玻璃清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-壁面清洗機(jī)器人-真空吸盤吸附式 【含8張CAD圖紙+PDF圖】

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Then for glass cleaning robot design, the overall scheme of the walking mechanism and steering mechanism design, through the translation of cylinder and the leg cylinder to realize the movement of the robot, and through the analysis of the surface adsorption reliability choose chuck, chuck support and quick screw connector components, such as also for other pneumatic components selection, and map the pneumatic system. Keywords: glass cleaning robot; Suction cup frame type structure; Walking agencies; Steering mechanism; I I I 目 錄 摘 要. I ABSTRACT . II 1 緒論. 1 1.1 爬壁機(jī)器人. 1 1.2 課題的目的與意義. 2 1.3 國內(nèi)外玻璃清潔機(jī)器人的研究現(xiàn)狀. 2 1.4 課題主要內(nèi)容及技術(shù)參數(shù). 4 1.5 本章小結(jié). 4 2 玻璃清潔機(jī)器人的方案確認(rèn). 5 2.1 玻璃清潔機(jī)器人的組成. 5 2.2 玻璃清潔機(jī)器人的方案確認(rèn). 6 2.3 本章小結(jié). 6 3 玻璃清潔機(jī)器人的總體設(shè)計(jì). 7 3.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì). 7 3.1.1 平動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì)與校核. 7 3.1.2 腿部氣缸的設(shè)計(jì)與校核. 12 3.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì). 14 3.2.1 步進(jìn)電機(jī)的選型. 14 3.2.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)與校核. 15 3.3 吸附裝置的選取. 18 3.3.1 吸附可靠性分析. 18 3.3.2 吸附裝置的選取. 20 3.4 玻璃清潔機(jī)器人的框架以及吸盤安裝板的設(shè)計(jì). 22 3.4.1 下框架的設(shè)計(jì). 23 3.4.2 上框架的設(shè)計(jì). 23 3.4.3 中間旋轉(zhuǎn)板的設(shè)計(jì). 24 3.4.4 吸盤安裝板的設(shè)計(jì). 24 3.5 控制閥及其它氣動(dòng)元件的選取. 25 3.5.1 氣源處理組件的選取. 25 3.5.2 方向控制閥的選取. 25 3.5.3 單向節(jié)流閥的選取. 26 3.5.4 真空安全閥的選取. 27 3.5.5 分氣塊的選取. 27 3.5.6 氣電壓力轉(zhuǎn)換器的選取. 27 3.5.7 真空發(fā)生器的選取. 28 3.6 氣動(dòng)原理圖的設(shè)計(jì). 28 3.7 本章小結(jié). 29 結(jié)論. 30 參考文獻(xiàn). 31 致 謝. 32 1 1 緒論 1.1 爬壁機(jī)器人 捷克的劇作家卡雷爾凱培爾最先提出了機(jī)器人這個(gè)詞語，體現(xiàn)出了人類想要?jiǎng)?chuàng)造出一種能夠模仿人的行動(dòng)的機(jī)器， 從而能代替人類去進(jìn)行不同的工作的一種長久的愿望。國際 ISO 組織把機(jī)器人定義為一種自動(dòng)的、位置可以控制的、具有編程功能的多功能機(jī)械手， 然而我國的蔣新松院士則建議把機(jī)器人定義為一種擬人功能的機(jī)械電子裝置。 機(jī)器人是一種涉及到電子學(xué)、 機(jī)械工程、 控制理論、人工智能、仿生學(xué)、力學(xué)等多種學(xué)科相互交叉以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、電子技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)等多種技術(shù)相互融合的復(fù)雜系統(tǒng)，也是一種邊緣科學(xué)。 機(jī)器人技術(shù)水平的高低在某種意義上能夠體現(xiàn)出一個(gè)國家工業(yè)生產(chǎn)能力與科技水平的綜合能力， 隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展以及人類生產(chǎn)和生活需求的不斷增長， 機(jī)器人技術(shù)被廣泛應(yīng)用到人類生活中的方方面面，它已經(jīng)成為了高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的研究目標(biāo)，并且為社會(huì)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)以及發(fā)展不但從根本上改變了傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)， 對(duì)人類的社會(huì)生活也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。 玻璃爬行機(jī)器人是從極限作業(yè)機(jī)器人中產(chǎn)生出的一個(gè)分支， 它主要在玻璃或者高空中移動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行作業(yè)， 由于在現(xiàn)代社會(huì)中有許多作業(yè)場合對(duì)人的身體有比較大的傷害，甚至不適合人類親身投入其中，這種情況下玻璃爬行機(jī)器人便可以代替人類去完成這些危險(xiǎn)工作， 因此爬壁機(jī)器人的重要性越來越得到人類的認(rèn)可。 目前國內(nèi)外的許多現(xiàn)場作業(yè)中已經(jīng)投入了相當(dāng)數(shù)量的玻璃爬行機(jī)器人，其主要集中在以下幾個(gè)行業(yè)： （1）核工業(yè)：對(duì)核廢液儲(chǔ)罐進(jìn)行視覺檢查、測厚以及焊縫探傷等 （2）石化工業(yè)：對(duì)圓形大罐或者球形罐的內(nèi)外玻璃進(jìn)行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐等 （3）建筑行業(yè)：用于噴涂巨型墻面，安裝瓷磚并且對(duì)瓷磚和玻璃玻璃進(jìn)行清洗等 （4）消防部門：用于傳遞救援物資，進(jìn)行救援工作等 （5）造船行業(yè)：用于噴涂船體或輪船內(nèi)壁等 （6）電力行業(yè)：用于對(duì)電站鍋爐水冷壁管壁厚度進(jìn)行測量等 本文所設(shè)計(jì)的玻璃清潔機(jī)器人屬于玻璃爬行機(jī)器人在建筑行業(yè)中的運(yùn)用， 主要用于對(duì)建筑物玻璃以及光滑外壁的清洗。 2 1.2 課題的目的與意義 清洗工人搭乘吊籃、升降平臺(tái)或者直接腰系繩索，進(jìn)行高空擦洗。雖然簡便易行，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，稍有不慎還就會(huì)出現(xiàn)墜落事故，造成傷亡，人工作業(yè)的效率也很低。隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量和工作環(huán)境的要求越來越高， 為了提高清洗效率并且把清洗工人從惡劣的工作環(huán)境中解脫出來，有待開發(fā)一種自動(dòng)清洗作業(yè)系統(tǒng)。 玻璃清潔機(jī)器人是一種實(shí)用性很強(qiáng)的裝置。自從本世紀(jì)六十年代以來，爬壁機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的研究受到了人們廣泛的關(guān)注， 但是大都只是進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的研究，其相關(guān)的理論分析還不成熟，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然百花齊放，但真正能用于實(shí)際工作的卻很少。