家用清掃機器人的結構設計

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1、目錄摘要 1第一章前言1.1 題目要求 31.2 國內(nèi)外產(chǎn)品研究狀況 41.2.1 國外產(chǎn)品研究狀況 41.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 91.2.3 自主充電技術研究現(xiàn)狀 101.3 研究的目的和意義 111.4 設計的重點和難點 11 第二章家庭清潔機器人的關鍵技術 2.1 傳感技術 122.2 路徑規(guī)劃技術 122.3 吸塵技術 122.4 電源技術 13 第三章清潔機器人的機械設計3.1 機械結構組成和工作原理 133.1.1 機械結構組成 143.1.2 工作原理 163.2 清潔機器人總體設計 173.2.1 機器人外形設計 173.2.2 機器人的行走機構設計 183.2.3 清掃機

2、構的設計 183.2.4 吸塵機構設計 213.2.5 垃圾收集處理機構設計 22第四章具體計算4.1 電機選擇 244.2 蝸輪蝸桿的選擇 254.3 清掃機構電機的選擇 264.4 家用清掃機器人電池的選用 264.5 清掃機構中蝸桿上軸承的壽命的計算 274.6 清掃機構中渦輪軸的校核 28第五章總結和展望5.1 發(fā)展趨勢 305.1.1 高度智能化 305.1.2 功能擴展 305.1.3 低成本化 305.2 展望 30參考文獻 31致謝 32附錄 33外文文獻 33中文翻譯 401摘要摘要在即將進入的 21 世紀,隨著藍天工程的提出,世界各國已經(jīng)將清潔環(huán)保工作提到了相當重要的位置。

3、在這樣的大背景下,推動了中國新一批的清潔工業(yè)的迅猛發(fā)展,現(xiàn)如今,不同種類的新產(chǎn)品在不斷的推出,相關的新設備和新機器也在不斷的進行著更新,至深入人們的日常食物,衣物,住宿和出行中?，F(xiàn)如今,人們的物質(zhì)生活水平已經(jīng)得到了很大程度上的提高,生活質(zhì)量也在提升。接下來人們關注的是環(huán)境的舒適性,服務行業(yè)里在人們生活中的支出占比已經(jīng)形成了指數(shù)形式提升,同時服務行業(yè)中的清潔行業(yè)更是成為了當今經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。它為當今環(huán)保事業(yè)做出的貢獻不容小覷。清潔機器人,它涉及到機械、電子和計算機和其他相關知識,清潔機器人在某種程度上他是科研工作者智慧的結晶,同時他也是高科技的一種體現(xiàn)。,不僅可以模仿人體動作,還能將移動技術

4、和清潔技術融為一體。在某種程度上節(jié)約了大量的人力、物力,尤其買環(huán)境惡劣復雜的場合能夠替代人類。近些年,智能機器人已經(jīng)成為大家研究的重點方向了,尤其是現(xiàn)代家用電器的課題研究,已經(jīng)將智能機器人推到了風口浪尖,這種轟動效應是社會不斷進步和科學技術的飛速發(fā)展的結晶。服務機器人已經(jīng)滲到我們的生活、工作和經(jīng)濟的各個方面,并發(fā)揮了很重要的作用。我國經(jīng)濟實力的發(fā)展程度在某種程度上上和機器人等相關的智能化產(chǎn)業(yè)的技術研究以及發(fā)展有著很大的關系。在服務性質(zhì)的機器人領域,清潔型的機器人研究一直都是一個比較熱門的研究方向。接下來本文將會提出一種全方位多角度的地面掃地機器人,主要用于清潔狹窄的空間,比如說,在辦公室中,甚

5、至是在普通家庭中,我們實施此種方式的目的就是讓大家進一步了解機器人的重要性,機器人在服務行業(yè)中起到的價值。通過對現(xiàn)在市面上存在的家庭型智能清潔機器人的研究,在其已有的機械系統(tǒng)的基礎上對其進行詳細分析,并同時對現(xiàn)有機器人進行功能優(yōu)化。讓讀者和使用者了解一個信息就是機器人將會在未來的服務行業(yè)里起著很重要的作用。同時也讓大家意識到機器人對社會發(fā)展的必要性。此次調(diào)研同時對機器人行業(yè)的現(xiàn)在所處狀態(tài)和發(fā)展過程中的重要影響因素進行了深入研究及探討,同時對其應用領域有著一定的理解。關鍵詞關鍵詞：服務機器人，清潔機器人，運動原理，清潔方式。2第一章第一章 前言前言1.11.1 題目要求題目要求 21 世紀的時代

6、背景下,科學技術有了突破性的進步,人工智能科學水平也走了很大程度的提升。同期,計算機應用的熟練程度也取得了諸世的成就。很顯然智能清潔機器人已經(jīng)成了智能技術研究領域的熱點問題了。在這些領域當中,服務型的智能機器人已經(jīng)成了應用領域的開辟者,接下來要講的三大現(xiàn)狀是服務型機器人出現(xiàn)的重要原因:1.隨著社會的進步,人工服務的成本在不斷的增加。2.人們對于重復性的勞動已經(jīng)厭倦了,比如說照顧病倒在床上的病人、做家務等一些重復性勞動。3.在中國這樣一個地大人多的國家,人口老齡化問題日益嚴重與之對應的社會福利待遇體系也在不斷的完善,這在某種程度上也為機器人的研究和發(fā)展提供了方便和廣闊的應用市場。服務性質(zhì)的機器人

7、有一個很大的特征就是,它是一個機器人系統(tǒng),此系統(tǒng)包括特定的方法、某種特定的環(huán)境下執(zhí)行某個任務的過程。它有著一定程度的移動性在非結構環(huán)境下。故此,移動型機器人成為了市場的主導者。 家庭移動自動清潔服務機器人是一個多學科集合的產(chǎn)物,它包括傳感器的應用技術、人工智能方面的研究、自動控制技術、計算機作用、整個集成電路的應用技術等。智能移動型自動清潔型機器人是整個智能機器人的先驅(qū)者,早在 20世紀 80 年代就已經(jīng)被眾人所研究。家庭型的清潔服務機器人的迅速發(fā)展得益于吸塵器機器人的研究。吸塵器智能機器人的研究在很大程度上對傳感器技術的發(fā)展、圖像和語音識別之間的轉(zhuǎn)化、移動機器人方面有很大的推動作用。就是在這

