【家用清扫机器人的设计（论文）17000字】

第一章绪论1.1家用清扫机器人相关的清洁产品的现状在这几年来，随着科技的发展，人们生活水平的提高，越来越多的科学家投身到智能机器人技术的研究，希望能研制出越来越多的机器人来接替人类一些消耗体力、无聊繁琐、危险等工作。其中，服务机器人的研制以及使用，让人们发现了服务机器人能在另一个领域为人类服务。下面这些原因能为服务机器人提供用武之地：第一，是劳动工人的工资上涨；第二，是人们不想干令人枯燥而有很耗费体力的劳动工作，如打扫卫生、做家务、以及照顾病人；第三，是老年人的增多以及在中国共产党的领导下祖国地方实现小康这为一些服务机器人提供了广阔的市场条件。服务机器人和工厂里的机器人不同，服务机器人要适合于具体的方式、适应工作环境，它需要在大空间的地方活动，可以在地面凹凸不平、弯曲的路面上进行移动，所以，服务机器人大多数安装有移动机构，可以在地面上进行移动。当家里地面上的垃圾多时，家用清扫机器人会自动把垃圾清扫干净。它涉及的科学技术多方面，有机械方面、电子方面、人工智能方面等……家用清扫机器人作为智能移动机器人中最早一批投入试验使用的服务类机器人，它的使用效果将会影响到后续移动服务机器人的发展，在上世纪80年代的时候，人们就开始对它进行研究了，目前有些款式的家用清扫机器人已经运用，有的已经在市场售卖。家用清扫机器人的研制以及使用，推动了与家庭清扫机器人机器人相关行业的发展，也激励更多地科学家对与家用清扫机器人相关技术的研发，希望能开发出更成熟的机器人技术，比如：机器人的路径规划技术，机器人的移动技术，机器人的自动充电技术。我商人的目光来写《家用清扫机器人的结构设计》这篇论文，它的题目有以下要求：运行机构的形式：滚轮式最高速度：0.5m/s高度:＜100mm宽度：＜400mm能够自己规划行走路劲和躲避障碍物具有自动充电功能所用的清洁工具：清扫刷、用机器人上的吸尘器进行吸尘在上个世纪80年代的时候，人们开始研究家用清扫机器人相关产品，经过人类多年的努力，已经研制出一些家用清扫机器人，有的已经摆在电器超市进行售卖。家用清扫机器人的研制以及使用，推动了与该机器人相关产业的发展，也推动推动了与家庭清扫机器人机器人相关行业的发展。我在网上及图书馆收集资料，整理得出家用清扫机器人的国内外产品发展现状如下：1.1.1与家用清扫机器人相关产品的国外研究现状对于机器人，我们可能不会太过陌生。在国内，机器人在多个方面都有使用，特别是在工业生产方面，大部分的厂家都有使用机器人生产。但是，在家用清扫机器人这一方面，我们了解得很少，而日本、欧美等一些发达国家在这方面得研究已是比较领先。有一些发达国家，早早就使用家用清扫机器人来进行家庭得清扫工作，有的已在市场上进行售卖，有的已在实际中进行使用。世界上第一台清扫机器人叫RC300，它是由德国发明的。它是一款全自动的智能机器人，可以在家里没有人的情况下进行家庭清扫。它里面有多种清洁程序，你可以根据自己的情况来选用清扫程序。它每小时能清扫13m²的面积，为人们提供了可靠的服务精确的感应程序，自我规划行走路径，能够准确地识别各中垃圾的所在位置，可靠的运行系统指令着机器人陆续进入各个角落和空间进行清扫。这一款机器人可以在不同的材质地面进行清扫工作，它里面设置的程序能够顺利越过或者避免电线的阻碍，避免从工作表面翻落。面对重度污染的地方，机器人可以根据系统指令对它进行清扫，直到清扫达到满足要求为止。这款机器人的噪音很低，即使你在家休息的时候，它进行清扫工作也不会影响你的睡眠。此机器人能自主充电和自行进行垃圾处理，当它的电量不足或垃圾存储室里的垃圾满的时候，它可以通过充电站发出的红外射线和导航信号返回充电站，进而进行充电或把进行垃圾处理。自德国发明世界第一台家用清洁机器人RC300之后，世界很多国家研究并推出自己的家用清扫机器人。在2002年的时候，美国研制出一款叫Roomba的清洁机器人，这一款机器人与其它家用清洁机器人相比，重量更轻，尺寸较小，它的质量为2KG，直径为30英寸，可以巧妙地完成房间、家具狭小间隙的地方清扫任务。在2002年的时候，日本的公司和瑞典的公司一起研发一款家用清扫机器人，这款机器人叫“特里洛洛伊特”，它最重要的两个部分是清扫机器和超声波传感器，这一款机器人在新的环境需要人们示范一次清扫工作，它就按照人们示范的清扫工作进行清扫。在2002年上半年，日本松下电器公司研制出家用清扫机器人的试制样机，这款机器人与别的清扫机器人相比来说属于比较先进的，它可以根据房间的形状、地板的材质、垃圾的多少来规划如何清扫，具有自动躲避地面上各种障碍物的安全功能。自德国发明第一台家用清洁机器人后，世界各国也开始研究家用清洁智能机器人了，有些发达国家也陆续研究出自己的家用清洁机器人，并开发了家用清洁机器人的市场。1.1.2国内相关的家用清扫机器人的研究状况我国因忙于国内经济建设，所以，在家用清扫机器人研究方面与西方发达国家相比，研究比较晚。最初，对家用清扫机器人进行研究的是一些大学机构，比如：上海交大、哈尔滨的哈工大、华南理工大学和香港中文大学一起合作研究。