小型清掃機器人的移動系統(tǒng)設(shè)計與清掃系統(tǒng)的設(shè)計說明書

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小型清掃機器人的移動系統(tǒng)設(shè)計與清掃系統(tǒng)的設(shè)計說明書 目錄 第一章 緒論 1 1.1 清掃機器人的出現(xiàn)背景 1 1.2 清掃機器人的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 2 第二章 清掃機器人移動系統(tǒng) 5 2.1 清掃機器人的要求 6 2.2 系統(tǒng)方案比較與論證 6 2.3最終方案 10 第三章機械傳動的設(shè)計 10 3.1 電動機的選擇 10 3.2 減速器的參數(shù)設(shè)計 12 3.3 軸的設(shè)計計算與校核 21 第四章 清掃裝置的設(shè)置 27 4.1 清掃裝置的基本原理 27 4.2清掃裝置的基本結(jié)構(gòu) 28 4.3 清掃裝置的配置 29 第五章 總結(jié)與期望 29 5.1 全文總結(jié) 29 5.2 論文創(chuàng)新之處 29 5.3 存在的不足與展望 30 謝辭 31 參考文獻 32 附錄： 33 第一章 緒論 1.1 清掃機器人的出現(xiàn)背景 近年來，隨著計算機技術(shù)與人工智能科學(xué)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：一是勞動力成本上升；二是人類想要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)機器人提供了鋼釩的市場應(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就是服務(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。 1.2 清掃機器人的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 清掃機器人的發(fā)展是建立在移動機器人的基礎(chǔ)之上的，一個好的清掃機器人就必須有一個好的移動基礎(chǔ)。因此，每次移動機器人的飛躍，隨之而來的就是清掃機器人的更新?lián)Q代。 1.2.1 國外的清掃機器人的發(fā)展與現(xiàn)狀 德國Kaercher公司生產(chǎn)的RC3000是世界上第一胎能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機器人，如圖1-1所示。它只有50cm長，能夠自動清掃地面，自動返回充電站充電，可以在主人外出時獨立完成家庭清潔的任務(wù)，其扁平的設(shè)計使其能夠清潔床，沙發(fā)，茶幾等家具的下部位置，如圖1-2所示；它的移動是隨機的，當(dāng)遇到障礙時，隨機改變一個角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物；它內(nèi)置四種清潔程序，根據(jù)清潔面積的大小，可以選擇合適的程序；內(nèi)置光敏傳感器，在遇到樓梯與臺階時，能夠自動避讓，不會跌落。 圖1-1 RC3000 圖1-2 RC3000 2001年11月著名的家電廠商伊萊克斯在英國推出了吸塵器“三葉蟲”，如圖1-3所示。它的高度為13mm，直徑為35mm，能夠自由穿梭清掃，自動設(shè)計最佳行走路線；它使用超聲波探測器，可以敏捷迅速地覺察出障礙物并繞開；“三葉蟲”可分三個檔位進行工作：正常，快速和點清理；吸塵器充滿垃圾時還會發(fā)出燈光警告；為了限制“三葉蟲”的活動范圍，用戶需要在樓梯間或其它沒有天然障礙物的地方，貼上特制的可粘式磁帶?！叭~蟲”是由可充電電池驅(qū)動的，每次充電后可以運行60min左右，電量不足時能自動返回充電卡座充電。 圖1-3 伊萊克斯“三葉蟲” 2003年11月，三星公司推出一款三星代號為VC-RP30W的機器人吸塵器，如圖1-4所示，主要針對家庭市場。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，高翔地對房間每個角落進行吸塵； 當(dāng)遇到障礙物或者死角情況，VC-RP30W能輕易地分析出垃圾與其他日常生活用品，同時允許用戶定義工作時間及清掃區(qū)域；用戶還可以通過計算機看安裝在機器人前部攝像頭內(nèi)的信息，對其進行遠程遙控；整個機器人的電池能維持50min的連續(xù)工作，當(dāng)電量即將耗盡時自動回到充電座補充能源，非常地智能化。 圖1-4 三星VC-RP30W 1.2.2 國內(nèi)清掃機器人的發(fā)展和現(xiàn)狀 1999年初，浙江大學(xué)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，與蘇 州TEK公司合作研發(fā)，到2003年系統(tǒng)在自主能力和工作效率上都有了顯著提高，它工作之前，首先進行環(huán)境學(xué)習(xí)，利用超聲波測距，與墻保持一定的行走距離，在清潔角落的同時獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時間；然后，利用隨機與局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的算法產(chǎn)生高效的清潔路徑；在清掃結(jié)束后，自動回到充電座補充動力；系統(tǒng)在的實際家庭環(huán)境中，工作10min可以達到90%以上的覆蓋率。