【清洁机器人的行走机构设计分析案例5500字】

清洁机器人的行走机构设计分析案例1.1总体方案介绍在进行综合研究和分析了现有的清洁工业机器人基础上，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，清洁机器人的总体结构可通过插销方便的与功能模块相连接。根据实际的需求，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，以及搭建了智能清洁机器人控制系统。本章主要对多功能清洁机器人总体方案进行分析，本论文中的清洁机器人主要由行走机构和清洁机构两大部分构成，分别从结构和控制角度对清洁机器人进行设计。功能部分固定在机械平台上，不可拆卸。这样设计的显著优点是结构简单，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:外形、高度、底盘的占用面积。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具有机械化清理能力,现有的清洁清理机器人几乎全部都都采用了这种圆形的美观外型和整体结构,故该各种类型的清洁清理机器人亦被广泛设计和做成了各种圆形。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所示,清洁功能机器人的移动电源全部设计安装在各个移动功能平台上,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和一个移动控制平台相互连接时,两者的控制通电中断接口也正好同样是相互对接了上,移动控制平台上的一个主控制板直接控制了直流电的电源切换和控制通电中断。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"这两个关键点。扫:针对各种地面上可以看到的垃圾,例如瓜子壳,动物的毛发等。经过清洗机器人上的扫地刷就可以实现了清扫这一目的,扫地刷电机应该能够达到更高的旋转速度,否则地面的垃圾就无法被清理干净。吸:针对清洁使用过程中容易扬起的白色灰尘和易碎纸屑等小型清洁垃圾。通过将能够安装于清洁器和机器人上的电动吸尘器和发动机安装来精确实现其吸尘的主要目标。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。如此这种设计的主要应用意义应该有:首先,将一台垃圾处理打扫机放到一个垃圾机器人正前方,便于垃圾处理和方便回收;其次,用来帮助清扫高层建筑物的窗边墙角等窄小隐蔽区域的垃圾废弃物。吸尘式驱动电机的工作功能主要是将一个新型刷子在地上进行吸尘清扫时把地上扬起掉下来的一层灰尘直接将其吸入后送到一个新型灰尘箱中,由于这种新型吸尘式驱动电机的飞行旋翼运动转速相对较大,工作过程中将发出较大的噪音,因此为了尽量降低噪音,该扫地功能模块采用密封结构。如下图1.1.3(b)所示,如下图所示，为实现清扫车功能模块的基本结构底图和视图，在清扫车刷子正常工作的全过程中，由于清扫车刷子转速大，当垃圾刷子与清扫车刷子接触时，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。常见的高山运动机构有轮式，履带式和脚踏式。大多数步行机构都适用于复杂的地面环境，其结构设计和运动控制都比较困难。履带机构具有很强的越障能力，一般用于高山户外作业。轮式移动机人的地面适应性相对较弱，但其设计和控制相对简单。多用于地面环境相对简单的场所。这种运动机构经常在移动机器人的内陆地区使用。移动机器人有轮子的轮子的数量可分为两轮，三轮，四轮和六轮机器人。三轮机器人稳定性好，结构简单，应用广泛。本文设计的清洁机器人主要针对家庭地面环境，采用三轮运动机构。左右轮为主动轮，前轮为从动轮。考虑到家庭地面可能存在狭窄的工作环境，平台采用差速驱动结构。差速驱动结构使清洁机器人能够在狭窄的空间内快速移动。移动平台上的两个轮子采用差速驱动，电机分别驱动左右两个轮子，实现清洁机器人的运动。在实际的主场环境中有更复杂的区域。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。为了解决这些问题，需要从两个方面来考虑行走机构的设计。1.2.1行走轮的尺寸清洁机器人的外部壳体尺寸为110毫米高，底盘直径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360mm。从动轮在底盘上的安装位置与两个主动轮在底盘上的安装位置连线的距离为160mm。由于机人的高度为110mm，几乎能进去家庭里所有的低矮环境。在设计驱动轮的结构尺寸时，其高度不得超过清洁机器人的壳体高度。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。本文首先对这一问题进行了简单的分析。如图1.2.1所示，清洁机器人处于驱动轮要翻越障碍物的瞬时状态。因为它是一个小机器人，它忽略了空气阻力和打滑的问题，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——台阶的高度根据静力学公式∑Fy其中，将相关参数带入式2.1，可得出，FFN=mgr/[2由公式2.2可知，当障碍物的高度h的大小越接近轮子的半径r，支撑力Fn越大，如果r与h相等，则Fn将趋于无穷大，这个时候行走轮将无法越过障碍。由此可见，r必须要高于障碍物的高度。一般来说家里面机器人能碰到的无非是地毯电线等，高度都小于10mm,考虑到齿轮直径和滚刷等结构的影响，驱动轮的直径设计为65mm，万向轮的直径为25mm为宜。可越障10mm，则清洁机器人万向轮部分机身底部离地面距离10mm。驱动轮轮毂为塑料，与压花的不锈钢轮轴直接注塑成型，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用于小型机器人的电机一般自带减速器，故不对减速机构单独设计，为了方便机身内其他部件的安装，将电机轴向与前进方向平行，这就需要用到锥齿轮传动机构。在一般机械传动机构中，锥齿轮两个轴之间的交角等于90°，如图1.2.3所示,可以实现90°变位传动。图1.2.3锥齿轮实物图下面即对锥齿轮传动机构进行设计和校核。选择热处理方式以及齿轮材料：为避免长时间工作，灰尘等杂物侵入，采用闭式齿轮传动（齿轮箱）。由于此齿轮机构属于精密结构，故选择硬齿面齿轮（齿面硬度大于350HBW）。采用的材料为调质处理过的40Cr。主要设计参数如下：行走轮直径D=60mm；采用直齿锥齿轮传动机构，要求机器人行走速度为v≤0.5m/s，本设计选用0.3m/s,由公式v=ωD/2和ω=2πn,得知行走轮转速大约为n2=96rmp；由机械设计手册得知齿数比u=z2z1=n1n2,查机械设计手册得知实心橡胶胎的摩擦系数U=0.1;清洁机器人机身重量控制在3kg以内，以3kg为极限值计算，有三个支撑点（三轮），每个轮子承重大约1kg，根据公式计算摩擦力F=μN=0.1×10=1N，齿轮直径不超过轮子直径，根据式T=FL，可知输入扭矩T1=1×0.03=0.03N·m，输出扭矩T2锥齿轮设计：1.由于锥齿轮机构是一种封闭传送，应依据齿根的弯曲疲劳强度进行制作:由于该锥齿轮传动设计传动比要求为u=3,即实现传动中转矩的转向功能和一定程度的减速，齿轮用40Cr钢调质处理，齿轮表面硬度约为345hbw。闭式传送，负载相对稳定，挡位转速不高，选取小齿轮齿数：z1=11，大齿轮齿数z2=uz1=3×11=33，取z2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≥0.777mm计算圆周速V：v=v=查机械设计手册得使用系数Ka=1.25；根据v=0.129m/s,5级精度，查机械设计手册得动载荷系数KV=1.02计算载荷系数：K=查手册可得轴承系数：KK=1.25×1.02×1.5×1.25K=2.391修正分度圆模数：m=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=3）LLL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°，选择轴材料为调制45#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——抗弯截面系数W=弯曲正应力的平均应力σ根据式S式中σ-1——材料在对称循环