【《某清洁机器人的行走机构设计案例》6300字】

某清洁机器人的行走机构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u223551.1总体方案介绍 1303941.2运动机构设计 425411.2.1行走轮的尺寸 544961.2.2锥齿轮传动机构设计 61.1总体方案介绍在进行对现有的清洁机器人的综合研究和分析的基础上，基于自动重构的思想，采取作用模块化的设计办法对清洗机械人的构造进行了设计，独立于机器人本体外，连接清洁机器人的总体结构和功能模块可通过插销，方便链接。根据在一定程度上对实际的需求，本论文设计了行走和清洁模块，进行了清洁机器人的总体和部件的结构设计，以及搭建了非常重要的控制系统。本章主要分析了多功能清洁机器人总体的设计方案，行走机构和清洁机构是本论文中的清洁机器人最主要的两大构成部分，分别从结构和控制角度对清洁机器人进行设计。功能部分固定在机器人内部的平台上，这样结构简单，便于设计，本论文所设计的清洁机器人。图1.1.1(a)是从上方看移动平台，1.1.1(b)是从下方看移动平台。作用部分从机器人的中心分离出，设计成一个功能模块。这样，一个清洁机械人就能连多个功能模块，实现多种清扫功能（如清扫，清扫等）。这种设计办法使清洁机械人可以连多个功能模块。（a）平台整体俯视图（b）平台整体仰视图图1.1.1清洁机器人结构图清洁式机器人整个产品总体系统结构设计中通常需要分别考虑的三个因素:底盘的占用面积、高度、外形。由于这种类似圆形整体结构的清理物体外型是一种不易被狭窄的室内空间所造成阻挡和杂物困住的一定程度上具有机械化清理能力的，这种整体结构和圆形的美观外型几乎霸占了现有的所有清洁清理机器人，所以现在市场上售卖的所有型号，所有功能的清洁机器人全部为各种圆形外壳。根据目前研究中的论文设计需要，本文为研究中所需要设计的清洁功能机器人各个移动功能平台的主要设计框架结构，如设计图1.1.2，各个移动功能平台上是安装清洁功能机器人的移动电源的合理位置，电源经一个额定通电电压接口给各个移动功能模块设备提供额定电压。但是当一个控制功能模块连接一个移动控制平台时，直流电的电源切换和控制通电中断被移动控制平台上的一个主控制板直接控制了。同时在其通电控制接口还同时可以自动实现对管理数据的实时传送,从而可以实现清洁管理机器人对各个清洁功能模块之间进行实时自动化管理控制。图1.1.2清洁机器人的驱动部分总体结构扫地工作技术里就存在着”扫”和”吸”这两个重要的点。扫的部分，需要把地面上所有可以看到的垃圾进行清扫，比如果皮，头发，纸巾等生活垃圾。达到清扫这一目的就要经过清洗机器人上的扫地刷，但是如果想要把这些垃圾全部清理干净，就应该要扫地刷电机达到更高的旋转速度。吸的部分，设计的目的主要是针对清洁时容易扬起的小型清洁垃圾，比如白色粉尘和碎纸屑等。为实现吸尘目的，我们必须进行以下措施，将以吸尘电机为主的一系列配套仪器安装在机器的底部，从而使得机器人能在一定程度上完成吸尘工作，达到我们所需要的工作效果。本研究论文主要设计的扫地机器人自动扫地系统功能模块系统应当严格遵循以上论文设计的基本功能原则,清扫功能系统的主要部件包括侧刷，侧刷和发电机，扫地机侧刷，扫地机侧刷和发电机，除尘箱，油烟机和电动机。如下图1.1.3（a）所示，是顶视图扫掠效果，主要显示在顶视图扫掠效果功能模块中。其中，安装在驱动机器人两边的侧轮和刷子的运动转向能是：左侧的刷子逆时针方向向左旋转，右边的刷子逆时针方向向右旋转。因此这种设计的主要应用意义应该有：第一点，设置一个垃圾处理机器，将其置放于我们所设计的机器人的靠前区域，这样会让其的工作更容易、更便捷；第二点，大部分建筑物的隐蔽区域和角落里很不方便打扫与清洁，为了达到这一效果，我们将吸尘电机的前方安装刷子用来帮助清扫高层建筑物的窗边墙角等不便打扫的位置的杂尘与废弃物。为了将因清扫过程中飞起的灰尘一起清洁，防止其进行二次污染，我们在设计中增添了一种更方便清洁空中飞尘的驱动电机，使得在清扫过程中将飞尘一并吸入并存储在一个新型垃圾储存箱中，该种驱动电机在启动的状态下需要持续产生强力的吸尘功效，为此，在设计中，我们在以往电机的基础上增大了运动时的动能，因此加强了电机运转过程中的旋转速度，这一设计虽然增强了吸力，但是却具有着严重的缺陷，即在运行过程中会对用户的生活环境产生一定影响，这一影响的主要原因就是运转过程声音过大，为了改善这一缺陷，我们需对壳体进行隔音处理，增强其隔音能力，在多种隔音方式的对比中，我们选择了增加密封性并对其密封性在出厂时进行检测，保证产品达到降噪效果。