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自动 清扫 机器人 设计 CAD 说明书

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毕业论文（设计）题目名称： 自动清扫机器人设计 所在学院： 机械工程学院 专业（班级）：学生姓名：指导教师：评阅人：院 长 ： 论文题目：自动清扫机器人设计总计：毕业论文： 45 页 表 格： 18 表 插 图： 35 幅指导教师（职称）： 评 阅 人： 完 成 日 期： 自动清扫机器人设计摘 要清扫机器人是一种服务机器人，目前已得到使用，我国的很多高校和机构也对其进行了研究设计。清扫机器人的市场必将会受到青睐。本文设计的自动清扫机器人的主要部件有步进电机、蜗轮蜗杆传动机构、清扫电机、驱动轮和万向轮。步进电机驱动蜗杆，蜗杆两端连接蜗轮，两个蜗轮分别连接皮带轮，皮带轮上的轴连接刷子，从而实现清扫。本文的主要内容包括：1） 介绍了自动清扫机器人的研究现状，研究的目的意义，设计的重难点。 2） 自动清扫机器人的总体方案设计和各部分方案的设计包括外形设计、行走机构设计、清扫机构设计、垃圾收集处理机构设计。介绍了自动清扫机器人的关键技术。3） 自动清扫机器人的结构设计包括选择直流电机、蜗轮蜗杆、清扫机构的电机、电池、清扫轴等，对涡轮轴蜗杆上的轴承进行校核。4） 自动清扫机器人控制部分介绍包括软件设计和硬件设计。 通过参考相关的设计手册，本文设计的自动清洁机器人可以满足设计要求。 关键词：清扫机器人；步进电机；蜗轮蜗杆机构；清洁方式ABSTRACTCleaning robot is a kind of service robot which has been used at present. Many universities and institutions in our country have also studied and designed it. The market for cleaning robots will certainly be popular.The main parts of the automatic cleaning robot designed in this paper include stepping motor, worm gear transmission mechanism, cleaning motor, driving wheel and universal wheel. The step motor drives the worm, and the worm wheel is connected at both ends. The two worm wheels are connected to the pulley, and the shaft on the pulley is connected with the brush to realize the cleaning.The main contents of this paper include:1) introduced the research status of automatic cleaning robot, the purpose of the research, and the key points of design.2) the overall scheme design of the robot cleaning robot and the design of each part of the plan include the design of the shape, the design of the walking mechanism, the design of the cleaning mechanism, and the design of the garbage collection and processing mechanism. The key technology of automatic cleaning robot is introduced.3) the structure design of the automatic cleaning robot includes the selection of dc motor, worm and worm gear, the motor of the cleaning mechanism, the battery, the cleaning shaft, etc., to check the bearing on the turboshaft worm shaft.4) the robot control part introduction includes software design and hardware design.By referring to the relevant design manual, the automatic cleaning robot designed in this paper can meet the design requirements.Key words: cleaning robot; Stepping motor; Worm and gear mechanism; Cleaning way.