管道机器人毕业设计正文

设计内容 主要结论 1 第一章 概述 1. 1 机器人概述 机器人 920年至 1930年期间在捷克作家凯勒尔 *凯佩克（ 名为 罗莎姆的万能机器人 的幻想剧中，一些小的人造的和拟人的傀儡绝对地服从其主人的命令。这些傀儡被称为 “ 机器人 ” 。该单词起源于捷克语 “。意思是 “ 强制的劳动 ” 。 机器人的组成与人类相似 。举例说，人搬运某一物体的运动过程可用图（ a）所示的方块图来说明。首先，人听到外部的命令或用眼睛看到外部的指令，并由眼睛测量出距离。感受到这两种信息经过感觉神经送 到大脑中，大脑经过分析计算，然后通过运动神经发出指令，手臂用最好的方式伸向物体，并将物体抓住，手上的感觉神经，感觉物体已经抓牢了，把信息传给大脑。大脑命令手抓起物体，同时指令脚移动到所要求到达的地点，最后放下物体。 一般包括以下几个部分 见图（ b） ： 设计内容 主要结论 2 当于人的大脑） ； 当于人的手） ； 当于人的脚） ； 器人还必须有感觉装臵以及与外界环境联系的装臵（相当于人的口、耳、眼、鼻以及皮肤上的感觉神经）。 实 际的机器人在不同的程度上具有两种特有的属性：对环境的通用性和自动适应性。通用性：具有完成各种任务以及以不同的方式完成相同的结构或机械能力。这意味着机器人的机械结构具有可变的机械形状。 自动适应性： 是指一个机器人必须被设计成由其自己去完成任务，尽管难以预知 ， 但却可以有限的知道在完成任务期间环境的变化，通过改变路径、姿态等来处理所面对的问题，最终完成任务。为了对机器人进行分类，必须能够定义和区分不同的类型，因此根据不同的定义就有不同的分类方法。现在使用的有很多种。以下介绍日 本工业机器人协会（ 分类方法： 第一类：手工操作装臵：一种由操作人员操作的具有若干个自由度（ 装臵； 第二类：固定程序的机器人：依照预定的不变的方法按部就班执行任务的操作装臵，对任务的执行顺序很难进行修改； 第三类：可变程序的机器人：与第二类是同一种类型的操作装臵，但其执行步骤可以修改； 第四类：再现式机器人：操作人员通过手动方式引导或控制机器人完成任务，而机器人控制装臵则记录其运动轨迹，需要时可以重新调出记录的轨迹信 息，机器人就能以自动的方式完成任务； 设计内容 主要结论 3 第五类：数值控制机器人：由操作人员给机器人提供运动程序，而不是用手动方式教导机器人完成指定的作业任务； 第六类：智能机器人 :通过对环境变化的感知，改变其运动轨迹、姿态等措施圆满的完成任务。 机器人的诞生和机器人学的建立无疑是 20世纪人类科学技术的重大成就。自 60年代初机器人问世以来，作为 20世纪人类最伟大发明之一的机器人技术，经历了近半个世纪的发展，已取得了长足的进步。特别是到了 20世纪 90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了用于工业生产中从事焊 接、喷漆、搬运和装配等作业的工业机器人的水平不断提高之外，各种用于非制造业的特种、智能机器人系统也有了长足的进展。工业机器人在经历了诞生成长成熟期后，已成为现代先进制造业中必不可少的核心装备，当今世界上约有上百万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在各条战线上。非制造业中的仿人性机器人、农业机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人、服务机器人等各种用途的特种机器人也正以飞快的速度向实用化迈进。 道机器人概述 20世纪 70年代以来 , 石油、化工、天然气及核工业等产业迅速发展 , 各种管道作为一种重要的物料输送设施 , 得到了广泛应用。由于腐蚀、重压等作用 , 管道不可避免地会出现漏孔、裂纹等现象。同时多数管道安装环境人们不能直接到达或不允许人们直接进入 , 为进行质量检测和故障诊断 , 采用传统的全面挖掘法、随机抽样法工程量大 , 准确率低 , 管道机器人就是为解决这一实际问 设计内容 主要结论 4 题产生的。它是由可沿管道内部或外部自动行走装臵、携有一种或多种传感器及操作装臵如：机械手、喷枪、焊枪、刷子。