分析 39
6.5 磁吸盤的加工工藝分析 39
7 裝配干涉分析結果 39
8 玻璃清潔機器人總裝配圖 40
9 結論 41
謝 辭 42
參考文獻 43
附 錄 44
1 引言
1.1 課題研究的背景
在繁華的市中心區(qū)域，高層建筑越來越多，樣式多樣的摩天大樓成為現代都市中一道亮麗的風景。隨著玻璃制作工藝技術的不斷革新，玻璃的強度不斷提高，并且玻璃的采光性好，保溫防潮性能好，彩色玻璃實用美觀，建筑師在設計時高層建筑的外壁越來越多地采用鋼化玻璃制作玻璃幕墻結構。但是由于玻璃沒有自我清潔的能力，時間一長，空氣中懸浮顆粒就會吸附于玻璃外墻上，為了保證建筑外觀的整潔美觀，就需要對墻壁進行清洗，以美化城市市容市貌。玻璃幕墻難于清洗,清洗成本高昂,清洗工作量大并且清洗工人工作環(huán)境危險等難題。因此,面對市場對于清洗玻璃建筑的巨大需求, 市場上目前投入使用的少量玻璃清潔機器人,技術上仍然存在許多的問題,例如:避障時機器人的轉彎半徑過大,機器人無法清洗機器人邊緣經過的玻璃墻面,機器人輪子傳動軸徑向力過大等問題,因此開發(fā)一款用于自動清洗玻璃幕墻的滿足市場需求的實用玻璃清潔機器人已經成為科研人員工作的重點。
目前高層建筑的玻璃幕墻清洗工作主要由專門的清潔公司來完成，清潔公司的清潔方法中最主要的有兩種：一種方式是使用安裝在高樓樓頂的專用軌道或吊索系統(tǒng)將清潔機器對準窗戶進行自動擦洗。這種清洗方式初次投資成本較高，而且要求建筑物設計之初就必須考慮到擦窗系統(tǒng)的安裝，所以限制了它的使用范圍。另一種方式是使用升降平臺或者吊籃裝載清潔工進行高樓玻璃幕墻的清洗，雖然簡便易行，但清潔工人的勞動強度大，工作效率又比較低，屬于高空危險作業(yè)，對工人的人身安全及高樓玻璃幕墻壁面都有很大的威脅，并且中國的經濟正處在轉型期，現在和可以預見的未來清潔工人的用工成本將不斷的上升。所以迫切需要一種能代替人而且又有一定靈活性和適用性的全自動機器裝置來完成這項工作，而且高樓的玻璃幕墻一般情況下面積較大，大多數處于幾十米甚至位于上百米的高處，而且周圍又無可攀援的支架，這就使得對玻璃幕墻的清洗成為一項繁重、高危險、耗資的工作。如果讓人去清洗玻璃壁面，不僅花費高，而且安全難以得到保證。特別是目前一些國家和地區(qū)已經通過立法對包括擦窗作業(yè)在內的人工高空攀爬進行了限制，人們不得不尋找其它解決辦法。
美日韓及歐洲各國還有最近的中國都相繼推出了各自的玻璃清潔機器人，這項技術也在日益走向成熟，但卻并未為大多數人了解，許多相關的技術在外人看來還是遙不可及的，在網絡及出版物中相關的文章少之又少，這就需要對這一新型的技術進行一些說明。
1.2 課題研究的意義
高樓玻璃幕墻清洗機器人是移動機器人的一個分支。它是基于壁面移動機器人技術，并針對具體的作業(yè)對象，具有明確功能的實用機器人，其工作在垂直危險的玻璃壁面，能夠克服重力的作用，攜帶清洗設備，是面向現代高層建筑玻璃外墻表面保潔、清洗服務的極限作業(yè)機器人，它可以將人們從危險的高空作業(yè)環(huán)境中解脫出來，不僅可以避免事故的發(fā)生，而且能夠美化城市環(huán)境，造福人類，具有十分廣闊的應用前景。它的出現將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高生產效率，也必將極大地推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當的社會效益、經濟效益。因此，國內外多家研究機構都在積極開展此項研究工作。
1.3 玻璃清潔機器人的發(fā)展狀況和目前具有的技術水平
玻璃清潔機器人屬于壁面移動機器人的其中一種，它的移動承載體的相關技術在壁面移動的相關技術中具有共性的一面。對現有的壁面移動機器人的結構特點進行詳細的分析，對本次的設計玻璃清潔機器人移動載體具有很好的參考意義。
機器人如果能夠在壁面上自由地移動,并且進行作業(yè),必須具備三大機能:吸附功能、轉向避障功能和移動功能。因此,壁面機器人主要是按吸附機能和移動機能來進行分類的。
