毕业设计（论文）-扫地机器人的设计（全套图纸三维）

XX学院学士学位论文（设计） 本 科 毕 业 设 计题 目 扫地机器人的设计 学 院 工业制造学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 年级 11 指导教师 职称 讲师 2015年4月27日扫地机器人的设计 专 业： 学 号： 学 生： 指导教师：摘要：机器人是一种能够模仿人类动作的机器，它可以完成许多对人类来说危险且单调的工作，机器人让人类从繁重、单调的工作中解脱出来。它们从事固定而有规律的工作，例如工业生产中的焊接、喷漆等等。 本文主要设计的是扫地机器人的设计，该机器人采用统一动作、协调控制的原则，通过电机带动动力轮实现扫地机器人的运动，通过中控系统的控制来实现扫地机器人的动作，由于是中控系统控制，所以控制灵活，多样。通过控制器来控制机器人的动作，实现该机器人清扫、除尘的功能。关键词： 扫地机器人；控制；结构；清扫 全套图纸，加153893706The design of sweeping robot Specialty： Student Number： Student： Supervisor：Abstract：The overall scheme of this paper to the electric push rod as the main component to design manned three degree of freedom triangular robot. The mechanism adopts the unified action, the coordinated control principle, by opening the travel of the push rod to realize the robot foot movement, to achieve a manned with three degrees of freedom robot motion control in the triangle by control system, the control system to control, so the control of flexible, multi sample. People can sit on the robot, the controller is adopted to control the robots movement, the realization of some people rely on their own to complete the function of the leg muscles.Must regard as the machine design is the machine design personnel carries on using creative ability the product design, the system analysis and a formulation product manufacture technology good opportunity. Key words：Machine manufacture;Crankshaft;Processing craft;Fixture; 目 录 绪论1 1. 机器人简史3 2. 应用机器人的意义6 3. 本课题研究的内容9 4. 扫地机器人总体方案结构的设计12 4.1 扫地机器人的总体方案图12 4.2 扫地机器人的工作原理12 5. 机械结构的设计18 5.1电机的选型计算20 5.2齿轮传动的设计计算 20 5.3扫地机器人的功能概述20 5.3.1 扫地机器人的清扫模式20 5.3.2 智能导航系统20 5.4 齿轮的强度校核20 5.5 扫地机器人的智能控制系统20 6. 扫地机器人的三维建模21 6.1 动力轮的三维建模21 6.2 万向轮的三维建模22 6.3 毛刷的三维建模23 6.4 扫地机器人的三维建模22 7. 三维软件设计总结22 结论25 参考文献26 致谢27绪论 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要。机械产品的生产，包括：生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。机械制造企业的经营和管理。机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品。生产批量有单件和小批，也有中批、大批，直至大量生产。销售对象遍及全部产业和个人、家庭。而且销售量在社会经济状况的影响下，可能出现很大的波动。因此，机械制造企业的管理和经营特别复杂，企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用中所产生的环境污染，和自然资源过度耗费方面的问题，及其处理措施。这是现代机械工程的一项特别重要的任务，而且其重要性与日俱增。机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类别，如：按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。另外，机械在其研究、开发、设计、制造、运用等过程中都要经过几个工作性质不同的阶段。按这些不同阶段，机械工程又可划分为互相衔接、互相配合的几个分支系统，如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等。 