家庭清洁机器人的设计2

word 学校代码：115171 学 号：201250616114HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING毕业设计 题 目家用清洁机传动系统和外形设计 学生某某 杨江涛 专业班级 机械设计制造与其自动化1222班 学 号 201250616114 系 部 机械工程学院 指导教师(职称) 赵让乾 (副教授) 完成时间 2014 年5 月 25日 50 / 61某某工程学院论文使用授权书本人完全了解某某工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以与提供本论文全文或者局部的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的局部或全部内容用于学术活动。论文作者签名： 年 月 日 某某工程学院毕业设计(论文)原创性声明本人X重声明：所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进展研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉与的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承当。 论文作者签名： 年 月 日某某工程学院毕业设计任务书题目 家用清洁机传动系统和外形设计 专业机械设计制造与其自动化 学号201250616114某某杨江涛 一、主要内容4.电机的选择、零件的设计计算6.毕业设计论文编写工作二、 设计家用地面清洁机的根本要求 随着人们生活水平的提高，现代家庭的住宅越来越宽敞，地面清洁工作量越来越大。为了节省清洁占用时间，减轻劳动量，提高清洁效率，对本课题设计的家用清洁机提出了更高的要求：一是能够实现吸尘功能；二是能够实现拖地功能；三是行走能够实现前进、后退、左右转弯、避障等功能； 四是运行过程中不得有过大的噪声。三、 参考文献1 肖南峰. 服务机器人M. ：清华大学，2013，5-35.2 秦保振. 清洁机的现状与开展趋势J. 清洁机信息学报，2007，32 (4): 207-230.3 Ansel C, Ugural. California Institute of TechnologyJ. Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 2000, (04):12-15.4 蔡自兴. 机器人学M. ：清华大学，2010，13-15.5 朱顶峰. 2011-2015年中国智能清洁机器人开展研究与前景预测报告J. 中商情报网，2011，38 (12)：6-13.6 RobertL, Norton. Autonomous vacuum cleaners must be bayesianJ. Moscow: Pergramon Press, 1997, (22):4-9.7 杜祥琪. 工业机器人与其应用M. ：机械工业，1986，12-16.8 宗光华. 机器人的创意设计与实践M. ：航空航天大学，2004，60-68.9 孙桓,陈作模,葛文杰. 机械原理M. ：高等教育, 2010，52-60.10 岑军健. 新编标准设备设计手册M. ：国防工业，1999，82-87.11 中国工程机械学会带传动技术委员会. 中国机械工业标准汇编：传动卷M. ：中国标准，1989，172-186.12 濮良贵,纪名刚. 机械设计M. ：高等教育，2006，38-46.13 罗迎社. 材料力学M. 某某：某某理工大学，200，32-50.14 周良德,朱泗芳,杨世平. 现代工程图学M. 某某：某某科学技术，2008，2-8.15 孙岩. 机械设计课程设计M. ：理工大学,2010，6-20.16 关慧贞,冯辛安. 电池选用手册M. ：机械工业，2011，46-59. 完 成 期 限：指导教师签名：专业负责人签名：年 月 日目 录摘 要IABSTRACTII1 前言111.2 国内外相关产品研究21.2.1 国外产品研究状况271.2.3 自主充电技术开展现状91.3 研究的目的和意义91.4 设计的重点和难点102 家庭清洁机器人的关键技术112.1 传感技术112.2 路径规划技术122.3 吸尘技术122.4 电源技术133 清洁机器人的机械设计143.1 机械结构组成和工作原理143.1.1 机械结构组成143.1.2 工作原理153.2 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 拖地机构的设计184 吸尘局部的设计224.1 一般吸尘器的原理和结构224.2 吸尘结构的设计224.2.1 选择吸尘器的风机234.2.2 垃圾收集处理机构设计245 拖地局部的传动系统设计计算265.1 电机选择265.2 拖地机构的电机的选择275.3 齿轮的设计计算295.4 同步带传动设计计算325.5 轴的设计355.5.1 轴2的设计355.5.2 轴1的设计395.6 对轴承的校核425.7 键的选择与校核计算435.8 家庭清洁机器人电池的选用446开展趋势与展望466.1 开展趋势466.2 展望46完毕语47致 谢48参考文献49家用清洁机传动系统和外形设计摘 要清洁机器人将移动机器人技术和清洁器技术有机地融合起来，实现室内环境的半自动或全自动清洁，替代传统繁重的人工清洁工作，已受到国内外的研究人员重视。设计完成了清洁机的外形结构设计、拖地机构的传动系统的设计以与吸尘功能的优化设计。