作為清洗用的爬壁機(jī)器人來說，其清洗工具具有簡單、重復(fù)的特點(diǎn)，比較適合機(jī)器人的自主工作，玻璃清潔機(jī)器人是以清洗高層建筑為目的的玻璃移動(dòng)機(jī)器人，它的出現(xiàn)將會(huì)極大地降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，同時(shí)提高生產(chǎn)效率，也必將極大地推動(dòng)清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，玻璃清潔機(jī)器人具有良好的應(yīng)用前景。 1.3 國內(nèi)外玻璃清潔機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 在我們國家從七十年代的初期開始研究以及開發(fā)機(jī)器人，1975 年，川崎重工業(yè)公司在北京舉辦的日本科技展覽會(huì)上展出了Unimate-2000型的搬運(yùn)機(jī)器人，從此在我國便掀起了第一個(gè)機(jī)器人的研究浪潮， 許多單位都開始了對(duì)機(jī)器人的研制。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的機(jī)器人研究所研發(fā)設(shè)計(jì)了我國的第一臺(tái)爬壁式遙控檢查機(jī)器人， 它主要用來對(duì)核廢料儲(chǔ)罐的安全情況進(jìn)行檢查，該機(jī)器人的特點(diǎn)為用了一種稱為“全方位輪”的新結(jié)構(gòu)輪子作為行走的機(jī)構(gòu)，這是瑞典的 MECANUM 公司的全新的技術(shù)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)從 1988 年起研發(fā)制造了兩種玻璃爬行機(jī)器人，1996 年研發(fā)成功的多功能履帶式罐壁噴涂檢測磁吸附爬壁機(jī)器人是針對(duì)石油企業(yè)的儲(chǔ)油和儲(chǔ)水鋼罐定期噴砂除銹、 噴漆防腐及涂層厚度等進(jìn)行檢測工作而研發(fā)制作的； 哈爾濱工業(yè)大學(xué)所研發(fā)制造的另外一種機(jī)器人是一種單吸盤的輪式爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人為真空吸附式，并且采用了全方位的車輪結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人本體的方向位置不改變的狀況下可以沿著任意的直線方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)， 這種機(jī)器人本體重量為 20 千克，能夠負(fù)載 15 千克，移動(dòng)速度為 0-2 米/分鐘，控制系統(tǒng)采用了微機(jī)控制與遙控。 北京航空航天大學(xué)從 1996 年開始先后研發(fā)制造了 WHSHMAN、CLEANBOT、SKYCLEAN、靈巧型擦窗機(jī)器人、吊籃式擦窗機(jī)器人以及藍(lán)天潔寶等等一系列的清洗機(jī)器人， 前三種玻璃清潔機(jī)器人都是全氣動(dòng)式的自主步行移動(dòng)清洗機(jī)器人， 采用了十字框架結(jié)構(gòu)， 機(jī)器人上所有的部件都是由氣缸來驅(qū)動(dòng)的，十字框架結(jié)構(gòu)由兩個(gè)無桿氣缸組成，這樣的玻璃清潔機(jī)器人有著結(jié)構(gòu)緊湊的特 3 點(diǎn)。 機(jī)器人在可以伸縮的腿部上裝有真空吸盤，能夠通過腿部交替的吸附以及氣缸的運(yùn)動(dòng)在玻璃幕墻或玻璃上進(jìn)行橫向或者縱向的運(yùn)動(dòng)以及實(shí)現(xiàn)越障功能。CLEANBOT 和 SKYCLEANER 這兩種清洗機(jī)器人在兩個(gè)主要?dú)飧字g設(shè)置了腰關(guān)節(jié)，在機(jī)器人發(fā)生偏斜的時(shí)候能夠通過糾偏運(yùn)動(dòng)讓機(jī)器人回到正常運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，SKYCLEANER 機(jī)器人的腿部與吸盤采用了微動(dòng)鉸鏈連接，可以克服玻璃面上的二度折角變化。 靈巧型擦窗機(jī)器人重量只有 20kg， 尺寸為 0.4m0.8m0.2m（寬長高） 。吊籃式擦窗機(jī)器人通過模擬人類的手擦窗的動(dòng)作來進(jìn)行清洗作業(yè)， 藍(lán)天潔寶是一種被動(dòng)式的清洗機(jī)器人， 它具有結(jié)構(gòu)簡單、 工作效率高等特點(diǎn)。 北京清華大學(xué)的機(jī)器人與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室研發(fā)制作出名為TH-ClimberI的大型油罐的自動(dòng)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以磁吸附式玻璃爬行機(jī)器人作為載體的，在磁吸附式玻璃爬行機(jī)器人的左右兩邊各自裝了兩個(gè)帶輪，兩個(gè)帶輪以前后分布，分別與安裝了永磁塊的履帶進(jìn)行嚙合，從而組成了機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種機(jī)器人采用了以兩個(gè)后輪為主驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)方式， 由一臺(tái)直流伺服電機(jī)通過諧波減速器來帶動(dòng)后輪。在磁吸附式玻璃爬行機(jī)器人的面對(duì)玻璃的一邊安裝了渦流檢測組件，這種組件通過直流電機(jī)與同步帶機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)渦流探頭在垂直于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線的方向上來回地進(jìn)行移動(dòng)，通過繼電器及行程開關(guān)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。這種機(jī)器人能夠自動(dòng)糾正運(yùn)動(dòng)路線上的偏差并且識(shí)別出機(jī)器人當(dāng)前所在的位置， 是一種擁有一定智能的爬壁機(jī)器人。 上海大學(xué)的特種機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用研究室研發(fā)制造了多真空吸盤的多層框架式玻璃爬行機(jī)器人，這種機(jī)器人擁有三層框架，上下兩個(gè)框架都能夠與中間框架進(jìn)行相對(duì)的直線運(yùn)動(dòng)， 中間框架則可以帶動(dòng)上框架一起與下框架作相對(duì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 在上下兩個(gè)框架上分別安裝了四個(gè)真空吸盤，可以通過上下框架的吸盤的交替吸附實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在玻璃上的移動(dòng)，該機(jī)器人的最大移動(dòng)速度為 7m/min，機(jī)器人本體重量為 50kg，負(fù)載能力為 55kg，能夠越過高為 60mm 的高度，控制系統(tǒng)采用了無線射頻的遙控操作。 浙江工業(yè)大學(xué)的機(jī)電學(xué)院正在自行研發(fā)一種以氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器為基礎(chǔ)的小型多吸盤式玻璃爬行機(jī)器人，這種玻璃爬行機(jī)器人采用真空吸附，可以實(shí)現(xiàn)在平地或玻璃上進(jìn)行直線或彎曲的爬行。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)裝置、吸附裝置以及提升裝置構(gòu)成。吸附裝置包括五個(gè)吸盤以及相同數(shù)量的真空發(fā)生器，運(yùn)動(dòng)時(shí)保持三個(gè)以上的吸盤同時(shí)進(jìn)行吸附。 香港城市大學(xué)研制了一種十字架構(gòu)的全氣動(dòng)式爬壁機(jī)器人， 這種玻璃爬行機(jī)器人由玻璃爬行機(jī)器人本體、供應(yīng)小車、空壓機(jī)以及控制器組成，本體長度為1220mm，寬為 1340mm，高度為 370mm，機(jī)器人本體重量為 30kg。