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湘潭大學興湘學院
畢業(yè)設(shè)計說明書
題 目 家用清潔機器人
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級 三班
學 生 劉濤
學 號 2010963020
指導(dǎo)教師 李明富
2014年5月21日
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書
論文（設(shè)計）題目： 家用清潔機器人
學號： 2010 963020 姓名： 劉濤 專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
指導(dǎo)教師： 李明富 系主任： 劉柏希
一、主要內(nèi)容及基本要求
本次設(shè)計的主要內(nèi)容是了解服務(wù)性機器人的發(fā)展概況以及未來的前景市場，通過初步設(shè)計，能夠?qū)⑶鍧崣C器人的大致形狀以及主要工作部件設(shè)計出來。
基本要求：
（1） 能夠自主完成機器人的外形及基本結(jié)構(gòu)設(shè)計
（2） 對機器人的運動方式有所認識并構(gòu)思
（3） 設(shè)計中需要對主要零部件進行校核
（4） 設(shè)計完成后對機器人進行力學實驗與分析
（5） 完成計劃任務(wù)并總結(jié)
二、重點研究的問題
清掃機構(gòu)的設(shè)計，以及清掃機構(gòu)如何運動，能較好的處理部件安放位置，保證機器正常工作，避免機器出現(xiàn)大幅度振動。
三、進度安排
序號
各階段完成的內(nèi)容
完成時間
1
了解清潔機器人的發(fā)展與各項研究
2014.3.7
2
構(gòu)思機器人大致輪廓并繪制初步圖形
2014.3.16
3
構(gòu)建機器人運動模塊
2014.3.24
4
設(shè)計機器人清掃機構(gòu)
2014.4.8
5
校核各部件強度
2014.5.4
6
寫設(shè)計說明書
2014.5.21
7
繪制機器人圖形以及主要零件圖
2014.5.26
8
總結(jié)
2014.5.28
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻
相關(guān)資料：（1）國內(nèi)外家用清潔機器人發(fā)展概況；（2）智能機器人發(fā)展的現(xiàn)狀；
（3） 全自主清潔機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與路徑規(guī)劃；（4）全自主清掃機器人運動分析與路徑規(guī)劃；
參考文獻：
[1] 濮良貴，紀名剛. 機械設(shè)計第八版[M].北京：高等教育出版社，2006.5
[2] 羅迎社. 材料力學. 武漢：武漢理工大學出版社[M]，2010.7
[3] 趙又紅，周知進. 機械設(shè)計、機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo)[M].長沙：中南大學出版社，2011.5
[4] 張建民. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計第三版[M].北京：高等教育出版社，2007.7
[5] 王先逵. 機械制造工藝學第二版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.1
[6] 周良德，朱泗芳，楊世平. 現(xiàn)代工程圖學上冊[M].長沙：湖南科學技術(shù)出版社，2008.8
[7] 童秉樞等.機械CAD技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學出版社，2008.5
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表
學號 2010963020 姓名 劉濤 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 家用清潔機器人
評價項目
評 價 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；
2.難度、份量是否適當；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。
能力
1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運用知識的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運用能力；
4.是否具備一定的外文與計算機應(yīng)用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。
論文
（設(shè)計）質(zhì)量
1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴謹合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學；技術(shù)用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；
3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。
綜
合
評
價
論文選題符合培養(yǎng)目標要求，能體現(xiàn)學科專業(yè)特點，達到了綜合訓練的目的。該生具有較強的文獻查閱、資料綜合歸納整理的能力，能在設(shè)計中熟練運用所學知識，設(shè)計方案可行，工作量飽滿，論文質(zhì)量符合本科生畢業(yè)設(shè)計要求。
同意參加答辯。
評閱人：
2014年5月 日
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見
學號： 2010963020 姓名： 劉濤 專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 27 頁 圖 表 5 張
論文（設(shè)計）題目： 家用清潔機器人
內(nèi)容提要：
研究內(nèi)容：設(shè)計一個能夠進行清潔工作的機器人
具體內(nèi)容如下：
1．總體外形結(jié)構(gòu)設(shè)計
2．清掃機構(gòu)支撐架的設(shè)計
3．主要傳動部件的校核
4．其他零部件的設(shè)計
主要特色：清掃機構(gòu)支架以及清掃機構(gòu)傳動件為本次設(shè)計重點內(nèi)容，通過電機帶動
蝸桿，蝸桿帶動帶輪。主要運動部件為蝸輪蝸桿傳動，帶傳動，利用這種結(jié)構(gòu)能較好的
縮短支架安放空間，以及減少機器在工作中產(chǎn)生的摩擦與振動，能達到良好的清潔效果。
指導(dǎo)教師評語
劉濤同學在畢業(yè)設(shè)計期間閱讀了一些國內(nèi)外相關(guān)參考文獻，基本了解相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。在畢業(yè)設(shè)計期間，對結(jié)構(gòu)方案進行了設(shè)計，并對相關(guān)零部件進行了校核計算設(shè)計，但是圖紙尚存在較多問題。在畢業(yè)設(shè)計期間表現(xiàn)較好，在機械設(shè)計的相關(guān)知識與技巧方面得到了一定的提高。
同意參加答辯。建議評定成績?yōu)椤爸械取薄?
