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摘 要
今年來，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。本文主要涉及一個簡易掃地機(jī)器人。本掃地機(jī)器人具有自動清掃、自動轉(zhuǎn)向、防撞等功能。它完全解放了雙手，能夠全自動完成家庭的清掃工作。該機(jī)器人成本低、工作效率高，在市場上還是有很好的應(yīng)用前景的。
關(guān)鍵詞：掃地機(jī)器人；清掃；防撞
III
Abstract
This year, with the rapid development of computer technology and artificial intelligence, intelligent robot technology has gradually become a hot spot in the field of modern robotics research. Among them, the service robot has opened up a new field of robot application. This paper mainly involves a simple sweeping robot. The sweeping robot has the functions of automatic cleaning, automatic steering and collision avoidance. It completely liberated both hands, can complete the family cleaning work completely. The robot has low cost and high work efficiency, and has good application prospects in the market.
Key Words：sweeping robot; sweeping; collision avoidance
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第1章 緒論 1
1.1 掃地機(jī)器人出現(xiàn)背景 1
1.2 清掃機(jī)器人發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 1
1.2.1 國外清掃機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.2 國內(nèi)清掃機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 3
第2章 掃地機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)分析 5
2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)組成 5
2.2工作原理 6
2.3機(jī)器人外形設(shè)計 7
2.4機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計 7
2.5清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計 7
2.6吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計 9
第3章 行走機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動設(shè)計 10
3.1 電機(jī)選擇 10
3.2 減速器參數(shù)設(shè)計 10
3.2.1 高速級齒輪傳動 11
3.2.2 低速級齒輪傳動 14
3.3 軸的設(shè)計計算 18
第4章 清掃裝置傳動設(shè)計 20
4.1 帶傳動設(shè)計計算 20
4.2 錐齒輪設(shè)計計算 21
4.3 齒輪上作用的力 25
4.4 傳動軸的設(shè)計計算 25
第5章 結(jié)論與展望 31
5.1 總結(jié) 31
5.2 論文創(chuàng)新之處 31
5.3 存在不足與展望 31
參考文獻(xiàn) 32
致 謝 33
第1章 緒論
1.1 掃地機(jī)器人出現(xiàn)背景