壁面機器人按照移動方式可以分為車輪式、履帶式和足式三類。
不同的吸附方案和移動方案的組合最終構成了各種各樣的壁面機器人,例如:履帶式吸附壁面機器人,輪式吸盤壁面機器人等。
目前國內的清潔機器人的研究起步較晚，但發(fā)展比較迅速。國外清潔機器人的運用起源早、技術成熟，有許多非常成熟的經驗值得我們借鑒。
2 玻璃清潔機器人總體運動方案規(guī)劃
本次設計任務主要求是設計的機器人機構能實現在玻璃上行走、自動轉向避障功能和自動清潔功能。分析可知這次任務可以分為三個模塊，即行走、轉向、清洗。我們將對他們分別各自的特點作全面的分析，并從中選擇最適合實際需求的方案運用于設計過程中。
2.1 玻璃清潔機器人行走、轉向機構方案設計
所有的機器人都有一類共同的組成部分，即車輪、履帶、腿足等用于推動車體在地面上進行移動的裝置。配置這些車輪、履帶或者腿足使其發(fā)揮應有的功能稱為移動系統(tǒng)行走機構設計。
不同的移動機器人由于其用途不同，其工作環(huán)境、整體結構都不盡相同，為了達到讓機器人平穩(wěn)而準確地運動這一目的，必須選擇一種合適的行走機構。目前，常用的行走機構有3種:足式行走機構、履帶式走行機構和輪式走行機構。
2.1.1足式行走機構
步行移動方式模仿人類或動物的行走原，用腿腳走路。它不僅能在平地上行走，而且能在凹凸不平的地面行走，甚至可以跨越障礙、上下臺階，對環(huán)境的適應性強，智能程度相對較高，具有輪式機器人無法達到的機動性，具有獨特的優(yōu)越性能。
但對設計和制作者來說，步行機器人的研究極具挑戰(zhàn)性，其主要難點在于各腿之間的協調控制、機身姿態(tài)控制、轉向機構和轉向控制、動力的有效傳遞和走行機構機理。足式機器人的種類很多，一般可以分為兩足機器人和多足機器人，如圖2-1、2-2所示。
圖2-1 兩足機器人 圖2-2 多足機器人
一般將有兩條腿機構的移動機器人叫做兩足步行機器人，兩足步行機器人基本上是近似或模仿人的下肢機構形態(tài)而制成；三足以上的機器人稱為多足機器人，主要研究模仿四足和六足動物的各種步態(tài)而制成，具有復雜的步態(tài)。
步行機器人的機構復雜，由于其運動學及動力學模型復雜，控制難度較大。從移動的范圍來講，車輪形及履帶形的移動機構，無論它有多么復雜都只能在二維平面內移動，雖然能夠應付一定的坡度和凹凸表面，但是車體與移動機構始終保持著固定的位置關系。而步行機器人的移動卻有著很大的不同，它可以在保持身體姿態(tài)不變的前提下，能前后左右移動又能沿著樓梯拾級而上，從這一點來看步行機器人的移動是三維空間移動。另外，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實現上述功能的機器人很少。正因如此，步行移動方式在機構和控制上是最復雜的，技術上還不成熟，不適用于對靈活性和可靠性要求較高的場合中。
2.1.2履帶式行走機構
為了提高車輪對松軟地面和不平坦地面的適應能力，履帶式行走機構被廣泛采用。履帶方式又叫循環(huán)軌道方式，其最大的特征是將圓環(huán)狀的循環(huán)軌道履帶卷繞在若干車輪外，使車輪不直接與路面接觸，利用履帶可以緩沖路面狀態(tài)，因此就可以在各種路面上行走。圖2-3所示為履帶式行走機器人。
機器人采用履帶式行走方式有以下優(yōu)點：
（1）由于沖角的作用，能登上較高的臺階
（2）履帶有較強的驅動力，適合在階梯上移動
（3）能夠原地旋轉，所以適合在狹窄的屋內移動
(4）因重心低而穩(wěn)定性較好 圖2-3 履帶式機器人
履帶式行走機構廣泛用在各類建筑機械及軍用車輛上。履帶式走行機構的不足之處是轉彎不如車輪式靈活。在要改變方向時，要將某一側的履帶驅動系統(tǒng)減速或制動來實現轉向，或者反向驅動實現車體的原地自轉。但這都會使履帶與路面產生相對橫向滑動，不但加大了機器人主體的能耗，還有可能損壞路面，如果運用于玻璃清洗機器人，在工作過程中會刮花玻璃，影響墻壁美觀。
2.1.3輪式行走、轉向機構