他们在家用清扫机器人的研究方面非常努力，也在此方面取得一些成就，比如：机器人的自动充电技术、机器人的红外线定位技术、机器人的供电电池技术等。他们在机器人研究方面取得的这些技术将会为国内清洁机器人的研制和市场的拓展打下良好的基础。在20世纪90年代的时候，香港回归不久，为了加强内地与香港的交流，国内哈尔滨工业大学与香港中文大学在学术交流上一起交流，它们在家用清扫机器人等学术方面一起合作研究，经过他们的努力，最终发明了一款可以全方位移动的家用清扫机器人。机器人的结构设计采用的是铰制结构设计，安装在它上面的硬件具有可扩展功能，它的软件可进行继承或者移植。这款机器人可以进入非常狭窄的地方或角落进行清扫工作，可以在物品摆放密集的地方来回移动，巧妙地避开地面上的各种障碍物，完成清扫任务，进而更好地适应多变的各种环境。在它的运动方式方面，我们可以通过遥控操作的方式控制它的运动，也可以让它按照机体内的程序指令自主移动。在1999年的时候，浙江大学开始研究吸尘机器人，在2021年的时候，该大学成功研究出一款自主吸尘机器人，它是我国独立自主研制的第一款左右步吸尘的智能机器人。它与普通的家用清扫机器人不同的是“在使用之前，它要先进行环境学习”。在机体上安装有超声波传感器，它可以通过超声波传感器对周边的环境进行测距，进而获得机器人所在地方与地面上各物体的距离，或所处办公室的大小信息，因此，当智能吸尘机器人在进行清洁工作的时候，可以避开地面上的障碍物继续清扫、或者避免撞到墙壁。当机器人接受到所清扫场所大小的信息时，可以对清扫的时间进行设置，之后，就规划出一条效率高的清扫路径。在面积为6×3.5m²的办公室环境中，它工作9分钟时间，就可以达到此面积的90％的覆盖率。在比上面办公室面积还要大的地面还没有进行实验过。当它电量不足或者清扫地面之后，能自动进行返回充电的路径规划，并自行回到充电座充电。现在，此款机器人的设计者正打算为它引进机器视角和全局定位等系统，希望在进行房间数量多的家庭使用时，它的自我定位能量更好，进行路径规划出更省电的路径，提高返回充电的效率，从而提高整台机器人的清扫质量。目前，在国内，使用家用清扫机器人进行清扫的用户不多，现在处于推广阶段。我国机器人的品种繁多，进入淘宝网，在搜索栏中输入家用清扫机器人，就会出现多个品牌的家用清扫机器人，任你选购。目前，在我国比较出名的家用清扫机器人的品牌有：海尔公司生产的SWE-C1清扫机器人、台湾研制的Proscenic浦桑尼克家用清扫机器人、福玛特等。它们作为家用清扫机器人发展的领头羊，将为我国家用清扫机器人的推广起积极的作用。1.2家用清扫机器人的研究目的和意义把家用清扫机器人的移动技术和吸尘技术巧妙地结合在一起，使它可以自动化或半自动化地对地面进行清扫作业，人们就不用在用传统的方式进行清洁工作在近年来，这种技术已经受到国内和国外科发人员的看重。从技术方面上来说，智能化自动式吸尘器作为家用清扫机器人一个特殊的应用，比较具体展现了家用清扫机器人的多种功能，是很典型的代表。从它的市场方面来说，家用清扫机器人可以替代或者协助人们进行地面清扫，提高清扫质量，比较适合在家庭、办公室、室内公共场所等地方使用。因此，在家用清扫机器人的结构设计中，会遇到很多困难，但是，家用清扫机器人也有很广阔的市场。本次设计的家用清扫机器人采用灵敏度更高的传感器技术以及品质更好的CPU中心处理器。本文意在设计一款结构更简单、生产成本更低、使用更方便、更满足当代家庭清扫需求的家用清扫机器人。希望能过人们手中的扫把，让人坐下来看它进行清扫，让更多的人享受到科技发展带来的福利。1.3家用清扫机器人设计的难点和重点在前面的设计中，可以确定家用清扫机器人的体积为宽：400mm，高：100的物体。在这个有限的体积内如何设计或合理放置电机、电池、移动机构的蜗轮蜗杆、清扫机构、存储等机构在本次设计中是非常重要的、清扫机构的设计是用清扫机器人设计的关键部分，也是本次设计的难点所在。本次设计的家用清扫机器人在进行地面清扫的时候，要求能避开地面放置的各种物品，因此，对于它的外形设计，设计者也要认真考虑。在机器人清扫完地面后，存储室里的垃圾如何处理，这也需要设计者认真考虑。1.4家庭清扫机器人的关键技术家用清扫机器人有四个主要部分组成，它们分别是：机器人的移动部分、感应感知系统、机器人的控制系统、吸尘系统。其中吸尘系统在整个家用清扫机器人中很重要，移动机构是机器人的主体，是它把机器人带到清扫环境的各个角落，，让家用清扫机器人完成清扫任务。感应感知系统采用的仪器有很多，有超声波测距仪、红外线传感器、摄像头等。这个系统对清扫环境的感应、对环境的垃圾进行感应，然后把感应到的信息传回CPU，在让CPU选择合适的清扫程序让家用清扫机器人进行清扫。近几年来，伴随计算机智能技术、传感技术以及电子电工技术等快速发展，家用清扫机器人的作业环境往往是不定的或者是经常变化的，因而，必须要兼顾家用清扫机器人的安全可靠性、抗干扰性以及清洁度。目前，发展较好的，对家用清扫机器人发展以及影响比较大的技术有：计算机智能技术、路径自动规划技术、感应感知技术等。1.4.1机器人的自主充电技术家用清扫机器人的自主充电技术在整台机器人中的地位很高，目前，有很多科研人员研究这一技术。