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扫地
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三维
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本 科 毕 业 设 计题 目 扫地机器人的设计 学 院 工业制造学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 年级 11 指导教师 职称 讲师 2015年 4月 27日扫地机器人的设计专 业： 学 号：学 生： 指导教师：摘要：机器人是一种能够模仿人类动作的机器，它可以完成许多对人类来说危险且单调的工作，机器人让人类从繁重、单调的工作中解脱出来。它们从事固定而有规律的工作，例如工业生产中的焊接、喷漆等等。本文主要设计的是扫地机器人的设计，该机器人采用统一动作、协调控制的原则，通过电机带动动力轮实现扫地机器人的运动，通过中控系统的控制来实现扫地机器人的动作，由于是中控系统控制，所以控制灵活，多样。通过控制器来控制机器人的动作，实现该机器人清扫、除尘的功能。关键词： 扫地机器人；控制；结构；清扫 The design of sweeping robotSpecialty： Student Number：Student： Supervisor：Abstract：The overall scheme of this paper to the electric push rod as the main component to design manned three degree of freedom triangular robot. The mechanism adopts the unified action, the coordinated control principle, by opening the travel of the push rod to realize the robot foot movement, to achieve a manned with three degrees of freedom robot motion control in the triangle by control system, the control system to control, so the control of flexible, multi sample. People can sit on the robot, the controller is adopted to control the robots movement, the realization of some people rely on their own to complete the function of the leg muscles.Must regard as the machine design is the machine design personnel carries on using creative ability the product design, the system analysis and a formulation product manufacture technology good opportunity. Key words：Machine manufacture;Crankshaft;Processing craft;Fixture;目 录绪论 .11. 机器人简史 32. 应用机器人的意义 63. 本课题研究的内容 94. 扫地机器人总体方案结构的设计 .124.1 扫地机器人的总体方案图 .124.2 扫地机器人的工作原理 .125. 机械结构的设计 .185.1 电机的选型计算 .205.2 齿轮传动的设计计算 205.3 扫地机器人的功能概述 .205.3.1 扫地机器人的清扫模式 .205.3.2 智能导航系统 .205.4 齿轮的强度校核 .205.5 扫地机器人的智能控制系统 .206. 扫地机器人的三维建模 .216.1 动力轮的三维建模 .216.2 万向轮的三维建模 .226.3 毛刷的三维建模 .236.4 扫地机器人的三维建模 .227. 三维软件设计总结 .22结论 25参考文献 26致谢 27I绪论机 械 工 业 是 国 民 的 装 备 部 ， 是 为 国 民 经 济 提 供 装 备 和 为 人 民 生 活 提 供 耐 用 消 费品 的 产 业 。 