隧道清潔車除塵與安全設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

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1、 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) 隧道清潔車側(cè)面除塵與安全裝置設(shè)計(jì) 專 業(yè) 學(xué)生 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 完成日期 23 / 32 隧道清潔車側(cè)面除塵與安全裝置設(shè)計(jì) 摘要：為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器代替人工自行完成隧道側(cè)面除塵，本課題設(shè)計(jì)了用于隧道側(cè)面除塵的機(jī)械手。根據(jù)隧道側(cè)面除塵工作的要求，提出了整體的設(shè)計(jì)方案，把整個(gè)除塵機(jī)械手分為三大部分：一個(gè)是車載裝置，二是機(jī)械手本體，三是吸塵裝置。車載裝置完成整個(gè)裝置的承載作用，承載著機(jī)械手本體部分和垃圾儲(chǔ)存箱；機(jī)械手本體實(shí)現(xiàn)除塵動(dòng)作，利用四桿機(jī)構(gòu)完成沿隧道側(cè)面軌跡做擺動(dòng)，用

2、位置傳感器控制搖桿上的伺服電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條裝置達(dá)到控制手臂的伸縮，完成更有效的除塵效果；吸塵裝置作為對(duì)隧道墻壁的除塵工作。整臺(tái)機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，能可靠平穩(wěn)運(yùn)行地代替人工達(dá)到滿意的除塵效果。 關(guān)鍵詞：地鐵隧道，除塵裝置，蝸輪蝸桿升降機(jī)，機(jī)械手 The design of the manipulator about dusting to the side of tunnel Abstract:In order to achieve the subway completion that a robot can clear both sides of a tunnel’s d

3、ust instead of manual work,this subject has designed the robot . According to the requirements , the overall design was proposed. The whole manipulator can be divided into three parts: vehicle mounted device, robot, vacuum cleaner. The vehicle mounted device plays a role of load carrying capacity in

4、 the whole devise, including robot and garbage storage box. The manipulator can complete the action of clearing dust.The Crank-rocker mechanism swings along the track of the tunnel side , using position sensor to control the servo motor which is on the joystick.The motor driving telescopic rack and

5、pinion device can control the stretch of arm, completing the removal of dust more effectively. Vacuum cleaner can complete the job of cleaning the dust of tunnel wall. The whole machine has simple structure and it is easy to operate. The movement is reliable and steady.It can replace the artificial

6、to reach the satisfied effect of cleaning dust. Key words:Subway tunnel, Dust collecting equipment, Crank-rocker mechanism, Manipulators 目 錄 1 緒論1 1.1 課題的背景與國(guó)外現(xiàn)狀1 1.2 國(guó)外的研究現(xiàn)狀1 1.2.1 機(jī)械除塵技術(shù)1 1.2.2 過(guò)濾除塵技術(shù)2 1.2.3 靜電除塵技術(shù)2 1.3 課題研究的目的和意義3 2除塵機(jī)械手的設(shè)計(jì)的總體方案4 2.1隧道清潔車側(cè)面除塵與安全裝置設(shè)計(jì)任務(wù)4 2.2 隧道清潔車的設(shè)

7、計(jì)思路4 2.3地鐵隧道側(cè)面除塵機(jī)械手的類型6 2.4 蝸輪蝸桿升降機(jī)的選取8 2.4.1 為何選取蝸輪蝸桿升降機(jī)9 2.4.2 蝸輪蝸桿升降機(jī)的選型9 2.5 機(jī)械手自由度的校核12 3 除塵機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12 3.1 除塵機(jī)械手末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃13 3.2 除塵機(jī)械手的組成13 3.3機(jī)械手手腕回轉(zhuǎn)中心的確定14 4 其它部件的設(shè)計(jì)與選型17 4.1電機(jī)的應(yīng)用選擇17 4.1.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇18 4.1.2地鐵隧道除塵機(jī)械手的電機(jī)選擇18 4.2吸塵頭的設(shè)計(jì)21 4.3手臂伸縮長(zhǎng)度設(shè)計(jì)22 4.3.1 理想狀況下手臂的伸縮量計(jì)算22 5.

8、結(jié)論23 參考文獻(xiàn)24 致25 附 錄26 1 緒論 1.1課題的背景與國(guó)外現(xiàn)狀 在現(xiàn)代的社會(huì)，由于城市化建設(shè)的飛速發(fā)展以與城市人口的快速增長(zhǎng)，過(guò)量的人群活動(dòng)在擁擠的城市區(qū)域，加上機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車的大量購(gòu)買造成了很大的堵塞和擁擠，使得城市里的交通充滿了前所未有的壓力。這樣，使得人們出行受到干擾，浪費(fèi)大量寶貴的時(shí)間，為了緩解這些問(wèn)題。城市發(fā)展了軌道交通系統(tǒng)，現(xiàn)如今最先進(jìn)的行之有效的交通工具便是輕軌和地鐵。 現(xiàn)在世界上大約有一二百個(gè)城市擁有地鐵，線路總長(zhǎng)已經(jīng)超過(guò)了八千多公里。英國(guó)倫敦市的地鐵總長(zhǎng)408公里多。東京的地鐵達(dá)2000公里，年運(yùn)輸量超過(guò)了100億次。美國(guó)就紐約就有

9、27條，長(zhǎng)為443公里。巴黎的軌道交通占有率為70%。地鐵有15條線路，199公里。俄羅斯莫斯科有一個(gè)覆蓋全市區(qū)的立體交叉地鐵網(wǎng)，長(zhǎng)度有三百千米，擁有一百四十多個(gè)車站。每天運(yùn)輸量高達(dá)800多萬(wàn)次，位居世界之最。 我國(guó)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化和工業(yè)化的進(jìn)程正飛速不停地前進(jìn)，市區(qū)的交通狀況開(kāi)始嚴(yán)重地制約我國(guó)城市高速發(fā)展的節(jié)奏。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)擁有100萬(wàn)人口的城市有34個(gè)，擁有50到100萬(wàn)的人口的城市也達(dá)到了43個(gè)。目前形式下，過(guò)量的城市人群擁擠在城市狹小的圍，加上機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車大量的購(gòu)買，交通是一大問(wèn)題。為了緩解目前這種交通狀況。我國(guó)建設(shè)了很多地鐵，地鐵的建設(shè)提高了交通的運(yùn)行效率。吸引了人們的實(shí)

