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摘 要 上海有中央空调的1万多栋大楼中，大多数空调机组的通风系统自运行以来，也从未做过清洗。未清洗的集中空调内可能有颗粒物、霉菌、螨虫、细菌、军团菌、藻类等各种污染物，会给人带来烦闷、乏力、嗜睡、不快感、肌肉痛、易感冒、咽痛、头晕等诸多健康危害。因此，本设计设计了一个小型管道清洁机器人。管道清洁机器人的设计包括视觉系统，移动系统，清洁毛刷系统，吸尘系统和控制系统。关键词：管道，清洁，视觉，移动，清洁毛刷，吸尘，控制ABSTRACTShanghai has central air conditioning in buildings more than 10,000 buildings. Most of the ventilation system air conditioning units from using has never cleanned. Uncleaning of central air conditioning maybe particulate, mold, mites, bacteria, Legionella, algae and other pollutants, which will bring boredom, fatigue, sleepiness, displeasure, muscle pain, common cold, sore throat, head corona, and many other health risks. Therefore, the design designed a small duct cleaning robot. Duct cleaning robot design includes the visual system, mobile system, cleaning brush system, vacuum system and control system.Key words: pipe, cleaning, visual, moving, cleaning brush, cleaning, control目 录1 绪论 11.1 中央空调的现状分析 11.2 管道清洁机器人的技术要求 12 机器人的视觉系统 22.1 摄像头 22.2 照明灯 33 机器人的运动系统 43.1 底板的设计 43.2 驱动电机的选择与设计 43.3 轮胎的选择 53.4 转向机构的设计 63.5 机器人移动的实现方法 74 机器人的清洁系统 94.1 清洁毛刷的设计分析 94.2 旋转刷的设计及材料选择 104.3 驱动电机的选择 104.4 手臂的设计 114.5 支撑架的设计 114.6 传动带的设计 134.7 带轮的设计 144.8 驱动轴的设计 164.9 联轴器的选择 174.10 轴承、轴套等零件的选择与设计 185 机器人的吸尘系统 195.1 吸尘系统的设计分析 195.2 电机的选择 195.3 叶片的设计 205.4 外壳的设计 215.5 其他零件的设计 226 机器人的控制系统 236.1 控制系统的设计概述 236.2 控制系统各硬件的介绍 246.3 电路板的设计 286.4 上位机的控制面板设计 306.5 单片机的编程 316.6 系统抗干扰措施 33结论 34参考文献 35致谢 361 绪论1.1 中央空调的现状分析 “2009中国国际工业博览会科技论坛公共场所卫生与标准化国际研讨会”在沪举行。会议披露：世博会召开前，上海将在全市范围内展开公共场所中央空调通风系统的清洗工作，有效提高中央空调通风系统的卫生质量。而上海有中央空调的1万多栋大楼中，大多数空调机组的通风系统自运行以来，也从未做过清洗。未清洗的集中空调内可能有颗粒物、霉菌、螨虫、细菌、军团菌、藻类等各种污染物，会给人带来烦闷、乏力、嗜睡、不快感、肌肉痛、易感冒、咽痛、头晕等诸多健康危害。世博会到来之际，给中央空调“洗个澡”，势在必行。1 从2002至2009年，上海市室内环境净化协会针对上海市公共场所（如商务楼、图书馆等）的室内空气品质与集中式中央空调管道污染状况开展了多次调研，结果显示，申城商务楼办公环境的空气质量不容乐观。其中，不通风的达到68.28%；室内空气“感觉不好”的达60%；有让人不舒服气味的达71.03%；被动吸烟的达60%；部分办公人员在工作时出现过头痛、缺氧、喉咙干燥、咳嗽、作呕、眼花等症状。同时，集中式空调送风管道内的细菌和真菌污染指数不合格率分别为41.67%和54.17%，而且，楼龄越大，污染程度越严重。