不 论 是 传 统 产 业 ， 还 是 新 兴 产 业 ， 都 离 不 开 各 种 各 样 的 机 械 装 备 ， 机 械工 业 所 提 供 装 备 的 性 能 、 质 量 和 成 本 ， 对 国 民 经 济 各 部 门 技 术 进 步 和 经 济 效 益 有 很大 的 和 直 接 的 影 响 。 机 械 工 业 的 规 模 和 技 术 水 平 是 衡 量 国 家 经 济 实 力 和 科 学 技 术 水平 的 重 要 标 志 。 因 此 ， 世 界 各 国 都 把 发 展 机 械 工 业 作 为 发 展 本 国 经 济 的 战 略 重 点 之一 。研 究 、 设 计 和 发 展 新 的 机 械 产 品 ， 不 断 改 进 现 有 机 械 产 品 和 生 产 新 一 代 机 械 产品 ， 以 适 应 当 前 和 将 来 的 需 要 。 机 械 产 品 的 生 产 ， 包 括 ： 生 产 设 施 的 规 划 和 实 现 ；生 产 计 划 的 制 订 和 生 产 调 度 ； 编 制 和 贯 彻 制 造 工 艺 ； 设 计 和 制 造 工 具 、 模 具 ； 确 定劳 动 定 额 和 材 料 定 额 ； 组 织 加 工 、 装 配 、 试 车 和 包 装 发 运 ； 对 产 品 质 量 进 行 有 效 的控 制 。 机 械 制 造 企 业 的 经 营 和 管 理 。 机 械 一 般 是 由 许 多 各 有 独 特 的 成 形 、 加 工 过 程的 精 密 零 件 组 装 而 成 的 复 杂 的 制 品 。 生 产 批 量 有 单 件 和 小 批 ， 也 有 中 批 、 大 批 ， 直至 大 量 生 产 。 销 售 对 象 遍 及 全 部 产 业 和 个 人 、 家 庭 。 而 且 销 售 量 在 社 会 经 济 状 况 的影 响 下 ， 可 能 出 现 很 大 的 波 动 。 因 此 ， 机 械 制 造 企 业 的 管 理 和 经 营 特 别 复 杂 ， 企 业的 生 产 管 理 、 规 划 和 经 营 等 的 研 究 也 多 是 肇 始 于 机 械 工 业 。机 械 产 品 的 应 用 。 这 方 面 包 括 选 择 、 订 购 、 验 收 、 安 装 、 调 整 、 操 作 、 维 护 、修 理 和 改 造 各 产 业 所 使 用 的 机 械 和 成 套 机 械 装 备 ， 以 保 证 机 械 产 品 在 长 期 使 用 中 的可 靠 性 和 经 济 性 。机 械 产 品 的 应 用 。 这 方 面 包 括 选 择 、 订 购 、 验 收 、 安 装 、 调 整 、 操 作 、 维 护 、修 理 和 改 造 各 产 业 所 使 用 的 机 械 和 成 套 机 械 装 备 ， 以 保 证 机 械 产 品 在 长 期 使 用 中 的可 靠 性 和 经 济 性 。 研 究 机 械 产 品 在 制 造 过 程 中 ， 尤 其 是 在 使 用 中 所 产 生 的 环 境 污 染 ，和 自 然 资 源 过 度 耗 费 方 面 的 问 题 ， 及 其 处 理 措 施 。 这 是 现 代 机 械 工 程 的 一 项 特 别 重要 的 任 务 ， 而 且 其 重 要 性 与 日 俱 增 。 机 械 的 种 类 繁 多 ， 可 以 按 几 个 不 同 方 面 分 为 各种 类 别 ， 如 ： 按 功 能 可 分 为 动 力 机 械 、 物 料 搬 运 机 械 、 粉 碎 机 械 等 ； 按 服 务 的 产 业可 分 为 农 业 机 械 、 矿 山 机 械 、 纺 织 机 械 等 ； 按 工 作 原 理 可 分 为 热 力 机 械 、 流 体 机 械 、仿 生 机 械 等 。 另 外 ， 机 械 在 其 研 究 、 开 发 、 设 计 、 制 造 、 运 用 等 过 程 中 都 要 经 过 几个 工 作 性 质 不 同 的 阶 段 。 按 这 些 不 同 阶 段 ， 机 械 工 程 又 可 划 分 为 互 相 衔 接 、 互 相 配合 的 几 个 分 支 系 统 ， 如 机 械 科 研 、 机 械 设 计 、 机 械 制 造 、 机 械 运 用 和 维 修 等 。II机 器 人 是 近 几 十 年 发 展 起 来 的 一 种 高 科 技 自 动 化 生 产 设 备 。 机 器 人 的 是 工 业机 器 人 的 一 个 重 要 分 支 。 