摘要光伏板智能清掃機器人的市場前景很好，特別是在中國，市場增長速度預計將超過全球平均水平。隨著技術的不斷創新和市場需求的增長，這一行業預計將繼續保持增長勢頭。本研究分析了現有光伏板清掃技術的限制，如手動清掃的勞動強度大、成本高，以及傳統清掃設備的適應性不強、效率低下等問題。根據對不同清掃方式的分析對比，選擇清掃機器人的設計方案。對光伏板智能清掃機器人的整體結構進行了設計，重點對移動裝置、清掃裝置進行設計，移動裝置采用高效的驅動系統確保機器人能夠平穩、準確地移動到指定位置。清掃裝置則采用了可調節的滾刷進行清掃工作，可滿足不同適應類型、不同污染程度的光伏板清掃需求，最后，通過設計方案，進行各零部件的設計以及選材，確保清掃機器人的正常工作。本研究還對智能清掃機器人的能源管理進行了優化設計，使其能夠在不依賴外部電源的情況下長時間工作，提高了清掃作業的連續性和可靠性。通過校核驗證，設計成果滿足光伏板清潔使用環境需求。關鍵詞：光伏板清掃；清掃機器人；結構設計；AbstractThemarketprospectsforphotovoltaicpanelintelligentcleaningrobotsareverypromising,especiallyinChina,wherethemarketgrowthrateisexpectedtoexceedtheglobalaverage.Withthecontinuousinnovationoftechnologyandthegrowthofmarketdemand,thisindustryisexpectedtocontinuetomaintaingrowthmomentum.Secondly,theoverallstructureofthephotovoltaicpanelintelligentcleaningrobotisdesigned,focusingonthedesignofthemobiledeviceandcleaningdevice.Themobiledeviceusesanefficientdrivesystemtoensurethattherobotcanmovesmoothlyandaccuratelytothedesignatedposition.Thecleaningdeviceadoptsadjustablerollingbrushforcleaningwork,whichcanmeettheneedsofphotovoltaicpanelcleaningwithdifferentadaptationtypesanddifferentpollutionlevels.Finally,throughthedesignscheme,thedesignandmaterialselectionofallpartsareconductedtoensurethenormalworkofthecleaningrobot.Inaddition,thisstudyalsooptimizedtheenergymanagementofintelligentcleaningrobots,enablingthemtoworkforlongperiodsoftimewithoutrelyingonexternalpowersources,improvingthecontinuityandreliabilityofcleaningoperations.Throughverification,thedesignresultsmeettherequirementsofcleanusageenvironmentforphotovoltaicpanels.Keywords:Cleaningofphotovoltaicpanels；Intelligentcleaningrobot；Structuraldesign；

目錄4417第一章緒論 554101.1研究背景 592711.2國內外研究現狀 651151.3研究意義 7261341.4本文內容 925153第二章機器人的總體設計方案 10210452.1清掃機器人設計需求與主要工作參數 10131322.2產品環境 11116712.3總體設計方案 11254922.4本章小結 1211829第三章清掃機器人組件結構設計 12140713.1清掃裝置結構設計 1260013.2行走裝置結構設計 13101633.3機座的結構設計 14153713.4限位輪結構設計 15248603.5控制裝置設計 15305473.6電池模塊設計 17249253.7本章小結 199821第四章傳動方案及驅動電機設計選取 19292984.1減速器方案設計 1940054.2驅動電機選型及選取 20316574.2.1電機選型 20217524.2.2電動機功率要求 21308254.3驅動電機的確定 21106654.4本章小結 221566第五章清掃機器人主要零件設計及校核 2359705.1主軸系設計 23190525.1.1裝置傳輸方案 23116965.1.2確定主軸材料和尺寸 23153875.1.3主軸直徑及強度校核 2477785.2軸承選取及校核 24277475.3聯軸器的選取 2629585.4齒輪設計 2670305.4.1減速器齒輪應力校核 27186135.4.2減速器齒輪彎曲強度校核 28313575.5本章小結 2920068第六章總結 3129887參考文獻 31556致謝 32