管道机器人的工作空间是复杂、封闭的各种管道 , 包括水平直管、各角度弯 管、斜坡管、垂直管以及变径管接口等 , 所以需要 在操作人员的遥控操作或计算机自动控制下 , 进 行一系列管道作业。管道机器人可完成的管道作业有以下几类： 装过程中的管内外质量检测。 涂、焊接、内部抛光等维护。 面腐蚀、裂缝破损等故障诊断。 救等其它用用途。 内外管道机器人的发展 内管道机器人的发展 国内在管道机器人方面的研究起步 较晚 , 而且多数停留在实验室阶段。哈尔滨工业大学邓宗全教授在国家“ 863”计划课题“ 支持下 , 开展了轮式行走方式的管道机器人研制 , 实现了管内外机构同步运动作业无缆操作技术 , 并研制了链式和钢带式两种新型管外旋转机构。该系统由六大部分组成 (1)移动载体 (2)视觉定位 (3)收放线装臵 (4) (5)检测控制 ,系统控制 (6)防护系统 设计内容 主要结论 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9上海交通大学研发了小口径管道内蠕动式移动机构。它是模仿昆虫在地面上爬行时蠕动前进与后退的动作设计的。其主要机构由撑脚机构、三个气缸（前气缸、中气缸、后气缸）、软轴、弹簧片、法兰盘组成。针对微小空间、微小管道实时探测的要求，研制成电磁驱动微小型管道机器人样机。微小管道机器人由 四个电磁驱动单元组成。其驱动机理模拟生物体的蠕动爬行。它是通过给线圈加一系列的时序脉冲进行控制，依次使各单元动作，达到蠕动爬行的运动。 西安交通大学设计制作了蠕动式微动直线自行走机构。这种行走机构以电致伸缩微位移器做驱动器，以电磁铁机构作为可吸附于行走表面的保持器。 广州工 业大学借用仿生学原理，研制成结构独特的，像蠕虫一样的微管道机器人的运动由电磁力驱动。机器人由前后两个电磁线圈和前后两个驱动器组 设计内容 主要结论 6 成。 当分别通电时，机器人的两个驱动器相互吸合收缩。当后电磁线圈 断电时，后部突然放松，由此产生的推力将机器人前部 (前驱动器 )向前推进一段距离；反向运动依次类推。 外管道机器人的发展 国外关于燃气管道机器人的研究始于 20世纪 40年代 , 由于 70年代的微电子技术、计算机技术、自动化技术的发展 , 管道检测机器人技术于 90 年代初，得到了迅猛发展并接近于应用水平。 日本机器人的发展经过了 60年代的摇篮期 , 70年代的实用期 , 到 80年代进入普及提高期 , 开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本管道机器人众多 , 东京工业大学于 1993年开始研究管道机器人 , 并且成 功研制出 下介绍 管道机器人：如图（ 1）所示 , 其采用“电机 - 蜗轮蜗杆 - 驱动轮”的驱动方案 , 同时每个驱动轮都有一个倾斜角度测量轮 , 通过测量轮探测机器人的倾斜角度 , 并反馈给电机从而保证管道机器人的驱动轮以垂直的姿态运动。该管道机器人系统通过 整个系统采用拖缆控 制方式 , 检测距离超过 100m。 美国是机器人的诞生地 , 早在 1962 年就研制出世界上第一台工业机器人 , 是世界上的机器人强国之一 , 其基础雄厚 , 技术先进 , 并有很多管道机器人产 设计内容 主要结论 7 品。 美国 国纽约煤气集团公司 (的 卡内基梅隆大学机器人技术学院的 资助下于 2001年开发了长距离、无缆方式的管道机器人系统 专门用于检测地下煤气管道的情况 , 如图 2 所示。 该管道机器人系列 ( 1) 一次作业检测距离长 ,采用无缆方式 , 自带电池并且电池可以多次反复充电 , 使管道机器人具有良好的自推进能力。 ( 2) 可以在铸铁和钢质煤气管道中 , 低压和高压条件下工作。(3) 管道机器人的彩色摄像头采用嵌入式“鱼眼”镜头 , 结构非常紧凑。 (4) 可以顺利通过 90的弯管接头和垂直管道。 ( 5) 与外部操作人员采用无线通讯方式。 ( 6)该管道机器人可以探测煤气管道内部是否水渗透、碎片堆积 ; 可以确定管道内部缺陷的确切位臵并且定位相应的作业装臵 ; 采用视频图像的形式准确地反映管道内部的状况条件。 德国工业机器人的总数占世界第三位 , 仅次于日本和美国。