8、樣的大環(huán)境下,我提出了此文,也就是對家庭型清掃機器人課題的研究。設計家庭清潔機器人的過程中對以下內(nèi)容進行了定義：該機器人采用的運動方式：滾輪式工作時最高運行速度：0.5ms高度:100mm寬度:400mm此種機器人工作時采用的清潔方式:清掃、對地面進行吸塵一次充電連續(xù)工作時間： 0.8 小時其具有一定的路徑記憶功能能夠很大程度上對障礙物進行躲避另外一旦自身電量不足可以實現(xiàn)自充電操作。3 1.21.2 國內(nèi)外相關產(chǎn)品研究國內(nèi)外相關產(chǎn)品研究 智能化移動型機器人真正意義上的先驅(qū)者其實是地面清潔型機器人,其實早在 20 世紀 80 年代已經(jīng)有技術團隊對其進行了研究。到目前為止,一些概念性的智能機器人產(chǎn)

9、品已經(jīng)被小批量的生產(chǎn)出來了。家庭型的清潔服務機器人的迅速發(fā)展得益于吸塵器機器人的研究。吸塵器智能機器人的研究在很大程度上對傳感器技術的發(fā)展、圖像和語音識別之間的轉(zhuǎn)化、移動機器人方面有很大的推動作用。接下來我對清潔型智能機器人自身的特點以及在當今技術發(fā)展下他的研究現(xiàn)狀和獨立充電技術進行以下描述:1.2.11.2.1 國外產(chǎn)品研究狀況國外產(chǎn)品研究狀況 智能機器人想必大家都聽說過,你可能不會太陌生,但我們對家庭機器人了解的卻非常的少,但是,在一些發(fā)達國家,比如說歐美和其他國家,他們對于機器人的研究是相當?shù)南冗M,他們可以很成熟的讓機器人進行服務于人類,將智能化機器人的技術很熟練的應用在了現(xiàn)實生活當中。

10、另外還有很大一部分在市場上已經(jīng)投放,并在實際生活中予以應用。世界上有一臺這樣的智能化機器人,他是一種智慧的結晶,他可以完成復雜環(huán)境中的大部分家庭地面清潔工作,它是世界首臺,后來大家以 RC3000 智能清潔型機器人稱呼它。如圖 1-3 所示,它靠內(nèi)置芯片以及光電傳感器的控制,在遇到某一障礙物時影響其正常運動軌跡后會改變一定的夾角,進一步繼續(xù)移動,每次遇到障礙物機器人都會以這樣的夾角來移動,這樣他可以很大程度上躲開障礙物的影響另外此款機器人可以根據(jù)不同的周圍環(huán)境進行不同清潔程序的選擇,這樣可以很大程度上將臟污地面進行清潔干凈。因為這款智能機器人有著多達四種清潔程序的服務性質(zhì)的機器人。其整個運行原

11、理為當遇到不同程度臟污的地面時,可以調(diào)整其不同情況下的清潔程序,另外內(nèi)部設置有光敏傳感器,其存在的意義在于當智能機器人移動過程中遇到像樓梯和臺階這樣的障礙物時能夠很大程度上的進行避讓以至于正常進行工作。另外此款機器人的外觀設計也是十分的人性化,外形為扁平狀的機身,這樣設計的目的是能夠?qū)⒉鑾?、沙發(fā)、床等物品下部的狹小空間予以清理。另外再此種機器人的充電站有五中功能,包括充電、垃圾的清理.、不同工作模式合理選擇、工作時間的設定以及自帶紅外線發(fā)射功能。充電站的工作原理為不停的發(fā)射紅外線并通過導航信號予以補充進行對機器人實現(xiàn)指示充電和自動完成充電功能和垃圾處理功能。同時還能根據(jù)使用者的不同需求以指示機

12、器人進行不同功能的操作。如圖 1-3 所示：4 2002 年年初,世界著名的企業(yè)松下電器用了自己大量的研發(fā)人員經(jīng)過多次改進最終成功的研發(fā)出了一款較為成功的家庭實用型智能機器人。它在某種程度上可以實現(xiàn)多功能自動化的操作 2002 上半年,此種類型的智能機器人的試制機就被推出。他可以通過對周圍環(huán)境的分析計算將周圍不同種類的垃圾進行分類清掃并處理。另外在此款智能清潔機器人上邊還配置了能夠避開障礙物的安全功能裝置和感應墻壁爐這樣熱源的裝置。在這款機器人身上安裝了 50 多個傳感器,他可以同時進行自移動和清掃工作。另外他有著一定的記憶功能,也就是在他正常工作時第一步他會沿著墻邊進行一周清掃,將房間的形狀

13、進行記憶,之后如果在移動工作的過程中遇到障礙物可以輕松的繞過障礙物進行靈活自如清掃工作,另外一旦完成整個室內(nèi)的清掃工作后其會自動停止工作。此種機器人清掃不同面積的房間需要不同的時長,像一般的日式房間需要大概 9 分鐘,這種速度是一個成年人打掃同面積大小的空間的 1-1.5 倍時間。另外他對整個空間的清潔面積有很大的清掃率,能夠清掃整個空間的 92-93%,智能清潔機器人工作期間能夠很好的避開障礙物的工作原理就是通過光和超聲波傳感器的配合使用進行距離和障礙物的確認及規(guī)避。機器人的移動姿勢可以穩(wěn)定在某一個方向進行直線運動,這是在內(nèi)置回轉(zhuǎn)傳感器的協(xié)助下實現(xiàn)的。如果讓其在地毯上進行工作,由于地毯本身有

14、花紋的存在,所以清潔機器人會沿著對應的花紋運動,從而體現(xiàn)出來的結果就是,軌跡為彎彎曲曲的。為了避免這種情況的發(fā)生,貴司在此種機器人內(nèi)部配置了可以掌舵的方向傳感器。他可以很大程度上檢測出因為地毯花紋對運行軌跡產(chǎn)生的影響,從而將這種影響降低到最小程度。使得機器人能夠按照正常軌跡進行運動。另外,此款機器人不僅配置了落差傳感器以防止清潔機器人從高處滾落下5來,另外還配置了可以感知熱源的熱源傳感器避免機器人遇到熱源被損壞的風險。此種機器人正常工作時對距離有一定的要求,與障礙物之間的距離應該大于 10厘米的范圍,與熱源的距離應該控制在 50 厘米以外。2003 年 11 月,三星科研團隊面向市場推出了一塊