第一章緒論1.1研究背景隨著全球對清潔能源的需求不斷增長，光伏發電作為重要的可再生能源，正迎來快速發展的黃金時期。據國際能源署預測，到2050年，光伏發電將占全球電力供應的16%，成為僅次于火力發電的第二大電力來源。光伏產業的蓬勃發展，帶動了光伏板安裝數量的快速增長，同時也對光伏板清潔提出了更高的要求。然而，在實際運行過程中，光伏板長期暴露在戶外，光伏板的表面常常會受到灰塵、鳥糞、落葉等雜物的污染，這些污染物不僅會降低光伏板的透光性，影響其發電效率，還可能引發局部過熱、損壞光伏板等問題。研究表明，光伏板的表面每增加10g/m2的灰塵，發電量將降低2%-5%。因此，定期清潔光伏板對提高發電量具有重要意義REF_Ref28383\r\h[1]。如圖1-1所示，根據太陽能發電廠的具體位置，在農業地區，污染物由有機花粉、鳥糞、樹葉、土壤等組成回。在城市，污染物主要由汽車尾氣產生的碳組成，而在如阿拉伯半島、中亞、北非、南非、中國西部和東部、北美和南美等沙漠地區污染物主要由礦物（沙子、石英、二氧化硅等）組成。圖1-1光伏板表面污染物圖為了維護光伏板的性能和使用壽命，定期的對其進行清潔和維護至關重要。傳統的光伏板清潔方法主要依靠人工定期清掃或使用簡單的機械裝置進行清潔。然而，這些方法存在效率低下、成本高昂、難以適應復雜環境等問題。特別是在大規模的光伏板陣列中，這些問題更為突出。人工清潔不僅需要大量的人力和時間，而且在某些情況下還可能存在安全隱患。而簡單的機械裝置雖然可以在一定程度上減輕人工負擔，但是其清潔效果并不理想，且難以應對各種復雜的環境條件。因此，開發一種能夠自主工作、適應性強、清潔效率高的光伏板智能清掃機器人成為了業界的研究熱點REF_Ref28429\r\h[2]。近年來，隨著人工智能、機器學習、機器視覺等技術的飛速發展，為光伏板智能清掃機器人的研發提供了強有力的技術支持。通過集成這些先進技術，機器人能夠實現對光伏板表面污染物的智能識別、精確定位和高效清除，從而提高光伏板的發電效率。光伏發電系統通常占地面積較大，人工清掃工作量大、效率低、成本高。而光伏板智能清掃機器人可以自動進行清掃工作，節省人力成本，降低運維成本。光伏板在長期使用過程中，表面污漬的積累會導致光伏板局部發熱，進而影響光伏板的使用壽命。智能清掃機器人可以及時清除光伏板表面的污漬，降低局部發熱的風險，提高光伏板的使用壽命。隨著我國環保政策的不斷加強，光伏發電作為一種清潔能源得到了廣泛的應用。光伏板智能清掃機器人可以減少化學清潔劑的使用，降低對環境的污染REF_Ref28461\r\h[3]。綜上所述，光伏板智能清掃機器人的研究背景主要包括提高光伏發電效率、降低運維成本、提高光伏板使用壽命、環保需求和技術創新等方面。隨著光伏產業的不斷發展，光伏板智能清掃機器人具有廣泛的應用前景。隨著可再生能源的需求日益增長，太陽能發電已成為全球能源結構轉型的關鍵組成部分。光伏板作為太陽能發電系統的核心組件，其維護和清潔對于保證系統的高效運行至關重要。然而，傳統的手動清掃方法不僅勞動強度大、成本高，而且可能對光伏板造成損傷，影響其性能和壽命。因此，開發一種自動、高效且安全的光伏板清潔和維護方案變得尤為迫切。1.2國內外研究現狀在國外，光伏產業相對成熟，光伏板清掃機器人的研發和應用較早。美國、歐洲、日本等發達國家在這一領域的研究相對領先。一些國外企業如美國的Ecoppia、以色列的CleanRobotics等已成功研發出光伏板清掃機器人產品，并應用于商業化光伏發電項目中。國外相關研究更加注重機器人的智能化、自主化，并采用了一些前沿技術，如視覺SLAM、深度學習等。此外，國外企業更加注重產品的商業化應用，與光伏發電企業合作，推進光伏板清掃機器人的產業化進程。國外光伏板清掃機器人的研究更加注重智能化和自主化，通過采用前沿技術如視覺SLAM、深度學習等，提高機器人的識別和清掃能力。此外，國外企業注重產品的商業化應用，與光伏發電企業合作，推進光伏板清掃機器人的產業化進程。這些舉措有助于推動光伏板清掃機器人的發展，提高光伏發電系統的運行效率和可靠性REF_Ref28569\r\h[4]。在中國，光伏產業的快速發展帶動了光伏板清潔技術的需求。目前，中國高校、科研機構和企業已開始關注光伏板智能清掃機器人的研究。