管道清潔機器人總體設(shè)計 I摘 要上海有中央空調(diào)的 1 萬多棟大樓中，大多數(shù)空調(diào)機組的通風(fēng)系統(tǒng)自運行以來，也從未做過清洗。未清洗的集中空調(diào)內(nèi)可能有顆粒物、霉菌、螨蟲、細(xì)菌、軍團菌、藻類等各種污染物，會給人帶來煩悶、乏力、嗜睡、不快感、肌肉痛、易感冒、咽痛、頭暈等諸多健康危害。因此，本設(shè)計設(shè)計了一個小型管道清潔機器人。管道清潔機器人的設(shè)計包括視覺系統(tǒng)，移動系統(tǒng)，清潔毛刷系統(tǒng)，吸塵系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：管道，清潔，視覺，移動，清潔毛刷，吸塵，控制管道清潔機器人總體設(shè)計 IIABSTRACTShanghai has central air conditioning in buildings more than 10,000 buildings. Most of the ventilation system air conditioning units from using has never cleanned. Uncleaning of central air conditioning maybe particulate, mold, mites, bacteria, Legionella, algae and other pollutants, which will bring boredom, fatigue, sleepiness, displeasure, muscle pain, common cold, sore throat, head corona, and many other health risks. Therefore, the design designed a small duct cleaning robot. Duct cleaning robot design includes the visual system, mobile system, cleaning brush system, vacuum system and control system.Key words: pipe, cleaning, visual, moving, cleaning brush, cleaning, control管道清潔機器人總體設(shè)計 III目 錄1 緒論 ………………………………………………………………………… 11.1 中央空調(diào)的現(xiàn)狀分析 ………………………………………………… 11.2 管道清潔機器人的技術(shù)要求 ………………………………………… 12 機器人的視覺系統(tǒng) ……………………………………………………… 22.1 攝像頭 ………………………………………………………………… 22.2 照明燈 ………………………………………………………………… 33 機器人的運動系統(tǒng) ……………………………………………………… 43.1 底板的設(shè)計 …………………………………………………………… 43.2 驅(qū)動電機的選擇與設(shè)計 ……………………………………………… 43.3 輪胎的選擇 …………………………………………………………… 53.4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計 ……………………………………………………… 63.5 機器人移動的實現(xiàn)方法 ……………………………………………… 74 機器人的清潔系統(tǒng) ……………………………………………………… 94.1 清潔毛刷的設(shè)計分析 ………………………………………………… 94.2 旋轉(zhuǎn)刷的設(shè)計及材料選擇 …………………………………………… 104.3 驅(qū)動電機的選擇 ……………………………………………………… 104.4 手臂的設(shè)計 …………………………………………………………… 114.5 支撐架的設(shè)計 ………………………………………………………… 114.6 傳動帶的設(shè)計 ………………………………………………………… 134.7 帶輪的設(shè)計 …………………………………………………………… 144.8 驅(qū)動軸的設(shè)計 ………………………………………………………… 164.9 聯(lián)軸器的選擇 ………………………………………………………… 174.10 軸承、軸套等零件的選擇與設(shè)計 …………………………………… 185 機器人的吸塵系統(tǒng) ……………………………………………………… 195.1 吸塵系統(tǒng)的設(shè)計分析 ………………………………………………… 195.2 電機的選擇 …………………………………………………………… 195.3 葉片的設(shè)計 …………………………………………………………… 205.4 外殼的設(shè)計 …………………………………………………………… 215.5 其他零件的設(shè)計 ……………………………………………………… 226 機器人的控制系統(tǒng) ……………………………………………………… 23管道清潔機器人總體設(shè)計 IV6.