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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
題 目 家用清潔機(jī)器人
專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)
學(xué) 生
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)教師
2014年5月21日
目 錄
摘 要 1
ABSTRACT 1
1 前言 2
1.1國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究 2
1.1.1國(guó)外產(chǎn)品研究情況 2
1.1.2國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研究情況 3
1.2研究的目的和意義 4
2家用清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 5
2.1傳感技術(shù) 5
2.2路徑規(guī)劃技術(shù) 5
2.3吸塵技術(shù) 6
2.4電源技術(shù) 6
3 家用清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì) 7
3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)組成 7
3.2家用清潔機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 7
3.2.1外形設(shè)計(jì) 7
3.2.2行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
3.2.3清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
3.2.4吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
4 具體計(jì)算 11
4.1電機(jī)選擇 11
4.2蝸輪蝸桿的選擇 12
4.3電池的選用 14
4.4清掃機(jī)構(gòu)中蝸桿上軸承壽命計(jì)算 14
4.5蝸輪軸的校核 16
5 總結(jié)與展望 18
5.1總結(jié) 18
5.2展望 18
參 考 文 獻(xiàn) 20
致 謝 21
摘 要
近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能科學(xué)的飛速發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。其中，服務(wù)機(jī)器人開(kāi)辟了機(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域，服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一是勞動(dòng)力成本的上升；二是人類(lèi)想擺脫枯燥乏味的體力勞動(dòng)，如清潔、家務(wù)、照顧病人等；三是人口的老齡化和社會(huì)福利制度的完善也為某些服務(wù)機(jī)器人提供了廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。服務(wù)機(jī)器人區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)主要特征是服務(wù)機(jī)器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)過(guò)程的機(jī)器人系統(tǒng)，其活動(dòng)空間大，具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動(dòng)性，因此服務(wù)機(jī)器人大多數(shù)是移動(dòng)機(jī)器人。
隨著社會(huì)的發(fā)展需要，服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)滲透入了我們的生活、工作和經(jīng)濟(jì)方面，并且起到了很大的作用。服務(wù)機(jī)器人的研究和發(fā)展對(duì)我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很多的影響。這篇文章主要通過(guò)闡述清潔機(jī)器人在服務(wù)行業(yè)的重要性，對(duì)機(jī)器人在各國(guó)發(fā)展?fàn)顩r的一個(gè)綜述，讓讀者了解將來(lái)機(jī)器人發(fā)展對(duì)社會(huì)發(fā)展的重要性。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；清潔機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)原理；清潔方式
ABSTRACT
In recent years, along with the computer technology and the rapid development of artificial intelligence , intelligent robot technology gradually become modern robot research hot spot. Among them, service robot, opened a new field of application of robots.Service robots appeared three main reasons:one is rising labor costs;Second is the human to escape the boring physical labor,such as cleaning, housework and patient care,etc.The population is aged 3 and social welfare system for certain service robots also provides a broad application prospect in the market.Service robots in industrial robots is one of the main features of service robot is a suitable way,environment and the specific tasks of the robot system,the process of large space activities in unstructured environment,has the high mobility,so most of the mobile robot is service robots
With the development of society,we service robots have infiltrated the life work and economic aspects,and play a very significant role.Service robot research and development of our economic development has a lot of influence.This article mainly elaborated through cleaning robot in the importance of service industry in the world,robot is reviewed the development of some future robots,let the reader know the importance of the development of social development.