例如，清華大學、上海交通大學等高校有相關研究項目。同時，一些企業如華為、陽光電源等也正在研發光伏板清掃機器人。國內相關研究取得了一些初步成果，部分產品已進入市場。然而，整體技術水平與國外先進產品相比仍有一定差距。國內研究主要集中在機器人的清潔機構設計、運動控制、路徑規劃等方面，而在視覺識別、深度學習等智能化技術方面相對滯后。中國光伏板智能清掃機器人的研究仍處于起步階段。盡管有一些企業和科研機構在積極研發，但產品性能、穩定性和智能化程度與國外先進產品相比仍有差距REF_Ref28618\r\h[5]。此外，光伏板清掃機器人的應用場景復雜，需要適應不同的環境條件，這對機器人的研發提出了更高的要求。中國光伏板智能清掃機器人的發展仍面臨許多挑戰，包括技術研發、產業化進程、市場推廣等方面。光伏板智能清掃機器人在國內外的研究現狀表明，中國在這一領域仍處于起步階段，而國外已經形成較為成熟的產品和技術。中國光伏板智能清掃機器人的發展仍面臨許多挑戰，包括技術研發、產業化進程、市場推廣等方面。中國需要加大研發力度，提高技術水平，以推動光伏板清掃機器人的產業化發展。同時，國內外企業可以加強合作，共享技術和經驗，共同推動光伏板清掃機器人技術的發展REF_Ref28778\r\h[6]。隨著光伏產業的持續發展，光伏板智能清掃機器人將迎來更大的發展機遇。1.3研究意義根據目前的市場調研數據，光伏板智能清掃機器人在全球和中國市場都顯示出顯著的增長潛力。全球市場方面，據恒州誠思（YH）的研究統計，2022年全球光伏板清掃機器人市場的規模約為數十億元，預計到2029年市場規模將顯著增長REF_Ref28866\r\h[7]REF_Ref28873\r\h[8]。中國市場方面，中國作為光伏板清掃機器人市場的重要部分，其市場規模在2018-2022年間展現了穩定的增長態勢。2022年，中國光伏面板清潔機器人行業市場規模為17.28億元，同比增長29.92%。隨著技術的不斷創新和進步，光伏板清潔機器人將會更加高效、智能，為全球光伏發電領域的發展貢獻更大的力量。隨著光伏發電的普及，光伏板清潔機器人的市場需求將不斷增長。未來，隨著國內企業產品開發速度的加快和新技術、產業政策的推動，中國光伏板清掃機器人市場將迎來更多發展機遇。在可再生能源領域中，太陽能發電作為一種清潔、可持續的能源方式受到了廣泛關注。然而，光伏板表面的灰塵和污染物會顯著降低其發電效率。為了解決這一問題，本文提出了一種基于光伏板的智能清掃機器人結構設計。該設計旨在通過自動化清掃過程，提高光伏板的維護效率和發電性能。這些數據表明，光伏板智能清掃機器人的市場前景很好，特別是在中國，市場增長速度預計將超過全球平均水平。隨著技術的不斷創新和市場需求的增長，這一行業預計將繼續保持增長勢頭REF_Ref28912\r\h[9]。綜上所述，光伏板智能清掃機器人的研究具有重要意義，不僅市場前景很好，同時在提高光伏發電系統的發電效率、降低清潔成本、提高清潔質量、提高清潔安全性、提高清潔效率、提高光伏電站的智能化水平、促進光伏產業的發展以及提高光伏電站的運行可靠性等方面也有著明顯的效果。因此，光伏板智能清掃機器人的研究具有重要的實際應用價值和市場前景。目前已有人工清潔、高壓水槍清潔、車載設備清潔和機器人清潔等許多清潔方法。（1）人工清潔人工清潔光伏板（圖1-2）是目前主要的清潔方式之一，然而，這種方式存在清潔質量不穩定，效率低，人工費貴，清洗周期長，而且很多光伏組件安裝環境危險存在安全隱患，此外，人工清理時無法很好的控制清洗力度，可能導致光伏板的隱患，因此并不適合于大規模的光伏電站清潔。圖1-2人工清潔（2）車載設備清潔車載設備清洗是采用圖（1-3）中的專業的清掃設備和清掃劑對光伏板進行清洗，可以確保零部件正常運作，不受雜質或污垢的影響，保持良好的性能，表現這種方式具有清洗效率高，清洗質量高和清洗范圍廣等優點適合大規模應用，缺點是定期清潔車載設備需要投入大量時間和勞動成本，特別是對于大型車輛或復雜的設備，可能需要較多的時間和人力。為了清潔更徹底，可能需要使用化學品，但某些化學品可能對環境造成污染，需要謹慎使用和處理，車載設備只能適用于開闊的場地，對光伏板的地形和排布方式有較高要求，而且設備需人工清潔，難以實現全自動清潔。圖1-3車載設備清潔系統光伏板清掃機器人和自動系統也是光伏板清掃的理想解決方案，相比于其他清掃方式，能夠自動清掃太陽能電池板表面，無需人工操作。這減少了人工清掃所需的時間和成本。可以提高太陽能系統的效率，機器人可以根據預定的計劃自動執行清掃任務，確保光伏板表面始終保持清潔，最大程度地吸收太陽能。可以延長光伏板的壽命并降低性能下降的風險。機器人采用柔和的清潔方式，避免損壞光伏板表面。可以減少人力資源的需求。這使得太陽能發電系統的維護更加經濟高效。可以適應不同類型和尺寸的太陽能電池板布局，從屋頂安裝到大型地面太陽能電站。