15、自動化程度非常高的智能機器人,整個科研團隊賦予它 VC-RP30W 代號予以稱呼。如圖 1-6 所示：VC-RP30W 的定位在技術層面上是需要 3D 地圖技術進行技術支持的。正如前文所敘述的那樣,智能機器人在工作初始狀態(tài)會在工作范圍內(nèi)進行整個邊緣進行記憶性運動,接著他會通過自己內(nèi)存的位置信息進行計算從而躲避障礙物。另外 VC-RP30W 會自動改變方向以便進去接下來正常的工作當其遇到死角或者是無法跨越的障礙物時。該種機器人還有著一項非常強大的功能就是,他可以通過自己的智能計算能力對日常生活垃圾和特殊垃圾進行分類處理。還可以根據(jù)人未因素進行不同程度不同功能的作業(yè)模式。作業(yè)模式一旦設定,即使主人

16、不在其身邊,智能機器人也可正常進行作業(yè)將房屋打掃干凈。真正的使用過程中,智能清潔機器人不僅可以在程序上進行設定,同時也可以通過下載一定的軟件對該智能機器人進行綁定以便于進行遠程操作控制機器人的工作情況。給此機器人充滿電之后正常情況下他可以工作將近一個小時,一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)自身電量不足,他可以根據(jù)自身內(nèi)置程序回到原來充電位置進行充電操作?；爻潆姌哆M行充電的智能操作是在自身生成的 3D 地圖上予以實現(xiàn)的。 1.2.21.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 在我國,像華南理工大學、上交大、哈工大等這些 985/211 名校到位,他們對智能機器人的研究可謂是風生水起,他們有大量的數(shù)據(jù)作為理論支撐,最

17、終也得到了不錯的研究成果。同時在以下幾個方面也得到了不同成都的提升:1.機器人在6傳感器技術方面的應用得到了一定的提升。2.智能機器人工作起來主要智能化提現(xiàn)出來的定位導航以及路徑規(guī)劃方面的軟件系統(tǒng)也能后得到一定的進步。3.為智能機器人正常工作提供動力保障的電源及電源管理系統(tǒng)也有了很大提高。這些技術的提升,在很大程度上為智能清潔機器人的深入研發(fā)奠定了堅實的基礎。浙大機械專業(yè)早在 1999 年就進行了關于智能化清潔型機器人的研究,它們通過對此項目的研究在很大程度上助力了其智能化的提升。首先,它有一定的自學習能力,能夠?qū)⒅車h(huán)境特點記錄在自己的系統(tǒng)中,并通過超聲波傳感器的技術測量所處空間的中間位置及

18、兩端對稱距離。測量距離的主要目的是使得智能機器人在工作過程中能夠明確的避免障礙物的干擾。另外如此循環(huán)幾次,智能機器人內(nèi)置芯片會計算出自己的安全工作路徑。清潔之后,為了不影響下次智能機器人的正常工作,它需要通過一定的路徑規(guī)劃返回至充電插座處對自身進行充電以補充電量。他們研究的智能機器人的工作空間為 5.5*3.5 平方米,在這樣一個空間中, 通過對機器人工作狀態(tài)的研究我們可以實現(xiàn)普通房間 90%的空間清潔率，達到這樣一種清潔程度只需要機器人正常工作 10 分鐘左右的時間。另外如果有更大空間的清掃工作的具體數(shù)據(jù)還有待進一步驗證。除此以外，對周圍環(huán)境進行視覺記憶和進行多方位的位置記憶從而達到全方位定

19、位也是研究的重點，大家研究的主要目的是為了提升機器人能夠在較多或者較大的工作空間內(nèi)有很好的空間記憶功能，增加機器人的協(xié)調(diào)控制功能，最終為實現(xiàn)高效的清潔工作提供技術支持，以便于更高效的完成清潔工作。如圖 1-7 所示：圖 1-7 國產(chǎn) KV8 保潔機器人1.2.31.2.3 電源自主充電技術電源自主充電技術 自動充電也是目前清掃機器人的主要研究問題,此款機器人可以通過自己系統(tǒng)對周圍環(huán)境情況的記憶能夠快速找到就近的充電樁進行充電。同時他會停止現(xiàn)有的工作。這是此款智能機器人在自主認知方面最重要的體現(xiàn)。 (1)機器人的感知行為:感光;(2) 機器人通過自身的感知系統(tǒng)可以感應到充電站發(fā)出的光信號;(3)

20、可以準確的將電池和充電器對接。71998 年,某知名高校成功的研發(fā)出了一款能夠未盲人提供幫助的導向機器人,這款機器人也可實現(xiàn)自動充電動作。同樣他也可以在自身電量即將用完的時候根據(jù)自身芯片自動生成的位置信息返回原位進行自動充電操作。因此,有許多關于自動充電功能設計的研究。該研究最成熟的研究方法是通過紅外線發(fā)射塔發(fā)射紅外線信息以傳遞給清潔機器人,機器人在通過內(nèi)部計算從而找到充電裝的位置進行充電。但是,如果深入研究會發(fā)現(xiàn),不同的基站會出現(xiàn)不同種信號,如果機器人一旦接收不到信號,或者是接受到了錯誤信號后,此時機器人會啟動內(nèi)置的搜索功能,根據(jù)自身記錄的位置信息搜索最近的紅外線基站,然后通過基站獲得充電樁