指導(dǎo)教師：
年 月 日
答辯簡要情況及評語
答辯小組組長：
年 月 日
答辯委員會意見
答辯委員會主任：
年 月 日
目 錄
摘 要 1
ABSTRACT 1
1 前言 2
1.1國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究 2
1.1.1國外產(chǎn)品研究情況 2
1.1.2國內(nèi)產(chǎn)品研究情況 3
1.2研究的目的和意義 4
2家用清潔機器人的關(guān)鍵技術(shù) 5
2.1傳感技術(shù) 5
2.2路徑規(guī)劃技術(shù) 5
2.3吸塵技術(shù) 6
2.4電源技術(shù) 6
3 家用清潔機器人的機械設(shè)計 7
3.1機械結(jié)構(gòu)組成 7
3.2家用清潔機器人的總體設(shè)計 7
3.2.1外形設(shè)計 7
3.2.2行走機構(gòu)設(shè)計 7
3.2.3清掃機構(gòu)設(shè)計 8
3.2.4吸塵機構(gòu)設(shè)計 9
4 具體計算 11
4.1電機選擇 11
4.2蝸輪蝸桿的選擇 12
4.3電池的選用 14
4.4清掃機構(gòu)中蝸桿上軸承壽命計算 14
4.5蝸輪軸的校核 16
5 總結(jié)與展望 18
5.1總結(jié) 18
5.2展望 18
參 考 文 獻 20
致 謝 21
附 錄 22
摘 要
近年來，隨著計算機技術(shù)與人工智能科學的飛速發(fā)展，智能機器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機器人研究領(lǐng)域的熱點。其中，服務(wù)機器人開辟了機器人應(yīng)用的新領(lǐng)域，服務(wù)機器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一是勞動力成本的上升；二是人類想擺脫枯燥乏味的體力勞動，如清潔、家務(wù)、照顧病人等；三是人口的老齡化和社會福利制度的完善也為某些服務(wù)機器人提供了廣泛的市場應(yīng)用前景。服務(wù)機器人區(qū)別于工業(yè)機器人的一個主要特征是服務(wù)機器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)過程的機器人系統(tǒng)，其活動空間大，具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動性，因此服務(wù)機器人大多數(shù)是移動機器人。
隨著社會的發(fā)展需要，服務(wù)機器人已經(jīng)滲透入了我們的生活、工作和經(jīng)濟方面，并且起到了很大的作用。服務(wù)機器人的研究和發(fā)展對我們的經(jīng)濟發(fā)展有很多的影響。這篇文章主要通過闡述清潔機器人在服務(wù)行業(yè)的重要性，對機器人在各國發(fā)展狀況的一個綜述，讓讀者了解將來機器人發(fā)展對社會發(fā)展的重要性。
關(guān)鍵詞：機器人；清潔機器人；運動原理；清潔方式
ABSTRACT
In recent years, along with the computer technology and the rapid development of artificial intelligence , intelligent robot technology gradually become modern robot research hot spot. Among them, service robot, opened a new field of application of robots.Service robots appeared three main reasons:one is rising labor costs;Second is the human to escape the boring physical labor,such as cleaning, housework and patient care,etc.The population is aged 3 and social welfare system for certain service robots also provides a broad application prospect in the market.Service robots in industrial robots is one of the main features of service robot is a suitable way,environment and the specific tasks of the robot system,the process of large space activities in unstructured environment,has the high mobility,so most of the mobile robot is service robots
With the development of society,we service robots have infiltrated the life work and economic aspects,and play a very significant role.Service robot research and development of our economic development has a lot of influence.This article mainly elaborated through cleaning robot in the importance of service industry in the world,robot is reviewed the development of some future robots,let the reader know the importance of the development of social development.
