全国机械设计大赛楼梯清洁卫士设计说明书

1、第七届“超越杯”产品创新设计大赛楼梯清洁卫士前言大学牛是建设中国特色社会主义的中坚力量。正确培养大学生的综合能力和 创新意识是实现中华名族复兴的关键。超越杯的目的就在于引导人学生不断进行 自我思考和自我超越，提高自己的创新能力和多方而的思考模式。每一届全国机械创新设计大赛都是大学生展示自我创新的平台，是大学生对 自身能力的一次测试。许许多多的前辈带着他们的奇思妙想，踏上了全国机械创 新设计大赛的比赛场地。他们有的凯旋而归，有的黯然退场，但无论如何，他们 都努力过、奋斗过。如今，出于对科学的热爱，我们怀着一颗创新的心，追逐着前辈们的足迹， 设计了楼梯清洁卫士，并附上说明书，敬请大家参考。如有错误

2、，请老师及其他 同学斧正。如语言未能表达清楚，请大家见谅。目录前言一设计背景及意义31、设计背景32、设计意义3二工作原理及总体设计41 、上下楼部分41、1工作原理61、2结构设计2 、平地行走42、1工作原理62、2结构设计3 、楼梯清洗部分53、1工作原理63、2结构设计4 、刷子清洗部分55 、水循环模块6、驱动方式设计107、控制部分设计12三设计计算16四作品创意16五方案的改进及扩展16六致谢17七参考书目17附件17一、设计背景及意义1、设计背景楼梯是我们日常生活中必不可少的设备。无论是城市里的摩天大厦，还是农 村里一两层的平房，楼梯都是必要的设施。可以这么说，有人类活动的地方

3、，就 会有楼梯存在。然而，楼梯在给我们带来方便的同时，也给我们造成了新的麻烦。 楼梯上无时无刻不存在的垃圾、灰尘，严重的影响了我们的生活环境，甚至还有传播疾病的隐患。因此，打扫楼梯成为了我们日常生活的一部分。然而，在讲究 效率与质量的当今社会，以人来完成这个工作，不仅浪费时间，更加浪费劳动力。 社会对新的劳动力或者说新的工作方式的需要日益迫切。在这个背景下，我们团 队设计岀楼梯清洁卫士，彻底取代人力，更加有效的完成对楼梯的清洁工作。目前社会上的相关楼梯清洁机器主要存在两种缺陷。一种是装置的上下搂过 程不稳定；另一种是机器的设计注重于上下楼梯的过程，而忽视了机器对楼梯的 清扫效果。纵观己有的上下

4、楼装置，最常见的是履带式和轮式。履带式上下楼梯时，接 触面积广，运动稳定。然而，履带占用工作空间面积大，不利于楼梯清扫。另外, 履带式适合连续上下楼梯，楼梯清扫工作时间受限制。而轮式装置克服了履带式 装置的缺点，其控制简单，转向灵活。但是，它对地形的适应和越障能力却远远 不如履带式。综合研究两者的优缺点，我们设计出轮子与爬杆相结合的翻滚上下 楼系统，不仅解决了装置在楼梯和平地的两种不同运动方式的相结合，更具有很 好的适应性。目前大多数同类机器对楼梯的清洗仅仅只是一个干擦的过程，而没有考虑到 清洗工具的换洗，这大大降低了装置对楼梯的清洗效果。针对这个现象，我们团 队为楼梯清洁卫士配套了刷子的清洗

5、功能和废水处理功能，大大增加了装置对楼 梯的清洗质量。2、设计意义楼梯清洁卫士能在日常的清洗楼梯工作中为家庭及社会节约大量的人力资 源，对楼梯进行自动清洗。该产品不仅操作简便，而且加工简便、成本和对较低。 能完全解决大部分楼梯的清洗工作。二、工作原理及总体设计1、上下楼部分：1 工作原理如图为装置上下楼机构运动 简图。其工作过程分两步进行。图-一图二如图一，1指爬杆，2指装置 主体，两者与连杆3通过转动副连 接。3通过2中的主电机驱动。刚 开始时，主电机工作，方向如图所 示。此时，1被阻挡，装置将以1 为圆心，通过3将2翻转至第三阶台阶，如图二。延迟一段时间，完成当前台阶面的清洗，之后主电机继

