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XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
題 目： 家用清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)： XX
姓 名： XX
指導(dǎo)教師： XX
完成日期： 2012年5月29日
目錄
摘要 …………………………………………………………………1
第一章 前言
1.1題目要求 ………………………………………………………3
1.2國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究 …………………………………………4
1.2.1 國外產(chǎn)品研究狀況 ………………………………………………………4
1.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 ………………………………………………………9
1.2.3 自主充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 …………………………………………………10
1.3研究的目的和意義 ……………………………………………11
1.4設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn) ………………………………………………11
第二章 家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)
2.1傳感技術(shù) …………………………………………………………12
2.2路徑規(guī)劃技術(shù) ……………………………………………………12
2.3吸塵技術(shù) …………………………………………………………12
2.4電源技術(shù) …………………………………………………………13
第三章 清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)
3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理 ………………………………………13
3.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成 ……………………………………………………………14
3.1.2 工作原理 …………………………………………………………………16
3.2清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì) ……………………………………………17
3.2.1 機(jī)器人外形設(shè)計(jì) …………………………………………………………17
3.2.2 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) …………………………………………………18
3.2.3 清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) …………………………………………………………18
3.2.4 吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………………………………………21
3.2.5 垃圾收集處理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) …………………………………………………22
第四章 具體計(jì)算
4.1電機(jī)選擇 ………………………………………………………24
4.2 蝸輪蝸桿的選擇 ………………………………………………25
4.3 清掃機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇 …………………………………………26
4.4 家用清掃機(jī)器人電池的選用 …………………………………26
4.5 清掃機(jī)構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計(jì)算 ………………………27
4.6 清掃機(jī)構(gòu)中渦輪軸的校核 ……………………………………28
第五章 總結(jié)和展望
5.1 發(fā)展趨勢 …………………………………………………………30
5.1.1 高度智能化 …………………………………………………………………30
5.1.2 功能擴(kuò)展 ……………………………………………………………………30
5.1.3 低成本化 ……………………………………………………………………30
5.2展望 ………………………………………………………………30
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………31
致謝 ……………………………………………………………………32
摘要
近年來，隨著計(jì)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(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)力成本的上升；二是人類想擺脫枯燥乏味的體力勞動(dòng)，如清潔、家務(wù)、照顧病人等；三是人口的老齡和社會(huì)福利制度的完善也為某些服務(wù)機(jī)器人提供了廣泛的市場應(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(gè)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(dòng)空間大，具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動(dòng)性，因此服務(wù)機(jī)器人大多數(shù)是移動(dòng)機(jī)器人。
隨著社會(huì)的發(fā)展需要，服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟(jì)方面，并且起到了很大的作用。服務(wù)機(jī)器人的研究和發(fā)展對(duì)我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很多的影響。這片文章主要通過闡述清潔機(jī)器人在服務(wù)行業(yè)的重要性，對(duì)機(jī)器人在各國發(fā)展?fàn)顩r的一些綜述，讓讀者了解將來機(jī)器人發(fā)展對(duì)社會(huì)發(fā)展的重要性，文章還寫了本人對(duì)我國機(jī)器人現(xiàn)狀的一些調(diào)查和理解看法，在機(jī)器人發(fā)展中存在的一些影響因素，還有對(duì)機(jī)器人使用領(lǐng)域的一些展望。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人：清潔機(jī)器人：運(yùn)動(dòng)原理：清潔方式
ABSTRACT
In recent years，along with the computer technology and the rapid development of artificial intelligence，intelligent robot technology gradually become modern robot research hotpots． Among them，service robot， opened a new field of application of robots． Service robots appeared three main reasons：one is rising labor costs. Second is the human to escape the boring physical labor, such as cleaning，housework and patient care，etc．The population is aged 3 and social welfare system for certain service robot also provides a broad application prospect in the market．Service robots in industrial robots is one of the main features of service robot is a suitable way environment and the specific tasks of the robot system，the process of large space activities in unstructured environment，has the high mobility. So most of the mobile robot is service robots．