德国学者 设计内容 主要结论 8 000年研制成功了多关节蠕虫式管道机器人系统 机器人由六节单元组成 , 其头部和尾部两个单元体完全相同 , 每个单元之间的节点 由 3个电动机驱动 , 使得 从而可以轻松 越过障碍物或实现拐弯运动 ,该管道机器人系统 1 个自由度 , 长度为 2m, 质量为 50采用无缆控制方式 , 300600拿大 履带采用刚性支承结构 , 两履带的夹角可以调节 , 以适应不同的作业管径。两履带调节到平行位臵时 , 可以在平地或矩形管道内行走。但这种刚性支承的双履带式管内机器人行走机构的两履带夹角在行走过程中是无法改变的 , 因此不适应管径变化的作业场合。 而且一次作业的检测距离不大于 500m; 立伺服驱动方案研制成管道检测机器人系统 该机器人系统只能实现对200 一次检测距离为 400m, 系统采用拖缆控制方式。 器人的发展 前景 展望 21世纪机器人技术的发展趋势，明显地向着智能化（ 向发展，包括机器人本身向智能机器人进化和实现机器人化（ 产系统。具体地说，传感型智能机器人发展较快，新型智能技术（如临场感、 虚拟现实、记忆材料、多智能体系统以及人工神经网络和专家系统等）在机器人上得到开 发与应用，采用模块化设计技术，进一步推动机器人工程，注意开 设计内容 主要结论 9 发微型和小新机器人，重视研制行走机器人，研制应用于非结构环境下工作地非制造业机器人和服务机器人，开发敏捷制造系统，军用机器人将用于装配部队等。总的说来，虽然存在不少难关，甚至出现某些阴影，但新世纪机器人学 的发展前景是十分光明和充满希望。 设计内容 主要结论 10 第二章 总体方案的制定及比较 道机器人设计参数和技术指标 （ 1）管道机器人的 工作环境 a管道为金属冶炼厂烟气输送管道，管道为圆管，管道直径为 700道底部每周可形成厚约 100 b烟灰密度 ； c管道中有水平、小于 30。 倾斜， 3倍管道直径弯曲三种形式； d管道底部每隔 50机器人倾倒垃圾； （ 2）管道机器人的技术要求 a. 机器人必须小巧、灵活、拆卸方便； b生产能力高，每小时清洁能力应在 40 c机器人在工作过程中，其结构可适应应 不同管径的变化情况； d机器人自动化程度高，控制方便灵活； 体结构的设计和比较 （ 1）行走机构的设计 根据国内外的管道机器人的移动方式大致可分为六种： 活塞移动方式 滚轮移动方式 履带移动方式 足腿移动方式 蠕动移动方式 螺旋移动方式 其各有优缺点。以下分别介绍。 活塞移动式依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，随着管内流 设计内容 主要结论 11 体的流动向前运动，其原理类似于活塞在汽缸内的运动，即把管道看作汽缸， 把具有一定弹性和硬度的 缺点是：越障能力和拐弯能力差。 滚轮移动式优点是移动速度快，转弯容易，结构简单，易小型化，采用多轮方式时牵引力随轮数增加而增加。缺点是着地面积小，维持一定的附着力较困难，这使得结构复杂，越障能力有限。 履带移动式的优点是着地面积大，易产生较大的附着力，对路面的适应性强，牵引性能好，越障能力强。缺点是体积大不易小型化，拐弯半径大，结构复杂，还要保持履带的张紧。 足腿移动式的优点是对粗糙路面适应性能较好，越障能力极强，可适应不同管径的变化。缺点是结构和控制复杂，行走速度慢。 蠕动移 动式的优点是适应微小管径，越障能力强。缺点是移动速度慢， 控制复杂。 螺旋移动式的优点是有一定的越障能力，可适应不同管径的变化，可在垂直管道中行进。缺点是结构复杂，移动速度慢，驱动力要求高。 根据设计参数和技术要求，所要研制的管道机器人必须要有高可靠性，高效率。所以采用上述行走机构的移动方式的组合来实现行走，这样可利用其综合优点避免单一移动方式的缺点。由于管道存在不同的弯管，这就要求机器人的行走机构有一定的拐弯能力和越障能力。所以，设计了一种如 下页 图所示的可伸缩的三只履带腿式 （三只腿成 120分布）组合行 走机构。 其特点是：移动速度快、转弯比较容易、有较大牵引力、对粗糙路面适应 性好、越障能力强；同时，可伸缩性使得机器人对变径管道有较好的自适应性。 