家用清扫机器人的结构设计

目录摘要 1第一章前言1.1 题目要求 31.2 国内外产品研究状况 41.2.1 国外产品研究状况 41.2.2 国内产品研究状况 91.2.3 自主充电技术研究现状 101.3 研究的目的和意义 111.4 设计的重点和难点 11 第二章家庭清洁机器人的关键技术 2.1 传感技术 122.2 路径规划技术 122.3 吸尘技术 122.4 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 133.1.1 机械结构组成 143.1.2 工作原理 163.2 清洁机器人总体设计 173.2.1 机器人外形设计 173.2.2 机器人的行走机构设计 183.2.3 清扫机构的设计 183.2.4 吸尘机构设计 213.2.5 垃圾收集处理机构设计 22第四章具体计算4.1 电机选择 244.2 蜗轮蜗杆的选择 254.3 清扫机构电机的选择 264.4 家用清扫机器人电池的选用 264.5 清扫机构中蜗杆上轴承的寿命的计算 274.6 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 305.1.1 高度智能化 305.1.2 功能扩展 305.1.3 低成本化 305.2 展望 30参考文献 31致谢 32附录 33外文文献 33中文翻译 401摘要摘要在即将进入的 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器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业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。关键词关键词：服务机器人，清洁机器人，运动原理，清洁方式。2第一章第一章 前言前言1.11.1 题目要求题目要求 21 世纪的时代背景下,科学技术有了突破性的进步,人工智能科学水平也走了很大程度的提升。同期,计算机应用的熟练程度也取得了诸世的成就。很显然智能清洁机器人已经成了智能技术研究领域的热点问题了。在这些领域当中,服务型的智能机器人已经成了应用领域的开辟者,接下来要讲的三大现状是服务型机器人出现的重要原因:1.随着社会的进步,人工服务的成本在不断的增加。2.人们对于重复性的劳动已经厌倦了,比如说照顾病倒在床上的病人、做家务等一些重复性劳动。3.在中国这样一个地大人多的国家,人口老龄化问题日益严重与之对应的社会福利待遇体系也在不断的完善,这在某种程度上也为机器人的研究和发展提供了方便和广阔的应用市场。服务性质的机器人有一个很大的特征就是,它是一个机器人系统,此系统包括特定的方法、某种特定的环境下执行某个任务的过程。它有着一定程度的移动性在非结构环境下。故此,移动型机器人成为了市场的主导者。 家庭移动自动清洁服务机器人是一个多学科集合的产物,它包括传感器的应用技术、人工智能方面的研究、自动控制技术、计算机作用、整个集成电路的应用技术等。智能移动型自动清洁型机器人是整个智能机器人的先驱者,早在 20世纪 80 年代就已经被众人所研究。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。就是在这样的大环境下,我提出了此文,也就是对家庭型清扫机器人课题的研究。设计家庭清洁机器人的过程中对以下内容进行了定义：该机器人采用的运动方式：滚轮式工作时最高运行速度：0.5ms高度:100mm宽度:400mm此种机器人工作时采用的清洁方式:清扫、对地面进行吸尘一次充电连续工作时间： 0.8 小时其具有一定的路径记忆功能能够很大程度上对障碍物进行躲避另外一旦自身电量不足可以实现自充电操作。3 1.21.2 国内外相关产品研究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:1.2.11.2.1 国外产品研究状况国外产品研究状况 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工作,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：4 2002 年年初,世界著名的企业松下电器用了自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 50 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5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。2003 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：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对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。 1.2.21.2.2 国内产品研究状况国内产品研究状况 在我国,像华南理工大学、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6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1.2.31.2.3 电源自主充电技术电源自主充电技术 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;(3)可以准确的将电池和充电器对接。71998 年,某知名高校成功的研发出了一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进行充电。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。1.31.3 研究的目的和意义研究的目的和意义 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。1.41.4 设计的重点和难点设计的重点和难点 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。第二章第二章 家庭清洁机器人的关键技术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 CCD8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。其中有这几项关键性的技术:路径规划、电源充电、传感器应用、智能控制等。