近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)已逐漸成為現(xiàn)代機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個熱點。其中，服務(wù)機(jī)器人開辟了一個全新的機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域。服務(wù)型機(jī)器人，主要有三個原因：一是勞動力成本上升；二是人要擺脫繁瑣的體力勞動，如清洗、家務(wù)、照顧；第三是人口老齡化和社會福利制度的完善，為市場前景提供了一定的服務(wù)機(jī)器人。以服務(wù)機(jī)器人為主要特征的工業(yè)機(jī)器人是一種適合于特定的方式、環(huán)境和過程的機(jī)器人系統(tǒng)，活動空間，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中流動，所以大多數(shù)機(jī)器人是一個移動機(jī)器人。
1.2 清掃機(jī)器人發(fā)展歷史與現(xiàn)狀
清洗機(jī)器人的發(fā)展是建立在移動機(jī)器人的基礎(chǔ)上，一個良好的清洗機(jī)器人必須有一個良好的移動基礎(chǔ)。因此，每一次移動機(jī)器人的跳躍，都遵循著清潔機(jī)器人更新。
1.2.1 國外清掃機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
rc3000，德國凱馳，是世界上第一個孩子在地上完成所有的清潔機(jī)器人，如圖1-1所示。它只有50cm長，能自動清潔地面，自動返回充電站可以在掌握了獨立的家庭清潔工作，該單位的設(shè)計使得它的床干凈，沙發(fā)下部，咖啡桌子和其他家具，如圖1-2所示。它的運(yùn)動是隨機(jī)的，當(dāng)遇到障礙，隨機(jī)變化的觀點，并繼續(xù)在一條直線，直到遇到新的障礙，它包含四個清洗程序，根據(jù)面積的大小可以選擇適當(dāng)?shù)某绦?；建立在感光傳感器，在樓梯和步驟，自動避撞和不能脫落。
圖1-1 RC3000 圖1-2 RC3000
2001年11月，著名的家電制造商伊萊克斯推出了清潔“三葉蟲”在英國，如圖1-3所示。13毫米的高度，直徑為35mm，免費接送清洗、最優(yōu)移動路徑的自動設(shè)計；采用超聲波檢測儀，可以快速檢測障礙物和循環(huán)；“三葉蟲”可分為三檔：正常工作，快速清理干凈；清潔充滿垃圾也發(fā)出了警示燈；為了限制“三葉蟲”，用戶需要在樓梯或其他地方?jīng)]有天然屏障，選擇性粘貼可以粘膠帶。三葉蟲是由充電電池供電，每次充電后可運(yùn)行約60分鐘，電量不足會自動返回充電板充電。
圖1-3 伊萊克斯“三葉蟲”
2003十一月，三星公司推出了三星代號為vc-rp30w機(jī)器人吸塵器，如圖1-4所示，主要面向國內(nèi)市場。vc-rp30w主要依靠3D地圖定位技術(shù)，靈巧地避開障礙物，快速，高降低到房間清潔每一個角落；當(dāng)遇到障礙或死亡。vc-rp30w可以很容易地分析垃圾和其他生活必需品，并允許用戶定義的時間和清潔區(qū)；用戶還可以通過計算機(jī)在機(jī)器人攝像機(jī)信息前看到安裝，遠(yuǎn)程控制；機(jī)器人的電池可以維持50分鐘的連續(xù)工作，當(dāng)電池是用完自動返回充電座補(bǔ)充能量，非常聰明。
圖1-4 三星VC-RP30W
1.2.2 國內(nèi)清掃機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
1999年初，開始學(xué)會智能吸塵機(jī)器人的機(jī)械電子研究的浙江大學(xué)，經(jīng)過兩年的初步智能吸塵機(jī)器人的成功設(shè)計，與蘇州科技公司合作，獨立能力和工作效率2003系統(tǒng)都有顯著的提高，它的工作之前，首先學(xué)習(xí)的環(huán)境，超聲波測距的使用，使步行距離和墻的尺寸信息在同一時間里的潔凈室，確定清洗時間；然后，產(chǎn)生清潔高效利用隨機(jī)和局部路徑遍歷算法相結(jié)合的規(guī)劃；在對計費系統(tǒng)自動返回后在清洗實際功率補(bǔ)充；家庭環(huán)境，10min可達(dá)到超過90%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清潔機(jī)器人路徑規(guī)劃原則
KV 8清洗機(jī)器人通過電腦芯片控制機(jī)器人左右輪的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)圓弧清洗線。當(dāng)圓弧半徑擴(kuò)展為7.5m，芯片程序控制的機(jī)器人離開當(dāng)前行，在7.5m距離進(jìn)行圓弧再清洗。在地面上有大量的圓弧實現(xiàn)無縫覆蓋，從而達(dá)到全面清理地面的目的。
2、KV8清潔機(jī)器人自動充電的原理
