擦玻璃幕墻機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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本頁為“1畢業(yè)論文封面（共1頁）”，點(diǎn)擊菜單“USTB本科論文各部分”中的本部分菜單進(jìn)行相應(yīng)操作。本提示信息為非打印信息，可一直保留，不影響打印。(本行右側(cè)的紅色順序編碼制幾個(gè)字也是非打印信息) 順序編碼制 密級：__________ 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 擦玻璃幕墻機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 題 目： ____________________________ 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用A4紙雙面打印，封面采用學(xué)校下發(fā)的黃色封皮制作封面，并裝訂成冊。在答辯后提交正式稿時(shí)，須有學(xué)生和指導(dǎo)教師的本人簽字。不用此信息時(shí)，刪除此框。 ____________________________ 楊磊 作 者： ____________________________ 41240048 學(xué) 號(hào)： ____________________________ 機(jī)械工程學(xué)院 學(xué) 院： ____________________________ 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專 業(yè)： ____________________________ 成 績： ____________________________ 年 月 本頁為“2畢業(yè)論文扉頁（共1頁）”，點(diǎn)擊菜單“USTB本科論文各部分”中的本部分菜單進(jìn)行相應(yīng)操作。本提示信息為非打印信息，可一直保留，不影響打印。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 擦玻璃幕墻機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 題 目: Construction Design of a Glass 英文題目： Cleaning Robot 機(jī)械工程學(xué)院 學(xué) 院: 機(jī)自1202 班 級: 楊磊 學(xué) 生: 41240048 學(xué) 號(hào): 副教授 楊競 指導(dǎo)教師: 職稱： 指導(dǎo)教師: 職稱： 本頁為“3畢業(yè)論文聲明頁（共1頁）”，點(diǎn)擊菜單“USTB本科論文各部分”中的本部分菜單進(jìn)行相應(yīng)操作。本提示信息為非打印信息，可一直保留，不影響打印。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得研究結(jié)果。論文在引用他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果時(shí)，已經(jīng)作了明確的標(biāo)識(shí)；除此之外，論文中不包括其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，均為獨(dú)立完成。其它同志對本文所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表達(dá)了謝意。 學(xué)生簽名：___________ 年 月 日 導(dǎo)師簽名：___________ 年 月 日 這里的日期為正式論文提交的日期，應(yīng)在規(guī)定的提交日期之前。 不用此信息時(shí)，刪除此框。 本頁為“4畢業(yè)論文任務(wù)書（共1頁或2頁）”，點(diǎn)擊菜單“USTB本科論文各部分”中的本部分菜單進(jìn)行相應(yīng)操作。本提示信息為非打印信息，可一直保留，不影響打印。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 _____________________________________________________________ 一、學(xué)生姓名：楊磊學(xué)號(hào)：41240048 二、題目:擦玻璃幕墻機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 三、題目來源：真實(shí)、自擬 四、結(jié)業(yè)方式：設(shè)計(jì)、論文 五、主要內(nèi)容： 1.國內(nèi)外機(jī)器人的發(fā)展概況及發(fā)展前景； 2.擦玻璃幕墻機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案的確定與設(shè)計(jì)計(jì)算； 3.擦玻璃幕墻機(jī)器人的三維模型與工程圖繪制； 4.主要零件的強(qiáng)度剛度分析。 六、主要（技術(shù)）要求： 1、工作速度0.1~0.5m/s，工作最高高度0.3m，工作重量30kg； 2、設(shè)備裝置有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。 3、結(jié)構(gòu)簡單，維修方便； 4、工作量按學(xué)校統(tǒng)一要求。 七、日程安排： 第1-2周：資料準(zhǔn)備、實(shí)習(xí)、實(shí)習(xí)報(bào)告、外文資料翻譯、開題報(bào)告； 第3-4周：方案比較、確定； 第5-7周：主要零件設(shè)計(jì)計(jì)算； 第8-11周：繪制三維模型零部件； 第12-14周：工程圖繪制； 第15-16周：撰寫論文；答辯。 八、主要參考文獻(xiàn)和書目： 1．劉極峰, 丁繼斌. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ) 北京:高等教育出版社,2012 2．李金泉, 楊向東, 付鐵.碼垛機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .北京:北京理工大學(xué)出版社,2011 3．日本機(jī)器人學(xué)會(huì)編 ,宗光華, 程君實(shí)等譯. 新版機(jī)器人技術(shù)手冊.北京:科學(xué)出版社,2007 4. 宋偉剛.機(jī)器人學(xué):運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)與控制.