机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。机器人的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机器人作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机器人是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机器人被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机器人的发展，使得机器人能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机器人虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机器人已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机器人技术涉及到力学、机械学、电气气技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机器人是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多自由度，可用来搬运物体以及可以在各个不同环境中工作。1 机器人简史现代机器人起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机器人。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用气驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机器人就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产机器人。1962年，美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机器人，原意是灵活搬运。该机器人的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用气驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机器人出现在六十年代初，但都是国外机器人发展的基础。1978年，美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型机器人，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1毫米。美国还十分注意提高机器人的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机器人试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到0.1毫米。德国机器制造业是从1970年开始应用机器人，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机器人，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机器人，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机器人清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机器人后，大力研究机器人的研究。据报道，1976年从事机器人的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1979年120多个大学和国家研究部门用在机器人的研究费用42%。1979年日本机器人的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机器人产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机器人约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机器人累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机器人最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机器人具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机器人。第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手（机器人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。2 应用机器人的意义随着科学技术的发展，机器人也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中，应用机器人的意义可以概括如下：一、以提高生产过程中的自动化程度应用机器人有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机器人即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机器人代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机器人代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机器人可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机器人，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机器人，是发展机械工业的必然趋势。各类机器人的图形分别如下所示：3 本课题研究的内容 本论文主要研究运用SolidWorks对扫地机器人进行设计。在设计过程中，了解扫地机器人的结构特征和三维软件的使用要领。本文的设计目标是设计一种扫地机器人，该机器人能够实现随机清扫，交叉清扫，床底清扫，防撞等等多种功能，其研究内容包括：（1）功能分析与方案设计；（2）结构设计与三维造型；（3）控制系统设计。4 扫地机器人总体方案结构的设计4.1 扫地机器人的总体方案图本次设计的扫地机器人采取的方案是：在机器人的两侧各布置一组毛刷，成对称分布，通过电动机通过伞齿轮传动控制动力轮转动来实现机器人的移动动作。根据控制方法的不同，机器人的转速或者方向也有所不同。整机采用成本低廉且经久耐用的塑料作为材料，经过喷漆喷塑处理后在外观上面得到了一定的保证。其具体方案布局图如下：4.2 扫地机器人的工作原理 本次设计的扫地机器人的工作原理为：通过电动机通过伞齿轮传动控制动力轮转动来实现机器人的移动动作，根据控制方法的不同，机器人的转速或者方向也有所不同。1、清扫模式：随机清扫、螺旋式清扫、交叉清扫、沿边清扫、定点清扫、预约清扫等相结合，实现全方位立体清扫；2、智能导航系统：实现对房间地形的重构，自动规划清扫路线；3、智能安全监控：防撞，防跌落，防缠绕，电池电量监测；4、创新功能：灰尘量识别，实现床底清扫，手机遥控模式，尖端气流滤尘技术，室内空气质量监测与提醒；5、其他基础功能：自动返回并充电，灰尘盒安装检查，灰尘盒容量探测5 机械结构的设计 5.1电机的选型计算 已知整个扫地机器人中零件的重量，我们取总重量为10Kg，范围为50mm200mm，动力轮转速为12r/min。即： 具体的电机设计计算如下:N=0.18(KW)G电机的负载传动效率，取0.75所以根据N0.10kw，n1500r/min，查B1表10-4-1选用Y112M-4，再查B1表10-4-2得Y112M-4电机的结构。 5.2齿轮的设计计算1初步计算（1）材料选择 因传动尺寸无严格限制，批量较小，故小齿轮用40Cr(调质），硬度241HB286HB，平均取为280HB，大齿轮用45钢（调质），硬度229HB286HB,平均取为240HB。选齿轮精度为7级。（2）节锥角的计算 （3.11） （3.12） （3.13）由文献2表可知， （3.14）式中，齿顶高系数，。取小齿轮齿数， （3.15） 取大齿轮齿数。（3）根据工作条件的要求，大端模数为 （3.16）（4）齿轮分度圆的直径 mm （3.17） mm （3.18）（5）锥距 mm （3.19） （6）齿轮齿顶、齿根圆直径 由文献3表可知，齿顶高mm （3.20）齿顶圆直径mm （3.21）mm （3.22）齿根高mm （3.23） 齿轮基圆直径 mm （3.24） mm （3.25）（7）齿宽由文献2表可知， mm （3.26）（8）节圆周速度 m/s （3.27）5.3扫地机器人的功能概述 本次设计的扫地机器人，主要具有如下功能：1、清扫模式：随机清扫、螺旋式清扫、交叉清扫、沿边清扫、定点清扫、预约清扫等相结合，实现全方位立体清扫；2、智能导航系统：实现对房间地形的重构，自动规划清扫路线；3、智能安全监控：防撞，防跌落，防缠绕，电池电量监测；4、创新功能：灰尘量识别，实现床底清扫，手机遥控模式，尖端气流滤尘技术，室内空气质量监测与提醒；5、其他基础功能：自动返回并充电，灰尘盒安装检查，灰尘盒容量探测。5.3.1 扫地机器人的清扫模式清扫模式包括随机清扫、螺旋式清扫、交叉清扫、沿边清扫、定点清扫、预约清扫等。随机清扫是指根据地面状况在其他几种清扫模式之中进行切换；螺旋式清扫是指绕圈清扫的模式；交叉清扫是指在不同的区域之间交叉穿梭来清扫，也可以称为Z字形清扫；沿边清扫是沿着房间的边界进行清扫；定点清扫是指在指定的位置小范围内清扫；预约清扫是指每天在指定的时间自动清扫，可以预约一次和一周内任意预约清扫时间，可以放心上班和出差，也可以自动打扫。5.3.2 智能导航系统扫地机器人的智能导航实质就是路径自动规划。扫地机器人路径自动规划有两种方法：随机式全区域覆盖和规划式全区域覆盖。随机式全区域覆盖方法控制简单，不需要很多的硬件，软件编程也简单，易于实现。但其缺点是移动机器人运行轨迹重复性较大，且运行轨迹不能较快地、充分地覆盖整个区域，这种路径规划只考虑完成任务，没有考虑到时间消耗和能量消耗情况，因此选择规划式全区域覆盖方法。此设计中选择往返式路径规划方法。往返式路径规划清扫路径的规则为当扫地机器人置于室内时，可通过超声波测距传感器的信息来判断它放置于墙边还是房屋中间。在房屋中间，则先设为它沿某一方向运动到靠近墙边的某一点。机器入就可从墙边的某一点开始，按顺时针方向绕墙运动一周，先对室内墙边地面进行一次预清扫。扫地机器人在绕完一圈后再向左或向右行走到墙壁的最左端或者最右端，以此来作为它清挡路径的起始点，也即绝对坐标的原点。先假设室内只有一个孤立的障碍物，以房屋左下角O点为起始点。开始清扫时，从O点势始沿Y轴正方向清扫，遇到墙壁时向右原地旋转90o，向X轴正方向移动一个车身后再向右旋转90o，沿Y轴负方向清扫，以此往复运动。当遇到障碍物时，则按下面的方法进行规划和避障：当清洁机器人运动到障碍物的最左边点时，根据步进电机的脉冲数和驱动轮光栅的脉冲数计算出最左边点的坐标。