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1、word 學(xué)校代碼：115171 學(xué) 號(hào)：201250616114 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目家用清潔機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)和外形設(shè)計(jì) 學(xué)生某某 楊江濤 專業(yè)班級(jí)

2、 機(jī)械設(shè)計(jì)制造與其自動(dòng)化1222班 學(xué) 號(hào) 201250616114 系 〔部〕 機(jī)械工程學(xué)院 指導(dǎo)教師(職稱) 趙讓乾 (副教授) 完成時(shí)間 2014 年5 月 25日 50 / 61 某某工程學(xué)院論文使用授權(quán)書 本人完全了解某某工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保

3、存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以與提供本論文全文或者局部的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的局部或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。 論文作者簽名： 年 月 日 某某工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)原創(chuàng)性聲明 本人X重聲明：所呈交的論文，是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，進(jìn)展研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文的研究

4、成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉與的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承當(dāng)。 論文作者簽名： 年 月 日 某某工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 題目 家用清潔機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)和外形設(shè)計(jì) 專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造與

5、其自動(dòng)化 學(xué)號(hào)201250616114某某楊江濤 一、主要內(nèi)容 4.電機(jī)的選擇、零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 6.畢業(yè)設(shè)計(jì)論文編寫工作 二、 設(shè)計(jì)家用地面清潔機(jī)的根本要求 隨著人們生活水平的提高，現(xiàn)代家庭的住宅越來越寬敞，地面清潔工作量越來越大。為了節(jié)省清潔占用時(shí)間，減輕勞動(dòng)量，提高清潔效率，對(duì)本課題設(shè)計(jì)的家用清潔機(jī)提出了更高的要求：一是能夠?qū)崿F(xiàn)吸塵功能；二是能夠?qū)崿F(xiàn)拖地功能；三是行走能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎、避障等功能； 四是運(yùn)行過程中不得有過大的噪聲。 三、 參考文獻(xiàn) [1] 肖南峰. 服務(wù)機(jī)器人[M]. ：清華大學(xué)，2013，5-35. [2] 秦保振. 清

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9、 月 日 目 錄 摘 要I ABSTRACTII 1 前言1 1 1.2 國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究2 1.2.1 國外產(chǎn)品研究狀況2 7 1.2.3 自主充電技術(shù)開展現(xiàn)狀9 1.3 研究的目的和意義9 1.4 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)10 2 家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)11 2.1 傳感技術(shù)11 2.2 路徑規(guī)劃技術(shù)12 2.3 吸塵技術(shù)12 2.4 電源技術(shù)13 3 清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)14 3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理14 3.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成14 3.1.2 工作原理15 3.2 清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì)17 3.2.1 機(jī)器人外形

10、設(shè)計(jì)17 3.2.2 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)18 3.2.3 拖地機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)18 4 吸塵局部的設(shè)計(jì)22 4.1 一般吸塵器的原理和結(jié)構(gòu)22 4.2 吸塵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)22 4.2.1 選擇吸塵器的風(fēng)機(jī)23 4.2.2 垃圾收集處理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)24 5 拖地局部的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算26 5.1 電機(jī)選擇26 5.2 拖地機(jī)構(gòu)的電機(jī)的選擇27 5.3 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算29 5.4 同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算32 5.5 軸的設(shè)計(jì)35 5.5.1 軸2的設(shè)計(jì)35 5.5.2 軸1的設(shè)計(jì)39 5.6 對(duì)軸承的校核42 5.7 鍵的選擇與校核計(jì)算43 5.8 家庭清潔機(jī)器人電池的選用44

11、 6開展趨勢與展望46 6.1 開展趨勢46 6.2 展望46 完畢語47 致 謝48 參考文獻(xiàn)49 家用清潔機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)和外形設(shè)計(jì) 摘 要 清潔機(jī)器人將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和清潔器技術(shù)有機(jī)地融合起來，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作，已受到國內(nèi)外的研究人員重視。設(shè)計(jì)完成了清潔機(jī)的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、拖地機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以與吸塵功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。拖地機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)采用齒輪和同步帶傳動(dòng)方案。外形結(jié)構(gòu)采用圓盤形，實(shí)現(xiàn)了躲避障礙物和地面清掃功能。本設(shè)計(jì)完成的家用清潔機(jī)，1個(gè)小時(shí)可以打掃360平方米,清潔度高達(dá)93%以上。 關(guān)鍵詞:

12、清潔機(jī);移動(dòng)機(jī)器人;吸塵器;拖地機(jī) ROTATION SYSTEM AND SHAPE DESIGN OF HOME CLEANING MACHINE ABSTRACT Cleaning robot bine mobile robot technology and cleaner technology organically , realizing the cleaning of indoor environment of semi-automatic or fully automatic , replacing t

13、raditional 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 de

14、sign 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 wh

15、ich is as high as 93% above. KEYWORDS: Clean machine; Mobile robot;Dust collector;Sweep the floor machine 1 前言 近年來,隨著中國工業(yè)的快速開展,吸塵器的產(chǎn)銷量也大幅增加,在我國市場具有旺盛的生命力。隨著社會(huì)的進(jìn)步和開展,人們的物質(zhì)和精神生活質(zhì)量的提高,迫切需要從繁重的清潔工作中解脫出來。由此誕生了一種家用服務(wù)型清潔機(jī)器人,它將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和清潔技術(shù)有機(jī)地融合起來,實(shí)現(xiàn)家庭、賓館、寫字樓等室內(nèi)環(huán)境的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔。 自動(dòng)進(jìn)展房間地面清潔的自主吸塵式家庭服務(wù)機(jī)器人，它集

16、機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體。自主清潔機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化開展的先行者，其研究始于20世紀(jì)80年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品。清潔機(jī)器人的開展，帶動(dòng)了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的開展，也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、傳感器、圖像和語音識(shí)別等相關(guān)技術(shù)的開展,因此具有廣闊的市場前景。本次設(shè)計(jì)的題目就是在這種背景下提出的，其設(shè)計(jì)要求如下： (1) 清潔機(jī)是清潔行業(yè)里常常用到的清潔設(shè)備，最主要的作用是吸塵、清洗地面 (2) 適合清潔的作業(yè)區(qū)：陶瓷、某某石等光滑硬質(zhì)地面 (3) 移動(dòng)機(jī)構(gòu)形式：輪式

17、 (5) 拖地洗盤轉(zhuǎn)速：3r/s (6) 轉(zhuǎn)彎半徑：0 (7) 整機(jī)高度：<200mm (8) 整機(jī)直徑：400mm (9) 清洗方式：旋轉(zhuǎn)拖地 (10) 電量低警示方式：LED閃燈 (11) 具有避障功能 (12) 具有自動(dòng)充電裝置 1.2 國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究 地面清潔機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化開展的先行者，其研究始于20世紀(jì)80年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品。清潔機(jī)器人的開展，帶動(dòng)了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的開展，也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、傳感器、圖像和語音識(shí)別等相關(guān)技術(shù)的開展?，F(xiàn)結(jié)合國內(nèi)外的