目 录摘 要IABSTRACT1 绪 论11.1 课题设计背景和题目要求 11.2 自动清扫机器人的研究现状21.3 研究的目的和意义81.4 设计的重点和难点82 自动清扫机器人的方案设计92.1 自动清扫机器人的总体方案92.2 自动清扫机器人的关键技术112.3 自动清扫机器人各部分方案设计.123 自动清扫机器人的结构设计173.1 直流电机选择173.2 蜗轮蜗杆的选择173.3 清扫机构电机的选择.193.4 自动清扫机器人电池的选用.193.5 清扫机构中蜗杆上轴承强度校核.203.6 清扫机构中涡轮轴的校核.223.7 带传动设计.233.8 清扫轴的基本参数计算.254 自动清扫机器人控制部分介绍.274.2 自动清扫机器人的硬件设计.274.2 自动清扫机器人的软件设计.275 结 论29参 考 文 献30附录1：外文译文31附录2：外文原文38致 谢42-IV-1.绪 论1.1 课题设计背景和题目要求近年来，随着人工智能科学和计算机技术人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术已成为当代机器人研究领域的热门话题。其中，服务机器人开辟了机器人应用的新领域。服务机器人的出现有三个主要原因：一是劳动力成本逐渐上升;其次，人们希望摆脱繁琐的体力劳动，如清洁，家务，照顾患者和儿童等等;第三，人口老龄化和社会福利制度的改善也为一些服务机器人提供了广阔的市场应用前景。服务机器人将其与工业机器人区分开来的主要特征是服务机器人是适应特定方法，任务和环境的机器人系统。活动空间非常大，它可以在非结构化的环境中自由移动，因此服务机器人是一个移动机器人。从自动洁净室地板真空家庭服务机器人，机械设计技术，电子技术，传感器技术，计算机科学，控制技术，机器人学，人工智能等学科形成一个整体。作为智能移动机器人开发的先驱，这项研究始于20世纪80年代，并已制作出许多概念原型和产品。清洁机器人的发展促进了家庭服务机器人产业的发展。它促进了移动机器人技术，图像和声音识别，传感器，设计，电子和其他相关技术的发展。自动清洁机器人正是在这种情况下提出了详细的设计要求如下：工作内容和设计自动清洁机器人的要求：运行机制:轮式最高行驶速度:0.5米/秒旋转半径:0高度: 100 mm宽度: 400 mm清洁方法:吸尘和刷毛连续工作时间:0.5小时警告:LED闪光灯具有自动路径规划和避障具有自动充电装置。1.2 自动清扫机器人的研究现状作为智能移动机器人开发的先驱，早在20世纪80年代就开始研究地面清洁机器人。清洁机器人的发展带动了家用服务机器人产业的发展，并推动了移动机器人技术，图像与语音识别，传感器，电子等相关技术的发展。下面结合国内外文献介绍自动清洁机器人的发展现状。1.2.1 国外产品研究状况机器人在当今社会很普遍，工业机器人在许多领域被广泛应用，但对于家庭类机器人我们知道不少，但日本、欧洲、美国以及一些国家的主要研究比较成熟，一些发达国家已经广泛采用了自动机器人进行清扫工作，一些已经在市场上，在实践中使用。RC3000是世界上第一个可以完成室内地面清洁的机器人。遇到障碍时，您可以随意更改路线并继续直行，直至遇到新的障碍。确保清洁地面上的污渍，调整清洁程序，通过传感器确定地板上的污渍，选择合适的应用程序，内置光线感应器，确保在碰到楼梯时可以避免掉落。平面设计可以在家具的较低位置自由行走，例如床，沙发，咖啡桌和充电站的红外线发射。工作时间设置，工作模式选择，收费和垃圾处理五大功能。充电站始终发出红外定位和导航信号，指示机器人完成垃圾处理，充电等任务。图1-1 智能机器人RC3000日本东日本铁路株式会社，新光电气株式会社和豪华实业株式会社共同开发了车站地面清扫机器人。机器人可以沿着墙壁自动启动，并使用旋转刷子清除垃圾。机器人可以通过“磁力模式”，“教学模式”或“墙壁复制模式”从主控制器进行控制。东日本铁路公司，富士工业株式会社，斯巴鲁实验室和JR东海设备管理株式会社开发了车站清洗机器人。机器人的任务是将清洁液喷洒到地面上，用旋转的刷子擦拭地板，并使用容器吸入脏水。使用光纤陀螺仪和超声波传感器的机器人传感系统有两种类型的自动清洁系统。清洁区域可以分为单位区域，内存可以根据单位区域确定。另一个称为“路径图模式”。机器人的路径被构建到地图中。IC卡也可以用作CRT。由东日本铁路公司和东芝公司共同开发的内部地面清洁机器人具有简单的座椅布局，体积小，重量轻。在汽车和车厢之间轻松移动，超声波距离传感器传感系统和光学非接触式接近传感器。机器人使用定位的外推方法，使用编码器中的数据来保持其位置和路径。如果检测到错误的位置，机器人会用距离传感器自动纠正。列车的顶层包括清洁垃圾，擦洗，回收废水，喷洒清洁液，用干净水冲洗以及分六步给地板打蜡的步骤。日本的静态装甲水厂开发了一种可用于清洁各种工厂的自动清洁机器人。使用编码器和超声波传感器来感测范围，光检测器检测到障碍物，机器人装备有橡胶垫，橡胶垫接触传感器允许机器人发送停止信号以确保人身安全。松下和日立也开发了干净的砖地和地毯清洁机器人。2002年上半年，松下推出了用于清洁机器人的测试机。机器人可以根据房间的形状，地板的状况以及垃圾的数量自动清洁房间。机器人配备了50个传感器，可以进行清洁，自动躲避避免障碍物和在清洁后自动停止。机器人可以在普通的日本房间内清洁约9分钟，这相当于清洁同一个大房间所需时间的1-1.5倍。