如圖1-5 圖1-5 蘇州 TEK 深圳市銀星智能電器有限公司設(shè)計研發(fā)的KV8保潔機器人（如圖1-6）的一些布置如下 　　1、KV8保潔機器人路徑規(guī)劃原理 KV8保潔機器人通過電腦芯片控制機器人的左右輪轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)圓弧形清潔路線。當(dāng)圓弧的半徑拓展到7.5m的時候，芯片程序會控制機器人離開當(dāng)前路線，在7.5m遠處再次執(zhí)行圓弧清潔路線。大量的圓弧對地面實行無縫覆蓋，從而達到全面清潔地面的目的。 　　2、KV8保潔機器人自動充電原理 　　KV8保潔機器人在機器人電量快要耗完時，機器人頂部的紅外線發(fā)射頭發(fā)射出無電信號，當(dāng)充電基座上的兩個紅外線接收頭接收到此信號時，機器人便與充電基座取得了 聯(lián)系 。通過兩個紅外線接收頭對機器人的引導(dǎo)，使其慢慢靠攏，最終實現(xiàn)對接。 　　3、KV8保潔機器人防跌落原理 　　KV8保潔機器人在機器人底部前段，安裝了4對紅外線感應(yīng)頭，每一對感應(yīng)頭包含一個發(fā)射頭和一個接收頭。紅外線發(fā)射頭發(fā)射的紅外經(jīng)地面發(fā)射后，被對應(yīng)的接收頭所接收。如果機器人底部距離地面的高度超過5mm，電腦芯片便會控制機器人，使其后退并調(diào)整行走方向，從而避免從高空跌落。 　　4、KV8保潔機器人虛擬墻工作原理 KV8保潔機器人虛擬墻在開啟之后會在左右各0.5m，向前3.5米處發(fā)射紅外線，KV8機器人機身上的21個紅外感應(yīng)頭在接觸到由虛擬墻發(fā)射出來的紅外線后，就不會繼續(xù)前進，進入到該區(qū)域內(nèi)打掃。 圖1-6 KV8 經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國清掃機器人的研究取得了長足的進步，在單體平臺和總體技術(shù)水平與性能上，已接近或部分超越國際水平，然而與西方發(fā)達國家相比，無論是研究規(guī)模、投資強度、技術(shù)水平還是成果應(yīng)用程度與效益等方面，都存在明顯的差距，因此還有更多的工做需要去做。 第二章 清掃機器人移動系統(tǒng) 對清掃機器人機械系統(tǒng)的研究涉及機器人的運動學(xué)、動力學(xué)問題?？刂葡到y(tǒng)的輸入量也需要從對機器人運動學(xué)、動力學(xué)建模分析得到的數(shù)學(xué)模型計算得出;傳感測量系統(tǒng)也是建立在一定結(jié)構(gòu)的機械系統(tǒng)之上。因此，盡管輪式移動機器人發(fā)展到今天，機器人機械系統(tǒng)發(fā)展已經(jīng)比較成熟，但針對具體的應(yīng)用，研究人員的新型結(jié)構(gòu)的開發(fā)從未停止。 2.1 清掃機器人的要求 2.1.1 基本要求 （1）需要自帶電源，小巧輕便，操作簡單，自主性好，實用性強 （2）工作環(huán)境主要為普通家庭環(huán)境，也可以用于機場候機大廳，展覽館，圖書館等公共場所。環(huán)境的共同特征為有限的封閉空間，平整的地板以及走動的人員，因此可以歸結(jié)為負責(zé)多變，結(jié)構(gòu)化得動態(tài)環(huán)境。所以環(huán)境適應(yīng)性是對此類機器人的基本要求。 （3）任務(wù)主要是清掃地面和地毯，工作的對象是地面的灰塵，紙屑以及其他一些小尺寸物體，而大尺寸物體不作為吸塵機器人的處理對象?？紤]到安全因素，吸塵機器人必須對人及家庭物品等不構(gòu)成任何危害，同時吸塵機器人還必須具備自我保護的能力。 （1）設(shè)計傳動與轉(zhuǎn)動過程中的機械零件 （2）熟悉單片機技術(shù)在機器人中的應(yīng)用 （3）熟練掌握CAD 2.1.2 機器人的基本參數(shù) （1）路況為平整、堅硬地面，車速不低于0.3m/s （2）車體尺寸不大于LWH=500500500mm （3）車體離地間隙不低于40mm （4）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)靈活可靠 （5）相互運動部分應(yīng)設(shè)潤滑及密封裝置 2.2 系統(tǒng)方案比較與論證 根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由控制器系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、尋跡傳感器系統(tǒng)、電動機、清掃系統(tǒng)及驅(qū)動系統(tǒng)等構(gòu)成。方框圖如圖2-1 電源系統(tǒng) 主控系統(tǒng) 鍵盤顯示子系統(tǒng) 遙控子系統(tǒng) 里程計 浮動，過流和邊緣檢測 地面光敏檢測 傳感器系統(tǒng) 吸塵子系統(tǒng) 行走驅(qū)動子系統(tǒng) 毛刷電機 吸塵電機 返回充電站路徑規(guī)劃算法 路徑覆蓋算法 碰撞檢測 塵倉紅外檢測 右輪電機 左輪電機 執(zhí)行電機部分 傳感器部分 職能軟件部分 輸入輸出部分 圖2-1 清掃機器人各部分組成方框圖 2.2.1 車身設(shè)計 方案1：購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機及其驅(qū)動電路。