該機(jī)器人的本體由兩個(gè)垂直正交的氣缸所組成， 通過兩個(gè)垂直正交的氣缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在各個(gè)方向上的移動(dòng)，這種機(jī)器人還有一個(gè)由擺動(dòng)氣缸所組成的腰關(guān)節(jié)，用來 4 校正方向上的誤差。 在機(jī)器人的水平和垂直氣缸的端部安裝有 4 個(gè)垂直于玻璃的氣缸作為機(jī)器人的腿部，通過機(jī)器人的 4 條退的伸縮來完成機(jī)器人的越障動(dòng)作。機(jī)器人的清洗裝置安裝在水平氣缸的兩側(cè)， 清洗裝置能夠通過水平氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)左右方向的清洗工作。機(jī)器人的每條腿上都安裝有 4 個(gè)吸盤，機(jī)器人通過這些吸盤對(duì)玻璃進(jìn)行吸附，從而保證機(jī)器人不會(huì)滑落。機(jī)器人可以通過由一個(gè) CCD 攝像機(jī)和兩個(gè)激光二極管所組成的視覺系統(tǒng)來測量其本體與窗戶的相對(duì)位置，視覺系統(tǒng)還具有識(shí)別工作表面的衛(wèi)生情況以及確定要清洗的位置的功能。這種機(jī)器人由于采用了十字架構(gòu)以及真空吸附，并且采用氣壓來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此結(jié)構(gòu)簡單，靈活性好，但是存在著清洗的盲區(qū)，以及整體的剛性比較差等缺點(diǎn)。 圖圖 1-1 十字型架構(gòu)的全氣動(dòng)式爬壁機(jī)器人十字型架構(gòu)的全氣動(dòng)式爬壁機(jī)器人 1.4 課題主要內(nèi)容及技術(shù)參數(shù) 課題主要內(nèi)容： （1）完成移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算，真空吸附、氣壓驅(qū)動(dòng)的框架式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，清洗作業(yè)裝置的設(shè)計(jì)； （2）氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； 1.5 本章小結(jié) 本章對(duì)課題的來源、目的與意義進(jìn)行了介紹，對(duì)國內(nèi)外玻璃清潔機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并且列出了本課題的主要內(nèi)容和技術(shù)參數(shù)。 5 2 玻璃清潔機(jī)器人的方案確認(rèn) 2.1 玻璃清潔機(jī)器人的組成 一個(gè)完整的玻璃清潔機(jī)器人應(yīng)該包含有本體以及控制兩個(gè)部分， 其中本體結(jié)構(gòu)又包括移動(dòng)部分、吸附部分和清洗裝置。移動(dòng)部分包括了玻璃清潔機(jī)器人的行走與轉(zhuǎn)向，通過氣缸來控制機(jī)器人的行走，步進(jìn)電機(jī)與蝸輪蝸桿則控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)向； 吸附部分由機(jī)器人腿部的吸盤組成，通過吸盤組來保證玻璃清潔機(jī)器人在玻璃上吸附的可靠性；清洗裝置包括了三相電機(jī)與圓盤刷，通過電機(jī)帶動(dòng)圓盤刷轉(zhuǎn)動(dòng)來起到清洗的目的?？刂撇糠謩t采用了可編程控制器，也就是 PLC 來對(duì)整個(gè)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行控制，以便達(dá)到控制簡單可靠的目的。 玻璃爬行機(jī)器人的主要功能分為移動(dòng)及吸附功能， 由于存在多種不同的移動(dòng)方式與吸附方式，因此要對(duì)這些移動(dòng)和吸附方式進(jìn)行分析比較，從而選擇出最適合本課題的結(jié)構(gòu)。 表表 2-1 玻璃移動(dòng)機(jī)器人的各種移動(dòng)方式比較玻璃移動(dòng)機(jī)器人的各種移動(dòng)方式比較 移動(dòng)方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 車輪式 移動(dòng)速度快，行走控制簡單 著地面積小，維持吸附力較困難 履帶式 對(duì)玻璃適應(yīng)能力強(qiáng)，著地面積大 體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)彎比較困難，重量較大 腳步式 對(duì)玻璃適應(yīng)能力、越障能力和帶載能力均較強(qiáng) 移動(dòng)速度慢，動(dòng)作有間歇性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大 框架式 結(jié)構(gòu)簡單，剛性較好，控制方便，越障能力和帶載能力均較強(qiáng) 移動(dòng)速度慢，有間歇性 表表 2-2 玻璃移動(dòng)機(jī)器人的各種吸附方式比較玻璃移動(dòng)機(jī)器人的各種吸附方式比較 吸附方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 單吸盤真空吸附式 容易實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化且結(jié)構(gòu)簡單、容易控制 要求玻璃有一定的平滑度，越障能力低，不適應(yīng)復(fù)雜玻璃環(huán)境，遇到裂縫或凹凸面負(fù)壓難維持 多吸盤真空吸附式 吸盤尺寸小，密封性較好，吸附穩(wěn)定可靠，越障吸盤的增多會(huì)帶來結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，控制的難度也 6 能力和帶載能力較強(qiáng) 增加 續(xù)表 2-2 吸附方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 永磁體磁吸附式 能產(chǎn)生較大的吸附力，不受玻璃凹凸或裂縫的限制，不消耗電能，不受斷電的影響 只能在導(dǎo)磁玻璃上爬行，步行時(shí)磁體與玻璃脫離需要較大的力 電磁體磁吸附式 能產(chǎn)生較大的吸附力，不受玻璃凹凸或裂縫的影響，控制比較方便 只能在導(dǎo)磁玻璃上爬行，維持吸附力需要耗能，電磁體本身重量很大 推力吸附式 無泄漏問題，對(duì)玻璃形狀、材料適應(yīng)能力強(qiáng) 負(fù)載小，難以控制，噪音很大，體積大效率低 2.2 玻璃清潔機(jī)器人的方案確認(rèn) 參照上表中對(duì)玻璃清潔機(jī)器人的幾種移動(dòng)方式與吸附方式的分析比較， 這里采用了多吸盤框架式結(jié)構(gòu)的玻璃清潔機(jī)器人。 框架式結(jié)構(gòu)比起其它幾種結(jié)構(gòu)有著結(jié)構(gòu)簡單、剛性較好、控制方便、越障能力與帶載能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于磁吸附式對(duì)玻璃的材料有特殊要求，而推力吸附式又有著負(fù)載小、難控制、體積大等缺點(diǎn)，又因?yàn)槎辔P有著尺寸小、密封性好、吸附穩(wěn)定可靠、越障能力和帶載能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此這里采用了真空吸附式的多吸盤結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)吸附功能。 2.3 本章小結(jié) 本章通過綜合比較幾種常用的移動(dòng)方式和吸附方式， 最終選用吸盤作為運(yùn)吸附方式。 7 3 玻璃清潔機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 3.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要由1個(gè)平動(dòng)氣缸與6個(gè)腿部氣缸來共同實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走功能， 機(jī)器人由兩個(gè)外形相似的框架組成， 每個(gè)框架上安裝有三個(gè)提升氣缸，每個(gè)提升氣缸上則安裝有一組吸盤組，兩個(gè)框架中間還有一塊中間旋轉(zhuǎn)板，中間旋轉(zhuǎn)板上裝有一個(gè)平動(dòng)氣缸與兩個(gè)導(dǎo)軌。當(dāng)機(jī)器人要開始移動(dòng)時(shí)，上框架的提升氣缸的吸盤脫離吸附，提升氣缸縮回，然后中間旋轉(zhuǎn)板上的平動(dòng)氣缸伸出，帶動(dòng)上框架沿著導(dǎo)軌的方向移動(dòng)，氣缸完全伸出后，上框架的提升氣缸伸出，氣缸上的吸盤吸附住玻璃，然后下框架的提升氣缸上的吸盤脫離吸附，提升氣缸縮回，中間旋轉(zhuǎn)板上的平動(dòng)氣缸縮回，帶動(dòng)下框架移動(dòng)，平動(dòng)氣缸完全縮回，下框架的提升氣缸伸出，氣缸上的吸盤吸附住玻璃，這樣就完成了一次行走過程。 