拖地机构的传动设计采用齿轮和同步带传动方案。外形结构采用圆盘形，实现了躲避障碍物和地面清扫功能。本设计完成的家用清洁机，1个小时可以打扫360平方米,清洁度高达93%以上。关键词: 清洁机;移动机器人;吸尘器;拖地机 ROTATION SYSTEM AND SHAPE DESIGN OFHOME CLEANING MACHINEABSTRACTCleaning robot bine mobile robot technology and cleaner technology organically , realizing the cleaning of indoor environment of semi-automatic or fully automatic , replacing traditional heavy manual cleaning, drawning the attention of researchers both at home and abroad. The design has finished the appearance structure design of cleaning machine , the transmission system design of mop the floor mechanism and optimization design of vacuum function.The gear transmission design and synchronous belt transmission scheme is adopted by mop the floor organization.Disc is adopted by the contour structure.The design realize the function of avoiding obstacles and surface cleaning.The household cleaning machine can clean the area of 360 square metersper hour, cleanliness of which is as high as 93% above.KEYWORDS: Clean machine; Mobile robot;Dust collector;Sweep the floor machine1 前言近年来,随着中国工业的快速开展,吸尘器的产销量也大幅增加,在我国市场具有旺盛的生命力。随着社会的进步和开展,人们的物质和精神生活质量的提高,迫切需要从繁重的清洁工作中解脱出来。由此诞生了一种家用服务型清洁机器人,它将移动机器人技术和清洁技术有机地融合起来,实现家庭、宾馆、写字楼等室内环境的半自动或全自动清洁。 自动进展房间地面清洁的自主吸尘式家庭服务机器人，它集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。自主清洁机器人作为智能移动机器人实用化开展的先行者，其研究始于20世纪80年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。清洁机器人的开展，带动了家庭服务机器人行业的开展，也促进了移动机器人技术、传感器、图像和语音识别等相关技术的开展,因此具有广阔的市场前景。本次设计的题目就是在这种背景下提出的，其设计要求如下： (1) 清洁机是清洁行业里常常用到的清洁设备，最主要的作用是吸尘、清洗地面 (2) 适合清洁的作业区：陶瓷、某某石等光滑硬质地面 (3) 移动机构形式：轮式 (5) 拖地洗盘转速：3r/s (6) 转弯半径：0 (7) 整机高度：200mm (8) 整机直径：400mm (9) 清洗方式：旋转拖地 (10) 电量低警示方式：LED闪灯 (11) 具有避障功能 (12) 具有自动充电装置1.2 国内外相关产品研究地面清洁机器人作为智能移动机器人实用化开展的先行者，其研究始于20世纪80年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。清洁机器人的开展，带动了家庭服务机器人行业的开展，也促进了移动机器人技术、传感器、图像和语音识别等相关技术的开展。现结合国内外的文献将清洁机器人与其自动充电技术的开展现状阐述如下。1.2.1 国外产品研究状况对于机器人我们可能不会太陌生，工业机器人在很多领域都得到了比拟广泛的应用，但是对于家庭机器人我们所了解的却相当的少，而日本，欧美等国家的研究如此比拟领先，有的都已经投入市场，在实际中投入使用。 RC3000是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的清洁机器人，如图1-1所示，它有光电传感器和芯片控制，当遇到障碍时，会随机改变一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物。内置了四种清洁程序，保证在遇到不同污渍的地面时，可以调整其清洁程序；通过传感器对于地板污渍的判断，选择适宜的应用程序。内置光敏传感器，确保在遇到楼梯与台阶时，能够自动避让，不会掉落。扁平的设计使其能够清洁床，沙发，茶几等家具的下部位置。其相应的充电站有红外发射、工作时间设定、工作模式选择、充电、垃圾处理五个功能。充电站一直发射红外定位和导航信号来指引机器人回到充电站完成充电和垃圾处理的任务；同时能够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的操作。如图1-1所示。