但是一般的說來，玩具電動車具有如下缺點：首先，這種玩具電動車由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次，這種電動車一般都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動，不能適應(yīng)該題目的方格地圖，不能方便迅速的實現(xiàn)原地保持坐標(biāo)轉(zhuǎn)90度甚至180度的彎角。再次，玩具電動車的電機多為玩具直流電機，力矩小，空載轉(zhuǎn)速快，負載性能差，不易調(diào)速。而且這種電動車一般都價格不扉。因此我們放棄了此方案。 方案2：自己制作電動車。經(jīng)過反復(fù)考慮論證，制定了左右兩輪分別驅(qū)動，前后萬向輪轉(zhuǎn)向的方案。即左右輪分別用兩個轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流電機進行驅(qū)動，前后裝兩個萬向輪。這樣，當(dāng)兩個直流電機轉(zhuǎn)向相反同時轉(zhuǎn)速相同時就可以實現(xiàn)電動車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實現(xiàn)小車坐標(biāo)不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。 在安裝時并不把兩個萬向輪裝在一個平面上。當(dāng)小車前進時，左右兩驅(qū)動輪與前萬向輪形成了三點結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得小車在前進時比較平穩(wěn)，可以避免出現(xiàn)前后兩輪過低而使左右兩驅(qū)動輪驅(qū)動力不夠的情況。為了防止小車重心的偏移，后萬向輪起支撐作用。 對于車架材料的選擇，經(jīng)過比較選擇了鋁合金。用鋁合金做的車架比塑料車架更加牢固，比鐵制小車更輕便，美觀。 綜上考慮，我們選擇了方案2. 2.2.2 電源系統(tǒng) 由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。 方案1：采用24V蓄電池為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便。因此我們放棄了此方案。 方案2：采用2節(jié)12V可充電式鋰電池串聯(lián)共24V給直流電機供電，經(jīng)過7805的電壓變換后為單片機，傳感器和舵機供電。經(jīng)過實驗驗證，當(dāng)電池為直流電機供電時，單片機、傳感器的工作電壓不夠，性能不穩(wěn)定。因此我們放棄了此方案。 方案3：采用2節(jié)12V可充電式鋰電池為直流電機供電，用2節(jié)鋰電池經(jīng)過7805的電壓變換為單片機和傳感器供電。再用2節(jié)鋰電池經(jīng)另一套7805電壓變換電路為舵機供電。采用此種供電方式后，單片機和傳感器工作穩(wěn)定，舵機直流電機工作互不影響，且電池的體積較小，能夠滿足系統(tǒng)的要求。 綜上考慮，選擇了方案3。 2.2.3 電機 本系統(tǒng)為智能電動車，對于電動車來說，其驅(qū)動輪的驅(qū)動電機的選擇就顯得十分重要。由于本題要實現(xiàn)對路徑的準(zhǔn)確定位和精確測量，我們綜合考慮了一下兩種方案。 方案1：采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。經(jīng)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。 方案2：采用直流減速電機。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。 方案2對小車來說是最佳的選擇。 2.2.4 電機驅(qū)動 方案1：采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。 方案2：對于直流電機用分立元件構(gòu)成驅(qū)動電路。由分立元件構(gòu)成電機驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。 因此我們選用了方案1。 2.2.5 輪式機構(gòu) 方案1：二輪移動機構(gòu)一般驅(qū)動輪與電機直接相連, 通過對電機的控制改變兩個輪子的速度來達到轉(zhuǎn)向的功能, 左右車輪處于同一平面內(nèi), 以此來達到平衡，安裝時要確保兩驅(qū)動輪的軸線處于同一前后位置上, 操作起來很容易, 只要在向驅(qū)動輪安裝架鉆孔時事先做好標(biāo)記就可以了。 方案2：四輪移動機構(gòu)：四輪機構(gòu)和全方位機構(gòu)的轉(zhuǎn)向比較復(fù)雜, 四輪式移動機構(gòu)是典型的汽車運動的主要構(gòu)成部分, 一般分為三種轉(zhuǎn)向方式: 它們分別是兩前輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向、兩后輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向和四輪互相配合轉(zhuǎn)向, 車輪的連接比較復(fù)雜, 不適合一般的家用機器人移動, 而且造成機器人結(jié)構(gòu)繁瑣; 全方位移動機構(gòu)可以進行任意的定位和定向, 雖然它可以使機器人更加靈活地運動, 有著顯著的優(yōu)越性, 但它同四輪機構(gòu)一樣甚至比四輪機構(gòu)更具復(fù)雜性和難度。 