家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院專業(yè)班級(jí)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師成 績家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)I摘 要第三次科技革命以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了快速發(fā)展，由計(jì)算機(jī)衍生出的機(jī)器人因?yàn)榭梢詭椭藗冞M(jìn)行大量重復(fù)的活動(dòng)，使人們從繁重的體力勞動(dòng)中解脫出來，所以得到研究學(xué)者們的青睞。而機(jī)器人有很多種分類，與人類活動(dòng)密切相關(guān)的就是智能服務(wù)機(jī)器人。智能服務(wù)機(jī)器人是具有簡單人機(jī)交互，輔助人們?nèi)粘Ｉ畹臋C(jī)器人系統(tǒng)，必須在特定的工作環(huán)境中進(jìn)行大范圍的移動(dòng)，因此服務(wù)機(jī)器人大多數(shù)是移動(dòng)機(jī)器人。如今，智能服務(wù)機(jī)器人已得到很大的發(fā)展，家庭清潔機(jī)器人就是其中的一類。而且家庭清潔機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)商品化，各種新的技術(shù)被發(fā)明出來。本論文對(duì)市面上家庭清潔機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)和清掃機(jī)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(shè)計(jì)新的毛刷，設(shè)計(jì)萬向輪的結(jié)構(gòu)。并且翻閱了大量文獻(xiàn)弄懂了最新的吸塵技術(shù)的原理，對(duì)其進(jìn)行改造，使他可以應(yīng)用到本論文設(shè)計(jì)的機(jī)器人上。最終設(shè)計(jì)出有吸塵效率高，移動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)的的家庭清潔機(jī)器人。關(guān)鍵詞：清潔機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)原理；旋風(fēng)塵氣分離家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 .51. 4 本章小結(jié) .5第 2 章 家庭清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì) .62. 1 家庭清潔機(jī)器人的組成 .62. 2 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì) .62. 3 吸塵結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì) .72. 4 本章小結(jié) .8第 3 章 家庭清潔機(jī)器人各結(jié)構(gòu)的分析 .93. 1 結(jié)構(gòu)分析 .93. 2 移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析 .93. 3 毛刷機(jī)構(gòu)分析 .103. 4 本章小結(jié) .10第 4 章 清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì) .114. 1 機(jī)器人外形設(shè)計(jì) .114. 2 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .124. 3 清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .134. 4 吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .154. 5 垃圾收集處理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .174. 6 本章小結(jié) .19第 5 章 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的計(jì)算 .205. 1 直流電機(jī)的計(jì)算 .205. 2 塑料齒輪軸的計(jì)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(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1第 1 章 緒 論1.1 課題背景21 世紀(jì)開始，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了快速發(fā)展，由計(jì)算機(jī)衍生出的機(jī)器人因?yàn)榭梢詭椭藗冞M(jìn)行大量重復(fù)的活動(dòng)，使人們從繁重的體力勞動(dòng)中解脫出來，所以得到研究學(xué)者們的青睞。而機(jī)器人有很多種分類，友人們密切相關(guān)的就是智能服務(wù)機(jī)器人 [1]。智能服務(wù)機(jī)器人是具有簡單人機(jī)交互，輔助人們?nèi)粘Ｉ畹臋C(jī)器人系統(tǒng)，必須在特定的工作環(huán)境中進(jìn)行大范圍的移動(dòng)，因此服務(wù)機(jī)器人大多數(shù)是移動(dòng)機(jī)器人。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能科學(xué)的風(fēng)速發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。其中，服務(wù)機(jī)器人開辟了機(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一是勞動(dòng)成本的上升；二是人口老齡和社會(huì)福利制度的完善。三是人類想擺脫枯燥乏味的體力活動(dòng)。服務(wù)機(jī)器人區(qū)別與工業(yè)機(jī)器人的主要特種是服務(wù)機(jī)器人是一種適用于具體的方式，環(huán)境及任務(wù)過程的機(jī)器人系統(tǒng)。地面清潔機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化發(fā)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。