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計概述 ………………………………………………… 236.2 控制系統(tǒng)各硬件的介紹 ……………………………………………… 246.3 電路板的設(shè)計 ………………………………………………………… 286.4 上位機的控制面板設(shè)計 ……………………………………………… 306.5 單片機的編程 ………………………………………………………… 316.6 系統(tǒng)抗干擾措施 ……………………………………………………… 33結(jié)論 ……………………………………………………………………………… 34參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………… 35致謝………………………………………………………………………………… 36管道清潔機器人總體設(shè)計 11 緒論1.1 中央空調(diào)的現(xiàn)狀分析“2009 中國國際工業(yè)博覽會科技論壇——公共場所衛(wèi)生與標(biāo)準(zhǔn)化國際研討會”在滬舉行。會議披露：世博會召開前，上海將在全市范圍內(nèi)展開公共場所中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的清洗工作，有效提高中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的衛(wèi)生質(zhì)量。 而上海有中央空調(diào)的 1 萬多棟大樓中，大多數(shù)空調(diào)機組的通風(fēng)系統(tǒng)自運行以來，也從未做過清洗。未清洗的集中空調(diào)內(nèi)可能有顆粒物、霉菌、螨蟲、細(xì)菌、軍團菌、藻類等各種污染物，會給人帶來煩悶、乏力、嗜睡、不快感、肌肉痛、易感冒、咽痛、頭暈等諸多健康危害。世博會到來之際，給中央空調(diào)“洗個澡” ，勢在必行。 [1]從 2002 至 2009 年，上海市室內(nèi)環(huán)境凈化協(xié)會針對上海市公共場所（如商務(wù)樓、圖書館等）的室內(nèi)空氣品質(zhì)與集中式中央空調(diào)管道污染狀況開展了多次調(diào)研，結(jié)果顯示，申城商務(wù)樓辦公環(huán)境的空氣質(zhì)量不容樂觀。其中，不通風(fēng)的達(dá)到 68.28%；室內(nèi)空氣“感覺不好”的達(dá) 60%；有讓人不舒服氣味的達(dá) 71.03%；被動吸煙的達(dá) 60%；部分辦公人員在工作時出現(xiàn)過頭痛、缺氧、喉嚨干燥、咳嗽、作嘔、眼花等癥狀。同時，集中式空調(diào)送風(fēng)管道內(nèi)的細(xì)菌和真菌污染指數(shù)不合格率分別為 41.67%和 54.17%，而且，樓齡越大，污染程度越嚴(yán)重。為此，在 2009 年 8 月 25 日，在空氣凈化節(jié)能研討及社會意見征詢會上，市衛(wèi)生局相關(guān)人士透露， 《上海市空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生管理辦法》修改草案正在擬訂，將于年底頒布。 [2]1.2 管道清潔機器人的技術(shù)要求外形尺寸：400（長）* 416 （寬）* 250（高）mm （不含清掃工具）重量：約 10kg 控制方式：PC 控制器有無線： 有線行走速度：8m/min最大行徑距離：50 m清掃刷最高轉(zhuǎn)速：1200 r/min管道清潔機器人的清洗工作是通過皮帶輪，帶動清潔毛刷旋轉(zhuǎn)。管道清潔機器人能夠在風(fēng)管中進行前進，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)等動作。移動速度平均在 8m/min。管道清潔機器人可清洗寬 450cm 以上，高 300cm 以上 600cm 以下的矩形風(fēng)道。它的最大控制距離為 50m，并在機器人上裝有攝像頭，能全程進行錄像記錄。管道清潔在清洗的同時，進行吸塵作業(yè)，將清潔毛刷掃落的灰塵吸入塵箱中。管道清潔機器人總體設(shè)計 22 機器人的視覺系統(tǒng)2.1 攝像頭攝像頭是用于風(fēng)管內(nèi)部清掃時，操作者通過控制器與攝像頭的連接，進行對管內(nèi)工作的監(jiān)視和檢查。在機器人的身上裝有兩個產(chǎn)自第一印象的 L55 小 S 攝像頭，兩個攝像頭背對背放置。此攝像頭自帶 LED 補光燈，在黑暗的環(huán)境下，能夠自動補足燈光的不足，以達(dá)到良好的攝像效果。圖 2.1 是本設(shè)計所選用的攝像頭。圖 2.1 第一印象 L55 小 S此攝像頭的主要參數(shù)如下：傳感器類型：CMOS傳感器像素：500 萬最高分辨率：1280×1024攝像頭分辨率：2400×1960最大幀數(shù)：30 幀色彩位數(shù)：24 位成像距離：50mm-無窮遠(yuǎn)對焦方式/范圍：手動式調(diào)焦 50mm-極遠(yuǎn)對焦方式：手動鏡頭：五層鍍膜鏡頭弱光補償：帶有 LED 補光燈，支持弱光補償攝像頭壓縮比：2-8 倍管道清潔機器人總體設(shè)計 3兼容操作系統(tǒng)：Windows 2000/XP/Vista麥克風(fēng)：內(nèi)置麥克風(fēng)PC 接口類型：USB 2.0即插即用：支持免驅(qū)其他參數(shù)：智能人臉追蹤功能，并附帶視頻動態(tài)及像框功能；自動白平衡，曝光，亮度，對比度，色度，飽和度等均可調(diào)節(jié)。由于機器人上裝的攝像頭需要背對背安裝，所以對與這個攝像頭，還需要進行一下外型的改造。首先將底座拆去，然后用強力的膠水，將兩個攝像頭的背面粘住。考慮到風(fēng)管內(nèi)部的灰塵，可能將攝像頭的鏡頭沾上灰塵，造成鏡頭模糊，所以本設(shè)計在攝像頭外，加一個透明的玻璃罩，以防止灰塵的進入，影響攝像頭的成像。在攝像頭的安裝時，還存在著另一個問題，就是數(shù)據(jù)線的長度。由于攝像頭本身自帶的數(shù)據(jù)線長度只有 1 米左右，而機器人要工作的距離一般在 30-50 米，無法滿足工作的要求。為了解決這個問題，需要采用 USB 的延長線。在 USB 的延長線選擇上，為了達(dá)到數(shù)據(jù)上的高速傳輸，本設(shè)計選擇 USB2.0 規(guī)格的延長線，正好和攝像頭的接口類型一致；而且 USB 延長線需要良好的屏蔽電磁干擾。