为此，在2009年8月25日，在空气净化节能研讨及社会意见征询会上，市卫生局相关人士透露，上海市空调通风系统卫生管理办法修改草案正在拟订，将于年底颁布。21.2 管道清洁机器人的技术要求 外形尺寸：400（长）* 416 （宽）* 250（高）mm （不含清扫工具） 重量：约10kg 控制方式：PC控制器 有无线： 有线 行走速度：8m/min 最大行径距离：50 m 清扫刷最高转速：1200 r/min 管道清洁机器人的清洗工作是通过皮带轮，带动清洁毛刷旋转。管道清洁机器人能够在风管中进行前进，后退，左转，右转等动作。移动速度平均在8m/min。管道清洁机器人可清洗宽450cm以上，高300cm以上600cm以下的矩形风道。它的最大控制距离为50m，并在机器人上装有摄像头，能全程进行录像记录。管道清洁在清洗的同时，进行吸尘作业，将清洁毛刷扫落的灰尘吸入尘箱中。2 机器人的视觉系统2.1摄像头 摄像头是用于风管内部清扫时，操作者通过控制器与摄像头的连接，进行对管内工作的监视和检查。在机器人的身上装有两个产自第一印象的L55小S摄像头，两个摄像头背对背放置。此摄像头自带LED补光灯，在黑暗的环境下，能够自动补足灯光的不足，以达到良好的摄像效果。图2.1是本设计所选用的摄像头。图2.1第一印象L55小S此摄像头的主要参数如下： 传感器类型：CMOS 传感器像素：500万 最高分辨率：12801024 摄像头分辨率：24001960 最大帧数：30帧 色彩位数：24位 成像距离：50mm-无穷远 对焦方式/范围：手动式调焦50mm-极远 对焦方式：手动 镜头：五层镀膜镜头 弱光补偿：带有LED补光灯，支持弱光补偿 摄像头压缩比：2-8倍 兼容操作系统：Windows 2000/XP/Vista 麦克风：内置麦克风 PC接口类型：USB 2.0 即插即用：支持免驱 其他参数：智能人脸追踪功能，并附带视频动态及像框功能；自动白平衡，曝光，亮度，对比度，色度，饱和度等均可调节。 由于机器人上装的摄像头需要背对背安装，所以对与这个摄像头，还需要进行一下外型的改造。首先将底座拆去，然后用强力的胶水，将两个摄像头的背面粘住。考虑到风管内部的灰尘，可能将摄像头的镜头沾上灰尘，造成镜头模糊，所以本设计在摄像头外，加一个透明的玻璃罩，以防止灰尘的进入，影响摄像头的成像。 在摄像头的安装时，还存在着另一个问题，就是数据线的长度。由于摄像头本身自带的数据线长度只有1米左右，而机器人要工作的距离一般在30-50米，无法满足工作的要求。为了解决这个问题，需要采用USB的延长线。在USB的延长线选择上，为了达到数据上的高速传输，本设计选择USB2.0规格的延长线，正好和摄像头的接口类型一致；而且USB延长线需要良好的屏蔽电磁干扰。2.2照明灯 由于担心摄像头上的LED补光灯无法达到良好的灯光效果，本设计在小车上安装了照明灯。照明灯的选择需要考虑到以下几个方面：照明灯的灯光强度。由于灯光太亮，会导致观察到的是一片白色。太暗又无法正常观察清扫的情况。因此，需要在远程控制给予照明灯的电流大小，以保证正常的发光。 照明等的安装问题。为了达到良好的灯光效果，本设计准备在小车的两个角上，各安装一个照明灯，这样能够达到范围大，光源强度大的效果。3 机器人的运动系统 机器人的运动系统是采用四轮驱动的方式，四个轮子成矩形放置。前轮为主动轮，装有两个直流电机进行驱动，后轮万向从动轮。3.1底板的设计机器人的主要部件采用不锈钢制造，底板采用厚度为4mm的不锈钢，其牌号为0Cr19Ni9N。主要的化学成分及力学如下表：表3.1 0Cr19Ni9N的化学成分钢号CSiMnPSNiCrNMo0Cr19Ni9N0.081.002.000.0357-10.518-200.1-0.250.1-0.25-表3.2 0Cr19Ni9N的力学性能钢号b,MPa0.2，MPa,%,%HB0Cr19Ni9N5502753550217 0Cr19Ni9N钢不仅耐锈性优良，而且对多数有机化学介质（如染料等）和很多无机化学介质都耐蚀，对于强酸类，耐硝酸性良好，在较小程度上的硫酸，而不耐卤族酸的腐蚀。 由于管道的限制，以及设计的分析，底板的长和宽为400300mm，厚度为4mm。 在底板上面，需要安装摄像头、清洁毛刷机构，以及电路板和照明灯。3.2驱动电机的选择与设计 驱动电机选用带减速器的齿轮减速直流电机。（1）电机减速器输出转矩的估算 清洁机器人产品估计重量100N，数据线和电缆的摩擦力约为100N，清洁刷所产生的摩擦力为20N，清洁机器人驱动阻力Ff=220N。 由于采用双电机驱动，所以每个电机所承载的驱动阻力为。 而轮胎的半径为R=45mm，所以电机减速器的输出转矩为T=4.95Nm。