6、续工作， 装置以2为圆心，通过3将1翻转到第四阶台阶。此时装置整体位置相对于图一 上升了一个台阶。1、2总体设计设计能恰好贴合楼梯两个台阶面。考虑到上楼过程中，装置的整体重量由爬杆支 扌掌，我们对爬杆的危险位置进行应力强化，如两个拐角处和孔。爬杆是上下楼功 能中的核心机构。如图，1为爬杆，2为连杆，3、4为完全相同的两个链轮，5为齿轮，6、7 分别为主动轴和从动轴。主电 机与主动轴形成齿轮传动，主 动轴通过链条链轮传动对从 动轴实现同步运动，从而使两 个连杆运动一致，保证爬杆运 动过程中底部始终平行于地 面。轴设计成阶梯状，且端部 进行倒角以便于安装。轴上铳 键槽，通过平键与链轮、齿轮 连接。

7、爬杆底部焊有圆盘，目 的是增大接触面积，提高上楼 的安全性和稳定性。两个圆盘 的竖直距离相差150mm,这是 因为考虑到目前大部分楼梯 高度是150mm左右，这样的主电机定位：由图可看岀，爬杆与装置的连接点相对比较靠前，考虑到主电 机的重量，若主电机安装在主动轴与后轮中间的位置，装置整体的重心将靠后， 这可能导致在爬楼过程中因重心过后而无法爬上去。因此，主电机必须安装在主 动轴与前轮之间的位置，使重心前移，减轻主电机压力，提高上楼稳定性。2、平地行走2、1工作原理实际情况下，在图二状态时，由于 连杆长度限制，2所处的位置可能不能刚p4p5iz±30图三好在下一次翻转时将1送上上一阶台

8、阶。所以在图二状态时，必须通过2上的平 地行走部分调整第二次翻转的起点。平地行走部分原理如图三。1为后轮，2为后轮轴，3为副电机，4、5分别为前轮和前轮轴。肓线运动 吋，两个副电机同吋同向转动，装置整体前进或后退；左转吋，只有右副电机工 作；右转时，只有左副电机工作。2. 2总体设计前轮的设计相当于其他的结构比较简单，这是由它的功能决定的。工作状态 下，前轮主要起支撑作用，以及在上楼状态二中通过贴紧楼梯竖直面来i古i定住装 置主体。后轮采用独立驱动的方式，两个后轮分别由两个电机通过短轴驱动。独立驱 动方式很好的解决了装置曲线运动的问题。前轮系与后轮系共同组成装置的驱动系统。本装置为二轮驱动，后

9、轮为主动 轮系，前轮主要起支撑作用。本装置的驱动系统能够实现三种工作状态：1) 、育线运动：主要出现在自检模块工作时的路线调整中，此时后轮的两个电机 同吋同向运转，带动整体直线前进或直线后退。2) 、曲线运动：主要是装置在楼梯平台处的转弯，此时后轮系的两个电机只有一 个工作或者两者逆向运转。右转时，左副电机工作，右副电机不工作或者逆向工 作；左转时，右副电机工作，左副电机不工作或者逆向工作。3) 、纯翻转运动：主要是上楼过程中的运动。此时主电机工作，副电机不工作。3、楼梯清洗部分3、1工作原理清洗机构简图如图四所示。齿轮 1(2)、连杆3、5 (4、6)和移动副7 (8)形成四杆机构。1(2)

10、与3 (4) 固结。齿轮1、2 z间形成外啮合齿 轮副。齿轮1与主机相连，通过齿轮 副带动两个四杆机构同步运动。由图 可知，当电机逆时针工作时，7、8 向两边运动；电机顺吋针工作吋，7、 8向屮间运动。783. 2总体设计如图所示，1、2为两个相同的齿轮，3为二级基本杆组，4为三层的滑道， 5为海绵刷子。二级基本杆组与齿轮和刷子相固结，形成一个四连杆机构。两个 齿轮间形成齿轮副，实现左右两边刷子的同步运动。滑道在这里主要有两个作用， 一是改变装置的工作范围，使装置具有更高的适应性；二是减少刷子运动时的摩擦力。电机工作，齿轮转动，通过基本杆组向相反方向拉动滑道，刷子也随之运动, 刷洗台阶。当刷子

