家用清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、目錄摘要 1第一章前言1.1 題目要求 31.2 國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品研究狀況 41.2.1 國(guó)外產(chǎn)品研究狀況 41.2.2 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 91.2.3 自主充電技術(shù)研究現(xiàn)狀 101.3 研究的目的和意義 111.4 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn) 11 第二章家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 2.1 傳感技術(shù) 122.2 路徑規(guī)劃技術(shù) 122.3 吸塵技術(shù) 122.4 電源技術(shù) 13 第三章清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理 133.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成 143.1.2 工作原理 163.2 清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 173.2.1 機(jī)器人外形設(shè)計(jì) 173.2.2 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 183.2.3 清掃機(jī)

2、構(gòu)的設(shè)計(jì) 183.2.4 吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 213.2.5 垃圾收集處理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 22第四章具體計(jì)算4.1 電機(jī)選擇 244.2 蝸輪蝸桿的選擇 254.3 清掃機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇 264.4 家用清掃機(jī)器人電池的選用 264.5 清掃機(jī)構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計(jì)算 274.6 清掃機(jī)構(gòu)中渦輪軸的校核 28第五章總結(jié)和展望5.1 發(fā)展趨勢(shì) 305.1.1 高度智能化 305.1.2 功能擴(kuò)展 305.1.3 低成本化 305.2 展望 30參考文獻(xiàn) 31致謝 32附錄 33外文文獻(xiàn) 33中文翻譯 401摘要摘要在即將進(jìn)入的 21 世紀(jì),隨著藍(lán)天工程的提出,世界各國(guó)已經(jīng)將清潔環(huán)保工作提到了相當(dāng)重要的位置。

3、在這樣的大背景下,推動(dòng)了中國(guó)新一批的清潔工業(yè)的迅猛發(fā)展,現(xiàn)如今,不同種類的新產(chǎn)品在不斷的推出,相關(guān)的新設(shè)備和新機(jī)器也在不斷的進(jìn)行著更新,至深入人們的日常食物,衣物,住宿和出行中?，F(xiàn)如今,人們的物質(zhì)生活水平已經(jīng)得到了很大程度上的提高,生活質(zhì)量也在提升。接下來人們關(guān)注的是環(huán)境的舒適性,服務(wù)行業(yè)里在人們生活中的支出占比已經(jīng)形成了指數(shù)形式提升,同時(shí)服務(wù)行業(yè)中的清潔行業(yè)更是成為了當(dāng)今經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。它為當(dāng)今環(huán)保事業(yè)做出的貢獻(xiàn)不容小覷。清潔機(jī)器人,它涉及到機(jī)械、電子和計(jì)算機(jī)和其他相關(guān)知識(shí),清潔機(jī)器人在某種程度上他是科研工作者智慧的結(jié)晶,同時(shí)他也是高科技的一種體現(xiàn)。,不僅可以模仿人體動(dòng)作,還能將移動(dòng)技術(shù)

4、和清潔技術(shù)融為一體。在某種程度上節(jié)約了大量的人力、物力,尤其買環(huán)境惡劣復(fù)雜的場(chǎng)合能夠替代人類。近些年,智能機(jī)器人已經(jīng)成為大家研究的重點(diǎn)方向了,尤其是現(xiàn)代家用電器的課題研究,已經(jīng)將智能機(jī)器人推到了風(fēng)口浪尖,這種轟動(dòng)效應(yīng)是社會(huì)不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展的結(jié)晶。服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)滲到我們的生活、工作和經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面,并發(fā)揮了很重要的作用。我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的發(fā)展程度在某種程度上上和機(jī)器人等相關(guān)的智能化產(chǎn)業(yè)的技術(shù)研究以及發(fā)展有著很大的關(guān)系。在服務(wù)性質(zhì)的機(jī)器人領(lǐng)域,清潔型的機(jī)器人研究一直都是一個(gè)比較熱門的研究方向。接下來本文將會(huì)提出一種全方位多角度的地面掃地機(jī)器人,主要用于清潔狹窄的空間,比如說,在辦公室中,甚

5、至是在普通家庭中,我們實(shí)施此種方式的目的就是讓大家進(jìn)一步了解機(jī)器人的重要性,機(jī)器人在服務(wù)行業(yè)中起到的價(jià)值。通過對(duì)現(xiàn)在市面上存在的家庭型智能清潔機(jī)器人的研究,在其已有的機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析,并同時(shí)對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人進(jìn)行功能優(yōu)化。讓讀者和使用者了解一個(gè)信息就是機(jī)器人將會(huì)在未來的服務(wù)行業(yè)里起著很重要的作用。同時(shí)也讓大家意識(shí)到機(jī)器人對(duì)社會(huì)發(fā)展的必要性。此次調(diào)研同時(shí)對(duì)機(jī)器人行業(yè)的現(xiàn)在所處狀態(tài)和發(fā)展過程中的重要影響因素進(jìn)行了深入研究及探討,同時(shí)對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域有著一定的理解。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：服務(wù)機(jī)器人，清潔機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)原理，清潔方式。2第一章第一章 前言前言1.11.1 題目要求題目要求 21 世紀(jì)的時(shí)代

6、背景下,科學(xué)技術(shù)有了突破性的進(jìn)步,人工智能科學(xué)水平也走了很大程度的提升。同期,計(jì)算機(jī)應(yīng)用的熟練程度也取得了諸世的成就。很顯然智能清潔機(jī)器人已經(jīng)成了智能技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題了。在這些領(lǐng)域當(dāng)中,服務(wù)型的智能機(jī)器人已經(jīng)成了應(yīng)用領(lǐng)域的開辟者,接下來要講的三大現(xiàn)狀是服務(wù)型機(jī)器人出現(xiàn)的重要原因:1.隨著社會(huì)的進(jìn)步,人工服務(wù)的成本在不斷的增加。2.人們對(duì)于重復(fù)性的勞動(dòng)已經(jīng)厭倦了,比如說照顧病倒在床上的病人、做家務(wù)等一些重復(fù)性勞動(dòng)。3.在中國(guó)這樣一個(gè)地大人多的國(guó)家,人口老齡化問題日益嚴(yán)重與之對(duì)應(yīng)的社會(huì)福利待遇體系也在不斷的完善,這在某種程度上也為機(jī)器人的研究和發(fā)展提供了方便和廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。服務(wù)性質(zhì)的機(jī)器人

7、有一個(gè)很大的特征就是,它是一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng),此系統(tǒng)包括特定的方法、某種特定的環(huán)境下執(zhí)行某個(gè)任務(wù)的過程。它有著一定程度的移動(dòng)性在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下。故此,移動(dòng)型機(jī)器人成為了市場(chǎng)的主導(dǎo)者。 家庭移動(dòng)自動(dòng)清潔服務(wù)機(jī)器人是一個(gè)多學(xué)科集合的產(chǎn)物,它包括傳感器的應(yīng)用技術(shù)、人工智能方面的研究、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)作用、整個(gè)集成電路的應(yīng)用技術(shù)等。智能移動(dòng)型自動(dòng)清潔型機(jī)器人是整個(gè)智能機(jī)器人的先驅(qū)者,早在 20世紀(jì) 80 年代就已經(jīng)被眾人所研究。家庭型的清潔服務(wù)機(jī)器人的迅速發(fā)展得益于吸塵器機(jī)器人的研究。吸塵器智能機(jī)器人的研究在很大程度上對(duì)傳感器技術(shù)的發(fā)展、圖像和語音識(shí)別之間的轉(zhuǎn)化、移動(dòng)機(jī)器人方面有很大的推動(dòng)作用。就是在這