设计内容 主要结论 12 （ 2）操作机构的设计 根据管道机器人的操作对象是一些堆积的 灰尘，并且灰尘在管道底部堆积，同时成疏松状，所以操作机构有以下两 种方案： 借鉴挖掘机的工作原理。利用铲斗铲起灰尘，然后 行走到管道底 部的垃圾开口，倾倒灰尘。这种方案简单，可靠；但是由于管道直径的限制，其铲斗的容积比较小，同时垃圾开口每隔 50大部分时间都在行走上，所以机器人的工作效率很低。 设计内容 主要结论 13 借鉴吸尘器的工作原理。利用带有操作臂的吸尘器的吸头，灰尘通过 吸尘管道到主体内部，设计箱体的容积比较大，最后，移动到垃圾开口 处 倾倒垃圾，从而减少在往返的次数来提高工作效率。 所以才用具有两个自由度的机械臂，臂末端附上吸尘器头，臂上附上塑料软管，软管最终以主体的垃圾箱密封连接。 （ 3）撑开机构的设计 由于管径的变化，需要撑开机构来适应管径的变化。在本机器人设计中，采用滚珠丝杠螺母副来和放大杆组来实现。 其机构简图如下 图所示 ： 1 基 座 2 放大杆组 3 撑开杆 4 丝 杠 5 丝杠螺母 6 行走机构 1 基座 2 放大杆组 3 撑开杆 4 丝 杠 5 丝杠螺母 6 行走机构 设计内容 主要结论 14 当丝杠 4旋转时，丝杠螺母 5在丝杠上左右移动，从而拉动撑开杆 3，撑开杆3铰接在放大杆组 2上，从而改变其倾角来适应管径的变化。 （ 4）最终方案的确定 根据以上的分析和比较，最后得出最终方案。 设计的管道清洁机器人包括以下 五部分： 行走装臵 （为整个行走提供动力）； 撑开杆组 （适应管径的变化）； 操作臂装臵（操作臂包括吸尘器的操作部分和倾倒垃圾部分）； 信号采集装臵（为控制提供信号和图像）； 控制装臵（控制管道清洁机器人行走和动作）。 行走装臵 撑开杆组 操作臂装臵 信号采集装臵 控制装臵 设计内容 主要结论 15 第三章 部件的设计和计算 道机器人工作量计算 由于管道直径是变化的，变化范围为（ 7001000通过计算当管道直径为 1000堆积相对底部为 100图下图所示；每 50 其中 h=100d=1000 R=d/2=1000/2=500 a=0000 2 2 2 25 0 0 4 0 0 3 0 0b R a mm a r c t a n ( / ) a r c t a n ( 3 0 0 / 4 0 0 ) 3 6 . 8 7 22922123 6 0 22 3 6 . 8 7 15 0 0 2 4 0 0 3 0 03 6 0 24 . 0 8 8 1 0s R a 由于每隔 50以总的工作量： 4 3 9 35 0 1 04 . 0 8 8 1 0 5 0 1 0 2 . 0 4 1 0l m l m m 又因为烟灰的 密度为 33 g 9 3 6 33 . 5 2 . 0 4 1 0 1 0 7 . 1 5 1 0 7 . 1 5 1 0m V g k g h=100mm d=1000=50000b 0s 3935 0 1 02 . 0 4 1 0l m mV m m33 g 37 1 0m 设计内容 主要结论 16 走机构的设计和计算 （ 1）行走机构的驱动电机功率的预算 预取管道清洁机器人的容积为 33 5 3 5 3 5 4 2 8 7 5 c 容 ; 5m 3 . 5 4 2 8 7 5 1 . 5 0 1 0 g 1 5 0 k ； m g 1 5 0 9 . 8 1 4 7 0 . 6 管道机器人在装满的情况下，受力图如左图所示：其中预取： 1 40012 c o s 6 0 F G F 21F G F =00 =于履带是三组；成 120分布；受到的是摩擦阻力 ; 212F F F 驱 （其中是橡胶与钢之间的摩擦系数 ） =2 400 =管道机器人的工作行程速度 V 为： V=s 3 3 1 2 . 9 6 0 . 5 1 6 5 6 . 4 8W F V W 驱总（ 由于是三组履带，所以每个履带的驱动电机至少为： W=3 3=以，选取电机的功率为 800W;同时电机要能变速，才能在管道内转弯；所以 选择伺服电机，最终选择 服电机（安川公司）。 342875容 m 150 2F= 驱 =s =设计内容 主要结论 17 （ 2）行走机构结构设计 确定行走机构 由于管道直径最小时， D=700时总体 方案中已经确定采用 3 组履带，相对来说比较狭小；所以行走机构尺寸不能太大。 