自动家用拖地机的设计【含proe三维及5张CAD图带开题报告-独家】.zip
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含proe三维及5张CAD图带开题报告-独家
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自动家用拖地机的设计Automatic household mowing machine摘 要 随着社会的进步、科技的发展以及人们对于生活品质的追求，许多传统的工具都会更新成符合现在生活趋势的样子取代旧东西。因此，对于家庭卫生这方面，传统的打扫，不仅需要拖把、扫把和簸箕，而且还需要耗费时间和精力，但是现代生活节奏快，工作压力大，为了改变这种情况，将我们从家庭卫生的琐事解脱出来，本课题研究了一款自动拖地机，具有自动行走功能、清扫功能和拖地功能于一体的自动家用拖地机。其中的清扫机构、水箱机构、吸尘机构和行走机构的设计，通过了几种设计对比选取最符合本课题的机构，然后简要的涉及到了控制和电路部分，最终完成了本次设计。 关键词：自动家用拖地机 清扫机构 水箱机构Abstract With the progress of the society the development of science and technology as well as the pursuit of quality of life for people, many traditional tools will update to fit now life trend of replacing old things Therefore, for family health, this traditional clean, not only need to mop broom and dustpan, but also requires time and effort, but the fast pace of modern life, work pressure big, in order to change this situation, we from family health trivia, this topic research an automatic sweep the floor machine, with functions of automatic walking Clean and mop the floor functions in one of the home sweep the floor machine The cleaning mechanism Tank body The design of the dust collection mechanism and walking mechanism, through several design comparison and selection of the most suitable institutions, then briefly involved the control and the circuit part, finally completed. Keywords: Automatic household mopping machine cleaning mechanism 目 录摘要iAbstractii1 引 言（或绪论）11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外现状12设计的目的和要求22.1 自动家用拖地机设计的目的22.2 自动家用拖地机设计的要求23 自动家用拖地机结构的组33.1 自动家用拖地机结构组成介绍33.1.1 机械部分组成33.1.2 控制部分组成34 自动家用拖地机的总体设计54.1 自动家用拖地机的行走机构设计54.1.1 自动家用拖地机轮的设计54.1.2 自动家用拖地机电机和轮的设计64.2 自动家用拖地机清扫结构的设计74.2.1 自动家用拖地机边刷的设计74.2.2 自动家用拖地机滚刷的设计94.3 自动家用拖地机吸尘功能的设计104.4 自动家用拖地机水箱和拖布的设计114.5 