家用清扫机器人的自主充电技术是指：当机器人电量时候，能自行规划返回充电地方的路径，并返回充电的地方，进行充电的技术。这也表现机器人在主认知方面的能力。在上世纪40年代，G热源Walte研制了一台叫“Tortoises”的移动机器人，这款机器人具有向着光线行走的功能。Walter发明了一个小橱，当家用清扫机器人在进行清扫工作感动电量不足的时候，它会通过小橱发出的光束返回小橱，并在小厨里进行电量补充。其实，移动机器人Tortoise是G热源Walte研制的第一台拥有自主充电功能的机器人。该系统有以下特征：机器人的感知行为：感光；机器人可以对充电站发出的光线进行感知；机器人的电池与充电器可以进行一定准确性地连接上世纪90年代的时候，Tsukuba大学研究并开发出一台导游机器人，它的名字叫Yamabico-Liv,这台机器人可以自主充电。当机器人感到电量不足的时候，可以在之前建立的地图的基础下，借助导航系统，进而避开各种障碍物返回充电站充电。机器人自主充电技术的研究受到很多科学家的欢迎。在众多科学家的努力研究下，终于研究出帮助机器人寻找充电位置的方法，这种方法就是利用充电基站发出的信号帮助清扫机器人返回充电位置进行充电。当机器人在进行清扫工作的时候，基站在对机器人发出红外信号，以确定机器人所处的位置与基站的距离，因为某种原因，当基站发出的红外线信号机器人感应不到的时候，它可以按照之前建立好的地图取寻找基站或者感应基站的信号，直到寻找到基站发出的信号为止。在国外也有国家利用基站发出的信号帮助机器人返回充电位置充电。比如：国外生产的Vector玩具机器人就是运用基站这一原理自动进行电量补充。在国内，很少电器产品利用基站这一原理进行自主充电，比如：哈尔滨工业大学研究并开发的那一款清洁机器人就可以进行自主充电。1.4.2传感技术为了让家用清扫机器人顺利完成清扫任务，就要对机器人某些方面进行检测，比如：家用清扫机器人在进行清扫工作时它所处的的工作位置、工作型态、它的移动速度大小等。在机器人工作的时候，还要感知机器人工作环境的障碍物的位置变动以及障碍物的数量变化。这使家用清扫机器人的工作程序和操作方式可以对工作环境的各种变化。家用清扫机器人按安装在家用清扫机器人内外的方式进行分类，分别是：内部传感器和外部传感器。其中，常用的内部传感器有：编码器、线加速度、陀螺仪。内部传感器不是独立工作的，它们要联合起来才能起到更大的作用，编码器的作用是来确定家用清扫机器人目前所处的位置；线加速度计的作用是获取机器人行走时的加速度信息，再进一步得到它的具体加速度和所处的位置信息；陀螺测试仪的作用是获取机器人行走时的角度、角速度、甚至是角加速度，进而得到机器人行走时的姿态角、运动方向和转动时运转方向等，这些涉及到改变家用清扫机器人航向的信息。家用清扫机器人常用的外部传感器有以下几种，分别是：视角传感器、超声波传感器、接触传感器和红外线传感器等。家用清扫机器人的视角传感器一般采用的是CCD摄像机，通过安装在它上面的CCD摄像机为机器人进行视角导航、所处的位置定位、地板上各种物品的识别和建造地面地图；超声波传感器的作用是测量家用清扫机器人在清扫时地面各障碍物的距离和进行地面地图的建造等。在家用清扫机器人在进行地面清扫时，红外线传感器会通过红外接近开关来探测地面上遇到的各种障碍物，进而避免和这些障碍物发生碰撞。安装在家清扫机器人的各个传感器之间分工合作，各自发威自己的所能，让家用清扫机器人更好地完成清扫任务。1.4.3路径规划技术家用清扫机器人的路径。当家用清扫机器人在对地面进行清洁的时候，会对清扫地面的环境信息进行规划。根据某中优化标准，在家用清扫机器人开始清扫的地方到清扫结束的目标点之间，规划出一条地面障碍物少、能够快速完成清扫任务、清扫效率高的路径。在上世纪70年代，人们开始对家用清扫机器人的清扫路径的规划进行研究，直到现在，这一个问题还成为机器人研究的一个热点之一。他们研究的内容是家用清扫机器人的工作环境和获取信息的方法，经过多年的研究，他们把研究的环境分为静态结构化环境，动态不确定环境，动态结构化环境这三大类。而机器人获取信息常用的方法有基于模型的路径规划和给予传感器的路径规划这两种方法。目前，我们可以用解析算法来解决运动规划的问题。但是，解析算法涉及到椭圆积分问题，这个问题比较复杂，运用这一算法具有一定的难度。家用清扫机器人对清扫的环境的感知程度可以分为：完全感知、没有完全感知、完全未知。当家用清扫机器人在工作之前，它可以通过传感器在线的方法对要工作的环境进行探索，以此来获取障碍物所处的位置、它的外形如何和尺寸大小等信息，进而进行清扫路径过规划，然后就可以进行清扫工作了。可是图法、自由空间法和栅格法是目前家用清扫机器人常用的建模方法。1.4.4吸尘技术家用清扫机器人的吸尘技术是利用电机高速旋转，从而带动电机上的风扇旋转，产生很大的吸力，将附近的灰尘等细小的垃圾吸入滤尘袋中。此机器人吸尘能力与电动机的转速大小有关，电动机的转速越大，它的吸尘能力就越大，反之，则越小。滤尘袋、集尘袋、排气管等零部件共同组成家用清扫机器人的吸尘系统。