中国地质大学毕业设计（论文）1目 录1 引言31.1 论文背景、意义及要求31.2 国外、国内研究概况41.3 市场需求预测61.4 设计的重点与难点62 机器人行走机构的设计72.1 空调管道系统介绍及清洗原理 72.2 机器人移动载体方案设计82.2.1 总体方案设计82.2.2 传动方案的设计92.3 张紧机构的设计113. 具体设计计算123.1 移动载体传动计中国地质大学毕业设计（论文）2算123.1.1 左右驱动轮传动计算123.1.2 后万向轮传动计算203.2 张紧启动系统的设计计算243.2.1 气缸的选择243.2.2 启动辅助元件和回路的选择设计263.3 传动齿轮蜗轮蜗杆的尺寸计算 273.4 轴的设计计算和校核273.5 轴承的寿命计算324 机器人转弯时的管道通过性分析334.1 管道机器人在水平直角弯管的通过性分析334.2 管道机器人在矩形管水平圆弧形弯头的通过性分析 355 结构设计36中国地质大学毕业设计（论文）31 引言1.1 论文背景、意义及要求清洁机器人作为服务机器人领域中的一个新产品,尽管目前国内在这方面的研究开发方面已经取得一定的成果, 但是仍有许多关键技术问题需要解决或提高, 行走机构就是其中的一个比较重要的技术。有的可在房间内随机移动，但要求有一定的动力和对地面有足够大的摩擦。事实上，虽然有一些公司推出了一些样品或产品，但却不能达到满意程度：清洁效果不佳，遍历时间长。随着当今社会的发展，空调通风系统在日常生活中发挥着越来越重要的作用。中央空调系统主宰着楼宇中空气的新陈代谢，被称为“建筑物之肺” 。中央空调管道在长期使用中会积累许多灰尘、病菌及放射物等，这些有害物质在送风过程中便污染了空气，长期被人体吸入，就会危害大众的健康。因此人们在迫切要求提高生活质量的同时，要求提高工作居住场所及其他公共场所环境质量(特别是空气质量)的呼声也越来越急切。国外发达国家由于很早以前便应用了众多的中央空调系统，针对空气质量对人身健康的危害，国外民众有比较深刻的认识(1976 年美国费城的军团菌大爆发，事后认定其传染源就是该市某会场内的中央空调)。国外卫生机构相继出台了较为严密的中央空调使用及清洗法规，如:美国国家风管清洗协会制定的行业标准暖通空调系统的评估、清洗和修复标准) C ACR2002 版)和日本制定的日本风道清洗协会技术标准CI990 版)及芬兰新颁布的法律要求宾馆、饭店、洗衣房、工业加工产生粉尘物质的通风系统，每年清洁一次;医院、学校等每 5 年一次。类似的法律可以预见将在世界各地实施。目前发达国家均成立有中央空调风管清洗协会，如:国际通风卫生评议会(TCVH)、美国风道清洗协会(NADCA ) 、欧洲风道清洗协会(EVHA)、英国风道清洗协会(HVCA)旧本风道清洗协会(JADCA)等，国外的集中空调的风道清洗己经形成了一个巨大的产业。国内有超过 500 万个各类中央空调需要清洗保养，而且每年正在以 10%的速度递增，这些中央空调大部分运行了 20 年以上却从未清洗。随着我国经济的发展，人们对室内空气质量所带来的危害越来越重视，尤其是 2003 年“非典”疫情的传播，已使人们对中央空调带来的疾病隐患有了相当深刻的认识。为了保障公众健康，2006 年 3 月 1 日，卫生部制定并实施了公共场所集中空调通风系统卫生管理办法 ，中央空调的卫生问题得到了前所未有的关注，对空调管道进行定期清洗势在必行。中国地质大学毕业设计（论文）4当前，人们已认识到中央空调风管内的灰尘是传播病毒的载体， 重视了中央空调的清洗，但是结果不尽人意。原因有三：一是我国大多数中央空调普遍使用粗效过滤器，最多只能过滤空气中 40的可悬浮颗粒物，近 60的颗粒物进入中央空调，依然为病毒载体，当通风时，仍有可能产生交叉感染；二是目前人们只注重中央空调机组的清洗和水处理，殊不知风管面积远远大于机组面积，而中央空调系统内 95以上的藏尘量在风管内，水洗仅降低机体内 10水垢的产生；三是没有机器人参与清洗，人进入风管清洗又存在二次污染。 因此，加强中央空调通风管道的清洗，消除病毒的污染源，必须要求从事中央空调清洗的专业队伍技术先进，设备精良，这使管道清扫机器人步入了历史舞台。 国外从 20 世纪 70 年代末 80 年代初开始重视中央空调的风道清洗，同时，随着计算机、传感器、现代控制理论和技术的发展，为管道机器人的研究应用提供了技术保证。自从 1980 年丹达克林发明了世界上第一台风管清洗机器人直到 1990 年前后，国外的中央空调清洗得以普遍实施，并建立了相应行业及国家标准。 据调研，目前上海安装有中央空调系统的各类楼宇有 3000 多幢， 由于此类管道通常纵横交错，大管道由人来进行管道检测、维修工作不仅费时费力，而且不卫生。口径小、长度长的管道不仅人无法进去检查，而且清扫起来也不容易。因此，管道清扫机器人的出现是一种必然的趋势。 