8、樣的大環(huán)境下,我提出了此文,也就是對(duì)家庭型清掃機(jī)器人課題的研究。設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)器人的過程中對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行了定義：該機(jī)器人采用的運(yùn)動(dòng)方式：滾輪式工作時(shí)最高運(yùn)行速度：0.5ms高度:100mm寬度:400mm此種機(jī)器人工作時(shí)采用的清潔方式:清掃、對(duì)地面進(jìn)行吸塵一次充電連續(xù)工作時(shí)間： 0.8 小時(shí)其具有一定的路徑記憶功能能夠很大程度上對(duì)障礙物進(jìn)行躲避另外一旦自身電量不足可以實(shí)現(xiàn)自充電操作。3 1.21.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究 智能化移動(dòng)型機(jī)器人真正意義上的先驅(qū)者其實(shí)是地面清潔型機(jī)器人,其實(shí)早在 20 世紀(jì) 80 年代已經(jīng)有技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)其進(jìn)行了研究。到目前為止,一些概念性的智能機(jī)器人產(chǎn)

9、品已經(jīng)被小批量的生產(chǎn)出來了。家庭型的清潔服務(wù)機(jī)器人的迅速發(fā)展得益于吸塵器機(jī)器人的研究。吸塵器智能機(jī)器人的研究在很大程度上對(duì)傳感器技術(shù)的發(fā)展、圖像和語音識(shí)別之間的轉(zhuǎn)化、移動(dòng)機(jī)器人方面有很大的推動(dòng)作用。接下來我對(duì)清潔型智能機(jī)器人自身的特點(diǎn)以及在當(dāng)今技術(shù)發(fā)展下他的研究現(xiàn)狀和獨(dú)立充電技術(shù)進(jìn)行以下描述:1.2.11.2.1 國(guó)外產(chǎn)品研究狀況國(guó)外產(chǎn)品研究狀況 智能機(jī)器人想必大家都聽說過,你可能不會(huì)太陌生,但我們對(duì)家庭機(jī)器人了解的卻非常的少,但是,在一些發(fā)達(dá)國(guó)家,比如說歐美和其他國(guó)家,他們對(duì)于機(jī)器人的研究是相當(dāng)?shù)南冗M(jìn),他們可以很成熟的讓機(jī)器人進(jìn)行服務(wù)于人類,將智能化機(jī)器人的技術(shù)很熟練的應(yīng)用在了現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中。

10、另外還有很大一部分在市場(chǎng)上已經(jīng)投放,并在實(shí)際生活中予以應(yīng)用。世界上有一臺(tái)這樣的智能化機(jī)器人,他是一種智慧的結(jié)晶,他可以完成復(fù)雜環(huán)境中的大部分家庭地面清潔工作,它是世界首臺(tái),后來大家以 RC3000 智能清潔型機(jī)器人稱呼它。如圖 1-3 所示,它靠?jī)?nèi)置芯片以及光電傳感器的控制,在遇到某一障礙物時(shí)影響其正常運(yùn)動(dòng)軌跡后會(huì)改變一定的夾角,進(jìn)一步繼續(xù)移動(dòng),每次遇到障礙物機(jī)器人都會(huì)以這樣的夾角來移動(dòng),這樣他可以很大程度上躲開障礙物的影響另外此款機(jī)器人可以根據(jù)不同的周圍環(huán)境進(jìn)行不同清潔程序的選擇,這樣可以很大程度上將臟污地面進(jìn)行清潔干凈。因?yàn)檫@款智能機(jī)器人有著多達(dá)四種清潔程序的服務(wù)性質(zhì)的機(jī)器人。其整個(gè)運(yùn)行原

11、理為當(dāng)遇到不同程度臟污的地面時(shí),可以調(diào)整其不同情況下的清潔程序,另外內(nèi)部設(shè)置有光敏傳感器,其存在的意義在于當(dāng)智能機(jī)器人移動(dòng)過程中遇到像樓梯和臺(tái)階這樣的障礙物時(shí)能夠很大程度上的進(jìn)行避讓以至于正常進(jìn)行工作。另外此款機(jī)器人的外觀設(shè)計(jì)也是十分的人性化,外形為扁平狀的機(jī)身,這樣設(shè)計(jì)的目的是能夠?qū)⒉鑾住⑸嘲l(fā)、床等物品下部的狹小空間予以清理。另外再此種機(jī)器人的充電站有五中功能,包括充電、垃圾的清理.、不同工作模式合理選擇、工作時(shí)間的設(shè)定以及自帶紅外線發(fā)射功能。充電站的工作原理為不停的發(fā)射紅外線并通過導(dǎo)航信號(hào)予以補(bǔ)充進(jìn)行對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)指示充電和自動(dòng)完成充電功能和垃圾處理功能。同時(shí)還能根據(jù)使用者的不同需求以指示機(jī)

12、器人進(jìn)行不同功能的操作。如圖 1-3 所示：4 2002 年年初,世界著名的企業(yè)松下電器用了自己大量的研發(fā)人員經(jīng)過多次改進(jìn)最終成功的研發(fā)出了一款較為成功的家庭實(shí)用型智能機(jī)器人。它在某種程度上可以實(shí)現(xiàn)多功能自動(dòng)化的操作 2002 上半年,此種類型的智能機(jī)器人的試制機(jī)就被推出。他可以通過對(duì)周圍環(huán)境的分析計(jì)算將周圍不同種類的垃圾進(jìn)行分類清掃并處理。另外在此款智能清潔機(jī)器人上邊還配置了能夠避開障礙物的安全功能裝置和感應(yīng)墻壁爐這樣熱源的裝置。在這款機(jī)器人身上安裝了 50 多個(gè)傳感器,他可以同時(shí)進(jìn)行自移動(dòng)和清掃工作。另外他有著一定的記憶功能,也就是在他正常工作時(shí)第一步他會(huì)沿著墻邊進(jìn)行一周清掃,將房間的形狀

13、進(jìn)行記憶,之后如果在移動(dòng)工作的過程中遇到障礙物可以輕松的繞過障礙物進(jìn)行靈活自如清掃工作,另外一旦完成整個(gè)室內(nèi)的清掃工作后其會(huì)自動(dòng)停止工作。此種機(jī)器人清掃不同面積的房間需要不同的時(shí)長(zhǎng),像一般的日式房間需要大概 9 分鐘,這種速度是一個(gè)成年人打掃同面積大小的空間的 1-1.5 倍時(shí)間。另外他對(duì)整個(gè)空間的清潔面積有很大的清掃率,能夠清掃整個(gè)空間的 92-93%,智能清潔機(jī)器人工作期間能夠很好的避開障礙物的工作原理就是通過光和超聲波傳感器的配合使用進(jìn)行距離和障礙物的確認(rèn)及規(guī)避。機(jī)器人的移動(dòng)姿勢(shì)可以穩(wěn)定在某一個(gè)方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng),這是在內(nèi)置回轉(zhuǎn)傳感器的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)的。如果讓其在地毯上進(jìn)行工作,由于地毯本身有

