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含CAD圖紙、說明書 小型 清掃 機(jī)器人 移動 系統(tǒng) 設(shè)計 CAD 圖紙 說明書

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小型清掃機(jī)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11.1 清掃機(jī)器人的出現(xiàn)背景11.2 清掃機(jī)器人的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀2第二章 清掃機(jī)器人移動系統(tǒng)52.1 清掃機(jī)器人的要求62.2 系統(tǒng)方案比較與論證62.3最終方案10第三章機(jī)械傳動的設(shè)計103.1 電動機(jī)的選擇103.2 減速器的參數(shù)設(shè)計123.3 軸的設(shè)計計算與校核21第四章 清掃裝置的設(shè)置274.1 清掃裝置的基本原理274.2清掃裝置的基本結(jié)構(gòu)284.3 清掃裝置的配置29第五章 總結(jié)與期望295.1 全文總結(jié)295.2 論文創(chuàng)新之處295.3 存在的不足與展望30謝辭31參考文獻(xiàn)32附錄：33第一章 緒論1.1 清掃機(jī)器人的出現(xiàn)背景 近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)與人工智能科學(xué)的飛速發(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。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(jī)器人提供了鋼釩的市場應(yīng)用前景。服務(wù)機(jī)器人區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人的一個主要特征就是服務(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)，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(jī)器人大多數(shù)是移動機(jī)器人。1.2 清掃機(jī)器人的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 清掃機(jī)器人的發(fā)展是建立在移動機(jī)器人的基礎(chǔ)之上的，一個好的清掃機(jī)器人就必須有一個好的移動基礎(chǔ)。因此，每次移動機(jī)器人的飛躍，隨之而來的就是清掃機(jī)器人的更新?lián)Q代。1.2.1 國外的清掃機(jī)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(jī)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(dú)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(jī)的，當(dāng)遇到障礙時，隨機(jī)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 RC30002001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(jìn)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(yùn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)看安裝在機(jī)器人前部攝像頭內(nèi)的信息，對其進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控；整個機(jī)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(bǔ)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(jī)器人的發(fā)展和現(xiàn)狀 1999年初，浙江大學(xué)機(jī)械電子研究所開始進(jìn)行智能吸塵機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(bǔ)充動力；系統(tǒng)在的實際家庭環(huán)境中，工作10min可以達(dá)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(jī)器人（如圖1-6）的一些布置如下 1、KV8保潔機(jī)器人路徑規(guī)劃原理KV8保潔機(jī)器人通過電腦芯片控制機(jī)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(jī)器人離開當(dāng)前路線，在7.5m遠(yuǎn)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(dá)到全面清潔地面的目的。2、KV8保潔機(jī)器人自動充電原理 KV8保潔機(jī)器人在機(jī)器人電量快要耗完時，機(jī)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(jī)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(jī)器人的引導(dǎo)，使其慢慢靠攏，最終實現(xiàn)對接。 3、KV8保潔機(jī)器人防跌落原理 KV8保潔機(jī)器人在機(jī)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(jī)器人底部距離地面的高度超過5mm，電腦芯片便會控制機(jī)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(jī)器人虛擬墻工作原理KV8保潔機(jī)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(jī)器人機(jī)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(jìn)，進(jìn)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(jī)器人的研究取得了長足的進(jìn)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(dá)國家相比，無論是研究規(guī)模、投資強(qiáng)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(jī)器人移動系統(tǒng)對清掃機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的研究涉及機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)問題?？刂葡到y(tǒng)的輸入量也需要從對機(jī)器人運(yùn)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(jī)械系統(tǒng)之上。因此，盡管輪式移動機(jī)器人發(fā)展到今天，機(jī)器人機(jī)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(jī)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(qiáng)（2）工作環(huán)境主要為普通家庭環(huán)境，也可以用于機(jī)場候機(jī)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(fù)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(jī)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(jī)器人的處理對象?？紤]到安全因素，吸塵機(jī)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(jī)器人還必須具備自我保護(hù)的能力。