北京:科學(xué)出版社,2007 5. 趙長明, 劉萬菊. 數(shù)控加工工藝及設(shè)備.北京:高等教育出版社,2008 6. 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.化學(xué)工業(yè)出版社 .2010 7.Houxiang Zhang, Jianwei Zhang, Guanghua Zong. Realization of a Service Climbing Robot for Glass-wall Cleaning. Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics August 22 - 26, 2004, Shenyang, China, 0-7803-8641-8/04/ 2004 IEEE 8. Mohammad A. Jaradat, Mohammad Tauseef, Yousuf Altaf, Roba Saab, Hussam Adel, Nadeem Yousuf, and Yousef H. Zurigat. A FULLY PORTABLE ROBOT SYSTEM FOR CLEANING SOLAR PANELS . 978-1-4673-7797-3/15/ 2015 IEEE 指導(dǎo)教師簽字：年月日 學(xué) 生 簽 字：年月日 系（所）負(fù)責(zé)人章：年月日 本頁為“5畢業(yè)論文摘要（1頁或2頁）”，點(diǎn)擊菜單“USTB本科論文各部分”中的本部分菜單進(jìn)行相應(yīng)操作。本提示信息為非打印信息，可一直保留，不影響打印。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 摘 要 隨著小型機(jī)械和控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人逐步走進(jìn)了人們的生活。一些高危工作、重復(fù)性工作、工作環(huán)境惡劣的工作都將由機(jī)器人來代替人類執(zhí)行，如高空作業(yè)、粉塵含量高的工作環(huán)境等。機(jī)器人作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)是在機(jī)器人不出故障的前提下可以連續(xù)作業(yè)、工作質(zhì)量均勻等。因此本文對涉及高空作業(yè)、重復(fù)性工作和大量灰塵的玻璃幕墻清潔工作提出了一種機(jī)器人作業(yè)方案。 本設(shè)計(jì)通過AUTO INVENTOR和AUTO CAD等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用機(jī)械、氣動(dòng)、電氣等復(fù)合設(shè)計(jì)，從而達(dá)到高效、高可靠性的要求。 本文通過對機(jī)器人常用吸附方式、載體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式等的比較，確定了本文所研究的擦玻璃幕墻機(jī)器人的總體方案。本設(shè)計(jì)中的擦玻璃幕墻機(jī)器人是工作范圍較大的大型機(jī)器人，其中，機(jī)器人本體采用6061鋁合金型材組合機(jī)架，整個(gè)機(jī)體通過真空吸盤吸附在玻璃幕墻上。通過300mm的大行程氣缸推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)，通過50mm的小行程氣缸對機(jī)器人進(jìn)行壓下，從而調(diào)節(jié)毛刷的壓下力。通過86系列步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)裝有三個(gè)圓盤刷的運(yùn)動(dòng)梁在機(jī)架上滑動(dòng)進(jìn)行掃刷，通過42系列直流電機(jī)帶動(dòng)圓盤刷轉(zhuǎn)動(dòng)，其中直流電機(jī)采用速比為27的行星減速器進(jìn)行減速增矩。 該機(jī)器人的特點(diǎn)是效率高，清潔效率約為；越障性能好，采用框架結(jié)構(gòu)可以有效避免窗框?qū)C(jī)器人的阻礙；工作半徑大，機(jī)器人靜止時(shí)的工作范圍是 。 關(guān)鍵詞： 玻璃幕墻，清潔，機(jī)器人，真空吸附，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) - I - 本頁為“6畢業(yè)論文Abstract（1頁或2頁）”，點(diǎn)擊菜單“USTB本科論文各部分”中的本部分菜單進(jìn)行相應(yīng)操作。本提示信息為非打印信息，可一直保留，不影響打印。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) Construction Design of a Glass Cleaning Robot Abstract With the development of small machinery and control technology, the robot has gradually come into peoples life. Some works which are high-risk, repetitive and operating environment hostile will be performed by the robot, which replaces human implementation. such as high-altitude operations, high dust content of the work environment, etc.. The advantages of the robot is that the robot can work continuously and the quality of the work is even and so on. So this paper puts forward a kind of robot work plan for the cleaning work of the glass wall which involves aerial work, repetitive work and a lot of dust. This robot is designed by AUTO INVENTOR and AUTO CAD which is used for structural design. And it uses mechanical, pneumatic, electrical and other complex design, so as to meet the