14、花紋的存在,所以清潔機(jī)器人會(huì)沿著對(duì)應(yīng)的花紋運(yùn)動(dòng),從而體現(xiàn)出來的結(jié)果就是,軌跡為彎彎曲曲的。為了避免這種情況的發(fā)生,貴司在此種機(jī)器人內(nèi)部配置了可以掌舵的方向傳感器。他可以很大程度上檢測(cè)出因?yàn)榈靥夯y對(duì)運(yùn)行軌跡產(chǎn)生的影響,從而將這種影響降低到最小程度。使得機(jī)器人能夠按照正常軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。另外,此款機(jī)器人不僅配置了落差傳感器以防止清潔機(jī)器人從高處滾落下5來,另外還配置了可以感知熱源的熱源傳感器避免機(jī)器人遇到熱源被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。此種機(jī)器人正常工作時(shí)對(duì)距離有一定的要求,與障礙物之間的距離應(yīng)該大于 10厘米的范圍,與熱源的距離應(yīng)該控制在 50 厘米以外。2003 年 11 月,三星科研團(tuán)隊(duì)面向市場(chǎng)推出了一塊

15、自動(dòng)化程度非常高的智能機(jī)器人,整個(gè)科研團(tuán)隊(duì)賦予它 VC-RP30W 代號(hào)予以稱呼。如圖 1-6 所示：VC-RP30W 的定位在技術(shù)層面上是需要 3D 地圖技術(shù)進(jìn)行技術(shù)支持的。正如前文所敘述的那樣,智能機(jī)器人在工作初始狀態(tài)會(huì)在工作范圍內(nèi)進(jìn)行整個(gè)邊緣進(jìn)行記憶性運(yùn)動(dòng),接著他會(huì)通過自己內(nèi)存的位置信息進(jìn)行計(jì)算從而躲避障礙物。另外 VC-RP30W 會(huì)自動(dòng)改變方向以便進(jìn)去接下來正常的工作當(dāng)其遇到死角或者是無法跨越的障礙物時(shí)。該種機(jī)器人還有著一項(xiàng)非常強(qiáng)大的功能就是,他可以通過自己的智能計(jì)算能力對(duì)日常生活垃圾和特殊垃圾進(jìn)行分類處理。還可以根據(jù)人未因素進(jìn)行不同程度不同功能的作業(yè)模式。作業(yè)模式一旦設(shè)定,即使主人

16、不在其身邊,智能機(jī)器人也可正常進(jìn)行作業(yè)將房屋打掃干凈。真正的使用過程中,智能清潔機(jī)器人不僅可以在程序上進(jìn)行設(shè)定,同時(shí)也可以通過下載一定的軟件對(duì)該智能機(jī)器人進(jìn)行綁定以便于進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制機(jī)器人的工作情況。給此機(jī)器人充滿電之后正常情況下他可以工作將近一個(gè)小時(shí),一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)自身電量不足,他可以根據(jù)自身內(nèi)置程序回到原來充電位置進(jìn)行充電操作?；爻潆姌哆M(jìn)行充電的智能操作是在自身生成的 3D 地圖上予以實(shí)現(xiàn)的。 1.2.21.2.2 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研究狀況國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 在我國(guó),像華南理工大學(xué)、上交大、哈工大等這些 985/211 名校到位,他們對(duì)智能機(jī)器人的研究可謂是風(fēng)生水起,他們有大量的數(shù)據(jù)作為理論支撐,最

17、終也得到了不錯(cuò)的研究成果。同時(shí)在以下幾個(gè)方面也得到了不同成都的提升:1.機(jī)器人在6傳感器技術(shù)方面的應(yīng)用得到了一定的提升。2.智能機(jī)器人工作起來主要智能化提現(xiàn)出來的定位導(dǎo)航以及路徑規(guī)劃方面的軟件系統(tǒng)也能后得到一定的進(jìn)步。3.為智能機(jī)器人正常工作提供動(dòng)力保障的電源及電源管理系統(tǒng)也有了很大提高。這些技術(shù)的提升,在很大程度上為智能清潔機(jī)器人的深入研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。浙大機(jī)械專業(yè)早在 1999 年就進(jìn)行了關(guān)于智能化清潔型機(jī)器人的研究,它們通過對(duì)此項(xiàng)目的研究在很大程度上助力了其智能化的提升。首先,它有一定的自學(xué)習(xí)能力,能夠?qū)⒅車h(huán)境特點(diǎn)記錄在自己的系統(tǒng)中,并通過超聲波傳感器的技術(shù)測(cè)量所處空間的中間位置及

18、兩端對(duì)稱距離。測(cè)量距離的主要目的是使得智能機(jī)器人在工作過程中能夠明確的避免障礙物的干擾。另外如此循環(huán)幾次,智能機(jī)器人內(nèi)置芯片會(huì)計(jì)算出自己的安全工作路徑。清潔之后,為了不影響下次智能機(jī)器人的正常工作,它需要通過一定的路徑規(guī)劃返回至充電插座處對(duì)自身進(jìn)行充電以補(bǔ)充電量。他們研究的智能機(jī)器人的工作空間為 5.5*3.5 平方米,在這樣一個(gè)空間中, 通過對(duì)機(jī)器人工作狀態(tài)的研究我們可以實(shí)現(xiàn)普通房間 90%的空間清潔率，達(dá)到這樣一種清潔程度只需要機(jī)器人正常工作 10 分鐘左右的時(shí)間。另外如果有更大空間的清掃工作的具體數(shù)據(jù)還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。除此以外，對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行視覺記憶和進(jìn)行多方位的位置記憶從而達(dá)到全方位定

19、位也是研究的重點(diǎn)，大家研究的主要目的是為了提升機(jī)器人能夠在較多或者較大的工作空間內(nèi)有很好的空間記憶功能，增加機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制功能，最終為實(shí)現(xiàn)高效的清潔工作提供技術(shù)支持，以便于更高效的完成清潔工作。如圖 1-7 所示：圖 1-7 國(guó)產(chǎn) KV8 保潔機(jī)器人1.2.31.2.3 電源自主充電技術(shù)電源自主充電技術(shù) 自動(dòng)充電也是目前清掃機(jī)器人的主要研究問題,此款機(jī)器人可以通過自己系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境情況的記憶能夠快速找到就近的充電樁進(jìn)行充電。同時(shí)他會(huì)停止現(xiàn)有的工作。這是此款智能機(jī)器人在自主認(rèn)知方面最重要的體現(xiàn)。 (1)機(jī)器人的感知行為:感光;(2) 機(jī)器人通過自身的感知系統(tǒng)可以感應(yīng)到充電站發(fā)出的光信號(hào);(3)

20、可以準(zhǔn)確的將電池和充電器對(duì)接。71998 年,某知名高校成功的研發(fā)出了一款能夠未盲人提供幫助的導(dǎo)向機(jī)器人,這款機(jī)器人也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電動(dòng)作。同樣他也可以在自身電量即將用完的時(shí)候根據(jù)自身芯片自動(dòng)生成的位置信息返回原位進(jìn)行自動(dòng)充電操作。因此,有許多關(guān)于自動(dòng)充電功能設(shè)計(jì)的研究。該研究最成熟的研究方法是通過紅外線發(fā)射塔發(fā)射紅外線信息以傳遞給清潔機(jī)器人,機(jī)器人在通過內(nèi)部計(jì)算從而找到充電裝的位置進(jìn)行充電。但是,如果深入研究會(huì)發(fā)現(xiàn),不同的基站會(huì)出現(xiàn)不同種信號(hào),如果機(jī)器人一旦接收不到信號(hào),或者是接受到了錯(cuò)誤信號(hào)后,此時(shí)機(jī)器人會(huì)啟動(dòng)內(nèi)置的搜索功能,根據(jù)自身記錄的位置信息搜索最近的紅外線基站,然后通過基站獲得充電樁