21、的位置信息實現(xiàn)充電操作。此種研究成果已經(jīng)在像哈工大和德國凱馳公司這樣的機構落地了。但是截止目前機器人自動尋找充電位置并同時完成充電對接技術的產(chǎn)品并未上市。1.31.3 研究的目的和意義研究的目的和意義 清掃機器人的出現(xiàn)是一種多種技術集成的產(chǎn)物,它能夠十分完美的將可平行移動機器人和可進行吸塵的吸塵機器人二者融合在了一起。由此一來可以實現(xiàn)半自動化的清掃衛(wèi)生的功能。隨著清潔機器人研究的不斷深入,國內(nèi)外研究學者對重型清潔型機器人的研究興趣日益高漲,因為作為智能科技的一種特殊應用,如果我們從技術層面進行分析的話智能化自動吸塵器機器人是多項技術柔和在一塊的結晶,它是移動機器人的代表。如果我們從市場來考慮的

22、話,智能化自動清潔機器人的應用市場可謂是相當?shù)膹V闊。1.41.4 設計的重點和難點設計的重點和難點 根據(jù)前文所述,如何設計出一款寬 400 高 100 的智能家庭式清潔機器人是本次課題的主要內(nèi)容和要求,此款機器人能否順利設計出來,就在于能否將吸塵、移動、清掃、以及地理位置信息存儲這幾個技術性的問題搞定。同時機器人的機械機構也是本次課題研究的重難點。清潔效果如何,吸塵設備的安裝位置都需要在本次課題中予以重視。第二章第二章 家庭清潔機器人的關鍵技術家庭清潔機器人的關鍵技術傳感器應用技術系統(tǒng)、整個體統(tǒng)控制技術、移動機械機構和吸塵器的工作原理是家用智能清潔機器人的四大組成系統(tǒng)。接下來我們對這四大組成部

23、分予以深入分析。首先是整個機器人工作期間的移動機械機構的工作原理,他主要是穩(wěn)定機器人的方向,吸塵器能夠有多大的運動空間全部是由移動機構進行控制的。這種結構通常采用輪式機構。然后就是各種傳感器對應的感知系統(tǒng),此種系統(tǒng)采用的是超聲波進行測距、紅外線和傳感器進行接觸然后反饋信號,最后在 CCD8攝像機的輔助下進行圖像信息傳輸?shù)?。近年?計算機技術在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展下取得了很大的進步,人工智能技術的研究也日益成為了整個技術研究方向的標桿,像移動式智能機器人水平和傳感器應用系統(tǒng)也得到了迅猛發(fā)展。智能化技術的基礎是在吸塵器機器人控制系統(tǒng)的深入研究下建立起來的,同時,此種研究也為智能化發(fā)展提供了很好的應用前景。

24、吸塵器機器人工作的環(huán)境往往是復雜不確定性的,這樣的環(huán)境對機器人的控制系統(tǒng)有著極高的考驗,首先我們應該考慮其要有穩(wěn)定的安全性,然后就是機器人工作運行起來的可靠性,最后就是工作過程中對周圍環(huán)境的抗干擾性和清潔度。傳感器的使用對于智能機器人的研究有著很重要的意義,通過傳感器的信號輸入,在通過機器人內(nèi)置的芯片進行一定的建模,將機器人的工作環(huán)境進行記憶。通過對現(xiàn)有智能化清潔機器人的研究,智能化機器人可以在較為復雜的環(huán)境中進行自主移動,為了進一步將該種類型的智能化機器人的自動化程度進一步提升,我們不僅需要在實時數(shù)據(jù)傳輸上進行優(yōu)化,、選擇比較合理的人工智能方法、智能化機器人的模式和障礙性質(zhì)的識別。同時還需要

25、對整個機器人的運行模式予以分析研究,以便將整個機器人的全局信息進行深入分析。隨著吸塵機器人的迅速發(fā)展,當今社會的發(fā)展受到了其很大的影響。其中有這幾項關鍵性的技術:路徑規(guī)劃、電源充電、傳感器應用、智能控制等。2.12.1 傳感技術傳感技術 如果吸塵機器人在某一空間內(nèi)能夠以正常狀態(tài)進行工作,這就需要我們對機器人的一些基本信息予以確認,主要包括確認機器人位置是否在正常工作的環(huán)境內(nèi)、該機器人是以什么樣的姿態(tài)進行工作的、正常工作時的運行速度及系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)。并且可以通過機器人的傳感器和其他信息傳遞元件確定機器人的工作環(huán)境下的靜動態(tài)數(shù)據(jù)信息。吸塵器工作有一定的工作順序,另外對其進行正常的操作也可以讓其很快的

26、適應工作環(huán)境。 傳感器的種類也有很多,比較常見的分類方式是將其分為外部和內(nèi)部兩種形式的傳感器。其中內(nèi)部傳感器主要以下零部件構成:線加速度計、編碼器、磁羅盤等。線加速度計的存在主要是對加速度信息予以確認并能夠快速的找到機器人所處的位置。機器人正常工作狀態(tài)時有各種不同的參數(shù),像其朝著那個方向運動,以什么樣的姿態(tài)進行運動,機器人轉(zhuǎn)動起來對應的轉(zhuǎn)動角度的確認,這些參數(shù)的確認是在陀螺儀的協(xié)助下得到的,另外其還能存儲機器人的航向信息。外部傳感器的組成有以下幾種:進行距離測量的超聲波傳感器和紅外線傳感器的集合應用、彼此接觸到能夠予以確認的接觸傳感器或者視覺傳感器。通過 CCD 攝像頭進行機器人定位以及識別,

27、甚至可以通過機器人的運動路徑獲得其工作環(huán)境的地圖信息。92.22.2 路徑規(guī)劃技術路徑規(guī)劃技術 機器人正常工作起來能夠?qū)⑵涔ぷ鳝h(huán)境周圍的信息進行記憶,一般機器人工作開始后先會沿著整個工作區(qū)域的四周運動一圈,運動后,外邊緣的信息會記錄在其內(nèi)存卡內(nèi),接下來,系統(tǒng)會根據(jù)自身計算機所具有的特定算法進行合理的推算,算出機器人正常工作的最優(yōu)化路徑。接下來就可以實現(xiàn)高效清潔作業(yè)了。此時機器人能夠工作的環(huán)境是相對比較全面的。大家會從機器人的靜態(tài)和動態(tài)兩方面予以研究。 我們通過研究發(fā)現(xiàn)機器人可以通過不同的方式獲得周圍環(huán)境信息，具體主要以建立在模型的基礎上進行路徑規(guī)劃和靠傳感器技術的支持獲得路徑規(guī)劃信息兩種方式。

