1、编号： 毕业设计（论文）说明书题 目：玻璃清洁机器人结构设计学 院： 机电工程学院 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 姓 名： 职 称： 副教授 题 目 类 型 ： 理 论 研 究 实 验 研 究 工 程 设 计 工 程 技 术 研 究 软 件 开 发I摘 要由于各种因素的影响，市场上玻璃清洁机器人的技术还处于初级阶段，在实际运用中还存在诸多问题。本次设计通过研究玻璃清洁机器人的工作原理及过程，经过详细的方案规划，反复论证方案，找出一种目前技术上最成熟、最符合实际运用的运动方案。本文介绍了解决目前玻璃幕墙难于清洗这一难题的玻璃清洁机器人的研究,设计,运用方案,并把其中一种我们认为是
2、目前最合理,最具有市场前景的设计方案进行详细规划及分析,反复对方案进行认证,逐步进行修改及优化.确定玻璃清洁机器人以轮式自主移动机器人为载体.最终完成玻璃清洁机器人的结构设计、机构各种参数计算和分析、相关零件材料的选用及工艺分析。从玻璃清洁机器人在玻璃墙壁上的行走机构,转向和自动避障机构,自动清洗机构三个模块详细阐述了机器人系统的工作原理和实现方法.玻璃清洁机器人的工作原理是利用两对传动齿轮将驱动电机上的力矩传递到驱动轴上,从而带动两个后轮转动,实现机器人在玻璃墙壁上的自由行走.机器人的两个前轮均采用嵌入式直接驱动装置,在机器人正常直线行走时为机器人提供一定的牵引力,在机器人遇到障碍物时则一个
3、电机正转,一个电机反转,实现机器人的零转弯半径转向.清洗机构为滚桶式,由驱动电机提供动力,并且中间无减速机构,即滚筒的转速与驱动电机的转速相同。通过在已有的方案基础上进行创新设计，使得设计出来的玻璃清洁机器人更能满足用户的需求，以此拓展它的市场前景。关键词：轮式；玻璃；滚筒；嵌入式直接驱动装置；正反转IIAbstractBecause of the influence of various factors, glass cleaning robot technology is still in its infancy in the market, there are lots of probl
4、ems 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, des
5、igning, 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,
6、 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
7、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 pair
8、s 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 robots two front wheels adopts embedded direct drive device, in the robot walking straight and normal provide certain traction
9、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
10、 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 goIII目 录1 引言 .11.1 课题研究的背景 .11.2 课题研究的意义 .21
11、.3 玻璃清洁机器人的发展状况和目前具有的技术水平 .22 玻璃清洁机器人总体运动方案规划 .22.1 玻璃清洁机器人行走、转向机构方案设计 .22.1.1 足式行走机构.32.1.2 履带式行走机构.42.1.3 轮式行走、转向机构.42.2 清洗机构 .72.3 传动机构 .82.3.1 方案一.82.3.2 方案二.82.4 最终选用的总体方案 .83 电机选型 .94 玻璃清洁机器人结构设计和主要参数计算、分析 .124.1 车轮设计 .124.2 后轮驱动减速机构设计 .134.3 后轮驱动轴的结构设计与校核 .184.4 齿轮的定位结构设计 .204.5 中间轴的结构设计与校核 .
12、214.6 电机连接轴的结构设计 .244.7 后轮减速机构箱体结构设计 .254.8 底盘结构设计 .264.9 螺栓组连接的结构设计 .284.10 吸附机构的结构设计及合理性分析 .295 玻璃清洁机器人稳定性分析 .306 重要零件的材料选用和加工工艺的编写 .316.1 轴类零件的材料选用与加工工艺分析 .316.2 底盘的热处理与加工工艺分析 .376.3 减速机构上箱体和机器人外盖的加工艺分析 .386.4 齿轮的加工工艺分析 .396.5 磁吸盘的加工工艺分析 .39IV7 装配干涉分析结果 .398 玻璃清洁机器人总装配图 .409 结论 .41谢 辞 .42参考文献 .43