11、移动到墙角时，安装在滑道边缘的限位开关触碰到墙壁并开始 工作，控制电机反向，因而刷子相向移动，回到初始状态，完成对楼梯台阶的清 洗。4、刷子清洗部分上述刷子清洗机构底部安装有一个丝杠机构，通过电机带动，装置可以前后 直线运动。清洗槽底部加工成齿条形状，与齿轮配合形成齿轮齿条传动。工作时, 齿轮电机与丝杠电机同时启动，带动两者相向运动，刷子进入清洗槽。刷子内部设计成比入口处窄，通过这种特殊设计完成刷子的清洗和脱水。如图所示，1为水槽，2为滑轨，3、4分别为齿轮齿条，5为轴。齿条固结 在水槽下方，与齿轮形成齿轮副，通过电机驱动，实现水槽前后运动。滑轨的冃 的主要是为了减小水槽运动时的摩擦力。水槽内

12、部设计有儿个突起，使得内部空 间比入口处窄。海绵刷子进入水槽后，通过突起时由于空间不足而受到挤压，实 现排污水的目的。5、水循环模块简图如图所示。污水从清洗槽底部的 小孔通过管道进入过滤层，在过滤层被吸 附掉大量污垢后，重新回到水箱。而水箱 的水通过水泵施压，经过管道到达清洗槽 侧壁，在岀口处形成高压水柱，冲击海绵 刷子，达到除垢的目的。而污水重新进入 过滤层，循环不息，实现了水的重复利用, 体现了绿色节约的环保理念。6、驱动方式设计6、1驱动方式的选择：楼梯清洗其实工作目标：a、上楼时工作稳定b、刷子连杆驱动无晃动c、上楼前后连杆轴传递扭矩大，且同步。d、清洗刷子时传动精确以下是各种方式的优

13、缺点对比。传动方式优点缺点齿轮传动能保证瞬吋传动比恒定， 平稳性高，传递运动准确 可靠。传递的功率和速度 范围较大。结构紧凑，工 作可靠，可实现较大的传 动比。传动效率高，使用 寿命长。安装和维护要求较高齿轮齿条传动承载大；移动速度中等； 价格便宜；容易制造定位精度不高；磨损需耍 补偿；安装有要求，预留 间隙丝杆传动承载小；移动速度快；安 装结构大；定位精度高磨损需要调整；价格高链条链轮传动可以在两轴中心距较远 的情况下传递运动和动 力。能在低速，重载和高 温条件下及尘土大的情 况下工作。能够保证准确 的传动比，传递功率较 大，并且作用在轴上的力 较小。传动效率高。链条的钱链磨损后，使节 距变

14、大造成脱节。安装和 维护要求较高。综合上述分析，各部分采用传动方式如下： 上楼部分：电机齿轮驱动、链条链轮传动台阶清洗部分：齿轮传动、丝杆传动 刷子清洗部分：齿轮齿条传动6、2、电机选择机器人的设定参数： 重量g = 35 kg平地前进速度vi二0.2 m/s上楼机器移动速冻 主电机转速很微小n二lorpmv2二0. 2 m/sv3二0. 24 m/s刷子进入水槽速度 刷子左右刷地速度 上楼连杆受力分析：上楼机构简化图1如图所示：可将机器由上图转化步骤转化为简单的四连杆机构，从而进行受力分析 由设计尺寸得：g = 350nna= arctanll£21501=arc tan= arc

15、 tan 3002l3 = 150mmzb=za又 fl cos a=f2cosbfl sin a + f2 sin b=gf1=f2=-2sin a/. m =0.1f2xsin（一 a 3）=31.32 m主电机功率计算： 查资料得电机效率：77 = 0.9n-10xnin电机转速t = m *r/ = 34.87v m了 *. p = 36.5w9.55上楼电机参数确定：电压dc12v扭矩40 n*m功率 50w屯流3.5a转速 10rpm其它几个电机受力较小，计算略，：参数如下:轮子电机：电压dc12v 扭矩5 n*m功率12 w转速60 rpm水槽电机：电压dc12v 扭矩1.5 n