配備了智能化技術，如自主導航系統、避障傳感器和遠程監控功能，提高了操作的便利性和安全性。1.4本文內容通過收集數據和查閱相關文獻，收集市場上現有分全自動智能清掃機構的結構原理和功能，分析各種智能清掃機構的特點和優缺點，進一步了解了設備控制、結構設計等相關專業，分析光伏板智能清掃機器人的工作原理，對整個結構進行設計分析，其主要有：整體設計方案、組件結構設計、傳動設計方案以及驅動系統設計，再根據對清掃機器人的設計方案、進行各零部件設計，材料以及選型的確定。完成零件圖的繪制，預期完成清掃機器人的整體設計、并對關鍵部件進行校核滿足使用要求。機器人的總體設計方案2.1清掃機器人設計需求與主要工作參數根據機器人的實際工作場景，對設計的光伏板清掃機器人提出以下要求：移動要求：可沿著具有一定傾斜度的光伏板自動行走，自動驅動，行走時能夠按固定軌跡，與光伏板軸線平行進行行走，避免滑動或傾斜的情況發生，具有限位輪等裝置，清掃工作時，不會導致位置錯位，以確保清掃效果。清掃要求：機器人需要擁有完美地清掃光伏發電板表面，以保障光伏板發電效率最大化。穩定、耐用，可實現自動清掃，自動化控制，控制穩定。清掃裝置應選擇軟質毛刷并具有一定韌性，既能夠清掃除去灰塵等雜物，又不會對光伏板、光伏玻璃造成傷害。為了節約水資源，提高除塵效率并降低成本，應考慮無水除塵技術。輕量化要求：機器人的移動時，為保證穩定性和避免對光伏板造成損害，機器人需盡可能地輕量化。此外，輕量化還可以提高機器人的行走效率以及靈活性。經濟性要求：考慮整個機器人的生命周期成本，維護、和更新換代等方面盡量降低成本，確保機器人的投資回報率。此外，機器人應具有較低的能源消耗和人工操作，以降低運營成本。光伏發電站通常由多組光伏排列排成一個矩形陣列組成，如圖2-1所示；一般來說，光伏板沒有標準尺寸。在我國，光伏電站的光伏板相對于地面的安裝斜率從幾乎水平到20°不等，每個光伏板之間的距離約為10毫米。圖2-1光伏電站光伏板布置除以上設計要求外，設計機器人時還要考慮表2-1中的光伏板的各項參數。表2-1光伏板尺寸參數項目單位參考值單塊光伏板寬度mm2205單塊光伏板長度mm1000光伏板邊緣厚度mm35光伏板面板厚度mm5光伏板智能清掃機器人的設計參數：整機尺寸：長1600mm寬370mm高256mm，驅動電機：24V/280W；速度及距離：最大行走速度80r/min，最大清掃距離1000m；電機轉速：750r/min；越障及爬坡：端面/平面越障50mm，爬坡角度20°控制方式：自動運行和本地監控。2.2產品環境智能清掃設備通常對光伏區組件進行清掃工作，待機溫度-30℃?60℃，啟動清掃溫度-30℃~50℃，需將電池加熱至-20℃以上，電池充電溫度0℃~45℃，0℃以下需加熱至0℃以上。海拔3000M，相對濕度95%，無冷凝。大氣環境腐蝕性分類等級C4。2.3總體設計方案圖2-2光伏板清掃機器人整體設計圖對整體方案進行介紹說明：光伏板智能清掃機器人可以沿著具有一定傾斜度的光伏板自動行走，自動驅動，帶有獨立電源，行走時能夠按固定軌跡，與光伏板軸線平行進行行走。具有限位輪等裝置，可清掃工作時，不會導致位置錯位。清掃裝置穩定、耐用，可實現自動清掃，自動化控制，控制穩定。毛刷具有一定韌性，既能夠清掃除去灰塵等雜物，又不會對光伏板、光伏玻璃造成傷害。控制系統具有邏輯，可進行遠程控制，具有定位功能，有存儲模塊，能夠實時查詢故障、運行參數等信息。2.4本章小結詳細介紹了一種光伏板智能清掃機器人的設計方案，旨在提高光伏板的維護效率、安全性，并降低維護成本，光伏發電板的參數以及光伏板智能清掃機器人的總體設計要求和參數。第三章清掃機器人組件結構設計3.1清掃裝置結構設計清掃裝置是光伏板智能清掃機器人最重要的核心部分，它的結構影響到除塵效果，同時也決定其他機構的設計。在設計清掃結構時，要考慮光伏板表面的污漬類型進行分析。不同地區光伏面板的表面的污漬類型也有所不同，如（沙漠干旱地區、潮濕多雨地區）等。為了所設計的清掃機器人有更廣泛的適用性，本次設計采用無水方式的同時，還確保對光伏板表面結合較為緊密的顧固污漬也能有效清掃。根據刷子移動方式的不同可以分成滑動式和滾動式兩種清掃模式。其中滑動式清潔是一種常見的清潔結構，其原理是通過拖動刷子沿著光伏板表面的切向進行清潔，以去除污漬。滑動式清潔的問題在于，刷子與光伏板表面需要有足夠的壓緊力和較大的相對速度才能使刷子作用于光伏板表面污漬的清掃力要大于污漬與光伏板表面的范德華力，進而有效的去除光伏板表面的污漬，難以根據實際的污漬類型進行靈活調整。此外，對于需要反復清掃的位置，智能清掃機器人整體在光伏板上來回運動是非常不合理的。本文設計的清掃機構采用滾動式清掃模式，通過電動機帶動滾刷在光伏板表面旋轉從而實現對污漬的清理，滾刷由毛刷和滾筒構成，滾刷與光伏板表面間的相對清掃速度由機器人的移動速度和滾刷的旋轉速度決定，可以在任意運動狀態下通過調整滾刷轉速控制相對清掃速度。