Key words:Robots;cleaning robot;sports principle;clean way
1
1 前言
1.1國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究
地面清潔機器人作為作為智能移動機器人實用化發(fā)展的先行者，其研究始于20世紀80年代，到目前為止已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機和產(chǎn)品。吸塵機器人的發(fā)展帶動了家庭服務(wù)機器人行業(yè)的發(fā)展，也促進了移動機器人技術(shù)圖像和語音識別傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)結(jié)合國內(nèi)外的文獻將清掃機器人的發(fā)展闡述如下
1.1.1國外產(chǎn)品研究情況
RC3000 是世界上第一臺能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機器人，它有光電傳感器和芯片控制，當遇到障礙時，會隨機改變一個角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物。內(nèi)置了四種清潔程序，保證在遇到不同污漬的地面時，可以調(diào)整其清潔程序；通過傳感器對于地板污漬的判斷，選擇合適的應(yīng)用程序。內(nèi)置光敏傳感器，確保在遇到樓梯與臺階時，能夠自動避讓，不會掉落。扁平的設(shè)計使其能夠清潔床，沙發(fā)，茶幾等家具的下部位置。其相應(yīng)的充電站有紅外發(fā)射、工作時間設(shè)定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導(dǎo)航信號來指引機器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務(wù)；同時能夠根據(jù)用戶設(shè)定的信息來控制機器人完成相應(yīng)的操作。
松下電器產(chǎn)業(yè)公司在 2002 年上半年推出了家庭用清潔機器人的試制機。該機器人可以根據(jù)房間的形狀、地板狀況、垃圾量進行自動清掃，還配備有避開墻壁、爐子等熱源以及障礙的安全功能；該機器人配備有50個傳感器可一邊自動行走一邊進行清掃，工作時首先沿房間四周走一圈，記憶房間形狀，然后在避開障礙物的同時開始縱橫來回移動，清潔工作完成后會自動停止。該機器人清掃一般的日本式房間約需要9min，相當于人打掃同樣大房間所需時間的1-1.5倍，可清掃房間地板的92％－93％；機器人利用光及超聲波的測距傳感器及感壓傳感器來避開障礙物，機器人的內(nèi)置回轉(zhuǎn)傳感器用來控制行走姿勢以保持既定的行進方向，但在地毯上行走時如果不采取措施則會受到“地毯花紋”影響而彎曲前進，因此該公司在機器人中安裝了方向舵?zhèn)鞲衅鳎梢詸z測出由于地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進方向偏差，因此即使在鋪有地毯的地板上也能夠直線前進，機器人體內(nèi)還安裝有防止從臺階等高處滾下的落差傳感器、感知暖爐等熱源的熱傳感器、檢測自身所受外力大小的重量傳感器及防滑傳感器、檢測添加動力的負載傳感器，機器人同普通的障礙物最少保持10cm的距離，而在探測到熱源時，將會同熱源至少保持50cm的距離。
瑞典家電制造商伊萊克斯（EIectoIux)研制生產(chǎn)的清潔機器人小“三葉蟲”高13mm，直徑35mm，表面光滑,呈圓形，內(nèi)置搜索雷達，可以迅速地探測到并避開桌腿、玻璃器皿、寵物或任何其它障礙物。一旦微處理器識別出這些障礙物，它可重新選擇路線，并對整個房間做出重新判斷與計算，以保證房間的各個角落都被清掃。在樓梯的臺階等一些沒有天然障礙物的地方，只要有一條磁鐵，小“三葉蟲”便不會跨越。小“三葉蟲”開始啟動后，體內(nèi)的搜索雷達會探測出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡。這樣它便能探測出整個房間的格局，計算出清掃整個房間所需的時間。只要一接近一件障礙物，它便會重新設(shè)定行進路線，不會漏掉每一個角落。電線或地毯的邊緣不會被認作是障礙物。小“三葉蟲”的吸刷裝置中裝有一只專利設(shè)計滑輪，可以越過電線或地毯邊緣，不被絆住。電源不足時，小“三葉蟲”會自動回到充電卡座自行充電。 如果此時房間還沒有清掃完畢，小“三葉蟲”還有記憶功能，充好電后自己回到原處繼續(xù)吸塵。
2003年11月，三星公司推出一款代號為 VC-RP30W 的機器人吸塵器。VC-RP30W主要依靠3D地圖技術(shù)來進行定位，并能靈巧地躲避障礙物，能夠快速、高效地對房間每個角落進行吸塵。當遇到障礙物或者死角等情況，VC-RP30W 會自動轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強大的智能判斷系統(tǒng)使得VC-RP30W能輕易地分辨出垃圾與其他日常生活用品，機器人也允許用戶定義它的工作時間及清掃區(qū)域等，從而實現(xiàn)主人不在家時機器人也能進行自動清掃。事實上，用戶除了可以對它本身進行設(shè)置以外，還能通過計算機查看安裝在機器人前部的攝像頭進行遠程遙控。整個器人的電池能維持它連續(xù)工作50分鐘，而一旦電池處于即將耗盡的狀態(tài)時它自動回到充電座補充能源，非常地智能化。它回充電站使用的是已經(jīng)生成的3D地圖，而不是像RC3000那樣使用紅外的導(dǎo)航信號
1.1.2國內(nèi)產(chǎn)品研究情況
在國內(nèi)的一些大學，如哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學、上海交通大學等單位也對清潔機器人進行了大量的研究并取得了一些成果，對清潔機器人相關(guān)技術(shù)如機器感知、機器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機器人控制、電源與電源管理、動力驅(qū)動等技術(shù)的研究則更多，這些都為清潔機器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。哈爾濱工業(yè)大學90年代開始致力于這方面的研究，與香港中文大學合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動清掃機器人。該機器人具有如下特點：采用全方位移動技術(shù)，使機器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開放式機器人鉸制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)硬件可擴展，軟件可移植、可繼承，使機器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實時避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運動兩種運行方式；吸塵機構(gòu)可實現(xiàn)吸塵腔路的自動轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。