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本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計
題 目 掃地機器人的設(shè)計
學(xué) 院 工業(yè)制造學(xué)院
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生姓名
學(xué) 號 年級 11
指導(dǎo)教師 職稱 講師
2015年4月27日
包含有CAD圖紙和三維建模及說明書,咨詢Q401339828
XX學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計）
掃地機器人的設(shè)計
專 業(yè)： 學(xué) 號：
學(xué) 生： 指導(dǎo)教師：
摘要：機器人是一種能夠模仿人類動作的機器，它可以完成許多對人類來說危險且單調(diào)的工作，機器人讓人類從繁重、單調(diào)的工作中解脫出來。它們從事固定而有規(guī)律的工作，例如工業(yè)生產(chǎn)中的焊接、噴漆等等。
本文主要設(shè)計的是掃地機器人的設(shè)計，該機器人采用統(tǒng)一動作、協(xié)調(diào)控制的原則，通過電機帶動動力輪實現(xiàn)掃地機器人的運動，通過中控系統(tǒng)的控制來實現(xiàn)掃地機器人的動作，由于是中控系統(tǒng)控制，所以控制靈活，多樣。通過控制器來控制機器人的動作，實現(xiàn)該機器人清掃、除塵的功能。
關(guān)鍵詞： 掃地機器人；控制；結(jié)構(gòu)；清掃
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The design of sweeping robot
Specialty： Student Number：
Student： Supervisor：
Abstract：The overall scheme of this paper to the electric push rod as the main component to design manned three degree of freedom triangular robot. The mechanism adopts the unified action, the coordinated control principle, by opening the travel of the push rod to realize the robot foot movement, to achieve a manned with three degrees of freedom robot motion control in the triangle by control system, the control system to control, so the control of flexible, multi sample. People can sit on the robot, the controller is adopted to control the robot's movement, the realization of some people rely on their own to complete the function of the leg muscles.
Must regard as the machine design is the machine design personnel carries on using creative ability the product design, the system analysis and a formulation product manufacture technology good opportunity.
Key words：Machine manufacture;Crankshaft;Processing craft;Fixture;
目 錄
緒論 1
1. 機器人簡史 3
2. 應(yīng)用機器人的意義 6
3. 本課題研究的內(nèi)容 9
4. 掃地機器人總體方案結(jié)構(gòu)的設(shè)計 12
4.1 掃地機器人的總體方案圖 12
4.2 掃地機器人的工作原理 12
5. 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 18
5.1電機的選型計算 20
5.2齒輪傳動的設(shè)計計算 20
5.3掃地機器人的功能概述 20
5.3.1 掃地機器人的清掃模式 20
5.3.2 智能導(dǎo)航系統(tǒng) 20
5.4 齒輪的強度校核 20
5.5 掃地機器人的智能控制系統(tǒng) 20
6. 掃地機器人的三維建模 21
6.1 動力輪的三維建模 21
6.2 萬向輪的三維建模 22
6.3 毛刷的三維建模 23
6.4 掃地機器人的三維建模 22
7. 三維軟件設(shè)計總結(jié) 22
結(jié)論 25
參考文獻 26
致謝 27
緒論
機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。
研究、設(shè)計和發(fā)展新的機械產(chǎn)品，不斷改進現(xiàn)有機械產(chǎn)品和生產(chǎn)新一代機械產(chǎn)品，以適應(yīng)當前和將來的需要。機械產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括：生產(chǎn)設(shè)施的規(guī)劃和實現(xiàn)；生產(chǎn)計劃的制訂和生產(chǎn)調(diào)度；編制和貫徹制造工藝；設(shè)計和制造工具、模具；確定勞動定額和材料定額；組織加工、裝配、試車和包裝發(fā)運；對產(chǎn)品質(zhì)量進行有效的控制。機械制造企業(yè)的經(jīng)營和管理。機械一般是由許多各有獨特的成形、加工過程的精密零件組裝而成的復(fù)雜的制品。生產(chǎn)批量有單件和小批，也有中批、大批，直至大量生產(chǎn)。銷售對象遍及全部產(chǎn)業(yè)和個人、家庭。而且銷售量在社會經(jīng)濟狀況的影響下，可能出現(xiàn)很大的波動。因此，機械制造企業(yè)的管理和經(jīng)營特別復(fù)雜，企業(yè)的生產(chǎn)管理、規(guī)劃和經(jīng)營等的研究也多是肇始于機械工業(yè)。
機械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維護、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。
機械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維護、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。研究機械產(chǎn)品在制造過程中，尤其是在使用中所產(chǎn)生的環(huán)境污染，和自然資源過度耗費方面的問題，及其處理措施。這是現(xiàn)代機械工程的一項特別重要的任務(wù)，而且其重要性與日俱增。機械的種類繁多，可以按幾個不同方面分為各種類別，如：按功能可分為動力機械、物料搬運機械、粉碎機械等；按服務(wù)的產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)機械、礦山機械、紡織機械等；按工作原理可分為熱力機械、流體機械、仿生機械等。另外，機械在其研究、開發(fā)、設(shè)計、制造、運用等過程中都要經(jīng)過幾個工作性質(zhì)不同的階段。按這些不同階段，機械工程又可劃分為互相銜接、互相配合的幾個分支系統(tǒng)，如機械科研、機械設(shè)計、機械制造、機械運用和維修等。
機器人是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。機器人的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機器人作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
機器人是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機器人被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機器人的發(fā)展，使得機器人能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機器人雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機器人已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。
機器人技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣氣技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機器人是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多自由度，可用來搬運物體以及可以在各個不同環(huán)境中工作。
1 機器人簡史
現(xiàn)代機器人起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。
機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。他的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機器人。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用氣驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機器人就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)機器人。
1962年，美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機器人，原意是靈活搬運。該機器人的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用氣驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機器人出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機器人發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年，美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型機器人，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。
美國還十分注意提高機器人的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機器人試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。
德國機器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機器人，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機器人，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機器人，采用示教方法編制程序。
瑞典安莎公司采用機器人清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。
日本是機器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機器人后，大力研究機器人的研究。據(jù)報道，1976年從事機器人的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1979年120多個大學(xué)和國家研究部門用在機器人的研究費用42%。1979年日本機器人的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機器人產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機器人約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機器人累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機器人最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到1990年將有55萬機器人在工作。
第二代機器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機器人具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機器人。
第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機器手（機器人）研究制造和應(yīng)用的擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。
2 應(yīng)用機器人的意義
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人也越來越多的地被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。
在機械工業(yè)中，應(yīng)用機器人的意義可以概括如下：
一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度
應(yīng)用機器人有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
二、以改善勞動條件，避免人身事故
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機器人即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。
在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機器人代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)
應(yīng)用機器人代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機器人可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機器人，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。
綜上所述，有效的應(yīng)用機器人，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。
各類機器人的圖形分別如下所示：
3 本課題研究的內(nèi)容
本論文主要研究運用SolidWorks對掃地機器人進行設(shè)計。在設(shè)計過程中，了解掃地機器人的結(jié)構(gòu)特征和三維軟件的使用要領(lǐng)。
本文的設(shè)計目標是設(shè)計一種掃地機器人，該機器人能夠?qū)崿F(xiàn)隨機清掃，交叉清掃，床底清掃，防撞等等多種功能，其研究內(nèi)容包括：
（1）功能分析與方案設(shè)計；
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維造型；
（3）控制系統(tǒng)設(shè)計。
?