16、*in功率8 w转速60rpm丝杆电机：电压dc12v 扭矩2 n*m功率15 w转速500rpm刷子连杆电机：电压dc 12v 扭矩 1、8 n*m功率15 w 转速 6 rpm7、控制部分设计从总体而言，系统可分为驱动系统、清洗系统和自检系统三大系统。系统框 图如下：控制芯片及电路图如下:vcct(rtopf a£mhz打。f 丁vdd 1£v30prpl7805cvl298l 2 99丄zzo.luf三、设计计算u!作品创意经过反复的讨论与改进，我们的楼梯清洁卫士实现方式巧妙，工作性能好, 性价比高，它具有以下创新点：1、本装置是一台完美结合上下楼梯功能与楼梯清洗功能

17、的自动化机器，同时， 其适合于各种款式楼梯的普遍性也是同类产品所不具备的。2、木装置的自检模块可以根据楼梯情况的不同，自动修改运动路线和清洗范围, 保证了装置的普遍性。3、本装置的清洗功能包括对楼梯台阶和海绵刷子的清洗，保证了楼梯的清洁性。 同时，本装置上还设计了垃圾收集箱，更加有效的处理各种大型垃圾，如石头、 纸屑、果皮等。这都是同类型产品没有的功能。4、木装置设计有水循环系统，实现对水的循环利用，体现了绿色、节约的环保 理念。5、本装置通过对一些零件造型的独特设计，来简化其要实现的复杂功能。比如, 通过清洗槽内部的不规则设计，实现对海绵刷子的清洗和脱水。6、木装置采用了全新的上楼方式，利用

18、爬杆连杆结构实现轮流翻转式上楼，简 单可靠。五方案的改进及扩展1、装置在上下楼时，机身与地面不断碰撞，可在装置中安装避震器来增强上楼 的平稳性和安全性。2、爬杆底部与圆盘的焊接可改为球面副连接，这样对于其他高度的楼梯也能很 好贴合。3、由于经济限制，购买的主电机的转速和扭矩都不能完美适应装置。事实上， 可通过定制电机来更好实现其驱动。4、由于经济限制，购买的材料品质都比较低，而且质量重。事实上，可以使用 些质量更轻、强度更高的材料，使装置更加结实轻巧。六致谢经过几个月的紧张工作，我们完成了楼梯清洁卫士的设计和制作，巩固了所 学到的知识，这无疑对我今后的工作、学习都是大有帮助的。在此，我首先要感

19、 谢西南交通大学机械工程学院为我们提供这次机会，同时，感谢给于我们耐心指 导和提供给我们试验设施的各位老师，在设计的过程中，我们还得到了同学、朋 友的帮助，在此一并表示诚挚的谢意！七参考书目：1 机械原理谢进万朝燕杜立杰编高等教育出版社2 机械设计邱宣怀等编高等教育岀版社3 机械制造技术基础张福润等编华屮科技大学出版社4 互换性及测量技术基础刘品等编 哈尔滨工业大学出版社5 简明机械设计手册王之煦等编 机械工业出版社6 机械工程制图autocad 3d实体造型实例教程梁萍等编西南交通大学 岀版社7 电路基础李益明主编 西南交通大学出版社8 机械工程材料及选用何庆复主编中国铁道出版社附件控制部分

20、程序；#include<reg52.h>#include <intrins.h>#define uint unsigned int#define ushort unsigned shortsbit psw=p2a6;sbit in1=poao;sbit in2=p0al;sbit in3=p0a2;sbit in4=p0a3;sbit in5=p0a4;sbit in6=p0a5;sbit in7=p0a6;sbit in8=p0a7;sbit in9=p2a0;sbit in10=p2al;sbit in11=p2a2;sbit in12=p2a3;sbit in13=p2a4;sbit in14=p2a5;sbit x1=p3a2;sbit x2=p3a3;void delay(uint ms)int i=0; for(;ms>0;ms-)for(i=0;i<70;i+)；void main ()int n=4,i=l；while(l)/ cle();psvv=l;in11=1;in12=o;delay(5000);inll=0;in12=0;delay(looo);in11=o;in12=1;delay(5000);inll=0