基于遥控技术的家用吸尘器设计（全套含CAD图纸）
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222 青岛黄海职业学院 毕 业 设 计（论 文） 设计 (论文 )题目： 全自动吸尘器 姓 名 学 号 系 部 机电 工程系 专 业 机电一体化 年 级 2007 级 指导教师 2010 年 10 月 28 日 要 全自动吸尘器 将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来 ,实现室内环境 (地面 )的半自动或全自动清洁 ,替代传统繁重的人工清洁工作 ,近年来已受到国内外的研究重视。作为智能移动机器人的一个特 殊应用 ,从技术层面上讲 ,智能化自主式吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术 ,具有较强的代表性。从市场前景角度讲 ,自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率 ,适用于家庭和公共场馆的室内清洁。 因此开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性 ,又具有广阔的市场前景。 利用了超声波测距的原理，通过向前进方向发射超声波脉冲，并接收相应的返回声波脉冲，对墙壁等进行判断；通过以单片机为核心的控制器实现对超声发射和接收的选通控制，并在处理返回脉冲信号的基础上加以判断，选定相应的控制策略；通过驱动器驱动两步进电机，带动驱动 轮，从而实现行走转向等功能；通过红外线热释电传感器对人的活动进行检测，减少人对吸尘器行走的影响。在吸尘器行走的同时，由其自身携带的小型吸尘部件，对经过的地面进行必要的吸尘清扫。当吸尘器电力不足时，它会自动寻找充电插头上发射的红外线，找到充电后其尾部的 松耦合变压器靠近插头实现充电。当蓄电池的电充满后自动返回未完成的任务。 关键词 : 单片机 超声波传感器 电子罗盘 红外线热 释电传感器 松耦合变压器 步进电机 or to at in As is a is of of So of is on of on on of in on so as to as to s of to in by on of it be 1 目 录 第一章 绪论 . 1 全自动家用吸尘器简介 . 1 自动吸尘器的原理 . 1 自动吸尘器的分类 . 2 自动吸尘器的发展前景 . 2 自动吸尘器的研究目的与意义 . 3 第二章 全自动吸尘器控制部分设计 . 5 片机的由来 . 5 片机硬件结构和开发过程 . 5 片机的引脚功能 . 5 声波传感器的原理及性能 . 7 外线热释电传感器的原理及性能 . 9 个控制系统的组成及工作原理 . 10 第三章 全自动吸尘器结构的设计 . 12 自动吸尘器外壳结构设计 . 12 2 自动能吸尘器吸尘部位结构设计 . 13 自动吸尘器行走部位结构设计 . 14 自动吸尘器主要参数计算 . 14 的结构设计 . 15 的强度校核 . 17 第四章 电源及驱动电路的设计 . 19 电 电源的设计 . 19 动机器人自动充电技术 . 20 接触感应能量传输系统中松耦合变压器 . 26 进电机的原理及驱 动电路 . 29 进电机的原理 . 29 进电机的特性 . 31 进电机的驱动 . 32 第五章 电动风机的工作原理及驱动 . 34 动风机的工作原理 . 34 动风机的特性及驱动电路 . 34 3 第六章 全自动吸尘器控制系统的软件编制 . 37 自动尘器工作过程分析 . 37 进电机的脉冲信号 . 37 声器的脉冲信号 . 39 统的总体控制流程 . 40 第七章 全自动吸尘器的技术经济分析 . 41 结 论 . 42 致 谢 . 43 参考文献 . 44 1 第一章 绪论 全自动家 用吸尘器简介 自动 吸尘器的原理 吸尘器是现代家庭中受到人们广泛喜爱的清洁用具，传统的用具清扫房间往往不能将家里的微细尘埃清扫干净，尘埃总是从一处转移到另一处，尤其是地毯窗帘等处的灰尘就更难以清除，利用吸尘器来做清洁工作就无 此 弊。吸尘器不但可以清洁地面，也可以用来清洁一般的器具难以清洁的地方，如沙发，墙壁等。 吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成，一般包括串激整流子电动机、离心式风机、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸尘器的功率为 400携式吸尘器的功率一般为 250 一般吸尘器的功率为 400便携式吸尘器的功率一般为 250W 及其以下，吸尘器靠电动机高速驱动风机叶轮旋转，使空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气，致使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，吸入含灰尘的空气，经滤尘器过滤，排出清净的空气，负压差越大风量越大，则吸尘能力也越大。 吸尘器的吸尘桶内装有一个收集灰尘的盒子，尘垢便留在集尘盒里，盒子装满后，可取出用水刷洗清理。吸尘器配上不同的部件，可以完成不同的清洁工作，如配上地板刷可清洁地面，配上扁毛刷可清洁沙发面、床单、窗帘等，配上小吸嘴 可清除小角落的尘埃和一些家庭器具内的尘垢。 吸尘器的原理和结构 2 1、 吸尘原理 ： 吸尘器的风机叶轮在电动机高速驱动下，将叶轮中的空气高速排出风机，同时使吸尘部分内空气不断地补充进风机。这样不妨与外界形成较高的压差。吸嘴的尘埃、脏物随空气被吸入吸尘部分，并经过漏器过漏，将尘埃、脏物收集与尘筒内。 2、吸尘器的原件 ： 所有吸尘器都配有一个组装刷头，供清理地板及地毯是用。吸力式吸尘器还会配备一系列的清洁刷及吸嘴，以便清扫角落、窗帘、沙发和缝隙用。 3、喉管：所有吸力式的吸尘器都会装备硬喉管，用来连接清 洁用的软喉管及附件。 4、电动刷：内式吸尘器的清洁头，是混合式吸尘器特别有的配件。 5、圆刷头：也较小吸嘴，可做 360*回转，方便清洁家具、精细网织物等。 6、扁吸嘴：又称缝隙吸嘴，是一支细长、扁平的硬吸嘴。特别适用于清洁墙边、辐射式暖片、角落及浅窄地方。 7、扫尘刷：用长而软的鬃毛制成，适用于清洁窗帘、墙壁等。 自动吸尘器的研究目的与意义 今年来 ,随着中国工业的快速发展 ,吸尘器的产销量也大幅增加 ,在我国市场具有旺盛的生命力。随着社会的进步和发展 ,人们的物质和精神生活质量的提高 ,迫切需要从繁重的 清洁工作中解脱出来由此诞生了一种家用服务型吸尘机器人 ,它将移动机器人技术和吸尘技术有机地融合起来 ,实现家庭、宾馆、写字楼等室内环境的半自动或多功能清洁 ,因此具有广阔的市场前景。 目前在欧美日等发达国家 ,吸尘机器人开发较早 ,应用范围也较广 ,近两年来 ,已经开发出多种面向市场的智能吸尘机器人。澳大利亚某公司研制出可自动行驶并打扫房间的型机器人这种全自动吸尘器表面光滑 ,体积很小 ,呈圆形 ,内置搜索雷达 ,可以搜索各种房间里的每一处 ,不会碰撞家具或其它障碍物。微处理小电脑使它具备在拐至屋角处能探测方向、选择前进路线的 能力。只要将全自动吸尘器放在地面上 ,它便可自动开始工作。