图1-1 智能机器人RC3000在日本，东日本铁路公司、Shink电器公司和Howa工业某某联合研制了车站地面拖地机器人，机器人可沿墙壁从任何一个位置自动启动，利用不断旋转的刷子将废弃物扫人自带容器中。该机器人可采用 “磁导引方式、“示教方式或 “墙面复制方式控制。东日本路公司、富士工业某某Subaru实验室和JR东方设施管理某某联合研制了车站地面擦洗机器人，该机器人工作时一面将清洗液喷洒到地面上，一面用旋转刷不停地擦洗地面，并将脏水吸人所带的容器中。机器人中的感知系统采用光纤陀螺和超声波传感器，自动清洗系统有两种，一种是“面积设定模式，即将待清洗的面积分为假如干个单位面积，按照其存储器中的单位面积识别其行使路线，机器人还可利用其传感器识别和躲避障碍物；另一种叫“路径地图模式，机器人按照内装的路径地图行使，机器人可存9幅地图，并可利用IC卡作为外存，在该模式下，机器人不会避障，仅适用于需要反复擦洗的指定地段。东日本铁路公司和东芝公司联合研制的用于座椅布局简单的列车内部地面清洗的机器人，其体积小、重量轻、易于出入车厢与在车厢之间运动，感知系统采用超声波距离传感器和光学、接触式的接近传感器；机器人采用推算定位法，利用编码器中的数据，保持自己的位置和路径，假如探测到错误位置，机器人会通过距离传感器自动修正；高级的列车地面清洗包括扫除垃圾、喷洒清洗液、擦洗、回收污水、用清水冲洗和给地面打蜡六个步骤。日本静甲株式会社的清水工厂开发出一种自动拖地机器人，可用于各种工厂的拖地工作，机器人采用光纤陀螺控制机器人的方向，采用编码器和超声波传感器测距，采用光学探测器探测障碍物，机器人的四周装有橡胶垫，橡胶垫内部装有触觉传感器，一旦机器人与人接触，触觉传感器信号会使机器人停下来以保证人的安全。松下和日立公司也研制出了可拖地砖、木质地板和地毯地面的清洁机器人，该机器人采用蓄电池作为动力源，可自动去充电站充电，能够自主避障和路径规划。松下电器产业公司在2002年上半年推出了家庭用清洁机器人的试制机。该机器人可以根据房间的形状、地板状况、垃圾量进展自动拖地，还配备有避开墙壁、炉子等热源以与障碍的安全功能；该机器人配备有50个传感器可一边自动行走一边进展拖地，工作时首先沿房间四周走一圈，记忆房间形状，然后在避开障碍物的同时开始纵横来回移动，清洁工作完成后会自动停止。该机器人拖地一般的日本式房间约需要9min，相当于人打扫同样大房间所需时间的1-1.5倍，可拖地房间地板的9293；机器人利用光与超声波的测距传感器与感压传感器来避开障碍物，机器人的内置回转传感器用来控制行走姿势以保持既定的行进方向，但在地毯上行走时如果不采取措施如此会受到 “地毯花纹影响而弯曲前进，因此该公司在机器人中安装了方向舵传感器，可以检测出由于地毯花纹影响而产生的行进方向偏差，因此即使在铺有地毯的地板上也能够直线前进，机器人体内还安装有防止从台阶等高处滚下的落差传感器、感知暖炉等热源的热传感器、检测自身所受外力大小的重量传感器与防滑传感器、检测添加动力的负载传感器，机器人同普通的障碍物最少保持10cm的距离，而在探测到热源时，将会同热源至少保持50cm的距离。20世纪90年代，美国就推出了地面清洁机器人 RoboScrub，该机器人配有激光导航系统，采用超声波测距和避障，用光码条实现定位。2002年9月清洁机器人“Roomba在美国面市，它重约2kg，直径为30英寸，具有高度自主能力，可以游走于房间各家具缝隙间，灵巧地完成拖地工作，据说这是将用于军事的“躲避地雷的移动技术应用到了吸尘器上。Roomba的动作有点儿缓慢，但它却能稳定、安全地完成任务。由于能够在完成任务后自动切断电源，所以可以在外出期间让Roomba在家进展拖地。如图1-2所示。图1-2 智能清洁机器人Roomba2002年10月1日，瑞典的拉克斯电子公司与日本东芝公司共同开发的清洁机器人 “特里洛巴伊特上市销售，“特里洛巴伊特主要由拖地机器和超声波传感器构成，在工作时可避开室内摆放的各种家具用品。只要家庭主妇领着它搞过一次拖地后，它便可以按行走过的拖地线路进展自动拖地。这种机器人是充电式的，每一次充电可连续工作 1小时。瑞典家电制造商伊莱克斯EIectoIux研制生产的清洁机器人小“三叶虫高13mm，直径35mm，外表光滑，呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一旦微处理器识别出这些障碍物，它可重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被拖地。在楼梯的台阶等一些没有天然障碍物的地方，只要有一条磁铁，小“三叶虫便不会跨越。小“三叶虫开始启动后，体内的搜索雷达会探测出距离最近的墙壁，先顺着墙壁把地板四周的灰尘与异物吸尽。这样它便能探测出整个房间的格局，计算出拖地整个房间所需的时间。只要一接近一件障碍物，它便会重新设定行进路线，不会漏掉每一个角落。电线或地毯的边缘不会被认作是障碍物。小 “三叶虫的吸刷装置中装有一只专利设计滑轮，可以越过电线或地毯边缘，不被绊住。电源不足时，小“三叶虫会自动回到充电卡座自行充电。如果此时房间还没有拖地完毕，小“三叶虫还有记忆功能，充好电后自己回到原处继续吸尘，如图1-3所示。英国、法国和澳大利亚也都推出过清洁机器人产品。图1-3 三叶虫英国Dyson公司最近推出一种型号为DC06的智能吸尘器。这是世界首次开发研制的全自动“吸尘机器人。这种机器人具有一定的人工智能,只需轻按开关它就会为你解除每天打扫房间的烦恼。如图1-4所示,吸尘机器人形状呈50厘米长的模型汽车状,重9.2公斤左右,配置了70多个传感器,可随时将发现的情况告诉由3台内置电脑组成的“大脑。