KV8清潔機(jī)器人在機(jī)器人的力量很快消耗后，在紅外發(fā)射頭注射無信號上的機(jī)器人，當(dāng)電荷在兩紅外接收頭接收到這個信號的機(jī)器人和充電底座接觸的基礎(chǔ)。通過2個紅外接收頭的機(jī)器人的引導(dǎo)，使其慢慢靠近，最終實現(xiàn)對接。
3、KV8清潔機(jī)器人跌倒預(yù)防原則
KV8清潔機(jī)器人在機(jī)器人在前面的底部，4對紅外傳感器的安裝，每個傳感器頭包含一個發(fā)射器和一個接收器。在地面發(fā)射的紅外線發(fā)射器，紅外線發(fā)射頭接收由接收頭。如果機(jī)器人在距離地面大于5mm的距離下，電腦芯片會控制機(jī)器人，使其重新調(diào)整的方向行走，以免從天空墜落。
4、KV8保潔機(jī)器人虛擬墻的工作原理
KV8清潔機(jī)器人，之后將在0.5m在打開一個虛擬墻，前方3.5米紅外發(fā)射，在接觸的21個紅外感應(yīng)頭的機(jī)器人本體的虛擬墻發(fā)射的紅外線KV8，他們不會繼續(xù)前進(jìn)，進(jìn)入潔凈區(qū)。
圖1-6 KV8
經(jīng)過20多年的發(fā)展，中國的清潔機(jī)器人研究已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，單體平臺和技術(shù)的整體水平，已接近或超過國際標(biāo)準(zhǔn)。但與西方發(fā)達(dá)國家相比，無論是研究規(guī)模、投資力度、技術(shù)水平和成果應(yīng)用和效益，都存在明顯的差距，因此有更多的工作需要做。
33
第2章 掃地機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)分析
本論文的任務(wù)是開發(fā)一個結(jié)構(gòu)緊湊、靈活性好、控制簡單、易于實現(xiàn)、自主移動、自動避障和路徑規(guī)劃任務(wù)的清潔機(jī)器人。清洗機(jī)器人由機(jī)械部件和控制系統(tǒng)兩部分組成。機(jī)械零件包括高強(qiáng)度塑料外殼、底盤、2個驅(qū)動輪和一個從動輪。它們是吸塵電機(jī)、清潔刷、電池和控制系統(tǒng)的載體。
2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)組成
清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個部分：
（1）2驅(qū)動輪及驅(qū)動電機(jī)。這部分主要是確保機(jī)器人可以在飛機(jī)上移動。外殼的前端和外殼的側(cè)面上設(shè)置有紅外線開關(guān)作為碰撞檢測傳感器。底部的3個紅外開關(guān)作為檢測傳感器的一步，以防墜落。驅(qū)動輪具有光電編碼盤，可檢測和控制輪速，實現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。同時還包括超聲波傳感器的研制，用于精確定位所需的；
（2）清洗機(jī)構(gòu)。電機(jī)驅(qū)動的2個清洗刷，使清洗刷順時針旋轉(zhuǎn)，逆時針旋轉(zhuǎn)，這樣你就可以在清理灰塵污垢濃度在天花板上的出口，以備吸機(jī)制；
（3）清灰機(jī)理。設(shè)計成一個強(qiáng)大的吸力，灰塵進(jìn)入灰塵儲存罐；
（4）擦拭機(jī)制。清洗干凈后，用干凈的布布下面的房屋，擦拭干凈的地面上的灰塵，以確保清潔工作的質(zhì)量。
移動機(jī)構(gòu)是其他部分的載體，機(jī)器人根據(jù)輪式、履帶和行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)來移動結(jié)構(gòu)。輪式和履帶式機(jī)器人是適合地面條件的，而步行機(jī)器人是適合路面條件較差的。本文研制的自主式清洗機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境中工作良好，適合于輪式移動機(jī)構(gòu)。
輪式移動機(jī)器人一般有三輪車、四輪和六輪移動機(jī)器人如果輪結(jié)構(gòu)相對簡單，可以滿足一般的需求，它被廣泛應(yīng)用；四輪穩(wěn)定性好，承載能力大，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；六輪和四輪相似。除了較大的承載能力和穩(wěn)定性。本文對清掃機(jī)器人的重量不是很大，工作條件是室內(nèi)，也不壞，三點確定一個平面，三個理論是穩(wěn)定的，但負(fù)載有一定的限制，三輪移動機(jī)器人，相對低重心，負(fù)載穩(wěn)定和中心位置基本沒有變化。所以圓形結(jié)構(gòu)可以滿足要求