18、文獻(xiàn)將清潔機(jī)器人與其自動(dòng)充電技術(shù)的開展現(xiàn)狀闡述如下。 1.2.1 國外產(chǎn)品研究狀況 對(duì)于機(jī)器人我們可能不會(huì)太陌生，工業(yè)機(jī)器人在很多領(lǐng)域都得到了比擬廣泛的應(yīng)用，但是對(duì)于家庭機(jī)器人我們所了解的卻相當(dāng)?shù)纳?，而日本，歐美等國家的研究如此比擬領(lǐng)先，有的都已經(jīng)投入市場，在實(shí)際中投入使用。 RC3000是世界上第一臺(tái)能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機(jī)器人，如圖1-1所示，它有光電傳感器和芯片控制，當(dāng)遇到障礙時(shí)，會(huì)隨機(jī)改變一個(gè)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(shí)，可以調(diào)整其清潔程序；通過傳感器對(duì)于地板污漬的判斷，選擇適宜的應(yīng)用程序。內(nèi)置光敏

19、傳感器，確保在遇到樓梯與臺(tái)階時(shí)，能夠自動(dòng)避讓，不會(huì)掉落。扁平的設(shè)計(jì)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(shí)間設(shè)定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個(gè)功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導(dǎo)航信號(hào)來指引機(jī)器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務(wù)；同時(shí)能夠根據(jù)用戶設(shè)定的信息來控制機(jī)器人完成相應(yīng)的操作。如圖1-1所示。 圖1-1 智能機(jī)器人RC3000 在日本，東日本鐵路公司、Shink電器公司和Howa工業(yè)某某聯(lián)合研制了車站地面拖地機(jī)器人，機(jī)器人可沿墻壁從任何一個(gè)位置自動(dòng)啟動(dòng)，利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子將廢棄物掃人自帶容器中。該機(jī)器人可采用 “磁導(dǎo)引方式〞、“示教方

20、式〞或 “墻面復(fù)制方式〞控制。東日本路公司、富士工業(yè)某某Subaru實(shí)驗(yàn)室和JR東方設(shè)施管理某某聯(lián)合研制了車站地面擦洗機(jī)器人，該機(jī)器人工作時(shí)一面將清洗液噴灑到地面上，一面用旋轉(zhuǎn)刷不停地擦洗地面，并將臟水吸人所帶的容器中。機(jī)器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自動(dòng)清洗系統(tǒng)有兩種，一種是“面積設(shè)定模式〞，即將待清洗的面積分為假如干個(gè)單位面積，按照其存儲(chǔ)器中的單位面積識(shí)別其行使路線，機(jī)器人還可利用其傳感器識(shí)別和躲避障礙物；另一種叫“路徑地圖模式〞，機(jī)器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行使，機(jī)器人可存9幅地圖，并可利用IC卡作為外存，在該模式下，機(jī)器人不會(huì)避障，僅適用于需要反復(fù)擦洗的指定地段。 東日本鐵

21、路公司和東芝公司聯(lián)合研制的用于座椅布局簡單的列車內(nèi)部地面清洗的機(jī)器人，其體積小、重量輕、易于出入車廂與在車廂之間運(yùn)動(dòng)，感知系統(tǒng)采用超聲波距離傳感器和光學(xué)、接觸式的接近傳感器；機(jī)器人采用推算定位法，利用編碼器中的數(shù)據(jù)，保持自己的位置和路徑，假如探測到錯(cuò)誤位置，機(jī)器人會(huì)通過距離傳感器自動(dòng)修正；高級(jí)的列車地面清洗包括掃除垃圾、噴灑清洗液、擦洗、回收污水、用清水沖洗和給地面打蠟六個(gè)步驟。日本靜甲株式會(huì)社的清水工廠開發(fā)出一種自動(dòng)拖地機(jī)器人，可用于各種工廠的拖地工作，機(jī)器人采用光纖陀螺控制機(jī)器人的方向，采用編碼器和超聲波傳感器測距，采用光學(xué)探測器探測障礙物，機(jī)器人的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺傳感器

22、，一旦機(jī)器人與人接觸，觸覺傳感器信號(hào)會(huì)使機(jī)器人停下來以保證人的安全。松下和日立公司也研制出了可拖地磚、木質(zhì)地板和地毯地面的清潔機(jī)器人，該機(jī)器人采用蓄電池作為動(dòng)力源，可自動(dòng)去充電站充電，能夠自主避障和路徑規(guī)劃。 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(jī)器人的試制機(jī)。該機(jī)器人可以根據(jù)房間的形狀、地板狀況、垃圾量進(jìn)展自動(dòng)拖地，還配備有避開墻壁、爐子等熱源以與障礙的安全功能；該機(jī)器人配備有50個(gè)傳感器可一邊自動(dòng)行走一邊進(jìn)展拖地，工作時(shí)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(shí)開始縱橫來回移動(dòng)，清潔工作完成后會(huì)自動(dòng)停止。該機(jī)器人拖地一般的日本式房間約需要9min，相當(dāng)于人打

23、掃同樣大房間所需時(shí)間的1-1.5倍，可拖地房間地板的92％－93％；機(jī)器人利用光與超聲波的測距傳感器與感壓傳感器來避開障礙物，機(jī)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(jìn)方向，但在地毯上行走時(shí)如果不采取措施如此會(huì)受到 “地毯花紋〞影響而彎曲前進(jìn)，因此該公司在機(jī)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(jìn)方向偏差，因此即使在鋪有地毯的地板上也能夠直線前進(jìn)，機(jī)器人體內(nèi)還安裝有防止從臺(tái)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與防滑傳感器、檢測添加動(dòng)力的負(fù)載傳感器，機(jī)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(shí)，將

24、會(huì)同熱源至少保持50cm的距離。 20世紀(jì)90年代，美國就推出了地面清潔機(jī)器人 RoboScrub，該機(jī)器人配有激光導(dǎo)航系統(tǒng)，采用超聲波測距和避障，用光碼條實(shí)現(xiàn)定位。2002年9月清潔機(jī)器人“Roomba〞在美國面市，它重約2kg，直徑為30英寸，具有高度自主能力，可以游走于房間各家具縫隙間，靈巧地完成拖地工作，據(jù)說這是將用于軍事的“躲避地雷的移動(dòng)技術(shù)〞應(yīng)用到了吸塵器上。Roomba的動(dòng)作有點(diǎn)兒緩慢，但它卻能穩(wěn)定、安全地完成任務(wù)。由于能夠在完成任務(wù)后自動(dòng)切斷電源，所以可以在外出期間讓Roomba在家進(jìn)展拖地。如圖1-2所示。 圖1-2 智能清潔機(jī)器人Roomba 2002年10月1日