首先，确定履带的宽度。由于履带的宽度较小，那么它的工作所提供的驱动力就会减小；而其宽度太大时，所受到的阻力就会很大。 通过作图的方法，取履带的宽度50 其次， 确定 履带的长度。履带的长度越长其转弯的灵活性就会受到影响。所以，履带的长度不能太长。所以其长度 L 为： L=580 最后，确定履带的高度。履带的高度受到管道直 径的限制，同时还受到撑开杆组的影响；由于撑开杆组要能在 =7001000围内变化，所以杆长要达到给定的范围。通过对撑开杆组的设计，后最终确定高度 H=175 确定行走机构的结构 由于外形尺寸的限制，电机内臵在履带组中，同时采用锥齿轮来换向 ，最后驱动履带轮。其结构图如下图所示： 50=580=175构总图 设计内容 主要结论 18 1 轴 01 2 电机 3 小锥齿轮 4 驱动带轮 5 轴 02 6 直齿轮 01 7 直齿轮 02 8 轴 03 9 大锥齿轮 10 从动带轮 确定行走机构中的履带轮和履带轮 采用同步带的结构来设计履带。 以下是同步带传动的优点： 1. 适用于两轴中心距较大传动，承载能力较大。 2. 带具有良好的弹性，可以缓冲、吸振，传动平稳，噪声小。 3. 结构简单，制造和维护较为方便，价格低廉。 首先 ， 确定 同步带的主要参数：（查机械设计手册 13 齿 形：梯 形 齿距制式：模数制 型 号： 距：次，设计带轮：（查机械设计手册 13 (1)初选带轮的次数： 17z ； 选择切削带轮齿形的刀具类型 切出直线齿廓的特别刀具 ； 齿槽角： 2=2=40； 节 距 : m= 7 节圆直径 : 7 1 7 1 1 9d m z m m ； 模 数： 7m ； 齿侧间隙： 1； 7z 2=40 119d 7m 1 设计内容 主要结论 19 名义径向间隙：0 ； 径向间隙：0 0 . 4 1 . 3 7 0 . 4 7 3 . 8 3 6e e m ； 外圆直径：0 2 1 2 0 2 1 . 7 5 0 1 1 6 . 5 中 = 外圆齿距：00( ) / 3 . 1 4 1 1 6 . 5 1 7 2 1 . 5 2 9p d z m m ； 外圆齿槽宽：0 1 0 . 0 6 1 1 1 . 0 6mb s c m m ； 齿槽深： 4 . 2 3 . 8 3 6 8 . 0 3 6h e ； 齿槽底宽： 7； 齿根圆角半径： 0 . 2 5 0 . 2 5 7 1 . 7 5 ； 0 . 2 5 0 . 2 5 7 1 . 7 5 ； 最后，设计履带：（查机械设计手册 13 由于采用同步带的结构来设计履带，同时履带用于特殊的工作环境，所以不能完全采用同步带的参数，根据具体的结构尺寸 设计履带。 节 距： 齿形角： 2=40； 齿根厚： = 齿 高： 带 高： ； 齿顶厚： 7； 节顶距： = 带 宽： 115sb 0 0d=p=b= =40 = 7 =15sb 设计内容 主要结论 20 确定大小锥齿轮参数 （详细的设计过程见第五章） 整个行走装臵里，锥齿轮的主要作用 递动力。同时考虑到其完全在行走装臵内部，尺寸受到限制。根据以上的因素，设计大小锥齿轮的具体参数。 根据总体结构设计图，采用轴交角 90 。 齿轮类型为：直齿锥齿轮 、 齿形制为 12369 1990,齿形角为 20 、 齿顶高系数 *、顶隙系数 * 。（查机械设计手册 14 大锥齿轮的次数1 30z ;小锥齿轮的次数2 23z 。大小锥齿轮的具体参数分别如下： （查机械设计手册 14 大锥齿轮： 法向模数： 齿 数： 30z ； 法向齿形角： 20分度圆直径： 3 0 2 . 5 7 5d m z m m 分度圆锥角：11230c o t c o t 5 2 3 1 2 6 23za r c a r 齿顶圆直径： *12 c o d h m =75+2 1 2 31 26 = 齿根圆直径： *12 ( ) c o d h c m 大锥齿轮： 30z 20 75d 1 5 2 3 1 2 6 设计内容 主要结论 21 =75 1+ 2 31 26 = 锥 距：221212 s i n 2m z mR z z = 222 0 2 32 =齿顶角： *a r c ta n = 1 2 3=3 1 43 齿根角： *()a r c t a n c = (1 0 . 