28、如果單純的考慮機器人對路徑規(guī)劃的內(nèi)容，根據(jù)目前的技術發(fā)展來看他有著一定的算法程序予以支撐。但是由于計算機分析算法用到了橢圓積分的內(nèi)容,所以真正的實現(xiàn)起來是相當困難的。另外我們根據(jù)機器人對環(huán)境的了解程度我們可以將其分為兩種不同的類型,一種就是能夠?qū)χ車畔⑦M行全面掌握的全局路徑規(guī)劃還有另外一部分就是只能進行部分位置獲取并分析的部分路徑規(guī)劃。然后再通過位于機器人上的不同傳感器反饋障礙物,聲波、光源等信息給芯片予以計算分析,最后獲得在某些位置對應的障礙物的大小形狀等信息,在快要到達該位置時能夠很準確的躲避障礙物。另外關于全局路徑規(guī)劃我們需要知道的是它有路徑位置搜索和周圍環(huán)境建模兩大子問題,另外可視圖

29、、自由空間、格柵法都是環(huán)境建模的主要研究方法。2.32.3 吸塵技術吸塵技術 真空吸塵器應用的技術原理是通過內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)的扇葉產(chǎn)生的強大氣流造成吸塵器內(nèi)部低壓外部高壓的壓差,如果吸塵器槍頭位置有垃圾灰塵等就會在壓力差的作用下將異物吸入吸塵器。吸塵系統(tǒng)由很多不同的子系統(tǒng)組成,包括:集塵袋、排氣管、濾清器等零部件。他的工作原理就是氣流的快速運動形成渦流氣體最終將沉積物吸入吸塵器的渦流室內(nèi)部達到吸塵的功能。2.42.4 電源技術電源技術移動電源是吸塵器的心臟,它要擔負起為吸塵器提供動力來源的作用,吸塵器功能越強大對移動電源的性能要求也就越高,比如電源需要為移動機構提供電壓并作為吸塵模塊的能量供給空間

30、站。主要的代表有鉛酸電池和鎳鋅電池等。燃料電池相對來說成本就比較高了,像氫燃料電池等,此類電池很少應用在常規(guī)產(chǎn)品上邊,因為其成本投入太大。針對常用的二次電池來說,其中鉛酸電池是比較常見的機器人使用的電池類型,他有著一定的優(yōu)點,比如說壽命長比較耐用、放電電壓比較高、價格低廉相對比較親民。另外自身的電阻也比較小,能量損失減較少、充電時間快切成本低廉。所以這種電池是吸塵器電源的不二之選。10第三章第三章 清潔機器人的機械設計清潔機器人的機械設計3.13.1 機械結構組成和工作原理機械結構組成和工作原理 本課題研究的主要目的就是開發(fā)出來結構類型緊湊，使用靈活方便、控制起來較為容易、不同功能之間的切換較

31、為容易實現(xiàn)、更重要的是他能夠完成自動移動、規(guī)避障礙物、合理規(guī)劃路徑等,另外此機器人的設計主要有控制系統(tǒng)和機械運動兩大系統(tǒng)。對機械性能有一定的要求,外殼一定要有高強度的柔性,底盤應該有一定的穩(wěn)定性,需要對其配備兩個驅(qū)動輪和一個從動輪用來實現(xiàn)移動功能。最后就是吸塵器吸入點口徑的大小、電池能量系統(tǒng)、整個動力控制系統(tǒng)、清潔刷的清潔系統(tǒng)等。外觀見圖 3-1：3.1.13.1.1 機械結構組成機械結構組成本課題研究的智能清潔機器人結構見圖 3-2。其由接著來要討論的三部分構成： (1)行走驅(qū)動輪及驅(qū)動電機。有了這兩種結構的支持，使得機器人能夠靈活自如的在工作區(qū)域內(nèi)進行移動。為了防止用于碰撞檢測的傳感器的脫

32、落,所以在機體的底部安裝了三個紅外開關。另外為了實現(xiàn)對輪速的檢測和監(jiān)控,在驅(qū)動輪上安裝有可以實現(xiàn)路徑規(guī)劃和定位的光電編碼器。另外精確定位功能也可以在超聲波傳感器上實現(xiàn)。 (2)清掃機構。此機構主要依賴于兩個清潔刷,動力來源為電機驅(qū)動。有兩種方向的運動,一個是清潔刷向右側進行逆時針旋轉(zhuǎn), 與此對應的是反方向的進行逆時針向左側進行旋轉(zhuǎn)運動。這種結構的設計初衷就是為了使吸塵器機器人清理的灰塵進行集中處理。(3)吸塵機構。由強大的電機系統(tǒng)提供動力以得到強大的吸塵能力。灰塵全部吹進存儲盒予以排出。 11 清掃機器人機械大體結構組成 不同文刊上經(jīng)?？吹捷喪揭苿訖C器人，這種機器人主要有三種不同類型，他們主要

33、以輪子數(shù)量進行區(qū)別，分別為 3、4、6 個輪子。三輪機構是應用最為廣泛的一種，它的結構較為簡單，使用起來也是相當?shù)姆奖恪Ｋ妮喗Y構是三種里最為復雜的，但是其承重能力比較強。六輪機構較四輪有更強的穩(wěn)定性。本課題的設計中使用三輪機構就能滿足要求。 通常有兩種三輪轉(zhuǎn)向裝置的方式來構造： (1)鉸軸轉(zhuǎn)向式:轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向功能主要是由安裝在轉(zhuǎn)向絞軸上的轉(zhuǎn)向輪在旋轉(zhuǎn)電機的減速器和機械連桿操控機構來控制的。(2)差速轉(zhuǎn)向式:差速器的實現(xiàn)主要依靠安裝在機器人底部兩滾輪處的驅(qū)動電機來實現(xiàn)的,他實現(xiàn)的機械原理是,兩個電機是彼此獨立的也就是說他們可以按照不同轉(zhuǎn)速進行運動,因為驅(qū)動電機直接與兩個輪子相連接,如果轉(zhuǎn)速不一致