（2）电机减速器输出功率的估算 因为机器人的行走速度v=0-10m/min，减速器输出的转速估算为n=40r/min。 所以，电机减速器输出功率P20W。（3）电机减速器的选择电机选用SZ系列，该减速电机的型号为45SZ55/2027，电机的主要参数如表3.3所示，减速器的主要参数如表3.4所示，电机的安装示意图如图3.5所示。表3.3电机的主要参数型号转矩Nm转速r/min功率W电压V电流A不大于允许顺逆转速差r/min电枢磁励电枢磁励45SZ554006000252420.45300表3.4减速器的主要参数减速比100减速级数3减速器长度(L1)mm31空载转速r/min60额定转速r/min42额定转矩kgcm63最大瞬间允许负载kgcm8图3.5 电机安装图3.3轮胎的选择轮胎所选用的材料为工业橡胶，这种材料的优点为它与刚性材料之间的摩擦系数大，其动摩擦系数可达0.4，静摩擦系数可达0.45。为了增加轮胎与管道之间的摩擦力，本设计选用轮胎的宽度为45mm，直径为90mm，这种类型的轮胎属于玩具类轮胎，可以从网上选购。其示意图如图3.7。再按减速器输出轴的大小配以适当的轮毂，就构成了所设计的轮胎部分。整个轮毂采用塑料制造，使其外完全与橡胶轮胎紧密配合，其中间突出部分为紧固部分。考虑到风管中，清洁机器人的使用时间比较长，而且整个清洁机器人的重量达10kg以上，轮毂与轴之间仅以过盈配合产生的摩擦力可能达不到要求而产生打滑现象，或因为长时间使用后产生打滑现象，使整个清洁机器人无法正常工作。所以在突出端上面开一个M4的螺纹孔，将与轮毂孔配合的轴铣出一个小平面。装配好后用一个螺钉将卡住，防止轮毂与轴之间出现相对运动。图3.6 轮胎实体图3.4转向机构的设计 后轮的转向机构的三维设计图如图3.7所示，零件转向头的三维设计图如图3.8所示，其具体尺寸详见设计附图。图3.7 转向机构示意图图3.8 转向头 这个机构的工作原理是：连接轮毂的轴通过轴承与转向头连接，轴承安装时，先从大口装入，再用轴承盖将其固定，使其得到良好定位。转向头与支架装配时，先将较大端装入底板中，然后将较小端装入支架的孔中，通过焊接，将支架同底板固定。 与后轮轮毂所连接的轴的设计如图：所示。其中，与轴承和轮毂的配合均为过渡配合。 其中轴承因为与轴连接，基本不受轴向力，所以选择深沟球轴承，代号为61800，主要参数为： 轴承代号|60000型:61800 基本尺寸d|/mm:10 基本尺寸|/mm:19 基本尺寸B|/mm:5 安装尺寸da(min) |/mm:12.0 安装尺寸Da(max) |/mm:17.0 安装尺寸ra(max) |/mm:0.3 其他尺寸d2|/mm:12.6 其他尺寸D2|/mm:16.4 其他尺寸/mm |r(min) :0.3 基本额定载荷/kN|Cr:1.80 基本额定载荷/kN|C0r:0.93 极限转速/(r/min)|脂:28000 极限转速/(r/min)|油:36000 重量W|/kg:0.005 前轮支架的设计如图：所示3.9安装时，先将电机通过螺母固定在支架上，再通过焊接将其固定在底板上。图3.9 前轮支架 前轮直接安装在电机减速器的输出轴上作为前轮传动轴。3.5机器人移动的实现方法 清洁机器人是通过装在前轮上的两个电机进行驱动，转向时，通过两个电机的转速差，同后轮的转向轮配合，实现机器人的转向。两个电机可实现的运动有： 当两个驱动电机转速相同且方向相同时，清洁机器人直线前进或者后退。 当一个驱动电机运转，另一个驱动电机停止时，清洁机器人向左或向右进行转向运动。 当两个驱动电机转速相同且方向相反时，清洁机器人在原地打转。这种驱动方式，转向半径最小，有利于在狭小的管道中进行作业。4 清洁毛刷的清洁系统4.1清洁毛刷的设计分析图4.1 清洁系统的二维图 清洁刷机构装置是管道清洁机器人清扫系统的核心工作部件之一,其二维实体模型于图4.1所示。 在图4.1中，1为大带轮轴，2为大带轮，3为清洁毛刷，4为同步带，5为手臂，6为连接架，7为横杆，8为支撑架，9为联轴器，10为电机，11为小带轮轴，12为小带轮。 在设计过程中需要考虑驱动电机如何放置以及如何与移动小车的连接问题。这直接影响到整个运动的传递，从而影响了清洁刷机构的结构。此外还需注意的就是清洁刷臂的平衡和手臂的自动调节问题。综合考虑以上问题，本设计设计了图4.1所示的清洁刷机构。 此清洁系统由大带轮、同步带、支撑架部分、清洁毛刷、手臂、轴承座、套筒联轴器、直流电机、小带轮、大带轮轴、小带轮轴等主要零部件和轴承、轴承端盖、轴套、螺钉等辅助零件组成，整个装置可在30度内调节。 该清洁刷机构有如下特点：1.