2 ) 2 . 5a r c t a . 2 5 3=3 47 1 顶圆锥角： = 52 3126 +3 1 43 =55 33 9 根圆锥角： = 52 3126 47 1 =48 44 25 齿 宽 ： b=25R 5 3 3 9 a 4 8 4 4 2 5 f b=25设计内容 主要结论 22 小锥齿轮： 法向模数： ； 齿 数： 23z ； 法向齿形角： 20分度圆直径： 2 3 2 . 5 5 7 . 5d m z m m 分度圆锥角：11230c o t c o t 3 7 2 8 3 4 23za r c a r 齿顶圆直径： *12 c o d h m = 1 7 28 34 =齿根圆直径： *12 ( ) c o d h c m = 1+ 7 28 34 = 锥 距：221212 s i n 2m z mR z z = 222 0 2 32 =齿顶角： *a r c ta n = 1 2 3=3 1 43 小锥齿轮： 23z 20 d 37 2834 1 43a 设计内容 主要结论 23 齿根角： *()a r c t a n c = (1 0 . 2 ) 2 . 5a r c t a . 2 5 3=3 47 1 顶圆锥角： = 37 2834 +3 1 43 = 41 3017 根圆锥角： = 37 2834 47 1 = 33 4133 齿 宽 ： b=25 确定直齿轮的参数 （详细的设计过程见第五章） 在整个行走装臵中，直齿轮的作用，主要是传递动力。根据行走机构的结构和尺寸限制，同时为了减少零件的个数和降低成本，才用两个完全相同的直齿轮， 齿顶高系数 *、顶隙系数 * 。齿数 z=40， 。 其具体参数如下： 分度圆直径：1 2 . 5 4 0 1 0 0d m z m m 齿 顶 高： * 1 2 . 5 2 . 5h m 齿 根 高： *()h c m(1 0 ) 2 = 47 1f a 41 3017f 33 4133b=25d=100mm .5 设计内容 主要结论 24 全 齿 高：h h= 齿顶圆直径：112d h=100+2 105齿根圆直径：112d h=100齿 厚： / 2 3 . 1 4 2 . 5 2 3 . 9 2 7 齿 根 宽： / 2 3 . 1 4 2 . 5 2 3 . 9 2 7 中 心 距： 100a d 顶 隙： * 0 . 2 5 2 . 5 0 . 6 2 5c c m 开机构和放大杆组的设计 撑开机构 采用丝杠螺母和放大杆组的结 合，来适应管径的变化。 通过作图法 来模拟最小 （图 a） 、最大管径 （图 b） 时的情况 （在 ，按比例 1： 1）如下 图所示： （图 a） h 105 9 3 fd m m 100a 设计内容 主要结论 25 图（ b） 最后量 出 各 杆件的长度： 撑开杆杆长： 200cl 放大杆杆长： 300fl 由于在其之上安装了压力弹簧，其实际杆长为 330 380 铰接处的位臵： 在放大杆组 90。 作臂的设计 操 作臂包括吸尘器的操作臂和拉开卸料门的杆件机构。 吸尘器操作臂的设计 由于管道的管径是变化的，同时灰尘主要分布在管道底部，所以要求操作臂要能够适应管径的变化，不仅要在最小管径是能工作，也要在管径最大是也能正常的工作。根据这些要求，设计了具有两个平面自由度的杆件机构来实现。其结构如下 页 图 （ c） 所示： 200cl 300fl 设计内容 主要结论 26 图 （ c） 其各个杆 件的参数见零件图。其驱动电机采用 直流伺服电机。功 率为 120W。 卸料门的拉开杆件的设计 当垃圾箱装满时，重量能达到 时电机的驱动功率 120W，驱动力较小；所以，在设计时采用“死点”的结构来实现卸料门的开合。 工作原理： 当卸料门闭合式，连杆处于死点位臵 即位臵 1，这是无论在卸料 门上施加多大的力，卸料门也不会打开；当灰尘装满时，驱动电机通电， 让连杆而破坏死点的状态，在灰尘的重力和连杆的拉力下，卸料门打 开即位臵 2。当灰尘倾倒完后，连杆推动连杆而回到位臵 1。 