requirements of high efficiency and high reliability. Based on the comparison of the commonly used methods of adsorption, the structure and the driving mode of the robot, this paper determined the overall scheme of the glass wall robot. The design of clean glass wall robot is the scope of work of large robot. The robot uses frame combined by 6061 aluminum alloy profile, and the whole body adsorbs on the glass wall by vacuum sucker. Besides, the robot is propelled forward by the 300mm large stroke cylinder. The robot reduces the height by 50 small stroke cylinder, so as to adjust the brush pressure force. By 86 series of step motor drive with three disc brushes moving beam on the frame sliding brush, it uses 42 series DC motor which uses ratio 27 planetary reducer to decelerate and increase the moment to drive the circular disc brush, Key Words： Glass wall， Cleaning， Robot，Vac-sorb， Pneumatic actuator - III - 本頁為“7畢業(yè)論文目錄（1頁或若干頁）”，點(diǎn)擊菜單“USTB本科論文各部分”中的本部分菜單進(jìn)行相應(yīng)操作。本提示信息為非打印信息，可一直保留，不影響打印。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 目 錄 摘 要 I Abstract III 附表清單 VII 插圖清單 VIII 注釋說明清單 IX 1 引 言 1 2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案 2 2.1 吸附方式的比較 2 2.2 載體結(jié)構(gòu)的比較 2 2.3 驅(qū)動(dòng)方式比較 3 2.4 總體方案簡圖 3 2.5 傳感器選擇（氣動(dòng)擦窗機(jī)器人的控制和環(huán)境檢測） 4 3 選擇動(dòng)力裝置 5 3.1 真空吸盤選型(真空吸盤的設(shè)計(jì)及應(yīng)用) 5 3.1.1 真空吸盤吸附原理 5 3.1.2 真空吸盤的吸附能力 5 3.1.3 吸盤安全性驗(yàn)算 8 3.2 真空發(fā)生器選型(http://www.s-ns.com) 8 3.2.1 真空發(fā)生裝置選擇 8 3.2.2 真空發(fā)生器原理 8 3.3 氣泵選型 9 3.4 電動(dòng)機(jī)選型 10 3.4.1 毛刷設(shè)計(jì) 10 3.4.2 運(yùn)動(dòng)梁步進(jìn)電機(jī)選型 10 3.4.3 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 11 3.4.4 毛刷旋轉(zhuǎn)普通電機(jī)選型 14 3.5 減速器選型 16 3.5.1 真空吸盤的切換頻率 16 3.6 結(jié)構(gòu)件選型 17 4 選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu) 18 4.1 推進(jìn)氣缸選型 18 4.2 壓下氣缸選型 21 5 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 25 5.1 圓盤驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì) 25 5.1.1 按轉(zhuǎn)矩估算軸徑 25 5.2 圓盤驅(qū)動(dòng)軸承選型 25 5.2.1 初選軸承型號(hào) 26 5.2.2 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 26 5.2.3 求壽命 26 5.3 帶輪驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì) 26 5.3.1 按轉(zhuǎn)矩估算軸徑 26 5.4 圓盤驅(qū)動(dòng)軸承選型 27 5.4.1 初選軸承型號(hào) 27 5.4.2 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 27 5.4.3 求壽命 27 6 受力分析 28 6.1 框架簡支梁受力分析 28 6.1.1 強(qiáng)度計(jì)算 28 6.1.2 剛度計(jì)算 29 7 重量校合 31 8 結(jié) 論 32 參考文獻(xiàn) 33 附錄A 外文文獻(xiàn)原文 35 附錄B 外文文獻(xiàn)譯文 37 附錄C 39 在學(xué)取得成果 40 致 謝 41 - VI - 本頁為“8畢業(yè)論文圖表清單頁（可選，1頁或若干頁）”，點(diǎn)擊菜單“USTB本科論文各部分”中的本部分菜單進(jìn)行相應(yīng)操作。本提示信息為非打印信息，可一直保留，不影響打印。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 附表清單 表1.1 壁面移動(dòng)機(jī)器人幾種吸附方式的比較 2 表1.2 壁面移動(dòng)機(jī)器人幾種載體結(jié)構(gòu)的比較 2 表2.1 機(jī)器人三種驅(qū)動(dòng)方式比較 3 表3.1 真空發(fā)生器技術(shù)參數(shù)1 8 表3.2 真空發(fā)生器技術(shù)參數(shù)2 9 表3.4 便攜式車載氣泵技術(shù)參數(shù) 10 表3.5 氣缸技術(shù)參數(shù) 11 提示信息：插圖或附表清單并非必要。論文中如圖表較多，可以有此頁。圖的清單應(yīng)有圖號(hào)、圖題名和頁碼。表的清單應(yīng)有表號(hào)、表題名和頁碼。 