“大脑每秒可发出16条命令来指挥吸尘器的工作。充电后一按开关,机器人会在瞬间通过所搭载的三台小型计算机和70个传感器计算出自己所在位置、房间大小与脏乱程度、家具的配置等。要是小孩或狗等外来物体接近吸尘器,它就会自动停止工作。接近楼梯口时,吸尘器会自动采取保护措施,以防止滚到楼下。使用时,只要打开电源、选好速度、按下“走键,吸尘器就会自动工作,其它程序都由它自己独立完成。不过该产品目前价格太高(4000美元左右一台),要真正推向市场还有相当的难度,如图1-4所示。图1-4 智能机器人DC06澳大利亚的Floor Botics公司最近也研制出可自动行驶并打扫房间的V4型机器人,如图1-5所示。这种全自动吸尘器外表光滑,体积很小,呈圆形,内置搜索雷达,可以搜索各种房间里的每一处,不会碰撞家具或其它障碍物。微处理小电脑使它具备在拐至屋角处能探测方向、选择前进路线的能力。只要一放在地面上,全自动吸尘器便可自动开始工作。其搜索雷达会探测出距离最近的墙壁,先顺着墙壁把地板四周的灰尘与异物吸尽,然后再不规如此地来回于房间的其它位置,并且能在接近障碍物之前迅速转向。该吸尘机器人由于在主机的周围360度配备了障碍物传感器,因此可以在检测墙壁与障碍物的同时打扫地面。当打扫完可以行驶的场所后,机器人就自动关闭电源。在经过4个小时充电后可以连续工作1个小时以上,通过更换配件还可以打扫地毯等。不管房间的外形与面积的大小, ARNA导航算法引导机器人在任何房间的所有无遮掩区域四处运动来进展清洁工作。因为机器人导航沿房间的周围,所以它要创建自己的空间参考图,机器人不需要任何编程“教它应该去哪里。该机器人操作简单,仅有三个按钮:开始、完毕以与暂停。人们只要简单地将它放置在需要拖地的区域或房间中(这个机器人吸尘器很轻,一只手就可以容易拿起它),按下开始按钮即可，如图1-5所示。图1-5 V4智能吸尘机器人2003年11月，三星公司推出一款代号为VC-RP30W的机器人吸尘器，如图1-6所示。VC-RP30W主要依靠3D地图技术来进展定位，并能灵巧地躲避障碍物，能够快速、高效地对房间每个角落进展吸尘。当遇到障碍物或者死角等情况，VC-RP30W会自动转向继续工作。其强大的智能判断系统使得VC- RP30W能轻易地分辨出垃圾与其他日常生活用品，机器人也允许用户定义它的工作时间与清扫区域等，从而实现主人不在家时机器人也能进展自动拖地。事实上，用户除了可以对它本身进展设置以外，还能通过计算机查看安装在机器人前部的摄像头进展远程遥控。整个器人的电池能维持它连续工作50分钟，而一旦电池处于即将耗尽的状态时它自动回到充电座补充能源，非常地智能化。它回充电站使用的是已经生成的3D地图，而不是像RC3000那样使用红外的导航信号。图1-6 三星机器人VC- RP30W1.2.2 国内产品研究状况在国内的一些大学，如某某工业大学、华南理工大学、某某交通大学等单位也对清洁机器人进展了大量的研究并取得了一些成果，对清洁机器人相关技术如机器感知、机器人导航和定位与路径规划、机器人控制、电源与电源管理、动力驱动等技术的研究如此更多，这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质根底和技术根底。某某工业大学于20世纪90年代开始致力于这方面的研究，与某某中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动拖地机器人。该机器人具有如下特点：采用全方位移动技术，使机器人可执行对狭窄区域等死区的拖地任务；采用开放式机器人铰制结构，实现硬件可扩展，软件可移植、可继承，使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性；在拥挤环境下的实时避障功能，能更好地适应不断变化的拖地工作环境；遥控操作和自主运动两种运行方式；吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换，提高了吸尘效率。某某大学于1999年初在某某大学机械电子研究所开始进展智能吸尘机器人的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人。这种智能吸尘机器人工作时，首先进展环境学习：利用超声波传感器测距，与墙保持一定距离行走，在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息，从而决定拖地时间；之后，利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的拖地路径；拖地完毕以后，自行回到充电座补充电力。目前，系统正在引入机器视觉和全局定位功能，力图在多房间环境下，提高自定位能力、智能决策能力以与回归充电效率，最终提高拖地效率。如图1-7所示。图1-7 国内公司生产的机器人KV8 KV8保洁机器人是今年在市场以低价位卖得比拟火的一款产品，也是国内首个产品化拖地机器人。它广泛用于家庭、办公和娱乐场所，以与其它一些人员不便进入的地方。KV8能够通过自身的碰撞传感器来实现随机的拖地和碰撞处理，需要人工对其电池进展充电，有三种工作模式可以选择，在启动时伴有音乐声。1.2.3 自主充电技术开展现状在20世纪40年代末，Grey Walter开发第一个自主充电的移动机器人名为：“Tortoises，这种机器人具有在神经学研究中向着光线走的行为。Walter还发明了一个可以充电的小橱，橱中有能够发射光束的装置和充电器，并把它当作充电站。通过光线束的引导，机器人来到橱前通过接触从而进展自主充电。