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家用清洁机器人的结构设计【5张CAD图纸+毕业论文】【答辩优秀】

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家用清洁机器人

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关键词：: 家用清洁机器人结构设计全套 cad 图纸毕业论文答辩优秀优良

资源描述：

摘要1

ABSTRACT1

1 前言2

1.1国内外相关产品研究2

1.1.1国外产品研究情况2

1.1.2国内产品研究情况3

1.2研究的目的和意义4

2家用清洁机器人的关键技术5

2.1传感技术5

2.2路径规划技术5

2.3吸尘技术6

2.4电源技术6

3 家用清洁机器人的机械设计7

3.1机械结构组成7

3.2家用清洁机器人的总体设计7

3.2.1外形设计7

3.2.2行走机构设计7

3.2.3清扫机构设计8

3.2.4吸尘机构设计9

4 具体计算11

4.1电机选择11

4.2蜗轮蜗杆的选择12

4.3电池的选用14

4.4清扫机构中蜗杆上轴承寿命计算14

4.5蜗轮轴的校核16

5 总结与展望18

5.1总结18

5.2展望18

参考文献20

致谢21

附录22

摘要

近年来，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，服务机器人的出现主要有三大原因：一是劳动力成本的上升；二是人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动，如清洁、家务、照顾病人等；三是人口的老龄化和社会福利制度的完善也为某些服务机器人提供了广泛的市场应用前景。服务机器人区别于工业机器人的一个主要特征是服务机器人是一种适用于具体的方式、环境及任务过程的机器人系统，其活动空间大，具有在非结构环境下的移动性，因此服务机器人大多数是移动机器人。

随着社会的发展需要，服务机器人已经渗透入了我们的生活、工作和经济方面，并且起到了很大的作用。服务机器人的研究和发展对我们的经济发展有很多的影响。这篇文章主要通过阐述清洁机器人在服务行业的重要性，对机器人在各国发展状况的一个综述，让读者了解将来机器人发展对社会发展的重要性。

关键词：机器人；清洁机器人；运动原理；清洁方式

ABSTRACT

In recent years, along with the computer technology and the rapid development of artificial intelligence , intelligent robot technology gradually become modern robot research hot spot. Among them, service robot, opened a new field of application of robots.Service robots appeared three main reasons:one is rising labor costs;Second is the human to escape the boring physical labor,such as cleaning, housework and patient care,etc.The population is aged 3 and social welfare system for certain service robots also provides a broad application prospect in the market.Service robots in industrial robots is one of the main features of service robot is a suitable way,environment and the specific tasks of the robot system,the process of large space activities in unstructured environment,has the high mobility,so most of the mobile robot is service robots

With the development of society,we service robots have infiltrated the life work and economic aspects,and play a very significant role.Service robot research and development of our economic development has a lot of influence.This article mainly elaborated through cleaning robot in the importance of service industry in the world,robot is reviewed the development of some future robots,let the reader know the importance of the development of social development.

Key words:Robots;cleaning robot;sports principle;clean way

1 前言

1.1国内外相关产品研究

地面清洁机器人作为作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于20世纪80年代，到目前为止已经产生了一些概念样机和产品。吸尘机器人的发展带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术图像和语音识别传感器等相关技术的发展。现结合国内外的文献将清扫机器人的发展阐述如下

1.1.1国外产品研究情况

RC3000 是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的清洁机器人，它有光电传感器和芯片控制，当遇到障碍时，会随机改变一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物。内置了四种清洁程序，保证在遇到不同污渍的地面时，可以调整其清洁程序；通过传感器对于地板污渍的判断，选择合适的应用程序。内置光敏传感器，确保在遇到楼梯与台阶时，能够自动避让，不会掉落。扁平的设计使其能够清洁床，沙发，茶几等家具的下部位置。其相应的充电站有红外发射、工作时间设定、工作模式选择、充电、垃圾处理五个功能。充电站一直发射红外定位和导航信号来指引机器人回到充电站完成充电和垃圾处理的任务；同时能够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的操作。

松下电器产业公司在 2002 年上半年推出了家庭用清洁机器人的试制机。该机器人可以根据房间的形状、地板状况、垃圾量进行自动清扫，还配备有避开墙壁、炉子等热源以及障碍的安全功能；该机器人配备有50个传感器可一边自动行走一边进行清扫，工作时首先沿房间四周走一圈，记忆房间形状，然后在避开障碍物的同时开始纵横来回移动，清洁工作完成后会自动停止。该机器人清扫一般的日本式房间约需要9min，相当于人打扫同样大房间所需时间的1-1.5倍，可清扫房间地板的92％－93％；机器人利用光及超声波的测距传感器及感压传感器来避开障碍物，机器人的内置回转传感器用来控制行走姿势以保持既定的行进方向，但在地毯上行走时如果不采取措施则会受到“地毯花纹”影响而弯曲前进，因此该公司在机器人中安装了方向舵传感器，可以检测出由于地毯花纹影响而产生的行进方向偏差，因此即使在铺有地毯的地板上也能够直线前进，机器人体内还安装有防止从台阶等高处滚下的落差传感器、感知暖炉等热源的热传感器、检测自身所受外力大小的重量传感器及防滑传感器、检测添加动力的负载传感器，机器人同普通的障碍物最少保持10cm的距离，而在探测到热源时，将会同热源至少保持50cm的距离。