其搜索雷达会探测出距离最近的墙壁 ,先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽 ;然后再不规则地来回移动于房间的其它位置 ,并且能在接近障碍物之前迅速转向。该吸尘机器人由于在主机的周围配备了障碍物传感器 ,因此可以在检测墙壁及障碍物的同时打扫地面 ;当打扫完可以行驶的场所后 ,机器人就自动关闭电源。不管房间的外形及面积的大小、导航算法引导机器人在任何房间的所有无遮掩区域四处运动来进行清洁工作 ,因为机器人导航沿房间的周围 ,所以它要创建自己的空间参考图 ,机器 人不需要任何编程“教它应该去哪里”。该机器人操作简单 ,仅有个按钮 :开始、结束以及暂停 ,人们只要简单地将它放置在需要清扫的区域或房间中 ,按下开始按钮即可。 自动吸尘器的分类 1 3 按功能大致有以下种：干式干湿两用式地毯式及打蜡吸尘式。干式吸尘器就是上面介绍的几种吸尘器。干湿两用式吸尘器具有与干式吸尘器相同的性能和用途，此外还能吸取肥皂之类的液体或多水性泡沫污物。地毯式主要用于地毯的清洁。打蜡式吸力较差，主要以打蜡为主。 2. 目前民用吸尘器主要分为以下几大类： 1) 卧式吸尘器（ 在亚欧市场较为常见的吸尘器类型，占整体市场的 80%以上。其特点是外形小巧，存放方便。卧式吸尘器也分为 “ 尘盒式吸尘器 ” 和 “ 尘袋式吸尘器 ” 2) 立式吸尘器 （ 美洲市场较为常见，适用于大面积的地毯清洁 3) 手持式吸尘器 （ 体型小巧，携带及使用非常方便，主要用于车内的清洁，对键盘，电器等也有良好效果。缺点是功率较小，吸力不够强劲。 4) 桶式吸尘器 （ 商用吸尘器，多为保洁公司，酒店，写字楼所使用，特点是容量大，能吸水 。 5) 杆式吸尘器 （ 近几年逐步增多，多为充电式，特点是体型小巧，使用方便。 6) 机器人吸尘器 （ 高端吸尘器，可自动打扫和充电，但清洁效果有限，适合本来就很干净的家居环境。 7) 中央吸尘系统 高端吸尘器，它是将吸尘主机放置在主要生活区之外的场所，如：地下设备层、车库、清理间等，将吸尘管道嵌至墙里，在墙面只留小而美观的吸尘插口，当需要清理时只需将一根软管插入吸尘口，此时系统自动启动主机开关，全部大小灰尘、纸屑、烟头、有害微生物，甚至客房中的烟味等不良气味，都经过 严格密封的管道传送到中央收集站。任何人、任何时间都可以进行全部或局部清洁，确保了最清洁的室内环境。其清洁处理能力是一般吸尘器的 5 倍，而软管长度可任意选配，该类系统在欧美国家已是必配系统，在国内已有部分高档楼盘采用了此先进技术。 自动 吸尘器的发展前景 近几年来，国内吸尘器市场发展迅速，每年的增幅都保持在 15%以上，在中国消费者对家庭装修有了更高要求的同时，对保持家庭环境卫生的吸尘器也就渐渐重视起来。预计在未来三年，国内吸尘器市场将大涨，到 2010年至少要比现在翻一番。目前吸尘器之于中国人就像上世纪 80年代初洗衣机一样，当中国消费者明白它的功用时，机会就来了。吸尘器对中国人来说曾经是奢侈品，但现在这种情况发生了变化，吸尘器正在中国家庭迅速普及。在吸尘 4 器逐步走进中国消费者视野的同时，拥有时尚外观、能够提升生活档次的吸尘器也在 “ 攀比 ”中得到了发展空间。 尽管目前国内外在吸尘机器人研究开发方面已取得一定的成果 ,但成本过高和许多关键技术问题急待解决。 未来的吸尘机器人将向自主式和人工智能化发展 ,因此必须结合现有的基于自适应控制、预测控制、模糊逻辑、神经网络等移动机器人运动规划和控制技术 ,研究对环境障碍物具有 安全可靠的防碰撞功能的智能运动规划与控制器及高效的传感器融合算法 ,是在现实环境中实现具有良好的自适应性和鲁棒性行为的机器人的关键。 电源技术是吸尘机器人研究工作的核心问题之一 ,除了为机器人运动、吸尘及控制电路提供能量外 ,还需优化自动充电方案 ,保证机器人能及时进行充电 ,能够自动完成对指定环境的吸尘任务。 5 第二章 全自动 吸尘器控制部分设计 片机的由来 单片机诞生于 20 世纪 70年代，象 司研制的 谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元 (即常称的 数据存储器 (程序存储器 (其他 I/成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及 A/D 转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。 1976 年 司推出了 片机，这个时期的单片机才是真正的 8 位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。 在 带领下，其后，各大半 导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象司的 列。到了 80 年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象 司的 司的 6801和 6802 系列， 501 及 6502系列等等 ,此外 ,日本的著名电气公司 相继开发了具有自己特色的专用单片机。 80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列， 300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了 目繁多的 I/O 接口、多种中断系 统，甚至还有一些带 A/D 转换器的单片机，功能越来越强大， 容量也越来越大，寻址空间甚至可达 64以说，单片机发展到了一个新的平台 片机硬件结构和开发过程 片机的引脚功能 6 、 电电压。 地。 位漏级开路双向 I/脚可吸收 8 时，被定义为高阻输入。 可以被定义为数据/地址的第八位。在 作为原码输入口，当 校验时， 时 ： 是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器能接收输出 4后，被内部上拉为高，可用作输入， 输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 ： 为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器可接收，输出 4 个 电流，当 被写 “1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， 将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 6位地址外部数据存储器进行存取时， 输出地址的高八位。在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， 程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 个带内部上拉电阻的双向 I/接收输出 4个 电流。当写入 “1” 后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， 是由于上 拉的缘故。 