輪式走行機構由滾動代替滑動摩擦，主要特點是效率高，適合在平坦的路面上移動，定位，而且重量較輕，制作簡單，本次設計機器人的行走機構將使用輪式，因此在這里重點進行講解，比較它們各自的優(yōu)缺點，從中選出合適的方案進行規(guī)劃、分析，逐步進行修改及優(yōu)化。
絕大多數輪式機構都是非完整運動約束驅動系統(tǒng)，輪式移動方式的分類有很多種，按照輪子的數目劃分有三輪、四輪、五輪。目前機器人中最常用的是三輪或四輪移動方式，在某些特殊應用情況下也有五輪以上的機器人，但這種機器人結構和控制都很復雜。以下分別介紹常用輪式移動機器人走行系統(tǒng)。
⑴三輪移動方式
典型三輪移動機器人通常采用一個中心前輪和兩個后輪的布置方式，車體配置雖然結構簡單，但穩(wěn)定性稍差，遇到沖撞或地面不平時容易傾倒。在這種移動方式下，應該將各種元器件放在機器人的下層，確保機器人的重心處于比較低的位置，以彌補此結構本身存在的穩(wěn)定性差的問題。
①共軸驅動行走機構
最常見的非完整運動約束機器人系統(tǒng)是共軸驅動系統(tǒng)，其結構如圖2-4所示。它們的最基本形式是兩個電機分別驅動左后、右后兩個主動輪，這樣的機構使機器人能夠實現以自身為圓心的旋轉運動。在機器人底盤的前方安裝一個從動輪的前輪系統(tǒng)，用于對本體進行支撐。因為兩個后輪共用一個軸，而在實際應用中兩個車輪的對應不一定非常精確。在實際的應用中，通常的做法是將底盤設計成梯形，使機器人轉向具有較好的靈活性和穩(wěn)定性。
圖2-4 共軸驅動行走機構
實際的應用中，因為只有3個車輪，該機器人在行走時易發(fā)生傾覆，所以在很多復雜條件下，它是不能正常完成任務的。
②全方位移動機構
全方位移動機構是一種比較特殊的車輪，如圖2-5所示，3個主輪互相之間成600
圖2-5 全方位移動機構
夾角，軸線與中線重合。之所以選擇3個萬向輪正三角組合，是因為正三角形組合方式有它獨特的優(yōu)勢。因為三點確定一個平面，無論怎樣，3個點總是在同一平面上，即無論什么情況，3個多向輪都必然著地，不會出現某個輪懸空的情況，這是四輪或更多輪的行走機構無法做到的。但是該機構所使用的輪子較特殊，制作復雜不適于實際的廣泛運用。
⑵ 四輪移動方式
①四輪驅動方式
該驅動方式是通過前部轉向輪的朝向確定行走方向，如圖2-6所示。這種方式非常適合于戶外應用，特別是在崎嶇地形，然而這樣的機器人比傳統(tǒng)的差速驅動方式的機器人制作起來復雜一些。
圖2-6 四輪驅動方1
內側的輪子將沿著一個比外側的輪子軌跡更小的圓周進行運動，那么就可以得到更好的轉向精度和更大的牽引力，這種技術叫做阿克曼轉向。因為這種轉向方式可以使輪胎產生更大的牽引力，具有更小的摩擦損耗，所以大部分汽車都采用這種轉向方式。因為該驅動轉向方式轉向半徑在所有方案中最大，所以這種轉向技術在機器人上的應用并不多。
②四輪驅動方式2
如圖2-7所示為移動機器人領域常見的一種四輪移動方式。前輪是兩個萬向輪，后
圖2-7 四輪驅動方式2
輪是兩個獨立的驅動輪。這種結構的優(yōu)點是遇到沖撞或地面不平時穩(wěn)定性好，缺點是機器人的行走過程只有三個輪著地，因此在行走時必須保證兩個驅動輪著地，否則會影響機器人行走的定位精度。
③四輪移動方式3
如圖2-8所示，前后輪為萬向輪，左右輪為驅動輪，其自轉重心在車體中間，
圖2-8 四輪驅動方式3
便于在狹窄場所改變行走方向。但前后輔助的萬向輪有時不能同時著地支撐，在高速啟動和制動時會產生俯仰和前沖，或者在加速度很大時不走直線。應盡量將機器人重心配置在兩個驅動輪連線的附近，以減少慣性的影響。
2.2 清洗機構
玻璃清潔機器人由于是在墻壁玻璃上行走，重量和體積均有很大的限制，所以在選擇清洗機構時需要考慮這兩方面。
方案一：曲柄滑塊機構
圖2-9 曲柄滑塊清潔機構
如圖2-9所示，該機構所需要的零件簡單,加工方便,成本低,但是連桿所占的空間較大,使得機器人的總體尺寸無法滿足任務要，而且會降低機器人的靈活性。要實現往復的清洗功能,軸的力矩傳遞需要轉向,使用錐齒輪傳遞效率低，加工難度大，成本高。
方案二:滾筒式清洗機構