25、，瑞典的拉克斯電子公司與日本東芝公司共同開發(fā)的清潔機(jī)器人 “特里洛巴伊特〞上市銷售，“特里洛巴伊特〞主要由拖地機(jī)器和超聲波傳感器構(gòu)成，在工作時(shí)可避開室內(nèi)擺放的各種家具用品。只要家庭主婦領(lǐng)著它搞過一次拖地后，它便可以按行走過的拖地線路進(jìn)展自動(dòng)拖地。這種機(jī)器人是充電式的，每一次充電可連續(xù)工作 1小時(shí)。 瑞典家電制造商伊萊克斯〔EIectoIux〕研制生產(chǎn)的清潔機(jī)器人小“三葉蟲〞高13mm，直徑35mm，外表光滑，呈圓形，內(nèi)置搜索雷達(dá)，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(shí)別出這些障礙物，它可重新選擇路線，并對(duì)整個(gè)房間做出重新判斷與計(jì)算，以保證房間的各個(gè)角落都被

26、拖地。在樓梯的臺(tái)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(huì)跨越。小“三葉蟲〞開始啟動(dòng)后，體內(nèi)的搜索雷達(dá)會(huì)探測出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵與異物吸盡。這樣它便能探測出整個(gè)房間的格局，計(jì)算出拖地整個(gè)房間所需的時(shí)間。只要一接近一件障礙物，它便會(huì)重新設(shè)定行進(jìn)路線，不會(huì)漏掉每一個(gè)角落。電線或地毯的邊緣不會(huì)被認(rèn)作是障礙物。小 “三葉蟲〞的吸刷裝置中裝有一只專利設(shè)計(jì)滑輪，可以越過電線或地毯邊緣，不被絆住。電源不足時(shí)，小“三葉蟲〞會(huì)自動(dòng)回到充電卡座自行充電。如果此時(shí)房間還沒有拖地完畢，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，如圖1-3所示。英國、法國和澳大

27、利亞也都推出過清潔機(jī)器人產(chǎn)品。 圖1-3 三葉蟲 英國Dyson公司最近推出一種型號(hào)為DC06的智能吸塵器。這是世界首次開發(fā)研制的全自動(dòng)“吸塵機(jī)器人〞。這種機(jī)器人具有一定的人工智能,只需輕按開關(guān)它就會(huì)為你解除每天打掃房間的煩惱。如圖1-4所示,吸塵機(jī)器人形狀呈50厘米長的模型汽車狀,重9.2公斤左右,配置了70多個(gè)傳感器,可隨時(shí)將發(fā)現(xiàn)的情況告訴由3臺(tái)內(nèi)置電腦組成的“大腦〞。“大腦〞每秒可發(fā)出16條命令來指揮吸塵器的工作。充電后一按開關(guān),機(jī)器人會(huì)在瞬間通過所搭載的三臺(tái)小型計(jì)算機(jī)和70個(gè)傳感器計(jì)算出自己所在位置、房間大小與臟亂程度、家具的配置等。要是小孩或狗等外來物體接近吸塵器,它就會(huì)自動(dòng)

28、停止工作。接近樓梯口時(shí),吸塵器會(huì)自動(dòng)采取保護(hù)措施,以防止?jié)L到樓下。使用時(shí),只要打開電源、選好速度、按下“走〞鍵,吸塵器就會(huì)自動(dòng)工作,其它程序都由它自己獨(dú)立完成。不過該產(chǎn)品目前價(jià)格太高(4000美元左右一臺(tái)),要真正推向市場還有相當(dāng)?shù)碾y度,如圖1-4所示。 圖1-4 智能機(jī)器人DC06 澳大利亞的Floor Botics公司最近也研制出可自動(dòng)行駛并打掃房間的V4型機(jī)器人,如圖1-5所示。這種全自動(dòng)吸塵器外表光滑,體積很小,呈圓形,內(nèi)置搜索雷達(dá),可以搜索各種房間里的每一處,不會(huì)碰撞家具或其它障礙物。微處理小電腦使它具備在拐至屋角處能探測方向、選擇前進(jìn)路線的能力。只要一放在地面上,全自動(dòng)吸塵

29、器便可自動(dòng)開始工作。其搜索雷達(dá)會(huì)探測出距離最近的墻壁,先順著墻壁把地板四周的灰塵與異物吸盡,然后再不規(guī)如此地來回于房間的其它位置,并且能在接近障礙物之前迅速轉(zhuǎn)向。該吸塵機(jī)器人由于在主機(jī)的周圍360度配備了障礙物傳感器,因此可以在檢測墻壁與障礙物的同時(shí)打掃地面。當(dāng)打掃完可以行駛的場所后,機(jī)器人就自動(dòng)關(guān)閉電源。在經(jīng)過4個(gè)小時(shí)充電后可以連續(xù)工作1個(gè)小時(shí)以上,通過更換配件還可以打掃地毯等。不管房間的外形與面積的大小, ARNA導(dǎo)航算法引導(dǎo)機(jī)器人在任何房間的所有無遮掩區(qū)域四處運(yùn)動(dòng)來進(jìn)展清潔工作。因?yàn)闄C(jī)器人導(dǎo)航沿房間的周圍,所以它要?jiǎng)?chuàng)建自己的空間參考圖,機(jī)器人不需要任何編程“教它應(yīng)該去哪里〞。該機(jī)器人操作

30、簡單,僅有三個(gè)按鈕:開始、完畢以與暫停。人們只要簡單地將它放置在需要拖地的區(qū)域或房間中(這個(gè)機(jī)器人吸塵器很輕,一只手就可以容易拿起它),按下開始按鈕即可，如圖1-5所示。 圖1-5 V4智能吸塵機(jī)器人 2003年11月，三星公司推出一款代號(hào)為VC-RP30W的機(jī)器人吸塵器，如圖1-6所示。VC-RP30W主要依靠3D地圖技術(shù)來進(jìn)展定位，并能靈巧地躲避障礙物，能夠快速、高效地對(duì)房間每個(gè)角落進(jìn)展吸塵。當(dāng)遇到障礙物或者死角等情況，VC-RP30W會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強(qiáng)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(jī)器人也允許用戶定義它的工作時(shí)間與清掃區(qū)域等，