7 行输入口） 行输出口） 部中断 0） 部中断 1） 0（记时器 0外部输入） 1（记时器 1外部输入） 部数据存储器写选通） 部数据存储器读选通） I/O 口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内 部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器 根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心 1 然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置 1端口锁存器原来的状态有可能为 0Q为 1加到场效应管栅极的信号为 1该场效应管就导通对地呈现低阻抗 ,此时即使引脚上输入的信号为 1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的 1 信号读入后不一定是 1 若先执行置 1 操作则 可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类 I/O 口被称为准双向口 89 1/3 口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了 外 都还有其他的功能 位输入。当振荡器复位器件时，要保持 访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 在平时， 以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 冲。如想禁止 输出可在 址上置 0。此时， 有在执行 令是 起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 止，置位无效。 /部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 / / /持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时， / /间内部程序存储器。在 程期间，此引脚也用于施加 12 向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 自反向振荡器的输出。 声波传感器的原理及性能 人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在 20过 20 为超声波，低于 20用的超声波频率为几十 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。 多功能 吸尘器对墙壁等障碍的判断主要是通过超声波传感器来完成的，超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广 泛的应用。 1. 超声波发生器 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途 也各有 不相同 的地方 。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 压电式超声波发生器实际是 利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图2示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成了超声波接收装置。 多功能 吸尘器选用了压电陶瓷式超声波传感器，在超声波信号发射侧使用 信号接受侧使用 射信号侧由 40制 收信号侧由放大、比较和积分电路组成，图 2超声波传感器的电路。超声波传感器为了容易反射声波，对测定物体成直角安装。 （图 2声波传感器结构）图） 9 （图 2超声波传感器电路图） 传感器的调整通过可变电阻变化震荡频率，所以使其发射器的谐振点一致，通过可变电阻还可以改变比较电压，由此来调整 敏 感度。 超声波传感器是利用传感器头部的压振陶瓷的振动，产生高频的人耳听不见的声波来进行感应的，如果这声波碰到了某个物体，传感器就能接收到返回波。传感器通过声波的波长和发射声波以及接收到返回声波的时间差就能确定物体的距离。比较具有 代表性的，一个传感器可以通过按钮的设定来拥有近距离和远距离两种设定，无论物体在那一种界限里，传感器都可以检测到。例如：超声波传感器可以安装在一个装液体的池子上，或者是一个装小球的箱子上，向这个容器发出声波，通过接收到返回波的时间长短就能确定这个容器是满的、空的或者是部分满的。 超声波传感器还有使用的是独立的发射器和接收器的型号，当检测缓慢移动的物体或者在潮湿环境中应用时，这种对射示的超声波传感器就非常适用。在检测透明物体、液体，检测光滑、粗糙、有光泽的半透明材料等物体表面，以及检测不规则物体时，超声波传感 器都是首选。超声波传感器不适用的情况有：户外、极热的环境、有压力的容器内及有泡沫的物体。 外线热释电传感器的原理及性能 热释电外线传感器是 20 世纪 80 年代发展起来的一种新型高敏度探测元件，它以非接触形式检出人体辐射的红外线或人射外线的能量变化 ，井将其转换成电压信号输出，将这个电压信号加以放大， 便可以驱动各控制电路 ,如用于“电源开关控制、防盗防火报警、自劲监泌等 。” 热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场所，亦适于对人体伤害极为严重的商压电及 x 10 射线、射线自动报警等。 热释电传感器利用热释电效应来检测受光面 的温度升高值 ，得知光的辐射弧度，工作在红外波段内。这种传感器在常温下工作稳定可靠，使用简单，时间响应能到微秒级，已得到广泛使用。 热释电红外线传感器的结构由地电极、压环、环形电极、 簧等部分组成 . 多功能 吸尘器为了能够检测人的活动，减少人对吸尘器工作的影响，采用了 传感器，这种传感器使用热电元件，收集 从人体 10部具有 2个红外线传感器，消除背景变化连接使用，为此，近 人活动时反应，能够输出。 部装好了放大器当然在需要时还可以在外接运算放大器，如 图 2示，用补加电阻就可以输出，其共有 3 个管角，分别为信号、 多功能 吸尘器中它以开关量的方式向单片机提供信号。 （图 2释电传感器电路图） 个控制系统的组成及工作原理 多功能 吸尘器的整个控制系统，主要由 传 感器部分（超声波传感器、红外线热释电传感器、电子罗盘）、微型机算计部分（单片机 8051） 等部分组成。 该 多功能 吸 尘器利用了超声波测距的原理（如图 2通过向前进方向发射超声波脉冲，并接收相应的返回声波脉冲，对障碍物进行 判断；通过以单片机为核心的控制器实现对超声发射和接收的选通控制，并在处理返回脉冲信号的基础上加以判断 ，选定相应的控制策略；利用电子罗盘进行方向的判断，通过驱动器驱动 两步进电机，带动驱动轮，从而实现避障。 多功能 吸尘器的红外线传感器能检测认得存在，在检测到人存在时会给单片机一个电信号，单片机控制吸尘器停止前进并同时控制发声器发出声音，让人能够离开。 功能 多功能 11 吸尘器实际上是一个行走机器人和吸尘器的组合体，吸尘器行走的同时，由其自身携带的小型吸尘部件，对经过的地面进行必要的吸尘清扫。 单片机作为控制源产生脉冲信号 ，驱动步进电机转动，同时检测超声波传感器与红外线传感器的信号，数字罗盘的转角信号同样也输出给单片机，由单片机完成信号的处理过程，可以说 多功能 吸尘器的控制系统是以单片机为核心的。 （图 2） 超声波传感器 接 收 端 发射端 红外线热释电传感器 单 片 机 电源 发声器 驱动器 左步进电机 驱动器 右步进电机 吸尘部件 电子罗盘 红外传感器 12 第三章 全自动 吸尘器结构的设计 自动 吸尘器外壳结构设计 吸 尘器的外壳起着支撑吸尘器各零部件并将它们与外界隔离的作用，这样既 能保护内部结构，又能保证安全 。 由于 多功能 吸尘器需要在地面自动行走，因此他的结构要保证行走的平稳，可以采用卧式吸尘器的结构来完成其机体的设计， 由图 3壳上盖等部分组成，均为塑料材料。前壳头部为吸入口，后壳内按装吸尘部件，里面主要安装电动机 两侧 可以用来安装车轮，此外在后壳处有排风口，便于风机的工作。 家用吸尘器的外壳不仅 应具有足够的强度，还要有美观的造型重量轻外表颜色光泽以及成本低廉，外客的造型设计必须适应内部的结构需要。 外壳一般用金属材料冲制，或采用工程塑料， 金属材料有 较高 的强度，由 于重量绝缘材料性能查制造工艺复杂成本高，因此，除了老式的吸尘器及工业吸尘器外，现代家用吸尘器很少采用。 鉴于以上原因， 多功能 吸尘器的外壳采用工程塑料为主体，可通过注塑成型，除了电动风机外，其它零件一般均可由工程塑料代替金属材料，这不仅适合于大量生产，易于降低成本，而且重量可以减少到金属外壳的 1/3 1/4，绝缘性能也大为提高，还可以做成各种款式颜色色泽鲜明的式样。用于 多功能 吸尘器外壳的工程塑料主要是 于吸管的材料可以是聚丙烯等。 （图 3多功能吸尘器安装简图） 13 多功能 吸尘器的壳体由于考虑到后面要安装驱动电机这使得它的后壳结构与通常的卧室吸尘器有所不同， 如 图 3示的在 多功能 吸尘器的后壳部位下面留有一定的驱动电机安装空间，同时便于驱动轮的安装，有利于整体结构的布局。 自动 能 吸尘器吸尘部位结构设计 多功能 吸尘器的吸尘部位，主要由吸嘴 吸管储灰箱电动风机等部位组成。从外界吸进的灰尘和垃圾首先到达吸尘部，吸尘部的功能主要是使吸进的高速气流通过过滤网，滤出垃圾和灰尘。过滤网不仅仅能挡住较大颗粒的垃圾，而且能阻止细 小的尘埃通过，性能好的过滤网，排出的灰尘在直径 5 微米以下，此外，过滤网的透气性好，能长时间过滤而不被堵塞，使电机得到充分的冷却，其基本结构如图 3示，灰尘通过吸尘器的吸嘴进入到吸尘器吸管，而后经过过滤网的过滤，沉积在储灰箱里，气流由电动风机吸入口吸入，而后排出。 （图 3 多功能 尘器的风机采用车用吸尘器的风机结构， 其重量轻，吸尘功率能满足家用的要求，其安装通过吸尘器机壳的 定位孔固定，由橡胶密封圈进行密封，后面由风机固定板进行压紧，在机壳的后面留有一些排风口，便于风机的工作，电动风机高速旋转时会产生很大的震动，因此，风机固定板应该用一些能够 减震 的材料，向 泡沫 等，吸尘口应该与风机口对应一条线，有利于风机工作，从而更好的吸尘。 风机有密封罩，有封闭的电机罩降噪效果好。因为电机产生的噪声会很容易穿透吸尘器 14 外壳，造成噪声污染；全密封的电机罩还能保证电机产生的热量不会影响到其他电器件，延长整机的寿命。吸尘器的处灰箱一般为 2 3L ， 多功能 吸尘器的 储 灰容量设计为 完全能够满足家 用地面的清洁。 自动 吸尘器行走部位结构设计 自动 吸尘器主要参数计算 多功能 吸尘器的驱动部分是由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成的。步进电机带动两驱动轮（后轮），从而推动吸尘器运动。前轮不再采用传统的双轮结构，而采用了应用非常广泛的万向转轮这既减小了结构复杂度，又提高了转弯的灵活性（如图 3 通过改变作用于步进电机的脉冲信号的频率，可以对步进电机实现较高精度的调速。同时在对两电机分别施加相同或不同脉冲信号时，通过差速方式，可以方便的实现吸尘器前进、左转、右转、后退、 调头等功能。这一设计的最大优点是吸尘器能够在任意半径下，以任意速度实现转弯，甚至当两后轮相互反向运动时，实现零转弯半径（即绕轴中点原地施转）。同时转弯的速度可通过改变单片机的程序来调节 。 由于智能吸尘器是边行走边工作的，所以要求速度很低，一般要求 3m 右，这样能够保证 多功能 吸尘器行走平稳，而且有 很高的效率，设计车轮的直径为 8 左驱动轮左步进电机右步进电机左毛刷电机 右毛刷电机进尘口万向轮右驱动轮( 图 0) 则 由公式（ 3 1） 15 U=C N （ 3 1） 式中 C 车轮的周长（ N 车轮的转速（ r/ N=U/C 12r/尘器的阻力计算 设计 多功能 吸尘器的质量在 3后车轮的的阻力矩由公式（ 3 2） T=f r （ 3 2） f 滚动摩擦系数由机械设计课程设计指导表 11K/T=3 4 =m 尘器的前 轮阻力矩 T0=f r =3 m R ,由机械设计课程设计指导表 11 根据供电电压为 12根据小功率电机手册 ,选择永磁式步进电机 ,其具体参数如下 :表 3 表格 3 步进电机的基本参数 型号 相数 额定电压 (V) 电流（ A） 保持转矩（ mN/ 步近角( ) 57 12V 的结构设计 （ 1）轴的径向尺寸的确定 轴的径向尺寸是在出算轴的直径基础上进行的 ,轴径的估算方法是按扭矩并降低许用扭 16 转切应力的方法进行的 ; 计算由公式（ 3 3）， d 3 / A ( （ 3 3） 式中 P 为轴所传地的功率（ N 为转轴的转速（ r/ A 为轴的许用应力系数（其值可以查机械设计教材表 这里选取轴的材料为 45号钢，则 A=108,由步进电机的参数由公式（ 3 4）可知； P= （ 3 4） =12 =转速 n=12r/d 108 3 12/ 的截面上有一个键槽，将直径增大 5，得 d +5 ) 标准值 d=10,即为轴直径最小直径。 为了便于联轴器的连接以及车轮的安装，许用下述方按，如图 3轴的左 侧需要连接联轴器，以便于和步进电机的轴相互连接， 在 轴的右侧有键主要用来和车轮连接，在右侧 同时加工螺纹，使车轮能够沿轴向固定，在轴的中间留有轴间用来固定轴承，逐步选定轴的直径为 D=10间 D=12根据轴的直径来选择轴承和联轴器等 ,由于轴的直径较小现有的标准 联 轴器很难满足设计的要求 ,因此需要单独设计联轴器 ,选用钢管加工满足要求的孔而后加工两个径向螺纹孔 ,用螺钉将电机轴与转轴相连接 ,轴上面的平台可以通过磨削的方式实现 ,滚动轴承的选取根据轴承手册选用深沟球轴承 ,轴承的型号 61800,其基本尺寸 B D d=5 19 10. 17 （图 0的装配简图） 通过中间的轴 进行定位 ,选择轴承盖将轴承固定 ,并且密封 根据 机械设计课程设计指导 )选定 4 6 的强度 校核 通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸、轴上的零件位置以及外载荷和支反力的作用位置均以确定，轴上的载荷已可以求得，因而，可以按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算，其计算步骤如下： (1)做出轴的计算简图 轴所受的 载荷从零件传来，计算时，将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布的中点，作用在轴上的扭矩，一般从传动轮毂宽度的中点算起，通常把轴作为链铰接支座的梁，支持反力的作用点与轴承的类型和布局方式有关。 (如图 3(图 3轴的计算简图 ) (2)做出 弯矩图 根据上述简图，分别按水平面和垂直面计算 做出 各力产生的弯矩，并按照计算结果分别做出水平面上的弯矩 后由公 式 （ 3 5）进计算总弯矩 M。（如图 3 M= 2 （ 3 5） t 驱动器 T r 左步进电机 T 18 =75N m 75 M （图 3 （ 3） 做出 扭矩图（如图 3 T=106 p/n =77N m 77 （图 3 （ 4） 做出 计算弯矩 根据已 做出 的总弯矩图和扭矩图计算弯矩 3 6） )( 22 （ 3 6） = )5 22 = m 式中， a 是考虑扭矩和弯矩的加载情况及产生的循环特性差异系数 ,扭剪应力按脉动循环变换取 a = 5）校合轴的强度 已知轴的计算弯矩后，对危险截面作强度进行 校核 计算，按第三强度理论，计算弯曲应力由公式（ 3 7） )( 122 （ （ 3 7） =59中 W 轴的抗弯截面系数 1 45#调质处理 经 ，取 59计算满足要求，设计轴符合调节。 19 第四章 电源及驱动电路的设计 电电源的设计 多功能 吸尘器是以自主方式工作的，因而所用的电源不是一般拖线方式，而是采用随身携带的蓄电池。这样不但可实现无人控制，而且工作时较灵活。一次充电可以连续工作几个小时。 移动电源在 多功能 吸尘机器中的地位十分重要 ,可以说它是吸尘机器人的 “ 生命源 ”， 移动电源需同时为移动机构提供动力 ,为控制电路提供稳定的电压 ,为吸尘操作模 块及传感观测模块提供能源等 ， 在这一领域 ,一般采用化学电池作为移动电源 ,如铅酸电池等。理想的电源在放电过程中应该能够具备 :保持恒定的电压 ;内阻小以便快速放电 ;可充电 ;成本低等特点 。 但实际上没有一种电池可同时具备上述优点 ， 由于室内移动机器人要求具有体积小 !自重轻等特点 ,所以电源的体积重量也是一个重要的考虑因素 ,这就要求选择一种体积小 、 容量大 、 可重复使用性高的电池 ,尽可能增加吸尘机器人的不间断工作时间 ， 除了为吸尘器运动、吸尘及控制电路提供能量外 ,还需优化自动充电方案 ,保证机器人能及时进行充电 ,能够自动完成对指定 环境的吸尘任务。蓄电池安装时（ 示容量，在规定温度下，放电充电和通常电源条件下，完全充电的电池所能输出的标准电量，如 1000示电池在 1000电电流的条件下，具有的连续工作 1 小时的能力。质量效率是衡量蓄电池能量密度的指标，表示蓄电池单位质量的输出效率，质量效率的单位为 G 。机器人使用蓄电池虽然摔掉了电缆却有增加了负载和，和体积，因此追求质量效率有实际意义。普通蓄电池的质量效率不高，在 3036G。新型蓄电池的质量效率在 60 100G。 多功能 吸尘器选用 24V， 10蓄电池，也可以选用蓄电池组进行系统供电，为了便于蓄电池进行充电，将蓄电池的充电器和驱动电路集成一体，如图 4由整流二极管等组成的蓄电池充电电路。 5V 以及电机 12V 电源电路： 多功能 吸尘器需要两类电源，一类是供给数字 片机传感器的工作电源，为 +5V，同时需要一类为电机驱动电源，根据电机的要求，电压在12V 电流在几 A，两类电源当然可以分别 供电，但是往往不经济，并可能带来安装空间困难，用一组电池时， 5V、 12 20 （图 4 稳压电源） 图 442两路电压输出，其中， +5V 电压的供电最好选用 非 别在前者最小输入电压是 6V，或者 7V。 动机器人自动充电技术 目前，移动机器人都是使用 高质量的机载 可充电 蓄电池组 来给自身供电，但是一般只能维持几个小时，一旦电能耗尽 ，必须采用人工干预的方式来给机器人充电。 即当移动机器人电力不足时，发出提示信号，由操作人员手动完成机器人与充电器之间的电器连接，然后实施充电，完成后也是人工脱离连接电路。其特点是安全可靠，简单易行，但需要专人看管，浪费人力，而且这也使得机器人的自动化、智能化不完整。如果采用人工充电，那么机器人就 处于一种非连续的任务环 37（如图 4这阻碍了机器人的长期自治。 （图 4 蓄电池充电器电路图） 21 运 行 关 闭任 务充 电完 全 自 主人 工 干 预 图 4器人非连 续任务环 如果要实现真正意义上的长期自治，机器人必须能在所处的环境中实现自我支持，实现连续任务环（如图 4机器人连续任务环被简单地定义为使机器人以自主充电的方式来继续完成它所分配到的任务。一旦开始运行，机器人便进入连续任务环，即不再需要人的帮助，在此系统中，启动和停止是由机器人自动完成的。 总之，随着移动机器人的应用越来越广泛，人们对移动机器人 能实现长期值守、延长自治时间以及增加活动范围等功能 的要求越来越高 ，故而 其补充动力能源成为了一个亟待解决的问题。由于常见的移动机器人动力能源的无缆化主要依赖高 品质的机载蓄电池组，如何让机器人在无人工干预环境下安全可靠、快速高效地自动实现充电是实现机器人长期 自治的一项关键技术 。 运 行停 止任 务充 电启 动图 4器人连续任务环 当移动机器人需要补充电力时，会自动驶向指定充电区，车载充电连接器与地面充电系统自动实现电连接并实施充电。充电完成后机器人自动脱离充电系统，驶向工作区或待命区投入正常运行 ,其特点是整个充电过程全部实现自动化、智能化，无需专人看管。 自动充 毕业设计 (论文 ) 基于遥控技术的家用吸尘器设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 要 利用三维软件，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成 吸尘器 的结构设计及特定零件的模具设计。主要内容包括 吸尘器 主题元素的确定、运用 产品进行造型、产品渲染、某个零件的模具、运用 合计总结。 关键词： 结构设计 模具设计 吸尘器 of to of of of a of AD 录 摘 要 . . 录 . 1 章 绪 论 . 6 题的提出及研究意义 . 6 . 6 究的意义 . 6 内外研究现状 . 8 第 2 章 吸尘器工作原理 . 11 尘器分类 . 11 尘器原理 . 12 第 3 章 遥控技术的家用吸尘器 外形 设计 . 13 品外形设计 . 13 壳设计 . 13 料选择 . 13 构设计 . 14 第 4 章 全自动吸尘器结构设计 . 17 车行走结构设计 . 17 体结构方案的比较与选择 . 17 车驱动电机功率的确定 . 18 杆副的设计计算 . 21 杆的选型 . 21 杆副的材料 . 22 齿面接触疲劳强度进行设计 . 22 杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸 . 25 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 . 26 轮部位电机选择 . 26 章小结 . 27 总结与展望 . 29 参 考 文 献 . 29 致 谢 . 30 总 结 . 32 参考文献 . 33 致 谢 . 34 6 第 1章 绪 论 随着科技的发展，人们的生活越来越好，可是周围的环境却越来越坏，净化空气就变得非常重要了。俗话说凡事要从自己做起，所以应该首先净化我们自己的生活环境，即室内环境。而 吸尘器 、 吸尘器 和空 调器等家用电器，都是人们用来创造人工气候环境的现代化家庭基本设备。 吸尘器是现代家庭中受到人们广泛喜爱的清洁用具，传统的用具清扫房间往往不能将家里的微细尘埃清扫干净，尘埃总是从一处转移到另一处，尤其是地毯窗帘等处的灰尘就更难以清除，利用吸尘器来做清洁工作就无此弊。