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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 家用清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號： 2010962923＿＿＿＿ 姓 名：＿＿＿＿＿劉鑫＿＿＿＿＿＿ 指導(dǎo)教師：＿＿＿＿ 秦衡峰＿＿＿＿＿＿ 完成日期： 2014 年 5月 20日＿＿＿＿ 目錄 摘要 …………………………………………………………………1 第一章 前言 1.1題目要求 ………………………………………………………3 1.2國內(nèi)外產(chǎn)品研究狀況 …………………………………………4 1.2.1 國外產(chǎn)品研究狀況 ………………………………………………………4 1.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 ………………………………………………………9 1.2.3 自主充電技術(shù)研究現(xiàn)狀 …………………………………………………10 1.3研究的目的和意義 ……………………………………………11 1.4設(shè)計的重點和難點 ………………………………………………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) …………………………………………………………12 2.2路徑規(guī)劃技術(shù) ……………………………………………………12 2.3吸塵技術(shù) …………………………………………………………12 2.4電源技術(shù) …………………………………………………………13 第三章 清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計 3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理 ………………………………………13 3.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成 ……………………………………………………………14 3.1.2 工作原理 …………………………………………………………………16 3.2清潔機(jī)器人總體設(shè)計 ……………………………………………17 3.2.1 機(jī)器人外形設(shè)計 …………………………………………………………17 3.2.2 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計 …………………………………………………18 3.2.3 清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計 …………………………………………………………18 3.2.4 吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………………………21 3.2.5 垃圾收集處理機(jī)構(gòu)設(shè)計 …………………………………………………22 第四章 具體計算 4.1電機(jī)選擇 ………………………………………………………24 4.2 蝸輪蝸桿的選擇 ………………………………………………25 4.3 清掃機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇 …………………………………………26 4.4 家用清掃機(jī)器人電池的選用 …………………………………26 4.5 清掃機(jī)構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計算 ………………………27 4.6 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 …………………………………………………………30 5.1.1 高度智能化 …………………………………………………………………30 5.1.2 功能擴(kuò)展 ……………………………………………………………………30 5.1.3 低成本化 ……………………………………………………………………30 5.2展望 ………………………………………………………………30 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………31 致謝 ……………………………………………………………………32 0 摘要 二十一世紀(jì)是清潔環(huán)保的時代，中國新興的清洗產(chǎn)業(yè)必將迅猛發(fā)展。當(dāng)今， 各種綠色、環(huán)保的清洗技術(shù)不斷地推出，新型產(chǎn)品和機(jī)械設(shè)備不斷涌現(xiàn)，清洗 產(chǎn)業(yè)也幾乎滲透到所有的工業(yè)服務(wù)領(lǐng)域，以及社會生活服務(wù)的各個方面，直至 深入到人們的日常衣食住行中。人類生活水平不斷提高的今天，無論從環(huán)境美 化、節(jié)能增效，還是從人們精神生活需要的角度，清潔業(yè)的全面進(jìn)步已經(jīng)并正 在成為市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可缺少的推動力，能為社會環(huán)保事業(yè)做出不可忽視的貢 獻(xiàn)。 清潔機(jī)器人又稱智能吸塵機(jī)器人或自動吸塵器，它涉及到機(jī)械、電子和計算機(jī) 等相關(guān)知識，是將移動機(jī)器人技術(shù)和清潔技術(shù)融為一體，模仿人體清潔動作的 高新技術(shù)產(chǎn)品。它不僅節(jié)省了勞動力資源，而且還解決了人類在復(fù)雜惡劣的環(huán) 境之下不能持續(xù)工作的問題。近年來隨著科技和社會的不斷進(jìn)步和發(fā)展，已受 到國內(nèi)外的重視，成為服務(wù)性機(jī)器人一個新的研究方向，也成為目前家用電器 領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的熱門研發(fā)課題。 服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟(jì)各方面，并且起到了很大 的作用。服務(wù)機(jī)器人的研究和發(fā)展對我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很多的影響。清掃機(jī)器 人是當(dāng)今服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的一個熱門研究方向。本篇文章提出一種全方位地面 清掃機(jī)器人，主要面向家庭和辦公室等狹窄空間的清掃工作，主要通過闡述清 潔機(jī)器人在服務(wù)行業(yè)的重要性，對國內(nèi)現(xiàn)有家庭清掃機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì) 分析的基礎(chǔ)上，對清掃機(jī)器人的清掃功能做了一定改進(jìn)，讓讀者了解將來機(jī)器 人發(fā)展對社會發(fā)展的重要性，文章還寫了本人對我國機(jī)器人現(xiàn)狀的一些調(diào)查和 理解看法，在機(jī)器人發(fā)展中存在的一些影響因素，還有對機(jī)器人使用領(lǐng)域的一 些展望。 關(guān)鍵詞：服務(wù)機(jī)器人，清潔機(jī)器人，運動原理，清潔方式。 