家居小型清洁机器人的机构设计

家居小型清洁机器人的机构设计毕业设计（论文）题 目 家居小型清洁机器人的机构设计 学 院专业班级学生姓名指导教师成 绩家居小型清洁机器人的机构设计I摘 要第三次科技革命以来，计算机技术得到了快速发展，由计算机衍生出的机器人因为可以帮助人们进行大量重复的活动，使人们从繁重的体力劳动中解脱出来，所以得到研究学者们的青睐。而机器人有很多种分类，与人类活动密切相关的就是智能服务机器人。智能服务机器人是具有简单人机交互，辅助人们日常生活的机器人系统，必须在特定的工作环境中进行大范围的移动，因此服务机器人大多数是移动机器人。如今，智能服务机器人已得到很大的发展，家庭清洁机器人就是其中的一类。而且家庭清洁机器人已实现商品化，各种新的技术被发明出来。本论文对市面上家庭清洁机器人的移动机构和清扫机构做了改造。具体为加大齿轮箱减速比，增大橡胶轮的直径，设计新的毛刷，设计万向轮的结构。并且翻阅了大量文献弄懂了最新的吸尘技术的原理，对其进行改造，使他可以应用到本论文设计的机器人上。最终设计出有吸尘效率高，移动灵活等优点的的家庭清洁机器人。关键词：清洁机器人；运动原理；旋风尘气分离家居小型清洁机器人的机构设计IIAbstractSince the third revolution of science and technology, computer technology has been rapid development,derived by computer.Because robots can help people do a lot of repetitive activities make people free from heavy manual labor, so get the favour of research scholars.There are many kinds of classification and robot,closely related to human activities is the intelligent service robot. Intelligent service robot is a simple human-computer interaction, auxiliary robot system of Peoples Daily life, must work in a particular environment for a wide range of mobile,so service robot is most of the mobile robot.Nowadays,intelligent service robot has got great development,household cleaning robot is one of the category.And household cleaning robot has a calculator,a variety of new technology was invented.This thesis of household cleaning robot moving on the market mechanism and clearing institutions do the transformation.Specific for increasing the reduction ratio,increasing the diameter of the rubber wheel,designed the new brush,to design the structure of the universal wheel.And through a large amount of literature to understand the principle of the latest vacuum technology on the modification,so that he can be applied to this paper on the design of the robot.Keywords：Robot; Finite Element Analysis; Cyclone Separator家居小型清洁机器人的机构设计目 录摘 要 IAbstract II第 1 章 绪 论 .11. 1 课题背景 .11. 2 国内外研究现状 .11. 