一三輪轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有2種方式：
（1）鉸鏈軸轉(zhuǎn)向類型：轉(zhuǎn)向盤安裝在轉(zhuǎn)向鉸鏈軸上，電機(jī)由減速器控制，機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)控制方向盤轉(zhuǎn)向盤。
（2）差速轉(zhuǎn)向：將2個獨立的驅(qū)動電機(jī)安裝在機(jī)器人的左右輪上，并通過控制左右車輪的速度來實現(xiàn)汽車車身的轉(zhuǎn)向。移動機(jī)器人與電鍍軸線容易控制，但精度不高；差速轉(zhuǎn)向控制復(fù)雜，精度較高?？紤]到作為一種服務(wù)機(jī)器人的使用，在控制模式下的清洗機(jī)的主題應(yīng)達(dá)到一個更高的水平，所以對差動輪轉(zhuǎn)向更好，轉(zhuǎn)向精度的運(yùn)動是更高的避障和路徑規(guī)劃奠定了良好的基礎(chǔ)。因此，該系統(tǒng)的移動機(jī)構(gòu)采用一三輪差速轉(zhuǎn)向式，如圖2-1所示。
圖2-1 移動機(jī)構(gòu)示意圖
根據(jù)移動結(jié)構(gòu)，采用雙直流電機(jī)獨立驅(qū)動的清洗機(jī)器人兩輪差分模式，控制簡單、準(zhǔn)確、易于實現(xiàn)，可方便地實現(xiàn)對清洗機(jī)器人的推進(jìn)，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、周轉(zhuǎn)、清洗機(jī)可以在任意半徑、輪速轉(zhuǎn)彎處，可以實現(xiàn)一零個轉(zhuǎn)彎半徑。
2.2工作原理
清潔機(jī)器人是由幾個功能模塊組成的，它能夠協(xié)同工作，互相配合，保證機(jī)器人能順利進(jìn)行。具體工作原理如下：清洗機(jī)器人的中心是清洗機(jī)器人的中央處理器，它控制著其他的功能模塊。信息采集模塊負(fù)責(zé)采集環(huán)境和機(jī)器人本身的各種信息，對鍵盤模塊和紅外遙控接收模塊可以接收控制信息的機(jī)器人，然后向處理器發(fā)送消息進(jìn)行處理。當(dāng)接收到機(jī)器人需要清洗的信號時，可以使用處理器來控制運(yùn)行機(jī)制和清洗機(jī)制，使機(jī)器人工作。在機(jī)器人的工作過程中，還可以通過液晶顯示模塊和狀態(tài)指示模塊對機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行實時的顯示，對機(jī)器人的工作過程作如下：
（1）通過鍵盤或遙控器來開始清掃機(jī)器人，這樣就可以開始清理工作了。
（2）機(jī)器人一旦開始工作，然后控制清洗機(jī)構(gòu)的清洗，除塵機(jī)構(gòu)開始清理清理機(jī)構(gòu)開始擦拭地面。
（3）機(jī)器人開始工作，檢測和檢測模塊開始收集外部信息，發(fā)送到處理器進(jìn)行分析和決策，以產(chǎn)生機(jī)器人行走的路徑。
（4）當(dāng)路徑規(guī)劃需要機(jī)器人實現(xiàn)其轉(zhuǎn)。中央處理器要改變左右輪的速度，通過差速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
（5）在工作期間，該機(jī)器人可顯示有關(guān)資料（如工作模式、工作時間或溫度等）。
（6）遠(yuǎn)程控制除控制的開始和停止的清洗機(jī)器人也可以定時，讓機(jī)器人開始工作后，一定時間內(nèi)或工作了一定時間內(nèi)停止工作。
該機(jī)器人采用安裝各種傳感器，以獲得室內(nèi)環(huán)境和基本信息，如障礙物的位置，其步行距離；然后根據(jù)接收到的信息，選擇相應(yīng)的公共政策，通過單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心障礙物判斷，避障策略的選擇和運(yùn)動的行走是。該機(jī)器人的面板控制的開始/停止工作的情況下。同時還可以通過遙控器控制也可用于機(jī)器人的定時、液晶顯示實時顯示的倒計時和電流的溫度。
2.3機(jī)器人外形設(shè)計
根據(jù)家用清掃機(jī)器人的設(shè)計要求，機(jī)器人應(yīng)包括清洗機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)、垃圾收集和處理機(jī)構(gòu)，其中清洗機(jī)構(gòu)的設(shè)計尤為重要。在圖書館查找一些相關(guān)的信息和互聯(lián)網(wǎng)上的信息，機(jī)器人的初步設(shè)計是一個長寬400mm高100mm。但后來發(fā)現(xiàn)，多設(shè)計的結(jié)構(gòu)不合理，周圍的邊緣和角落的機(jī)器人，以避免障礙是非常不方便，很容易遇到障礙，和圓形物體相對容易，以避免障礙。因此，機(jī)器人的形狀被設(shè)計為一個圓形的形狀。