主动轮的电机参数计算114.6 清扫结构的电机参数计算125 自动家用拖地机系统控制设计135.1 拖地机控制总体框架135.2 超声波测距电路135.2.1 避障流程图145.3 驱动系统流程15结 论16参考文献17致 谢18iv1 引 言 在20世纪80年代的日本，兴起了将计算机技术、机械技术、信息技术、电子技术等融合为一体的单独学科叫做机电一体化也叫机械电子工程，而智能化是21世纪机电一体化发展的一个重要的方向，如果越来越多的传统工具慢慢被智能化的新工具所淘汰，而目前家庭的打扫工具主要是扫把簸箕和拖把，稍微前卫一点的家庭还有吸尘器，这些工具共同才能维护着家里的卫生，不仅需要手动耗费人的体力，而且还需要一定的时间。因此，在这样的背景下，不得不出现一种将扫地拖地吸尘于一体化的全新智能设备问世，因此本课题设计的一款自动家用拖地机能满足此要求。我相信自动拖把机投入国内市场，一定会成为未来的主要家庭工具淘汰传统工具。1.1 课题研究的目的和意义 本课题所研究的自动家用拖地机，是为了解决目前现代人生活中没有时间清理自己居所的卫生问题，它能自动清理居所的卫生问题，对于工作繁忙的现代工作党来说无疑起到了巨大的作用，不仅能将自己居所的卫生问题解决，还能节省了打扫卫生的时间，让工作党每次下班回家都能有一个干净的居所，让自己工作一天劳累烦躁的心情在回到家里的一瞬间变好。而且，对于老人来说，年纪的增长，身体的老化，对于这种打扫卫生的活，已经不能驾驭了，但是有了自动家用拖地机，这一切问题都将迎刃而解。1.2 国内外现状 自动家用拖地机这一智能家居，经过了好几年的发展，从以前的不能全自动化，清扫不干净，容易碰壁等问题，到了现在的真正的智能化拖地机。自动家用拖地机已经进入欧美等国家的普通家庭，基本覆盖了及大部分家庭，他们将居所的卫生都放心的交给了它。但是对于我国来说，传统的打扫工具还是占据着大部分家庭。体现在我国人民对于智能化的不信任，认为这种机器并无明显作用，并且价格相对传统工具来说高出许多，因此在我国普及率不高。2设计的目的和要求2.1 自动家用拖地机设计的目的 随着国家的发展和人们的生活水平日异的提高，更多的人愿意花钱去买电动机器用来解决繁重的家务。现在一般的房屋，不到三天地上就会落下一层灰尘，充满灰尘的地板不卫生，这就需要我们时常地清理地面卫生，再加上一些小垃圾例如毛发小碎屑这种小垃圾会时不时的掉在地板上，并且不好清扫。但在现在的人们工作非常艰辛，从早工作到晚，已经身心疲惫了，根本没有太多时间和精力去打扫自己的住所，因此，本次课题的提出就是为了解决这些问题，从一些程度上来解决人们的生活压力2.2 自动家用拖地机设计的要求 本文的目的是开发一种能智能清扫房间的拖地机，以充分满足大多家庭的要求，为使用者提供一个干净的居所，自动家用拖地机需要满足清扫小碎屑以及毛发还有灰尘，以及拖地，并且能够自动对所处的空间进行建模，然后计算出最佳的清理路线完成清扫，并且带有红外线距离传感器，测出四周空间的距离，实现壁障功能。 3 自动家用拖地机结构的组3.1 自动家用拖地机结构组成介绍 本次的设计主题思想是设计一个控制方便、使用简单、灵活和结构简单的自动家用拖地机，可以实现自动清洁房间，体现出智能化。拖地机主要有两个部分组成，一个是机械部分，另一个是控制部分。机械部分包括了拖地机的整体机箱外壳、边刷、驱动电机和俩个主动轮和一个万向轮、滚筒、吸尘、水箱和拖布。3.1.1 机械部分组成 （1）动力和轮的设计：这个部分主要是能够使拖地机能够在地面上移动，其中，有俩个动力主动轮以及一个万向轮形成了一个三角形呈一个平面，这样就能使得拖地机能够在各个方向运动了。 （2）清扫结构的设计：清扫结构分别由俩个电机带动俩个边刷对向做旋转运动，正面俯视图，左边刷顺时针旋转，右边刷做逆时针旋转，这样就能够将碎屑以及大部分灰尘扫到吸尘口出达到清扫的目的。 （3）吸尘和垃圾储存结构的设计：由风机产生强大的吸力，让边刷灰机的垃圾被吸入垃圾储存箱。 （4）水箱和拖地结构设计：当拖地机路过的地面，垃圾和灰尘已经被处理过后的干净地面，这时水箱通过电磁阀，规律的向地上洒水，然后拖地机上面固定的拖布与地面接触通过拖地机的位移来实现拖地的功能。3.1.2 控制部分组成 控制部分由单片机、继电器控制电路、各个传感器电路、PWM调速电路、红外接收电路以及液晶控制电路组成。 （1）单片机作为控制系统的核心，起到了对于各个电路的控制和各种功能的实现 （2）继电器控制电路是对于电磁阀以及电磁开关还有电路的断开和闭合起到控制作用 （3）PWM调速电路实现了对于各个电机的调速控制 （4）红外接收电路是拖地机壁障的重要部分 总三维图如3.1所示 图3.1 4 自动家用拖地机的总体设计4.1 自动家用拖地机的行走机构设计 行走机构是拖地机其他结构的载体，移动机器人的行走机构按照结构分为了轮式、履带式和步行式。其中，轮式和履带式的结构更适合在路面平坦条件好的地面上面行走，而步进式的结构更适合在崎岖不平条件较差的路面上行走。本课题所研究的自动家用拖地机使用的环境是室内的方面，路面条件很好，非常平坦，因此应该从轮式和履带式的结构中选择，其中履带式的结构所占空间大，并且结构方向性差，因而采用轮式移动机构最为符合。4.1.1 自动家用拖地机轮的设计 查阅资料得知轮式移动结构具有三轮、四轮和六轮等结构形式，考虑到家里空间较小并且环境简单，因此采用三轮的结构，设计起来相对简单，同时也能满足本课题设计的要求，四轮结构和六轮结构都有承载能力强和稳定的特点，但是自动家用拖地机重量偏小，三轮结构完全足以，但设计起来复杂许多，最重要的是，三轮结构是最稳定的，配合前面的万向轮可以360转向，这样就可以打扫房间的各个角落了。 三轮转向机构有以下两种方案： （1）三轮铰轴转向型：如图4.1所示，若将轮2和轮3作为驱动轮 装在转向铰轴上，轮1则作为从动轮，而驱动轮转向控制着拖地机的运动方向。另一种则为，将铰轴装在轮1上，驱动轮1，而轮2和轮3来做从动轮，电机控制轮1的方向来控制小车运动的方向 （2）差速转向型：如图4.1所示，将轮2和轮3分别装上俩个电机，作为驱动轮，驱动轮的速度通过电机的转速来达到控制效果。 自动家用拖地机的使用环境是室内，地面平坦，空间内有多种家具，需要拖地机转向精度高和准，为了提高拖地机使用的效率，方案（1）虽然控制简单，但是转向精度和准度不高，会存在漏扫的情况，而采用方案（2）的差速型转向，这样相对来说对于方案（1）来说更加符合本课题所研究的实际情况。则最终应该定型为，轮1为万向轮，轮2和轮3作为主动轮，其分别由一个直流电机单独带动。这样就可以实现拖地机的转向精度和准度了。 图4.14.1.2 自动家用拖地机电机和轮的设计 轮子的驱动采用直流电机，直流电机的轴上有齿轮1和轮子的齿轮2链接，通过齿轮传动驱动轮旋转。如图4.1.2-1 电动机 齿轮1 齿轮2 主动轮 图4.1.2-14.2 自动家用拖地机清扫结构的设计 自动家用拖地机的清扫结构分为，边刷和滚筒刷。边刷的作用是将拖地机运动前方的垃圾回程通过旋转对刷汇聚在一起，起到清扫的作用，边刷也有个最大的毛病，对于豆子之类的能滚动的颗粒，它很可能将它们扫得到处都是，而对于比较长一点的线头，它又有可能缠绕在一起。滚筒刷的作用是进行第二次清洁，其中包括了对一些顽固的污渍进行清洁。4.2.1 自动家用拖地机边刷的设计 边刷的作用是将扫地机器人无法抵近的墙边与解落的灰尘清扫出来。因为现在很多扫地机器人都采用红外探测，对于墙壁等，为了防止碰撞，会在距离墙壁几公分的地方停下来，这时，边刷就起作用了 （1）第一种是用齿轮和齿轮链接在一起，电机通过联轴器带动齿轮1，齿轮2从动，齿轮2的轴通过过盈配合连接着刷子。通过电机旋转带动边刷旋转。如图4.2.1-1所示 图4.2.1-1 （2）第二种是电机动轴体通过联轴器链接锥齿轮1，锥齿轮2和锥齿轮1啮合在一起。锥齿轮2轴体通过过盈配合链接着刷子。电动转动通过锥齿轮的链接带动着刷子旋转。如图4.2.1-2所示 图4.2.1-2 （3）第三种是由电机通过联轴器带着蜗杆，蜗杆带动涡轮旋转，涡轮连接着皮带，当涡轮旋转时带动着皮带运动，而皮带轮会跟着一起旋转，然后将皮带轮的轴体通过过盈配合与刷子连接在一起，这样就能让刷子旋转了，如图4.2.1-3所示 图4.2.1-3 上述三种方案中，方案三更加符合本课题的实际情况。方案一通过圆柱齿轮的方式连接，这种方案传动不稳定，并且所占体积过大。而方案二是锥齿轮的链接方式，这种方案虽然相对方案一来说更加稳定，但是，也存在占用体积过大的问题。而方案三的优点在于能减小涡轮和蜗杆的中心距，还能降低拖地机的总质量，因此方案五更加符合本课题的要求。