21、的位置信息實(shí)現(xiàn)充電操作。此種研究成果已經(jīng)在像哈工大和德國(guó)凱馳公司這樣的機(jī)構(gòu)落地了。但是截止目前機(jī)器人自動(dòng)尋找充電位置并同時(shí)完成充電對(duì)接技術(shù)的產(chǎn)品并未上市。1.31.3 研究的目的和意義研究的目的和意義 清掃機(jī)器人的出現(xiàn)是一種多種技術(shù)集成的產(chǎn)物,它能夠十分完美的將可平行移動(dòng)機(jī)器人和可進(jìn)行吸塵的吸塵機(jī)器人二者融合在了一起。由此一來可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化的清掃衛(wèi)生的功能。隨著清潔機(jī)器人研究的不斷深入,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)重型清潔型機(jī)器人的研究興趣日益高漲,因?yàn)樽鳛橹悄芸萍嫉囊环N特殊應(yīng)用,如果我們從技術(shù)層面進(jìn)行分析的話智能化自動(dòng)吸塵器機(jī)器人是多項(xiàng)技術(shù)柔和在一塊的結(jié)晶,它是移動(dòng)機(jī)器人的代表。如果我們從市場(chǎng)來考慮的

22、話,智能化自動(dòng)清潔機(jī)器人的應(yīng)用市場(chǎng)可謂是相當(dāng)?shù)膹V闊。1.41.4 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn) 根據(jù)前文所述,如何設(shè)計(jì)出一款寬 400 高 100 的智能家庭式清潔機(jī)器人是本次課題的主要內(nèi)容和要求,此款機(jī)器人能否順利設(shè)計(jì)出來,就在于能否將吸塵、移動(dòng)、清掃、以及地理位置信息存儲(chǔ)這幾個(gè)技術(shù)性的問題搞定。同時(shí)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)也是本次課題研究的重難點(diǎn)。清潔效果如何,吸塵設(shè)備的安裝位置都需要在本次課題中予以重視。第二章第二章 家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)傳感器應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)、整個(gè)體統(tǒng)控制技術(shù)、移動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)和吸塵器的工作原理是家用智能清潔機(jī)器人的四大組成系統(tǒng)。接下來我們對(duì)這四大組成部

23、分予以深入分析。首先是整個(gè)機(jī)器人工作期間的移動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)的工作原理,他主要是穩(wěn)定機(jī)器人的方向,吸塵器能夠有多大的運(yùn)動(dòng)空間全部是由移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的。這種結(jié)構(gòu)通常采用輪式機(jī)構(gòu)。然后就是各種傳感器對(duì)應(yīng)的感知系統(tǒng),此種系統(tǒng)采用的是超聲波進(jìn)行測(cè)距、紅外線和傳感器進(jìn)行接觸然后反饋信號(hào),最后在 CCD8攝像機(jī)的輔助下進(jìn)行圖像信息傳輸?shù)?。近年?計(jì)算機(jī)技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展下取得了很大的進(jìn)步,人工智能技術(shù)的研究也日益成為了整個(gè)技術(shù)研究方向的標(biāo)桿,像移動(dòng)式智能機(jī)器人水平和傳感器應(yīng)用系統(tǒng)也得到了迅猛發(fā)展。智能化技術(shù)的基礎(chǔ)是在吸塵器機(jī)器人控制系統(tǒng)的深入研究下建立起來的,同時(shí),此種研究也為智能化發(fā)展提供了很好的應(yīng)用前景。

24、吸塵器機(jī)器人工作的環(huán)境往往是復(fù)雜不確定性的,這樣的環(huán)境對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)有著極高的考驗(yàn),首先我們應(yīng)該考慮其要有穩(wěn)定的安全性,然后就是機(jī)器人工作運(yùn)行起來的可靠性,最后就是工作過程中對(duì)周圍環(huán)境的抗干擾性和清潔度。傳感器的使用對(duì)于智能機(jī)器人的研究有著很重要的意義,通過傳感器的信號(hào)輸入,在通過機(jī)器人內(nèi)置的芯片進(jìn)行一定的建模,將機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行記憶。通過對(duì)現(xiàn)有智能化清潔機(jī)器人的研究,智能化機(jī)器人可以在較為復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行自主移動(dòng),為了進(jìn)一步將該種類型的智能化機(jī)器人的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提升,我們不僅需要在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸上進(jìn)行優(yōu)化,、選擇比較合理的人工智能方法、智能化機(jī)器人的模式和障礙性質(zhì)的識(shí)別。同時(shí)還需要

25、對(duì)整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)行模式予以分析研究,以便將整個(gè)機(jī)器人的全局信息進(jìn)行深入分析。隨著吸塵機(jī)器人的迅速發(fā)展,當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展受到了其很大的影響。其中有這幾項(xiàng)關(guān)鍵性的技術(shù):路徑規(guī)劃、電源充電、傳感器應(yīng)用、智能控制等。2.12.1 傳感技術(shù)傳感技術(shù) 如果吸塵機(jī)器人在某一空間內(nèi)能夠以正常狀態(tài)進(jìn)行工作,這就需要我們對(duì)機(jī)器人的一些基本信息予以確認(rèn),主要包括確認(rèn)機(jī)器人位置是否在正常工作的環(huán)境內(nèi)、該機(jī)器人是以什么樣的姿態(tài)進(jìn)行工作的、正常工作時(shí)的運(yùn)行速度及系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)。并且可以通過機(jī)器人的傳感器和其他信息傳遞元件確定機(jī)器人的工作環(huán)境下的靜動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息。吸塵器工作有一定的工作順序,另外對(duì)其進(jìn)行正常的操作也可以讓其很快的

26、適應(yīng)工作環(huán)境。 傳感器的種類也有很多,比較常見的分類方式是將其分為外部和內(nèi)部?jī)煞N形式的傳感器。其中內(nèi)部傳感器主要以下零部件構(gòu)成:線加速度計(jì)、編碼器、磁羅盤等。線加速度計(jì)的存在主要是對(duì)加速度信息予以確認(rèn)并能夠快速的找到機(jī)器人所處的位置。機(jī)器人正常工作狀態(tài)時(shí)有各種不同的參數(shù),像其朝著那個(gè)方向運(yùn)動(dòng),以什么樣的姿態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)起來對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的確認(rèn),這些參數(shù)的確認(rèn)是在陀螺儀的協(xié)助下得到的,另外其還能存儲(chǔ)機(jī)器人的航向信息。外部傳感器的組成有以下幾種:進(jìn)行距離測(cè)量的超聲波傳感器和紅外線傳感器的集合應(yīng)用、彼此接觸到能夠予以確認(rèn)的接觸傳感器或者視覺傳感器。通過 CCD 攝像頭進(jìn)行機(jī)器人定位以及識(shí)別,