2. 1 国外产品研究状况 .11. 2. 2 国内产品研究状况 .41. 3 本次设计的主要内容 .51. 4 本章小结 .5第 2 章 家庭清洁机器人结构的总体方案设计 .62. 1 家庭清洁机器人的组成 .62. 2 机器人驱动结构的方案设计 .62. 3 吸尘结构的方案设计 .72. 4 本章小结 .8第 3 章 家庭清洁机器人各结构的分析 .93. 1 结构分析 .93. 2 移动机构分析 .93. 3 毛刷机构分析 .103. 4 本章小结 .10第 4 章 清洁机器人总体设计 .114. 1 机器人外形设计 .114. 2 机器人的行走机构设计 .124. 3 清扫机构的设计 .134. 4 吸尘机构的设计 .154. 5 垃圾收集处理机构设计 .174. 6 本章小结 .19第 5 章 移动机构的计算 .205. 1 直流电机的计算 .205. 2 塑料齿轮轴的计算 .215. 3 齿轮轴的有限元分析 .225. 4 结果分析 .225. 5 本章小结 .23家居小型清洁机器人的机构设计1第 1 章 绪 论1.1 课题背景21 世纪开始，计算机技术得到了快速发展，由计算机衍生出的机器人因为可以帮助人们进行大量重复的活动，使人们从繁重的体力劳动中解脱出来，所以得到研究学者们的青睐。而机器人有很多种分类，友人们密切相关的就是智能服务机器人 1。智能服务机器人是具有简单人机交互，辅助人们日常生活的机器人系统，必须在特定的工作环境中进行大范围的移动，因此服务机器人大多数是移动机器人。近年来，随着计算机技术与人工智能科学的风速发展，智能机器人技术逐渐成为现代机器人研究领域的热点。其中，服务机器人开辟了机器人应用的新领域。服务机器人的出现主要有三大原因：一是劳动成本的上升；二是人口老龄和社会福利制度的完善。三是人类想摆脱枯燥乏味的体力活动。服务机器人区别与工业机器人的主要特种是服务机器人是一种适用于具体的方式，环境及任务过程的机器人系统。地面清洁机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，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。吸尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。1.2 国内外研究现状国外对智能移动机器人实用化的研究进行得很早。20世纪80年代就开始了对家庭清洁机器人的研究，到目前为止家庭清洁机器人领域已经开始商业化研究和运营。家庭清洁机器人的发展带动了服务机器人行业向家居化方向的发展，也促进了移动机器人的多传感器技术、路径规划技术、图像识别技术等相关技术的发展。1.2.1 国外产品研究状况家庭清洁机器人最初的产生，是 iRobot 公司研究出的。这是一家 1990 年就已经成立的公司，这家公司一开始是做机器人的公司，包括美国军队是用的特种机器人，例如排雷机器人，深潜机器人等。之后 iRobot 公司研究出了清扫机器人商业化的路线，家居小型清洁机器人的机构设计2并且研究出的产品走上了美国市场，进入了普通人的生活。新的市场被拓展出来，后面自然会有很多公司出现。这个名单中不乏一些知名的电子产品公司，比如美国 Neato公司，日本松下、日立公司，韩国的三星、LG，瑞典的伊莱克斯公司。1.美国 Neato 公司Neato 公司作为家庭清洁机器人领域的后起之秀，他最大的卖点在于使用了区别于以往路径规划技术的更高级的地面绘图系统，Neato 称之为 RPS（绘图房间定位系统） 。首先使用激光扫描装置，生成整个房间的数字模型，之后再根据这个模型的具体情况来安排路线，使机器人可以躲避障碍和进行多房间定位。其主要产品 XV-11，除了采用上述的绘图房间定位系统。还有内置的红外激光测距仪以 4000 次/秒的频率收发信号，可以精确的测量 4.5 米范围内障碍的距离。因此，它的清扫轨迹不是转圈撞出来的，而是一条直线。不仅有独特的路径规划系统，其吸尘系统中的离心式叶轮会在地毯、木地板和瓷砖等不同材质以不同的速度来工作，保证不同的材质下都有强劲的吸力。较小的体型可以让机器人到房间内的各个角落，还有防跌落传感器，自动回站充电等家庭环境中必备的技术。如图 1-1 所示就是 Neato 公司的产品。图 1-1 XV-11 机器人2.美国 iRobot 公司iRobot 的历史在国外产品研究的开头中已经介绍过。iRobot 公司产品因为进入市场，所以产品多样。型号从 500 系列，700 系列到现在的 800 系列。