4 掃地機器人總體方案結(jié)構(gòu)的設(shè)計
4.1 掃地機器人的總體方案圖
本次設(shè)計的掃地機器人采取的方案是：在機器人的兩側(cè)各布置一組毛刷，成對稱分布，通過電動機通過傘齒輪傳動控制動力輪轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機器人的移動動作。根據(jù)控制方法的不同，機器人的轉(zhuǎn)速或者方向也有所不同。整機采用成本低廉且經(jīng)久耐用的塑料作為材料，經(jīng)過噴漆噴塑處理后在外觀上面得到了一定的保證。其具體方案布局圖如下：
4.2 掃地機器人的工作原理
本次設(shè)計的掃地機器人的工作原理為：通過電動機通過傘齒輪傳動控制動力輪轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機器人的移動動作，根據(jù)控制方法的不同，機器人的轉(zhuǎn)速或者方向也有所不同。1、清掃模式：隨機清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預(yù)約清掃等相結(jié)合，實現(xiàn)全方位立體清掃；
2、智能導(dǎo)航系統(tǒng)：實現(xiàn)對房間地形的重構(gòu)，自動規(guī)劃清掃路線；
?
3、智能安全監(jiān)控：防撞，防跌落，防纏繞，電池電量監(jiān)測；
4、創(chuàng)新功能：灰塵量識別，實現(xiàn)床底清掃，手機遙控模式，尖端氣流濾塵
技術(shù)，室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與提醒；
5、其他基礎(chǔ)功能：自動返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測
5 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計
5.1電機的選型計算
已知整個掃地機器人中零件的重量，我們?nèi)】傊亓繛?0Kg，范圍為50mm~200mm，動力輪轉(zhuǎn)速為1~2r/min。即：
具體的電機設(shè)計計算如下:
N=＝0.18(KW)
G－電機的負載
－傳動效率，取0.75
所以根據(jù)N＝0.10kw，n＝1500r/min，查B1表10-4-1選用Y112M-4，再查B1表10-4-2得Y112M-4電機的結(jié)構(gòu)。
5.2齒輪的設(shè)計計算
1初步計算
（1）材料選擇
因傳動尺寸無嚴格限制，批量較小，故小齒輪用40Cr(調(diào)質(zhì)），硬度241HB~286HB，平均取為280HB，大齒輪用45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度229HB~286HB,平均取為240HB。選齒輪精度為7級。
（2）節(jié)錐角的計算
（3.11）
（3.12）
（3.13）
由文獻[2]表可知，
（3.14）
式中，齒頂高系數(shù)，。
取小齒輪齒數(shù)，
（3.15）
取大齒輪齒數(shù)。
（3）根據(jù)工作條件的要求，大端模數(shù)為
（3.16）
（4）齒輪分度圓的直徑
mm （3.17）
mm （3.18）
（5）錐距
mm （3.19）
（6）齒輪齒頂、齒根圓直徑
由文獻[3]表可知，
齒頂高
mm （3.20）
齒頂圓直徑
mm （3.21）
mm （3.22）
齒根高
mm （3.23）
齒輪基圓直徑
mm （3.24）
mm （3.25）
（7）齒寬
由文獻[2]表可知，，
mm （3.26）
（8）節(jié)圓周速度
m/s （3.27）
5.3掃地機器人的功能概述
本次設(shè)計的掃地機器人，主要具有如下功能：
1、清掃模式：隨機清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預(yù)約清掃等相結(jié)合，實現(xiàn)全方位立體清掃；?
2、智能導(dǎo)航系統(tǒng)：實現(xiàn)對房間地形的重構(gòu)，自動規(guī)劃清掃路線；?3、智能安全監(jiān)控：防撞，防跌落，防纏繞，電池電量監(jiān)測；?
4、創(chuàng)新功能：灰塵量識別，實現(xiàn)床底清掃，手機遙控模式，尖端氣流濾塵技術(shù)，室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與提醒；?