在前一段时间，澳大利亚Jetfan公司开发出一种气流滤尘袋，此滤尘袋跟传统的滤尘袋不同，它不需要气体的吸入和排出，因此，不需要滤尘袋、吸尘袋和排气管等其它附件。此气流滤尘器是运用附壁效应进而形成亚涡流气体的原理，然后，将灰尘、细小垃圾等沉渣留在它的涡流腔内。最近，英国公司研发的智能吸尘器就是运用这种技术原理。1.4.5电源技术移动电源在吸尘器中的地位很高，对吸尘器的来说很重要。在家用清扫机器人中，移动电源需要向它的各个机构提供电压，比如：移动电源向移动机构提供电压，让移动机构把电能转化为机械能；移动电源为控制电路提供电压，以保持CPU对家用清扫机器人整体的控制；移动机构向吸尘操作模块提高那个电压，让它完成吸尘工作。家用清扫机器人一般采用化学电池作为移动电源。我们心目中理想的电源应该是这样的，在放电的时候保持稳定的电压，内阻很小，放电迅速，对环境污染小，价格低等。但是，目前同时具备有以上特点的电池还没有被科学家研究出来。所以，当设计的人在设计家用清扫机器人的时候，就要选一款适合使用要求的电池。

第二章家用清扫机器人的总体结构设计2.1家用清扫机器人的结构组成和工作原理本此意在设计一款结构简单，各机械零件配合紧密、传动效率高、清扫质量高、可以自主移动、可以自主处理存出室里的垃圾、在清扫的时候，可以巧妙地避开地面上放置的各种障碍物、能自动规划清扫路径、可以自动规划返回充电站路径的家用清扫机器人。机械部分与控制系统对整个家用清扫机器人来说是非常重要的。家用清扫机器人的机械部分有：底盘、外壳、它底盘下的三个轮子，他们晒安装在机器人上各零件的载体。2.1.1家用清扫机器人的机械组成部分本机器人各功能模块布置如图2-1所示。主要包括以下部分（1）驱动轮、驱动电机和机器人的传感器。在家用清扫机器人的外壳前、后、左、右四端，安装红外线开关碰撞检测传感器，避免它在移动或工作的时候碰撞到其它物体。机器人的底盘下安装有三个红外线开关，这些开关作为台阶检测传感器，当机器人进行清扫工作的时候，遇到台阶，台阶检测器传感器检测到台阶，机器人会时刻和台阶保持一定的距离，避免从台阶上跌落。机器人驱动轮上的光电编码器上测得，能够控制和测试机器人驱动轮的速度，进而对机器人进行定位和移动路线的规划。同时，还安装超声波传感器在机器人上，进而达到机器人更精确的定位。（2）机器人的清扫机构。家用清扫机器人通过电机转动，带动和它连接的清扫机构转动，机器人的左右两把清扫刷一个为顺时针旋转，一个为逆时针旋转，把地面上的垃圾扫进垃圾存储室。同时把灰尘等细小颗粒扫到吸尘口，方便后面吸尘机构的吸尘。图2-1家用清扫机器人的各功能模块的布置图（3）吸尘机构。吸尘机构通过电机的高速转动产生很大的吸力，进而把灰尘等细小颗粒吸入滤尘袋中。（4）机器人的移动机构。移动机构对于机器人来说是非常重要的，它背着机器人在地面上任意移动，进而完成清扫任务。当前，我们可以把机器人设计成轮式机器人、履带式机器人和步行式机器人。轮式机器人适合地面平坦，摩擦系数小的路面上行走，履带式机器人适合地面平坦，但地面坑洼较多的路面行走，而步行式机器人适合在台阶较多的地面行走。本次设计的机器人是在室内铺有瓷砖或混凝土的地面上做业，地面较好，所以本次设计的移动机构为轮式。我们在设计机器人的移动机构的时候，可以把机器人设计为三轮式机器人、四轮式机器人、六轮式机器人。三轮式机器人的结构简单一些，方便控制，适合一般条件下的机器人使用，应用频率较高。四轮式机器人和六轮式机器人相似，在高低不平或条件不好的路面上移动的时候平稳性较好，可以承载较大的重量，但是它们的结构较复杂，不易控制。在本次设计中，家用清扫机器人的重量不大，在室内工作，室内的地面较好。三轮式机器人虽然在稳定性方面没有四、六轮机器人那么高，但也有一定的平稳性，它的重心稳定，但不能承载较大的重量，因此，本次设计把机器人设计为三轮式。三轮转向装置常用的方式有以下两种（1）机器人的铰轴转向方式。在转向铰轴上安装转向轮，机器人通过对电机减速器和机械连杆机构进行控制，进而控制铰轴，最终实现方向控制。（2）机器人的差速转向方式。差速转向方式是通过控制安装在机器人上两轮上的驱动电机来控制机器人的方向。它的转向和驱动是由安装在它上面的两个电机带动的。铰轴转向方式具有结构简单，造价低，精度低的特点。差速转向方式具有控制复杂，精度较高等特点。本次设计的家用清扫机器人在转向控制方面要求精度高，而差速转向方式正好符合这一要求，因此，本次机器人设计采用差速转动方式控制方向。机器人的三轮差速转向式驱动结构如图2-1所示：图2-1机器人的三轮差速转向式驱动结构2.1.2机器人的工作原理机器人的各功能模块的发布以及关系如下图3-4。家用清扫机器人是由清扫机构、红外线接收控制模块、LCD显示模块组成的。这些模块相互影响、相互协助、共同工作，为机器人完成各项清扫任务提供了保障。机器人的各模块的工作原理如下，CPU是家用清扫机器人的中心处理器，可以说是整个机器人的大脑，对各功能模块机械监控。当其它的功能模块在接收到外部环境以及自身的各种信息的时候，再进行分析、决策。然后再向各机构模块发出相应的指令，让各机构做出相应的行动。