设计内容 主要结论 27 其结构简图见图（ d）所示： 图（ d） 各个杆件的长度，根据具体的结构尺寸，采用作图法计算出杆件的长度。其尺寸参数如下： 连杆0连杆50连杆2005020 设计内容 主要结论 28 第四章 控制原理 的设计 制原理的分析和设计 我们拟将两对光电传感器（记为 和 ）分别臵于本管道清洁机器人前后两侧从而在前进或后退时都可以检测行进前方有无障碍物从而实现转弯。见下面示意图： 将一对超声波测距传感器 (记为 别臵于本管道清洁机器人车体前后适当位臵，用来检测其前进或后退时管径的变化情况，以使 动相关电机做出相应的动作。 另外，将一个光电传感器 (记为 于吸尘装臵下方适当位臵，用来检测下方管壁 上的灰尘是否已清洁干净；又将一个压力传感器（记为 于垃圾箱底板适当位臵，用来检测垃圾箱是否已经装满，从而使本管 道情节机器人停止继续清灰尘转而倒垃圾。另外一个超声波传感器 (记为 于装灰尘的垃圾箱下方适当位臵，在垃圾箱装满后通过检测前方一定距离范围内有没有障碍物来判断清洁口是否已经打开，从而使 动相关电动机作出倾倒灰尘的 设计内容 主要结论 29 动作；再将一个霍尔转数检测传感器（记为 于履带轮轴附近适当位臵， 用来检测臵于率带轮轴上的磁极的旋转信号，从而测出率带轮转动圈 数，进而通过 算出本管道清洁机器人前进的距离。 于是，控制过程实现过程如下： 吸尘器工作开始清洁灰尘，光电传感器 、 声波传感器 E 工作实时检测收集各信息； 一旦光电传感器 测到吸尘装臵下方的灰尘清理干净，则 送指令驱动主运动电机组（记为 作，即机器人前进。又当 测到吸尘装臵下方又有灰尘则 次发送指令使主电机组停止工作重新开始过程； 、步骤重复运行一段时间后，机器人的垃圾箱装满了灰尘，这时候臵于垃圾箱底部 的压力传感器就把检测到的信号传递给 送指令令吸尘器和运动电机停止前进，同时停止接收霍尔转数检测传感器 数据，并开始判断本管道清洁机器人所走过的路程是否小于 25 米，若是则运行步骤，若否则运行步骤； 送指令使主运动电机反转即令机器人后退，并且开始接收超声波传感器 信号，以判断是否已到请接口上方（超声波传感器 臵一定要放恰当，以使垃圾能完全从请接口倒出），若否则继续本步骤，若是则运行步骤； 送指令使主运动电机正传即令机器人前进，并且开始接收超声波传感器 信号，以判断是否已到请接口上方，若否则继续运行奔步骤， 设计内容 主要结论 30 若是则运行步骤； 发送指令停止主运动电机，即使机器人停下，然后驱动垃圾箱开关电动机打开垃圾箱来倾倒灰尘。期间，一旦压力传感器检测到灰尘已经倒完，则再驱动垃圾箱开关电动机关闭垃圾箱。然后 送指令使机器人反向运动并且停止接收超声波传感器 信号而开始接收光电传感器 信号以判断是否已回到上次清洁干净的位臵。若是，则重新开始运行步骤，若否则继续移动、检测。 当本管道清洁机器人前进过程 中 接收光电传感器组 实时信号，一旦检测倒前方有弯道则命令两主运动电动机产生速度差从而转过弯道；而当后退过程中则要接收光电传感器组 实时信号，以使本管道清洁机器人能在后退时也顺利转过弯道。同样的，在前进过程中还要检测管径的变化，通过超声波传感器 退时则是通过超声波传感器 检测信号从而使本管道清洁机器人在后退时也能自动适应管径的变化。从而使其顺利地完成工作。 要控制流程图 主要的控制流程图，见下页图（一）： 设计内容 主要结论 31 主程序流程图 设计内容 主要结论 32 第五章 其它 小锥齿轮的设计和校核 选择齿轮的类型 ,精度等级 ,材料和齿数 选择直齿圆锥齿轮 8级精度齿轮 ,软齿面 小齿轮的材料为 40制处理，硬度为 280齿轮的材料为 45钢，调制处理 初选小齿轮的齿数1 21z ；大齿轮的齿数为2 27z 。 按齿面接触疲劳强度设计计算 131 21 9 5 . 1t 根据轴承布臵方式和载荷的冲击情况，取 K= 查附录 2（机械设计、机械设计基础课程设计）得小齿轮的接触疲劳极限为： li m 1 600H M p a 大齿轮的接触疲劳极限为： l i m 2 550H M p a 计算接触疲劳许用应 力： l i m 11 0 . 9 0 . 9 6 0 0 5 4 0 p a l i m 22 0 . 