5、其他基礎(chǔ)功能：自動返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測。
5.3.1 掃地機器人的清掃模式
清掃模式包括隨機清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預(yù)約清掃等。?隨機清掃是指根據(jù)地面狀況在其他幾種清掃模式之中進行切換；螺旋式清掃是指繞圈清掃的模式；?交叉清掃是指在不同的區(qū)域之間交叉穿梭來清掃，也可以稱為Z字形清掃；?沿邊清掃是沿著房間的邊界進行清掃；?定點清掃是指在指定的位置小范圍內(nèi)清掃；?預(yù)約清掃是指每天在指定的時間自動清掃，可以預(yù)約一次和一周內(nèi)任意預(yù)約清掃時間，可以放心上班和出差，也可以自動打掃。
5.3.2 智能導(dǎo)航系統(tǒng)
掃地機器人的智能導(dǎo)航實質(zhì)就是路徑自動規(guī)劃。掃地機器人路徑自動規(guī)劃有兩種方法：：隨機式全區(qū)域覆蓋和規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋。隨機式全區(qū)域覆蓋方法控制簡單，不需要很多的硬件，軟件編程也簡單，易于實現(xiàn)。但其缺點是移動機器人運行軌跡重復(fù)性較大，且運行軌跡不能較快地、充分地覆蓋整個區(qū)域，這種路徑規(guī)劃只考慮完成任務(wù)，沒有考慮到時間消耗和能量消耗情況，因此選擇規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋方法。此設(shè)計中選擇往返式路徑規(guī)劃方法。往返式路徑規(guī)劃清掃路徑的規(guī)則為當掃地機器人置于室內(nèi)時，可通過超聲波測距傳感器的信息來判斷它放置于墻邊還是房屋中間。在房屋中間，則先設(shè)為它沿某一方向運動到靠近墻邊的某一點。機器入就可從墻邊的某一點開始，按順時針方向繞墻運動一周，先對室內(nèi)墻邊地面進行一次預(yù)清掃。掃地機器人在繞完一圈后再向左或向右行走到墻壁的最左端或者最右端，以此來作為它清擋路徑的起始點，也即絕對坐標的原點。
先假設(shè)室內(nèi)只有一個孤立的障礙物，以房屋左下角O點為起始點。開始清掃時，從O點勢始沿Y軸正方向清掃，遇到墻壁時向右原地旋轉(zhuǎn)90o，向X軸正方向移動一個車身后再向右旋轉(zhuǎn)90o，沿Y軸負方向清掃，以此往復(fù)運動。當遇到障礙物時，則按下面的方法進行規(guī)劃和避障：當清潔機器人運動到障礙物的最左邊點時，根據(jù)步進電機的脈沖數(shù)和驅(qū)動輪光柵的脈沖數(shù)計算出最左邊點的坐標。然后根據(jù)超聲波測距傳感器收到的信息沿著障礙物邊緣行進相當于X軸方向一個車身的距離，再原地旋轉(zhuǎn)到Y(jié)軸負方向，沿Y軸負方向繼續(xù)清掃，這樣一直往返清掃，當掃地機器人在沿障礙物邊緣清掃時超聲波傳感器突然收不到信號即到達了障礙物的最右端點，掃地機器人將原地一直向左旋轉(zhuǎn)直到超聲波傳感器再次收到信號為止，然后沿障礙物的上邊沿行進到障礙物的最左端點，再沿Y軸方向進行往返清掃，行進路徑和障礙物下邊沿的行進路徑類似。這樣就可以在清掃過程中自動避開障礙物。
5.4 齒輪的強度校核
（Ⅰ）校核齒面接觸疲勞強度
（1）接觸應(yīng)力的計算
由文獻[4]表可知，齒面接觸應(yīng)力計算公式，即
（3.28）
確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
① 計算載荷系數(shù)
電動機驅(qū)動，載荷平穩(wěn)，由文獻[4]表可知，取
平均分度圓直徑 mm
平均分度圓圓周速度 m/s
由文獻[4] 圖（a）可知，按，得；
由文獻[4] 圖（b）可知，按，齒輪懸臂布置，；
由文獻[4]表可知，；
② 由文獻[1]表可知，彈性系數(shù)；
③ 節(jié)點區(qū)域系數(shù)
計算得，
MPa
（1） 接觸疲勞強度的許用應(yīng)力
由文獻[4] 表可知，許用接觸應(yīng)力計算公式，即
（3.29）
確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
①小齒輪的接觸疲勞強度極限MPa
②最小安全系數(shù)
③由文獻[1，10-13]可知，計算應(yīng)力循環(huán)系數(shù)
由文獻[1] 圖10-19可知，查得接觸疲勞壽命系數(shù)
，
④尺寸系數(shù)
⑤工作硬化系數(shù)，按
⑥潤滑油膜影響系數(shù)，
計算得，
MPa
（3）由于MPaMPa，故安全。
（Ⅱ）校核齒根彎曲疲勞強度
（1）齒根應(yīng)力的計算
由文獻[4]表可知，彎曲應(yīng)力計算公式，即
（3.30）
確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
① 由文獻[1]表可知， ，
② 由文獻[1]表可知， ，
計算得，
MPa
（2）彎曲強度的齒根許用應(yīng)力
由文獻[4]表可知，齒根許用應(yīng)力計算公式，即
（3.31）
確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
①彎曲疲勞極限MPa
③ 齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)
④ 彎曲強度的最小安全系數(shù)
⑤ 彎曲疲勞壽命系數(shù)
，
④彎曲疲勞的尺寸系數(shù)
計算得，
（3） 由于MPaMpa，故安全。
5.5 掃地機器人的智能控制系統(tǒng)
掃地機器人在工作過程中難免遇到各種障礙物，如果不及時躲避障礙物，將影響掃地機器人正常工作。因此在掃地機器人內(nèi)部安裝三個超聲波測距傳感器，用來檢測掃地機器人行進路線上是否有障礙物。超聲波測距傳感器安裝位置如下圖所示。
超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面處，會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用。避障功能的實現(xiàn)正是利用了這一超聲波測距的原理。超聲波傳感器測距原理如圖所示。
超聲波傳感器接收到反射信號，檢測出前方有障礙物時，向控制器發(fā)出信號，
控制器控制掃地機器人轉(zhuǎn)向，躲避障礙物，根據(jù)信號的幅值大小，也可以初步確
定障礙物的大小。選用超聲波測距傳感器，實現(xiàn)非接觸式測量，避免與家具等物
品發(fā)生碰撞，從而避免損壞相應(yīng)物品。為了防止掃地機器人遇到臺階時跌落，在掃地機器人背面安裝3個防跌落傳感器。防跌落傳感器安裝位置如閃圖所示。防跌落傳感器利用超聲波進行測距。當掃地機器人行進至臺階邊緣時，防跌落傳感器利用超聲波測得掃地機器人與地面之間的距離超過限定值，向控制器發(fā)送信號，控制器控制掃地機器人進行轉(zhuǎn)向，改變掃地機器人行進方向，從而實現(xiàn)防止跌落的目的。
6 掃地機器人的三維建模
6.1 動力輪的三維建模
6.2 萬向輪的三維建模
6.3 毛刷的三維建模
6.4 掃地機器人的三維建模
7 三維軟件設(shè)計總結(jié)
在最近的一段時間的畢業(yè)設(shè)計，使我們充分把握的設(shè)計方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設(shè)計，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時的指導(dǎo)，確保設(shè)計進度，本文所設(shè)計的是20噸掃地機器人的優(yōu)化設(shè)計，通過初期的定題，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進取才可要做的好，總之，本設(shè)計完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 通過此次設(shè)計，又一次提升了運用三維軟件的水平，并吸收了不少經(jīng)驗，總結(jié)為一下幾點。
有零件圖紙作圖與空想設(shè)計作圖不同，零件尺寸已經(jīng)給出，作圖時先不考慮尺寸是否真的合適，根據(jù)尺寸作出零件的三維圖，但到裝配時必須要考慮尺寸是否合適，由于AutoCAD圖紙效果不好，導(dǎo)致尺寸會有出錯，甚至有出現(xiàn)欠定義尺寸，所以，此時必須通過配合后在衡量尺寸，再進行修改，直到滿足配合要求。
工具集的確方便了作圖，通過選擇零件類型，輸入數(shù)據(jù)，就能生成出標準零件，但有時需要用到的零件在工具集上也未必能找到，所以此時要隨機應(yīng)變，運用其他零件代替并通過修改或添加零件使其滿足要求。
作三維圖時要靈活變通，解決問題的方法總比問題多，當一種方法不能正常作圖時，試試另一種方法，這不但能完成零件制作，同時也可以培養(yǎng)出更好的作圖思路，和打破規(guī)矩的新想法。