可以清洁房间地板的92-93%。机器人使用光和超声波测距传感器和压力传感器来避开障碍物。但是当走在地毯上时，如果不采取措施会影响“地毯模式”并向前弯曲，“地毯模式”影响偏差的方向，因此，传感器，加热器和其他热源热传感器直接安装在机器人身体上，以防止滚下楼梯的高度上的间隙。并测试外力大小传感器和滑动重量传感器，检测加入的动态负载传感器，机器人的常见障碍物保持至少10厘米的距离，检测热源时，应使热源距离至少50厘米。在20世纪90年代，美国引进了装备有激光导航系统的地面清洁机器人ROBOSCORB。超声波距离测量和避障，以及使用光学定位代码栏，2002年9月，RooMBA出生在美国，约2公斤干净的机器人，重约30英寸，自动化程度高。它可以穿梭在房间的家具之间，并能熟练地完成清洁。它被用作军事“地雷运动技术”的吸尘器。“RoOMBA有点慢，但它能安全地完成工作。完成任务后，可以自动切断电源，这样你就可以不用在家里打扫房间了。见图1 - 2。图1-2 智能清洁机器人Roomba2002年10月1日，清洁机器人“Terry Lobai”由瑞典LAK电子公司和日本东芝公司开发和销售。“Triloba”主要由清洁机器和超声波传感器组成，可避免房间内的各种家具。一旦家庭主妇按下启动按钮，它就会自动跟随线路。机器人可以充电，连续工作1小时。瑞典家电制造商Eitoto Iux开发了一款13毫米高，直径35毫米的清洁机器人。内置的搜索雷达可以快速检测并避免桌腿，玻璃器皿，宠物或任何其他障碍物。一旦微处理器识别出障碍物，它可以重新选择路线，重新评估和计算整个房间，以确保房间的所有角落都被清洁。楼梯上没有自然障碍。只要有磁铁，小三叶虫就不会穿越。在小“三叶虫”开始后，身体内的搜索雷达将检测到最近的墙壁。首先，跟着墙壁吸收地板上的灰尘和异物。通过这种方式，它可以检测整个房间的图案并计算清洁整个房间所需的时间。一旦有障碍，它将重置路线，而不是错过每个角落。线或地毯的边缘不被视为障碍物。小型的“三叶虫”图1-3 三叶虫装置包括一个滑轮，它可以交叉或不被卡在地毯的边缘上。当电力供应不足时，小“三叶虫”会自动返回充电站进行充电。如果房间没有清理干净，小三叶虫也会有记忆功能。充电后，它们会回到原来的位置并继续工作，如图1-3所示。英国，法国和澳大利亚也推出了清洁机器人。戴森最近推出了一款采用DC06型号的智能吸尘器。这是世界上第一台全自动“真空机器人”。机器人具有一些人工智能，因此您可以通过轻轻按下开关来节省每天清洁房间的麻烦。如图1-4所示，带有50厘米形状的真空机器人的模型车重9.2公斤。配备70多个传感器，随时可以通过3台内置计算机的“大脑”找到它。大脑可以每秒发出16条指令来指导真空吸尘器的工作。“一个开关的充电，机器人将在三分钟内使用三台微型计算机和传感器来计算它们的位置，房间大小以及风琴和家具的配置。如果外部物体（如儿童或狗）接近真空吸尘器，它会自动停止工作。接近着陆时，真空吸尘器会自动采取防护措施，防止楼梯滚落。使用时，只要打开电源，选择速度并按“GO”键按钮，吸尘器将自动工作，其他程序将自动完成。但是，目前的产品价格太高（约4000美元），所以很难进入市场，如图1-4所示。图1-4 智能机器人DC06澳大利亚公司Floor Botics最近开发了一款V4机器人，可以自动驱动和清洁房间，如图1-5所示。自动真空吸尘器具有平滑，紧凑，圆形的内置搜索雷达，可以搜索各种房间中的每个房间，而不会触摸家具或其他障碍物。微处理器使它能够检测方向并在拐角处选择路线。一旦放置在地上，吸尘器可以自动开始工作。它的搜索雷达将探测到最近的墙，然后灰尘和异物将被吸收到墙上。然后绕过房间的其他部分，在接近障碍物前快速移动。吸尘机器人在主机周围有一个360度障碍传感器，可以在清洁地板时检测墙壁和障碍物。机器人完成后，电源自动关闭。充电4小时后，你可以工作一个多小时。你可以通过更换附件来清洁地毯。如果你没有障碍物清扫地板，你可以在一小时内清理360平方米。无论房间的形状和大小如何，ARNA导航算法都能指导机器人在任何房间中移动，而不会覆盖该区域进行清洁。由于机器人在房间内导航，它会创建自己的空间参考地图，机器人不需要任何编程就可以教它去哪里。机器人操作简单，只有三个按钮：启动、结束和暂停。只要人们把它放在干净的地方或房间里（清洁的机器人非常轻便，一只手可以轻松地拿起它），按下开始按钮，如图1-5所示。 图1-5 V4智能吸尘机器人2003年11月，该公司推出了名为VC-RP30W的机器人吸尘器，如图1-6所示。VC-RP30W主要依靠3D地图技术定位，巧妙避开障碍物。它可以快速有效地清洁房间的每个角落。如果发生障碍或僵持，VC-RP30W将自动切换到工作状态。其强大的智能判断系统使VC-RP30 W能够轻松识别垃圾邮件和其他日常必需品。当主人不在家的时候，这个机器人可以自动清洁。实际上，除了自己设置用户之外，用户还可以通过查看安装在机器人上的相机的前部来远程控制计算机。整个人类细胞可以继续工作50分钟。它使用生成的三维地图，不像RC3000红外导航信号。 图1-6 三星机器人VC- RP30W1.2.2 国内产品研究状况中国的一些大学，如哈尔滨工业大学，华南理工大学和上海交通大学等也对清洁机器人进行了广泛的研究。并取得了一些成果，如机器感知清洁机器人，机器人导航定位与路径规划，机器人控制，电力与电力管理，电力等。