瑞典家电制造商伊莱克斯（EIectoIux)研制生产的清洁机器人小“三叶虫”高13mm，直径35mm，表面光滑,呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一旦微处理器识别出这些障碍物，它可重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被清扫。在楼梯的台阶等一些没有天然障碍物的地方，只要有一条磁铁，小“三叶虫”便不会跨越。小“三叶虫”开始启动后，体内的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。这样它便能探测出整个房间的格局，计算出清扫整个房间所需的时间。只要一接近一件障碍物，它便会重新设定行进路线，不会漏掉每一个角落。电线或地毯的边缘不会被认作是障碍物。小“三叶虫”的吸刷装置中装有一只专利设计滑轮，可以越过电线或地毯边缘，不被绊住。电源不足时，小“三叶虫”会自动回到充电卡座自行充电。如果此时房间还没有清扫完毕，小“三叶虫”还有记忆功能，充好电后自己回到原处继续吸尘。

2003年11月，三星公司推出一款代号为 VC-RP30W 的机器人吸尘器。VC-RP30W主要依靠3D地图技术来进行定位，并能灵巧地躲避障碍物，能够快速、高效地对房间每个角落进行吸尘。当遇到障碍物或者死角等情况，VC-RP30W 会自动转向继续工作。其强大的智能判断系统使得VC-RP30W能轻易地分辨出垃圾与其他日常生活用品，机器人也允许用户定义它的工作时间及清扫区域等，从而实现主人不在家时机器人也能进行自动清扫。事实上，用户除了可以对它本身进行设置以外，还能通过计算机查看安装在机器人前部的摄像头进行远程遥控。整个器人的电池能维持它连续工作50分钟，而一旦电池处于即将耗尽的状态时它自动回到充电座补充能源，非常地智能化。它回充电站使用的是已经生成的3D地图，而不是像RC3000那样使用红外的导航信号