吸塵機(jī)器人的發(fā)展，帶動(dòng)了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、圖像和語音識(shí)別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化的研究進(jìn)行得很早。20世紀(jì)80年代就開始了對(duì)家庭清潔機(jī)器人的研究，到目前為止家庭清潔機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)開始商業(yè)化研究和運(yùn)營。家庭清潔機(jī)器人的發(fā)展帶動(dòng)了服務(wù)機(jī)器人行業(yè)向家居化方向的發(fā)展，也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人的多傳感器技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。1.2.1 國外產(chǎn)品研究狀況家庭清潔機(jī)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(jī)器人的公司，包括美國軍隊(duì)是用的特種機(jī)器人，例如排雷機(jī)器人，深潛機(jī)器人等。之后 iRobot 公司研究出了清掃機(jī)器人商業(yè)化的路線，家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2并且研究出的產(chǎn)品走上了美國市場(chǎng)，進(jìn)入了普通人的生活。新的市場(chǎng)被拓展出來，后面自然會(huì)有很多公司出現(xiàn)。這個(gè)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(jī)器人領(lǐng)域的后起之秀，他最大的賣點(diǎn)在于使用了區(qū)別于以往路徑規(guī)劃技術(shù)的更高級(jí)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(gè)房間的數(shù)字模型，之后再根據(jù)這個(gè)模型的具體情況來安排路線，使機(jī)器人可以躲避障礙和進(jìn)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(cè)距儀以 4000 次/秒的頻率收發(fā)信號(hào)，可以精確的測(cè)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(dú)特的路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其吸塵系統(tǒng)中的離心式葉輪會(huì)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(qiáng)勁的吸力。較小的體型可以讓機(jī)器人到房間內(nèi)的各個(gè)角落，還有防跌落傳感器，自動(dòng)回站充電等家庭環(huán)境中必備的技術(shù)。如圖 1-1 所示就是 Neato 公司的產(chǎn)品。圖 1-1 XV-11 機(jī)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?yàn)檫M(jìn)入市場(chǎng)，所以產(chǎn)品多樣。型號(hào)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(shù)和三段式清潔技術(shù)。燈塔技術(shù)是添加在虛擬墻上的，而且機(jī)器人不是自己計(jì)算路徑是依靠設(shè)置在房間內(nèi)的燈塔虛擬墻掃描房間，并計(jì)算出機(jī)器人需要清掃的路徑，然后通過無線傳輸給機(jī)器人，機(jī)器人就開始沿著路徑開始清掃。而三段清潔技術(shù)，就需要依靠 Roomba 機(jī)器人的獨(dú)特設(shè)計(jì)，邊刷，滾刷，吸塵風(fēng)機(jī)的一體化設(shè)計(jì)。三段式清潔就是：一掃，邊刷旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)房間角落和家居空隙間的垃圾和灰塵到機(jī)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(jī)的刀片滾筒，可以卷碎稍大的垃圾和長家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3毛：三吸，真空吸塵把還在機(jī)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(jī)器人領(lǐng)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(jī)器人。東芝公司最近就推出一款有著獨(dú)特設(shè)計(jì)的系列：Torneo Robo。這款機(jī)器人一共裝備了 27 個(gè)傳感器，其中有超聲波傳感器負(fù)責(zé)探測(cè)機(jī)器人周圍的家居，墻壁等障礙物，還有紅外線傳感器負(fù)責(zé)探測(cè)與障礙物間的距離和與地面的距離。除了傳感器，該機(jī)器人還有最獨(dú)特的設(shè)計(jì)。一般來說清掃毛刷的設(shè)計(jì)方式比較普遍，就是固定在機(jī)器人兩側(cè)讓其自動(dòng)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(jī)器人前方兩側(cè)，然而當(dāng)機(jī)器人要打掃大范圍的地面時(shí)，毛刷會(huì)水平伸出來擴(kuò)大清掃范圍。當(dāng)機(jī)器人打掃墻壁角落時(shí)，毛刷會(huì)水平縮回機(jī)器人并放緩旋轉(zhuǎn)速度，仔細(xì)打掃。機(jī)器人移動(dòng)到毛毯等上下有落差的地方時(shí)，毛刷會(huì)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(jī)器人，通過圖片能看到他前面兩個(gè)有著獨(dú)特設(shè)計(jì)的清掃毛刷。圖 1-2 Torneo Robo 機(jī)器人家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(huì)忘記這片市場(chǎng)。其推出的 VR 系列家庭清潔機(jī)器人不僅在韓國熱銷也在世界市場(chǎng)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(lǐng)域的新的作品。