機械手-管道清潔機器人總體設(shè)計-說明書

1、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ABSTRACTShanghai has central air conditioning in buildings more than 10,000 buildings. Most

2、 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,

3、 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, co

4、ntrol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

5、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) 236.1 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 35致謝 361 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)生與標準化國際研討會”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)

6、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)的達到68.28%；室內(nèi)空氣“感覺不好”的達60

7、%；有讓人不舒服氣味的達71.03%；被動吸煙的達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。21.2 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

8、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。2 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

9、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：12801024 攝像頭分辨率：24001960 最大幀數(shù)：30幀 色彩位數(shù)：24位 成像距離：50mm-無窮遠 對焦方式/范圍：手動式調(diào)焦50mm-極遠 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 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：U

10、SB 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?？紤]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

11、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 由于擔心攝像頭上的LED補光燈無法達到良好的燈光效果，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。為了達到良好的燈光效果，本設(shè)計準備在小車的兩個角上，各安裝一個照明燈，這樣能夠達到范圍大，光源強度大的效果。3

12、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CSiMnPSNiCrNMo0Cr19Ni9N0.081.002.000.0357-10.518-200.1-0.250.1-0.25-表3.2 0Cr19Ni9N的力學(xué)性能鋼號b,MPa0.2，MPa,%,%HB0Cr19Ni9N5502753550217 0Cr19Ni9N鋼不僅耐銹性優(yōu)

13、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400300mm，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。 而輪胎的半徑為R=45mm，所以電機減速

14、器的輸出轉(zhuǎn)矩為T=4.95Nm。（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。 所以，電機減速器輸出功率P20W。（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)型號轉(zhuǎn)矩Nm轉(zhuǎn)速r/min功率W電壓V電流A不大于允許順逆轉(zhuǎn)速差r/min電樞磁勵電樞磁勵45SZ554006000252420.45300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)mm31空載

15、轉(zhuǎn)速r/min60額定轉(zhuǎn)速r/min42額定轉(zhuǎn)矩kgcm63最大瞬間允許負載kgcm8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0.4，靜摩擦系數(shù)可達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?shù)妮嗇?，就?gòu)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。考慮到風(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

16、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 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

17、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|/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

18、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 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。 當一個驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，另一

19、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)。4 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

20、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)。 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

21、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

22、以進行俯仰30度的調(diào)整,從而保證在寬度400mm1000mm,高度300mm600mm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)

23、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0.3710=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=1.11Nm 電機輸出功率的估算： 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=0.555Nm 所以電機減速器的輸出功率P： (4-1)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90

24、SZ55。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)型號轉(zhuǎn)矩Nm轉(zhuǎn)速r/min功率W電壓V電流A不大于允許順逆轉(zhuǎn)速差r/min電樞磁勵電樞磁勵90SZ55520015008024511004.4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

25、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。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

26、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=302 彈簧材料展開長度L=439.6(mm)4.6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，能保證準確的傳動

27、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50m/s，傳動比可達10，效率可達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，中心距要求較嚴格。所以同步帶廣泛應(yīng)用于要求傳動比準確的中、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、

28、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，

29、載荷修正系數(shù)KA=1.2,所以 (4-2) 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，Pb=9.525mm的同步帶。 根據(jù)帶型L，寬度25.4mm，Pb=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) 由表“標準同步帶輪的直徑”查得： 大帶輪的節(jié)圓直徑d2=97.02mm。帶速 (4-3)（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

30、0=500mm 帶長及齒數(shù)mm (4-4) 根據(jù)表“梯形齒同步帶的節(jié)線長系列及極限偏差”選取標準節(jié)線長Lp及其齒數(shù)Z： 標準節(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) 小帶輪嚙合齒數(shù) (4-6)基本額定功率kw (4-7)其中，Ta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”選取標準值，取bs=25.4mm。 作用在軸上的力 (4-8) 綜上所述，帶輪的齒數(shù)和節(jié)圓直徑分別為：

31、小帶輪：Z1=16；d1=48.51mm 大帶輪：Z1=32；d2=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。 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:3.050.10 齒高hg:2.67(0,-0.10) 槽半角1.5:20 齒根圓角半徑rf:1.19 齒頂圓角半徑ra

32、:1.17(+0.13,0) 節(jié)頂距2:0.762 外圓直徑da: dad-2=47.75 外圓節(jié)距pa: pada/z=9.37(z帶輪齒數(shù)) 根圓直徑df: dfda-2hg=42.41 大帶輪的參數(shù)如下： 槽型:L 齒數(shù)：32 節(jié)圓直徑d：97.02 帶輪寬度：29.7 齒槽底寬bw:3.050.10 齒高hg:2.67(0,-0.10) 槽半角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2:0.762 外圓直徑da: dad-2=96.26 外圓節(jié)距pa: pada/z=9.44(z帶輪齒數(shù)) 根圓直徑df: dfda-2hg=90.9

33、24.8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： 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=0.52Nm，得： mm (4-9) 大帶輪軸的材料同大帶輪一樣，選擇40Cr。軸徑mm。4.9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/(Nm):4.5 D0:18 L:35 :8 C:0.5 C1:0.5圓

34、錐銷GB/T 117-2000:2.518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|/mm:28 基本尺寸B|/mm:7 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.

35、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|/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.

36、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:0.0535 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。考慮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

37、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。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)型號電源空載最大效率

38、最大功率電壓頻率轉(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RY5425M1111060145000.4832.367310.04360.8732.751670.0611.065.3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。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

39、將電機通過負壓吸入的風(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壓，以達到吸塵的功效。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，

40、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。6 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。控制系統(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

41、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

42、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）MAX232 MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設(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

43、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

44、供電。15腳DNG、16腳VCC（+5v）。 其原理圖如圖6.3所示。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

45、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105bBm； 6工作電壓低（2.7V），功耗小，接受待機狀態(tài)電流僅為8A； 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20kbit/s(也可在較抵速率下工作，如9600bps)； 9超小體積，約40275mm3； 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； 11標準的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可達1000米。 PTR2000模板的引腳排列如圖6.4所示。

46、各引腳的功能說明如下； VCC（1腳）：下輸入端，電壓范圍為2.75.25V； 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 MHz DO（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TXTN=1時，模塊為發(fā)射狀態(tài)；當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

47、工作模式TXENCSPWR工作頻道號芯片狀態(tài)0011接收0112接收1011發(fā)送1112發(fā)送XX0待機（4）L298N L298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路，可以方便的驅(qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。 L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接457 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2546 V，輸出電流可達25 A，可驅(qū)動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機。圖6.6是L298N內(nèi)部功能模塊。表6.7為L298N的功能模塊。圖6.6 L298N內(nèi)部功能模塊表6.7 L298N的功能模塊 In3，In4的邏輯圖與表6.7相同。由表6.7可知EnA為低電平時，輸入電平對電機控制起作用，當EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停。下圖6.7是L298N的各引腳圖。圖6.8 L298N的引腳圖 以下是L298的各項參數(shù)： L298N直流電機步進電機兩用驅(qū)動器