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内容简介：: 湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题目家用清洁机器人专业机械设计制造及其自动化班级三班学生刘涛学号 2010963020 指导教师李明富 2014年 5 月 21日 nts 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：家用清洁机器人学号： 2010 963020 姓名：刘涛专业：机械设计制造及其自动化指导教师：李明富系主任：刘柏希一、主要内容及基本要求本次设计的主要内容是了解服务性机器人的发展概况以及未来的前景市场，通过初步设计，能够将清洁机器人的大致形状以及主要工作部件设计出来。基本要求：（ 1）能够自主完成机器人的外形及基本结构设计（ 2）对机器人的运动方式有所认识并构思（ 3）设计中需要对主要零部件进行校核（ 4）设计完成后对机器人进行力学实验与分析（ 5）完成计划任务并总结二、重点研究的问题清扫机构的设计，以及清扫机构如何运动，能较好的处理部件安放位置，保证机器正常工作，避免机器出现大幅度振动。 nts 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间 1 了解清洁机器人的发展与各项研究 2014.3.7 2 构思机器人大致轮廓并绘制初步图形 2014.3.16 3 构建机器人运动模块 2014.3.24 4 设计机器人清扫机构 2014.4.8 5 校核各部件强度 2014.5.4 6 写设计说明书 2014.5.21 7 绘制机器人图形以及主要零件图 2014.5.26 8 总结 2014.5.28 四、应收集的资料及主要参考文献相关资料：（ 1）国内外家用清洁机器人发展概况；（ 2）智能机器人发展的现状；（ 3）全自主清洁机器人结构设计与路径规划；（ 4）全自主清扫机器人运动分析与路径规划；参考文献： 1 濮良贵，纪名刚 . 机械设计第八版 M.北京：高等教育出版社， 2006.5 2 罗迎社 . 材料力学 . 武汉：武汉理工大学出版社 M， 2010.7 3 赵又红，周知进 . 机械设计、机械设计基础课程设计指导 M.长沙：中南大学出版社， 2011.5 4 张建民 . 机电一体化系统设计第三版 M.北京：高等教育出版社， 2007.7 5 王先逵 . 机械制造工艺学第二版 M.北京：机械工业出版社， 2006.1 6 周良德，朱泗芳，杨世平 . 现代工程图学上册 M.长沙：湖南科学技术出版社， 2008.8 7 童秉枢等 .机械 CAD 技术基础 .北京：清华大学出版社， 2008.5 nts 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表学号 2010963020 姓名刘涛专业机械设计制造及其自动化毕业论文（设计）题目：家用清洁机器人评价项目评价内容选题 1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的； 2.难度、份量是否适当； 3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力 1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力； 2.是否有综合运用知识的能力； 3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力； 4.是否具备一定的外文与计算机应用能力； 5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量 1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范； 2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何； 3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评价论文选题符合培养目标要求，能体现学科专业特点，达到了综合训练的目的。该生具有较强的文献查阅、资料综合归纳整理的能力，能在设计中熟练运用所学知识，设计方案可行，工作量饱满，论文质量符合本科生毕业设计要求。同意参加答辩。评阅人： 2014 年 5 月日 nts 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）鉴定意见学号： 2010963020 姓名：刘涛专业：机械设计制造及其自动化毕业论文（设计说明书） 27 页图表 5 张论文（设计）题目：家用清洁机器人内容提要：研究内容：设计一个能够进行清洁工作的机器人具体内容如下： 1 总体外形结构设计 2 清扫机构支撑架的设计 3 主要传动部件的校核 4其他零部件的设计主要特色：清扫机构支架以及清扫机构传动件为本次设计重点内容，通过电机带动蜗杆，蜗杆带动带轮。主要运动部件为蜗轮蜗杆传动，带传动，利用这种结构能较好的缩短支架安放空间，以及减少机器在工作中产生的摩擦与振动，能达到良好的清洁效果。 nts 指导教师评语刘涛同学在毕业设计期间阅读了一些国内外相关参考文献，基本了解相关领域的研究现状。在毕业设计期间，对结构方案进行了设计，并对相关零部件进行了校核计算设计，但是图纸尚存在较多问题。在毕业设计期间表现较好，在机械设计的相关知识与技巧方面得到了一定的提高。同意参加答辩。建议评定成绩为“中等”。