滾筒清洗機構是通過滾筒的旋轉運動來實現清洗玻璃墻壁的功能，機構本身的構件不需要除本身尺寸以外的運動空間，使得機器人結構更加緊湊。同時，滾筒的旋轉是用正齒輪傳動，加工難度小，成本低，傳動效率高,如圖2-10所示。
圖2-10 滾筒清潔機構
2.3 傳動機構
傳動部分使用電機作為動力源，通過D軸、齒輪將轉矩傳遞到后輪，實現后輪共軸驅動。兩種方案如下所述，比較兩者優(yōu)缺點和實際運用的要求，最終確定選用方案一。
2.3.1方案一
使用直齒輪、D型軸將轉矩傳遞到后輪軸，結構比較簡單，直齒輪為標準件方便采購，成本低，裝配難度不大，傳遞效率高，如圖2-11所示。
缺點：直接使用齒輪帶動后車軸，兩后車輪轉速始
終相同，在車體過彎時動力傳遞效率有所降低。 圖2-11 傳動方案一
2.3.2方案二
使用錐齒輪、D型軸傳動，在后輪車軸上增加一個差速器，使車體在過彎時能自動根據兩側后輪不同的阻力比調整動力的輸出配比，減小后輪在轉向時的動力損耗, 如圖2-12所示。
缺點：錐齒輪傳動效率低，由于錐齒輪軸與后輪車軸垂直，會增加整個機器人長度方向的尺寸，清洗機構的傳動必須再次傳動換向，不利于清洗機構的安裝。差速器不是標準
件，市場上的的差速器尺寸不能滿足機器人的設計需要，無 圖2-12 傳動方案二
法購買。
2.4 最終選用的總體方案
經過反復對以上方案進行論證，逐步進行修改及優(yōu)化，最終本次設計的玻璃清潔機器人方案使用的是輪式行走機構、嵌入式驅動轉向裝置、滾筒式清洗機構、真空吸盤式或磁吸附式。
如前面圖2-4所示，后輪為共軸驅動行走機構，前輪由兩個獨立的電機單獨驅動，為機器人前行提供牽引力，也可以一個電機正轉，另一個電機反轉，從而實現機器人的
圖2-13 機器人總體方案
轉向功能。并且前輪的驅動電機使用嵌入式安裝方式，電機被置于前輪輪轂中，對電機尺寸的要求較高,最終確定的總體方案如圖2-13所示。
本次設計可以分模塊進行設計，這樣既可以提高設計的效率，也可以避免在設計清潔機器人各部分之間相互的干擾，減小設計的難度，同時也可以使得機器人在實際運用中的維護更加方便,各模塊的移植性較好。因此機器人的設計和計算我們將分步、分塊進行。
3 電機選型
玻璃清潔機器人的運動控制中常用電機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機，它們的特點、構造與工作原理和控制方式如下表3-1所示。
表3-1 三種電機的主要特點、結構與工作原理、控制方式
電機類型
主要特點
結構與工作原理
控制方式
直流伺服電機
接通直流電即可工作，控制簡單；啟動轉矩大、體積小、 重量輕，轉速和轉矩容易控制、效率高；需要定時維護和更換電刷，使用壽命短、
噪聲大。
由永磁體定子、線圈
轉子、電刷和換向器
構成。通過電刷和換
向器使電流方向隨轉子的轉動角度而變化，實現連續(xù)轉動。
轉動控制采用電壓控制方式,兩者成正比。轉矩控制采用電流控制方式,兩者也成正比。
交流伺服電機
沒有電刷和換向器，無需維護，驅動電路
復雜，價格高。
按結構分為同步和異步電電刷和換向器構成。通過電刷和換向器使電流方向隨轉子的轉動角度而變化，實現連續(xù)轉動。
分為電壓控制和頻率控制兩種方式。 異步電機常采用電壓控制。
步進電機
直接用數字信號控制，與計算機接口簡單，沒有電刷，維護方便，壽命長。缺點是能量轉換效率低，易失步，過載能力弱。
按產生轉矩的方式可以分為:永磁式， 反應式和混合式?；旌鲜侥墚a生較大轉矩，連續(xù)轉動。
永磁式是單向勵磁， 精度高，但易失步，反應式；是雙向勵磁，輸出轉矩大，轉子過沖小，但效率低； 混合式是單-雙向勵磁,分辨率高, 運轉平穩(wěn)。
本次設計的玻璃清潔機器人所用電機的基本性能要求：
⑴ 啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進行,具有良好的響應特性.
⑵ 正轉反轉時的特性相同,且運行特性穩(wěn)定.
⑶ 良好的抗干擾能力,對輸出來說,體積小、重量輕.
⑷ 維修容易，不用保養(yǎng).