它的信息收集模块的职责是接收工作环境和机体自身发出的各种信息，键盘模块和红外线遥控模块的职责一样，把人类想要对机器人发出的指令输送给机器人的CPU。LCD模块和状态显示模块的功能一样，显示定时的倒计时间和目前机器人的温度。机器人的操作步骤：（1）首先，通过键盘或者遥控器给机器人开机，开机后等十分钟，再让它进行清扫工作。（2）机器人一进入工作状态，就控制清扫机构和吸尘机构，让它们进行清扫或吸尘。（3）家用清扫机器人在开机之后，将要进行清扫工作时，它的传感器探测模块就会开启，并不断地采集地面和周围环境的其它信息，再传回CPU，再进行分析和决策，进而产出家用清扫机器人的清扫路径。（4）机器人开始工作，需要绕过地面上摆放的物体的时候，CPU就会给机器人的两个驱动轮的电机发指令，进而改变驱动轮的速度，利用差速转向方式的原理来实现转弯，从而绕过障碍物。（5）家用清扫机器人在工作的时候，它的相关信息可以通过LCD显示模块和状态指示模块显示出来，比如：工作模式、电量、温度。（6）遥控器可以对家用清扫机器人进行开、关机的设定。还能对它设置它工作的时间、还能在它进行清扫工作时让它暂停或者继续工作。图3-4家用清扫机器人的各模块功能之间的关系图家用清扫机器人的各类传感器采集机体及地面周围信息，例如：此时机器人与墙壁的距离有多远，地面摆放的障碍物有多少，垃圾所处的位置等。然后，再把采集到的信息传回CPU，再规划清扫路径，制定相应的清扫策略。家用清扫机器人的表面上有控制它开始工作或者停止工作的按钮，当然，也可以用要遥控器控制机器人，对它工作的时间进行设定。2.2家用清扫机器人的整体设计2.2.1家用清扫机器人的外形设计在本次家用清扫机器人的结构设计中，设计到很多机构的设计，比如：移动机构的设计、清扫机构的设计、自动充电机构的设计等。其中，清扫机构在家用清扫机器人中很重要。通过在网上收索到的家用清扫机器人的相关材料以及去图书馆收集到关于家用清扫机器人的相关材料，第一设计的时候，把机器人设计为地面为正方形它的边长为400mm，高为100mm的长方体外形。后来发现外形为长方体的机器人不易避开地面上的物品，它的菱角不便于在物体面前转弯。后来发现，把机器人外形设计为扁平的圆柱体不仅容易绕开障碍物，还方便机器人进入沙发、床底的垃圾。因此，此次将机器人的外形设计为扁平的圆柱体。它的外形形状如下图3-5所示。图3-5机器人的外形俯视图和正视图2.2.2家用清扫机器人的移动机构的设计家用清扫机器人的移动机构主要是由：两个驱动电机、两个驱动轮、一个随动轮组成的。随动轮分布在机器人的前端，两个驱动轮分布在它的后方，两个驱动电机与驱动轮连接。驱动电机为机器人的移动提供动力，机器人控制驱动电机的转速，进而控制驱动轮的速度，利用两个驱动轮的速度差来实现转向。在机器人中，当一个驱动轮的速度为0时，另一个驱动轮有速度，那么它就实现直径为0的转弯了。清扫机构的两个清扫刷紧贴着地面，一方面它可以把地面扫得更干净，另一方面与机器人得三个轮子一起支撑机器人。2.2.3家用清扫机器人的清扫机构设计清扫机构的设计方案：方案一：电机与斜此轮1连接在一起，斜齿轮1和斜齿轮2啮合，斜齿轮2与斜齿轮3啮合，斜齿轮3和清扫刷连接。电动机转动，通过啮合的齿轮1、2、3把电机的转动传到清扫刷，请扫刷转动，清扫机构进行清扫。图2-6机器人的清扫机构设计方案一方案二，电机旋转，先把旋转传递给与它相连接的锥齿轮1，锥齿轮1把旋转通过与锥齿轮2的啮合传递给它，锥齿轮2在把旋转传递给与它相连接的清扫刷，清扫刷旋转把垃圾扫进垃圾存储室。图2-7机器人的清扫机构设计方案二方案三，电机与蜗杆相连接，蜗杆与蜗轮啮合，蜗轮与清扫刷相连接。电机旋转，通过蜗轮与蜗杆的啮合把旋转传到清扫刷，清扫刷旋转，进行清扫专业。图2-8机器人的清扫机构设计方案三方案四，电机转动，带动与它相连接的蜗杆，蜗杆与蜗轮啮合，蜗轮跟着转动，蜗杆带动与它相连接的皮带轮转动1，皮带轮1通过皮带把电机的转动传给皮带轮2，皮带轮2带动于它相连接清扫刷转动，清扫刷进而进行垃圾清扫。图2-9机器人的清扫机构设计方案四对以上提出的各方案进行分析，发现方案四比较适合本次设计的清扫机构，所以本次设计的清扫机构采用方案四。从正面看，它的结构图如下：图2-10机器人的清扫机构设计方案四的正视图由前面的设计可知，本次设计的机器人外形为扁平的圆柱体，它的半径为200，高为100，体积为200²×3.14×100=12560000mm³，这个体积不小也不大，但是在这样的体积下要放置移动机构、电池、驱动电机、清扫机构等，那就显得空间有限了。不过，各机构设计合理，它们还是能全部安装进去的。所以，在设计清扫机构以及选用的时候，要认真考虑。方案一采用的斜齿轮啮合传动，这种传动方式虽平稳，但斜齿轮的体积大，如果把斜齿轮安装在机器人里面，会造成机器人的其它机构安装不了，因此，不能采用方案一。方案二采用的是锥齿轮传动，它的传动也平稳，但不及斜齿轮传动平稳，锥齿轮的体积也大，因此，也不能采用此方案。方案三，此方案是利用蜗轮蜗杆的传动，把电机旋转传递清扫刷，进而清扫刷旋转，实现清扫任务。