这个系统有如下的特征：(1) 机器人的感知行为：感光；(2) 充电站能够发出机器人可以感知的光束；(3) 能够对电池和充电器进展具有一定准确性地对接。1998年，Tsukuba大学成功开发出了一款可以自动充电的名为Yamabico-Liv的导游机器人。通过使用导航系统，该机器人能够利用地图自主导航绕越实验室的环境到达充电站，通过充电站上一些特殊的装置的作用，实现自主充电。 最近，位于美国的卡内基梅隆大学的机器人研究中心也开发出了一种叫做Sage的导游机器人，它是从卡内基梅隆历史博物馆所使用的导游机器人Nomad XR4000改良而来。机器人Sage通过其所携带的CCD摄像头对标识环境的三维路标等进展识别和处理，从而自主地寻找充电站实现自动充电。路标被直接放于充电站的插座的正上方，通过它的引导，实现机器人可靠地停靠在预设的充电位置处，从而实现充电，在插座和插孔中间没有别的东西。在174天的操作运行中，这个机器人成功地实现135天无故障地运转。与此同时，大约每九天就偶尔会要人为地进展一些精度校正。1.3 研究的目的和意义吸尘机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来，实现室内环境地面的半自动或全自动清洁，替代传统繁重的人工清洁工作，近年来已受到国内外的研究人员重视。作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术方面讲，智能化自主式吸尘器比拟具体地表现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性。从市场前景角度讲，自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于家庭和公共场馆的室内清洁。因此，开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性，又具有广阔的市场前景。融合现代传感器以与机器人领域的关键技术，本课题旨在开发一部价格廉价，全区域覆盖，能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家庭拖地机器人。使它可以替代传统的家庭人工拖地方式，使家庭生活电气化、智能化，使科技更好地为人类服务。1.4 设计的重点和难点由前面的设计家庭清洁机器人的工作内容和要求，在宽400高100的体积下如何设计和布置好拖地机构，行走机构，吸尘机构和储存垃圾机构是本次设计的重点，机器人中的关键局部拖地机构的设计也是本次设计中的难点所在。因为还要求所设计的机器人具有避障功能，所以其外形设计也应该仔细考虑。拖地后的垃圾如何处理，以与如何布置吸尘设备也是本次设计中需要仔细考虑的问题。2 家庭清洁机器人的关键技术家庭清洁机器人的关键技术吸尘机器人系统通常由四个局部组成:移动机构、感知系统、控制系统和吸尘系统。移动机构是吸尘机器人的主体,决定了吸尘器的运动空间,一般采用轮式机构。感知系统一般采用超声波测距仪、接触和接近觉传感器、红外线传感器和CCD摄像机等。随着近年来计算机技术、人工智能技术、传感技术以与移动机器人技术的迅速开展,吸尘机器人控制系统的研究和开发已具备了坚实的根底和良好的开展前景。吸尘机器人的控制与工作环境往往是不确定的或多变的,因此必须兼顾安全可靠性、抗干扰性以与清洁度。用传感器探测环境、分析信号,以与通过适当的建模方法来理解环境,具有特别重要的意义。近年来对智能机器人的研究明确,对于工作在复杂非结构环境中的自主式移动机器人,要进一步提高其自动化程度,主要依靠模式识别与障碍物识别、实时数据传输与适当人工智能方法,还需要进一步开发全局模型,从而为机器人获取全局信息。目前开展较快、对吸尘机器人开展影响较大的关键技术是:传感技术、智能控制技术、路径规划技术、吸尘技术、电源技术等。2.1 传感技术为了让吸尘机器人正常工作,必须对机器人位置、姿态、速度和系统内部状态进展监控,还要感知机器人所处工作环境的静态和动态信息,使得吸尘机器人相应的工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化。通常采用的传感器分为内部传感器和外部传感器。其中内部传感器有:编码器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘等。其中编码器用于确定当前机器人的位置,线加速度计获取线加速度信息,进而得到线加速度和位置信息;陀螺仪测量移动机器人的角度、角速度、角加速度以得到机器人的姿态角、运动方向和转动时运动方向的改变等绝对航向信息。外部传感器有:视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器。视觉传感器采用CCD摄像机进展机器人的视觉导航与定位、目标识别和地图构造等;超声波传感器测量机器人工作环境中障碍物的距离信息和地图构造等。红外线传感器大多采用红外接近开关来探测机器人工作环境中的障碍物以防止碰撞。接触和接近觉传感器多用于避碰规划。2.2 路径规划技术吸尘机器人的路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息,按照某种优化指标,在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径,并且实现所需拖地区域的合理完全路径覆盖。机器人路径规划研究开始于20世纪70年代,目前对这一问题研究仍旧十分活跃。其主要研究内容按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境、动态环境和动态不确定环境,按机器人获取环境信息的方式不同可以分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。