Key words:Robots;cleaning robot;sports principle;clean way
1
1 前言
1.1國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究
地面清潔機(jī)器人作為作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化發(fā)展的先行者，其研究始于20世紀(jì)80年代，到目前為止已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品。吸塵機(jī)器人的發(fā)展帶動(dòng)了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)圖像和語(yǔ)音識(shí)別傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)結(jié)合國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)將清掃機(jī)器人的發(fā)展闡述如下
1.1.1國(guó)外產(chǎn)品研究情況
RC3000 是世界上第一臺(tái)能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機(jī)器人，它有光電傳感器和芯片控制，當(dāng)遇到障礙時(shí)，會(huì)隨機(jī)改變一個(gè)角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物。內(nèi)置了四種清潔程序，保證在遇到不同污漬的地面時(shí)，可以調(diào)整其清潔程序；通過(guò)傳感器對(duì)于地板污漬的判斷，選擇合適的應(yīng)用程序。內(nèi)置光敏傳感器，確保在遇到樓梯與臺(tái)階時(shí)，能夠自動(dòng)避讓?zhuān)粫?huì)掉落。扁平的設(shè)計(jì)使其能夠清潔床，沙發(fā)，茶幾等家具的下部位置。其相應(yīng)的充電站有紅外發(fā)射、工作時(shí)間設(shè)定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個(gè)功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導(dǎo)航信號(hào)來(lái)指引機(jī)器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務(wù)；同時(shí)能夠根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的信息來(lái)控制機(jī)器人完成相應(yīng)的操作。
松下電器產(chǎn)業(yè)公司在 2002 年上半年推出了家庭用清潔機(jī)器人的試制機(jī)。該機(jī)器人可以根據(jù)房間的形狀、地板狀況、垃圾量進(jìn)行自動(dòng)清掃，還配備有避開(kāi)墻壁、爐子等熱源以及障礙的安全功能；該機(jī)器人配備有50個(gè)傳感器可一邊自動(dòng)行走一邊進(jìn)行清掃，工作時(shí)首先沿房間四周走一圈，記憶房間形狀，然后在避開(kāi)障礙物的同時(shí)開(kāi)始縱橫來(lái)回移動(dòng)，清潔工作完成后會(huì)自動(dòng)停止。該機(jī)器人清掃一般的日本式房間約需要9min，相當(dāng)于人打掃同樣大房間所需時(shí)間的1-1.5倍，可清掃房間地板的92％－93％；機(jī)器人利用光及超聲波的測(cè)距傳感器及感壓傳感器來(lái)避開(kāi)障礙物，機(jī)器人的內(nèi)置回轉(zhuǎn)傳感器用來(lái)控制行走姿勢(shì)以保持既定的行進(jìn)方向，但在地毯上行走時(shí)如果不采取措施則會(huì)受到“地毯花紋”影響而彎曲前進(jìn)，因此該公司在機(jī)器人中安裝了方向舵?zhèn)鞲衅鳎梢詸z測(cè)出由于地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進(jìn)方向偏差，因此即使在鋪有地毯的地板上也能夠直線(xiàn)前進(jìn)，機(jī)器人體內(nèi)還安裝有防止從臺(tái)階等高處滾下的落差傳感器、感知暖爐等熱源的熱傳感器、檢測(cè)自身所受外力大小的重量傳感器及防滑傳感器、檢測(cè)添加動(dòng)力的負(fù)載傳感器，機(jī)器人同普通的障礙物最少保持10cm的距離，而在探測(cè)到熱源時(shí)，將會(huì)同熱源至少保持50cm的距離。
瑞典家電制造商伊萊克斯（EIectoIux)研制生產(chǎn)的清潔機(jī)器人小“三葉蟲(chóng)”高13mm，直徑35mm，表面光滑,呈圓形，內(nèi)置搜索雷達(dá)，可以迅速地探測(cè)到并避開(kāi)桌腿、玻璃器皿、寵物或任何其它障礙物。一旦微處理器識(shí)別出這些障礙物，它可重新選擇路線(xiàn)，并對(duì)整個(gè)房間做出重新判斷與計(jì)算，以保證房間的各個(gè)角落都被清掃。在樓梯的臺(tái)階等一些沒(méi)有天然障礙物的地方，只要有一條磁鐵，小“三葉蟲(chóng)”便不會(huì)跨越。小“三葉蟲(chóng)”開(kāi)始啟動(dòng)后，體內(nèi)的搜索雷達(dá)會(huì)探測(cè)出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡。這樣它便能探測(cè)出整個(gè)房間的格局，計(jì)算出清掃整個(gè)房間所需的時(shí)間。只要一接近一件障礙物，它便會(huì)重新設(shè)定行進(jìn)路線(xiàn)，不會(huì)漏掉每一個(gè)角落。電線(xiàn)或地毯的邊緣不會(huì)被認(rèn)作是障礙物。小“三葉蟲(chóng)”的吸刷裝置中裝有一只專(zhuān)利設(shè)計(jì)滑輪，可以越過(guò)電線(xiàn)或地毯邊緣，不被絆住。電源不足時(shí)，小“三葉蟲(chóng)”會(huì)自動(dòng)回到充電卡座自行充電。 如果此時(shí)房間還沒(méi)有清掃完畢，小“三葉蟲(chóng)”還有記憶功能，充好電后自己回到原處繼續(xù)吸塵。