根據(jù)所列內(nèi)容，可將本頁標(biāo)題分別更改為“插圖清單”、“附表清單”。 此頁并非必要。不用此頁時(shí)，請刪除此頁。 不用此信息時(shí)，刪除此框。 （鼠標(biāo)移到此框四邊，鼠標(biāo)變?yōu)槭旨^，點(diǎn)擊邊框選中此框，然后按Del刪除） 插圖清單 圖2.1 總體驅(qū)動(dòng)方案 3 圖2.2 清洗驅(qū)動(dòng)方案 4 圖2.3 吸盤吸附原理 5 圖2.4 吸盤剖視圖 7 圖2.5 吸盤配管 8 圖2.7 氣缸實(shí)物圖 11 圖2.8 鋁型材截面圖及工藝參數(shù) 13 圖3.1 真空發(fā)生器符號(hào)圖 8 圖3.2 真空發(fā)生器實(shí)物圖 8 圖3.3 便攜式車載氣泵實(shí)物圖 10 圖4.1 機(jī)器人每次向前推進(jìn)爬行時(shí)的受力分析 12 - VIII - 本頁為“9畢業(yè)論文注釋說明清單頁（可選，1頁或若干頁）”，點(diǎn)擊菜單“USTB本科論文各部分”中的本部分菜單進(jìn)行相應(yīng)操作。本提示信息為非打印信息，可一直保留，不影響打印。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 注釋說明清單 提示信息：此頁并非必要。符號(hào)、標(biāo)志、縮略詞、首字母縮寫、計(jì)量單位等的注釋說明，如需匯集，可集中置于此頁。 根據(jù)所列內(nèi)容，將本頁標(biāo)題分別更改為“符號(hào)清單”、“標(biāo)志清單”、“縮寫清單”、“計(jì)量單位清單”等。 不用此信息時(shí)，刪除此框。 此頁并非必要，不用此頁時(shí)，請刪除此頁。 （鼠標(biāo)移到此框四邊，鼠標(biāo)變?yōu)槭旨^，點(diǎn)擊邊框選中此框，然后按Del刪除） - IX - 本頁為“10畢業(yè)論文正文頁（若干頁）”，點(diǎn)擊菜單“USTB本科論文各部分”中的本部分菜單進(jìn)行相應(yīng)操作。本提示信息為非打印信息，可一直保留，不影響打印。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 1 引 言 2015年3月5日，十二屆全國人大三次會(huì)議在人民大會(huì)堂舉行開幕會(huì)，國務(wù)院總理李克強(qiáng)作政府工作報(bào)告上提出“中國制造2025”，這不僅是對我國工業(yè)下一階段發(fā)展的重要指導(dǎo)，也是向世界先進(jìn)水平看齊的重要策略。因此機(jī)器人的發(fā)展必將成為歷史舞臺(tái)的主角，特別是特種機(jī)器人的發(fā)展，將會(huì)更受關(guān)注。 特種機(jī)器人包含一個(gè)重要的領(lǐng)域——生活服務(wù)類機(jī)器人。這也將成為極其重要的一個(gè)研究領(lǐng)域，從某種程度上講，生活服務(wù)類機(jī)器人不僅是一個(gè)國家科技水平的體現(xiàn)，也是人民生活水平的重要決定因素。 隨著建筑水平的提高，玻璃幕墻建筑在我們的現(xiàn)實(shí)生活中越來越多，因?yàn)樗泄怩r亮麗的特點(diǎn)，所以被人們所青睞。但是，玻璃幕墻由于風(fēng)吹日曬雨淋的緣故極容易結(jié)灰塵，因此擦玻璃幕墻機(jī)器人成了很多學(xué)者和企業(yè)研究的對象。 前人在擦玻璃幕墻機(jī)器人方面也做了一些研究，但是大多都受到工作效率低、不能連續(xù)工作，安全性差、容易傷人的限制。因此本文在前人的研究基礎(chǔ)上對擦玻璃幕墻機(jī)器人進(jìn)行了較大的改進(jìn)。基于安全性的考慮，該機(jī)器人采用安全繩懸掛，防止因機(jī)器人意外墜落砸到玻璃幕墻下方的人。基于機(jī)器人本體重量的考慮，該機(jī)器人采用外部供水的方式對玻璃進(jìn)行清洗。基于機(jī)器人工作的連續(xù)性，該機(jī)器人采用外部供電的方式進(jìn)行作業(yè)。因此該機(jī)器人可以在墻面上安全連續(xù)地工作而不需要考慮加水、充電等問題。 本文中設(shè)計(jì)的機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，易于加工、裝配和維修，而且成本低、效率高。其中，機(jī)器人采用鋁合金型材框架，大大減輕了工作重量?？蚣艿耐七M(jìn)采用4個(gè)大行程氣缸同時(shí)推動(dòng)，不僅行進(jìn)速度快而且清潔環(huán)保。同時(shí)框架的壓下也使用氣缸壓下，使得毛刷的壓下力更易于控制。毛刷裝在動(dòng)梁上，與框架和墻壁垂直，動(dòng)梁可以在框架上來回移動(dòng)，使得玻璃清潔的更干凈。 2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案 機(jī)器人的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)方案多種多樣，有連桿式、框架式、箱體式等；執(zhí)行機(jī)構(gòu)也是多種多樣，有電動(dòng)馬達(dá)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓馬達(dá)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，甚至有現(xiàn)在流行的直線電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。本節(jié)通過對常用設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，確定本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人的總體方案。 2.1 吸附方式的比較 表2. 1 壁面移動(dòng)機(jī)器人幾種吸附方式的比較[1] 吸附方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 真空吸附 單吸盤 易實(shí)現(xiàn)小型化，輕量化，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制。 要求壁面有一定的平滑度，越障能力低，對于復(fù)雜壁面不適應(yīng)，遇到縫隙或凹凸面，負(fù)壓難以維持。 多吸盤 吸盤尺寸小，密封性較好，吸盤吸附穩(wěn)定可靠，越障能力和帶負(fù)載能力均較強(qiáng)。 吸盤增多會(huì)使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，控制難度增加。 磁吸附 永磁體 能產(chǎn)生較大的吸附力，不受壁面凹凸或縫隙的限制，不消耗電能，不受斷電的影響。 只能在導(dǎo)磁壁面上爬行，步行時(shí)磁體與壁面難脫離。 