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家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計畢業(yè)設計（論文）題 目 家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計 學 院專業(yè)班級學生姓名指導教師成 績家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計I摘 要第三次科技革命以來，計算機技術得到了快速發(fā)展，由計算機衍生出的機器人因為可以幫助人們進行大量重復的活動，使人們從繁重的體力勞動中解脫出來，所以得到研究學者們的青睞。而機器人有很多種分類，與人類活動密切相關的就是智能服務機器人。智能服務機器人是具有簡單人機交互，輔助人們?nèi)粘Ｉ畹臋C器人系統(tǒng)，必須在特定的工作環(huán)境中進行大范圍的移動，因此服務機器人大多數(shù)是移動機器人。如今，智能服務機器人已得到很大的發(fā)展，家庭清潔機器人就是其中的一類。而且家庭清潔機器人已實現(xiàn)商品化，各種新的技術被發(fā)明出來。本論文對市面上家庭清潔機器人的移動機構(gòu)和清掃機構(gòu)做了改造。具體為加大齒輪箱減速比，增大橡膠輪的直徑，設計新的毛刷，設計萬向輪的結(jié)構(gòu)。并且翻閱了大量文獻弄懂了最新的吸塵技術的原理，對其進行改造，使他可以應用到本論文設計的機器人上。最終設計出有吸塵效率高，移動靈活等優(yōu)點的的家庭清潔機器人。關鍵詞：清潔機器人；運動原理；旋風塵氣分離家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計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 People's 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家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計目 錄摘 要 IAbstract II第 1 章 緒 論 .11. 1 課題背景 .11. 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .11. 2. 1 國外產(chǎn)品研究狀況 .11. 2. 2 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 .41. 3 本次設計的主要內(nèi)容 .51. 4 本章小結(jié) .5第 2 章 家庭清潔機器人結(jié)構(gòu)的總體方案設計 .62. 1 家庭清潔機器人的組成 .62. 2 機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)的方案設計 .62. 3 吸塵結(jié)構(gòu)的方案設計 .72. 4 本章小結(jié) .8第 3 章 家庭清潔機器人各結(jié)構(gòu)的分析 .93. 1 結(jié)構(gòu)分析 .93. 2 移動機構(gòu)分析 .93. 3 毛刷機構(gòu)分析 .103. 4 本章小結(jié) .10第 4 章 清潔機器人總體設計 .114. 1 機器人外形設計 .114. 2 機器人的行走機構(gòu)設計 .124. 3 清掃機構(gòu)的設計 .134. 4 吸塵機構(gòu)的設計 .154. 5 垃圾收集處理機構(gòu)設計 .174. 6 本章小結(jié) .19第 5 章 移動機構(gòu)的計算 .205. 1 直流電機的計算 .205. 2 塑料齒輪軸的計算 .215. 3 齒輪軸的有限元分析 .225. 4 結(jié)果分析 .225. 5 本章小結(jié) .23家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計1第 1 章 緒 論1.1 課題背景21 世紀開始，計算機技術得到了快速發(fā)展，由計算機衍生出的機器人因為可以幫助人們進行大量重復的活動，使人們從繁重的體力勞動中解脫出來，所以得到研究學者們的青睞。而機器人有很多種分類，友人們密切相關的就是智能服務機器人 [1]。智能服務機器人是具有簡單人機交互，輔助人們?nèi)粘Ｉ畹臋C器人系統(tǒng)，必須在特定的工作環(huán)境中進行大范圍的移動，因此服務機器人大多數(shù)是移動機器人。近年來，隨著計算機技術與人工智能科學的風速發(fā)展，智能機器人技術逐漸成為現(xiàn)代機器人研究領域的熱點。其中，服務機器人開辟了機器人應用的新領域。服務機器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一是勞動成本的上升；二是人口老齡和社會福利制度的完善。三是人類想擺脫枯燥乏味的體力活動。服務機器人區(qū)別與工業(yè)機器人的主要特種是服務機器人是一種適用于具體的方式，環(huán)境及任務過程的機器人系統(tǒng)。地面清潔機器人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，帶動了家庭服務機器人行業(yè)的發(fā)展，也促進了移動機器人技術、圖像和語音識別、傳感器等相關技術的發(fā)展。