2003年11月，三星公司推出一款代號(hào)為 VC-RP30W 的機(jī)器人吸塵器。VC-RP30W主要依靠3D地圖技術(shù)來(lái)進(jìn)行定位，并能靈巧地躲避障礙物，能夠快速、高效地對(duì)房間每個(gè)角落進(jìn)行吸塵。當(dāng)遇到障礙物或者死角等情況，VC-RP30W 會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強(qiáng)大的智能判斷系統(tǒng)使得VC-RP30W能輕易地分辨出垃圾與其他日常生活用品，機(jī)器人也允許用戶(hù)定義它的工作時(shí)間及清掃區(qū)域等，從而實(shí)現(xiàn)主人不在家時(shí)機(jī)器人也能進(jìn)行自動(dòng)清掃。事實(shí)上，用戶(hù)除了可以對(duì)它本身進(jìn)行設(shè)置以外，還能通過(guò)計(jì)算機(jī)查看安裝在機(jī)器人前部的攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。整個(gè)器人的電池能維持它連續(xù)工作50分鐘，而一旦電池處于即將耗盡的狀態(tài)時(shí)它自動(dòng)回到充電座補(bǔ)充能源，非常地智能化。它回充電站使用的是已經(jīng)生成的3D地圖，而不是像RC3000那樣使用紅外的導(dǎo)航信號(hào)
1.1.2國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研究情況
在國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也對(duì)清潔機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究并取得了一些成果，對(duì)清潔機(jī)器人相關(guān)技術(shù)如機(jī)器感知、機(jī)器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機(jī)器人控制、電源與電源管理、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的研究則更多，這些都為清潔機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)90年代開(kāi)始致力于這方面的研究，與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)出一種全方位移動(dòng)清掃機(jī)器人。該機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：采用全方位移動(dòng)技術(shù)，使機(jī)器人可執(zhí)行對(duì)狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開(kāi)放式機(jī)器人鉸制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬件可擴(kuò)展，軟件可移植、可繼承，使機(jī)器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實(shí)時(shí)避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)行方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)吸塵腔路的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。浙江大學(xué)于1999年初在浙江大學(xué)機(jī)械電子研究所開(kāi)始進(jìn)行智能吸塵機(jī)器人的研究，兩年后設(shè)計(jì)成功國(guó)內(nèi)第一個(gè)具有初步智能的自主吸塵機(jī)器人。這種智能吸塵機(jī)器人工作時(shí)，首先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)：利用超聲波傳感器測(cè)距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時(shí)獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時(shí)間；之后，利用隨機(jī)和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結(jié)束以后，自行回到充電座補(bǔ)充電力。吸塵機(jī)器人在5.5×3.5m2的實(shí)際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達(dá)到90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗(yàn)還沒(méi)有進(jìn)行。目前，系統(tǒng) 正在引入機(jī)器視覺(jué)和全局定位功能，力圖在多房間環(huán)境下，提高自定位能力、智 能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。KV8保潔機(jī) 器人是今年在市場(chǎng)以低價(jià)位賣(mài)得比較火的一款產(chǎn)品， 也是國(guó)內(nèi)首個(gè)產(chǎn)品化清掃機(jī)器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂(lè)場(chǎng)所，以及其它一些人員不便進(jìn)入的地方。KV8能夠通過(guò)自身的碰撞傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)的清掃和碰撞處理，需要人工對(duì)其電池進(jìn)行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動(dòng)時(shí)伴有音樂(lè)聲。
1.2研究的目的和意義
吸塵機(jī)器人將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作，近年來(lái)已受到國(guó)內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自主式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。從市場(chǎng)前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于家庭和公共場(chǎng)館的室內(nèi)清潔。因此，開(kāi)發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場(chǎng)前景。融合現(xiàn)代傳感器以及機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開(kāi)發(fā)一部?jī)r(jià)格便宜，全區(qū)域覆蓋，能夠充分滿(mǎn)足家庭需求且方便適用的智能家庭清掃機(jī)器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式，使家庭生活電氣化、智能化，使科技更好地為人類(lèi)服務(wù)。