遇到難以清潔的頑固污漬時，可以讓機器人停下來，利用滾刷自身的旋轉反復清掃同一位置。實現更好的清掃效果。通常毛刷采用是去靜電尼龍材質的毛，通過電機帶動軸運動，在組件表面來回滾動，實現清掃功能。圖3-1清掃機器人滾刷模型圖在清掃過程中，毛刷對光伏組件施加以下三種負載：（1）平行負載：毛刷以平行于光伏板表面的方向施加力，主要用于清除覆蓋在光伏板表面的灰塵。（2）有一定夾角的負載：毛刷以一定角度斜向施加力，有助于破壞積灰層與光伏板之間的粘附力，提高清掃效果。（3）旋轉力矩：毛刷旋轉產生的力矩，用于破壞積灰層內部的粘附力，使灰塵更容易被清除。通過上述三種負載的協同作用，清掃模塊能夠實現高效清除光伏板表面的積灰，提高發電效率。3.2行走裝置結構設計1.行走部分：傳動軸采用高強度材料制造，確保傳動軸在承載和傳動過程中的穩定性和耐用性。行走輪采用耐磨材料制造，并采用合適的接觸面積設計，以提高輪子的耐磨性和承載能力，在驅動模塊的關鍵部位，選用高強度的材料，以提高系統的整體穩定性和耐用性，在傳動軸等關鍵部位設置防護裝置，防止灰塵進入，提高系統的穩定性和耐用性。2.傳動部分：傳動系統的傳動方式可以分為齒輪傳動與帶傳動等，通過對齒輪傳動和帶傳動的優缺點進行分析對比，最終選擇帶傳動系統，其特點是利用張緊在帶輪上的柔性帶進行運動或動力傳遞的一種機械傳動。帶傳動具有結構簡單、傳動平穩、能緩沖吸振、可以在大的軸間距和多軸間傳遞動力，且其造價低廉、不需潤滑、維護容易等特點，在近代機械傳動中應用十分廣泛。電機的選取通過對電機的特點、工作原理以及控制方式分析；根據本次設計的清掃機器人所用電機的基本要求，選用高質量的直流減速電機，保證電機輸出功率和扭矩滿足清掃需求，同時提高電機的穩定性和耐用性。3.結構優化：通過合理的結構設計，使驅動模塊的受力分布更加均勻，避免局部過載，從而提高整個驅動模塊的穩定性和耐用性。3.3機座的結構設計通常方法，強度、剛度的要求是設計安裝梁首要考慮的問題，其次梁的穩定性，成本問題也納入方案考量范圍。圖紙設計首要是梁的截面尺寸，隨之考慮的問題，對所選梁的截面進行驗算，包括剛度、強度、局面及整體穩定。經驗算后數據，設定的要求假如無法滿足，那么則重新挑選截面或甄選其他方法來修正。對于組合梁，從成本角度出發，變截面梁的選擇需要甄別，以便于讓截面的延長度，能配合彎矩的變化。另外，翼緣與腹板的連接是待解決的問題，主要考慮受限因素有鋼材的規格、安裝位置、運輸條件。從而不得不設置拼接，安裝梁的支座、及相關的構件連接等，型鋼梁能滿足局部穩定要求。對于焊接組合梁，翼緣可以通過限制板件寬厚比保證其不發生局部失穩。腹板則較為復雜，一種方法是通過設置加勁肋的方法保證其不發生局部失穩；另一種方法是允許腹板發生局部失穩，利用其屈曲后承載力。3.4限位輪結構設計限位開關分為上下限位，限位輪包括底座、銷軸、滾子軸承、滾輪、上下支撐板、底板。在待清掃一側安裝停機位，非作業時間，停靠在停機位上，通過上限位輪掛住停機位上沿；在作業時間，上限位輪掛住并沿組件邊框上沿行走。圖3-3限位輪結構圖3.5控制裝置設計控制裝置主要由清掃機器人的行走模塊、控制中心、驅動模塊和遠程模塊組成。（1）控制中心：由樹莓派、樹莓派基礎電路和接口電路組成，是清掃機器人的“大腦”，負責控制機器人的運動和清掃作業。控制中心可以根據外部傳感器的信號，實時調整清掃機器人的運動狀態和清掃模式。（2）行走裝置：負責控制清掃機器人的行進方向和速度。根據控制中心的指令，行走模塊可以控制機器人在光伏板表面行進，并按照預設的清掃路徑進行清掃。（3）驅動裝置：驅動清掃機器人的清掃機構，實現清掃作業。根據控制中心的指令，驅動模塊可以控制清掃毛刷的轉速和清掃力度，以實現高效的清掃效果。（4）遠程模塊：由GPS和GPRS組成，用于實時監控清掃機器人的位置和工作狀態。工作人員可以通過遠程模塊，隨時了解清掃機器人的運行情況，并進行遠程控制和故障診斷。控制模塊通過各組成部分的協同工作，實現對清掃機器人的精確控制，實現自主清掃、路徑規劃、故障診斷等功能，提高清掃效率和安全性。下面根據描述自行繪制了一個簡化的控制模塊工作流程圖：圖3-4控制模塊工作流程圖具體步驟如下：（1）輸入傳感器信號：外部傳感器（如接近開關、光敏開關等）檢測環境信息和機器人狀態，并將信號輸入到控制中心。（2）控制中心分析：控制中心（樹莓派等）分析傳感器信號，判斷清掃機器人當前狀態和清掃環境。（3）控制指令輸出：控制中心根據分析結果，輸出控制指令給行走模塊和驅動模塊。（4）行走模塊執行：行走模塊根據控制指令，控制清掃機器人的行進方向和速度。（5）驅動模塊執行：驅動模塊根據控制指令，控制清掃毛刷的轉速和清掃力度。（6）遠程模塊反饋：遠程模塊實時反饋清掃機器人的位置和工作狀態，供工作人員監控。（7）結束：當清掃任務完成后，控制模塊結束當前工作流程。