浙江大學于1999年初在浙江大學機械電子研究所開始進行智能吸塵機器人的研究，兩年后設(shè)計成功國內(nèi)第一個具有初步智能的自主吸塵機器人。這種智能吸塵機器人工作時，首先進行環(huán)境學習：利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時間；之后，利用隨機和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結(jié)束以后，自行回到充電座補充電力。吸塵機器人在5.5×3.5m2的實際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達到90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗還沒有進行。目前，系統(tǒng) 正在引入機器視覺和全局定位功能，力圖在多房間環(huán)境下，提高自定位能力、智 能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。KV8保潔機 器人是今年在市場以低價位賣得比較火的一款產(chǎn)品， 也是國內(nèi)首個產(chǎn)品化清掃機器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂場所，以及其它一些人員不便進入的地方。KV8能夠通過自身的碰撞傳感器來實現(xiàn)隨機的清掃和碰撞處理，需要人工對其電池進行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動時伴有音樂聲。
1.2研究的目的和意義
吸塵機器人將移動機器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機地融合起來，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動或全自動清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作，近年來已受到國內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動機器人的一個特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自主式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動機器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有較強的代表性。從市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動強度、提高勞動效率，適用于家庭和公共場館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場前景。融合現(xiàn)代傳感器以及機器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開發(fā)一部價格便宜，全區(qū)域覆蓋，能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家庭清掃機器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式，使家庭生活電氣化、智能化，使科技更好地為人類服務(wù)。
2家用清潔機器人的關(guān)鍵技術(shù)
全自主吸塵器通?？捎?個主要部分組成：控制器部分、行走驅(qū)動部分、傳感器部分、吸塵部分和電源部分。行走驅(qū)動部分是吸塵機器人的主體，決定了吸 塵器的運動空間，一般采用輪式機構(gòu)。傳感器部分一般采用超聲波測距儀、接觸和接近傳感器、視覺傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機等。這種吸塵器實際上融合了移動機器人和吸塵器技術(shù)，故稱為智能吸塵器或吸塵機器人。隨著近年 來計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動機器人技術(shù)的迅速發(fā)展，吸塵機器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)己具備了堅實的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。目前發(fā)展較快、對吸塵機器人發(fā)展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是：傳感器技術(shù)、環(huán)境建模、定位、路徑規(guī)劃技術(shù)。
2.1傳感技術(shù)
傳感器是機器人的感覺器官，負責采集外界環(huán)境和自身狀態(tài)的信息。根據(jù)采 集信息的種類可以分為內(nèi)傳感器和外傳感器。 內(nèi)傳感器負責采集系統(tǒng)自身狀態(tài)的 信息，包括編碼器、陀螺儀、電子羅盤等。外傳感器負責采集系統(tǒng)外部信息，包 括CCD視覺傳感器、激光雷達、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感 器。超聲波、紅外和接觸傳感器，具有價格低廉、工作可靠、速度快的優(yōu)點，廣 泛應(yīng)用于機器人的局部無碰撞導(dǎo)航。 激光雷達是應(yīng)用較為廣泛的一種全局信息獲 取手段，可以進行定位和環(huán)境建模，但是所提供的信息不全面，并且價格較高， 限制了其應(yīng)用范圍。而CCD器件可以提供類似人類的視覺信息，隨著技術(shù)的發(fā) 展，其價格越來越低，在車牌識別、人臉識別、無人監(jiān)控、遙感圖像等領(lǐng)域得到 越來越廣泛的應(yīng)用。但是圖象處理的數(shù)據(jù)量大，算法復(fù)雜，特征提取和深度信息 回復(fù)困難，所以在機器人視覺方面的應(yīng)用還是有限的。隨著集成電路的發(fā)展和計 算機視覺的深入研究，CCD視覺傳感器必將成為機器人環(huán)境感知的主要來源， 同時促使機器人智能產(chǎn)生飛躍。
2.2路徑規(guī)劃技術(shù)
