家用清扫机器人的结构设计和实现 通信机械专业

目录

摘要..................................................1

第一章前言

L1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

L3研究的目的和意义.................................11

1.4设计的重点和箱点...................................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

3.2.5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

摘要

在即将进入的21世纪,随着蓝天工程的提出，世界各国已经将清洁环保工作

提到了相当重要的位置。在这样的大背景下,推动了中国新一批的清洁工业的迅

猛发展，现如今,不同种类的新产品在不断的推出,相关的新设备和新机器也在不

断的进行着更新,至深入人们的日常食物,衣物，住宿和出行中。现如今，人们的物

质生活水平已经得到了很大程度上的提高,生活质量也在提升。接下来人们关注

的是环境的舒适性,服务行业里在人们生活中的支出占比已经形成了指数形式提

升，同时服务行业中的清洁行业更是成为了当今经济发展的支柱产业。它为当今

环保事业做出的贡献不容小觑。清洁机器人，它涉及到机械、电子和计算机和其

他相关知识,清洁机器人在某种程度上他是科研工作者智慧的结晶，同时他也是

高科技的一种体现。，不仅可以模仿人体动作,还能将移动技术和清洁技术融为一

体。在某种程度上节约了大量的人力、物力，尤其买环境恶劣复杂的场合能够替

代人类。近些年，智能机器人已经成为大家研究的重点方向了，尤其是现代家用电

器的课题研究，已经将智能机器人推到了风口浪尖，这种轰动效应是社会不断进

步和科学技术的飞速发展的结晶。

服务机器人已经渗到我们的生活、工作和经济的各个方面，并发挥了很重要

的作用。我国经济实力的发展程度在某种程度上上和机潜人等相关的智能化产业

的技术研究以及发展有着很大的关系。在服务性质的机器人领域,清洁型的机器

人研究一直都是一个比较热门的研究方向。接下来本文将会提出一种全方位多角

度的地面扫地机器人，主要用于清洁狭窄的空间，比如说,在办公室中，甚至是在

普通家庭中，我们实施此种方式的目的就是让大家进一步了解机器人的重要性,

机器人在服务行业中起到的价值。通过对现在市面上存在的家庭型智能清洁机器

人的研究,在其已有的机械系统的基础上对其进行详细分析，并同时对现有机器

人进行功能优化。让读者和使用者了解一个信息就是机器人将会在未来的服务行

业里起着很重要的作用。同时也让大家意识到机器人对社会发展的必要性。此次

调研同时对机器人行'1/的现在所处状态和发展过程中的重要影响因素进行了深

入研究及探讨，同时对其应用领域有着一定的理解。

关键词：服务机器人，清洁机器人，运动原理，清洁方式。

1.2国内外相关产品研究

智能化移动型机器人真正意义上的先驱者其实是地面清洁型机器人,其实早

在20世纪80年代已经有技术团队对其进行了研究。到目前为止,一些概念性的

智能机器人产品已经被小批量的生产出来了。家庭型的清洁服务机器人的迅速发

展得益于吸尘器机器人的研究。吸尘器智能机器人的研究在很大程度上对传感器

技术的发展、图像和语音识别之间的转化、移动机器人方面有很大的推动作用。

接下来我对清洁型智能机器人自身的特点以及在当今技术发展下他的研究现状

和独立充电技术进行以下描述：

L2.1国外产品研究状况

智能机器人想必大家都听说过，你可能不会太陌生，但我们对家庭机器人了解

的却非常的少，但是，在一些发达国家，比如说欧美和其他国家，他们对于机器人的

研究是相当的先进，他们可以很成熟的让机器人进行服务于人类，将智能化机器人

的技术很熟练的应用在了现实生活当中。另外还有很大一部分在市场上已经投放,

并在实际生活中予以应用。

世界上有一台这样的智能化机器人，他是一种智慧的结晶，他可以完成复杂环

境中的大部分家庭地面清洁，作,它是世界首台，后来大家以RC3000智能清洁型

机器人称呼它。如图1・3所示，它靠内置芯片以及光电传感器的控制，在遇到某一

障碍物时影响其正常运动轨迹后会改变一定的夹角，进一步继续移动，每次遇到障

碍物机器人都会以这样的夹角来移动,这样他可以很大程度上躲开障碍物的影响

另外此款机器人可以根据不同的周围环境进行不同清洁程序的选择，这样可以很