首先這款產(chǎn)品的外形和以往市場(chǎng)上的產(chǎn)品（圓盤形）不同，它的外形類似于一個(gè)青蛙，去掉了清掃毛刷，控制系統(tǒng)放在機(jī)器人后側(cè)，使得機(jī)器人頭部就是一個(gè)大的吸塵口，三星特制的數(shù)碼變頻電機(jī)讓機(jī)器人有點(diǎn)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(shù)，并伴隨著特殊的路徑規(guī)劃系統(tǒng)，可以讓機(jī)器人在清潔時(shí)識(shí)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(dú)特的激光導(dǎo)向清潔功能。采用特制的手持式激光指示器，可以遙控機(jī)器人的位置，方便使用者控制機(jī)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(jī)器人領(lǐng)域比較知名的公司主要有：科沃斯集團(tuán)、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(tuán)科沃斯公司國內(nèi)最早做機(jī)器人的公司，主要是做家庭服務(wù)機(jī)器人的一系列工作。他研發(fā)的地寶機(jī)器人采用抗菌材質(zhì)設(shè)計(jì)的超大塵盒，避免使用者多次清理的麻煩。全自動(dòng)清掃和自動(dòng)充電模式，自動(dòng)定時(shí)功能，讓家庭清潔工作變得更智能化，自動(dòng)化。最新的產(chǎn)品又增加了許多智能化的功能，包含可自動(dòng)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(jī)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(jī)器人市場(chǎng)上的新貴，成立于 2007 年。旗下的地貝系列機(jī)器人，從國內(nèi)市場(chǎng)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(jī)器人市場(chǎng)銷量的第二名。地貝機(jī)器人有著下列的優(yōu)點(diǎn)：全部的功能都能使用中文語音進(jìn)行命令，真正實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的智能溝通。觸摸 LED 屏上的清潔鍵，機(jī)器人就可進(jìn)行對(duì)工作進(jìn)行智能化安排，不需要使用者進(jìn)行跟多的造作。還可以進(jìn)行定時(shí)功能 [4]。而且有著業(yè)內(nèi)先進(jìn)的 DIS 技術(shù)(灰塵感應(yīng)電子眼） ，當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)較多灰塵堆積時(shí)自動(dòng)加大功率進(jìn)行打掃。不僅提高清掃工作效率，而且當(dāng)灰塵少時(shí)可以節(jié)省能耗，續(xù)航時(shí)間長達(dá) 90 分鐘。家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)器人領(lǐng)域的后來者。自主研發(fā)高端家庭服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品，其主要產(chǎn)品為知名的 KV8系列機(jī)器人。KV8系列掃地機(jī)器人是結(jié)合全自動(dòng)智能技術(shù)與智能識(shí)別灰塵技術(shù)于一體的掃地機(jī)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(jī)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(shè)計(jì)的主要內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)、期刊、教材、廠家資料及國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)查閱。根據(jù)要求完成對(duì)家 庭清 潔 機(jī) 器 人 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 。完成設(shè)計(jì)圖紙的繪制并進(jìn)行相關(guān)校核工作，完成設(shè)計(jì)說明書的編寫。(1) 進(jìn)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(shè)計(jì)的發(fā)展，人們對(duì)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(dòng)以及獲得的體驗(yàn)，即是情感化設(shè)計(jì)。比如通過產(chǎn)品造型上的創(chuàng)新，給人一種新的生活體驗(yàn)。 (3) 合理安排機(jī)器人內(nèi)部空間的結(jié)構(gòu)，使其各個(gè)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(gè)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)于機(jī)器人有良好的轉(zhuǎn)向控制，垃圾收集盒能得到最大的手機(jī)空間等。(4) 協(xié)調(diào)性，這不僅要求外形的設(shè)計(jì)要與周圍的使用環(huán)境相和諧，同時(shí)要求智能清潔機(jī)器人的使用要與消費(fèi)群體的生活方式，價(jià)值觀念精神需求相一致，這也是未來設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。1.4 本章小結(jié)本章介紹了家庭清潔機(jī)器人并說明了本論文為什么要研究家庭清潔機(jī)器人，著重介紹了家庭清潔機(jī)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(jī)器人是以后家庭清潔的發(fā)展趨勢(shì)，但是我國的機(jī)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(jìn)技術(shù)，并結(jié)合我國市場(chǎng)的具體情況對(duì)這些技術(shù)加以改造，開發(fā)出新的機(jī)器人產(chǎn)品。家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)6家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)7第 2 章 家庭清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì)2.1 家庭清潔機(jī)器人的組成家庭清潔機(jī)器人所運(yùn)用的機(jī)器人系統(tǒng)一般是由五部分組成：移動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)承擔(dān)了整個(gè)家庭清潔機(jī)器人，決定了機(jī)器人的工作空間。