10、用，促進(jìn)城市發(fā)展，改善了公共交通環(huán)境。 然而，地鐵的快速發(fā)展也帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題：那就是與地鐵相對(duì)應(yīng)的配套設(shè)備設(shè)計(jì)和制造問(wèn)題。我國(guó)的地鐵研制工作還屬于發(fā)展和普與的階段，很多配套的設(shè)施還沒(méi)形成標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。所以地鐵隧道的除塵工作便成為一個(gè)很重要的問(wèn)題。隧道在列車長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之后存在了大量灰塵，所以便要研究除塵設(shè)備。 1.2 國(guó)外的研究現(xiàn)狀 1.2.1 機(jī)械除塵技術(shù) 利用重力、離心力、慣性力等質(zhì)量力來(lái)使含有灰塵的氣流中的塵粒從氣流中分離出來(lái)，進(jìn)行收集塵粒。 （1）重力除塵技術(shù) 重力除塵的原理是利用塵粒與氣體有不一樣的比重，因?yàn)榛覊m受重力的影響會(huì)自動(dòng)從氣體中掉落分離出來(lái)。并在管道里增加

11、擴(kuò)大部分擋板來(lái)避免氣流旋窩帶起已經(jīng)沉降的塵粒[1]。 （2）離心力除塵技術(shù) 離心力除塵技術(shù)是利用漩渦運(yùn)動(dòng)使里面的氣流產(chǎn)生的離心力來(lái)清除氣里的粉塵。含有灰塵的氣體進(jìn)入除塵設(shè)備的外殼和排氣管之后，形成的外旋流會(huì)使粉塵在離心力的作用下移向設(shè)備的壁，并在外旋流的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)到除塵器下部，由排塵孔釋放出去，凈化后的氣體形成上升的流，并經(jīng)過(guò)排氣管排放出去[2]。 （3）慣性除塵技術(shù) 慣性除塵技術(shù)是利用塵埃和氣體在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的不一樣的慣性力，使粉從氣體 中分離。一般是在含有氣流的前方設(shè)置障礙，使得氣流迅速改變方向，但此時(shí)粉塵慣性力比氣體的大的多，粉塵就會(huì)離開(kāi)氣流，得到干凈的氣體[2]。 1.2.2

12、過(guò)濾除塵技術(shù) 過(guò)濾除塵技術(shù)就是利用過(guò)濾器把含塵的氣體通過(guò)過(guò)濾材料，使得粉塵 分離出來(lái)。過(guò)濾除塵技術(shù)有兩種方式——部過(guò)濾和表面過(guò)濾。部過(guò)濾是把松散孔多的材料（如金屬絨、玻璃纖維、硅砂、煤粒等）用一定的體積填充在容器或者結(jié)構(gòu)架里作為過(guò)濾層，凈化含塵氣體，塵粒被過(guò)濾材料收集起來(lái)。 粉塵經(jīng)濾料過(guò)濾后受到的力在不同的除塵技術(shù)中最復(fù)雜，即使有很多種過(guò)濾分離表達(dá)的方程式，但還是不足以定量表達(dá)實(shí)際情況的除塵效率。所以才說(shuō)，除塵技術(shù)是科學(xué)和實(shí)踐相結(jié)合的完美的產(chǎn)物。 1.2.3 靜電除塵技術(shù) 靜電除塵技術(shù)是利用強(qiáng)電場(chǎng)使含塵氣體發(fā)生電離，利用氣體中粉塵帶電荷的原理，通過(guò)設(shè)置設(shè)備中的正負(fù)極電板來(lái)吸附灰塵，達(dá)

13、到凈化空氣的目的。靜電除塵技術(shù)分為平板式和管式。按靜電除塵的作用機(jī)理，可分為電暈放電、粒子荷電、塵粒收集和清灰這四個(gè)環(huán)節(jié)。 （1）電暈放電 把非常高的直流電壓加到一對(duì)電極上，其中一個(gè)點(diǎn)極是細(xì)導(dǎo)線，另一電極是管狀的或者板狀的，電場(chǎng)強(qiáng)度在導(dǎo)線表面附近很強(qiáng)，并隨遠(yuǎn)離導(dǎo)線的距離增大而大幅減弱。在含有強(qiáng)電場(chǎng)的導(dǎo)線表面空間，使得原有微量自由電子迅速增加到很高的速度，通過(guò)碰撞中性氣體分子，釋放外層電子形成新的自由電子和正離子。這些電子接著又被加速到一定速度，再次引起氣體分子碰撞電離。這個(gè)過(guò)程在短暫的時(shí)間里無(wú)限重復(fù)，便產(chǎn)生大量自由電子和正離子，這便是電離過(guò)程。由于氣體電離，在放電極周圍就會(huì)產(chǎn)生明亮的光暈，

14、并發(fā)出絲絲的氣體爆裂聲，這便稱為電暈放電。 （2）粒子荷電 依據(jù)電荷具有異性相吸、同性排斥的原理，在氣體電離之后形成的大量自由電子和正負(fù)粒子會(huì)向著異性電極運(yùn)動(dòng)，這運(yùn)動(dòng)便會(huì)使含塵氣體中的塵粒吸附在上面，形成塵粒荷電。 （3）塵粒收集 塵粒搜集的過(guò)程就是讓帶點(diǎn)粒子在電場(chǎng)中獲得加速的過(guò)程，使得負(fù)電荷的粒子會(huì)向著陽(yáng)極電板運(yùn)動(dòng)，帶有正電荷的粒子向著陰極移動(dòng)。 （4）清灰 在電場(chǎng)的作用下倆極都會(huì)有很多灰塵沉積下來(lái)，所以要與時(shí)清理，防止影響電暈放電，一般是采取重錘撞擊或者電磁裝置抖動(dòng)使得極板上的灰塵掉落在灰斗。 1.3 課題研究的目的和意義 地鐵已經(jīng)是一個(gè)人口聚集的公共場(chǎng)所，大城市里人們