1 ABSTRACT The 21st century is the era of clean and environmental protection, China's emerging cleaning industry will be rapid development. Today, all kinds of green, environmentally friendly cleaning technology constantly launch, new products and mechanical equipment, cleaning industry also permeates nearly all industrial sectors, as well as to various aspects of social life, to go deep into the People's Daily food and clothing live line. Today, human's living standards continue to improve, both from the landscaping, energy conservation and efficiency, and from the perspective of people spiritual life need, the overall progress of cleaning industry has been and is become indispensable driving force, the market economy development socially significant contributions to environmental causes. Cleaning robot is also called intelligent vacuuming robot or automatic vacuum cleaner, it involves knowledge such as machinery, electronics and computer, mobile robot technology and clean technology integration, the imitation of human body cleaning action of high-tech products. It not only saves labor resources，but also solve the human in the complex can't continue to work under the harsh environment. In recent years, along with the advance of science and technology and society and the development, has brought to the attention of the domestic and foreign, to become a service robot is a new research direction, also become the home appliances is the most challenging in the field of the hot research topic. Service robots have infiltrated our lives, work and the economy, and played a large role. Service robot research and development of our economic development have a lot of influence. Cleaning robot is a hot research direction in the field of service robots. This article puts forward a comprehensive ground cleaning robot, mainly for home and office of narrow space such as cleaning work, mainly through the importance of cleaning robot in the service sector, in the domestic existing home cleaning robot mechanical system, on the basis of detailed analysis of the cleaning robot cleaning function to do a certain improvement, let the reader understand the importance of robots in the future development of the social development, the article also wrote himself on the current status of the robot in our country, based on some investigation and understanding in some influence factors existing in the development of the robot, and to use some prospects in the field of robot. Key words：Service robots, cleaning robot, motion principle, clean way. 2 第一章 前言 1.1題目要求 近年來，隨著計算機(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。其中，服務(wù)機(jī)器人開辟了機(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：一是勞動力成本的上升；二是人類 想擺脫枯燥乏味的體力勞動，如清沽、家務(wù)、照顧病人等；三是人口的老齡和 社會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)器人的一個主要特征就是服務(wù)機(jī)器人是一種適用于具體的方 式、環(huán)境及任務(wù)過程的機(jī)器人系統(tǒng)，其活動空間大，具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移 動性，因此服務(wù)機(jī)器人大多數(shù)是移動機(jī)器人。 自動進(jìn)行房間地面清潔的自主吸塵式家庭服務(wù)機(jī)器人，集機(jī)械學(xué)、電子技 術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科 為一體。自主吸塵機(jī)器人作為智能移動機(jī)器人實用化發(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，帶動了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動機(jī)器人技術(shù)、圖 像和語音識別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，本次設(shè)計的題目《家庭清掃機(jī)器人》 就是在這種背景下提出的，其具體設(shè)計要求如下： 設(shè)計家庭清潔機(jī)器人的工作內(nèi)容和要求： 運行機(jī)構(gòu)形式：滾輪式 最高行進(jìn)速度：0.5m／s 高度:<100mm 寬度:<400mm 清潔方式：掃刷、吸塵 一次充電連續(xù)工作時間： 0.8 小時 具有自動路徑規(guī)劃避障功能 具有自動充電裝置 1.2國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究 地面清潔機(jī)器人作為智能移動機(jī)器人實用化發(fā)展的先行者其研究始于 20 世 3 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 動了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動機(jī)器人技術(shù)圖像和語音識別傳 感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)結(jié)合國內(nèi)外的文獻(xiàn)將清掃機(jī)器人及其自動充電技術(shù) 的發(fā)展現(xiàn)狀闡述如下： 1.2.1國外產(chǎn)品研究狀況 對于機(jī)器人大家可能不會太陌生，工業(yè)機(jī)器人在很多領(lǐng)域都得到了比較廣 泛的應(yīng)用，但是對于家庭機(jī)器人我們所了解的卻相當(dāng)?shù)纳俣毡練W美等國家的 研究則比較領(lǐng)先，在一些發(fā)達(dá)國家，早已開始采用服務(wù)機(jī)器人的清掃工作，有 的都已經(jīng)投入市場，在實際中投入使用。 