規(guī)則的零件，要學(xué)會使用一些能夠節(jié)省時間的命令，如鏡向，陣列等，“能省則省”。
關(guān)于裝配，曾經(jīng)帶給我很大的阻礙，花了很多時間才弄清原因所在。在一可活動子裝配體上，即使活動范圍會產(chǎn)生干涉，也不能對其設(shè)定活動范圍，如高級配合里的距離范圍，和角度范圍，即使在該活動范圍并不影響父配體，也不可設(shè)定。因為一旦設(shè)定范圍后，在父裝配體上會將子裝配體視為完全定義的模型，這樣會對子裝配體之間的配合產(chǎn)生矛盾，將不能完成裝配。
看懂圖是作圖的首要任務(wù)，看圖就是了解零件的工具，沒有工具則無法制出 零件，所以畫圖不能急于下筆，想透了零件的結(jié)構(gòu)，想透圖中的虛實線，這才是高效作圖的重中之重。進行零件建模前，一般應(yīng)進行深入的特征分析，搞清零件是由那幾個特征組成，明確各個特征的形狀，他們之間的相對位置和表面連接關(guān)系，然后按照特征的主次關(guān)系，按一定的順序進行建模。一個復(fù)雜的零件，可能是許多個簡單特征經(jīng)過相互之間的疊加、切除或相交組成。所以零件建模時，特征的生成順序十分重要，不同的建模過程雖然可以構(gòu)造出同樣的實體零件，但其造型過程及實體的構(gòu)型結(jié)構(gòu)卻直接影響到實體模型的穩(wěn)定性、可修改性、可理解性及實體模型的應(yīng)用。
尤其在二維圖紙上，我們能看到的只是零件的平面圖，而內(nèi)部特征則以虛線給予表示，另外還有零件的相貫線，這表示了各個特征相交時出現(xiàn)線段。在零件的草圖繪制過程中，必須要選好第一個草繪平面，這很關(guān)鍵，這個平面決定了往后建模的所用到的命令，簡單的說，一個圓柱可以作一個圓形然后拉伸，也可以作一個長方體旋轉(zhuǎn)，雖然他們的結(jié)果都一樣，但所用的草繪平面和命令就截然不同。如果我們要的是一條軸，那我們就應(yīng)該選擇第二種方法為好了。
由于此設(shè)計的零件都是比較規(guī)則的零件，所用到的命令大部分是拉伸命令和旋轉(zhuǎn)命令，而且很多零件都是擁有對稱關(guān)系，所以為了節(jié)省時間，提高效率，經(jīng)常會用到鏡向特征命令。
一張完整的工程圖應(yīng)具備以下4方面的內(nèi)容。
一組視圖：用一組視圖（其中包括視圖、剖視圖、斷面圖、局部放大圖）確、完整、清晰地表達零件各部分的結(jié)構(gòu)形狀。
尺寸：確定零件各部分形狀的大小和位置
技術(shù)要求：表明零件在制造和檢驗是應(yīng)達到的一些要求，如表面粗糙度、尺寸公差、形位公差、材料熱處理方式和指標等。
標題欄：注明零件名稱、材料、數(shù)量、圖樣比例以及圖號等內(nèi)容。
單擊【新建文件】圖標，系統(tǒng)顯示新建SolidWorks文件對話框，雙擊該對話框中得裝配體選項，即可進入裝配體工作模式。
調(diào)入第一個零件模型并放置在裝配體的原點處，即零件原點與裝配體原點重合。調(diào)入一個與第一個零件模型有裝配關(guān)系的零件模型。分析兩個零件之間的裝配約束關(guān)系，然后選取相應(yīng)的約束選項進行零件操作。
結(jié) 論
在最近的一段時間的畢業(yè)設(shè)計，使我們充分把握的設(shè)計方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設(shè)計，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時的指導(dǎo)，確保設(shè)計進度，本文所設(shè)計的是掃地機器人的設(shè)計，通過初期的定稿，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進取才可要做的好，總之，本設(shè)計完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。
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[20]Hirohiko Arai, Kazuo Tanie, and Susumu Tachi. Dynamic Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space
致 謝
至此在論文完成之際，向我的導(dǎo)師表示由衷的感謝！真心的感謝我的導(dǎo)師這幾年來對我的諄諄教導(dǎo)，感謝我敬愛的老師，您不僅在學(xué)習(xí)學(xué)業(yè)上給我以精心的指導(dǎo)，同時還在思想給我以無微不至的關(guān)懷支持和理解，給予我人生的啟迪，使我在順利地完成大學(xué)階段的學(xué)業(yè)同時，也學(xué)到了很多有用的做人的道理，明確了人生目標。知道自己想要什么了，不再是從前那個愛貪玩的我了。導(dǎo)師嚴謹求實的治學(xué)態(tài)度，銳意創(chuàng)新的學(xué)術(shù)作風(fēng)，認真加負責，公而忘私的敬業(yè)精神，豁達開朗的寬廣胸懷，平易近人。經(jīng)過近半年努力的設(shè)計與計算，查找了各類的掃地機器人的設(shè)計資料，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動和開心。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為我自己已經(jīng)盡力的做了，它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學(xué)四年來對所學(xué)知識的應(yīng)用和體現(xiàn)。四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的個人能力，更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多有用的知識，在此對所有關(guān)心我?guī)椭业谋磉_我由衷敬意，謝謝各位同學(xué)老師。
XXVII
XX學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計）
掃地機器人的設(shè)計
專 業(yè)： 學(xué) 號：
學(xué) 生： 指導(dǎo)教師：
摘要：機器人是一種能夠模仿人類動作的機器，它可以完成許多對人類來說危險且單調(diào)的工作，機器人讓人類從繁重、單調(diào)的工作中解脫出來。它們從事固定而有規(guī)律的工作，例如工業(yè)生產(chǎn)中的焊接、噴漆等等。
本文主要設(shè)計的是掃地機器人的設(shè)計，該機器人采用統(tǒng)一動作、協(xié)調(diào)控制的原則，通過電機帶動動力輪實現(xiàn)掃地機器人的運動，通過中控系統(tǒng)的控制來實現(xiàn)掃地機器人的動作，由于是中控系統(tǒng)控制，所以控制靈活，多樣。通過控制器來控制機器人的動作，實現(xiàn)該機器人清掃、除塵的功能。
關(guān)鍵詞： 掃地機器人；控制；結(jié)構(gòu)；清掃
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The design of sweeping robot
Specialty： Student Number：
Student： Supervisor：
Abstract：The overall scheme of this paper to the electric push rod as the main component to design manned three degree of freedom triangular robot. The mechanism adopts the unified action, the coordinated control principle, by opening the travel of the push rod to realize the robot foot movement, to achieve a manned with three degrees of freedom robot motion control in the triangle by control system, the control system to control, so the control of flexible, multi sample. People can sit on the robot, the controller is adopted to control the robot's movement, the realization of some people rely on their own to complete the function of the leg muscles.