它 的 特 点 是 可 通 过 编 程 来 完 成 各 种 预 期 的 作 业 任 务 ， 在 构造 和 性 能 上 兼 有 人 和 机 器 各 自 的 优 点 ， 尤 其 体 现 了 人 的 智 能 和 适 应 性 。 机 器 人 作业 的 准 确 性 和 各 种 环 境 中 完 成 作 业 的 能 力 ， 在 国 民 经 济 各 领 域 有 着 广 阔 的 发 展 前 景 。机 器 人 是 在 机 械 化 ， 自 动 化 生 产 过 程 中 发 展 起 来 的 一 种 新 型 装 置 。 在 现 代 生 产过 程 中 ， 机 器 人 被 广 泛 的 运 用 于 自 动 生 产 线 中 ， 机 械 人 的 研 制 和 生 产 已 成 为 高 技 术邻 域 内 ， 迅 速 发 展 起 来 的 一 门 新 兴 的 技 术 ， 它 更 加 促 进 了 机 器 人 的 发 展 ， 使 得 机器 人 能 更 好 地 实 现 与 机 械 化 和 自 动 化 的 有 机 结 合 。 机 器 人 虽 然 目 前 还 不 如 人 手 那样 灵 活 ， 但 它 具 有 能 不 断 重 复 工 作 和 劳 动 ， 不 知 疲 劳 ， 不 怕 危 险 ， 抓 举 重 物 的 力 量比 人 手 力 大 的 特 点 ， 因 此 ， 机 器 人 已 受 到 许 多 部 门 的 重 视 ， 并 越 来 越 广 泛 地 得 到 了应 用 。机 器 人 技 术 涉 及 到 力 学 、 机 械 学 、 电 气 气 技 术 、 自 动 控 制 技 术 、 传 感 器 技 术 和计 算 机 技 术 等 科 学 领 域 ， 是 一 门 跨 学 科 综 合 技 术 。 机 器 人 是 一 种 能 自 动 化 定 位 控制 并 可 重 新 编 程 序 以 变 动 的 多 功 能 机 器 ， 它 有 多 自 由 度 ， 可 用 来 搬 运 物 体 以 及 可以 在 各 个 不 同 环 境 中 工 作 。1 机器人简史现 代 机 器 人 起 源 于 20 世 纪 50 年 代 初 ， 是 基 于 示 教 再 现 和 主 从 控 制 方 式 、 能 适应 产 品 种 类 变 更 ， 具 有 多 自 由 度 动 作 功 能 的 柔 性 自 动 化 产 品 。机 器 人 首 先 是 从 美 国 开 始 研 制 的 。 1958 年 美 国 联 合 控 制 公 司 研 制 出 第 一 台 机器 人 。 他 的 结 构 是 ： 机 体 上 安 装 一 回 转 长 臂 ， 端 部 装 有 电 磁 铁 的 工 件 抓 放 机 构 ， 控制 系 统 是 示 教 型 的 。1962 年 ， 美 国 机 械 铸 造 公 司 在 上 述 方 案 的 基 础 之 上 又 试 制 成 一 台 数 控 示 教 再 现型 机 器 人 。 商 名 为 Unimate(即 万 能 自 动 )。 运 动 系 统 仿 造 坦 克 炮 塔 ， 臂 回 转 、 俯 仰 ，用 气 驱 动 ； 控 制 系 统 用 磁 鼓 最 存 储 装 置 。 不 少 球 坐 标 式 通 用 机 器 人 就 是 在 这 个 基础 上 发 展 起 来 的 。 同 年 该 公 司 和 普 鲁 曼 公 司 合 并 成 立 万 能 自 动 公 司 （ Unimaton） ,专门 生 产 机 器 人 。1962 年 ， 美 国 机 械 铸 造 公 司 也 试 验 成 功 一 种 叫 Versatran 机 器 人 ， 原 意 是 灵活 搬 运 。 该 机 器 人 的 中 央 立 柱 可 以 回 转 ， 臂 可 以 回 转 、 升 降 、 伸 缩 、 采 用 气 驱 动 ，III控 制 系 统 也 是 示 教 再 现 型 。 虽 然 这 两 种 机 器 人 出 现 在 六 十 年 代 初 ， 但 都 是 国 外 机器 人 发 展 的 基 础 。1978 年 ， 美 国 Unimate 公 司 和 斯 坦 福 大 学 、 麻 省 理 工 学 院 联 合 研 制 一 种Unimate-Vic-arm 型 机 器 人 ， 装 有 小 型 电 子 计 算 机 进 行 控 制 ， 用 于 装 配 作 业 ， 定 位误 差 可 小 于 1 毫 米 。美 国 还 十 分 注 意 提 高 机 器 人 的 可 靠 性 ， 改 进 结 构 ， 降 低 成 本 。 如 Unimate 公司 建 立 了 8 年 机 器 人 试 验 台 ， 进 行 各 种 性 能 的 试 验 。 准 备 把 故 障 前 平 均 时 间 （ 注 ：故 障 前 平 均 时 间 是 指 一 台 设 备 可 靠 性 的 一 种 量 度 。 