指导教师：年月日答辩简要情况及评语答辩小组组长：年月日答辩委员会意见答辩委员会主任：年月日 nts 目录摘要 - 1 ABSTRACT - 1 1 前言 - 2 1.1国内外相关产品研究 - 2 1.1.1国外产品研究情况 - 2 1.1.2国内产品研究情况 - 3 1.2研究的目的和意义 - 4 2 家用清洁机器人的关键技术 - 5 2.1传感技术 - 5 2.2路径规划技术 - 5 2.3吸尘技术 - 6 2.4电源技术 - 6 3 家用清洁机器人的机械设计 - 7 3.1机械结构组成 - 7 3.2家用清洁机器人的总体设计 - 7 3.2.1外形设计 - 7 3.2.2行走机构设计 - 7 3.2.3清扫机构设计 - 8 3.2.4吸尘机构设计 - 9 4 具体计算 - 11 4.1电机选择 - 11 4.2蜗轮蜗杆的选择 - 12 4.3电池的选用 - 14 4.4清扫机构中蜗杆上轴承寿命计算 - 14 4.5蜗轮轴的校核 - 16 5 总结与展望 - 18 5.1总结 - 18 5.2展望 - 18 参考文献 - 20 致谢 - 21 附录 - 22 nts 1 摘要近年来，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，服务机器人的出现主要有三大原因：一是劳动力成本的上升；二是人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动，如清洁、家务、照顾病人等；三是人口的老龄化和社会福利制度的完善也为某些服务机器人提供了广泛的市场应用前景。服务机器人区别于工业机器人的一个主要特征是服务机器人是一种适用于具体的方式、环境及任务过程的机器人系统，其活动空间大，具有在非结构环境下的移动性，因此服务机器人大多数是移动机器人。随着社会的发展需要，服务机器人已经渗透入了我们的生活、工作和经济方面，并且起到了很大的作用。服务机器人的研究和发展对我们的经济发展有很多的影响。这篇文章主要通过阐述清洁机器人在服务行业的重要性，对机器人在各国发展状况的一个综述，让读者了解将来机器人发展对社会发展的重要性。关键词：机器人；清洁机器人；运动原理；清洁方式 ABSTRACT In recent years, along with the computer technology and the rapid development of artificial intelligence , intelligent robot technology gradually become modern robot research hot spot. Among them, service robot, opened a new field of application of robots.Service robots appeared three main reasons:one is rising labor costs;Second is the human to escape the boring physical labor,such as cleaning, housework and patient care,etc.The population is aged 3 and social welfare system for certain service robots also provides a broad application prospect in the market.Service robots in industrial robots is one of the main features of service robot is a suitable way,environment and the specific tasks of the robot system,the process of large space activities in unstructured environment,has the high mobility,so most of the mobile robot is service robots With the development of society,we service robots have infiltrated the life work and economic aspects,and play a very significant role.Service robot research and development of our economic development has a lot of influence.This article mainly elaborated through cleaning robot in the importance of service industry in the world,robot is reviewed the development of some future robots,let the reader know the importance of the development of social development. Key words:Robots;cleaning robot;sports principle;clean way nts 2 1 前言 1.1国内外相关产品研究地面清洁机器人作为作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于 20世纪80年代，到目前为止已经产生了一些概念样机和产品。吸尘机器人的发展带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术图像和语音识别传感器等相关技术的发展。现结合国内外的文献将清扫机器人的发展阐述如下 1.1.1 国外产品研究情况 RC3000 是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的清洁机器人，它有光电传感器和芯片控制，当遇到障碍时，会随机改变一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物。