4.2.2 自动家用拖地机滚刷的设计 滚刷位于扫地机器人的底部，一般在吸尘口的前方，扫地机器人哪个牌子好主要作用是将位于扫地机底部的灰尘扫起，让灰尘通过吸尘口的进入集尘盒。它能将部分粘在地面的脏物清扫干净，对于提升扫地机器人的清扫效果来说，是比较显著的。 （1）一字形滚刷是在滚筒上一周覆盖着一排排毛刷，呈一字型 （2）S型滚刷是在滚筒上一周覆盖多次S型毛刷。 一字型滚刷很容易将灰尘抛到机器外部，而S型滚刷有聚拢效果，灰尘不易分散，因此清洁效率高。因此选择S型滚筒。 此外，滚刷整体越长，单位时间内的清扫面积就越大；刷毛越密集，细小灰尘越不容易被遗漏；扫地机的刷毛长短也决定其能否深入地面缝隙，将缝隙里的灰尘扬起，从而由吸尘电机吸入。此外，刷毛的细腻程度也影响着扫地机的清洁效率，刷毛越细腻，清洁效率越高。因此，一个好的滚刷，要具备特殊型设计，V型、S型滚刷有聚拢效果为佳，滚刷长度可以长一些，刷毛尽量不要太短，尽量密集、细腻一些。毛刷的密集程度很重要，如果毛刷比较稀疏、单个毛刷孔之间的间距设计的较大时，将导致清理微小的粉尘时尝尝束手无策。拿面粉举例，如果面粉在机器的正下方，（边刷接触不到面粉，无法将面粉扬起来供吸尘电机吸入），此时若刷毛稀疏，单个刷毛孔间距较大，则清洁效率会降低，甚至有大量面粉无法被吸入。同时，如果刷毛太软，在地毯上清洁的时候，可能会吃亏。由于在地毯上摩擦力较大，将造成滚刷不能有效的将垃圾拾起推送到吸尘口，直接导致在地毯上的清洁率较差。4.3 自动家用拖地机吸尘功能的设计 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。如图4.3-1所示 图4.3-1 图4.3-1，将风机放在垃圾储藏室的正上方紧紧接触在一起，中间有一层过滤网，过滤网分为一层灰尘过滤网过滤头发大点的垃圾和灰尘颗粒、一层海帕过滤网过滤空气中细小的微尘和毛发。这样尽可能的保证了从地面吸进来的灰尘和垃圾都被过滤掉，空气又恢复了清新的样子。然后被过滤的空气由上面放的圆孔排除，这样既能保证内外的气压，还能将机器内各种部件产生的热量排出。4.4 自动家用拖地机水箱和拖布的设计 虽然市面有扫拖一体的扫地机有很多，但大部分的安装及使用都不方便，比如需要把扫地机翻转过来、对准孔眼才能安装，用过几次也就懒得用了，对比之下，我们扫地机规划的湿拖结构设计，水箱上有两个滤芯，基于毛细原理，它们会自动从水箱吸水，注水后拖布很快就会被浸湿。另外水箱也非常注重细节设计，比如拖布和水箱的贴合处用的是插槽设计，拖地的时候不会卷边。湿拖后的地板并没有留下明显的水渍，基本上是即拖即干，另外从湿拖后的拖布来看，只有与主刷等宽的地方采用纤维设计，确保即将进行湿擦的地板上没有垃圾灰尘，这样拖完后地板不会像个大花脸。 毛细原理渗透拖布4.5 主动轮的电机参数计算 （1）本课题设计的自动家用拖地机预计重量为5KG左右，因此拖地机重量G=5*9.8=49 N。拖地机的重量由一对主动轮和一个万向轮共三个轮共同支撑，因此，每个轮子分配的力 F=49/3=16.3 N。轮子我们所采用的材质为橡胶，因此，我们取=1 ，=0.1，则滚动摩擦力=F=116.3=16.3 Nm，则滑动摩擦力f=F=16.30.1=1.63 N。自动拖地机底部距离地面大概10mm，因此，设计轮子的直径D为90mm，则半径R=D/2=45mm，当拖地机运动是，轮子所受到的阻力矩：=fR+=1.630.045+0.0163=0.09 Nm 。 （2）工作时所要求的功率：=9550， 其中=0.09 Nm=601000D=600.5100090=106.2 r/min。取=0.8，所以=0.09106.2100095500.8=1.25W，因此电机需要输出的功率为：=，其中=0.8047 。是弹性联轴器传动效率，为轴承传动效率，为齿轮啮合攒动效率。因此，电机所需的输出功率为 =1.25/0.8047=1.55 W （3）电机所需要的功率差不多在1.55W左右，又因为自动拖地机的转弯原理本课题使用的是差速电机，通过差速电机分别控制单个的主动轮，来实现转弯， 因此，我们应该选用具有调速功能的直流电机，根据我们所求的电机输出功率，查阅淘宝选用一款型号为“信达 XD37GB555”的直流电机作为驱动轮的电机，该电机的输出功率为3W，调速范围是10-600r/min，能驱动60斤的重物，完全能够满足本课题所涉及的拖地机。