为了能让机器人清扫到墙壁边缘的垃圾，就要把清扫刷子的半径设计为100mm，这样的话，蜗轮与蜗杆的中心距就是100mm了，因而蜗轮蜗杆的尺寸也比较大，如果把这样大的蜗轮蜗杆的尺寸安装进机器人里面，机器人的其它机构也安装不进去。因此，此方案也不适合做机器人的清扫机构。在方案三的情况下，推出方案四。方案四用的是皮带轮、蜗轮蜗杆传动，皮带轮传动缩小了蜗轮蜗杆的中心，就不需要把蜗轮与蜗杆的尺寸设计得很大，进而减小了蜗轮蜗杆得重量，把它们安装进去，不会导致机器人得其它机构安装不进去。故采用方案四作为本次机器人得清扫机构。2.2.4机器人吸尘机构得设计吸尘机构的设计，在垃圾存储是的上面开两个小孔，在一个小孔上面安装一个电机，电机连接风扇，风扇上面安装一个薄壁腔，在薄壁腔上面钻一个小孔，用于空气的排放。另一个小孔加隔尘罩。当电机快速旋转，同时带动风扇旋转，进而产生较大的吸力，把灰尘吸进薄壁腔，空气经过过滤后，从薄壁腔上的小孔流出，垃圾被挡进垃圾存储室，这样，吸尘机构设计好了。2.2.5家用清扫机器人的垃圾收集机构的设计机器人的垃圾收集机构的选用，我们刚刚设计垃圾收集机构的时候，想到用垃圾收集挡板的方法收集垃圾，它的结构如下图所示3-12所示。电机与齿轮1连接，齿轮1与齿轮2啮合，齿轮2与齿轮3连接，齿轮3与齿轮4啮合，齿轮4与垃圾收集挡板连接。当电机正转的时候，电机通过齿轮1、2、3、4以及齿轮之间的啮合把正转传递给垃圾收集挡板，垃圾收集挡板扬起（即做垃圾清扫的准备）；当电机反转的时候，电机通过齿轮1、2、3、4把反转传递给垃圾收集挡板，垃圾收集挡板放下（即做垃圾清扫的动作，把垃圾清扫进垃圾存储室），这样完成了一小次垃圾的清扫。可是，机器人在进行地板清扫的时候要进行多次清扫，因此电机不断地正反转，电机如果做正反转过于平凡，它的使用寿命会很短。所以，此方案不能采用。图3-12家用清扫机器人的吸尘器原理图此后，采用了下面这种方案，这种方案就是让清扫刷把垃圾扫到吸尘口处，因为吸尘口的面积小，由伯努利定律可知，这个地方的吸力很大。当垃圾被吸到存储盒的时候，空间瞬间变大，吸力将会降低，直至最低，垃圾就吸进垃圾存储室。如果想要把垃圾倒出来，可以把垃圾存储盒拉出来，把盒中的垃圾到回垃圾桶，然后把垃圾存储盒推回家用清扫机器人那里。本次设计的家用清扫机器人在室内作业，室内很少甚至没有体积大的垃圾，而且，这种方案所用的空间小，所以采取这种方案，如下图2-11所示图2-11在家用清扫机器人中，清扫系统的地位很高，重量占整个机器人的总重量比重高。为了减少机器人的重量，以及方便人们使用和安装清扫机构，给这一部分单独设计一个固定件，让它把清扫机构单独固定在机器人上。这样不仅满足了机器人的使用要求，减轻了它的总重量，还方便人们安装它。这个固定件如下图：本机器人的总布局如下图：

第三章零件的结构设计与选用3.1电机的选择（1）根据实际情况，我们初次估算家用清扫机器人重为m=9kg、g取用9.8N/kg，则G=5*9.8=49N,机器人身上有三个轮子，平均每个轮子要承受的重力为：F=1/3G=13×49=16.3N（2）机器人轮子的材质是橡胶，它一般在室内作业，室内的地面一般都很好，因此，按橡胶轮子在摩檫力较小的光滑地面上行走，σ表示滚动摩擦系数，取σ=1，μ表示滑动摩擦系数，取μ=0.1则：f滑=F*μ=22.1*0.1=2.21（3-2）F滚=Mf=σ*F=1*22.1=0.0221N.m（3-3）f滑—表示滑动摩擦力F滚—表示滚动摩檫力根据前面家用清扫机器人的设计以及各机构的分布安装中，它的底盘少为10mm，它的轮子直径D长度取为96mm，则R=1/2D=48mm.家用清扫机器人的轮子在地面上行走的时候，它受到的阻力矩为：Tw=f*R+F滚=2.21×47×10^a+0.0221=0.126N.mTw（3-4）Tw—表示家用清扫机器人的轮子在行走的时候受到的阻力矩（3）工作机要求的功率=式中：Tw=0.126N.m由V/R=2Πnw（3-5）得：nw=60×1000V/（2ΠR）=60×1000×1/（2×3.14×48）=203.2r/min（3-6）电机的输出功率为Pd，而取Pw=3.83WPd=Pw/η（3-7）传动装置的总效率：η=η1²×η2×η3（3-8）式中，η1、η2……为从电动机到蜗杆之间各传动机构和轴承的效率。通过查《机械设计课程设计》第9页表2-4机械传动效率概略值中；联轴器传动η1=0.99，V带传动η2=0.97，蜗杆传动η3=0.9，则：η=η1²×η2×η3=0.99²×0.97×0.9=0.86（3-9）η—传动装置的总效率η1—联轴器得传动效率η2—V带的传动效率η3—蜗杆的传动效率故Pd=Pw/η=3.83÷0.86=4.45w（3-10）则电机所需的输出功Pd=4.45W（4）挑选驱动电机，在本次设计中，要求机器人能在半径为零得情况下进行转弯。要想实现机器人转弯时半径为零，与驱动电机相连接的驱动轮就要实行差速运转，但具有调遣功能的电机才能实现差速运转。再由（2）中所算得电机得输出功率Pd=4.45w。