其最新的产品Roomba 880，虽然不具有 Neato 的绘图房间定位系统，但是身为老牌公司 iRobot 也是有自己的法宝“灯塔”技术和三段式清洁技术。灯塔技术是添加在虚拟墙上的，而且机器人不是自己计算路径是依靠设置在房间内的灯塔虚拟墙扫描房间，并计算出机器人需要清扫的路径，然后通过无线传输给机器人，机器人就开始沿着路径开始清扫。而三段清洁技术，就需要依靠 Roomba 机器人的独特设计，边刷，滚刷，吸尘风机的一体化设计。三段式清洁就是：一扫，边刷旋转带动房间角落和家居空隙间的垃圾和灰尘到机器人中部；二卷，中间的滚刷快速旋转，卷起垃圾，灰尘和毛发。类似于粉碎机的刀片滚筒，可以卷碎稍大的垃圾和长家居小型清洁机器人的机构设计3毛：三吸，真空吸尘把还在机器人体外的灰尘颗粒和小毛吸入。3.日本东芝公司众所周知，日本机器人领域的发展一直是走在世界前列的。日本几大家电商松下、日立、东芝等都纷纷的推出自己研究的家庭清洁机器人。东芝公司最近就推出一款有着独特设计的系列：Torneo Robo。这款机器人一共装备了 27 个传感器，其中有超声波传感器负责探测机器人周围的家居，墙壁等障碍物，还有红外线传感器负责探测与障碍物间的距离和与地面的距离。除了传感器，该机器人还有最独特的设计。一般来说清扫毛刷的设计方式比较普遍，就是固定在机器人两侧让其自动旋转。然而东芝公司却把清扫毛刷玩出了花样四自由度智能清扫毛刷。清扫毛刷布置在机器人前方两侧，然而当机器人要打扫大范围的地面时，毛刷会水平伸出来扩大清扫范围。当机器人打扫墙壁角落时，毛刷会水平缩回机器人并放缓旋转速度，仔细打扫。机器人移动到毛毯等上下有落差的地方时，毛刷会垂直上升，防止碰撞到地毯。如图 1-2 所示就是东芝公司的 Torneo Robo 机器人，通过图片能看到他前面两个有着独特设计的清扫毛刷。图 1-2 Torneo Robo 机器人家居小型清洁机器人的机构设计44.韩国三星公司韩国三星公司作为全球知名的电子产品公司也不会忘记这片市场。其推出的 VR 系列家庭清洁机器人不仅在韩国热销也在世界市场上占有一席之地。其最新的产品VR9000H，就是三星在智能家居领域的新的作品。首先这款产品的外形和以往市场上的产品（圆盘形）不同，它的外形类似于一个青蛙，去掉了清扫毛刷，控制系统放在机器人后侧，使得机器人头部就是一个大的吸尘口，三星特制的数码变频电机让机器人有点了更大的吸力。此外，VR9000H 还配备了三星公司自己研发的全视图传感器技术，并伴随着特殊的路径规划系统，可以让机器人在清洁时识别周围的环境，避开障碍。除了自主清洁模式外，VR9000H 还具备最独特的激光导向清洁功能。采用特制的手持式激光指示器，可以遥控机器人的位置，方便使用者控制机器人。1.2.2 国内产品研究状况目前，国内在家庭清洁机器人领域比较知名的公司主要有：科沃斯集团、苏州益节智能科技有限公司和深圳市银星智能科技股份有限公司等。(1) 科沃斯集团科沃斯公司国内最早做机器人的公司，主要是做家庭服务机器人的一系列工作。他研发的地宝机器人采用抗菌材质设计的超大尘盒，避免使用者多次清理的麻烦。全自动清扫和自动充电模式，自动定时功能，让家庭清洁工作变得更智能化，自动化。最新的产品又增加了许多智能化的功能，包含可自动清理灰尘，RPS 房间定位系统，超音速离芯吸尘器智能记忆等，全面提升了家庭清洁机器人的清扫效率。(2) 苏州益节智能科技有限公司苏州益节智能科技有限公司是国内家庭清洁机器人市场上的新贵，成立于 2007 年。旗下的地贝系列机器人，从国内市场中脱颖而出，在短短的几年内便跃升为国内家庭清洁机器人市场销量的第二名。地贝机器人有着下列的优点：全部的功能都能使用中文语音进行命令，真正实现人与机器人的智能沟通。触摸 LED 屏上的清洁键，机器人就可进行对工作进行智能化安排，不需要使用者进行跟多的造作。还可以进行定时功能 4。而且有着业内先进的 DIS 技术(灰尘感应电子眼） ，当机器人发现较多灰尘堆积时自动加大功率进行打扫。不仅提高清扫工作效率，而且当灰尘少时可以节省能耗，续航时间长达 90 分钟。家居小型清洁机器人的机构设计5(3) 深圳市银星智能科技股份有限公司深圳市银星智能科技股份有限公司成立于 2005 年，是家庭清洁机器人领域的后来者。自主研发高端家庭服务机器人产品，其主要产品为知名的 KV8系列机器人。KV8系列扫地机器人是结合全自动智能技术与智能识别灰尘技术于一体的扫地机器人。KV8智能吸尘器配有大容量的垃圾箱。HEPA 过滤网可以净化室内空气，吸附有害物质，有效地提高空气质量。