吸尘器不但可以清洁地面，也可以用来清洁一般的器具难以清洁的地方，如沙发，墙壁等。 吸尘器在工作时要经过起尘、吸尘和滤尘三个阶段。吸尘器一般包括吸尘器电机和风机（电机多为串激整流子电动机、风机是离心式风机）、机身、吸尘管（手持式吸尘器的机身和吸尘管 常联为一体）控制电路、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸尘器的电机工作功率为 400积大一些的吸尘器的功率更高一些，而便携式吸尘器的功率则一般为 250W 以下，吸尘器工作时靠电动机高速驱动风机叶轮旋转，使空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气，使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差；在此压差的作用下，吸尘器吸入含灰尘的空气，并经滤尘器过滤，排出清净的空气。负压差越大风量越大，则吸力也越大，而这时的电机工作功率也就越高。所以吸尘器也叫真空吸尘器。真空吸尘器由于应用广泛 ，特别是为了可以用于不同的场地和场所，需要配置不同规格的吸头，这样可分别用来清除地毯、衣物、沙发、各种物品及电子仪器上的尘屑，使用十分方便。当然，也有一些是专门设计或专用型吸尘器。 近年来，每到换季的时候，“流感”就像“瘟疫”一样悄然而至，使许多人“弱不禁风”，在流感病毒的袭击下病倒了。于是人们想方设法预防流感。但效果总是不尽如人意。为什么流感发病率呈逐年上升趋势？如何能防患于未然呢？ 7 医学工作者对流感的发病原因和预防作了长期、深入的调查研究。 1999 年，日本名古屋大学健康环境医学 系教授须藤千春发表了一份关于空气湿度与人体健康的关系的研究报告，在学术界引起广泛的关注。该研究发现：近 30 年来，随着全球气温的逐年升高，空气湿度在逐年下降，流感、支气管哮喘、过敏性皮炎、肺气肿等疾病的发病率比 30 年前提高 30以上；这些疾病高发是人们自幼年起，长期生活在湿度较低的环境里，肌体免疫力低下造成的。肌体免疫力下降会使人处于一种“亚健康状态”。 “亚健康”是一种处于健康与生病之间 的状态，这种状态不易引起人们的注意，但是医学研究表明，亚健康状态的人较之健康的人身体抵抗力弱，更易受到病毒和细菌的侵害。 近年流感多发与空气湿度较低有着密切的关系。温暖、干燥易于细菌、病毒的滋生和传播，抗流感应以预防为主，营造健康的室内湿度，提高人体的免疫力，是切实可行的预防流感的方式。人们可采用 吸尘器 改善室内空气湿度，创造健康 的生活环境。因此本设计是有一定的使用价值的。 今年来 ,随着中国工业的快速发展 ,吸尘器的产销量也大幅增加 ,在我国市场具有旺盛的生命力。随着设会的进步和发展 ,人们的物质和精神生活质量的提高 ,迫切需要从繁重的清洁工作中解脱出来由此诞生了一种家用服务型吸尘机器人 ,它将移动机器人技术和吸尘技术有机地融合起来 ,实现家庭、宾馆、写字楼等室内环境的半自动或全自动清洁 ,因此具有广阔的市场前景。 目前在欧美日等发达国家 ,吸尘机器人开发较早 ,应用范围也较广 ,近两年来 ,已经开发出多种面向市场的智能吸尘机器人。澳大利亚某公司研制出可自动行驶并打扫房间的型机器人这种全自动吸尘器表面光滑 ,体积很小 ,呈圆形 ,内置搜索雷达 ,可以搜索各种房间里的每一处 ,不会碰撞家具或其它障碍物。微处理小电脑使它具备在拐至屋角处能探测方向、选择前进路线的能力。只要将全自动吸尘器放在地面上 ,它便可自动开始工作。其搜索雷达会探测出距离最近的墙壁 ,先顺着墙 壁把地板四周的灰尘及异物吸尽 ;然后再不规则地来回移动于房间的其它位置 ,并且能在接近障碍物之前迅速转向。该吸尘机器人由于在主机的周围配备了障碍物传感器 ,因此可以在检测墙壁及障碍物的同时打扫地面 ;当打扫完可以行驶的场所后 ,机器人就自动关闭电源。不管房间的外形及面积的大小、导航算法引导机器人在任何房间的所有无遮掩区域四处运动来进行清洁工作 ,因为机器人导航沿房间的周围 ,所以它要创建自己的空间参考图 ,机器人不需要任何编程“教它应该去哪里”。该机器人操作简单 ,仅有个按钮 :开始、结束以及暂停 ,人们只要简 单地将它放置在需要清扫的区域或房间中 ,按下开始按钮即可。 8 国内目前也已开始有关的研究开发工作 ,特别是在移动机器人的运动规划与控制方面取得了一定的成就 ,为研究开发吸尘机器人奠定了技术基础。吸尘机器人作为服务机器人领域中的一个新产品 ,将使人们能在无人看守情况下轻松地完成室内环境的吸尘等清洁工作。因此 ,该吸尘机器人如能大批量生产使成本降低 ,以低价格进入市场 ,将会具有巨大的市场前景 ,有关资料也预测吸尘机器人是未来几年需求量最大的是服务机器人。 湿度传感器产品及湿度测量属于 90 年代兴起的行业。 随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越来越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水分值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。工业 吸尘器 在中国的发展是在改革开放之后，真正的大发展是上世纪 90 年代后期。目前，常用的 吸尘器 有挥发式、蒸发式和雾化式三大类。它们的核心部件分别为离心电动机、电热元件和超声波发生器。挥发式 吸尘器 通过离心电动机的高速旋转所产生的负压将水吸到旋转的扩散盘上，并且靠离心力将扩散盘上的水扩散到空气中。蒸发式 吸尘器 是利用电热元件将水加热至 60 以上使水分子能够克服水面张力的束缚而蒸发到空气中。超声波 吸尘器 则利用具有压电效应的换能器把高频脉动电信号转换成高频机械振动，产生 2高频振动，用以造成剧烈的水滴撕裂，将水雾化成超微细粒，并且被电风机吹散到空气中去，以便调节有限空间的湿度。然而，这些 吸尘器 的加湿度还没有直观的定量指示和报讯装置，只能依靠人体感观的经验去手工调控加湿度。 尽管目前国内外在吸尘机器人研究开发方面已取得一定的成果 ,但成本过高和许多关键技术问题急待解决。 目前 ,价格过高是严重影响吸 尘机器人打入家电市场的主要因素 ,为了大幅度降低其成本 ,必须开发智能传感器、专用运动控制的数字处理芯片 ;其次 ,应该看到蓝牙技术在家电行业的应用前景 ,通过采用蓝牙技术将过高的数字处理成本转移到用户的个人电脑上 ,则有望在短期内将吸尘机器人的成本降低在千元左右。 未来的吸尘机器人将向自主式和人工智能化发展 ,因此必须结合现有的基于自适应控制、预测控制、模糊逻辑、神经网络等移动机器人运动规划和控制技术 ,研究对环境障碍物具有安全可靠的防碰撞功能的智能运动规划与控制器及高效的传感器融合算法 ,是在现实环境中实现具有良好的自适 应性和鲁棒性行为的机 9 器人的关键。 电源技术是吸尘机器人研究工作的核心问题之一 ,除了为机器人运动、吸尘及控制电路提供能量外 ,还需优化自动充电方案 ,保证机器人能及时进行充电 ,能够自动完成对指定环境的吸尘任务。在研究提高化学电池使用寿命、缩小体积的同时 ,一种新兴的质子交换膜燃料电池具有功率大、能量高、寿命长和体积小等优点 ,为移动电源提供了一种合适的电源 ,目前 ,上海某大学燃料电池研究所在这方面进行着有益的尝试。 