【《某清洁机器人的整体方案设计案例》3400字】

某清洁机器人的整体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u167751.1清洁机器人整体结构与材料选择 156071.2行走机构 1144121.3清洁模块 6294371.4避障模块及传感器的选用 61.1清洁机器人整体结构与材料选择清洁机器人的形状计划采用扁平圆柱形。这种设计方法将帮助清洁机械人进人工清洁无法覆盖的区域，比如床底空隙，茶几下面，甚至是有些高底沙发下面。由于这种圆柱形外轮在行驶过程中稳定性高，转向快，减少了二次手动挡洗。在机器人边缘外设计了一个弹性橡胶圈，以保护机器人工作时的环境。通过这层弹性橡胶的保护，能在发生撞击时起到有效的缓冲。对于机器人来说，常见的行走机构无非就是轮式、履带式和腿足式。而最常见的就是轮式行走机构，因为轮式机构不像其他机构那么复杂，非常简单就可以对其进行控制，可以进行异常灵敏反应，在一定程度上来说，履带式和腿足式的速度和速度控制远不如轮式的行走机构，也没有其他行走机构那样的复杂结构。轮毂采取高强度塑胶制作，多重轻，能知足上班需要。用在轮毂的最外层，以达到既节省材料、降低重量，又提高强度，增强许用应力，承载稍大的压力的作用。1.2行走机构车轮支承机构确定了清洁机器人的高度和离地面的高度，同时承重和行走的工作也需要车轮支撑机构，所以需要尽可能灵活自如的结构，并且需要很小的驱动电机、行走轮、减速结构，所以轮式结构和齿轮减速机构是我们最好的选择，轮式机构能对圆形空间进行尽可能的利用，也有更加快速便捷的转向；而对于齿轮减速机构，一定程度上来说，这种机构拥有很高的工作效率，不容易损坏，可以使用很长时间，齿轮的齿传动拥有比较准确的传动比，工作起来非常靠谱，整体结构小巧紧凑，整个装置也不会过大过于笨重，非常符合本次设计的设计要求。有两种轮式机构的驱动方式可以选择。第一种是差动驱动方式，控制方向和运动速度同时由驱动轮控制；第二种是导向驱动方式，对于这种方式来说，这是一种分工非常明确的驱动方式，行走方向由导向轮轮进行控制，运动速度由驱动轮进行控制。分为独轮、双轮、三轮、四轮和多轮几种。生活中的独轮平衡车就是独轮，比独轮平衡车更加稳定的就是双轮平衡车，并且与之相似，相比独轮来说双轮平衡车可以自由转向。平时生活中最常见的就是三轮机构和四轮机构，无论在高速运行还是低速运行都很稳定，有着很多的优点。接下来介绍了几种机构的工作方式。1、一个导向轮两个驱动轮，如图1.1所示，这种形式是有一个导向轮和两个驱动轮，这种形式多用于生活中常见的三轮车，导向轮可以放在前面作为前轮，也可以放在后面作为后轮。导向轮的运动方向通过单独的电机驱动控制，两驱动轮的前进速度与后退速度通过另外的驱动机构控制。行走轮、减速器和电机合为一体构成了完整的导向轮系统；行走轮、电机、减速器和传动轴组成了完整的驱动轮系统。该机构的优点就是有很高的传动效率，有可靠稳定结构，控制起来比较简单，制造成本也不会特别贵；缺点就是运动空间比较大，转弯半径需要大面积空地，在小空间内工作比较笨重。2、一个导向轮两个独立驱动轮，如图1.2所示，该机构在转弯运动中主要改变方向的方式是两个差速驱动轮的速度差来改变整个机器人的行进方向，而且前轮也在不断调整角度来校核确定机器人行进方向，这样由后轮驱动转向的转速误差所造成的运动速度和方向上的误差就会大大减小了。图1.1一个导向轮两个驱动轮图1.2一个导向轮两个独立驱动轮图1.3一个万向轮两个轮差速驱动轮3、一个万向轮两个轮差速驱动轮，如图1.3所示，本次设计的方案就是前面一个万向轮随动，后面两个差速驱动轮机构。此结构主要设计难点在于直线前进时的精度，两个电机的运动特性必须保持一致，这样转速才能保持一致，不会在直线行进时出现两个驱动轮的转速不一样导致改变方向的问题。而这个结构对转动的精度要求就不需要太高，只要能在原地绕着两个驱动轮的中点旋转就可以了，在一定程度上有必要的话还要加入反馈系统调节控制，因为这个结构的精度在实际运用中是比较难以达到的。