我们在网上查找合适得电机，发现福建深巷电机厂生产得TCJT系列得电机可以满足本次设计的使用因为机器人在进行清扫作业的时候驱动电机需要输出的功率为4.45w，在福建深巷电机厂在网上上传的电机技术指数和安装型号中，我们发现型号为YCJT-3-1的电机的输出功率为6W，速度可在100r/min-1400r/min范围中调换，在1200r/min时转矩为5N.Cm。因此，这个型号为YCJT-3-1的电机满足我们这次设计使用要求，它的尺寸比我们查到的电机尺寸小，因此，选用此款电机为本次的驱动电机。3.2蜗杆涡轮的计算及选用（1）在此次设计里，采用的蜗杆和蜗轮用于电机机械能的传递，它们对机器人结构很重要，查课本《机械设计》中表10—7蜗杆、蜗轮常用材料及工艺要求得：蜗杆选用得材料为Cr40；它的使用特点为：淬火（45~55HRC）并磨削；应用范围为：用于高速重载传动。蜗轮齿圈选用的材料为ZCuSn10P1，它的使用特点为：抗胶合能力强，但强度较低（Rm＜350MPa），缺点是价格有点昂贵，应用范围为：用于滑动速度较大（Vs=5~15m/s）及长期连续工作处。要用金属模铸造的工艺来进行生产，确定许用应力为：10^8。应力循环次数：N2=60nLh=60n2Lh=60×206×12000=1.48×10^8（3-11）N2—应力循环次数Lh—齿轮工作寿命n—转速查课本《机械设计》得：[σ]OH=230MPa[σ]OF=90MPa（3-12）[σ]OH—许用接触应力[σ]OF—基本许用弯曲应力ZN==0.714031358（3-13）ZN—接触寿命次数[σ]H=ZN×[σ]OH=0.067567567×230=164MPa（3-14）[σ]H—许用应力YN=910^6/1.48×10^8=0.573931166（3-15[σ]F=YN×[σ]OF=0.573931166×90≈52MPa（3-16）[σ]F—许用弯曲应力根据传动比i=14.5，参考课本《机械设计》P195页的表10—2蜗杆头数Z1和蜗轮齿数Z2的推荐值，取Z1=2则：Z2=i×Z1=2×14.5=29（3-17）（2）根据齿面的接触疲劳强度设计确定载荷系数K。通过查课本《机械设计》的P205页中的表10—8蜗杆传动的使用系数KA=0.8。假设V2＜3m/s，取Kv=1.2，因载荷平稳，通过跑合可以改善偏载程度，取Kβ=1。则载荷系数：K=KAKvKβ=0.8×1.2×1=0.96（3-18）KA—蜗杆传动的使用系数Kβ—齿向载荷分布系数Kv—动载系数T1=9.55T2=T1iη①当Z1=2时，η=0.7~0.75，取η=0.7，代入①式中得：T2=9.55*=19386.5N/mm（3-19）P1—蜗杆传动功率n1—蜗杆转速T1—蜗杆转矩T2—蜗杆转矩I—传动比η—蜗杆转动总效率查课本《机械设计》的P206页中的表10—9弹性系数ZE，取ZE=155，将这些数据依次代入接触强度计算公式求得：m²d≥9KT2(ZE÷Z2÷[σ]H)²=9×0.96×19386.5×（155÷29÷194）=134（3-20）按接触强度要求，m²d1≥134，查课本《机械设计》的P193页表10—1，选取m=2mm,d1=22.4mm,Z1=2,q=11.20,Z2=29,由tanr===0.178571428（3-21）得：r=10°07′29″a=（q+Z2）=（11.20+29）=40.20mm，（3-22）d2=m×Z=2×29=58（3-23）a—中心距d2—分度圆直径a=40.20mm，这个不是机械设计中标准推荐的中心距，如果采用a=40.20做中心距，蜗杆与蜗杆在传动的时候会发生变位。本设计不采用变为，取a=验算初设参数涡轮圆周速度V2=0.63m/s元估计＜3m/s，选Kv（动载系数）值，相符。Vs=V2sinY=3.54（3-24）Vs—滑动速度在范围之内，所选的材料合适。蜗杆传感效率=（0.95—0.96）根据Vs=1.8m/s，查表得φv=2°，η1==0.83,传动效率η=（0.95—0.96）*0.85=0.81—0.82（3-25）η—传动效率与初选=0.7η1不符，出阿东效率应适当降低。3.2.2验算齿根弯曲疲劳强度和刚度[σ]F=（1.6KT2YFa2Yβ）/m²d1Z2＜[σ]F=58.4Mpa（3-26）[σ]F—弯曲应力涡轮当量齿数Zv2=Z2/=29.44，查得齿形系数YFa2=2.65；则可求的：Yβ=1-=0.917代入（1）式中σF=27.85Mpa＜[σ]F成立。弯曲强度达到使用要求。（3）确定蜗轮和蜗杆的几何尺寸、主要几何参数：1.蜗杆轴向齿距：Pa=6.28mm直径系数：q=11.20齿顶圆直径：da1=26.4mm齿根圆直径：df1=17.6mm分度圆导成角:r=10°7′29″齿宽：b=26mm基圆直径：d=22.4mm模数：m=2,头数：z=2mm蜗轮蜗轮齿数Z2=28蜗轮分度圆直径：d2=mz2=2×28=56mm（3-27）蜗轮喉圆直径：da2=d2+2ha2=56+2×2=60（3-28）蜗轮齿根圆直径:df2=d2-2hf2=56-2×1.5×2=51mm（3-29）蜗轮咽喉母圆半径:rg2=a-0.51da2=10mm（3-30）蜗轮齿宽:b2=0.7da1=18.84mm，取18mm。