2020新版-家庭扫地机器人结构设计

附赠CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q 197216396 或 11970985 摘 要今年来，随着计算机技术与人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术逐渐成为现代机器人研究领域的热点。其中，服务机器人开辟了机器人应用的新领域。本文主要涉及一个简易扫地机器人。本扫地机器人具有自动清扫、自动转向、防撞等功能。它完全解放了双手，能够全自动完成家庭的清扫工作。该机器人成本低、工作效率高，在市场上还是有很好的应用前景的。 关键词：扫地机器人；清扫；防撞 VAbstractThis year, with the rapid development of computer technology and artificial intelligence, intelligent robot technology has gradually become a hot spot in the field of modern robotics research. Among them, the service robot has opened up a new field of robot application. This paper mainly involves a simple sweeping robot. The sweeping robot has the functions of automatic cleaning, automatic steering and collision avoidance. It completely liberated both hands, can complete the family cleaning work completely. The robot has low cost and high work efficiency, and has good application prospects in the market. Key Words：sweeping robot; sweeping; collision avoidance目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 扫地机器人出现背景11.2 清扫机器人发展历史与现状11.2.1 国外清扫机器人发展现状11.2.2 国内清扫机器人发展现状3第2章 扫地机器人总体结构分析52.1机械结构组成52.2工作原理62.3机器人外形设计72.4机器人行走机构设计72.5清扫机构设计72.6吸尘机构设计9第3章 行走机构机械传动设计103.1 电机选择103.2 减速器参数设计103.2.1 高速级齿轮传动113.2.2 低速级齿轮传动143.3 轴的设计计算18第4章 清扫装置传动设计204.1 带传动设计计算204.2 锥齿轮设计计算214.3 齿轮上作用的力254.4 传动轴的设计计算25第5章 结论与展望315.1 总结315.2 论文创新之处315.3 存在不足与展望31参考文献32致 谢33 第1章 绪论1.1 扫地机器人出现背景近年来，随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，智能机器人技术已逐渐成为现代机器人研究领域的一个热点。其中，服务机器人开辟了一个全新的机器人应用领域。服务型机器人，主要有三个原因：一是劳动力成本上升；二是人要摆脱繁琐的体力劳动，如清洗、家务、照顾；第三是人口老龄化和社会福利制度的完善，为市场前景提供了一定的服务机器人。以服务机器人为主要特征的工业机器人是一种适合于特定的方式、环境和过程的机器人系统，活动空间，在非结构化环境中流动，所以大多数机器人是一个移动机器人。1.2 清扫机器人发展历史与现状清洗机器人的发展是建立在移动机器人的基础上，一个良好的清洗机器人必须有一个良好的移动基础。因此，每一次移动机器人的跳跃，都遵循着清洁机器人更新。1.2.1 国外清扫机器人发展现状rc3000，德国凯驰，是世界上第一个孩子在地上完成所有的清洁机器人，如图1-1所示。