更重要的是，力传递技术的研究为清洁机器人的发展和普及奠定了基础。哈尔滨工业大学在20世纪90年代进行了这项研究，并与香港中文大学合作开发和开发了一种全能移动式清洁机器人。该机器人具有以下特点：借助全面的移动技术，机器人可以在狭窄区域完成清洁任务，如死区，硬件可以扩展，软件可以移植和继承，从而允许机器人作为服务运营商和服务。在拥挤的环境中，实时避障功能可以更好地适应不断变化的清洁工作环境。远程操作和自主运行的操作模式可以实现真空室的自动转换，提高除尘效率。1999年初，浙江大学在浙江大学机电研究所对智能真空机器人进行了研究。两年后，第一个自主尘埃吸收机器人智能初步在中国成功的设计。当这个智能真空机器人工作时，它首先执行环境学习并使用超声波传感器进行距离测量。在获取房间的大小信息以确定清洁时间的同时，与墙壁保持一定的距离。然后，结合随机和本地遍历规划的策略被用来实现高效率。扫道后，清洗后，自动返回充电座，以补充电源。在真正的5.53.5M2的家庭环境中，集尘机器人可以在10分钟内达到90的覆盖率。大房间的扫视测试还没有进行。目前，该系统引入了机器视觉和全球定位，以提高多房间环境的自我定位能力，智能决策能力和回报充电效率，最终提高清洁效率。见图1 - 7。KV8清洁剂是今年相对较低的销售产品。它也是中国第一个产品清洁机器人。它广泛用于家庭，办公室，娱乐场所以及其他不允许进入的场所。KV8可以通过自己的碰撞传感器实现随机清洁和碰撞处理。它需要一个手动充电电池。有三种工作模式可供选择，音乐也可以在启动时听到。 图1-7 国内公司生产的机器人KV81.2.3 自主充电技术发展现状在20世纪40年代末，格雷特沃尔特开发了第一种机器人移动机器人，称为“海龟”，它是一种在神经研究中朝着光线移动的机器人。沃尔特还发明了一个可充电的柜子。设备和充电器可以用来在一个柜子里照明，它被用作充电站。在一束光的引导下，机器人来到了橱柜的前部，并用它来充电。该系统具有以下特点:(1) 机器人感知行为:光感受器;(2) 充电站可以传输机器人感知的光束。(3)电池和充电器可以准确连接。1998年，Tsukubo大学成功开发了一台名为Yamabico Liv的机器人。通过使用导航系统，机器人可以使用实验室环境地图独立导航到充电站，通过一些特殊设备的充电站实现独立充电的效果。最近，美国卡内基梅隆大学机器人研究中心还开发了一种名为SAGE导向机器人的技术，该技术被卡内基梅隆大学历史博物馆的机器人使用。该机器人使用了 XR4000的改进。机器人SAGE可以通过CCD摄像头识别和处理识别环境的三维地标，自动找到充电站，实现自动充电。路牌直接放置在充电站的出口上方。通过它的引导，机器人可以可靠地停止预设的充电位置并因此充电，而在插座和插座之间没有任何东西。在174天的手术中，机器人成功运行了135天，而且没有失败。与此同时，每9天进行一次精确的校正。1.3 研究的目的和意义清扫机器人将移动机器人技术与清扫技术相结合，实现室内环境（地面）的半自动或全自动清洁，而不是传统的大型手动清洁。近年来，国内外学者纷纷引起人们的关注。作为智能移动机器人的特殊应用，智能吸尘器更加具体地反映了移动机器人的一些关键技术，并具有很强的代表性。从市场角度来看，吸尘器将大大降低劳动强度，提高劳动效率，适用于室内和公共场所的室内清洁。因此，自主智能吸尘器的发展具有挑战性和前景。随着现代传感器与机器人技术领域的关键技术的融合，本项目的目标是开发一种廉价、全覆盖的智能家居清洁机器人，完全满足国内需求，方便实用。它可以取代传统的家居清洁方法，使家居生活更加电气化，智能化，更好地为人类服务。1.4 设计的重点和难点清洁机构，行走机构，集尘机构和垃圾收集机构的设计和布局是设计的重点。机器人清洁机构的关键部件的设计也是一个困难的设计点。由于机器人具有避障功能，其外形设计也应该认真对待。如何处理垃圾处理，如何处理除尘设备也是本设计中的一个重要问题。2.自动清扫机器人的方案设计2.1 机器人的总体方案我的设计旨在研发一种结构简单、控制灵活、路径规划、操作简单、自主行走、自动避障、便于实现等一系列任务的清扫机器人。清扫机器人总体由控制系统与机械部分组成。机械部件由高强度塑料底盘、两个驱动轮、壳体和从动件组成。是清扫电机、除尘电机、电池、垃圾收集处理机构设计、清洁刷和控制系统的载体。机器人总体图如图2-1所示。图2-1 机器人总体图2.1.1 各执行机构的方案清扫机器人的总体图如图2-2所示：(1)驱动机构：机器人能够任意移动，红外开关安装在清扫机器人壳体的前部和侧面，将他做当作碰撞检测传感器来用。光电传感器用来进行位置的判断，从而进行下一步动作。(2)清扫机构：清扫轴带动两个清扫刷旋转，从而使灰尘可以集中在吸口上，为除尘机构做好准备。(3)吸尘机构：它的目的是有着很大的吸力，把垃圾吸入罐中。图2-2 组成结构图(4)擦地机构：完成清洗和吸尘工作后，使用清洁布擦拭地板上余留的微小粉尘，确保清洗质量。2.1.2 工作原理机器人整体有很多部分组成，如图2-4所示，共同协调作业来确保机器人的清洁度。它的工作原理如下:通过清扫机器人的CPU，来控制各个局部的机构。各个局部的机构相互协调，信息收集部分将信息传递给cpu，cpu发出指令，控制机器人运行。具体步骤：(1)按下启动按钮，一旦清扫机器人运行了，cpu控制清扫机构清扫地面，吸入空气中的和地面的灰尘，擦地机构擦拭地板。(2)当清扫机器人运行了，传感器不断收集外部环境信息，传送到CPU进行分析处理，正确避障行走。