然后根据超声波测距传感器收到的信息沿着障碍物边缘行进相当于X轴方向一个车身的距离，再原地旋转到Y轴负方向，沿Y轴负方向继续清扫，这样一直往返清扫，当扫地机器人在沿障碍物边缘清扫时超声波传感器突然收不到信号即到达了障碍物的最右端点，扫地机器人将原地一直向左旋转直到超声波传感器再次收到信号为止，然后沿障碍物的上边沿行进到障碍物的最左端点，再沿Y轴方向进行往返清扫，行进路径和障碍物下边沿的行进路径类似。这样就可以在清扫过程中自动避开障碍物。5.4 齿轮的强度校核（）校核齿面接触疲劳强度（1）接触应力的计算由文献4表可知，齿面接触应力计算公式，即 （3.28） 确定公式内的各计算数值 计算载荷系数 电动机驱动，载荷平稳，由文献4表可知，取平均分度圆直径 mm 平均分度圆圆周速度 m/s由文献4 图（a）可知，按，得；由文献4 图（b）可知，按，齿轮悬臂布置，；由文献4表可知，； 由文献1表可知，弹性系数； 节点区域系数 计算得， MPa（1） 接触疲劳强度的许用应力由文献4 表可知，许用接触应力计算公式，即 （3.29）确定公式内的各计算数值 小齿轮的接触疲劳强度极限MPa 最小安全系数 由文献1，10-13可知，计算应力循环系数 由文献1 图10-19可知，查得接触疲劳寿命系数 ， 尺寸系数 工作硬化系数，按 润滑油膜影响系数，计算得， MPa（3）由于MPaMPa，故安全。（）校核齿根弯曲疲劳强度（1）齿根应力的计算由文献4表可知，弯曲应力计算公式，即 （3.30）确定公式内的各计算数值 由文献1表可知， ， 由文献1表可知， ， 计算得， MPa（2）弯曲强度的齿根许用应力 由文献4表可知，齿根许用应力计算公式，即 （3.31）确定公式内的各计算数值 弯曲疲劳极限MPa 齿轮的应力修正系数 弯曲强度的最小安全系数 弯曲疲劳寿命系数 ， 弯曲疲劳的尺寸系数计算得， （3） 由于MPaMpa，故安全。5.5 扫地机器人的智能控制系统 扫地机器人在工作过程中难免遇到各种障碍物，如果不及时躲避障碍物，将影响扫地机器人正常工作。因此在扫地机器人内部安装三个超声波测距传感器，用来检测扫地机器人行进路线上是否有障碍物。超声波测距传感器安装位置如下图所示。超声波是一种一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面处，会产生反射现象。利用这一特性，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。避障功能的实现正是利用了这一超声波测距的原理。超声波传感器测距原理如图所示。超声波传感器接收到反射信号，检测出前方有障碍物时，向控制器发出信号，控制器控制扫地机器人转向，躲避障碍物，根据信号的幅值大小，也可以初步确定障碍物的大小。选用超声波测距传感器，实现非接触式测量，避免与家具等物品发生碰撞，从而避免损坏相应物品。为了防止扫地机器人遇到台阶时跌落，在扫地机器人背面安装3个防跌落传感器。防跌落传感器安装位置如闪图所示。防跌落传感器利用超声波进行测距。当扫地机器人行进至台阶边缘时，防跌落传感器利用超声波测得扫地机器人与地面之间的距离超过限定值，向控制器发送信号，控制器控制扫地机器人进行转向，改变扫地机器人行进方向，从而实现防止跌落的目的。6 扫地机器人的三维建模6.1 动力轮的三维建模 6.2 万向轮的三维建模 6.3 毛刷的三维建模 6.4 扫地机器人的三维建模 7 三维软件设计总结在最近的一段时间的毕业设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度，本文所设计的是20吨扫地机器人的优化设计，通过初期的定题，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。 通过此次设计，又一次提升了运用三维软件的水平，并吸收了不少经验，总结为一下几点。有零件图纸作图与空想设计作图不同，零件尺寸已经给出，作图时先不考虑尺寸是否真的合适，根据尺寸作出零件的三维图，但到装配时必须要考虑尺寸是否合适，由于AutoCAD图纸效果不好，导致尺寸会有出错，甚至有出现欠定义尺寸，所以，此时必须通过配合后在衡量尺寸，再进行修改，直到满足配合要求。工具集的确方便了作图，通过选择零件类型，输入数据，就能生成出标准零件，但有时需要用到的零件在工具集上也未必能找到，所以此时要随机应变，运用其他零件代替并通过修改或添加零件使其满足要求。作三维图时要灵活变通，解决问题的方法总比问题多，当一种方法不能正常作图时，试试另一种方法，这不但能完成零件制作，同时也可以培养出更好的作图思路，和打破规矩的新想法。规则的零件，要学会使用一些能够节省时间的命令，如镜向，阵列等，“能省则省”。关于装配，曾经带给我很大的阻碍，花了很多时间才弄清原因所在。在一可活动子装配体上，即使活动范围会产生干涉，也不能对其设定活动范围，如高级配合里的距离范围，和角度范围，即使在该活动范围并不影响父配体，也不可设定。因为一旦设定范围后，在父装配体上会将子装配体视为完全定义的模型，这样会对子装配体之间的配合产生矛盾，将不能完成装配。看懂图是作图的首要任务，看图就是了解零件的工具，没有工具则无法制出 零件，所以画图不能急于下笔，想透了零件的结构，想透图中的虚实线，这才是高效作图的重中之重。进行零件建模前，一般应进行深入的特征分析，搞清零件是由那几个特征组成，明确各个特征的形状，他们之间的相对位置和表面连接关系，然后按照特征的主次关系，按一定的顺序进行建模。一个复杂的零件，可能是许多个简单特征经过相互之间的叠加、切除或相交组成。所以零件建模时，特征的生成顺序十分重要，不同的建模过程虽然可以构造出同样的实体零件，但其造型过程及实体的构型结构却直接影响到实体模型的稳定性、可修改性、可理解性及实体模型的应用。XX