9 0 . 9 5 5 0 4 9 5 p a 12 5 4 0 4 9 5 5 1 7 . 522 p a 1 540H M 2H 495 设计内容 主要结论 33 计算小齿轮的分度圆直径 131 21 9 5 . 1t =3 21 . 8 3 6 . 11 . 3 0 4 5 1 7 . 5 中 109 5 5 0 / n9 5 5 0 0 . 8 2 1 1 . 0 6 =按 齿根弯曲疲劳强度设计 计算 13 2 2 213 . 2 1 K T 计算当量齿数并查取齿形系数，两齿轮的分度圆锥角分别为： 12227c o t c o t 5 2 0 7 2 5 21za r c a r 1 37 52 35当量齿数为： 1 1 1/ c o s 2 1 / c o s ( 3 7 5 2 3 5 ) 2 6 . 6 3 1 2 2 2/ c o s 2 7 / c o s ( 5 2 0 7 2 5 ) 4 3 . 9 0 4 查附录 2得：124 . 5 8 ; 4 . 7 5F S F 由附录 2得，小齿轮的弯曲疲劳极限为： l i m 1 280F M p a 大齿轮的弯曲疲劳极限为： 1 1T=52 0725 1 3 7 5 2 3 5 1 2 1 2 li m 1 280F M p a 设计内容 主要结论 34 l i m 2 220F M p a 计算弯曲疲劳许用应力： l i m 11 1 . 4 1 . 4 2 8 0 3 9 2 p a l i m 22 1 . 4 1 . 4 2 2 0 3 0 8 p a 1 1/ 4 . 5 8 / 3 9 2 0 . 0 1 1 6 8 ;F S 2 2/ 4 . 7 5 / 3 0 8 0 . 0 1 5 4 2 2 ;F S 大齿轮数值大，代入计算 计算： 13 2 2 213 . 2 1 K T =3 2 2 21 . 8 3 6 . 1 4 . 5 83 . 22 7 1 . 3 0 4 1 3 0 8= m=： 11 5 3 . 8 5 6 2 1 . 5 42 . 5 2 . 5 取1 23z 21 2 3 1 . 3 0 4 2 9 . 9 9 2 ，取2 30z ； 锥距为： 22122mR z z = 分度圆直径为： 11 2 . 5 2 3 5 7 . 5d m z m m 22 2 . 5 3 0 7 5d m z m m 分度圆锥角为： 2 2 1a r c t a n ( / ) a r c t a n ( 3 0 / 2 3 ) 52 3126，1 3 7 2 8 3 4 li m 2 220F M p a 1 392F M 2 308F M 1 1/ 0 1 6 8F S 2 2/ 0 5 4 2 2F S m 23z 2 30z 4 7 3R 1d 5 52 31261 3 7 2 8 3 4 设计内容 主要结论 35 齿 宽 ： b=25 的设计和校核 1. 按扭转强度条件，初步估计轴径： 300中0A=110，查机械设计（ 15 0 . 8 0 . 9 5 0 . 7 6 k w 1 6 1 7 /n r m 代入上面得值，计算可得： 0 1 8 3d m m由于轴上有一键槽，所以：0( 1 0 . 0 7 ) 1 9 . 7 7 4d d m m ，取轴的最小直径为： d=20 2. 轴的结构 简图如下： 3. 按弯扭合成强度进行强度校核 做出轴的计算简图 轴 所受的载荷是从轴上零件传来的。根据结构尺寸，做出其受力简图如下图所示： b=25 1 6 1 7 /n r m 0 1 8 3d m md d=20 设计内容 主要结论 36 校核所需要的基本参数 20 48 62 计算齿轮的啮合力： A: 直齿轮的齿轮啮合力 1. 齿轮圆周力： 2122TF 32 3 6 . 1 1 0 0 . 9 5100 = 20 48 62 直齿轮： 设计内容 主要结论 37 t a n 6 8 5 . 9 t a n 2 0 2 4 9 . 6 4 7B r B t N B: 锥齿轮的齿轮啮合力 1. 齿轮圆周力：2122TF 32 3 6 . 1 1 0 0 . 9 575 = 2. 齿轮径向力：1t a