电机横在小车靠中部，这样布置电机的优点是可以充分利用小车上面的空间，安装单片机控制箱和摄像头及照明灯；2.采用同步带传动，取代锥齿轮传动轴向力大的缺点。使电机的寿命延长，而且价格低廉，简单高效；3.刷臂可在一定角度范围内调节（30度），这样可使该清洁刷机构适用于多种高度的空调管道，具有一定的通用性；4.备有各种规格的清洁刷轴和刷毛供替换，方便快捷，可适用于绝大部分空调管道。4.2旋转刷的设计及材料选择 设计的旋转刷头有四种材料系列：尼龙刷、钢刷、不锈钢刷和铜刷。尼龙刷适用于所有材质的管道，不会对管道壁造成损伤；钢刷适用于各种钢管；不锈钢刷适用于钛合金管道和铜镍合金管道；铜刷适用于材质为有色金属的管道。所以本设计选择尼龙作为清洁刷66的材料。 旋转刷是由24V直流电机通过同步带进行传动的。同步带安装在一个手臂上，便于手臂的安装。而且手臂的一头支撑轴和旋转刷的直流驱动电机轴为同一根轴。旋转刷可拆卸并且有不同的材料和尺寸系列,整个装置可以进行俯仰30度的调整,从而保证在宽度400mm1000mm,高度300mm600mm的矩形管道都能彻底清扫到管道的边角和顶部。装置中通过安装在手臂上的弹簧，可以使清洁机器人在不同管道内进行小幅度的自动调节，而且弹簧起到了固定手臂的作用。这种装置和采用传感器便宜得多了。在清扫过程中,利用24V直流电机作为动力，容易控制。通过旋转刷的高速旋转使灰尘落下来，便于吸尘系统进行收集。4.3驱动电机的选择 选择电机前，需要先对输出转矩进行估计。 清扫刷与管壁静摩擦系数为0.37，动摩擦系数为0.34刷与管道之间的压力为5N.由于选用的是尼龙刷，通过试验空气对清扫刷的阻力可以忽略不计，转动时轴承与轴之间产生的力大约估计为2N摩擦系数为0.002，刷子最大的半径为300mm。 清扫刷所受的摩擦力为0.3710=3.7N 因为清扫刷的驱动模式为单电机通过同步带驱动，同步带的效益可以达到98%所以驱动电机所承受的驱动阻力为F=3.7N 而清扫刷刷子的最大的半径为d=300mm， 所以输出的转矩为T=1.11Nm 电机输出功率的估算： 同步带减速机构减速比为2，刷子最大的转速为600r/min。所以选用电机的转速为1200r/min 在输入轴上的转矩为1.11/2=0.555Nm 所以电机减速器的输出功率P： (4-1)故选用驱动的电机为SZ系列，该系列电机参数如表4.3所示，这种减速电机的型号为90SZ55。由于在该系列转速没有1200r/min，所以选择1500r/min的90SZ55电机。表4.3电机的主要参数型号转矩Nm转速r/min功率W电压V电流A不大于允许顺逆转速差r/min电枢磁励电枢磁励90SZ55520015008024511004.4手臂的设计 手臂在清洁系统中，起着连接和调节高度的作用，而且此手臂的质量较轻，承受的力大，便于安装拆卸。手臂的两端与轴相连，上端与支撑架的弹簧相连，通过手动调节起上下空间中的角度。在不是很大的管道高度之间的变化，可以通过弹簧的自动调节，避免了要把机器人拿下来再调节的麻烦。下图4.4便是手臂的三维结构图：图4.4 手臂4.5支撑架的设计 支撑架的三维结构图如图4.5所示。此支撑架由2根硬氯乙烯层压板材、厚5mm，高度为165mm的支架安装在机器人的底板上，中间连接着支撑板，厚度为15mm，其中，中央的螺纹孔直径为8mm。图4.5 支撑架 该支撑架通过安装带有弹簧的螺纹杆，通过调节螺纹杆伸出的长度，从而使手臂可以在一定角度内进行调节。而且安装的螺纹杆的支撑板可以进行360度的旋转，这样可以使在不同的角度下，弹簧只受轴向的拉力和压力。不会让弹簧受径向力，并延长弹簧的寿命。 因为支撑架高165mm，手臂与支撑板之间的距离为90mm，弹簧长30mm，螺柱的长度为40mm。所以手臂可以调节30度左右。弹簧能在50N以下的力内进行调节。 弹簧基本参数： 材料名称弹簧用不锈钢丝A组 钢丝直径d=1.2(mm) 弹簧中径D=10(mm) 旋绕比C=5 曲度系数K=1.31 实际刚度k=5.4(N/mm) 有效圈数n=10 工作行程h=1 最小变形比f1/fs=0.36 最大变形比f2/fs=0.68 自由长度H0=32(mm)安装长度H1=32.2(mm) 工作长度H2=34(mm)试验长度Hs=35(mm) 节距p=1.2(mm)螺旋角=302 弹簧材料展开长度L=439.6(mm)4.6传动带的设计同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体,这种带薄而且轻，故可用于较高速度。传动时的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98。