Must regard as the machine design is the machine design personnel carries on using creative ability the product design, the system analysis and a formulation product manufacture technology good opportunity.
Key words：Machine manufacture;Crankshaft;Processing craft;Fixture;
目 錄
緒論 1
1. 機器人簡史 3
2. 應(yīng)用機器人的意義 6
3. 本課題研究的內(nèi)容 9
4. 掃地機器人總體方案結(jié)構(gòu)的設(shè)計 12
4.1 掃地機器人的總體方案圖 12
4.2 掃地機器人的工作原理 12
5. 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 18
5.1電機的選型計算 20
5.2齒輪傳動的設(shè)計計算 20
5.3掃地機器人的功能概述 20
5.3.1 掃地機器人的清掃模式 20
5.3.2 智能導(dǎo)航系統(tǒng) 20
5.4 齒輪的強度校核 20
5.5 掃地機器人的智能控制系統(tǒng) 20
6. 掃地機器人的三維建模 21
6.1 動力輪的三維建模 21
6.2 萬向輪的三維建模 22
6.3 毛刷的三維建模 23
6.4 掃地機器人的三維建模 22
7. 三維軟件設(shè)計總結(jié) 22
結(jié)論 25
參考文獻 26
致謝 27
緒論
機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。
研究、設(shè)計和發(fā)展新的機械產(chǎn)品，不斷改進現(xiàn)有機械產(chǎn)品和生產(chǎn)新一代機械產(chǎn)品，以適應(yīng)當前和將來的需要。機械產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括：生產(chǎn)設(shè)施的規(guī)劃和實現(xiàn)；生產(chǎn)計劃的制訂和生產(chǎn)調(diào)度；編制和貫徹制造工藝；設(shè)計和制造工具、模具；確定勞動定額和材料定額；組織加工、裝配、試車和包裝發(fā)運；對產(chǎn)品質(zhì)量進行有效的控制。機械制造企業(yè)的經(jīng)營和管理。機械一般是由許多各有獨特的成形、加工過程的精密零件組裝而成的復(fù)雜的制品。生產(chǎn)批量有單件和小批，也有中批、大批，直至大量生產(chǎn)。銷售對象遍及全部產(chǎn)業(yè)和個人、家庭。而且銷售量在社會經(jīng)濟狀況的影響下，可能出現(xiàn)很大的波動。因此，機械制造企業(yè)的管理和經(jīng)營特別復(fù)雜，企業(yè)的生產(chǎn)管理、規(guī)劃和經(jīng)營等的研究也多是肇始于機械工業(yè)。
機械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維護、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。
機械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維護、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。研究機械產(chǎn)品在制造過程中，尤其是在使用中所產(chǎn)生的環(huán)境污染，和自然資源過度耗費方面的問題，及其處理措施。這是現(xiàn)代機械工程的一項特別重要的任務(wù)，而且其重要性與日俱增。機械的種類繁多，可以按幾個不同方面分為各種類別，如：按功能可分為動力機械、物料搬運機械、粉碎機械等；按服務(wù)的產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)機械、礦山機械、紡織機械等；按工作原理可分為熱力機械、流體機械、仿生機械等。另外，機械在其研究、開發(fā)、設(shè)計、制造、運用等過程中都要經(jīng)過幾個工作性質(zhì)不同的階段。按這些不同階段，機械工程又可劃分為互相銜接、互相配合的幾個分支系統(tǒng)，如機械科研、機械設(shè)計、機械制造、機械運用和維修等。
機器人是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。機器人的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機器人作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
機器人是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機器人被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機器人的發(fā)展，使得機器人能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機器人雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機器人已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。
機器人技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣氣技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機器人是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多自由度，可用來搬運物體以及可以在各個不同環(huán)境中工作。
1 機器人簡史
現(xiàn)代機器人起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。
機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。他的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機器人。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用氣驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機器人就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)機器人。
1962年，美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機器人，原意是靈活搬運。該機器人的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用氣驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機器人出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機器人發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年，美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型機器人，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。
美國還十分注意提高機器人的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機器人試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。
德國機器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機器人，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機器人，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機器人，采用示教方法編制程序。
瑞典安莎公司采用機器人清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。
日本是機器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機器人后，大力研究機器人的研究。據(jù)報道，1976年從事機器人的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1979年120多個大學(xué)和國家研究部門用在機器人的研究費用42%。1979年日本機器人的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機器人產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機器人約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機器人累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機器人最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到1990年將有55萬機器人在工作。
第二代機器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機器人具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機器人。
第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機器手（機器人）研究制造和應(yīng)用的擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。
2 應(yīng)用機器人的意義
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人也越來越多的地被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。
在機械工業(yè)中，應(yīng)用機器人的意義可以概括如下：
一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度
應(yīng)用機器人有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
二、以改善勞動條件，避免人身事故
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機器人即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。
在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機器人代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)
應(yīng)用機器人代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機器人可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機器人，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。
綜上所述，有效的應(yīng)用機器人，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。
各類機器人的圖形分別如下所示：
3 本課題研究的內(nèi)容
本論文主要研究運用SolidWorks對掃地機器人進行設(shè)計。在設(shè)計過程中，了解掃地機器人的結(jié)構(gòu)特征和三維軟件的使用要領(lǐng)。
本文的設(shè)計目標是設(shè)計一種掃地機器人，該機器人能夠?qū)崿F(xiàn)隨機清掃，交叉清掃，床底清掃，防撞等等多種功能，其研究內(nèi)容包括：
（1）功能分析與方案設(shè)計；
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維造型；
（3）控制系統(tǒng)設(shè)計。
?