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對智能移動機器人實用化的研究進行得很早。20世紀80年代就開始了對家庭清潔機器人的研究，到目前為止家庭清潔機器人領域已經(jīng)開始商業(yè)化研究和運營。家庭清潔機器人的發(fā)展帶動了服務機器人行業(yè)向家居化方向的發(fā)展，也促進了移動機器人的多傳感器技術、路徑規(guī)劃技術、圖像識別技術等相關技術的發(fā)展。1.2.1 國外產(chǎn)品研究狀況家庭清潔機器人最初的產(chǎn)生，是 iRobot 公司研究出的。這是一家 1990 年就已經(jīng)成立的公司，這家公司一開始是做機器人的公司，包括美國軍隊是用的特種機器人，例如排雷機器人，深潛機器人等。之后 iRobot 公司研究出了清掃機器人商業(yè)化的路線，家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計2并且研究出的產(chǎn)品走上了美國市場，進入了普通人的生活。新的市場被拓展出來，后面自然會有很多公司出現(xiàn)。這個名單中不乏一些知名的電子產(chǎn)品公司，比如美國 Neato公司，日本松下、日立公司，韓國的三星、LG，瑞典的伊萊克斯公司。1.美國 Neato 公司Neato 公司作為家庭清潔機器人領域的后起之秀，他最大的賣點在于使用了區(qū)別于以往路徑規(guī)劃技術的更高級的地面繪圖系統(tǒng)，Neato 稱之為 RPS（繪圖房間定位系統(tǒng)） 。首先使用激光掃描裝置，生成整個房間的數(shù)字模型，之后再根據(jù)這個模型的具體情況來安排路線，使機器人可以躲避障礙和進行多房間定位。其主要產(chǎn)品 XV-11，除了采用上述的繪圖房間定位系統(tǒng)。還有內(nèi)置的紅外激光測距儀以 4000 次/秒的頻率收發(fā)信號，可以精確的測量 4.5 米范圍內(nèi)障礙的距離。因此，它的清掃軌跡不是轉(zhuǎn)圈撞出來的，而是一條直線。不僅有獨特的路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其吸塵系統(tǒng)中的離心式葉輪會在地毯、木地板和瓷磚等不同材質(zhì)以不同的速度來工作，保證不同的材質(zhì)下都有強勁的吸力。較小的體型可以讓機器人到房間內(nèi)的各個角落，還有防跌落傳感器，自動回站充電等家庭環(huán)境中必備的技術。如圖 1-1 所示就是 Neato 公司的產(chǎn)品。圖 1-1 XV-11 機器人2.美國 iRobot 公司iRobot 的歷史在國外產(chǎn)品研究的開頭中已經(jīng)介紹過。iRobot 公司產(chǎn)品因為進入市場，所以產(chǎn)品多樣。型號從 500 系列，700 系列到現(xiàn)在的 800 系列。其最新的產(chǎn)品Roomba 880，雖然不具有 Neato 的繪圖房間定位系統(tǒng)，但是身為老牌公司 iRobot 也是有自己的法寶——“燈塔”技術和三段式清潔技術。燈塔技術是添加在虛擬墻上的，而且機器人不是自己計算路徑是依靠設置在房間內(nèi)的燈塔虛擬墻掃描房間，并計算出機器人需要清掃的路徑，然后通過無線傳輸給機器人，機器人就開始沿著路徑開始清掃。而三段清潔技術，就需要依靠 Roomba 機器人的獨特設計，邊刷，滾刷，吸塵風機的一體化設計。三段式清潔就是：一掃，邊刷旋轉(zhuǎn)帶動房間角落和家居空隙間的垃圾和灰塵到機器人中部；二卷，中間的滾刷快速旋轉(zhuǎn)，卷起垃圾，灰塵和毛發(fā)。類似于粉碎機的刀片滾筒，可以卷碎稍大的垃圾和長家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計3毛：三吸，真空吸塵把還在機器人體外的灰塵顆粒和小毛吸入。3.日本東芝公司眾所周知，日本機器人領域的發(fā)展一直是走在世界前列的。日本幾大家電商松下、日立、東芝等都紛紛的推出自己研究的家庭清潔機器人。東芝公司最近就推出一款有著獨特設計的系列：Torneo Robo。這款機器人一共裝備了 27 個傳感器，其中有超聲波傳感器負責探測機器人周圍的家居，墻壁等障礙物，還有紅外線傳感器負責探測與障礙物間的距離和與地面的距離。除了傳感器，該機器人還有最獨特的設計。一般來說清掃毛刷的設計方式比較普遍，就是固定在機器人兩側(cè)讓其自動旋轉(zhuǎn)。然而東芝公司卻把清掃毛刷玩出了花樣——四自由度智能清掃毛刷。清掃毛刷布置在機器人前方兩側(cè)，然而當機器人要打掃大范圍的地面時，毛刷會水平伸出來擴大清掃范圍。當機器人打掃墻壁角落時，毛刷會水平縮回機器人并放緩旋轉(zhuǎn)速度，仔細打掃。機器人移動到毛毯等上下有落差的地方時，毛刷會垂直上升，防止碰撞到地毯。如圖 1-2 所示就是東芝公司的 Torneo Robo 機器人，通過圖片能看到他前面兩個有著獨特設計的清掃毛刷。圖 1-2 Torneo Robo 機器人家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計44.韓國三星公司韓國三星公司作為全球知名的電子產(chǎn)品公司也不會忘記這片市場。其推出的 VR 系列家庭清潔機器人不僅在韓國熱銷也在世界市場上占有一席之地。其最新的產(chǎn)品VR9000H，就是三星在智能家居領域的新的作品。