樓梯清潔機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

王 會，趙世澤，李尚藝

(德州學(xué)院 能源與機械學(xué)院，山東 德州 253023)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，城市之中不論是辦公大樓還是住宅小區(qū)都是高層樓房，雖然有便利的電梯，但普通樓梯也是高樓必不可少的部分。雖然普通樓梯很少使用，但時間一長也會存有垃圾和灰塵，需要對其及時清掃。目前，打掃樓梯的方式還只能依靠清潔工人人工打掃，需要較多人力和較長時間的清掃，也是對人力資源的浪費。因此，為了完成這項簡單且重復(fù)的工作，節(jié)約人力資源，需要對梯樓清潔機器人進行研究。本文主要針對其機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，此機器人能自動清潔樓梯，無需太多人工操作，省時又省力。

1 樓梯清潔機器人的設(shè)計

1.1 我國建筑樓梯臺階的標準尺寸

我國建筑樓梯設(shè)計規(guī)范中指出樓梯的踏步尺寸一般應(yīng)與人腳尺寸步幅相適應(yīng)，同時還與不同類型建筑中的使用功能有關(guān)，踏步的尺寸包括踏步高度和踏步寬度。我國公共建筑樓梯要求及標準如下：

(1) 室內(nèi)樓梯的每梯段凈寬不應(yīng)小于1.4 m，踏步高度不應(yīng)大于0.16 m，踏步寬度不應(yīng)小于0.28 m。

(2) 室外臺階的踏步高度不應(yīng)大于0.15 m，踏步寬度不應(yīng)小于0.3 m。

(3) 旅客地道、天橋階梯踏步高度不應(yīng)大于0.14 m，踏步寬度不宜小于0.32 m，直跑階梯的寬度不宜小于1.5 m。

1.2 樓梯清潔機器人總體方案設(shè)計

樓梯清潔機器人的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整機主要由機架、前進裝置、上下樓梯裝置、清洗裝置等部分組成。其工作原理是：清潔機器人在后輪電機1的帶動下使車輪前進；當遇到臺階時電機2啟動帶動后驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，通過上下樓梯裝置使機器進入上一層樓梯；然后在電機3的帶動下使清潔裝置工作，進而實現(xiàn)對樓梯的全面清潔。其三大組成部分的工作過程如下：

(1) 前進裝置：在電機1的帶動下后車輪運動，使樓梯清潔機器人往前運動。

(2) 上下樓梯裝置：上下樓時電機2通過齒輪傳動帶動后驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，經(jīng)過鏈傳動帶動前驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動。兩個驅(qū)動軸末端有兩個撐桿，隨著軸的轉(zhuǎn)動進而把機器撐起實現(xiàn)上樓梯。

(3) 清洗裝置：在曲柄滑塊機構(gòu)的滑塊處有清潔刷，在電機3的帶動下使曲柄滑塊機構(gòu)運轉(zhuǎn)，從而帶動清潔刷左右運動，進而實現(xiàn)對樓梯的全面清潔。在滑塊機構(gòu)下方有絲杠機構(gòu)，若樓梯略有區(qū)別時可以通過調(diào)節(jié)絲桿機構(gòu)來調(diào)節(jié)刷子位置，使其使用范圍更加廣泛。

1，2，3-電機；4-曲柄滑塊機構(gòu)；5-絲杠機構(gòu)；6-清洗刷子機構(gòu)；7-鏈輪；8-前驅(qū)動軸；9-后驅(qū)動軸；10-大齒輪；11-上下樓機構(gòu)；12-車架；13-車輪

1.3 傳動裝置的設(shè)計

1.3.1 傳動方案的設(shè)計

樓梯清潔機器人的傳動方案如圖2所示。

圖2 樓梯清潔機器人的傳動方案

1.3.2 電動機的選擇

(1) 電動機1的選擇。機器人行進速度設(shè)定為v=0.018 m/s，車輪直徑D=140 mm，則電動機轉(zhuǎn)速為：

通過網(wǎng)上查詢電機，選取60KTYZ永磁同步電機齒輪減速電動機可滿足要求。

(2) 電動機2的選擇。清潔機器人的鏈輪轉(zhuǎn)速為5 r/min，電機經(jīng)齒輪傳動到鏈傳動傳動比i=4，則電機轉(zhuǎn)速為n=20 r/min。經(jīng)查詢，選取25 W、220 V交流齒輪調(diào)速電機/減速電機4RK25RGN-C馬達普菲德電機可滿足要求。