電磁體 能產(chǎn)生較大的吸附力，不受壁面凹凸或縫隙的限制，控制較方便。 只能在導(dǎo)磁壁面上爬行，維持吸附力需要耗能，電磁體本身很重。 推力吸附 對壁面形狀材料適應(yīng)能力強(qiáng)。 負(fù)載小，難控制，噪聲大，體積大，效率低。 綜合以上，選擇多吸盤真空吸附式機(jī)器人。 2.2 載體結(jié)構(gòu)的比較 表2. 2 壁面移動(dòng)機(jī)器人幾種載體結(jié)構(gòu)的比較[1] 載體類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 車輪式 移動(dòng)速度快，行走控制簡單 著地面積小，維持吸附力比較困難 履帶式 對壁面適應(yīng)能力強(qiáng)，著地面積大 體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)彎較為困難，重量較大 腳步式 對壁而適應(yīng)能力強(qiáng)，越障能力和帶負(fù)載能力均較強(qiáng) 移動(dòng)速度慢，動(dòng)作有間歇性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大 框架式 結(jié)構(gòu)簡單，剛性較好，控制方便，越障能力和帶載能力均較強(qiáng) 移動(dòng)速度慢，有間歇性 綜合以上，選擇框架式結(jié)構(gòu)。 2.3 驅(qū)動(dòng)方式比較 表2. 3 機(jī)器人三種驅(qū)動(dòng)方式比較 特點(diǎn) 液壓傳動(dòng) 氣壓傳動(dòng) 電機(jī)傳動(dòng) 結(jié)構(gòu)重量 輕 重 一般 控制距離 中短 短 不限 信號(hào)轉(zhuǎn)換 容易 較難 很容易 技術(shù)成熟性 好 好 好 構(gòu)造難度 方便 一般 一般 負(fù)載能力 一般 較大 較大 可靠性 好 好 好 可控性 一般 好 好 綜合以上，選擇氣壓傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。 2.4 總體方案簡圖 綜合以上方案比較，機(jī)器人的總體驅(qū)動(dòng)方案簡圖如下： 1 2 3 4 5 6 7 圖2.1 總體驅(qū)動(dòng)方案 1—清洗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)梁 2—同步帶輪 3—壓下機(jī)構(gòu) 4—滑塊 5—吸盤固定板 6—吸盤 7—步進(jìn)電機(jī) 1 2 3 4 圖2.2 清洗驅(qū)動(dòng)方案 1—電機(jī) 2—諧波減速器 3—聯(lián)軸器 4—清洗圓盤刷 3 選擇動(dòng)力裝置 3.1 真空吸盤選型(真空吸盤的設(shè)計(jì)及應(yīng)用) 3.1.1 真空吸盤吸附原理 真空吸附裝置是依靠真空源產(chǎn)生的真空吸力來對物體進(jìn)行起吊、搬運(yùn)及夾持的一種省力機(jī)械。和機(jī)械、電磁起吊裝置相比，具有以下特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡單、成本低；(2)安裝方便、操作容易，(3)維修費(fèi)用少；(4)不損傷工件；(5)吸附、放開工件迅速，(6)工件材料的種類不限，(7)最大吸附力有限，(8)難以得到準(zhǔn)確的位置精度。真空吸盤是真空吸附裝置的執(zhí)行元件，它將真空能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。真空吸盤設(shè)計(jì)的合理程度直接影響著真空吸附裝置的工作性能。根據(jù)不同的應(yīng)用場合，有效地選擇、設(shè)計(jì)真空吸盤是成功地應(yīng)用真空吸附技術(shù)的關(guān)鍵之一。 圖2.3 吸盤吸附原理 3.1.2 真空吸盤的吸附能力 根據(jù)實(shí)際情況，真空吸盤最大真空度取-0.08Mpa，由于工作表面是玻璃，工作過程中取摩擦系數(shù)為【8真空吸附式壁面清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究_田靜眉】 (3- 1) 真空吸附技術(shù)是以大氣壓為作用力。在吸盤與工件形成的密閉容積內(nèi)(圖1所示)，通過真空源抽出一定量的氣體分于來使壓力降低，使吸盤的內(nèi)外形成壓力差。在這個(gè)壓力差的作用下把吸盤壓向工件，從而把工件吸起。吸盤所產(chǎn)生的吸附力為： (3- 2) 式中：—吸附力，； —吸盤內(nèi)真空度(相對壓力)，； —吸盤的有效吸附面積，； —安全系數(shù)。 通常取吸盤的有效吸附面積為吸盤面積的80%左右，真空度取最大值的90%左右。安全系數(shù)隨使用條件而異，水平吸附時(shí)取，垂直吸附時(shí)取。安全系數(shù)除上述條件外，還應(yīng)考慮以下因素：(1)工件吸附表面的粗糙度；(2)工件表面是否有油份附著；(3)工件移動(dòng)的加速度，(4)工件重心與吸附力作用線是否重合；(6)工件的材料。要根據(jù)實(shí)際情況再增加1-2倍。 由于該機(jī)器人要求的最大工作質(zhì)量是，機(jī)器人本體的質(zhì)量預(yù)估是，故則該機(jī)器人工作時(shí)的總質(zhì)量為，總重力是，依據(jù)圖2.1，爬行時(shí)，最少只有4條腿（20個(gè)吸盤）處于工作狀態(tài)，記單個(gè)吸盤與墻壁的摩擦力為，故 (3- 3) 摩擦力 (3- 4) 真空度 (3- 5) 由式(3- 6) 吸盤有效面積 吸盤面積 吸盤直徑 因此，選取SMC公司的丁睛橡膠吸盤ZPT125HNA16，其剖視圖和配管分別是圖2.5和圖2.6。 圖4.4 吸盤剖視圖 圖4.5 吸盤配管 3.1.3 吸盤安全性驗(yàn)算 由《第五章 玻璃的力學(xué)性能》得玻璃強(qiáng)度，取玻璃強(qiáng)度為，吸盤面積為，玻璃可以承受的最大吸盤力，故此時(shí)玻璃足夠安全。 3.2 真空發(fā)生器選型(http://www.s-ns.com) 3.2.1 真空發(fā)生裝置選擇 真空發(fā)生裝置一般有兩種：真空泵和真空發(fā)生器。真空發(fā)生器和真空泵有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安裝維修方便、真空產(chǎn)生解除快的優(yōu)點(diǎn)，但消耗功率大，要不間斷的供應(yīng)壓縮空氣。由于本機(jī)器人是全氣動(dòng)的，必須有一個(gè)連續(xù)供氣的氣源，從各個(gè)方面綜合考慮選擇真空發(fā)生器作為真空發(fā)生裝置。 