13、附 录 .441 引言1.1 课题研究的背景在繁华的市中心区域，高层建筑越来越多，样式多样的摩天大楼成为现代都市中一道亮丽的风景。随着玻璃制作工艺技术的不断革新，玻璃的强度不断提高，并且玻璃的采光性好，保温防潮性能好，彩色玻璃实用美观，建筑师在设计时高层建筑的外壁越来越多地采用钢化玻璃制作玻璃幕墙结构。但是由于玻璃没有自我清洁的能力，时间一长，空气中悬浮颗粒就会吸附于玻璃外墙上，为了保证建筑外观的整洁美观，就需要对墙壁进行清洗，以美化城市市容市貌。玻璃幕墙难于清洗,清洗成本高昂,清洗工作量大并且清洗工人工作环境危险等难题。因此,面对市场对于清洗玻璃建筑的巨大需求, 市场上目前投入使用的少量玻璃
14、清洁机器人,技术上仍然存在许多的问题,例如:避障时机器人的转弯半径过大,机器人无法清洗机器人边缘经过的玻璃墙面,机器人轮子传动轴径向力过大等问题,因此开发一款用于自动清洗玻璃幕墙的满足市场需求的实用玻璃清洁机器人已经成为科研人员工作的重点。目前高层建筑的玻璃幕墙清洗工作主要由专门的清洁公司来完成，清洁公司的清洁方法中最主要的有两种：一种方式是使用安装在高楼楼顶的专用轨道或吊索系统将清洁机器对准窗户进行自动擦洗。这种清洗方式初次投资成本较高，而且要求建筑物设计之初就必须考虑到擦窗系统的安装，所以限制了它的使用范围。另一种方式是使用升降平台或者吊篮装载清洁工进行高楼玻璃幕墙的清洗，虽然简便易行，但
15、清洁工人的劳动强度大，工作效率又比较低，属于高空危险作业，对工人的人身安全及高楼玻璃幕墙壁面都有很大的威胁，并且中国的经济正处在转型期，现在和可以预见的未来清洁工人的用工成本将不断的上升。所以迫切需要一种能代替人而且又有一定灵活性和适用性的全自动机器装置来完成这项工作，而且高楼的玻璃幕墙一般情况下面积较大，大多数处于几十米甚至位于上百米的高处，而且周围又无可攀援的支架，这就使得对玻璃幕墙的清洗成为一项繁重、高危险、耗资的工作。如果让人去清洗玻璃壁面，不仅花费高，而且安全难以得到保证。特别是目前一些国家和地区已经通过立法对包括擦窗作业在内的人工高空攀爬进行了限制，人们不得不寻找其它解决办法。美日
16、韩及欧洲各国还有最近的中国都相继推出了各自的玻璃清洁机器人，这项技术也在日益走向成熟，但却并未为大多数人了解，许多相关的技术在外人看来还是遥不可及的，在网络及出版物中相关的文章少之又少，这就需要对这一新型的技术进行一些说明。1.2 课题研究的意义高楼玻璃幕墙清洗机器人是移动机器人的一个分支。它是基于壁面移动机器人技术，并针对具体的作业对象，具有明确功能的实用机器人，其工作在垂直危险的玻璃壁面，能够克服重力的作用，携带清洗设备，是面向现代高层建筑玻璃外墙表面保洁、清洗服务的极限作业机器人，它可以将人们从危险的高空作业环境中解脱出来，不仅可以避免事故的发生，而且能够美化城市环境，造福人类，具有十分
17、广阔的应用前景。它的出现将极大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产效率，也必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。因此，国内外多家研究机构都在积极开展此项研究工作。1.3 玻璃清洁机器人的发展状况和目前具有的技术水平玻璃清洁机器人属于壁面移动机器人的其中一种，它的移动承载体的相关技术在壁面移动的相关技术中具有共性的一面。对现有的壁面移动机器人的结构特点进行详细的分析，对本次的设计玻璃清洁机器人移动载体具有很好的参考意义。机器人如果能够在壁面上自由地移动,并且进行作业,必须具备三大机能:吸附功能、转向避障功能和移动功能。因此,壁面机器人主要是按吸附机能和移动机能
18、来进行分类的。壁面机器人按照移动方式可以分为车轮式、履带式和足式三类。不同的吸附方案和移动方案的组合最终构成了各种各样的壁面机器人,例如:履带式吸附壁面机器人,轮式吸盘壁面机器人等。目前国内的清洁机器人的研究起步较晚，但发展比较迅速。国外清洁机器人的运用起源早、技术成熟，有许多非常成熟的经验值得我们借鉴。2 玻璃清洁机器人总体运动方案规划本次设计任务主要求是设计的机器人机构能实现在玻璃上行走、自动转向避障功能和自动清洁功能。分析可知这次任务可以分为三个模块，即行走、转向、清洗。我们将对他们分别各自的特点作全面的分析，并从中选择最适合实际需求的方案运用于设计过程中。2.1 玻璃清洁机器人行走、转
19、向机构方案设计所有的机器人都有一类共同的组成部分，即车轮、履带、腿足等用于推动车体在地面上进行移动的装置。配置这些车轮、履带或者腿足使其发挥应有的功能称为移动系统行走机构设计。不同的移动机器人由于其用途不同，其工作环境、整体结构都不尽相同，为了达到让机器人平稳而准确地运动这一目的，必须选择一种合适的行走机构。目前，常用的行走机构有 3 种:足式行走机构、履带式走行机构和轮式走行机构。2.1.1 足式行走机构步行移动方式模仿人类或动物的行走原，用腿脚走路。它不仅能在平地上行走，而且能在凹凸不平的地面行走，甚至可以跨越障碍、上下台阶，对环境的适应性强，智能程度相对较高，具有轮式机器人无法达到的机动