首先這款產(chǎn)品的外形和以往市場上的產(chǎn)品（圓盤形）不同，它的外形類似于一個青蛙，去掉了清掃毛刷，控制系統(tǒng)放在機器人后側(cè)，使得機器人頭部就是一個大的吸塵口，三星特制的數(shù)碼變頻電機讓機器人有點了更大的吸力。此外，VR9000H 還配備了三星公司自己研發(fā)的全視圖傳感器技術，并伴隨著特殊的路徑規(guī)劃系統(tǒng)，可以讓機器人在清潔時識別周圍的環(huán)境，避開障礙。除了自主清潔模式外，VR9000H 還具備最獨特的激光導向清潔功能。采用特制的手持式激光指示器，可以遙控機器人的位置，方便使用者控制機器人。1.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況目前，國內(nèi)在家庭清潔機器人領域比較知名的公司主要有：科沃斯集團、蘇州益節(jié)智能科技有限公司和深圳市銀星智能科技股份有限公司等。(1) 科沃斯集團科沃斯公司國內(nèi)最早做機器人的公司，主要是做家庭服務機器人的一系列工作。他研發(fā)的地寶機器人采用抗菌材質(zhì)設計的超大塵盒，避免使用者多次清理的麻煩。全自動清掃和自動充電模式，自動定時功能，讓家庭清潔工作變得更智能化，自動化。最新的產(chǎn)品又增加了許多智能化的功能，包含可自動清理灰塵，RPS 房間定位系統(tǒng)，超音速離芯吸塵器智能記憶等，全面提升了家庭清潔機器人的清掃效率。(2) 蘇州益節(jié)智能科技有限公司蘇州益節(jié)智能科技有限公司是國內(nèi)家庭清潔機器人市場上的新貴，成立于 2007 年。旗下的地貝系列機器人，從國內(nèi)市場中脫穎而出，在短短的幾年內(nèi)便躍升為國內(nèi)家庭清潔機器人市場銷量的第二名。地貝機器人有著下列的優(yōu)點：全部的功能都能使用中文語音進行命令，真正實現(xiàn)人與機器人的智能溝通。觸摸 LED 屏上的清潔鍵，機器人就可進行對工作進行智能化安排，不需要使用者進行跟多的造作。還可以進行定時功能 [4]。而且有著業(yè)內(nèi)先進的 DIS 技術(灰塵感應電子眼） ，當機器人發(fā)現(xiàn)較多灰塵堆積時自動加大功率進行打掃。不僅提高清掃工作效率，而且當灰塵少時可以節(jié)省能耗，續(xù)航時間長達 90 分鐘。家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計5(3) 深圳市銀星智能科技股份有限公司深圳市銀星智能科技股份有限公司成立于 2005 年，是家庭清潔機器人領域的后來者。自主研發(fā)高端家庭服務機器人產(chǎn)品，其主要產(chǎn)品為知名的 KV8系列機器人。KV8系列掃地機器人是結(jié)合全自動智能技術與智能識別灰塵技術于一體的掃地機器人。KV8智能吸塵器配有大容量的垃圾箱。HEPA 過濾網(wǎng)可以凈化室內(nèi)空氣，吸附有害物質(zhì)，有效地提高空氣質(zhì)量。KV8產(chǎn)品采用掃、吸、拖三合一的清潔方式，新在機器人后面增加了智能拖布，可輕松地清潔地面上的各種雜質(zhì)。1.3 本次設計的主要內(nèi)容通過網(wǎng)絡、期刊、教材、廠家資料及國內(nèi)外相關文獻查閱。根據(jù)要求完成對家 庭清 潔 機 器 人 的 結(jié) 構(gòu) 設 計 。完成設計圖紙的繪制并進行相關校核工作，完成設計說明書的編寫。(1) 進行產(chǎn)品造型改變，增加產(chǎn)品功能性、親和力。 (2) 隨著現(xiàn)代設計的發(fā)展，人們對產(chǎn)品的要求不僅僅是功能上的滿足，更追求精神和情感上的滿足，是指在產(chǎn)品使用過程中與產(chǎn)品的信息的溝通互動以及獲得的體驗，即是情感化設計。比如通過產(chǎn)品造型上的創(chuàng)新，給人一種新的生活體驗。 (3) 合理安排機器人內(nèi)部空間的結(jié)構(gòu)，使其各個部分得到最大的利用。即清掃刷可以清掃最大的地面面積，兩個驅(qū)動輪對于機器人有良好的轉(zhuǎn)向控制，垃圾收集盒能得到最大的手機空間等。(4) 協(xié)調(diào)性，這不僅要求外形的設計要與周圍的使用環(huán)境相和諧，同時要求智能清潔機器人的使用要與消費群體的生活方式，價值觀念精神需求相一致，這也是未來設計的趨勢。1.4 本章小結(jié)本章介紹了家庭清潔機器人并說明了本論文為什么要研究家庭清潔機器人，著重介紹了家庭清潔機器人的國外現(xiàn)狀和國內(nèi)的發(fā)展。本章可以看出，家庭清潔機器人是以后家庭清潔的發(fā)展趨勢，但是我國的機器人發(fā)展還明顯落后于國外。因此要取國外產(chǎn)品的先進技術，并結(jié)合我國市場的具體情況對這些技術加以改造，開發(fā)出新的機器人產(chǎn)品。家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計6家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計7第 2 章 家庭清潔機器人結(jié)構(gòu)的總體方案設計2.1 家庭清潔機器人的組成家庭清潔機器人所運用的機器人系統(tǒng)一般是由五部分組成：移動系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、路徑規(guī)劃系統(tǒng)、清掃系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動機構(gòu)承擔了整個家庭清潔機器人，決定了機器人的工作空間。