(3)中央处理器通过调整了驱动轮的速度，利用差动速度实现了转向。(4)LCD用于显示机器人的工作状态以及周围的工作环境变化情况。机器人通过传感器得到环境信息，如障碍物的距离自身的距离长短和方向，然后根据信息选择相应的处理方法。2.2 关键技术2.2.1 传感技术常用的传感器有内外两种。内部传感器头陀螺仪、磁罗盘、编码器、线性加速度计等。外部传感器种类繁多，有视觉、超声波、紫外线等等。视觉传感器使用CCD摄像机来视觉导航、目标识别和地图构建等工作。红外传感器检测机器人周围障碍物，正确规划路径。2.2.2 路径规划技术路径规划相关的算法过于繁琐，很难实现。通过传感器感受到周围环境的情况，检测到障碍物，然后cpu判断其形状和大小做出回应。2.2.3 吸尘技术吸尘技术是指通过风扇发出的强大的吸力吸收地面的灰尘进去垃圾收集处理机构。真空系统包括过滤器、除尘袋、排气管等附件。灰尘的数量取决于风扇的速度。最新的吸尘器是完全封闭的系统，其原理是通过壁效应来形成低压涡旋气体，最后沉积在自动吸尘器内部的涡流腔中。2.2.4 电源技术清扫机器人的移动电源非常重要，是动力源。化学电池优点很多，很符合作为动力源，其内阻很低，因此可以冲放电较快、成本较低。事实上，此种电池很难发明到，这就需要设计者们利用自己的知识来合理选择正确的电池来延长机器人的工作时间与工作寿命。2.3 自动清扫机器人各部分方案设计2.3.1 机器人的整体形状机器人原始外形设计：形状是宽的是400毫米，高度是400毫米的矩形，但后来发现设计不合理。对于遇到拐角处的机器人，此形状是非常不方便的进行畅通的行走，为了实现流畅的行走，于是想到将其设计成如下图形：图2-5 机器人的整体外形图2.3.2 行走机构行走机构是机器人是关键部分，机器人的运动全依靠行走机构的设计。行走机构有轮子行走、履带移动和步行式。前两者适合室内作业，而步行式在室外作业，可以在泥泞的路面移动。于是选择轮式更为妥当。轮式通常分为三个轮子，四个轮子和六个轮子。此项目中，清扫机器人的重量较轻，工作环境良好。这三个点被确定为平坦的，并且三个车轮在理论上是稳定的。对于三轮支撑的机器人来说，重心、负载、中心位置都较符合条件，于是采用三轮机构。利用差动转向式的方式，机器人的两个驱动轮速度变化从而可以更好的控制机器人的速度和转向能力，从而可以更好的避障。因此，采用三轮差动转向的移动机构，如图2-3所示。清扫机器人在三轮差动模式下工作可以轻易的完成吸尘机器人向前、向左、向右、向后、切换等工作方式，甚至可以以任何速度为零半径转弯（即中间点绕轴线旋转）。图2-3 移动机构示意图机器人的转弯半径为0，清洗机构支持两个轮子的刷子和身体的运动工作。该设计不仅节省材料，而且与刷子和地面接触，有利于更彻底的清洁。2.3.3 清扫机构(1) 电机驱动带动斜齿轮转动，逐级传递力，从而带动清扫轴转动。图2-6 方案一(2) 电机驱动带动锥齿轮转动，逐级传递力，从而带动清扫轴转动。图2-7 方案二(3) 电机驱动蜗轮蜗杆机构，从而驱动清扫轴转动。图2-8 方案三(4) 电机驱动蜗轮蜗杆机构，涡轮带动皮带轮上的清扫轴转动。图2-9 方案四通过比较，最终方案四是最佳。其正面结构如下图所示：图2-10 清扫传动机构电机的输出功率为4.45W，蜗轮蜗杆的传动比为，蜗轮蜗杆传动的中心距为a=40.20。带传动传动比，小带轮转速 。小带轮基本直径 ，大带轮基本直径 机器人的尺寸是直径为400mm，高度为100mm的圆，其内部将放置清洗机构、行走机构、吸尘机构和垃圾收集处理机构等等。斜齿轮的面积较大，如果选择它，它将占用大量的空间，于是放弃（1）。（2）中锥齿轮会产生轴向力，于是还要添加一些构件平衡这些力，放弃（2）。在（3）中蜗杆由电机驱动，蜗轮由蜗杆驱动，蜗轮上的刷子旋转，达到清洗目的。为了使机器人能够扫到墙壁的边缘，两个刷子直径为200毫米，因此蜗轮和蜗杆的中心距离必须是100毫米，由于其尺寸较大，装置会变得较重，最后，在（3）的基础上生成（4）。在该方案中，添加了两侧皮带轮来减小蜗杆与蜗轮之间的中心距离，从而减少总重，其他机构的安装也较为方便。因此(4）最佳。2.3.4 吸尘机构图2-11 吸尘器在吸尘机构中(如图2-11所示)，风扇在垃圾箱体的上壁上，风扇盖上薄壁空腔，壁空腔上有一个放气的圆孔。在垃圾箱的上壁上设置两个小矩形孔，风扇旋转使其内部混乱起来。从而灰尘也会弥散在空气中，此时防尘罩便发挥出作用了，可以使得吸附空气空混杂的灰尘，过滤空气，干净的空气通过孔排出到吸尘器外。2.3.5 垃圾收集处理机构如图2-12所示：电机带动齿轮系，齿轮1带动齿轮2，齿轮2带动齿轮3，齿轮3控制着处理垃圾机构，通过控制电机的正反转来控制。然而这个结构过大，机器人空间有限，因此否定这个方案，采用以下方案，即通过清扫刷把垃圾扫到吸入口，因为吸口截面面积小。当被吸收的垃圾到垃圾存储箱时，空间膨胀迅速，吸力下降到最低的值，垃圾被卡在垃圾存储箱中。要倒垃圾时，拿出可以拉出的垃圾箱。另外，由于清洁机器人在家庭里清洁，没有大量的垃圾，而且这个方案的空间非常小。因此，本部门采用该方案，如图2-13所示: 图2-13 垃圾收集处理机构 由于自动清扫机器人的最关键的部分是清扫部分，因此机器人的质量大多都分配在这一块。为了降低机器的质量，使用更加方便，这部分将被设计为固定在机体上，不仅满足了工作的需要，而且减少机体的质量，如图2-14所示： 图2-14 清扫固定件 自动清扫机器人最终布局如图2-15所示： 图2-15 机器人大体布局 3. 