圖圖 3-1 玻璃清潔機(jī)器人的平動(dòng)示意圖玻璃清潔機(jī)器人的平動(dòng)示意圖 3.1.1 平動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì)與校核平動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì)與校核 平動(dòng)氣缸主要用來實(shí)現(xiàn)玻璃清潔機(jī)器人的前后移動(dòng)， 它安裝在上下框架間的中間旋轉(zhuǎn)板上，由于機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)時(shí)氣缸的活塞桿會(huì)承受比較大的徑向力，因此在平動(dòng)氣缸的兩邊分別安裝有一個(gè)與氣缸的活塞桿平行的導(dǎo)軌。 圖圖 3-2 平動(dòng)氣缸與導(dǎo)軌的位置關(guān)系圖平動(dòng)氣缸與導(dǎo)軌的位置關(guān)系圖 （1）平動(dòng)氣缸的受力分析 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)平動(dòng)氣缸有三種受力狀態(tài)，分別是垂直向上爬行時(shí)，垂直向下 8 爬行時(shí)與水平爬行時(shí)。 1）垂直向上爬行時(shí)： 當(dāng)機(jī)器人垂直向上爬行時(shí)，平動(dòng)氣缸有兩種受力情況，一種是下框架吸附時(shí)氣缸帶動(dòng)上框架向上伸出，這時(shí)平動(dòng)氣缸受到軸向的壓力 F。 圖圖 3-3 垂直上爬下框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸受力圖垂直上爬下框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸受力圖 圖 3-3 中 F 為平動(dòng)氣缸受到的軸向壓力。 (本體質(zhì)量 / 2負(fù)載質(zhì)量)9.8245FN （3-1） 垂直向上爬時(shí)的另外一種受力情況是上框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸帶動(dòng)下框架向上運(yùn)動(dòng)，這時(shí)氣缸的活塞桿承受拉力 F。 圖圖 3-4 垂直上爬垂直上爬上框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸受力圖上框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸受力圖 圖 3-4 中 F 為平動(dòng)氣缸的活塞桿所承受的拉力。 (本體質(zhì)量 / 2)9.898FN （3-2） 2）垂直向下爬行時(shí)： 玻璃清潔機(jī)器人在垂直向下爬行時(shí)，平動(dòng)氣缸也有兩種不同的受力情況。一種是下框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸帶動(dòng)上框架向下運(yùn)動(dòng)， 這時(shí)平動(dòng)氣缸的活塞桿受到拉力 F。 9 圖圖 3-5 垂直下爬下框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸受力圖垂直下爬下框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸受力圖 圖 3-5 中 F 為平動(dòng)氣缸的活塞桿受到的拉力。 (本體質(zhì)量 / 2負(fù)載質(zhì)量)9.8245FN 垂直向下爬行時(shí)的另外一種受力情況是上框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸帶動(dòng)下框架向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)氣缸的活塞桿受到壓力 F。 圖圖 3-6 垂直下爬上框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸受力圖垂直下爬上框架吸附時(shí)平動(dòng)氣缸受力圖 圖 3-6 中 F 為平動(dòng)氣缸的活塞桿受到的壓力。 (本體質(zhì)量 / 2)9.898FN 3）水平運(yùn)動(dòng)時(shí)： 玻璃清潔機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸也處于水平狀態(tài)，這時(shí)氣缸的伸縮只要克服徑向的摩擦力，由于導(dǎo)軌和氣缸的活塞桿都是光滑的，可以認(rèn)為氣缸的活塞桿不受拉力和壓力，由徑向力產(chǎn)生的彎矩由兩邊的導(dǎo)軌來承受，這樣可以起到保護(hù)氣缸的作用。 （2）平動(dòng)氣缸的選型 根據(jù)以上所作的受力分析來看，平動(dòng)氣缸承受的最大拉力與最大壓力都為245N，因此選用雙作用單活塞桿氣缸，氣缸需要滿足以下式子： 1 0 224FDdP （3-3） 式子中的 D 為活塞的直徑，d 為活塞桿的直徑，F(xiàn) 為氣缸承受的最大壓力，P 為工作壓力，這里取為 6bar。 經(jīng)過選型這里選擇德國 Festo 公司的 DNG-40-250-PPV-A 型氣缸作為平動(dòng)氣缸，型號(hào)中的 40 表示活塞直徑為 40mm，250 則表示行程為 250mm。氣缸的兩端有可調(diào)緩沖器，該氣缸在 6bar 工作壓力下的理論推力為 753N，理論返回力為633N，比計(jì)算所得的最大壓力和最大拉力都大。氣缸重量為 1790g，氣接口為G1/4，活塞桿上的螺紋為 M121.25。 （3）平動(dòng)氣缸的校核 平動(dòng)氣缸在玻璃清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中有兩種受力狀態(tài)：受軸向的拉、壓力和受到徑向的彎矩。軸向的拉、壓力大約是機(jī)器人重量的一半，氣缸的活塞桿完全可以承受，因此需要校核平動(dòng)氣缸所受到的徑向彎矩。機(jī)器人在水平移動(dòng)時(shí)平動(dòng)氣缸的活塞桿受到徑向力，為了提高抗彎強(qiáng)度，在平動(dòng)氣缸的兩邊分別設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌和滑塊，用來分擔(dān)平動(dòng)氣缸承受到的大部分彎矩。 圖圖 3-7 平動(dòng)氣缸平動(dòng)氣缸彎矩校核計(jì)算圖彎矩校核計(jì)算圖 如上圖所示， （a）圖為平動(dòng)氣缸縮回時(shí)的受力圖， （b）圖為平動(dòng)氣缸伸出時(shí)的受力圖，從圖中可以看出平動(dòng)氣缸沒有受到扭矩的作用，因此只需要對(duì)彎矩進(jìn)行校核。 首先對(duì)（a）圖的狀態(tài)列出力和力矩方程，以作用力 N 的作用線上的某一點(diǎn)為基準(zhǔn)，可得： 2FNG （3-4） 121()F LLGL （3-5） 由式（3-5）可得： 1 1 11246.250.1846.25212.75GLGFGLL 然后對(duì)（b）圖的狀態(tài)列出力和力矩方程，以 O 點(diǎn)位基準(zhǔn)，可得： 2FNG 2132FLNLGL （3-6） 由式（3-4）可得： 2GFN 代入式（3-6）可得： 3121()(250203.75)0.18462.75203.75LL GGFGLL （3-7） 機(jī)器人總重為 35kg，G 為機(jī)器人重量的一半左右，因此 G 可以取 18N，F(xiàn)= 0.1818=32.4N，即平動(dòng)氣缸的活塞桿所受的最大力為 32.4N，由選定氣缸的行程為 250mm 可在圖 3-8 中查得所能承受的最大側(cè)向力為 45N，因此該氣缸滿足抗彎條件，可以使用。 1 2 圖圖 3-8 Festo 氣缸側(cè)向力與行程關(guān)系圖氣缸側(cè)向力與行程關(guān)系圖 3.1.2 腿部氣缸的設(shè)計(jì)與校核腿部氣缸的設(shè)計(jì)與校核 （1）腿部氣缸的受力分析 本課題設(shè)計(jì)的玻璃清潔機(jī)器人在上下框架上分別裝有三個(gè)提升氣缸， 移動(dòng)時(shí)主要作伸出時(shí)吸附于玻璃以及縮回時(shí)脫離吸附這兩個(gè)動(dòng)作， 伸出和縮回時(shí)基本不承受任何的軸向力，但是承受一定的徑向力。氣缸伸出時(shí)徑向力較大，等于機(jī)器人的總重，從參數(shù)列表中得出機(jī)器人總重為 35kg，這個(gè)重量由機(jī)器人的提升氣缸承受；縮回時(shí)的徑向力由吸盤、吸盤支座及吸盤安裝板所產(chǎn)生，由于這些部件的重量很輕，因此徑向力較小。 （2）腿部氣缸的選型 腿部氣缸基本上不承受軸向的力，因此從行程和盡量輕的原則上來選型。本課題的腿部氣缸選擇了德國 Festo 公司的 DNC-40-50-PPV-A 型氣缸，型號(hào)中的40 代表活塞的直徑為 40mm，50 代表氣缸的行程為 50mm，氣缸兩端有可調(diào)緩沖器，氣缸重量為 1025g，氣接口為 G1/4，活塞桿的螺紋為 M121.25，通過該螺紋實(shí)現(xiàn)氣缸與吸盤安裝板的連接。 圖圖 3-9 腿部氣缸、吸盤與吸盤安裝板的安裝示意圖腿部氣缸、吸盤與吸盤安裝板的安裝示意圖 （3）腿部氣缸的校核 通過上面的受力分析可以知道，腿部氣缸在伸出時(shí)承受機(jī)器人的總重，這時(shí)腿部氣缸主要承受彎矩，而在縮回時(shí)則主要承受吸盤、吸盤支座和吸盤安裝板等部件的重力所產(chǎn)生的彎矩和扭矩，要分別對(duì)彎矩和扭矩進(jìn)行校核。 1）彎矩校核： 分析腿部氣缸伸出和縮回時(shí)的彎矩大小可以得知?dú)飧咨斐鰰r(shí)受到的彎矩要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縮回時(shí)受到的彎矩，因此這里針對(duì)氣缸伸出時(shí)的彎矩進(jìn)行校核。根據(jù)所選氣缸的型號(hào)可以得知腿部氣缸的行程為 50mm，查圖 2-8 得氣缸可以承受的最 1 3 大側(cè)向力為 140N，當(dāng)三個(gè)氣缸同時(shí)作用時(shí)能承受的最大側(cè)向力則為 1403=420N。玻璃清潔機(jī)器人的總重為 35kg，完全可以滿足彎矩條件。 2）扭矩校核： 由于氣缸只在活塞桿縮回時(shí)才可能受到扭矩的作用，若受到扭矩的作用，該扭矩由吸盤、吸盤支架與吸盤安裝板產(chǎn)生?；钊麠U伸出時(shí)，至少有三個(gè)氣缸呈正三角形分布吸附，因此氣缸沒有受到扭矩的作用，這里要校核扭矩只需要對(duì)氣缸活塞桿伸出時(shí)的情況進(jìn)行分析。 圖圖 3-10 腿部氣缸力臂圖腿部氣缸力臂圖 如圖 3-10 所示，MN 為一條鉛垂線，圖中的三個(gè)圓代表了三個(gè)吸盤，它們呈正三角形分布，O 點(diǎn)代表氣缸的軸心，A、B、C 三點(diǎn)代表把吸盤假象為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位置， 角為吸盤組順時(shí)針轉(zhuǎn)過的角度，r1、r2、r3 為三個(gè)吸盤的力臂，假設(shè)每個(gè)吸盤以及吸盤支架的重量為 G，正三角形 ABC 的邊長為 a。則可得： 133rAOSinaSin （3-8） 2(90)rBHSin ()(90)BDDHSin (tan )2aODCos 326aCosaSin （3-9） 3(90)rCHSin 1 4 ()(90)CDDHSin (tan )2aODCos 326aCosaSin （3-10） 由式（3-8） 、 （3-9） 、 （3-10）可得： 132GrGrGr （3-11） 由上式可以看出中心點(diǎn) O 受到的扭矩為 0， 因此氣缸的活塞桿所受的扭矩為0，所選氣缸可以使用。 3.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 本課題設(shè)計(jì)的玻璃清潔機(jī)器人擁有轉(zhuǎn)向的功能， 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一對(duì)蝸輪蝸桿的減速機(jī)構(gòu)組成。一開始機(jī)器人的六個(gè)腿部氣缸都處于吸附狀態(tài)，當(dāng)開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上框架脫離吸附，氣缸縮回，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪再帶動(dòng)中間旋轉(zhuǎn)板和上框架一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)完畢后上框架的氣缸伸出吸附，這樣安裝在中間旋轉(zhuǎn)板上的平動(dòng)氣缸與導(dǎo)軌也轉(zhuǎn)動(dòng)了相同的角度， 機(jī)器人便完成了一次轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖圖 3-11 步進(jìn)電機(jī)與蝸輪蝸桿安裝示意圖步進(jìn)電機(jī)與蝸輪蝸桿安裝示意圖 3.2.1 步進(jìn)電機(jī)的選型步進(jìn)電機(jī)的選型 本設(shè)計(jì)中的玻璃清潔機(jī)器人是一個(gè)關(guān)于轉(zhuǎn)軸的中心對(duì)稱的結(jié)構(gòu)， 機(jī)器人在玻 1 5 璃進(jìn)行工作時(shí)受到的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩很小（只有摩擦產(chǎn)生的力矩） ，基本上可以忽略不計(jì)，在步進(jìn)電機(jī)的選型上本設(shè)計(jì)選用了無錫三拓電氣有限公司所生產(chǎn)的57BYG3504 型三相混合式步進(jìn)電機(jī)，主要參數(shù)如下表： 表表 3-3 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)列表步進(jìn)電機(jī)參數(shù)列表 型號(hào) 步距角 相數(shù) 驅(qū)動(dòng)電壓（V） 相電流（A） 保持轉(zhuǎn)矩（Nm） 空載起動(dòng)頻率（步/秒） 空載運(yùn)行頻率（千步/秒） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg cm2） 相電感（mH） 重量（Kg） 57BYG3504 0.6 3 36 3 1.1 1600 20 0.46 - 1.1 3.2.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)與校核蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)與校核 玻璃清潔機(jī)器人的動(dòng)力源為三相混合式步進(jìn)電機(jī)，其中蝸桿與電動(dòng)機(jī)直聯(lián)，蝸輪通過蝸輪軸與中間旋轉(zhuǎn)板固接。 （1）蝸桿的選型 GB/T10085-1988 推薦采用漸開線蝸桿（ZI 蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ZK 蝸桿） 。本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)簡單、制造方便的漸開線型圓柱蝸桿（ZI 蝸桿） 。 （2）蝸桿副的材料 玻璃清潔機(jī)器人中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此，蝸桿的材料選用 45 鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為 4555HRC，以提高表面耐磨性；蝸輪的轉(zhuǎn)速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅 ZcuSn10P1，采用金屬模鑄造。 （3）蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 取中心距 a=50mm，傳動(dòng)比 i=82，模數(shù) m=1mm。 蝸桿的參數(shù)與尺寸： 頭數(shù)11z，模數(shù) m=1mm，軸向齒距為： 13.14aPmmm （3-12） 軸向齒厚為： 0.50.511.57asmmm （3-13） 分度圓直徑118dmm，直徑系數(shù)為： 1 6 1/18 / 118qdm （3-14） 分度圓導(dǎo)程角為： 1arctan(/)arctan(1 / 18)3 10 47zq （3-15） 取齒頂高系數(shù)*1ah，徑向間隙系數(shù)*0.2c，則齒頂圓直徑為： *112aaddh m 18211 20mm （3-16） 齒根圓直徑為： *112 ()faddm hc 1821(10.2) 15.6mm （3-17） 蝸輪的參數(shù)與尺寸： 齒數(shù)282z，模數(shù) m=1mm，分度圓直徑為： 2218282dmzmm （3-18） 變位系數(shù)為： 212()/ 2 /xaddm 50(1882)/ 2 / 1 0 （3-19） 蝸輪喉圓直徑為： *2222 ()aaddm hx 8221(10) 84mm （3-20） 蝸輪齒根圓直徑為： *2222 ()faddm hxc 8221(100.2) 79.6mm （3-21） 蝸輪咽喉母圓半徑為： 1 7 22/ 2garad 5084 / 2 8mm （3-22） （4）校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 由蝸桿頭數(shù)11z，傳動(dòng)比 i=82，可以算出蝸輪齒數(shù)282z。 