34、可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能,移動式的智能機器人使用絞軸轉(zhuǎn)向來控制轉(zhuǎn)向的方式相對比較簡單,但是其轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的精度卻比較不明顯。另外一種差速轉(zhuǎn)向控制機構結構上雖然較為復雜,但是他的精度很高。這種高精度的控制系統(tǒng)能夠很大程度上依靠自身在工作期間較為靈敏的規(guī)避掉障礙物。綜上所述,本課題設計選用的為三輪差速轉(zhuǎn)向式的控制系統(tǒng)。三輪差速轉(zhuǎn)向式驅(qū)動結構見圖 3-312圖 3-3 三輪差速轉(zhuǎn)向式驅(qū)動結構 通過上文的陳述，我們可以精準的對步進電機進行速度上的控制，這建立在多種頻率脈沖信號從步進電機上發(fā)射出來的前提下。同時,如果兩個電機上得到了不同的脈沖信號時,吸塵器的六自由度的功能實現(xiàn)主要依賴于兩個驅(qū)動輪的驅(qū)動電機之間的

35、差動。也就是位于兩個驅(qū)動輪上的驅(qū)動電機同時以不同轉(zhuǎn)速實現(xiàn)此差動功能的。這種方法相對來說比較容易精準的控制機器人的移動方向和狀態(tài)。3.1.23.1.2 工作原理工作原理 本課題設計的機器人的功能模塊之間的關系圖見 3-4。多個不同功能之間的配合是一個智能機器人應該具有的最基本特點。不同模塊之間的工作原理就是:CPU 作為智能機器人的核心,主要對各個不同模塊起到協(xié)調(diào)支配的作用。信息采集模塊,他的存在就是將機器人運動過程中遇到的障礙物信息、路徑信息,通過位置傳感器和光傳感器、超聲波傳感器等傳遞的信息進行收集整理。最后由信息采集模塊將匯總好的信息一塊發(fā)送給 CPU 進行計算分析。CPU 通過運算會將計

36、算結果再傳遞給執(zhí)行機構讓機器人按照對應的指令進行工作。有時候機器人正常工作的過程中,各個不同模塊之間的工作狀態(tài)會在 LED 顯示模塊上予以實時顯示。機器人工作的流程如下： (1)首先機器人是否需要開始工作,我們可以通過遙控器或者是電腦鍵盤對其予以控制操作。(2)當機器人開始工作,控制清掃機構進行清潔、吸塵機構開始抽塵。(3)機器人正常工作狀態(tài)開啟時,傳感器模塊會將從周圍獲取的信息進行收集整理并最終發(fā)送至 CPU 處供其進行分析計算決定機器人接下來要走的路徑。(4)由強大的電機系統(tǒng)提供動力以得到強大的吸塵能力。灰塵全部吹進存儲盒予以排出。13在各種類型傳感器的配合下,機器人會將其各種信息進行收集

37、整理最終分析出機器人所處的工作環(huán)境和路徑狀態(tài)。周圍環(huán)境主要就是障礙物的大小、形狀、位置等一些基本信息。最后將這些信息反饋給主機并進行分析給出一個合理的路徑線路圖,使得機器人能夠避免與障礙物撞到。進行接下來的正常工作。3.23.2 清潔機器人總體設計清潔機器人總體設計3.2.13.2.1 機器人外形設計機器人外形設計機器人之所以被設計成有限的體積在直徑為 400 和高度 100 的圓中,可以留出放電池,控制中心和觀察中心的地方,可是如果選用它,就必將會占用大量的空間,所以其他一些單元將放置不下,這就超過了設計的大小,所以就否定了這種方案,機器人的外形最終設計為圓盤形狀,其外輪廓如圖 3-5 所示

38、143.2.23.2.2 機器人的行走機構設計機器人的行走機構設計 如果想實現(xiàn)智能清潔機器人的轉(zhuǎn)彎半徑為零,智能機器人正常工作時對其移動機構中就需要選用兩輪獨立驅(qū)動的方式,并且二者成對稱位置布置在兩個驅(qū)動輪位置。機器人在運動過程中轉(zhuǎn)動時會對電機前進裝置進行控制以實現(xiàn)兩個電機分別以不同轉(zhuǎn)速的方式運作。這樣對于機器人的清潔效果能起到很好的作用。差速運動如果能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零,這樣的話車輪的運動方向也能得到控制。3.2.33.2.3 清掃機構的設計清掃機構的設計對于機器人清潔機構的設計我們主要有以下四方面的考慮：(1) 斜齒輪 1 由電機進行直接控制、再對斜齒輪 2 進行控制操作、最后斜齒輪 3在

39、齒輪 2 的帶動下實現(xiàn)軸和滾刷的連接從而間接實現(xiàn)清潔功能；15(2) 錐齒輪 1 通過電機進行動力傳動，再進一步將動力傳遞給錐齒輪 2，進一步使錐齒輪 2 的軸與滾刷進行連接達到清潔的功能；(3) 蝸桿在電機的驅(qū)動下，兩端與渦輪機相連接，渦輪機軸與刷子進行連接從而實現(xiàn)對臟污地面的清潔功能；(4) 蝸桿在電機的驅(qū)動下與渦輪進行連接，然后再與皮帶輪和其軸與刷子相連接實現(xiàn)清潔功能操作。16以上四種選項受到比較和設計的要求的限制，最后第四個選項是清潔機構。其正面結構如下圖所示 3.2.43.2.4 吸塵機構設計吸塵機構設計對智能機器人吸塵機構進行設計時,需要注意的是風扇應該位于垃圾儲存盒17的上方位置

40、,另外在風扇的上蓋位置應該留一個薄壁腔并且在其上邊開一圓孔,這樣做的目的主要是為了將內(nèi)部空氣排除干凈。另外在儲存盒的上方應該加上一個防塵的裝置,此裝置旁邊還需留兩個方形孔(見圖 3-11),儲存盒位置有小風扇,小風扇運動起來可以帶動周圍的空氣這樣就形成了一個壓力差。清潔空氣可以通過這樣一個壓力差排除儲存盒,外界的灰塵就被壓了進來,從而達到吸塵目的。3.2.53.2.5 垃圾收集處理機構設計垃圾收集處理機構設計連接到電機的小齒輪有電動機驅(qū)動此外通過控制電動機的正向和反向旋轉(zhuǎn)來提升和控制垃圾收集擋板。采用如下圖所示的方案后,該方案通過毛刷將垃圾掃至吸入口。如 3-13 所示:18 整個機器人的質(zhì)量