自动清扫机器人的结构设计3.1 电机选用(1) 设总重为，测所受到的重力：由于是在室内行走。令，可得到摩擦力：阻力矩：（2）功率: ：里面 令于是：， ,里面可得到要求的输出功率为=4.45W（3）连接到电机的两个轮子在转弯时必须以不同的速度运行。由(2)计算的电机输出功率,因此,在线查电动机,发现得YCJT型号满足设计要求,电动机需要的输出功率为4.45 W,型号为YCJT - 6-1的输出功率为6 W,可以提供电动机的输出功率要求.该电机的特点还有比较小巧,从而可以减小机器人总体的重量,更加符合我们所寻求的电机.3.2 蜗轮蜗杆选用（1） 由蜗轮蜗杆为机器人的传动机构,在机器人运动时起到至关重要的作用,选择40铬材料的蜗杆，表面淬火，45 50 HRC硬度. 蜗轮蜗杆机构的循环次数查阅相关资料得到： .；（2）蜗轮蜗杆机构的齿数因为传动比,于是；（3）根据蜗轮蜗杆机构齿面的疲劳强度由；机器人在室内移动,因此不会发生较大的颠簸,于是令 可得到 ； 由于，令；根据机械设计第八版：；强度计算:； 当符合接触强度条件，于是得到 ,。可得到蜗轮蜗杆的中心距为，；蜗轮的转速=，合乎条件。蜗轮的移速，符合要求。蜗轮蜗杆机构中的蜗轮由于受到摩擦力的损失,于是传动效率不足100%.于是得到 由于，0.83,不等于于是得到:蜗轮蜗杆机构的传动效率应该减小.蜗轮的齿根弯曲疲劳强度: , ；于是得到：代入上式得到 合乎要求.（4）蜗杆蜗轮尺寸的确定 蜗杆的具体尺寸齿顶圆直径 : 其中齿根圆直径: =19.4mm 其中=0.2齿宽: =27.38mm 令mm 蜗轮的具体尺寸喉圆直径 : 其中 齿根圆直径 : 52.8mm 齿宽:17.16mm 其中；轮缘宽度: ,顶圆直径: 由于尺寸的限制,尺宽可能会受到一定程度的破坏于是需要满足:；于是得到，令。3.3 清扫机构的电机选用 清扫刷转速可以达到3r/s，可以达到清洗目的，皮带轮的传动比设计为1:1,蜗轮在180 r / min - 210 r / min左右，清洁便可进行,蜗轮和蜗杆蜗轮转速为2600 r / min - 3000 r / min,所以选择55 sz01型号,3000转/分钟的速度,大小合适，并能达到工作要求,所以选为动力源的一部分。3.4 自动清扫机器人电池的选用电池分为两次、一次电池与燃料电池。一次电池分为锰干电池、钾电池和汞电池等。干电池的使用很广泛,温度升高,电压和容量越大,但会导致自放电,温度可以达到50 60,生产急剧下降低于0。二次电池中铅酸蓄电池具有高电压、寿命长、放电率高、技术成熟的机器人。银锌电池具有最高的输出功率、能量、慢自放电率、高机械强度、短时间过载、稳定放电电压、放电、长充电时间、两次电池组使用寿命短。镍锌电池缺点较多应用不多。燃料电池有点较多，是一个很好的清洁机器人能源，但它还在开发中。通过对各种电池的进行了一系列的对比，铅酸蓄电池较合适，其有着高电压，长寿命，高放电率，低成本，结构简单，可靠，成熟的技术。因此，使用两组铅酸电池来当作机器人的能源。3.5 清扫机构蜗杆上轴承强度校核本次课题对清扫机构蜗杆上轴承强度校核,通过对比后最终得到结果:626型深沟型轴承符合要求,通过文献7得到，3.5.1 蜗杆轴受力分析 蜗杆上的力分布图:图3-1受力图 X轴:Y轴:3.5.2 查取参数通过翻阅文献6搜到:于是其轴向力表示为: 于是得出结论:左边处于压紧的状态右边处于松弛的状态. 通过文献6搜到：3.5.3 626型深沟球轴承计算运转过程中，626型深沟球轴承不受到任何载荷作用，查表得到 令，626型深沟球轴承当量动载荷为:所以3.5.4 626型深沟球轴承的寿命校核该轴承于是该轴承可以运行较长的时间,于是乎在家庭中使用,非常合理.该轴承满足寿命条件.3.6 清扫机构中的蜗轮轴的校核 这两个力在作用在清扫机构的蜗轮轴上会使其发生弯曲,从而会产生弯矩,于是需要进行校核.受力分析图和弯矩图如下:其中，满足条件.3.7 带传动设计3.7.1 V带的选择根据文献6,再由v带的传动为:,以及 令 ，于是可求得:,最终得到结论:该皮带轮为Y型.由于,带轮的直径为:小: 大: 此时v带的速度为:符合条件,适合运用在该清扫机器人中.3.7.2 确定中心距所以暂定中心距为.v带的长度: 查阅文献6确定v带的长度此时取整得3.7.3 小带轮包角3.7.4 V带的根数因为，所以因为，所以,其中 根据上文计算的V带的长度和型号，查阅文献7 由于带数必须为整数,2根带不够使,4根带会变得多余,由计算结果3根带符合要求.3.7.5 V带的查阅文献6表8-3:每个类型的皮带都有着不同的质量密度,我选择的Y型带,其 所以可得到3.7.6 压力轴校核3.8 清扫轴设计该清扫轴的运动参数为: ，令,于是查文献6,该直径要求不小于3.45mm,因此选定轴的最小直径为.查阅资料后设计如下方案:图3-4 清扫轴装配方案 轴的II-III处套有轴承，轴承受到的径向的力大于轴承受到的轴向力，选用626型号深沟球轴承较为合适，该轴承为。4.自动清扫机器人控制部分介绍4.1 自动清扫机器人的硬件设计由于plc驱动系统过大,我设计的清扫机器人要求结构灵巧,重量轻,所以不可以使用plc来进行驱动,于是我选择单片机驱动,我选择了AT89C51单片机,该单片机的技术比较成熟,操作方便,以单片机为中心,控制各个单元,如图所示,各个模块相互协调,保证自动清扫工作顺利进行。