15、每天都乘坐著地鐵，沒(méi)有一個(gè)好的環(huán)境怎么能帶給市民一個(gè)舒適的心情呢？日復(fù)一日，年復(fù)一年。因?yàn)榈罔F長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)帶來(lái)很多灰塵影響到地鐵環(huán)境，如果不與時(shí)清理，很有可能影響到地鐵良好的運(yùn)轉(zhuǎn)，還會(huì)影響到乘客們所在候車廳的環(huán)境。因此，地鐵隧道的清理工作已經(jīng)是一個(gè)非常重要，必須要做的工作，地鐵如圖1-1所示。 圖1-1 地鐵 過(guò)去地鐵大多采用人工吹掃作業(yè)的手段來(lái)進(jìn)行操作，但是長(zhǎng)時(shí)間之后發(fā)現(xiàn)，這樣的方式工作環(huán)境太惡劣，工作效率也比較低、污染比較大大，所以對(duì)現(xiàn)在使用的吹掃工作方式要進(jìn)行大大改進(jìn)，本課題就是要研究一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人——除塵機(jī)械手，代替人工去實(shí)現(xiàn)地鐵隧道側(cè)面灰塵的自動(dòng)清理。 2除塵機(jī)械手的

16、設(shè)計(jì)的總體方案 2.1隧道清潔車側(cè)面除塵與安全裝置設(shè)計(jì)任務(wù) 利用本次設(shè)計(jì)，讓我去了解開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品需要哪些過(guò)程，加強(qiáng)我系統(tǒng)的運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論能力、鞏固自身專業(yè)知識(shí)和各項(xiàng)技能素養(yǎng)，進(jìn)一步的培養(yǎng)大學(xué)生設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析和解決問(wèn)題的能力，并會(huì)懂得如何總結(jié)、歸納，得到合理的結(jié)論，進(jìn)行比較系統(tǒng)的機(jī)械工程訓(xùn)練，初步鍛煉從事科學(xué)研究的工作能力，增強(qiáng)論文撰寫(xiě)和技術(shù)表述的基本能力。奠定了基礎(chǔ)的實(shí)際工作，來(lái)達(dá)到人培養(yǎng)人才的目的和要求。 課題任務(wù)是設(shè)計(jì)一臺(tái)除塵機(jī)械手，代替人工做地鐵隧道側(cè)面灰塵的自動(dòng)除塵工作。其參照的原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)要求為： （1）地鐵隧道截面為圓形，其半徑為4米，最高點(diǎn)為6.5米。 （2

17、）手臂末段安裝吸塵頭，可以將機(jī)械手安裝在專用的（或者改裝的）車輛上,允許每單程清理半面隧道。 （3）車輛行駛的速度要求最低為15km/h。 （4）除塵機(jī)械手應(yīng)能滿足實(shí)際工作規(guī)要求，保證作業(yè)精度。 （5）除塵機(jī)械手應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，便于維修、調(diào)整。 （6）除塵機(jī)械手盡量采用通用件來(lái)降低制造成本。 （7）吸塵頭與隧道壁壁面的距離控制在四十厘米左右。 （8）選擇適當(dāng)?shù)奈鼔m頭,使得吸口能夠照顧到應(yīng)該清掃的面，且漏掃部分不能高于10%. 2.2隧道清潔車的設(shè)計(jì)思路 本課題要求設(shè)計(jì)一臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，性能比較可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的除塵機(jī)械手,代替人工執(zhí)行地鐵隧道側(cè)面的

18、除塵工作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和作業(yè)要求,設(shè)計(jì)總體方案和除塵方式，確定對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)和自由度的數(shù)目，并選取適合的驅(qū)動(dòng)力。滿足合理的方案，緊湊的結(jié)構(gòu)，符合生產(chǎn)的要求，并且對(duì)配套設(shè)備（吸塵器和小車等）做出相應(yīng)的修改要求。 通過(guò)實(shí)際調(diào)查研究研發(fā)現(xiàn)要利用吸塵的方式來(lái)完成除塵工作，所以考慮在機(jī)械手末端采用吸塵頭作為執(zhí)行器，它的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)基本符合隧道側(cè)面的形狀，為一圓弧。手臂可以根據(jù)隧道側(cè)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整之間的距離大小，與壁面垂直距離保持40毫米和60毫米之間；為了保證除塵的效果，吸塵器和垃圾儲(chǔ)存箱用管道連通，把吸進(jìn)的灰塵放置在垃圾存儲(chǔ)箱里；吸塵頭的運(yùn)動(dòng)軌跡總體上看為一螺旋線；機(jī)械手存在三個(gè)自由度：一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由

19、度，兩個(gè)移動(dòng)自由度。其中一個(gè)移動(dòng)自由度，可以用小車來(lái)做沿隧道長(zhǎng)度方向的移動(dòng)來(lái)代替機(jī)械手本體的移動(dòng)，所以機(jī)械手本身就只需要完成兩個(gè)自由度。 機(jī)械手本身需要的兩個(gè)自由度分別是一個(gè)手臂做來(lái)回?cái)[動(dòng)的自由度和一個(gè)是用于調(diào)節(jié)執(zhí)行器與隧道壁的垂直距離的移動(dòng)自由度，如圖2-1所示；吸塵器裝置用于完成清理灰塵的工作，末端執(zhí)行器裝置了吸塵器的吸口部分；手臂上裝一個(gè)障礙物感應(yīng)器來(lái)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)控制末端執(zhí)行器躲過(guò)壁的障礙物，機(jī)械手機(jī)架、垃圾儲(chǔ)存箱和吸塵器等部件都安裝在承載車上。 圖2-1 機(jī)械手自由度示意圖 機(jī)械手本體的兩個(gè)自由度有倆個(gè)控制方案，方案一：利用氣壓液壓控制機(jī)械手臂的伸縮、擺動(dòng)。方案二：利用一個(gè)

20、電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)手臂伸縮，再用一個(gè)電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)部分。但考慮到氣壓液壓維修起來(lái)不如電動(dòng)機(jī)方便，便選擇了電機(jī)作為動(dòng)力源作為驅(qū)動(dòng)力。 2.3地鐵隧道側(cè)面除塵機(jī)械手的類型 機(jī)械手的基本功能是什么？就是希望它可以按照人們的思維做出相應(yīng)的工作，人們?cè)O(shè)定好位置和設(shè)計(jì)好驅(qū)動(dòng)手部，它便可以通過(guò)環(huán)境自動(dòng)改變動(dòng)作來(lái)完成各種作業(yè)。在空間，一個(gè)物體在任意方向的移動(dòng)都可以分解成空間三維坐標(biāo)軸的三個(gè)方向的移動(dòng)；當(dāng)做出任意方向的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，都可以把它分解成空間三維坐標(biāo)的三個(gè)方面的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，在空間坐標(biāo)，任何一個(gè)物體都存在六個(gè)自由度。沿空間三維坐標(biāo)軸移動(dòng)分量的總矢量便決定了空間物體位置的變化