With the development of society, we service robots have infiltrated the life，work and economic aspects，and play a very significant role．Service robot research and development of our economic development has a lot of influence．This article mainly elaborated through cleaning robot in the importance of service industry in the world，robot is reviewed the development of some future robots，let the reader know the importance of the development of social development，the article also wrote himself in the situation of robot，investigation and understanding in robot in some influencing factors，and to use the domain of robot．
Key words：Robots：cleaning robot：sports principle：clean way
第一章 前言
1.1題目要求
近年來，隨著計(jì)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(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)力成本的上升；二是人類想擺脫枯燥乏味的體力勞動(dòng)，如清沽、家務(wù)、照顧病人等；三是人口的老齡和社會(huì)福利制度的完善也為某些服務(wù)機(jī)器人提供了廣泛的市場應(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(gè)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(dòng)空間大，具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動(dòng)性，因此服務(wù)機(jī)器人大多數(shù)是移動(dòng)機(jī)器人。
自動(dòng)進(jìn)行房間地而清潔的自主吸塵式家庭服務(wù)機(jī)器人，集機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體。自主吸塵機(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)展本次設(shè)計(jì)的題目《家庭清沾機(jī)器人》就是在這種背景下提出的，其具體設(shè)計(jì)要求如下：
設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)器人的工作內(nèi)容和要求：
運(yùn)行機(jī)構(gòu)形式：輪式
最高行進(jìn)速度：0.5m／s
轉(zhuǎn)彎半徑:0
高度:<100mm
寬度:<400mm
清潔方式：吸塵、掃刷
一次充電連續(xù)工作時(shí)間： 0.5小時(shí)
營示方式： LED閃光
具有自動(dòng)路徑規(guī)劃避障功能
具確自動(dòng)充電裝置
1.2國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究
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?，F(xiàn)結(jié)合國內(nèi)外的文獻(xiàn)將清掃機(jī)器人及其自動(dòng)充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀闡述如下
1.2.1國外產(chǎn)品研究狀況
對(duì)于機(jī)器人大家可能不會(huì)太陌生，工業(yè)機(jī)器人在很多領(lǐng)域都得到了比較廣泛的應(yīng)用，但是對(duì)于家庭機(jī)器人我們所了解的卻相當(dāng)?shù)纳俣毡練W美等國家的研究則比較領(lǐng)先，有的都已經(jīng)投入市場，在實(shí)際中投入使用。
Rc3000是世界上第一臺(tái)能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清浩機(jī)器人如圖1-1所示它有光電傳感器和芯片控制，當(dāng)遇到障礙時(shí)，會(huì)隨機(jī)改變一個(gè)角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物內(nèi)置了四種清潔程序，保證在退到不同污漬的地面時(shí)，可以調(diào)整其清潔程序，通過傳感器對(duì)于地板污漬的判斷，選擇合適的應(yīng)用程序 內(nèi)置光敏傳感器確保在遇到樓梯與臺(tái)階時(shí)能夠自動(dòng)避讓不會(huì)掉落。扁平的設(shè)計(jì)使其能夠清潔床，沙發(fā)，茶幾等家具的下部位置其相應(yīng)的充電站有紅外發(fā)射工作時(shí)問設(shè)定、工作模式選擇。充電垃圾處理五個(gè)功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導(dǎo)航信號(hào)來指…機(jī)器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務(wù)，同時(shí)能夠根據(jù)用戶設(shè)定的信息來控制機(jī)器人完成相應(yīng)的操作，如圖1-1所示
在日本，東日本鐵路公司、Shink電器公司和Howa 工業(yè)有限公司聯(lián)臺(tái)研制了車站地面清掃機(jī)器人機(jī)器人可沿墻壁從任何一個(gè)位置自動(dòng)啟動(dòng)利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子將廢棄物掃入自帶容器中該機(jī)器人可采用“磁導(dǎo)引方式”、“示教方式”或“墻面復(fù)制方式”控制東日本路公司富士工業(yè)有限公司suba實(shí)驗(yàn)室和JR東方設(shè)施管理有限公司 聯(lián)合研制了車站地面擦洗機(jī)器人，該機(jī)器人工作時(shí)一面將清洗液噴灑到地面上一面用旋轉(zhuǎn)刷不停地擦洗地面，并將臟水吸入所帶的容器中機(jī)器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自動(dòng)清洗系統(tǒng)有兩種 一種是“面積設(shè)定模式” 即將待清洗的面積分為若干個(gè)單位而積，按照其存儲(chǔ)器中的單位面積識(shí)別其行使路線機(jī)器人還可利用其傳感器識(shí)別和躲避障礙物：另一種叫“路徑地圖模式”．機(jī) 器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行駛，機(jī)器人可存9幅地圖，并可利用IC卡作為外存，在該模式下、機(jī)器人不會(huì)避障，僅適用于需要反復(fù)擦洗的指定地段。
東日本鐵路公司和東芝公司聯(lián)合研制的用于座椅布局簡單的列車內(nèi)部地面清洗的機(jī)器人其體積小重量輕、易于出人車廂及在車廂之間運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)采用超聲波距離傳感器和光學(xué)、接觸式的接近傳感器，機(jī)器人采用推算定位法，利用編碼器中的數(shù)據(jù)，保持自己的位置和路徑若探測到錯(cuò)誤位置、機(jī)器人會(huì)通過距離傳感器自動(dòng)修正；高級(jí)的列車地面清洗包括掃除垃圾、噴灑清洗液、擦洗、回收污水、用清水沖洗和給地面打蠟六個(gè)步驟日本靜甲株式會(huì)社的清水工廠開發(fā)出一種自動(dòng)清掃機(jī)器人，可用于各種工廠的清掃工作，機(jī)器人采用光纖陀螺控制機(jī)器人的方向采用編碼器和超聲波傳感器測距，采用光學(xué)探測器探測障礙物機(jī)器人的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺傳感器，一機(jī)器人 與人接觸，觸覺傳惑器信號(hào)會(huì)使機(jī)器人停下來以保證人的安全松下和日立公司研制出了可清掃磚地木質(zhì)地板和地毯地面的清潔機(jī)器人該機(jī)器人采用蓄電池作為動(dòng)力源可自動(dòng)去充電站充電，能夠自主避障和路徑規(guī)劃。
松下電器產(chǎn)業(yè)公司在2002年上半年推出了 家庭用清潔機(jī)器人的試制機(jī)。該機(jī)器人可以根據(jù)房間的形狀地板狀況垃圾量進(jìn)行自動(dòng)清掃，還配備有避開墻壁爐子等熱源以及障礙的安全功能；該機(jī)器人配備有50個(gè)傳感器可一邊自動(dòng)行走邊進(jìn)行清掃，工作時(shí)首先沿房間四周走一圈，記憶房間形狀，然后在避開障礙物的同時(shí)開始縱橫來回移動(dòng)清潔工作完成后會(huì)自動(dòng)停止。該機(jī)器人清掃一般的日本式房間約需要9min相當(dāng)于人打掃同樣大房間所需時(shí)間的1-1.5倍，可清掃房間地板的92％-93％，機(jī)器人利用光及超聲波的測距傳感器及感壓傳感器來避開障礙物，機(jī)器人的內(nèi)置回轉(zhuǎn)傳感器用來控制行走姿勢以保持既定的行進(jìn)方向、但在地毯上行走時(shí)如果不采取措施則會(huì)受到“地毯花紋”影響而彎曲前進(jìn)因此該公司在機(jī)器人中安裝了方自舵?zhèn)鞲衅?，可以檢測出由于地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進(jìn)方自偏差、由此即使在鋪有地毯的地板上也能夠直線前進(jìn)，機(jī) 器人體內(nèi)還安裝有防止從臺(tái)階等高處滾下的落差傳感器感知暖爐等熱源的熱傳感器器、檢測自身所受外力大小的重量傳感器及防滑傳感器、檢測添加動(dòng)力的負(fù)載傳感器、機(jī)器人同普通的障礙物最少保持10cm的距離，而在探測到熱源時(shí)將會(huì)同熱源至少保持50cm的距離。