KV8产品采用扫、吸、拖三合一的清洁方式，新在机器人后面增加了智能拖布，可轻松地清洁地面上的各种杂质。1.3 本次设计的主要内容通过网络、期刊、教材、厂家资料及国内外相关文献查阅。根据要求完成对家 庭清 洁 机 器 人 的 结 构 设 计 。完成设计图纸的绘制并进行相关校核工作，完成设计说明书的编写。(1) 进行产品造型改变，增加产品功能性、亲和力。 (2) 随着现代设计的发展，人们对产品的要求不仅仅是功能上的满足，更追求精神和情感上的满足，是指在产品使用过程中与产品的信息的沟通互动以及获得的体验，即是情感化设计。比如通过产品造型上的创新，给人一种新的生活体验。 (3) 合理安排机器人内部空间的结构，使其各个部分得到最大的利用。即清扫刷可以清扫最大的地面面积，两个驱动轮对于机器人有良好的转向控制，垃圾收集盒能得到最大的手机空间等。(4) 协调性，这不仅要求外形的设计要与周围的使用环境相和谐，同时要求智能清洁机器人的使用要与消费群体的生活方式，价值观念精神需求相一致，这也是未来设计的趋势。1.4 本章小结本章介绍了家庭清洁机器人并说明了本论文为什么要研究家庭清洁机器人，着重介绍了家庭清洁机器人的国外现状和国内的发展。本章可以看出，家庭清洁机器人是以后家庭清洁的发展趋势，但是我国的机器人发展还明显落后于国外。因此要取国外产品的先进技术，并结合我国市场的具体情况对这些技术加以改造，开发出新的机器人产品。家居小型清洁机器人的机构设计6家居小型清洁机器人的机构设计7第 2 章 家庭清洁机器人结构的总体方案设计2.1 家庭清洁机器人的组成家庭清洁机器人所运用的机器人系统一般是由五部分组成：移动系统、传感系统、路径规划系统、清扫系统和吸尘系统。移动机构承担了整个家庭清洁机器人，决定了机器人的工作空间。传感器系统一般采用防跌落感应装置、碰撞感应开关、红外线传感器和 CCD 摄像机等。随着近年来计算机技术、机器人技术和传感技术的快速发展，家庭清洁机器人的研究和开发有了良好的基础和发展前景。家庭清洁机器人的控制与工作环境往往在家庭里面，因此必须兼顾安全可靠性、效率以及清洁度。传感器系统对探测环境、分析计算信号，以及通过路径规划系统来理解环境是有特别重要的意义。近年来对智能移动机器人的研究表明，对于在复杂环境中的智能移动机器人，要使其自动化程度得到进一步的提高，主要依赖传感器对障碍物的探测、实时数据传输及虚拟墙技术。让家庭清洁机器人能更好更快的获得家庭环境中的实时空间数据，为之后的路径规划和空间建模分析做好准备。我们接下来就对影响家庭清洁机器人结构的机器人驱动结构和吸尘系统作方案设计。2.2 机器人驱动结构的方案设计现在应用在日常生活中的智能机器人有很多，其驱动方式也是多种多样。在选择机器人移动方式时，要充分考虑机器人的工作条件，如工作速度、载荷重量、移动功率、载荷平稳性、工作环境外，还应考虑到是否能够在特殊条件下（电机倒转，惯性力较大） ，提供足够的力矩以满足作业要求。家庭清洁机器人集电机控制，机器人控制，传感器系统，路径算法，遥感系统，人工智能等系统于一体。并且与普通人的生活密切相关，是人工智能在生活中最普遍的且最直接的应用。因此，对家庭清洁机器人的研究对于人们有着重大的意义。家庭清洁机器人的工作环境良好，而且本身的重量小，所有的载荷都承受在底盘上并且不会改变重心位置。工作环境就是环境条件好的一般家庭，工作对象就是小型的日常生活垃圾以及灰尘。因此所选用的动力源就是非常普遍，对环境的影响最小的，在日常生活中能随手可得的电能。移动方式选用耗能较小，效率较高的轮式以及履带式。家庭清洁机器人需要工作的环境是家庭地面，没有较大的起伏。而且地面材质不一，既有较低摩擦的陶瓷地板，易损伤的木地板，也有高低不平还有长毛的地毯。因家居小型清洁机器人的机构设计8此本次设计决定使用材质偏软，且摩擦力较大的橡胶轮，作为机器人的移动方式。图 2-1 机器人橡胶轮2.3 吸尘结构的方案设计家庭机器人有个别称智能吸尘器，吸尘的效率就是决定一个家庭清洁机器人设计好坏的重要标准。吸尘技术是家庭清洁机器人所有技术中最基础和最关键的。吸尘技术从 1901 年到现在，已经有了非常大的发展。最初设计吸尘器的原理非常简单，只是吸尘器电机高速旋转，风扇吹动空气从吸入口流向排出口，使尘箱产生真空，垃圾通过清扫毛刷、吸入管、软管、主吸管进入吸尘器体内中的滤尘袋，垃圾和灰尘被留在滤尘袋内，过滤后的空气再经过滤尘器进入风机，这层滤尘器是为了防止灰尘吸入风机，进入电机的空气被风机的风扇吹出，由于经过一次过滤的空气中还有小的灰尘颗粒，因此在流出吸尘器前又必须加一次滤尘器，因此吸尘器的打扫效率全靠滤尘器。