2.2 照明燈由于擔(dān)心攝像頭上的 LED 補光燈無法達(dá)到良好的燈光效果，本設(shè)計在小車上安裝了照明燈。照明燈的選擇需要考慮到以下幾個方面：照明燈的燈光強度。由于燈光太亮，會導(dǎo)致觀察到的是一片白色。太暗又無法正常觀察清掃的情況。因此，需要在遠(yuǎn)程控制給予照明燈的電流大小，以保證正常的發(fā)光。照明等的安裝問題。為了達(dá)到良好的燈光效果，本設(shè)計準(zhǔn)備在小車的兩個角上，各安裝一個照明燈，這樣能夠達(dá)到范圍大，光源強度大的效果。管道清潔機器人總體設(shè)計 43 機器人的運動系統(tǒng)機器人的運動系統(tǒng)是采用四輪驅(qū)動的方式，四個輪子成矩形放置。前輪為主動輪，裝有兩個直流電機進行驅(qū)動，后輪萬向從動輪。3.1 底板的設(shè)計機器人的主要部件采用不銹鋼制造，底板采用厚度為 4mm 的不銹鋼，其牌號為0Cr19Ni9N。主要的化學(xué)成分及力學(xué)如下表：表 3.1 0Cr19Ni9N 的化學(xué)成分鋼號 C Si Mn P S Ni Cr N Mo0Cr19Ni9N≤0.08≤1.00≤2.00≤0.0357-10.518-200.1-0.250.1-0.25-表 3.2 0Cr19Ni9N 的力學(xué)性能鋼號 б b,,MPaб 0.2，MPaδ,% Ψ,% HB0Cr19Ni9N ≥550 ≥275 ≥35 ≥50 ≤2170Cr19Ni9N 鋼不僅耐銹性優(yōu)良，而且對多數(shù)有機化學(xué)介質(zhì)（如染料等）和很多無機化學(xué)介質(zhì)都耐蝕，對于強酸類，耐硝酸性良好，在較小程度上的硫酸，而不耐鹵族酸的腐蝕。由于管道的限制，以及設(shè)計的分析，底板的長和寬為 400×300mm，厚度為 4mm。在底板上面，需要安裝攝像頭、清潔毛刷機構(gòu)，以及電路板和照明燈。3.2 驅(qū)動電機的選擇與設(shè)計驅(qū)動電機選用帶減速器的齒輪減速直流電機。（1）電機減速器輸出轉(zhuǎn)矩的估算清潔機器人產(chǎn)品估計重量 100N，數(shù)據(jù)線和電纜的摩擦力約為 100N，清潔刷所產(chǎn)生的摩擦力為 20N，清潔機器人驅(qū)動阻力 Ff=220N。由于采用雙電機驅(qū)動，所以每個電機所承載的驅(qū)動阻力為 。NfF102?而輪胎的半徑為 R=45mm，所以電機減速器的輸出轉(zhuǎn)矩為 T=4.95N·m。（2）電機減速器輸出功率的估算因為機器人的行走速度 v=0-10m/min，減速器輸出的轉(zhuǎn)速估算為 n=40r/min。管道清潔機器人總體設(shè)計 5所以，電機減速器輸出功率 P≈20W。（3）電機減速器的選擇電機選用 SZ 系列，該減速電機的型號為 45SZ55/2027，電機的主要參數(shù)如表 3.3所示，減速器的主要參數(shù)如表 3.4 所示，電機的安裝示意圖如圖 3.5 所示。表 3.3 電機的主要參數(shù)電壓 V 電流 A 不大于型號 轉(zhuǎn)矩N·m轉(zhuǎn)速r/min功率W 電樞磁勵電樞 磁勵允許順逆轉(zhuǎn)速差r/min45SZ55 400 6000 25 24 2 0.45 300表 3.4 減速器的主要參數(shù)減速比 100減速級數(shù) 3減速器長度(L1)mm 31空載轉(zhuǎn)速 r/min 60額定轉(zhuǎn)速 r/min 42額定轉(zhuǎn)矩 kg·cm 63最大瞬間允許負(fù)載 kg·cm 8圖 3.5 電機安裝圖3.3 輪胎的選擇輪胎所選用的材料為工業(yè)橡膠，這種材料的優(yōu)點為它與剛性材料之間的摩擦系數(shù)大，其動摩擦系數(shù)可達(dá) 0.4，靜摩擦系數(shù)可達(dá) 0.45。為了增加輪胎與管道之間的摩擦力，本設(shè)計選用輪胎的寬度為 45mm，直徑為 90mm，這種類型的輪胎屬于玩具類輪胎，可以從網(wǎng)上選購。其示意圖如圖 3.7。再按減速器輸出軸的大小配以適當(dāng)?shù)妮嗇灒蜆?gòu)管道清潔機器人總體設(shè)計 6成了所設(shè)計的輪胎部分。整個輪轂采用塑料制造，使其外完全與橡膠輪胎緊密配合，其中間突出部分為緊固部分?？紤]到風(fēng)管中，清潔機器人的使用時間比較長，而且整個清潔機器人的重量達(dá) 10kg 以上，輪轂與軸之間僅以過盈配合產(chǎn)生的摩擦力可能達(dá)不到要求而產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，或因為長時間使用后產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，使整個清潔機器人無法正常工作。所以在突出端上面開一個 M4 的螺紋孔，將與輪轂孔配合的軸銑出一個小平面。裝配好后用一個螺釘將卡住，防止輪轂與軸之間出現(xiàn)相對運動。圖 3.6 輪胎實體圖3.4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計后輪的轉(zhuǎn)向機構(gòu)的三維設(shè)計圖如圖 3.7 所示，零件轉(zhuǎn)向頭的三維設(shè)計圖如圖 3.8所示，其具體尺寸詳見設(shè)計附圖。圖 3.7 轉(zhuǎn)向機構(gòu)示意圖圖 3.8 轉(zhuǎn)向頭管道清潔機器人總體設(shè)計 7這個機構(gòu)的工作原理是：連接輪轂的軸通過軸承與轉(zhuǎn)向頭連接，軸承安裝時，先從大口裝入，再用軸承蓋將其固定，使其得到良好定位。轉(zhuǎn)向頭與支架裝配時，先將較大端裝入底板中，然后將較小端裝入支架的孔中，通過焊接，將支架同底板固定。與后輪輪轂所連接的軸的設(shè)計如圖：所示。其中，與軸承和輪轂的配合均為過渡配合。