3.2.2 真空發(fā)生器原理 真空發(fā)生器是利用文丘利原理工作的，它利用空氣射流的卷吸現(xiàn)象，在噴管兩端壓差高于定值后，噴射管射出高速射流，將擴(kuò)散腔的氣體抽走，使該腔形成很低的真空度。在吸附口裝上吸盤就可以形成一定的吸力而工作。圖3.1所示為真空發(fā)生器符號(hào)圖，P為進(jìn)氣口，右側(cè)為出氣口，V為真空口。高速氣流從P口入右側(cè)口出，將擴(kuò)散腔V中的氣體抽走，使V中形成一定的真空度。 圖3.1 真空發(fā)生器符號(hào)圖 根據(jù)技術(shù)參數(shù)見表3.1，真空發(fā)生器選擇SMC公司的ZH系列盒式標(biāo)準(zhǔn)型真空發(fā)生器ZH07BS-06-06，其中供氣口和真空口的直徑均為，節(jié)流口的直徑為0.7mm，真空度為-88kPa，質(zhì)量28g。其實(shí)物圖見圖3.2。 圖3.2 真空發(fā)生器實(shí)物圖 表3.1 真空發(fā)生器技術(shù)參數(shù)1 3.3 氣泵選型 （https://detail.tmall.com/item.htm?id=19528816429&ali_refid=a3_430583_1006:1104582329:N:%E6%B0%94%E6%B3%B5%E8%BD%A6%E7%94%A8:b8b5c499930228b0550bc0469302c749&ali_trackid=1_b8b5c499930228b0550bc0469302c749&spm=a230r.1.14.1.k0QAhQ） 由于選取的真空發(fā)生器入口壓力為0.5MPa，氣缸由于其工作壓力較小（0.4~0.6MPa）(《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊氣壓傳動(dòng)與控制》p112)，故選用如圖3.3所示的便攜式車載氣泵，表3.4為其技術(shù)參數(shù)表。由于 ，該泵的壓力是0.9653MPa，約為1MPa，符合使用要求。 圖3.3 便攜式車載氣泵實(shí)物圖 表3.2 便攜式車載氣泵技術(shù)參數(shù) 3.4 電動(dòng)機(jī)選型 3.4.1 毛刷設(shè)計(jì) 毛刷的設(shè)計(jì)直徑為，機(jī)器人工作過程中共使用3個(gè)毛刷，其與玻璃接觸的總面積為。 3.4.2 運(yùn)動(dòng)梁步進(jìn)電機(jī)選型 取清洗毛刷與玻璃的動(dòng)摩擦系數(shù)【機(jī)器人壁面自動(dòng)清洗系統(tǒng)的工程研究_張海洪】，考慮到滑動(dòng)導(dǎo)軌采用鋁合金材料，并采取潤滑措施，故取其摩擦系數(shù)【各種材料摩擦系數(shù)表】。根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)推算，清洗毛刷與玻璃的正壓力和滑動(dòng)導(dǎo)軌上的正壓力為?！静┦空撐摹? 故清洗毛刷與玻璃的摩擦力 （5- 1） 滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦力 （5- 2） 工作機(jī)受到的總阻力 電動(dòng)機(jī)功率 ——工作機(jī)實(shí)際需要的電動(dòng)機(jī)輸出功率，; ——工作機(jī)需要的輸入功率，; ——電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)之間傳動(dòng)裝置的總效率。 由于工作機(jī)采用2級同步帶傳動(dòng)，同步帶傳動(dòng)效率【同步帶傳動(dòng)_百度百科】，故 ——工作機(jī)阻力，; ——工作機(jī)線速度，; ——工作機(jī)的效率。 取， 3.4.3 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 計(jì)算項(xiàng)目 代號(hào) 公式及數(shù)據(jù) 單位 說明 設(shè)計(jì)功率 取 帶型 由于，選擇帶輪轉(zhuǎn)速 ，故選擇L型帶。 節(jié)距 9.525 帶速 帶輪節(jié)徑 ，取 傳動(dòng)比為1，， 帶輪齒數(shù) ，取 節(jié)線長 ，取 ——初定中心距（），取 ， ——取括號(hào)內(nèi)的整數(shù)部分 故一條帶即可滿足設(shè)計(jì)要求。 查表得基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作拉力， 單位長度的重量 故電機(jī)的阻力矩。 根據(jù)圖3-4，選擇中國米思米公司86系列HSTM86型保持力矩為步進(jìn)電機(jī)，重量1.7kg。 注： 圖3.4 電機(jī)參數(shù)1 圖3.5 毛刷受力分析1 3.4.4 毛刷旋轉(zhuǎn)普通電機(jī)選型 圖3.6 毛刷受力分析2 每個(gè)毛刷受到玻璃的摩擦阻力所產(chǎn)生的阻力矩為 其中R為圓盤毛刷的半徑 故 每個(gè)工作機(jī)功率 ——工作機(jī)阻力矩，; ——工作機(jī)轉(zhuǎn)速，; ——工作機(jī)的效率。 取， 每個(gè)電動(dòng)機(jī)功率 ——工作機(jī)實(shí)際需要的電動(dòng)機(jī)輸出功率，; ——工作機(jī)需要的輸入功率，; ——電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)之間傳動(dòng)裝置的總效率。 由于工作機(jī)最多采用2級同步帶傳動(dòng)，同步帶傳動(dòng)效率【同步帶傳動(dòng)_百度百科】，故 根據(jù)圖3-7，選擇中國米思米公司42系列FBLM42型52.5W無刷直流電機(jī)，重0.45kg。 圖3.7 電機(jī)參數(shù)2 3.5 減速器選型 選擇普菲德數(shù)控公司的SEN SUDRIVE 42行星減速機(jī)，減速比27：1。https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a220o.1000855.1998025129.1.KtoNZ7&id=40878818063&pvid=0e473e96-c5a6-4f67-aef4-0e0f24478098&abbucket=_AB-M32_B15&acm=03054.1003.1.587829&aldid=fyLpw8rI&abtest=_AB-LR32-PR32&scm=1007.12559.21524.100200300000000&pos=1 https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a220o.1000855.0.0.sCXJRl&id=521020539909&rn=c070de9b70e07c78c01e0c0d0a6e0d9a&abbucket=14 https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a220o.1000855.0.0.sCXJRl&id=40864331500&rn=a207f17d153b5d2105c776ada3da5ef1&abbucket=14 3.5.1 真空吸盤的切換頻率 對于固定的吸盤容積，其內(nèi)真空達(dá)到所需值的時(shí)間t1和解除真空的時(shí)間t2之和，稱為該吸盤的切換周期。