20世紀(jì)90年代、美國就推出了地面清潔機(jī)器人R0boscrub，該機(jī)器人配有激光導(dǎo)航系統(tǒng)采用超聲波測距和避障用光碼條實(shí)現(xiàn)定位。2002年9月清潔機(jī)器人“Roomba在美國面世，它重約2kg，直徑為30英寸，具有高度自主能力，可以游走于房間各家具縫隙間、靈巧完成清掃工作，據(jù)說這是將用于軍事的“躲避地雷的移動(dòng)技術(shù)”應(yīng)用到了吸塵器上Roomba的動(dòng)作有自兒遲緩但它卻能穩(wěn)定、安全地完成任務(wù)由于能夠在完成任務(wù)后自動(dòng)切斷電源，所以可以在外出期間讓R00mba在家進(jìn)行清掃，如圖1-2所示
2002年10月1日瑞典的拉克斯電子公司與日本東芝公司共同開發(fā)的清潔機(jī)器人“特里洛巴伊特上市銷售，“特里洛洛伊特’主要由清掃機(jī)器和超聲波傳感器構(gòu)成，在工作時(shí)可避開室內(nèi)擺放的各種家具用品只要家庭主婦領(lǐng)著它搞過一次清掃后，它便可以按行走過的清掃線路進(jìn)行自動(dòng)清掃這種機(jī)器人是充電式的，每一次充電可連續(xù)工作1小時(shí)。
瑞典家電制造商伊萊克斯(Ekctdux)研制生產(chǎn)的清潔機(jī)器人小“三葉蟲”高13mm直徑35表面光滑，呈圓形，內(nèi)置搜索雷達(dá)，可以迅速地探測到并避開桌腿玻璃器皿寵物或任何其它障礙物。一微處理器識(shí)別出這些障礙物，它可重新選擇路線，并對(duì)整個(gè)房間做出重新判斷與計(jì)算，以保持房問的各個(gè)角落都被清掃在樓梯的臺(tái)階等一些沒有天然障礙物的地方，只要有一條磁鐵，小“三葉蟲”便不會(huì)跨越，小“三葉蟲”開始啟動(dòng)后體內(nèi)的搜索雷達(dá)回探測出距離最近的墻壁先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡這樣它便能探測出整個(gè)房問的格局，計(jì)算出清掃整個(gè)房問所需的時(shí)間只要一接近一件障礙物它便會(huì)重新設(shè)定行進(jìn)路線、不會(huì)漏掉每一個(gè)角落電線或地毯的邊緣不會(huì)被認(rèn)作是障礙物。小“三葉蟲”的吸刷裝置中裝一只專利設(shè)計(jì)滑輪， 可以越過電線或地毯邊緣不被絆住電源不足時(shí)，小“三葉蟲”會(huì)自動(dòng)回到充電卡座自行充電。如果此時(shí)房間還沒確清掃完畢，小“三葉蟲”還有記憶憶功能，充好電后自己回到原處繼續(xù)吸塵如圖1-3所示。英國、法目和澳大利亞也都推出過清潔機(jī)器人產(chǎn)
品。
英國Dy sun公司最近推出一種型號(hào)為DC06的智能吸塵器這是世界首次開發(fā)研制的全自動(dòng)吸塵機(jī)器人”這種機(jī)器人具有一定的人工智能，只需輕按開關(guān)它就會(huì)為你解除每天打掃房間的煩惱。如圖1—4所示，吸塵機(jī)器人形狀呈50厘米長的模型汽車狀，重9.2公斤左右，配置了70多個(gè)傳感器，可隨時(shí)將發(fā)現(xiàn)的情況告訴由3臺(tái)內(nèi)置電腦組成的“大腦”。“大腦每秒可發(fā)出16條命令來指揮吸塵器的工作。充電后一按開關(guān)機(jī)器人會(huì)在瞬間通過所搭載的三臺(tái)小型計(jì)算機(jī)和70個(gè)傳感器計(jì)算出自己所在位置、房問大小及臟亂程度、家具的配置等。要是小孩或夠等外來物體接近吸塵器，它就會(huì)自動(dòng)停止工作接近樓梯口時(shí)吸塵器會(huì)自動(dòng)采用保護(hù)措以防止?jié)L到樓下。使用時(shí)，只要打開電源選好速度按下“走”鍵，吸塵器就會(huì)自動(dòng)工作，其他程序都由它自己獨(dú)立完成不過該產(chǎn)品目前價(jià)格太高(4000美元左右一臺(tái))，要真正推向市場還有相當(dāng)?shù)碾y度，如目1-4所示
澳大利亞的FloorBotics公司最近也研制出可自動(dòng)行駛并打掃房間的V4型機(jī)器人，如圖1-5所示這種全自動(dòng)吸塵器表面光滑，體積很小，呈圓形內(nèi)置搜索雷達(dá)，可以搜索各種房問里的每一處不會(huì)碰撞家具或其它障礙物微處理小電腦使它具備在拐至屋角處能探測方向選擇前進(jìn)路線的能力只要一放在地面上，全自動(dòng)吸塵器便可自動(dòng)開始工作其搜索雷達(dá)會(huì)探測出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡；然后再不規(guī)則地來回于房間的其它位置，并且能在接近障礙物之前迅速轉(zhuǎn)向。該吸塵機(jī)器人由于在主機(jī)的周圍360度配備了障礙物傳感器，因此可以在檢測墻壁及障礙物的同時(shí)打掃地面。當(dāng)打掃完可以行駛的場所后，機(jī)器人就自動(dòng)關(guān)閉電源在經(jīng)過4個(gè)小時(shí)充電后可以連續(xù)工作1個(gè)小時(shí)以上，通過更換配件還可以打掃地毯等如果打掃沒有障礙物的地面時(shí)，1個(gè)小時(shí)可以打掃360平方米不管房間的外形及面積的大小，ARNA導(dǎo)航算法引導(dǎo)機(jī)器人在任何房間的所有無遮掩區(qū)域四處運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行清潔工作因?yàn)闄C(jī)器人導(dǎo)航沿房間的周圍，所以它要?jiǎng)?chuàng)建自己的空間參考圖機(jī)器人不需要任何編程教它應(yīng)該去哪里”該機(jī)器人操作簡單，僅有三個(gè)按鈕：開始，結(jié)束以及暫停，人們只要簡單地將它放置在需要清掃的區(qū)域或房間中(這個(gè)機(jī)器人吸塵器很輕，一只手就可以容易拿起它)，按下開始按鈕即可如圖l-5所示。
2003年11月，三星公司推出一款代號(hào)為VC-RP30W的機(jī)器人，如圖1-6所示。
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、高效地對(duì)房間每個(gè)角落進(jìn)行吸塵。當(dāng)遇到障礙物或者死角等情況，VC-RP30W會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強(qiáng)大的只能判斷系統(tǒng)使得VC-RP30W能輕易地分辨出垃圾魚其他日常生活用品，機(jī)器人也允許用戶定義它的工作時(shí)間及清掃區(qū)域等，從而實(shí)現(xiàn)主人不在家時(shí)機(jī)器人也能進(jìn)行自動(dòng)清掃。事實(shí)上，用戶除了可以對(duì)它本身進(jìn)行設(shè)置外，還能通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)看安裝在機(jī)器人前部的攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。整個(gè)機(jī)器人的電池能維持它連續(xù)工作50分鐘，而一電池處于即將耗盡的狀態(tài)時(shí)它自動(dòng)回到充電座補(bǔ)充能源，非常地智能化。它會(huì)充電站使用的是已經(jīng)生成的3D地圖，而不是像RC3000那樣使用紅外的導(dǎo)航信號(hào)。
1.2.2國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況
在國內(nèi)的一些大學(xué)、如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也對(duì)清潔機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究并取得了一成果，對(duì)清掃機(jī)器人相關(guān)技術(shù)如機(jī)器感知、機(jī)器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機(jī)器人控制、電源與電源管理、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的研究則更多，這些都為清潔機(jī)器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 90年代開始致力于這方面的亞久，與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動(dòng)清掃機(jī)器人。該機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：采用全放位移動(dòng)技術(shù)，使機(jī)器人可執(zhí)行對(duì)狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開放式機(jī)器人鉸制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬件可擴(kuò)展，軟件可移植、可繼承，使機(jī)器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實(shí)時(shí)避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)吸塵腔路的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。