它 给 出 在 第 一 次 故 障 前 的 平 均 运行 时 间 ） ， 由 400 小 时 提 高 到 1500 小 时 ， 精 度 可 提 高 到 0.1 毫 米 。德 国 机 器 制 造 业 是 从 1970 年 开 始 应 用 机 器 人 ， 主 要 用 于 起 重 运 输 、 焊 接 和 设备 的 上 下 料 等 作 业 。 德 国 KnKa 公 司 还 生 产 一 种 点 焊 机 器 人 ， 采 用 关 节 式 结 构 和程 序 控 制 。瑞 士 RETAB 公 司 生 产 一 种 涂 漆 机 器 人 ， 采 用 示 教 方 法 编 制 程 序 。瑞 典 安 莎 公 司 采 用 机 器 人 清 理 铸 铝 齿 轮 箱 毛 刺 等 。日 本 是 机 器 人 发 展 最 快 、 应 用 最 多 的 国 家 。 自 1969 年 从 美 国 引 进 二 种 典 型机 器 人 后 ， 大 力 研 究 机 器 人 的 研 究 。 据 报 道 ， 1976 年 从 事 机 器 人 的 研 究 工 作 的 大专 院 校 、 研 究 单 位 多 达 50 多 个 。 1979 年 120 多 个 大 学 和 国 家 研 究 部 门 用 在 机 器人 的 研 究 费 用 42%。 1979 年 日 本 机 器 人 的 产 值 达 443 亿 日 元 ， 产 量 为 14535 台 。其 中 固 定 程 序 和 可 变 程 序 约 占 一 半 ， 达 222 亿 日 元 ， 是 1978 年 的 二 倍 。 具 有 记忆 功 能 的 机 器 人 产 值 约 为 67 亿 日 元 ， 比 1978 年 增 长 50%。 智 能 机 器 人 约 为 17亿 日 元 ， 为 1978 年 的 6 倍 。 截 止 1979 年 ， 机 器 人 累 计 产 量 达 56900 台 。 在 数量 上 已 占 世 界 首 位 ， 约 占 70%， 并 以 每 年 50% 60%的 速 度 增 长 。 使 用 机 器 人 最多 的 是 汽 车 工 业 ， 其 次 是 电 机 、 电 器 。 预 计 到 1990 年 将 有 55 万 机 器 人 在 工 作 。第 二 代 机 器 人 正 在 加 紧 研 制 。 它 设 有 微 型 电 子 计 算 机 控 制 系 统 ， 具 有 视 觉 、 触觉 能 力 ， 甚 至 听 、 想 的 能 力 。 研 究 安 装 各 种 传 感 器 ， 把 感 觉 到 的 信 息 反 馈 ， 使 机器 人 具 有 感 觉 机 能 。 目 前 国 外 已 经 出 现 了 触 觉 和 视 觉 机 器 人 。第 三 代 机 器 人 （ 机 器 人 ） 则 能 独 立 地 完 成 工 作 过 程 中 的 任 务 。 它 与 电 子 计 算 机和 电 视 设 备 保 持 联 系 。 并 逐 步 发 展 成 为 柔 性 制 造 系 统 FMS(Flexible Manufacturing system)和 柔 性 制 造 单 元 (Flexible Manufacturing Cell)中 重 要 一 环 。IV随 着 工 业 机 器 手 （ 机 器 人 ） 研 究 制 造 和 应 用 的 扩 大 ， 国 际 性 学 术 交 流 活 动 十 分活 跃 ， 欧 美 各 国 和 其 他 国 家 学 术 交 流 活 动 开 展 很 多 。2 应用机器人的意义随 着 科 学 技 术 的 发 展 ， 机 器 人 也 越 来 越 多 的 地 被 应 用 。 在 机 械 工 业 中 ， 铸 、 焊 、铆 、 冲 、 压 、 热 处 理 、 机 械 加 工 、 装 配 、 检 验 、 喷 漆 、 电 镀 等 工 种 都 有 应 用 的 实 理 。其 他 部 门 ， 如 轻 工 业 、 建 筑 业 、 国 防 工 业 等 工 作 中 也 均 有 所 应 用 。在 机 械 工 业 中 ， 应 用 机 器 人 的 意 义 可 以 概 括 如 下 ：一 、 以 提 高 生 产 过 程 中 的 自 动 化 程 度应 用 机 器 人 有 利 于 实 现 材 料 的 传 送 、 工 件 的 装 卸 、 刀 具 的 更 换 以 及 机 器 的 装 配等 的 自 动 化 的 程 度 ， 从 而 可 以 提 高 劳 动 生 产 率 和 降 低 生 产 成 本 。