对运动规划问题,目前有具体的解析算法。但由于解析算法牵涉到复杂的椭圆积分问题,实现起来依然具有相当的难度。根据机器人对环境信息知道的程度不同,可以分为两种类型:环境信息完全知道的全局路径规划和环境信息完全未知或局部未知,通过传感器在线地对机器人的工作环境进展探测,以获取障碍物的位置、形状和尺寸等信息的局部路径规划。全局路径规划包括环境建模和路径搜索策略两个子问题。其中环境建模的主要方法有:可视图法(V-Graph)、自由空间法 (Free Space Approach)和栅格法(Grids)等。2.3 吸尘技术 真空吸尘器是由高速旋转的风扇在机体内形成真空从而产生强大的气流,将尘埃和脏物通过吸口吸入机体内的滤尘袋内。吸尘系统包括滤尘器、集尘袋、排气管以与其他一些附件。其吸尘能力取决于风机转速的大小。最近,澳大利亚Jetfan公司又开发出采用新原理的气流滤尘器。这个吸尘器是一个全封闭系统,既无外部气体吸入,也无机内气体排除,所以就无需滤尘器、集尘袋、排气管等附件。其原理是利用附壁效应去形成低压涡流气体,最后将沉渣截留于吸尘器内的涡流腔内。在英国Dyson公司最近推出的DC06型智能吸尘器中就采用了这种技术。2.4 电源技术 移动电源在吸尘机器人中的地位十分重要,可以说是它的生命源。移动电源需要同时满足吸尘机器人的多种能源需要,如为移动机构提供动力,为控制电路提供稳定的电压和为吸尘操作模块提供能源等。在这一领域,一般采用化学电池作为移动电源。理想的电源应该能够在放电过程中保持恒定的电压、内阻小以便快速放电、可充电以与本钱低等。但实际上没有一种电池可同时具备上述优点,这就要求设计人员选择一种适宜的电池,尽可能增加吸尘机器人的不连续工作时间。3 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要研制一台结构小巧、灵活，控制简单、易于实现，初步完成自主移动、自动避障和路径规划任务的清洁机器人。整个清洁机器人由机械局部和控制系统两大局部组成。机械局部包括高强度塑料底盘、外壳、两个驱动轮和一个随动轮。它们是吸尘电机、清洁刷、电池以与控制系统的载体。3.1.1 机械结构组成本清洁机器人的结构主要包括以下几局部:(1) 行走驱动轮与驱动电机。该局部主要保证机器人能够在平面内移动。壳体前端和侧面装有红外开关，作为碰撞检测传感器。底面的3个红外开关作为台阶检测传感器，防止跌落。驱动轮上装有光电编码盘，可以对轮速进展检测和控制，实现定位和路径规划。同时还扩展了超声波传感器，用于准确定位的需要;(2) 拖地机构。用电机带动两个拖地刷，使左面拖地刷顺时针转动，右面逆时针转动，这样就可以在拖地灰尘时将灰尘集中于吸风口处，为吸尘机构的工作做准备；(3) 吸尘机构。制造强大的吸力，将灰尘吸入灰尘存储箱中；移动机构是其它部件的载体，机器人移动机构按结构分有轮式、履带式和步行式等。轮式和履带式机器人适合条件较好的地面，而步行机器人如此适合于条件较差的路面。本课题研制的自主清洁机器人工作在环境较好的室内，所以采用轮式移动机构较为适合。轮式移动机器人一般有三轮、四轮和六轮，移动机器人假如采用三轮结构如此比拟简单，能够满足一般的需求，应用也比拟广泛;四轮的稳定性好，承载能力较大，但结构较复杂;六轮与四轮类似，只不过有更大的承载能力和稳定性。在本课题中，清洁机器人的重量不是很大，工作条件是室内，也不恶劣，三点确定一个平面，三轮理论上也是稳定的。但是对负载有一定的限制，对三轮移动机器人来说，重心都比拟低，载荷稳定且中心位置根本不发生变化，所以采用三轮结构就能满足要求。三轮转向装置的结构通常有两种方式:(1) 铰轴转向式:转向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆机构控制铰轴，从而控制转向轮的转向。(2) 差速转向式:在机器人的左、右轮上分别装上两个独立的驱动电机，通过控制左右轮的速度比实现车体的转向。在这种情况下，非驱动轮应为自由轮。移动机器人假如采用铰轴转向式控制简单，但精度不是太高;差动转向式控制复杂，但精度较高。考虑到本课题清洁机器人将来作为服务型机器人使用，在控制方式上应达到一个较高层次，所以采用差动转向式比拟好，并且其运动和转向的精度也高一些，以便为以后的避障和轨迹规划打下一个良好的根底。因此本系统的移动机构采用的是三轮差速转向式的，如图3-1所示。按照上述的移动结构，清洁机器人采用两直流电动机独立驱动左右两轮的差动方式，控制简单、准确、易于实现，可以方便地实现吸尘机器人的前进、左转、右转、后退，以与调头等功能，清洁机器人能够在任意半径下，以任意速度实现转弯，甚至可以实现零转弯半径(即绕轴中点原地旋转)。随动轮右轮由右轮电机驱动左轮由左轮电机驱动图3-1 移动机构示意图3.1.2 工作原理本系统的功能模块关系如图3-2所示。清洁机器人由多个功能模块共同组成，这几个模块共同工作、相互协调、相互作用，保证了机器人能够顺利的进展拖地。具体的工作原理如下清洁机器人的中心是清洁机器人的CPU，它对其它各个功能模块进展控制。信息采集模块负责采集周围环境以与机器人本身的各种信息。键盘模块和红外遥控接收模块可以接收人们对机器人的控制信息，然后把信息传给CPU进展处理。当接收到需要机器人进展拖地工作的信号时，CPU可以通过控制行走机构和清洁机构让机器人进展工作。在机器人工作的过程中还可以通过LCD显示模块和状态指示模块对机器人的状态进展时实的显示。 机器人工作的流程如下: (1) 首先可以通过键盘或者遥控器启动清洁机器人，让它开始拖地工作。 (2) 机器人一旦开始工作，便控制拖地机构进展拖地、吸尘机构开始吸尘、擦地机构开始擦地。 (3) 机器人开始工作，传感探测模块就开始不断地采集外部信息，送到CPU进展分析和决策产生机器人行走的路径。 (4) 当路径规划需要机器人实现转向的时候。CPU就分别改变左右轮的速度，通过差速来实现转向。 (5) 工作期间机器人可以通过LCD显示一些相关信息(比如工作模式、工作计时或温度)。 (6) 遥控器除了可以控制清洁机器人的启停，还可以对机器人进展定时，让机器人在一定时间后开始工作或者工作一定时间后停止工作。行走机构清洁机构红外遥控接收模块键盘模块信息采集模块清洁机器CPU 状态指示模块LED显示模块图3-2 功能模块关系示意图该机器人利用安装的各类传感器来获取室内环境以与自身的根本信息，如障碍物的位置、自身走过的距离等;然后根据获得的信息，选定相应的控制策略;通过以单片机为核心的控制系统进展障碍物判断、避障策略选择和运动行走实施。机器人面板上有控制其开始/停止工作的按键。同时也可以通过遥控来控制，遥控还可以用来对机器人进展定时，LCD实时的显示定时的倒记时和当前的温度值。3.2 清洁机器人总体设计3.2.1 机器人外形设计根据家庭清洁机器人的设计要求，本次设计的机器人应该包括拖地机构、行走机构、吸尘机构、垃圾收集处理机构，其中拖地机构的设计尤为重要。通过在网上搜索一些相关资料以与在图书馆查阅的资料，初步把机器人的外形设计为长宽均为400mm高为100mm的长方体，但是后来发现所设计的结构的不合理之处，周边有棱角的机器人在躲避障碍物是很不便，非常容易碰到障碍物，而圆形物体如此比拟容易避开障碍物。因而最终把机器人的外形设计为圆盘形，其外部轮廓大体如图3-3所示。图3-3 清洁机外形图3.2.2 机器人的行走机构设计为实现机器人的转弯半径为0，在机器人的行走机构中采用两轮驱动，两个驱动轮对称分布在拖地机构的后方，两个轮子和刷子支撑机体工作和运动，这样设计既节省材料，又可以使刷子和地面全面的接触，从而利于更彻底的拖地。在机器人转弯时，通过控制行走机构的两个电机的转速与旋转方向，进而控制两个轮子，通过轮子的前后差速运动实现机体的转弯半径为0。3.2.3 拖地机构的设计 在拖地机构的设计中想到了五种方案：(1) 电机带动斜齿轮1，斜齿轮1带动斜齿轮2，斜齿轮2带动斜齿轮3，斜齿轮上的轴连接滚刷，进而实现拖地；图3-4 拖地机构一(2) 电机带动锥齿轮1，锥齿轮1带动锥齿轮2，由锥齿轮2上的轴连接滚刷，进而实现拖地；图3-5 拖地机构二(3) 电机带动蜗杆，蜗杆两端接蜗轮，两个蜗轮的轴上分别接刷子，从而实现拖地；图3-6 拖地机构三(4) 电机带动蜗杆，蜗杆两端接蜗轮，两个蜗轮分别接皮带轮，皮带轮上的轴接刷子，从而实现拖地。图3-7 拖地机构四 5直流减速电机，通过电机轴带动左边带轮，左边的带轮通过同步带带动拖把轴上的带轮来带动拖把轴，右边的传动靠齿轮啮合、带传动来带动右边拖把旋转。电机图3-8 拖地传动机构五以上五种方案通过比照以与由设计的要求所限制，最终选择方案五为拖地机构。其正面结构如图3-9所示。 图3-9 拖地传动机构简图 因为所设计的机器人它的体积有限制，在直径为四百，高为一百的圆内要放置有拖地机构、行走机构、吸尘机构、垃圾收集处理机构，同时还得留下放电池、控制中心、观察中心的地方，而方案一虽然易于安装，传动平稳，但是斜齿轮所占的面积非常大，如果选用它，如此会占用大量的空间，使其它几个单元有些局部将放置不下，从而超出所要设计的尺寸，因而否认了这种方案；方案二中，锥齿轮传动不如斜齿轮平稳，同时锥齿轮一所占的体积也比拟大，而拖地机构又是本次设计中最重要的局部，因而选用锥齿轮的弊端也很大，所以经过计算与各个机构总体布局的综合考虑，舍弃了方案二；方案三中通过电机带动蜗杆旋转，再有蜗杆带动其两端的蜗轮，由蜗轮上的轴带动固定在其上的刷子旋转，从而实现了拖地的目的。为了使机器人的外壁在靠近墙边时刷子能够扫到墙壁的边缘，同时使它在拖地过程中没有工作盲区，开始设计时用两个直径都为150mm的刷子，这样的话，蜗轮和蜗杆的中心距就必须为75mm,而在这种中心距的情况下，蜗轮蜗杆的尺寸都比拟大，虽然能够放置下，但是蜗轮蜗杆这个装置就显得比拟笨重，所占的重量很大，这就加重了机器的人的总重量，因而这种方案也不是很合理；最后在方案三的根底上产生了方案四。方案四中通过两边加皮带轮这个结构缩小了蜗轮蜗杆的中心距，从而减小了机器的总重量，但是考虑到蜗轮蜗杆为非标准件，制造安装较复杂，所以考虑应用方案五。方案五兼顾了方案四的优点，制造安装方便，因而选择方案五为本次设计的拖地机构。4 吸尘局部的设计4.1 一般吸尘器的原理和结构吸尘器的工作原理是:利用电动机带动叶片高速旋转，在密封的壳体内产生空气负压,吸取尘屑。 吸尘器的原件：所有吸尘器都配有一个组装刷头,供清理地板与地毯是用。吸力式吸尘器还会配备一系列的清洁刷与吸嘴,以便清扫角落、窗帘、沙发和缝隙用。喉管:所有吸力式的吸尘器都会装备硬喉管，用来连接清洁用的软喉管与附件。电动刷:内式吸尘器的清洁头,是混合式吸尘器特别有的配件。圆刷头:也较小吸嘴,可做360度回转,方便清洁家具、精细网织物等。扁吸嘴又称缝隙吸嘴，是一支细长、扁平的硬吸嘴。特别适用于清洁墙边、辐射式暖片、角落与浅窄地方。扫尘刷：用长而软的鬃毛制成，适用于清洁窗帘、墙壁等。吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三局部组成，一般包括串激整流子电动机、离心式风机、滤尘器袋和吸尘附件。一般吸尘器的功率为400-1000W或更高，便携式吸尘器的功率一般为250W与其以下。