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山東英才學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目
中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人
學(xué) 院
機(jī)電學(xué)院
專業(yè)班級(jí)
1503
學(xué)生姓名
王永恒
學(xué) 號(hào)
201501010771
指導(dǎo)教師
段輝
日 期
2019年 月 日
1
山東英才學(xué)院本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)（論文）
摘 要
隨著科技的發(fā)展,中央空調(diào)為人們創(chuàng)造舒適環(huán)境的同時(shí)卻又帶來了隱患?！翱照{(diào)病”患者逐漸增多,造成這樣原因的就是中央空調(diào)管道的并不能得到及時(shí)清洗，這讓人體健康受到了極大傷害。另一個(gè)方面的影響是不潔凈的空調(diào)管道還會(huì)讓制冷效果下降,使得大量的能源被浪費(fèi)。故制造中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人目前刻不容緩。
本文闡述了國(guó)內(nèi)外中央空調(diào)清潔機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，講明了本課題的研究背景及意義，進(jìn)行了中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)，并針對(duì)現(xiàn)存情況,本文研制出一種具有自適應(yīng)可調(diào)型空調(diào)管道清掃機(jī)器人,通過更換不用的刷頭及履帶足自變位系統(tǒng)機(jī)器人能夠滿足方管、圓管管道的清掃工作要求。通過履帶足上的電磁鐵的通斷電能夠?qū)崿F(xiàn)水平與垂直上升的工作要求。通過CCD彩色攝像機(jī)能實(shí)現(xiàn)控制人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
所設(shè)計(jì)的中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人最終實(shí)現(xiàn)了不同管徑、不同管道的清洗工作，完成了自適應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人小型化、輕量化的要求，更適應(yīng)目前國(guó)內(nèi)的發(fā)展形勢(shì)。
關(guān)鍵詞：自適應(yīng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；受力分析
Abstract
With the development of technology, central air-conditioning creates a comfortable environment for people while bringing hidden dangers. The number of patients with "air-conditioning disease" has gradually increased. The reason for this is that the central air-conditioning ducts cannot be cleaned in time, which is extremely harmful to the health of the body. Another aspect of the impact is that unclean air conditioning ducts will also reduce the cooling effect, causing a large amount of energy to be wasted. Therefore, it is urgent to manufacture a central air-conditioning pipe cleaning robot.
This paper expounds the development status of central air-conditioning cleaning robots at home and abroad, explains the research background and significance of this topic, and carries out the research and design of the mechanical structure of central air-conditioning pipe cleaning robots, and develops a self-contained It can adapt to the adjustable air conditioning pipe cleaning robot. It can meet the cleaning requirements of square pipe and round pipe by replacing the unused brush head and the track foot self-displacement system robot. The horizontal and vertical rise of the working requirements can be achieved by the on and off of the electromagnet on the track foot. The real-time monitoring of the control personnel can be realized by the CCD color camera.
The designed central air-conditioning pipe cleaning robot finally realized the cleaning work of different pipe diameters and different pipes, completed the adaptive function, realized the requirements of miniaturization and light weight of the robot, and better adapted to the current domestic development situation.
Keywords: adaptive；structural design；stress analysis
目錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1設(shè)計(jì)意義及發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2國(guó)內(nèi)中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及存在的弊端 1
1.3 本章小結(jié) 2
2 中央空調(diào)管道清洗機(jī)人的整體設(shè)計(jì) 3
2.1 機(jī)器人功能的總體設(shè)計(jì)方案 3
2.2 清洗機(jī)器人的尺寸及參數(shù)要求 3
2.3 清洗機(jī)器人的系統(tǒng)組成及功能 3
2.4 模擬清洗機(jī)器人的工作狀態(tài) 4
2.5 本章小結(jié) 4
3 中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人移動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
3.1 清洗機(jī)器人整體尺寸大小的確定 5
3.2 機(jī)器人移動(dòng)方式的選擇 5
3.3機(jī)器人履帶爬壁的力學(xué)分析 6
3.3.1 爬壁時(shí)靜態(tài)力學(xué)分析 7
3.3.2 爬壁時(shí)運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析 7
3.4機(jī)器人履帶足的選擇 8
3.4.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 8
3.4.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇計(jì)算 9
3.5 機(jī)器人履帶的強(qiáng)度校核 11
3.6 本章小結(jié) 12
4 中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
4.1 清洗臂升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13
4.2 清洗刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)的確定 14
4.3 本章小結(jié) 15
5 機(jī)器人自適應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)及監(jiān)控設(shè)備的選擇 16
5.1 履帶足變位裝置 16
5.2 刷頭更換裝置 17
5.3中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人照明和檢測(cè)裝置 17