RC3000 是世界上第一臺能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機(jī)器人， 如圖 1-3 所示，它有光電傳感器和芯片控制，當(dāng)遇到障礙時，會隨機(jī)改變一個 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，保證在退 到不同污漬的地面時，可以調(diào)整其清潔程序，通過傳感器對于地板污漬的判斷， 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階時能夠自動避讓 不會掉落。扁平的設(shè)計使其能夠清潔床，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、工作時問設(shè)定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個 功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導(dǎo)航信號來指示機(jī)器人回到充電站完成充電 和垃圾處理的任務(wù)，同時能夠根據(jù)用戶設(shè)定的信息來控制機(jī)器人完成相應(yīng)的操 作。如圖 1-3 所示： 20 世紀(jì) 90 年代初，美國就推出了地面清潔機(jī)器人“Roboscrub” ，該機(jī)器 4 人采用超聲波傳感器檢測障礙物，并配有高精度激光導(dǎo)航系統(tǒng)。2002 年 9 月清 潔機(jī)器人“Roomba ”在美國面世，它重約 2KG，直徑為 30 英寸，具有高度自 主能力，可以游走于房間各家具縫隙間，靈巧完成清掃工作，據(jù)說這是將用于 軍事的“躲避地雷的移動技術(shù)”應(yīng)用到了吸塵器上， “Roomba”的動作有自動 遲緩但它卻能穩(wěn)定、安全地完成任務(wù)，由于能夠在完成任務(wù)后自動切斷電源， 所以可以在外出期間讓“Roomba”在家進(jìn)行清掃，如圖 2 所示： 圖 2 美國“Roomba”清掃機(jī)器人 2002 年 10 月 1 日瑞典的拉克斯電子公司與日本東芝公司共同開發(fā)的清潔機(jī) 器人“特里洛巴伊特”上市銷售， “特里洛洛伊特”主要由清掃機(jī)器和超聲波傳 感器構(gòu)成，在工作時可避開室內(nèi)擺放的各種家具用品，只要家庭主婦領(lǐng)著它搞 過一次清掃后，它便可以按行走過的清掃線路進(jìn)行自動清掃，這種機(jī)器人是充 電式的，每一次充電可連續(xù)工作 1 小時。 瑞典家電制造商伊萊克斯(Ekctdux)研制生產(chǎn)的清潔機(jī)器人小“三葉蟲”高 13mm 直徑 35 表面光滑，呈圓形，內(nèi)置搜索雷達(dá)，可以迅速地探測到并避開桌 腿、玻璃器皿、寵物或任何其它障礙物。一旦微處理器識別出這些障礙物，它 可重新選擇路線，并對整個房間做出重新判斷與計算，以保持房問的各個角落 都被清掃，在樓梯的臺階等一些沒有天然障礙物的地方，只要有一條磁鐵，小 “三葉蟲”便不會跨越，小“三葉蟲”開始啟動后體內(nèi)的搜索雷達(dá)會探測出距 離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡，這樣它便能探測出 整個房問的格局，計算出清掃整個房問所需的時間，只要接近一件障礙物它便 會重新設(shè)定行進(jìn)路線，不會漏掉每一個角落，電線或地毯的邊緣不會被認(rèn)作是 障礙物。小“三葉蟲”的吸刷裝置中裝一只專利設(shè)計滑輪，可以越過電線或地 毯邊緣不被絆住。電源不足時，小“三葉蟲”會自動回到充電卡座自行充電。 如果此時房間還沒有清掃完畢，小“三葉蟲”還有記憶功能，充好電后自己回 5 到原處繼續(xù)吸塵如圖所示： 圖 3 瑞典伊萊克斯(Ekctdux)公司清潔機(jī)器人小 “三葉蟲” 在日本，東日本鐵路公司、Shink 電器公司和 Howa 工業(yè)有限公司聯(lián)臺研制 了車站地面清掃機(jī)器人可沿墻壁從任何一個位置自動啟動利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子 將廢棄物掃入自帶容器中，該機(jī)器人可采用“磁導(dǎo)引方式” 、 “示教方式”或 “墻面復(fù)制方式”控制，東日本路公司富士工業(yè)有限公司 suba 實驗室和 JR 東 方設(shè)施管理有限公司聯(lián)合研制了車站地面擦洗機(jī)器人，該機(jī)器人工作時一面將 清洗液噴灑到地面上，一面用旋轉(zhuǎn)刷不停地擦洗地面，并將臟水吸入所帶的容 器中，機(jī)器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自動清洗系統(tǒng)有兩 種，一種是“面積設(shè)定模式” ，即將待清洗的面積分為若干個單位而積，按照其 存儲器中的單位面積識別其行使路線，機(jī)器人還可利用其傳感器識別和躲避障 礙物。另一種叫“路徑地圖模式” ，機(jī)器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行駛，機(jī)器人可 存 9 幅地圖，并可利用 IC 卡作為外存，在該模式下機(jī)器人不會避障，僅適用于 需要反復(fù)擦洗的指定地段。 東日本鐵路公司和東芝公司聯(lián)合研制的用于座椅布局簡單的列車內(nèi)部地面 清洗的機(jī)器人，其體積小、重量輕、易于出入車廂及在車廂之間，運動感知系 統(tǒng)采用超聲波距離傳感器和光學(xué)、接觸式的接近傳感器，機(jī)器人采用推算定位 法，利用編碼器中的數(shù)據(jù)，保持自己的位置和路徑，若探測到錯誤位置，機(jī)器 人會通過距離傳感器自動修正。高級的列車地面清洗包括掃除垃圾、噴灑清洗 液、擦洗、回收污水、用清水沖洗和給地面打蠟六個步驟，日本靜甲株式會社 6 的清水工廠開發(fā)出一種自動清掃機(jī)器人，可用于各種工廠的清掃工作，機(jī)器人 采用光纖陀螺控制機(jī)器人的方向采用編碼器和超聲波傳感器測距，采用光學(xué)探 測器探測障礙物機(jī)器人的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺傳感器，一旦 機(jī)器人與人接觸，觸覺傳感器信號會使機(jī)器人停下來以保證人的安全，松下和 日立公司研制出了可清掃磚地木質(zhì)地板和地毯地面的清潔機(jī)器人，該機(jī)器人采 用蓄電池作為動力源可自動去充電站充電，能夠自主避障和路徑規(guī)劃。 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)行自動清掃，還配備有避開墻壁 爐子等熱源以及障礙的安全功能，該機(jī)器人配備有 50 個傳感器，可以一邊自動 行走一邊進(jìn)行清掃，工作時首先沿房間四周走一圈，記憶房間形狀，然后在避 開障礙物的同時開始縱橫來回移動，清潔工作完成后會自動停止。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距傳感器及感應(yīng) 傳感器來避開障礙物，機(jī)器人的內(nèi)置回轉(zhuǎn)傳感器用來控制行走姿勢以保持既定 的行進(jìn)方向，但在地毯上行走時，如果不采取措施則會受到“地毯花紋”影響 而彎曲前進(jìn)，因此該公司在機(jī)器人中安裝了方向自舵?zhèn)鞲衅鳎梢詸z測出由于 地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進(jìn)方自偏差，由此即使在鋪有地毯的地板上也能夠直 線前進(jìn)。機(jī)器人體內(nèi)還安裝有防止從臺階等高處滾下的落差傳感器、感知暖爐 等熱源的熱傳感器器、檢測自身所受外力大小的重量傳感器及防滑傳感器、檢 測添加動力的負(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 在探測到熱源時將會同熱源至少保持 50cm 的距離。 英國 Dy son 公司最近推出一種型號為 DC06 的智能吸塵器，這是世界首次 開發(fā)研制的全自動吸塵機(jī)器人，這種機(jī)器人具有一定的人工智能，只需輕按開 關(guān)它就會為你解除每天打掃房間的煩惱。