其中軸承因為與軸連接，基本不受軸向力，所以選擇深溝球軸承，代號為 61800，主要參數(shù)為：軸承代號|60000 型:61800基本尺寸 d|/mm:10基本尺寸Ｄ|/mm:19基本尺寸 B|/mm:5安裝尺寸 da(min) |/mm:12.0安裝尺寸 Da(max) |/mm:17.0安裝尺寸 ra(max) |/mm:0.3其他尺寸 d2≈|/mm:12.6其他尺寸 D2≈|/mm:16.4其他尺寸/mm |r(min) :0.3基本額定載荷/kN|Cr:1.80基本額定載荷/kN|C0r:0.93極限轉(zhuǎn)速/(r/min)|脂:28000極限轉(zhuǎn)速/(r/min)|油:36000重量 W|/kg≈:0.005前輪支架的設(shè)計如圖：所示 3.9 安裝時，先將電機通過螺母固定在支架上，再通過焊接將其固定在底板上。圖 3.9 前輪支架前輪直接安裝在電機減速器的輸出軸上作為前輪傳動軸。3.5 機器人移動的實現(xiàn)方法管道清潔機器人總體設(shè)計 8清潔機器人是通過裝在前輪上的兩個電機進行驅(qū)動，轉(zhuǎn)向時，通過兩個電機的轉(zhuǎn)速差，同后輪的轉(zhuǎn)向輪配合，實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向。兩個電機可實現(xiàn)的運動有：當(dāng)兩個驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速相同且方向相同時，清潔機器人直線前進或者后退。當(dāng)一個驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，另一個驅(qū)動電機停止時，清潔機器人向左或向右進行轉(zhuǎn)向運動。當(dāng)兩個驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速相同且方向相反時，清潔機器人在原地打轉(zhuǎn)。這種驅(qū)動方式，轉(zhuǎn)向半徑最小，有利于在狹小的管道中進行作業(yè)。管道清潔機器人總體設(shè)計 94 清潔毛刷的清潔系統(tǒng)4.1 清潔毛刷的設(shè)計分析圖 4.1 清潔系統(tǒng)的二維圖清潔刷機構(gòu)裝置是管道清潔機器人清掃系統(tǒng)的核心工作部件之一,其二維實體模型于圖 4.1 所示。在圖 4.1 中，1 為大帶輪軸，2 為大帶輪，3 為清潔毛刷，4 為同步帶，5 為手臂，6 為連接架，7 為橫桿，8 為支撐架，9 為聯(lián)軸器，10 為電機，11 為小帶輪軸，12 為小帶輪。在設(shè)計過程中需要考慮驅(qū)動電機如何放置以及如何與移動小車的連接問題。這直接影響到整個運動的傳遞，從而影響了清潔刷機構(gòu)的結(jié)構(gòu)。此外還需注意的就是清潔刷臂的平衡和手臂的自動調(diào)節(jié)問題。綜合考慮以上問題，本設(shè)計設(shè)計了圖 4.1 所示的清潔刷機構(gòu)。管道清潔機器人總體設(shè)計 10此清潔系統(tǒng)由大帶輪、同步帶、支撐架部分、清潔毛刷、手臂、軸承座、套筒聯(lián)軸器、直流電機、小帶輪、大帶輪軸、小帶輪軸等主要零部件和軸承、軸承端蓋、軸套、螺釘?shù)容o助零件組成，整個裝置可在 30 度內(nèi)調(diào)節(jié)。該清潔刷機構(gòu)有如下特點：1.電機橫在小車靠中部，這樣布置電機的優(yōu)點是可以充分利用小車上面的空間，安裝單片機控制箱和攝像頭及照明燈；2.采用同步帶傳動，取代錐齒輪傳動軸向力大的缺點。使電機的壽命延長，而且價格低廉，簡單高效；3.刷臂可在一定角度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)（30 度） ，這樣可使該清潔刷機構(gòu)適用于多種高度的空調(diào)管道，具有一定的通用性；4.備有各種規(guī)格的清潔刷軸和刷毛供替換，方便快捷，可適用于絕大部分空調(diào)管道。4.2 旋轉(zhuǎn)刷的設(shè)計及材料選擇設(shè)計的旋轉(zhuǎn)刷頭有四種材料系列：尼龍刷、鋼刷、不銹鋼刷和銅刷。尼龍刷適用于所有材質(zhì)的管道，不會對管道壁造成損傷；鋼刷適用于各種鋼管；不銹鋼刷適用于鈦合金管道和銅鎳合金管道；銅刷適用于材質(zhì)為有色金屬的管道。所以本設(shè)計選擇尼龍作為清潔刷 66 的材料。旋轉(zhuǎn)刷是由 24V 直流電機通過同步帶進行傳動的。同步帶安裝在一個手臂上，便于手臂的安裝。而且手臂的一頭支撐軸和旋轉(zhuǎn)刷的直流驅(qū)動電機軸為同一根軸。旋轉(zhuǎn)刷可拆卸并且有不同的材料和尺寸系列,整個裝置可以進行俯仰 30 度的調(diào)整,從而保證在寬度 400mm～1000mm,高度 300mm～600mm 的矩形管道都能徹底清掃到管道的邊角和頂部。裝置中通過安裝在手臂上的彈簧，可以使清潔機器人在不同管道內(nèi)進行小幅度的自動調(diào)節(jié)，而且彈簧起到了固定手臂的作用。這種裝置和采用傳感器便宜得多了。在清掃過程中,利用 24V 直流電機作為動力，容易控制。通過旋轉(zhuǎn)刷的高速旋轉(zhuǎn)使灰塵落下來，便于吸塵系統(tǒng)進行收集。4.3 驅(qū)動電機的選擇選擇電機前，需要先對輸出轉(zhuǎn)矩進行估計。清掃刷與管壁靜摩擦系數(shù)為 0.37，動摩擦系數(shù)為 0.34 刷與管道之間的壓力為 5N.由于選用的是尼龍刷，通過試驗空氣對清掃刷的阻力可以忽略不計，轉(zhuǎn)動時軸承與軸之間產(chǎn)生的力大約估計為 2N 摩擦系數(shù)為 0.002，刷子最大的半徑為 300mm。清掃刷所受的摩擦力為 0.37 10=3.7N?因為清掃刷的驅(qū)動模式為單電機通過同步帶驅(qū)動，同步帶的效益可以達(dá)到 98%所以驅(qū)動電機所承受的驅(qū)動阻力 為 F=3.7N而清掃刷刷子的最大的半徑為 d=300mm，所以輸出的轉(zhuǎn)矩為 T=1.11N·m電機輸出功率的估算：管道清潔機器人總體設(shè)計 11同步帶減速機構(gòu)減速比為 2，刷子最大的轉(zhuǎn)速為 600r/min。