2家用清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)
全自主吸塵器通?？捎?個(gè)主要部分組成：控制器部分、行走驅(qū)動(dòng)部分、傳感器部分、吸塵部分和電源部分。行走驅(qū)動(dòng)部分是吸塵機(jī)器人的主體，決定了吸 塵器的運(yùn)動(dòng)空間，一般采用輪式機(jī)構(gòu)。傳感器部分一般采用超聲波測(cè)距儀、接觸和接近傳感器、視覺(jué)傳感器、紅外線(xiàn)傳感器和CCD攝像機(jī)等。這種吸塵器實(shí)際上融合了移動(dòng)機(jī)器人和吸塵器技術(shù)，故稱(chēng)為智能吸塵器或吸塵機(jī)器人。隨著近年 來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)己具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。目前發(fā)展較快、對(duì)吸塵機(jī)器人發(fā)展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是：傳感器技術(shù)、環(huán)境建模、定位、路徑規(guī)劃技術(shù)。
2.1傳感技術(shù)
傳感器是機(jī)器人的感覺(jué)器官，負(fù)責(zé)采集外界環(huán)境和自身狀態(tài)的信息。根據(jù)采 集信息的種類(lèi)可以分為內(nèi)傳感器和外傳感器。 內(nèi)傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)自身狀態(tài)的 信息，包括編碼器、陀螺儀、電子羅盤(pán)等。外傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)外部信息，包 括CCD視覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感 器。超聲波、紅外和接觸傳感器，具有價(jià)格低廉、工作可靠、速度快的優(yōu)點(diǎn)，廣 泛應(yīng)用于機(jī)器人的局部無(wú)碰撞導(dǎo)航。 激光雷達(dá)是應(yīng)用較為廣泛的一種全局信息獲 取手段，可以進(jìn)行定位和環(huán)境建模，但是所提供的信息不全面，并且價(jià)格較高， 限制了其應(yīng)用范圍。而CCD器件可以提供類(lèi)似人類(lèi)的視覺(jué)信息，隨著技術(shù)的發(fā) 展，其價(jià)格越來(lái)越低，在車(chē)牌識(shí)別、人臉識(shí)別、無(wú)人監(jiān)控、遙感圖像等領(lǐng)域得到 越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是圖象處理的數(shù)據(jù)量大，算法復(fù)雜，特征提取和深度信息 回復(fù)困難，所以在機(jī)器人視覺(jué)方面的應(yīng)用還是有限的。隨著集成電路的發(fā)展和計(jì) 算機(jī)視覺(jué)的深入研究，CCD視覺(jué)傳感器必將成為機(jī)器人環(huán)境感知的主要來(lái)源， 同時(shí)促使機(jī)器人智能產(chǎn)生飛躍。
2.2路徑規(guī)劃技術(shù)
吸塵機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息,按照某種 優(yōu)化指標(biāo),在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無(wú)碰撞的路徑,并且實(shí)現(xiàn)所 需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。機(jī)器人路徑規(guī)劃研究開(kāi)始于 20 世紀(jì) 70 年代, 目前對(duì)這一問(wèn)題研究仍舊十分活躍。 其主要研究?jī)?nèi)容按機(jī)器人工作環(huán)境不同可分 為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動(dòng)態(tài)已知環(huán)境和動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境,按機(jī)器人獲取環(huán)境信息的 方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。 對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題,目前有具體的解析算法。但由于解析算法牽涉到復(fù)雜的橢 圓積分問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)起來(lái)依然具有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)機(jī)器人對(duì)環(huán)境信息知道的程度 不同,可以分為兩種類(lèi)型:環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未 知或部分未知,通過(guò)傳感器在線(xiàn)地對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測(cè),以獲取障礙物 的位置、形狀和尺寸等信息的局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑 搜索策略?xún)蓚€(gè)子問(wèn)題。其中環(huán)境建模的主要方法有:可視圖法(V-Graph)、自由空 間法 (Free Space Approach)和柵格法(Grids)等。
2.3吸塵技術(shù)