浙江大學(xué)于l999年初在浙江大學(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(jì)成功國內(nèi)第一個(gè)左右初步朱能的自主吸塵機(jī)器人，這種智能吸塵機(jī)器人工作時(shí)，首先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)；利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走，在清潔這角落的同時(shí)獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時(shí)間；之后，利用隨機(jī)和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結(jié)束以后，自行回到充電座補(bǔ)充電力。吸塵機(jī)器人在5.5×3.5m2的實(shí)際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達(dá)到90％以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗(yàn)還沒有進(jìn)行。目前，系統(tǒng)正在引入機(jī)器視覺和全局定位功能，力圖在多房間環(huán)境下，提高自定位能力、智能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。如圖1-7所示。
KV8保潔機(jī)器人是今年在市場上以低價(jià)位賣得比較火的一款產(chǎn)品，也是國內(nèi)首個(gè)產(chǎn)品化清掃機(jī)器人。它廣泛適用于家庭辦公和娛樂場所，以及其它一些人員不便進(jìn)入的地方。KV8能夠通過自身的碰撞傳感器來實(shí)現(xiàn)隨機(jī)的清掃和碰撞處理，需要人工對(duì)其電池進(jìn)行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動(dòng)時(shí)伴有音樂聲。
1.2.3自主充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
在20世紀(jì)40年代末，G熱源Walte開發(fā)第一個(gè)自主充電的移動(dòng)機(jī)器人名為：“Tortoises”，這種機(jī)器人具有在神經(jīng)學(xué)研究中想著光線走的行為。Walter還發(fā)明了一個(gè)可以充電的小櫥，櫥中有能夠發(fā)射光束的裝置和充電器，并把它當(dāng)作充電站。通過光纖束的引導(dǎo)，機(jī)器人來到櫥前通過接觸從而自主充電，這個(gè)系統(tǒng)有如下的特征：
(1)機(jī)器人的感知行為：感光；
(2)充電站能夠發(fā)出機(jī)器人可以感知的光束；
(3)能夠?qū)﹄姵睾统潆娖鬟M(jìn)行具有一定準(zhǔn)確性地對(duì)接。
1998年Tsukuba大學(xué)成功開發(fā)出了一款可以自動(dòng)充電的名為Yamabico-Liv的導(dǎo)游機(jī)器人。通過使用導(dǎo)航系統(tǒng)，該機(jī)器人能夠利用地圖自主導(dǎo)航繞越實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境到達(dá)充電站，通過充電站上一特殊的裝置的作用實(shí)現(xiàn)自主充電。
最近，位于美國的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人研究中也也開發(fā)出了一種叫做sage的導(dǎo)游機(jī)器人，它是從卡內(nèi)基梅隆歷史物館所使用的導(dǎo)游機(jī)器人NomadxR4000改進(jìn)而來。機(jī)器Sage通過其所攜帶的CCD攝像頭對(duì)標(biāo)識(shí)環(huán)境三維路標(biāo)等進(jìn)行識(shí)別和處理，從而自主得地尋找充電實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。路標(biāo)被直接放于充電站的插座的正上方、通過它的引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可靠地?？吭陬A(yù)設(shè)的充電位置處，從而實(shí)現(xiàn)充電，在插座和插孔中間沒有別的東西。在 174 天的操作運(yùn)行中，這個(gè)機(jī)器人成功地實(shí)現(xiàn)135天無故障地運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，大約每九天偶爾會(huì)要人為地進(jìn)行一些精度校正。
1.3研究的目的和意義
吸塵機(jī)器人將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融臺(tái)起來，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作近年來已受到國內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自王式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。性市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于家庭和公共場館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場前景。
融合現(xiàn)代傳感器以及機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開發(fā)一部價(jià)格便宜，全區(qū)域蓋，能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家鹿清掃機(jī)器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式，使家庭生活電氣化、智能化、使科技更好地為人類服務(wù)。
1.4設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)
由前面的設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)器人的工作內(nèi)容和要求，在寬400高100 的體積下如何設(shè)計(jì)和布置好清掃機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，吸塵機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)存垃圾機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，機(jī)器人中的關(guān)鍵部分清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是本次設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)所在。因?yàn)檫€要求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有避障功能，所以其外形設(shè)計(jì)也應(yīng)該仔自考慮清掃后的垃圾如何處理，以及如何布置吸塵設(shè)備也是本次設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)考慮的問題。
第二章 家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)