21、；沿空間三維坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)分量的矢量和決定著空間物體姿勢(shì)的變化。 除塵機(jī)械手就相當(dāng)于一個(gè)空間機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)副一般是只有轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副兩類。通常來(lái)講，一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的自由度和手部運(yùn)動(dòng)的自由度在數(shù)量上是相等的，如圖2-1，所示的RRP操作機(jī)，它的底座存在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，腰部存在一個(gè)移動(dòng)的自由度，腕部存在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，這些自由度目的是確定手部在空間的位置。因此，由這幾個(gè)部分所構(gòu)成的機(jī)構(gòu)，我們稱之為操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)[3]。 圖2-2 RRP坐標(biāo)式機(jī)器人 地鐵隧道側(cè)面除塵機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的除塵工作就要有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)移動(dòng)這三個(gè)自由度，沿隧道長(zhǎng)度方向的移動(dòng)可由承載車來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以機(jī)械手本身的兩個(gè)自由度就

22、需要去設(shè)計(jì)了，要從自身的結(jié)構(gòu)得到[2]。 實(shí)現(xiàn)手臂在空間做特定的運(yùn)動(dòng)，我們有不同的運(yùn)動(dòng)類型，總體上分為下面的幾種：（1）三個(gè)運(yùn)動(dòng)互相垂直的直線運(yùn)動(dòng)的組合（PPP）；（2）兩個(gè)運(yùn)動(dòng)為直線和一個(gè)運(yùn)動(dòng)形式是轉(zhuǎn)動(dòng)（RPP）；（3）三個(gè)運(yùn)動(dòng)形式都是轉(zhuǎn)動(dòng)的組合（RRR），分別如下圖所示： 圖2-3 PPP坐標(biāo)式 圖2-4 RPP坐標(biāo)式 圖2-5 RRR坐標(biāo)式 1、小臂 2、大臂 3、立柱 4、基座 地鐵隧道除塵機(jī)械手實(shí)際上有三個(gè)自由度來(lái)完成的，兩個(gè)移動(dòng)自由度和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。所以隧道的除塵機(jī)械手的類型可以歸結(jié)為兩個(gè)直線的運(yùn)動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此它的類型屬于RPP型，如圖2-

23、3所示。但是其中一個(gè)自由度靠承載小車來(lái)完成。所以機(jī)械手本體需要兩個(gè)自由度：一個(gè)擺動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)）和一個(gè)移動(dòng)自由度（用來(lái)調(diào)整吸塵頭與隧道截面垂直距離的大?。3]。 2.4 蝸輪蝸桿升降機(jī)的選取 平面連桿機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：低副具有規(guī)矩的幾何形狀，便于加工設(shè)計(jì)；整個(gè)機(jī)構(gòu)要能承受較大的載荷少不了低副的接連作用，比如說(shuō)轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)、擺動(dòng)以與一般的平面運(yùn)動(dòng)，都會(huì)受到較大載荷的沖擊，所以低副是特別重要的。連桿曲線具有不同的形狀，可根據(jù)不同的需要來(lái)選擇，可長(zhǎng)距離的傳動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)的基本類型有:曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)等。 要設(shè)計(jì)的機(jī)械手本體只需要兩個(gè)自由度，包括一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和一個(gè)移動(dòng)自由度。我們可

24、以選擇利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 所有運(yùn)動(dòng)副是轉(zhuǎn)動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)都稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)是平面四桿機(jī)構(gòu)的最基本的方式，如果組成轉(zhuǎn)動(dòng)副的兩構(gòu)件可以相對(duì)做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，便稱其是周轉(zhuǎn)副，如果不可以做整周轉(zhuǎn)動(dòng)的，便稱其是擺轉(zhuǎn)副 。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)由以下各構(gòu)件組成： 連架桿：與機(jī)架相連的構(gòu)件； 連桿：與機(jī)架沒(méi)有相連，并做平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件； 機(jī)架：機(jī)構(gòu)中相對(duì)固定的構(gòu)件； 曲柄：與機(jī)架連接且能做整周轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件； 搖桿：與機(jī)架相連且能做來(lái)回?cái)[動(dòng)的構(gòu)件； 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)根據(jù)兩連架桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為以下三種基本的類型： （1）曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個(gè)連架桿中一一桿為曲柄，另一桿是只可以做往復(fù)的

25、擺動(dòng)的搖桿，則稱該四桿機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)[15]，如圖2-5所示。 圖2-6 曲柄搖桿機(jī)構(gòu) （2）雙曲柄機(jī)構(gòu) 在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個(gè)連架桿都是相對(duì)機(jī)架作整周回轉(zhuǎn)的曲柄，則為雙曲柄機(jī)構(gòu)[6]，如圖2-6所示。 圖2-7 雙曲柄機(jī)構(gòu) （3）雙搖桿機(jī)構(gòu) 當(dāng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中的兩連架桿都是搖桿時(shí)，稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)[15]，如圖2-7所示。 圖2-8 雙搖桿機(jī)構(gòu) 在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，要使連架桿AB為曲柄，它一定要為四桿中的最短的桿，而且一定要滿足最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于其余兩桿長(zhǎng)度之和?？紤]到通常的情形，可得出鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件： （1）最短桿和最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于或者

26、等于其他兩桿長(zhǎng)度之和[7]； （2）最短桿是連架桿或者機(jī)架[6]。 2.4.1 為何選取蝸輪蝸桿升降機(jī) 若選用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，則四桿機(jī)構(gòu)是一個(gè)費(fèi)力桿，所以選擇蝸輪蝸桿升降機(jī)，他體積小，重量輕，無(wú)噪音，可靠性高，壽命強(qiáng)，他能按照一定的程序準(zhǔn)確地控制調(diào)整提升或者推進(jìn)的高度，可用電機(jī)直接帶動(dòng)。 2.4.2 蝸輪蝸桿升降機(jī)的選型 根據(jù)絲杠提升負(fù)荷和行程找出所需升降機(jī)的型號(hào)，再查提升力和提升速度表，校核提升速度滿不滿足要求。如圖2-9所示。 圖2-9 蝸輪蝸桿升降機(jī)與其參數(shù) 2.4.3 機(jī)械手裝置中的四桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)確定 AB代表曲柄，CD代表?yè)u桿，AD代表機(jī)架，兩個(gè)極限位