5.4 本章小結(jié) 18
6 機(jī)器人工作時(shí)的受力分析 19
6.1機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 19
6.2機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析 20
6.3 機(jī)器人在管道中移動(dòng)時(shí)拖線阻力的分析 22
6.4. 機(jī)器人越障極限狀態(tài)分析 24
6.5 機(jī)器人爬坡和跨越溝道能力的研究 25
6.6 機(jī)器人在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎時(shí)的通過性分析 26
6.6.1 機(jī)器人在水平直角彎管的通過性分析 26
6.6.2 機(jī)器人在矩形管斜接彎頭的通過性分析 27
6.6.3 機(jī)器人在圓弧形彎頭的通過性分析 28
6.7 機(jī)器人轉(zhuǎn)彎半徑的研究 29
6.8 本章小結(jié) 30
7 總結(jié) 31
參考文獻(xiàn) 32
致謝 33
IV
1 緒論
1.1設(shè)計(jì)意義及發(fā)展現(xiàn)狀
隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，科技步入了人們的生活?？照{(diào)系統(tǒng)在人們的日常生活中已經(jīng)發(fā)揮了越來越重要的作用。中央空調(diào)系統(tǒng)控制著樓內(nèi)空氣的更新代謝，被稱為“建筑物之肺”。而中央空調(diào)管道在清洗工作中則會(huì)積聚許多粉塵或病菌及放射物等，這些對(duì)人體有害的東西在送風(fēng)進(jìn)行中很容易的便感染了空氣，并且長(zhǎng)期被人體吸入，會(huì)極大地危害大眾的身體。因此，人們?cè)谝筇岣呱钯|(zhì)量同時(shí)，對(duì)于提高工作及居住場(chǎng)所的環(huán)境質(zhì)量的呼聲也越來越急迫。正是因?yàn)檫@樣，中央空調(diào)管道清洗行業(yè)也必將成為一個(gè)中國(guó)新興的還將有著巨大潛力的發(fā)展行業(yè)，對(duì)中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人的研究更是具有很高的社會(huì)價(jià)值及其商業(yè)價(jià)值。
在國(guó)外一些發(fā)達(dá)的國(guó)家，對(duì)于中央空調(diào)管道的清潔頒布了較為嚴(yán)格的使用期限及清洗法律,例如美國(guó)國(guó)家管道清洗協(xié)會(huì)制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《暖通管道空調(diào)系統(tǒng)的評(píng)估、清洗及修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)》，而日本制定了《日本風(fēng)道管道清洗協(xié)會(huì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。醫(yī)院、學(xué)校等需要每年清洗一次。類似的法律的產(chǎn)生完全可以預(yù)見將來空調(diào)法將在世界各地開始實(shí)施。目前，許多發(fā)達(dá)國(guó)家均成立建設(shè)了中央空調(diào)管道清洗協(xié)會(huì),如美國(guó)、英國(guó)的、瑞典的等等,已經(jīng)形成了一個(gè)非常具體的行業(yè)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),目前國(guó)際上生產(chǎn)管道清洗機(jī)器人的公司已不下20家,如瑞典的,加拿大的，美國(guó)的與韓國(guó)的，英國(guó)的等。一些比較成熟并且具有代表性的生產(chǎn)產(chǎn)品如圖1-1所示。
圖1-1國(guó)外較為典型的管道清掃機(jī)器人
1.2國(guó)內(nèi)中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及存在的弊端
相較于國(guó)外,我國(guó)目前中央空調(diào)的應(yīng)用正處于穩(wěn)步發(fā)展中。2004年我國(guó)第一臺(tái)管道清洗機(jī)器人由中科院蘭州分院研發(fā)成功。據(jù)資料分析,其研制的清洗機(jī)器人樣機(jī)實(shí)際是根據(jù)矩形空調(diào)通管道的規(guī)格設(shè)計(jì)的,它具有對(duì)管道內(nèi)污染情況實(shí)施觀察、在管道中行走、對(duì)污染物及時(shí)進(jìn)行清潔的功能。這之后管道清洗機(jī)器人行業(yè)已經(jīng)取得了較大的發(fā)展。如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、東華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、深圳大學(xué)等,已經(jīng)取得一定的成果。而東華大學(xué)獨(dú)立研制的中國(guó)的、首個(gè)能完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“自主變位的四履帶足機(jī)器人”如圖1-2所示,此機(jī)器人憑借著四個(gè)獨(dú)立的的運(yùn)動(dòng)支腳,實(shí)現(xiàn)在空調(diào)管道內(nèi)靈活的移動(dòng),還能完成如越溝、直立、爬坡等這些高難度動(dòng)作。而舉升式的清洗臂可以適應(yīng)于各種尺寸、各種形狀的管道，同時(shí)自帶的彩色攝像頭則能夠讓操作人員隨時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的清掃效果。可更換的清洗刷能夠適應(yīng)于各種形狀的管道并進(jìn)行清洗。此機(jī)器人采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性好優(yōu)點(diǎn)。
圖1-2東華大學(xué)自主變位四履帶足機(jī)器人
中央空調(diào)系統(tǒng)管道一般選用圓管,使其易于清洗,并且各種形狀管道的尺寸規(guī)格等都有明確的標(biāo)準(zhǔn),加上空調(diào)系統(tǒng)的維護(hù)與保養(yǎng)也較為到位,使得管道內(nèi)臟亂程度相對(duì)于國(guó)內(nèi)較低。而國(guó)內(nèi)的管道制作極為不規(guī)范,管道設(shè)計(jì)規(guī)格多,且經(jīng)常存在變徑的情況,再加上空氣質(zhì)量普遍較差,造成管道內(nèi)比較臟，造成清洗難度大。并且設(shè)備本身而言就很少針對(duì)中國(guó)的空調(diào)管道的一些具體情況做出相適應(yīng)的設(shè)計(jì),造成在國(guó)內(nèi)工作效果并不理想。另外國(guó)外的管道清洗機(jī)器人設(shè)備價(jià)格較為昂貴,使得一般清洗服務(wù)單位實(shí)在很難承受。針對(duì)這些急需的情況,本文研究設(shè)計(jì)出了一種自適應(yīng)型管道清洗機(jī)器人,它實(shí)現(xiàn)了滿足各種形狀和尺寸的管道的清掃工作的要求,并且本文還對(duì)其各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其受力情況進(jìn)行了分析。
1.3 本章小結(jié)
本章主要介紹了所選的課題的來源以及研究背景,闡明了中央空調(diào)管道污染所造成的嚴(yán)重性以及定期清洗的必要性,并且說明了目前國(guó)內(nèi)外中央空調(diào)管道系統(tǒng)清洗狀況,引出了本課題的核心，即如何制造適應(yīng)于國(guó)內(nèi)中央空調(diào)管道的清洗機(jī)器人，并說明了本次課題研究的主要內(nèi)容。
2 中央空調(diào)管道清洗機(jī)人的整體設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)器人功能的總體設(shè)計(jì)方案
本文所研究并且設(shè)計(jì)的中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人所要完成的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的中央空調(diào)管道的清掃及檢測(cè)工作。目前大部分管道采用矩形管道,而圓形管道則是符合了我國(guó)中央空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)清洗行業(yè)達(dá)到規(guī)范化的趨勢(shì),所以從現(xiàn)實(shí)和前景來綜合考慮,本文所研制的清洗機(jī)器人是有自適應(yīng)型結(jié)構(gòu)的機(jī)器人,這種結(jié)構(gòu)使它能夠在不同的形狀和尺寸的管道中正常工作,同時(shí)也確保清洗機(jī)器人系統(tǒng)的靈活性、可靠性以及清洗作業(yè)裝置的高效率性,并要實(shí)現(xiàn)在此基礎(chǔ)上,盡可能的使整個(gè)設(shè)置實(shí)現(xiàn)小型化和操作方便合理化,要使其具備一定的轉(zhuǎn)彎、爬坡和越障能力。為了實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人的自適應(yīng)性,本文所研制的機(jī)器人采用履帶足變位裝置，通過連接桿的角度變化可以實(shí)現(xiàn)在矩形管和圓管中的清洗工作。通過更換底部履帶足與吸盤底則可以實(shí)現(xiàn)在水平管與垂直管中的行走。同時(shí)清掃臂舉升機(jī)構(gòu)采用絲桿結(jié)構(gòu)，通過電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)升高或降低。另外，通過清洗臂的刷頭轉(zhuǎn)化裝置則可以更換清洗刷，從而使該管道清洗機(jī)器人能夠適應(yīng)各種不同類型和尺寸的管道。