(3) 電動機3的選擇。絲杠帶動滑塊機構(gòu)工作速度設(shè)定為v1=0.05 m/s，通過網(wǎng)上查詢電機，選取60KTYZ永磁同步電機齒輪減速電動機可滿足要求。

1.3.3 齒輪傳動的選用

選用標準直齒圓柱齒輪傳動，傳動比為4。因?qū)嶋H的工作方式為速度不高的間歇性工作，所以齒輪精度選用7級。選擇小齒輪的材料為40Cr調(diào)質(zhì)處理；大齒輪的材料選用45鋼調(diào)質(zhì)處理，大小齒輪的硬度差保持在45HBS上下。選擇小齒輪齒數(shù)z1=18、大齒輪齒數(shù)z2=18×4=72，兩齒輪模數(shù)m=1.5 mm。

1.3.4 鏈傳動的選擇

選用鏈條型號04C-1，大鏈輪齒數(shù)Z1=29，小鏈齒輪數(shù)Z2=29，傳動比為1，鏈節(jié)數(shù)Lp=89，中心距a=188 mm。

1.3.5 后驅(qū)動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了保證軸的強度，取后驅(qū)動軸直徑dmin=18 mm。后驅(qū)動軸上有一個齒輪、一對鏈輪和一對軸承，需要選用可靠的定位方式。軸承的配置采用雙支點各單向固定；軸承的內(nèi)圈與軸一同旋轉(zhuǎn)，外圈靜止，所以內(nèi)、外圈均采用過渡配合來實現(xiàn)周向固定。與軸中間相靠的軸承一側(cè)采用軸肩定位、遠離軸中間的那一側(cè)選擇內(nèi)置端蓋定位以實現(xiàn)軸承的軸向定位。鏈輪采用平鍵連接來實現(xiàn)周向定位，平鍵的失效形式為兩個側(cè)面的壓潰以及鍵的剪斷；采用套筒實現(xiàn)鏈輪的軸向固定。齒輪的定位方式可以選用圓螺母和軸肩實現(xiàn)軸向定位，周向定位則選擇平鍵連接。

軸承在軸支撐方面起著必不可少的作用。因為軸上安裝的是標準直齒圓柱齒輪，沒有承受軸向載荷，軸承主要承受徑向載荷。因此選用深溝球軸承就能夠滿足承載要求，且其價格便宜。根據(jù)《機械設(shè)計手冊》查得可使用型號為6208的深溝球軸承，軸承內(nèi)徑為40 mm,外徑為80 mm,脂潤滑極限轉(zhuǎn)速為800 r/min，油潤滑極限轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，基本額定動載荷Cr=29.5 kN。

傳動軸三維模型如圖3所示，前驅(qū)動軸設(shè)計類似于后驅(qū)動軸，故不再贅述。

圖3 傳動軸的三維模型

1.4 清洗裝置的設(shè)計

清洗裝置采用曲柄滑塊機構(gòu)，如圖4所示，其三維模型如圖5所示。

圖4 曲柄滑塊機構(gòu)簡圖

圖5 曲柄滑塊機構(gòu)三維模型

如圖4所示，設(shè)計曲柄滑塊的關(guān)鍵是找出曲柄長R、連桿長L滿足行程H的關(guān)系。H是滑塊兩個極限位置的距離，是曲柄和連桿兩次共線時滑塊的位置，所以H=2R。因滑塊的行程H近似為樓梯的寬度B，所以R=B/2。這時考慮其他輔助條件，設(shè)K=L/R，一般取K=2～5，特取K=3，因此L=3B。

1.5 車架設(shè)計

根據(jù)我國樓梯建筑的通用標準中室內(nèi)臺階的高度應(yīng)小于等于0.16 m，故設(shè)計車架下端高為140 mm，以便于卡在臺階上。打掃室外臺階的清潔機器人，可參考室外臺階的標準適當調(diào)整尺寸。為了使車體更經(jīng)久耐用輕便，車架選用鋁合金材料。車架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 車架機構(gòu)

1.6 樓梯清潔機器人的裝配

樓梯清潔機器人的三維裝配圖如圖7所示。

圖7 樓梯清潔機器人三維裝配圖

2 結(jié)論

樓梯清潔機器人通過車輪帶動機器前行，上樓梯時電機啟動經(jīng)齒輪傳動、鏈傳動帶動撐桿運動，進而把機器撐起實現(xiàn)上樓。電機帶動滑塊機構(gòu)往復(fù)運動實現(xiàn)對樓梯平面的清掃，從而實現(xiàn)了樓梯清潔的機械化。這款機器機械化程度高，節(jié)省了人力，節(jié)約了成本，保證了樓梯的清潔，具有一定的實用價值和市場推廣價值。