（3-31）为了不损伤齿宽b2，因此，蜗轮的齿顶圆直径de2的取值在58mm和60mm之间选取，取de2=58mm。蜗轮蜗杆在机械传动中效率不高，它们在工作的时候，会产生较多的热量。闭式蜗杆在机器中传动的时候，传动所产生的热量将流经箱体再扩散到空气里。在此次家用清扫机器人的结构设计中，蜗杆在传动所产生的热量通随吸尘时造成的气体流动扩散到空气中。蜗杆的啮合率影响它的传动效率，而它的啮合率主要受到它导程角影响。在蜗杆的导程角大于30°之后，它们传动的啮合率虽增加，但时不明显，而蜗杆的加工成本高。当导程角小于30°之后，同时缩短了蜗轮与蜗杆传动的中心距，进而蜗杆不需要设计这么大的尺寸，从而提高了蜗轮与蜗杆传动时的啮合率，因此蜗杆的传动效率也增加。3.3清扫刷的电机选择在家用清扫机器人的设计中，皮带轮的传动比为1：1，右因为清扫刷的转速大于或等于3r/m才能完成清扫垃圾的目的，并且将垃圾扫进垃圾存储室里。因此，要想机器人把地面的垃圾清扫干净，它清扫机构的蜗杆转速要在180r/m-210r/m的范围内，根据上面计算蜗轮与蜗杆的传动比得出，蜗杆的转速为2600r/m-3200r/m之间才能完成地面垃圾清扫工作。提高网上查询，发现一款型号为55S201的电机的转速为300r/m，它的功率为12w，这满足了功能使用要求；它的尺寸小，又满足了安装要求。因此，选用这款电机作为清扫机构的电机。3.4家用清扫机器人电池的选用机器人工作的环境大多数在室内，家用清扫机器人如果通过插座插电线获得电源，拖着长长的电线进行作业，又因为家里摆放着各种各样的生活物品，家用清扫机器人不方便清扫。目前，大部分的清洁机器人都是运用电池为它供电，超市里普通的电池是不能作为清洁机器人的供电电池，作为家用清扫机器人的供电电池，要具备有密度高、自放电少、可靠性好等特点。我国的电池品种很多，但可以把它们分为三大类，分别是：一次电池、二次电池和燃料电池。常见的一次电池有锰干电池、碱性电池、氧化银电池等。干电池在很多方面都有使用，它的电压、容量会受温度的影响，使用时，温度越高，它的电压和容量同时增大，它工作时的温度可到达50℃到60℃，当温度在0℃以下时，它的容量会快速下降。碱性电池的尺寸大小与干电池一样，这两种电池可以互换使用，它具有电流量大、放电容量大的特点。锉电池能工作的温度范围大，自放电少，具有电动势高、能量密度高的特点，这种电池正走向使用化，很适合机器人使用的电池。在生活中常见的二次电池有：铅酸电池、银铅电池和镍镐电池。铅酸电池结构简单、使用可靠、现在，人们已经能熟练地生产它，生产成本低、使用寿命长，还具有电压高、放电比率高、能量密度低等特点，最适合现在机器人使用。银铅电池的输出功率虽高、能量高，但充一次电要用很长时间才能充满，充电的寿命次数少。镍镐电池的电压低，生产费用，很少被机器人用作供电源。在生活中常见的燃料电池为：碱性、磷酸、固体电解质燃料电池。燃料电池是一种很理想的电池，它的尺寸小，重量轻，可重复使用次数多，能较长时间使用，使用效率高，对环境的污染小。遗憾的是此种电池现在处于研发中，还没能投入使用。由于上面对电池进行分析，也对此次设计的家用清扫机构选用的零件进行综合考虑，就采用铅酸电池作为家用清扫机器人作为供电源。因为铅酸电池具有以下优点：电压高，能使用较长时间，可放电比率高，价格低，结构组合简单，使用可靠。因此，铅电池作为机器人的电源。3.5家用清扫机器人的轴承的寿命的计算（1）计算轴承寿命的基本公式为：Lh=（ftc/fpp）h（3-32）其中：P—当量动载荷（N）；—寿命指数，球轴承=3，滚子轴承=10/3n—轴承转速r/min;C—基本额定动载荷（N）可由轴承样本或有关机机械设计手册中查到。通关查表得C=2.75×10^3（2）计算角接触轴承的当量动载荷。基本公式为:P=Fp(XFR+YFA)（3-33）其中：X—径向载荷系数，其值可以通过查《机械设计》P285页表13—11得到；Y—轴向载荷系数，其值可以通过查《机械设计》P285页表13—11得到；Fr—轴向所承受得径向载荷；Fa—轴承所承受的轴向载荷；Fp—载荷系数，考虑机器的运转情况对轴承载荷的影响，查表13—6（机械设计P321）待求量为Fr、Fa值，计算轴承所受的径向载荷Fr轴向受力如图3—2所示。、图3—2轴承受力图经计算解得Fr=0.081N，Fa=0.015N从前面给出的条件可以知道，轴承是关于蜗轮对称得，一次两边的距离一样。所以：FR1=FR2=1/2Fr=×0.081N=0.0405N（3-34）又因为轴承的重力要轴承受，每个轴承重0.1N左右轴承受到理论的载荷加上轴承的重力，所以:FR1=FR2=0.0405N+0.1N=0.1405N（3-35）S1=S2=R/2Y=0.0468N（3-36）S1—派生轴向力又因为：S2+Fa=0.0468+0.015=0.0618N＞0.0468N（3-37）所以轴承1压紧，轴承2放松所以Fa1=0.0618N,Fa2=0.0468N（3-38）Fa1＞Fa2，所以只需要校核轴承1即可因为Fa/Fr=0.0618/0.1405＜e