2.2 清洗機(jī)器人的尺寸及參數(shù)要求
為盡可能使整個(gè)系統(tǒng)小型化及操作合理方便, 能夠穩(wěn)定運(yùn)行并且具有一定的越障、和爬坡自適應(yīng)能力。順利完成清掃作業(yè)任務(wù)?，F(xiàn)對(duì)清洗機(jī)器人系統(tǒng)提出以下性能參數(shù)指標(biāo)：
（1）機(jī)器人主體尺寸340*292*156（mm）
（2）清洗高度范圍：200-600（mm）
（3）機(jī)器人自重：6kg
（4）最大行走速度：12m/min
（5）最大爬坡角度：30°
（6）最大工作行程：30m
（7）驅(qū)動(dòng)方式：直流電機(jī)
（8）行走方式：履帶式
（9）最小回轉(zhuǎn)半徑：146mm
（10）工作時(shí)間：≥8小時(shí)
（11）控制方式：電纜線連接清洗機(jī)器人傳輸信號(hào)
2.3 清洗機(jī)器人的系統(tǒng)組成及功能
為保障清洗機(jī)器人能夠順利、高效的完成清洗任務(wù)。于是機(jī)器人具有以下功能模塊：
（1）移動(dòng)模塊；
（2）清洗模塊；
（3）控制模塊；
（4）驅(qū)動(dòng)模塊；
（5）監(jiān)控模塊；
（6）自適應(yīng)模塊。
2.4 模擬清洗機(jī)器人的工作狀態(tài)
（1）根據(jù)所給出需要洗管道的建筑圖紙,根據(jù)實(shí)際情況制定詳細(xì)的清洗方案。
（2）在適當(dāng)位置開施工口,放入管道清洗機(jī)器人。
（3）根據(jù)矩形管或是圓管，更換相適應(yīng)的清洗刷。另外還需要調(diào)節(jié)履帶足的角度，使之實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)性。通過連接桿可以改變履帶足的角度，使之適應(yīng)于圓管。
（4）根據(jù)水平管道或垂直管道，可以將底部履帶足上的電磁鐵通電，將機(jī)器人的水平運(yùn)動(dòng)改為垂直運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)性。
（5）在機(jī)器人行走的過程中，工作人員可以通過監(jiān)控?cái)z像頭確定機(jī)器人的工作狀態(tài)并進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。
2.5 本章小結(jié)
本章主要介紹了本文所設(shè)計(jì)的中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案,提出了其具體參數(shù)及工作指標(biāo),并闡述了管道機(jī)器人各個(gè)組成單位間的關(guān)系及主要作用及各模塊的功能。
3 中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人移動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 清洗機(jī)器人整體尺寸大小的確定
要完成機(jī)器人的自適應(yīng)性，則要保證他在各種尺寸的管道中能夠正常工作，根據(jù)實(shí)際情況而言，機(jī)器人較容易出現(xiàn)不能正常工作的地方即卡死的地方是直角彎管。
圖3-1（a） 圖3-1（b）
計(jì)算機(jī)器人通過率時(shí)，需計(jì)算兩種極限情況。
第一種如圖3-1（a）所示，當(dāng)機(jī)器人的前后兩端處于彎管的直管部分時(shí)，機(jī)器人的寬度d及長(zhǎng)度L應(yīng)滿足下式：
（3-1）
要使(R+D/2)cos45°—（R-D/2）＞0，則彎管曲率半徑L與空調(diào)管道直徑D應(yīng)滿足R/D＜3,而在實(shí)際生活彎管曲率半徑通常大于3m，管道直徑小于600mm，所以第一種情況可以排除。
第二種如圖3-1（b）所示，當(dāng)機(jī)器人的前后兩端處于彎管的彎管部分時(shí)，機(jī)器人的寬度d及長(zhǎng)度L應(yīng)滿足下式：
（3-2）
由這兩個(gè)公式，將機(jī)器人長(zhǎng)度L、管道寬度D、及機(jī)器人寬度d代入式中，可得機(jī)器人長(zhǎng)度最大長(zhǎng)度L≤513mm。綜合考慮機(jī)器人的性能且要實(shí)現(xiàn)小型化，故最終確定尺寸為340×294×156（mm）
3.2 機(jī)器人移動(dòng)方式的選擇
目前國(guó)內(nèi)外的中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)形式主要采用車輪式、腿足式、履帶式、蛇行式等,根據(jù)具體情況的不同來分別選用合適的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中車輪式、腿足式和履帶式這三種移動(dòng)方式較為實(shí)用，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝與控制，故應(yīng)用也最多的。本文為了優(yōu)選移動(dòng)方式,對(duì)這三種移動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比。詳情見下表3-2。
表3-2 車輪式、履帶式、腿足式移動(dòng)方式的比較
根據(jù)這三種行走方式綜合考慮，本文的中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人選用履帶足行走機(jī)構(gòu)。因?yàn)槁膸叫凶邫C(jī)構(gòu)具有較大的穩(wěn)定性,支撐面積大,越障能力較強(qiáng),符合本文的多適應(yīng)性原則。本文中履帶式行走機(jī)構(gòu)由兩個(gè)各裝有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的履帶足控制移動(dòng)。通過點(diǎn)擊的正反轉(zhuǎn)及單個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎。
3.3機(jī)器人履帶爬壁的力學(xué)分析
根據(jù)本文設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)指標(biāo)以及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，這一節(jié)進(jìn)行相適應(yīng)的力學(xué)分析，確保機(jī)器人能夠完成設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的。并且為下一節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供必要的設(shè)計(jì)參數(shù)。
本文采用靜電吸附原理實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬壁運(yùn)動(dòng)。靜電吸附是指對(duì)導(dǎo)電電極施加高壓靜電從而在電極上產(chǎn)生出大量自由電荷，利用自由電荷所激發(fā)的高壓強(qiáng)電場(chǎng)促使吸附單元磁化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)吸附。以鋁箔為吸附電極，兩端覆以絕緣層，防止電荷流失及受外界環(huán)境影響。
要實(shí)現(xiàn)在垂直壁面上的運(yùn)動(dòng)，要完成“吸附”、“移動(dòng)”這兩方面。首先，根據(jù)“爬壁”這一特性來進(jìn)行力學(xué)分析，為了使機(jī)器人能夠在垂直壁上行走，需要對(duì)垂直避免上的近期人進(jìn)行靜態(tài)的受力分析：其次，要對(duì)其移動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行受力分析，用來確定電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及履帶輪的設(shè)計(jì)，確定電機(jī)的型號(hào)及參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.3.1 爬壁時(shí)靜態(tài)力學(xué)分析
由于機(jī)器人在垂直壁面上的失效形式是是沿壁面下滑，于是就此進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算極限條件，要使機(jī)器人剛好下滑，有以下計(jì)算：
（3-3）
由此式可推地：
（3-4）
G—爬壁機(jī)器人一半的重量，G=29.4N
—壁面對(duì)履帶上一個(gè)吸附單元的支持力，N
—履帶上一個(gè)吸附單元對(duì)壁面的吸附力，N
—一個(gè)吸附單元對(duì)壁面的摩擦力,=0.5