2.12.1 传感技术传感技术 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。并且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工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图信息。92.22.2 路径规划技术路径规划技术 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圈,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。2.32.3 吸尘技术吸尘技术 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、滤清器等零部件。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。2.42.4 电源技术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镍锌电池等。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。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。10第三章第三章 清洁机器人的机械设计清洁机器人的机械设计3.13.1 机械结构组成和工作原理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 3-1：3.1.13.1.1 机械结构组成机械结构组成本课题研究的智能清洁机器人结构见图 3-2。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。 11 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)铰轴转向式: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 3-312图 3-3 三轮差速转向式驱动结构 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。3.1.23.1.2 工作原理工作原理 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。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。(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。13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。3.23.2 清洁机器人总体设计清洁机器人总体设计3.2.13.2.1 机器人外形设计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143.2.23.2.2 机器人的行走机构设计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。3.2.33.2.3 清扫机构的设计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；15(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；(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；(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。16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 3.2.43.2.4 吸尘机构设计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17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。3.2.53.2.5 垃圾收集处理机构设计垃圾收集处理机构设计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:18 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：19第四章第四章 具体计算具体计算4.14.1 电机选择电机选择(2) 根据橡胶在优质路面上行走，取滚动摩擦系数 =1，滑动摩擦系数=0.1，则:阻力矩：=fR+Mf=1.6348103+0.0163=0.0945N.m 工作机要求的功率= Tw*n9550，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= =4.45W。(1) 估计机器的总重量为 5kg、g 为 9.8Nkg，则 G=5*9.8=49N 则分配到每个轮子上的载荷位 F=13G=13*49=16.3N.20(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(2)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。4.24.2 蜗轮蜗杆的选择蜗轮蜗杆的选择(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 4550HRC。涡轮用铸锡磷青铜 ZCuSn10Pb1,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。由于工作载荷相对稳定，因此采用载荷分布不均匀系数=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 K=1*1.1*1=1.1；2、确定作用在涡轮上的转矩 T2：3、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 =160。