則蝸輪的當(dāng)量齒數(shù)為： 223VzzCos 3823 1047Cos 82.38 （3-23） 根據(jù)蝸輪變位系數(shù)20 x和當(dāng)量齒數(shù)282.38Vz，查得齒形系數(shù) 22.23FaY，螺旋角影響系數(shù)為： 10.977140Y （3-24） 根據(jù)蝸輪的材料和制造方法，查得蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力為： 56FMPa 蝸輪的壽命系數(shù)為： 6910FNKN 6921060hjn L 691060124.410000 0.742 （3-25） 蝸輪的許用彎曲應(yīng)力為： FFFNK 560.742 1 8 41.6MPa （3-26） 蝸輪的齒根彎曲應(yīng)力為： 22121.53FFaKTYYd d m 1.531.3956362.230.97718821 17.69MPa （3-27） 可見，F(xiàn)F，蝸輪齒根的彎曲強(qiáng)度滿足要求。 3.3 吸附裝置的選取 3.3.1 吸附可靠性分析吸附可靠性分析 玻璃清潔機(jī)器人要可靠穩(wěn)定地吸附在玻璃上需要克服兩個(gè)力： 重力和傾覆力矩。 克服重力的作用是要使玻璃清潔機(jī)器人在重力的作用下不會(huì)滑落，克服傾覆力矩的作用是使玻璃清潔機(jī)器人不會(huì)再傾覆力矩的作用下脫離吸附。 綜合分析本設(shè)計(jì)中的玻璃清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)可以得出，上框架的氣缸縮回、下框架的氣缸吸附并且一個(gè)腿部氣缸在上、 兩個(gè)腿部氣缸在下處于同一水平線上時(shí)最容易跌落，因此對(duì)這種狀態(tài)下的機(jī)器人的受力情況進(jìn)行分析。 圖圖 3-12 玻璃清潔機(jī)器人的受力分析圖玻璃清潔機(jī)器人的受力分析圖 上圖中 F 為吸盤組的真空吸附力，N 為玻璃對(duì)吸盤組的法向推力，G 為玻璃清潔機(jī)器人的總重力，f 為吸盤組受到的摩擦力，1L為上面一組吸盤的幾何中心與后面兩組吸盤的幾何中心的連線的垂直距離，2L為玻璃清潔機(jī)器人以及負(fù)載的等效中心與玻璃的距離。 玻璃清潔機(jī)器人能夠可靠吸附玻璃的條件是重力要比最大靜摩擦力小，根據(jù)摩擦力的特性，在一般的工作情況下，最大靜摩擦力比滑動(dòng)摩擦力大，為了防止玻璃清潔機(jī)器人從玻璃上滑落，必須要滿足以下式子： 1 9 31iiGfN （3-28） 上式中 f 為下框架所有吸盤組的總滑動(dòng)摩擦力，為吸盤對(duì)于玻璃的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。分析垂直于玻璃方向與平行于玻璃方向的受力情況，可以列出以下兩個(gè)力的平衡方程： 31()0iiiFN （3-29） 310iifG （3-30） 上面一組吸盤的幾何中心到下面兩組吸盤的幾何中心的連線的距離為 132Lr （3-31） 上式中 r 為三個(gè)吸盤組所在的圓的半徑。考慮到真空吸附力、玻璃對(duì)吸盤的法向推力和重力可以列出以下力矩方程： 1123()2FNrGL （3-32） 為了使計(jì)算更加簡單，這里假設(shè)每個(gè)吸盤組的真空度是相同的，這樣每個(gè)吸盤組受到的真空吸附力也是相同的，玻璃對(duì)下面兩組吸盤的法向推力也是相同的，這樣可以得出1233FFFF，23NN，代入式（3-32）可得： 21123GLNFr 2233GLFr （3-33） 把式（3-33）代入式（3-29）得： 1231232FFFNNN 221()2233GLFFr 221323GLFr 2 0 233GLFr （3-34） 吸盤要克服傾覆力矩保持不脫落要滿足0iN的條件。 結(jié)合上述式子可以得出： 22GLFr （3-35） 2123GLFr （3-36） GF （3-37） 上面三個(gè)式子為玻璃清潔機(jī)器人在玻璃上工作的可靠吸附條件，式（3-35） 、（3-36）為玻璃清潔機(jī)器人不會(huì)傾覆的條件，式（3-37）為玻璃清潔機(jī)器人在重力的作用下不會(huì)下滑的條件。 3.3.2 吸附裝置的選取吸附裝置的選取 （1）吸盤等吸附裝置的選取 本設(shè)計(jì)中玻璃清潔機(jī)器人的所有氣動(dòng)元件都是德國 Festo 公司的產(chǎn)品，吸盤與建筑玻璃的摩擦系數(shù)也是根據(jù) Festo 公司所提供的數(shù)據(jù)選取。本設(shè)計(jì)中選擇的吸盤材料為丁腈橡膠，考慮到玻璃清潔機(jī)器人的工作表面為瓷磚或玻璃，相比瓷磚玻璃的摩擦系數(shù)更小，因此出于安全考慮這里采用玻璃的摩擦系數(shù)，其值為0.5，由于清洗時(shí)玻璃表面會(huì)變得濕潤，因此摩擦系數(shù)將會(huì)降低 10%40%，為了使機(jī)器人的吸附更加安全可靠， 這里取摩擦系數(shù)會(huì)降低的最大值 40%， 可求得摩擦系數(shù)為： 0.5(10.4)0.3 （3-38） 從所給的玻璃清潔機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)可以得知機(jī)器人的本體重量為 20kg，負(fù)載能力為 15kg，因此總重 G=35kg。從繪制的裝配圖中可以量得三個(gè)吸盤組所在的圓的半徑為 r=572mm，上面一組吸盤的幾何中心與后面兩組吸盤的幾何中心的連線的垂直距離2366Lmm，將這些參數(shù)代入式（3-35）可得 F=448N，代入式（3-36）可得1149.3FN，代入式（3-37）可得 F=1166.7N。式（3-36）是一個(gè)驗(yàn)證條件，在選取吸盤的計(jì)算中可以不考慮，但是在選取吸盤后要用這個(gè)式子來驗(yàn)證。 從三個(gè)式子的計(jì)算結(jié)果可以得出對(duì)于玻璃清潔機(jī)器人的吸附可靠性影響最大的是式（3-37） ，即機(jī)器人在重力作用下的下滑力，因此選取吸盤時(shí)以 2 1 式（3-37）為依據(jù)。從式（3-37）可以看出所有處于吸附狀態(tài)的吸盤要保證機(jī)器人在重力的作用下不下滑所要產(chǎn)生的真空吸附力為 1166.7N，這個(gè)真空吸附力由三個(gè)吸盤組共 9 個(gè)吸盤來分擔(dān)，每個(gè)吸盤要分擔(dān) 129.6N 的力。由下式可以選取吸盤的直徑： 有效實(shí)際/80% /FpApA （3-39） 上式中 F 為單個(gè)吸盤的吸附能力，p 為吸盤的真空度，根據(jù)實(shí)際情況取-0.08MP，實(shí)際A為吸盤的實(shí)際面積，有效A為吸盤的有效面積，一般取吸盤實(shí)際面積的 80%， 為安全系數(shù)，選取為 2。由這些參數(shù)可以得到吸盤的實(shí)際直徑為： 吸280%F Dp 6129.6223.140.081080% 71.83mm （3-40） 從計(jì)算結(jié)果可以選擇吸盤的直徑為 80mm，從 Festo 公司給的吸盤參數(shù)可以看出直徑 80mm 的吸盤在-0.07MP 下的脫離力為 309.7N，結(jié)合式子（3-36）可以得出： 只要有四個(gè)吸盤同時(shí)吸附并且最上面的吸盤組至少有一個(gè)吸盤吸附時(shí)玻璃清潔機(jī)器人就不會(huì)從玻璃脫離從而導(dǎo)致滑落或傾覆。 本設(shè)計(jì)中選取了 Festo 公司的ESS-80-SN型的真空吸盤及ESH-HA-5-G型的支座，吸盤型號(hào)中的 ESH 代表該型號(hào)的整套吸盤，80 代表吸盤的直徑為 80mm，SN 代表材料為丁腈橡膠的普通圓形吸盤，另外為了氣管便于安裝，為每一個(gè)吸盤配了一個(gè)快擰接頭，安裝在吸盤支座的上面，快擰接頭的型號(hào)為 QSR-G1/8-6,這種快擰接頭的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、便于安裝、氣管固定牢靠、即便在腿部氣缸的伸縮所產(chǎn)生的較大的張力之下也可以正常地工作。 2 2 圖圖 3-13 吸盤、吸盤支座與快擰接頭的結(jié)構(gòu)圖吸盤、吸盤支座與快擰接頭的結(jié)構(gòu)圖 （2）吸盤的布局 根據(jù)計(jì)算可得每組吸盤由三個(gè)單獨(dú)的吸盤組成， 吸盤組的排列一般有兩種形式：正三角形與直線形。