管道清扫机器人能轻松的爬入管道配合其他管道清洗设备将管道中的灰尘、尘螨，甚至昆虫尸体，死老鼠等垃圾一扫而空，最后还能对管道进行消毒。可适用于各种中央空调和除尘等管道的管道检测、清洗、消毒、喷漆等作业。因此，中央空调清洗行业将成为中国一个新兴的有着巨大潜力的发展行业，对中央空调清洁机器人的研究与开发更是具有一定的社会价值和商业价值。1.2 国外、国内研究概况空调清洁技术起源于 60 余年前，是随着中央空调技术同时诞生的。国外从 20 世纪70 年代末 80 年代初开始重视中央空调的风道清洗，直到 1990 年前后中央空调清洗才得以普遍实施，并建立了相应行业及国家标准。目前在所有发达国家无一例外地实施了中央空调的清洗。风管清洗在国外是一个比较中国地质大学毕业设计（论文）5成熟的市场，气清洗机器人设备的研究和开发业相应地比较成熟。据统计，国际上生产清洗机器人的厂家不下 20 家，其中比较著名的有瑞典的 Wintclean 机器人（售价 100 万元） ，丹麦的 Danduct 机器人（售价 80 万元） ，加拿大的 Airtox 机器人（售价 60 万元） ，还有美国的 Nikro、Vsi（售价均为 40 万元）等。这些国外管道机器人，其形状结构大同小异，性能也能大致相当。空调管道机器人应具备的功能有清扫管道灰尘、喷洒消毒药水、携带 CCD 摄像机和传感器单元等，因此机器人必须拥有的“器官”有移动载体、安装清洗工具的部件、CCD 摄像系统和照明系统、通讯系统、操纵控制系统和其他一些辅助设备等。我国对中央空调风管清洗的重要性认识比较晚，对中央空调风管设备的研制起步也比较晚。目前我国对集中式空调的管理尚属空白。据了解，有关清洁公共场所空调的规定和措施，只有卫生部在 2003 年 6 月发出的公共场所中央空调通风系统卫生规范的通知，这还是因为受非典的启示。该规范对场所的空调系统卫生提出了检测标准，并规定公共场所要定期更换或清洗空调通风系统的过滤器（网） 、冷却塔等。在颁布公共场所中央空调通风系统卫生规范后，我国的中央空调风管清洗市场迅速升温，全国各科研机构、企业单位纷纷投入到中央空调风管清洗设备的研制，并取得了很好的成果。据报道，东华大学在该校的一项“自主变位四履带足机器人行走机构”发明专利基础上，首先二次开发了一种具有自主知识产权的新型管道机器人行走机构，能很好的解决管道机器人适应非等径、变截面管道环境的难题。然后再在此基础上研制成功一种可用于矩形和圆形通风管道的清扫、视频检测、喷涂消毒的多功能清洗机器人产品。该机器人和家用的吸尘器差不多大小，四个脚上有四条履带，能够在 9 厘米高的台阶上下。它最大的本领就是能顺畅自如地爬到中央空调的各个角落，甚至到各种形状的通风管道中清扫管道中的垃圾，并且通过视频系统消除各个角落里的细菌、病毒，喷涂各种消毒液。该机器人具有以下几个特点和优势：1）行走机构具备自主管内障碍和防倾覆功能，适用复杂的矩形管道或者圆形管道环境清扫作业要求（国外产品大多仅适用圆形管道） ；2）管道清洗机器人能进入圆管 260mm 以上直径、矩形管道 140mm 以上高度的空调、除尘管道进行清洗；3）机器人采用模块化结构设计和多电机驱动技术，结构简单、维护方便；4）机器人采用计算机图像处理技术。拍摄资料便于保存、播放、携带（国外产品大多采用来录像机储存资料） 。中国科学院兰州分院科研人员研制成功的清洁机器人样机是根据 400 毫米400 毫米和 500 毫米500 毫米空调通风管道设计的，具有在管道中行走、对管道内污染情况进行中国地质大学毕业设计（论文）6观察和对污染物进行清洁的功能。中国科学院兰州分院科技合作处工作人员介绍，国内自主研发的这种清洁机器人具有在管道内前进、后退和转弯等功能，行走速度在每分钟 0.5米到 1 米之间；清洁系统主要是安装在机器人上、可在管道外部控制的清洁动力刷；电缆长度超过 30 米，不易损害，能够满足基本需要。同国外同类装置相比，该机器人具有尺寸小、成本低、行动灵活、操作可靠、清洁效率高和应用领域广等特点，并且在移动机构的驱动系统、主动控制臂系统、照明系统和清洁系统的设计上均有创新。国内在中央空调管道清洁设备方面的研究越来越多,并取得了一定的突破性成果。但是,包括以上所叙述的设备在内, 目前国内研制出来的中央空调管道清洁设备还仅限于水平管道或有小坡度管道的清洗,至今还没有发现可用于垂直管道清洗的中央空调管道清洁设备。1.3 市场需求预测据介绍我国有超过 500 万个各类中央空调需清洗保养，而且每年正在以 10%的速度递增，而这些中央空调大部分运行了 20 年以上却从未清洗。就目前而言无论从中央空调风道专业清洗服务公司来讲还是从国内外空调风道清洗机器人设备厂家来看，都不能应付这一庞大的清洗市场。 从国内方面来说，国内空调管道清洗行业市场还未形成，空调风道清洗行业刚刚起步，国内几乎没有清洗公司能够具备一流的清洗服务队伍，满