①前面表3-1中我們比較分析了三種不同電機的特點、結構與工作原理和控制方式從中我們知道步進電機具有精度高，控制性能強，容易控制的特點，步進電機具有以上所有優(yōu)點，但是前輪是使用嵌入驅動裝置轉向，步進電機的外型尺寸不滿足條件，所以我們最后選擇直流電機。
前輪轉向機構是利用兩個步進電機一個正轉、一個反轉來實現機器人的轉向的。因為機器人的重量不能超過2kg，所以它受的最大摩擦力不會超過20N。因為車直徑為70mm,則每個前輪所需要的驅動轉矩為：
T=Fd=10N×0.035m=0.35N.m （3-1）
所以玻璃清潔機器人選用“森創(chuàng)”步進電機的型號為：A15K-S545(W)-G10，詳細參數如下表3-2所示。
表3-2 步進電機的參數
型號
A/相（A）
最大保持轉矩(kgf.cm)
最大允許轉矩(kgf.cm)
轉動慣性(g.cm2)
線組抗
電機長度（mm）
A15K-S545(W)-G10
0.75
-
15
68
2.2
47
②機器人的兩個后輪是驅動輪，要求控制性好且精度高，能耗低，輸出轉矩大，有一定過載能力，而且穩(wěn)定性好。通過比較以上電機的特性、工作原理、控制方式及清潔機器人的移動性能要求、受力性情況、傳動特點，最終選用直流電機作為驅動電機。
所需電機的功率計算.玻璃清潔機器人的受力簡圖如圖3-1所示，分析可知機器人垂直向上行走時所受的阻力最大。
圖3-1 機器人受力簡圖
機器人所受的最大牽引力：
F牽 = G + Ff
F牽在墻壁上行走需要的最大牽引力
Ff機器人在墻壁上受到的摩擦阻力：
Ff=u F吸 （3-2）
u為摩擦因數，一般玻璃與橡膠取0.2-0.3
則玻璃清潔機器人需要的最大牽引力為:
F牽=G + Ff =20N+0.2×100N=40N （3-3）
設定機器人在墻上行走的速度為:V=1m/s
則機器人在墻壁上運動的功率為：
P= F牽·V=40×1=40W （3-4）
傳動裝置的總效率為：
η=η1.η2=0.97×0.97=0.941 （3-5）
所需直流電機的最小功率:
PW=P/η=40/0.941=42.5W （3-6）
通過以上的比較和計算，最終選擇博山電機的90SZ01，其技術參數如表3-3所示：
表3-3 直流伺服電機的技術參數
型號
轉矩（mN.m）
轉速（r/min）
功率(W)
電壓(V)
電流(A)
允許順逆轉速差(r/min)
轉動慣量(mN.m.s2)
電樞
激磁
電樞
激磁
90SZ01
323
1500
50
110
110
0.66
0.200
100
0.18
4 玻璃清潔機器人結構設計和主要參數計算、分析
4.1 車輪設計
圖4-1 后輪結構圖
后輪采用尼龍加工而成，為減輕質量，設計成腹板式結構，同時在驅動輪的輪緣包裹一定厚度的橡膠材料，具體設計參數如圖4-1所示。
輪子的直徑為d=70mm,轉一圈機器人移動的距離為：
S=π×d=3.14×0.07=0.22m （4-1）
所以，輪子的最大轉速為：
n=1500/4=375r/min=6.25r/s （4-2）
則清潔機器人的最大行走速度為：
V=S×n=0.22×6.25=1.375m/s （4-3）
從面前的計算我們已知機器人所受的摩擦力為：
Ff=20N
則可知電機在機器人豎直向上時其轉矩并不滿足條件，所以必須在機器人豎直向上運動時減少磁吸附力，即可滿足運動條件。
設減小摩擦后機器人所受摩擦力為：
Ff=10N
則此時機器人的功率為：
Pw=(Ff+G)×V=30×1.375=41.25W （4-4）
其最大加速度為：
a=Fa/m=30/2=15m/s2 （4-5）
前輪為轉向輪，本次設計使用的是嵌入式驅動轉向裝置，它的原理是電機固定不動，由電機機芯驅動法蘭盤和前輪轉動，電機與輪子之間安裝有軸承和大、小套筒，以此保證它們之間的相對運動的發(fā)生。它結構精簡，體積小，穩(wěn)定性高和緊密度高，如圖4-2和圖4-3所示。相對于傳統(tǒng)驅動方案而方，該裝置具有顯著優(yōu)點，包括：
圖4-2 前輪爆炸圖
⑴電機直接驅動，同步輸出，無中間傳動環(huán)節(jié)，避免了傳動帶來的累計轉角誤差，定位準確。
⑵無相對摩擦，減少不必要的磨損和功率損失。
⑶嵌入式結構使電機和連接結構嵌入車輪，體積縮小、同樣的體積上可以選擇功率更大的電機，使用此裝置的機器人轉向速度快、力量大。