無論采用哪種排列方式，根據(jù)力的合成原理總可以把三個(gè)吸盤的吸附力合成為一個(gè)作用在幾何中心的、 方向與三個(gè)吸盤各自的吸附力方向相同的、力的大小等于三個(gè)吸盤的力的大小總和的合成力，并且不附加任何的力矩， 因此采取任何一種排列方式都對(duì)玻璃清潔機(jī)器人整體的抵抗傾覆的能力沒有大的影響，但是考慮到吸盤組排列的緊湊性與吸附的穩(wěn)定性，這里就采用了三角形的排列形式。 圖圖 3-14 吸盤的兩種排列形式吸盤的兩種排列形式 3.4 玻璃清潔機(jī)器人的框架以及吸盤安裝板的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中玻璃清潔機(jī)器人的框架及吸盤的安裝板等都是由自己設(shè)計(jì)的， 為了減輕機(jī)器人的重量以及滿足強(qiáng)度的要求，材料都選用鋁合金，鋁合金的密度為332.710/kgm，比鋼鐵的密度要小得多，強(qiáng)度也滿足需要。 2 3 3.4.1 下框架的設(shè)計(jì)下框架的設(shè)計(jì) 下框架上安裝有 3 個(gè)腿部氣缸，蝸輪蝸桿被安裝在下框架的下部，蝸輪軸通過下框架中心的孔與中間旋轉(zhuǎn)板固接，在機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)下框架負(fù)責(zé)吸附玻璃，以保持機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定。下框架采用鋁合金材料，板的厚度為 5mm，設(shè)計(jì)時(shí)要滿足結(jié)構(gòu)簡單質(zhì)量輕的條件，還要滿足強(qiáng)度的要求，整塊板采用了鑄造工藝，成型后再進(jìn)行切削加工。 圖圖 3-15 下框架的結(jié)構(gòu)圖下框架的結(jié)構(gòu)圖 3.4.2 上框架的設(shè)計(jì)上框架的設(shè)計(jì) 上框架的結(jié)構(gòu)與下框架相似，由于上框架與下框架有一定的垂直距離，為了保持腿部氣缸在同一個(gè)平面上工作，在上框架上設(shè)計(jì)了一個(gè)凸出的平臺(tái)，腿部氣缸安裝在平臺(tái)上，這樣就可以使上下框架上安裝的腿部氣缸沒有垂直距離差。上框架通過雙耳環(huán)與安裝在中間旋轉(zhuǎn)板上的平動(dòng)氣缸連接， 另外在上框架上安裝有兩個(gè)滑塊，與中間旋轉(zhuǎn)板上的導(dǎo)軌配合，通過平動(dòng)氣缸的伸出帶動(dòng)上框架向前運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)， 轉(zhuǎn)向時(shí)蝸輪通過與中間旋轉(zhuǎn)板固接的軸帶動(dòng)中間旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動(dòng)，中間旋轉(zhuǎn)板則通過平動(dòng)氣缸與導(dǎo)軌來帶動(dòng)上框架一起轉(zhuǎn)動(dòng)。 2 4 圖圖 3-16 上框架的結(jié)構(gòu)圖上框架的結(jié)構(gòu)圖 3.4.3 中間旋轉(zhuǎn)板的設(shè)計(jì)中間旋轉(zhuǎn)板的設(shè)計(jì) 在上下兩框架的中間設(shè)計(jì)了一塊中間旋轉(zhuǎn)板， 中間旋轉(zhuǎn)板通過一根垂直的軸與下框架連接，當(dāng)蝸輪蝸桿工作時(shí)可以相對(duì)下框架進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向功能。中間旋轉(zhuǎn)板還通過平動(dòng)氣缸的雙耳環(huán)與兩個(gè)導(dǎo)軌滑塊與上框架連接，中間旋轉(zhuǎn)板與上框架可以相對(duì)滑動(dòng)，但是無法相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)在中間旋轉(zhuǎn)板上開有兩個(gè)圓形孔，能起到減輕重量的作用。 圖圖 3-17 中間旋轉(zhuǎn)板的結(jié)構(gòu)圖中間旋轉(zhuǎn)板的結(jié)構(gòu)圖 3.4.4 吸盤安裝板的設(shè)計(jì)吸盤安裝板的設(shè)計(jì) 吸盤安裝板是用來連接腿部氣缸與吸盤支座的自制板， 為了避免吸盤的變形對(duì)玻璃清潔機(jī)器人的工作的影響，三個(gè)吸盤的間隔設(shè)定為 10mm，在吸盤安裝板中心的周圍有五個(gè)用來減輕重量的減重孔，吸盤安裝板的厚度為 5mm。 2 5 圖圖 3-18 吸盤安裝板的吸盤安裝板的結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖 3.5 控制閥及其它氣動(dòng)元件的選取 3.5.1 氣源處理組件的選取氣源處理組件的選取 由于在氣壓傳動(dòng)中，作為動(dòng)力源的壓縮空氣中會(huì)夾帶水分、油污或灰塵，這樣會(huì)影響到氣動(dòng)元件的可靠性和使用壽命，因此氣路中要有過濾凈化的裝置，另外氣動(dòng)元件的調(diào)壓與潤滑等都需要安裝不同的裝置。 本設(shè)計(jì)中的氣源處理組件選用了 Festo 公司生產(chǎn)的 FRCS-1/8-D-7-MINI-A 型的氣源處理組件。 圖圖 3-19 氣源處理組件的符號(hào)圖氣源處理組件的符號(hào)圖 如圖 3-19 所示，口 1 為進(jìn)氣口，口 2 為出氣口，氣源處理組件中從左到右為空氣過濾器、減壓閥、壓力表、油霧器?？諝膺^濾器的作用是過濾空氣和分離水，能夠過濾大于 40m 的污垢與灰塵，分離出的水可以自動(dòng)排除；減壓閥的作用是減壓和穩(wěn)定壓力；壓力表的作用是觀察工作時(shí)的壓力；油霧器的作用是使?jié)櫥挽F化，從而注入到空氣流當(dāng)中，隨著空氣流進(jìn)入需要潤滑的部位，從而能夠?qū)鈩?dòng)元件進(jìn)行潤滑。這種氣源處理組件的氣接口為 G1/8，重量為 760g，一般安裝在氣源的出口位置。 3.5.2 方向控制閥的選取方向控制閥的選取 本設(shè)計(jì)中一共使用了 7 個(gè)氣缸，其中有 6 個(gè)腿部氣缸和一個(gè)平動(dòng)氣缸，6 個(gè) 2 6 腿部氣缸分別裝在上下框架上， 每個(gè)框架上安裝的 3 個(gè)腿部氣缸的工作狀態(tài)是一致的， 因此上下框架上的氣缸各自使用一個(gè)方向控制閥來控制，還有一個(gè)方向控制閥用來控制平動(dòng)氣缸。本設(shè)計(jì)中選用了 Festo 公司生產(chǎn)的用于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用場合的緊湊型方向控制閥 CPE10-M1BH-5J-QS-6,這種方向控制閥的流量大、體積小并且功耗低，是一種雙電控的內(nèi)先導(dǎo)式兩位五通電磁閥。 圖圖 3-20 方向控制閥的符號(hào)圖方向控制閥的符號(hào)圖 如圖 3-20 所示，氣接口 1、2、4 為快插接頭，可以接外徑 6mm 的氣管，3、5 為 M7 的排氣口，82、84 為 M3，控制氣路的排氣口。這種方向控制閥由先導(dǎo)閥和主閥組成，先導(dǎo)閥為電磁閥，主閥為氣動(dòng)閥，壓力空氣通過主閥的進(jìn)氣口 1進(jìn)入先導(dǎo)閥，因此為內(nèi)先導(dǎo)型。先導(dǎo)閥左側(cè)通電時(shí)在左位工作，壓力空氣從口 1經(jīng)過先導(dǎo)閥進(jìn)入主閥的左腔，推動(dòng)主閥的閥芯換向，從而使主閥也在左位工作，右位工作時(shí)的情況與左位相似。 主閥閥芯的工作狀態(tài)就是整個(gè)方向控制閥的工作狀態(tài)，這種方向控制閥有手動(dòng)和電控兩種不同的控制方式。 3.5.3 單向節(jié)流閥的選取單向節(jié)流閥的選取 氣動(dòng)元件具有速度快和流量大的特點(diǎn)， 因此在氣缸的氣接口處安裝單向節(jié)流閥，單向節(jié)流閥由單向閥和節(jié)流閥所組成，用來控制雙作用氣缸的排氣流量。這里選取 Festo 公司生產(chǎn)的 GRLA-1/4-QS-6-RS-B 型單向節(jié)流閥，這種節(jié)流閥自帶快接插頭，可以連接外徑為 6mm 的氣管。 圖圖 3-21 單向節(jié)流閥的符號(hào)圖單向節(jié)流閥的符號(hào)圖 2 7 如圖 3-21 所示，進(jìn)氣時(shí)壓縮空氣從口 1 進(jìn)入，從口 2 排出；排氣時(shí)壓縮空氣從口 2 進(jìn)入，從口 1 排出，單向閥關(guān)閉，壓縮空氣經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流以后排出，在進(jìn)氣口與排氣口形成壓力差， 該壓力差就是單向節(jié)流閥為氣動(dòng)執(zhí)行元件所提供的背壓，能夠使活塞保持在空氣緩沖之間，可以幫助氣缸平穩(wěn)地運(yùn)行并且減少了沖擊。 