机械毕业设计935家用清扫机器人的结构设计设计说明书.doc
机械毕业设计935家用清扫机器人的结构设计设计说明书
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毕业设计说明书 题 目： 家用清扫机器人的结构设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2014 年 5 月 20 日 nts 目录 摘要 1 第一章 前言 1.1 题目要求 3 1.2 国内外产品研究 状况 4 1.2.1 国外产品研究状况 4 1.2.2 国内产品研究状况 9 1.2.3 自主充电技术 研究 现状 10 1.3研究的目的和意义 11 1.4设计的重点和难点 11 第二章 家庭清洁机器人的关键技术 2.1传感技术 12 2.2路径规划技术 12 2.3吸尘技术 12 2.4电源技术 13 第三章 清洁机器人的机械设计 3.1机械结构组成和工作原理 13 3.1.1 机械结构组成 14 3.1.2 工作原理 16 3.2清洁机器人总体设计 17 3.2.1 机器人外形设计 17 3.2.2 机器人的行走机构设计 18 3.2.3 清扫机构的设计 18 3.2.4 吸尘机构设计 21 nts3.2.5 垃圾收集处理机构设计 22 第四章 具体计算 4.1电机选择 24 4.2 蜗轮蜗杆的选择 25 4.3 清扫机构电机的选择 26 4.4 家用清扫机器人电池的选用 26 4.5 清扫机构中蜗杆上轴承的寿命的计算 27 4.6 清扫机构中涡轮轴的校核 28 第五章 总结和展望 5.1 发展趋势 30 5.1.1 高度智能化 30 5.1.2 功能扩展 30 5.1.3 低成本化 30 5.2展望 30 参考文献 31 致谢 32 附录 33 外文文献 33 中 文翻译 40 nts nts 1 摘要 二十一世纪是清洁环保的时代，中国新兴的清 洗产业必将迅猛发展。当今，各种绿色、环保的清洗技术不断地推出，新型 产品和机械设备不断涌现，清洗产业也几乎渗透到所有的工业 服务 领域，以及社会生活 服务的 各个方面，直至深入到人们的日常衣 食住行中。人类生活水平不断提高的今天，无 论从环境美化、节能增效， 还是从人们精神生活需要的角度，清洁业的全 面进步已经并正在成为市场经济发展不可缺少的推动力，能为社会环保 事业做出不可忽视的贡献。 清 洁机器人又称智能吸尘机器人或自动吸尘器， 它涉及到机械、电子和计算机等相关知识，是将移动机器人技术和清洁技术融 为一体，模 仿人体清洁动作的高新技术产品。它不仅节省了劳动力资源，而且还 解决了人类在复杂恶劣的环境之下不能持续工作的问题。近年来随着科技和社会 的不断进步和发展，已受到国内外的重视，成为服务性机器人一个新的研究方向 ，也成为目前家用电器领域最具挑战性的热门研发课题。 服务机器人已经渗透了我们的生活、工作和经 济 各 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。清扫机器人是当今服 务机器人领域的一个热门研究方向。 本篇 文章提出一种全方位地面清扫机器人，主要面向家庭和办公室等 狭窄空间的清扫工作，主要通过阐述清洁机器 人在服务行业的重要性， 对国内现有家庭清扫机器人机械系统进行详细 分析的基础上，对清扫机器人的清扫功能做了一定改进， 让读者了解将来机器人发展对社会发展的重要性，文章还写了本人对我国机器人 现状的一些调查和理解看法，在机器人发展中存在的一些影响因素，还有对机器 人使用领域的一些展望。 关键词 ： 服务机器人，清洁机器人，运动原理， 清洁方式 。 nts 2 ABSTRACT The 21st century is the era of clean and environmental protection, Chinas emerging cleaning industry will be rapid development. Today, all kinds of green, environmentally friendly cleaning technology constantly launch, new products and mechanical equipment, cleaning industry also permeates nearly all industrial sectors, as well as to various aspects of social life, to go deep into the Peoples Daily food and clothing live line. Today, humans living standards continue to improve, both from the landscaping, energy conservation and efficiency, and from the perspective of people spiritual life need, the overall progress of cleaning industry has been and is become indispensable driving force, the market economy development socially significant contributions to environmental causes. Cleaning robot is also called intelligent vacuuming robot or automatic vacuum cleaner, it involves knowledge such as machinery, electronics and computer, mobile robot technology and clean technology integration, the imitation of human body cleaning action of high-tech products. It not only saves labor resources， but also solve the human in the complex cant continue to work under the harsh environment. In recent years, along with the advance of science and technology and society and the development, has brought to the attention of the domestic and foreign, to become a service robot is a new research direction, also become the home appliances is the most challenging in the field of the hot research topic. Service robots have infiltrated our lives, work and the economy, and played a large role. Service robot research and development of our economic development have a lot of influence. Cleaning robot is a hot research direction in the field of service robots. This article puts forward a comprehensive ground cleaning robot, mainly for home and office of narrow space such as cleaning work, mainly through the importance of cleaning robot in the service sector, in the domestic existing home cleaning robot mechanical system, on