如下图1.1.3(b)，是俯视图扫掠效果，当这个模块在运行过程中，刷子电机会带动两侧的边刷进行高速的旋转，当清扫车刷子与垃圾刷子接触时，垃圾搅拌机很可能会直接将其送入除尘箱。（a）俯视图（b）底视图图1.1.3扫地模块机构总图1.2运动机构设计在清洁机器人的总体设计过程中，需要特别考虑清洁机器人机构的构造和性能。对于复杂的地面环境来说，脚踏式运动机构有非常大的优势，而在户外作业时，履带式运动机构又有着不可忽略的优势。但是对于家庭清洁机器人来说，脚踏式运动机构和履带式运动机构的结构设计太过复杂，工作过程中也比较难控制其运动，而家庭清洁机器人大多数情况只会在平坦的地面上行走工作，所以一般不会用到这么复杂且难控制的运动机构。轮式运动机构的地面适应性相对较弱，比较适合家里平坦光滑的地面，轮式运动机构设计起来也相对容易，没有另外两种运动机构那么复杂的设计环节，而且运动过程中控制起来也比较简单，所以在有些大厦里经常会看到轮式运动机构的影子，比如说现在饭店里的智能上菜机器人和商场里的导购机器人。而轮式运动机构也可以安装不同数量的轮子来改变其承载能力，安装的数量越多，其承载能力越好，而数量越少，其灵敏度也越高。整体来说稳定性最好的就是三个轮子的三轮机器人，生活中也有很广泛的应用，而且三个轮子的结构也比较好设计，其运动过程控制起来也相对比较容易，所以本次设计的家庭清洁机器人同样采用三个轮字的轮式运动机构。左右轮为主动轮，前轮为从动万向脚轮，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，同时安装差速驱动结构，使其旋转和转弯更加精确。家庭清洁机器人的目标是清洁一切可以清洁的东西。床下，沙发等低矮的环境往往是干净的盲点。另外，家里的地板也不总是平整的，经常会有电线，地毯等不同高度的物体。所以，我们需要合理的计算机器人轮子的尺寸大小，首先要确保其可以进入床底等低矮环境下的垃圾与灰尘，其次要让其可以翻越电线和地毯等不是特别高的物体。1.2.1行走轮的尺寸根据设计中家庭清洁机器人工作环境的空间尺寸，结合使用过程中会出现的状况的猜想，本机器人外部壳体高度尺寸应大于100毫米并且小于120毫米，最终取中间值为110毫米，底部平台的直径取180毫米，地盘离地高度10毫米。两个驱动轮安装在底盘的轴上，距离为360毫米。从动轮安装在底盘上的位置在两个驱动轮位置连线处中点的垂直距离为160毫米。对于驱动轮的尺寸，需要合适的大小去支撑整个机器人的行进和工作，所以驱动轮的直径要小于壳体的高度。并且扫地机器人设计时需要符合清洁面积需求。清洁机械人有时需要越过高度小于10毫米的障碍物，如电线和地毯，于是对这个问题采用公式计算来进行分析。清洁机器人在处于驱动轮要翻越障碍物的瞬时状态时为图1.2.1轮子翻阅高度示意图所示。因清洁机器人相对较小，故忽略了打滑和空气阻力的因素，同时地面没有支撑力。图1.2.1轮子翻越高度示意图FN——FS——T――驱动力扭矩m――清洁机器人的质量g――万有引力常数r 行走轮的半径h——台阶的高度由静力学公式∑F其中，将相关参数带入式2.1中，可得出如下公式，FFN=由公式2.2可知，如果障碍物的高度h的数据与轮子的半径r的数据越接近，则支撑力FN就越大，如果轮子的半径r数据与障碍物的高度h的数据相等，则FN将趋于无穷大，此时家用清洁机器人的行走轮会出现无法越过障碍物的情况。因此轮子的半径r要高于障碍物的高度才可避免上述情况。通常情况下家用清洁机器人最容易与电线、地毯等障碍物相碰，这些障碍物的高度都都在10mm以下,结合清洁机器人需要越过高度小于10mm的障碍物（如上述的电线或地毯等）以及齿轮直径和滚动刷的结构等因素，认为驱动轮的直径设计为65mm，万向轮的直径为因清洁机器人要越过高度为10mm左右的障碍物，则其万向轮及部分机身底部需要距离地面10mm左右。此外，因驱动轮的轮毂材料以塑料为主，故其可以与由压花的不锈钢轮轴进行直接注塑成型，轮轴直径4.4mm，轮子宽20mm，其尺寸如图1.2.2所示。