圖4-3 前輪結構圖
⑷嵌入輪內的短柱狀結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的細長輪軸，無需聯軸器，同時保護了電機，抗沖擊性好。
⑸該裝置采取模塊化設計，各元件連接好后成獨立模塊，接上機器人車體即實現驅動功能，移植性很強。
車輪的相關參數如表4-1所示。
表4-1車輪相關參數
參數
數據/mm
參數
數據/mm
車輪最大外徑
70
腹板厚度
2
輪心孔直徑
4
腹板大孔直徑
10
車輪寬度
20
腹板小孔直徑
5
4.2 后輪驅動減速機構設計
在前面選電機部分，我們選擇的是直流電機作為后輪驅動電機，其轉速一般都較高，不能直接連接到車輪軸上，需要用減速箱來降速，同時提高了轉距。減速裝置的形式多種多樣，一般很難買到適合機器人使用的減速箱，所以只能自己設計減速裝置，選擇一種合適的減速裝置對機器人的性能有著相當重要的作用。
齒輪傳動：工作可靠，使用壽命長；易于維護；瞬時傳動比為常數；傳動效率高；
結構緊湊；功率和速度使用范圍很廣。所以，本次設計選用齒輪作為減速機構的傳動件。
根據本設計中機器人的要求，輸出轉矩大傳動效率高噪音小等條件，我們采用兩
級齒輪傳動，減速比為4:1。安裝主動齒輪的輸入軸與電機相聯的一端設計D型孔，不是用聯軸器，降低了生產成本，使結構更簡單。既提高了精度又減輕了重量。輪轂和二級傳動的被動齒輪安裝在同一根軸上，他們轉速相同。中間軸上安裝有大小兩個齒輪，它們的齒數比為2：1。齒輪類型為漸開線直齒齒輪，屬于通用標準件，可以直接購買，使得加工工作量減小，同時也降低了生產成本。減速機構如圖4-4所示。
圖4-4 減速機構結構圖
選用的齒參數如下：
第一級減速：i=2, m=1,z1=20,d1=20mm,z2=40,d2=40mm
第二級減速：i=2, m=1,z1=20,d1=20mm,z2=40,d2=40mm
減速機構的齒輪計算：（因為第一級減速和第二級減速相同，所以只選擇一級作較核計算。）
a．選擇齒輪齒數、材料及精度等級
⑴玻璃清潔機器人為精密機器，要求運動精度高，故選用5級精度。
⑵材料選擇?？紤]到清潔機器人傳遞的功率不大，所以齒輪采用軟齒面。由機械設計191頁表10-1選擇小齒輪為40Cr調質，齒面硬度為280HBS。大齒輪選用45鋼，調質，齒面硬度240HBS，二者材料硬度相差為40HBS。
⑶選小齒輪齒數z1=20,大齒輪齒數z2=40,傳動比i=2:1
b．按齒面接觸疲勞強度設計
由d1t≥2.32[(kT1(u±1)/ φdu（ZE/ [σH]) 2]1/3 (4-5)
I、 確定公式內的各計算數值
⑴試選載荷系數Kt=1.3
⑵計算小齒輪傳遞的轉矩。
T=9.55×106 PⅤ/n4=9.55×106×0.0425/1500=271N·mm （4-6）
⑶由機械設計205頁表10-7選取齒寬系數φd=1
⑷由機械設計201頁表10-6查得材料彈性影響系數ZE=189.8MPa1/2
⑸由機械設計209頁圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim1=750 MPa，大齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim2=700MPa。
⑹由機械設計206頁式10—13計算應循環(huán)，計算應力循環(huán)次數。
N1=60n1jLh=60×1500×1×1×8×300×8=2.88×107 （4-7）
因為傳動比：i=2
N2=N1/2=1.44×107
⑺由機械設計207頁圖10-19取接觸疲勞壽命系數KHN1=0.94;KHN2=0.98;
⑻計算接觸疲勞許用應力。
取失效概率為1％，安全系數S=1，由機械設計205頁式（10—12）得
[σH]1=σHlim1KHN1/S=750×0.94/1.0Mpa
=705Mpa
[σH]2=σHlim2 KHN2/S=700×0.98/1.0Mpa
=686Mpa
II、計算
⑴試算小齒輪分度圓直徑d1t,代入[σH]中較小的值。
d1t≥d1≥2.32[(ktT1(u+1) /φdu (ZE/[σH])2]1/3
=2.32[1.3×271×(2+1)×(189.82/686)2] 1/3mm=10mm
⑵計算圓周速度v.