方案3：三輪式移動機構(gòu): 三輪式移動機構(gòu)一般在兩輪式的基礎(chǔ)上增加一個萬向輪或驅(qū)動輪, 有兩種驅(qū)動方式, 它們分別是兩后輪驅(qū)動, 前輪導(dǎo)向和前輪作為驅(qū)動輪, 而兩后輪為轉(zhuǎn)向輪, 用一根軸連在一起。當(dāng)兩后輪驅(qū)動時, 主動力輪分開置于機體左右兩側(cè), 支撐點處應(yīng)用萬向輪, 但考慮到萬向輪自身存在轉(zhuǎn)彎半徑, 為了保持在轉(zhuǎn)彎過程中機器人整體的幾何中心不會偏移太大, 而造成轉(zhuǎn)彎后丟線, 所以兩個支撐輪的自身摩擦阻尼應(yīng)該足夠小, 采用這種轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)后, 機器人可以做到0 半徑(幾何中心不變) 的360度自由轉(zhuǎn)向。根據(jù)機器人完成指定任務(wù)要求, 機器人必須具備轉(zhuǎn)向靈活, 轉(zhuǎn)彎半徑盡可能小, 即轉(zhuǎn)向過程中機器人本身幾何中心偏移量盡可能小, 因此選擇三輪式作為機器人的行走機構(gòu), 在轉(zhuǎn)彎的時候, 由左、右輪進行差動轉(zhuǎn)彎。進行兩輪反向差動轉(zhuǎn)向可以使機器人幾何中心保持不動, 不會影響轉(zhuǎn)彎后的運動軌跡, 完全能達到設(shè)計要求。 綜合上述三個方案的比較以及清掃機器人的實際工作情況，采用的是方案3的思想，將2個驅(qū)動輪放在兩側(cè)，前后各有一個萬向輪，這樣就保證了即使在任何一個輪子發(fā)生意外都能保證機器人不會發(fā)生翻到的情況發(fā)生。 2.3最終方案 經(jīng)過反復(fù)論證，最終確定了如下的方案 (1)車體用鋁合金車架手工制作。 (2)采用2節(jié)12V可充電式鋰電池為直流電機供電 (3)采用直流電機 (4)采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片 （5）采用二個驅(qū)動輪兩側(cè)驅(qū)動，前后各置一個萬向輪 第三章機械傳動的設(shè)計 3.1 電動機的選擇 3.1.1 整體重量 1）電動機選取ZYT型永磁直流電動機，由表2.1.1.1可知道，其最大質(zhì)量不超過8kg 2）2節(jié)12V可充電式鋰電池為直流電機供電，由表2.1.1.2可知道，質(zhì)量為0.5kg 3）機器人的基本骨架都是用鋅鋁合金，其密度ρ在 壁厚l1=1/6inc=2.541/6=0.42cm,去l1=0.5cm 假設(shè)機器人的模型為圓柱形，500500500 mm離地間隙初步估計為50mm 根據(jù) 壁厚 l=1/4inc=2.541/4=0.635cm, 取 l=0.7cm 取 d=40cm， 則 h=15.9cm， 取 h=16cm 4）存儲罐中存儲的主要是一些灰塵及紙屑，預(yù)估記能存儲的雜物質(zhì)量為10kg 5）軸類元件選取材料45剛（調(diào)質(zhì)），預(yù)計重量為5kg 6）其他電器元件多數(shù)為輕質(zhì)材料，預(yù)計重量為20kg 綜上所述，整個機器人預(yù)計總質(zhì)量m=50kg 3.1.2 參數(shù)計算 車輪直徑300mm，速度v>0.3m/s,取v=1.5m/s 由于摩擦系數(shù)，機械效率等隨條件的變化不同，所以對電機的相關(guān)參數(shù)的計算只能是估算。 設(shè)減速電機輸出輪應(yīng)具有的最高轉(zhuǎn)速為n (r/min) 設(shè)路面的平均摩擦系數(shù)f=0.1，機器人的最大加速度，由于路面的摩擦系數(shù)會產(chǎn)生變化及各種原因的影響，設(shè)可靠性系數(shù)k=1.2 則有阻力 轉(zhuǎn)矩 功率 查表3-1 表3-1 選取110ZYT05型號的電動機 3.2 減速器的參數(shù)設(shè)計 發(fā)動機的轉(zhuǎn)速 車輪的轉(zhuǎn)速 減速系統(tǒng)的總傳動比 選用展開式二級減減速設(shè)置，各級傳動比分別為 高速級 低速級 電動機輸出的功率，轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速器之后各級數(shù)據(jù)如下表3-2所示 表3-2 ------- 功率p（W） 轉(zhuǎn)矩（Nmm） 轉(zhuǎn)速r/min 傳動比 效率 ------ 入 出 入 出 ------- 電動機軸 ----- 69 ----- 219.65 3000 7.1 4.42 0.95 0.95 輸入軸 69 65.55 219.69 1407.46 422.54 輸出軸 64.24 60 1407.46 5791.73 95.6 3.2.1 高速級齒輪傳動 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1）選擇直齒圓柱齒輪傳動 2）機器人為一般工作及其，速度不高，故選用7級精度 3）材料選擇，小齒輪材料為45剛，硬度為200HBS，大齒輪材料問哦QT500-5，硬度為160HBS，二者材料硬度差為40HBS 4）選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù) 按齒面接觸強度設(shè)計， 由 （1） 