随着吸尘机器人关键技术和性能价格比的不断提高或改进 ,相信在现有的软硬件条件的基础上 ,未来几年内就会推出价 格适中的全自动吸尘机器人产品 ,进而使吸尘机器人能像普通家电产品一样走进千家万户 ,为这一高新技术产品带来可观的市场和经济效益。 11 第 2章 吸尘器 工作原理 类 吸尘器 从使用方面来讲可分为工业用 吸尘器 和家用 吸尘器 两个大类。 按工作原理可分为超声波式 吸尘器 、直接蒸发式 吸尘器 、电热式 吸尘器 、电极式 吸尘器 、光波式 吸尘器 、离心式 吸尘器 和复合式 吸尘器 。 （ 1）立式：呈圆桶形或方形居多，分上、下两部分，上部装有电机，是动力部分，下部为集尘箱。 （ 2）卧式：长方形或车型状，有前后两部分， 前部为集尘箱，后部为电机部分。 （ 3）便携式，它一般有五种形式 1) 肩式：体积较小，使用时背在肩上，小功率输出。 2) 杆式：形状似杆，上端为把手，下端为吸嘴，小功率输出。 3) 手提式：体积更小，可直接握在手中使用，小功率输出通常用干或蓄电池做电源。 4) 微型式：多用电池供电，体积更小，多用于清洁衣物、仪器等，微功率。 5) 无绳式 : 吸尘器拖着长长的电线 , 极易纠缠不清。倘若是无绳式的吸尘器，则可以避免上述情况的发生。 按功能大致有以下种：干式干湿两用式地毯式及打蜡吸尘式。干式吸 尘器就是上面介绍的几种吸尘器。干湿两用式吸尘器具有与干式吸尘器相同的性能和用途，此外还能吸取肥皂之类的液体或多水性泡沫污物。地毯式主要用于地毯的清洁。打蜡式吸力较差，主要以打蜡为主。 （ 1）类吸尘器，额定电压超过 42伏，只有基本绝缘。 （ 2）类吸尘器，额定电压超过 42伏，全部为双重绝缘，当基本绝缘破坏时，还有一层补充绝缘作用。 （ 3）类吸尘器，额定电压低于 42伏，避免了触电危险。 12 理 1吸尘原理。吸尘器的风机叶轮在电动机高速驱动下，将叶轮中的空气高速排出风机，同时 使吸尘部分内空气不断地补充进风机。这样不妨与外界形成较高的压差。吸嘴的尘埃、脏物随空气被吸入吸尘部分，并经过漏器过漏，将尘埃、脏物收集与尘筒内。 2、吸尘器的原件。 所有吸尘器都配有一个组装刷头，供清理地板及地毯使用。吸力式吸尘器还会配备一系列的清洁刷及吸嘴，以便清扫角落、窗帘、沙发和缝隙用。 3喉管：所有吸力式的吸尘器都会装备硬喉管，用来连接清洁用的软喉管及附件。 4电动刷：内式吸尘器的清洁头，是混合式吸尘器特别有的配件。 5圆刷头：也较小吸嘴，可做 360*回转，方便清洁家具、精细网织物等。 6扁 吸嘴：又称缝隙吸嘴，是一支细长、扁平的硬吸嘴。特别适用于清洁墙边、辐射式暖片、角落及浅窄地方。 7扫尘刷：用长而软的鬃毛制成，适用于清洁窗帘、墙壁等。 吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成，一般包括串激整流子电动机、离心式风机、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸 尘器的功率为 400更高，便携式吸尘器的功率一般为 250尘器能除尘，主要在于它的“ 头部 ” 装有一个电动抽风机。抽风机的转 轴上有风叶轮，通电后，抽风机会以每秒 500圈的转速产生极强的吸力和压力，在吸力和压力的作用下，空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风 机中的空气，致使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，吸入含灰尘的空气。灰尘等杂物依次通过地毯或地板刷、长接管、弯 管、软管、软管接头进入滤尘袋，灰尘等杂物滞留在滤尘袋内，空气经过滤片净化后，再由机体尾部排出。 吸尘器的工作原理是吸尘器电机高速旋转 ,从吸入口吸入空气 ,使尘箱产生一定的真空 ,灰尘通过地刷、接管、手柄、软 管、主吸管进入尘箱中的滤尘袋 ,灰尘被留在滤尘袋内 ,过滤后的空气再经过一层过滤片进入电机 ,这层过滤片是防止尘袋破裂灰尘吸入 电机的一道保护屏障 ,进入 电机的空气经电机流出 ,由于电机运行中碳刷不断的磨损 ,因此流出吸尘器前又加了一道过滤。 过滤材料越细密就可以将空气过滤得越干净 ,但透气度就越差 ,这样影响了电机吸入的风量 ,降低了吸尘器效率。但是对用户而言 ,舒适干净是主要的 ,因此近年来流行叫 “ 海帕 ” 的过滤器。 海帕是外来名 ,它是一种高效过滤器 ,可以将极小的灰尘挡住 ,它的透气度是较低的 ,因此都做成 波浪形以增加透气面积。这种过滤材料有的还可以反复清洗。任何过滤材料都有 “ 寿命 ”, 也就是长期使用后过滤材料的微孔已被小颗粒 灰尘堵死。因此纸质的尘袋 是比较理想的 ,用后即弃 ,卫生又方便。布质滤尘袋清洗后纤维会板结 ,影响过滤效果和透气效果。 层复合过滤材料耐洗 ,但透气度稍低。 13 第 3章 遥控技术的家用吸尘器 外形 设计 品外形设计 本次设计的为空气 吸尘器 ，采用 超声波 吸尘器 。此种 吸尘器 通过 换能片产生的超声能量直接作用于水，而水在强烈的超声空化作用下被雾化。雾化的微细水颗粒，经过独特的风道吹送至增湿空间，水雾粒子与流动空气进行热湿交换，达到等焓加湿空气的目的。 壳设计 料选择 塑件的选材应考虑以 下几个方面，以判断其是否能满足使用要求。 （ 1）、塑件的力学性能，如强度、刚性、韧性、弹性、弯曲性能、冲击性能以及对应力的敏感性。 （ 2）、塑料的物理性能，如对使用环境温度变化的适应性、光学特性、绝热或电气绝缘的程度、精加工和外观的完美程度等。 （ 3）、塑料的化学性能，如对接触物（水、溶剂、油、药物）的耐性、卫生程度以及使用上的安全性等。 （ 4）、必要的精度，如收缩率的大小及各向收缩率的差异。 （ 5）、成型工艺性，如塑料的流动性、结晶性、热敏性等。 本次设计外壳塑件材料选用 一种具有良好综合性 能的工程塑料，它具有聚苯乙烯的良好塑性、聚丁二烯的韧度、聚苯烯腈的化学稳定性和表面硬度，其抗拉强度可达 35 50耐候性是它的另一个优点，一般件的使用温度范围为 100 C，这正是本塑件最适宜的使用温度范围。 料具有一定的吸湿性（含水量为 ，成型时会在制件上产生斑痕、云纹、银丝、气泡等缺陷，故在注射成型之前应进行干燥处理。 动性好。设定料温在 200 240 C 之间，模温在60 C 左右。 塑料密度 g/弹性模量 E=0 型收缩率 泊松比 14 构设计 塑料的总体尺寸主要取决于塑料品种的流动性。塑料外形尺寸还受成型设备的限制。从能源，模具制造成本和成型工艺条件出发，只要能满足塑件的使用要求，应将塑件设计的尽量紧凑，尺寸小巧一些。 影响塑料尺寸精度的因素很多，如模具制造精度及其使用后的磨损，塑料收缩率的波动，成型工艺条件的变化，塑件的形状，飞边厚度的波动，脱模斜度及成型后塑件尺寸变化等。一般来讲，为了降低模具的加工难度和模具制造成本。在满足塑 件使用要求的前提下应尽量把塑件尺寸精度设计的低一些。 塑料制件的表面质量包括表面粗糙度和表观质量。塑件表面粗糙度的高低，主要与模具型腔表面的粗糙度有关。目前，注射成型塑件的表面粗糙度通常为 R m，模腔表壁的表面粗糙度应为塑件的 1/2，即 R m。 塑件应有一定的厚度才能满足使用时的强度和刚度要求，而且壁厚在脱模时还需承受脱模推力。壁厚应设计合理，壁太薄熔料充满型腔时的流动阻力大，会出现缺料的现象；壁太厚塑件内部会产生气泡，外部易产生凹陷等缺陷，同时增加了成本；壁厚不均匀 造成收缩不一致，导致塑件变形或翘曲，在可能的条件下应使壁厚尽量均匀一致。