然而传统吸尘器虽然结构简单，价格便宜，但是有几个严重缺陷 4无法克服：滤尘器容易被微小的灰尘和垃圾阻塞，一旦没有清理两层滤尘器，会导致风机无法吸气，造成吸尘器的吸力下降，严重影响清扫效果；由于原理所限，过滤效果和吸力成了一对矛盾，要想过滤效果好，就需要滤尘器的孔径越小，但是吸力会大大降低，因此为了保证吸力强劲，一般的吸尘器都无法过滤特别细小的有害颗粒、细菌等。现在英国戴森公司发明一种新的吸尘技术旋风尘气分离技术。这个吸尘技术的发明者是英国顶级吸尘器公司“戴森”的创始人詹姆斯.戴森，在这种吸尘器中，通过风机和特别设计的气旋发生装置，在尘杯内制造一个快速旋转的气旋，就像制造一家居小型清洁机器人的机构设计9股小型龙卷风，使灰尘和各种杂质在气旋中快速旋转的同时，被离心力甩出气旋，通过小孔落到气旋周围，并且一直待在外围，无法进入中间。由于各种灰尘、颗粒的质量不同，大颗粒离心力较大，因此最先甩出气旋中心，而小质量的颗粒会继续进入圆锥体，这就是它采用的圆锥气旋技术，微小的颗粒进入这些直径更小的圆锥体，空气在里面旋转变成了直径更小的气旋，灰尘颗粒的圆周速度进一步提升，直到被自身的离心力甩出气旋中心，落入周围的尘杯中。这样，气旋中心部分始终是相对干净的空气，因此可以采用一个更加致密的滤芯来作为最后的屏障。综上所述本论文设计的家庭清洁机器人所采用的吸尘技术就采用多级旋风尘气分离技术，以达到最好的吸尘效果。2.4 本章小结家庭清洁机器人所使用的技术在不断的发展，先进的技术需要用具体的机械机构来实现。家庭清洁机器人的结构，也决定着机器人的电气化布局、清洁效率和与工作环境的交互程度。本章就对机器人中可以选择有多种方案的两个结构进行了分析和选择，并最终决定了各个结构的方案。家居小型清洁机器人的机构设计10第 3 章 家庭清洁机器人各结构的分析3.1 结构分析本论文要设计一种结构紧凑、机动灵活、控制简单，结构能够搭配其自主驱动、自动避障和路径规划的家庭清洁机器人。整个家庭清洁机器人的结构外部包括外壳、底盘、两个独立驱动轮、一个万向轮。底盘内部还是气旋吸尘风机、旋转清洁刷头、可充电锂电池以及电气控制系统的载体。如图 3-1。图 3-1 机器人整体结构的 proe 图3.2 移动机构分析移动轮式机器人所采用的机构一般分为三轮和四轮。三轮机器人的优点是结构简单，控制方便，用途广泛，能够满足大部分的要求。四轮机器人则稳定性良好，能够承受的载荷大，但是结构较为复杂，控制较难。家居小型清洁机器人的机构设计113.3 毛刷机构分析清扫结构是由直流电机，伞齿轮，齿轮箱，轴承和清扫毛刷组成。其中两个伞齿轮的参数是齿数 20，分度圆直径 20mm。选用一般清扫机器人的刷盘，刷盘的整个刷面都会接触地面并旋转，那么垃圾和灰尘就会沿着刷盘旋转的切线方向向四周乱射。这样不仅不能将垃圾和灰尘集中到机器人的中央部分，反而会使家庭环境更脏乱，如图 3-2 所示。图 3-2 清扫机构家庭清洁机器人的清扫机构设计较为简单，并且发挥的作用也简单，旋转两侧的毛刷把垃圾和灰尘集中到机器人的中间，以便于吸尘机构集中处理。毛刷选用三角布置刷毛的毛刷，而且毛刷中间离地面有一段距离，刷毛向下探出。这样毛刷可以有效的扫动垃圾和灰尘，当毛刷旋转到中间时，吸尘机构可以立刻就将垃圾灰尘吸入。而且由于毛刷中间强度较硬的部件离地面有距离，所以不会干扰到机器人的移动。3.4 本章小结本论文设计的家庭清洁机器人所采用的结构有的是很简单的，而有的结构则需要进行大胆的设计和改造。本章就对在第二章中所选择的各机构的方案进行了具体的结构设计：包含独立电机和橡胶轮的移动机构、分散布置刷毛的清扫机构以及采用先进技术的吸尘机构。并且对现有的技术进行大胆的改造，使其可以运用到我们所设计的机器人当中。家居小型清洁机器人的机构设计12第 4 章 清洁机器人总体设计4.1 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清扫机构、行走机构、吸尘机构、垃圾收集处理机构，其中清扫机构的设计尤为重要。通过在网上搜索一些相关资料以及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，而圆形物体则比较容易避开障碍物。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4-1所示图 4-1 机器人外形图家居小型清洁机器人的机构设计134.2 机器人的行走机构设计移动轮式机器人所采用的机构一般分为三轮和四轮。