如圖 4 所示，吸塵機(jī)器人形狀呈 50 厘 米長的模型汽車狀，重 9.2 公斤左右，配置了 70 多個傳感器，可隨時將發(fā)現(xiàn)的 情況，告訴由 3 臺內(nèi)置電腦組成的“大腦” ，大腦每秒可發(fā)出 16 條命令來指揮 吸塵器的工作。充電后一按開關(guān)機(jī)器人會在瞬間通過所搭載的三臺小型計算機(jī) 和 70 個傳感器計算出自己所在位置、房問大小及臟亂程度、家具的配置等。要 是小孩或動物等外來物體接近吸塵器，它就會自動停止工作，接近樓梯口時吸 塵器會自動采用保護(hù)措施以防止?jié)L到樓下。使用時，只要打開電源選好速度按 下“走”鍵，吸塵器就會自動工作，其他程序都由它自己獨立完成，不過該產(chǎn) 品目前價格太高(4000 美元左右一臺 )，要真正推向市場還有相當(dāng)?shù)碾y度，如圖 4 所示： 7 圖 4 英國 Dy son 公司 DC 系列清掃機(jī)器人 澳大利亞的 FloorBotics 公司最近也研制出可自動行駛并打掃房間的 V4 型機(jī) 器人，如圖 1-5 所示，這種全自動吸塵器表面光滑，體積很小，呈圓形內(nèi)置搜 索雷達(dá)，可以搜索各種房問里的每一處，不會碰撞家具或其它障礙物，微處理 小電腦使它具備在拐至屋角處能探測方向選擇前進(jìn)路線的能力，只要一放在地 面上，全自動吸塵器便可自動開始工作，其搜索雷達(dá)會探測出距離最近的墻壁， 先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡，然后再不規(guī)則地來回于房間的其它 位置，并且能在接近障礙物之前迅速轉(zhuǎn)向。該吸塵機(jī)器人由于在主機(jī)的周圍 360 度配備了障礙物傳感器，因此可以在檢測墻壁及障礙物的同時打掃地面。 當(dāng)打掃完可以行駛的場所后，機(jī)器人就自動關(guān)閉電源，在經(jīng)過 4 個小時充電后 可以連續(xù)工作 1 個小時以上，通過更換配件還可以打掃地毯等，如果打掃沒有 障礙物的地面時，1 個小時可以打掃 360 平方米，不管房間的外形及面積的大 小，ARNA 導(dǎo)航算法引導(dǎo)機(jī)器人在任何房間的所有無遮掩區(qū)域四處運動來進(jìn)行清 潔工作，因為機(jī)器人導(dǎo)航沿房間的周圍，所以它要創(chuàng)建自己的空間參考圖，機(jī) 器人不需要任何編程教它應(yīng)該去哪里，該機(jī)器人操作簡單，僅有三個按鈕：開 始，結(jié)束以及暫停。人們只要簡單地將它放置在需要清掃的區(qū)域或房間中，按 下開始按鈕即可。如圖 1-5 所示： 8 2003 年 11 月，三星公司推出一款代號為 VC-RP30W 的機(jī)器人，如圖 1-6 所 示： VC-RP30W 主要依靠 3D 地圖技術(shù)來進(jìn)行定位，并能靈巧地躲避障礙物，能 夠快速、高效地對房間每個角落進(jìn)行吸塵。當(dāng)遇到障礙物或者死角等情況，VC- RP30W 會自動轉(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)器人也允許用戶定義它的工作時間及清掃 區(qū)域等，從而實現(xiàn)主人不在家時機(jī)器人也能進(jìn)行自動清掃。事實上，用戶除了 可以對它本身進(jìn)行設(shè)置外，還能通過計算機(jī)查看安裝在機(jī)器人前部的攝像頭進(jìn) 行遠(yuǎn)程遙控。整個機(jī)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)時它自動回到充電座補(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。 9 1.2.2國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 在國內(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 單位也對清潔機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究并取得了一定的成果，對清掃機(jī)器人相 關(guān)技術(shù)如機(jī)器人感知、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、動力驅(qū)動等技術(shù)的研究則更多，這些都為清潔機(jī)器人的研究開發(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)于 90 年代開始致力于這方面的研究，與香港中文大學(xué)合 作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動清掃機(jī)器人。該機(jī)器人具有如下特點：采 用全放位移動技術(shù)，使機(jī)器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開放 式機(jī)器人鉸制結(jié)構(gòu)，實現(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)境下的實時避障功能，能更好地適應(yīng) 不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運動兩種運動方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實 現(xiàn)吸塵腔路的自動轉(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)械電子研究所開始進(jìn)行智能吸塵機(jī)器人 的研究，兩年后設(shè)計成功國內(nèi)第一個左右初步能自主吸塵的機(jī)器人，這種智能 吸塵機(jī)器人工作時，首先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)，利用超聲波傳感器測距，與墻保持一 定距離行走，在清潔這角落的同時獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時間， 之后，利用隨機(jī)和局部規(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還沒有進(jìn)行。目前， 系統(tǒng)正在引入機(jī)器視覺和全局定位功能，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。如圖 1-7 所示： 圖 1-7 國產(chǎn) KV8 保潔機(jī)器人 KV8 保潔機(jī)器人是今年在市場上以低價位賣得比較火的一款產(chǎn)品，也是國 10 內(nèi)首個產(chǎn)品化清掃機(jī)器人。它廣泛適用于家庭辦公和娛樂場所，以及其它一些 人員不便進(jìn)入的地方。KV8 能夠通過自身的碰撞傳感器來實現(xiàn)隨機(jī)的清掃和碰 撞處理，需要人工對其電池進(jìn)行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動時伴 有音樂聲。 1.2.3電源自主充電技術(shù) 自主充電也是目前清掃機(jī)器人的主要研究問題，當(dāng)清掃機(jī)器人在清掃過程 中能夠自我感知電量不足時，將暫停清掃作業(yè)主動尋找充電站，進(jìn)行自動充電 的能力，也是表現(xiàn)機(jī)器人自主認(rèn)知能力的主要方面。20 世紀(jì) 40 年代末，G 熱 源 Walte 開發(fā)第一個自主充電的移動機(jī)器人名為：“Tortoises” ，這種機(jī)器人具 有在神經(jīng)學(xué)研究中想著光線走的行為。Walter 還發(fā)明了一個可以充電的小櫥， 櫥中有能夠發(fā)射光束的裝置和充電器，并把它當(dāng)作充電站。通過光纖束的引導(dǎo)， 機(jī)器人來到櫥前通過接觸從而自主充電，這個系統(tǒng)有如下的特征： (1)機(jī)器人的感知行為：感光； (2)充電站能夠發(fā)出機(jī)器人可以感知的光束； (3)能夠?qū)﹄姵睾统潆娖鬟M(jìn)行具有一定準(zhǔn)確性地對接。 1998 年 Tsukuba 大學(xué)成功開發(fā)出了一款可以自動充電的名為 Yamabico-Liv 的導(dǎo)游機(jī)器人。