它只有50cm长，能自动清洁地面，自动返回充电站可以在掌握了独立的家庭清洁工作，该单位的设计使得它的床干净，沙发下部，咖啡桌子和其他家具，如图1-2所示。它的运动是随机的，当遇到障碍，随机变化的观点，并继续在一条直线，直到遇到新的障碍，它包含四个清洗程序，根据面积的大小可以选择适当的程序；建立在感光传感器，在楼梯和步骤，自动避撞和不能脱落。 图1-1 RC3000 图1-2 RC30002001年11月，著名的家电制造商伊莱克斯推出了清洁“三叶虫”在英国，如图1-3所示。13毫米的高度，直径为35mm，免费接送清洗、最优移动路径的自动设计；采用超声波检测仪，可以快速检测障碍物和循环；“三叶虫”可分为三档：正常工作，快速清理干净；清洁充满垃圾也发出了警示灯；为了限制“三叶虫”，用户需要在楼梯或其他地方没有天然屏障，选择性粘贴可以粘胶带。三叶虫是由充电电池供电，每次充电后可运行约60分钟，电量不足会自动返回充电板充电。 图1-3 伊莱克斯“三叶虫”2003十一月，三星公司推出了三星代号为vc-rp30w机器人吸尘器，如图1-4所示，主要面向国内市场。vc-rp30w主要依靠3D地图定位技术，灵巧地避开障碍物，快速，高降低到房间清洁每一个角落；当遇到障碍或死亡。vc-rp30w可以很容易地分析垃圾和其他生活必需品，并允许用户定义的时间和清洁区；用户还可以通过计算机在机器人摄像机信息前看到安装，远程控制；机器人的电池可以维持50分钟的连续工作，当电池是用完自动返回充电座补充能量，非常聪明。 图1-4 三星VC-RP30W1.2.2 国内清扫机器人发展现状1999年初，开始学会智能吸尘机器人的机械电子研究的浙江大学，经过两年的初步智能吸尘机器人的成功设计，与苏州科技公司合作，独立能力和工作效率2003系统都有显著的提高，它的工作之前，首先学习的环境，超声波测距的使用，使步行距离和墙的尺寸信息在同一时间里的洁净室，确定清洗时间；然后，产生清洁高效利用随机和局部路径遍历算法相结合的规划；在对计费系统自动返回后在清洗实际功率补充；家庭环境，10min可达到超过90%的覆盖率。如图1-5 图1-5 苏州 TEK深圳市银星智能电器有限公司设计研发的KV8保洁机器人（如图1-6）的一些布置如下 1、KV8清洁机器人路径规划原则KV 8清洗机器人通过电脑芯片控制机器人左右轮的转速，实现圆弧清洗线。当圆弧半径扩展为7.5m，芯片程序控制的机器人离开当前行，在7.5m距离进行圆弧再清洗。在地面上有大量的圆弧实现无缝覆盖，从而达到全面清理地面的目的。2、KV8清洁机器人自动充电的原理KV8清洁机器人在机器人的力量很快消耗后，在红外发射头注射无信号上的机器人，当电荷在两红外接收头接收到这个信号的机器人和充电底座接触的基础。通过2个红外接收头的机器人的引导，使其慢慢靠近，最终实现对接。3、KV8清洁机器人跌倒预防原则KV8清洁机器人在机器人在前面的底部，4对红外传感器的安装，每个传感器头包含一个发射器和一个接收器。在地面发射的红外线发射器，红外线发射头接收由接收头。如果机器人在距离地面大于5mm的距离下，电脑芯片会控制机器人，使其重新调整的方向行走，以免从天空坠落。4、KV8保洁机器人虚拟墙的工作原理KV8清洁机器人，之后将在0.5m在打开一个虚拟墙，前方3.5米红外发射，在接触的21个红外感应头的机器人本体的虚拟墙发射的红外线KV8，他们不会继续前进，进入洁净区。 图1-6 KV8经过20多年的发展，中国的清洁机器人研究已经取得了相当大的进展，单体平台和技术的整体水平，已接近或超过国际标准。但与西方发达国家相比，无论是研究规模、投资力度、技术水平和成果应用和效益，都存在明显的差距，因此有更多的工作需要做。33第2章 扫地机器人总体结构分析本论文的任务是开发一个结构紧凑、灵活性好、控制简单、易于实现、自主移动、自动避障和路径规划任务的清洁机器人。清洗机器人由机械部件和控制系统两部分组成。机械零件包括高强度塑料外壳、底盘、2个驱动轮和一个从动轮。它们是吸尘电机、清洁刷、电池和控制系统的载体。2.1机械结构组成清扫机器人的结构主要包括以下几个部分：（1）2驱动轮及驱动电机。这部分主要是确保机器人可以在飞机上移动。外壳的前端和外壳的侧面上设置有红外线开关作为碰撞检测传感器。底部的3个红外开关作为检测传感器的一步，以防坠落。驱动轮具有光电编码盘，可检测和控制轮速，实现定位和路径规划。