家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)吸塵機(jī)器人系統(tǒng)通通常由四個(gè)部分組成：移動(dòng)機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)是吸塵機(jī)器人的主題，決定了吸塵器的運(yùn)動(dòng)空間，一般采用輪式機(jī)構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、接觸和接近覺傳感器、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)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)研究和開發(fā)已具備了件事的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。吸塵機(jī)器人的控制與工作環(huán)境往拄是不確定的或多變的，因此必須兼顧安全可靠性、抗干擾性以及清潔度。用傳感器探測環(huán)境、分析信號(hào)，以及通過適當(dāng)?shù)慕７椒▉砝斫猸h(huán)境，具有特別重要的意義，近年來對(duì)只能機(jī)器人的研究表明，對(duì)于工作在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的自主式移動(dòng)機(jī)器人，要進(jìn)一步提高其自動(dòng)化程度，主要依賴模式識(shí)別及障礙物識(shí)別、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸及適當(dāng)人工智能方法，還需要進(jìn)一步開發(fā)全局模型，從而為機(jī)器人獲取全局信息。目前發(fā)展較快、對(duì)吸塵機(jī)器人發(fā)展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是：傳感技術(shù)，智能控制技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、吸塵技術(shù)、電源技術(shù)等
2.1傳感技術(shù)
為了讓吸塵機(jī)器人正常工作，必須對(duì)機(jī)器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，還要感知機(jī)器人所出工作環(huán)境的靜態(tài)和動(dòng)感信息，使得吸塵機(jī)器人相應(yīng)的工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應(yīng)工作環(huán)境的變化。
通常采用的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。其中內(nèi)部傳感器有：編碼器、線加速度計(jì)、陀螺儀、磁羅盤等。其中編碼器用于確定當(dāng)前機(jī)器人的位置，線加速度計(jì)獲取線加速度信息，進(jìn)而得到線加速度和位置信息；陀螺儀測量移動(dòng)機(jī)器人的角度、角速度、角加速度以得到機(jī)器人的姿態(tài)角、運(yùn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向的改變等絕對(duì)航向信息。外部傳感器有視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸很接近傳感器。視覺傳感器采用CCD攝像機(jī)進(jìn)行機(jī)器人的視覺導(dǎo)航與定位、目標(biāo)識(shí)別和地圖構(gòu)造等；超聲波傳感器測量機(jī)器人工作環(huán)境中障礙物的距離信息和地圖構(gòu)造等。紅外線傳感器大多采用紅外接近開關(guān)來探測機(jī)器人工作環(huán)境中的障礙物以及避免碰撞。接觸和接近覺傳感器多用于避碰規(guī)劃。
2.2路徑規(guī)劃技術(shù)
吸塵機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑，并且實(shí)現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。機(jī)器人路徑規(guī)劃研究始于20世紀(jì)70年代，目前對(duì)這一問題研究仍舊十分活躍。其主要研究內(nèi)容按機(jī)器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動(dòng)態(tài)已知環(huán)境動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境，按機(jī)器人獲取環(huán)境信息的方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和給于傳感器的路徑規(guī)劃
對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題，目前有具體的解析算法。但由于解析算法牽涉到復(fù)雜的橢圓積分問題，實(shí)現(xiàn)起來依然具有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)機(jī)器人對(duì)環(huán)境信息知道的程度不同，可分為為兩種類型：環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知，通過傳感器在線地對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測，以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息的局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個(gè)子問題。其中環(huán)境建模的主要方法有：可視圖法（V-Graph）、自由空間法(Free spaccApproach)和柵格法(Grids)等
2.3吸塵技術(shù)
真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇在機(jī)體自形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，將塵埃和臟物通過吸口吸入機(jī)體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。吸塵系統(tǒng)包括濾塵器、集塵袋、排氣管以及其他一些附件。其吸塵能力取決于風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。最近，澳大利亞Jetfan公司又開發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個(gè)吸塵器是一個(gè)封閉系統(tǒng)，既無外部氣體吸入，也無機(jī)內(nèi)氣體排除，所以就無需濾塵器、集塵袋、排氣管等附件。其原理是利用附壁效應(yīng)去形成利亞渦流氣體，最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi)的渦流腔內(nèi)，在英國Dyson公司最近推出的DC06型智能吸塵器就采用的了這種技術(shù)。
2.4電源技術(shù)
移動(dòng)電源在吸塵機(jī)器人中的地位十分重要，可以說是它的生命源。移動(dòng)電源需要同時(shí)滿足吸塵機(jī)器人的多種能源需要，如為移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，為控制電路提供穩(wěn)定的電壓和為吸塵操作模塊提供能源等。在這一領(lǐng)域，一般采用化學(xué)電池作為移動(dòng)電源。理想的電源應(yīng)該能夠在放電過程中保持恒定的電壓，內(nèi)阻小以便快速放電，可充電以及成本低等，但實(shí)際上沒有一種電池可同時(shí)具備上述優(yōu)點(diǎn)，這就要求設(shè)計(jì)人員選擇一種合適的電池，盡可能增加吸塵機(jī)器人的不間斷工作時(shí)間。
第三章 清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)
3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理
本課題要研制一自結(jié)構(gòu)小巧、靈活，控制簡單、易于實(shí)現(xiàn)，初步完成自主移動(dòng)、自動(dòng)避障和路徑規(guī)劃任務(wù)的清潔機(jī)器人。整個(gè)清潔機(jī)器人由機(jī)機(jī)械部分和控制系統(tǒng)兩大部分組成。機(jī)械部分包括高強(qiáng)度塑料底盤、外殼、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)隨動(dòng)輪。它們是吸塵點(diǎn)擊、清潔刷、電池以及控制系統(tǒng)的載體。機(jī)器人整體外觀，如圖3-1所示
3.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成
本清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。主要包括以下幾部分：
(1)個(gè)行走驅(qū)動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該部分主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動(dòng)。殼體前端和側(cè)面裝有紅外開關(guān)、作為碰撞檢測傳感器。底面的3個(gè)紅外開關(guān)作為臺(tái)階檢測傳感器，防止跌落。驅(qū)動(dòng)輪上裝有光電編碼盤、可以對(duì)輪速進(jìn)行檢測和控制、實(shí)現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。同時(shí)還括展了超聲波傳感器，用于精確定位的需；
(2)清掃機(jī)構(gòu)。用電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)清掃刷、使左面清掃刷順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右面逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就可以在清掃灰塵時(shí)將灰塵集中于吸風(fēng)口處，為吸塵機(jī)構(gòu)的工作做準(zhǔn)備；
