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1、1 绪论随着经济的快速发展,家用轿车已经越来越多地为家庭所拥有,据统计,20XX底,我国私人汽车拥有量已超过1500万辆,与此同时,与汽车相关的需求也在激增,比如洗车设备。轿车每次用都会在表面积一层灰尘,不仅影响美观,还会对车漆造成伤害,因此对轿车表面的清洁工作很重要。通常,较少进行日常简单清洁的轿车每周要洗一到两次,每次洗车的费用在15元左右不含上光打蜡。轿车日常的简单清洁大多由车主人工完成,费时费力,因此有必要设计一种能够代替人进行轿车的日常清洁工作的服务型机器人操作臂。现在通常使用的洗车设备和方法主要包括以下几种：1高压水枪洗车:高压水枪洗车是先用高压水枪喷洒水雾润湿车身,再用高压射流清
2、洗车身然后用清洗液清洗,最后用高压射流清洗干净,用麂皮将水吸干。高压水枪清洗速度快、效果好；但高压水枪压力大,容易对车漆造成损害:高压水柱的喷淋会改变空调冷凝器散热的方向,导致空调制冷失灵；会直接导致车灯胶条密封不良,影响车灯的正常工作,产生危险；会使密封不是很严的汽车侧门玻璃进水,锈蚀金属件,造成电线短路；劣质洗涤灵会降低车漆的亮度；洗后用毛巾多次擦拭会使车身增加划痕。2蒸汽洗车：蒸汽洗车是将水加热成蒸汽后,用蒸汽来消洗汽车。其具有节水、节能的特点。但由于设备质量问题,存在安全性不高,极易产生污水造成污染,洗车效果和效率差的缺点。3无水洗车：无水洗车是先用掸子掸去车身表面浮土,再用无水洗车液
3、进行汽车清洗的一种新型环保洗车方式。它具有节约水资源,绿色环保等优点,受到政府的扶持,但是,对于较脏车辆以及汽车底盘等部位,无水洗车不能满足要求,因此它并不能完全替代有水洗车。4无刷毛自动洗车机：采用高速水刀喷出的高压力水雾从上往下清洗汽车,灰尘冲掉后,自动泡沫喷头喷淋,然后用高压清水进行清洗。它有清洗速度快,效果好,不损伤车漆的优点,但存在水耗大,设备投资和运行费用高昂的缺点。5全自动电脑洗车机：电脑洗车机是利用电脑控制毛刷和高压水枪来清洗汽车的一种设备。由复杂的电路、气路、水路和机械部分构成。某自动洗车机结构如下,包括高压喷头、机械清洗机构、吹干机构,其中,清洗机构包括一个顶刷,两个大侧刷
4、,两个小侧刷,如图1-1所示。1.轨道；2.机架；3、4.大侧刷；5.顶刷；6.小侧刷；7.吹干系统图1-1 大型电脑洗车结构简图洗车时,首先汽车停靠到位,由高压喷头喷水冲掉汽车表面泥沙,再由组成清洗机构的五个刷子围绕汽车运动进行清洗、打蜡,然后由吹干机构将汽车表面吹干。这样的大型机构洗车时确实有很好的效果,但是用于个人洗车设备却很不适宜。首先在水、电等资源方面会有很大的消耗,另外,其体积通常3m*3m*3m,轨道10米,隧道式更大,价格几万到十几万间也让个人很难接受。以上几种一般用于洗车行,在个人洗车方面,除了传统的水桶加抹布外,现在所研究的个人洗车设备也多为手动。其中,前者耗费大量体力、时
5、间,而且效率低,也不容易洗得干净,还容易刮损伤车漆。后者采用某些化学洗剂,在效果方面有很大改善,但是也要花费车主的大量时间和体力。适合个人使用的小型自动洗车设备的研究方面较少,具有代表性的为日本人平松正彦的一项专利,其结构主视图和俯视图如图1-2和图1-3所示。图1-2 平松正彦专利主视图图1-3 平松正彦专利俯视图该洗车装置主要包括洗车刷1、底盘3、支撑架6及底盘上的设备水箱、发电机、控制器等4。首先,洗车刷可以拆卸,安装在刷轴上,由电机7带动其转动,实现洗车动作。底盘上安装有两个驱动轮及相应的两个驱动电机和四个万向轮。支撑架上安装喷水管2、导轮5和照明装置、力传感器。控制部分、水箱、泵、发
6、电机等安装在底盘上洗车刷后面。 进行汽车清洗时,喷水管向车身喷水、洗车刷与车表面接触并转动洗去车表面灰尘等,同时,力传感器检测洗车刷和汽车间的压力,由力传感器检测出的压力值来控制转向单元,当该检测值大于预先设定的允许围时,使洗车机向远离车身外周面的离开方向行驶,而当该检测值小于预先设定的允许围时,使洗车机向接近该车身外周面的接近方向行驶。洗车设备围绕汽车行驶一周后完成车侧表面的清洗。但该设备的局限性在于它只有清洗侧面的立刷,不能对车顶部进行清洗,并不能完全代替人对汽车进行较全面的清洗。因此有必要设计一种可以代替人进行日常汽车清洗工作的机械操作臂。2 操作臂机构及驱动方式2.1 动作方案2.1.