三轮机器人的优点是结构简单，控制方便，用途广泛，能够满足大部分的要求。四轮机器人则稳定性良好，能够承受的载荷大，但是结构较为复杂，控制较难。家庭清洁机器人的工作环境良好，而且本身的重量小，所有的载荷都承受在底盘上并且不会改变重心位置。因此选用三轮式的移动方式，电机选用 37mm 的直流减速电机。三轮移动机器人的驱动方式主要有以下两种：带万向轮的双轮差动驱动方式和全向轮驱动方式。带万向轮的双轮差动驱动方式是采用两个独立的直流电机控制两个驱动轮，两个驱动轮的轴共线。同时用一个与另外两轮不共线的万向轮来把整个底盘支撑起来。这种驱动方式结构简单，应用普遍，控制方便，耗能较低。缺点就是只有两个驱动轮，转向需要先通过控制两个独立的驱动轮，使机器人转体再前后移动。移动的效率降低，机器人的机动性不够。全向驱动方式是由三个以独立的直流电机控制的驱动轮呈正三角形设置在底盘上的移动方式 6。可以进行在平面上的各个方向的移动和定位，并且有较好的稳定性，驱动方式多样的优点。不过该驱动方式的驱动系统较为复杂，一旦控制程序发生错误，机器人的移动就会有较大误差。并且耗能较高，所占用的机器人空间较大。综上所述，本论文选用带万向轮的双轮差动驱动方式。虽然总体性能这种驱动方式比不上全向驱动方式，但是所选用的驱动方式的简单方便的特性更适合家庭清洁这个方向上。如图 4-2 所示为本次设计的总体驱动方式。如图 4-3 所示为本次设计的驱动轮。家居小型清洁机器人的机构设计14图 4-2 驱动轮布置 图 4-3 单个驱动轮从图 4-2 可以看出本论文的设计把两共轴的独立驱动轮放在了机器人稍偏后的位置，而在正前方设置了一个万向轮。这样的设计使驱动系统整体呈一个等腰三角形，这样无论是稳定性还是机动性都能得到保证。通过控制两个独立驱动轮的旋转方向和速度来控制机器人的位移和旋转。4.3 清扫机构的设计清扫机构的设计四种方案：(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，进而实现清扫。如图4-4所示图 4-4 清扫机构一(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，进而实现清扫。如图4-5所示图 4-5 清扫机构二(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，从而实现清扫。如图4-6 所示家居小型清洁机器人的机构设计15图 4-6 清扫机构三(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，从而实现清扫。如图4-7所示图 4-7 清扫机构四以上四种方案通过对比以及由设计的要求所限制，最终选择方案四为清扫机构。其正面结构如图4-8所示家居小型清洁机器人的机构设计16图 4-8 清扫传动机构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清扫机构、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，则会占用大量的空间，使其它几个单元有些部分将放置不下，从而超出所要设计的尺寸，因而否定了这种方案；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较大，而清扫机构又是本次设计中最重要的部分，因而选用锥齿轮的弊端也很大，所以经过计算及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，从而实现了清扫的目的。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，同时使它在清扫过程中没有工作盲区，开始设计时用两个直径都200mm 的刷子，这样的话，蜗轮和蜗杆的中心距就必须为100mm, 而在这种中心距的情况下蜗轮蜗杆的尺寸都比较大，虽然能够放置下，但是蜗轮蜗杆这个装置就显得比较笨重，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；最后在方案三的基础上产生了方案四。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，同时还有利于其它机构的安装。因而选择方案四为本次设计的清扫机构。4.4 吸尘机构的设计吸尘机构是家庭清洁机器人的灵魂和基础，本论文的吸尘机构选用了目前最先进的技术旋风尘气分离技术。如图 4-9 所示。