大程度上将脏污地面进行清洁干净。因为这款智能机器人有着多达四种清洁程序

的服务性质的机器人。其整个运行原理为当遇到不同程度脏污的地面时，可以调

整其不同情况下的清洁程序，另外内部设置有光敏传感器，其存在的意义在于当智

能机器人移动过程中遇到像楼梯和台阶这样的障碍物时能够很大程度上的进行

避让以至于正常进行工作。另外此款机器人的外观设计也是十分的人性化，外形

为扁平状的机身，这样设计的目的是能够将茶几、沙发、床等物品下部的狭小空

间予以清理。另外再此种机器人的充电站有五中功能，包括充电、垃圾的清理.、

不同工作模式合理选择、工作时间的设定以及自带红外线发射功能。充电站的工

作原理为不停的发射红外线并通过导航信号予以补充进行对机器人实现指示充

电和自动完成充电功能和垃圾处理功能。同时还能根据使用者的不同需求以指示

机器人进行不同功能的操作。如图1-3所示：

图1・3RC3000清扫机器人及其充电站

2002年年初，世界著名的企业松下电器用了向己大量的研发人员经过多次改

进最终成功的研发出了一款较为成功的家庭实用型智能机器人。它在某种程度上

可以实现多功能自动化的操作2002上半年，此种类型的智能机器人的试制机就被

推出。他可以通过对周围环境的分析计算将周围不同种类的垃圾进行分类清扫并

处理。另外在此款智能清洁机器人上边还配置了能够避开障碍物的安全功能装置

和感应墙壁炉这样热源的装置。在这款机器人身上安装了5()多个传感器,他可以

同时进行自移动和清扫工作。另外他有着一定的记忆功能，也就是在他正常工作

时第一步他会沿着墙边进行一周清扫，将房间的形状进行记忆，之后如果在移动工

作的过程中遇到障碍物可以轻松的绕过障碍物进行灵活自如清扫工作，另外一旦

完成整个室内的清扫工作后其会自动停止工作。此种机器人清扫不同面积的房间

需要不同的时长,像一般的日式房间需要大概9分钟,这种速度是一个成年人打扫

同面积大小的空间的1-1.5倍时间。另外他对整个空间的清洁面积有很大的清扫

率，能够清扫整个空间的92-93%,智能清洁机器人工作期间能够很好的避开障碍

物的工作原理就是通过光和超声波传感器的配合使用进行距离和障碍物的确认

及规避。机器人的移动姿势可以稳定在某一个方向进行直线运动，这是在内置回

转传感器的协助下实现的。如果让其在地毯上进行工作，由于地毯本身有花纹的

存在，所以清洁机器人会沿着对应的花纹运动，从而体现出来的结果就是，轨迹为

弯弯曲曲的。为了避免这种情况的发生，贵司在此种机器人内部配置了可以掌舵

的方向传感器。他可以很大程度上检测出因为地毯花纹对运行轨迹产生的影响,

从而将这种影响降低到最小程度。使得机器人能够按照正常轨迹进行运动。另外,

此款机器人不仅配置了落差传感器以防止清洁机器人从高处滚落下来，另外还配

置了可以感知热源的热源传感器避免机器人遇到热源被损坏的风险。此种机器人

正常工作时对距离有一定的要求，与障碍物之间的距离应该大于10厘米的范围,

与热源的距离应该控制在50厘米以外。

2()03年11月,三星科研团队面向市场推出了一块自动化程度非常高的智能机

器人,整个科研团队赋予它VC-RP30W代号予以称呼。如图1-6所示：

图1-6三星机器人VC-RP30W

FigI-6RobotSamsungVCRP30W

VC-RP30W的定位在技术层面上是需要3D地图技术进行技术支持的。正如

前文所叙述的那样，智能机器人在工作初始状态会在工作范围内进行整个边缘进

行记忆性运动，接着他会通过自己内存的位置信息进行计算从而躲避障碍物。另

外VC-RP30W会自动改变方向以便进去接下来正常的工作当其遇到死角或者是

无法跨越的障碍物时。该种机器人还有着一项非常强大的功能就是，他可以通过

自己的智能计算能力定日常生活垃圾和特殊垃圾进行分类处理。还可以根据人未

因素进行不同程度不同功能的作业模式。作业模式一旦设定，即使主人不在其身

边,智能机器人也可正常进行作业将房屋打扫干净。真正的使用过程中，智能清洁

机器人不仅可以在程序上进行设定，同时也可以通过下载一定的软件对该智能机

器人进行绑定以便于进行远程操作控制机器人的工作情况。给此机器人充满电之

后正常情况下他可以工作将近一个小时,一旦系统发现自身电量不足，他可以根据

自身内置程序回到原来充电位置进行充电操作。回充电桩进行充电的智能操作是

在自身生成的3D地图上予以实现的。

1.2.2国内产品研究状况

在我国，像华南理二大学、上交大、哈工大等这些985/211名校到位,他们对

智能机器人的研究可谓是风生水起，他们有大量的数据作为理论支撑，最终也得到

了不错的研究成果。同时在以下几个方面也得到了不同成都的提升:1.机器人在传