7、1 机器人操作臂介绍及常用形式机器人操作臂的设计涉及了力学、控制、计算机科学和电子工程等多个学科,其结构一般是由一系列连杆由旋转关节或移动关节相连接的具有一定自由度数的开式运动链,一端固定在支座上,另一端自由,安装手爪、工具等以实现各种操作。操作臂的自由度数按照不同的适用场合不同,一般工业机器人操作臂的自由度数在6个以下,高自由度数的机器人具有冗余度,一般用于假肢或特殊场合,其价格也相应更高。按照对手臂机构的坐标描述方式,机器人操作臂通常分为直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型和多关节型,如图2-1所示。图2-1 操作臂分类2.1.2 机器人操作臂方案设计在本设计中,操作臂搭载在一个可移动平台上,
8、和可移动平台组成移动机械操作臂系统,这样的结构使得操作臂拥有几乎无限大的工作空间和很高的冗余度,同时拥有移动和操作功能,因此,对于操作臂结构而言,采用上述任何一种坐标方式,只要设置得当,都可以使操作臂末梢达到汽车表面需要清洗的每个地方。根据洗车的需要分析,初步拟定了如下几种动作方案：首先考虑洗车动作,洗车刷与汽车表面产生相对运动擦除灰尘,可以用1、模仿人手擦车动作,用摆动关节实现；2、仿照大型电脑洗车,用圆柱形洗车刷的旋转运动实现相对运动。使用摆动式洗车结构,因为汽车表面不在同一个平面,比如顶面、车前挡风玻璃面、侧面,要在这几个不同的面实现摆动式擦车,其机构相对要复杂得多。因此采用旋转刷洗车的
9、结构。方案1采用双臂结构,两个洗车刷装在两个腕关节处,腕关节旋转自由度实现洗车运动。双臂中一臂固定在移动小车上,侧刷竖直,高度比汽车车身稍高,用于完成汽车侧面清洗,另一臂水平,有竖直方向上的移动自由度,完成车顶的清洗,如图2-2所示。图2-2 机器人操作臂方案1简图该方案相当于保留大型龙门式洗车的一个侧刷和半个顶刷,将汽车的待清洗表面当作一个较规则的长方体表面,虽然体积有了一定减小,但整体尺寸依然很大,而且其洗车特点接近大型洗车机器,难以照顾到汽车的弧形不规则表面等细微之处。方案2有一个腕关节旋转自由度为刷子的刷洗动作,一个竖直方向上的移动自由度和臂上一个关节的旋转自由度使刷子能够到达汽车表面
10、各处,如图2-3所示。图2-3 机器人操作臂方案2简图这个方案与前一个相比体积有所减小,但机构采用的洗车刷要接近一米长,仍然很大,同样难以达到汽车表面的弧形部分,即使采用较软的洗车刷,利用刷变形来勉强与汽车表面曲线贴合,也会产生刷车的摩擦力不均匀的问题。方案3是在方案2的基础上加一个水平方向的移动自由度,这样可以选择较小的洗车刷,用臂的伸缩刷车的不同部位。虽然其结构与前两个相比更显得复杂,重量也有所增加,但换来的是更多的自由度,操作臂的灵活性得到极大的提高,可以使执行末端更容易地适应汽车的曲面外形如图2-4所示。图2-4 机器人操作臂方案3简图因此,最终本设计选择方案3,刷洗过程为：首先由俯仰
11、关节将刷面调整到水平方向,并可以作微小调整,使刷面与汽车的弧形顶面更好地贴合,竖直方向的移动副将刷子升到车顶高度,移动平台绕汽车车身行走,同时伸缩关节调整刷的水平位置,完成车顶的刷洗,过程中可以选择喷水或不喷水；刷洗车侧面时,将刷面调整为竖直方向,并使刷子与车侧面贴合,同样绕车行驶,并配合升降机构完成侧面刷洗。2.2 机器人操作臂驱动方式驱动机构作为机器工作的动力来源,通常是将其它种能源比如电能、化学能等转化成机械能,是任何一种机器都必不可少的,常见的形式包括水轮机、液压马达、电动机、燃机等。2.2.1 机械臂常用驱动比较机械臂常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电机驱动等不同方式,他们有各自