传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。其主要缺点是制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。所以同步带广泛应用于要求传动比准确的中、小功率传动中，如家用电器、计算机、仪器及机床、化工、石油等机械。同步带有单面有齿和双面有齿两种，简称单面带和双面带。双面带又有对称齿型（DI）和交错齿型（DII）之分。同步带齿有梯形齿和弧形齿两类。同步带型号分为最轻型MXL、超轻型XXL、特轻型XL、轻型L、重型H、特重型XH、超重型XXH七种。在规定张紧力下，相邻两齿中心线的直线距离称为节距，以p表示。节距是同步带传动最基本的参数。当同步带垂直其底边弯曲时，在带中保持原长度不变的周线，称为节线，节线长以LP表示。同步带带轮的齿形推荐采用渐开线齿形，可用范成法加工而成。也可以使用直边齿形。同步带传动的主要失效形式是同步带疲劳断裂，带齿的剪切和压溃以及同步带两侧边、带齿的磨损。保证同步带一定的疲劳强度和使用寿命是设计同步带传动的主要依据。因此同步带传动设计时主要是限制单位齿宽的拉力，必要时才校核工作齿面的压力。 同步带的设计： 首先设计同步带的功率，由于选择的电机的功率P=80W，查“载荷修正系数KA表得，载荷修正系数KA=1.2,所以 (4-2) 选定带型节距根据Pd和清洁刷转速n=1500r/min即小带轮的转速n1为750r/min，本设计选择带型为L，宽度为25.4mm，Pb=9.525mm的同步带。 根据带型L，宽度25.4mm，Pb=9.525mm，可以确定小带轮的齿数和节圆半径： 小带轮齿数Z1=16； 小带轮节圆直径d1=48.51mm 设定带轮的传动比i=2，所以根据传动比和小带轮齿数，得出大带轮齿数为： (4-3) 由表“标准同步带轮的直径”查得： 大带轮的节圆直径d2=97.02mm。带速 (4-3)（查表得，带型L的vmax=50m/s。） 初定轴间距根据结构要求定为：a0=500mm 带长及齿数mm (4-4) 根据表“梯形齿同步带的节线长系列及极限偏差”选取标准节线长Lp及其齿数Z： 标准节线Lp=1219.2mm； 节上的齿数Z=128； 代号为480。 实际轴间距mm (4-5) 小带轮啮合齿数 (4-6)基本额定功率kw (4-7)其中，Ta是宽度为bs0的带的许用工作拉力，m是宽度为bs0的带单位长度的质量，根据表“基准宽度同步带的许用工作拉力Ta和单位长度的质量”得，Ta=244.46，m=0.095。） 带宽根据表“梯形齿同步带宽度bs系列”选取标准值，取bs=25.4mm。 作用在轴上的力 (4-8) 综上所述，带轮的齿数和节圆直径分别为： 小带轮：Z1=16；d1=48.51mm 大带轮：Z1=32；d2=97.02mm4.7带轮的设计 带轮的形状分为双边挡圈，单边挡圈和无挡圈三种。而本设计选择的是无挡圈型。根据带型L，带宽25.4mm，查表“同步带的宽度”得：带轮的最小宽度为29.7，所以本设计取大带轮和小带轮的宽度为29.7mm。带轮的尺寸图如图4.6所示。 查表“直边齿带轮的尺寸”得：图4.6带轮的尺寸图 小带轮的参数如下： 槽型:L 齿数：16 节圆直径d：48.51 带轮宽度：29.7 齿槽底宽bw:3.050.10 齿高hg:2.67(0,-0.10) 槽半角1.5:20 齿根圆角半径rf:1.19 齿顶圆角半径ra:1.17(+0.13,0) 节顶距2:0.762 外圆直径da: dad-2=47.75 外圆节距pa: pada/z=9.37(z带轮齿数) 根圆直径df: dfda-2hg=42.41 大带轮的参数如下： 槽型:L 齿数：32 节圆直径d：97.02 带轮宽度：29.7 齿槽底宽bw:3.050.10 齿高hg:2.67(0,-0.10) 槽半角1.5:20 齿根圆角半径rf:1.19 齿顶圆角半径ra:1.17(+0.13,0) 节顶距2:0.762 外圆直径da: dad-2=96.26 外圆节距pa: pada/z=9.44(z带轮齿数) 根圆直径df: dfda-2hg=90.924.8驱动轴的设计 小带轮轴的设计图如图4.7所示：图4.7 小带轮轴的二维图 小带轮轴选择的材料为40Cr，由机械设计手册查得材料力学性能参数为： 根据机械设计手册中的公式初步计算轴径。由于材料为40Cr，选择A=100，而，T=0.52Nm，得： mm (4-9) 大带轮轴的材料同大带轮一样，选择40Cr。轴径mm。4.9联轴器的选择 套筒联轴器分为圆锥销套筒联轴器、平键套筒联轴器和半圆键套筒联轴器。本设计选择圆锥销套筒联轴器。