41、主要集中在機器人的清潔部分，同時這一部分也是整個系統(tǒng)最重要的部分。能夠獨立的進行工作可以機器人的使用更加便捷，更加高效。一旦將清潔部分進行獨立安裝可以在以后得工作過程中降低整個機器人的質(zhì)量，同時也為評判機器人的固定件起到了保障作用。固定件如下圖:最終設計家庭清潔機器人大體布局如圖所示：19第四章第四章 具體計算具體計算4.14.1 電機選擇電機選擇(2) 根據(jù)橡膠在優(yōu)質(zhì)路面上行走，取滾動摩擦系數(shù) =1，滑動摩擦系數(shù)=0.1，則:阻力矩：=fR+Mf=1.6348103+0.0163=0.0945N.m 工作機要求的功率= Tw*n9550，式中：=0.126N.m由 =2=204r/min取，

42、則=3.83W，電機所需的輸出功率=,其中=*0.97*0.9=0.86,則電機所需的輸出的功率= =4.45W。(1) 估計機器的總重量為 5kg、g 為 9.8Nkg，則 G=5*9.8=49N 則分配到每個輪子上的載荷位 F=13G=13*49=16.3N.20(3) 確定電機。電機的確定主要有以下方面的考慮,轉(zhuǎn)彎半徑上要求如果是零就需要考慮在兩個驅(qū)動輪上分別安裝電機用來間接實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎半徑為零這樣一種結果。同時參考(2)中的計算方式得到的電機相關參數(shù)中功率的數(shù)據(jù),我們可以確定寧波市北倉電機廠生產(chǎn)的 YCJT 符合輸出功率為 4.45w 的驅(qū)動要求。4.24.2 蝸輪蝸桿的選擇蝸輪蝸

43、桿的選擇(1)選擇蝸桿傳動類型根據(jù) GB /T10085-1988 的推薦，采用漸開線蝸桿(ZI)(2)選擇材料本設計中使用的蝸桿和渦輪需要有更高的效率和更好的耐磨性,所以蝸桿螺旋齒面必須淬火,硬度 4550HRC。渦輪用鑄錫磷青銅 ZCuSn10Pb1,金屬模鑄造。(3)根據(jù)齒面接觸疲勞強度進行設計1、確定載荷系數(shù) K根據(jù)傳動比，選擇為 i=14，參考蝸輪蝸桿參數(shù)表取 Z1=2，于是 Z2=28。由于工作載荷相對穩(wěn)定，因此采用載荷分布不均勻系數(shù)=1，由查表機械設計確定計算公式所需參數(shù)：=1，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載荷系數(shù)=1. 1；則載荷系數(shù) K=1*1.1*1=1.1；2、確定作用

44、在渦輪上的轉(zhuǎn)矩 T2：3、確定彈性影響因素 Ze因選用的是鑄錫磷青銅齒輪和鋼蝸桿相匹配，故查機械設計得：Ze =160。4、確定接觸系數(shù)首先假設蝸桿分度圓直徑 d1 和傳動中心距 a 的比值 d1/a=0.35，從機械設計查表的 Zp=2.9。5、確定應力循環(huán)次數(shù)應力循環(huán)次數(shù)查機械設計得：=230MPa -=90MPa= 194Mpa；= = =52MPa6、計算中心距 a=40.2mm1.21 * 234469 * (160 * 2.9 /194)N2=60 N2Lh=60*206*12000=1.48*108T2=9550*106*P /n 當=2 時，=0.70.9，取 =0.8，代入式

45、中得：T2=9.55*=9.55*=234469N.mm21取 a=40mm，因 i=14，從機械設計中查表取模數(shù) m=2mm，蝸桿分度圓直徑 d1=22.4mm。這時 d1/a=0.56，從機械設計中查圖得 Zp=2.42.9，因此以上計算結果可用。查表選取 分度圓導程角 r=100729。中心距=40 mm，d2 =mz2=58；a=40.20mm，不是標準推薦中心距。本設計不采用變?yōu)?，?a=40.20。(3) 驗算初設參數(shù)蝸輪圓周速度=0.63m/s，原估計3m/s，選 Kv 值，相符?；瑒铀俣? =3.54m/s，在范圍之內(nèi)，所選材料是合適。蝸桿傳動效率=（0.950.96） 根據(jù)=

46、1.8m/s，查表得 =2，不符，應該適當降低初效率應。（5）驗算齒根彎曲疲勞強度和剛度蝸輪當量齒數(shù)=/ =29.44，查得齒形系數(shù)=2.65；則可求的：=1- =0.917帶入式中=27.85Mpa 成立。彎曲強度滿足要求。（6）蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)和幾何尺寸1、蝸桿模數(shù) m=2，頭數(shù) z=2齒根高 hf=2.4mm，齒頂高 ha=2mm。2、渦輪= (1.6K)/ Fa2，所以只需要校核軸承 1 即可因為選取 X=1，Y=0，fp=1.0所以所以所以符合要求。4.6 清掃機構中渦輪軸的校核清掃機構中渦輪軸的校核軸上能使產(chǎn)生彎矩的力有 Fr，F(xiàn)tFr=0.081NFt=0.015N兩個力在相

47、互垂直的兩個平面上，L=69mm，D=12mm 如下兩個視圖 4-3做彎矩圖如 4-4 所示Fa/Fr=0.0618/0.1405eP=FP (XFR+YFA)=1.0*(1*0.1405+0*A)=0.1405=( ) =1.08*106h10660 * nftCfpP25Mr=0.25FrL=0.250.08169=1.40N.mmMt=0.25FtL=0.250.01569=0.3N.mm合成彎矩 M=Mt+Mr=1.43N.mm= = = = 1.43/(0.1123)=0.01M/mm2 由于前面已經(jīng)選定軸的材料為 45 鋼，調(diào)制處理，查表=60N.mm，故符合強度要求。第五章第五章