3.5.4 真空安全閥的選取真空安全閥的選取 由于每個(gè)框架上的吸盤共用一個(gè)真空發(fā)生器， 如果有一個(gè)吸盤遇到墻壁裂縫就會(huì)造成所有吸盤都無法達(dá)到真空狀態(tài)，因此本設(shè)計(jì)采用了真空安全閥。真空安全閥用在多個(gè)吸盤并行安裝的情況，如果有一個(gè)或者多個(gè)吸盤失效的話，真空安全閥會(huì)關(guān)閉失效的吸盤，這樣其它吸盤就能達(dá)到真空的狀態(tài)，從而保證機(jī)器人能安全地吸附在玻璃上。 本設(shè)計(jì)中選用了 Festo 公司生產(chǎn)的 ISV-M5 型真空安全閥，這種閥的進(jìn)氣口為 M5 內(nèi)螺紋，出氣口為 M5 外螺紋。 圖圖 3-22 真空安全閥的符號(hào)圖真空安全閥的符號(hào)圖 3.5.5 分氣塊的選取分氣塊的選取 本設(shè)計(jì)中每個(gè)真空發(fā)生器要負(fù)責(zé) 9 個(gè)吸盤的真空狀態(tài)， 在真空發(fā)生器與真空安全閥之間有一個(gè)真空開關(guān)，因此分氣塊至少需要 10 個(gè)出氣口。本設(shè)計(jì)中選取了 Festo 公司生產(chǎn)的 FR-12-M5 型分氣塊，該分氣塊有兩個(gè) G1/8 的進(jìn)氣口和 12個(gè) M5 的出氣口。 3.5.6 氣電壓力轉(zhuǎn)換器的選取氣電壓力轉(zhuǎn)換器的選取 玻璃清潔機(jī)器人在工作時(shí)需要一個(gè)真空的建立時(shí)間， 在真空建立時(shí)間內(nèi)另外一組吸盤不能脫離吸附，當(dāng)吸盤的真空度達(dá)到要求時(shí)另外一組吸盤才能脫離吸附， 因此需要一個(gè)氣電壓力轉(zhuǎn)換器來把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而檢測吸盤的真空度是否達(dá)到要求。本設(shè)計(jì)中選取了 Festo 公司生產(chǎn)的 PEN-M5 型氣電壓力轉(zhuǎn)換器，這種氣電壓力轉(zhuǎn)換器是一種常開型差壓開關(guān)，壓力是可以調(diào)節(jié)的。當(dāng)吸盤的真空度達(dá)到要求時(shí)，氣電壓力轉(zhuǎn)換器閉合并且輸出電信號(hào)，通知控制器執(zhí)行玻璃清潔機(jī)器人的下一個(gè)動(dòng)作。 2 8 圖圖 3-23 氣電壓力轉(zhuǎn)換器的符號(hào)圖氣電壓力轉(zhuǎn)換器的符號(hào)圖 3.5.7 真空發(fā)生器的選取真空發(fā)生器的選取 玻璃清潔機(jī)器人一共有 18 個(gè)吸盤，分別安裝在上下兩個(gè)框架上，由于每個(gè)框架上吸盤的脫離和吸附時(shí)同步的， 因此每個(gè)框架都采用一個(gè)真空發(fā)生器來使吸盤達(dá)到真空狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中選用 Festo 公司生產(chǎn)的 VAD-ME-1/4 型真空發(fā)生器。 圖圖 3-24 真空發(fā)生器的符號(hào)圖真空發(fā)生器的符號(hào)圖 如圖 3-24 所示，口 1 為 G1/8 的進(jìn)氣口，口 2 為 G1/4 的真空發(fā)生口，真空發(fā)生器的左邊是帶手動(dòng)功能的電磁閥，中間位真空發(fā)生器，右邊為消聲器。氣體從口 1 進(jìn)入再從口 3 流出，將擴(kuò)散腔 2 中的氣體抽走，使 2 形成真空。真空發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、成本低和真空產(chǎn)生快等優(yōu)點(diǎn)。 3.6 氣動(dòng)原理圖的設(shè)計(jì) 除了上述選取的氣動(dòng)元件之外，氣路中要有一個(gè)氣源，氣源需要能夠連續(xù)地工作，并且可以提供最高為 8bar 的工作壓力，氣源還應(yīng)該盡量結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，以便于運(yùn)輸。根據(jù)實(shí)際的工作環(huán)境，以及出于減輕負(fù)載的考慮，氣源以及空氣處理組件放置在樓頂，通過一根外徑為 8mm 的 PUN-81.25-BL 型氣管把壓縮空氣輸送給玻璃清潔機(jī)器人的本體。 2 9 圖圖 3-25 玻璃清潔機(jī)器人的氣壓系統(tǒng)圖玻璃清潔機(jī)器人的氣壓系統(tǒng)圖 3.7 本章小結(jié) 本章對(duì)玻璃清潔機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析， 對(duì)行走機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，通過分析玻璃清潔機(jī)器人的吸附可靠性對(duì)吸盤、吸盤支座及快擰接頭進(jìn)行了計(jì)算和選型，也對(duì)一些自制件進(jìn)行了材料的選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)， 最后對(duì)其它的氣動(dòng)元件進(jìn)行了選型，并且繪制了玻璃清潔機(jī)器人的氣壓系統(tǒng)圖。 3 0 結(jié)論 本文首先闡述了玻璃清潔機(jī)器人這個(gè)課題的來源、目的及意義，由于玻璃清潔機(jī)器人的本體為玻璃爬行機(jī)器人， 因此對(duì)國內(nèi)外的玻璃爬行機(jī)器人的發(fā)展情況進(jìn)行了簡單的介紹。在對(duì)本課題的玻璃清潔機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先分析比較了幾種不同的移動(dòng)方式及吸附方式， 最后確定了采用多吸盤的框架式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、控制方便、吸附穩(wěn)定可靠及越障能力較好等優(yōu)點(diǎn)。 機(jī)器人的本體機(jī)構(gòu)包括行走機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)由六個(gè)腿部提升氣缸及一個(gè)平動(dòng)氣缸組成，機(jī)器人的上下兩個(gè)框架上分別裝有三個(gè)腿部氣缸，每個(gè)腿部氣缸上有一組吸盤， 通過兩個(gè)框架上的吸盤的交替吸附以及平動(dòng)氣缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一對(duì)蝸輪蝸桿組成，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，再帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過蝸輪軸來帶動(dòng)中間旋轉(zhuǎn)板及下框架相對(duì)上框架進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。另外還對(duì)機(jī)器人的吸附可靠性進(jìn)行了分析，并通過分析結(jié)果選擇了吸盤、吸盤支座及快擰接頭的型號(hào)。接著對(duì)其它的氣動(dòng)元件進(jìn)行了選型，并且繪制了氣壓系統(tǒng)圖。除了對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)之外，本文還對(duì)玻璃清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行了選擇和設(shè)計(jì)。玻璃清潔機(jī)器人作為機(jī)器人中的一個(gè)分支越來越受到人們的重視，隨著科技的日益發(fā)展，玻璃清潔機(jī)器人的發(fā)展前景也會(huì)變得更廣闊。 3 1 參考文獻(xiàn) 1 王鵬玻璃自動(dòng)清洗機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究上海：上海大學(xué)，2004-02-01 2 代智勇爬壁機(jī)器人模型設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)及研究上海：上海水產(chǎn)大學(xué)，2004-01 3 趙興飛氣驅(qū)爬壁機(jī)器人理論與實(shí)驗(yàn)研究重慶：重慶大學(xué)，2004-05 4 張?jiān)?國內(nèi)外玻璃移動(dòng)式機(jī)器人的發(fā)展概況 唐山工程技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)， 1994(1) 5 劉淑霞玻璃清潔機(jī)器人控制技術(shù)的研究哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 6 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