—單邊履帶上有吸附作用的個(gè)數(shù)，n=9
將數(shù)值代入，可得,單個(gè)吸附單元對(duì)壁面產(chǎn)生的吸附力。
由此可知，單個(gè)吸附單元的最小吸附力約為7N，考慮到一些不確定因素，需要適當(dāng)?shù)奶岣邫C(jī)器人與壁面的吸附力，但同時(shí)吸附力增大，會(huì)增大電機(jī)的輸出扭矩，導(dǎo)致爬壁機(jī)器人的體積增大，綜合考慮，采用的單個(gè)吸附單元最小吸附力為F=15N。
由于吸附裝置需要配套在同步帶上，所以其長(zhǎng)度有一定的限制，但是考慮到吸附張志需要支撐整個(gè)爬壁機(jī)器人，所以希望吸附的長(zhǎng)度盡可能長(zhǎng)些，以保證爬壁機(jī)器人的穩(wěn)定性，所以按要求選擇的電磁鐵的長(zhǎng)度接近同步帶的寬度為37mm。整個(gè)電磁鐵的總體尺寸為20×35×10mm。此標(biāo)準(zhǔn)的電磁鐵吸附力，故滿足爬壁的條件。
3.3.2 爬壁時(shí)運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析
首先分析基本的單電極吸附模式，如圖 3-3 所示，為使機(jī)器人在垂直壁面上運(yùn)動(dòng)，需要所選用的電機(jī)提供足夠的動(dòng)力，下面進(jìn)行必要的計(jì)算，從而確定電機(jī)的參數(shù)及型號(hào)。
1.機(jī)器人向上爬行時(shí)的受力分析
向上爬行時(shí)，機(jī)器人單側(cè)的輸出力矩應(yīng)該克服履帶最下端的吸附單元的吸附力以及支持力形成的阻力及重力產(chǎn)生的力矩。（H=機(jī)器人重心離壁面的距離，取100mm）即：
（3-5）
（3-6）
式中 a—吸附力與支持力的距離，取最大值a=10mm（吸附裝置寬度a=20mm）
所以
2. 機(jī)器人向下爬行時(shí)的受力分析
清洗機(jī)器人向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，相比向上運(yùn)動(dòng)時(shí)需要一個(gè)制動(dòng)力矩來防止機(jī)器人下滑，做出受力分析：（ 為摩擦阻力矩，電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩，重力產(chǎn)生的力矩）
（3-7）
此時(shí)可以很明顯的發(fā)現(xiàn)，相比之下，向上爬行的所需電機(jī)力矩更大一些。
故確定了此管道清洗機(jī)器人的履帶足上最小吸附力Fm=15N，履帶足上的電機(jī)所需的輸出轉(zhuǎn)矩 ≥1.575N.m。下一段將根據(jù)這個(gè)選擇履帶中的電機(jī)。
3.4機(jī)器人履帶足的選擇
3.4.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
目前，國(guó)內(nèi)外一致將機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式分為：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)及氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)等。橫向做出以下比較。
表3-4-1 驅(qū)動(dòng)方式的比較
綜合本課題所研究的中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人，要實(shí)現(xiàn)在密封狹小的工作環(huán)境中正常工作，又要實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化且成本較低，完全可以滿足所需的工作條件，故最終選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
而電機(jī)驅(qū)動(dòng)目前又分為交流電機(jī)、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。下面做出比較選擇：
根據(jù)本文的實(shí)際要求，要達(dá)到有較大的轉(zhuǎn)矩，且實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的速度變化，具有較快的響應(yīng)能力，有較大的負(fù)載能力，且要對(duì)電機(jī)進(jìn)行靈活的控制機(jī)調(diào)速，故應(yīng)選擇控制類電機(jī)，根據(jù)本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人索要滿足的結(jié)構(gòu)條件及所要適應(yīng)的工作環(huán)境綜合考慮，滿足這些要求的，即選用直流伺服電機(jī)。
3.4.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇計(jì)算
根據(jù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，我們選取機(jī)器人移動(dòng)的最大速度為Vmax=12m/min，綜合考慮清洗機(jī)器人的安裝尺寸及性能要求等方面的因素，擬選定的同步帶輪的直徑為d=45mm，此時(shí)，主動(dòng)帶輪最大的轉(zhuǎn)速為：
（3-8）
根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)電纜的質(zhì)量=2kg,與管壁間的摩擦系數(shù)=0.5,此時(shí)拖動(dòng)電纜所需的力。而爬坡阻力為式中，M為機(jī)器人質(zhì)量，，為機(jī)器人最大爬坡角度，=30°。故爬坡阻力 =29.4N，考慮到機(jī)器人在行走過程中還會(huì)遇到一些其它的阻力，故去總阻力為則單個(gè)履帶足所需要提供的驅(qū)動(dòng)力為35N，則單個(gè)履帶足最大的功率為。則驅(qū)動(dòng)功率： ( ）
（3-9）
式中—帶輪的傳動(dòng)效率，
由于電機(jī)與主動(dòng)輪的傳動(dòng)比是1.5:1，故驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速
根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率及主動(dòng)帶輪的轉(zhuǎn)速就可以根據(jù)同步帶選型圖確定所選的代行為XL型。查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，確定標(biāo)準(zhǔn)帶輪的外徑d=48.00mm，節(jié)徑 ，齒數(shù)為Z=30，節(jié)距=5.08。根據(jù)機(jī)器人總體尺寸設(shè)中心距為a=250mm，則帶長(zhǎng) 。按國(guó)標(biāo)GB/T11616表6.1-58，選標(biāo)準(zhǔn)帶長(zhǎng)為655.32mm。節(jié)線長(zhǎng)，齒數(shù)為130個(gè)齒。根據(jù)帶長(zhǎng)反推可得出，帶輪間的中心距應(yīng)該為a=251mm。根據(jù)機(jī)器人的綜藝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，取帶寬為37mm。
此時(shí)還要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩計(jì)算，故根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來確定履帶足最大的驅(qū)動(dòng)力矩為
表3-4-3 履帶足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要參數(shù)：
額定電壓
24v
轉(zhuǎn)速
50~200rpm
電機(jī)尺寸
36*63（mm）
出軸直徑
6mm
輸出軸長(zhǎng)
15mm
功率
約30W
扭矩
約3.6N·m
（3-10）
顯然，故此電機(jī)可以滿足本文設(shè)計(jì)的清洗機(jī)器人所需的驅(qū)動(dòng)功率及轉(zhuǎn)矩。
3.5 機(jī)器人履帶的強(qiáng)度校核
選取同步帶時(shí)為了滿足上面所需要固定的吸附單元，故選帶寬為37mm。
（3-11）
經(jīng)查詢與計(jì)算，，滿足條件。
同步帶傳動(dòng)時(shí)，帶齒受力情況有剪切應(yīng)力，帶齒及帶輪之間的摩擦磨損，同時(shí)，在同步帶傳動(dòng)力矩是，同步帶在進(jìn)入主動(dòng)輪還會(huì)受到拉應(yīng)力。故，同步帶的失效形式有以下幾種：
（1）同步帶受拉應(yīng)力一起疲勞斷裂
（2）帶齒斷裂
（3）帶齒工作面被磨損，失去有效的工作面
通過研究與查詢，當(dāng)同步帶工作時(shí)，并且?guī)С贼~帶齒輪嚙合齒數(shù)時(shí)，同步帶的帶齒剪切強(qiáng)度會(huì)大于抗拉強(qiáng)度。在現(xiàn)代加工工藝中，同步帶的耐磨性有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，故先暫時(shí)不考慮帶齒失效的現(xiàn)象。在本文的正常工作條件下，同步帶的失效形式是在拉應(yīng)力作用下的疲勞斷裂。所以要用同步帶的抗拉強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