同时还包括超声波传感器的研制，用于精确定位所需的；（2）清洗机构。电机驱动的2个清洗刷，使清洗刷顺时针旋转，逆时针旋转，这样你就可以在清理灰尘污垢浓度在天花板上的出口，以备吸机制；（3）清灰机理。设计成一个强大的吸力，灰尘进入灰尘储存罐；（4）擦拭机制。清洗干净后，用干净的布布下面的房屋，擦拭干净的地面上的灰尘，以确保清洁工作的质量。移动机构是其他部分的载体，机器人根据轮式、履带和行走机构的结构来移动结构。轮式和履带式机器人是适合地面条件的，而步行机器人是适合路面条件较差的。本文研制的自主式清洗机器人在室内环境中工作良好，适合于轮式移动机构。轮式移动机器人一般有三轮车、四轮和六轮移动机器人如果轮结构相对简单，可以满足一般的需求，它被广泛应用；四轮稳定性好，承载能力大，但结构较复杂；六轮和四轮相似。除了较大的承载能力和稳定性。本文对清扫机器人的重量不是很大，工作条件是室内，也不坏，三点确定一个平面，三个理论是稳定的，但负载有一定的限制，三轮移动机器人，相对低重心，负载稳定和中心位置基本没有变化。所以圆形结构可以满足要求一三轮转向装置的结构通常有2种方式：（1）铰链轴转向类型：转向盘安装在转向铰链轴上，电机由减速器控制，机械连杆机构控制方向盘转向盘。（2）差速转向：将2个独立的驱动电机安装在机器人的左右轮上，并通过控制左右车轮的速度来实现汽车车身的转向。移动机器人与电镀轴线容易控制，但精度不高；差速转向控制复杂，精度较高。考虑到作为一种服务机器人的使用，在控制模式下的清洗机的主题应达到一个更高的水平，所以对差动轮转向更好，转向精度的运动是更高的避障和路径规划奠定了良好的基础。因此，该系统的移动机构采用一三轮差速转向式，如图2-1所示。图2-1 移动机构示意图根据移动结构，采用双直流电机独立驱动的清洗机器人两轮差分模式，控制简单、准确、易于实现，可方便地实现对清洗机器人的推进，左转、右转、后退、周转、清洗机可以在任意半径、轮速转弯处，可以实现一零个转弯半径。2.2工作原理清洁机器人是由几个功能模块组成的，它能够协同工作，互相配合，保证机器人能顺利进行。具体工作原理如下：清洗机器人的中心是清洗机器人的中央处理器，它控制着其他的功能模块。信息采集模块负责采集环境和机器人本身的各种信息，对键盘模块和红外遥控接收模块可以接收控制信息的机器人，然后向处理器发送消息进行处理。当接收到机器人需要清洗的信号时，可以使用处理器来控制运行机制和清洗机制，使机器人工作。在机器人的工作过程中，还可以通过液晶显示模块和状态指示模块对机器人的状态进行实时的显示，对机器人的工作过程作如下：（1）通过键盘或遥控器来开始清扫机器人，这样就可以开始清理工作了。（2）机器人一旦开始工作，然后控制清洗机构的清洗，除尘机构开始清理清理机构开始擦拭地面。（3）机器人开始工作，检测和检测模块开始收集外部信息，发送到处理器进行分析和决策，以产生机器人行走的路径。（4）当路径规划需要机器人实现其转。中央处理器要改变左右轮的速度，通过差速来实现转向。（5）在工作期间，该机器人可显示有关资料（如工作模式、工作时间或温度等）。（6）远程控制除控制的开始和停止的清洗机器人也可以定时，让机器人开始工作后，一定时间内或工作了一定时间内停止工作。该机器人采用安装各种传感器，以获得室内环境和基本信息，如障碍物的位置，其步行距离；然后根据接收到的信息，选择相应的公共政策，通过单片机作为控制系统的核心障碍物判断，避障策略的选择和运动的行走是。该机器人的面板控制的开始/停止工作的情况下。同时还可以通过遥控器控制也可用于机器人的定时、液晶显示实时显示的倒计时和电流的温度。2.3机器人外形设计根据家用清扫机器人的设计要求，机器人应包括清洗机构、行走机构、吸尘机构、垃圾收集和处理机构，其中清洗机构的设计尤为重要。在图书馆查找一些相关的信息和互联网上的信息，机器人的初步设计是一个长宽400mm高100mm。但后来发现，多设计的结构不合理，周围的边缘和角落的机器人，以避免障碍是非常不方便，很容易遇到障碍，和圆形物体相对容易，以避免障碍。因此，机器人的形状被设计为一个圆形的形状。2.4机器人行走机构设计为了实现机器人的转弯半径为0，在两轮驱动机器人行走机构中，2个驱动轮均对称分布在清洗机构的后部，两轮和刷支撑工作和身体运动，采样设计不仅节省了材料，而且充分接触表面和刷，这有利于更彻底的清洗。