所以選用電機的轉(zhuǎn)速為 1200r/min在輸入軸上的轉(zhuǎn)矩為 1.11/2=0.555N·m所以電機減速器的輸出功率 P：(4-1)WnTP6950???故選用驅(qū)動的電機為 SZ 系列，該系列電機參數(shù)如表 4.3 所示，這種減速電機的型號為 90SZ55。由于在該系列轉(zhuǎn)速沒有 1200r/min，所以選擇 1500r/min 的 90SZ55 電機。表 4.3 電機的主要參數(shù)電壓 V 電流 A 不大于型號 轉(zhuǎn)矩N·m轉(zhuǎn)速r/min功率W 電樞磁勵電樞 磁勵允許順逆轉(zhuǎn)速差r/min90SZ55 5200 1500 80 24 5 1 1004.4 手臂的設(shè)計手臂在清潔系統(tǒng)中，起著連接和調(diào)節(jié)高度的作用，而且此手臂的質(zhì)量較輕，承受的力大，便于安裝拆卸。手臂的兩端與軸相連，上端與支撐架的彈簧相連，通過手動調(diào)節(jié)起上下空間中的角度。在不是很大的管道高度之間的變化，可以通過彈簧的自動調(diào)節(jié)，避免了要把機器人拿下來再調(diào)節(jié)的麻煩。下圖 4.4 便是手臂的三維結(jié)構(gòu)圖：圖 4.4 手臂4.5 支撐架的設(shè)計支撐架的三維結(jié)構(gòu)圖如圖 4.5 所示。此支撐架由 2 根硬氯乙烯層壓板材、厚 5mm，高度為 165mm 的支架安裝在機器人的底板上，中間連接著支撐板，厚度為 15mm，其中，中央的螺紋孔直徑為 8mm。管道清潔機器人總體設(shè)計 12圖 4.5 支撐架該支撐架通過安裝帶有彈簧的螺紋桿，通過調(diào)節(jié)螺紋桿伸出的長度，從而使手臂可以在一定角度內(nèi)進行調(diào)節(jié)。而且安裝的螺紋桿的支撐板可以進行 360 度的旋轉(zhuǎn)，這樣可以使在不同的角度下，彈簧只受軸向的拉力和壓力。不會讓彈簧受徑向力，并延長彈簧的壽命。因為支撐架高 165mm，手臂與支撐板之間的距離為 90mm，彈簧長 30mm，螺柱的長度為 40mm。所以手臂可以調(diào)節(jié) 30 度左右。彈簧能在 50N 以下的力內(nèi)進行調(diào)節(jié)。彈簧基本參數(shù)：材料名稱彈簧用不銹鋼絲 A 組鋼絲直徑 d=1.2(mm)彈簧中徑 D=10(mm)旋繞比 C=5曲度系數(shù) K=1.31實際剛度 k=5.4(N/mm)有效圈數(shù) n=10工作行程 h=1最小變形比 f1/fs=0.36最大變形比 f2/fs=0.68自由長度 H0=32(mm)安裝長度 H1=32.2(mm)工作長度 H2=34(mm)試驗長度 Hs=35(mm)節(jié)距 p=1.2(mm)螺旋角 α=3°02′彈簧材料展開長度 L=439.6(mm)管道清潔機器人總體設(shè)計 134.6 傳動帶的設(shè)計同步帶傳動具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。同步帶傳動由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準(zhǔn)確的傳動比。同步帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為抗拉體，氯丁橡膠或聚氨酯為基體,這種帶薄而且輕，故可用于較高速度。傳動時的線速度可達(dá) 50m/s，傳動比可達(dá) 10，效率可達(dá) 98％。傳動噪音比帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨性好，不需油潤滑，壽命比摩擦帶長。其主要缺點是制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴(yán)格。所以同步帶廣泛應(yīng)用于要求傳動比準(zhǔn)確的中、小功率傳動中，如家用電器、計算機、儀器及機床、化工、石油等機械。同步帶有單面有齒和雙面有齒兩種，簡稱單面帶和雙面帶。雙面帶又有對稱齒型（DI）和交錯齒型（DII）之分。同步帶齒有梯形齒和弧形齒兩類。同步帶型號分為最輕型 MXL、超輕型 XXL、特輕型 XL、輕型 L、重型 H、特重型 XH、超重型 XXH 七種。在規(guī)定張緊力下，相鄰兩齒中心線的直線距離稱為節(jié)距，以 p 表示。節(jié)距是同步帶傳動最基本的參數(shù)。當(dāng)同步帶垂直其底邊彎曲時，在帶中保持原長度不變的周線，稱為節(jié)線，節(jié)線長以 LP 表示。同步帶帶輪的齒形推薦采用漸開線齒形，可用范成法加工而成。也可以使用直邊齒形。同步帶傳動的主要失效形式是同步帶疲勞斷裂，帶齒的剪切和壓潰以及同步帶兩側(cè)邊、帶齒的磨損。保證同步帶一定的疲勞強度和使用壽命是設(shè)計同步帶傳動的主要依據(jù)。因此同步帶傳動設(shè)計時主要是限制單位齒寬的拉力，必要時才校核工作齒面的壓力。同步帶的設(shè)計：首先設(shè)計同步帶的功率，由于選擇的電機的功率 P=80W，查“載荷修正系數(shù) KA 表得，載荷修正系數(shù) KA=1.2,所以(4-2)WPd962.180???選定帶型節(jié)距根據(jù) Pd 和清潔刷轉(zhuǎn)速 n=1500r/min 即小帶輪的轉(zhuǎn)速 n1 為750r/min，本設(shè)計選擇帶型為 L，寬度為 25.4mm，P b=9.525mm 的同步帶。根據(jù)帶型 L，寬度 25.4mm，P b=9.525mm，可以確定小帶輪的齒數(shù)和節(jié)圓半徑：小帶輪齒數(shù) Z1=16；小帶輪節(jié)圓直徑 d1=48.51mm設(shè)定帶輪的傳動比 i=2，所以根據(jù)傳動比和小帶輪齒數(shù)，得出大帶輪齒數(shù)為：(4-3)32612??iz由表“標(biāo)準(zhǔn)同步帶輪的直徑”查得：管道清潔機器人總體設(shè)計 14大帶輪的節(jié)圓直徑 d2=97.02mm。