在同步帶張緊且不打滑的情況下，及同步帶與同步輪嚙合處，剛好是同步帶入彎點(diǎn)，這樣可以是剪切應(yīng)力沿同步帶的平面方向，方便進(jìn)行計(jì)算。
進(jìn)分析可得，同步帶齒所受的力是輪齒作用給帶齒的剪切力
（3-12）
同步帶所受到的拉應(yīng)力近乎等于剪切力，即
（3-13）
經(jīng)計(jì)算，履帶的拉應(yīng)力總是小于許用拉應(yīng)力，則可得出結(jié)論，在正常的工作條件時(shí)，本文所設(shè)計(jì)的同步帶并不會(huì)出現(xiàn)斷裂的情況。
最終設(shè)計(jì)出來的履帶機(jī)構(gòu)如下圖所示：
3.6 本章小結(jié)
本章對(duì)機(jī)器人各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和確定,主要包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、即履帶的水平及爬壁方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選用。移動(dòng)機(jī)構(gòu)確定了移動(dòng)方案和驅(qū)動(dòng)方式,并選擇出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。最后進(jìn)行了一系列的受力分析及強(qiáng)度計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，所設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足所需要求。
4 中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
清洗機(jī)器人要完成清洗管道的正常清洗工作，清洗部分的設(shè)計(jì)必不可少。清洗裝置包括清洗臂、清洗臂升降機(jī)構(gòu)、清洗刷。下面就進(jìn)行設(shè)計(jì)及計(jì)算，通過清洗臂及升降機(jī)構(gòu)來適應(yīng)不同尺寸的管道，再通過清洗刷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)毛刷與管壁接觸，從而完成正常的清洗工作，確保清洗的效率及質(zhì)量。
4.1 清洗臂升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
目前，運(yùn)用在清洗機(jī)器人舉升機(jī)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)主要有螺桿滑塊結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)升降的步驟是：螺桿在電機(jī)的帶動(dòng)下作順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),這時(shí)螺桿上的滑塊沿著螺桿左右移動(dòng)，接著通過支撐桿把清洗臂升起或是降落。而在實(shí)際清洗過程中,清洗臂的調(diào)節(jié)角度不宜過度,所實(shí)現(xiàn)的最大舉升高度約為0.7倍臂長(zhǎng),這種舉升機(jī)構(gòu)并不是適應(yīng)于目前我國(guó)國(guó)內(nèi)還沒有進(jìn)行規(guī)范的管道。所以本文所采用的舉升機(jī)構(gòu)是絲桿滑塊機(jī)構(gòu)，符合本文所涉及的機(jī)器人輕量化、小型化的要求，并且能夠通過更滑清洗刷完成不同尺寸管道的清洗工作。
本文設(shè)計(jì)的升降機(jī)構(gòu)類似于卡車自卸車的舉升機(jī)構(gòu)，由支撐板、連接桿、絲桿及萬向輪構(gòu)成。能夠?qū)崿F(xiàn)舉升角度為40°，舉升高度為200mm，這使清洗機(jī)器人具有了更大的清洗范圍，能夠適應(yīng)不同尺寸的管道。
現(xiàn)在進(jìn)行簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)計(jì)算，絲桿的設(shè)計(jì)計(jì)算：
（4-1）
此時(shí),故絲桿直徑
，取絲桿直徑
并由此可知，絲桿滑塊舉升機(jī)構(gòu)各部分的零件直徑只需大于3.5mm，就可完成舉升運(yùn)動(dòng)所需的強(qiáng)度條件。
現(xiàn)在電機(jī)的扭矩計(jì)算，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，此電動(dòng)機(jī)僅僅用于清洗臂的舉升機(jī)構(gòu)的升降。它需要克服的力包含清洗臂的重量，舉升機(jī)構(gòu)的重量及清洗工作進(jìn)行時(shí)的阻力，本文設(shè)計(jì)的小車為實(shí)現(xiàn)輕量化的原則，清洗臂及舉升機(jī)構(gòu)的自身重力都不大，所選用的30W直流電機(jī)能夠滿足清洗要求。為留有安全余量，現(xiàn)設(shè)電動(dòng)機(jī)需舉起的力為，速度為，絲桿轉(zhuǎn)速,電動(dòng)機(jī)所需的功率，故電機(jī)所需扭矩 。
這個(gè)作為選電機(jī)的依據(jù)，根據(jù)前面表3-2-1所列電機(jī)選擇直流減速電機(jī)，故所選舉升機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：
表4-1 清洗臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要參數(shù)：
額定電壓
24v
轉(zhuǎn)速
50~200rpm
電機(jī)尺寸
36*63（mm）
出軸直徑
6mm
輸出軸長(zhǎng)
15mm
功率
約30W
扭矩
約3.6N·m
由于機(jī)器啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的過載現(xiàn)象，所以應(yīng)當(dāng)按軸上的最大轉(zhuǎn)矩最為聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 ,并按下式計(jì)算：
（4-3）
式中： —公稱轉(zhuǎn)矩，
—工作情況系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)表14-1，取
故
按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩 及所選的聯(lián)軸器類型，按照
（4-4）
條件由聯(lián)軸器標(biāo)準(zhǔn)中選定該聯(lián)軸器型號(hào)為00GD。式中的 為該型號(hào)聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩，經(jīng)查詢計(jì)算機(jī)比較得
接著校核最大轉(zhuǎn)速，被連接軸的轉(zhuǎn)速n不應(yīng)超過所選聯(lián)軸器允許的最高轉(zhuǎn)速,即 設(shè)計(jì)如圖4-1所示：
圖4-1舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
4.2 清洗刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)的確定
對(duì)于清洗工作，清洗刷與管道的契合度是一個(gè)很重要的因素。機(jī)器人進(jìn)行清掃工作時(shí),清洗刷處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)中,刷毛掃過邊角以及與管壁的摩擦都會(huì)受到較大的阻力矩,如果毛刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率不夠就會(huì)因扭矩不足而停止轉(zhuǎn)動(dòng),時(shí)間一長(zhǎng)甚至?xí)龤щ姍C(jī)。因此在清洗刷機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中我們需要選用一個(gè)功率和轉(zhuǎn)速都符合要求的毛刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
本文通過測(cè)量毛刷旋轉(zhuǎn)所需扭矩來確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)。如圖4-2所示,扭矩,為毛刷在工作過程中所需的穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力, 為毛刷軸半徑。對(duì)于一個(gè)已知的清洗刷頭, 可以直接用尺量出,我們只需要測(cè)出的大小,就可以計(jì)算出所需扭矩?？梢圆捎萌缦履M的方法來測(cè)量將一條繩子系在彈簧秤上,然后將繩子的另一頭繞在毛刷軸之上,并確保繩與軸之間不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),開始進(jìn)行實(shí)況模擬,將毛刷放置于管道內(nèi),固定其中心軸的位置,拉動(dòng)彈簧秤使毛刷產(chǎn)生平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)彈簧秤的數(shù)值即為的大小。
圖4-2測(cè)量毛刷扭矩示意圖