四轮机的优势就在于它比三轮机更稳定，承载能力更强。下面我会列举三种机构进行介绍对比。1、前轮转向后轮驱动机构（如图1.4）：这是在我们生活中运用最为广泛的一种四轮行走机构，就是如图这种前轮转向后轮驱动的机构。这种机构生活中最常采用的的就是我们乘坐的汽车，正因为这种机构有很多优点，比如有很强的稳定性、很好的控制性，并且表现最突出的地方就是它的加速度和运载能力。图1.4中差速器会在车上用的比较多，差速器的构成主要有左右半轴齿轮，行星齿轮和齿轮架。差速器的作用就是当汽车行驶在不平的路面上或者转弯时，车的两侧车轮需要用不同的速度进行转动，这个时候就要用到差速器来调节汽车两侧车轮的轮速差。显而易见就是差速器并不需要用在小型机器人上。2、四轮独立驱动机构（如图1.5）：四轮独立驱动机构拥有最好的性能，有非常强劲的驱动能留，而且转向非常灵敏，可以以机身任何位置为旋转中心进行任何要求的旋转。如图1.5这种机构也会使用在汽车上，但缺点也很明显，作为高速运动机器，四轮独立驱动机构有着很高的制作难度，并且故障率非常高，所以这种机构在汽车中没有很广泛的运用；而不一样的是，这种机构大多运用在小型机器人上，因为在小型机器人身上比较容易实现这种机构，只要用上差速驱动电机就可以了。在实现任意转向上也可以使用麦克纳姆轮（见图1.6），只需要调节电机转速就好。图1.4前轮转向后轮驱动机构图1.5四轮独立驱动机构图1.6麦克纳姆伦图1.7前轮随后轮独立差速驱动机构3、前轮随动后轮独立差速驱动（如图1.7），这个机构与前面所示的三轮结构原理（如图1.3）是一样的，而四轮的会有更加稳定的支撑，有更强的承重能力。我们生活中可见的叉车在一定程度上就和这个机构原理相同，转向都是由后轮来控制。在转向角度上来说，单位距离内比前轮转向（如图1.4）的角度更大，倒车就用到了这种机构。经过对以上几种结构的分析和对比，以家庭清洁机器人的功能要求以及使用要求为出发点，一个万向轮和两个独立的差速驱动电机轮组显然是最适合本论文的，如图1.8所示，前面为一个万向脚轮，后面是两个独立的差速驱动电机轮组。这样可以使设计的更多的功能部件装配在其较小的机身结构里。本家庭清洁机器人由驱动电机轮组决定旋转与转向，两后轮分别独立驱动，以速度差改变机器人行走的方向。接下来介绍一下本家庭清洁机器人的不同行进方式：图1.8车轮分布示意图第一种，两个驱动后轮同向向前运动；第二种，两个驱动后轮同向向后运动；第三种，枢轴旋转，如图1.9所示，机器人的两个后驱动轮一个停止运动，速度为零，一个轮子进行驱动，以速度为0的轮子为旋转中心进行旋转，此时轴距的瞬心处于包含两轮旋转中心的无穷远的位置，这就是枢轴旋转。执行这种运动一般是在扫完当前路径转向进入下一路径时；第四种，自由旋转，如图1.10所示，机器人在原地掉头，不改变位置只改变方向就是自由旋转，两驱动轮向相反的方向旋转，两个轮的中心位置就是旋转中心。因为清洁机器人的结构特殊，机身圆心接近两个轮的中点，所以转向时就像机器人原地掉头，位置不回发生太大变动，所以可以原地转向在机器人即将碰到障碍物或遇到特殊情况的时候。图1.9枢纽旋转图1.10自由旋转1.3清洁模块清洁机器人的第二个核心模块就是清洁模块，家庭清洁机器人之所以被叫做清洁机器人就是要求它具有非常高效的清洁能力，每个墙角和角落在机器人经过后都要变得干净整洁。该机器人主要针对地面上肉眼可见的各种生活垃圾，比如果皮，头发，用过的纸巾等，肉眼不可见的细小灰尘也是该机器人清洁的目标。本设计中拟分设拖地分模块和扫地分模块。其中，拖地模块拟设置水箱、抹布还有底板等部件，借助蠕动泵，保证机器能均匀出水,将拖地材料润湿后开始拖地。扫地分模块拟设置抽风机，过滤网，垃圾存储箱，以及滚刷组成。抽风机借助低压环境将垃圾吸入其中。在机械人的底部布局中，要充分考虑行走机构和清洁机构的分布，保证他们相互匹配，互不干扰。在布局上，清洁机构和行走机构对称分布在底部两侧，前方一个有万向轮支撑前进。清洁机构设置在机器人底部后面的两边。1.4避障模块及传感器的选用室内清洁机器人，具有自己的判