2.4機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計
為了實現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑為0，在兩輪驅(qū)動機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)中，2個驅(qū)動輪均對稱分布在清洗機(jī)構(gòu)的后部，兩輪和刷支撐工作和身體運(yùn)動，采樣設(shè)計不僅節(jié)省了材料，而且充分接觸表面和刷，這有利于更徹底的清洗。機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時，通過控制兩個電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向的行走機(jī)構(gòu)，進(jìn)而控制兩車輪，通過車輪和兒茶素運(yùn)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑集體0。
2.5清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計
在清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計中想到了三個方案：
(1) 電機(jī)帶動斜齒輪1，斜齒輪1帶動斜齒輪2，斜齒輪2帶動斜齒輪3，斜齒輪上的軸連接滾刷，進(jìn)而實現(xiàn)清掃；
圖2-2 清掃機(jī)構(gòu)1
(2) 電機(jī)帶動錐齒輪1，錐齒輪1帶動錐齒輪2，有錐齒輪2上的軸連接滾刷，進(jìn)而實現(xiàn)清掃；
圖2-3 清掃機(jī)構(gòu)2
(3)電機(jī)帶動帶輪，將動力傳動到一根主軸上，主軸兩端分別裝有錐齒輪，清掃刷上部也安裝有一個大錐齒輪與其嚙合，實現(xiàn)清掃動作；
圖2-4 清掃機(jī)構(gòu)3
以上三種方案通過對比以及由設(shè)計的要求所限制，最終選擇方案三為清掃機(jī)構(gòu)。
因為所設(shè)計的機(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，傳動平穩(wěn)，但是斜齒輪所占的面積非常大、如果選用它，則會占用大量的空間，是其他幾個單元有部分將放置不下，從而超出所要設(shè)計的尺寸，因而否定了這種方案；方案二中，錐齒輪傳動不如斜齒輪平穩(wěn)，同時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)過計算及各個機(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)帶動小帶輪，再由帶輪帶動主軸兩端的小錐齒輪，由大錐齒輪上的軸帶動固定在其上的刷子旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了清掃的目的。
2.6吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計
在吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計中將風(fēng)扇固定在垃圾儲藏室上壁，在風(fēng)扇上罩一個薄壁腔。在薄壁腔上方開一個圓孔，以便于空氣的排出。在垃圾儲藏室上壁開兩個小長方孔，在方孔下加一個隔塵罩。通過風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)帶動垃圾儲藏室內(nèi)的空氣流動，又通過儲藏室內(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，從而實現(xiàn)吸塵的目的。
第3章 行走機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動設(shè)計
3.1 電機(jī)選擇
車輪直徑68mm，速度v>0.3m/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
3.2 減速器參數(shù)設(shè)計
電機(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（N·mm）
轉(zhuǎn)速r/min
傳動比
效率
------
入
出
入
出
-------