通過使用導(dǎo)航系統(tǒng)，該機(jī)器人能夠利用地圖自主導(dǎo)航繞越實驗 室的環(huán)境到達(dá)充電站，通過充電站上一特殊的裝置的作用實現(xiàn)自主充電。 因此，當(dāng)前對自主充電功能的設(shè)計研究也有很多。利用充電基站發(fā)出紅外 線信號，幫助清掃機(jī)器人尋找充電站的位置是目前已經(jīng)研究成熟的方法?；?對正在工作的清掃機(jī)器人兩種相對離充電基站遠(yuǎn)近不同的信號，但當(dāng)機(jī)器人收 索不到信號時，會根據(jù)已經(jīng)建立的地圖去尋找充電位置，按照相應(yīng)路徑規(guī)劃去 靠近基站，直到收到信號為止。如德國的凱馳 RC30000 的清掃機(jī)器人就利用類 似的原理自動充電。國內(nèi)的清掃機(jī)器人能自動充電的產(chǎn)品較少。自主研究的成 果也有，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)的清掃機(jī)器人就能自動尋找充電站對接技術(shù)， 但未見產(chǎn)品上市。 1.3研究的目的和意義 清掃機(jī)器人將移動機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融臺起來，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán) 境（地面）的半自動或全自動清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作近年來已受 到國內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動機(jī)器人的一個特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面 講，智能化自動式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動機(jī)器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有 較強(qiáng)的代表性。就市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動強(qiáng)度、提高勞 動效率，適用于家庭和公共場館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具 11 有科研上的挑戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場前景。 融合現(xiàn)代傳感器以及機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開發(fā)一部價格便 宜，全區(qū)域覆蓋，能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家鹿清掃機(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 更好地為人類服務(wù)。 1.4設(shè)計的重點和難點 由前面的設(shè)計家庭清潔機(jī)器人的工作內(nèi)容和要求，在寬 400 高 100 的體積 下如何設(shè)計和布置好清掃機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)和儲存垃圾機(jī)構(gòu)是本次設(shè) 計的重點，機(jī)器人中的關(guān)鍵部分清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計也是本次設(shè)計中的難點所在。 因為還要求所設(shè)計的機(jī)器人具有避障功能，所以其外形設(shè)計也應(yīng)該考慮清掃后 的垃圾如何處理，以及如何布置吸塵設(shè)備也是本次設(shè)計中需要仔細(xì)考慮的問題。 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)吸塵機(jī)器人系統(tǒng)通通常由四個部分組成：移動 機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動機(jī)構(gòu)是吸塵機(jī)器人的主題，決定 了吸塵器的運動空間，一般采用輪式機(jī)構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、 接觸和接近覺傳感器、紅外線傳感器和 CCD 攝像機(jī)等。隨著近年來計算機(jī)技術(shù)、 人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，吸塵機(jī)器人控制系 統(tǒng)研究和開發(fā)已具備了件事的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。吸塵機(jī)器人的控制與工 作環(huán)境往往是不確定的或多變的，因此必須兼顧安全可靠性、抗干擾性以及清 潔度。用傳感器探測環(huán)境、分析信號，以及通過適當(dāng)?shù)慕７椒▉砝斫猸h(huán)境， 具有特別重要的意義，近年來對智能機(jī)器人的研究表明，對于工作在復(fù)雜非結(jié) 構(gòu)環(huán)境中的自主式移動機(jī)器人，要進(jìn)一步提高其自動化程度，主要依賴模式識 別及障礙物識別、實時數(shù)據(jù)傳輸及適當(dāng)人工智能方法，還需要進(jìn)一步開發(fā)全局 模型，從而為機(jī)器人獲取全局信息。目前發(fā)展較快、對吸塵機(jī)器人發(fā)展影響較 大的關(guān)鍵技術(shù)是：傳感技術(shù)，智能控制技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、吸塵技術(shù)、電源 技術(shù)等。 2.1傳感技術(shù) 為了讓吸塵機(jī)器人正常工作，必須對機(jī)器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部 狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，還要感知機(jī)器人所出工作環(huán)境的靜態(tài)和動感信息，使得吸塵機(jī) 器人相應(yīng)的工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應(yīng)工作環(huán)境的變化。 通常采用的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。其中內(nèi)部傳感器有：編 12 碼器、線加速度計、陀螺儀、磁羅盤等。其中編碼器用于確定當(dāng)前機(jī)器人的位 置，線加速度計獲取線加速度信息，進(jìn)而得到線加速度和位置信息；陀螺儀測 量移動機(jī)器人的角度、角速度、角加速度以得到機(jī)器人的姿態(tài)角、運動方向和 轉(zhuǎn)動時運動方向的改變等絕對航向信息。外部傳感器有視覺傳感器、超聲波傳 感器、紅外傳感器、接觸很接近傳感器。視覺傳感器采用 CCD 攝像機(jī)進(jìn)行機(jī)器 人的視覺導(dǎo)航與定位、目標(biāo)識別和地圖構(gòu)造等；超聲波傳感器測量機(jī)器人工作 環(huán)境中障礙物的距離信息和地圖構(gòu)造等。紅外線傳感器大多采用紅外接近開關(guān) 來探測機(jī)器人工作環(huán)境中的障礙物以及避免碰撞。接觸和接近覺傳感器多用于 避碰規(guī)劃。 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)，在起始點和目標(biāo)點規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑，并且實 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)劃研究始于 20 世紀(jì) 70 年 代，目前對這一問題研究仍舊十分活躍。其主要研究內(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、動態(tài)已知環(huán)境動態(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)劃和給予傳感器的路徑規(guī)劃 對運動規(guī)劃問題，目前有具體的解析算法。