感器技术方面的应用得到了一定的提升。2.智能机器人工作起来主要智能化提现

出来的定位导航以及路径规划方面的软件系统也能后得到一定的进步。3.为智能

机器人正常工作提供动力保障的电源及电源管理系统也有了很大提高。这些技术

的提升，在很大程度上为智能清洁机器人的深入研发奠定了坚实的基础。

浙大机械专业早在1999年就进行了关于智能化清洁型机器人的研究，它们通过对

此项目的研究在很大程度上助力了其智能化的提升。首先,它有一定的自学习能

力，能够将周围环境特点记录在自己的系统中,并通过超声波传感器的技术测量所

处空间的中间位置及两端对称距离。测量距离的主要目的是使得智能机器人在工

作过程中能够明确的避免障碍物的干扰。另外如此循环几次，智能机器人内置芯

片会计算出自己的安全工作路径。清洁之后,为了不影响下次智能机器人的正常

工作，它需要通过一定的路径规划返回至充电插座处对自身进行充电以补充电

量。他们研究的智能机器人的工作空间为5.5*3.5平方米，在这样一个空间中，通

过对机器人工作状态的研究我们可以实现普通房间90%的空间清洁率，达到这样

一种清洁程度只需要机器人正常工作10分钟左右的时间。另外如果有更大空间

的清扫工作的具体数据还有待进一步验证。除此以外，对周围环境进行视觉记忆

和进行多方位的位置记忆从而达到全方位定位也是研究的重点，大家研究的主要

目的是为了提升机器人能够在较多或者较大的工作空间内有很好的空间记忆功

能，增加机器人的协调控制功能，最终为实现高效的清洁工作提供技术支持，以

便于更高效的完成清洁工作。如图1-7所示：

图1-7国产KV8保洁机器人

L2.3电源自主充电技术

自动充电也是目前清扫机器人的主要研究问题,此款机器人可以通过自己系

统对周围环境情况的记忆能够快速找到就近的充电桩进行充电。同时他会停止现

有的工作。这是此款智能机器人在自主认知方面最重要的体现。

(1)机器人的感知行为:感光；

(2)机器人通过自身的感知系统可以感应到充电站发出的光信号；

⑶可以准确的将电池和充电器对接。

1998年,某知名高校成功的研发出了•款能够未盲人提供帮助的导向机器人,

这款机器人也可实现自动充电动作。同样他也可以在自身电量即将用完的时候根

据自身芯片自动生成的位置信息返回原位进行自动充电操作。

因此，有许多关于自动充电功能设计的研究。该研究最成熟的研究方法是通

过红外线发射塔发射红外线信息以传递给清洁机器人，机器人在通过内部计算从

而找到充电装的位置遂行充电。但是，如果深入研究会发现,不同的基站会出现不

同种信号，如果机器人一旦接收不到信号,或者是接受到了错误信号后，此时机器

人会启动内置的搜索功能,根据自身记录的位置信息搜索最近的红外线基站，然后

通过基站获得充电桩的位置信息实现充电操作。此种研究成果已经在像哈工大和

德国凯驰公司这样的机构落地了。但是截止目前机器人自动寻找充电位置并同时

完成充电对接技术的产品并未上市。

L3研究的目的和意义

清扫机器人的出现是一种多种技术集成的产物，它能够十分完美的将可平

行移动机器人和可进行吸尘的吸尘机器人二者融合在了一起。由此一来可以实现

半自动化的清扫卫生的功能。随着清洁机器人研究的不断深入，国内外研究学者

对重型清洁型机器人的研究兴趣日益高涨，因为作为智能科技的一种特殊应用，如

果我们从技术层面进行分析的话智能化自动吸尘器机器人是多项技术柔和在一

块的结晶，它是移动机器人的代表。如果我们从市场来考虑的话，智能化自动清洁

机器人的应用市场可谓是相当的广阔。

L4设计的重点和难点

根据前文所述，如何设计出一款宽400高100的智能家庭式清洁机器人是本

次课题的主要内容和要求，此款机器人能否顺利设计出来,就在于能否将吸尘、移

动、清扫、以及地理位置信息存储这几个技术性的问题搞定。同时机器人的机械

机构也是本次课题研究的重难点。清洁效果如何，吸尘设备的安装位置都需要在

本次课题中予以重视。

第二章家庭清洁机器人的关键技术

传感器应用技术系统、整个体统控制技术、移动机械机构和吸尘器的工作原

理是家用智能清洁机器人的四大组成系统。接下来我们对这四大组成部分予以深

入分析。首先是整个机器人工作期间的移动机械机构的工作原理，他主要是稳定

机器人的方向，吸尘器能够有多大的运动空间全部是由移动机构进行控制的。这

种结构通常采用轮式机构。然后就是各种传感器对应的感知系统,此种系统采用

的是超声波进行测距、红外线和传感器进行接触然后反馈信号,最后在CCD摄像

机的辅助下进行图像信息传输等。近年来，计算机技术在互联网的发展下取得了