4 掃地機器人總體方案結(jié)構(gòu)的設(shè)計
4.1 掃地機器人的總體方案圖
本次設(shè)計的掃地機器人采取的方案是：在機器人的兩側(cè)各布置一組毛刷，成對稱分布，通過電動機通過傘齒輪傳動控制動力輪轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機器人的移動動作。根據(jù)控制方法的不同，機器人的轉(zhuǎn)速或者方向也有所不同。整機采用成本低廉且經(jīng)久耐用的塑料作為材料，經(jīng)過噴漆噴塑處理后在外觀上面得到了一定的保證。其具體方案布局圖如下：
4.2 掃地機器人的工作原理
本次設(shè)計的掃地機器人的工作原理為：通過電動機通過傘齒輪傳動控制動力輪轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機器人的移動動作，根據(jù)控制方法的不同，機器人的轉(zhuǎn)速或者方向也有所不同。1、清掃模式：隨機清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預(yù)約清掃等相結(jié)合，實現(xiàn)全方位立體清掃；
2、智能導(dǎo)航系統(tǒng)：實現(xiàn)對房間地形的重構(gòu)，自動規(guī)劃清掃路線；
?
3、智能安全監(jiān)控：防撞，防跌落，防纏繞，電池電量監(jiān)測；
4、創(chuàng)新功能：灰塵量識別，實現(xiàn)床底清掃，手機遙控模式，尖端氣流濾塵
技術(shù)，室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與提醒；
5、其他基礎(chǔ)功能：自動返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測
5 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計
5.1電機的選型計算
已知整個掃地機器人中零件的重量，我們?nèi)】傊亓繛?0Kg，范圍為50mm~200mm，動力輪轉(zhuǎn)速為1~2r/min。即：
具體的電機設(shè)計計算如下:
N=＝0.18(KW)
G－電機的負載
－傳動效率，取0.75
所以根據(jù)N＝0.10kw，n＝1500r/min，查B1表10-4-1選用Y112M-4，再查B1表10-4-2得Y112M-4電機的結(jié)構(gòu)。
5.2齒輪的設(shè)計計算
1初步計算
（1）材料選擇
因傳動尺寸無嚴格限制，批量較小，故小齒輪用40Cr(調(diào)質(zhì)），硬度241HB~286HB，平均取為280HB，大齒輪用45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度229HB~286HB,平均取為240HB。選齒輪精度為7級。
（2）節(jié)錐角的計算
（3.11）
（3.12）
（3.13）
由文獻[2]表可知，
（3.14）
式中，齒頂高系數(shù)，。
取小齒輪齒數(shù)，
（3.15）
取大齒輪齒數(shù)。
（3）根據(jù)工作條件的要求，大端模數(shù)為
（3.16）
（4）齒輪分度圓的直徑
mm （3.17）
mm （3.18）
（5）錐距
mm （3.19）
（6）齒輪齒頂、齒根圓直徑
由文獻[3]表可知，
齒頂高
mm （3.20）
齒頂圓直徑
mm （3.21）
mm （3.22）
齒根高
mm （3.23）
齒輪基圓直徑
mm （3.24）
mm （3.25）
（7）齒寬
由文獻[2]表可知，，
mm （3.26）
（8）節(jié)圓周速度
m/s （3.27）
5.3掃地機器人的功能概述
本次設(shè)計的掃地機器人，主要具有如下功能：
1、清掃模式：隨機清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預(yù)約清掃等相結(jié)合，實現(xiàn)全方位立體清掃；?
2、智能導(dǎo)航系統(tǒng)：實現(xiàn)對房間地形的重構(gòu)，自動規(guī)劃清掃路線；?3、智能安全監(jiān)控：防撞，防跌落，防纏繞，電池電量監(jiān)測；?
4、創(chuàng)新功能：灰塵量識別，實現(xiàn)床底清掃，手機遙控模式，尖端氣流濾塵技術(shù)，室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與提醒；?