27、甚至可以通過機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑獲得其工作環(huán)境的地圖信息。92.22.2 路徑規(guī)劃技術(shù)路徑規(guī)劃技術(shù) 機(jī)器人正常工作起來能夠?qū)⑵涔ぷ鳝h(huán)境周圍的信息進(jìn)行記憶,一般機(jī)器人工作開始后先會(huì)沿著整個(gè)工作區(qū)域的四周運(yùn)動(dòng)一圈,運(yùn)動(dòng)后,外邊緣的信息會(huì)記錄在其內(nèi)存卡內(nèi),接下來,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)自身計(jì)算機(jī)所具有的特定算法進(jìn)行合理的推算,算出機(jī)器人正常工作的最優(yōu)化路徑。接下來就可以實(shí)現(xiàn)高效清潔作業(yè)了。此時(shí)機(jī)器人能夠工作的環(huán)境是相對(duì)比較全面的。大家會(huì)從機(jī)器人的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面予以研究。 我們通過研究發(fā)現(xiàn)機(jī)器人可以通過不同的方式獲得周圍環(huán)境信息，具體主要以建立在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行路徑規(guī)劃和靠傳感器技術(shù)的支持獲得路徑規(guī)劃信息兩種方式。

28、如果單純的考慮機(jī)器人對(duì)路徑規(guī)劃的內(nèi)容，根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展來看他有著一定的算法程序予以支撐。但是由于計(jì)算機(jī)分析算法用到了橢圓積分的內(nèi)容,所以真正的實(shí)現(xiàn)起來是相當(dāng)困難的。另外我們根據(jù)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的了解程度我們可以將其分為兩種不同的類型,一種就是能夠?qū)χ車畔⑦M(jìn)行全面掌握的全局路徑規(guī)劃還有另外一部分就是只能進(jìn)行部分位置獲取并分析的部分路徑規(guī)劃。然后再通過位于機(jī)器人上的不同傳感器反饋障礙物,聲波、光源等信息給芯片予以計(jì)算分析,最后獲得在某些位置對(duì)應(yīng)的障礙物的大小形狀等信息,在快要到達(dá)該位置時(shí)能夠很準(zhǔn)確的躲避障礙物。另外關(guān)于全局路徑規(guī)劃我們需要知道的是它有路徑位置搜索和周圍環(huán)境建模兩大子問題,另外可視圖

29、、自由空間、格柵法都是環(huán)境建模的主要研究方法。2.32.3 吸塵技術(shù)吸塵技術(shù) 真空吸塵器應(yīng)用的技術(shù)原理是通過內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)的扇葉產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流造成吸塵器內(nèi)部低壓外部高壓的壓差,如果吸塵器槍頭位置有垃圾灰塵等就會(huì)在壓力差的作用下將異物吸入吸塵器。吸塵系統(tǒng)由很多不同的子系統(tǒng)組成,包括:集塵袋、排氣管、濾清器等零部件。他的工作原理就是氣流的快速運(yùn)動(dòng)形成渦流氣體最終將沉積物吸入吸塵器的渦流室內(nèi)部達(dá)到吸塵的功能。2.42.4 電源技術(shù)電源技術(shù)移動(dòng)電源是吸塵器的心臟,它要擔(dān)負(fù)起為吸塵器提供動(dòng)力來源的作用,吸塵器功能越強(qiáng)大對(duì)移動(dòng)電源的性能要求也就越高,比如電源需要為移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供電壓并作為吸塵模塊的能量供給空間

30、站。主要的代表有鉛酸電池和鎳鋅電池等。燃料電池相對(duì)來說成本就比較高了,像氫燃料電池等,此類電池很少應(yīng)用在常規(guī)產(chǎn)品上邊,因?yàn)槠涑杀就度胩?。針?duì)常用的二次電池來說,其中鉛酸電池是比較常見的機(jī)器人使用的電池類型,他有著一定的優(yōu)點(diǎn),比如說壽命長(zhǎng)比較耐用、放電電壓比較高、價(jià)格低廉相對(duì)比較親民。另外自身的電阻也比較小,能量損失減較少、充電時(shí)間快切成本低廉。所以這種電池是吸塵器電源的不二之選。10第三章第三章 清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)3.13.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理 本課題研究的主要目的就是開發(fā)出來結(jié)構(gòu)類型緊湊，使用靈活方便、控制起來較為容易、不同功能之間的切換較

31、為容易實(shí)現(xiàn)、更重要的是他能夠完成自動(dòng)移動(dòng)、規(guī)避障礙物、合理規(guī)劃路徑等,另外此機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要有控制系統(tǒng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)兩大系統(tǒng)。對(duì)機(jī)械性能有一定的要求,外殼一定要有高強(qiáng)度的柔性,底盤應(yīng)該有一定的穩(wěn)定性,需要對(duì)其配備兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)輪用來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能。最后就是吸塵器吸入點(diǎn)口徑的大小、電池能量系統(tǒng)、整個(gè)動(dòng)力控制系統(tǒng)、清潔刷的清潔系統(tǒng)等。外觀見圖 3-1：3.1.13.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成機(jī)械結(jié)構(gòu)組成本課題研究的智能清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)見圖 3-2。其由接著來要討論的三部分構(gòu)成： (1)行走驅(qū)動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)電機(jī)。有了這兩種結(jié)構(gòu)的支持，使得機(jī)器人能夠靈活自如的在工作區(qū)域內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)。為了防止用于碰撞檢測(cè)的傳感器的脫

32、落,所以在機(jī)體的底部安裝了三個(gè)紅外開關(guān)。另外為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輪速的檢測(cè)和監(jiān)控,在驅(qū)動(dòng)輪上安裝有可以實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和定位的光電編碼器。另外精確定位功能也可以在超聲波傳感器上實(shí)現(xiàn)。 (2)清掃機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)主要依賴于兩個(gè)清潔刷,動(dòng)力來源為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。有兩種方向的運(yùn)動(dòng),一個(gè)是清潔刷向右側(cè)進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 與此對(duì)應(yīng)的是反方向的進(jìn)行逆時(shí)針向左側(cè)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)初衷就是為了使吸塵器機(jī)器人清理的灰塵進(jìn)行集中處理。(3)吸塵機(jī)構(gòu)。由強(qiáng)大的電機(jī)系統(tǒng)提供動(dòng)力以得到強(qiáng)大的吸塵能力?；覊m全部吹進(jìn)存儲(chǔ)盒予以排出。 11 清掃機(jī)器人機(jī)械大體結(jié)構(gòu)組成 不同文刊上經(jīng)?？吹捷喪揭苿?dòng)機(jī)器人，這種機(jī)器人主要有三種不同類型，他們主要

33、以輪子數(shù)量進(jìn)行區(qū)別，分別為 3、4、6 個(gè)輪子。三輪機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的一種，它的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，使用起來也是相當(dāng)?shù)姆奖恪Ｋ妮喗Y(jié)構(gòu)是三種里最為復(fù)雜的，但是其承重能力比較強(qiáng)。六輪機(jī)構(gòu)較四輪有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。本課題的設(shè)計(jì)中使用三輪機(jī)構(gòu)就能滿足要求。 通常有兩種三輪轉(zhuǎn)向裝置的方式來構(gòu)造： (1)鉸軸轉(zhuǎn)向式:轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向功能主要是由安裝在轉(zhuǎn)向絞軸上的轉(zhuǎn)向輪在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的減速器和機(jī)械連桿操控機(jī)構(gòu)來控制的。(2)差速轉(zhuǎn)向式:差速器的實(shí)現(xiàn)主要依靠安裝在機(jī)器人底部?jī)蓾L輪處的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的,他實(shí)現(xiàn)的機(jī)械原理是,兩個(gè)電機(jī)是彼此獨(dú)立的也就是說他們可以按照不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)動(dòng),因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)直接與兩個(gè)輪子相連接,如果轉(zhuǎn)速不一致