很大的进步，人工智能技术的研究也日益成为了整个技术研究方向的标杆，像移动

式智能机器人水平和传感器应用系统也得到了迅猛发展。智能化技术的基础是在

吸尘器机器人控制系统的深入研究下建立起来的，同时，此种研究也为智能化发展

提供了很好的应用前景。吸尘器机器人工作的环境往往是复杂不确定性的，这样

的环境对机器人的控制系统有着极高的考验,首先我们应该考虑其要有稳定的安

全性，然后就是机器人工作运行起来的可靠性，最后就是工作过程中对周围环境的

抗干扰性和清洁度。传感器的使用对于智能机器人的研究有着很重要的意义，通

过传感器的信号输入，在通过机器人内置的芯片进行一定的建模，将机器人的工作

环境进行记忆。通过对现有智能化清洁机器人的研究，智能化机器人可以在较为

复杂的环境中进行自主移动，为了进一步将该种类型的智能化机器人的自动化程

度进一步提升，我们不仅需要在实时数据传输上进行优化,、选择比较合理的人工

智能方法、智能化机器人的模式和障碍性质的识别。同时还需要对整个机器人的

运行模式予以分析研究，以便将整个机器人的全局信息进行深入分析。随着吸尘

机器人的迅速发展，当今社会的发展受到了其很大的影响。其中有这几项关驶性

的技术:路径规划、电源充电、传感器应用、智能控制等。

2.1传感技术

如果吸尘机器人在某一空间内能够以正常状态进行工作，这就需要我们对

机器人的一些基本信息予以确认，主要包括确认机器人位置是否在正常工作的环

境内、该机器人是以什么样的姿态进行工作的、正常工作时的运行速度及系统内

部状态。并日可以通过机器人的传感器和其他信息传递元件确定机器人的T作环

境下的静动态数据信息。吸尘器工作有一定的工作顺序，另外对其进行正常的操

作也可以让其很快的适应工作环境。

传感器的种类也有很多，比较常见的分类方式是将其分为外部和内部两种形

式的传感器。其中内部传感器主要以下零部件构成:线加速度计、编码器、磁罗

盘等。线加速度计的存在主要是对加速度信息予以确认并能够快速的找到机器人

所处的位置。机器人正常工作状态时有各种不同的参数，像其朝着那个方向运动,

以什么样的姿态进行运动，机器人转动起来对应的转动角度的确认，这些参数的确

认是在陀螺仪的协助下得到的，另外其还能存储机器人的航向信息。外部传感器

的组成有以下几种:进行距离测量的超声波传感器和红外线传感器的集合应用、

彼此接触到能够予以确认的接触传感器或者视觉传感器。通过CCD摄像头进行

机器人定位以及识别，甚至可以通过机器人的运动路径获得其工作环境的地织信

息。

2.2路径规划技术

机器人正常工作起来能够将其工作环境周围的信息进行记忆，一般机器人

工作开始后先会沿着整个工作区域的四周运动一胤运动后,外边缘的信息会记录

在其内存卡内，接下来，系统会根据自身计算机所具有的特定算法进行合理的推算,

算出机器人正常工作的最优化路径。接下来就可以实现高效清洁作业了。此时机

器人能够工作的环境是相对比较全面的。大家会从机器人的静态和动态两方面予

以研究。

我们通过研究发现机器人可以通过不同的方式获得周围环境信息，具体主要

以建立在模型的基础上进行路径规划和靠传感器技术的支持获得路径规划信息

两种方式。如果单纯的考虑机器人对路径规划的内容，根据目前的技术发展来看

他有着一定的算法程序予以支撑。但是由于计算机分析算法用到了椭圆积分的内

容，所以真正的实现起来是相当困难的。另外我们根据机器人对环境的了解程度

我们可以将其分为两种不同的类型，一种就是能够对周围信息进行全面掌握的全

局路径规划还有另外一部分就是只能进行部分位置获取并分析的部分路径规划。

然后再通过位于机器人上的不同传感器反馈障碍物,声波、光源等信息给芯片予

以计算分析，最后获得在某些位置对应的障碍物的大小形状等信息，在快要到达该

位置时能够很准确的躲避障碍物。另外关于全局路径规划我们需要知道的是它有

路径位置搜索和周围环境建模两大子问题，另外可视图、自由空间、格栅法都是

环境建模的主要研究方法。

2.3吸尘技术

真空吸尘器应用的技术原理是通过内部高速旋转的扇叶产生的强大气流造

成吸尘器内部低压外部高压的压差，如果吸尘器枪头位置有垃圾灰尘等就会在压

力差的作用下将异物吸入吸尘器。吸尘系统由很多不同的子系统组成，包括:集尘

袋、排气管、淀清器等零部件。他的工作原理就是气流的快速运动形成涡流气体

最终将沉积物吸入吸尘器的涡流室内部达到吸尘的功能。

2.4电源技术

移动电源是吸尘器的心脏，它要担负起为吸尘器提供动力来源的作用,吸尘器

功能越强大对移动电源的性能要求也就越高,比如电源需要为移动机构提供电压

并作为吸尘模块的能量供给空间站。主要的代表有铅酸电池和银锌电池等。燃料