吸塵機器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)機器人所感知到的工作環(huán)境信息,按照某種 優(yōu)化指標,在起始點和目標點規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑,并且實現(xiàn)所 需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。機器人路徑規(guī)劃研究開始于 20 世紀 70 年代, 目前對這一問題研究仍舊十分活躍。 其主要研究內(nèi)容按機器人工作環(huán)境不同可分 為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動態(tài)已知環(huán)境和動態(tài)不確定環(huán)境,按機器人獲取環(huán)境信息的 方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。 對運動規(guī)劃問題,目前有具體的解析算法。但由于解析算法牽涉到復(fù)雜的橢 圓積分問題,實現(xiàn)起來依然具有相當?shù)碾y度。根據(jù)機器人對環(huán)境信息知道的程度 不同,可以分為兩種類型:環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未 知或部分未知,通過傳感器在線地對機器人的工作環(huán)境進行探測,以獲取障礙物 的位置、形狀和尺寸等信息的局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑 搜索策略兩個子問題。其中環(huán)境建模的主要方法有:可視圖法(V-Graph)、自由空 間法 (Free Space Approach)和柵格法(Grids)等。
2.3吸塵技術(shù)
真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風扇在機體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強大的氣流,將塵埃和臟物通過吸口吸入機體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。吸塵系統(tǒng)包括濾塵器、集塵袋、排氣管以及其他一些附件。其吸塵能力取決于風機轉(zhuǎn)速的大小。最近,澳大利亞 Jetfan公司又開發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個吸塵器是一個全封閉系統(tǒng), 既無外部氣體吸入,也無機內(nèi)氣體排除,所以就無需濾塵器、集塵袋、排氣管等附件。其原理是利用附壁效應(yīng)去形成低壓渦流氣體,最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi)的渦流腔內(nèi)。在英國Dyson公司最近推出的 DC06 型智能吸塵器中就采用了這種技術(shù)。
吸塵技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)按功能分為五個部分： 1、動力部分：吸塵器電機和調(diào)速器。調(diào)速器分手控、機控。電機：有銅線電機和鋁線電機之分。銅線電機有耐高溫、壽命長、單次操作時間長等優(yōu)點，但價格較鋁線比較高；鋁線電機有著價格低廉的特點，但是耐溫性較差、熔點低、壽命不及銅線長。2.過濾系統(tǒng)：塵袋、前過濾片、后過濾片。按過濾材料不同又分：紙質(zhì)、布質(zhì)、SMS、海帕（HEPA高效過濾材料）。3.功能性部分：收放線機構(gòu)、塵滿指示、按鈕或滑動開關(guān)。4．保護措施：無塵袋保護、真空度過高保護、抗干擾保護（軟啟動）、過熱保護、防靜電保護。
吸塵原理：吸塵器的風機葉輪在電動機高速驅(qū)動下，將葉輪中的空氣高速排 出風機，同時使吸塵部分內(nèi)空氣不斷地補充進風機。這樣不妨與外界形成較高的壓差。吸嘴的塵埃、臟物隨空氣被吸入吸塵部分，并經(jīng)過漏器過漏，將塵埃、臟物收集與塵筒內(nèi)。
2.4電源技術(shù)
移動電源在吸塵機器人中的地位十分重要,可以說是它的生命源。移動電源需要同時滿足吸塵機器人的多種能源需要,如為移動機構(gòu)提供動力,為控制電路提供穩(wěn)定的電壓和為吸塵操作模塊提供能源等。在這一領(lǐng)域,一般采用化學電池作為移動電源。理想的電源應(yīng)該能夠在放電過程中保持恒定的電壓、內(nèi)阻小以便 快速放電、可充電以及成本低等。但實際上沒有一種電池可同時具備上述優(yōu)點,這就要求設(shè)計人員選擇一種合適的電池,盡可能增加吸塵機器人的不間斷工作時間。
3 家用清潔機器人的機械設(shè)計
3.1機械結(jié)構(gòu)組成
整個機器人的機械結(jié)構(gòu)可以分為：2個后輪驅(qū)動系統(tǒng)，前輪系統(tǒng)，吸塵系統(tǒng)。
3.2家用清潔機器人的總體設(shè)計
3.2.1外形設(shè)計
根據(jù)家庭清潔機器人的設(shè)計要求，本次設(shè)計的機器人應(yīng)該包括清掃機構(gòu)、行走機構(gòu)、吸塵機構(gòu)，其中清掃機構(gòu)的設(shè)計尤為重要。通過在網(wǎng)上搜索一些相關(guān)資料，初步把機器人的外形設(shè)計為長寬均為400mm高為200mm的長方體，但是后來發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的結(jié)構(gòu)的不合理之處，周邊有棱角的機器人在躲避障礙物是很不便，非常容易碰到障礙物，而圓形物體則比較容易避開障礙物。因而最終把機器人的外形設(shè)計為直徑為300mm的圓盤形，其外部輪廓大體如圖3.2.1所示
圖3.2.1 機器人外形
3.2.2行走機構(gòu)設(shè)計
為實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎半徑為0，在機器人的行走機構(gòu)中采用兩輪驅(qū)動，兩個驅(qū)動輪對稱分布在清掃機構(gòu)的后方，兩個輪子和刷子支撐機體工作和運動，這樣設(shè)計既節(jié)省材料，又可以使刷子和地面全面的接觸，從而利于更徹底的清掃。在機器人轉(zhuǎn)彎時，通過控制行走機構(gòu)的兩個電機的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，進而控制兩個輪子，通過輪子的前后差速運動實現(xiàn)機體的轉(zhuǎn)彎半徑為0
圖3.2.2行走機構(gòu)
3.2.3清掃機構(gòu)設(shè)計
本次設(shè)計清掃機構(gòu)中想到了兩種方案：
（1）電機帶動錐齒輪1，錐齒輪1帶動錐齒輪2，錐齒輪2上的軸連接滾刷，從而實現(xiàn)清掃
（2） 電機帶動蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個蝸輪分別接皮帶輪，皮帶輪上的軸連接滾刷，從而實現(xiàn)清掃