吸尘器能除尘，主要在于它的“头部装有一个电动抽风机。抽风机的转轴上有风叶轮，通电后，抽风机会以每秒500圈的转速产生极强的吸力和压力，在吸力和压力的作用下，空气高速排出，而风机前端吸尘局部的空气不断地补充风机中的空气，致使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，吸入含灰尘的空气。灰尘等杂物依次通过地毯或地板刷、长接收、弯管、软管、软管接头进入滤尘袋，灰尘等杂物滞留在滤尘袋内，空气经过滤片净化后，再由机体尾部排出。4.2 吸尘结构的设计本文设计吸尘器的吸尘部位，主要由吸嘴吸管储尘箱电动风机等部位组成。从外界吸进的灰尘和垃圾首先到达吸尘部，吸尘部的功能主要是使吸进的高速气流通过过滤网，滤出垃圾和灰尘。过滤网不仅仅能挡住较大颗粒的垃圾，而且能阻止细小的尘埃通过，性能好的过滤网，排出的灰尘在直径5微米以下，此外，过滤网的透气性好，能长时间过滤而不被堵塞，使电机得到充分的冷却，其根本结构如图4-1所示，灰尘通过吸尘器的吸嘴进入到吸尘器吸管，而后经过过滤网的过滤，沉积在储灰箱里，气流由电动风机吸入口吸入，而后排出。图4-1 吸尘器结构简图4.2.1 选择吸尘器的风机吸尘器的风机采用车用吸尘器的风机，其型号为FVC-BS112，特点：采用旋风气流技术，大风叶，吸力强劲，装有防振胶圈，防振效果好，其重量轻，吸尘功率为100W左右，能满足家用的要求，其安装通过吸尘器机壳的定位孔固定，由橡胶密封圈进展密封，后面由风机固定板进展压紧，在机壳的后面留有一些排风口，便于风机的工作，电动风机高速旋转时会产生很大的震动，因此，风机固定板应该用一些能够减震的材料，向泡沫等，为了储尘箱能够方便取出，所以设计吸尘口和出口在同一方向，有利于储尘箱顺利取出。风机有密封罩，有封闭的电机罩降噪效果好。因为电机产生的噪声会很容易穿透吸尘器外壳，造成噪声污染；全密封的电机罩还能保证电机产生的热量不会影响到其他电器件，延长整机的寿命。吸尘器的处灰箱一般为23L，多功能吸尘器的储灰容量设计为1.5L，其完全能够满足家用地面的清洁。在吸尘机构的设计中将风扇固定在垃圾储藏室后壁上，在风扇上罩一个薄壁腔。在薄壁腔上方开一个圆孔，以便于空气的排出。在垃圾储藏室上壁开两个小长方孔，在方孔下加上一个隔尘罩。其大体图形如图4-1所示通过风扇的旋转带动垃圾储藏室内的空气流动，又通过储藏室内的管腔将刷子拖地引起的尘土吸附进来，带尘土的空气通过防尘罩将尘土挡到垃圾储物室内，较干净的空气如此通过吸尘室上壁腔的圆孔排带大气中去。从而实现吸尘的目的。4.2.2 垃圾收集处理机构设计在对垃圾收集处理机构进展设计时，开始想用如图下所示的结构作为垃圾收集挡板。图4-2 吸尘器原理 通过电机带动和电机相连的小齿轮，小齿轮通过带动和其配对的大齿轮带动轴2旋转，从而使轴2另一端上固定的大齿轮带动和其相连的小齿轮旋转，进而使垃圾收集挡板作扬起动作，将垃圾倒入其后面的垃圾储藏室。垃圾收集挡板的扬起放下动作通过控制电机的正反转来控制。但是此种结构所占的空间比拟大，如图4-3所示设计的家庭清洁机器人空间有限，不允许用这种结构，因为如果采用此种结构，将导致其它一些机构无法放置，因而此种方案不可行。后来将垃圾收集和储仓的机构设置如图4-1所示。垃圾储藏室安放在机体的最后边，其前端用销钉连接一个可以绕着销钉旋转的垃圾收集挡板，挡板用厚度为1mm钢板制成，外表光滑，旋转的刷子可以将垃圾直接通过垃圾收集挡板扫到垃圾储物室里，在储物室末端，做一个和储物室相匹配的拉门，其上端用螺钉从外壁拧入挂住在里边，当准备倒垃圾时，将螺钉拧下来，抽出拉门，倾斜机体即可倒出垃圾。因为拖地局部是家庭清洁机器人的最重要的局部，整个机体的大半质量都集中在这一局部。为了减轻机器的质量，使其在使用时更方便一些，将这一局部单独设计一个固定件固定在机体上，这样既满足工作要求又减轻了机体的质量。最终设计家庭清洁机器人大体布局如图4-3所示。图4-3 清洁机总体布局图5 拖地局部的传动系统设计计算5.1 电机选择如此分配到每个轮子和每个拖把上的载荷位按橡胶在优质路面上行走，取，如此滚动摩擦阻力 ( 5-1)滑动摩擦阻力为 (5-2) 由前面的总体设计中机器的各个机构的布局安排，车体底盘应至少高于地面10mm，取轮子直径D为64mm，如此R=1/2D=32mm,如此轮子行走过程中所受的阻力矩： (5-3)（2） 工作机要求的功率 (5-4) 式中：由 取如此： (5-5)电机所需的输出的功率 ,其中,如此电机所需的输出的功率为= (5-6)（3） 确定电机 考虑到机器人在转弯时要求其转弯半径为零，这样就要求两个和电机相连的轮子在转弯时必须差速运转从而才能实现转弯半径为零。而要实现差速运转如此要求电机具有调速功能，再由2中所算得电机输出功率，从而通过在网上搜索查到了某某驰海电机厂生产的型号FR-310减速电机满足设计中所需要的电机要求 ，因为运转本机器时电机需要输出的功率为0.46W，FR-320减速电机输出功率为0.6W，速度15r/min，转距为5，启动转距为2的电机，因为其在满足要求的情况下尺寸比我所查到的电机的尺寸都小，所以选用它为驱动机构的电机。5.2 拖地机构的电机的选择 因为拖地机构中刷子的旋转速度只要达到3r/s就可以实现拖地目的，单只拖把对地压力F=1/5G=4.7N,初步估计拖把直径D=150mm。 计算传动装置总效率包括带传动，一对齿轮传动，三对轴承与联轴器的效率 (5-7) 1拖把所需功率 拖把线速度： (5-8) 拖把所需有效功率：kW (5-9)2工作机的输出功率： (5-10) 根据选择电动机的额定功率，一般为11.3W。在淘宝网上收一款