31、從而實(shí)現(xiàn)主人不在家時(shí)機(jī)器人也能進(jìn)展自動(dòng)拖地。事實(shí)上，用戶除了可以對(duì)它本身進(jìn)展設(shè)置以外，還能通過計(jì)算機(jī)查看安裝在機(jī)器人前部的攝像頭進(jìn)展遠(yuǎn)程遙控。整個(gè)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(shí)它自動(dòng)回到充電座補(bǔ)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(hào)。 圖1-6 三星機(jī)器人VC- RP30W 1.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 在國內(nèi)的一些大學(xué)，如某某工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、某某交通大學(xué)等單位也對(duì)清潔機(jī)器人進(jìn)展了大量的研究并取得了一些成果，對(duì)清潔機(jī)器人相關(guān)技術(shù)如機(jī)器感知、機(jī)器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機(jī)器人控

32、制、電源與電源管理、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的研究如此更多，這些都為清潔機(jī)器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)根底和技術(shù)根底。 某某工業(yè)大學(xué)于20世紀(jì)90年代開始致力于這方面的研究，與某某中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動(dòng)拖地機(jī)器人。該機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：采用全方位移動(dòng)技術(shù)，使機(jī)器人可執(zhí)行對(duì)狹窄區(qū)域等死區(qū)的拖地任務(wù)；采用開放式機(jī)器人鉸制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬件可擴(kuò)展，軟件可移植、可繼承，使機(jī)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(shí)時(shí)避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的拖地工作環(huán)境；遙控操作和自主運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)行方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)吸塵腔路的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。 某某大學(xué)于1999年初在某某大學(xué)機(jī)

33、械電子研究所開始進(jìn)展智能吸塵機(jī)器人的研究，兩年后設(shè)計(jì)成功國內(nèi)第一個(gè)具有初步智能的自主吸塵機(jī)器人。這種智能吸塵機(jī)器人工作時(shí)，首先進(jìn)展環(huán)境學(xué)習(xí)：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(shí)獲得房間的尺寸信息，從而決定拖地時(shí)間；之后，利用隨機(jī)和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的拖地路徑；拖地完畢以后，自行回到充電座補(bǔ)充電力。目前，系統(tǒng)正在引入機(jī)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、智能決策能力以與回歸充電效率，最終提高拖地效率。如圖1-7所示。 圖1-7 國內(nèi)公司生產(chǎn)的機(jī)器人KV8 KV8保潔機(jī)器人是今年在市場以低價(jià)位賣得比擬火的一款產(chǎn)品，也是

34、國內(nèi)首個(gè)產(chǎn)品化拖地機(jī)器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂場所，以與其它一些人員不便進(jìn)入的地方。KV8能夠通過自身的碰撞傳感器來實(shí)現(xiàn)隨機(jī)的拖地和碰撞處理，需要人工對(duì)其電池進(jìn)展充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動(dòng)時(shí)伴有音樂聲。 1.2.3 自主充電技術(shù)開展現(xiàn)狀 在20世紀(jì)40年代末，Grey Walter開發(fā)第一個(gè)自主充電的移動(dòng)機(jī)器人名為：“Tortoises〞，這種機(jī)器人具有在神經(jīng)學(xué)研究中向著光線走的行為。Walter還發(fā)明了一個(gè)可以充電的小櫥，櫥中有能夠發(fā)射光束的裝置和充電器，并把它當(dāng)作充電站。通過光線束的引導(dǎo)，機(jī)器人來到櫥前通過接觸從而進(jìn)展自主充電。這個(gè)系統(tǒng)有如下的特征： (1) 機(jī)器人的

35、感知行為：感光； (2) 充電站能夠發(fā)出機(jī)器人可以感知的光束； (3) 能夠?qū)﹄姵睾统潆娖鬟M(jìn)展具有一定準(zhǔn)確性地對(duì)接。 1998年，Tsukuba大學(xué)成功開發(fā)出了一款可以自動(dòng)充電的名為Yamabico-Liv的導(dǎo)游機(jī)器人。通過使用導(dǎo)航系統(tǒng)，該機(jī)器人能夠利用地圖自主導(dǎo)航繞越實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境到達(dá)充電站，通過充電站上一些特殊的裝置的作用，實(shí)現(xiàn)自主充電。 最近，位于美國的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人研究中心也開發(fā)出了一種叫做Sage的導(dǎo)游機(jī)器人，它是從卡內(nèi)基梅隆歷史博物館所使用的導(dǎo)游機(jī)器人Nomad XR4000改良而來。機(jī)器人Sage通過其所攜帶的CCD攝像頭對(duì)標(biāo)識(shí)環(huán)境的三維路標(biāo)等進(jìn)展識(shí)別和處理，從而

36、自主地尋找充電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。路標(biāo)被直接放于充電站的插座的正上方，通過它的引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可靠地?？吭陬A(yù)設(shè)的充電位置處，從而實(shí)現(xiàn)充電，在插座和插孔中間沒有別的東西。在174天的操作運(yùn)行中，這個(gè)機(jī)器人成功地實(shí)現(xiàn)135天無故障地運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，大約每九天就偶爾會(huì)要人為地進(jìn)展一些精度校正。 1.3 研究的目的和意義 吸塵機(jī)器人將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融合起來，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境〔地面〕的半自動(dòng)或全自動(dòng)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(dòng)機(jī)器人的一個(gè)特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自主式吸塵器比擬具體地表現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。

37、從市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)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)代傳感器以與機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開發(fā)一部價(jià)格廉價(jià)，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拖地機(jī)器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工拖地方式，使家庭生活電氣化、智能化，使科技更好地為人類服務(wù)。 1.4 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn) 由前面的設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)器人的工作內(nèi)容和要求，在寬400高100的體積下如何設(shè)計(jì)和布置好拖地機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，吸塵機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)存垃圾機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，機(jī)器人中的關(guān)鍵局部拖地機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是本

38、次設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)所在。因?yàn)檫€要求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有避障功能，所以其外形設(shè)計(jì)也應(yīng)該仔細(xì)考慮。拖地后的垃圾如何處理，以與如何布置吸塵設(shè)備也是本次設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)考慮的問題。 2 家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)吸塵機(jī)器人系統(tǒng)通常由四個(gè)局部組成:移動(dòng)機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)是吸塵機(jī)器人的主體,決定了吸塵器的運(yùn)動(dòng)空間,一般采用輪式機(jī)構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、接觸和接近覺傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機(jī)等。隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以與移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的迅速開展,吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具

39、備了堅(jiān)實(shí)的根底和良好的開展前景。吸塵機(jī)器人的控制與工作環(huán)境往往是不確定的或多變的,因此必須兼顧安全可靠性、抗干擾性以與清潔度。用傳感器探測環(huán)境、分析信號(hào),以與通過適當(dāng)?shù)慕７椒▉砝斫猸h(huán)境,具有特別重要的意義。近年來對(duì)智能機(jī)器人的研究明確,對(duì)于工作在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的自主式移動(dòng)機(jī)器人,要進(jìn)一步提高其自動(dòng)化程度,主要依靠模式識(shí)別與障礙物識(shí)別、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與適當(dāng)人工智能方法,還需要進(jìn)一步開發(fā)全局模型,從而為機(jī)器人獲取全局信息。目前開展較快、對(duì)吸塵機(jī)器人開展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是:傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、吸塵技術(shù)、電源技術(shù)等。 2.1 傳感技術(shù) 為了讓吸塵機(jī)器人正常工作,必須對(duì)機(jī)器人位

