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个平面内，比如顶面 车前挡风玻璃面侧面，要在这几个不同的面内实现摆动式擦车，其机构相对要复杂 得多。因此采用旋转刷洗车的结构。 第页共页 方案采用双臂结构，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，另臂水平，有竖直方向上的移动自由度，完成车顶的清洗，如图 所示。 图机器人操作臂方案简图 该方案相当于保留大型龙门式洗车的个侧刷和半个顶刷，将汽车的待清洗表 面当作个较规则的长方体表面，虽然体积有了定减小，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。 方案有个腕关节旋转自由度为刷子的刷洗动作，个竖直方向上的移动自由 度和臂上个关节的旋转自由度使刷子能够到达汽车表面各处，如图所示。 图机器人操作臂方案简图 进行比较并为各个关节选择传动方式。 带传动带传动通常由主动带轮从动带轮和张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。 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，需要良好的保养维护，因此使用齿轮的成本较高，而且齿轮传动只适用于轴间距 较短的轴间动力传递。 链传动链传动与带传动近似，由链条主动链轮和从动链轮组成。链传动与 平带相比具有传动精确效率高不需要大的张紧力等优点，而且载荷能力比带传动 大得多。但其传动精度低于同步带轮，与齿轮相比具有制造安装要求低的优点，但其 传动不平稳，有较大噪声冲击，而且瞬时传动比不同，磨损后容易发生跳齿现象， 主要在要求工作可靠，负载大，轴距较远，工作环境差的条件下。 螺旋传动由螺杆及螺母组成，利用螺杆与螺母的相对运动将旋转运动转化为 第页共页 直线运动。螺旋传动具有传动平稳，精度高，结构简单紧凑，具有増力作用，降速传 动比大，能够自锁，可以产生较大轴向负载等优点。但是对于滑动螺旋传动，由于工 作面间是滑动摩擦，使其工作效率低磨损快，不适宜用作高速和大功率传递。 操作臂结构 对机器的设计而言，首先事先预定的使用功能是最基本的要求，然后再考虑性能 使用方便性工作可靠性小体积高效率美观的外形等系列问题。对机器经济 性方面，应该在设计的过程中进行全面的综合的考虑，尽量用最低的成本设计出能够 实现预期功能的机器。这就要求合理地设计机器的各个部分的结构。 通常，机械臂有手部腕部等多个关节结构，本设计中的机械臂为专用机械臂， 其手部结构为洗车刷，不需要增加额外的夹持自由度，因此机械臂有腕部的旋转 俯仰，以及臂的水平和竖直方向上的两个直线运动组成。 腕部结构 腕部转动结构 腕部的转动自由度部分结构直接与洗车刷相连接，其作用是使洗车刷转动实现洗 车的动作，其运动形式是绕洗车刷的刷轴的旋转运动。个最简单的就是将电机轴直 接与刷轴相连，带动刷旋转。其结构的主要零部件包括电机外壳电机座以及相应 的连接件等。腕部的结构如图示所示。 图腕部结构 腕部俯仰关节结构 俯仰关节结构属于腕部的另个自由度，它的作用是在臂部运动的基础上进步 改变或调整末端执行器的空间位置，扩大机械臂工作范围，使机械臂更为灵巧。在本 例中，俯仰关节的具体作用是让洗车刷工作面在洗车顶和车侧面时分别定位于水平 第页共页 竖直平面内，并且让刷面能够作小角度的调整以适应车身的弧面。 俯仰关节的结构如下图所示，其摆动自由度的摆动范围超过，完全能 够满足工作的需要。另外，出于美观及协调考虑，将电机置于操作臂内部，电机轴线 与俯仰的转动轴垂直，要求传动空间垂直的两轴间的转动，可以采用蜗轮蜗杆或者是 圆锥齿轮传动。虽然蜗轮蜗杆传动能够实现机构上的自锁，但其传动效率低而且更容 易磨损，因此选择直齿圆锥齿轮传动方式。 图俯仰关节结构 臂部结构 手臂部分是机械臂结构的主要结构，它要支撑腕部结构和末端执行器，并带动它 们做空间运动，将末端执行器送到需要的工作面上的任意点，另外，臂部还要承担 调整末端姿态的任务，因此，般臂部需要有伸缩左右旋转和升降三个自由度。对 于洗车机械操作臂而言，因为有移动平台，故左右回转的自由度可以省略，只需要伸 缩和升降两个关节。 由于臂部通常受到扭转和弯曲的作用，因此主要要考虑臂部的抗弯和抗扭强度。 很显然，在材料相同，截面积和重量近似的情况下，空心结构的抗弯刚度要大得多， 因此采用中空的型材能提高抗弯刚度的同时也大大减轻了臂的自重。 伸缩自由度 伸缩关节的主体结构采用铝合金方管型材，并且进行镂空去掉部分材料以减轻重 量。伸缩关节的作用是使操作臂末端能达到汽车的宽度上每处，而般家用轿车宽 度约米，因此，伸缩机构的行程至少要达到车宽的半即米才能满足工作 要求。为了减小收缩时的尺寸，伸缩机构整体采用两级伸缩的结构。其传动方式采用 丝杠螺母的螺旋传动方式，丝杠副的运动方式为丝杠转动螺母移动，两个螺母通过法 第页共页 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， 年底，我国私人汽车拥有量已超过万辆，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到两次，每次洗车的费用在 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 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。 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。 无水洗车无水洗车是先用掸子掸去车身表面浮土，再用无水洗车液进行汽 车清洗的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。 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。 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 的种设备。由复杂的电路气路水路和机械部分构成。 第页共页 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 机构包括个顶刷，两个大侧刷，两个小侧刷，如图所示。 轨道机架大侧刷顶刷小侧刷吹干系统 图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，轨道米，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 正彦的项专利，其结构主视图和俯视图如图和图所示。 第页共页 图平松正彦专利主视图 图平松正彦专利俯视图 该洗车装置主要包括洗车刷底盘支撑架及底盘上的设备水箱发电 机控制器等。 首先，洗车刷可以拆卸，安装在刷轴上，由电机带动其转动，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 导轮和照明装置力传感器。控制部分水箱泵发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范围时，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范围时，使洗车机向接近该车身 第页共页 外周面的接近方向行驶。洗车设备围绕汽车行驶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。 因此有必要设计种可以代替人进行日常汽车清洗工作的机械操作臂。