傳感器系統(tǒng)一般采用防跌落感應(yīng)裝置、碰撞感應(yīng)開關(guān)、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)、機(jī)器人技術(shù)和傳感技術(shù)的快速發(fā)展，家庭清潔機(jī)器人的研究和開發(fā)有了良好的基礎(chǔ)和發(fā)展前景。家庭清潔機(jī)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(duì)探測(cè)環(huán)境、分析計(jì)算信號(hào)，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(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人的研究表明，對(duì)于在復(fù)雜環(huán)境中的智能移動(dòng)機(jī)器人，要使其自動(dòng)化程度得到進(jìn)一步的提高，主要依賴傳感器對(duì)障礙物的探測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸及虛擬墻技術(shù)。讓家庭清潔機(jī)器人能更好更快的獲得家庭環(huán)境中的實(shí)時(shí)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(zhǔn)備。我們接下來就對(duì)影響家庭清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和吸塵系統(tǒng)作方案設(shè)計(jì)。2.2 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)現(xiàn)在應(yīng)用在日常生活中的智能機(jī)器人有很多，其驅(qū)動(dòng)方式也是多種多樣。在選擇機(jī)器人移動(dòng)方式時(shí)，要充分考慮機(jī)器人的工作條件，如工作速度、載荷重量、移動(dòng)功率、載荷平穩(wěn)性、工作環(huán)境外，還應(yīng)考慮到是否能夠在特殊條件下（電機(jī)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(jī)器人集電機(jī)控制，機(jī)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(guān)，是人工智能在生活中最普遍的且最直接的應(yīng)用。因此，對(duì)家庭清潔機(jī)器人的研究對(duì)于人們有著重大的意義。家庭清潔機(jī)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(huì)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(duì)象就是小型的日常生活垃圾以及灰塵。因此所選用的動(dòng)力源就是非常普遍，對(duì)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(dòng)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(jī)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(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)8此本次設(shè)計(jì)決定使用材質(zhì)偏軟，且摩擦力較大的橡膠輪，作為機(jī)器人的移動(dòng)方式。圖 2-1 機(jī)器人橡膠輪2.3 吸塵結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)家庭機(jī)器人有個(gè)別稱——智能吸塵器，吸塵的效率就是決定一個(gè)家庭清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。吸塵技術(shù)是家庭清潔機(jī)器人所有技術(shù)中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的。吸塵技術(shù)從 1901 年到現(xiàn)在，已經(jīng)有了非常大的發(fā)展。最初設(shè)計(jì)吸塵器的原理非常簡單，只是吸塵器電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，風(fēng)扇吹動(dòng)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(jìn)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(jìn)入風(fēng)機(jī)，這層濾塵器是為了防止灰塵吸入風(fēng)機(jī)，進(jìn)入電機(jī)的空氣被風(fēng)機(jī)的風(fēng)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(jià)格便宜，但是有幾個(gè)嚴(yán)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(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)無法吸氣，造成吸塵器的吸力下降，嚴(yán)重影響清掃效果；由于原理所限，過濾效果和吸力成了一對(duì)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(huì)大大降低，因此為了保證吸力強(qiáng)勁，一般的吸塵器都無法過濾特別細(xì)小的有害顆粒、細(xì)菌等?，F(xiàn)在英國戴森公司發(fā)明一種新的吸塵技術(shù)——旋風(fēng)塵氣分離技術(shù)。