真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇在機(jī)體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流,將塵埃和臟物通過(guò)吸口吸入機(jī)體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。吸塵系統(tǒng)包括濾塵器、集塵袋、排氣管以及其他一些附件。其吸塵能力取決于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。最近,澳大利亞 Jetfan公司又開(kāi)發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個(gè)吸塵器是一個(gè)全封閉系統(tǒng), 既無(wú)外部氣體吸入,也無(wú)機(jī)內(nèi)氣體排除,所以就無(wú)需濾塵器、集塵袋、排氣管等附件。其原理是利用附壁效應(yīng)去形成低壓渦流氣體,最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi)的渦流腔內(nèi)。在英國(guó)Dyson公司最近推出的 DC06 型智能吸塵器中就采用了這種技術(shù)。
吸塵技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)按功能分為五個(gè)部分： 1、動(dòng)力部分：吸塵器電機(jī)和調(diào)速器。調(diào)速器分手控、機(jī)控。電機(jī)：有銅線(xiàn)電機(jī)和鋁線(xiàn)電機(jī)之分。銅線(xiàn)電機(jī)有耐高溫、壽命長(zhǎng)、單次操作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較鋁線(xiàn)比較高；鋁線(xiàn)電機(jī)有著價(jià)格低廉的特點(diǎn)，但是耐溫性較差、熔點(diǎn)低、壽命不及銅線(xiàn)長(zhǎng)。2.過(guò)濾系統(tǒng)：塵袋、前過(guò)濾片、后過(guò)濾片。按過(guò)濾材料不同又分：紙質(zhì)、布質(zhì)、SMS、海帕（HEPA高效過(guò)濾材料）。3.功能性部分：收放線(xiàn)機(jī)構(gòu)、塵滿(mǎn)指示、按鈕或滑動(dòng)開(kāi)關(guān)。4．保護(hù)措施：無(wú)塵袋保護(hù)、真空度過(guò)高保護(hù)、抗干擾保護(hù)（軟啟動(dòng)）、過(guò)熱保護(hù)、防靜電保護(hù)。
吸塵原理：吸塵器的風(fēng)機(jī)葉輪在電動(dòng)機(jī)高速驅(qū)動(dòng)下，將葉輪中的空氣高速排 出風(fēng)機(jī)，同時(shí)使吸塵部分內(nèi)空氣不斷地補(bǔ)充進(jìn)風(fēng)機(jī)。這樣不妨與外界形成較高的壓差。吸嘴的塵埃、臟物隨空氣被吸入吸塵部分，并經(jīng)過(guò)漏器過(guò)漏，將塵埃、臟物收集與塵筒內(nèi)。
2.4電源技術(shù)
移動(dòng)電源在吸塵機(jī)器人中的地位十分重要,可以說(shuō)是它的生命源。移動(dòng)電源需要同時(shí)滿(mǎn)足吸塵機(jī)器人的多種能源需要,如為移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力,為控制電路提供穩(wěn)定的電壓和為吸塵操作模塊提供能源等。在這一領(lǐng)域,一般采用化學(xué)電池作為移動(dòng)電源。理想的電源應(yīng)該能夠在放電過(guò)程中保持恒定的電壓、內(nèi)阻小以便 快速放電、可充電以及成本低等。但實(shí)際上沒(méi)有一種電池可同時(shí)具備上述優(yōu)點(diǎn),這就要求設(shè)計(jì)人員選擇一種合適的電池,盡可能增加吸塵機(jī)器人的不間斷工作時(shí)間。
3 家用清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)
3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)組成
整個(gè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以分為：2個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，前輪系統(tǒng)，吸塵系統(tǒng)。
3.2家用清潔機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
3.2.1外形設(shè)計(jì)
根據(jù)家庭清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)該包括清掃機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)，其中清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。通過(guò)在網(wǎng)上搜索一些相關(guān)資料，初步把機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)為長(zhǎng)寬均為400mm高為200mm的長(zhǎng)方體，但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的不合理之處，周邊有棱角的機(jī)器人在躲避障礙物是很不便，非常容易碰到障礙物，而圓形物體則比較容易避開(kāi)障礙物。因而最終把機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)為直徑為300mm的圓盤(pán)形，其外部輪廓大體如圖3.2.1所示
圖3.2.1 機(jī)器人外形
3.2.2行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑為0，在機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)中采用兩輪驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱(chēng)分布在清掃機(jī)構(gòu)的后方，兩個(gè)輪子和刷子支撐機(jī)體工作和運(yùn)動(dòng)，這樣設(shè)計(jì)既節(jié)省材料，又可以使刷子和地面全面的接觸，從而利于更徹底的清掃。在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過(guò)控制行走機(jī)構(gòu)的兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而控制兩個(gè)輪子，通過(guò)輪子的前后差速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)體的轉(zhuǎn)彎半徑為0