机器人转弯时，通过控制两个电机的旋转速度和旋转方向的行走机构，进而控制两车轮，通过车轮和儿茶素运动实现转弯半径集体0。2.5清扫机构设计在清扫机构的设计中想到了三个方案：(1) 电机带动斜齿轮1，斜齿轮1带动斜齿轮2，斜齿轮2带动斜齿轮3，斜齿轮上的轴连接滚刷，进而实现清扫；图2-2 清扫机构1(2) 电机带动锥齿轮1，锥齿轮1带动锥齿轮2，有锥齿轮2上的轴连接滚刷，进而实现清扫；图2-3 清扫机构2(3)电机带动带轮，将动力传动到一根主轴上，主轴两端分别装有锥齿轮，清扫刷上部也安装有一个大锥齿轮与其啮合，实现清扫动作；图2-4 清扫机构3以上三种方案通过对比以及由设计的要求所限制，最终选择方案三为清扫机构。因为所设计的机器人它的体积有限制，在直径为四百，高为一百的圆内要放置有清扫机构、行走机构、吸尘机构、垃圾收集处理机构，同时还得留下放电池、控制中心、观察中心的地方，而方案一虽然易于安装，传动平稳，但是斜齿轮所占的面积非常大、如果选用它，则会占用大量的空间，是其他几个单元有部分将放置不下，从而超出所要设计的尺寸，因而否定了这种方案；方案二中，锥齿轮传动不如斜齿轮平稳，同时锥齿轮一所占的体积也比较大，而清扫机构又是本次设计中最重要的部分，因而选用锥齿轮的弊端也很大，所以经过计算及各个机构总体布局的综合考虑，舍弃了方案二；方案三中通过电机带动小带轮，再由带轮带动主轴两端的小锥齿轮，由大锥齿轮上的轴带动固定在其上的刷子旋转，从而实现了清扫的目的。2.6吸尘机构设计在吸尘机构的设计中将风扇固定在垃圾储藏室上壁，在风扇上罩一个薄壁腔。在薄壁腔上方开一个圆孔，以便于空气的排出。在垃圾储藏室上壁开两个小长方孔，在方孔下加一个隔尘罩。通过风扇的旋转带动垃圾储藏室内的空气流动，又通过储藏室内的管腔将刷子清扫引起的尘土吸附进来，待尘土的空气通过防尘罩将尘土挡到垃圾储物室，较干净的空气则通过吸尘室上壁腔的圆孔排到大气中去，从而实现吸尘的目的。第3章 行走机构机械传动设计3.1 电机选择车轮直径68mm，速度v0.3m/s，取v=1.5m/s由于摩擦系数，机械效率等随条件的变化不同，所以对电机的相关参数的计算只能是估算。设减速电机输出轮应具有的最高转速为n (r/min)设路面的平均摩擦系数f=0.1，机器人的最大加速度，由于路面的摩擦系数会产生变化及各种原因的影响，设可靠性系数k=1.2。则有阻力转矩功率3.2 减速器参数设计电机的转速车轮的转速减速系统的总传动比选用展开式二级减减速设置，各级传动比分别为高速级：低速级：电动机输出的功率，转矩及转速经过减速器之后各级数据如下表3-2所示表3-2-功率p（W）转矩（Nmm）转速r/min传动比效率-入出入出-电动机轴-69-219.65380 3 3.10.950.95输入轴6965.55219.691407.46127输出轴64.24601407.465791.73423.2.1 高速级齿轮传动选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1）选择直齿圆柱齿轮传动 2）机器人为一般工作及其，速度不高，故选用7级精度 3）材料选择，大、小齿轮材料选择尼龙 4）选小齿轮齿数，大齿轮齿数按齿面接触强度设计，由（1） 确定供室内的隔计算数值1） 试选动载荷系数2） 计算小齿轮传递的转矩 3） 选取齿宽系数4） 弹性影响系数5） 根据齿面硬度查得小齿轮的解除疲劳强度极限，大齿轮6） 计算应力循环次数（工作5年，每年300天，每天2小时） 7） 取接触疲劳寿命系数8） 计算接触疲劳许用应力 取失效率为1%，安全系数S=1 （2） 计算1） 计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的2） 计算圆周速度 3） 计算齿宽b 4） 计算齿宽与齿高之比，b/h模数齿高 5） 计算载荷系数根据v=2m/s，7级精度，动载荷系数，直齿轮使用系数；小齿轮相对支撑对称布置时，由b/h=10.67，查得故载荷系数 6） 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径 7） 计算模数按齿根弯曲强度设计 1）差的小齿轮的玩去疲劳强度极限 2）弯曲疲劳寿命系数 3）计算疲劳许用应力 取疲劳安全系数S=1.4 