清掃機器人的整體運行方式如圖3-5所示。圖3-5整體的運行方式清掃機器人的具體控制系統如圖3-6所示。圖3-6控制系統上述的控制模塊是通過各組成部分的協同工作，實現對清掃機器人的精確控制，實現自主清掃、路徑規劃、故障診斷等功能，提高清掃效率和安全性。3.6電池模塊設計電池模塊是光伏板機器人的關鍵組成部分，負責為整個機器人提供所需的電力。其工作原理主要包括以下幾個方面：（1）能量存儲：電池模塊采用高容量、高安全性的電池，如12V60AH的鐵鋰電池。鐵鋰電池具有體積小、重量輕、安全性強、高功率輸出、長循環壽命等特點，能夠為機器人提供足夠的能量支持長時間的工作。（2）充放電管理：電池模塊配備有充放電管理系統，能夠實時監測電池的充放電狀態，確保電池在充放電過程中安全穩定。充放電管理系統可以控制電池的充放電電流和電壓，防止電池過充、過放，延長電池的使用壽命。（3）能量轉換：電池模塊通過充放電管理系統，將儲存的化學能轉換為電能，為機器人提供動力。在充電過程中，電能通過充放電管理系統轉化為化學能存儲在電池中；在放電過程中，化學能通過充放電管理系統轉化為電能，為機器人提供動力。（4）能量分配：電池模塊根據機器人的實際需求，合理分配電能。在清掃過程中，電池模塊會優先為清掃模塊和行走模塊提供電力，確保清掃效率和機器人的正常運行。在非清掃過程中，電池模塊會為控制模塊和其他輔助設備提供電力，保證機器人的正常運行。（5）故障檢測與保護：電池模塊具備故障檢測與保護功能，能夠實時監測電池的運行狀態，一旦發現異常，如過充、過放、短路等，立即啟動保護措施，防止電池損壞，確保機器人的安全運行。圖3-7中展示了電池模塊的詳細布局，包括電池單元、電池管理系統（BMS）組件、連接器等。展示了電池單元到電池管理系統（BMS）再到機器人組件（如清潔機構和電機）的能量流動過程。同時，還展示了故障檢測和保護過程，每個步驟都有清晰的標簽和箭頭。圖3-7電池模塊圖解電池模塊的整個工作原理，首先由太陽能電池板通過電纜連接，將太陽光能轉化為直流電能，此時直流電能通過逆變器轉換為交流電能，供家庭或設備使用，其中的部分交流電能被存儲在電池管理系統（BMS）中的電池組中。當機器人組件中的電機需要動力時，電池模塊就會釋放電能為其供電。此外，還有專門的電路和傳感器用于故障檢測和保護，以確保整個系統的穩定和安全。最后，系統還具有智能控制功能，可以根據天氣情況和用電需求調整充電和放電策略。圖3-7中清晰地展示了光伏板機器人電池模塊從輸入到輸出，以及各個組件之間的互動關系。3.7本章小結清掃機器人組件結構設計主要包括清掃裝置、移動裝置、控住模塊和電池模塊，從而提升太陽能發電系統的經濟性和可靠性。設計的核心在于實現機器人的自動檢測、清潔和維修功能。第四章傳動方案及驅動電機設計選取4.1減速器方案設計在清掃機構的設計中想到了三個方案：電機帶動斜齒輪構成的減速器：1，斜齒輪1帶動斜齒輪2，挾斜齒輪2帶動斜齒輪3，斜齒輪上的軸連接滾刷，進而實現清掃；圖4-1方案一電機帶動錐齒輪構成的減速器：1，錐齒輪1帶動錐齒輪2，有錐齒輪2上的軸連接滾刷，進而實現清掃；圖4-4方案二(3)電機帶動蝸桿構成的減速器：，蝸桿兩端接渦輪，兩個渦輪的軸上分別接刷子，從而實現清掃；圖4-3方案三因為所設計的機器人它的體積有限制，要放置有清掃機構、行走機構收集處理機構，同時還得留下放電池、控制中心、觀察中心的地方，而方案一易于安裝，傳動平穩，直齒斜齒輪所占的面積較小，承載較大，因而定了這種方案；方案二中，錐齒輪傳動不如斜齒輪平穩，同時錐齒輪一所占的體積也比較大，而清掃機構又是本次設計中最重要的部分，因而選用錐齒輪的弊端也很大，所以經過計算及各個機構總體布局的綜合考慮，舍棄了方案二；方案三中通過點擊帶動蝸桿轉動，再有蝸桿帶動其兩端的蝸輪，由蝸輪上的軸帶動固定在其上的刷子旋轉，從而實現了清掃的目的REF_Ref29212\r\h[15]。而在選種中心距的情況下，渦輪蝸桿的尺寸都比較大，雖然能夠放置下，但是渦輪蝸桿這個裝置就顯得比較笨重，所占的重量很大，這就加重了機器的人的總重量，因而這種方案也不是很合理REF_Ref29274\r\h[16]。以上三種方案通過對比以及由設計的要求所限制，最終選擇圖4-1方案一為清電機帶動斜齒輪構成的減速器。4.2驅動電機選型及選取4.2.1電機選型本次設計的光伏板智能清掃機器人所用電機的基本要求：啟動、停止和反向均能連續有效的進行，具有良好的響應特性。正轉反轉時的特性相同，且運行特性穩定。良好的抗干擾能力，對輸出來說，體積小、重量輕。維修容易，不用保養。可根據電源類型、運行條件(溫度、環境、空間大小)和負載特性)性質、大小、起動性能和過載條件來選擇電機類型和結構，清掃清潔機器人的運動控制中常用電機有直流電機、和步進電機，它們的特點和控制方式如下表4-1所示。