27、置分別是CD、DM。當(dāng)AB轉(zhuǎn)過(guò)一周時(shí)，鉸鏈中心B的軌跡是以A為圓心的圓。從圖中可以看出在B經(jīng)過(guò)B1、B2點(diǎn)時(shí)曲柄和連桿形成兩次共線。所以說(shuō)，要使AB是曲柄，它必須要順利地通過(guò)這兩個(gè)共線位置, 。因此，我們能夠利用這兩個(gè)特殊位置來(lái)計(jì)算出它們的關(guān)系。 根據(jù)下面的一系列參數(shù)（結(jié)合上面的推導(dǎo)）： 擺桿mm 其中CD和DM為兩極限位置。 我們可以得出： 曲柄AB = 1m 機(jī)架AD = 1.6m 由于極限角度較大，我們采用相鄰兩桿相等的四桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 設(shè)定這些參數(shù)，可以形象地表達(dá)該曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的

28、所有構(gòu)件。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄AB做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣就可以帶動(dòng)手臂CD在設(shè)定的兩點(diǎn)之間來(lái)回?cái)[動(dòng)。這樣，電機(jī)只要做單方向轉(zhuǎn)動(dòng)就行了，這就是選用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)[14]。 2.5 機(jī)械手自由度的校核 一個(gè)構(gòu)件在沒(méi)有任何約束的條件下，相對(duì)于固定構(gòu)件作平面運(yùn)動(dòng)時(shí)有三個(gè)自由度。若組成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈有N個(gè)活動(dòng)構(gòu)件和一個(gè)固定構(gòu)件，則動(dòng)所有構(gòu)件未組成運(yùn)動(dòng)副前活動(dòng)構(gòu)件相對(duì)于固定構(gòu)件有3N個(gè)自由度，假如把這些構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)副連接而形成運(yùn)動(dòng)鏈之后，因?yàn)槭苓\(yùn)動(dòng)副約束條件的限制，自由度就會(huì)減少。把構(gòu)件中每個(gè)構(gòu)件相對(duì)于機(jī)架能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為機(jī)構(gòu)的自由度。設(shè)這個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈中共有Pl個(gè)低副和PH個(gè)高副，他們就會(huì)提供個(gè)約束，故機(jī)構(gòu)的自

29、由度為： (2-1) 隧道除塵機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2-9所示。活動(dòng)構(gòu)件n=4,低副為PL=5，高副為PH=0，由上述公式求出機(jī)構(gòu)自由度為： 除塵機(jī)械手機(jī)構(gòu)主動(dòng)件數(shù)目有2個(gè)，并且主動(dòng)件數(shù)目等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目，因此機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)。 動(dòng)力源應(yīng)該有兩個(gè)。一個(gè)用來(lái)帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)連接桿使得手臂可以來(lái)回?cái)[動(dòng)；另一個(gè)動(dòng)力源是控制齒輪齒條的運(yùn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)[8]。 3 除塵機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 除塵機(jī)械手末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃 機(jī)械手末端執(zhí)行器裝備一個(gè)吸塵

30、頭，吸塵頭的軌跡是跟隧道截面類似的一個(gè)圓通過(guò)對(duì)隧道截面的計(jì)算，可以得到吸塵頭大概的運(yùn)動(dòng)軌跡，已知隧道的高度、隧道路面的寬度，如圖3-1所示： 已知: m , m , 求： 根據(jù)勾股定理： (3-1) 帶入數(shù)據(jù)得： mm mm 圖3-1 隧道截面示意圖 3.2 除塵機(jī)械手的組成 該隧道側(cè)面除塵機(jī)械手由三部分組成：（1）車載裝置（2）機(jī)械手裝置（3）吸塵裝置，如圖3-2所示。 （1）車載裝置：用于裝載機(jī)械手裝置和吸塵裝置的車輛設(shè)備，并沿著隧道方向移動(dòng)作為機(jī)械手臂一個(gè)移動(dòng)自由度，它也承載所有控制機(jī)械手的裝置，此車如

31、同地鐵可以直接架在軌道上沿著地鐵軌道進(jìn)行移動(dòng)。 （2）機(jī)械手裝置：機(jī)械手裝置是隧道側(cè)面除塵機(jī)械手的核心裝置，由它來(lái)完成除塵動(dòng)作的主要工作。利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿從而控制搖桿可以來(lái)回的擺動(dòng)。選用由伺服電機(jī)控制齒輪齒條的傳動(dòng)，去控制手臂伸縮，這樣手臂就可以對(duì)隧道側(cè)面進(jìn)行除塵作業(yè)了。手臂可以自行控制與隧道側(cè)面之間的距離，達(dá)到吸塵器能良好工作的距離。手臂上是裝有位置感應(yīng)器，來(lái)躲避隧道壁面上大的障礙物（如信號(hào)燈等）。 圖3-2 除塵裝置示意圖 （3）吸塵裝置：在機(jī)械手手臂的末端安裝一個(gè)吸塵頭進(jìn)行完成收集灰塵和其他污垢的工作。吸塵頭裝在機(jī)械手手臂末端，由手臂的擺動(dòng)和來(lái)回伸

32、縮控制適合的位置，垃圾儲(chǔ)存箱、吸塵器坐落在承載小車上。 此外，吸塵器與垃圾存放箱通過(guò)軟管相連接，這樣吸塵器吸進(jìn)灰塵后就可以直接裝在灰塵存放箱。裝在手臂上的吸塵頭的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線，因?yàn)樗淼辣诿娴牟黄秸裕聲?huì)有死角處不能被除塵到位， 為了保證清潔的良好效果，我們需要控制好吸塵頭半徑的大小[11]。 3.3機(jī)械手手腕回轉(zhuǎn)中心的確定 位于臂部的最前端就是腕部，臂部承載的動(dòng)、靜負(fù)荷都與它相牽連。很明顯臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)特性都受到腕部的影響，所以對(duì)手腕回轉(zhuǎn)中心位置的要求很重要，一定要保證使機(jī)構(gòu)緊湊、總重量輕一些等特點(diǎn)。腕部不僅連結(jié)除塵機(jī)械手的手臂，它還有連結(jié)和支承整個(gè)機(jī)架的作用，除了保證腕