内置了四种清洁程序，保证在遇到不同污渍的地面时，可以调整其清洁程序；通过传感器对于地板污渍的判断，选择合适的应用程序。内置光敏传感器，确保在遇到楼梯与台阶时，能够自动避让，不会掉落。扁平的设计使其能够清洁床，沙发，茶几等家具的下部位置。其相应的充电站有红外发射、工作时间设定、工作模式选择、充电、垃圾处理五个功能。充电站一直发射红外定位和导航信号来指引机器人回到充电站完成充电和垃圾处理的任务；同时能够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的操作。松下电器产业公司在 2002 年上半年推出了家庭用清洁机器人的试制机。该机器人可以根据房间的形状、地板状况、垃圾量进行自动清扫，还配备有避开墙壁、炉子等热源以及障碍的安全功能；该机器人配备有 50 个传感器可一边自动行走一边进行清扫，工作时首先沿房间四周走一圈，记忆房间形状，然后在避开障碍物的同时开始纵横来回移动，清洁工作完成后会自动停止。该机器人清扫一般的日本式房间约需要 9min，相当于人打扫同样大房间所需时间的 1-1.5倍，可清扫房间地板的 92 93；机器人利用光及超声波的测距传感器及感压传感器来避开障碍物，机器人的内置回转传感器用来控制行走姿势以保持既定的行进方向，但在地毯上行走时如果不采取措施则会受到“地毯花纹”影响而弯曲前进，因此该公司在机器人中安装了方向舵传感器，可以检测出由于地毯花纹影响而产生的行进方向偏差，因此即使在铺有地毯的地板上也能够直线前进，机器人体内还安装有防止从台阶等高处滚下的落差传感器、感知暖炉等热源的热传感器、检测自身所受外力大小的重量传感器及防滑传感器、检测添加动力的负载传感器，机器人同普通的障碍物最少保持 10cm的距离，而在探测到热源时，将会同热源至少保持 50cm的距离。瑞典家电制造商伊莱克斯（ EIectoIux)研制生产的清洁机器人小“三叶虫”高 13mm，nts 3 直径 35mm，表面光滑 ,呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一旦微处理器识别出这些障碍物，它可重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被清扫。在楼梯的台阶等一些没有天然障碍物的地方，只要有一条磁铁，小“三叶虫”便不会跨越。小“三叶虫”开始启动后，体内的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。这样它便能探测出整个房间的格局，计算出清扫整个房间所需的时间。只要一接近一件障碍物，它便会重新设定行进路线，不会漏掉每一个角落。电线或地毯的边缘不会被认作是障碍物。小“三叶虫”的吸刷装置中装有一只专利设计滑轮，可以越过电线或地毯边缘，不被绊住。电源不足时，小“三叶虫”会自动回到充电卡座自行充电。如果此时房间还没有清扫完毕，小“三叶虫”还有记忆功能，充好电后自己回到原处继续吸尘。 2003年 11月，三星公司推出一款代号为 VC-RP30W 的机器人吸尘器。 VC-RP30W主要依靠 3D地图技术来进行定位，并能灵巧地躲避障碍物，能够快速、高效地对房间每个角落进行吸尘。当遇到障碍物或者死角等情况， VC-RP30W 会自动转向继续工作。其强大的智能判断系统使得 VC-RP30W能轻易地分辨出垃圾与其他日常生活用品，机器人也允许用户定义它的工作时间及清扫区域等，从而实现主人不在家时机器人也能进行自动清扫。事实上，用户除了可以对它本身进行设置以外，还能通过计算机查看安装在机器人前部的摄像头进行远程遥控。整个器人的电池能维持它连续工作 50分钟，而一旦电池处于即将耗尽的状态时它自动回到充电座补充能源，非常地智能化。它回充电站使用的是已经生成的 3D 地图，而不是像 RC3000 那样使用红外的导航信号 1.1.2 国内产品研究情况在国内的一些大学，如哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单位也对清洁机器人进行了大量的研究并取得了一些成果，对清洁机器人相关技术如机器感知、机器人导航和定位与路径规划、机器人控制、电源与电源管理、动力驱动等技术的研究则更多，这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。哈尔滨工业大学 90年代开始致力于这方面的研究，与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人。该机器人具有如下特点：采用全方位移动技术，使机器人可执行对狭窄区域等死区的清扫任务；采用开放式机器人铰制结构，实现硬件可扩展，软件可移植、可继承，使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性；在拥挤环境下的实时避障功能，能更好地适应不断变化的清扫工作环境；遥控操作和自主运动两种运行方式；吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换，提高了吸尘效率。浙江大学于 1999年初在浙江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人。这种智能吸尘机器人工作时，首先进行环境学习：利用超声波传感器测距，与墙保持一定距离行走，在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息，nts 4 从而决定清扫时间；之后，利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清扫路径；清扫结束以后，自行回到充电座补充电力。吸尘机器人在 5.5 3.5m2 的实际家庭环境中，工作 10分钟可以达到 90%以上的覆盖率。更大房间的清扫试验还没有进行。目前，系统正在引入机器视觉和全局定位功能，力图在多房间环境下，提高自定位能力、智能决策能力以及回归充电效率，最终提高清扫效率。 