the basis of detailed analysis of the cleaning robot cleaning function to do a certain improvement, let the reader understand the importance of robots in the future development of the social development, the article also wrote himself on the current status of the robot in our country, based on some investigation and understanding in some influence factors existing in the development of the robot, and to use some prospects in the field of robot. Key words： Service robots, cleaning robot, motion principle, clean way. nts 3 第一章 前言 1.1 题目要 求 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，如清沽、家务、照顾病人等；三是人口的老龄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就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。 自动进行房间地面 清洁的自主吸尘式家庭服务机器人，集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。自主吸尘机器人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 ， 本次设计的题目家庭清扫 机器人就是在这种背景下提出的，其具体设计要求如下： 设计家庭清洁机器人的工作内 容和要求： 运行机构形式： 滚 轮式 最高行进速度： 0.5m s 高度 :0.0468N 所以轴承 1 压紧，轴承 2 放松 所以 Fa1=0.0618N， Fa2=0.0468N Fa1 Fa2，所以只需要校核轴承 1 即可 因为 Fa/Fr=0.0618/0.1405e 选取 X=1， Y=0， fp=1.0 所以 P=FP (XFR+YFA)=1.0*(1*0.1405+0*A)=0.1405 所以 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 =( 10660*n ftCfpP) =1.08*106h 所以符合要求。 4.6 清扫机构中涡轮轴的校核 轴上能使产生弯矩的力有 Fr， Ft Fr=0.081N Ft=0.015N 两个力在相互垂直的两个平面上， L=69mm， D=12mm 如下两个视图 4-3 做弯矩 图如 4-4 所示 nts 31 Mr=0.25FrL=0.25 0.081 69=1.40N.mm Mt=0.25FtL=0.25 0.015 69=0.3N.mm 合成弯矩 M=Mt+Mr=1.43N.mm 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 = 1.43/(0.1 123)=0.01M/mm2 由于前面已经选定轴的材料为 45 钢， 调制处理，查表 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 =60N.mm，故符合强度要求。 第五章 总结 与发展 5.1 发展趋势 虽然我国 自主 清扫 机器人的研究已经取得了很大进步， 市场已经投入销售，进入了实用阶段，但是自主能力、工作效率方面还不 够 理想， 还面临这一些关键技术的提高，比如 传感器技求、定位和环境建模技术、路径规划技术等，再此 基础上，自主吸尘机器人 才 可以向着高度智能化、多功能集成、低成本的方向发展。 5.1.1 高度智能化 需求 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。 5.1.2 功能扩展 自主 清扫 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拓展，比如进行家电控制房间环境检测（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 。 nts 32 5.1.3 低成本化 智能机器人是一个复杂的系统，使用了大量的传感器和一个或者多个高性能的微处理器，因此成本较高但是为了让普通人都可以享受科技进步的成果，降低成本是个必由之路。 5.2 发展 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步 ， 吸尘机器人作为服务机器人领域中的一个新产，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。因此只要生产成本兼顾到日用电器批量大，价格低的特点，吸尘机器人将具有诱人的市场前景，有关资 料也预 测吸尘机器人是未来几年需求量最大的服务机器人。特别是日用清洁电器 不论是在市场上或者是在产品的创新上绝对是所有小家电产品中最活跃的未来仍有相当大的成长空间 ， 尽管目前 国内外在吸尘机器人研究开发当面已取得了一定的成果，但成本过高 、 很 多关键技术问题上亟待解决或提高，主要有以下几个方面： (1)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，因此为了大幅度降低其成本我们必需开发专用运动控制和数字处理芯片以及微型传感器其次，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器 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控制在千元左右。 (2)未来的吸尘机器人将向智能化和自主式发展，因此我们必须结合现有的基于自适应控制、模糊逻辑、遗传算法等的移动机器人运动规划和控制技术，研究开发出对环境变化具有良好的自适应性和鲁棒性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，使吸尘机器人完成与人工操作质量相同的甚至更好的吸尘工作。 (3)为了有效地提高清洁的质量，还需要对现有的吸尘技术进行改进根据环境的 脏洁 程度，采用模糊逻辑等技术设计 合 理的吸尘时间以 及相协调的机器人运动速度确保满意的吸尘效果。 (4)电源技术是吸尘机器人的核心之一，除了有效地提高机器人运动和吸尘速度以延长电池的实际吸尘时间外，还尚需优化自动充电方案，保证机器人能及时进行充电，自动完成对指定环境的吸尘任务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，相信根据现有的软硬件条件，未来机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。 nts 33 参考文献 1 濮良贵、纪名刚主编 . 机械设计 M. 北京：高等教育出版社， 2006 2 岑军健主编 . 新编非标准设备设计手册 M. 北京：国防工业出版社， 1999 3 于骏一 邹青编主编 . 机械制造技术基础 M. 北京：机械工业出版社， 2004 4 机械设计手册编委会 . 机械设计手册 M. 北京：机械工业出版社， 2004 5 周良德 朱泗芳 杨世平主编 . 现代工程图学 M. 长沙：湖南科学技术出版社，2008 6 罗迎社主编 . 材料力学 M. 武汉：武汉理工大学出版社， 2007 7 吴宗泽 宋宝玉主编 . 机械设计课程设计指导书 M. 北京：高等教育出版社，2009 8 杜祥琪编著 . 工业机器人及其应用 M. 北京：机械工业出版社， 1986 9 刘莹机械设计课程设计 .大连 :大连理工大学出版社， 2008 10 赵卫军机械设计基础课程设计 .北京：科学出版社， 2010 11 王秀贵 曹江莲编著 . 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