切換周期的倒數(shù)稱為吸盤的切換頻率。切換頻率的大小反映了吸盤的動(dòng)作快慢程度，在實(shí)際工作中，需滿足機(jī)器的整個(gè)工作循環(huán)時(shí)間對該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求。 真空形成時(shí)間t1受兩個(gè)因素的影響：(1)真空源本身的抽吸能力；(2)管道對氣流的阻礙作用。 對于真空發(fā)生器，則 (3) 式中， V—真空系統(tǒng)的容積，(L)； C—由真空度而定的常數(shù)， α—真空發(fā)生器的型式指數(shù)。 其中C、α是生產(chǎn)廠家給定的參數(shù)，在真空發(fā)生器的產(chǎn)品樣本或說明書中可以查到。 3.6 結(jié)構(gòu)件選型 圖4.6 鋁型材截面圖及工藝參數(shù) 結(jié)構(gòu)件選擇上海澳宏金屬制品有限公司的鋁型材。 4 選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu) 4.1 推進(jìn)氣缸選型 （http://www.smc.com.cn/cnnew/index.aspx?Htype=In） 圖4.7 機(jī)器人每次向前推進(jìn)爬行時(shí)的受力分析 假設(shè)機(jī)器人每次向前推進(jìn)爬行時(shí)作初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，則初速度，由于機(jī)器人要求的工作速度范圍是，取最大值作為勻加速直線運(yùn)動(dòng)的末速度，則末速度為 。機(jī)器人每次向前推進(jìn)爬行的設(shè)計(jì)行程是 ，由 （4-1） 機(jī)器人向前推進(jìn)爬行時(shí)，在豎直方向爬行時(shí)，所需推動(dòng)力最大，記最大推動(dòng)力為F，虛加慣性力為 ，氣缸導(dǎo)向?qū)к壸枇椋渲惺菣C(jī)器人向前推進(jìn)爬行時(shí)氣缸導(dǎo)向?qū)к壴诖怪庇诒诿娣较蛏系恼龎毫?，由于此時(shí)清潔毛刷不工作，故此時(shí)正壓力可忽略不計(jì)。由達(dá)朗貝爾原理可得 （4-2） 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊氣壓傳動(dòng)與控制》p101，選用雙作用氣缸， 其中D—活塞直徑（m） d—活塞桿直徑（m） p—?dú)飧坠ぷ鲏毫Γ≒a） Fz—?dú)飧坠ぷ鲿r(shí)的工作總阻力（N） 氣缸工作時(shí)的總阻力Fz與眾多因素有關(guān)，如運(yùn)行部件慣性力、背壓阻力、密封處的摩擦力等。以上因素可以用載荷率 計(jì)入公式。則氣缸的靜推力F1和靜拉力F2為 （4-3） （4-4） 由圖4.1機(jī)器人每次向前推進(jìn)爬行時(shí)的受力分析可得 （4-5） 由于該機(jī)器人的氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運(yùn)動(dòng)，其載荷率可取。此處取。 當(dāng)推力做功時(shí) （4-6） 當(dāng)拉力做功時(shí) （4-7） 用式(4-7)計(jì)算時(shí)，活塞桿直徑d可根據(jù)氣缸拉力預(yù)先估定。估定活塞桿直徑可用計(jì)算。將代入式（4-7），則可得 （4-8） 由式(4-3)，(4-4)，(4-5)，(4-8)可得 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊氣壓傳動(dòng)與控制》p112，取氣缸工作壓力p=0.5MPa，由式(4-6)，(4-7)可得 因此，根據(jù)表4.1的標(biāo)準(zhǔn)氣缸參數(shù)圓整后，取。故驅(qū)動(dòng)氣缸選擇SMC公司CM2系列帶磁性開關(guān)的單桿雙作用標(biāo)準(zhǔn)型氣缸CDM2L32-300 Z- V-M9BW2，其中驅(qū)動(dòng)氣缸選擇帶2個(gè)磁性開關(guān)，缸徑32mm，根據(jù)表4.2確定行程為300mm，安裝形式選擇圖4.8紅色箭頭所指，桿端外螺紋，桿端支件選擇單肘節(jié)。根據(jù)表4.3確定單個(gè)氣缸的質(zhì)量 根據(jù)圖4.9和表4.4可得氣缸的管接口是1/8管螺紋。 4.2 壓下氣缸選型 根據(jù)前述設(shè)計(jì)，機(jī)器人工作時(shí)的極限壓下力為， 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊氣壓傳動(dòng)與控制》p101，選用雙作用氣缸， 其中D—活塞直徑（m） d—活塞桿直徑（m） p—?dú)飧坠ぷ鲏毫Γ≒a） Fz—?dú)飧坠ぷ鲿r(shí)的工作總阻力（N） 氣缸工作時(shí)的總阻力Fz與眾多因素有關(guān)，如運(yùn)行部件慣性力、背壓阻力、密封處的摩擦力等。以上因素可以用載荷率 計(jì)入公式。氣缸壓下使用氣缸的靜拉力F2，故 （4-9） 由于該機(jī)器人的氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運(yùn)動(dòng)，其載荷率可取。此處取。 當(dāng)拉力做功時(shí) （4-10） 用式(4-7)計(jì)算時(shí)，活塞桿直徑d可根據(jù)氣缸拉力預(yù)先估定。估定活塞桿直徑可用計(jì)算。將代入式（4-7），由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊氣壓傳動(dòng)與控制》p112，取氣缸工作壓力p=0.5MPa，則可得 （4-11） 因此，根據(jù)表4.1的標(biāo)準(zhǔn)氣缸參數(shù)圓整后，取。故驅(qū)動(dòng)氣缸選擇SMC公司CM2系列帶磁性開關(guān)的單桿雙作用標(biāo)準(zhǔn)型氣缸CDM2L40-25 Z- V-M9BW2，其中驅(qū)動(dòng)氣缸選擇帶2個(gè)磁性開關(guān)，缸徑，根據(jù)表4.2確定行程為，安裝形式選擇圖4.8紅色箭頭所指，桿端外螺紋，桿端支件選擇單肘節(jié)。