33、部具有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還要全面考慮，保證使整個(gè)機(jī)架有一個(gè)合理的布局。由于隧道除塵的工作環(huán)境是非常惡劣的，隧道不僅相當(dāng)寬而且也很高，因此在設(shè)計(jì)腕部時(shí)必須充分考慮在作業(yè)中可能存在的環(huán)境會(huì)對(duì)腕部產(chǎn)生不好的影響。 除塵機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)中心的位置影響著除塵圍的大小，也影響著機(jī)械手臂的伸縮量。因?yàn)樗淼澜孛娴陌霃教?，為了確保手臂能夠平穩(wěn)地移動(dòng)，手臂的伸縮量就要愈小愈好[12]。 圖3-3 機(jī)械手工作區(qū)域 根據(jù)垂直平分線定理知，連結(jié)C點(diǎn)和M點(diǎn)，做線段CM的垂直平分線，設(shè)定D點(diǎn)為機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)中心，如上圖D點(diǎn)所示相距隧道截面圓心O為1米。手臂在距C點(diǎn)和M點(diǎn)兩處的長(zhǎng)度一樣并為最長(zhǎng)的，在垂直平分

34、線的長(zhǎng)度是最短的。這樣，就可以保證手臂保持最小的伸縮量去作業(yè)，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的效果。如圖3-3所示： 通過(guò)下列的計(jì)算： m m mm 可以得出： mm 即：兩個(gè)極限位置分別是CD和DM處，手臂工作區(qū)域?yàn)閳D3-3的陰影部分。 4 其它部件的設(shè)計(jì)與選型 按照調(diào)研成果和實(shí)際情況，利用吸塵方式完成除塵工作，即在該除塵機(jī)械手的末端安裝吸塵頭，它的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)與隧道側(cè)面圓形軌跡大致相符。為保證除塵效果，吸塵器與垃圾存放箱連結(jié)在一起，吸塵器吸進(jìn)的灰塵會(huì)儲(chǔ)存在收集箱里。末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)

35、軌跡正常情況下為一個(gè)螺旋軌跡。 機(jī)械手本體的兩個(gè)自由度可以采用電動(dòng)機(jī)來(lái)提供驅(qū)動(dòng)力，一個(gè)作為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力，另外一個(gè)作為移動(dòng)動(dòng)力。 手臂通過(guò)位置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)自行調(diào)節(jié)距離。當(dāng)手臂末端執(zhí)行器和隧道壁的垂直距離超出一定值或者遇到障礙物后，感應(yīng)器便發(fā)出一個(gè)信號(hào)反饋給位置傳感器，位置傳感器控制伺服電機(jī)使得手臂自行縮回；手臂與墻面之間的距離小于設(shè)定的數(shù)值時(shí)，手臂便會(huì)自動(dòng)伸長(zhǎng)[10]。 4.1電機(jī)的應(yīng)用選擇 （1）電動(dòng)機(jī)應(yīng)用選擇的原則和方法 選取電動(dòng)機(jī)的基本原則首先考慮電動(dòng)機(jī)的主要啟動(dòng)速度、承受過(guò)載能和調(diào)速性能、額定功率、額定轉(zhuǎn)速和機(jī)構(gòu)模式等方面能不能滿足工作要求；再次是在這個(gè)前提下優(yōu)先采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行

36、可靠、便于維護(hù)的電動(dòng)機(jī)。 選擇電動(dòng)機(jī)的方法和主要步驟是： (a)根據(jù)電機(jī)對(duì)工作要求，選擇電動(dòng)機(jī)的種類和轉(zhuǎn)速； (b)根據(jù)供電源的情況，選定電動(dòng)機(jī)的額定電壓； (c)跟據(jù)機(jī)器作業(yè)時(shí)所要求的功率和工作方式，選定電動(dòng)機(jī)的額定功率； (d)根據(jù)電機(jī)安裝位置要求和工作環(huán)境，選取電機(jī)的結(jié)構(gòu)和保護(hù)形式。 電動(dòng)機(jī)的額定功率的選擇，要校驗(yàn)其散熱情況、過(guò)載能力和啟動(dòng)能力。 （2）電動(dòng)機(jī)類型的選擇 根據(jù)電機(jī)的負(fù)載性質(zhì)，如對(duì)恒轉(zhuǎn)矩和通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性有要求的應(yīng)選用機(jī)械特性為硬特性較好的電動(dòng)機(jī)更適宜；對(duì)于負(fù)載比較平穩(wěn)，長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)，并且啟動(dòng)、制動(dòng)無(wú)特殊要求的機(jī)械，小功率選則使用普通籠型電動(dòng)機(jī)，大功率選則使用同步

37、電動(dòng)機(jī)；對(duì)于調(diào)速圍很大，并有恒功率負(fù)載的機(jī)械，選擇機(jī)械電氣聯(lián)合調(diào)速的型式。電動(dòng)機(jī)的使用類型還要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)機(jī)械的工作狀態(tài)選取。 （3）電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速的選擇 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速是依照機(jī)械工作的要求而選取的。要在考慮到機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，并滿足互相配合的要求之后，而且對(duì)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行比較才能確定電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。一般情況，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速都高于500r/min。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的功率一定時(shí)，轉(zhuǎn)速越低其尺寸越大，價(jià)格將越貴，而且效率也會(huì)變低，但是選用高速電動(dòng)機(jī)，就會(huì)加大機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，導(dǎo)致電機(jī)部齒輪傳動(dòng)變得復(fù)雜。 （4）電動(dòng)機(jī)額定功率的確定 確定電動(dòng)機(jī)額定功率的原則是：在電動(dòng)機(jī)能夠滿足負(fù)

38、載工作時(shí)的要求情況下，應(yīng)當(dāng)盡量選用額定功率較小的電動(dòng)機(jī)。 4.1.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 驅(qū)動(dòng)電機(jī)在機(jī)械手裝置中是機(jī)械手的動(dòng)力來(lái)源之一，要全面的思考進(jìn)行選擇。我考慮選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)與普通電機(jī)的區(qū)別在于步進(jìn)電機(jī)可以接受脈沖信號(hào)進(jìn)行改變運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)依靠環(huán)形分配器的電子開(kāi)關(guān)，利用功率放大器使勵(lì)磁繞組依照排列好的順序依次接通直流電。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)跟著脈沖頻率做出相應(yīng)的變化，頻率增加轉(zhuǎn)速也就會(huì)增大。相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒數(shù)會(huì)影響步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 目前常用的步進(jìn)電機(jī)有：反映式步進(jìn)電機(jī)、單項(xiàng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)等。 步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的主要區(qū)別是步