但由于解析算法牽涉到復(fù)雜的 橢圓積分問題，實現(xiàn)起來依然具有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)機(jī)器人對環(huán)境信息知道的 程度不同，可分為為兩種類型：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，通過傳感器在線地對機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測，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兩個子問題。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 spaccApproach)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)體自形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流， 將塵埃和垃圾通過吸口吸入機(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)的轉(zhuǎn)速大小。最近，澳大利 亞 Jetfan 公司又開發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個吸塵器是一個封閉系統(tǒng)， 既無外部氣體吸入，也無機(jī)內(nèi)氣體排除，所以就無需濾塵器、集塵袋、排氣管 等附件。其原理是利用附壁效應(yīng)去形成利亞渦流氣體，最后將沉渣截留于吸塵 器內(nèi)的渦流腔內(nèi)，在英國 Dyson 公司最近推出的 DC06 型智能吸塵器就采用的 13 了這種技術(shù)。 2.4電源技術(shù) 移動電源在吸塵機(jī)器人中的地位十分重要，可以說是它的生命源。移動電 源需要同時滿足吸塵機(jī)器人的多種能源需要，如為移動機(jī)構(gòu)提供動力，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)電池作為移動電源。理想的電源應(yīng)該能夠在放電過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，但實際上沒有一種電池可同時具備 上述優(yōu)點，這就要求設(shè)計人員選擇一種合適的電池，盡可能增加吸塵機(jī)器人的 不間斷工作時間。 第三章 清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計 3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理 本課題要研制結(jié)構(gòu)小巧、靈活，控制簡單、易于實現(xiàn)，初步完成自主移動、 自動避障和路徑規(guī)劃任務(wù)的清潔機(jī)器人。整個清潔機(jī)器人由機(jī)械部分和控制系 統(tǒng)兩大部分組成。機(jī)械部分包括高強(qiáng)度塑料底盤、外殼、兩個驅(qū)動輪和一個隨 動輪。它們是吸塵點擊、清潔刷、電池以及控制系統(tǒng)的載體。機(jī)器人整體外觀， 如圖 3-1 所示： 3.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成 本清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖 3-2 所示。主要包括以下幾部分： (1)行走驅(qū)動輪及驅(qū)動電機(jī)。該部分主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動。殼 14 體前端和側(cè)面裝有紅外開關(guān)、作為碰撞檢測傳感器。底面的 3 個紅外開關(guān)作為 臺階檢測傳感器，防止跌落。驅(qū)動輪上裝有光電編碼盤、可以對輪速進(jìn)行檢測 和控制、實現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。同時還擴(kuò)展了超聲波傳感器，用于精確定位的 需要。 (2)清掃機(jī)構(gòu)。用電機(jī)帶動兩個清掃刷、使左面清掃刷順時針轉(zhuǎn)動，右面逆 時針轉(zhuǎn)動，這樣就可以在清掃灰塵時將灰塵集中于吸風(fēng)口處，為吸塵機(jī)構(gòu)的工 作做準(zhǔn)備。 (3)吸塵機(jī)構(gòu)。旨在強(qiáng)大的吸力、將灰塵吸入灰塵儲存箱中。 清掃機(jī)器人機(jī)械大體結(jié)構(gòu)組成 移動機(jī)構(gòu)是其它部件的載體，機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)按結(jié)構(gòu)分有輪式、履帶式和 步行式等。輪式和履帶武機(jī)器人適合條件較好的地面，而步行機(jī)器人剛適合于 條件較差的路面。本課題研制的自主清潔機(jī)器人工作在環(huán)境較好的室內(nèi)，所以 采用輪式移動機(jī)構(gòu)較為適合。 輪式移動機(jī)器人一般有三輪、四輪和六輪，移動機(jī)器人若采用三輪結(jié)構(gòu)則 比較簡單，能夠滿足一般的需求，應(yīng)用也比較廣泛；四輪的穩(wěn)定性好，承載能 力較大，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；六輪與四輪類似．只不過有更大的承載能力和穩(wěn)定性。 在本課題中．清潔機(jī)器人的重量不是很大，工作條件是室內(nèi)，也不惡劣，三點 確定一個平面，三輪理論上也是穩(wěn)定的，但是對負(fù)載有一定的限制，對三輪動 機(jī)器人來說，重心都比較低，載荷穩(wěn)定且中心位置基本不發(fā)生變化．所以采用 15 三輪結(jié)構(gòu)就能滿足要求。 三輪轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有兩種方式： (1)鉸軸轉(zhuǎn)向式：轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)自電機(jī)通過減速器和機(jī)械連桿 機(jī)構(gòu)控制鉸軸從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。 (2)差速轉(zhuǎn)向式：在機(jī)器人的左、右輪上分別裝上兩個獨立的驅(qū)動電機(jī)，通 過控制左右輪的速度比實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。在這種情況下，非驅(qū)動輪影子有輪。 移動機(jī)器人若采用鉸軸轉(zhuǎn)向式控制簡單，但精度不是太高；差動轉(zhuǎn)向式控制復(fù) 雜但精度較高?？紤]到本課題清潔機(jī)人將來作為服務(wù)型機(jī)器人使用，在控制方 式上應(yīng)達(dá)到一個較高層次，所以采用差動輪轉(zhuǎn)向式比較好，并且其運動轉(zhuǎn)向的 精度也高一些，以便為以后的避障和軌跡規(guī)劃打下一個良好的基礎(chǔ)。因此本系 統(tǒng)的移動機(jī)構(gòu)采用的是三輪差速轉(zhuǎn)向式的，如圖 3-3 所示 圖 3-3 三輪差速轉(zhuǎn)向式驅(qū)動結(jié)構(gòu) 按照上述的移動結(jié)構(gòu)，通過改變作用于步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號的頻率，可以 對步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)較高精度的調(diào)速。同時在對兩電機(jī)分別施以相同或不同的脈沖 信號時，通過差速方式，可以實現(xiàn)吸塵器的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭等 功能。清潔機(jī)器人采用兩直流電動機(jī)獨立驅(qū)動左右兩輪的差動方式，控制點單、 精確易于實現(xiàn)，清潔機(jī)器人能夠在任意半徑下實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、甚至可以實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎 半徑(即繞軸中點原地旋轉(zhuǎn)) 。 