电池相对来说成本就比较高了，像氢燃料电池等，此类电池很少应用在常规产品上

边，因为其成本投入太天。针对常用的二次电池来说,其中铅酸电池是比较常见的

机器人使用的电池类型，他有着一定的优点，比如说寿命长比较耐用、放电电压比

较高、价格低廉相对比较亲民。另外自身的电阻也比较小，能量损失减较少、充

电时间快切成本低廉。所以这种电池是吸尘器电源的不二之选。

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

本课题研究的主要目的就是开发出来结构类型紧凑，使用灵活方便、控制起

来较为容易、不同功能之间的切换较为容易实现、更重要的是他能够完成自动移

动、规避障碍物、合理规划路径等，另外此机器人的设计主要有控制系统和机械

运动两大系统。对机械性能有一定的要求,外壳一定要有高强度的柔性，底盘应该

有一定的稳定性，需要对其配备两个驱动轮和一个从动轮用来实现移动功能，最

后就是吸尘器吸入点口径的大小、电池能量系统、整个动力控制系统、清洁刷的

清洁系统等。外观见图3・1：

1513-1机滞人整体外观

Fig3-Ioverallappearanceoftherobui

3.1.1机械结构组成

本课题研究的智能清洁机器人结构见图3-2o其由接着来要讨论的三部分构成：

(1)行走驱动轮及驱动电机。有了这两种结构的支持，使得机器人能够灵活

自如的在工作区域内进行移动。为了防止用于碰撞检测的传感器的脱落,所以在

机体的底部安装了三个红外开关。另外为了实现对轮速的检测和监控，在驱动轮

上安装有可以实现路径规划和定位的光电编码器。另外精确定位功能也可以在超

声波传感器上实现。

(2)清扫机构。此机构主要依赖于两个清洁刷，动力来源为电机驱动。有两种

方向的运动，一个是清洁刷向右侧进行逆时针旋转，与此对应的是反方向的进行

逆时针向左侧进行旋转运动。这种结构的设计初衷就是为了使吸尘器机器人清理

的灰尘进行集中处理。

(3)吸尘机构。由强大的电机系统提供动力以得到强大的吸尘能力。灰尘全

部吹进存储盒予以排出。

清扫机器人机械大体结构组成

不同文刊上经常看到轮式移动机器人，这种机器人主要有三种不同类型，他

们主要以轮子数量进行区别，分别为3、4、6个轮子。三轮机构是应用最为广泛

的一种，它的结构较为简单，使用起来也是相当的方便。四轮结构是三种里最为

复杂的，但是其承重能力比较强。六轮机构较四轮有更强的稳定性。本课题的设

计中使用三轮机构就能满足要求。

通常有两种三轮转向装置的方式来构造：

(1)较轴转向式:转向轮的转向功能主要是由安装在转向绞轴上的转向轮在旋

转电机的减速器和机械连杆操控机构来控制的。

(2)差速转向式:差速器的实现主要依靠安装在机器人底部两滚轮处的驱动电

机来实现的,他实现的机械原理是，两个电机是彼此独立的也就是说他们可以按照

不同转速进行运动，因为驱动电机直接与两个轮子相连接，如果转速不一致可以实

现转向功能，移动式的智能机器人使用绞轴转向来控制转向的方式相对比较简单,

但是其转向控制系统的精度却比较不明显。另外一种差速转向控制机构结构上虽

然较为复杂,但是他的精度很高。这种高精度的控制系统能够很大程度上依靠自

身在工作期间较为灵敏的规避掉障碍物。综上所述,本课题设计选用的为三轮差

速转向式的控制系统。三轮差速转向式驱动结构见图3-3

通过上文的陈述，我们可以精准的对步进电机进行速度.上的控制，这建立在

多种频率脉冲信号从步进电机上发射出来的前提下。同时,如果两个电机上得到

了不同的脉冲信号时，吸尘器的六自由度的功能实现主要依赖于两个驱动轮的驱

动电机之间的差动。也就是位于两个驱动轮上的驱动电机同时以不同转速实现此

差动功能的。这种方法相对来说比较容易精准的控制机器人的移动方向和状态。

3.1.2工作原理

本课题设计的机器人的功能模块之间的关系图见3-4。多个不同功能之间的

配合是一个智能机器人应该具有的最基本特点。不同模块之间的工作原理就

是:CPU作为智能机器人的核心,主要对各个不同模块起到协调支配的作用。信息

采集模块,他的存在就是将机器人运动过程中遇到的障碍物信息、路径信息，通过

位置传感器和光传感器、超声波传感器等传递的信息进行收集整理。最后由信息

采集模块将汇总好的信息一块发送给CPU进行计算分析工CPU通过运算会将计

算结果再传递给执行机构让机器人按照对应的指令进行工作。有时候机器人正常

工作的过程中，各个不同模块之间的工作状态会在LED显示模块上予以实时显

示。机器人工作的流程如下：