確定供室內(nèi)的隔計算數(shù)值 1） 試選動載荷系數(shù) 2） 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 3） 選取齒寬系數(shù) 4） 彈性影響系數(shù) 5） 根據(jù)齒面硬度查得小齒輪的解除疲勞強度極限， 大齒輪 6） 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（工作5年，每年300天，每天2小時） 7） 取接觸疲勞壽命系數(shù) 8） 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效率為1%，安全系數(shù)S=1 （2） 計算 1） 計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的 2） 計算圓周速度 3） 計算齒寬b 4） 計算齒寬與齒高之比，b/h 模數(shù) 齒高 5） 計算載荷系數(shù) 根據(jù)v=2m/s，7級精度，動載荷系數(shù)，直齒輪 使用系數(shù)；小齒輪相對支撐對稱布置時， 由b/h=10.67, ,查得 故載荷系數(shù) 6） 按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑 7） 計算模數(shù) 按齒根彎曲強度設(shè)計 1）差的小齒輪的玩去疲勞強度極限 2）彎曲疲勞壽命系數(shù) 3）計算疲勞許用應(yīng)力 取疲勞安全系數(shù)S=1.4 4）計算載荷系數(shù)k 5）查取齒形校正系數(shù) 6） 查取應(yīng)力校正系數(shù) 7） 計算大小齒輪，并加以比較 大齒輪的值大 （2） 設(shè)計計算 mm 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根玩去疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m大小主要取決于玩去強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲強度算的的模數(shù)0.446并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=0.5mm，按接觸強度算的的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù) 大齒輪齒數(shù) 取 這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。 幾何尺寸計算 （1）計算分度圓直徑 （2） 計算中心距 （3） 計算齒輪寬度 取 3.2.2 低速級齒輪傳動 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1）選擇直齒圓柱齒輪傳動 2）機器人為一般工作及其，速度不高，故選用7級精度 3）材料選擇，小齒輪材料為45剛，硬度為200HBS，大齒輪材料問哦QT500-5，硬度為160HBS，二者材料硬度差為40HBS 4）選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù) 按齒面接觸強度設(shè)計 由 （3） 確定供室內(nèi)的隔計算數(shù)值 9） 試選動載荷系數(shù) 10） 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 11） 選取齒寬系數(shù) 12） 彈性影響系數(shù) 13） 根據(jù)齒面硬度查得小齒輪的解除疲勞強度極限， 大齒輪 14） 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（工作5年，每年300天，每天2小時） 15） 取接觸疲勞壽命系數(shù) 16） 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效率為1%，安全系數(shù)S=1 （4） 計算 8） 計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的 9） 計算圓周速度 10） 計算齒寬b 11） 計算齒寬與齒高之比，b/h 模數(shù) 齒高 12） 計算載荷系數(shù) 根據(jù)v=2.94m/s，7級精度，動載荷系數(shù)，直齒輪 使用系數(shù)；小齒輪相對支撐對稱布置時， 由b/h=10.67, ,查得 故載荷系數(shù) 13） 按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑 14） 計算模數(shù) 按齒根彎曲強度設(shè)計 1）差的小齒輪的玩去疲勞強度極限 2）彎曲疲勞壽命系數(shù) 3）計算疲勞許用應(yīng)力 取疲勞安全系數(shù)S=1.4 4）計算載荷系數(shù)k 5）查取齒形校正系數(shù) 6） 查取應(yīng)力校正系數(shù) 7） 計算大小齒輪，并加以比較 大齒輪的值大 （3） 設(shè)計計算 mm 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根玩去疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m大小主要取決于玩去強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲強度算的的模數(shù)0.446并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=1mm，按接觸強度算的的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù) 大齒輪齒數(shù) 這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。 