KV8保洁机器人是今年在市场以低价位卖得比较火的一款产品，也是国内首个产品化清扫机器人。它广泛用于家庭、办公和娱乐场所，以及其它一些人员不便进入的地方。 KV8能够通过自身的碰撞传感器来实现随机的清扫和碰撞处理，需要人工对其电池进行充电，有三种工作模式可以选择，在启动时伴有音乐声。 1.2研究的目的和意义吸尘机器人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人员重视。作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术方面讲，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。融合现代传感器以及机器人领域的关键技术，本课题旨在开发一部价格便宜，全区域覆盖，能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家庭清扫机器人。使它可以替代传统的家庭人工清扫方式，使家庭生活电气化、智能化，使科技更好地为人类服务。 nts 5 2 家用清洁机器人的关键技术全自主吸尘器通常可由 5个主要部分组成：控制器部分、行走驱动部分、传感器部分、吸尘部分和电源部分。行走驱动部分是吸尘机器人的主体，决定了吸尘器的运动空间，一般采用轮式机构。传感器部分一般采用超声波测距仪、接触和接近传感器、视觉传感器、红外线传感器和 CCD摄像机等。这种吸尘器实际上融合了移动机器人和吸尘器技术，故称为智能吸尘器或吸尘机器人。随着近年来计算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅速发展，吸尘机器人控制系统的研究和开发己具备了坚实的基础和良好的发展前景。目前发展较快、对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是：传感器技术、环境建模、定位、路径规划技术。 2.1传感技术传感器是机器人的感觉器官，负责采集外界环境和自身状态的信息。根据采集信息的种类可以分为内传感器和外传感器。内传感器负责采集系统自身状态的信息，包括编码器、陀螺仪、电子罗盘等。外传感器负责采集系统外部信息，包括 CCD视觉传感器、激光雷达、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器。超声波、红外和接触传感器，具有价格低廉、工作可靠、速度快的优点，广泛应用于机器人的局部无碰撞导航。激光雷达是应用较为广泛的一种全局信息获取手段，可以进行定位和环境建模，但是所提供的信息不全面，并且价格较高，限制了其应用范围。而 CCD器件可以提供类似人类的视觉信息，随着技术的发展，其价格越来越低，在车牌识别、人脸识别、无人监控、遥感图像等领域得到越来越广泛的应用。但是图象处理的数据量大，算法复杂，特征提取和深度信息回复困难，所以在机器人视觉方面的应用还是有限的。随着集成电路的发展和计算机视觉的深入研究， CCD视觉传感器必将成为机器人环境感知的主要来源，同时促使机器人智能产生飞跃。 2.2路径规划技术吸尘机器人的路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息 ,按照某种优化指标 ,在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径 ,并且实现所需清扫区域的合理完全路径覆盖。机器人路径规划研究开始于 20 世纪 70 年代 , 目前对这一问题研究仍旧十分活跃。其主要研究内容按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境、动态已知环境和动态不确定环境 ,按机器人获取环境信息的方式不同可以分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。对运动规划问题 ,目前有具体的解析算法。但由于解析算法牵涉到复杂的椭圆积分问题 ,实现起来依然具有相当的难度。根据机器人nts 6 对环境信息知道的程度不同 ,可以分为两种类型 :环境信息完全知道的全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知 ,通过传感器在线地对机器人的工作环境进行探测 ,以获取障碍物的位置、形状和尺寸等信息的局部路径规划。全局路径规划包括环境建模和路径搜索策略两个子问题。其中环境建模的主要方法有 :可视图法 (V-Graph)、自由空间法 (Free Space Approach)和栅格法 (Grids)等。 2.3吸尘技术真空吸尘器是由高速旋转的风扇在机体内形成真空从而产生强大的气流 ,将尘埃和脏物通过吸口吸入机体内的滤尘袋内。吸尘系统包括滤尘器、集尘袋、排气管以及其他一些附件。其吸尘能力取决于风机转速的大小。最近 ,澳大利亚 Jetfan 公司又开发出采用新原理的气流滤尘器。这个吸尘器是一个全封闭系统 , 既无外部气体吸入 ,也无机内气体排除 ,所以就无需滤尘器、集尘袋、排气管等附件。其原理是利用附壁效应去形成低压涡流气体 ,最后将沉渣截留于吸尘器内的涡流腔内。在英国 Dyson 公司最近推出的 DC06 型智能吸尘器中就采用了这种技术。吸尘技术的基本结构按功能分为五个部分： 1、动力部分：吸尘器电机和调速器。调速器分手控、机控。电机：有铜线电机和铝线电机之分。铜线电机有耐高温、寿命长、单次操作时间长等优点，但价格较铝线比较高；铝线电机有着价格低廉的特点，但是耐温性较差、熔点低、寿命不及铜线长。 2.过滤系统：尘袋、前过滤片、后过滤片。按过滤材料不同又分：纸质、布质、 SMS、海帕（ HEPA高效过滤材料）。 3.功能性部分：收放线机构、尘满指示、按钮或滑动开关。 4保护措施：无尘袋保护、真空度过高保护、抗干扰保护（软启动）、过热保护、防静电保护。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。 