電動機(jī)軸
-----
69
-----
219.65
380
3
3.1
0.95
0.95
輸入軸
69
65.55
219.69
1407.46
127
輸出軸
64.24
60
1407.46
5791.73
42
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(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，大、小齒輪材料選擇尼龍
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
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。
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，大、小齒輪材料選用尼龍。
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
計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的
計算圓周速度
計算齒寬b
計算齒寬與齒高之比，b/h
模數(shù)
齒高
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)
按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑
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
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。
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
(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68mm，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，
第4章 清掃裝置傳動設(shè)計
4.1 帶傳動設(shè)計計算
1. 確定計算功率
據(jù)[2]表8-7查得工作情況系數(shù)=1.1。故有：
=
2. 選擇V帶帶型
據(jù)和n有[2]圖8-11選用A帶。
3. 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗算帶速
（1）初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑有[2]表8-6和8-8，取小帶輪直徑=26mm。
（2）驗算帶速v，有：
v=
因為4.1在3~30之間，故帶速合適。
（3）計算大帶輪基準(zhǔn)直徑
4. 確定V帶的中心距a和基準(zhǔn)長度
(1)據(jù)[2]式8-20初定中心距=70mm
(2)計算帶所需的基準(zhǔn)長度
由[2]表8-2選帶的基準(zhǔn)長度=270mm
（3）計算實際中心距
5. 驗算小帶輪上的包角
6. 計算帶的根數(shù)z
（1）計算單根V帶的額定功率
由和查[2]表8-4a得
P=0.046KW
據(jù)，i=2和A型帶，查[2]8-4b得
P=0.027KW
查[2]表8-5得K=0.97，K=0.93，于是：
P=(P+P)KK=（1.064+0.17）0.970.93=1.11KW
（2）計算V帶根數(shù)z
z===0.9
故取1根。
7. 帶輪設(shè)計
（1）小帶輪設(shè)計
由直流無刷電機(jī)57BL01可知其軸伸直徑為d=8mm，故因小帶輪與其裝配，故小帶輪的軸孔直徑d=8mm。有[4]P表14-18可知小帶輪結(jié)構(gòu)為實心輪。
（2）大帶輪設(shè)計
考慮到安裝位置的緊湊性及方便性，大帶輪軸孔取8mm。
4.2 錐齒輪設(shè)計計算
1、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
（1） 圓錐齒輪減速為通用減速，其速度不高，故選用8級精度（GB10095-88）
（2） 材料選擇 由《機(jī)械設(shè)計（第八版）》表10-1 大、小齒輪材料可選為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為250HBS，大齒輪材料取45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為220HBS，二者材料硬度相差30HBS。
2、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計