塑件的壁厚一般取 1 4型塑件的壁厚可达 8次设计塑件壁厚取 2 加强筋的主要作用是在不增加壁厚的情况下，加强塑件的强度核刚度，避免塑件变形翘曲。此外，合理布局加强筋还可以改善充模流动性，减少内应力，避免气孔、缩孔和凹陷等缺陷。加强筋的壁厚应小于塑件壁厚，并与壁厚圆弧过渡。加强筋端部不应与塑件支撑面平齐，而应缩进 0.5 上，如果一个制件上需要设置许多加强筋，除应注意加强筋之间的中心距必须大于制件壁厚的两倍以上之外，还 要使各条加强筋的排列互相错开，易防止收缩不均匀引起制品破裂。此外，各条加强筋的厚度应尽量相同或相近，这样可以防止因融体流动局部集中而引起缩孔和气泡。 对于塑件来说，除使用要求需要尖角之外，其余所有内外表面转弯处都应尽能采用圆角过渡，以减少应力集中。采用圆角过渡不但使塑件强度高，塑件在型腔中流动性好，而且美观，模具型腔也不易产生内应力和变形。圆角半径的大小主要取决于塑件的壁厚。 15 塑件上的螺纹即可以直接用模具成型，也可以在成型后用机械加工获得，对于需要经常装拆和受力较大的螺纹，应采用金属螺纹嵌件。塑件上的螺纹， 一般直径要求不小于 2 度不小于 ，并选用螺距较大者。细牙螺纹尽量不采用直接成型，而是采用金属螺纹嵌件。为了增加螺纹的强度，防止最外圈螺纹崩裂或变形，其始端和末端均不应突然开始和结束，应有一定过渡段。塑件螺纹与金属螺纹的配合长度应不大于螺纹直径的 。在同一螺纹型芯或螺纹型环上有前后两种螺纹时，应使两端螺纹的旋向和螺距相同。 吸尘部位的设计 全自动吸尘器对墙壁等障碍的判断主要是通过超声波传感器来完成的，超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如 测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。 1. 超声波发生器 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途 也各有 不相同 的地方 。目前较为常用的是压电式 超声波发生器。 压电式超声波发生器实际是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图 2有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为 电信号，这时它就成了超声波（图 2声波传感器结构）图） 16 接收装置。 全自动吸尘器选用了压电陶瓷式超声波传感器，在超声波信号发射侧使用信号接受侧使用 射信号侧由 40通信电路、控制驱动电路组成，接收信号侧由放大、比较和积分电路组成，图 2超声波传感器的电路。超声波传感器为了容易反射声波，对测定物体成直角安装。 由于每一个超声波探头都有一定的指向性（即发射或接受的空间范围），所以在测量时必然存在盲区（如图 2）。因此，三对传感器必然以一定的尺寸分布在吸尘器的前端，从而使传感器测量的范 围包含整个吸尘器所必须经过的空间，同时又避免探测死角（既使盲区落在须测量的范围之外）。 第 4 章 本章标题 17 第 4章 全自动吸尘器 结构设计 全自动吸尘器的驱动部分是由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成的。步进电机带动两驱动轮（后轮），从而推动吸尘器运动。前轮不再采用传统的双轮结构，而采用了应用非常广泛的万向转 轮这既减小了结构复杂度，又提高了转弯的灵活性 通过改变作用于步进电机的脉冲信号的频率，可以对步进电机实现较高精度的调速。同时在对两电机分别施加相同或不同脉冲信号时，通过差速方式，可以方便的实现吸尘器前进、左转、右转、后退、调头等功能。这一设计的最大优点是吸尘器能够在任意半径下，以任意速度实现转弯，甚至当两后轮相互反向运动时，实现零转弯半径（即绕轴中点原地施转）。同时转弯的速度可通过改变单片机的程序来调节 。 由于智能吸尘器是边行走边工作的，所以要求速度很低，一般要求 3m 右，这样能够保证全 自动吸尘器行走平稳，而且有很高的效率 . 车行走结构设计 这里主要是做了三方面的工作：对小车行走机构的结构方案的比较与选择；对电机功率的估计并选择出小车的驱动电机；对根据结构设计的齿轮、齿条传动的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度校核。 体结构方案的比较与选择 根据一些移动机器人本体设计的研究文献及直动关节的知识可获得两个车体结构方案。这两个方案的示意图如图所示： 方案 1：其中传动顺序为：电机 齿轮箱 车轮轴上齿轮 （通过车轮轴）驱动轮。这也是在移动机器人本体结构设计上较为常用的一种车体结构方案，布置比较对称合理。 方案 2：其中传动顺序为：电机 圆柱齿轮 固定齿条 （通过反推动）车体结构。这里的设计有借鉴将旋转运动转化为直线运动里有齿轮、齿条这么一种传动方式，结构比较简单，设计比较容易。 方案间的比较： 表 1 两车体机构方案的比较 左侧步进电机 右侧步进电机 自带电源 18 方案比较 方案 1 方案 2 设计方面 较复杂 较简单 结构方面 稍复杂 稍简单 布置方面 对称点 有点偏移 效率方面 较低 较高 精度方面 高 稍差 用材方面 一般 有长齿条 根据实际的工作条件：希望设计能够比较简单，结构比较简单，焊接小车 的移动效率高一点，精度要求并不是很高，。故可从表 1 可选择出方案 2 作为该小车的设计结构方案。 车驱动电机功率的确定 (1) 电机功率的估计 根据重量、小车运行速度、轮胎直径来确定驱动电机的功率。 假定小车在轨道上行走，不考虑小车行驶中的空气阻力，分析小车的受力情况，以便估计小车所需的驱动力矩。此时，应把轮胎看成一个弹性体来考虑。 前面也提到了，在这里，由于电机的驱动是通过齿轮、齿条的啮合来驱动，故该小车的四轮都为从动轮。 这里先分析车轮的受力情况： 第 4 章 本章标题 19 轮受力简图 假设在运动过程中，轮子做纯滚动。 设小车运动时的加速度为 应的车轮角加速度为 根据 推得： 1dw r 其中 图 中 m 车轮的质量， 根据平衡条件有 m （ f r M J （ 20 值为 N ； 根据式（ （ 2 d r d t （ 由此可知 ，推动车轮前进要克服两种阻力，即车轮的滚动阻力和车轮的加速阻力。而后者又由平移质量产生的加速阻力 所组成。 齿轮、齿条传动作为该小车的驱动机构，故驱动力矩设为 进而可将 解为小车的实际驱动力， r 为齿轮的半径。 故以小车车体做分析对象，在水平方向上，应用牛顿第二定律可得： 04 ( 4 )dM m mr d t （ 其中0 将式（ 的 0 244 d r d （ 由上式可得出结论为：小车的驱动力用来克服车轮的滚动阻力和机器人的平移质量的加速阻力和车轮的旋转阻力。 可根据式（ 估出驱动力矩： 其中：车轮半径 60r 2 查理论力学 动摩阻系数 。）， 40 00 车 轮 质 量 估 计 为 J 估 计 为 2-4 ， 0 ( 4 0 0 . 8 ) 1 0 9844m m N； 由于这里的焊接速度为 故可一定程度上估出22dv m 。 将上述数据带入式（ ： d 进而根据要求的运行速度为 v ,初步确定电机
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