5、其他基礎(chǔ)功能：自動返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測。
5.3.1 掃地機器人的清掃模式
清掃模式包括隨機清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預(yù)約清掃等。?隨機清掃是指根據(jù)地面狀況在其他幾種清掃模式之中進行切換；螺旋式清掃是指繞圈清掃的模式；?交叉清掃是指在不同的區(qū)域之間交叉穿梭來清掃，也可以稱為Z字形清掃；?沿邊清掃是沿著房間的邊界進行清掃；?定點清掃是指在指定的位置小范圍內(nèi)清掃；?預(yù)約清掃是指每天在指定的時間自動清掃，可以預(yù)約一次和一周內(nèi)任意預(yù)約清掃時間，可以放心上班和出差，也可以自動打掃。
5.3.2 智能導(dǎo)航系統(tǒng)
掃地機器人的智能導(dǎo)航實質(zhì)就是路徑自動規(guī)劃。掃地機器人路徑自動規(guī)劃有兩種方法：：隨機式全區(qū)域覆蓋和規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋。隨機式全區(qū)域覆蓋方法控制簡單，不需要很多的硬件，軟件編程也簡單，易于實現(xiàn)。但其缺點是移動機器人運行軌跡重復(fù)性較大，且運行軌跡不能較快地、充分地覆蓋整個區(qū)域，這種路徑規(guī)劃只考慮完成任務(wù)，沒有考慮到時間消耗和能量消耗情況，因此選擇規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋方法。此設(shè)計中選擇往返式路徑規(guī)劃方法。往返式路徑規(guī)劃清掃路徑的規(guī)則為當掃地機器人置于室內(nèi)時，可通過超聲波測距傳感器的信息來判斷它放置于墻邊還是房屋中間。在房屋中間，則先設(shè)為它沿某一方向運動到靠近墻邊的某一點。機器入就可從墻邊的某一點開始，按順時針方向繞墻運動一周，先對室內(nèi)墻邊地面進行一次預(yù)清掃。掃地機器人在繞完一圈后再向左或向右行走到墻壁的最左端或者最右端，以此來作為它清擋路徑的起始點，也即絕對坐標的原點。
先假設(shè)室內(nèi)只有一個孤立的障礙物，以房屋左下角O點為起始點。開始清掃時，從O點勢始沿Y軸正方向清掃，遇到墻壁時向右原地旋轉(zhuǎn)90o，向X軸正方向移動一個車身后再向右旋轉(zhuǎn)90o，沿Y軸負方向清掃，以此往復(fù)運動。當遇到障礙物時，則按下面的方法進行規(guī)劃和避障：當清潔機器人運動到障礙物的最左邊點時，根據(jù)步進電機的脈沖數(shù)和驅(qū)動輪光柵的脈沖數(shù)計算出最左邊點的坐標。然后根據(jù)超聲波測距傳感器收到的信息沿著障礙物邊緣行進相當于X軸方向一個車身的距離，再原地旋轉(zhuǎn)到Y(jié)軸負方向，沿Y軸負方向繼續(xù)清掃，這樣一直往返清掃，當掃地機器人在沿障礙物邊緣清掃時超聲波傳感器突然收不到信號即到達了障礙物的最右端點，掃地機器人將原地一直向左旋轉(zhuǎn)直到超聲波傳感器再次收到信號為止，然后沿障礙物的上邊沿行進到障礙物的最左端點，再沿Y軸方向進行往返清掃，行進路徑和障礙物下邊沿的行進路徑類似。這樣就可以在清掃過程中自動避開障礙物。
5.4 齒輪的強度校核
（Ⅰ）校核齒面接觸疲勞強度
（1）接觸應(yīng)力的計算
由文獻[4]表可知，齒面接觸應(yīng)力計算公式，即
（3.28）
確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
① 計算載荷系數(shù)
電動機驅(qū)動，載荷平穩(wěn)，由文獻[4]表可知，取
平均分度圓直徑 mm
平均分度圓圓周速度 m/s
由文獻[4] 圖（a）可知，按，得；
由文獻[4] 圖（b）可知，按，齒輪懸臂布置，；
由文獻[4]表可知，；
② 由文獻[1]表可知，彈性系數(shù)；
③ 節(jié)點區(qū)域系數(shù)
計算得，
MPa
（1） 接觸疲勞強度的許用應(yīng)力
由文獻[4] 表可知，許用接觸應(yīng)力計算公式，即
（3.29）
確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
①小齒輪的接觸疲勞強度極限MPa
②最小安全系數(shù)
③由文獻[1，10-13]可知，計算應(yīng)力循環(huán)系數(shù)
由文獻[1] 圖10-19可知，查得接觸疲勞壽命系數(shù)
，
④尺寸系數(shù)
⑤工作硬化系數(shù)，按
⑥潤滑油膜影響系數(shù)，
計算得，
MPa
（3）由于MPaMPa，故安全。
（Ⅱ）校核齒根彎曲疲勞強度
（1）齒根應(yīng)力的計算
由文獻[4]表可知，彎曲應(yīng)力計算公式，即
（3.30）
確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
① 由文獻[1]表可知， ，
② 由文獻[1]表可知， ，
計算得，
MPa
（2）彎曲強度的齒根許用應(yīng)力
由文獻[4]表可知，齒根許用應(yīng)力計算公式，即
（3.31）
確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
①彎曲疲勞極限MPa
③ 齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)
④ 彎曲強度的最小安全系數(shù)
⑤ 彎曲疲勞壽命系數(shù)
，
④彎曲疲勞的尺寸系數(shù)
計算得，
（3） 由于MPaMpa，故安全。
5.5 掃地機器人的智能控制系統(tǒng)
掃地機器人在工作過程中難免遇到各種障礙物，如果不及時躲避障礙物，將影響掃地機器人正常工作。因此在掃地機器人內(nèi)部安裝三個超聲波測距傳感器，用來檢測掃地機器人行進路線上是否有障礙物。超聲波測距傳感器安裝位置如下圖所示。
超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面處，會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用。避障功能的實現(xiàn)正是利用了這一超聲波測距的原理。超聲波傳感器測距原理如圖所示。
超聲波傳感器接收到反射信號，檢測出前方有障礙物時，向控制器發(fā)出信號，
控制器控制掃地機器人轉(zhuǎn)向，躲避障礙物，根據(jù)信號的幅值大小，也可以初步確
定障礙物的大小。選用超聲波測距傳感器，實現(xiàn)非接觸式測量，避免與家具等物
品發(fā)生碰撞，從而避免損壞相應(yīng)物品。為了防止掃地機器人遇到臺階時跌落，在掃地機器人背面安裝3個防跌落傳感器。防跌落傳感器安裝位置如閃圖所示。防跌落傳感器利用超聲波進行測距。當掃地機器人行進至臺階邊緣時，防跌落傳感器利用超聲波測得掃地機器人與地面之間的距離超過限定值，向控制器發(fā)送信號，控制器控制掃地機器人進行轉(zhuǎn)向，改變掃地機器人行進方向，從而實現(xiàn)防止跌落的目的。
6 掃地機器人的三維建模
6.1 動力輪的三維建模
6.2 萬向輪的三維建模
6.3 毛刷的三維建模
6.4 掃地機器人的三維建模
7 三維軟件設(shè)計總結(jié)