表4-1三種電機的主要特點、控制方式電機選型主要特點控制方式直流電機優點：優良的調速性能，調速穩定方便，速連續輸出額定扭矩，調速比達120;過載能力強，能夠承受頻繁的沖擊負荷，實現頻繁的快速啟動、制動和轉向;購買方便，款式多，操作簡單。缺點：結構復雜，電流通常較大，需要減速機減速，需要維護工作。轉動控制采用電壓控制方式，轉矩控制采用電流控制方式。步進電機優點：是步角小，功率小，過載能力強，控制簡單，起動和運轉頻率高，停電時定位扭矩大，型號多，適合室內自動清掃機的速度。缺點：是功率重量比小，運動穩定性差，低速性能好，體積大，負載能力低，運動時有振動。永磁式、反應式、混合式、大多數清潔工都在室外工作，需要簡單的控制和順暢的操作。根據本次設計的清掃機器人所用電機的基本要求及電機的特點選擇直流減速電機。4.2.2電動機功率要求電機功率合理，能源效率高，始終滿負荷運轉。降低效率和功率因數，增加耗電量，造成大量的浪費。電動機的容量主要由電動機運轉中產生的熱量決定。電動機的發熱和它的工作狀態有關。在長期連續運轉的情況下，如果所選擇的電動機的額定功率p在所需電動機功率P以上，則負荷變動小。電機運轉時不會過熱，不需要發熱和啟動扭矩檢查REF_Ref29363\r\h[18]。4.3驅動電機的確定圓盤材料選用尼龍材料。圓盤毛刷受力約為F1=55N，轉速為n1=80r/min。滾筒受力約為1.圓盤毛刷轉矩:T1所需功率:P1圓盤毛刷到減速器間用帶傳動，傳遞效率90%。減速器橫放斜齒輪=3\*ROMANI軸處的功率為：P減速器齒輪間的傳遞效率為90%豎放齒輪處的功率為：P滾筒處=2\*ROMANII軸的轉矩:T=FR=75×0.2=15N此處的功率：P電機到=1\*ROMANI軸之間用帶傳動，傳遞效率90%電機的輸出功率：P工作速度為80r/min，為較低轉速故選用24V/280W，其輸出轉速為750r/min。通過以上計算與比較，最終選擇博山的直流減速電動機，其技術參數如表4-2所示：表4-2直流減速電機的技術參數型號轉矩（mN·m）轉速（r/min）功率（W）電壓（V）電流（A）110SZ552780750308241.24.4本章小結深入探討了光伏板智能清掃機器人的機械傳動及驅動系統設計。設計過程中考慮了多種傳動方案，并最終選擇了方案一，即電機通過斜齒輪驅動皮帶輪，再由皮帶輪上的軸連接刷子進行清掃。這一選擇基于機器人體積限制、安裝便利性、傳動平穩性以及承載能力等因素的綜合考量。通過各種電動機的特點以及控制方式選擇合適的電機。第五章清掃機器人主要零件設計及校核5.1主軸系設計5.1.1裝置傳輸方案專用裝置的傳動方案可采用皮帶傳動或齒輪傳動。為了方便工件的拆卸,為了縮短軸向尺寸,使結構緊湊,特殊裝置采用齒輪傳動方案。傳輸方法如下所示:電機-齒輪1-齒輪2-主軸-桅桿5.1.2確定主軸材料和尺寸(1)主軸材料主軸上的負載相對較小。在正常情況下,由此產生的應力遠遠低于鋼的屈服極限,因此機械強度不是選擇主軸材料的基礎。當主軸的直徑、支承、跨度、懸臂等尺寸參數保持不變時,主軸的轉動慣量不固定,主軸的剛度取決于材料的彈性模量。然而,各種鋼的彈性模量e何S2.06105MPa,幾乎沒有差別,所以剛度不是主軸選擇的基礎。主軸材料只能根據耐磨性、熱處理方法和熱處理變形來選擇,耐磨性取決于硬度。自動機主軸為淬火鋼或滲碳淬火鋼,高頻淬火,普通自動機主軸可選用45鋼。這里的主要材料可以是相同的材料45鋼。經查詢《材料力學》表19-1后可知：45鋼的，其屈服極限，且查表19-2知，對塑性材料有：（1）彎曲應力；（2）扭轉應力；（3）擠壓應力;（4）剪切應力。經查閱得知45鋼許用拉應力為：[σ]=σ上式中n為安全系數，對塑性材料通常取1.5-2.2，所以，。5.1.3主軸直徑及強度校核根據洗盤扭矩計算主軸直徑公式：d=B3p式中：P——選定的電機功率；b——系數；主軸的最小直徑計算為d=25mm。主軸直徑應根據桅桿尾的結構確定,主軸前端應采用萬向節的形式。直徑90mm。因此,根據d2=(0.7~0.85)d1x(44.5~55.25mm)之間的關系,d1x65mm為主軸前支撐軸,d2=55mm為后支撐,d2=60mm為中間殘余直徑(平均直徑)。確定主軸的前端,通過浮動連接到桅桿上。根據主軸支架結構的特點,軸向和徑向力小,主軸轉速高。前支撐軸承7013AC,如軸承手冊所示。根據上述方法,主軸的最小直徑為d=28mm。圖5-1軸的結構圖根據機械設計手冊，可以使用相應的校核公式計算其主要承受轉矩為：T=9.55×式中：T——轉矩，單位（N·m）；P——電機功率，單位（KW）；n——額定轉速，單位（r/min）。軸是傳動系統中最重要的部分之一，它承受著較大的扭矩荷載。因此，在設計中必須進行扭應力強度的校核，確保軸的安全可靠性。可得：τ式中：TW將以上各項參數代入到3-36中可得：τ由于本設計采用的主動軸與從動軸結構方案、尺寸、材料均一致，故校核主動軸強度即可。