(1)首先机器人是否需要开始工作,我们可以通过遥控器或者是电脑键盘对其

予以控制操作°

(2)当机器人开始工作，控制清扫机构进行清洁、吸尘机构开始抽尘。

(3)机器人正常工作状态开启时，传感器模块会将从周围获取的信息进行收集

整理并最终发送至CPU处供其进行分析计算决定机器人接下来要走的路径c

(4)由强大的电机系统提供动力以得到强大的吸尘能力。灰尘全部吹进存储盒

予以排出。

图34功能梭块关系示您图

FigR-4Schciiiaticdiagramoltherelationshipbel^wnIUIKIKMUInuxlulc

在各种类型传感器的配合下，机器人会将其各种信息进行收集整理最终分析

出机器人所处的工作环境和路径状态。周围环境主要就是障碍物的大小、形状、

位置等一些基本信息。最后将这些信息反馈给主机并进行分析给出一个合理的路

径线路图，使得机器人能够避免与障碍物撞到。进行接下来的正常工作。

3.2清洁机器人总体设计

3.2.1机器人外形设计

机器人之所以被设计成有限的体积在直径为400和高度100的圆中，可以留出

放电池，控制中心和观察中心的地方，可是如果选用它,就必将会占用大量的空间,

所以其他一些单元将放置不下，这就超过了设计的大小，所以就否定了这种方案,

机器人的外形最终设计为圆盘形状，其外轮廓如图3-5所示

图3-5机器人外形图

Fig3-5Outlinerobot

3.2.2机器人的行走机构设计

如果想实现智能清洁机器人的转弯半径为零，智能机器人正常工作时对其移

动机构中就需要选用两轮独立驱动的方式，并且二者成对称位置布置在两个驱动

轮位置。机器人在运动过程中转动时会对电机前进装置进行控制以实现两个电机

分别以不同转速的方式运作。这样对于机器人的清洁效果能起到很好的作用。差

速运动如果能够实现转弯半径为零，这样的话车轮的运动方向也能得到控制。

3.2.3清扫机构的设计

对于机器人清洁机构的设计我们主要有以下四方面的考虑：

(1)斜齿轮1由电机进行直接控制、再对斜齿轮2进行控制操作、最后斜齿轮3

在齿轮2的带动下实现轴和滚刷的连接从而间接实现清洁功能；

ffl3-6清扫机构一

I;ig3-6cleaningugcnciesI

(2)锥齿轮1通过电机进行动力传动，再进一步将动力传递给锥齿轮2,进一步

使锥齿轮2的轴与滚刷进行连接达到清洁的功能；

图3-7清扫机构二

FigA-7cleaningagencies2

(3)蜗杆在电机的驱动下，两端与涡轮机相连接，涡轮机轴与刷子进行连接从而

实现对脏污地面的清洁功能；

图3-8清扫机构三

FigS-8cleaningagencies3

(4)蜗杆在电机的驱动下与涡轮进行连接，然后再与皮带轮和其轴与刷子相连接

实现清洁功能操作。

图3-9清扫机构四

l:ig3-9cleaningagencies4

以上四种选项受到比较和设计的要求的限制，最后第四个选项是清洁机构。

其正面结构如下图所示

图3T0清扫传动机构

Fig3-IOCleanupdrivemechanism

3.2.4吸尘机构设计

对智能机器人吸尘机构进行设计时，需要注意的是风扇应该位于垃圾储存盒

的上方位置，另外在风扇的上盖位置应该留一个薄壁腔并且在其上边开一圆孔，这

样做的目的主要是为了将内部空气排除干净。另外在储存盒的上方应该加上一个

防尘的装置，此装置旁边还需留两个方形孔（见图3-11）,储存盒位置有小风扇，小风

扇运动起来可以带动周围的空气这样就形成了一个压力差。清洁空气可以通过这

样一个压力差排除储存盒，外界的灰尘就被压了进来，从而达到吸尘目的。

图3-11吸尘静

I;ip3-11VacuumCleaner

3.2.5垃圾收集处理机构设计

图3-12吸尘器原理

Fig3-I2Principleofavacuumclcuicr

连接到电机的小齿轮有电动机驱动此外通过控制电动机的正向和反向旋转

来提升和控制垃圾收集挡板。

采用如下图所示的方案后，该方案通过毛刷将垃圾扫至吸入口。如3-13所示:

整个机器人的质量主要集中在机器人的清洁部分，同时这一部分也是整个系

统最重要的部分。能够独立的进行工作可以机器人的使用更加便捷，更加高效。

一旦将清洁部分进行独立安装可以在以后得工作过程中降低整个机器人的质量，

同时也为评判机器人的固定件起到了保障作用。固定件如下图：

最终设计家庭清洁机器人大体布局如图所示:

第四章具体计算

4.1电机选择

(1)估计机器的总重量为5kg、g为9.8N/kg,则G=5*9.8=49N则分配

到每个轮子上的载荷位F=1/3G=1/3*49=16.3N.