傳感器系統(tǒng)一般采用防跌落感應裝置、碰撞感應開關、紅外線傳感器和 CCD 攝像機等。隨著近年來計算機技術、機器人技術和傳感技術的快速發(fā)展，家庭清潔機器人的研究和開發(fā)有了良好的基礎和發(fā)展前景。家庭清潔機器人的控制與工作環(huán)境往往在家庭里面，因此必須兼顧安全可靠性、效率以及清潔度。傳感器系統(tǒng)對探測環(huán)境、分析計算信號，以及通過路徑規(guī)劃系統(tǒng)來理解環(huán)境是有特別重要的意義。近年來對智能移動機器人的研究表明，對于在復雜環(huán)境中的智能移動機器人，要使其自動化程度得到進一步的提高，主要依賴傳感器對障礙物的探測、實時數(shù)據(jù)傳輸及虛擬墻技術。讓家庭清潔機器人能更好更快的獲得家庭環(huán)境中的實時空間數(shù)據(jù)，為之后的路徑規(guī)劃和空間建模分析做好準備。我們接下來就對影響家庭清潔機器人結(jié)構(gòu)的機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)和吸塵系統(tǒng)作方案設計。2.2 機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)的方案設計現(xiàn)在應用在日常生活中的智能機器人有很多，其驅(qū)動方式也是多種多樣。在選擇機器人移動方式時，要充分考慮機器人的工作條件，如工作速度、載荷重量、移動功率、載荷平穩(wěn)性、工作環(huán)境外，還應考慮到是否能夠在特殊條件下（電機倒轉(zhuǎn)，慣性力較大） ，提供足夠的力矩以滿足作業(yè)要求。家庭清潔機器人集電機控制，機器人控制，傳感器系統(tǒng)，路徑算法，遙感系統(tǒng)，人工智能等系統(tǒng)于一體。并且與普通人的生活密切相關，是人工智能在生活中最普遍的且最直接的應用。因此，對家庭清潔機器人的研究對于人們有著重大的意義。家庭清潔機器人的工作環(huán)境良好，而且本身的重量小，所有的載荷都承受在底盤上并且不會改變重心位置。工作環(huán)境就是環(huán)境條件好的一般家庭，工作對象就是小型的日常生活垃圾以及灰塵。因此所選用的動力源就是非常普遍，對環(huán)境的影響最小的，在日常生活中能隨手可得的電能。移動方式選用耗能較小，效率較高的輪式以及履帶式。家庭清潔機器人需要工作的環(huán)境是家庭地面，沒有較大的起伏。而且地面材質(zhì)不一，既有較低摩擦的陶瓷地板，易損傷的木地板，也有高低不平還有長毛的地毯。因家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計8此本次設計決定使用材質(zhì)偏軟，且摩擦力較大的橡膠輪，作為機器人的移動方式。圖 2-1 機器人橡膠輪2.3 吸塵結(jié)構(gòu)的方案設計家庭機器人有個別稱——智能吸塵器，吸塵的效率就是決定一個家庭清潔機器人設計好壞的重要標準。吸塵技術是家庭清潔機器人所有技術中最基礎和最關鍵的。吸塵技術從 1901 年到現(xiàn)在，已經(jīng)有了非常大的發(fā)展。最初設計吸塵器的原理非常簡單，只是吸塵器電機高速旋轉(zhuǎn)，風扇吹動空氣從吸入口流向排出口，使塵箱產(chǎn)生真空，垃圾通過清掃毛刷、吸入管、軟管、主吸管進入吸塵器體內(nèi)中的濾塵袋，垃圾和灰塵被留在濾塵袋內(nèi)，過濾后的空氣再經(jīng)過濾塵器進入風機，這層濾塵器是為了防止灰塵吸入風機，進入電機的空氣被風機的風扇吹出，由于經(jīng)過一次過濾的空氣中還有小的灰塵顆粒，因此在流出吸塵器前又必須加一次濾塵器，因此吸塵器的打掃效率全靠濾塵器。然而傳統(tǒng)吸塵器雖然結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，但是有幾個嚴重缺陷 [4]無法克服：濾塵器容易被微小的灰塵和垃圾阻塞，一旦沒有清理兩層濾塵器，會導致風機無法吸氣，造成吸塵器的吸力下降，嚴重影響清掃效果；由于原理所限，過濾效果和吸力成了一對矛盾，要想過濾效果好，就需要濾塵器的孔徑越小，但是吸力會大大降低，因此為了保證吸力強勁，一般的吸塵器都無法過濾特別細小的有害顆粒、細菌等?，F(xiàn)在英國戴森公司發(fā)明一種新的吸塵技術——旋風塵氣分離技術。這個吸塵技術的發(fā)明者是英國頂級吸塵器公司“戴森”的創(chuàng)始人詹姆斯.戴森，在這種吸塵器中，通過風機和特別設計的氣旋發(fā)生裝置，在塵杯內(nèi)制造一個快速旋轉(zhuǎn)的氣旋，就像制造一家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計9股小型龍卷風，使灰塵和各種雜質(zhì)在氣旋中快速旋轉(zhuǎn)的同時，被離心力甩出氣旋，通過小孔落到氣旋周圍，并且一直待在外圍，無法進入中間。由于各種灰塵、顆粒的質(zhì)量不同，大顆粒離心力較大，因此最先甩出氣旋中心，而小質(zhì)量的顆粒會繼續(xù)進入圓錐體，這就是它采用的圓錐氣旋技術，微小的顆粒進入這些直徑更小的圓錐體，空氣在里面旋轉(zhuǎn)變成了直徑更小的氣旋，灰塵顆粒的圓周速度進一步提升，直到被自身的離心力甩出氣旋中心，落入周圍的塵杯中。這樣，氣旋中心部分始終是相對干凈的空氣，因此可以采用一個更加致密的濾芯來作為最后的屏障。