在最近的一段時間的畢業(yè)設(shè)計，使我們充分把握的設(shè)計方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設(shè)計，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時的指導(dǎo)，確保設(shè)計進度，本文所設(shè)計的是20噸掃地機器人的優(yōu)化設(shè)計，通過初期的定題，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進取才可要做的好，總之，本設(shè)計完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 通過此次設(shè)計，又一次提升了運用三維軟件的水平，并吸收了不少經(jīng)驗，總結(jié)為一下幾點。
有零件圖紙作圖與空想設(shè)計作圖不同，零件尺寸已經(jīng)給出，作圖時先不考慮尺寸是否真的合適，根據(jù)尺寸作出零件的三維圖，但到裝配時必須要考慮尺寸是否合適，由于AutoCAD圖紙效果不好，導(dǎo)致尺寸會有出錯，甚至有出現(xiàn)欠定義尺寸，所以，此時必須通過配合后在衡量尺寸，再進行修改，直到滿足配合要求。
工具集的確方便了作圖，通過選擇零件類型，輸入數(shù)據(jù)，就能生成出標準零件，但有時需要用到的零件在工具集上也未必能找到，所以此時要隨機應(yīng)變，運用其他零件代替并通過修改或添加零件使其滿足要求。
作三維圖時要靈活變通，解決問題的方法總比問題多，當一種方法不能正常作圖時，試試另一種方法，這不但能完成零件制作，同時也可以培養(yǎng)出更好的作圖思路，和打破規(guī)矩的新想法。
規(guī)則的零件，要學(xué)會使用一些能夠節(jié)省時間的命令，如鏡向，陣列等，“能省則省”。
關(guān)于裝配，曾經(jīng)帶給我很大的阻礙，花了很多時間才弄清原因所在。在一可活動子裝配體上，即使活動范圍會產(chǎn)生干涉，也不能對其設(shè)定活動范圍，如高級配合里的距離范圍，和角度范圍，即使在該活動范圍并不影響父配體，也不可設(shè)定。因為一旦設(shè)定范圍后，在父裝配體上會將子裝配體視為完全定義的模型，這樣會對子裝配體之間的配合產(chǎn)生矛盾，將不能完成裝配。
看懂圖是作圖的首要任務(wù)，看圖就是了解零件的工具，沒有工具則無法制出 零件，所以畫圖不能急于下筆，想透了零件的結(jié)構(gòu)，想透圖中的虛實線，這才是高效作圖的重中之重。進行零件建模前，一般應(yīng)進行深入的特征分析，搞清零件是由那幾個特征組成，明確各個特征的形狀，他們之間的相對位置和表面連接關(guān)系，然后按照特征的主次關(guān)系，按一定的順序進行建模。一個復(fù)雜的零件，可能是許多個簡單特征經(jīng)過相互之間的疊加、切除或相交組成。所以零件建模時，特征的生成順序十分重要，不同的建模過程雖然可以構(gòu)造出同樣的實體零件，但其造型過程及實體的構(gòu)型結(jié)構(gòu)卻直接影響到實體模型的穩(wěn)定性、可修改性、可理解性及實體模型的應(yīng)用。
尤其在二維圖紙上，我們能看到的只是零件的平面圖，而內(nèi)部特征則以虛線給予表示，另外還有零件的相貫線，這表示了各個特征相交時出現(xiàn)線段。在零件的草圖繪制過程中，必須要選好第一個草繪平面，這很關(guān)鍵，這個平面決定了往后建模的所用到的命令，簡單的說，一個圓柱可以作一個圓形然后拉伸，也可以作一個長方體旋轉(zhuǎn)，雖然他們的結(jié)果都一樣，但所用的草繪平面和命令就截然不同。如果我們要的是一條軸，那我們就應(yīng)該選擇第二種方法為好了。
由于此設(shè)計的零件都是比較規(guī)則的零件，所用到的命令大部分是拉伸命令和旋轉(zhuǎn)命令，而且很多零件都是擁有對稱關(guān)系，所以為了節(jié)省時間，提高效率，經(jīng)常會用到鏡向特征命令。
一張完整的工程圖應(yīng)具備以下4方面的內(nèi)容。
一組視圖：用一組視圖（其中包括視圖、剖視圖、斷面圖、局部放大圖）確、完整、清晰地表達零件各部分的結(jié)構(gòu)形狀。
尺寸：確定零件各部分形狀的大小和位置
技術(shù)要求：表明零件在制造和檢驗是應(yīng)達到的一些要求，如表面粗糙度、尺寸公差、形位公差、材料熱處理方式和指標等。
標題欄：注明零件名稱、材料、數(shù)量、圖樣比例以及圖號等內(nèi)容。
單擊【新建文件】圖標，系統(tǒng)顯示新建SolidWorks文件對話框，雙擊該對話框中得裝配體選項，即可進入裝配體工作模式。
調(diào)入第一個零件模型并放置在裝配體的原點處，即零件原點與裝配體原點重合。調(diào)入一個與第一個零件模型有裝配關(guān)系的零件模型。分析兩個零件之間的裝配約束關(guān)系，然后選取相應(yīng)的約束選項進行零件操作。
結(jié) 論
在最近的一段時間的畢業(yè)設(shè)計，使我們充分把握的設(shè)計方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設(shè)計，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時的指導(dǎo)，確保設(shè)計進度，本文所設(shè)計的是掃地機器人的設(shè)計，通過初期的定稿，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進取才可要做的好，總之，本設(shè)計完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。
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致 謝
至此在論文完成之際，向我的導(dǎo)師表示由衷的感謝！真心的感謝我的導(dǎo)師這幾年來對我的諄諄教導(dǎo)，感謝我敬愛的老師，您不僅在學(xué)習(xí)學(xué)業(yè)上給我以精心的指導(dǎo)，同時還在思想給我以無微不至的關(guān)懷支持和理解，給予我人生的啟迪，使我在順利地完成大學(xué)階段的學(xué)業(yè)同時，也學(xué)到了很多有用的做人的道理，明確了人生目標。知道自己想要什么了，不再是從前那個愛貪玩的我了。導(dǎo)師嚴謹求實的治學(xué)態(tài)度，銳意創(chuàng)新的學(xué)術(shù)作風(fēng)，認真加負責，公而忘私的敬業(yè)精神，豁達開朗的寬廣胸懷，平易近人。經(jīng)過近半年努力的設(shè)計與計算，查找了各類的掃地機器人的設(shè)計資料，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動和開心。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為我自己已經(jīng)盡力的做了，它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學(xué)四年來對所學(xué)知識的應(yīng)用和體現(xiàn)。四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的個人能力，更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多有用的知識，在此對所有關(guān)心我?guī)椭业谋磉_我由衷敬意，謝謝各位同學(xué)老師。
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