控制系统框图如图4-1所示。图4-1清扫机器人硬件系统4.2自动清扫机器人控制系统软件设计我采用的方案是步进电机驱动,由单片机来进行控制电机正反转,启动和停止,加速和减速,此一系列的工作。单片机通过接受传感器发送的信号做出判断,机器人一边工作一边做出发出下一步的工作信号。从而来对机器人进行路径的规划,我选择了一种蛇形式的路径规划,该设计方案的工作原理是:自动清扫机器人可以在房间内任何一个地方安放,然后利用启动机器人,开始工作,机器人利用传感器感应周围的障碍物,遇到障碍物时传感器发送信号给单片机,单片机进行计算出障碍物的形状和大小,然后进行路径规划。路径规化图如图4-2所示 图4-2路径规划图 5.结论经过几个月的努力设计，我的毕业设计即将结束。毕业设计是每个大学生生活中最后一个重要环节，是对大学四年学习过程综合能力的评估。毕业设计是我学到的理论知识的总结。 本次设计主要完成了以下任务:1)介绍了自动清扫机器人的研究现状，研究的目的意义，设计的重难点。 2)自动清扫机器人的总体方案设计和各部分方案的设计包括外形、行走、清扫、垃圾处理等功能进行设计。3)自动清扫机器人的结构设计包括选择直流电机、蜗轮蜗杆、清扫机构的电机、电池、清扫轴等，对涡轮轴蜗杆上的轴承进行校核。4)自动清扫机器人控制部分介绍包括软件设计和硬件设计。 我设计的清扫机器人采用三轮差动转向的移动机构可以在房间里面自由行走，能够对房子进行全方位的清扫,保证房子的干净。该清扫机器人在清扫的过程中，吸收地面和空气中的灰尘，保证了空气质量，节省人们大量的时间，使人们能够不费力的享受干干净净的室内环境,所以,我设计的清扫机器人和我追求的设计目标就是降低成本,让清扫机器人走向每一个家庭。参考文献1赵晓东，鲍方.清洁机器人路径规划算法研究综述J.机电工程,2013.2王力虎，张海洪.一种室内自主清扫机器人的路径规划算法J.机床与液压,2005.3张西良，丁飞等.能力风暴机器人AS-U目标搜索研究J.机器人技术，2006.10.4丛爽，钱辉环.广茂达机器人几个实际应用问题的解决方案J.机器人技术，2003.06.5张立勋，王立权，杨勇.机械电子学M.哈尔滨工程大学出版社，1999.6蔡自兴主编.机器人学M.北京：清华大学出版社.1995.7 秦荣荣主编.机械原理M.吉林：吉林科学技术出版社.1998.8王三武.清扫机器人移动驱动机构的研究J. 信息技术,2008,05.9万鸾飞.清洁机器人的路径规划法J.芜湖职业技术学院学报,2009.10禹建丽，徐亮.室内自主清扫机器人的路径规划J.中原工学院学报,2010.11梁喜凤.室内地面清洁机器人路径规划J.中国计量学院学报,2006.12赵慧南.移动机器人全覆盖路径规划算法的研究J.长春:东北师范大学,2011.13Joon-Young Park，Byung-Hak Cho，Seung-Hyun Byun，Jae-Kyung Lee.Development of cleaning robot system for live-line suspension Insulator stringsJ.Strategic Technology Laboratory，2009. 14L.Gerstmayr-Hillen .Dense topological maps and partial pose estimation for visual control of an autonomous cleaning robotJ .Robotics and Autonomous Systems, 2013.15Rimon E. Exact robot navigation using artificial potential functionsJ. IEEE Trans. on Robotics and Automation, 1992,8.附录1 外文译文一种控制路径规划方法的出租车前清扫机器人Joa Mouraa,b, Mustafa Suphi Erdena,b摘要：本文提出了一种出租车前清扫机器人的控制和路径规划方法。目前，在具有挑战性的条件下，对列车驾驶室前端的清洗操作是人工进行的。这项工作的目的是制定一个控制和路径规划的解决方案，用于机器人操作机器人的清洁活动。所提出的解决方案包括机器人机械手与未知表面之间的相互作用的研究，并包括在使用空间的同时进行力和位置控制的实现。末端执行器的轨迹是通过将栅格扫描投射到表面上进行实时清理，从而使路径适应于局部表面几何的细微差别。本文还提供了标准列表。关键词:清洗机器人;同时力和位置控制;操作空间。1. 介绍与受约束的环境相互作用，比如僵硬的表面，只使用触觉是人类在日常工作中使用的一种技能，例如，在清洁表面的时候。这被认为是一种受约束的操作，因为当我们与任何刚性物体相互作用时，我们的手无法自由移动，仅仅是超越了表面的物理边界。因此，手的运动是在与物体表面保持接触的同时，与物体表面保持接触，使其与物体表面保持接触。我们可以很容易地处理这种与各种刚性物体的相互作用，而不破坏它们或伤害我们的手臂，通过适当地调整它的位置和刚度。即使不使用我们的视觉感知闭上眼睛我们仍然可以用触觉信息追踪一个未知的表面。一个具有类似功能的机器人系统将能够自动执行大量的操作，而这些操作只是手动执行的。其中一个这样的操作就是火车车厢前端的清洗过程。目前的过程包括机械的火车垫圈，由于复杂的形状无法清洗列车的前端。