4.6 清扫结构的电机参数计算 自动家用拖地机的工作场地为室内，需要清扫的垃圾主要为毛发和灰尘以及一些狭小的碎屑，因此对于边刷的旋转转速来说不需要过大，150r/min-180r/min的转速即可实现清扫，为了设计的简单化，将皮带轮的传动比设计为比1，即皮带轮的转速为边刷的转速，设计涡轮蜗杆的传动比为20，因此我们选用的电机的转速范围应该在3000-3600r/min。查阅淘宝可知，我们选用了90SZ001这款电机，转速为3000r/min，功率为12瓦特，而且它的尺寸又不大，适合我们拖地机本来空间就很紧凑的设计，因此，选用它，作为边刷的驱动电机。5 自动家用拖地机系统控制设计5.1 拖地机控制总体框架 超声波测距电路 图5.1-1 如图5.1-1所示，本课题设计的自动家用拖地机，是由几个部分来实现控制的，单片机作为主体部分，来计算和控制其他电路和部分的工作实现各种功能，其中，液晶显示电路能够实现一些基础的信息显示，包括了，拖地机的电量，边刷的实时转速等基本功能显示，看门狗电路在于系统纠错，PWM调速电路控制着俩个主动轮的电机和边刷的电机的调速功能，超声波测距电路，在于拖地机运动时的避障，利用超声波的原理来测量拖地机前方障碍物的距离，通过复杂的系统编程设计，多少米的时候实现转向等等来实现避障。本课题主要设计超声波测距电路。5.2 超声波测距电路 超声波的主要原理是，定时器产生40K Hz的方波然后由相应的控制芯片，调制解调将40K Hz的方波震荡，形成波发射出去，然后波经过障碍物的阻挡，反弹回去，然后有接收电路，检测到反弹回来的波，经过放大器放大信号，然后将此次过程计时，通过相应的控制芯片，然后将模拟信号转化为数字信号，传送给单片机，计算出拖地机和前方最近的障碍物的距离，然后判断接下来的路径。电路如图5.2-1所示 图5.2-15.2.1 避障流程图 流程图如5.2.1-1所示，该流程图是自动拖地机清扫地面时的壁障程序流程图。 （1）超声波测距电路，产生振动声波向外发射，当超声波遇到了障碍物会被反弹回来，被声波接受管给接受，产生一个与声强之对应的电路，然后电路经过放大器发大后，输出了一个模拟电压，经过模拟信号转数字信号（A/D）后输入给单片机。 （2）然后经过接触传感器，判断其障碍物是否是可清扫的垃圾，如果是垃圾类的，则单片机发出清扫的命令，驱动边刷电机清扫，执行清扫命令，垃圾被清理后，继续等待接受超声波的信号 （3）若接触传感器判断该障碍物为墙壁等类似障碍，此时累加器累加判断为墙角的次数。 （4）判断墙角障碍的累加次数的奇偶性来调节差速电机调整前进方向，若为奇数，则控制电机调速模块来控制左右轮的速度，使其左后转然后前进。若判断为偶数，则反过来，使其往着有后转方向前进。这种清扫方式，能够使拖地机的行进路径为蛇形，因此有着一定的清扫效率。 图5.2.1-15.3 驱动系统流程 首先是系统初始化工作，包括了以下部分，设置定时器、启动A/D转换器、寄存器、配置GPIO。然后检测GPIO的启动信号，当检测到启动信号后，从另一个GPIO发出控制信号给直流电机加电。从A/D转换器读取电流信号数据，然后通过求平均值得到电机的电流值，对输出脉冲信号的数据进行FFT变换，求出基波的频率，在根据电机的转速，最后把转速和测试电流送给液晶显示系统显示拖地机的行进速度，启动总线传输，把测试结果传输到单片机，对数据进行保存和分析,如图5.3-1所示。 图5.3-1结 论本课题主要研究了自动家用拖地机的几个结构的选择优劣势，然后对于电机选取的参数计算，以及对控制部分超声波壁障电路和对于自动家用拖地机在实际清扫时的工作路径的设计。虽然研究的与现在市场上全智能化的拖地机比起来功能简单缺点很多，但是通过本次毕业设计我感触颇深。社会总是在进步的，二十一世纪一定是智能化的时代，我们传统的一些东西也许都将会慢慢被新的工具取代，例如本课题所设计的自动拖地机，与传统的工具相比，它优点实在是太多了，完全就像是一个管家，专门管理着家里的卫生一样，因此，在我国，传统的工具被淘汰只是时间问题，相比于本课题所涉及的壁障系统，现在市场上面新推出的自动拖地机，能够对使用的环境空间进行建模，通过算法计算出效率最高、
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