(2)根据橡胶在优质路面上行走，取滚动摩擦系数6=1,滑动摩擦系数

p=0.1,则：

阻力矩：

=f・R+Mf=1.63X48X103+0.0163=0.0945N.m

工作机要求的功率=Tw*n/9550,式中：=0.126N.m

由=2=204r/min

取，则==3.83W,电机所需的输出功率=，其中==*0.97*0.9=0.86,

则电机所需的输出的功率===4.45Wo

(3)确定电机。电机的确定主要有以下方面的考虑，转弯半径上要求如果是零

就需要考虑在两个驱动轮上分别安装电机用来间接实现机器人的转弯半径为零

这样一种结果。同时参考⑵中的计算方式得到的电机相关参数中功率的数据，我

们可以确定宁波市北仓电机厂生产的YCJT符合输出功率为4.45W的驱动要求。

4.2蜗轮蜗杆的选择

(1)选择蜗杆传动类型

根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆(ZI)

(2)选择材料

本设计中使用的蜗杆和涡轮需要有更高的效率和更好的耐磨性，所以蜗杆螺

旋齿面必须淬火，硬度45〜50HRC。涡轮用铸锡磷青铜ZCuSnIOPbl,金属模铸造。

(3)根据齿面接触疲劳强度进行设计

1、确定载荷系数K

根据传动比，选择为i=14,参考蜗轮蜗杆参数表取Z1=2,于是Z2=28。

由于工作载荷相布稳定，因此采用载荷分布不均匀系数二1,由查表《机械设

计》确定计算公式所需参数：=1,由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数

=1.1;则

载荷系数

T2=9550*I06*P/n当=2时，=0.7〜().9,取=0.8,代入式中得：

T2=9.55*=9.55*=234469N.mm

3、确定弹性影响因素Ze

因选用的是铸锡磷青铜齿轮和钢蜗杆相匹配，故查《机械设计》得：

Ze=160o

4、确定接触系数

首先假设蜗杆分度圆直径dl和传动中心距a的比值dl/a=0.35,从《机械

设计》查表的Zp=2.9°

5、确定应力循环次数

应力循环次数N2=60N2Lh=60*206*l2000=1.48*108

查《机械设计》侍：二23UMPa-=90MFa

==194Mpa；===52MPa

6、计算中心距

a河1.21*234469*(160*2.9/194)=40.2mm

取a=40mm,因i=14,从《机械设计》中查表取模数m=2mm,蜗杆分度圆

直径dl=22.4mm。这时dl/a=0.56,从《机械设计》中查图得Zp=2.4V2.9,因此

以上计算结果可用。

查表选取rn=2mm,dl=22.4mm,Zl=2q=l1.20,Z2=29,分度圆导理角

尸10。07’29"。中心距a=40mm,d2=mz2=58；

a=40.20mm,不是标准推荐中心距。本设计不采用变为，取a=40.20。

(3)验算初设参数

蜗轮圆周速度=0.63m/s,原估计＜3m/s,选Kv值,相符。

滑动速度二二3.54m/s,在范围之内，所选材料是合适。

蜗杆传动效率=(0.95-0.96)根据=1.8m/s,查表得=2°,

==0.83,传动效率=(0.95〜0.96)*0.85=0.81〜0.82,与初选=0.7

(5)验算齿根弯曲疲劳强度和刚度

=(1.6K)/＜=58.4Mpa

蜗轮当量齿数=/=29.44,查得齿形系数=2.65：

则可求的：=1-=0.917

带入式中

=27.85Mpa＜成立。弯曲强度满足要求。

(6)蜗杆与蜗轮的主要参数和几何尺寸

1、蜗杆

轴向齿距Pa=6.28mm

直径系数q=11.20

齿顶圆直径da126.4mm

齿根圆直径dfl=16.4mm

分度圆导程角r=10.12。

齿宽b=26mm

基圆直径d=22.4mm

模数m=2,头数z=2

齿根高hf=2.4mm,齿顶高ha=2mm。

2、涡轮

涡轮齿数z2=28

涡轮分度圆直径d2=mz2=2x28=56mm

涡轮喉圆直径da2=d2+2ha2=56+2x2=60mm

涡轮齿根圆直径df2=d2-2hf2=56-2x1.25x2=51mm

涡轮咽喉母圆半径rs2=a-0.5da2=10mm

涡轮齿宽b2=0.7dal=l8.48mm,取18mm。

为了不损坏齿宽b2,蜗轮齿顶圆直径de2的取值范围在58mm和60mm之

间,取de2=58mm。

本设计中，蜗杆传动产生的热量直接散发到机器内，通过吸尘时产生的风力

将热量排除机体外。

4.3清扫机构的电机的选择

机器人实现清扫功能对机器人清扫机构中的转子转速的要求相对较低，一般

只要速度达到3转每秒就能实现清扫功能。皮带轮有一定的传动比。该数值为

1:1,所以对涡轮的转速有一定的要求，经过计算得出转速应该在180-210r/min的

范围内才能实现机器人的清扫功能。在此基础上通过计算可以得出涡轮的转速应

该在2500-3000r/min之间。故综合市场现有产品选择电机型号为55SZ01,功率为