(3)吸塵機(jī)構(gòu)。旨在強(qiáng)大的吸力、將灰塵吸入灰塵儲(chǔ)存箱中；
(4)擦地機(jī)構(gòu)。在清掃、吸塵之后，利用安裝在殼體下面的清潔布擦出殘留在地面上的細(xì)小灰塵，保證清潔工作的質(zhì)量。
移動(dòng)機(jī)構(gòu)是其它部件的載體，機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)按結(jié)構(gòu)分有輪式、履帶式和步行式等。輪式和履帶武機(jī)器人適合條件較好的地面，而步行機(jī)器人剛適合于條件較差的路面。本課題研制的自主清潔機(jī)器人工作在環(huán)境較好的室內(nèi)，所以采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)較為適合。
輪式移動(dòng)機(jī)器人一般有三輪、四輪和六輪，移動(dòng)機(jī)器人若采用三輪結(jié)構(gòu)則比較簡單，能夠滿足一般的需求，應(yīng)用也比較廣泛；四輪的穩(wěn)定性好，承載能力較大，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；六輪與四輪類似．只不過有更大的承載能力和穩(wěn)定性。在本課題中．清潔機(jī)器人的重量不是很大，工作條件是室內(nèi)，也不惡劣，三點(diǎn)確定一個(gè)平面，三輪理論上也是穩(wěn)定的，但是對(duì)負(fù)載有一定的限制，對(duì)三三輪動(dòng)機(jī)器人來說，重心都比較低，載荷穩(wěn)定且中心位置基本不發(fā)生變化．所以采用三輪結(jié)構(gòu)就能滿足要求
三輪轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有兩種方式：
(1)鉸軸轉(zhuǎn)向式：轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)自電機(jī)通過減速器和機(jī)械連桿機(jī)
構(gòu)控制鉸軸從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。
(2)差速轉(zhuǎn)向式：在機(jī)器人的左、右輪上分別裝上兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過控制左右輪的速度比實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。在這種情況下，非驅(qū)動(dòng)輪影子有輪。移動(dòng)機(jī)器人若采用鍍軸轉(zhuǎn)向式控制簡單，但精度不是太高；差動(dòng)轉(zhuǎn)向式控制復(fù)雜但精度較高。考慮到本課題清潔機(jī)人將來作為服務(wù)型機(jī)器人使用，在控制方式上應(yīng)達(dá)到一個(gè)較高層次，所以采用差動(dòng)輪轉(zhuǎn)向式比較好，并且其運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向的精度也高一些，以便為以后的避障和軌跡規(guī)劃打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。因此本系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是三輪差速轉(zhuǎn)向式的，如圖3-3所示
按照上述的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，清潔機(jī)器人采用兩直流電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)左右兩輪的差動(dòng)方式，控制點(diǎn)單、精確，抑郁實(shí)現(xiàn)，可以方便地吸塵機(jī)器人的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、后退，以及調(diào)頭等功能，清潔機(jī)器人能夠在任意半徑下、一人一速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、甚至可以實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑(即繞軸中點(diǎn)原地旋轉(zhuǎn))。
3.1.2工作原理
本系統(tǒng)的功能模塊關(guān)系如圖3-4所示。清潔機(jī)器人由多個(gè)功能模塊共同組成，這幾個(gè)模塊共同工作，相互協(xié)調(diào)、相互作用、保證了機(jī)器人能夠順利的進(jìn)行清掃。具體的工作原理如下清潔機(jī)器人的中心是清潔機(jī)器人的CPU，它對(duì)其它各個(gè)功能模塊進(jìn)行控制。信息采集模塊負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境以及機(jī)器人本身的各種信息鍵盤模塊和紅外遙控接收模塊可以接收人們對(duì)機(jī)器人的控制信息，然后把信息傳給CPU進(jìn)行處理。當(dāng)接收收到需要機(jī)器人進(jìn)行清掃工作的信號(hào)，CPU可以通過控制行走機(jī)構(gòu)和清潔機(jī)構(gòu)讓機(jī)器人進(jìn)行工作。在機(jī)器人工作的過程中還可以通過LCD顯示模塊和狀態(tài)指示模塊對(duì)機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行時(shí)實(shí)的顯示
機(jī)器人工作的流程如下：
(1)首先可以通過鍵盤或者遙控器啟動(dòng)清潔機(jī)器人，讓它開始清掃工作
(2)機(jī)器人一但開始工作，便控制清掃機(jī)構(gòu)進(jìn)行清掃、吸塵機(jī)構(gòu)開始吸塵擦地機(jī)構(gòu)開始擦地。
(3)機(jī)器人開始工作、傳感探測模塊就開始不斷地采集外部信息，送到CPU進(jìn)行分析和決策產(chǎn)生機(jī)器人行走的路徑。
(4)當(dāng)路徑規(guī)劃需要機(jī)器人實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的時(shí)候。CPU就分別改變左右輪的速度，通過差速來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
(5)工作期間機(jī)器人可以通過LCD顯示一些相關(guān)信息(比如工作模式、工作計(jì)時(shí)或溫度)
(6)遙控器除了可以控制清潔機(jī)器人的啟停，還可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定時(shí)，讓機(jī)器人在一定時(shí)間后開始工作或者工作一定時(shí)間后停止工作。
該機(jī)器人利用安裝的各類傳感器來獲取室內(nèi)環(huán)境以及自身的基本信息，如障礙物的位置、自身走過的距離等；然后根據(jù)獲得的信息，選定相應(yīng)的公職策略；通過以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)進(jìn)行障礙物判斷、避障策略選擇和運(yùn)動(dòng)行走實(shí)是。機(jī)器人面板上有控制其開始/停止工作的案件。同時(shí)也可以通過來控制，遙控還可以用來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定時(shí)，LCD實(shí)時(shí)的顯定時(shí)的倒計(jì)時(shí)和當(dāng)前的溫度值。
3.2清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì)
3.2.1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高位100mm的長方體。但是后來發(fā)現(xiàn)多設(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3-5所示
3.2.2機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑為0，在機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)中采用兩輪驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱分布在清掃機(jī)構(gòu)的后方，兩個(gè)輪子子和刷子支撐機(jī)體工作和運(yùn)動(dòng)，選樣設(shè)計(jì)既節(jié)省材料，又可以使刷子和地面全面的接觸，從而利于更徹底的清掃，在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過控制行走機(jī)構(gòu)的兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而控制兩個(gè)輪子，通過輪子的前后茶素運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)集體的轉(zhuǎn)彎半徑為0.