二 、 以 改 善 劳 动 条 件 ， 避 免 人 身 事 故在 高 温 、 高 压 、 低 温 、 低 压 、 有 灰 尘 、 噪 声 、 臭 味 、 有 放 射 性 或 有 其 他 毒 性 污染 以 及 工 作 空 间 狭 窄 的 场 合 中 ， 用 人 手 直 接 操 作 是 有 危 险 或 根 本 不 可 能 的 ， 而 应 用机 器 人 即 可 部 分 或 全 部 代 替 人 安 全 的 完 成 作 业 ， 使 劳 动 条 件 得 以 改 善 。在 一 些 简 单 、 重 复 ， 特 别 是 较 笨 重 的 操 作 中 ， 以 机 器 人 代 替 人 进 行 工 作 ， 可以 避 免 由 于 操 作 疲 劳 或 疏 忽 而 造 成 的 人 身 事 故 。三 、 可 以 减 轻 人 力 ， 并 便 于 有 节 奏 的 生 产应 用 机 器 人 代 替 人 进 行 工 作 ， 这 是 直 接 减 少 人 力 的 一 个 侧 面 ， 同 时 由 于 应 用机 器 人 可 以 连 续 的 工 作 ， 这 是 减 少 人 力 的 另 一 个 侧 面 。 因 此 ， 在 自 动 化 机 床 的 综 合加 工 自 动 线 上 ， 目 前 几 乎 都 没 有 机 器 人 ， 以 减 少 人 力 和 更 准 确 的 控 制 生 产 的 节 拍 ，便 于 有 节 奏 的 进 行 工 作 生 产 。综 上 所 述 ， 有 效 的 应 用 机 器 人 ， 是 发 展 机 械 工 业 的 必 然 趋 势 。各 类 机 器 人 的 图 形 分 别 如 下 所 示 ：VVI3 本课题研究的内容本 论 文 主 要 研 究 运 用 SolidWorks 对 扫 地 机 器 人 进 行 设 计 。 在 设 计 过 程 中 ，了 解 扫 地 机 器 人 的 结 构 特 征 和 三 维 软 件 的 使 用 要 领 。本 文 的 设 计 目 标 是 设 计 一 种 扫 地 机 器 人 ， 该 机 器 人 能 够 实 现 随 机 清 扫 ， 交 叉 清扫 ， 床 底 清 扫 ， 防 撞 等 等 多 种 功 能 ， 其 研 究 内 容 包 括 ：（ 1） 功 能 分 析 与 方 案 设 计 ；（ 2） 结 构 设 计 与 三 维 造 型 ；（ 3） 控 制 系 统 设 计 。VII4 扫地机器人总体方案结构的设计4.1 扫地机器人的总体方案图本 次 设 计 的 扫 地 机 器 人 采 取 的 方 案 是 ： 在 机 器 人 的 两 侧 各 布 置 一 组 毛 刷 ， 成 对称 分 布 ， 通 过 电 动 机 通 过 伞 齿 轮 传 动 控 制 动 力 轮 转 动 来 实 现 机 器 人 的 移 动 动 作 。 根据 控 制 方 法 的 不 同 ， 机 器 人 的 转 速 或 者 方 向 也 有 所 不 同 。 整 机 采 用 成 本 低 廉 且 经 久耐 用 的 塑 料 作 为 材 料 ， 经 过 喷 漆 喷 塑 处 理 后 在 外 观 上 面 得 到 了 一 定 的 保 证 。 其 具 体方 案 布 局 图 如 下 ：4.2 扫地机器人的工作原理本次设计的扫地机器人的工作原理为：通过电动机通过伞齿轮传动控制动力轮转动来实现机器人的移动动作，根据控制方法的不同，机器人的转速或者方向也有所不同。1 、 清 扫 模 式 ： 随 机 清 扫 、 螺 旋 式 清 扫 、 交 叉 清 扫 、 沿 边 清 扫 、 定 点 清 扫 、 预 约清 扫 等 相 结 合 ， 实 现 全 方 位 立 体 清 扫 ；2、 智 能 导 航 系 统 ： 实 现 对 房 间 地 形 的 重 构 ， 自 动 规 划 清 扫 路 线 ；VIII3、 智 能 安 全 监 控 ： 防 撞 ， 防 跌 落 ， 防 缠 绕 ， 电 池 电 量 监 测 ；4、 创 新 功 能 ： 灰 尘 量 识 别 ， 实 现 床 底 清 扫 ， 手 机 遥 控 模 式 ， 尖 端 气 流 滤 尘技 术 ， 室 内 空 气 质 量 监 测 与 提 醒 ；5、 其 他 基 础 功 能 ： 自 动 返 回 并 充 电 ， 灰 尘 盒 安 装 检 查 ， 灰 尘 盒 容 量 探 测5 机械结构的设计5.1电机的选型计算已知整个扫地机器人中零件的重量，我们取总重量为 10Kg，范围为50mm200mm，动力轮转速为 12r/min。即： smXDnVNmgG/75.140.130具体的电机设计计算如下:N= 0.18(KW)WG电机的负载传动效率，取 0.75所以根据 N0.10kw，n1500r/min，查 B1 表 10-4-1 选用 Y112M-4，再查 B1 表10-4-2 得 Y112M-4 电机的结构。 