34、可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能,移動(dòng)式的智能機(jī)器人使用絞軸轉(zhuǎn)向來控制轉(zhuǎn)向的方式相對(duì)比較簡(jiǎn)單,但是其轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的精度卻比較不明顯。另外一種差速轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上雖然較為復(fù)雜,但是他的精度很高。這種高精度的控制系統(tǒng)能夠很大程度上依靠自身在工作期間較為靈敏的規(guī)避掉障礙物。綜上所述,本課題設(shè)計(jì)選用的為三輪差速轉(zhuǎn)向式的控制系統(tǒng)。三輪差速轉(zhuǎn)向式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)見圖 3-312圖 3-3 三輪差速轉(zhuǎn)向式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 通過上文的陳述，我們可以精準(zhǔn)的對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行速度上的控制，這建立在多種頻率脈沖信號(hào)從步進(jìn)電機(jī)上發(fā)射出來的前提下。同時(shí),如果兩個(gè)電機(jī)上得到了不同的脈沖信號(hào)時(shí),吸塵器的六自由度的功能實(shí)現(xiàn)主要依賴于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的

35、差動(dòng)。也就是位于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)以不同轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)此差動(dòng)功能的。這種方法相對(duì)來說比較容易精準(zhǔn)的控制機(jī)器人的移動(dòng)方向和狀態(tài)。3.1.23.1.2 工作原理工作原理 本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人的功能模塊之間的關(guān)系圖見 3-4。多個(gè)不同功能之間的配合是一個(gè)智能機(jī)器人應(yīng)該具有的最基本特點(diǎn)。不同模塊之間的工作原理就是:CPU 作為智能機(jī)器人的核心,主要對(duì)各個(gè)不同模塊起到協(xié)調(diào)支配的作用。信息采集模塊,他的存在就是將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中遇到的障礙物信息、路徑信息,通過位置傳感器和光傳感器、超聲波傳感器等傳遞的信息進(jìn)行收集整理。最后由信息采集模塊將匯總好的信息一塊發(fā)送給 CPU 進(jìn)行計(jì)算分析。CPU 通過運(yùn)算會(huì)將計(jì)

36、算結(jié)果再傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)讓機(jī)器人按照對(duì)應(yīng)的指令進(jìn)行工作。有時(shí)候機(jī)器人正常工作的過程中,各個(gè)不同模塊之間的工作狀態(tài)會(huì)在 LED 顯示模塊上予以實(shí)時(shí)顯示。機(jī)器人工作的流程如下： (1)首先機(jī)器人是否需要開始工作,我們可以通過遙控器或者是電腦鍵盤對(duì)其予以控制操作。(2)當(dāng)機(jī)器人開始工作,控制清掃機(jī)構(gòu)進(jìn)行清潔、吸塵機(jī)構(gòu)開始抽塵。(3)機(jī)器人正常工作狀態(tài)開啟時(shí),傳感器模塊會(huì)將從周圍獲取的信息進(jìn)行收集整理并最終發(fā)送至 CPU 處供其進(jìn)行分析計(jì)算決定機(jī)器人接下來要走的路徑。(4)由強(qiáng)大的電機(jī)系統(tǒng)提供動(dòng)力以得到強(qiáng)大的吸塵能力。灰塵全部吹進(jìn)存儲(chǔ)盒予以排出。13在各種類型傳感器的配合下,機(jī)器人會(huì)將其各種信息進(jìn)行收集

37、整理最終分析出機(jī)器人所處的工作環(huán)境和路徑狀態(tài)。周圍環(huán)境主要就是障礙物的大小、形狀、位置等一些基本信息。最后將這些信息反饋給主機(jī)并進(jìn)行分析給出一個(gè)合理的路徑線路圖,使得機(jī)器人能夠避免與障礙物撞到。進(jìn)行接下來的正常工作。3.23.2 清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì)清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì)3.2.13.2.1 機(jī)器人外形設(shè)計(jì)機(jī)器人外形設(shè)計(jì)機(jī)器人之所以被設(shè)計(jì)成有限的體積在直徑為 400 和高度 100 的圓中,可以留出放電池,控制中心和觀察中心的地方,可是如果選用它,就必將會(huì)占用大量的空間,所以其他一些單元將放置不下,這就超過了設(shè)計(jì)的大小,所以就否定了這種方案,機(jī)器人的外形最終設(shè)計(jì)為圓盤形狀,其外輪廓如圖 3-5 所示

38、143.2.23.2.2 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 如果想實(shí)現(xiàn)智能清潔機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑為零,智能機(jī)器人正常工作時(shí)對(duì)其移動(dòng)機(jī)構(gòu)中就需要選用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式,并且二者成對(duì)稱位置布置在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪位置。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)電機(jī)前進(jìn)裝置進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)分別以不同轉(zhuǎn)速的方式運(yùn)作。這樣對(duì)于機(jī)器人的清潔效果能起到很好的作用。差速運(yùn)動(dòng)如果能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零,這樣的話車輪的運(yùn)動(dòng)方向也能得到控制。3.2.33.2.3 清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)器人清潔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)我們主要有以下四方面的考慮：(1) 斜齒輪 1 由電機(jī)進(jìn)行直接控制、再對(duì)斜齒輪 2 進(jìn)行控制操作、最后斜齒輪 3在

39、齒輪 2 的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)軸和滾刷的連接從而間接實(shí)現(xiàn)清潔功能；15(2) 錐齒輪 1 通過電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)，再進(jìn)一步將動(dòng)力傳遞給錐齒輪 2，進(jìn)一步使錐齒輪 2 的軸與滾刷進(jìn)行連接達(dá)到清潔的功能；(3) 蝸桿在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，兩端與渦輪機(jī)相連接，渦輪機(jī)軸與刷子進(jìn)行連接從而實(shí)現(xiàn)對(duì)臟污地面的清潔功能；(4) 蝸桿在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下與渦輪進(jìn)行連接，然后再與皮帶輪和其軸與刷子相連接實(shí)現(xiàn)清潔功能操作。16以上四種選項(xiàng)受到比較和設(shè)計(jì)的要求的限制，最后第四個(gè)選項(xiàng)是清潔機(jī)構(gòu)。其正面結(jié)構(gòu)如下圖所示 3.2.43.2.4 吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)智能機(jī)器人吸塵機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需要注意的是風(fēng)扇應(yīng)該位于垃圾儲(chǔ)存盒17的上方位置

40、,另外在風(fēng)扇的上蓋位置應(yīng)該留一個(gè)薄壁腔并且在其上邊開一圓孔,這樣做的目的主要是為了將內(nèi)部空氣排除干凈。另外在儲(chǔ)存盒的上方應(yīng)該加上一個(gè)防塵的裝置,此裝置旁邊還需留兩個(gè)方形孔(見圖 3-11),儲(chǔ)存盒位置有小風(fēng)扇,小風(fēng)扇運(yùn)動(dòng)起來可以帶動(dòng)周圍的空氣這樣就形成了一個(gè)壓力差。清潔空氣可以通過這樣一個(gè)壓力差排除儲(chǔ)存盒,外界的灰塵就被壓了進(jìn)來,從而達(dá)到吸塵目的。3.2.53.2.5 垃圾收集處理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)垃圾收集處理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)連接到電機(jī)的小齒輪有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)此外通過控制電動(dòng)機(jī)的正向和反向旋轉(zhuǎn)來提升和控制垃圾收集擋板。采用如下圖所示的方案后,該方案通過毛刷將垃圾掃至吸入口。如 3-13 所示:18 整個(gè)機(jī)器人的質(zhì)量