48、 總結與發(fā)展總結與發(fā)展5.15.1 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 雖然我國能夠自己清打掃機器人的發(fā)展已經(jīng)取得了很大進步和提高,日用電器是大家生活中必不可少的設施,另外家務能夠占用大家很多的休息時間,一旦智能清潔機器人被投放到市場,大家可以利用他將自己從家務中解救出來。市面上決定可以進行買賣,進入了可以普遍好用的階段,但是機器人本身的能力、它工作起來的運行速度和效率目前還不夠達到想象中的樣子,并且還有可能要面對這一些比較重要技能的提升,比如能夠傳受感覺的機器技求、定位和周圍環(huán)境成模技術、地面路線規(guī)劃技術等。5.1.15.1.1 高度智能化需求高度智能化需求 目前我們社會上的能夠自己吸塵土的機器人在自己的行為

49、上還是低級生物的狀態(tài),因為它的環(huán)境感受能力是比較小的,對路程的規(guī)劃還只是不定的方法或者處于比較小的環(huán)境信息的存在方法,在比較雜亂的環(huán)境還有很多房間的這種環(huán)境下,相對于來說這種工作的方法效率會大大的減少,所以,成立 CCD 眼睛能看到的系統(tǒng),可以結合增加許多種能夠感覺到的進行本身的定位還有環(huán)境建造的模具,進行全方面的規(guī)劃,這也將是一個重大的研究方向同時,算法應該結合系統(tǒng)的處理是否快慢、可以存多少東西的空間的限制。265.1.25.1.2 功能擴展功能擴展 自動智能打掃機器人是一個可以來回移動的智能打掃機器人,在除了能夠打掃這個功能以外還可以有其他方面的功能,比如可以進行一些家電的操作,而且還可以

50、控制房間環(huán)境的檢測(可以預防火災電器突然發(fā)生故障還又有小偷偷東西這些等)。5.1.35.1.3 低成本化低成本化 智能機器人是一個比較操作復雜的系統(tǒng),它本身有使用了很多的可以感受的機器人和一個可能多個的可以提高的很小的處理器,所以可能花費的錢會比較高,但是為了能夠讓普通老百姓都可以能夠用上這種比較科技的東西,必須要降低價錢老百姓才用的起。5.25.2 發(fā)展發(fā)展 雖然現(xiàn)在比較便宜的吸塵器給老百姓的清潔打掃工作有一定的方便還有節(jié)省時間,但是它的噪音比較大,這樣會讓人覺得又不想使用了。吸塵機器人作為為人服務的機器人這些的一個新奇的產(chǎn)品,將使人們可以在沒人的情況下輕輕松松的完成家里的環(huán)境的吸塵等打掃工

51、作。所以只要生產(chǎn)價格考慮到一些家用的電器批量大,再加上一旦大批量進行生產(chǎn)的話相對應的價格也會比較低這樣的特點,相信智能清潔吸塵器機器人的推廣必將在市場上得到大家的廣泛認可,有相關的研究機構對機器人對市場的貢獻量有過很多研究,同時也有其他大量數(shù)據(jù)都在指向一個結果就是智能吸塵器機器人將會是未來需求量最大的智能服務性質(zhì)的機器人。因為日用電器是大家生活中必不可少的設施,另外家務能夠占用大家很多的休息時間,一旦智能清潔機器人被投放到市場,大家可以利用他將自己從家務中解救出來。但是,這樣的前景是好的,現(xiàn)階段的智能機器人的許多關鍵性的技術難關還沒有完全解決,還有很多需要去解決,主要有接下來要敘述的： (1)

52、目前,雖然機器人的研究技術已經(jīng)很成熟,但是因為技術上仍然有一定的瓶頸,價位不夠親民,這是影響其進入家電市場的最大阻力。所以我們的科研團隊可以通過開發(fā)性價比較高的數(shù)字處理芯片和專用的運動控制模塊來降低整個機器人的成本。另外一方面,我們已經(jīng)將藍牙技術研發(fā)的比較成熟了,在現(xiàn)在家電產(chǎn)品上對其應用也是比較廣泛的,另外正在研發(fā)將藍牙技術的連接端切換至個人電腦上,在很大程度上節(jié)約連接端產(chǎn)品的成本。這樣如果能夠切換成功將會將成本控制在 2000 元左右。 (2)在不久的將來,能夠吸塵的機器人慢慢的會變得智能化還有會變成自主的形式,所以我們應該結合本身的基于機器人自己的控制、模糊邏輯、遺傳算法等的可以轉(zhuǎn)動機器人

53、的運動策劃和能夠控制的技術,從而研究并且開發(fā)出對周圍27環(huán)境能夠具有優(yōu)良的本身適應的能力和魯棒性對環(huán)境阻擋的東西具有安全可靠的防止碰在一起功能的智能的可以運動的合理性規(guī)劃與能否控制他們的機器,使得吸塵機器人能夠完成與人們自己可以操作質(zhì)量相同的還有更好的打掃工作,使得地面打掃的更加干凈。 (3)為了達到較高的吸塵效果,我們不僅需要對吸塵系統(tǒng)的清潔質(zhì)量進行深入研究,還需要對該系統(tǒng)在實際工作中的適應能力進行模擬以達到能夠適應多種不同工作環(huán)境。另外我們還可以通過運用模糊邏輯的方法對吸塵系統(tǒng)進行改造升級,進一步提升家庭智能機器人的吸塵效果。 (4)智能吸塵器機器人的主要技術之一就是電源技術,因為好的電源

54、系統(tǒng)如果能夠應用在機器人上邊就可以在很大程度上提升機器人的吸塵效率和吸塵質(zhì)量。另外電池除了能夠延長吸塵時間以外還可以保證吸塵機器人在復雜的環(huán)境中長時間的實現(xiàn)多功能的除塵工作。通過對此款機器人的設計希望他真正量產(chǎn)后能夠為廣大用戶提供一款性價比高的服務型吸塵機器人。參考文獻參考文獻1 濮良貴、紀名剛主編. 機械設計 M. 北京：高等教育出版社，20062 岑軍健主編. 新編非標準設備設計手冊 M. 北京：國防工業(yè)出版社，19993 于駿一 鄒青編主編. 機械制造技術基礎 M. 北京：機械工業(yè)出版社，20044 機械設計手冊編委會. 機械設計手冊M. 北京：機械工業(yè)出版社，20045 周良德 朱泗芳

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