40、置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)展監(jiān)控,還要感知機(jī)器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息,使得吸塵機(jī)器人相應(yīng)的工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應(yīng)工作環(huán)境的變化。 通常采用的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。其中內(nèi)部傳感器有:編碼器、線加速度計(jì)、陀螺儀、磁羅盤等。其中編碼器用于確定當(dāng)前機(jī)器人的位置,線加速度計(jì)獲取線加速度信息,進(jìn)而得到線加速度和位置信息;陀螺儀測量移動(dòng)機(jī)器人的角度、角速度、角加速度以得到機(jī)器人的姿態(tài)角、運(yùn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向的改變等絕對(duì)航向信息。外部傳感器有:視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器。視覺傳感器采用CCD攝像機(jī)進(jìn)展機(jī)器人的視覺導(dǎo)航與定位、目標(biāo)識(shí)別和地圖構(gòu)造等

41、;超聲波傳感器測量機(jī)器人工作環(huán)境中障礙物的距離信息和地圖構(gòu)造等。紅外線傳感器大多采用紅外接近開關(guān)來探測機(jī)器人工作環(huán)境中的障礙物以防止碰撞。接觸和接近覺傳感器多用于避碰規(guī)劃。 2.2 路徑規(guī)劃技術(shù) 吸塵機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息,按照某種優(yōu)化指標(biāo),在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑,并且實(shí)現(xiàn)所需拖地區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。機(jī)器人路徑規(guī)劃研究開始于20世紀(jì)70年代,目前對(duì)這一問題研究仍舊十分活躍。其主要研究內(nèi)容按機(jī)器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動(dòng)態(tài)環(huán)境和動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境,按機(jī)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

42、。 對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)起來依然具有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)機(jī)器人對(duì)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)境信息完全未知或局部未知,通過傳感器在線地對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)展探測,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(gè)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(fēng)扇在機(jī)體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流

43、,將塵埃和臟物通過吸口吸入機(jī)體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。吸塵系統(tǒng)包括濾塵器、集塵袋、排氣管以與其他一些附件。其吸塵能力取決于風(fēng)機(jī)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(gè)吸塵器是一個(gè)全封閉系統(tǒng),既無外部氣體吸入,也無機(jī)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)。 2.4 電源技術(shù) 移動(dòng)電源在吸塵機(jī)器人中的地位十分重要,可以說是它的生命源。移動(dòng)電源需要同時(shí)滿足吸塵機(jī)器人的多種能源需要,如為移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力,為

44、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(xué)電池作為移動(dòng)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、可充電以與本錢低等。但實(shí)際上沒有一種電池可同時(shí)具備上述優(yōu)點(diǎn),這就要求設(shè)計(jì)人員選擇一種適宜的電池,盡可能增加吸塵機(jī)器人的不連續(xù)工作時(shí)間。 3 清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì) 3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理 本課題要研制一臺(tái)結(jié)構(gòu)小巧、靈活，控制簡單、易于實(shí)現(xiàn)，初步完成自主移動(dòng)、自動(dòng)避障和路徑規(guī)劃任務(wù)的清潔機(jī)器人。整個(gè)清潔機(jī)器人由機(jī)械局部和控制系統(tǒng)兩大局部組成。機(jī)械局部包括高強(qiáng)度塑料底

45、盤、外殼、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)隨動(dòng)輪。它們是吸塵電機(jī)、清潔刷、電池以與控制系統(tǒng)的載體。 3.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成 本清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要包括以下幾局部: (1) 行走驅(qū)動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該局部主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動(dòng)。殼體前端和側(cè)面裝有紅外開關(guān)，作為碰撞檢測傳感器。底面的3個(gè)紅外開關(guān)作為臺(tái)階檢測傳感器，防止跌落。驅(qū)動(dòng)輪上裝有光電編碼盤，可以對(duì)輪速進(jìn)展檢測和控制，實(shí)現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。同時(shí)還擴(kuò)展了超聲波傳感器，用于準(zhǔn)確定位的需要; (2) 拖地機(jī)構(gòu)。用電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)拖地刷，使左面拖地刷順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右面逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就可以在拖地灰塵時(shí)將灰塵集中于吸風(fēng)口處，為吸塵機(jī)構(gòu)的工作做準(zhǔn)備； (3)

46、吸塵機(jī)構(gòu)。制造強(qiáng)大的吸力，將灰塵吸入灰塵存儲(chǔ)箱中； 移動(dòng)機(jī)構(gòu)是其它部件的載體，機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)按結(jié)構(gòu)分有輪式、履帶式和步行式等。輪式和履帶式機(jī)器人適合條件較好的地面，而步行機(jī)器人如此適合于條件較差的路面。本課題研制的自主清潔機(jī)器人工作在環(huán)境較好的室內(nèi)，所以采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)較為適合。 輪式移動(dòng)機(jī)器人一般有三輪、四輪和六輪，移動(dòng)機(jī)器人假如采用三輪結(jié)構(gòu)如此比擬簡單，能夠滿足一般的需求，應(yīng)用也比擬廣泛;四輪的穩(wěn)定性好，承載能力較大，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜;六輪與四輪類似，只不過有更大的承載能力和穩(wěn)定性。在本課題中，清潔機(jī)器人的重量不是很大，工作條件是室內(nèi)，也不惡劣，三點(diǎn)確定一個(gè)平面，三輪理論上也是穩(wěn)定的。但是

47、對(duì)負(fù)載有一定的限制，對(duì)三輪移動(dòng)機(jī)器人來說，重心都比擬低，載荷穩(wěn)定且中心位置根本不發(fā)生變化，所以采用三輪結(jié)構(gòu)就能滿足要求。 三輪轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有兩種方式: (1) 鉸軸轉(zhuǎn)向式:轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速器和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)控制鉸軸，從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。 (2) 差速轉(zhuǎn)向式:在機(jī)器人的左、右輪上分別裝上兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過控制左右輪的速度比實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。在這種情況下，非驅(qū)動(dòng)輪應(yīng)為自由輪。移動(dòng)機(jī)器人假如采用鉸軸轉(zhuǎn)向式控制簡單，但精度不是太高;差動(dòng)轉(zhuǎn)向式控制復(fù)雜，但精度較高?？紤]到本課題清潔機(jī)器人將來作為服務(wù)型機(jī)器人使用，在控制方式上應(yīng)達(dá)到一個(gè)較高層次，所以采用差動(dòng)轉(zhuǎn)向式比擬