2.4电源技术移动电源在吸尘机器人中的地位十分重要 ,可以说是它的生命源。移动电源需要同时满足吸尘机器人的多种能源需要 ,如为移动机构提供动力 ,为控制电路提供稳定的电压和为吸尘操作模块提供能源等。在这一领域 ,一般采用化学电池作为移动电源。理想的电源应该能够在放电过程中保持恒定的电压、内阻小以便快速放电、可充电以及成本低等。但实际上没有一种电池可同时具备上述优点 ,这就要求设计人员选择一种合适的电池 ,尽可能增加吸尘机器人的不间断工作时间。 nts 7 3 家用清洁机器人的机械设计 3.1机械结构组成整个机器人的机械结构可以分为： 2个后轮驱动系统，前轮系统，吸尘系统。 3.2家用清洁机器人的总体设计 3.2.1 外形设计根据家庭清洁机器人的设计要求，本次设计的机器人应该包括清扫机构、行走机构、吸尘机构，其中清扫机构的设计尤为重要。通过在网上搜索一些相关资料，初步把机器人的外形设计为长宽均为 400mm高为 200mm 的长方体，但是后来发现所设计的结构的不合理之处，周边有棱角的机器人在躲避障碍物是很不便，非常容易碰到障碍物，而圆形物体则比较容易避开障碍物。因而最终把机器人的外形设计为直径为 300mm的圆盘形，其外部轮廓大体如图 3.2.1所示图 3.2.1 机器人外形 3.2.2 行走机构设计为实现机器人的转弯半径为 0，在机器人的行走机构中采用两轮驱动，两个驱动轮对称分布在清扫机构的后方，两个轮子和刷子支撑机体工作和运动，这样设计既节省材nts 8 料，又可以使刷子和地面全面的接触，从而利于更彻底的清扫。在机器人转弯时，通过控制行走机构的两个电机的转速及旋转方向，进而控制两个轮子，通过轮子的前后差速运动实现机体的转弯半径为 0 图 3.2.2 行走机构 3.2.3 清扫机构设计本次设计清扫机构中想到了两种方案：（ 1）电机带动锥齿轮 1，锥齿轮 1带动锥齿轮 2，锥齿轮 2上的轴连接滚刷，从而实现清扫 nts 9 （ 2）电机带动蜗杆，蜗杆两端接蜗轮，两个蜗轮分别接皮带轮，皮带轮上的轴连接滚刷，从而实现清扫由于机器人体积受限制，以及考虑传动平稳等要素，选择方案 2作为本次清扫机构。方案 1中锥齿轮传动不如斜齿轮平稳，同时锥齿轮所占的体积较大，所以排除。方案 2中，蜗轮蜗杆通过两边加皮带轮，缩短了蜗轮蜗杆的中心距，从而减小了机器的重量，同时有利于安装，因此选择方案 2作为本次设计所需清扫机构。 3.2.4 吸尘机构设计因为所设计的机器人它的体积有限制，在直径为三百，高为一百五十的圆内要放置有行走机构、吸尘机构，同时还得留下放电池、控制中心。故将吸尘机构设置如图 3.2.4nts 10 所示图 3.2.4吸尘装置此机构通过盘刷清扫垃圾进入吸尘盒，同时风筒开始工作，将灰尘吸入隔尘罩的内部空间中。 nts 11 4 具体计算 4.1电机选择初步估计机器的总重量为 10千克， g 取 9.8N/kg，则重力 G=10*9.8=98N，采用 3轮运动结构，则每个轮子所受的力 F=G/3=98/3=32.7N 按橡胶在理想路面行走，则滚动摩擦系数 f=0.015，滑动摩擦系数 =0.25 则：滚动摩擦阻力 Mf=F*f=32.7*0.015=0.49N 滑动摩擦阻力 Ff=F*=32.7*0.25=8.17N 轮子半径为 r=20mm 阻力矩 Tw=（ Mf+Ff） *r=173.15 N.mm 电机所需功率 wwww hnTP 9550 式中： Tw=0.173N.m 由wnRV 2 RVnw 2 = 6002.014.32 5.0 =238.85 r/min 取 hw=0.7 7.09 5 50 85.238173.0 wP=6.18 w 输出功率hPP wd cgr hhhh 2 = 9.097.099.0 2 =0.86 则 19.786.0 18.6 dPw 考虑到机器人在转弯时要求其转弯半径为零，这样就要求两个和电机相连的轮子在转弯时必须差速运转从而才能实现转弯半径为零。而要实现差速运转则要求电机具有调速功能。 nts 12 4.2 蜗轮蜗杆的选择（ 1）因为本次设计所用的蜗杆和蜗轮是传动机构功率的输入部分，是机器人结构中最重要的部分，所以选蜗杆轴材料为 40Cr，表面淬火，硬度 45 50HRC, 蜗轮齿圈材料为 ZcuSn10Pb1,金属模铸造确定许用应力：应力循环次数 hljnN 260 ， j 啮合次数， n2 蜗轮转速， lh 寿命 81048.112000206160 N 查表得： 230OH MPa； 90OF MPa 194* OHNH Z MPa； OFNF Y 52 MPa （ 2）确定 Z1， Z2 根据传动比 I=7.25，参考机械设计参数表，取 Z1=4,Z2=29 （ 3）按齿面接触疲劳强度设计根据机械设计确定基本参数： 8.0AK ； 1K ； 2.1K 2.1 KKKK A hiTT 12 ，当 Z1=4 时， h=0.70.75，取 h=0.7；代入式得 hiNPT 1162 1055.9 5.193867.0293000 3.01055.9 6 N.mm 查机械设计得： MPaZ E 155 ，代入强度公式得 11219429 1555.1938696.099 222122 HEZ ZKTdm 3 按接触强度要求 11212 dm ，查表选取 2m ， 181d ， 41z ， 2.11q ， 292z ，nts 13 290710 。g ，中心距 2.402 2 zqma ， 5822 mzd （ 4）验算初设参数蜗轮圆周速度 63.0100060 222 nPdvm/s，选 K 值符合滑动速度 54.3sin 2 vv sm/s，所选材料合适蜗杆传动效率 196.095.0 hh ，根据 8.1sv m/s，查表得。2v 83.0ta n ta n1 v ，与初选值不符，所以传动效率应适当降低。（ 5）验算齿根弯曲疲劳强度和刚度 4.586.1 212 22 FbFaF zdm YYKT 蜗轮当量齿数 44.29cos 22 zz v，查得齿形系数 65.22 FaY ；则 1201Y =0.917，代入中 FF M Pa 85.27 ，满足要求。