帶速 (4-3)smvsnv /50/8.310675.48106 ax???????（查表得，帶型 L 的 vmax=50m/s。 ）初定軸間距根據(jù)結(jié)構(gòu)要求定為：a 0=500mm帶長及齒數(shù) mm (4-4)??65.1294201210 ????adda?根據(jù)表“梯形齒同步帶的節(jié)線長系列及極限偏差”選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長 Lp及其齒數(shù)Z：標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線 Lp=1219.2mm；節(jié)上的齒數(shù) Z=128；代號為 480。實際軸間距 mm (4-5)75.49200????LaP小帶輪嚙合齒數(shù) (4-6)??71211????????ZazentZbm?基本額定功率 kw (4-7)??923.008.395.46.0220 ???vTPa其中，T a是寬度為 bs0的帶的許用工作拉力，m 是寬度為 bs0的帶單位長度的質(zhì)量，根據(jù)表“基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作拉力 Ta 和單位長度的質(zhì)量”得，Ta=244.46，m=0.095。 ）帶寬根據(jù)表“梯形齒同步帶寬度 bs系列”選取標(biāo)準(zhǔn)值，取 bs=25.4mm。作用在軸上的力 (4-8)NvPFdr 15.26310?綜上所述，帶輪的齒數(shù)和節(jié)圓直徑分別為：小帶輪：Z 1=16；d 1=48.51mm大帶輪：Z 1=32；d 2=97.02mm4.7 帶輪的設(shè)計帶輪的形狀分為雙邊擋圈，單邊擋圈和無擋圈三種。而本設(shè)計選擇的是無擋圈型。根據(jù)帶型 L，帶寬 25.4mm，查表“同步帶的寬度”得：帶輪的最小寬度為 29.7，所以本設(shè)計取大帶輪和小帶輪的寬度為 29.7mm。帶輪的尺寸圖如圖 4.6 所示。管道清潔機器人總體設(shè)計 15查表“直邊齒帶輪的尺寸”得：圖 4.6 帶輪的尺寸圖小帶輪的參數(shù)如下：槽型:L齒數(shù)：16節(jié)圓直徑 d：48.51帶輪寬度：29.7齒槽底寬 bw:3.05±0.10齒高 hg:2.67(0,-0.10)槽半角 φ±1.5°:20齒根圓角半徑 rf:1.19齒頂圓角半徑 ra:1.17(+0.13,0)節(jié)頂距 2δ:0.762外圓直徑 da: da＝d-2δ=47.75外圓節(jié)距 pa: pa＝π·da/z=9.37(z──帶輪齒數(shù))根圓直徑 df: df＝da-2hg=42.41大帶輪的參數(shù)如下：槽型:L齒數(shù)：32管道清潔機器人總體設(shè)計 16節(jié)圓直徑 d：97.02帶輪寬度：29.7齒槽底寬 bw:3.05±0.10齒高 hg:2.67(0,-0.10)槽半角 φ±1.5°:20齒根圓角半徑 rf:1.19齒頂圓角半徑 ra:1.17(+0.13,0)節(jié)頂距 2δ:0.762外圓直徑 da: da＝d-2δ=96.26外圓節(jié)距 pa: pa＝π·da/z=9.44(z──帶輪齒數(shù))根圓直徑 df: df＝da-2hg=90.924.8 驅(qū)動軸的設(shè)計小帶輪軸的設(shè)計圖如圖 4.7 所示：圖 4.7 小帶輪軸的二維圖小帶輪軸選擇的材料為 40Cr，由機械設(shè)計手冊查得材料力學(xué)性能參數(shù)為：203571????sb根據(jù)機械設(shè)計手冊中的公式初步計算軸徑。由于材料為 40Cr，選擇 A=100，而，T=0.52N·m ，得：??45mm (4-9)86.3???Td管道清潔機器人總體設(shè)計 17大帶輪軸的材料同大帶輪一樣，選擇 40Cr。軸徑 mm。87.4?d4.9 聯(lián)軸器的選擇套筒聯(lián)軸器分為圓錐銷套筒聯(lián)軸器、平鍵套筒聯(lián)軸器和半圓鍵套筒聯(lián)軸器。本設(shè)計選擇圓錐銷套筒聯(lián)軸器。其聯(lián)軸器的參數(shù)如圖 4.8 所示：圖 4.8 圓錐銷套筒聯(lián)軸器軸直徑 d(H7):10許用轉(zhuǎn)矩/(N·m):4.5D0:18L:35ｌ:8C:0.5C1:0.5圓錐銷 GB/T 117-2000:2.5×18選用此聯(lián)軸器，由于工作轉(zhuǎn)矩小于許用值，且結(jié)構(gòu)簡單。4.10 軸承、軸套等零件的選擇與設(shè)計(1)軸承在清潔毛刷的系統(tǒng)中共有三組軸承，考慮到所受的徑向力很小和使結(jié)構(gòu)更簡單，均采用深溝球軸承。其中有兩組直接安裝在手臂上，選用型號為 61902 的軸承，其基本的參數(shù)如下：軸承代號|60000 型:61902基本尺寸 d|/mm:15基本尺寸Ｄ|/mm:28基本尺寸 B|/mm:7管道清潔機器人總體設(shè)計 18安裝尺寸 da(min) |/mm:17.4安裝尺寸 Da(max) |/mm:26安裝尺寸 ra(max) |/mm:0.3其他尺寸 d2≈|/mm:18.3其他尺寸 D2≈|/mm:24.7其他尺寸/mm|r(min):0.3基本額定載荷/kN|Cr:4.30基本額定載荷/kN|C0r:2.30極限轉(zhuǎn)速/(r/min)|脂:20000極限轉(zhuǎn)速/(r/min)|油:26000重量 W|/kg≈:0.012另一組軸承安裝在軸承座上，選用型號為 6300 的軸承，其基本的參數(shù)如下：軸承代號|60000 型:6300基本尺寸 d|/mm:10基本尺寸Ｄ|/mm:35基本尺寸 B|/mm:11安裝尺寸 da(min) |/mm:15.0安裝尺寸 Da(max) |/mm:30.0安裝尺寸 ra(max) |/mm:0.6其他尺寸 d2|/mm≈:19.4其他尺寸 D2|/mm≈:27.6其他尺寸/mm|r(min):0.6基本額定載荷/kN|Cr:7.65基本額定載荷/kN|C0r:3.48極限轉(zhuǎn)速/(r/min)|脂:18000極限轉(zhuǎn)速/(r/min)|油:24000重量 W|/kg≈:0.053管道清潔機器人總體設(shè)計 195 機器人的吸塵系統(tǒng)5.1 吸塵系統(tǒng)的設(shè)計分析吸塵系統(tǒng)主要由外殼，電機，葉片，過濾網(wǎng)和過濾片等組成?？