綜上所述本論文設計的家庭清潔機器人所采用的吸塵技術就采用多級旋風塵氣分離技術，以達到最好的吸塵效果。2.4 本章小結(jié)家庭清潔機器人所使用的技術在不斷的發(fā)展，先進的技術需要用具體的機械機構(gòu)來實現(xiàn)。家庭清潔機器人的結(jié)構(gòu)，也決定著機器人的電氣化布局、清潔效率和與工作環(huán)境的交互程度。本章就對機器人中可以選擇有多種方案的兩個結(jié)構(gòu)進行了分析和選擇，并最終決定了各個結(jié)構(gòu)的方案。家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計10第 3 章 家庭清潔機器人各結(jié)構(gòu)的分析3.1 結(jié)構(gòu)分析本論文要設計一種結(jié)構(gòu)緊湊、機動靈活、控制簡單，結(jié)構(gòu)能夠搭配其自主驅(qū)動、自動避障和路徑規(guī)劃的家庭清潔機器人。整個家庭清潔機器人的結(jié)構(gòu)外部包括外殼、底盤、兩個獨立驅(qū)動輪、一個萬向輪。底盤內(nèi)部還是氣旋吸塵風機、旋轉(zhuǎn)清潔刷頭、可充電鋰電池以及電氣控制系統(tǒng)的載體。如圖 3-1。圖 3-1 機器人整體結(jié)構(gòu)的 proe 圖3.2 移動機構(gòu)分析移動輪式機器人所采用的機構(gòu)一般分為三輪和四輪。三輪機器人的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，用途廣泛，能夠滿足大部分的要求。四輪機器人則穩(wěn)定性良好，能夠承受的載荷大，但是結(jié)構(gòu)較為復雜，控制較難。家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計113.3 毛刷機構(gòu)分析清掃結(jié)構(gòu)是由直流電機，傘齒輪，齒輪箱，軸承和清掃毛刷組成。其中兩個傘齒輪的參數(shù)是齒數(shù) 20，分度圓直徑 20mm。選用一般清掃機器人的刷盤，刷盤的整個刷面都會接觸地面并旋轉(zhuǎn)，那么垃圾和灰塵就會沿著刷盤旋轉(zhuǎn)的切線方向向四周亂射。這樣不僅不能將垃圾和灰塵集中到機器人的中央部分，反而會使家庭環(huán)境更臟亂，如圖 3-2 所示。圖 3-2 清掃機構(gòu)家庭清潔機器人的清掃機構(gòu)設計較為簡單，并且發(fā)揮的作用也簡單，旋轉(zhuǎn)兩側(cè)的毛刷把垃圾和灰塵集中到機器人的中間，以便于吸塵機構(gòu)集中處理。毛刷選用三角布置刷毛的毛刷，而且毛刷中間離地面有一段距離，刷毛向下探出。這樣毛刷可以有效的掃動垃圾和灰塵，當毛刷旋轉(zhuǎn)到中間時，吸塵機構(gòu)可以立刻就將垃圾灰塵吸入。而且由于毛刷中間強度較硬的部件離地面有距離，所以不會干擾到機器人的移動。3.4 本章小結(jié)本論文設計的家庭清潔機器人所采用的結(jié)構(gòu)有的是很簡單的，而有的結(jié)構(gòu)則需要進行大膽的設計和改造。本章就對在第二章中所選擇的各機構(gòu)的方案進行了具體的結(jié)構(gòu)設計：包含獨立電機和橡膠輪的移動機構(gòu)、分散布置刷毛的清掃機構(gòu)以及采用先進技術的吸塵機構(gòu)。并且對現(xiàn)有的技術進行大膽的改造，使其可以運用到我們所設計的機器人當中。家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計12第 4 章 清潔機器人總體設計4.1 機器人外形設計根據(jù)家庭清潔機器人的設計要求，本次設計的機器人應該包括清掃機構(gòu)、行走機構(gòu)、吸塵機構(gòu)、垃圾收集處理機構(gòu)，其中清掃機構(gòu)的設計尤為重要。通過在網(wǎng)上搜索一些相關資料以及在圖書館查閱的資料，初步把機器人的外形設計為長寬均為400mm高為100mm 的長方體，但是后來發(fā)現(xiàn)所設計的結(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計為圓盤形，其外部輪廓大體如圖4-1所示圖 4-1 機器人外形圖家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計134.2 機器人的行走機構(gòu)設計移動輪式機器人所采用的機構(gòu)一般分為三輪和四輪。三輪機器人的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，用途廣泛，能夠滿足大部分的要求。四輪機器人則穩(wěn)定性良好，能夠承受的載荷大，但是結(jié)構(gòu)較為復雜，控制較難。家庭清潔機器人的工作環(huán)境良好，而且本身的重量小，所有的載荷都承受在底盤上并且不會改變重心位置。因此選用三輪式的移動方式，電機選用 37mm 的直流減速電機。三輪移動機器人的驅(qū)動方式主要有以下兩種：帶萬向輪的雙輪差動驅(qū)動方式和全向輪驅(qū)動方式。帶萬向輪的雙輪差動驅(qū)動方式是采用兩個獨立的直流電機控制兩個驅(qū)動輪，兩個驅(qū)動輪的軸共線。同時用一個與另外兩輪不共線的萬向輪來把整個底盤支撐起來。這種驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)簡單，應用普遍，控制方便，耗能較低。