圖3.2.2行走機(jī)構(gòu)
3.2.3清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)清掃機(jī)構(gòu)中想到了兩種方案：
（1）電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪1，錐齒輪1帶動(dòng)錐齒輪2，錐齒輪2上的軸連接滾刷，從而實(shí)現(xiàn)清掃
（2） 電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個(gè)蝸輪分別接皮帶輪，皮帶輪上的軸連接滾刷，從而實(shí)現(xiàn)清掃
由于機(jī)器人體積受限制，以及考慮傳動(dòng)平穩(wěn)等要素，選擇方案2作為本次清掃機(jī)構(gòu)。方案1中錐齒輪傳動(dòng)不如斜齒輪平穩(wěn)，同時(shí)錐齒輪所占的體積較大，所以排除。方案2中，蝸輪蝸桿通過(guò)兩邊加皮帶輪，縮短了蝸輪蝸桿的中心距，從而減小了機(jī)器的重量，同時(shí)有利于安裝，因此選擇方案2作為本次設(shè)計(jì)所需清掃機(jī)構(gòu)。
3.2.4吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
因?yàn)樗O(shè)計(jì)的機(jī)器人它的體積有限制，在直徑為三百，高為一百五十的圓內(nèi)要放置有行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)，同時(shí)還得留下放電池、控制中心。故將吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)置如圖3.2.4所示
圖3.2.4吸塵裝置
此機(jī)構(gòu)通過(guò)盤(pán)刷清掃垃圾進(jìn)入吸塵盒，同時(shí)風(fēng)筒開(kāi)始工作，將灰塵吸入隔塵罩的內(nèi)部空間中。
4 具體計(jì)算
4.1電機(jī)選擇
初步估計(jì)機(jī)器的總重量為10千克，g 取9.8N/kg，則重力G=10*9.8=98N，采用3輪運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，則每個(gè)輪子所受的力F=G/3=98/3=32.7N
按橡膠在理想路面行走，則滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.015，滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.25
則：滾動(dòng)摩擦阻力Mf=F*f=32.7*0.015=0.49N
滑動(dòng)摩擦阻力Ff=F*μ=32.7*0.25=8.17N
輪子半徑為r=20mm
阻力矩Tw=（Mf+Ff）*r=173.15 N.mm
電機(jī)所需功率 式中： Tw=0.173N.m
由==238.85 r/min
取hw=0.7
=6.18 w
輸出功率 ==0.86
則 w
考慮到機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)要求其轉(zhuǎn)彎半徑為零，這樣就要求兩個(gè)和電機(jī)相連的輪子在轉(zhuǎn)彎時(shí)必須差速運(yùn)轉(zhuǎn)從而才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零。而要實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)轉(zhuǎn)則要求電機(jī)具有調(diào)速功能。
4.2蝸輪蝸桿的選擇
（1）因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)所用的蝸桿和蝸輪是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)功率的輸入部分，是機(jī)器人結(jié)構(gòu)中最重要的部分，所以選蝸桿軸材料為40Cr，表面淬火，硬度45～50HRC, 蝸輪齒圈材料為ZcuSn10Pb1,金屬模鑄造
確定許用應(yīng)力：應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，j嚙合次數(shù)，n2蝸輪轉(zhuǎn)速，lh壽命
查表得： MPa； MPa
MPa；52 MPa
（2） 確定Z1，Z2
根據(jù)傳動(dòng)比I=7.25，參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》參數(shù)表，取Z1=4,Z2=29
（3）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》確定基本參數(shù)：；；
?，當(dāng)Z1=4時(shí)，h=0.7~0.75，取h=0.7；代入①式得
N.mm
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得：，代入強(qiáng)度公式得
㎜
按接觸強(qiáng)度要求 ，查表選取，㎜，，，，，中心距㎜，
（4）驗(yàn)算初設(shè)參數(shù)
蝸輪圓周速度 m/s，選值符合
滑動(dòng)速度 m/s，所選材料合適
蝸桿傳動(dòng)效率，根據(jù) m/s，查表得
，與初選值不符，所以傳動(dòng)效率應(yīng)適當(dāng)降低。
（5）驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和剛度
蝸輪當(dāng)量齒數(shù)，查得齒形系數(shù)；
則=0.917，代入①中，滿(mǎn)足要求。
（6）蝸輪蝸桿幾何尺寸
蝸桿齒頂圓直徑：，其中=1
蝸桿齒根圓直徑:，其中
蝸輪喉圓直徑：，其中
蝸輪齒根圓直徑:
蝸輪咽喉母圓半徑：
由于蝸桿傳動(dòng)效率低所以工作時(shí)產(chǎn)生的熱量相對(duì)較大。對(duì)閉式蝸桿傳動(dòng)，摩擦所產(chǎn)生的熱量將通過(guò)箱體散發(fā)到周?chē)諝庵腥?。本設(shè)計(jì)中蝸桿傳動(dòng)產(chǎn)生的熱量直接散發(fā)到集體內(nèi)，通過(guò)吸塵時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)力將熱量排帶機(jī)體外。因?yàn)槲仐U傳動(dòng)的效率主要取決于嚙合效率，而蝸桿分度圓導(dǎo)程角對(duì)嚙合效率其主要影響，導(dǎo)程角大于 30 度以后嚙合效率增加不顯著且蝸桿加工也較困難，所以本設(shè)計(jì)中蝸桿導(dǎo)程角小于30度，同時(shí)減小了中心距進(jìn)而減小了蝸桿的直徑，從而提高了嚙合效率，因而進(jìn)一步提高了蝸桿的傳動(dòng)效率。