紤]到機器人的重量和成本問題，外殼和葉片均采用塑料制成，其中，葉片采用聚酰胺，外殼采用聚苯醚制成。吸塵系統(tǒng)的二維設(shè)計圖如圖 5.1 所示。圖 5.1 吸塵系統(tǒng)的二維圖在圖 5.1 中，1 為搭扣，2 為彈簧，3 為串激電機，4 為后端箱，5 為固定板，6 為風(fēng)扇，7 為過濾網(wǎng)，8 為塵箱，9 為過濾片。吸塵系統(tǒng)的工作原理是電機高速旋轉(zhuǎn)，從吸入口吸入空氣，使塵箱產(chǎn)生一定的真空，灰塵通過主吸管進入塵箱中的濾塵袋，灰塵被留在濾塵袋內(nèi)。5.2 電機的選擇考慮到電機的體積問題，而且對于吸塵系統(tǒng)，電機的轉(zhuǎn)速要求在每分鐘 5000 轉(zhuǎn)左右，且扭矩要大，對于這些問題，串激電機正好解決了這些問題。串激電機擁有體積小，扭矩大，且轉(zhuǎn)速也大，對應(yīng)于吸塵系統(tǒng)，它需要高轉(zhuǎn)速在容器內(nèi)外形成負(fù)壓,，以產(chǎn)生吸力。所以，選擇串激電機，其型號為 RY5425M11，其實體圖如圖 5.2 所示，尺寸如圖 5.3 所示，其電機參數(shù)如表 5.4 所示。管道清潔機器人總體設(shè)計 20圖 5.2 串激電機的實體圖圖 5.3 串激電機的尺寸圖表 5.4 串激電機的參數(shù)5.3 葉片的設(shè)計葉片的三維模型圖如圖 5.5 所示。葉片的直徑為 50mm，葉片上由 10 片小的葉片組成。葉片的安裝直接和串激電機的主軸連接。電源 空載 最大效率 最大功率型號電壓頻率轉(zhuǎn)速電流效率轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩電流輸出功率轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩電流RY5425M11110 60 145000.4832.367310.04360.8732.751670.0611.06管道清潔機器人總體設(shè)計 21圖 5.5 風(fēng)扇5.4 外殼的設(shè)計外殼分為兩部分組成，一部分為前端的塵箱，一部分為后端的裝電機和風(fēng)扇的箱體。塵箱和后端箱體的三維圖如圖 5.6，圖 5.7 所示。圖 5.6 塵箱三維圖管道清潔機器人總體設(shè)計 22圖 5.7 后端箱體三維圖后端箱體由上半箱和下半箱組成，兩部分通過 M3 的十字螺釘連接。在箱體的后端開幾個矩形槽是為了將電機通過負(fù)壓吸入的風(fēng)向外排出；中間的結(jié)構(gòu)是為了固定一個厚度為 2mm 的矩形支架，使其起到定位作用，并用 M4 的螺母固定串激電機；前端的設(shè)計，是為了讓沉箱得到一個良好的負(fù)壓，以達(dá)到吸塵的功效。5.5 其他零件的設(shè)計過濾網(wǎng)采用海帕過濾網(wǎng)，其過濾網(wǎng)的實體圖如圖 5.8 所示。海帕它是一種高效過濾器,可以將極小的灰塵擋住,效率達(dá)到 99.97%。它的透氣度是較低的,因此都做成波浪形以增加透氣面積。這種過濾材料有的還可以反復(fù)清洗。過濾網(wǎng)直接塞于塵箱中，由于塵箱有定位過濾網(wǎng)的措施，所以只要將過濾網(wǎng)塞于其中就行。圖 5.8 過濾網(wǎng)矩形支架的二維視圖如圖所示，為了配合串激電機的安裝和定位，在中央?yún)^(qū)域攻4 個 M4 的螺紋，并在中央開取一個直徑為 8mm 的圓，為了讓串激電機的主軸通過。矩形支架的安裝只要將 4 個角塞于后端箱體的定位處即可。管道清潔機器人總體設(shè)計 236 機器人的控制系統(tǒng)6.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計概述機器人的控制系統(tǒng)，主要通過單片機來實現(xiàn)控制。使用 PC 機作為上位機，并通過VB 來編寫應(yīng)用程序，從 VB 程序上發(fā)送信號給單片機 STC89C52，單片機在收到命令后，控制三個直流電機進行工作?？刂葡到y(tǒng)功能框架圖如圖 6.1 所示：圖 6.1 控制框架圖除了硬件的支持外，還需要對程序的設(shè)計。單片機 STC89C52 采用的是 8051 單片機為核心，所以，對于單片機的編程采用 C 語言，上位機 PC 機采用 VB 編寫程序。其程序框架圖如圖 6.2 所示：圖 6.2 程序框架圖上位機 PC 機上的應(yīng)用程序能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有：用戶可通過程序界面上觀看機器人的清潔現(xiàn)場，并可控制機器人的前進，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，加速，減速，清潔刷的開關(guān)等。要實現(xiàn)機器人的功能之前，先要檢查連接的正常與否，只有在確定連接成功的管道清潔機器人總體設(shè)計 24情況下，才能進一步執(zhí)行機器人的控制。6.2 控制系統(tǒng)各硬件的介紹（1）單片機 STC89C52單片機是一種集成電路芯片，并采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU、隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上，從而構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 STC89C52 單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速且低功率的單片機，指令代碼完全兼容 8051 單片機，其特點為：1. 