家居小型清洁机器人的机构设计17图 4-9 戴森公司的旋风尘气分离筒1.旋风发生器 2.进气口 3.伞齿轮 4.电机外壳 5.电击转子 6.涡旋外室 7.风扇 8.滤芯出气口图 4-10 本论文设计的涡旋风机如图 4-10 所示是本论文设计的吸尘机构。工作时转速高达 10000prm 的无刷直流电机通过两个伞齿轮带动风扇转动。风扇转动使气体快速向下流出，从而在机构的上部份形成低压。那么外部的空气就会带动垃圾和灰尘吸入机器人，经过一层过滤网之后，小的灰尘和垃圾颗粒会进入吸气口，通过管道进入旋风发生器。就如同水在漏斗里会形成漩涡并且流出一样，带动着灰尘颗粒的空气进入圆锥形的旋风发生器里会快速旋转形成气旋。空气中的灰尘颗粒在快速旋转时会在离心力的作用下被甩出气旋中家居小型清洁机器人的机构设计18心，那么中间略为干净的空气先进入下方的涡旋外室，颗粒后进入。在涡旋外室中进行第二次气旋，大部分灰尘颗粒会留在涡旋外室中，气旋的中心部分则是较为干净的空气。最后干净空气从出气口排出到机器人体外，并且为了防止较少的灰尘来不及被气旋甩出，在出气口放置滤芯，进行最后的过滤。4.5 垃圾收集处理机构设计 在对垃圾收集处理机构进行设计时，开始想用如图下所示的结构作为垃圾收集挡板。图 4-11 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图 4-12 垃圾箱局部旋转，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较大，家居小型清洁机器人的机构设计19图 4-13 上下支撑体零件图图 4-14 机器人本体家居小型清洁机器人的机构设计20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4-13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 的钢板制成，表面光滑，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。因为清扫部分是家庭清洁机器人的最重要的部分，整个机体的大半质量都集中在这一部分。为了减轻机器的质量，使其在使用时更方便一些，将这一部分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4-14所示。4.6 本章小结本论文设计的家庭清洁机器人所采用的结构有的是很简单的，而有的结构则需要进行大胆的设计和改造。本章就对在第二章中所选择的各机构的方案进行了具体的结构设计：包含独立电机和橡胶轮的移动机构、分散布置刷毛的清扫机构以及采用先进技术的吸尘机构。并且对现有的技术进行大胆的改造，使其可以运用到我们所设计的机器人当中。家居小型清洁机器人的机构设计21第 5 章 具体计算移动机构承担着机器人移动和定位的工作。其中的直流电机是移动机构的动力来源，减速箱则是传递力矩，带动轮子转动的中间结构。这两者中有一个出现问题，那么机器人就会出现故障，无法进行正常的清扫工作。因此，本章就对直流电机和减速箱做计算，验证其能否正常的工作。5.1 电机选择（1）阻力计算初步估计机器的总重量为9千克，g 取9.8N/kg，则 G=99.8=88.2N则分配到每个轮子上的载荷位 F=1/4G=1/488.2=22.1N按橡胶在优质路面上行走，取 ， ，1.0滚动摩擦阻力：（5-mNFMf .21.1）滑动摩擦阻力：=F =22.10.1=2.21N （5-f2）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94mm，则 R=1/2D=47mm,则轮子行走过程中所受的阻力矩：（5-mNMRfTfW 126.0.10472.33）（2）工作机要求的功率 （5-wWnTP9504）式中： mNTw126.0家居小型清洁机器人的机构设计22由 min/2.03647.0252 rRVnRVw取 则： ，7.0w WTPwW8919电机所需的输出的功率：（5-5）d式中： 86.097.9.022cgr则电机所需的输出的功率：= =4.45WwdP86.03（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。