因此，这些表面保持人工清洁，这可能会导致一些健康和安全问题，包括在不健康的姿势下工作，并受到恶劣天气的影响。更多的工人被暴露在一个高度潮湿的环境中。在25kV的架空线路和750V轨道上，虽然列车不是手动在列车上的橙色线上上清洗，作为安全程序。图1显示了手动清洗的火车的例子。上述工作条件支持了机器人和自治系统(RAS)在这一特定任务上的应用研究。本文提出了一种自动清洁机械手的控制和路径规划方法。尽管这是人类很容易完成的任务，但很少有工作能解决使用机器人来清理三维(3D)表面的挑战。Hess等3指出，当时他们找不到任何可以清洁任意3D表面的机械手机器人。Hess等3提出了一种利用冗余机械手来覆盖三维表面的算法，利用了从点云获得的显式表面模型。使用Kinect的传感器。然而，考虑到Kinect传感器在室外环境下的红外辐射下表现不佳，该传感器不适合用于列车清洗。此外，保证末端执行器与列车表面之间的恒定压力需要精确的测量，而将更精确的传感器结合在一起来测量系统的全球位置可能会导致更加复杂和昂贵的系统。尽管如此，一个有技巧的人很容易就能完成这项任务(即使是闭上眼睛)，而不是通过保证手的预先cise位置，而是通过使用触觉信息来调整在正确方向上应用的力。清洁机械手必须能够在不损坏火车表面的情况下进行清扫，同时施加足够的压力以保证清洗工具与列车表面之间的接触。因此，研究和应用力控制技术的重要性。在工程4-6中，一个移动的manip- ulator在飞机罩顶抛光的操作中成功使用了同时使用的力和位置控制和Khatib提出的操作空间配方7,8。飞机抛光机械手不使用任何表面抛光的显式模型， 但是末端执行器只是沿着表面的一条线移动。对于清洗列车车厢前端的过程，我们提出了一个类似的控制方法，用于抛光机械手，但它包含了工作空间区域和位置的全局信息，以保证所有的表面都被覆盖。 值的偏差测量力等清洁力,设置点,轨迹误差,覆盖面积的潜在xqset标准来验证该方法在未来的结果。2.操作空间力和运动控制一般采用刚性连接的机器人机械手的动力学模型为8 q是n个关节坐标的矢量，q和q是q的第一个和第二次导数，对应于关节速度和加速度。矩阵Mq(q)是惯性矩阵和矩阵Cq(q q)是由于科里奥利和离心运动的影响。gq(q)这一术语是由于重力作用于机械手连杆上的，而是作用于关节上n个广义力的矢量(在旋转关节的情况的扭矩)等效动态模型：其中向量x是机械手的末端执行器加速度，而矢量fx是机械手移动所产生的力。向量x和外汇有6个组件。前3个分别对应于3个线性加速度和力，最后3个分别对应于角加速度和力矩。矩阵Mx、Cx和向量gx类似于公式1中所使用的矩阵，并且可以用配置空间动态模型中的矩阵来表示，如下所示： 矩阵J是机械手的雅可比矩阵。广义联合部队生产总力应用于末端执行器的英国金融时报可以计算使用雅可比矩阵的转置矩阵Khatib8提出了一种在操作空间中同时运动和力控制机器人机械手的方法，其中末端执行器加速度x em2贡献。向量x、x和f分别是由期望的运动和力响应引起的加速度。Ma- trices和分别定义了运动方向和力控制。因此，对于每个末端执行器方向，只有ei-其他位置或力可以被控制，而不是同时控制。在一个受约束的任务中，末端执行器应用所需的。在表面上的力fd，施加的总力是：计算机械手关节扭矩的同时力和位置控制。图2所示的图说明了操作空间力和运动控制。机械手块对应于真实物理机器人机械手,我们可以直接控制关节力矩和测量关节位置q和速度,最后的力和扭矩应用f -效应。末端执行器的位置是获得使用for -沃德运动学模型- x = G(q)和末端执行器veloc计算,使用机械手的雅可比矩阵。末端执行器的位置x和力f被控制为2个PID(比例积分微分)控制器，以达到各自的期望值xd和fd。PID控制器的控制信号产生决定了关节力矩计算使用逆动力学7表达。矩阵选择位置控制方向。3.方法3.1局部路径规划局部路径规划是指控制方法允许一个人同时控制交互力，即机械手末端执行器和环境和末端执行器位置图3给出了末端执行器的主要部件和各自的坐标系统的二维视图。由正交单位向量的集合(0 x,0 y,0 z - for short，坐标系0)定义的Carte- sian坐标系，是ref-erence坐标系。当没有明确表述的时候，如前一节和图2中，末端执行器的位置，速度，加速度，和力都是相对于参考系表示的，即。但是，在这一节中，所有的向量都表示它的坐标系统，以便更清楚地处理必要的向量变换。坐标系统N将被视为标准末端执行器坐标系。因此,远期kinemat - ics将返回一个向量x = 0 x的3第一坐标原点的坐标系N相对于坐标系0,和过去的三坐标的欧拉角描述坐标系N方向相对于协调系统0。同样，微分正运动学所返回的末端执行器速度由坐标系N原点的线速度和角速度组成。图2中所示的期望数量也指的是坐标系N的原点。然而，原力是相对于坐标系f来测量的，因此力传感器提供的广义力矢量必须变换如下：将一个向量在一个斜对称的ma- trix中变换为一个向量的操作。即使广义的力是相对的。在坐标系F中，考虑坐标系S可以更好地理解我们想要在清洁操作中扫面时的力。图4所示的力图说明了末端执行器运动产生的力。在末端执行器与表面接触的运动中，预期的力和力矩是:我们希望控制的法力Fd，在路径上大致保持不变;摩擦力Fa，它不是去控制的，取决于正常的力，末端执行器的速度，以及接触表面的特性;扭矩是由于表面的变化引起的。