（ 6）蜗轮蜗杆几何尺寸蜗杆齿顶圆直径： 2222 *1111 mhdhdd aaa ，其中 ah =1 蜗杆齿根圆直径 : 6.1322 1111 cmhdhdd aff ，其中 2.0c 蜗轮喉圆直径： 6222 22222 xhmdhdd aaa ，其中 02x 蜗轮齿根圆直径 : 2.5322 22222 cxhmdhdd aff nts 14 蜗轮咽喉母圆半径： 2.921 22 ag dar由于蜗杆传动效率低所以工作时产生的热量相对较大。对闭式蜗杆传动，摩擦所产生的热量将通过箱体散发到周围空气中去。本设计中蜗杆传动产生的热量直接散发到集体内，通过吸尘时产生的风力将热量排带机体外。因为蜗杆传动的效率主要取决于啮合效率，而蜗杆分度圆导程角对啮合效率其主要影响，导程角大于 30 度以后啮合效率增加不显著且蜗杆加工也较困难，所以本设计中蜗杆导程角小于 30 度，同时减小了中心距进而减小了蜗杆的直径，从而提高了啮合效率，因而进一步提高了蜗杆的传动效率。 4.3 电池的选用工作环境对清洁机器人的能源提出了特殊要求，目前清洁机器人基本上都采用电池作为能源。作为机器人能源的一次电池要求能量密度高、自放电少、可靠性高，一次电池有锰干电池、碱性锰电池、钾电池、汞电池、氧化银电池等。干电池应用范围广，使用温度越高，电压、容量都同时增大，但有可能造成自放电和产生气体，使用温度可达，在以下容量急剧减少。碱性锰电池适合于大电流放电，放电容量很大，尺寸与干电池相同，具有互换性。锉电池电动势高、能量密度高、工作温度范围大、自放电少，正逐步走向实用化，是一种非常好的机器人能源。二次电池又叫蓄电池，有铅酸电池、银锌电池、镍镐电池和镍锌电池等。铅酸电池是一种比较好的机器人能源，电压高、寿命长、可高比率放电、价格低、结构简单可靠、工艺成熟，但能量密度低。银锌电池是现有二次电池中输出功率最大、能量最高的电池，自放电速度慢，机械强度高，可短期超负荷放电，放电电压平稳，但价格贵、充电时间长、寿命短、充电次数少。镍镐电池和镍锌电池电压低、价格贵，应用较少。燃料电池有碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体电解质燃料电池等，燃料电池体积小、重量轻、寿命长、效率高、无污染，是一种非常好的清洁机器人用电源，但总的来说，目前还处于研究开发阶段。由以上对各种电池的分析，同时考虑到本次设计的要求，选用铅酸电池比较合理，因为铅酸电池是一种比较好的机器人能源，电压高、寿命长、可高比率放电、价格低、结构简单可靠、工艺成熟，可降低制造家庭清洁机器人的总成本，因而本次设计选用两组铅酸电池作为机器人的能量来源。 4.4 清扫机构中蜗杆上轴承寿命计算（ 1）轴承寿命公式： PCnL h 6010 6 nts 15 其中： P-为当量动载荷 -为寿命指数，球轴承， 3 滚子轴承310n-轴承转速 r/min C-基本额定动载荷，查表的 31075.2 C （ 2）计算角接触轴承当量动载荷公式： arp YFXFfP 其中： X-为径向载荷系数； Y-为轴向载荷系数轴向受力如图所示图 4.1 轴承受力图经计算解得 Fr=0.081N Fa=0.015 N 由已知条件可知，轴承是关于蜗轮对称的，所以左右距离相等，所以轴承所受的径向载荷 0405.021 RR N，又因为轴的重力作用在轴承上，轴承大约承受 0.1N，所以1 4 0 5.01.00 4 0 5.021 RR 派生轴向力 0468.0221 YRSSN nts 16 又因为 0468.00618.0015.00468.02 aFS N，所以轴承 1 被压紧，轴承 2 被放松，轴向载荷 0618.01 A , 0468.02 A 21 AA ,校核轴承 1 即可， eRA 1405.0 0618.01 查机械设计表 13-5， 13-6 得， 1X ， 0Y ， 1pf 1405.0)( YRXFfP rp 所以 156 1008.16010 PCnL h，符合要求 4.5 蜗轮轴的校核轴上能使产生弯距的力有 tr FF, , 081.0rF N， 015.0tF N ，两个力在互相垂直的两个平面上， L=62mm， d=20mm如图 4.2所示图 4.2受力示意图 nts 17 弯矩图如 4.3所示图 4.3弯矩图 255.162081.025.025.0 LFM rr 2325.062015.025.025.0 LFM tt 所以，合成弯矩 2 7 6.122 tr MMM 001595.0201.0 276.13233 dMWMMPa 轴的材料为 45钢调质，查表，得，所以符合强度要求。 nts 18 5 总结与展望 5.1总结虽然自主吸尘机器人的研究已经取得了很大进步 ,进入了实用阶段 ,但是自主能力、工作效率方面还不理想 ,需要在技术上解决传感器技术、定位和环境建模技术 .在此基础上 ,自主吸尘机器人可以向着高度智能化、多功能集成、低成本的方向发展。现在的自主吸尘机器人在行为上还处于“低级生物”的阶段 ,环境感知能力有限 ,对路径的规划只是随机的方式或者是基于局部环境信息的规划方式。在复杂环境和多房间的环境下 ,这种工作方式的效率会锐减。因此 ,建立 CCD视觉系统 , 融合多种传感器进行定位和环境建模 ,实现全局路径规划 ,将是一个重要的研究方向 .同时 ,算法必须考虑系统的处理速度、存储空间的限制。自主吸尘机器人是一个可移动的智能平台 ,在吸尘功能之外可以进行功能扩展 ,比如进行家电控制、房间环境监测 (防止火灾、电器故障、盗窃等 ).这方面的市场需求已经被 Tmsuk和三洋公司抓住 ,并在 2002年发布了两款这样的机器人。 5.2展望尽管目前价廉物美的吸尘器给人们的清洁工作带来了一定的便利 ,但过大的噪音依然让大多数使用者望而却

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