41、主要集中在機(jī)器人的清潔部分，同時(shí)這一部分也是整個(gè)系統(tǒng)最重要的部分。能夠獨(dú)立的進(jìn)行工作可以機(jī)器人的使用更加便捷，更加高效。一旦將清潔部分進(jìn)行獨(dú)立安裝可以在以后得工作過程中降低整個(gè)機(jī)器人的質(zhì)量，同時(shí)也為評(píng)判機(jī)器人的固定件起到了保障作用。固定件如下圖:最終設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)器人大體布局如圖所示：19第四章第四章 具體計(jì)算具體計(jì)算4.14.1 電機(jī)選擇電機(jī)選擇(2) 根據(jù)橡膠在優(yōu)質(zhì)路面上行走，取滾動(dòng)摩擦系數(shù) =1，滑動(dòng)摩擦系數(shù)=0.1，則:阻力矩：=fR+Mf=1.6348103+0.0163=0.0945N.m 工作機(jī)要求的功率= Tw*n9550，式中：=0.126N.m由 =2=204r/min取，

42、則=3.83W，電機(jī)所需的輸出功率=,其中=*0.97*0.9=0.86,則電機(jī)所需的輸出的功率= =4.45W。(1) 估計(jì)機(jī)器的總重量為 5kg、g 為 9.8Nkg，則 G=5*9.8=49N 則分配到每個(gè)輪子上的載荷位 F=13G=13*49=16.3N.20(3) 確定電機(jī)。電機(jī)的確定主要有以下方面的考慮,轉(zhuǎn)彎半徑上要求如果是零就需要考慮在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上分別安裝電機(jī)用來間接實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑為零這樣一種結(jié)果。同時(shí)參考(2)中的計(jì)算方式得到的電機(jī)相關(guān)參數(shù)中功率的數(shù)據(jù),我們可以確定寧波市北倉(cāng)電機(jī)廠生產(chǎn)的 YCJT 符合輸出功率為 4.45w 的驅(qū)動(dòng)要求。4.24.2 蝸輪蝸桿的選擇蝸輪蝸

43、桿的選擇(1)選擇蝸桿傳動(dòng)類型根據(jù) GB /T10085-1988 的推薦，采用漸開線蝸桿(ZI)(2)選擇材料本設(shè)計(jì)中使用的蝸桿和渦輪需要有更高的效率和更好的耐磨性,所以蝸桿螺旋齒面必須淬火,硬度 4550HRC。渦輪用鑄錫磷青銅 ZCuSn10Pb1,金屬模鑄造。(3)根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)1、確定載荷系數(shù) K根據(jù)傳動(dòng)比，選擇為 i=14，參考蝸輪蝸桿參數(shù)表取 Z1=2，于是 Z2=28。由于工作載荷相對(duì)穩(wěn)定，因此采用載荷分布不均勻系數(shù)=1，由查表機(jī)械設(shè)計(jì)確定計(jì)算公式所需參數(shù)：=1，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載荷系數(shù)=1. 1；則載荷系數(shù) K=1*1.1*1=1.1；2、確定作用

44、在渦輪上的轉(zhuǎn)矩 T2：3、確定彈性影響因素 Ze因選用的是鑄錫磷青銅齒輪和鋼蝸桿相匹配，故查機(jī)械設(shè)計(jì)得：Ze =160。4、確定接觸系數(shù)首先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 d1 和傳動(dòng)中心距 a 的比值 d1/a=0.35，從機(jī)械設(shè)計(jì)查表的 Zp=2.9。5、確定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)查機(jī)械設(shè)計(jì)得：=230MPa -=90MPa= 194Mpa；= = =52MPa6、計(jì)算中心距 a=40.2mm1.21 * 234469 * (160 * 2.9 /194)N2=60 N2Lh=60*206*12000=1.48*108T2=9550*106*P /n 當(dāng)=2 時(shí)，=0.70.9，取 =0.8，代入式

45、中得：T2=9.55*=9.55*=234469N.mm21取 a=40mm，因 i=14，從機(jī)械設(shè)計(jì)中查表取模數(shù) m=2mm，蝸桿分度圓直徑 d1=22.4mm。這時(shí) d1/a=0.56，從機(jī)械設(shè)計(jì)中查圖得 Zp=2.42.9，因此以上計(jì)算結(jié)果可用。查表選取 分度圓導(dǎo)程角 r=100729。中心距=40 mm，d2 =mz2=58；a=40.20mm，不是標(biāo)準(zhǔn)推薦中心距。本設(shè)計(jì)不采用變?yōu)?，?a=40.20。(3) 驗(yàn)算初設(shè)參數(shù)蝸輪圓周速度=0.63m/s，原估計(jì)3m/s，選 Kv 值，相符?；瑒?dòng)速度= =3.54m/s，在范圍之內(nèi)，所選材料是合適。蝸桿傳動(dòng)效率=（0.950.96） 根據(jù)=

46、1.8m/s，查表得 =2，不符，應(yīng)該適當(dāng)降低初效率應(yīng)。（5）驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和剛度蝸輪當(dāng)量齒數(shù)=/ =29.44，查得齒形系數(shù)=2.65；則可求的：=1- =0.917帶入式中=27.85Mpa 成立。彎曲強(qiáng)度滿足要求。（6）蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)和幾何尺寸1、蝸桿模數(shù) m=2，頭數(shù) z=2齒根高 hf=2.4mm，齒頂高 ha=2mm。2、渦輪= (1.6K)/ Fa2，所以只需要校核軸承 1 即可因?yàn)檫x取 X=1，Y=0，fp=1.0所以所以所以符合要求。4.6 清掃機(jī)構(gòu)中渦輪軸的校核清掃機(jī)構(gòu)中渦輪軸的校核軸上能使產(chǎn)生彎矩的力有 Fr，F(xiàn)tFr=0.081NFt=0.015N兩個(gè)力在相

47、互垂直的兩個(gè)平面上，L=69mm，D=12mm 如下兩個(gè)視圖 4-3做彎矩圖如 4-4 所示Fa/Fr=0.0618/0.1405eP=FP (XFR+YFA)=1.0*(1*0.1405+0*A)=0.1405=( ) =1.08*106h10660 * nftCfpP25Mr=0.25FrL=0.250.08169=1.40N.mmMt=0.25FtL=0.250.01569=0.3N.mm合成彎矩 M=Mt+Mr=1.43N.mm= = = = 1.43/(0.1123)=0.01M/mm2 由于前面已經(jīng)選定軸的材料為 45 鋼，調(diào)制處理，查表=60N.mm，故符合強(qiáng)度要求。第五章第五章