3.2.3 清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
在清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中想到了四個(gè)方案：
(1) 電機(jī)帶動(dòng)斜齒輪1，斜齒輪1帶動(dòng)斜齒輪2，挾斜齒輪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；
(2) 電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪1，錐齒輪1帶動(dòng)錐齒輪2，有錐齒輪2上的軸連接滾刷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清掃；
(3)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接渦輪，兩個(gè)渦輪的軸上分別接刷子，從而實(shí)現(xiàn)清掃；
(4)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接渦輪，兩個(gè)渦輪分別接皮帶輪、皮帶輪上的軸接刷子，從而實(shí)現(xiàn)清掃。
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)如下圖所示
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，高為一百的園內(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，是其他幾個(gè)單元有部分將放置不下，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；方案三中通過點(diǎn)擊帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，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)囂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)直徑都為200mm的刷子，這樣的話，蝸輪和蝸桿的中心距就必須為100mm，而在選種中心距的情況下，渦輪蝸稈的尺寸都比較大，雖然能夠放置下，但是渦輪蝸桿這個(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司為本次設(shè)計(jì)的清掃機(jī)構(gòu)。
3.2.4吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
在吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中將風(fēng)扇固定在垃圾儲(chǔ)藏室上壁，在風(fēng)扇上罩一個(gè)薄壁腔。在薄壁腔上方開一個(gè)圓孔，以便于空氣的排出。在垃圾儲(chǔ)藏室上壁開兩個(gè)小長方孔，在方孔下加一個(gè)隔塵罩。（其大體圖形如圖3-11所示）通過風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)垃圾儲(chǔ)藏室內(nèi)的空氣流動(dòng)，有通過儲(chǔ)藏室內(nèi)的管腔將刷子清掃引起的塵土吸附進(jìn)來，待塵土的空氣通過防塵罩將塵土擋到垃圾儲(chǔ)物室，較干凈的空氣則通過吸塵室上壁腔的圓孔排到大氣中去，從而實(shí)現(xiàn)吸塵的目的。
3.2.5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
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)作通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制。但是此結(jié)構(gòu)所占的空間比較大，所示設(shè)計(jì)的將清潔機(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)致其他一些機(jī)構(gòu)無法放置，因此此種方案不可行。
后采用如下圖的方案，該方案通過毛刷將垃圾掃至吸口，因吸口橫截面積小，根據(jù)伯努利方程可知，此處吸力很強(qiáng)。當(dāng)被吸入的垃圾到達(dá)垃圾儲(chǔ)藏盒時(shí)，空間瞬間擴(kuò)大，吸力減弱至最低值，垃圾便停留在垃圾儲(chǔ)存盒中。要傾倒出垃圾，將可拉出的垃圾儲(chǔ)藏盒拉出即可傾倒。又因?yàn)楸咎幍那鍜邫C(jī)器人為室內(nèi)清掃，不存在很大體積的垃圾，而且該方案所用空間很小，故本處采用該方案，圖如3-13所示
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)體的大半部分質(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)更方便一寫，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有減輕了機(jī)體的質(zhì)量，清掃機(jī)構(gòu)的固定件如圖3-14所示
最終設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)器人大體布局如目3-15所示
第四章 具體計(jì)算
4.1電機(jī)選擇
(1) 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δ=1 μ=0.1
則:滾動(dòng)摩擦阻力=δ?F=l×22.1=0.0221N.m
滑動(dòng)摩擦阻力f=F?μ=22.1×0.1=2.21N
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：
=f?R+=2.21×47×10a+0.0221=0.126N.m
(3) 工作機(jī)要求的功率= 式中：=0.126N.m
由=2==203.2r/min
取，則==3.83W,電機(jī)所需的輸出功率,其中==*0.97*0.9=0.86,
則電機(jī)所需的輸出的功率== =4.45W。
(3) 確定電機(jī)?？紤]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)遣功能，再由(2)中所算得電機(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，1200r／min時(shí)轉(zhuǎn)矩為5N.cm啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為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)
4.2蝸輪蝸桿的選擇
(1)因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)所用的蝸桿和渦輪是清掃機(jī)構(gòu)功率的輸如部分，是機(jī)器人結(jié)構(gòu)中最重要的部分，所以選蝸桿材料40Cr表面淬火硬度45～50HRC，渦輪齒圈村料為ZCuSnl0Pb1，金屬模鑄造,確定許用應(yīng)力：
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)=60=60*206*12000=1.48*
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得：=230MPa -=90MPa
== 194Mpa；= = =52MPa
(2)選擇
根據(jù)傳動(dòng)比i=14.5，參考蝸輪蝸桿參數(shù)表取=2，則=i =29；