（1）設(shè)計傳動與轉(zhuǎn)動過程中的機(jī)械零件 （2）熟悉單片機(jī)技術(shù)在機(jī)器人中的應(yīng)用 （3）熟練掌握CAD2.1.2 機(jī)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(yùn)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(jī)、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(jī)吸塵電機(jī)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(jī)左輪電機(jī)執(zhí)行電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)多為玩具直流電機(jī)，力矩小，空載轉(zhuǎn)速快，負(fù)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(jī)進(jìn)行驅(qū)動，前后裝兩個萬向輪。這樣，當(dāng)兩個直流電機(jī)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jī)供電，經(jīng)過7805的電壓變換后為單片機(jī)，傳感器和舵機(jī)供電。經(jīng)過實驗驗證，當(dāng)電池為直流電機(jī)供電時，單片機(jī)、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(jī)供電，用2節(jié)鋰電池經(jīng)過7805的電壓變換為單片機(jī)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(jī)供電。采用此種供電方式后，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，舵機(jī)直流電機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。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(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點，步進(jìn)電機(jī)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(jī)。直流減速電機(jī)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(jī)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(jī)驅(qū)動方案1：采用專用芯片L298N作為電機(jī)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(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)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(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動電路。由分立元件構(gòu)成電機(jī)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(jī)構(gòu) 方案1：二輪移動機(jī)構(gòu)一般驅(qū)動輪與電機(jī)直接相連, 通過對電機(jī)的控制改變兩個輪子的速度來達(dá)到轉(zhuǎn)向的功能, 左右車輪處于同一平面內(nèi), 以此來達(dá)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(jī)構(gòu)：四輪機(jī)構(gòu)和全方位機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向比較復(fù)雜, 四輪式移動機(jī)構(gòu)是典型的汽車運(yùn)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(jī)器人移動, 而且造成機(jī)器人結(jié)構(gòu)繁瑣; 全方位移動機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行任意的定位和定向, 雖然它可以使機(jī)器人更加靈活地運(yùn)動, 有著顯著的優(yōu)越性, 但它同四輪機(jī)構(gòu)一樣甚至比四輪機(jī)構(gòu)更具復(fù)雜性和難度。 方案3：三輪式移動機(jī)構(gòu): 三輪式移動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人完成指定任務(wù)要求, 機(jī)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(jī)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(jī)器人的行走機(jī)構(gòu), 在轉(zhuǎn)彎的時候, 由左、右輪進(jìn)行差動轉(zhuǎn)彎。進(jìn)行兩輪反向差動轉(zhuǎn)向可以使機(jī)器人幾何中心保持不動, 不會影響轉(zhuǎn)彎后的運(yùn)動軌跡, 完全能達(dá)到設(shè)計要求。 綜合上述三個方案的比較以及清掃機(jī)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(jī)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(jī)供電(3)采用直流電機(jī)(4)采用專用芯片L298N作為電機(jī)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(jī)械傳動的設(shè)計3.1 電動機(jī)的選擇3.1.1 整體重量 1）電動機(jī)選取ZYT型永磁直流電動機(jī)，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(jī)供電，由表2.1.1.2可知道，質(zhì)量為0.5kg3）機(jī)器人的基本骨架都是用鋅鋁合金，其密度在 壁厚l1=1/6inc=2.541/6=0.42cm,去l1=0.5cm 假設(shè)機(jī)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=16cm4）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10kg5）軸類元件選取材料45剛（調(diào)質(zhì)），預(yù)計重量為5kg6）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(jī)器人預(yù)計總質(zhì)量m=50kg3.1.2 參數(shù)計算車輪直徑300mm，速度v0.3m/s,取v=1.5m/s由于摩擦系數(shù)，機(jī)械效率等隨條件的變化不同，所以對電機(jī)的相關(guān)參數(shù)的計算只能是估算。設(shè)減速電機(jī)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(jī)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(jī)3.2 減速器的參數(shù)設(shè)計 發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)軸-69-219.653000 7.1 4.420.950.95輸入軸6965.55219.691407.46422.54輸出軸64.24601407.465791.7395.63.2.1 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(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度設(shè)計 1）差的小齒輪的玩去疲勞強(qiáng)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(qiáng)度計算的模數(shù)m大于由齒根玩去疲勞強(qiáng)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(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。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(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度設(shè)計 1）差的小齒輪的玩去疲勞強(qiáng)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(qiáng)度計算的模數(shù)m大于由齒根玩去疲勞強(qiáng)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(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。