將測(cè)出的數(shù)據(jù)帶入里計(jì)算出能使毛刷在一般情況下正常平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩為。為了保證基本的清洗要求,根據(jù)實(shí)際情況選取毛刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算。
此時(shí)電機(jī)功率可以通過下式求出：
（4-5）
由于電機(jī)在實(shí)際傳動(dòng)過程中會(huì)損失一部分功率,因此我們選擇電機(jī)的功率
要大于這個(gè)數(shù)值,綜合考慮到電機(jī)的性價(jià)比和安裝尺寸等,最后選擇型號(hào)為57BLF01的直流電機(jī)作為刷頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
表4-2 清洗刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要參數(shù)：
額定電壓
24v
轉(zhuǎn)速
3000rpm
電機(jī)長(zhǎng)度
48（mm）
重量
600g
輸出軸長(zhǎng)
15mm
功率
63W
扭矩
0.6N·m
4.3 本章小結(jié)
本章對(duì)機(jī)器人的清洗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算。確定了清洗方案,并選擇出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，完成了清洗機(jī)構(gòu)包括清洗臂舉升機(jī)構(gòu)和清洗刷機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),并且選定了毛刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)，滿足機(jī)器人工作環(huán)境的需要。
5 機(jī)器人自適應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)及監(jiān)控設(shè)備的選擇
由于目前國(guó)內(nèi)中央空調(diào)管道既有矩形管道又有圓形管道,且設(shè)計(jì)制造并不規(guī)范,使得管道的尺寸大小各不相同。為了提高其實(shí)用價(jià)值,機(jī)器人必須具備自適應(yīng)的功能。本文所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人主通過履帶足變位裝置和刷頭更換裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同形狀和尺寸管道的適應(yīng)功能。通過攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
5.1 履帶足變位裝置
本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人既要在矩形管道內(nèi)運(yùn)行又要能工作于不同管徑的圓形管道,因此機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)能根據(jù)管徑不同進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,使履帶足面可以與圓形管壁充分接觸,保證機(jī)器人有足夠的牽引力和其工作的穩(wěn)定性。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用履帶足變位裝置實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求,每個(gè)履帶足形成一個(gè)整體,通過擺腿與機(jī)器人本體相連如圖一所示,根據(jù)當(dāng)前管道情況手動(dòng)調(diào)節(jié)履帶足間的套筒裝置，從而調(diào)節(jié)兩側(cè)擺腿的張開角度,使管道機(jī)器人實(shí)現(xiàn)適應(yīng)不同直徑圓管的功能。圖5-1為所示為機(jī)器人通過調(diào)整擺腿角度適應(yīng)不同管徑管道的示意圖,調(diào)節(jié)履帶足的張開角度,使機(jī)器人履帶足面與圓形管壁始終保持充分良好的接觸,而保證機(jī)器人具有足夠的牽引力和附著力。
圖5-1適應(yīng)不同管徑示意圖
圖5-2套筒裝置
履帶足變位裝置如圖5-2所示,在機(jī)器人進(jìn)入管道前,操作者事先根據(jù)管道的實(shí)際情況,調(diào)節(jié)兩履帶間的套筒裝置,通過連桿、螺桿和擺腿的一系列傳動(dòng),使得機(jī)器人的兩個(gè)履帶足橫向張開,水平距離增大,就可以使履帶足面與不同內(nèi)徑的管壁保持充分接觸,實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)功能。
5.2 刷頭更換裝置
機(jī)器人在進(jìn)入管道前,需要根據(jù)當(dāng)前管道的形狀和尺寸安裝上相適應(yīng)的刷頭。由上一章我們可知矩形管毛刷軸線與機(jī)器人行進(jìn)方向垂直,毛刷對(duì)稱于機(jī)器人的中線并分列兩側(cè)圓形管毛刷軸線與機(jī)器人行進(jìn)方向一致,并且處于管道的正中心。對(duì)這兩種情況進(jìn)行綜合協(xié)調(diào),本文中設(shè)計(jì)出一種既可適用于圓形管道又可用于矩形管道的管道清洗機(jī)器人刷頭更換裝置,可方便地根據(jù)管道情況更換刷頭。
刷頭更換裝置如下圖所示,電機(jī)處于機(jī)器人清洗臂中線位置,且輸出軸方向與前進(jìn)方向一致。當(dāng)需要安裝矩形管刷頭時(shí),只用裝上一堆換向錐齒輪和一根雙輸出軸,即可在兩邊安裝毛刷；同時(shí)要更換成圓形管刷頭也十分方便,只需卸下上述裝置,在前方裝上一根輸出軸并用聯(lián)軸器與電機(jī)輸出軸相連即可。圖5-3、圖5-4,分別為矩形管和圓形管毛刷安裝形式。
圖5-2-1矩形管毛刷清洗裝置 圖5-2-2圓形管毛刷清洗裝置
5.3中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人照明和檢測(cè)裝置
機(jī)器人采用攝像頭作為視頻輸入設(shè)備,如圖5-3所示。由于中央空調(diào)管道內(nèi)部的光線較暗,機(jī)器人要檢測(cè)管內(nèi)的狀態(tài),必須攜帶照明設(shè)備,CCD攝像頭才能正確有效的工作。照明設(shè)備采用冷光源照明燈,亮度高,長(zhǎng)時(shí)間工作不會(huì)發(fā)熱,適合在黑暗管道環(huán)境中使用。
圖5-3 彩色攝像機(jī)
機(jī)器人工作時(shí)需要在外監(jiān)控管道內(nèi)的狀況,清掃完成后,也要利用機(jī)器人自身攜帶攝像機(jī)拍攝管道清洗后的情況,作為清洗效果評(píng)定依據(jù)。該機(jī)器人前后端均裝有攝像機(jī)及照明系統(tǒng)如圖5-3所示,采用圖像處理技術(shù),監(jiān)控機(jī)器人的工作狀況并對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)及探傷。由于CCD具有固定像元結(jié)構(gòu),所以CCD彩色攝像機(jī)不但具有體積小、重量輕、耗電少、壽命長(zhǎng)、可靠性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn),而且靈敏度和分辨率都很高,大大超過了電子束彩色攝像機(jī)。
5.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了機(jī)器人自適應(yīng)型裝置的設(shè)計(jì),詳細(xì)描述了履帶足變位裝置和刷頭更換裝置的結(jié)構(gòu)、特征和作用原理。機(jī)器人通過這些裝置并配合清洗臂的升降和伸縮功能,來適應(yīng)各種不同形狀和尺寸的空調(diào)管道。同時(shí)給出了具體的效果示意圖及選用的彩色攝像機(jī)圖片。
6 機(jī)器人工作時(shí)的受力分析
國(guó)內(nèi)管道的設(shè)計(jì)制造和安裝并不規(guī)范,在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)發(fā)生管徑或尺寸大小改變,出現(xiàn)彎角、障礙和坡度等情況。為了保證機(jī)器人正常穩(wěn)定的工作,我們有必要研究機(jī)器人在管道內(nèi)的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并對(duì)其進(jìn)行受力分析,進(jìn)而確定出合理優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)和對(duì)機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)的具體要求。
6.1機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析