這個(gè)吸塵技術(shù)的發(fā)明者是英國頂級(jí)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(fēng)機(jī)和特別設(shè)計(jì)的氣旋發(fā)生裝置，在塵杯內(nèi)制造一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的氣旋，就像制造一家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)9股小型龍卷風(fēng)，使灰塵和各種雜質(zhì)在氣旋中快速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，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(jìn)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(huì)繼續(xù)進(jìn)入圓錐體，這就是它采用的圓錐氣旋技術(shù)，微小的顆粒進(jìn)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(jìn)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(duì)干凈的空氣，因此可以采用一個(gè)更加致密的濾芯來作為最后的屏障。綜上所述本論文設(shè)計(jì)的家庭清潔機(jī)器人所采用的吸塵技術(shù)就采用多級(jí)旋風(fēng)塵氣分離技術(shù)，以達(dá)到最好的吸塵效果。2.4 本章小結(jié)家庭清潔機(jī)器人所使用的技術(shù)在不斷的發(fā)展，先進(jìn)的技術(shù)需要用具體的機(jī)械機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。家庭清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，也決定著機(jī)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(duì)機(jī)器人中可以選擇有多種方案的兩個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和選擇，并最終決定了各個(gè)結(jié)構(gòu)的方案。家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)10第 3 章 家庭清潔機(jī)器人各結(jié)構(gòu)的分析3.1 結(jié)構(gòu)分析本論文要設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動(dòng)靈活、控制簡單，結(jié)構(gòu)能夠搭配其自主驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)避障和路徑規(guī)劃的家庭清潔機(jī)器人。整個(gè)家庭清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)外部包括外殼、底盤、兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪、一個(gè)萬向輪。底盤內(nèi)部還是氣旋吸塵風(fēng)機(jī)、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(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的 proe 圖3.2 移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析移動(dòng)輪式機(jī)器人所采用的機(jī)構(gòu)一般分為三輪和四輪。三輪機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(fù)雜，控制較難。家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)113.3 毛刷機(jī)構(gòu)分析清掃結(jié)構(gòu)是由直流電機(jī)，傘齒輪，齒輪箱，軸承和清掃毛刷組成。其中兩個(gè)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(jī)器人的刷盤，刷盤的整個(gè)刷面都會(huì)接觸地面并旋轉(zhuǎn)，那么垃圾和灰塵就會(huì)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(jī)器人的中央部分，反而會(huì)使家庭環(huán)境更臟亂，如圖 3-2 所示。圖 3-2 清掃機(jī)構(gòu)家庭清潔機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)器人的中間，以便于吸塵機(jī)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(dòng)垃圾和灰塵，當(dāng)毛刷旋轉(zhuǎn)到中間時(shí)，吸塵機(jī)構(gòu)可以立刻就將垃圾灰塵吸入。而且由于毛刷中間強(qiáng)度較硬的部件離地面有距離，所以不會(huì)干擾到機(jī)器人的移動(dòng)。3.4 本章小結(jié)本論文設(shè)計(jì)的家庭清潔機(jī)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(jìn)行大膽的設(shè)計(jì)和改造。本章就對(duì)在第二章中所選擇的各機(jī)構(gòu)的方案進(jìn)行了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：包含獨(dú)立電機(jī)和橡膠輪的移動(dòng)機(jī)構(gòu)、分散布置刷毛的清掃機(jī)構(gòu)以及采用先進(jìn)技術(shù)的吸塵機(jī)構(gòu)。并且對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行大膽的改造，使其可以運(yùn)用到我們所設(shè)計(jì)的機(jī)器人當(dāng)中。家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)12第 4 章 清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì)4.1 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)該包括清掃機(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)，其中清掃機(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)資料以及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，而圓形物體則比較容易避開障礙物。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4-1所示圖 4-1 機(jī)器人外形圖家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)134.2 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)移動(dòng)輪式機(jī)器人所采用的機(jī)構(gòu)一般分為三輪和四輪。