缺點就是只有兩個驅(qū)動輪，轉(zhuǎn)向需要先通過控制兩個獨立的驅(qū)動輪，使機器人轉(zhuǎn)體再前后移動。移動的效率降低，機器人的機動性不夠。全向驅(qū)動方式是由三個以獨立的直流電機控制的驅(qū)動輪呈正三角形設置在底盤上的移動方式 [6]?？梢赃M行在平面上的各個方向的移動和定位，并且有較好的穩(wěn)定性，驅(qū)動方式多樣的優(yōu)點。不過該驅(qū)動方式的驅(qū)動系統(tǒng)較為復雜，一旦控制程序發(fā)生錯誤，機器人的移動就會有較大誤差。并且耗能較高，所占用的機器人空間較大。綜上所述，本論文選用帶萬向輪的雙輪差動驅(qū)動方式。雖然總體性能這種驅(qū)動方式比不上全向驅(qū)動方式，但是所選用的驅(qū)動方式的簡單方便的特性更適合家庭清潔這個方向上。如圖 4-2 所示為本次設計的總體驅(qū)動方式。如圖 4-3 所示為本次設計的驅(qū)動輪。家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計14圖 4-2 驅(qū)動輪布置 圖 4-3 單個驅(qū)動輪從圖 4-2 可以看出本論文的設計把兩共軸的獨立驅(qū)動輪放在了機器人稍偏后的位置，而在正前方設置了一個萬向輪。這樣的設計使驅(qū)動系統(tǒng)整體呈一個等腰三角形，這樣無論是穩(wěn)定性還是機動性都能得到保證。通過控制兩個獨立驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)方向和速度來控制機器人的位移和旋轉(zhuǎn)。4.3 清掃機構(gòu)的設計清掃機構(gòu)的設計四種方案：(1) 電機帶動斜齒輪 1，斜齒輪1帶動斜齒輪2，斜齒輪2帶動斜齒輪3，斜齒輪上的軸連接滾刷，進而實現(xiàn)清掃。如圖4-4所示圖 4-4 清掃機構(gòu)一(2) 電機帶動錐齒輪 1，錐齒輪1帶動錐齒輪2，由錐齒輪2上的軸連接滾刷，進而實現(xiàn)清掃。如圖4-5所示圖 4-5 清掃機構(gòu)二(3) 電機帶動蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個蝸輪的軸上分別接刷子，從而實現(xiàn)清掃。如圖4-6 所示家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計15圖 4-6 清掃機構(gòu)三(4) 電機帶動蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個蝸輪分別接皮帶輪，皮帶輪上的軸接刷子，從而實現(xiàn)清掃。如圖4-7所示圖 4-7 清掃機構(gòu)四以上四種方案通過對比以及由設計的要求所限制，最終選擇方案四為清掃機構(gòu)。其正面結(jié)構(gòu)如圖4-8所示家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計16圖 4-8 清掃傳動機構(gòu)因為所設計的機器人它的體積有限制，在直徑為四百，高為一百的圓內(nèi)要放置有清掃機構(gòu)、行走機構(gòu)、吸塵機構(gòu)、垃圾收集處理機構(gòu)，同時還得留下放電池、控制中心、觀察中心的地方，而方案一雖然易于安裝，傳動平穩(wěn)，但是斜齒輪所占的面積非常大，如果選用它，則會占用大量的空間，使其它幾個單元有些部分將放置不下，從而超出所要設計的尺寸，因而否定了這種方案；方案二中，錐齒輪傳動不如斜齒輪平穩(wěn)，同時錐齒輪一所占的體積也比較大，而清掃機構(gòu)又是本次設計中最重要的部分，因而選用錐齒輪的弊端也很大，所以經(jīng)過計算及各個機構(gòu)總體布局的綜合考慮，舍棄了方案二；方案三中通過電機帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)，再有蝸桿帶動其兩端的蝸輪，由蝸輪上的軸帶動固定在其上的刷子旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了清掃的目的。為了使機器人的外壁在靠近墻邊時刷子能夠掃到墻壁的邊緣，同時使它在清掃過程中沒有工作盲區(qū)，開始設計時用兩個直徑都200mm 的刷子，這樣的話，蝸輪和蝸桿的中心距就必須為100mm, 而在這種中心距的情況下蝸輪蝸桿的尺寸都比較大，雖然能夠放置下，但是蝸輪蝸桿這個裝置就顯得比較笨重，所占的重量很大，這就加重了機器的人的總重量，因而這種方案也不是很合理；最后在方案三的基礎上產(chǎn)生了方案四。方案四中通過兩邊加皮帶輪這個結(jié)構(gòu)縮小了蝸輪蝸桿的中心距，從而減小了機器的總重量，同時還有利于其它機構(gòu)的安裝。因而選擇方案四為本次設計的清掃機構(gòu)。4.4 吸塵機構(gòu)的設計吸塵機構(gòu)是家庭清潔機器人的靈魂和基礎，本論文的吸塵機構(gòu)選用了目前最先進的技術——旋風塵氣分離技術。如圖 4-9 所示。家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計17圖 4-9 戴森公司的旋風塵氣分離筒1.旋風發(fā)生器 2.進氣口 3.傘齒輪 4.電機外殼 5.電擊轉(zhuǎn)子 6.渦旋外室 7.風扇 8.濾芯出氣口圖 4-10 本論文設計的渦旋風機如圖 4-10 所示是本論文設計的吸塵機構(gòu)。工作時轉(zhuǎn)速高達 10000prm 的無刷直流電機通過兩個傘齒輪帶動風扇轉(zhuǎn)動。