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 圖3-13.3.1 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3-214.5FNV1+117.5FNV2=96Ft14.5+117.5（Ft-FNV1）=96Ft21.5Ft=103FNV1FNVQ=16.11NFNV2=61.08NMR=FNV2117.5=7176.9NmmFNH1+FNH2=Fr28.0914.5FNH1+117.5FNH2=Fr96=2696.6414.5FNH1+117.5(28.09-FNH1)103FNH1=603.935FNH1=5.86FNH2=22.23MH=ym537=2612.025NmmT=637Nmm3.3.2 精確校核疲勞強(qiáng)度（1）判斷危險截面 截面A,，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(qiáng)度，但由于軸的最小直徑是按鈕轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕確定的，所以截面A,，B均無需校核。從應(yīng)力集中對軸的疲勞強(qiáng)度的影響來看，截面和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(qiáng)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。截面和顯然更不必校核。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左右兩側(cè)即可。（2）截面左側(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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，在主機(jī)內(nèi)形成真空，利用由此產(chǎn)生的高速氣流，從吸入口吸進(jìn)垃圾。這時氣流的速度高達(dá)時速240轉(zhuǎn)，虱子等害蟲在進(jìn)入主機(jī)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(jī)，被過濾網(wǎng)凈化過的空氣，則邊冷卻電動機(jī)，邊被排出吸塵器。電動機(jī)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(jī)，每分鐘旋轉(zhuǎn)2萬轉(zhuǎn)4萬轉(zhuǎn)。而如電扇的電動機(jī)，其轉(zhuǎn)速為每分鐘約18003600轉(zhuǎn)，由此可知吸塵器電動機(jī)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?qiáng)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(rèn)。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(jī)，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(yùn)轉(zhuǎn)的吸塵器電動機(jī)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(hù)器，故即使出現(xiàn)電動機(jī)過熱，也可及時監(jiān)測出溫度上升，暫時性切斷通往電動機(jī)的電流，防患于未然。還裝有氣流保護(hù)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(jī)的過熱。吸塵器使用時，電機(jī)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(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，由機(jī)體尾部排出，因氣體經(jīng)過電機(jī)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(jī)在這種情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時得不到充分散熱，工作時間長了，將造成電機(jī)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(jī)和調(diào)速器。調(diào)速器分手控、機(jī)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(jī)構(gòu)、塵滿指示、按鈕或滑動開關(guān)。 4、保護(hù)措施:無塵袋保護(hù)、真空度過高保護(hù)、抗干擾保護(hù)(軟啟動)、過熱保護(hù)、防靜電保護(hù)。 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3-34.3 清掃裝置的配置 由于是智能型的清掃機(jī)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(jī)，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）55ZYT5579.66000 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(jī)器人融合了計算機(jī)、控制學(xué)、機(jī)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(jī)械系統(tǒng)是清掃機(jī)器人研究的基礎(chǔ)，其涉及到運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)，是對清掃機(jī)器人進(jìn)一步精確控制的基礎(chǔ);一定設(shè)計用途的機(jī)器人總是建立在具體機(jī)械結(jié)構(gòu)之上，因此清掃機(jī)器人的移動性能直接影響到機(jī)器人功能表現(xiàn)。5.2 論文創(chuàng)新之處 1）對機(jī)器人的移動做出了改進(jìn)，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(jī)對驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速來進(jìn)行控制，以達(dá)到利用差速來達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。這樣做的好處是減輕了機(jī)器人轉(zhuǎn)向時對于機(jī)械結(jié)構(gòu)的依賴性。使得整體機(jī)械零件數(shù)量明顯的減少，達(dá)到優(yōu)化的目的。 2）在清掃裝置上采用的是清掃裝置與機(jī)器人分離的配置，這樣做使得機(jī)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(dá)到一機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人的移動性能方面，以期望所開發(fā)的清掃機(jī)器人在運(yùn)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(rèn)知的想法和思路，但關(guān)于清掃機(jī)器人移動性能需要研究的方面很多，比如驅(qū)動電機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)技術(shù)和人工智能學(xué)科的日益發(fā)展，機(jī)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(jī)器人研究者來說，這是一個挑戰(zhàn)，也是一個契機(jī)。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(jī)械方面的基礎(chǔ)知識和對汽車構(gòu)造方面的認(rèn)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(jìn)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(rèn)認(rèn)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(rèn)真細(xì)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?，正是在?