5.2齿轮的设计计算1 初步计算（1）材料选择因传动尺寸无严格限制，批量较小，故小齿轮用 40Cr(调质），硬度241HB286HB，平均取为 280HB，大齿轮用 45 钢（调质），硬度 229HB286HB,平均取为 240HB。选齿轮精度为 7 级。（2）节锥角的计算（3.11）1coti（3.12）062.1cotari（3.13）2 5476029由文献2表 可知，34IX（3.14）8.15“062cosin12cosin21mi ahz式中， 齿顶高系数， 。aah取小齿轮齿数 ，301z（3.15）8.496.2i取大齿轮齿数 。52z（3）根据工作条件的要求，大端模数为（3.16）12m（4）齿轮分度圆的直径mm （3.17）3601zdmm （3.18）522（5）锥距mm （3.19） 86.349260321 dR（6）齿轮齿顶、齿根圆直径由文献3表 可知，90齿顶高mm （3.20）12*mha齿顶圆直径mm （3.21）382062cos360cos 11 aadmm （3.22）1547222h齿根高mm （3.23） .14.01*mcafX齿轮基圆直径mm （3.24）95.3128.051365.01Rmdmm （3.25）2（7）齿宽由文献2表 可知，314mm （3.26）96.78.2.0Rb（8）节圆周速度m/s （3.27）48.105314.631ndv5.3扫地机器人的功能概述本次设计的扫地机器人，主要具有如下功能：1、清扫模式：随机清扫、螺旋式清扫、交叉清扫、沿边清扫、定点清扫、预约清扫等相结合，实现全方位立体清扫； 2、智能导航系统：实现对房间地形的重构，自动规划清扫路线； 3、智能安全监控：防撞，防跌落，防缠绕，电池电量监测； 4、创新功能：灰尘量识别，实现床底清扫，手机遥控模式，尖端气流滤尘技术，室内空气质量监测与提醒； 5、其他基础功能：自动返回并充电，灰尘盒安装检查，灰尘盒容量探测。5.3.1 扫地机器人的清扫模式清 扫 模 式 包 括 随 机 清 扫 、 螺 旋 式 清 扫 、 交 叉 清 扫 、 沿 边 清 扫 、 定 点 清 扫 、 预 约清 扫 等 。 随 机 清 扫 是 指 根 据 地 面 状 况 在 其 他 几 种 清 扫 模 式 之 中 进 行 切 换 ； 螺 旋 式清 扫 是 指 绕 圈 清 扫 的 模 式 ； 交 叉 清 扫 是 指 在 不 同 的 区 域 之 间 交 叉 穿 梭 来 清 扫 ， 也可 以 称 为 Z 字 形 清 扫 ； 沿 边 清 扫 是 沿 着 房 间 的 边 界 进 行 清 扫 ； 定 点 清 扫 是 指 在指 定 的 位 置 小 范 围 内 清 扫 ； 预 约 清 扫 是 指 每 天 在 指 定 的 时 间 自 动 清 扫 ， 可 以 预 约一 次 和 一 周 内 任 意 预 约 清 扫 时 间 ， 可 以 放 心 上 班 和 出 差 ， 也 可 以 自 动 打 扫 。5.3.2 智能导航系统扫 地 机 器 人 的 智 能 导 航 实 质 就 是 路 径 自 动 规 划 。 扫 地 机 器 人 路 径 自 动 规 划 有 两种 方 法 ： ： 随 机 式 全 区 域 覆 盖 和 规 划 式 全 区 域 覆 盖 。 随 机 式 全 区 域 覆 盖 方 法 控 制 简单 ， 不 需 要 很 多 的 硬 件 ， 软 件 编 程 也 简 单 ， 易 于 实 现 。 但 其 缺 点 是 移 动 机 器 人 运 行XI轨 迹 重 复 性 较 大 ， 且 运 行 轨 迹 不 能 较 快 地 、 充 分 地 覆 盖 整 个 区 域 ， 这 种 路 径 规 划 只考 虑 完 成 任 务 ， 没 有 考 虑 到 时 间 消 耗 和 能 量 消 耗 情 况 ， 因 此 选 择 规 划 式 全 区 域 覆 盖方 法 。 此 设 计 中 选 择 往 返 式 路 径 规 划 方 法 。 往 返 式 路 径 规 划 清 扫 路 径 的 规 则 为 当 扫地 机 器 人 置 于 室 内 时 ， 可 通 过 超 声 波 测 距 传 感 器 的 信 息 来 判 断 它 放 置 于 墙 边 还 是 房屋 中 间 。 在 房 屋 中 间 ， 则 先 设 为 它 沿 某 一 方 向 运 动 到 靠 近 墙 边 的 某 一 点 。 机 器 入 就可 从 墙 边 的 某 一 点 开 始 ， 按 顺 时 针 方 向 绕 墙 运 动 一 周 ， 先 对 室 内 墙 边 地 面 进 行 一 次预 清 扫 。 扫 地 机 器 人 在 绕 完 一 圈 后 再 向 左 或 向 右 行 走 到 墙 壁 的 最 左 端 或 者 最 右 端 ，以 此 来 作 为 它 清 挡 路 径 的 起 始 点 ， 也 即 绝 对 坐 标 的 原 点 。