4）计算载荷系数k 5）查取齿形校正系数 6） 查取应力校正系数 7） 计算大小齿轮，并加以比较 大齿轮的值大（2） 设计计算 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根玩去疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m大小主要取决于玩去强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算的的模数0.446并就近圆整为标准值m=0.5mm，按接触强度算的的分度圆直径，算出小齿轮齿数 大齿轮齿数 取这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。几何尺寸计算（1）计算分度圆直径 （2） 计算中心距 （3） 计算齿轮宽度 取3.2.2 低速级齿轮传动选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1）选择直齿圆柱齿轮传动 2）机器人为一般工作及其，速度不高，故选用7级精度 3）材料选择，大、小齿轮材料选用尼龙。 4）选小齿轮齿数，大齿轮齿数按齿面接触强度设计由（3） 确定供室内的隔计算数值9） 试选动载荷系数10） 计算小齿轮传递的转矩 11） 选取齿宽系数12） 弹性影响系数13） 根据齿面硬度查得小齿轮的解除疲劳强度极限，大齿轮14） 计算应力循环次数（工作5年，每年300天，每天2小时） 15） 取接触疲劳寿命系数16） 计算接触疲劳许用应力 取失效率为1%，安全系数S=1 （4） 计算计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的计算圆周速度 计算齿宽b 计算齿宽与齿高之比，b/h模数齿高计算载荷系数根据v=2.94m/s，7级精度，动载荷系数，直齿轮使用系数；小齿轮相对支撑对称布置时，由b/h=10.67， ，查得故载荷系数 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径 计算模数 按齿根弯曲强度设计 1）差的小齿轮的玩去疲劳强度极限 2）弯曲疲劳寿命系数 3）计算疲劳许用应力 取疲劳安全系数S=1.4 4）计算载荷系数k 5）查取齿形校正系数 6） 查取应力校正系数 7） 计算大小齿轮，并加以比较 大齿轮的值大（3） 设计计算 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根玩去疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m大小主要取决于玩去强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算的的模数0.446并就近圆整为标准值m=1mm，按接触强度算的的分度圆直径，算出小齿轮齿数 大齿轮齿数这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。几何尺寸计算（1）计算分度圆直径 （4） 计算中心距 （5） 计算齿轮宽度 取3.3 轴的设计计算(1)求输出轴上的功率由表3-2可知 (2) 求作用在齿轮上的力 因已知低速级大齿轮分度圆直径 而（3）初步确定轴的最小直径 轴的材料45刚（调质），取 显然最小直径是在输出轴位置上的，而输出轴上安装的是轮胎，故可以假定轮胎设计直径68mm，轴长20mm，轮面20，孔径10mm，重1kg，用螺母固定，有10mm的螺纹，所以轴承选用深沟球轴承，6200，故由滚动轴承的安装尺寸，齿轮宽度20mm，在IV-V段长度应略短于轮长度，齿轮左边端采用轴肩定位，轴肩高度h=0.07d=2mm，取h=2mm轴环宽度，第4章 清扫装置传动设计4.1 带传动设计计算1. 确定计算功率 据2表8-7查得工作情况系数=1.1。故有： =2. 选择V带带型 据和n有2图8-11选用A带。3. 确定带轮的基准直径并验算带速 （1）初选小带轮的基准直径有2表8-6和8-8，取小带轮直径=26mm。 （2）验算带速v，有： v= 因为4.1在330之间，故带速合适。 （3）计算大带轮基准直径 4. 