39、進(jìn)電機(jī)擁有脈沖驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，就是因?yàn)檫@點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)能夠和數(shù)字控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)完成比較智能的任務(wù)。但是步進(jìn)電機(jī)也有它的缺點(diǎn)，它沒(méi)有傳統(tǒng)閉環(huán)控制的直流伺服電機(jī)較高的控制精度、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的特性和很大的速度圍。經(jīng)常在精度要求不算太高的場(chǎng)合使用步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)樗薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，且較高的可靠性能[4]。 4.1.2地鐵隧道除塵機(jī)械手的電機(jī)選擇 步進(jìn)電機(jī)是一種用來(lái)控制的特種電機(jī)，它可以根據(jù)步進(jìn)角做一步一步的旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)器會(huì)把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成步進(jìn)電機(jī)的角位移量。因此說(shuō)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比關(guān)系[4]。 考慮到各方面的因素，我確定使用型號(hào)為

40、YCJ130的減速電動(dòng)機(jī)作為曲柄的動(dòng)力源， YCJ130型有116r/min,139r/min和176r/min這三種輸出轉(zhuǎn)速，我選擇輸出轉(zhuǎn)速為176r/min、額定轉(zhuǎn)功率為3Kw的這一型號(hào)作為驅(qū)動(dòng)力源；控制齒輪齒條運(yùn)動(dòng)的電機(jī)為160BC380A型磁阻式步進(jìn)電機(jī)。 圖 4-1 YCJ71--YCJ112型的外形與安裝圖 圖4-2 磁阻式電機(jī)的外形與安裝圖 表4-1 減速電動(dòng)機(jī)的外形尺寸數(shù)據(jù) 型號(hào) 外形尺寸 AA AB BB GA HA HC HD LJ AO YCJ71 45 225 192 31 22 - 235

41、 240 70 YCJ80 52 255 218 35 28 - 305 275 75 YCJ100 60 330 255 45 35 - 355 345 100 YCJ112 60 360 265 51.5 40 - 420 355 110 YCJ120 42 192 137 28 20 216 - 217 - YCJ130 50 210 152 33 20 226 - 250 - YCJ140 50 220 164 38 20 250 286 260 - YCJ15

42、0 60 260 194 43 30 262 298 324 - YCJ170 60 290 213 48.5 30 304 350 344 - 表4-2 減速電動(dòng)機(jī)安裝尺寸數(shù)據(jù) 型號(hào) 安裝尺寸 A B C D E F H K S YCJ71 180 150 36.5 28 60 8 71 14 M8 YCJ80 205 170 39.5 32 80 10 80 18 M10 YCJ100 270 205 44.5 42

43、110 12 100 22 M12 YCJ112 300 215 44.5 48 110 14 112 22 M12 YCJ120 160 80 32 25 60 8 120 12 M8 YCJ130 160 90 40 30 80 8 130 13 M8 YCJ140 180 100 45 35 80 10 140 17 M10 YCJ150 200 115 45 40 110 12 150 17 M16 YCJ170 240 135 51 45 110 14 170

44、 18 M16 4.2吸塵頭的設(shè)計(jì) 吸塵頭是安裝在除塵機(jī)械手末端執(zhí)行器安裝上的，其運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)與隧道部側(cè)面墻壁大約一樣。為保證其除塵效果，吸塵頭與垃圾存放箱是通過(guò)管道相連接的，吸塵頭吸進(jìn)的灰塵和污垢儲(chǔ)存在里面，吸塵頭的示意圖，如圖4-3所示： 圖4-3 吸塵器吸口 吸塵頭的運(yùn)動(dòng)軌跡為一螺旋線，如圖4-4所示。為使吸塵器在除塵隧道壁面時(shí)不留下死角處難以除塵到的地方，我們要控制好吸塵器的吸塵口徑的大小。其計(jì)算如下： 圖4-4 機(jī)械手末端軌跡 為了保證除塵效率，承載車速度不低于15km/h，假設(shè)已知承載車的速度km/h， 求吸塵頭口徑的大小。 之前已經(jīng)選好的YCJ130型

45、號(hào)的減速電動(dòng)機(jī)型號(hào),其輸出轉(zhuǎn)速r/min。 由公式： （4-1） 得： mm 考慮到承載車的速度可能會(huì)大于15km/h，所以最后設(shè)計(jì)吸塵頭的口徑為150mm。 4.3手臂伸縮長(zhǎng)度設(shè)計(jì) 4.3.1 理想狀況下手臂的伸縮量計(jì)算 因?yàn)槭直鄣幕剞D(zhuǎn)中心跟隧道的中心不是在一個(gè)點(diǎn)上，則手臂擺動(dòng)的圓弧跟隧道截面的圓弧將不會(huì)重合，這就要使手臂可以根據(jù)吸塵頭跟墻面的距離做出相應(yīng)身伸長(zhǎng)和縮短，在不考慮墻面有凹凸不平、有障礙物（比如說(shuō)信號(hào)燈，電線繩索之類的障礙物）下，我們?cè)谶@種理想曲面情況下計(jì)算手臂要伸縮的變化量。 根據(jù)

46、垂直平分線定理進(jìn)行計(jì)算：連結(jié)C點(diǎn)和M點(diǎn)，做線段CM的垂直平分線，設(shè)機(jī)械手手腕回轉(zhuǎn)中心定在相距隧道截面圓心O點(diǎn)為1米的D點(diǎn)處。這樣，手臂在C點(diǎn)和M點(diǎn)這兩處的距離相等，并是最大長(zhǎng)度，在垂直平分線處吸塵頭離墻壁最近。如圖4-5所示，線段CP是手臂可伸長(zhǎng)的最大值。 已知: mm mm 可以得出： mm 4.3.2 考慮隧道側(cè)面實(shí)際情況下的解決方案 因?yàn)樵诔龎m機(jī)械手實(shí)際工作的時(shí)候，會(huì)遇到墻面出現(xiàn)凹凸不平的情況，也會(huì)遇到墻壁上有信號(hào)燈，電線、繩索、絞索等障礙物。那么該怎么避開(kāi)這些障礙物，使吸塵頭可以順利的去清理接下來(lái)的面呢？我考慮到用位置傳感器，把位置傳感器裝置的探測(cè)裝置安裝在手臂上。當(dāng)吸塵