先 假 设 室 内 只 有 一 个 孤 立 的 障 碍 物 ， 以 房 屋 左 下 角 O 点 为 起 始 点 。 开 始 清 扫时 ， 从 O 点 势 始 沿 Y 轴 正 方 向 清 扫 ， 遇 到 墙 壁 时 向 右 原 地 旋 转 90o， 向 X 轴 正 方向 移 动 一 个 车 身 后 再 向 右 旋 转 90o， 沿 Y 轴 负 方 向 清 扫 ， 以 此 往 复 运 动 。 当 遇 到障 碍 物 时 ， 则 按 下 面 的 方 法 进 行 规 划 和 避 障 ： 当 清 洁 机 器 人 运 动 到 障 碍 物 的 最 左 边点 时 ， 根 据 步 进 电 机 的 脉 冲 数 和 驱 动 轮 光 栅 的 脉 冲 数 计 算 出 最 左 边 点 的 坐 标 。 然 后根 据 超 声 波 测 距 传 感 器 收 到 的 信 息 沿 着 障 碍 物 边 缘 行 进 相 当 于 X 轴 方 向 一 个 车 身的 距 离 ， 再 原 地 旋 转 到 Y 轴 负 方 向 ， 沿 Y 轴 负 方 向 继 续 清 扫 ， 这 样 一 直 往 返 清 扫 ，当 扫 地 机 器 人 在 沿 障 碍 物 边 缘 清 扫 时 超 声 波 传 感 器 突 然 收 不 到 信 号 即 到 达 了 障 碍 物的 最 右 端 点 ， 扫 地 机 器 人 将 原 地 一 直 向 左 旋 转 直 到 超 声 波 传 感 器 再 次 收 到 信 号 为 止 ，然 后 沿 障 碍 物 的 上 边 沿 行 进 到 障 碍 物 的 最 左 端 点 ， 再 沿 Y 轴 方 向 进 行 往 返 清 扫 ，行 进 路 径 和 障 碍 物 下 边 沿 的 行 进 路 径 类 似 。 这 样 就 可 以 在 清 扫 过 程 中 自 动 避 开 障 碍物 。5.4 齿轮的强度校核（）校核齿面接触疲劳强度（1）接触应力的计算由文献4表 可知，齿面接触应力计算公式，即395（3.28） ubdKTZREH1).01(22确定公式内的各计算数值 计算载荷系数电动机驱动，载荷平稳，由文献4表 可知，取251AKXII平均分度圆直径 mm 95.3128.051365.01Rmd平均分度圆圆周速度 m/s4694.nvm由文献4 图 （a）可知，按 ，得 ；457.10z 2.VK由文献4 图 （b）可知，按 ，齿轮悬臂布置，72.369.1db；21.K由文献4表 可知， ；45.K65.12.41VA 由文献1表 可知，弹性系数 ；608.9EZ 节点区域系数 49.20cos2incosin2HZ计算得，MPa32.16.5.01369.728149.222RH （1） 接触疲劳强度的许用应力由文献4 表 可知，许用接触应力计算公式，即285（3.29）LVRWXNHPZSminl确定公式内的各计算数值小齿轮的接触疲劳强度极限 MPa601limH最小安全系数 0.minHS由文献1，10-13可知，计算应力循环系数81 1046.9235166 hjLN由文献1 图 10-19 可知，查得接触疲劳寿命系数XIII， 87.01NZ尺寸系数 X工作硬化系数，按 1.7032.1HBSW润滑油膜影响系数， 85LVRZ计算得，MPa7.43.017.016HP（3）由于 MPa MPa，故安全。32HP（）校核齿根弯曲疲劳强度（1）齿根应力的计算由文献4表 可知，弯曲应力计算公式，即5（3.30）SFRFYmbdKT21).0(确定公式内的各计算数值 由文献1表 可知， ， 585.1F 由文献1表 可知， ， 104SY计算得，MPa85.42.1852.05123609.7.1 F（2）弯曲强度的齿根许用应力由文献4表 可知，齿根许用应力计算公式，即5（3.31）XNFSTHPYminl确定公式内的各计算数值弯曲疲劳极限 MPa30liF 齿轮的应力修正系数 .2STYXIV 弯曲强度的最小安全系数 4.1minFS 弯曲疲劳寿命系数，93.01NY96.02N弯曲疲劳的尺寸系数 85.XY计算得，MPaF .3.094.1230（3）由于 MPa Mpa，故安全。8518.1F5.5 扫地机器人的智能控制系统扫地机器人在工作过程中难免遇到各种障碍物，如果不及时躲避障碍物，将影响扫地机器人正常工作。因此在扫地机器人内部安装三个超声波测距传感器，用来检测扫地机器人行进路线上是否有障碍物。超声波测距传感器安装位置如下图所示。