(4) 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)：=0.8；
取=1. 2
因載荷平穩(wěn),通過跑合可以改善偏載程度，取=1
則載荷系數(shù)K==0.8*1.281=0.96；
=i① 當(dāng)=2時(shí)，=0.7~0.75,取=0.7，代入①式中得：
=9.55*=9.55*=19386.5 N.mm
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得：=155，
將這些數(shù)據(jù)代入接觸強(qiáng)度計(jì)算公式求得：
≥9K =134；
按接觸強(qiáng)度要求，≥134，差表選取m=2mm, =22.4mm, =2,q=11.20,z2=29,r=10°07′29″。中心距ａ＝(q+)＝40.20mm，=m=58;
a=40.20mm不是標(biāo)準(zhǔn)推薦中心距，入選擇中心距，渦輪將變位。本設(shè)計(jì)不采用變?yōu)?，取a=40.20
(5) 驗(yàn)算初設(shè)參數(shù)
蝸輪圓周速度==0.63m/s元估計(jì)<3m/s,選Kv值，相符。
滑動(dòng)速度= =3.54m/s，在范圍之內(nèi)，所選材料合適。
蝸桿傳動(dòng)效率=（0.95~0.96） 根據(jù)=1.8m/s,查表得 =2°，
==0.83，傳動(dòng)效率=（0.95~0.96）*0.85=0.81~0.82，與初選=0.7不符，出阿東效率應(yīng)適當(dāng)降低。
（5）驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和剛度
= (1.6K)/< =58.4Mpa
蝸輪當(dāng)量齒數(shù)=/ =29.44，查得齒形系數(shù)=2.65；
則可求的：=1- =0.917
帶入①式中
=27.85Mpa< 成立。彎曲強(qiáng)度滿足要求。
（6）蝸桿、蝸輪幾何尺寸計(jì)算
蝸桿齒頂圓直徑
蝸桿齒根圓直徑
蝸桿齒寬
蝸輪喉圓直徑
蝸輪齒根圓直徑
渦輪咽喉母圓半徑
蝸輪齒寬（取=100°）；選蝸輪輪齒端面為錐面結(jié)構(gòu)；
蝸輪輪緣寬度 其 B=20mm
為竊取頂圓齒尖，蝸輪頂圓直徑；
為不損傷齒寬b2，
所以de2的取值范圍在66mm和 mm之間，取de2=67mm。
由于蝸桿傳動(dòng)效率地所以工作時(shí)產(chǎn)生熱量大。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)到機(jī)器內(nèi)，通過吸塵時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)力將熱量排除機(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)嚙合效率起主要影響，導(dǎo)程角大于30°以后嚙合效率增加不顯著切蝸桿加工也比較困難，所以本設(shè)計(jì)中蝸桿導(dǎo)程角小于30°，同時(shí)減小了中心距進(jìn)而減小了蝸桿的直徑，從而提干了嚙合效率，因而進(jìn)一步提高了蝸桿的傳動(dòng)效率。
4.3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，并可以把垃圾掃到垃圾儲(chǔ)藏室中、又因?yàn)槠л喌膫鲃?dòng)比設(shè)計(jì)為1：1，所以要求蝸輪的轉(zhuǎn)速大約為180r/min到2l0r/min左右即完成清掃任務(wù)，由前面初步算得的蝸輪蝸桿之間的減速比可推出蝸桿的轉(zhuǎn)速大約自2610r/min-3045r/min之間，因而選電機(jī)型號(hào)為55SZ01，轉(zhuǎn)速為3000r/min,功率為12W，其尺寸較小，又能滿足工作需要，所以選用它來做為清掃機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸入部分。
4.4家庭清潔機(jī)器人電池的選用
工作環(huán)境對(duì)清潔機(jī)器人的能源提出了特殊要求，目前清潔機(jī)器人基本上都采用電池作為能源，電池有一次電池、二次電池和燃料電池。作為機(jī)器人能源的次電池要求能量密度高、自放電少、可靠性高，一次電池有錳干電池，堿性錳電池、鉀電池、汞電池、氧化銀電池等。干電池應(yīng)用范圍廣，使用溫度越汞電池氧化銀電池等。干電池應(yīng)用范圍廣，使用溫度高，電壓、容量都同時(shí)增大，但有可能造成自放電和產(chǎn)生氣體，使用溫度可達(dá)50℃-60c以下容量
幾句減少。堿性錳電池適合于大電流放電，放電容量很大，尺寸與干電池相同，具有互換性。銼電池電動(dòng)勢高、能量密度高、工作溫度范圍大、自放電少，正逐步走向?qū)嵱没?，是一種非常好的機(jī)器人能源，二次電池又叫蓄電池，有鉛酸電池銀鋅電池、鎳鎬電池和鎳鋅電池等。鉛酸電池是一種比較好的機(jī)器人能源，電壓高、壽命長、可高比率放電、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡單可靠，工藝成熟，能量密度低。銀鋅電池是現(xiàn)有二次電池中輸出功率最大、能量最高的電池、自放電速度慢，機(jī)械強(qiáng)度高，可短期超負(fù)荷放電，放電電壓平穩(wěn)，價(jià)格貴、充電時(shí)間長、壽命短充電次數(shù)步。鎳鎬電池和鎳鋅電池電壓低、價(jià)格貴，應(yīng)用較少。
燃料電池有堿性燃料電池、另算燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體電解質(zhì)燃料電池等，燃料電池體積小、重量輕、壽命長、效率高、無污染，是一種非常好的清潔機(jī)器人用電源，但總的來說，目前還處于研究開發(fā)階段。
由以上對(duì)各種電池的分析，同時(shí)考慮到本次設(shè)計(jì)的要求，選用鉛酸電池比較臺(tái)理，因?yàn)殂U酸電池是一種比較好的機(jī)器人能源，電壓高、壽命長、可高比率放電、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡單可靠、工藝成熟，可降低制造家庭清潔機(jī)器人的總成本，因而本次設(shè)計(jì)選用兩組鉛酸電池作為機(jī)器人的能量來源，其安裝位置入家庭清潔機(jī)器人的裝配圖中所示。
4.5清掃機(jī)構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計(jì)算
（1）計(jì)算軸承壽命的基本公式為：=h
其中：P-當(dāng)量動(dòng)載荷（N）；
-壽命指數(shù)，球軸承=3，棍子軸承 =10/3；
n-軸承轉(zhuǎn)速r/min；
C-基本額定動(dòng)載荷（N），可由軸承樣本或有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中查到。
經(jīng)查表得C=2.75*
（2）計(jì)算角接觸軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷
基本公式為P=(XR+YA)
其中：X-徑向載荷系數(shù)，其值見機(jī)械設(shè)計(jì)P321表13-5；
Y-軸向載荷系數(shù)，其值見機(jī)械設(shè)計(jì)P321表13-5
R-軸承所承受的徑向載荷；
A-軸承所承受的軸向載荷；
-載荷系數(shù)，考慮機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況對(duì)軸承載荷的影響，查表13-6（機(jī)械設(shè)計(jì)P321）
待求量為R,A值，計(jì)算軸承所受的徑向載荷R
軸向受力如圖4-2所示。
經(jīng)計(jì)算解 得Fr=0.081N
Fa=0.015N
由一直條件可知，軸承是關(guān)于蝸輪堆成的，所以左右的距離相等。所以==Fr1