48、 總結(jié)與發(fā)展總結(jié)與發(fā)展5.15.1 發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì) 雖然我國(guó)能夠自己清打掃機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)取得了很大進(jìn)步和提高,日用電器是大家生活中必不可少的設(shè)施,另外家務(wù)能夠占用大家很多的休息時(shí)間,一旦智能清潔機(jī)器人被投放到市場(chǎng),大家可以利用他將自己從家務(wù)中解救出來。市面上決定可以進(jìn)行買賣,進(jìn)入了可以普遍好用的階段,但是機(jī)器人本身的能力、它工作起來的運(yùn)行速度和效率目前還不夠達(dá)到想象中的樣子,并且還有可能要面對(duì)這一些比較重要技能的提升,比如能夠傳受感覺的機(jī)器技求、定位和周圍環(huán)境成模技術(shù)、地面路線規(guī)劃技術(shù)等。5.1.15.1.1 高度智能化需求高度智能化需求 目前我們社會(huì)上的能夠自己吸塵土的機(jī)器人在自己的行為

49、上還是低級(jí)生物的狀態(tài),因?yàn)樗沫h(huán)境感受能力是比較小的,對(duì)路程的規(guī)劃還只是不定的方法或者處于比較小的環(huán)境信息的存在方法,在比較雜亂的環(huán)境還有很多房間的這種環(huán)境下,相對(duì)于來說這種工作的方法效率會(huì)大大的減少,所以,成立 CCD 眼睛能看到的系統(tǒng),可以結(jié)合增加許多種能夠感覺到的進(jìn)行本身的定位還有環(huán)境建造的模具,進(jìn)行全方面的規(guī)劃,這也將是一個(gè)重大的研究方向同時(shí),算法應(yīng)該結(jié)合系統(tǒng)的處理是否快慢、可以存多少東西的空間的限制。265.1.25.1.2 功能擴(kuò)展功能擴(kuò)展 自動(dòng)智能打掃機(jī)器人是一個(gè)可以來回移動(dòng)的智能打掃機(jī)器人,在除了能夠打掃這個(gè)功能以外還可以有其他方面的功能,比如可以進(jìn)行一些家電的操作,而且還可以

50、控制房間環(huán)境的檢測(cè)(可以預(yù)防火災(zāi)電器突然發(fā)生故障還又有小偷偷東西這些等)。5.1.35.1.3 低成本化低成本化 智能機(jī)器人是一個(gè)比較操作復(fù)雜的系統(tǒng),它本身有使用了很多的可以感受的機(jī)器人和一個(gè)可能多個(gè)的可以提高的很小的處理器,所以可能花費(fèi)的錢會(huì)比較高,但是為了能夠讓普通老百姓都可以能夠用上這種比較科技的東西,必須要降低價(jià)錢老百姓才用的起。5.25.2 發(fā)展發(fā)展 雖然現(xiàn)在比較便宜的吸塵器給老百姓的清潔打掃工作有一定的方便還有節(jié)省時(shí)間,但是它的噪音比較大,這樣會(huì)讓人覺得又不想使用了。吸塵機(jī)器人作為為人服務(wù)的機(jī)器人這些的一個(gè)新奇的產(chǎn)品,將使人們可以在沒人的情況下輕輕松松的完成家里的環(huán)境的吸塵等打掃工

51、作。所以只要生產(chǎn)價(jià)格考慮到一些家用的電器批量大,再加上一旦大批量進(jìn)行生產(chǎn)的話相對(duì)應(yīng)的價(jià)格也會(huì)比較低這樣的特點(diǎn),相信智能清潔吸塵器機(jī)器人的推廣必將在市場(chǎng)上得到大家的廣泛認(rèn)可,有相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)器人對(duì)市場(chǎng)的貢獻(xiàn)量有過很多研究,同時(shí)也有其他大量數(shù)據(jù)都在指向一個(gè)結(jié)果就是智能吸塵器機(jī)器人將會(huì)是未來需求量最大的智能服務(wù)性質(zhì)的機(jī)器人。因?yàn)槿沼秒娖魇谴蠹疑钪斜夭豢缮俚脑O(shè)施,另外家務(wù)能夠占用大家很多的休息時(shí)間,一旦智能清潔機(jī)器人被投放到市場(chǎng),大家可以利用他將自己從家務(wù)中解救出來。但是,這樣的前景是好的,現(xiàn)階段的智能機(jī)器人的許多關(guān)鍵性的技術(shù)難關(guān)還沒有完全解決,還有很多需要去解決,主要有接下來要敘述的： (1)

52、目前,雖然機(jī)器人的研究技術(shù)已經(jīng)很成熟,但是因?yàn)榧夹g(shù)上仍然有一定的瓶頸,價(jià)位不夠親民,這是影響其進(jìn)入家電市場(chǎng)的最大阻力。所以我們的科研團(tuán)隊(duì)可以通過開發(fā)性價(jià)比較高的數(shù)字處理芯片和專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊來降低整個(gè)機(jī)器人的成本。另外一方面,我們已經(jīng)將藍(lán)牙技術(shù)研發(fā)的比較成熟了,在現(xiàn)在家電產(chǎn)品上對(duì)其應(yīng)用也是比較廣泛的,另外正在研發(fā)將藍(lán)牙技術(shù)的連接端切換至個(gè)人電腦上,在很大程度上節(jié)約連接端產(chǎn)品的成本。這樣如果能夠切換成功將會(huì)將成本控制在 2000 元左右。 (2)在不久的將來,能夠吸塵的機(jī)器人慢慢的會(huì)變得智能化還有會(huì)變成自主的形式,所以我們應(yīng)該結(jié)合本身的基于機(jī)器人自己的控制、模糊邏輯、遺傳算法等的可以轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器人

53、的運(yùn)動(dòng)策劃和能夠控制的技術(shù),從而研究并且開發(fā)出對(duì)周圍27環(huán)境能夠具有優(yōu)良的本身適應(yīng)的能力和魯棒性對(duì)環(huán)境阻擋的東西具有安全可靠的防止碰在一起功能的智能的可以運(yùn)動(dòng)的合理性規(guī)劃與能否控制他們的機(jī)器,使得吸塵機(jī)器人能夠完成與人們自己可以操作質(zhì)量相同的還有更好的打掃工作,使得地面打掃的更加干凈。 (3)為了達(dá)到較高的吸塵效果,我們不僅需要對(duì)吸塵系統(tǒng)的清潔質(zhì)量進(jìn)行深入研究,還需要對(duì)該系統(tǒng)在實(shí)際工作中的適應(yīng)能力進(jìn)行模擬以達(dá)到能夠適應(yīng)多種不同工作環(huán)境。另外我們還可以通過運(yùn)用模糊邏輯的方法對(duì)吸塵系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí),進(jìn)一步提升家庭智能機(jī)器人的吸塵效果。 (4)智能吸塵器機(jī)器人的主要技術(shù)之一就是電源技術(shù),因?yàn)楹玫碾娫?/p>

54、系統(tǒng)如果能夠應(yīng)用在機(jī)器人上邊就可以在很大程度上提升機(jī)器人的吸塵效率和吸塵質(zhì)量。另外電池除了能夠延長(zhǎng)吸塵時(shí)間以外還可以保證吸塵機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)現(xiàn)多功能的除塵工作。通過對(duì)此款機(jī)器人的設(shè)計(jì)希望他真正量產(chǎn)后能夠?yàn)閺V大用戶提供一款性價(jià)比高的服務(wù)型吸塵機(jī)器人。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 濮良貴、紀(jì)名剛主編. 機(jī)械設(shè)計(jì) M. 北京：高等教育出版社，20062 岑軍健主編. 新編非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè) M. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，19993 于駿一 鄒青編主編. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20044 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20045 周良德 朱泗芳

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