确定V带的中心距a和基准长度 (1)据2式8-20初定中心距=70mm(2)计算带所需的基准长度 由2表8-2选带的基准长度=270mm（3）计算实际中心距 5. 验算小带轮上的包角6. 计算带的根数z（1）计算单根V带的额定功率由和查2表8-4a得 P=0.046KW据，i=2和A型带，查28-4b得 P=0.027KW查2表8-5得K=0.97，K=0.93，于是： P=(P+P)KK=（1.064+0.17）0.970.93=1.11KW（2）计算V带根数z z=0.9 故取1根。7. 带轮设计 （1）小带轮设计 由直流无刷电机57BL01可知其轴伸直径为d=8mm，故因小带轮与其装配，故小带轮的轴孔直径d=8mm。有4P表14-18可知小带轮结构为实心轮。 （2）大带轮设计 考虑到安装位置的紧凑性及方便性，大带轮轴孔取8mm。4.2 锥齿轮设计计算1、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1） 圆锥齿轮减速为通用减速，其速度不高，故选用8级精度（GB10095-88） （2） 材料选择 由机械设计（第八版）表10-1 大、小齿轮材料可选为45钢（调质），硬度为250HBS，大齿轮材料取45钢（调质），硬度为220HBS，二者材料硬度相差30HBS。 2、按齿面接触疲劳强度设计1.因为是软齿面闭式传动，故按齿面接触疲劳强度进行设计，其设计公式为： 2. 小齿轮传递的转矩3. 因v值未知，K值不能确定，可初步选载荷系数4. 由表8-19，查得弹性系数5. 直齿轮，由图9-2查得节点区域系数6. 齿数比7. 取齿宽系数8. 许用接触应力可用下式计算 查图10-21齿面硬度得小齿轮的接触疲劳强度极限580Mpa 大齿轮的接触疲劳极限390Mpa 小齿轮与大齿轮的应力循环次数分别为由图8-5查得寿命系数，；由表8-20取安全系数，则有取初算小齿轮的分度圆直径，有 （1） 设计计算（1） 计算载荷系数：由表8-21查得使用系数 齿宽中点分度圆直径为 故 由图8-6降低1级精度，按9级精度查得动载荷系数，由图8-7查得齿向载荷分配系数，则载荷系数。（2） 对进行修正：因与有较大的差异，故需对计算出的进行修正，即： （3） 确定齿数：选齿数，取，则 ，在允许范围内。（4） 大端模数：，查表，取标准模数。（5） 大端分度圆直径为： 9.9（6） 锥顶距为：（7） 齿宽为：。 取3、按齿根弯曲疲劳强度设计 齿根弯曲疲劳强度条件为： （3） 同前（4） 圆周力为（5） 齿形系数和应力修正系数 则当量齿数为由图8-8查得，；由图8-9查得，。（6） 许用弯曲应力： 由图8-4查得弯曲疲劳极限应力，。由图8-11查得寿命系数，由表8-20查得安全系数，故： 4、计算锥齿轮传动其他几何尺寸 4.3 齿轮上作用的力1、齿轮传动的作用力（1） 已知条件：轴传递的转矩，转速，小齿轮大端分度圆直径，。（2） 锥齿轮1的作用力，圆周力为其方向与力作用点圆周速度方向相反。径向力为：其方向为由力的作用点指向轮1的转动中心。轴向力为：其方向沿轴向从小锥齿轮的小端指向大端。法向力为：锥齿轮2的作用力，锥齿轮2上的圆周力、径向力和轴向力与锥齿轮1上的元周丽、轴向力和径向力大小相等，作用方向相反。4.4 传动轴的设计计算（1） 已知条件：低速轴传递的功率，转速，锥齿轮大端分度圆直径，齿宽中点处分度圆直径。（2） 选择轴的材料因传递的功率不大，并对和重量及结构尺寸无特殊要求。故选用常用的材料45钢，调制处理。（3） 初算最细处轴径 查表9-8得，考虑轴端不承受转矩，只承受少量的弯矩，故取较小值，则（4） 结构设计a. 轴承部件的结构设计：该轴不长，故轴承采用两端固定方式。按轴上零件的安装顺序。从处开始计算。b. 轴段I及轴端IV的设计：该段轴段上安装轴承，其设计应与轴承的选择同步进行。考虑齿轮上作用较大的轴向力和圆周力，选用圆锥滚子轴承。轴段I和IV上安装轴承，其直径应既便于轴承安装，又符合轴承内径系列。根据，取轴承619/6，由表9-9得轴承内径，外径，宽度，外径定位直径，轴承对轴上力作用点与外圈大端面的距离，故，通常一根轴上的两个轴承取相同的型号，则。c. 轴段II的设计：轴段II上安装齿轮2，为便于齿轮的安装，应略大于，此时安装齿轮2处的轴径可选38mm，经过验算，其强度不满足要求，可暂定进行计算。