V=d1tn1/(60×1000)=×10×1500/(60×1000)=0.8m/s
⑶計算齒寬b
b= φd×d1t=10mm
⑷計算齒寬與齒高之比b/h.
模數
mt= d1t /z1 =10/20=0.5mm
齒高
h=2.25mt=2.25×0.5=1.125mm
b/h=10/1.125=8.9
⑸計算載荷系數。
根據v=0.8m/s, 5級精度，由機械設計194頁圖10—8查得動載系數KV=1.03
根據機械設計課本P195表10-3直齒輪，KH=KF=1;
由機械設計193頁表10—2查得使用系數KA=1；
由機械設計表10—4用插值法查得5級精度、小齒輪相對支承對稱布置時
KHΒ=1.30
由b/h=8, KHΒ=1.30,查機械設計198頁圖10—13得KFΒ=1.26;故載荷系數：
K=KAKV KHαKHΒ=1×1.03×1.30×1.26=1.687 （4-8）
⑹按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑，由式（10—10a）得
（4-9）
⑺計算模數m
m =d1/z1=10.91/20=0.55 （4-10）
c.按齒根彎曲強度設計
由機械設計201頁式10-5得彎曲強度的設計公式為：
（4-11）
⑴確定公式內的各計算數值
①由機械設計208頁圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限
σFE1=450Mpa；大齒輪的彎曲強度極限σFE2=420Mpa。
②由機械設計206頁圖10-18取彎曲疲勞壽命系數KFN1=0.9，KFN2=0.94
③計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全疲勞系數S=1.4,由機械設計205頁式（10-12）得：
④計算載荷系數K
K=KAKVKFαKFβ=1×1.03×1×1.26=1.30 （4-12）
⑤查得齒形系數
由機械設計200頁表10-5查得 YFa1=2.80 YFa2=2.40
⑥查得應力校正系數
由機械設計200頁表10-5查得 Ysa1=1.55 Ysa2=1.68
⑦計算大小齒輪的并加以比較。
小齒輪的數值較大
⑵設計計算
（2×1.30×271×0.02323/1×400）/3=0.041
對比計算結果,由齒面接觸疲勞強度計算的模數m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與齒數的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數0.041,并就近圓整為標準值m=0.5,按接觸強度算得的分度圓直徑d1=10.91mm,算出小齒輪齒數
z1=d1/m=10.91/0.5=20
大齒輪齒數:z2=2×20=40
這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。
d．幾何尺寸計算
⑴計算分度圓直徑
d1=z1×m=10mm
d2=z2×m=20mm
為了方便設計，最后取d1=20 mm， d2=40mm
⑵計算中心距
a=(d1+d2)/2=30mm
⑶計算齒輪寬度
b=dd1=1×10mm=10mm
實際設計時我們最后取B1=B2=12mm
e．結構設計及繪制齒輪零件圖如圖4-5所示：
圖4-5 大小齒輪結構圖
f．齒輪傳動的潤滑方式的選擇
開式及半開式齒輪傳動，或速度較低的閉式齒輪傳動，通常用人工周期性加油潤滑，所用潤滑劑為潤滑油或潤滑脂。
本次設計因為減速部分的齒輪箱體并不完全是密閉的，所以使用鈣鈉基潤滑脂作為潤滑劑，其適用于80-1000C，有水分或較潮濕的環(huán)境中工作的齒輪傳動，但不適于低溫工作情況，所以滿足設計產品的使用要求。
4.3 后輪驅動軸的結構設計與校核
后輪驅動軸連接兩個后輪，是減速部分的最后執(zhí)行機構，是主要的承重軸，所以要求它有很高的強度和抗彎、抗扭性能。同時，根據設計要求，機器人有重量限制，因此選用硬質鋁合金作為驅動軸的材料，其結構圖如圖4-6所示。
圖4-6 后輪驅動軸
I．求輸出軸上的功率P3和轉矩T3
設取每級齒輪傳動的效率η=0.97,則
P3=Pη2=50×0.972=47.05W
前面我們已知：n3=375r/min，所以：
T3=9550×47.05/375N.mm=1198N.mm
II. 求作用在齒輪上的力
因已知低速級大齒輪的分度圓直徑為
d2=40mm
而 （4-13）
Fr= Fttan200=60×0.325=19.5N （4-14）
Fn= Ft/cos200=60N/0.95=63N （4-15）
圓周力Ft，徑向力，及軸向力的方向如圖4-7所示：