三輪機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(fù)雜，控制較難。家庭清潔機(jī)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(huì)改變重心位置。因此選用三輪式的移動(dòng)方式，電機(jī)選用 37mm 的直流減速電機(jī)。三輪移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有以下兩種：帶萬向輪的雙輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式和全向輪驅(qū)動(dòng)方式。帶萬向輪的雙輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式是采用兩個(gè)獨(dú)立的直流電機(jī)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的軸共線。同時(shí)用一個(gè)與另外兩輪不共線的萬向輪來把整個(gè)底盤支撐起來。這種驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用普遍，控制方便，耗能較低。缺點(diǎn)就是只有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，轉(zhuǎn)向需要先通過控制兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輪，使機(jī)器人轉(zhuǎn)體再前后移動(dòng)。移動(dòng)的效率降低，機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性不夠。全向驅(qū)動(dòng)方式是由三個(gè)以獨(dú)立的直流電機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)輪呈正三角形設(shè)置在底盤上的移動(dòng)方式 [6]?？梢赃M(jìn)行在平面上的各個(gè)方向的移動(dòng)和定位，并且有較好的穩(wěn)定性，驅(qū)動(dòng)方式多樣的優(yōu)點(diǎn)。不過該驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，一旦控制程序發(fā)生錯(cuò)誤，機(jī)器人的移動(dòng)就會(huì)有較大誤差。并且耗能較高，所占用的機(jī)器人空間較大。綜上所述，本論文選用帶萬向輪的雙輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。雖然總體性能這種驅(qū)動(dòng)方式比不上全向驅(qū)動(dòng)方式，但是所選用的驅(qū)動(dòng)方式的簡單方便的特性更適合家庭清潔這個(gè)方向上。如圖 4-2 所示為本次設(shè)計(jì)的總體驅(qū)動(dòng)方式。如圖 4-3 所示為本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)輪。家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)14圖 4-2 驅(qū)動(dòng)輪布置 圖 4-3 單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪從圖 4-2 可以看出本論文的設(shè)計(jì)把兩共軸的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪放在了機(jī)器人稍偏后的位置，而在正前方設(shè)置了一個(gè)萬向輪。這樣的設(shè)計(jì)使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體呈一個(gè)等腰三角形，這樣無論是穩(wěn)定性還是機(jī)動(dòng)性都能得到保證。通過控制兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)方向和速度來控制機(jī)器人的位移和旋轉(zhuǎn)。4.3 清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)四種方案：(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)清掃。如圖4-4所示圖 4-4 清掃機(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)清掃。如圖4-5所示圖 4-5 清掃機(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，從而實(shí)現(xiàn)清掃。如圖4-6 所示家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)15圖 4-6 清掃機(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)清掃。如圖4-7所示圖 4-7 清掃機(jī)構(gòu)四以上四種方案通過對(duì)比以及由設(shè)計(jì)的要求所限制，最終選擇方案四為清掃機(jī)構(gòu)。其正面結(jié)構(gòu)如圖4-8所示家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)16圖 4-8 清掃傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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)要放置有清掃機(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，則會(huì)占用大量的空間，使其它幾個(gè)單元有些部分將放置不下，從而超出所要設(shè)計(jì)的尺寸，因而否定了這種方案；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較大，而清掃機(jī)構(gòu)又是本次設(shè)計(jì)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(jì)算及各個(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)了清掃的目的。