48、好，并且其運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的精度也高一些，以便為以后的避障和軌跡規(guī)劃打下一個(gè)良好的根底。因此本系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是三輪差速轉(zhuǎn)向式的，如圖3-1所示。 按照上述的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，清潔機(jī)器人采用兩直流電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)左右兩輪的差動(dòng)方式，控制簡單、準(zhǔn)確、易于實(shí)現(xiàn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)吸塵機(jī)器人的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退，以與調(diào)頭等功能，清潔機(jī)器人能夠在任意半徑下，以任意速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，甚至可以實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑(即繞軸中點(diǎn)原地旋轉(zhuǎn))。 隨動(dòng)輪 右輪由右輪電機(jī)驅(qū)動(dòng) 左輪由左輪電機(jī)驅(qū)動(dòng) 圖3-1 移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 3.1.2 工作原理 本系統(tǒng)的功能模塊關(guān)系如圖3-2所示。清潔機(jī)器人由多個(gè)功能模塊共同組成，這幾

49、個(gè)模塊共同工作、相互協(xié)調(diào)、相互作用，保證了機(jī)器人能夠順利的進(jìn)展拖地。具體的工作原理如下清潔機(jī)器人的中心是清潔機(jī)器人的CPU，它對(duì)其它各個(gè)功能模塊進(jìn)展控制。信息采集模塊負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境以與機(jī)器人本身的各種信息。鍵盤模塊和紅外遙控接收模塊可以接收人們對(duì)機(jī)器人的控制信息，然后把信息傳給CPU進(jìn)展處理。當(dāng)接收到需要機(jī)器人進(jìn)展拖地工作的信號(hào)時(shí)，CPU可以通過控制行走機(jī)構(gòu)和清潔機(jī)構(gòu)讓機(jī)器人進(jìn)展工作。在機(jī)器人工作的過程中還可以通過LCD顯示模塊和狀態(tài)指示模塊對(duì)機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)展時(shí)實(shí)的顯示。 機(jī)器人工作的流程如下: (1) 首先可以通過鍵盤或者遙控器啟動(dòng)清潔機(jī)器人，讓它開始拖地工作。 (

50、2) 機(jī)器人一旦開始工作，便控制拖地機(jī)構(gòu)進(jìn)展拖地、吸塵機(jī)構(gòu)開始吸塵、擦地機(jī)構(gòu)開始擦地。 (3) 機(jī)器人開始工作，傳感探測模塊就開始不斷地采集外部信息，送到CPU進(jìn)展分析和決策產(chǎn)生機(jī)器人行走的路徑。 (4) 當(dāng)路徑規(guī)劃需要機(jī)器人實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的時(shí)候。CPU就分別改變左右輪的速度，通過差速來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 (5) 工作期間機(jī)器人可以通過LCD顯示一些相關(guān)信息(比如工作模式、工作計(jì)時(shí)或溫度)。 (6) 遙控器除了可以控制清潔機(jī)器人的啟停，還可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)展定時(shí)，讓機(jī)器人在一定時(shí)間后開始工作或者工作一定時(shí)間后停止工作。 行走機(jī)構(gòu) 清潔機(jī)構(gòu) 紅外遙控接收模塊 鍵盤模塊

51、 信息采集模塊 清潔機(jī)器 CPU 狀態(tài)指示模塊 LED顯示模塊 圖3-2 功能模塊關(guān)系示意圖 該機(jī)器人利用安裝的各類傳感器來獲取室內(nèi)環(huán)境以與自身的根本信息，如障礙物的位置、自身走過的距離等;然后根據(jù)獲得的信息，選定相應(yīng)的控制策略;通過以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)進(jìn)展障礙物判斷、避障策略選擇和運(yùn)動(dòng)行走實(shí)施。機(jī)器人面板上有控制其開始/停止工作的按鍵。同時(shí)也可以通過遙控來控制，遙控還可以用來對(duì)機(jī)器人進(jìn)展定時(shí)，LCD實(shí)時(shí)的顯示定時(shí)的倒記時(shí)和當(dāng)前的溫度值。 3.2 清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 3.2.1 機(jī)器人外形設(shè)計(jì) 根據(jù)家庭清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)該

52、包括拖地機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)、垃圾收集處理機(jī)構(gòu)，其中拖地機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。通過在網(wǎng)上搜索一些相關(guān)資料以與在圖書館查閱的資料，初步把機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)為長寬均為400mm高為100mm的長方體，但是后來發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的不合理之處，周邊有棱角的機(jī)器人在躲避障礙物是很不便，非常容易碰到障礙物，而圓形物體如此比擬容易避開障礙物。因而最終把機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)為圓盤形，其外部輪廓大體如圖3-3所示。 圖3-3 清潔機(jī)外形圖 3.2.2 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑為0，在機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)中采用兩輪驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱分布在拖地機(jī)構(gòu)的后方，兩個(gè)輪子和刷子支撐機(jī)體工作和運(yùn)動(dòng)，

53、這樣設(shè)計(jì)既節(jié)省材料，又可以使刷子和地面全面的接觸，從而利于更徹底的拖地。在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過控制行走機(jī)構(gòu)的兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而控制兩個(gè)輪子，通過輪子的前后差速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)體的轉(zhuǎn)彎半徑為0。 3.2.3 拖地機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 在拖地機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中想到了五種方案： (1) 電機(jī)帶動(dòng)斜齒輪1，斜齒輪1帶動(dòng)斜齒輪2，斜齒輪2帶動(dòng)斜齒輪3，斜齒輪上的軸連接滾刷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拖地； 圖3-4 拖地機(jī)構(gòu)一 (2) 電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪1，錐齒輪1帶動(dòng)錐齒輪2，由錐齒輪2上的軸連接滾刷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拖地； 圖3-5 拖地機(jī)構(gòu)二 (3) 電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個(gè)蝸輪的軸上分別接刷子，從

54、而實(shí)現(xiàn)拖地； 圖3-6 拖地機(jī)構(gòu)三 (4) 電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個(gè)蝸輪分別接皮帶輪，皮帶輪上的軸接刷子，從而實(shí)現(xiàn)拖地。 圖3-7 拖地機(jī)構(gòu)四 〔5〕直流減速電機(jī)，通過電機(jī)軸帶動(dòng)左邊帶輪，左邊的帶輪通過同步帶帶動(dòng)拖把軸上的帶輪來帶動(dòng)拖把軸，右邊的傳動(dòng)靠齒輪嚙合、帶傳動(dòng)來帶動(dòng)右邊拖把旋轉(zhuǎn)。 電機(jī) 圖3-8 拖地傳動(dòng)機(jī)構(gòu)五 以上五種方案通過比照以與由設(shè)計(jì)的要求所限制，最終選擇方案五為拖地機(jī)構(gòu)。其正面結(jié)構(gòu)如圖3-9所示。 圖3-9 拖地傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖 因?yàn)樗O(shè)計(jì)的機(jī)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