4、确定接触系数首先假设蜗杆分度圆直径 d1 和传动中心距 a 的比值 d1/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查机械设计得：=230MPa -=90MPa= 194Mpa；= = =52MPa6、计算中心距 a=40.2mm1.21 * 234469 * (160 * 2.9 /194)N2=60 N2Lh=60*206*12000=1.48*108T2=9550*106*P /n 当=2 时，=0.70.9，取 =0.8，代入式中得：T2=9.55*=9.55*=234469N.mm21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 d1=22.4mm。这时 d1/a=0.56，从机械设计中查图得 Zp=2.42.9，因此以上计算结果可用。查表选取 分度圆导程角 r=100729。中心距=40 mm，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= =3.54m/s，在范围之内，所选材料是合适。蜗杆传动效率=（0.950.96） 根据=1.8m/s，查表得 =2，不符，应该适当降低初效率应。（5）验算齿根弯曲疲劳强度和刚度蜗轮当量齿数=/ =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、蜗杆模数 m=2，头数 z=2齿根高 hf=2.4mm，齿顶高 ha=2mm。2、涡轮= (1.6K)/ Fa2，所以只需要校核轴承 1 即可因为选取 X=1，Y=0，fp=1.0所以所以所以符合要求。4.6 清扫机构中涡轮轴的校核清扫机构中涡轮轴的校核轴上能使产生弯矩的力有 Fr，FtFr=0.081NFt=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做弯矩图如 4-4 所示Fa/Fr=0.0618/0.1405eP=FP (XFR+YFA)=1.0*(1*0.1405+0*A)=0.1405=( ) =1.08*106h10660 * nftCfpP25Mr=0.25FrL=0.250.08169=1.40N.mmMt=0.25FtL=0.250.01569=0.3N.mm合成弯矩 M=Mt+Mr=1.43N.mm= = = = 1.43/(0.1123)=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。第五章第五章 总结与发展总结与发展5.15.1 发展趋势发展趋势 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。5.1.15.1.1 高度智能化需求高度智能化需求 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。265.1.25.1.2 功能扩展功能扩展 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)。5.1.35.1.3 低成本化低成本化 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。5.25.2 发展发展 虽然现在比较便宜的吸尘器给老百姓的清洁打扫工作有一定的方便还有节省时间,但是它的噪音比较大,这样会让人觉得又不想使用了。吸尘机器人作为为人服务的机器人这些的一个新奇的产品,将使人们可以在没人的情况下轻轻松松的完成家里的环境的吸尘等打扫工作。所以只要生产价格考虑到一些家用的电器批量大,再加上一旦大批量进行生产的话相对应的价格也会比较低这样的特点,相信智能清洁吸尘器机器人的推广必将在市场上得到大家的广泛认可,有相关的研究机构对机器人对市场的贡献量有过很多研究,同时也有其他大量数据都在指向一个结果就是智能吸尘器机器人将会是未来需求量最大的智能服务性质的机器人。因为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。但是,这样的前景是好的,现阶段的智能机器人的许多关键性的技术难关还没有完全解决,还有很多需要去解决,主要有接下来要叙述的： (1)目前,虽然机器人的研究技术已经很成熟,但是因为技术上仍然有一定的瓶颈,价位不够亲民,这是影响其进入家电市场的最大阻力。所以我们的科研团队可以通过开发性价比较高的数字处理芯片和专用的运动控制模块来降低整个机器人的成本。另外一方面,我们已经将蓝牙技术研发的比较成熟了,在现在家电产品上对其应用也是比较广泛的,另外正在研发将蓝牙技术的连接端切换至个人电脑上,在很大程度上节约连接端产品的成本。这样如果能够切换成功将会将成本控制在 2000 元左右。 (2)在不久的将来,能够吸尘的机器人慢慢的会变得智能化还有会变成自主的形式,所以我们应该结合本身的基于机器人自己的控制、模糊逻辑、遗传算法等的可以转动机器人的运动策划和能够控制的技术,从而研究并且开发出对周围27环境能够具有优良的本身适应的能力和鲁棒性对环境阻挡的东西具有安全可靠的防止碰在一起功能的智能的可以运动的合理性规划与能否控制他们的机器,使得吸尘机器人能够完成与人们自己可以操作质量相同的还有更好的打扫工作,使得地面打扫的更加干净。 (3)为了达到较高的吸尘效果,我们不仅需要对吸尘系统的清洁质量进行深入研究,还需要对该系统在实际工作中的适应能力进行模拟以达到能够适应多种不同工作环境。另外我们还可以通过运用模糊逻辑的方法对吸尘系统进行改造升级,进一步提升家庭智能机器人的吸尘效果。 (4)智能吸尘器机器人的主要技术之一就是电源技术,因为好的电源系统如果能够应用在机器人上边就可以在很大程度上提升机器人的吸尘效率和吸尘质量。另外电池除了能够延长吸尘时间以外还可以保证吸尘机器人在复杂的环境中长时间的实现多功能的除尘工作。通过对此款机器人的设计希望他真正量产后能够为广大用户提供一款性价比高的服务型吸尘机器人。参考文献参考文献1 濮良贵、纪名刚主编. 机械设计 M. 北京：高等教育出版社，20062 岑军健主编. 新编非标准设备设计手册 M. 北京：国防工业出版社，19993 于骏一 邹青编主编. 机械制造技术基础 M. 北京：机械工业出版社，20044 机械设计手册编委会. 机械设计手册M. 北京：机械工业出版社，20045 周良德 朱泗芳 杨世平主编. 现代工程图学 M. 长沙：湖南科学技术出版社，20086 罗迎社主编. 材料力学 M. 武汉：武汉理工大学出版社，20077 吴宗泽 宋宝玉主编. 机械设计课程设计指导书 M. 北京：高等教育出版社，20098 杜祥琪编著. 工业机器人及其应用 M. 北京：机械工业出版社，19869 刘莹机械设计课程设计.大连:大连理工大学出版社，200810 赵卫军机械设计基础课程设计.北京：科学出版社，201011 王秀贵 曹江莲编著. 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