而要实现差速运转则要求电机具有调速功能，再算得电机输出功率，从而通过在网上搜索查到了宁波市北仓深港交流调速电机厂生产的 YCJT 系列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4.45W，由宁波市北仓深港交流调速电机厂网站上给的产品的技术指标和安装型号中选型号为 YCJT-6-1，输出功率为6W，速度可调范围为901350r/min，1200 r/min 时转距为5 N.cm，启动转距为3.5N.cm 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 蜗轮蜗杆的选择因为本次设计所用的蜗杆和蜗轮是清扫机构功率的输入部分，是机器人结构中最重要的部分，所以选蜗杆材料为40Cr，表面淬火，硬度4550HRC,蜗轮齿圈材料为ZcuSn10Pb1,金属模铸造。 （1）应力循环次数：N 60n L =6020612000=1.48 （5-2h 8106）查机械设计得：家居小型清洁机器人的机构设计23=230MPa ；OH=90MPa；F= . =194MPa；NHZOH82710OHMPa。5926FFFY（2）选择 z 、z12根据传动比 I=14.5，参考蜗轮蜗杆参数表，取 z =2,则 z =i.z =29。121（3）按齿面接触疲劳强度设计先查机械设计确定计算公式所需参数：；8.0AK；21V；（因载荷平稳）则载荷系数：； （5-7）96.0281KVA（5-8）iT式中：z =2时；1=0.70.75，取 =0.7。代入5-8式中得：N.mm （5-9）5.193867.023.105.9.105.9662 inPT查机械设计得：MPaZE将这些数据代入接触强度计算公式，求得：家居小型清洁机器人的机构设计24（5-10） 322212 1495.19386.09 mzZKTdmHE 按接触强度要求：（5-11）412dm查表选取：m=2mm；d =22.4mm；1z =2；q=11.20；z =29；2。9071中心距：， ； （5-12）mzqa2.42582zda=40.20mm 不是标准推荐中心距，如选择中心距，蜗轮将变位。本设计不采用变位， 取 a=40.20。（4）验算初设参数 蜗轮圆周速度 v = 0.63m/s 原估计 ，选 值，相符；21062ndsmv/32VK滑动速度 ，在范围内，所选材料合适；sms /6/54.3i蜗杆传动效率 根据 ，查表得 ，19.0 svs/8.12v0.83，传动效率 ，与初选 不vtg1 .05.06.5 7.0符，传动效率应适当降低。（5）验算齿根弯曲疲劳强度和刚度=58.4 MPa （5-13）FFaFzdmYKT216.家居小型清洁机器人的机构设计25蜗轮当量齿数 ， 查得齿形系数 ；4.29cos32zV 65.2FaY则可求得：=0.917 （5-14）120Y代入5-12式中 =27.85MPa294.17.0653896.2F成立，弯曲强度满足要求。FMPa85.27（6）蜗杆、蜗轮几何尺寸计算蜗杆齿顶圆直径： =24.9mm ， ；mhddaaa211 1*ah蜗杆齿根圆直径： =19.4mm， =0.2；caff *11*c蜗杆齿宽： =27.38mm， mm；1295.5.221 zmb 281b蜗轮喉圆直径： ， ；mxhdhdaaa 6.2*22 02x蜗轮齿根圆直径： 52.8mm；2*22 caff蜗轮咽喉母圆半径： ；mdarg4.922蜗轮齿宽：17.16mm；sin12db取 ，选蜗轮轮齿端面为锥面结构。0蜗轮轮缘宽度：=21.28mm，B=20mm；mcdBa8.02sin*1蜗轮顶圆直径：家居小型清洁机器人的机构设计2668.31mm；2cos122gaerd为不损伤齿宽 ：2b=66mm；22tgbrdae所以 的取值范围在66mm 和68.31mm 之间，取 =67mm。2ed 2ed由于蜗杆传动效率低所以工作时产生的热量大。对闭式蜗杆传动，摩擦所产生的热量将通过箱体散发到周围空气中去。本设计中蜗杆传动产生的热量直接散发到集体内，通过吸尘时产生的风力将热量排带机体外。因为蜗杆传动的效率主要取决于啮合效率，而蜗杆分度圆导程角对啮合效率其主要影响，导程角大于30度以后啮合效率增加不显著且蜗杆加工也较困难，所以本设计中蜗杆导程角小于30度，同时减小了中心距进而减小了蜗杆的直径，从而提高了啮合效率，因而进一步提高了蜗杆的传动效率。由以上可知，在本次设计中，由于蜗轮下面要加一个皮带轮，而二者尺寸都不大，因而直接将蜗轮和皮带轮一起铸出来，其外廓形状如图5-1所示。图 5-1 涡轮零件图5.3 清扫机构的电机的选择因为清扫机构中刷子的旋转速度只要达到3r/s 就可以实现清扫目的，并可以把垃