風扇轉(zhuǎn)動使氣體快速向下流出，從而在機構(gòu)的上部份形成低壓。那么外部的空氣就會帶動垃圾和灰塵吸入機器人，經(jīng)過一層過濾網(wǎng)之后，小的灰塵和垃圾顆粒會進入吸氣口，通過管道進入旋風發(fā)生器。就如同水在漏斗里會形成漩渦并且流出一樣，帶動著灰塵顆粒的空氣進入圓錐形的旋風發(fā)生器里會快速旋轉(zhuǎn)形成氣旋?？諝庵械幕覊m顆粒在快速旋轉(zhuǎn)時會在離心力的作用下被甩出氣旋中家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計18心，那么中間略為干凈的空氣先進入下方的渦旋外室，顆粒后進入。在渦旋外室中進行第二次氣旋，大部分灰塵顆粒會留在渦旋外室中，氣旋的中心部分則是較為干凈的空氣。最后干凈空氣從出氣口排出到機器人體外，并且為了防止較少的灰塵來不及被氣旋甩出，在出氣口放置濾芯，進行最后的過濾。4.5 垃圾收集處理機構(gòu)設計 在對垃圾收集處理機構(gòu)進行設計時，開始想用如圖下所示的結(jié)構(gòu)作為垃圾收集擋板。圖 4-11 吸塵器原理通過電機帶動和電機相連的小齒輪，小齒輪通過帶動和其配對的大齒輪帶動軸2圖 4-12 垃圾箱局部旋轉(zhuǎn)，從而使軸2另一端上固定的大齒輪帶動和其相連的小齒輪旋轉(zhuǎn)，進而使垃圾收集擋板作揚起動作，將垃圾倒入其后面的垃圾儲藏室。垃圾收集擋板的揚起放下動作通過控制電機的正反轉(zhuǎn)來控制。但是此種結(jié)構(gòu)所占的空間比較大，家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計19圖 4-13 上下支撐體零件圖圖 4-14 機器人本體家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計20所示設計的家庭清潔機器人空間有限，不允許用這種結(jié)構(gòu)，因為如果采用此種結(jié)構(gòu)，將導致其它一些機構(gòu)無法放置，因而此種方案不可行。后來將垃圾收集和儲倉的機構(gòu)設置如圖4-13所示。垃圾儲藏室安放在機體的最后邊，其前端用銷釘連接一個可以繞著銷釘旋轉(zhuǎn)的垃圾收集擋板，擋板用厚度為1mm 的鋼板制成，表面光滑，旋轉(zhuǎn)的刷子可以將垃圾直接通過垃圾收集擋板掃到垃圾儲物室里，在儲物室末端，做一個和儲物室相匹配的拉門，其上端用螺釘從外壁擰入掛住在里邊，當準備倒垃圾時，將螺釘擰下來，抽出拉門，傾斜機體即可倒出垃圾。因為清掃部分是家庭清潔機器人的最重要的部分，整個機體的大半質(zhì)量都集中在這一部分。為了減輕機器的質(zhì)量，使其在使用時更方便一些，將這一部分單獨設計一個固定件固定在機體上，這樣既滿足工作要求又減輕了機體的質(zhì)量。最終設計家庭清潔機器人大體布局如圖4-14所示。4.6 本章小結(jié)本論文設計的家庭清潔機器人所采用的結(jié)構(gòu)有的是很簡單的，而有的結(jié)構(gòu)則需要進行大膽的設計和改造。本章就對在第二章中所選擇的各機構(gòu)的方案進行了具體的結(jié)構(gòu)設計：包含獨立電機和橡膠輪的移動機構(gòu)、分散布置刷毛的清掃機構(gòu)以及采用先進技術的吸塵機構(gòu)。并且對現(xiàn)有的技術進行大膽的改造，使其可以運用到我們所設計的機器人當中。家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計21第 5 章 具體計算移動機構(gòu)承擔著機器人移動和定位的工作。其中的直流電機是移動機構(gòu)的動力來源，減速箱則是傳遞力矩，帶動輪子轉(zhuǎn)動的中間結(jié)構(gòu)。這兩者中有一個出現(xiàn)問題，那么機器人就會出現(xiàn)故障，無法進行正常的清掃工作。因此，本章就對直流電機和減速箱做計算，驗證其能否正常的工作。5.1 電機選擇（1）阻力計算初步估計機器的總重量為9千克，g 取9.8N/kg，則 G=9×9.8=88.2N則分配到每個輪子上的載荷位 F=1/4G=1/4×88.2=22.1N按橡膠在優(yōu)質(zhì)路面上行走，取 ， ，1??.0?滾動摩擦阻力：（5-mNFMf .21.??1）滑動摩擦阻力：=F =22.1×0.1=2.21N （5-f?2）由前面的總體設計中機器的各個機構(gòu)的布局安排，車體底盤應至少高于地面10mm,取輪子直徑 D 為94mm，則 R=1/2D=47mm,則輪子行走過程中所受的阻力矩：（5-mNMRfTfW ??????? ?126.0.10472.33）（2）工作機要求的功率 （5-wWnTP???9504）式中： mNTw??126.0家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計22由 min/2.03647.0252 rRVnRVw???????取 則： ，7.0w? WTPwW8919??電機所需的輸出的功率：（5-5）d?式中： 86.097.9.022???cgr?