工作電壓： 5.5v-3.4v；2. 用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié)；3. 工作溫度范圍： 0-75℃。（2）MAX232MAX232 芯片是美信公司專門為電腦的 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的接口電路,使用+5v單電源供電。由于電腦串口 RS-232 電平是-10v～+10v ，而一般的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的信號電壓是 TTL 電平 0～+5v,max232 就是用來進行電平轉(zhuǎn)換的，使單片機能正常接受信號，并正常工作。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6 腳和 4 只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v 和-12v 兩個電源，提供給 RS-232 串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中 13 腳（R1IN） 、12 腳（R1OUT） 、11 腳（T1IN） 、14 腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8 腳（R2IN） 、9 腳（R2OUT） 、10 腳（T2IN） 、7 腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS 數(shù)據(jù)從 T1IN、T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 RS-232 數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT 送到電腦 DP9 插頭；DP9 插頭的 RS-232 數(shù)據(jù)從 R1IN、R2IN 輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS 數(shù)據(jù)后從 R1OUT、R2OUT 輸出。第三部分是供電。15 腳 DNG、16 腳 VCC（+5v） 。其原理圖如圖 6.3 所示。管道清潔機器人總體設(shè)計 25圖 6.3 MAX232 原理圖（3）PTR2000無限收發(fā)一體數(shù)傳 MODEM 模塊 PTR2000 芯片性能優(yōu)異，在業(yè)界居領(lǐng)先水平，它的顯著特點是所需外圍元件少，因而設(shè)計非常方便。該模板塊在內(nèi)部需成了高頻接收、PLL 合成、FSK 調(diào)制/解調(diào)、參量放大、功率放大、頻道切換等功能，因而是目前集成度較高的無線數(shù)傳產(chǎn)品。 [12]PTR2000 的主要特征如下：1．該器件將接收和發(fā)射合接為一體；2．工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段 433MHz；3．采用 FSK 調(diào)制/解調(diào)，可直接進入數(shù)據(jù)輸入/輸出，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合；4．采用 DDS（直接數(shù)據(jù)合成）+PLL 頻率合成技術(shù)，因而頻率穩(wěn)定性極好；5．靈敏度高達(dá)—105bBm；6．工作電壓低（2.7V） ，功耗小，接受待機狀態(tài)電流僅為 8μA；7．具有兩個頻道，可滿足需要多信道工作的場合；8．工作數(shù)率最高達(dá) 20kbit/s(也可在較抵速率下工作，如 9600bps)；9．超小體積，約 40×27×5mm3；10．可直接與 CPU 串口進行連接（如 8031） ，也可以用 RS232 與計算機接口，軟件編程非常方便；管道清潔機器人總體設(shè)計 2611．標(biāo)準(zhǔn)的 DIR 引腳間距更適合于嵌入式設(shè)備；12．由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏的設(shè)計，因此使用時無需申請許可證，開闊地時的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá) 1000 米。PTR2000 模板的引腳排列如圖 6.4 所示。各引腳的功能說明如下；VCC（1 腳）：下輸入端，電壓范圍為 2.7~5.25V；CS（2 腳）：頻道選擇端。CS=0 時，選擇工作頻道 1，即 433.92MHz；CS=1 時選擇工作頻道 2，即 434.33 MHzDO（3 腳）：數(shù)據(jù)輸出端；DI（4 腳）：數(shù)據(jù)輸入端GND（5 腳）：電源地PWR（6 腳）：節(jié)能控制端。當(dāng) PWR=1 時，模塊處于正常工作狀態(tài)，PWR=0 時，模塊處于待機微功耗狀態(tài)；TXTN（7 腳）：發(fā)射/接收控制端。當(dāng) TXTN=1 時，模塊為發(fā)射狀態(tài)；當(dāng) TXTN=0 時，模塊被設(shè)置為接受狀態(tài)。圖 6.4 PTR2000 引腳示意圖PTR2000 的工作模式如表 6.5 所示：表 6.5 PTR2000 的工作模式TXEN CS PWR 工作頻道號 芯片狀態(tài)0 0 1 1 接收0 1 1 2 接收1 0 1 1 發(fā)送1 1 1 2 發(fā)送X X 0 待機