由于機器人體積受限制，以及考慮傳動平穩(wěn)等要素，選擇方案2作為本次清掃機構(gòu)。方案1中錐齒輪傳動不如斜齒輪平穩(wěn)，同時錐齒輪所占的體積較大，所以排除。方案2中，蝸輪蝸桿通過兩邊加皮帶輪，縮短了蝸輪蝸桿的中心距，從而減小了機器的重量，同時有利于安裝，因此選擇方案2作為本次設(shè)計所需清掃機構(gòu)。
3.2.4吸塵機構(gòu)設(shè)計
因為所設(shè)計的機器人它的體積有限制，在直徑為三百，高為一百五十的圓內(nèi)要放置有行走機構(gòu)、吸塵機構(gòu)，同時還得留下放電池、控制中心。故將吸塵機構(gòu)設(shè)置如圖3.2.4所示
圖3.2.4吸塵裝置
此機構(gòu)通過盤刷清掃垃圾進入吸塵盒，同時風筒開始工作，將灰塵吸入隔塵罩的內(nèi)部空間中。
4 具體計算
4.1電機選擇
初步估計機器的總重量為10千克，g 取9.8N/kg，則重力G=10*9.8=98N，采用3輪運動結(jié)構(gòu)，則每個輪子所受的力F=G/3=98/3=32.7N
按橡膠在理想路面行走，則滾動摩擦系數(shù)f=0.015，滑動摩擦系數(shù)μ=0.25
則：滾動摩擦阻力Mf=F*f=32.7*0.015=0.49N
滑動摩擦阻力Ff=F*μ=32.7*0.25=8.17N
輪子半徑為r=20mm
阻力矩Tw=（Mf+Ff）*r=173.15 N.mm
電機所需功率 式中： Tw=0.173N.m
由==238.85 r/min
取hw=0.7
=6.18 w
輸出功率 ==0.86
則 w
考慮到機器人在轉(zhuǎn)彎時要求其轉(zhuǎn)彎半徑為零，這樣就要求兩個和電機相連的輪子在轉(zhuǎn)彎時必須差速運轉(zhuǎn)從而才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零。而要實現(xiàn)差速運轉(zhuǎn)則要求電機具有調(diào)速功能。
4.2蝸輪蝸桿的選擇
（1）因為本次設(shè)計所用的蝸桿和蝸輪是傳動機構(gòu)功率的輸入部分，是機器人結(jié)構(gòu)中最重要的部分，所以選蝸桿軸材料為40Cr，表面淬火，硬度45～50HRC, 蝸輪齒圈材料為ZcuSn10Pb1,金屬模鑄造
確定許用應(yīng)力：應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，j嚙合次數(shù)，n2蝸輪轉(zhuǎn)速，lh壽命
查表得： MPa； MPa
MPa；52 MPa
（2） 確定Z1，Z2
根據(jù)傳動比I=7.25，參考《機械設(shè)計》參數(shù)表，取Z1=4,Z2=29
（3）按齒面接觸疲勞強度設(shè)計
根據(jù)《機械設(shè)計》確定基本參數(shù)：；；
?，當Z1=4時，h=0.7~0.75，取h=0.7；代入①式得
N.mm
查《機械設(shè)計》得：，代入強度公式得
㎜
按接觸強度要求 ，查表選取，㎜，，，，，中心距㎜，
（4）驗算初設(shè)參數(shù)
蝸輪圓周速度 m/s，選值符合
滑動速度 m/s，所選材料合適
蝸桿傳動效率，根據(jù) m/s，查表得
，與初選值不符，所以傳動效率應(yīng)適當降低。
（5）驗算齒根彎曲疲勞強度和剛度
蝸輪當量齒數(shù)，查得齒形系數(shù)；
則=0.917，代入①中，滿足要求。
（6）蝸輪蝸桿幾何尺寸
蝸桿齒頂圓直徑：，其中=1
蝸桿齒根圓直徑:，其中
蝸輪喉圓直徑：，其中
蝸輪齒根圓直徑:
蝸輪咽喉母圓半徑：
由于蝸桿傳動效率低所以工作時產(chǎn)生的熱量相對較大。對閉式蝸桿傳動，摩擦所產(chǎn)生的熱量將通過箱體散發(fā)到周圍空氣中去。本設(shè)計中蝸桿傳動產(chǎn)生的熱量直接散發(fā)到集體內(nèi)，通過吸塵時產(chǎn)生的風力將熱量排帶機體外。因為蝸桿傳動的效率主要取決于嚙合效率，而蝸桿分度圓導(dǎo)程角對嚙合效率其主要影響，導(dǎo)程角大于 30 度以后嚙合效率增加不顯著且蝸桿加工也較困難，所以本設(shè)計中蝸桿導(dǎo)程角小于30度，同時減小了中心距進而減小了蝸桿的直徑，從而提高了嚙合效率，因而進一步提高了蝸桿的傳動效率。
4.3電池的選用
工作環(huán)境對清潔機器人的能源提出了特殊要求，目前清潔機器人基本上都采用電池作為能源。作為機器人能源的一次電池要求能量密度高、自放電少、可靠性高，一次電池有錳干電池、堿性錳電 池、鉀電池、汞電池、氧化銀電池等。干電池應(yīng)用范圍廣，使用溫度越高，電壓、容量都同時增大，但有可能造成自放電和產(chǎn)生氣體，使用溫度可達５０℃－６０℃，在０℃以下容量急劇減少。堿性錳電池適合于大電流放電，放電容量很大，尺寸與干電池相同，具有互換性。銼電池電動勢高、能量密度高、工作溫度范圍大、自放電少，正逐步走向?qū)嵱没?是一種非常好的機器人能源。 二次電池又叫蓄電池，有鉛酸電池、銀鋅電池、鎳鎬電池和鎳鋅電池等。鉛酸電池是一種比較好的機器人能源，電壓高、壽命長、可高比率放電、價格低、結(jié)構(gòu)簡單可靠、工藝成熟，但能量密度低。銀鋅電池是現(xiàn)有二次電池中輸出功率最大、能量最高的電池，自放電速度慢，機械強度高，可短期超負荷放電，放電電壓平穩(wěn)，但價格貴、充電時間長、壽命短、充電次數(shù)少。鎳鎬電池和鎳鋅電池電壓低、價格貴，應(yīng)用較少。燃料電池有堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體電解質(zhì)燃料電池等，燃料電池體積小、重量輕、壽命長、效率高、無污染，是一種非常好的清潔機器人用電源，但總的來說，目前還處于研究開發(fā)階段。由以上對各種電池的分析，同時考慮到本次設(shè)計的要求，選用鉛酸電池比較合理，因為鉛酸電池是一種比較好的機器人能源，電壓高、壽命長、可高比率放電、價格低、結(jié)構(gòu)簡單可靠、工藝成熟，可降低制造家庭清潔機器人的總成本，因而本次設(shè)計選用兩組鉛酸電池作為機器人的能量來源。
4.4清掃機構(gòu)中蝸桿上軸承壽命計算
（1）軸承壽命公式：
其中：P-為當量動載荷
-為壽命指數(shù)，球軸承，滾子軸承
n-軸承轉(zhuǎn)速r/min
C-基本額定動載荷，查表的
（2）計算角接觸軸承當量動載荷
公式：
其中：X-為徑向載荷系數(shù)； Y-為軸向載荷系數(shù)
軸向受力如圖所示
圖4.1軸承受力圖
經(jīng)計算解得Fr=0.081N
Fa=0.015 N
由已知條件可知，軸承是關(guān)于蝸輪對稱的，所以左右距離相等，所以軸承所受的徑向載荷N，又因為軸的重力作用在軸承上，軸承大約承受0.1N，所以
派生軸向力N
又因為N，所以軸承1被壓緊，軸承2被放松，軸向載荷,
,校核軸承1即可，
查《機械設(shè)計》表13-5，13-6得，，，
所以，符合要求
4.5蝸輪軸的校核
軸上能使產(chǎn)生彎距的力有 , N，N ，兩個力在互相垂直的兩個平面上，L=62mm，d=20mm如圖4.2所示
圖4.2受力示意圖
彎矩圖如4.3所示