幾何尺寸計算 （1）計算分度圓直徑 （4） 計算中心距 （5） 計算齒輪寬度 取 3.3 軸的設(shè)計計算與校核 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ 圖3-1 3.3.1 軸的計算 (1)求輸出軸上的功率由表3-2可知 (2) 求作用在齒輪上的力 因已知低速級大齒輪分度圓直徑 而 （3）初步確定軸的最小直徑 軸的材料45剛（調(diào)質(zhì)），取 顯然最小直徑是在輸出軸位置上的，而輸出軸上安裝的是輪胎，故可以假定 輪胎設(shè)計 直徑300mm，軸長20mm，輪面20，孔徑10mm，重1kg，用螺母固定，有10mm的螺紋 所以 軸承選用深溝球軸承，6200，故 由滾動軸承的安裝尺寸， 齒輪寬度20mm，在IV-V段長度應(yīng)略短于輪長度， 齒輪左邊端采用軸肩定位，軸肩高度h>=0.07d=2mm，取h=2mm 軸環(huán)寬度， 軸的受力分析如圖3-2所示 圖3-2 14.5FNV1+117.5FNV2=96Ft 14.5+117.5（Ft-FNV1）=96Ft 21.5Ft=103FNV1 FNVQ=16.11N FNV2=61.08N MR=FNV2117.5=7176.9Nmm FNH1+FNH2=Fr28.09 14.5FNH1+117.5FNH2=Fr96=2696.64 14.5FNH1+117.5(28.09-FNH1) 103FNH1=603.935 FNH1=5.86 FNH2=22.23 MH=ym537=2612.025Nmm T=637Nmm 3.3.2 精確校核疲勞強度 （1）判斷危險截面 截面A,Ⅱ，Ⅲ，B至受扭矩作用，雖然鍵槽、軸肩及過渡配合說引起的應(yīng)力集中均將削弱軸的疲勞強度，但由于軸的最小直徑是按鈕轉(zhuǎn)強度較為寬裕確定的，所以截面A,Ⅱ，Ⅲ，B均無需校核。 從應(yīng)力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面Ⅳ和V處過盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重；從截面的情況來看，截面C上的應(yīng)力最大。截面V的應(yīng)力集中的影響和截面Ⅳ的相近，但截面V不受扭矩作用，同時軸徑也較大，故不必做強度校核。截面C上雖然應(yīng)力最大，但應(yīng)力集中不大（過盈配合及鍵槽引起的應(yīng)力集中均在兩端），而且這里軸的直徑最大，故截面C也不必校核。截面Ⅵ和Ⅶ顯然更不必校核。由第三章附錄可知，鍵槽的應(yīng)力集中系數(shù)比過盈配合的小，因而該軸只需校核截面Ⅳ左右兩側(cè)即可。 （2）截面Ⅳ左側(cè) 拉彎截面系數(shù)W=0.1d3=0.1123=172.8mm3 抗扭 WT=0.2d=0.2123=345.6mm3 截面Ⅳ上彎 T3=637 Nmm 截面上的彎曲應(yīng)力 扭軸切應(yīng)力 軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。 截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù) 因r/d=1.0/12=0.083;D/d=16/12=1.3,查的 又由軸的材料的敏感性系數(shù) 故有效應(yīng)力集中系數(shù) 又因為彎曲尺寸系數(shù)；扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù) 軸按磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)為 軸未經(jīng)過表面強化處理，即，得綜合系數(shù)為 碳鋼的特性系數(shù) 于是，計算安全系數(shù) 故可知其安全 （3）截面IV右側(cè) 抗彎截面系數(shù)W 抗扭截面系數(shù) 彎矩M及彎曲應(yīng)力 扭矩扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為 過盈配合處的，于是得 軸按磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)為 故得綜合系數(shù)為 所以軸載截面IV右側(cè)的安全系數(shù)為 故該軸在截面IV右側(cè)的強度也是足夠的。因無打的瞬時過載及嚴(yán)重的應(yīng)力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強度校核。 第四章 清掃裝置的設(shè)置 4.1 清掃裝置的基本原理 通過電動機的高速旋轉(zhuǎn)，在主機內(nèi)形成真空，利用由此產(chǎn)生的高速氣流，從吸入口吸進垃圾。這時氣流的速度高達時速240轉(zhuǎn)，虱子等害蟲在進入主機之內(nèi)，便因高速碰撞吸塵管內(nèi)壁而死掉。 