該機(jī)器人采用雙履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu),兩側(cè)的履帶分別由一個(gè)單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng),而履帶式移動(dòng)機(jī)器人能夠行走必須要滿足兩個(gè)條件：①驅(qū)動(dòng)裝置牽引力必須大于或等于行駛中所受到的阻力之和,以提供足夠的前進(jìn)動(dòng)力。②牽引力必須小于或等于管壁與履帶之間的附著力,使其不會(huì)打滑。由于履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)在地面運(yùn)動(dòng)時(shí),即使只裝有一對(duì)主從動(dòng)帶輪,仍然保持整個(gè)履帶面都與地面接觸,因此產(chǎn)生的正壓力為機(jī)器人對(duì)管壁的全部正壓力,從而具有較強(qiáng)的附著力。該機(jī)器人履帶足中包含個(gè)從動(dòng)帶輪和個(gè)主動(dòng)帶輪,共同對(duì)機(jī)器人起支撐作用,為了便于分析,將履帶足簡(jiǎn)化為1個(gè)從動(dòng)輪和1個(gè)主動(dòng)輪的形式。
圖6-1所示為簡(jiǎn)化后的履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析圖。
圖6-1履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析圖
由圖中可以看出,右邊的輪為主動(dòng)輪。其中,為移動(dòng)機(jī)構(gòu)行走的速度, 為主動(dòng)帶輪的線速度即為履帶傳動(dòng)的速度, 為主動(dòng)帶輪上的牽引力, 為移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的外阻力, 為移動(dòng)裝置內(nèi)部阻力。
機(jī)器人行走時(shí),履帶與管壁之間會(huì)產(chǎn)生單性滑動(dòng),因此一般情況下機(jī)器人行駛速度要小于履帶速度。
在第三章我們已經(jīng)選定了移動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī),設(shè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率為,傳遞到主動(dòng)輪的效率為,轉(zhuǎn)速為,驅(qū)動(dòng)輪的扭矩為,半徑為,主動(dòng)輪的功率為,則有以下的關(guān)系式:
（6-1）
（6-2）
牽引力 （6-3）
設(shè)機(jī)器人的重量為,履帶與管壁的附著系數(shù)為,則附著力
(6-4)
由式(6-4)可知,附著力的大小主要取決于兩個(gè)因素：（1）履帶所受的正壓力,即機(jī)器人的重量；（2）管壁與履帶的附著系數(shù)。
因此要使機(jī)器人能夠行走必須滿足：
1
2
由上述條件可知,只有產(chǎn)生足夠大的附著力,才能將牽引力轉(zhuǎn)化為使機(jī)器人行走的推動(dòng)力。由式(6-4)可知,為了增大附著力,可以增加機(jī)器人的重量或提高附著系數(shù)。由式(6-3)可知,在驅(qū)動(dòng)輪半徑r確定時(shí),可以增大驅(qū)動(dòng)輪的扭矩來提高牽引力的大小,從而克服更大的阻力,加深機(jī)器人的行程,但是牽引力的大小又要受到附著力的限制,因此設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到各方面的因素。經(jīng)計(jì)算，本文設(shè)計(jì)的牽引力滿足條件。
6.2機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析
機(jī)器人行走時(shí)包括同步帶傳動(dòng)以及相對(duì)于地面的平移,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜,為了便于分析,我們假定機(jī)器人的履帶始終處于一個(gè)理想的狀態(tài);柔軟且不可拉伸,履帶上所有點(diǎn)都位于同一個(gè)平面內(nèi)。圖6-2所示為履帶直線運(yùn)動(dòng)示意圖, 為履帶相對(duì)于機(jī)器人的轉(zhuǎn)速,即履帶傳動(dòng)的速度; 為履帶相對(duì)于底面的速度,即機(jī)器人整體的移動(dòng)速度。則履帶上任意一點(diǎn)的速度即為這兩個(gè)速度的矢量之和。用公式表達(dá)為:
(6-5)
圖6-2履帶直線運(yùn)動(dòng)分析圖
由上圖可知,在理想情況下,履帶與地面接觸的區(qū)段, ,此段的絕對(duì)速度,而履帶未與帶輪和地面接觸的區(qū)段, ,絕對(duì)速度。但是由上一節(jié)我們知道,機(jī)器人在實(shí)際行駛過程中,由于履帶與管壁之間的單性滑動(dòng),機(jī)器人行駛速度要小于履帶速度,履帶接地段的絕對(duì)速度不可能為。因此為了研究機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及規(guī)律,首先需要研究外部環(huán)境對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響,對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中所受到的外力進(jìn)行分析,主要包括自身重力、空氣阻力、前進(jìn)阻力以及牽引力。
（1）機(jī)器人自身重力G
為了使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),設(shè)計(jì)時(shí)采取左右兩邊對(duì)稱的形式,使機(jī)器人的重心處于中間的對(duì)稱面上。
（2）空氣阻力
由前面設(shè)計(jì)我們可知,機(jī)器人工作時(shí)運(yùn)行的速度很低,并且整體體積小,故可忽略掉空氣阻力的影響。
（3）地面變形阻力
機(jī)器人在行駛過程時(shí),由于自身重力可能在承重輪部位對(duì)地面產(chǎn)生一定程度的變形,當(dāng)承重輪經(jīng)過后,由于變形的部位要恢復(fù)原樣,會(huì)對(duì)履帶產(chǎn)生一定的彈性阻力。本文研究的空調(diào)管道清洗機(jī)器人,機(jī)器人行走的管道是金屬材料制造的,并且機(jī)器人并不很重,因此地面變形量極小,在此地面變形阻力忽略不計(jì)。
（4）拖線阻力
管道清洗機(jī)器人采用電纜控制,行駛時(shí)要拖動(dòng)電纜線一起運(yùn)動(dòng),而電纜和管壁間會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦阻力,且這個(gè)力會(huì)隨著機(jī)器人行程的不斷加深而增大
（5）機(jī)器人牽引力
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí),履帶通過主動(dòng)帶輪的驅(qū)動(dòng)和管道之間會(huì)產(chǎn)生相互的作用力,當(dāng)管道對(duì)履帶的反作用力滿足機(jī)器人行走的條件時(shí),這個(gè)反作用力即為機(jī)器人的牽引力,能夠推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。牽引力是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中受到的主要外力,其大小與機(jī)器人所受阻力及管道與履帶間的附著力密切相關(guān)。
經(jīng)過上面的分析我們可知,機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下主要受到牽引力、前進(jìn)阻力和附著力的影響,通過對(duì)這三個(gè)力的研究,可以分析出機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的幾種狀況：
當(dāng)時(shí),機(jī)器人做勻速直線運(yùn)動(dòng)或加速直線運(yùn)動(dòng)；
當(dāng)時(shí),機(jī)器人不斷減速甚至停止移動(dòng)；
當(dāng)時(shí),運(yùn)動(dòng)時(shí)履帶與管道之間產(chǎn)生打滑。
經(jīng)過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)或停止。
6.3 機(jī)器人在管道中移動(dòng)時(shí)拖線阻力的分析
機(jī)器人在管道中移動(dòng)會(huì)受到較大的拖線阻力,隨著機(jī)器人行程的加深,拖動(dòng)的電纜線的長(zhǎng)度會(huì)增加,拖線阻力也會(huì)隨之變大。在第三章計(jì)算機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的半徑及確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率時(shí)我們己經(jīng)考慮到拖線阻力這一因素,在本節(jié)中再?gòu)睦碚撋线M(jìn)行更為細(xì)致深入的討論。由于機(jī)器人受到空間和自身結(jié)構(gòu)的限制,移動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)所能輸出的最大驅(qū)動(dòng)力會(huì)有一定的限制,當(dāng)機(jī)器人在管道內(nèi)行走的距離過大導(dǎo)致牽引力小于機(jī)器人所受阻力時(shí),就會(huì)使機(jī)器人停止移動(dòng)。因此,通過對(duì)拖線阻力的分析可以確定機(jī)器人的最大行程。