則電機所需的輸出的功率：= =4.45WwdP?86.03（3）確定電機 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，再算得電機輸出功率，從而通過在網(wǎng)上搜索查到了寧波市北倉深港交流調(diào)速電機廠生產(chǎn)的 YCJT 系列電機滿足設計中所需要的電機要求 ，因為運轉(zhuǎn)本機器時電機需要輸出的功率為4.45W，由寧波市北倉深港交流調(diào)速電機廠網(wǎng)站上給的產(chǎn)品的技術指標和安裝型號中選型號為 YCJT-6-1，輸出功率為6W，速度可調(diào)范圍為90~1350r/min，1200 r/min 時轉(zhuǎn)距為5 N.cm，啟動轉(zhuǎn)距為3.5N.cm 的電機，因為其在滿足要求的情況下尺寸比我所查到的電機的尺寸都小，所以選用它為驅(qū)動機構(gòu)的電機。5.2 蝸輪蝸桿的選擇因為本次設計所用的蝸桿和蝸輪是清掃機構(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。 （1）應力循環(huán)次數(shù)：N 60n L =60×206×12000=1.48 （5-?2h 810?6）查《機械設計》得：家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計23=230MPa ；??OH?=90MPa；F= . =194MPa；??NHZ?OH82710??OH?MPa。5926?FFFY?（2）選擇 z 、z12根據(jù)傳動比 I=14.5，參考蝸輪蝸桿參數(shù)表，取 z =2,則 z =i.z =29。121（3）按齒面接觸疲勞強度設計先查《機械設計》確定計算公式所需參數(shù)：；8.0?AK；21V；（因載荷平穩(wěn)）?則載荷系數(shù)：； （5-7）96.0281????KVA（5-8）?iT式中：z =2時；1=0.7～0.75，取 =0.7。??代入5-8式中得：N.mm （5-9）5.193867.023.105.9.105.9662 ???????inPT查《機械設計》得：MPaZE將這些數(shù)據(jù)代入接觸強度計算公式，求得：家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計24（5-10）?? 322212 1495.19386.09 mzZKTdmHE ??????????????????按接觸強度要求：（5-11）412?dm查表選?。簃=2mm；d =22.4mm；1z =2；q=11.20；z =29；2。''9071???中心距：， ； （5-12）??mzqa2.42?582?zda=40.20mm 不是標準推薦中心距，如選擇中心距，蝸輪將變位。本設計不采用變位， 取 a=40.20。（4）驗算初設參數(shù) 蝸輪圓周速度 v = 0.63m/s 原估計 ，選 值，相符；2??1062nd?smv/32?VK滑動速度 ，在范圍內(nèi)，所選材料合適；sms /6/54.3i???蝸桿傳動效率 根據(jù) ，查表得 ，??19.0??～ svs/8.1??2?v?0.83，傳動效率 ，與初選 不????vtg???1 .05.06.5～～ ?? 7.0?符，傳動效率應適當降低。（5）驗算齒根彎曲疲勞強度和剛度=58.4 MPa （5-13）??FFaFzdmYKT?????216.家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計25蝸輪當量齒數(shù) ， 查得齒形系數(shù) ；4.29cos32???zV 65.2?FaY則可求得：=0.917 （5-14）?120??Y代入5-12式中 =27.85MPa294.17.0653896.2???F?成立，彎曲強度滿足要求。??FMPa???85.27（6）蝸桿、蝸輪幾何尺寸計算蝸桿齒頂圓直徑： =24.9mm ， ；mhddaaa???211 1*?ah蝸桿齒根圓直徑： =19.4mm， =0.2；??caff *11?*c蝸桿齒寬： =27.38mm， mm；1295.5.221 ?????zmb 281?b蝸輪喉圓直徑： ， ；??mxhdhdaaa 6.2*22 ?02x蝸輪齒根圓直徑： 52.8mm；????2*22 caff蝸輪咽喉母圓半徑： ；mdarg4.922蝸輪齒寬：17.16mm；?sin12?db取 ，選蝸輪輪齒端面為錐面結(jié)構(gòu)。?0??蝸輪輪緣寬度：=21.28mm，B=20mm；??mcdBa8.02sin*1??蝸輪頂圓直徑：家居小型清潔機器人的機構(gòu)設計2668.31mm；??????????2cos122?gaerd為不損傷齒寬 ：2b=66mm；?????????22?tgbrdae所以 的取值范圍在66mm 和68.31mm 之間，取 =67mm。2ed 2ed由于蝸桿傳動效率低所以工作時產(chǎn)生的熱量大。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，而蝸桿分度圓導程角對嚙合效率其主要影響，導程角大于30度以后嚙合效率增加不顯著且蝸桿加工也較困難，所以本設計中蝸桿導程角小于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。由以上可知，在本次設計中，由于蝸輪下面要加一個皮帶輪，而二者尺寸都不大，因而直接將蝸輪和皮帶輪一起鑄出來，其外廓形狀如圖5-1所示。圖 5-1 渦輪零件圖5.3 清掃機構(gòu)的電機的選擇因為清掃機構(gòu)中刷子的旋轉(zhuǎn)速度只要達到3r/s 就可以實現(xiàn)清掃目的，并可以把垃