图1.2.2驱动行走轮尺寸图1.2.2锥齿轮传动机构设计由于用于小型机器人的电动机带有减速器，因此减速器不是独立设计的，并且轴与行进方向平行以将其他零件固定在机器内部，因此需要锥齿轮驱动机构。通常的机械传动的结构里，锥齿轮的两个轴之间的交角为90°，如图1.2.3所示，这样就能够实现产生90°的变位传动。图1.2.3锥齿轮实物图以下是对锥齿轮传动的机构进行设计和校核。热处理方法和齿轮材料的选择：使用密封的齿轮（齿轮箱），以避免长时间的工作以及灰尘和其他杂物的进入。由于该齿轮机构是精密结构，因此用于选择硬齿面齿轮（齿面硬度大于350HBW）。用调质处理过的40Cr为材料。主要设计参数如下：根据实验要求，为使行走轮达到正常的工作效果，其直径的选择为D=60mm；为达到清洁目的，整机行驶速度应小于0.5m/s，选取中间值0.3m/s，根据v=ωD/2和ω=2πn两式进行计算，求得行走轮的旋转速度约为n2=96rmp；本设计通过直齿锥齿轮传动，根据相关知识得知齿数比u=z2z1=n1n2，按根据相关要求可得知试验所用胎面与地面之间的摩擦系数U=0.1；在不影响仪器正常运作的情况下，其整机质量应小于3kg，通过极限求值法取3kg来进行数据处理，则单只轮子与地面之间的压力约为10N，综上所述，F=μN=0.1×10=1N，据前文所提数据齿轮直径应小于60毫米，又因为T=FL，所以可计算出输入扭矩T1=1×0.03=0.03N·m，又因为u=3，故锥齿轮设计：1.因本设计齿轮机构无外界干扰，故设计中只需注重其齿根疲劳强度:因上文提到传动比为3，故扭矩成比例减小，又因其材质为调制后的40Cr钢，故根据所查资料显示其硬度大约为345hbw。在运行过程中，其载荷较为稳定，故小齿轮齿数z1=11，与之对应大齿轮齿数为小齿轮的三倍，选z2=uz1=3×11=33，在实际运行中取z2=32更为合理，故实际传动比u=z齿宽系数：∅R=b/R,∅R=0.25~0.35常用∅R=1/3m试选载荷系数K锥齿轮传递转矩：T计算应力循环次数：（设一年中工作200天，工作10年时间）NNN查取弯曲疲劳寿命系数：Y查取齿形系数：Y查取应力校正系数: Y初算锥齿轮当量齿轮模数m：mm计算圆周速V：vv根据所学知识得使用系数Ka=1.25；根据v=0.129m/s,5级精度，根据所学知识得动载荷系数KV=1.02计算载荷系数：K查手册可得轴承系数KKK修正分度圆模数：m=按标准模数系列取m=1.5mm2.计算齿轮传动的几何尺寸：齿数z1=11，z2=32齿顶角等顶隙收缩齿θa1齿根角θθ分锥角δ1δ实际齿数比u=2.909大端端面模数m大端分度圆直径dd外锥距R齿宽b中点分度圆直径dd大端齿顶高h大端齿根高hh全齿高h大端齿顶圆直径dd其余略由于锥齿轮尺寸很小，不适于锻造，需要数控加工，其余尺寸大致依照锻造结构确定。1.校核齿面接触疲劳强度：σ查手册得材料的弹性影响系数：Z查取接触疲劳寿命系数：Z确定许用接触应力：σ查手册得锥齿轮的接触疲劳强度极限：许用接触应力：σσσσ模数m=1.5设计满足要求轴承的选择根据设计要求选择轴承d=4mm，D=13mm，轴承代号60000型624，基本额定载荷Cr=1.15kN滚动轴承的基本额定寿命L式中：L10h——基本额定寿命（hn——转速（r/min）；C——基本额定动载荷（N）,P——当量动载荷（N）ε——寿命系数（球轴承ε=3LLL可见寿命很长，完全符合要求。轴的设计1.按转矩初步估算轴径电机驱动，齿轮传动，传递的功率P=4.8×10−3W，轴的转速96rmp，齿轮齿宽B=6.3mm，齿数z=32，模数m=1.5，螺旋角β=11.6°ddd2.轴的结构设计如图1.2.4所示，轴承处有d1=5mm，车轮处d2=4.5mm，初选轴承624，轴承宽度B1=5，轴套宽度B2=2.5mm，轮子宽度为1.轴上受力分析轴传递的转矩T齿轮圆周力F齿轮的径向力F齿轮的轴向力F在水平面内的支反力，见图1.2.4(b)由∑MRRR由∑R在垂直平面的支反力，见图1.2.4(d)由于FNRRRR弯矩图由锥齿轮和行走轮的作用力在水平面上的弯矩图，见图1.2.4(c)MMMM由锥齿轮和行走轮的作用力在垂直平面上的弯矩图，见图1.2.4(e)MMMM转矩图，见图1.2.4(f)T图1.2.4轴的载荷分布图确定危险截面并计算其安全系数分析应力状态由前面计算结合图1.2.4可知截面D处弯矩最大，属于危险截面，忽略轴向应力σ式中W