超声波是一种一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面处，会产生反射现象。利用这一特性，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。避障功能的实现正是利用了这一超声波测距的原理。超声波传感器测距原理如图所示。XV超声波传感器接收到反射信号，检测出前方有障碍物时，向控制器发出信号，控制器控制扫地机器人转向，躲避障碍物，根据信号的幅值大小，也可以初步确定障碍物的大小。选用超声波测距传感器，实现非接触式测量，避免与家具等物品发生碰撞，从而避免损坏相应物品。为了防止扫地机器人遇到台阶时跌落，在扫地机器人背面安装 3 个防跌落传感器。防跌落传感器安装位置如闪图所示。防跌落传感器利用超声波进行测距。当扫地机器人行进至台阶边缘时，防跌落传感器利用超声波测得扫地机器人与地面之间的距离超过限定值，向控制器发送信号，控制器控制扫地机器人进行转向，改变扫地机器人行进方向，从而实现防止跌落的目的。XVI6 扫地机器人的三维建模6.1 动力轮的三维建模6.2 万向轮的三维建模6.3 毛刷的三维建模XVII6.4 扫地机器人的三维建模XVIII7 三维软件设计总结在最近的一段时间的毕业设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度，本文所设计的是 20 吨扫地机器人的优化设计，通过初期的定题，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。 通过此次设计，又一次提升了运用三维软件的水平，并吸收了不少经验，总结为一下几点。有零件图纸作图与空想设计作图不同，零件尺寸已经给出，作图时先不考虑尺寸是否真的合适，根据尺寸作出零件的三维图，但到装配时必须要考虑尺寸是否合适，由于 AutoCAD 图纸效果不好，导致尺寸会有出错，甚至有出现欠定义尺寸，所以，此时必须通过配合后在衡量尺寸，再进行修改，直到满足配合要求。工具集的确方便了作图，通过选择零件类型，输入数据，就能生成出标准零件，但有时需要用到的零件在工具集上也未必能找到，所以此时要随机应变，运用其他零件代替并通过修改或添加零件使其满足要求。作三维图时要灵活变通，解决问题的方法总比问题多，当一种方法不能正常作图时，试试另一种方法，这不但能完成零件制作，同时也可以培养出更好的作图思路，和打破规矩的新想法。规则的零件，要学会使用一些能够节省时间的命令，如镜向，阵列等，“能省则省”。关于装配，曾经带给我很大的阻碍，花了很多时间才弄清原因所在。在一可活动子装配体上，即使活动范围会产生干涉，也不能对其设定活动范围，如高级配合里的距离范围，和角度范围，即使在该活动范围并不影响父配体，也不可设定。因为一旦设定范围后，在父装配体上会将子装配体视为完全定义的模型，这样会对子装配体之间的配合产生矛盾，将不能完成装配。看懂图是作图的首要任务，看图就是了解零件的工具，没有工具则无法制出 零件，所以画图不能急于下笔，想透了零件的结构，想透图中的虚实线，这才是高效作图的重中之重。进行零件建模前，一般应进行深入的特征分析，搞清零件是由那几个特征组成，明确各个特征的形状，他们之间的相对位置和表面连接关系，然后按照特征的主次关系，按一定的顺序进行建模。一个复杂的零件，可能是许多个简单特征经过相互之间的叠加、切除或相交组成。所以零件建模时，特征的生成顺序十分重要，XIX不同的建模过程虽然可以构造出同样的实体零件，但其造型过程及实体的构型结构却直接影响到实体模型的稳定性、可修改性、可理解性及实体模型的应用。尤其在二维图纸上，我们能看到的只是零件的平面图，而内部特征则以虚线给予表示，另外还有零件的相贯线，这表示了各个特征相交时出现线段。在零件的草图绘制过程中，必须要选好第一个草绘平面，这很关键，这个平面决定了往后建模的所用到的命令，简单的说，一个圆柱可以作一个圆形然后拉伸，也可以作一个长方体旋转，虽然他们的结果都一样，但所用的草绘平面和命令就截然不同。如果我们要的是一条轴，那我们就应该选择第二种方法为好了。由于此设计的零件都是比较规则的零件，所用到的命令大部分是拉伸命令和旋转命令，而且很多零件都是拥有对称关系，所以为了节省时间，提高效率，经常会用到镜向特征命令。一张完整的工程图应具备以下 4 方面的内容。一组视图：用一组视图（其中包括视图、剖视图、断面图、局部放大图）确、完整、清晰地表达零件各部分的结构形状。尺寸：确定零件各
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