4.3電池的選用
工作環(huán)境對(duì)清潔機(jī)器人的能源提出了特殊要求，目前清潔機(jī)器人基本上都采用電池作為能源。作為機(jī)器人能源的一次電池要求能量密度高、自放電少、可靠性高，一次電池有錳干電池、堿性錳電 池、鉀電池、汞電池、氧化銀電池等。干電池應(yīng)用范圍廣，使用溫度越高，電壓、容量都同時(shí)增大，但有可能造成自放電和產(chǎn)生氣體，使用溫度可達(dá)５０℃－６０℃，在０℃以下容量急劇減少。堿性錳電池適合于大電流放電，放電容量很大，尺寸與干電池相同，具有互換性。銼電池電動(dòng)勢(shì)高、能量密度高、工作溫度范圍大、自放電少，正逐步走向?qū)嵱没?是一種非常好的機(jī)器人能源。 二次電池又叫蓄電池，有鉛酸電池、銀鋅電池、鎳鎬電池和鎳鋅電池等。鉛酸電池是一種比較好的機(jī)器人能源，電壓高、壽命長(zhǎng)、可高比率放電、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、工藝成熟，但能量密度低。銀鋅電池是現(xiàn)有二次電池中輸出功率最大、能量最高的電池，自放電速度慢，機(jī)械強(qiáng)度高，可短期超負(fù)荷放電，放電電壓平穩(wěn)，但價(jià)格貴、充電時(shí)間長(zhǎng)、壽命短、充電次數(shù)少。鎳鎬電池和鎳鋅電池電壓低、價(jià)格貴，應(yīng)用較少。燃料電池有堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體電解質(zhì)燃料電池等，燃料電池體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、效率高、無(wú)污染，是一種非常好的清潔機(jī)器人用電源，但總的來(lái)說(shuō)，目前還處于研究開(kāi)發(fā)階段。由以上對(duì)各種電池的分析，同時(shí)考慮到本次設(shè)計(jì)的要求，選用鉛酸電池比較合理，因?yàn)殂U酸電池是一種比較好的機(jī)器人能源，電壓高、壽命長(zhǎng)、可高比率放電、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、工藝成熟，可降低制造家庭清潔機(jī)器人的總成本，因而本次設(shè)計(jì)選用兩組鉛酸電池作為機(jī)器人的能量來(lái)源。
4.4清掃機(jī)構(gòu)中蝸桿上軸承壽命計(jì)算
（1）軸承壽命公式：
其中：P-為當(dāng)量動(dòng)載荷
-為壽命指數(shù)，球軸承，滾子軸承
n-軸承轉(zhuǎn)速r/min
C-基本額定動(dòng)載荷，查表的
（2）計(jì)算角接觸軸承當(dāng)量動(dòng)載荷
公式：
其中：X-為徑向載荷系數(shù)； Y-為軸向載荷系數(shù)
軸向受力如圖所示
圖4.1軸承受力圖
經(jīng)計(jì)算解得Fr=0.081N
Fa=0.015 N
由已知條件可知，軸承是關(guān)于蝸輪對(duì)稱(chēng)的，所以左右距離相等，所以軸承所受的徑向載荷N，又因?yàn)檩S的重力作用在軸承上，軸承大約承受0.1N，所以
派生軸向力N
又因?yàn)镹，所以軸承1被壓緊，軸承2被放松，軸向載荷,
,校核軸承1即可，
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13-5，13-6得，，，
所以，符合要求
4.5蝸輪軸的校核
軸上能使產(chǎn)生彎距的力有 , N，N ，兩個(gè)力在互相垂直的兩個(gè)平面上，L=62mm，d=20mm如圖4.2所示
圖4.2受力示意圖
彎矩圖如4.3所示
圖4.3彎矩圖
所以，合成彎矩
軸的材料為45鋼調(diào)質(zhì)，查表，得，所以符合強(qiáng)度要求。
5 總結(jié)與展望
5.1總結(jié)
雖然自主吸塵機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)步,進(jìn)入了實(shí)用階段,但是自主能力、工作效率方面還不理想,需要在技術(shù)上解決傳感器技術(shù)、定位和環(huán)境建模技術(shù).在此基礎(chǔ)上,自主吸塵機(jī)器人可以向著高度智能化、多功能集成、低成本的方向發(fā)展?，F(xiàn)在的自主吸塵機(jī)器人在行為上還處于“低級(jí)生物”的階段,環(huán)境感知能力有限,對(duì)路徑的規(guī)劃只是隨機(jī)的方式或者是基于局部環(huán)境信息的規(guī)劃方式。在復(fù)雜環(huán)境和多房間的環(huán)境下,這種工作方式的效率會(huì)銳減。因此,建立CCD視覺(jué)系統(tǒng), 融合多種傳感器進(jìn)行定位和環(huán)境建模,實(shí)現(xiàn)全局路徑規(guī)劃,將是一個(gè)重要的研究方向.同時(shí),算法必須考慮系統(tǒng)的處理速度、存儲(chǔ)空間的限制。自主吸塵機(jī)器人是一個(gè)可移動(dòng)的智能平臺(tái),在吸塵功能之外可以進(jìn)行功能擴(kuò)展,比如進(jìn)行家電控制、房間環(huán)境監(jiān)測(cè)(防止火災(zāi)、電器故障、盜竊等).這方面的市場(chǎng)需求已經(jīng)被Tmsuk和三洋公司抓住,并在2002年發(fā)布了兩款這樣的機(jī)器人。
5.2展望
盡管目前價(jià)廉物美的吸塵器給人們的清潔工作帶來(lái)了一定的便利,但過(guò)大的噪音依然讓大多數(shù)使用者望而卻步。吸塵機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)新產(chǎn)品,將使人們能在無(wú)人看守情況下輕松地完成室內(nèi)環(huán)境的吸塵等清潔工作。因此,只要生產(chǎn)成本兼顧到日用電器批量大、價(jià)格低的特點(diǎn),吸塵機(jī)器人將具有誘人的市場(chǎng)前景,有關(guān)資料也預(yù)測(cè)吸塵機(jī)器人是未來(lái)幾年需求量最大的服務(wù)機(jī)器人。 特別是日用清潔電器不論是在市場(chǎng)上或者是在產(chǎn)品的創(chuàng)新上,絕對(duì)是所有小家電產(chǎn)品中最活躍的,未來(lái)仍有相當(dāng)大的成長(zhǎng)空間。盡管目前國(guó)內(nèi)外在吸塵機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過(guò)高和許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚急待解決或提高,主要有以下幾個(gè)方面:
(1)目前,價(jià)格過(guò)高是嚴(yán)重影響吸塵機(jī)器人打入家電市場(chǎng)的主要因素,因此為了大幅度降低其成本,我們必須開(kāi)發(fā)專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)字處理芯片以及微型傳感器。其次,應(yīng)該看到藍(lán)牙技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景,通過(guò)采用藍(lán)牙技術(shù)將過(guò)高的數(shù)字處理器成本轉(zhuǎn)移到用戶(hù)的個(gè)人電腦上,則有望在短期內(nèi)將吸塵機(jī)器人的成本控制在千元左右。
(2)未來(lái)的吸塵機(jī)器人將向智能化和自主式發(fā)展,因此我們必須結(jié)合現(xiàn)有的基于自適應(yīng)控制、模糊邏輯、遺傳算法等的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制技術(shù),研究開(kāi)發(fā)出對(duì)環(huán)境變化具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性、對(duì)環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制器,使吸塵機(jī)器人完成與人工操作質(zhì)量相同甚至更好的吸塵工作。
(3)為了有效地提高清潔的質(zhì)量,還需要對(duì)現(xiàn)有的吸塵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)環(huán)境的臟潔程度,采用模糊邏輯等技術(shù)設(shè)計(jì)合理的吸塵時(shí)間以及相協(xié)調(diào)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度,確保滿(mǎn)意的吸塵效果。
(4)電源技術(shù)是吸塵機(jī)器人的核心之一,除了有效地提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和吸塵速度以延長(zhǎng)電池的實(shí)際吸塵時(shí)間外,還尚需優(yōu)化自動(dòng)充電方案,保證機(jī)器人能及時(shí)進(jìn)行充電,自動(dòng)完成對(duì)指定環(huán)境的吸塵任務(wù)。隨著吸塵機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)和性能價(jià)格比的不斷提高或改進(jìn),相信根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件,未來(lái)幾年內(nèi)就會(huì)推出價(jià)格適中的全自動(dòng)吸塵機(jī)器人產(chǎn)品,進(jìn)而使吸塵機(jī)器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù),為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來(lái)可觀的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 濮良貴，紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)第八版[M].北京：高等教育出版社，2006.5
[2] 羅迎社. 材料力學(xué). 武漢：武漢理工大學(xué)出版社[M]，2010.7
[3] 趙又紅，周知進(jìn). 機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2011.5
[4] 張建民. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三版[M].北京：高等教育出版社，2007.7
[5] 王先逵. 機(jī)械制造工藝學(xué)第二版[M[.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1
致 謝
本論文在李明富導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師淵博的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)于律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無(wú)法、平易近人的人格魅力對(duì)本人影響深遠(yuǎn)。不僅使本人樹(shù)立了遠(yuǎn)大的學(xué)習(xí)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使本人明白了許多為人處事的道理。本次論文從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。在此，謹(jǐn)向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x！在寫(xiě)論文的過(guò)程中，遇到了很多的問(wèn)題，在老師的耐心指導(dǎo)下，問(wèn)題都得以解決。
不積跬步何以至千里，本設(shè)計(jì)能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握和運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向湘潭大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院的全體老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來(lái)的辛勤栽培。
雖然我的論文作品不是很成熟，還有很多不足之處，但是這里面的每一點(diǎn)資料，都有我的勞動(dòng)，讓我在本次設(shè)計(jì)中也學(xué)到了許多。
最后還要感謝各位老師抽出寶貴的時(shí)間對(duì)我的設(shè)計(jì)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，再次表達(dá)我最由衷的感謝！
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