3.1.2工作原理 本系統(tǒng)的功能模塊關(guān)系如圖 3-4 所示。清潔機(jī)器人由多個功能模塊共同組成， 這幾個模塊共同工作，相互協(xié)調(diào)、相互作用、保證了機(jī)器人能夠順利的進(jìn)行清 掃。具體的工作原理如下，清潔機(jī)器人的中心是清潔機(jī)器人的 CPU，它對其它 16 各個功能模塊進(jìn)行控制。信息采集模塊負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境以及機(jī)器人本身的各 種信息鍵盤模塊和紅外遙控接收模塊可以接收人們對機(jī)器人的控制信息，然后 把信息傳給 CPU 進(jìn)行處理。當(dāng)接收到需要機(jī)器人進(jìn)行清掃工作的信號，CPU 可 以通過控制行走機(jī)構(gòu)和清潔機(jī)構(gòu)讓機(jī)器人進(jìn)行工作。在機(jī)器人工作的過程中還 可以通過 LCD 顯示模塊和狀態(tài)指示模塊對機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行時實的顯示。 機(jī)器人工作的流程如下： (1)首先可以通過鍵盤或者遙控器啟動清潔機(jī)器人，讓它開始清掃工作。 (2)機(jī)器人一旦開始工作，便控制清掃機(jī)構(gòu)進(jìn)行清掃、吸塵機(jī)構(gòu)開始吸塵。 (3)機(jī)器人開始工作、傳感探測模塊就開始不斷地采集外部信息，送到 CPU 進(jìn)行分析和決策產(chǎn)生機(jī)器人行走的路徑。 (4)當(dāng)路徑規(guī)劃需要機(jī)器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的時候， CPU 就分別改變左右輪的速度， 通過差速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 (5)工作期間機(jī)器人可以通過 LCD 顯示一些相關(guān)信息(比如工作模式、工作計 時或溫度)。 (6)遙控器除了可以控制清潔機(jī)器人的啟停，還可以對機(jī)器人進(jìn)行定時，讓 機(jī)器人在一定時間后開始工作或者工作一定時間后停止工作。 該機(jī)器人利用安裝的各類傳感器來獲取室內(nèi)環(huán)境以及自身的基本信息，如 障礙物的位置、自身走過的距離等，然后根據(jù)獲得的信息，選定相應(yīng)的公職策 略，通過以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)進(jìn)行障礙物判斷、避障策略選擇和運動行 走實是。機(jī)器人面板上有控制其開始/停止工作的按鍵。同時也可以通過來控制 遙控，還可以用來對機(jī)器人進(jìn)行定時，LCD 實時的顯定時的倒計時和當(dāng)前的溫 度值。 17 3.2清潔機(jī)器人總體設(shè)計 3.2.1機(jī)器人外形設(shè)計 根據(jù)家庭清潔機(jī)器人的設(shè)計要求，本次設(shè)計的機(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)、垃圾收集處理機(jī)構(gòu)，其中清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計尤為重要。通 過在網(wǎng)上搜索一些相關(guān)資料以及在圖書館查閱的資料，初步把機(jī)器人的外形設(shè) 計為長寬均為 400mm 高位 100mm 的長方體。但是后來發(fā)現(xiàn)多設(shè)計的結(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障礙物。因而最終把機(jī)器人的外形設(shè)計為圓盤形， 其外部輪廓大體如圖 3-5 所示 3.2.2機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計 為實現(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，兩個 驅(qū)動輪對稱分布在清掃機(jī)構(gòu)的后方，兩個輪子和刷子支撐機(jī)體工作和運動，選 樣設(shè)計既節(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， 18 在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時，通過控制行走機(jī)構(gòu)的兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而控制 兩個輪子，通過輪子的前后差速運動實現(xiàn)集體的轉(zhuǎn)彎半徑為 0。 3.2.3 清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計 在清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計中想到了四個方案： (1) 電機(jī)帶動斜齒輪 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(jìn)而實現(xiàn)清掃； (2) 電機(jī)帶動錐齒輪 1，錐齒輪 1 帶動錐齒輪 2，有錐齒輪 2 上的軸連接滾刷， 進(jìn)而實現(xiàn)清掃； (3)電機(jī)帶動蝸桿，蝸桿兩端接渦輪，兩個渦輪的軸上分別接刷子，從而實現(xiàn)清 掃； 19 (4)電機(jī)帶動蝸桿，蝸桿兩端接渦輪，兩個渦輪分別接皮帶輪、皮帶輪上的軸接 刷子，從而實現(xiàn)清掃。 以上四種方案通過對比以及由設(shè)計的要求所限制，最終選擇方案四為清掃 機(jī)構(gòu)。其正面結(jié)構(gòu)如下圖所示 20 因為所設(shè)計的機(jī)器人它的體積有限制，在直徑為四百，高為一百的圓內(nèi)要 放置有清掃機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)、垃圾收集處理機(jī)構(gòu)，同時還得留下放 電池、控制中心、觀察中心的地方，而方案一雖然易于安裝，傳動平穩(wěn)，但是 斜齒輪所占的面積非常大，如果選用它，則會占用大量的空間，是其他幾個單 元有部分將放置不下，從而超出所要設(shè)計的尺寸，因而否定了這種方案；方案 二中，錐齒輪傳動不如斜齒輪平穩(wěn)，同時錐齒輪一所占的體積也比較大，而清 掃機(jī)構(gòu)又是本次設(shè)計中最重要的部分，因而選用錐齒輪的弊端也很大，所以經(jīng) 過計算及各個機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了清掃的目的。為了使機(jī)囂人的外壁在靠近墻邊時刷子能夠 掃到墻壁的邊緣，同時使它在清掃過程中沒有工作盲區(qū)，開始設(shè)計時用兩個直 徑都為 200mm 的刷子，這樣的話，蝸輪和蝸桿的中心距就必須為 100mm，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(jī)器的人的總 重量，因而這種方案也不是很合理，最后在方案三的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了方案四。方 案四中通過兩邊加皮帶輪這個結(jié)構(gòu)縮小了蝸輪蝸桿的中心距，從而減小了機(jī)器 的總重量，同時還有利于其它機(jī)構(gòu)的安裝因而選擇方案司為本次設(shè)計的清掃機(jī) 構(gòu)。 3.2.4吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計 在吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計中將風(fēng)扇固定在垃圾儲藏室上壁，在風(fēng)扇上罩一個薄壁 腔。在薄壁腔上方開一個圓孔，以便于空氣的排出。在垃圾儲藏室上壁開兩個 小長方孔，在方孔下加一個隔塵罩。 （其大體圖形如圖 3-11 所示）通過風(fēng)扇的 旋轉(zhuǎn)帶動垃圾儲藏室內(nèi)的空氣流動，有通過儲藏室內(nèi)的管腔將刷子清掃引起的 塵土吸附進(jìn)來，待塵土的空氣通過防塵罩將塵土擋到垃圾儲物室，較干凈的空 21 氣則通過吸塵室上壁腔的圓孔排到大氣中去，從而實現(xiàn)吸塵的目的。 3.2.5垃圾收集處理機(jī)構(gòu)設(shè)計 在對垃圾收集處理機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，開始想用如圖下所示的結(jié)構(gòu)作為垃圾 收集擋板 通過電機(jī)帶動和電機(jī)相連的小齒輪,小齒輪通過帶動和其配對的大齒輪帶動軸 2 旋轉(zhuǎn)，從而使軸 2 另一端上固定的大齒輪帶動和其相連的小齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使 垃圾收集擋板作揚(yáng)起動作通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制。但是此結(jié)構(gòu)所占的空 間比較大，所示設(shè)計的將清潔機(jī)器人空間有限，不允許用這種結(jié)構(gòu)，因為如果 采用此種結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致其他一些機(jī)構(gòu)無法放置，因此此種方案不可行。 后采用如下圖的方案，該方案通過毛刷將垃圾掃至吸口，因吸口橫截面積 22 小，根據(jù)伯努利方程可知，此處吸力很強(qiáng)。當(dāng)被吸入的垃圾到達(dá)垃圾儲藏盒時， 空間瞬間擴(kuò)大，吸力減弱至最低值，垃圾便停留在垃圾儲存盒中。要傾倒出垃 圾，將可拉出的垃圾儲藏盒拉出即可傾倒。又因為本處的清掃機(jī)器人為室內(nèi)清 掃，不存在很大體積的垃圾，而且該方案所用空間很小，故本處采用該方案， 圖如 3-13 所示: 因為清掃部分是家庭清潔機(jī)器人的最重要的部分，整個機(jī)體的大半部分質(zhì) 量都集中在這一部分。為了減輕機(jī)器的質(zhì)量，使其在使用時更方便一寫，將這 一部分單獨設(shè)計一個固定件固定在機(jī)體上，這樣既滿足工作要求有減輕了機(jī)體 的質(zhì)量，清掃機(jī)構(gòu)的固定件如圖所示: 23 最終設(shè)計家庭清潔機(jī)器人大體布局如圖所示： 第四章 具體計算 24 4.1電機(jī)選擇 (1) 初步估計機(jī)器的總重量為 5 千克、g 取 9.8N／kg，則 G=5*9.8=49N 則分配 到每個輪子上的載荷位 F=1／3G=1／3*49=16.3N. (2) 按橡膠在優(yōu)質(zhì)路面上行走，取滾動摩擦系數(shù) δ=1，滑動摩擦系數(shù) μ=0.1，則: 滾動摩擦阻力 Mf=δ?F=l×16.3=0.0163N.m 滑動摩擦阻力 f=F?μ=16.3×0.1=2.21N 由前面的總體設(shè)計中機(jī)器的各個機(jī)構(gòu)的布局安排，車體底盤應(yīng)至少高于地面 10mm，取輪子直徑 D 為 96mm，則半徑 R=1／2D=48mm，則輪子行走過程中 所受的阻力矩 ： =f?R+Mf=1.63×48×103+0.0163=0.0945N.m (3) 工作機(jī)要求的功率 = Tw*n／9550，式中： =0.126N.m 由 =2 =204r/min 取 ，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。 (3) 確定電機(jī)。考慮到機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時要求其轉(zhuǎn)彎半徑為零，這樣就要求兩 個和電機(jī)相連的輪子在轉(zhuǎn)彎時必須差速運轉(zhuǎn)從而才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零。而要 實現(xiàn)差速運轉(zhuǎn)則要求電機(jī)具有調(diào)遣功能，再由(2)中所算得電機(jī)輸出功率、從而 通過在網(wǎng)上搜索查到了寧波市北倉深港交流調(diào)速電機(jī)廠生產(chǎn)的 YCJT 系列電機(jī)滿 足設(shè)計中所需要的電機(jī)要求，因為運轉(zhuǎn)本機(jī)器時電機(jī)需要輸出的功率為 4.45W，由寧波市北倉深港交流調(diào)速電機(jī)廠網(wǎng)站上給的產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和安裝 型號中選型號為 YCJT-6-1 輸出功率為 6W，速度可調(diào)范圍為 90- 1350r/min，1200r／min 時轉(zhuǎn)矩為 5N.cm 啟動轉(zhuǎn)矩為 3.5N.Cm 的電機(jī)，因為其 在滿足要求的情況下尺寸比我所查到的電機(jī)的尺寸都小，所以選用它為驅(qū)動機(jī) 構(gòu)的電機(jī)。 4.2蝸輪蝸桿的選擇 (1)選擇蝸桿傳動類型 根據(jù) GB /T10085-1988 的推薦，采用漸開線蝸桿 (ZI) (2)選擇材料 25 因為本次設(shè)計所用的蝸桿和渦輪是清掃機(jī)構(gòu)功率的輸如部分，是機(jī)器人結(jié) 構(gòu)中最重要的部分，因此需要效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬 火，硬度 45～50HRC。渦輪用鑄錫磷青銅 ZCuSn10Pb1，金屬模鑄造。 (3)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計 1、確定載荷系數(shù) K 根據(jù)傳動比選擇為 i=14，參考蝸輪蝸桿參數(shù)表取 Z1=2，則 Z2=28。 因為工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均勻系數(shù) =1，由查表《機(jī)械設(shè)計》 確定計算公式所需參數(shù)： =1，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載荷系數(shù) =1. 1；則 載荷系數(shù) K= =1*1.1*1=1.1； 2、確定作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩 T2： T2=9550*106*P /n 當(dāng) =2 時， =0.7~0.9，取 =0.8，代入式中得： T2=9.55*=9.55*=234469N.mm 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配合，故查《機(jī)械設(shè)計》得： Ze =160 。 4、確定接觸系數(shù) 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 d1 和傳動中心距 a 的比值 d1/a=0.35，從《機(jī)械設(shè) 計》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) N2=60 N2Lh=60*206*12000=1.48*108 查《機(jī)械設(shè)計》得： =230MPa -=90MPa = = 194Mpa； = = =52MPa 6、計算中心距 a≥ =40.2mm1.21*234469*(160*2.9 /194) 取 a=40mm，因 i=14，從《機(jī)械設(shè)計》中查表取模數(shù) m=2mm，蝸桿分度 圓直徑 d1=22.4mm。這時 d1/a=0.56，從《機(jī)械設(shè)計 》中查圖得 Zp=2.4＜2.9 ，因 此以上計算結(jié)果可用。 查表選取 m=2mm，d 1=22.4mm， Z1=2q=11.20，Z 2=29，分度圓導(dǎo)程角 r=10°07′29″。中心距ａ =40 mm，d 2 =mz2=58； a=40.20mm，不是標(biāo)準(zhǔn)推薦中心距，若選擇中心距，渦輪將變位。本設(shè)計不采 用變?yōu)?，?a=40.20。 (4) 驗算初設(shè)參數(shù) 26 蝸輪圓周速度 =0.63m/s，原估計 <3m/s，選 Kv 值，相符。 滑動速度 = =3.54m/s，在范圍之內(nèi)，所選材料合適。 蝸桿傳動效率 =（0.95~0.96） 根據(jù) =1.8m/