55、有拖地機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)、垃圾收集處理機(jī)構(gòu)，同時(shí)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(dòng)平穩(wěn)，但是斜齒輪所占的面積非常大，如果選用它，如此會(huì)占用大量的空間，使其它幾個(gè)單元有些局部將放置不下，從而超出所要設(shè)計(jì)的尺寸，因而否認(rèn)了這種方案；方案二中，錐齒輪傳動(dòng)不如斜齒輪平穩(wěn)，同時(shí)錐齒輪一所占的體積也比擬大，而拖地機(jī)構(gòu)又是本次設(shè)計(jì)中最重要的局部，因而選用錐齒輪的弊端也很大，所以經(jīng)過計(jì)算與各個(gè)機(jī)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(jī)帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，再有蝸桿帶動(dòng)其兩端的蝸輪，由蝸輪上的軸帶動(dòng)固定在其上的刷子旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了拖地的目的。為了使機(jī)器人的外壁在靠近墻

56、邊時(shí)刷子能夠掃到墻壁的邊緣，同時(shí)使它在拖地過程中沒有工作盲區(qū)，開始設(shè)計(jì)時(shí)用兩個(gè)直徑都為150mm的刷子，這樣的話，蝸輪和蝸桿的中心距就必須為75mm,而在這種中心距的情況下，蝸輪蝸桿的尺寸都比擬大，雖然能夠放置下，但是蝸輪蝸桿這個(gè)裝置就顯得比擬笨重，所占的重量很大，這就加重了機(jī)器的人的總重量，因而這種方案也不是很合理；最后在方案三的根底上產(chǎn)生了方案四。方案四中通過兩邊加皮帶輪這個(gè)結(jié)構(gòu)縮小了蝸輪蝸桿的中心距，從而減小了機(jī)器的總重量，但是考慮到蝸輪蝸桿為非標(biāo)準(zhǔn)件，制造安裝較復(fù)雜，所以考慮應(yīng)用方案五。方案五兼顧了方案四的優(yōu)點(diǎn)，制造安裝方便，因而選擇方案五為本次設(shè)計(jì)的拖地機(jī)構(gòu)。

57、 4 吸塵局部的設(shè)計(jì) 4.1 一般吸塵器的原理和結(jié)構(gòu) 吸塵器的工作原理是:利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉片高速旋轉(zhuǎn)，在密封的殼體內(nèi)產(chǎn)生空氣負(fù)壓,吸取塵屑。 吸塵器的原件：所有吸塵器都配有一個(gè)組裝刷頭,供清理地板與地毯是用。吸力式吸塵器還會(huì)配備一系列的清潔刷與吸嘴,以便清掃角落、窗簾、沙發(fā)和縫隙用。 喉管:所有吸力式的吸塵器都會(huì)裝備硬喉管，用來連接清潔用的軟喉管與附件。 電動(dòng)刷:內(nèi)式吸塵器的清潔頭,是混合式吸塵器特別有的配件。 圓刷頭:也較小吸嘴,可做360度回轉(zhuǎn),方便清潔家具、精細(xì)網(wǎng)織物等。 扁吸嘴又稱縫隙吸嘴，是一支細(xì)長、扁平的硬吸嘴。特別適用于清潔墻邊、

58、輻射式暖片、角落與淺窄地方。 掃塵刷：用長而軟的鬃毛制成，適用于清潔窗簾、墻壁等。 吸塵器主要由起塵、吸塵、濾塵三局部組成，一般包括串激整流子電動(dòng)機(jī)、離心式風(fēng)機(jī)、濾塵器〔袋〕和吸塵附件。一般吸塵器的功率為400-1000W或更高，便攜式吸塵器的功率一般為250W與其以下。吸塵器能除塵，主要在于它的“頭部〞裝有一個(gè)電動(dòng)抽風(fēng)機(jī)。抽風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上有風(fēng)葉輪，通電后，抽風(fēng)機(jī)會(huì)以每秒500圈的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生極強(qiáng)的吸力和壓力，在吸力和壓力的作用下，空氣高速排出，而風(fēng)機(jī)前端吸塵局部的空氣不斷地補(bǔ)充風(fēng)機(jī)中的空氣，致使吸塵器內(nèi)部產(chǎn)生瞬時(shí)真空，和外界大氣壓形成負(fù)壓差，在此壓差的作用下，吸入含灰塵的空氣。灰塵等雜物依次通

59、過地毯或地板刷、長接收、彎管、軟管、軟管接頭進(jìn)入濾塵袋，灰塵等雜物滯留在濾塵袋內(nèi)，空氣經(jīng)過濾片凈化后，再由機(jī)體尾部排出。 4.2 吸塵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)吸塵器的吸塵部位，主要由吸嘴﹑吸管﹑儲(chǔ)塵箱﹑電動(dòng)風(fēng)機(jī)等部位組成。從外界吸進(jìn)的灰塵和垃圾首先到達(dá)吸塵部，吸塵部的功能主要是使吸進(jìn)的高速氣流通過過濾網(wǎng)，濾出垃圾和灰塵。過濾網(wǎng)不僅僅能擋住較大顆粒的垃圾，而且能阻止細(xì)小的塵埃通過，性能好的過濾網(wǎng)，排出的灰塵在直徑5微米以下，此外，過濾網(wǎng)的透氣性好，能長時(shí)間過濾而不被堵塞，使電機(jī)得到充分的冷卻，其根本結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，灰塵通過吸塵器的吸嘴進(jìn)入到吸塵器吸管，而后經(jīng)過過濾網(wǎng)的過濾，沉積在儲(chǔ)灰箱里，氣

60、流由電動(dòng)風(fēng)機(jī)吸入口吸入，而后排出。 圖4-1 吸塵器結(jié)構(gòu)簡圖 4.2.1 選擇吸塵器的風(fēng)機(jī) 吸塵器的風(fēng)機(jī)采用車用吸塵器的風(fēng)機(jī)，其型號(hào)為FVC-BS112，特點(diǎn)：采用旋風(fēng)氣流技術(shù)，大風(fēng)葉，吸力強(qiáng)勁，裝有防振膠圈，防振效果好，其重量輕，吸塵功率為100W左右，能滿足家用的要求，其安裝通過吸塵器機(jī)殼的定位孔固定，由橡膠密封圈進(jìn)展密封，后面由風(fēng)機(jī)固定板進(jìn)展壓緊，在機(jī)殼的后面留有一些排風(fēng)口，便于風(fēng)機(jī)的工作，電動(dòng)風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的震動(dòng)，因此，風(fēng)機(jī)固定板應(yīng)該用一些能夠減震的材料，向泡沫等，為了儲(chǔ)塵箱能夠方便取出，所以設(shè)計(jì)吸塵口和出口在同一方向，有利于儲(chǔ)塵箱順利取出。? 風(fēng)機(jī)有密封罩，有封