其联轴器的参数如图4.8所示：图4.8圆锥销套筒联轴器 轴直径d(H7):10 许用转矩/(Nm):4.5 D0:18 L:35 :8 C:0.5 C1:0.5圆锥销GB/T 117-2000:2.518选用此联轴器，由于工作转矩小于许用值，且结构简单。4.10轴承、轴套等零件的选择与设计(1)轴承 在清洁毛刷的系统中共有三组轴承，考虑到所受的径向力很小和使结构更简单，均采用深沟球轴承。其中有两组直接安装在手臂上，选用型号为61902的轴承，其基本的参数如下： 轴承代号|60000型:61902 基本尺寸d|/mm:15 基本尺寸|/mm:28 基本尺寸B|/mm:7 安装尺寸da(min) |/mm:17.4 安装尺寸Da(max) |/mm:26 安装尺寸ra(max) |/mm:0.3 其他尺寸d2|/mm:18.3 其他尺寸D2|/mm:24.7 其他尺寸/mm|r(min):0.3 基本额定载荷/kN|Cr:4.30 基本额定载荷/kN|C0r:2.30 极限转速/(r/min)|脂:20000 极限转速/(r/min)|油:26000 重量W|/kg:0.012 另一组轴承安装在轴承座上，选用型号为6300的轴承，其基本的参数如下： 轴承代号|60000型:6300 基本尺寸d|/mm:10 基本尺寸|/mm:35 基本尺寸B|/mm:11 安装尺寸da(min) |/mm:15.0 安装尺寸Da(max) |/mm:30.0 安装尺寸ra(max) |/mm:0.6 其他尺寸d2|/mm:19.4 其他尺寸D2|/mm:27.6 其他尺寸/mm|r(min):0.6 基本额定载荷/kN|Cr:7.65 基本额定载荷/kN|C0r:3.48 极限转速/(r/min)|脂:18000 极限转速/(r/min)|油:24000 重量W|/kg:0.0535 机器人的吸尘系统5.1吸尘系统的设计分析 吸尘系统主要由外壳，电机，叶片，过滤网和过滤片等组成。考虑到机器人的重量和成本问题，外壳和叶片均采用塑料制成，其中，叶片采用聚酰胺，外壳采用聚苯醚制成。吸尘系统的二维设计图如图5.1所示。图5.1 吸尘系统的二维图 在图5.1中，1为搭扣，2为弹簧，3为串激电机，4为后端箱，5为固定板，6为风扇，7为过滤网，8为尘箱，9为过滤片。 吸尘系统的工作原理是电机高速旋转，从吸入口吸入空气，使尘箱产生一定的真空，灰尘通过主吸管进入尘箱中的滤尘袋，灰尘被留在滤尘袋内。5.2电机的选择 考虑到电机的体积问题，而且对于吸尘系统，电机的转速要求在每分钟5000转左右，且扭矩要大，对于这些问题，串激电机正好解决了这些问题。串激电机拥有体积小，扭矩大，且转速也大，对应于吸尘系统，它需要高转速在容器内外形成负压,，以产生吸力。所以，选择串激电机，其型号为RY5425M11，其实体图如图5.2所示，尺寸如图5.3所示，其电机参数如表5.4所示。图5.2 串激电机的实体图图5.3 串激电机的尺寸图表5.4 串激电机的参数型号电源空载最大效率最大功率电压频率转速电流效率转速转矩电流输出功率转速转矩电流RY5425M1111060145000.4832.367310.04360.8732.751670.0611.065.3叶片的设计 叶片的三维模型图如图5.5所示。叶片的直径为50mm，叶片上由10片小的叶片组成。叶片的安装直接和串激电机的主轴连接。图5.5 风扇5.4外壳的设计外壳分为两部分组成，一部分为前端的尘箱，一部分为后端的装电机和风扇的箱体。尘箱和后端箱体的三维图如图5.6，图5.7所示。图5.6 尘箱三维图图5.7 后端箱体三维图 后端箱体由上半箱和下半箱组成，两部分通过M3的十字螺钉连接。在箱体的后端开几个矩形槽是为了将电机通过负压吸入的风向外排出；中间的结构是为了固定一个厚度为2mm的矩形支架，使其起到定位作用，并用M4的螺母固定串激电机；前端的设计，是为了让沉箱得到一个良好的负压，以达到吸尘的功效。5.5其他零件的设计 过滤网采用海帕过滤网，其过滤网的实体图如图5.8所示。海帕它是一种高效过滤器,可以将极小的灰尘挡住,效率达到99.97%。它的透气度是较低的,因此都做成波浪形以增加透气面积。这种过滤材料有的还可以反复清洗。 过滤网直接塞于尘箱中，由于尘箱有定位过滤网的措施，所以只要将过滤网塞于其中就行。图5.8 过滤网矩形支架的二维视图如图所示，为了配合串激电机的安装和定位，在中央区域攻4个M4的螺纹，并在中央开取一个直径为8mm的圆，为了让串激电机的主轴通过。矩形支架的安装只要将4个角塞于后端箱体的定位处即可。6 机器人的控制系统6.1控制系统的设计概述 机器人的控制系统，主要通过单片机来实现控制。