1.因為是軟齒面閉式傳動，故按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，其設(shè)計公式為：
2. 小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
3. 因v值未知，K值不能確定，可初步選載荷系數(shù)
4. 由表8-19，查得彈性系數(shù)
5. 直齒輪，由圖9-2查得節(jié)點區(qū)域系數(shù)
6. 齒數(shù)比
7. 取齒寬系數(shù)
8. 許用接觸應(yīng)力可用下式計算
查圖10-21齒面硬度得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限580Mpa 大齒輪的接觸疲勞極限390Mpa
小齒輪與大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別為
由圖8-5查得壽命系數(shù)，；由表8-20取安全系數(shù)，則有
取
初算小齒輪的分度圓直徑，有
（1） 設(shè)計計算
（1） 計算載荷系數(shù)：由表8-21查得使用系數(shù)
齒寬中點分度圓直徑為
故
由圖8-6降低1級精度，按9級精度查得動載荷系數(shù)，由圖8-7查得
齒向載荷分配系數(shù)，則載荷系數(shù)。
（2） 對進(jìn)行修正：因與有較大的差異，故需對計算出的進(jìn)行修正，即：
（3） 確定齒數(shù)：選齒數(shù)，，取，則
，，在允許范圍內(nèi)。
（4） 大端模數(shù)：，查表，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。
（5） 大端分度圓直徑為：
＞9.9
（6） 錐頂距為：
（7） 齒寬為：。
取
3、按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件為：
（3） 同前
（4） 圓周力為
（5） 齒形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù)
則當(dāng)量齒數(shù)為
由圖8-8查得，；由圖8-9查得，。
（6） 許用彎曲應(yīng)力：
由圖8-4查得彎曲疲勞極限應(yīng)力，。
由圖8-11查得壽命系數(shù)，由表8-20查得安全系數(shù)，故：
4、計算錐齒輪傳動其他幾何尺寸
4.3 齒輪上作用的力
1、齒輪傳動的作用力
（1） 已知條件：軸傳遞的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，小齒輪大端分度圓直徑，，，。
（2） 錐齒輪1的作用力，圓周力為
其方向與力作用點圓周速度方向相反。
徑向力為：
其方向為由力的作用點指向輪1的轉(zhuǎn)動中心。
軸向力為：
其方向沿軸向從小錐齒輪的小端指向大端。
法向力為：
錐齒輪2的作用力，錐齒輪2上的圓周力、徑向力和軸向力與錐齒輪1上的元周麗、軸向力和徑向力大小相等，作用方向相反。
4.4 傳動軸的設(shè)計計算
（1） 已知條件：低速軸傳遞的功率，轉(zhuǎn)速，錐齒輪大端分度圓直徑，齒寬中點處分度圓直徑。
（2） 選擇軸的材料
因傳遞的功率不大，并對和重量及結(jié)構(gòu)尺寸無特殊要求。故選用常用的材料45鋼，調(diào)制處理。
（3） 初算最細(xì)處軸徑
查表9-8得，考慮軸端不承受轉(zhuǎn)矩，只承受少量的彎矩，故取較
小值，則
（4） 結(jié)構(gòu)設(shè)計
a. 軸承部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計：該軸不長，故軸承采用兩端固定方式。按軸上零件的安裝順序。從處開始計算。
b. 軸段I及軸端IV的設(shè)計：該段軸段上安裝軸承，其設(shè)計應(yīng)與軸承的選擇同步進(jìn)行。考慮齒輪上作用較大的軸向力和圓周力，選用圓錐滾子軸承。軸段I和IV上安裝軸承，其直徑應(yīng)既便于軸承安裝，又符合軸承內(nèi)徑系列。根據(jù)，取軸承619/6，由表9-9得軸承內(nèi)徑，外徑，寬度，外徑定位直徑，軸承對軸上力作用點與外圈大端面的距離，故，通常一根軸上的兩個軸承取相同的型號，則。
c. 軸段II的設(shè)計：軸段II上安裝齒輪2，為便于齒輪的安裝，應(yīng)略大于，
此時安裝齒輪2處的軸徑可選38mm，經(jīng)過驗算，其強(qiáng)度不滿足要求，可暫定進(jìn)行計算。
齒輪2輪轂的寬度范圍約為，取其輪轂寬度，其左端采用軸肩定位，右端采用套筒固定，為使套筒端面能夠頂?shù)烬X輪端面，軸段II的長度應(yīng)比相應(yīng)齒輪的輪轂略短，，故取。