為了使機(jī)器人的外壁在靠近墻邊時(shí)刷子能夠掃到墻壁的邊緣，同時(shí)使它在清掃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(gè)裝置就顯得比較笨重，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；最后在方案三的基礎(chǔ)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，同時(shí)還有利于其它機(jī)構(gòu)的安裝。因而選擇方案四為本次設(shè)計(jì)的清掃機(jī)構(gòu)。4.4 吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)吸塵機(jī)構(gòu)是家庭清潔機(jī)器人的靈魂和基礎(chǔ)，本論文的吸塵機(jī)構(gòu)選用了目前最先進(jìn)的技術(shù)——旋風(fēng)塵氣分離技術(shù)。如圖 4-9 所示。家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)17圖 4-9 戴森公司的旋風(fēng)塵氣分離筒1.旋風(fēng)發(fā)生器 2.進(jìn)氣口 3.傘齒輪 4.電機(jī)外殼 5.電擊轉(zhuǎn)子 6.渦旋外室 7.風(fēng)扇 8.濾芯出氣口圖 4-10 本論文設(shè)計(jì)的渦旋風(fēng)機(jī)如圖 4-10 所示是本論文設(shè)計(jì)的吸塵機(jī)構(gòu)。工作時(shí)轉(zhuǎn)速高達(dá) 10000prm 的無刷直流電機(jī)通過兩個(gè)傘齒輪帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)使氣體快速向下流出，從而在機(jī)構(gòu)的上部份形成低壓。那么外部的空氣就會(huì)帶動(dòng)垃圾和灰塵吸入機(jī)器人，經(jīng)過一層過濾網(wǎng)之后，小的灰塵和垃圾顆粒會(huì)進(jìn)入吸氣口，通過管道進(jìn)入旋風(fēng)發(fā)生器。就如同水在漏斗里會(huì)形成漩渦并且流出一樣，帶動(dòng)著灰塵顆粒的空氣進(jìn)入圓錐形的旋風(fēng)發(fā)生器里會(huì)快速旋轉(zhuǎn)形成氣旋。空氣中的灰塵顆粒在快速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)在離心力的作用下被甩出氣旋中家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)18心，那么中間略為干凈的空氣先進(jìn)入下方的渦旋外室，顆粒后進(jìn)入。在渦旋外室中進(jìn)行第二次氣旋，大部分灰塵顆粒會(huì)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(jī)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(jìn)行最后的過濾。4.5 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)行設(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 4-11 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(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)所占的空間比較大，家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)19圖 4-13 上下支撐體零件圖圖 4-14 機(jī)器人本體家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)20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，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4-13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 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(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)榍鍜卟糠质羌彝デ鍧崣C(jī)器人的最重要的部分，整個(gè)機(jī)體的大半質(zhì)量都集中在這一部分。為了減輕機(jī)器的質(zhì)量，使其在使用時(shí)更方便一些，將這一部分單獨(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)家庭清潔機(jī)器人大體布局如圖4-14所示。4.6 本章小結(jié)本論文設(shè)計(jì)的家庭清潔機(jī)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(jìn)行大膽的設(shè)計(jì)和改造。本章就對(duì)在第二章中所選擇的各機(jī)構(gòu)的方案進(jìn)行了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：包含獨(dú)立電機(jī)和橡膠輪的移動(dòng)機(jī)構(gòu)、分散布置刷毛的清掃機(jī)構(gòu)以及采用先進(jìn)技術(shù)的吸塵機(jī)構(gòu)。并且對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行大膽的改造，使其可以運(yùn)用到我們所設(shè)計(jì)的機(jī)器人當(dāng)中。家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)21第 5 章 具體計(jì)算移動(dòng)機(jī)構(gòu)承擔(dān)著機(jī)器人移動(dòng)和定位的工作。其中的直流電機(jī)是移動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來源，減速箱則是傳遞力矩，帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的中間結(jié)構(gòu)。這兩者中有一個(gè)出現(xiàn)問題，那么機(jī)器人就會(huì)出現(xiàn)故障，無法進(jìn)行正常的清掃工作。因此，本章就對(duì)直流電機(jī)和減速箱做計(jì)算，驗(yàn)證其能否正常的工作。