齿轮2轮毂的宽度范围约为，取其轮毂宽度，其左端采用轴肩定位，右端采用套筒固定，为使套筒端面能够顶到齿轮端面，轴段II的长度应比相应齿轮的轮毂略短，故取。d. 轴段III的设计：该段为低速轴上的齿轮提供定位，其轴肩高度范围为，取其高度为，故。齿轮2的轮毂右端面与箱体内壁的距离取为，且使箱体两内侧壁关于高速轴轴线对称，量得其宽度为，取，则轴段III的长度为此时锥齿轮没有处在正确的安装位置，在装配时可以调节两端盖下的调整垫片使其处于正确的安装位置。e. 轴端I与轴端IV的长度：由于轴承采用油润滑，故轴承内端面距箱体内壁的距离取为，则轴段I的长度为 轴段IV的长度为 f. 轴上作用点的间距 轴承反力的作用点距轴承外圈大端面的距离，则有图12-7可得轴的支点及受力点间的距离为 （5） 键连接齿轮与轴段间采用A型普通平键连接，查表8-31取其型号分别为键12100，和键1245。（6） 轴的受力分析a. 画轴的受力简图，轴的受力简图如图所示b. 计算支撑反力，在水平面上为式中负号表示与图中所画方向相反在垂直平面上为轴承1的总支撑反力为轴承2的总支撑反力为c. 画弯矩图 弯矩图如图所示在水平面上，a-a剖面左侧为a-a剖面右侧为在垂直平面上为合成弯矩a-a剖面左侧为 a-a剖面右侧为b-b剖面左侧为 b-b剖面右侧为d. 画转矩图 转矩图如图所示，（7） 校核轴的强度虽然a-a剖面左侧弯矩大，但a-a剖面右侧除作用有弯矩外还作用有转矩，其轴径较小，故a-a剖面两侧均有可能为危险面，故分别计算a-a剖面的抗弯截面系数抗扭截面系数为a-a剖面左侧弯曲应力为a-a剖面右侧弯曲应力为扭剪应力为按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向转动的转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合系数，则当量应力为，故a-a剖面右侧为危险截面由表8-26查得45钢调质处理抗拉强度极限，则由表8-32查得轴的许用弯曲应力，强度满足要求。（8） 校核键连接的强度齿轮2处键连接的挤压应力为 取键、轴及齿轮的材料都为钢，由表8-33查得，强度足够。齿轮3处的键长与齿轮2处的键，故其强度也足够。（9） 校核轴承寿命a. 计算轴承的轴向力， 由表9-9查30207轴承得，。由表9-10查得30207轴承内部轴向力计算公式，则轴承1、2的内部轴向力分别为 外部轴向力，各轴向力方向如图所示，则 则两轴承的轴向力分别为 b. 计算轴承1当量动载荷，因，故只需校核轴承1的寿命。因为，轴承1的当量动载荷轴承在100以下工作，查表8-34得。对于减速器，查得载荷系数c. 校核轴承寿命 轴承1的寿命为减速器预期寿命为，故轴承寿命足够。第5章 结论与展望5.1 总结 清扫机器人融合了计算机、控制学、机构学、信息和传感技术、人工智能等多学科领域的研究结果，目前在服务业、物流业得到了广泛的应用，逐步替代人类去完成一些无法或者不能去从事的工作。机械系统是清扫机器人研究的基础，其涉及到运动学、动力学，是对清扫机器人进一步精确控制的基础；一定设计用途的机器人总是建立在具体机械结构之上，因此清扫机器人的移动性能直接影响到机器人功能表现。5.2 论文创新之处 1）对机器人的移动做出了改进，取消了传统的转向轮的设计，取而代之的是利用单片机对驱动轮的转向及转速来进行控制，以达到利用差速来达到转向的目的。这样做的好处是减轻了机器人转向时对于机械结构的依赖性。使得整体机械零件数量明显的减少，达到优化的目的。2）在清扫装置上采用的是清扫装置与机器人分离的配置，这样做使得机器人在面对不同的工作环境中搭配不同的清扫系统，达到一机多用的目的。甚至可以选择悬挂其他的设施，如除草、援救、排险等工作。5.3 存在不足与展望 清扫机器人研究牵涉的学科门类很多，作为工程应用研究，清扫机器人应该能够很好地结合工程实际作业环境，本论文将研究重点集中在移动机器人的移动性能方面，以期望所开发的清扫机器人在运行中有良好表现，因此在设计开发过程中尽量去体现作者在这一方面所认知的想法和思路，但关于清扫机器人移动性能需要研究的方面很多，比如驱动电机和动力学约束就是其中一种，这种约束的影响可以体现在对机器人的控制上，也可以体现在对曲线路径的跟踪方面。尽管这次的设计仅仅是一个本科生的毕业设计，但是我希望在以后的学