llw,转速能够控制在3000r/min范围内的电机即可。

4.4家庭清洁机器人电池的选用

现在市面上有这样三种应用比较广泛的清洁型机器人电池类型，他们分别为

一次、二次和燃料电池。接下来对他们的特点进行一定的分析。一次电池主要有

像钾电池和汞电池和碱性镭电池一样只能使用一次就需强制报废的电池。二次电

池大家有时候也叫它蓄电池，这种电池也是市面上应用比较广泛的电池类型，主

要的代表有铅酸电池和银锌电池等。燃料电池相对来说成本就比较高了，像氢燃

料电池等,此类电池很少应用在常规产品上边，因为其成本投入太大。针对常用的

二次电池来说，其中铅酸电池是比较常见的机器人使用的电池类型,他有着一定的

优点，比如说寿命长比较耐用、放电电压比较高、价格低廉相对比较亲民。所以

综上本课题设计机器人使用的电池为铅酸电池。

4.5清扫机构中蜗杆上轴承的寿命的计算

（1）计算轴承寿命的基本公式为：-黑（静）h

其中：P-当量动载荷（N）；

■寿命指数，球轴承二3,滚子轴承=10/3；

n-轴承转速r/min；

C-基本额定动载荷（N）,可由轴承样本或有关机械设计手册中查到。

经查表得C=2.75*103

（2）计算角接触轴承的当量动载荷

基本公式为P=FP（XFR+YFA）

其中：X-径向载荷系数，其值见机械设计P321表13・5；

Y-轴向载荷系数，其值见机械设计P321表13-5

Fr-轴承所承受的径向载荷；

Fa-轴承所承受的轴向载荷；

FP-载荷系数，考虑机器的运转情况对轴承载荷的影响，查表13-6（机

械设计P321）

待求量为Fr、Fa值，计算轴承所受的径向载荷Fr

轴向受力如图4-2所东。

经计算解得Fr=0.081N,Fa=0.015N

由已知条件可知，轴承是关于蜗轮对称的，所以左右的距离相等。所以

FR1=FR2=1/2Fr=0.0405N

又因为轴承的质量作用在轴承上，每个轴承大约承受0.1N

所以FRl=FR2=0.1405N

派生轴向力Sl=S2=R/2Y=0.0468N

所以轴承1压紧，轴承2放松

所以Fal=0.0618N,Fa2=0.0468N

Fal>Fa2,所以只需要校核轴承1即可

因为Fa/Fr=0.0618/0.1405<e

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=悬器)=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

Ft

L

AA

(b)

国4-3受力示意图

l:ig4-3Schemalicdia££ratnofllwforce

Mr=0.25FrL=0.25X0.081X69=1.40N.mm

Mt=0.25FtL=0.25X0.015X69=0.3N.mm

合成弯矩

M=Mt+Mr=1.43N.mm

====1.43/(0.1X123)=0.01M/mm2

由于前面已经选定轴的材料为45钢，调制处理，查表＜]=60N.mm,故符合

强度要求。

第五章总结与发展

5.1发展趋势

虽然我国能够自己清打扫机器人的发展已经取得了很大进步和提高，日用

电器是大家生活中必不可少的设施，另外家务能够占用大家很多的休息时间，一旦

智能清洁机器人被投放到市场，大家可以利用他将自己从家务中解救出来。市面

上决定可以进行买卖，进入了可以普遍好用的阶段，但是机器人本身的能力、它工

作起来的运行速度和效率目前还不够达到想象中的样子，并且还有可能要面,对这

一些比较重要技能的提升，比如能够传受感觉的机器技求、定位和周围环境成模

技术、地面路线规划技术等。

5.1.1高度智能化需求

目前我们社会上的能够自己吸尘土的机器人在自己的行为上还是“低级生

物”的状态,因为它的环境感受能力是比较小的，对路程的规划还只是不定的方法

或者处于比较小的环境信息的存在方法，在比较杂乱的环境还有很多房间的这种

环境下，相对于来说这种工作的方法效率会大大的减少，所以，成立CCD眼睛能看

到的系统,可以结合增加许多种能够感觉到的进行本身的定位还有环境建造的模

具，进行全方面的规划，这也将是一个重大的研究方向同时,算法应该结合系统的

处理是否快慢、可以存多少东西的空间的限制。

5.1.2功能扩展

自动智能打扫机器人是一个可以来回移动的智能打扫机器人，在除了能够

打扫这个功能以外还可以有其他方面的功能，比如可以进行一些家电的操作，而且

还可以控制房间环境的检测（可以预防火灾电器突然发生故障还又有小偷偷东西

这些等）。

5.1.3低成本化

智能机器人是一个比较操作复杂的系统，它本身有使用了很多的可以感受

的机器人和一个可能多个的可以提高的很小的处理器，所以可能花费的钱会比较

高，但是为了能够让普通老百姓都可以能够用上这种比较科技的东西，必须要降低

价钱老百姓才用的起。

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