吸入吸塵器的垃圾，被積蓄在布袋機，被過濾網(wǎng)凈化過的空氣，則邊冷卻電動機，邊被排出吸塵器。 電動機是吸塵器的心臟，其性能的好壞，可直接影響吸塵器的可靠性。另外，吸塵器所使用的電動機，每分鐘旋轉(zhuǎn)2萬轉(zhuǎn)～4萬轉(zhuǎn)。而如電扇的電動機，其轉(zhuǎn)速為每分鐘約1800～3600轉(zhuǎn)，由此可知吸塵器電動機轉(zhuǎn)速是多么高。正確表示吸塵器性能的單位，不是輸入功率（瓦數(shù)、或安培數(shù)），而是輸出功率（吸入功率）。吸入力取決于所產(chǎn)生的風(fēng)力和真空力的合力，但這兩個因素卻具有相反的特性。也就是說，風(fēng)力大時真空力變?nèi)?，真空力強時則風(fēng)力變小。這兩者的合力的最大值，即表示該吸塵器能力的吸入功率，吸入功率用瓦（W）表示。這一定義，是國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）規(guī)定的表示吸塵器性能的國際標(biāo)準(zhǔn)，在世界范圍內(nèi)得以承認。目前，日本、德國等將其作為表示吸塵器性能的單位而使用這一單位，但在其它地區(qū)，則直接將輸入功率的大小，誤解為表示吸塵器性能的單位。關(guān)天排氣過濾網(wǎng). 為了不使吸入吸塵器的微小的灰塵泄漏到外邊，吸塵器里裝有種種過濾網(wǎng)。例如：松下電器的吸塵器里，至少裝有2-3個過濾網(wǎng)，另外，布袋或者紙袋，也起著過濾網(wǎng)的作用。這些過濾網(wǎng)，可防止極為微小的灰塵損傷電動機，同時還可起到防止弄臟室內(nèi)空氣的作用。長期使用吸塵器時，會因過濾網(wǎng)網(wǎng)眼的堵塞而致使吸力下降。為了防止吸力下降，應(yīng)定期用水清洗過濾網(wǎng)以及布袋，洗后在陰涼處晾干再使用，即可恢復(fù)吸力。吸塵器的基本配線高速運轉(zhuǎn)的吸塵器電動機一般使用1000瓦以下的電力，故其所產(chǎn)生的熱量與電熱取暖爐相當(dāng)。 一般的吸塵器中，均裝有電流保險絲和熱保護器，故即使出現(xiàn)電動機過熱，也可及時監(jiān)測出溫度上升，暫時性切斷通往電動機的電流，防患于未然。還裝有氣流保護器，在吸嘴等阻塞、空氣停止流動時動作，打開緊急空氣吸入口，利用外部涼氣來抑制主機的過熱。吸塵器使用時，電機啟動后根據(jù)氣流學(xué)原理，在濾塵袋箱內(nèi)形成低氣壓區(qū)，通過內(nèi)外氣壓差的作用，灰塵等雜物依次通過地毯――地板刷、長接管、彎管、軟管、軟管接頭進入濾塵袋，灰塵等雜物滯留在濾塵袋內(nèi)，空氣經(jīng)過濾片凈化后，由機體尾部排出，因氣體經(jīng)過電機時被加熱，所以吸塵器尾部排出的氣體是熱的。如果濾塵袋內(nèi)灰塵滿了，而又沒有及時清理，吸塵器吸力將明顯下降；并且電機在這種情況下運轉(zhuǎn)時得不到充分散熱，工作時間長了，將造成電機的損壞；同時，由于吸力減弱，容易在地毯――地板刷彎曲處、彎管及軟管接頭處引發(fā)堵塞。因此特別提示！在使用吸塵器時，應(yīng)經(jīng)常清理清潔濾塵袋和前后過濾片。 4.2清掃裝置的基本結(jié)構(gòu) 清掃裝置的基本結(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。 　　 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。 　　 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。 　　 5、附件:手柄和軟管、接管、地刷、扁吸、圓刷、沙發(fā)吸、掛鉤、背帶 其主要零部件如圖3-3所示 圖3-3 4.3 清掃裝置的配置 由于是智能型的清掃機器人，他的電力供給系統(tǒng)取決于電池，所以針對這樣的工作條件，應(yīng)該滿足如下的要求： 1）最低功率不小于10W 2）正常工作電壓為24v 3）要求有空氣過濾器 4）能拆裝換洗 根據(jù)這些要求，我們選擇了55ZYT55型號的電動機，它的一些性能參數(shù)如表3-2 表3-2 型號 轉(zhuǎn)矩（mNm） 轉(zhuǎn)速（r/min） 功率（W） 電壓（V） 電流（A）< 55ZYT55 79.6 6000 50 24 3.45 空氣過濾器的型號為K-C1-P-K-0.8-H,粗效平板可換洗額定風(fēng)量8000/h防火。 第五章 總結(jié)與期望 5.1 全文總結(jié) 清掃機器人融合了計算機、控制學(xué)、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能等多 學(xué)科領(lǐng)域的研究結(jié)果，目前在服務(wù)業(yè)、物流業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，逐步替代人類去完成一些無法或者不能去從事的工作。機械系統(tǒng)是清掃機器人研究的基礎(chǔ)，其涉及到運動學(xué)、動力學(xué)，是對清掃機器人進一步精確控制的基礎(chǔ);一定設(shè)計用途的機器人總是建立在具體機械結(jié)構(gòu)之上，因此清掃機器人的移動性能直接影響到機器人功能表現(xiàn)。 5.2 論文創(chuàng)新之處 1）對機器人的移動做出了改進，取消了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向輪的設(shè)計，取而代之的是利用單片機對驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速來進行控制，以達到利用差速來達到轉(zhuǎn)向的目的。