圖4-7 齒輪受力示意圖
查資料得：[T]=45MPa
因此，軸的最小直徑是
根據設計的需要，最后我們取d=4.5mm
III.確定各段軸的直徑和長度
在能夠滿足強度和剛度要求的同時，為了滿足與其他各部分零件的裝配需要，以及軸的加工工藝的要求，機器人后輪驅動軸的整體尺寸設計如開始的圖4-3-1所示。
IV．驅動軸的較核
⑴按抗扭強度條件來進行軸的強度校核
（4-16）
⑵按彎矩轉矩合成條件校核的強度
①畫出力學模型簡圖。因為清潔機器人的吸附力為100N，主要承重在驅動輪上，所以取極限情況進行計算。軸的受力分析如圖4-8所示：
圖4-8 力學模型簡圖
清潔機器人在工作時，受到的最大吸附力為100N，所以每個輪子受到的支持力為
F=F吸/4=25N
軸受到齒輪的徑向力為
Fr= Fttan200=60×0.325=19.5N
支反力為
F’=(F+Fr)/2=22.25N
②作出彎矩圖和轉矩圖。
圖4-9 彎矩圖和轉矩圖
驅動軸彎矩和轉矩分析如圖4-9所示,由圖可以明顯看出，驅動軸的危險截面是在安裝齒輪的軸截面上，這里所受的彎矩和轉矩都是最大的。
其中，危險截面的彎矩為：
M=F’L=22.25×70.5=1568.6mN.m
轉矩為
T=u F吸D/4=0.2×100×0.07/4=0.35N.m
軸所承受的最大的輸出轉矩是由電動機提供的最大轉矩來決定的，本機器人采用的是博山電機的90SZ01，電機的最大轉矩為0.323N.m,減速比為4，因此電動機最大的輸出轉矩為1.292N. m,所以取T=1.292N.m。
⑶校核軸的強度
軸的抗彎截面系數為
(4-17)
所以軸的計算應力
（4-18）
選定軸的材料為鋁合金，經查[]=60MPa,因此滿足設計要求，故安全。
4.4 齒輪的定位結構設計
軸上零件的定位方式如下:軸向定位主要靠軸肩、擋圈定位；周向定位主要靠平鍵連接和過盈配合來定位。因此，必須對這些關鍵部位時行細致的設計和校核。鍵是一種標準零件，分為平鍵連接、半圓鍵連接、楔鍵連接和切向鍵連接，因為本設計是玻璃清潔機器人，總體尺寸較小，如果使用鍵來進行齒輪的周向定位，會大大削弱軸的強度，所以這里，我們使用四驅車常用的D型軸來進行齒輪的周向定位。其結構如圖4-10所示。
圖4-10 后輪驅動軸
與之配合的齒輪，我們也把其的軸孔設計成為D型孔，該段軸的直徑為6mm,D型的切面與軸截面圓心的距離為2.5mm，它能能實現把轉矩從齒輪傳遞給軸。如圖4-11所示：
圖4-11 D型軸段截面圖
4.5 中間軸的結構設計與校核
中間軸是減速機構傳動中的中間環(huán)節(jié)，上面安裝有一個大齒輪和一個小齒輪，齒數分別為z1=40和z2=20。同樣，為了減輕重量，我們選擇用硬質鋁合金作為中間軸的材料。
I．中間軸的設計
⑴中間軸的最小直徑
中間軸傳遞的功率：
P2= Pη=50×0.97=48.5W
傳遞的轉矩:
T2=9550×48.5/750=618mN.m
查得鋁合金的許用扭轉應力[]=45MPa，中間軸的最小直徑：
從安全的角度考慮，結合設計的需要，我們取：
d =5mmm
大齒輪的的受力計算
Ft=2T2/d2=2×618/40=31N
Fr=Fttan200=31×0.325=10N
Fn= Ft/cos200=31/0.95=32N
小齒輪的受力計算
Ft=2T2/d1=2×618/20=61.8N
Fr=Fttan200=61.8×0.325=20N
Fn= Ft/cos200=61.8/0.95=65N
⑵確定各段軸的直徑和長度
①擬定軸上零件的裝配方案
根據設計的要求和裝配要求，合理的規(guī)規(guī)各零件的安裝位置，現選用如圖4-12所示的裝配方案。
圖4-12 中間軸裝配方案圖
②根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
(a)為了滿足軸承的定位要求，從左到右第一段需制出一軸肩，故第一段直徑d1=5mm,每二段的直徑d2=6mm.
(b)初步選擇滾動軸承。因軸承只受有徑向力作用，故選用深溝球軸承。參照工作要求并根據d1=5mm,由軸承產品目錄中初步選取0基本游隙、4級公差的深溝球軸承。其尺寸為d×D×T=5mm×12mm×5mm.
圖4-13 中間軸結構圖
(c)前面我們已經確定第二段的直徑d2=6mm，齒輪的左端與左軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為12 mm，而第二段軸的長度取的是28 mm，所以套筒的長度取16 mm，其厚度為1 mm，而同樣的如前面的一樣，我們用D型軸來傳遞轉矩，軸
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