根據(jù)表4.3確定單個(gè)氣缸的質(zhì)量 根據(jù)圖4.9和表4.4可得氣缸的管接口是1/8管螺紋。 圖4.8 氣缸實(shí)物圖 表4.1 氣缸技術(shù)參數(shù)1 表4.2 氣缸技術(shù)參數(shù)2 表4.3 氣缸技術(shù)參數(shù)3 圖4.9 氣缸外形圖 表4.4 氣缸外形參數(shù) 5 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 5.1 圓盤驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì) 5.1.1 按轉(zhuǎn)矩估算軸徑 該軸設(shè)計(jì)為實(shí)心軸，則，其中軸傳遞的額定轉(zhuǎn)矩，軸傳遞的額定功率，軸的轉(zhuǎn)速， 選擇鍛鋁6A02作材料，鋁合金以屈服極限為基準(zhǔn)，除以安全系數(shù)后得許用應(yīng)力，即，許用切應(yīng)力?！景俣劝倏啤S用應(yīng)力】查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得鍛鋁的，取，，則取軸的許用切應(yīng)力。 故圓盤驅(qū)動(dòng)軸軸徑，取。 鍛鋁6A02力學(xué)性能： 抗拉強(qiáng)度 條件屈服強(qiáng)度 伸長率 注：棒材室溫縱向力學(xué)性能試樣尺寸 棒材直徑(方棒、六角棒內(nèi)切圓直徑)≤25。 （http://www.baogub2b.com/sell/201603/04/1471648.html） 5.2 圓盤驅(qū)動(dòng)軸承選型 5.2.1 初選軸承型號(hào) 由于該處軸承承受軸向中載荷和徑向輕載荷聯(lián)合載荷，故初步選擇70000AC型軸承，其主要數(shù)據(jù)如下： 。 5.2.2 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 取毛刷的壓下力為軸承軸向載荷，，徑向載荷，查表9-7【機(jī)械設(shè)計(jì)教程】，取。由于，查得，由下式計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 5.2.3 求壽命 由于毛刷運(yùn)行載荷平穩(wěn)，查表9-6故取。工作溫度在以下，查表9-5，取。對于球軸承，于是 故該軸承可使用約529年。 5.3 帶輪驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì) 5.3.1 按轉(zhuǎn)矩估算軸徑 該軸設(shè)計(jì)為實(shí)心軸，則，其中軸傳遞的額定轉(zhuǎn)矩，選擇鍛鋁6A02作材料，鋁合金以屈服極限為基準(zhǔn)，除以安全系數(shù)后得許用應(yīng)力，即，許用切應(yīng)力。【百度百科——許用應(yīng)力】查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得鍛鋁的，取，，則取軸的許用切應(yīng)力。 故帶輪驅(qū)動(dòng)軸軸徑，取。 鍛鋁6A02力學(xué)性能： 抗拉強(qiáng)度 條件屈服強(qiáng)度 伸長率 注：棒材室溫縱向力學(xué)性能試樣尺寸 棒材直徑(方棒、六角棒內(nèi)切圓直徑)≤25。 （http://www.baogub2b.com/sell/201603/04/1471648.html） 5.4 圓盤驅(qū)動(dòng)軸承選型 5.4.1 初選軸承型號(hào) 由于該處軸承主要承受徑向輕載荷，故初步選擇61800型球軸承，其主要數(shù)據(jù)如下： 。 5.4.2 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 由于軸承軸向載荷，取帶傳動(dòng)的預(yù)緊力為徑向載荷，，，查表9-7【機(jī)械設(shè)計(jì)教程】，取。由于，查得，由下式計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 5.4.3 求壽命 由于機(jī)器人運(yùn)行有中等慣性力，查表9-6故取。工作溫度在以下，查表9-5，取。對于球軸承，于是 故該軸承可使用約1.25年。 6 受力分析 6.1 框架簡支梁受力分析 6.1.1 強(qiáng)度計(jì)算 假設(shè)機(jī)器人工作時(shí)，玻璃對毛刷的極限壓力，則根據(jù)彎矩圖6-1得出毛刷運(yùn)動(dòng)到梁的中點(diǎn)時(shí)彎矩最大，記梁總長為，且 ， ， 故 ， 查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，硬鋁2A11的抗拉強(qiáng)度為370MPa，顯然，滿足強(qiáng)度要求。 圖6. 1 6.1.2 剛度計(jì)算 ， 撓度 7 重量校合 8 結(jié) 論 提示信息：論文應(yīng)有結(jié)論。論文的結(jié)論是最終的、總體的結(jié)論，不是正文中各段的小結(jié)的簡單重復(fù)。 結(jié)論應(yīng)包括論文的核心觀點(diǎn)，列出論文的創(chuàng)新之處，交待研究工作的局限，提出未來研究工作的意見或建議。 結(jié)論應(yīng)該觀點(diǎn)明確、嚴(yán)謹(jǐn)、完整、準(zhǔn)確、精煉。文字必須簡明扼要。如果不可能導(dǎo)出應(yīng)有的結(jié)論，也可以沒有結(jié)論而進(jìn)行必要的討論。 結(jié)論是論文的“收尾之筆”，應(yīng)是“點(diǎn)睛之筆”，應(yīng)認(rèn)真闡明本人在科研工作中創(chuàng)造性的成果和新見解，在本領(lǐng)域中的地位和作用，新見解的意義。結(jié)論中不要簡單重復(fù)羅列實(shí)驗(yàn)結(jié)果，要對存在的問題和不足作出客觀的敘述，并提出進(jìn)一步的設(shè)想。應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分自己的成果與他人（特別是導(dǎo)師的）科研成果的界限。 不用此信息時(shí)，刪除此框。 （鼠標(biāo)移到此框四邊，鼠標(biāo)變?yōu)槭旨^，點(diǎn)擊邊框選中此框，然后按Del刪除） - 41 - 本頁為“11畢業(yè)論文文獻(xiàn)列表頁（若干頁）”，點(diǎn)擊菜單“USTB本科論文各部分”中的本部分菜單進(jìn)行相應(yīng)操作。本提示信息為非打印信息，可一直保留，不影響打印。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 參考文獻(xiàn) [1] 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