使用PC机作为上位机，并通过VB来编写应用程序，从VB程序上发送信号给单片机STC89C52，单片机在收到命令后，控制三个直流电机进行工作。控制系统功能框架图如图6.1所示：图6.1控制框架图 除了硬件的支持外，还需要对程序的设计。单片机STC89C52采用的是8051单片机为核心，所以，对于单片机的编程采用C语言，上位机PC机采用VB编写程序。其程序框架图如图6.2所示：图6.2程序框架图上位机PC机上的应用程序能够实现的功能有：用户可通过程序界面上观看机器人的清洁现场，并可控制机器人的前进，后退，左转，右转，加速，减速，清洁刷的开关等。要实现机器人的功能之前，先要检查连接的正常与否，只有在确定连接成功的情况下，才能进一步执行机器人的控制。6.2控制系统各硬件的介绍（1）单片机STC89C52 单片机是一种集成电路芯片，并采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上，从而构成的一个小而完善的计算机系统。 STC89C52单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速且低功率的单片机，指令代码完全兼容8051单片机，其特点为：1. 工作电压： 5.5v-3.4v；2. 用户应用程序空间为8K字节；3. 工作温度范围： 0-75。（2）MAX232 MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。由于电脑串口RS-232电平是-10v+10v ，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0+5v,max232就是用来进行电平转换的，使单片机能正常接受信号，并正常工作。内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚DNG、16脚VCC（+5v）。 其原理图如图6.3所示。图6.3 MAX232原理图（3）PTR2000 无限收发一体数传MODEM模块PTR2000芯片性能优异，在业界居领先水平，它的显著特点是所需外围元件少，因而设计非常方便。该模板块在内部需成了高频接收、PLL合成、FSK调制/解调、参量放大、功率放大、频道切换等功能，因而是目前集成度较高的无线数传产品。12 PTR2000的主要特征如下： 1该器件将接收和发射合接为一体； 2工作频率为国际通用的数传频段433MHz； 3采用FSK调制/解调，可直接进入数据输入/输出，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合； 4采用DDS（直接数据合成）+PLL频率合成技术，因而频率稳定性极好； 5灵敏度高达105bBm； 6工作电压低（2.7V），功耗小，接受待机状态电流仅为8A； 7具有两个频道，可满足需要多信道工作的场合； 8工作数率最高达20kbit/s(也可在较抵速率下工作，如9600bps)； 9超小体积，约40275mm3； 10可直接与CPU串口进行连接（如8031），也可以用RS232与计算机接口，软件编程非常方便； 11标准的DIR引脚间距更适合于嵌入式设备； 12由于采用了低发射功率、高接收灵敏的设计，因此使用时无需申请许可证，开阔地时的使用距离最远可达1000米。 PTR2000模板的引脚排列如图6.4所示。各引脚的功能说明如下； VCC（1脚）：下输入端，电压范围为2.75.25V； CS（2脚）：频道选择端。CS=0时，选择工作频道1，即433.92MHz；CS=1时选择工作频道2，即434.33 MHz DO（3脚）：数据输出端； DI（4脚）：数据输入端 GND（5脚）：电源地 PWR（6脚）：节能控制端。当PWR=1时，模块处于正常工作状态，PWR=0时，模块处于待机微功耗状态； TXTN（7脚）：发射/接收控制端。当TXTN=1时，模块为发射状态；当TXTN=0时，模块被设置为接受状态。图6.4 PTR2000引脚示意图PTR2000的工作模式如表6.5所示：表6.5 PTR2000的工作模式TXENCSPWR工作频道号芯片状态0011接收0112接收1011发送1112发送XX0待机（4）L298N L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路，可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。 