為了便于分析和計(jì)算,我們假定機(jī)器人和電纜線處于一個(gè)理想的狀態(tài)：①機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)始終處于水平面上,并保持速度不變；②電纜線柔軟且不可伸長(zhǎng),內(nèi)部不產(chǎn)生摩擦力；③電纜與管壁充分接觸且受力均勻,經(jīng)過彎管時(shí)緊貼管壁,呈現(xiàn)與彎曲處相同的弧線。
當(dāng)機(jī)器人在直管中行駛時(shí),電纜受力狀態(tài)如圖6-3所示,主要受到機(jī)器人對(duì)電纜頭部的拉力,電纜尾部的反向拉力,以及與地面之間的摩擦阻力的作用；表示電纜運(yùn)動(dòng)的速度和方向,為拖動(dòng)的電纜的長(zhǎng)度。設(shè)電纜的線密度為,電纜與管壁間的摩擦系數(shù)為,則可得出,理想狀態(tài)下機(jī)器人在直管中做勻速直線運(yùn)動(dòng),則電纜在直管狀態(tài)下受力關(guān)系為：
（6-6）
圖6-3電纜在直管狀態(tài)下受力分析
圖6-4電纜在彎管狀態(tài)下受力分析
機(jī)器人在通過彎管時(shí),電纜線會(huì)產(chǎn)生彎曲并緊貼彎曲段,受到管道側(cè)面對(duì)其的支持力,電纜在彎管狀態(tài)下受力情況如圖6-4所示,、、、和的表示含義與直管狀態(tài)相同,為彎管的彎曲半徑,為圓弧弧度。取電纜線的一小段長(zhǎng)度的豎直截面進(jìn)行微觀分析,為該段電纜所受拉力的合力,為管壁對(duì)該小段的總支持力,為與豎直方向的角度,為該小段電纜的圓弧弧度。
當(dāng)電纜處于平衡狀態(tài)時(shí),可列出各力的關(guān)系式：
（6-7）
對(duì)式（6-7）進(jìn)行化簡(jiǎn)可得：
（6-8）
根據(jù)，由式（6-8）可得：
（6-9）
由弧長(zhǎng)公式，將代入式（6-9），則：
由F與的關(guān)系可得出在彎管狀態(tài)下電纜的托線力計(jì)算公式：
（6-10）
由于電纜在經(jīng)過彎管時(shí)會(huì)受到一定的離心力的作用,在計(jì)算過程中一般忽
略重力對(duì)拖線力的影響,則式（6-10）可化簡(jiǎn)為：
（6-11）
管道機(jī)器人在實(shí)際的應(yīng)用中一般由直管進(jìn)入,在初始狀態(tài)下牽引力為0,在直線運(yùn)動(dòng)過程中牽引力逐步增加,當(dāng)?shù)竭_(dá)彎管接頭的臨界點(diǎn)時(shí),可通過式（6-6）可求出當(dāng)前的牽引力；進(jìn)入彎管后此牽引力即為初始牽引力,根據(jù)式（6-11）可以得出通過彎管后的牽引力。
6.4. 機(jī)器人越障極限狀態(tài)分析
當(dāng)機(jī)器人履帶機(jī)構(gòu)前端帶輪越過垂直臺(tái)階的外邊緣線后,隨著機(jī)器人攀爬運(yùn)動(dòng),前端帶輪會(huì)繼續(xù)升高,機(jī)器人與地面之間的仰角逐漸增大,重心也不斷升高并向前移動(dòng)。此時(shí)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)兩種情況：
（1）機(jī)器人的重心在攀爬過程中不斷上升和前移,并且能夠越過垂直臺(tái)階的外邊緣線,則由力矩平衡法則可知,此時(shí)機(jī)器人將在自身重力作用下,以臺(tái)階的拐角線作為支線,完成對(duì)垂直臺(tái)階的跨越,越障成功。
（2）機(jī)器人的重心在移動(dòng)的過程中始終無法越過垂直臺(tái)階的外邊緣線,此時(shí)機(jī)器人則不能越過臺(tái)階,繼續(xù)攀爬甚至可能使機(jī)器人發(fā)生反向翻轉(zhuǎn)。
為了研究機(jī)器人的越障能力,我們需要對(duì)機(jī)器人剛好能跨越垂直臺(tái)階時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行分析。由上面的兩種情況可知,當(dāng)機(jī)器人的重心剛好能越過垂直臺(tái)階的外邊緣線時(shí),此時(shí)機(jī)器人處于即將越過臺(tái)階的臨界狀態(tài),如圖6-5所示,機(jī)器人重心O的鉛垂線剛好與臺(tái)階的外邊緣線重合。
圖6-5 機(jī)器人越障極限狀態(tài)
在圖6-5建立以后端帶輪的軸心為原點(diǎn),以前后帶輪軸心連線,為軸正向的笛卡爾坐標(biāo)系,為機(jī)器人的重心,設(shè)其坐標(biāo)為,R為履帶輪半徑,為機(jī)器人與地面間的仰角,L為的長(zhǎng)度, 為垂直臺(tái)階的高度。為了得出可以跨越的臺(tái)階高度與其他參數(shù)的關(guān)系,則可建立如下函數(shù):
(6-12)
由式(6-12)可知,當(dāng)機(jī)器人在跨越臺(tái)階的過程中,始終能夠達(dá)到圖6-5所示的越障極限狀態(tài)時(shí),則機(jī)器人能夠越過的垂直臺(tái)階高度隨著機(jī)器人與地面的仰角的變化而變化,機(jī)器人在越障過程中,的取值范圍為。當(dāng)我們得出R、、的數(shù)值后,就能求得,與的關(guān)系式,此時(shí),的最大值即為機(jī)器人能夠跨越的垂直臺(tái)階的最大高度。
由于機(jī)器人要越過臺(tái)階,重心必須能夠越過垂直臺(tái)階的外邊緣線,因此重心的位置對(duì)機(jī)器人的越障能力會(huì)有一定的影響。在函數(shù)表達(dá)式(6-12)中,分別對(duì)、求偏導(dǎo)可得：
根據(jù)上面的結(jié)果可知, 的為關(guān)于的增函數(shù),關(guān)于的減函數(shù)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)使機(jī)器人的重心偏前、偏下一些能夠提高機(jī)器人的越障能力。
當(dāng)機(jī)器人重心位置確定時(shí),我們現(xiàn)在來分析與的關(guān)系,分別對(duì)函數(shù)求關(guān)于的1次、2次偏導(dǎo)可得：
由于的取值范圍為,由數(shù)學(xué)知識(shí)可知, 時(shí),函數(shù)存在最大值。當(dāng)時(shí),可以求得的最大值,此時(shí)即為該機(jī)器人能夠越過的垂直臺(tái)階的最大高度。經(jīng)計(jì)算，越障能力小于30mm。
6.5 機(jī)器人爬坡和跨越溝道能力的研究
（1）攀爬斜坡
機(jī)器人爬坡運(yùn)動(dòng)如圖6-6所示,由于機(jī)器人運(yùn)行速度很低,我們可以對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析。機(jī)器人在爬坡時(shí)會(huì)受到一個(gè)阻礙其前進(jìn)的重力分力。因此對(duì)牽引力有更大的要求。為了保證機(jī)器人在爬坡時(shí)不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)或傾覆,斜坡的坡度必須不大于所允許的最大俯仰角為,且坡向不大于最大橫滾角為,設(shè)b為機(jī)器人的寬度,則：
（6-13）
（6-14）
圖6-6 機(jī)器人爬坡運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
得
（2）跨越溝道
要使機(jī)器人較為平穩(wěn)地跨越溝道,避免前端或后端掉進(jìn)溝道的情況發(fā)生,需要滿足兩個(gè)條件設(shè)溝道的寬度為D,當(dāng)機(jī)器人的重心通過近側(cè)的溝道邊緣線時(shí),機(jī)器人前端履帶已經(jīng)接觸或越過遠(yuǎn)側(cè)的溝道邊緣線,即。當(dāng)機(jī)器人的重心通過遠(yuǎn)側(cè)的溝道邊緣線時(shí),機(jī)器人后端履帶尚未完全離開近側(cè)的溝道邊緣線,即。因此只需測(cè)出的大小,即可求得機(jī)器人能夠平穩(wěn)跨越的溝道的最大寬度,即
（6-15）
得
6.6 機(jī)器人在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎時(shí)的通過性分析
如果機(jī)器人的尺寸和彎管的形狀尺寸不能滿足一定的要求,則機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎過程中可能會(huì)被卡住無法移動(dòng),從而不能成功通過彎管。因此在機(jī)器人主體尺寸大小已經(jīng)確定的情況下,我們有必要對(duì)其彎管通過性進(jìn)行分析,以保證機(jī)器人能安全通過彎曲的管道。目前中央空調(diào)彎曲管道主要有三種形式水平直角彎管,矩形管斜接彎頭以及圓弧形彎頭。下面我們分別對(duì)機(jī)器人在這三種情況下的彎管通過性進(jìn)行分析。
6.6.1 機(jī)器人在水平直角彎管的通過性分析
機(jī)器人經(jīng)過直角彎管的情形如圖6-7示,以直角彎管外拐點(diǎn)為原點(diǎn),建立圖示笛卡爾坐標(biāo)系,設(shè)y軸方向管道的寬度為a,x軸方向管道的寬度為b,機(jī)器人長(zhǎng)度為l,轉(zhuǎn)過的角度為 。為了使機(jī)器人更容易通過彎管,假定機(jī)器人相對(duì)于彎向的外側(cè)始終沿著管道外側(cè)運(yùn)動(dòng),在圖6-7中表示為：在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎的過程中,點(diǎn)B始終沿x軸移動(dòng),點(diǎn)C始終沿y軸移動(dòng),此時(shí)機(jī)器人要通過彎管,必須保證寬度不大于點(diǎn)A到BC連線的垂直距離,即在 由 增大到 的過程中,A到BC的最短距離就是能通過該直角彎角的機(jī)器人的最大寬度。