綜上所述，本文設計的清掃機器人的工作軸強度符合要求，具備一定的使用條件。5.2軸承選取及校核軸承預計壽命：L查滾動軸承角接觸球承7208C,基本額定動載荷C=36.8KN，基本額定動載荷C0=25.8KN，求兩軸承受到的徑向動載荷F求兩軸承計算軸向力Fa1對于7000C型軸承，軸承派生軸向力，其中e為判斷系數，其值由FaC0的大小決定的。軸承軸向力,,所以,所以根據《機械設計》徑向動載系數X和軸向動載荷系數Y標，插值計算得e1=0.5425,,計算的Fa/Co的值相差不大,由此可以確定e1=0.5425,e2=0.5533.Fa1=7636N,Fa2=9386N(2)求軸承的當量動載荷和由于；分別查表和插值的X和Y值。對于軸承1而言：x1=0.44；y1=1；對于軸承2而言：x1=0.44；y1=1。又因為軸承運轉中有中等沖擊載荷，查表可得，取，則：(3)驗算軸承壽命：由于,所以按軸承2的受力大小驗算：軸承滿足壽命要求。5.3聯軸器的選取主動軸上的公稱轉矩T(N·m)可用下式進行計算：T=9550×式中：P—傳遞的功率kW；N—軸的轉速r/min；初選LT1彈性套筒銷聯軸器，其公稱轉矩Tn傳動軸上的公稱轉矩Tca=k代入式得到：TT校核最高轉速：n=750r/min[n]=8800r/minn≤滿足要求。5.4齒輪設計滿足勞動條件:不同的產業狀況對齒輪傳動有不同的要求，所以對齒輪材料有不同的要求。但是，一般的動力傳動系要求足夠的強度和耐磨性，齒面的硬度，芯的柔軟性。（2）適當選擇材料組合:對于硬度±350HBS的軟軟齒輪，為了使兩個齒輪的使用壽命相近，小齒輪材料的硬度應超過稍大的齒輪，兩個齒輪的硬度差應在30~50HBS左右。為提高齒輪的防膠性能，齒輪尺寸應具有不同的鋼材材料。（3）考慮加工工藝和熱處理工藝:由于一對齒輪參與了驅動和磨損，對齒輪的沖擊載荷也很大，要求齒輪的彎曲強度。必須使用硬齒面齒輪組合。20CrMnTi碳化后，所有齒輪表面都會硬化，硬度為58~62HRC。國內減速器齒輪常用材料為20CrMnTi（鋼號為18CrMnTi）和20N2TiB、20nvb和20MnMoB。對于大型撥盤型齒輪，可使用25CrMnMo、20CrNiMo、12Cr3A等鋼。這些低碳合金鋼需要隨后的碳化和淬火來提高表面硬度和提煉材料顆粒。為了消除內部的壓力，需要回火。齒輪齒面碳化層的推薦深度范圍如下：≤3.5滲碳層深度0.8～1.2mm；3.5＜＜5滲碳層深度0.9～1.0mm；≥5滲碳層深度1.0～1.6mm。滲碳齒輪在淬火、回火后要求齒輪的表面硬度為HRC58～63，心部硬度為HRC33。5.4.1減速器齒輪應力校核主動齒輪：已知：N·mm；；；mm；；；，查齒形系數圖5.1得：y=0.14，把以上數據代入（5.2）式，得：MPa從動齒輪：已知：N·mm；；；mm；；；，查齒形系數圖5.1得：y=0.16，把以上數據代入（5.2）式，得：MPa主動齒輪：已知：N·mm；；；mm；；，查齒形系數圖5.1得：y=0.16，把以上數據代入（5.2）式，得：MPa從動齒輪：已知：N·mm；；；mm；；；，查齒形系數圖5.1得：y=0.155，把以上數據代入（5.2）式，得：MPa5.4.2減速器齒輪彎曲強度校核齒輪彎曲強度校核（斜齒輪）（5-1）式中：——圓周力（N），；——計算載荷（N·mm）；——節圓直徑（mm），，為法向模數（mm）；——斜齒輪螺旋角（°）；——應力集中系數，=1.50；——齒面寬（mm）；——法向齒距，；——齒形系數，可按當量齒數在齒形系數圖5.1中查得；——重合度影響系數，=2.0。圖5-1齒形系數圖【8】將上述有關參數據代入公式圖（5-1）中，整理得到σw=25.5本章小結本章節專注于光伏板智能清掃機器人的主要零件設計，包括主軸系設計、軸承選取及校核、聯軸器設計和齒輪設計等關鍵部分。設計決策基于機器人的功能需求、操作效率和耐用性，確保了清掃機器人的機械傳動和驅動系統的可靠性和穩定性。通過對主軸、軸承和齒輪的精心設計和校核，為光伏板智能清掃機器人的高效運行和長期穩定性提供了堅實的基礎。并對減速器齒輪的應力和彎曲強度進行校核，確保了齒輪設計的安全性和合理性。這些校核步驟對于保證清掃機器人長期穩定運行至關重要，同時也為后續的設計改進和優化提供了理論依據。通過這些詳細的計算和分析，設計者可以對齒輪的承載能力和使用壽命有一個清晰的了解，從而做出更加精確的設計決策。第6章總結設計光伏板智能清掃機器人結構設計主要用于中規模光伏電站。在本次設計中，我們對光伏板智能清掃機器人結構的整體結構進行了設計計算，重點對清掃裝置、驅動系統、傳動方案和工作裝置進行了設計，通過對主要零件的設計，對主軸、聯軸器、軸承和減速器中得齒輪等部件進行合理的選型。通過零件組裝圖(軸系)、組裝圖、二維圖紙來表現最終的設計結果。由于時間限制，設計過