12、的特点,但在机器人中都有很广泛的应用,前两种主要用于工业机器人,有些机器人甚至同时采用多种驱动方式。他们的特点如下：液压驱动特点：1驱动力及驱动力矩大,在产生相同驱动力的条件下,液压驱动体积小、重量轻、惯性小；2速度反应性好,调速围大,而且可以无级调速；3传动平稳,能吸收冲击,可平稳的实现较频繁的换向；4定位精度较高；5油液泄漏、混入气体、温度变化等都会对系统传动性能、定位精度产生影响。液压驱动常用于低速重载的情况。气压驱动特点：1压缩空气可直接从大气中吸取,动力源获取方便、廉价；2动作速度更快,可实现无级调速；3与液压传动相比,管路压力损失小,适于长距离传输；4空气压缩性较大,因此气压系统运
13、动平稳性及定位精度都较差；5结构体积大,噪声大气压驱动系统常用于高速、低负载和工作条件较恶劣的场合。电机驱动：1避免将电能转换成压力的中间环节,效率更高；2电机系统的体积最小；3电机系统的可靠性高、位置精度控制十分精确；4与气压液压系统相比,电机系统维护更方便。通过上述比较,可以看出,液压及气压系统组成的机构的繁琐、维护不便,对于本设计中的移动操作臂来说是一个无法实现的问题,另外从位置控制精度角度考虑,电机也是更好的选择,因此最终选用电机作为驱动系统。2.2.2 电机驱动类型的选择电机的类型按使用电源分有交流电机、直流电机。使用交流电机必然会有电源线,对于移动机器操作臂来说,带着长长的电源线移
14、动不仅不方便、移动距离受限制,在遇到物体时还难免会有电源线缠绕、交叉等问题,因此难以实现,只能采用直流电机系统,用同样搭载于移动平台上的电池作为电源。直流电机系统有普通直流电机、步进电机、直流伺服电机等形式,它们的价格依次升高,但相应的,其控制精度,输出力矩等性能也有很大提高,步进电机和伺服电机都能达到很高的控制精度要求。对于本设计而言,伺服电机的成本过高,因此采用普通直流电机和步进电机。按照前文选定的方案,该机械操作臂共有手部关节、腕关节、伸缩关节和竖直升降的关节四个自由度,即需要四个电机驱动,其中手部关节带动洗车刷连续转动工作,不需要位置精度控制,只要能够输出不同的转速即可,因此可以采用普
15、通直流减速电机,另外三个关节需要控制速度的同时还要求较高的位置精度控制,因此都使用步进电机,必要的地方用齿轮或者加减速箱以增大扭矩。各个关节的具体电机功率计算和选型在下一章中介绍。2.3 传动方式传动方式是实现能量传递和改变运动方式的一类装置,其主要作用是实现能量的分配与传递和运动形式或运动速度的改变。机械传动有啮合传动、摩擦传动和流体传动三大类,在本设计中可能采用的具体传动方式包括带传动、链传动、齿轮传动、螺旋传动,下面对这几种传动方式进行比较并为各个关节选择传动方式。1.带传动：带传动通常由主动带轮、从动带轮和紧在两轮上的传动带组成,当主动轮转动时,依靠带与带轮间的摩擦力平带或者V形带或者带与带轮间的啮合齿形带拖动从动轮转动。带传动结构简单,传动平稳,缓冲吸振,能实现较大间距的轴间的动力传递,但其传动效率不高,平带还存在打滑、传动比不精确的问题,但齿形带已经解决了大部分缺点。2.齿轮传动：齿轮传动是机械结构中使用最为广泛的,其传动效率是常用机械传动中效率最高的,而且结构紧凑,具有不变的瞬时传动比。在正确安装,良好润滑的和正常维护的条件下,其工作可靠性、使用寿命、传动精确性也是其它机械传动难以比拟的。但其制造及安装精度要求较高,价格较贵,而且通常的齿轮传动采用闭式传动,