圖4.3彎矩圖
所以，合成彎矩
軸的材料為45鋼調(diào)質(zhì)，查表，得，所以符合強度要求。
5 總結(jié)與展望
5.1總結(jié)
雖然自主吸塵機器人的研究已經(jīng)取得了很大進步,進入了實用階段,但是自主能力、工作效率方面還不理想,需要在技術(shù)上解決傳感器技術(shù)、定位和環(huán)境建模技術(shù).在此基礎(chǔ)上,自主吸塵機器人可以向著高度智能化、多功能集成、低成本的方向發(fā)展。現(xiàn)在的自主吸塵機器人在行為上還處于“低級生物”的階段,環(huán)境感知能力有限,對路徑的規(guī)劃只是隨機的方式或者是基于局部環(huán)境信息的規(guī)劃方式。在復(fù)雜環(huán)境和多房間的環(huán)境下,這種工作方式的效率會銳減。因此,建立CCD視覺系統(tǒng), 融合多種傳感器進行定位和環(huán)境建模,實現(xiàn)全局路徑規(guī)劃,將是一個重要的研究方向.同時,算法必須考慮系統(tǒng)的處理速度、存儲空間的限制。自主吸塵機器人是一個可移動的智能平臺,在吸塵功能之外可以進行功能擴展,比如進行家電控制、房間環(huán)境監(jiān)測(防止火災(zāi)、電器故障、盜竊等).這方面的市場需求已經(jīng)被Tmsuk和三洋公司抓住,并在2002年發(fā)布了兩款這樣的機器人。
5.2展望
盡管目前價廉物美的吸塵器給人們的清潔工作帶來了一定的便利,但過大的噪音依然讓大多數(shù)使用者望而卻步。吸塵機器人作為服務(wù)機器人領(lǐng)域中的一個新產(chǎn)品,將使人們能在無人看守情況下輕松地完成室內(nèi)環(huán)境的吸塵等清潔工作。因此,只要生產(chǎn)成本兼顧到日用電器批量大、價格低的特點,吸塵機器人將具有誘人的市場前景,有關(guān)資料也預(yù)測吸塵機器人是未來幾年需求量最大的服務(wù)機器人。 特別是日用清潔電器不論是在市場上或者是在產(chǎn)品的創(chuàng)新上,絕對是所有小家電產(chǎn)品中最活躍的,未來仍有相當大的成長空間。盡管目前國內(nèi)外在吸塵機器人研究開發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過高和許多關(guān)鍵技術(shù)問題尚急待解決或提高,主要有以下幾個方面:
(1)目前,價格過高是嚴重影響吸塵機器人打入家電市場的主要因素,因此為了大幅度降低其成本,我們必須開發(fā)專用運動控制和數(shù)字處理芯片以及微型傳感器。其次,應(yīng)該看到藍牙技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景,通過采用藍牙技術(shù)將過高的數(shù)字處理器成本轉(zhuǎn)移到用戶的個人電腦上,則有望在短期內(nèi)將吸塵機器人的成本控制在千元左右。
(2)未來的吸塵機器人將向智能化和自主式發(fā)展,因此我們必須結(jié)合現(xiàn)有的基于自適應(yīng)控制、模糊邏輯、遺傳算法等的移動機器人運動規(guī)劃和控制技術(shù),研究開發(fā)出對環(huán)境變化具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性、對環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運動規(guī)劃與控制器,使吸塵機器人完成與人工操作質(zhì)量相同甚至更好的吸塵工作。
(3)為了有效地提高清潔的質(zhì)量,還需要對現(xiàn)有的吸塵技術(shù)進行改進。根據(jù)環(huán)境的臟潔程度,采用模糊邏輯等技術(shù)設(shè)計合理的吸塵時間以及相協(xié)調(diào)的機器人運動速度,確保滿意的吸塵效果。
(4)電源技術(shù)是吸塵機器人的核心之一,除了有效地提高機器人運動和吸塵速度以延長電池的實際吸塵時間外,還尚需優(yōu)化自動充電方案,保證機器人能及時進行充電,自動完成對指定環(huán)境的吸塵任務(wù)。隨著吸塵機器人關(guān)鍵技術(shù)和性能價格比的不斷提高或改進,相信根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件,未來幾年內(nèi)就會推出價格適中的全自動吸塵機器人產(chǎn)品,進而使吸塵機器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進千家萬戶,為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來可觀的市場和經(jīng)濟效益。
參 考 文 獻
[1] 濮良貴，紀名剛. 機械設(shè)計第八版[M].北京：高等教育出版社，2006.5
[2] 羅迎社. 材料力學. 武漢：武漢理工大學出版社[M]，2010.7
[3] 趙又紅，周知進. 機械設(shè)計、機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo)[M].長沙：中南大學出版社，2011.5
[4] 張建民. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計第三版[M].北京：高等教育出版社，2007.7
[5] 王先逵. 機械制造工藝學第二版[M[.北京：機械工業(yè)出版社，2006.1
致 謝
本論文在李明富導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師淵博的專業(yè)知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴于律己、寬以待人的崇高風范，樸實無法、平易近人的人格魅力對本人影響深遠。不僅使本人樹立了遠大的學習目標、掌握了基本的研究方法，還使本人明白了許多為人處事的道理。本次論文從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。在此，謹向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x！在寫論文的過程中，遇到了很多的問題，在老師的耐心指導(dǎo)下，問題都得以解決。
不積跬步何以至千里，本設(shè)計能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認真負責，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設(shè)計中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向湘潭大學，機械工程學院的全體老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來的辛勤栽培。