L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V，输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机。图6.6是L298N内部功能模块。表6.7为L298N的功能模块。图6.6 L298N内部功能模块表6.7 L298N的功能模块 In3，In4的逻辑图与表6.7相同。由表6.7可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。下图6.7是L298N的各引脚图。图6.8 L298N的引脚图 以下是L298的各项参数： L298N直流电机步进电机两用驱动器 驱动器尺寸：宽42mm、长78mm、最大高度23mm 主要元件：恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N、光电耦合器TLP521-4 工作电压方式：直流 工作电压：信号端4-6V、控制端5-36V 调速方式：直流电动机采用PWM信号平滑调速。 特点： 1、可实现电机正反转及调速。 2、启动性能好，启动转矩大。 3、工作电压可达到36V，4A。 4、可同时驱动两台直流电机。 5、适合应用于机器人设计及智能小车的设计中6.3电路板的设计 对于上位机PC端，先是通过RS-232串口通信，连接MAX232，达到电平转换，最后接PTR2000，以达到通信的效果。其中，RS-232与MAX232连接，是因为RS-232的输出电平为5 V15 V或者5 V15 V，而MAX232的作用是将上位机PC机输出的RS-232电平转换成单片机能接收的TTL电平。其上位机PC端的电路图如图6.9所示。图6.9 上位机端的电路图 对于单片机端，先要接收上位机PC端发来的信号，所以，先接PTR2000用以接收信号。单片机主要的功能是来控制三个电机的开关。而单片机直接连接电机又不行，单片机的电流，无法带动电机运转。从而，加入了L298N这一个硬件。使单片机通过L298N，间接连接三个电机，最终达到控制电机的作用。其单片机端的电路图如图6.10所示。图6.10 单片机端的电路图6.4上位机的控制面板设计上位机PC端的控制面板设计如图6.11所示。操作时，先确定与单片机端的连接情况。当连接情况良好时，通过按面板上的前进，后退，左转，右转，停止，清洁刷开和清洁刷关，来控制机器人上的三个电机的运转，来完成以上的动作。图6.11 PC端控制面板6.5单片机的编程 此单片机的程序的功能：先将单片机端的PTR2000置于接收端，当收到上位机PC端的信号时，将PTR2000置于发送端，延迟5ms，处理由上位机PC端发送而来的信号，当收到指令“0”时，置于前轮的两个电机正转，机器人前进；当收到指令“1”时，前轮的两个电机反转，机器人后退；当收到指令“2”或者“3”时，前轮中，其中一个电机停转，另一个电机正转，实现机器人转向；当收到指令“4”时，前轮的两个电机停转，实现机器人停止；当收到指令“5”或者“6”时，清洁系统中的电机转动或停止，实现清洁功能。在处理完这些指令后，通知上位机PC端发送信号结束，最后将PTR2000置回接受端。#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit ENA=P14/L298N的Enable Asbit ENB=P15/L298N的Enable Bsbit ENC=P34/L298N的Enable Csbit IN1=P10/L298N的Input 1sbit IN2=P11/L298N的Input 2sbit IN3=P12/L298N的Input 3sbit IN4=P13/L298N的Input 4sbit IN5=P32/L298N的Input 5sbit IN6=P33/L298N的Input 6sbit CS=P21sbit PWR=P22sbit TXEN=P20unsigned char flag,data;void delay(uint z)/延时函数：z的单位是msuint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=125;y0;y-);void main()TXEN=0/初始为接收状态PWR=1/正常工作模式CS=0/选择频道0TMOD=0x20/定时器1工作模式1，定时器0工作模式 2TH1=0xfdTL1=0xfdTR1=1/定时器1开始计时SCON =0x50/串行口工作方式1，REN=1EA=1ES=1while(1)if(flag=1)/收到指令TXEN=1;
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