47、過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，位置傳感器產(chǎn)生的脈沖發(fā)送給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)做出相應(yīng)的改變，來(lái)躲避障礙物。這樣手臂就能隨側(cè)面墻面不同的情況而改變其長(zhǎng)度來(lái)除理灰塵和污垢，達(dá)到非常好的除塵效果[10]。 5.結(jié)論 本篇論文介紹和分析了對(duì)地鐵除塵的國(guó)外現(xiàn)狀，使我對(duì)地鐵除塵技術(shù)有了很大認(rèn)識(shí)，接著分析地鐵隧道側(cè)面外形和環(huán)境結(jié)構(gòu)，說(shuō)明了隧道除塵機(jī)械手的意義并提出了設(shè)計(jì)的思路，然后提出合理的方案 ，又做出設(shè)定和計(jì)算出了一些隧道機(jī)械手的參數(shù)，如腕關(guān)節(jié)中心距離跟隧道中心的距離。然后結(jié)合實(shí)際工作要求和設(shè)計(jì)參數(shù)擬定了相應(yīng)的方案，并且把地鐵隧道除塵機(jī)械手分成三大部分進(jìn)行研究：車載裝置、機(jī)械手裝置和吸塵裝置。最后，對(duì)機(jī)械手

48、的其它部件進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。 機(jī)械手手臂利用裝載車以不小于15千米每小時(shí)的速度向前運(yùn)動(dòng)，再加上手臂自身的來(lái)回?cái)[動(dòng)，所以手臂除塵隧道機(jī)械手的軌跡為以螺旋線。因?yàn)槭直鄣幕剞D(zhuǎn)中心與隧道截面的圓心不是在同一個(gè)點(diǎn)，要在這種凹凸不平的壁面達(dá)到較好的除塵效果，還要能夠躲避墻壁上的障礙物，我通過(guò)在手臂上安裝位置傳感器來(lái)控制手臂的自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)安裝在手臂末端的吸塵頭與壁面的垂直距離超出設(shè)定的圍或者遇到障礙物時(shí)，便發(fā)出脈沖信號(hào)，這樣手臂便會(huì)自行縮回；當(dāng)距離小于設(shè)定的數(shù)值時(shí)，手臂可以自行伸長(zhǎng)。這樣手臂就能隨壁面不同形狀而改變其長(zhǎng)度來(lái)除塵隧道壁面，達(dá)到良好的除塵效果。 在該機(jī)械手末端執(zhí)行器安裝了吸塵頭，使其運(yùn)動(dòng)軌跡與

49、隧道截面基本上一致。為了保證除塵效果，吸塵器與垃圾存放箱連結(jié)，吸塵器吸進(jìn)的灰塵儲(chǔ)放至其中。為防止吸塵頭在除塵隧道壁面上遇到死角時(shí)可以除塵到位，控制好了吸塵器的口徑大小。 通過(guò)以上一系列的分析和計(jì)算，做出合理的總體方案，準(zhǔn)確的參數(shù)，能夠滿足自由度要求保證隧道側(cè)面除塵工作。在繪制三維圖過(guò)程中，對(duì)除塵機(jī)械手的有了進(jìn)一步的更形象化的概念，對(duì)里邊的各零件有了具體的認(rèn)識(shí)。在我投入大量精力下，完成了機(jī)械手的三維造型圖、二維總裝圖和二維零件圖等。在解決種種困難之后，我保時(shí)保量地完成了設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)所規(guī)定的各項(xiàng)工作。 參考文獻(xiàn) [1] 福學(xué). 機(jī)器人技術(shù)與其應(yīng)用[M]. :

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52、械工程學(xué)報(bào), 2007(12):23-24. [16]V?ctor Andaluz,Flavio Roberti,Juan Marcos Toibero,Ricardo Carelli.Adaptive unified motion control of mobile manipulators[J]. Control Engineering Practice, 20(2012):1337–1352. 致 畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，我在這三個(gè)月里收獲了很多。畢業(yè)設(shè)計(jì)帶給我的不僅僅是學(xué)習(xí)上的進(jìn)步、對(duì)專業(yè)知識(shí)的鞏固，更重要的是加深了我和老師與同學(xué)們的感情，這對(duì)于即將踏入社會(huì)、參加

53、工作的我來(lái)說(shuō)是無(wú)比寶貴的。 在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，首先感老師對(duì)我的指導(dǎo)，從做畢業(yè)設(shè)計(jì)至今，老師幫助我修改方案，整理設(shè)計(jì)思路，引導(dǎo)我翻閱資料和解決技術(shù)問(wèn)題，耐心的指導(dǎo)我們一步步的完成任務(wù)。遇到要解決的問(wèn)題，老師很細(xì)心的幫助我們簡(jiǎn)答。老師的督促和指導(dǎo)使我順利完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，老師教給我的方法使我在以后的學(xué)習(xí)和工作中受用不盡。在這里我對(duì)老師表示深深的感。 其次，感老師。他給了我鼓勵(lì)，在很多次沒(méi)有信心做下去的時(shí)候，他就慢慢的開(kāi)導(dǎo)我，對(duì)我的方案鼓勵(lì)和支持，使我從新獲得了信心。還經(jīng)常幫我在辦公室查閱一些相關(guān)的資料。 再次，感我的同學(xué)們，他們給了我良好的學(xué)習(xí)氛圍，借給我工具書(shū)，使我省去了很多麻煩……。 最后，

54、感曾經(jīng)幫助過(guò)我的每一個(gè)人，在以后的工作和學(xué)習(xí)中我會(huì)更加積極努力，不辜負(fù)你們對(duì)我的期望。 附 錄 圖名 圖號(hào) 圖幅 數(shù) 1 隧道清潔車 SDQXC-01 A0 1 2 鉸鏈塊1 SDQXC-02 A3 1 3 鉸鏈塊2 SDQXC-03

55、 A3 1 4 軸 SDQXC-04 A4 1 5 法蘭套 SDQXC-05 A4 1 6 滑塊 SDQXC-06 A4 1 7 電機(jī)安裝座 SDQXC-07 A3 1 8滑軌 SDQXC-08 A3 1 9 底板 SDQXC-09 A4 1