61、閉的電機(jī)罩降噪效果好。因?yàn)殡姍C(jī)產(chǎn)生的噪聲會(huì)很容易穿透吸塵器外殼，造成噪聲污染；全密封的電機(jī)罩還能保證電機(jī)產(chǎn)生的熱量不會(huì)影響到其他電器件，延長整機(jī)的壽命。吸塵器的處灰箱一般為2～3L，多功能吸塵器的儲(chǔ)灰容量設(shè)計(jì)為1.5L，其完全能夠滿足家用地面的清潔。 在吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中將風(fēng)扇固定在垃圾儲(chǔ)藏室后壁上，在風(fēng)扇上罩一個(gè)薄壁腔。在薄壁腔上方開一個(gè)圓孔，以便于空氣的排出。在垃圾儲(chǔ)藏室上壁開兩個(gè)小長方孔，在方孔下加上一個(gè)隔塵罩。〔其大體圖形如圖4-1所示〕通過風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)垃圾儲(chǔ)藏室內(nèi)的空氣流動(dòng)，又通過儲(chǔ)藏室內(nèi)的管腔將刷子拖地引起的塵土吸附進(jìn)來，帶塵土的空氣通過防塵罩將塵土擋到垃圾儲(chǔ)物室內(nèi)，較干凈的空氣

62、如此通過吸塵室上壁腔的圓孔排帶大氣中去。從而實(shí)現(xiàn)吸塵的目的。 4.2.2 垃圾收集處理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 在對(duì)垃圾收集處理機(jī)構(gòu)進(jìn)展設(shè)計(jì)時(shí)，開始想用如圖下所示的結(jié)構(gòu)作為垃圾收集擋板。 圖4-2 吸塵器原理 通過電機(jī)帶動(dòng)和電機(jī)相連的小齒輪，小齒輪通過帶動(dòng)和其配對(duì)的大齒輪帶動(dòng)軸2旋轉(zhuǎn)，從而使軸2另一端上固定的大齒輪帶動(dòng)和其相連的小齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使垃圾收集擋板作揚(yáng)起動(dòng)作，將垃圾倒入其后面的垃圾儲(chǔ)藏室。垃圾收集擋板的揚(yáng)起放下動(dòng)作通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制。但是此種結(jié)構(gòu)所占的空間比擬大，如圖4-3所示設(shè)計(jì)的家庭清潔機(jī)器人空間有限，不允許用這種結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿绻捎么朔N結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致其它一些機(jī)構(gòu)無法放置

63、，因而此種方案不可行。后來將垃圾收集和儲(chǔ)倉的機(jī)構(gòu)設(shè)置如圖4-1所示。垃圾儲(chǔ)藏室安放在機(jī)體的最后邊，其前端用銷釘連接一個(gè)可以繞著銷釘旋轉(zhuǎn)的垃圾收集擋板，擋板用厚度為1mm鋼板制成，外表光滑，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(chǔ)物室里，在儲(chǔ)物室末端，做一個(gè)和儲(chǔ)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(dāng)準(zhǔn)備倒垃圾時(shí)，將螺釘擰下來，抽出拉門，傾斜機(jī)體即可倒出垃圾。因?yàn)橥系鼐植渴羌彝デ鍧崣C(jī)器人的最重要的局部，整個(gè)機(jī)體的大半質(zhì)量都集中在這一局部。為了減輕機(jī)器的質(zhì)量，使其在使用時(shí)更方便一些，將這一局部單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)固定件固定在機(jī)體上，這樣既滿足工作要求又減輕了機(jī)體的質(zhì)量。最終設(shè)計(jì)家庭

64、清潔機(jī)器人大體布局如圖4-3所示。 圖4-3 清潔機(jī)總體布局圖 5 拖地局部的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 5.1 電機(jī)選擇 如此分配到每個(gè)輪子和每個(gè)拖把上的載荷位 按橡膠在優(yōu)質(zhì)路面上行走，取，，如此滾動(dòng)摩擦阻力 ( 5-1) 滑動(dòng)摩擦阻力為 (5-2) 由前面的總體設(shè)計(jì)中機(jī)器的各個(gè)機(jī)構(gòu)的布局安排，車體底盤應(yīng)至少高于地面10mm，取輪子直徑D為64mm，如此R=1/2D=32mm,如此輪子行走過程中所受的阻力矩：

65、 (5-3) （2） 工作機(jī)要求的功率 (5-4) 式中： 由 取如此： (5-5) 電機(jī)所需的輸出的功率 ,其中,如此電機(jī)所需的輸出的功率為 = (5-6) （3） 確定電機(jī) 考慮到機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)要求其轉(zhuǎn)彎半徑為零，這樣就要求兩個(gè)和電機(jī)相連的輪子在轉(zhuǎn)彎時(shí)必須差速運(yùn)轉(zhuǎn)從而才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零。而要實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)轉(zhuǎn)如此要求電機(jī)具有調(diào)速

66、功能，再由〔2〕中所算得電機(jī)輸出功率，從而通過在網(wǎng)上搜索查到了某某馳海電機(jī)廠生產(chǎn)的型號(hào)FR-310減速電機(jī)滿足設(shè)計(jì)中所需要的電機(jī)要求 ，因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)本機(jī)器時(shí)電機(jī)需要輸出的功率為0.46W，F(xiàn)R-320減速電機(jī)輸出功率為0.6W，速度15r/min，轉(zhuǎn)距為5，啟動(dòng)轉(zhuǎn)距為2的電機(jī)，因?yàn)槠湓跐M足要求的情況下尺寸比我所查到的電機(jī)的尺寸都小，所以選用它為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)。 5.2 拖地機(jī)構(gòu)的電機(jī)的選擇 因?yàn)橥系貦C(jī)構(gòu)中刷子的旋轉(zhuǎn)速度只要達(dá)到3r/s就可以實(shí)現(xiàn)拖地目的，單只拖把對(duì)地壓力F=1/5G=4.7N,初步估計(jì)拖把直徑D=150mm。 計(jì)算傳動(dòng)裝置總效率〔包括帶傳動(dòng)，一對(duì)齒輪傳動(dòng)，三對(duì)軸承與聯(lián)軸器的效率〕 (5-7) 〔1〕拖把所需功率 拖把線速度： (5-8) 拖把所需有效功率： kW (5-9) 〔2〕工作機(jī)的輸出功率： (5-10) 根據(jù)選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率，一般為〔1~1.3〕W。在淘寶網(wǎng)上收一款