這樣做的好處是減輕了機器人轉(zhuǎn)向時對于機械結(jié)構(gòu)的依賴性。使得整體機械零件數(shù)量明顯的減少，達到優(yōu)化的目的。 2）在清掃裝置上采用的是清掃裝置與機器人分離的配置，這樣做使得機器人在面對不同的工作環(huán)境中搭配不同的清掃系統(tǒng)，達到一機多用的目的。甚至可以選擇懸掛其他的設(shè)施，如除草、援救、排險等工作。 5.3 存在的不足與展望 清掃機器人研究牽涉的學(xué)科門類很多，作為工程應(yīng)用研究，清掃機器人應(yīng)該能夠很好地結(jié)合工程實際作業(yè)環(huán)境，本論文將研究重點集中在移動機器人的移動性能方面，以期望所開發(fā)的清掃機器人在運行中有良好表現(xiàn)，因此在設(shè)計開發(fā)過程中盡量去體現(xiàn)作者在這一方面所認知的想法和思路，但關(guān)于清掃機器人移動性能需要研究的方面很多，比如驅(qū)動電機和動力學(xué)約束就是其中一種，這種約束的影響可以體現(xiàn)在對機器人的控制上，也可以體現(xiàn)在對曲線路徑的跟蹤方面。盡管這次的設(shè)計僅僅是一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，但是我希望在以后的學(xué)習(xí)工作中，能在進一步的完善我的設(shè)計。 現(xiàn)代社會是一個以人為本的社會，機器人服務(wù)于人類，能夠代替人類去從事一 些具有危險性、或者重復(fù)性很高的工作，隨著傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和人工智能學(xué)科 的日益發(fā)展，機器人必將更廣發(fā)地應(yīng)用到人類生活中，為人類提供全方位的服務(wù)， 對機器人研究者來說，這是一個挑戰(zhàn)，也是一個契機。 謝辭 我的畢業(yè)設(shè)計課程即將隨著大學(xué)的結(jié)業(yè)而結(jié)課，作為我大學(xué)中最后的一門課程，我投入了最大的努力。在畢業(yè)設(shè)計的過程中，我不僅再一次復(fù)習(xí)了以前所學(xué)的知識，并從中學(xué)到了新的內(nèi)容，更加鞏固了我機械方面的基礎(chǔ)知識和對汽車構(gòu)造方面的認識，為我今后的工作和學(xué)習(xí)提供了極大的幫助。 在我畢業(yè)設(shè)計的進程中，我特別要感謝我的指導(dǎo)老師，他不僅為我提供了詳實的參考資料，還給了我很多意見和建議。每周兩次的畢設(shè)輔導(dǎo)，老師都認認真真為我指出畢設(shè)中的問題并告訴我如何修改，同時對于我提出的疑問，老師也是耐心解答，這讓我又學(xué)到許多東西，做學(xué)問就要踏踏實實，一絲不茍，老師認真細致的作風(fēng)和豐富的經(jīng)驗也給我留下了很深的印象。 在這里，我要衷心的感謝學(xué)校為我們提供了一個良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和許多學(xué)習(xí)知識的平臺，感謝老師們辛勤的付出，感謝同學(xué)們熱心的關(guān)照，感謝大學(xué)四年里給于過我?guī)椭乃腥耍窃谒麄兊年P(guān)照下，我才順利完成最后的畢業(yè)設(shè)計和四年的學(xué)業(yè)。 參考文獻 【1】 李瑞峰，孫笛聲等。移動式作業(yè)型智能服務(wù)機器人的研制，機器人技術(shù)與應(yīng)用。2003，（1）：27 【2】 胡躍明，丁維中，吳忻生，吸塵機器人的研究現(xiàn)狀與展望，計算機測量與控制。2002，10（10）：631~633 【3】 李金山，李林，譚定忠，清潔機器人概述。中國科技信息。2005，5：18 【4】 林紅，翁桂榮。地面清掃機器人的研究?；A(chǔ)自動化。2000，7（4）：29~31 【5】 朱世強，劉瑜，龐作偉。自主吸塵機器人的研究現(xiàn)狀。機器人，2004，Vo126（5）：569~574 【6】 胡勁草，室內(nèi)自主式移動機器人定位方法。傳感器世界，2006（11） 【7】 上官望義，輪式機器人移動性能研究及樣機設(shè)計開發(fā)，2009 【8】 肖海榮，劉文江，潘為剛，周風(fēng)余，劉濤，羅曉，比賽用滅火機器人的設(shè)計與實現(xiàn)。2006 【9】 周盛榮，智能家庭清掃機器人的研究，2006 【10】 胡利永,章　磊,鄭　堤,鄭高穎,鄭衛(wèi)國，落葉清掃機器人的研制，2009 【11】 國內(nèi)首款高智能家庭清掃機器人在哈工大誕生，中國科技產(chǎn)業(yè)/2007年第7期/總 【12】 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扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 MPa 軸的抗扭截面系數(shù) 軸截面的極慣性矩 垂直面內(nèi)的撓度 mm 水平面內(nèi)的撓度 mm 轉(zhuǎn)角 rad 抗彎截面系數(shù) 垂直面內(nèi)的支反力 N 水平面內(nèi)的支反力 N 垂直面內(nèi)的彎矩 Nm 水平面內(nèi)的彎矩 Nm 第 35 頁 共 35 頁