d. 軸段III的設(shè)計：該段為低速軸上的齒輪提供定位，其軸肩高度范圍為
，取其高度為，故。
齒輪2的輪轂右端面與箱體內(nèi)壁的距離取為，且使箱體兩內(nèi)側(cè)壁關(guān)于高速軸軸線對稱，量得其寬度為，取，則軸段III的長度為
此時錐齒輪沒有處在正確的安裝位置，在裝配時可以調(diào)節(jié)兩端蓋下的調(diào)整墊片使其處于正確的安裝位置。
e. 軸端I與軸端IV的長度：由于軸承采用油潤滑，故軸承內(nèi)端面距箱體內(nèi)壁
的距離取為，則軸段I的長度為
軸段IV的長度為
f. 軸上作用點的間距 軸承反力的作用點距軸承外圈大端面的距離，
則有圖12-7可得軸的支點及受力點間的距離為
（5） 鍵連接
齒輪與軸段間采用A型普通平鍵連接，查表8-31取其型號分別為鍵12×100，
和鍵12×45。
（6） 軸的受力分析
a. 畫軸的受力簡圖，軸的受力簡圖如圖所示
b. 計算支撐反力，在水平面上為
式中負(fù)號表示與圖中所畫方向相反
在垂直平面上為
軸承1的總支撐反力為
軸承2的總支撐反力為
c. 畫彎矩圖 彎矩圖如圖所示
在水平面上，a-a剖面左側(cè)為
a-a剖面右側(cè)為
在垂直平面上為
合成彎矩
a-a剖面左側(cè)為
a-a剖面右側(cè)為
b-b剖面左側(cè)為
b-b剖面右側(cè)為
d. 畫轉(zhuǎn)矩圖 轉(zhuǎn)矩圖如圖所示，
（7） 校核軸的強(qiáng)度
雖然a-a剖面左側(cè)彎矩大，但a-a剖面右側(cè)除作用有彎矩外還作用有轉(zhuǎn)矩，
其軸徑較小，故a-a剖面兩側(cè)均有可能為危險面，故分別計算a-a剖面的抗彎截面系數(shù)
抗扭截面系數(shù)為
a-a剖面左側(cè)彎曲應(yīng)力為
a-a剖面右側(cè)彎曲應(yīng)力為
扭剪應(yīng)力為
按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行校核計算，對于單向轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)矩按脈動循環(huán)處理，
故取折合系數(shù)，則當(dāng)量應(yīng)力為
，故a-a剖面右側(cè)為危險截面
由表8-26查得45鋼調(diào)質(zhì)處理抗拉強(qiáng)度極限，則由表8-32查得軸的許用彎曲應(yīng)力，，強(qiáng)度滿足要求。
（8） 校核鍵連接的強(qiáng)度
齒輪2處鍵連接的擠壓應(yīng)力為
取鍵、軸及齒輪的材料都為鋼，由表8-33查得，強(qiáng)度
足夠。齒輪3處的鍵長與齒輪2處的鍵，故其強(qiáng)度也足夠。
（9） 校核軸承壽命
a. 計算軸承的軸向力， 由表9-9查30207軸承得，，
，。由表9-10查得30207軸承內(nèi)部軸向力計算公式，則軸承1、2的內(nèi)部軸向力分別為
外部軸向力，各軸向力方向如圖所示，則
則兩軸承的軸向力分別為
b. 計算軸承1當(dāng)量動載荷，因，，故只需校核軸承1的壽命。
因為，軸承1的當(dāng)量動載荷
軸承在100℃以下工作，查表8-34得。對于減速器，查得載荷系數(shù)
c. 校核軸承壽命 軸承1的壽命為
減速器預(yù)期壽命為，，故軸承壽命足夠。
第5章 結(jié)論與展望
5.1 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)。
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致 謝
兩個多月的設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，在這過程中，使我真正的知道了學(xué)習(xí)理論知識和實踐行動的必要性。在這期間，我不斷去圖書館查找相關(guān)文獻(xiàn)資料，將自己的課余時間大部分泡在了圖書館，并在這過程中，不斷發(fā)現(xiàn)問題，找老師幫助找出問題的解決方案，讓我充分認(rèn)識到書本知識與實際工作過程中有很大的差距。本論文很好的將兩者完美結(jié)合，讓我在進(jìn)入工作崗位之前有了一個很好的訓(xùn)練機(jī)會。同時，我也意識到很多事情，不是一個人就能解決的，必須團(tuán)隊合作，互相溝通，才能將設(shè)計完成的更加漂亮。
通過這次的畢業(yè)設(shè)計，我在自動控制理論、機(jī)械設(shè)計等領(lǐng)域，有了進(jìn)一步的理解?？傊驹O(shè)計為我們打開設(shè)計的實際應(yīng)用后，對本人以后的工作和生活起到了良好的推動作用。
衷心感謝各位老師的精心指導(dǎo)設(shè)計過程，特別是X老師，他的諄諄教誨、耐心解釋每一個階段，使得我可以順利的完成此份設(shè)計。