雖然我的論文作品不是很成熟，還有很多不足之處，但是這里面的每一點資料，都有我的勞動，讓我在本次設(shè)計中也學到了許多。
最后還要感謝各位老師抽出寶貴的時間對我的設(shè)計進行點評，再次表達我最由衷的感謝！
附 錄
Present situation and development of cleaning robot
Cleaning robot has been around for two or three years, research, development and production of Japan and South Korea the United States and European countries are committed to cleaning robot, they believe that the cleaning robot will be the home robot into ordinary family first successful precedent. Recently Chinese some enterprises have begun the related research, and successfully developed a cleaning robot own. But throughout the world, the cleaning robot prices are high, technology also has not been understood by most people, so I hope that through this article to let everyone have a preliminary understanding of the cleaning robot.
Research background:
US South Korea and Europe and the recent Chinese have pulled out of the cleaning robot respectively, this technology is increasingly mature, understanding but not for most people, many related technologies to outsiders or distant, in the network and the publication of articles related to less and less, it is necessary to this a new technology for some explanation.
Classification of cleaning robot
The robot cleaner technology is not fully mature now, classification of cleaning robot is not too clear, but according to the function can be divided into four types:
1, domestic floor cleaning robot;
2, building floor cleaning robot;
3, glass wall cleaning robot;
4, other uses of the cleaning robot.
In this category, household floor cleaning robot and building floor cleaning robot appears to be the same, but they are not the same in practical use..
According to the travel navigation mode can also be divided into five categories:
1 Infrared markers, cleaning robot;
2 markers, ultrasonic cleaning robot;
3, laser marking cleaning robot;
4, scent marking cleaning robot;
5 other markers, way of cleaning robot.
The working mechanism of cleaning robot
Cleaning robot most is to rely on sensors to detect, motor driving wheel forward, with differential way round the corner. Sensor cleaning robot is introduced in detail below under:
1, work environment:
Some cleaning robot can be measured on the working environment, such as trilobites cleaning robot Electrolux can use ultrasonic to measure the size of the room, and set up the room cleaning map in the work process, develop the best cleaning path. The cleanliness of cleaning robot most can use the sensor to detect the ground, so as to choose the cleaning rate to adjust the cleaning degree.
2, the obstacle reaction:
Most of the cleaning robot can respond to the obstacles, there is the use of touch in touch of obstacles (walls or furniture), back and adjust the angle to try again to steer clear of obstacles to work. Some use infrared or ultrasonic sensor, measuring machine and obstacle distance, and maintain a safe distance without collision sweeping along the barrier. Below the cleaning robot is provided with a infrared or ultrasonic sensors, can prevent the cleaning robot falls from