5.1 電機(jī)選擇（1）阻力計(jì)算初步估計(jì)機(jī)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(gè)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(dòng)摩擦阻力：（5-mNFMf .21.??1）滑動(dòng)摩擦阻力：=F =22.1×0.1=2.21N （5-f?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(jī)要求的功率 （5-wWnTP???9504）式中： mNTw??126.0家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)22由 min/2.03647.0252 rRVnRVw???????取 則： ，7.0w? WTPwW8919??電機(jī)所需的輸出的功率：（5-5）d?式中： 86.097.9.022???cgr?則電機(jī)所需的輸出的功率：= =4.45WwdP?86.03（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)則要求電機(jī)具有調(diào)速功能，再算得電機(jī)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(jī)廠生產(chǎn)的 YCJT 系列電機(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4.45W，由寧波市北倉深港交流調(diào)速電機(jī)廠網(wǎng)站上給的產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和安裝型號(hào)中選型號(hào)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(shí)轉(zhuǎn)距為5 N.cm，啟動(dòng)轉(zhuǎn)距為3.5N.cm 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 蝸輪蝸桿的選擇因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)所用的蝸桿和蝸輪是清掃機(jī)構(gòu)功率的輸入部分，是機(jī)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(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N 60n L =60×206×12000=1.48 （5-?2h 810?6）查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得：家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)23=230MPa ；??OH?=90MPa；F= . =194MPa；??NHZ?OH82710??OH?MPa。5926?FFFY?（2）選擇 z 、z12根據(jù)傳動(dòng)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(qiáng)度設(shè)計(jì)先查《機(jī)械設(shè)計(jì)》確定計(jì)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(shí)；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(jī)械設(shè)計(jì)》得：MPaZE將這些數(shù)據(jù)代入接觸強(qiáng)度計(jì)算公式，求得：家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)24（5-10）?? 322212 1495.19386.09 mzZKTdmHE ??????????????????按接觸強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)推薦中心距，如選擇中心距，蝸輪將變位。本設(shè)計(jì)不采用變位， 取 a=40.20。（4）驗(yàn)算初設(shè)參數(shù) 蝸輪圓周速度 v = 0.63m/s 原估計(jì) ，選 值，相符；2??1062nd?smv/32?VK滑動(dòng)速度 ，在范圍內(nèi)，所選材料合適；sms /6/54.3i???蝸桿傳動(dòng)效率 根據(jù) ，查表得 ，??19.0??～ svs/8.1??2?v?0.83，傳動(dòng)效率 ，與初選 不????vtg???1 .05.06.5～～ ?? 7.0?符，傳動(dòng)效率應(yīng)適當(dāng)降低。（5）驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和剛度=58.4 MPa （5-13）??FFaFzdmYKT?????216.家居小型清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)25蝸輪當(dāng)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(qiáng)度滿足要求。??FMPa???85.27（6）蝸桿、蝸輪幾何尺寸計(jì)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(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)效率低所以工作時(shí)產(chǎn)生的熱量大。對(duì)閉式蝸桿傳動(dòng)，摩擦所產(chǎn)生的熱量將通過箱體散發(fā)到周圍空氣中去。本設(shè)計(jì)中蝸桿傳動(dòng)產(chǎn)生的熱量直接散發(fā)到集體內(nèi)，通過吸塵時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)力將熱量排帶機(jī)體外。因?yàn)槲仐U傳動(dòng)的效率主要取決于嚙合效率，而蝸桿分度圓導(dǎo)程角對(duì)嚙合效率其主要影響，導(dǎo)程角大于30度以后嚙合效率增加不顯著且蝸桿加工也較困難，所以本設(shè)計(jì)中蝸桿導(dǎo)程角小于30度，同時(shí)減小了中心距進(jìn)而減小了蝸桿的直徑，從而提高了嚙合效率，因而進(jìn)一步提高了蝸桿的傳動(dòng)效率。由以上可知，在本次設(shè)計(jì)中，由于蝸輪下面要加一個(gè)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(jī)構(gòu)的電機(jī)的選擇因?yàn)榍鍜邫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)清掃目的，并可以把垃