20、性，具有独特的优越性能。但对设计和制作者来说，步行机器人的研究极具挑战性，其主要难点在于各腿之间的协调控制、机身姿态控制、转向机构和转向控制、动力的有效传递和走行机构机理。足式机器人的种类很多，一般可以分为两足机器人和多足机器人，如图 2-1、2-2所示。图 2-1 两足机器人 图 2-2 多足机器人一般将有两条腿机构的移动机器人叫做两足步行机器人，两足步行机器人基本上是近似或模仿人的下肢机构形态而制成；三足以上的机器人称为多足机器人，主要研究模仿四足和六足动物的各种步态而制成，具有复杂的步态。步行机器人的机构复杂，由于其运动学及动力学模型复杂，控制难度较大。从移动的范围来讲，车轮形及履带形的
21、移动机构，无论它有多么复杂都只能在二维平面内移动，虽然能够应付一定的坡度和凹凸表面，但是车体与移动机构始终保持着固定的位置关系。而步行机器人的移动却有着很大的不同，它可以在保持身体姿态不变的前提下，能前后左右移动又能沿着楼梯拾级而上，从这一点来看步行机器人的移动是三维空间移动。另外，要控制它的步行和不倾倒有很大的难度，目前实现上述功能的机器人很少。正因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上还不成熟，不适用于对灵活性和可靠性要求较高的场合中。2.1.2 履带式行走机构为了提高车轮对松软地面和不平坦地面的适应能力，履带式行走机构被广泛采用。履带方式又叫循环轨道方式，其最大的特征是将圆环
22、状的循环轨道履带卷绕在若干车轮外，使车轮不直接与路面接触，利用履带可以缓冲路面状态，因此就可以在各种路面上行走。图 2-3 所示为履带式行走机器人。机器人采用履带式行走方式有以下优点： （1）由于冲角的作用，能登上较高的台阶（2）履带有较强的驱动力，适合在阶梯上移动（3）能够原地旋转，所以适合在狭窄的屋内移动(4）因重心低而稳定性较好 图 2-3 履带式机器人 履带式行走机构广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。履带式走行机构的不足之处是转弯不如车轮式灵活。在要改变方向时，要将某一侧的履带驱动系统减速或制动来实现转向，或者反向驱动实现车体的原地自转。但这都会使履带与路面产生相对横向滑动，不但加大了
23、机器人主体的能耗，还有可能损坏路面，如果运用于玻璃清洗机器人，在工作过程中会刮花玻璃，影响墙壁美观。2.1.3 轮式行走、转向机构轮式走行机构由滚动代替滑动摩擦，主要特点是效率高，适合在平坦的路面上移动，定位，而且重量较轻，制作简单，本次设计机器人的行走机构将使用轮式，因此在这里重点进行讲解，比较它们各自的优缺点，从中选出合适的方案进行规划、分析，逐步进行修改及优化。绝大多数轮式机构都是非完整运动约束驱动系统，轮式移动方式的分类有很多种，按照轮子的数目划分有三轮、四轮、五轮。目前机器人中最常用的是三轮或四轮移动方式，在某些特殊应用情况下也有五轮以上的机器人，但这种机器人结构和控制都很复杂。以下
24、分别介绍常用轮式移动机器人走行系统。三轮移动方式典型三轮移动机器人通常采用一个中心前轮和两个后轮的布置方式，车体配置虽然结构简单，但稳定性稍差，遇到冲撞或地面不平时容易倾倒。在这种移动方式下，应该将各种元器件放在机器人的下层，确保机器人的重心处于比较低的位置，以弥补此结构本身存在的稳定性差的问题。共轴驱动行走机构最常见的非完整运动约束机器人系统是共轴驱动系统，其结构如图 2-4 所示。它们的最基本形式是两个电机分别驱动左后、右后两个主动轮，这样的机构使机器人能够实现以自身为圆心的旋转运动。在机器人底盘的前方安装一个从动轮的前轮系统，用于对本体进行支撑。因为两个后轮共用一个轴，而在实际应用中两个
25、车轮的对应不一定非常精确。在实际的应用中，通常的做法是将底盘设计成梯形，使机器人转向具有较好的灵活性和稳定性。图 2-4 共轴驱动行走机构实际的应用中，因为只有 3 个车轮，该机器人在行走时易发生倾覆，所以在很多复杂条件下，它是不能正常完成任务的。全方位移动机构全方位移动机构是一种比较特殊的车轮，如图 2-5 所示，3 个主轮互相之间成 600图 2-5 全方位移动机构夹角，轴线与中线重合。之所以选择 3 个万向轮正三角组合，是因为正三角形组合方式有它独特的优势。因为三点确定一个平面，无论怎样，3 个点总是在同一平面上，即无论什么情况，3 个多向轮都必然着地，不会出现某个轮悬空的情况，这是四轮或更多轮的行走机构无法做到的。但是该机构所使用的轮子较特殊，制作复杂不适于实际的广泛运用。 四轮移动方式四轮驱动方式
