【家用清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)（論文）17000字】

第一章緒論1.1家用清掃機(jī)器人相關(guān)的清潔產(chǎn)品的現(xiàn)狀在這幾年來，隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，越來越多的科學(xué)家投身到智能機(jī)器人技術(shù)的研究，希望能研制出越來越多的機(jī)器人來接替人類一些消耗體力、無聊繁瑣、危險(xiǎn)等工作。其中，服務(wù)機(jī)器人的研制以及使用，讓人們發(fā)現(xiàn)了服務(wù)機(jī)器人能在另一個(gè)領(lǐng)域?yàn)槿祟惙?wù)。下面這些原因能為服務(wù)機(jī)器人提供用武之地：第一，是勞動(dòng)工人的工資上漲；第二，是人們不想干令人枯燥而有很耗費(fèi)體力的勞動(dòng)工作，如打掃衛(wèi)生、做家務(wù)、以及照顧病人；第三，是老年人的增多以及在中國共產(chǎn)黨的領(lǐng)導(dǎo)下祖國地方實(shí)現(xiàn)小康這為一些服務(wù)機(jī)器人提供了廣闊的市場(chǎng)條件。服務(wù)機(jī)器人和工廠里的機(jī)器人不同，服務(wù)機(jī)器人要適合于具體的方式、適應(yīng)工作環(huán)境，它需要在大空間的地方活動(dòng)，可以在地面凹凸不平、彎曲的路面上進(jìn)行移動(dòng)，所以，服務(wù)機(jī)器人大多數(shù)安裝有移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以在地面上進(jìn)行移動(dòng)。當(dāng)家里地面上的垃圾多時(shí)，家用清掃機(jī)器人會(huì)自動(dòng)把垃圾清掃干凈。它涉及的科學(xué)技術(shù)多方面，有機(jī)械方面、電子方面、人工智能方面等……家用清掃機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人中最早一批投入試驗(yàn)使用的服務(wù)類機(jī)器人，它的使用效果將會(huì)影響到后續(xù)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展，在上世紀(jì)80年代的時(shí)候，人們就開始對(duì)它進(jìn)行研究了，目前有些款式的家用清掃機(jī)器人已經(jīng)運(yùn)用，有的已經(jīng)在市場(chǎng)售賣。家用清掃機(jī)器人的研制以及使用，推動(dòng)了與家庭清掃機(jī)器人機(jī)器人相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，也激勵(lì)更多地科學(xué)家對(duì)與家用清掃機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，希望能開發(fā)出更成熟的機(jī)器人技術(shù)，比如：機(jī)器人的路徑規(guī)劃技術(shù)，機(jī)器人的移動(dòng)技術(shù)，機(jī)器人的自動(dòng)充電技術(shù)。我商人的目光來寫《家用清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》這篇論文，它的題目有以下要求：運(yùn)行機(jī)構(gòu)的形式：滾輪式最高速度：0.5m/s高度:＜100mm寬度：＜400mm能夠自己規(guī)劃行走路勁和躲避障礙物具有自動(dòng)充電功能所用的清潔工具：清掃刷、用機(jī)器人上的吸塵器進(jìn)行吸塵在上個(gè)世紀(jì)80年代的時(shí)候，人們開始研究家用清掃機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品，經(jīng)過人類多年的努力，已經(jīng)研制出一些家用清掃機(jī)器人，有的已經(jīng)擺在電器超市進(jìn)行售賣。家用清掃機(jī)器人的研制以及使用，推動(dòng)了與該機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也推動(dòng)推動(dòng)了與家庭清掃機(jī)器人機(jī)器人相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。我在網(wǎng)上及圖書館收集資料，整理得出家用清掃機(jī)器人的國內(nèi)外產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀如下：1.1.1與家用清掃機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品的國外研究現(xiàn)狀對(duì)于機(jī)器人，我們可能不會(huì)太過陌生。在國內(nèi)，機(jī)器人在多個(gè)方面都有使用，特別是在工業(yè)生產(chǎn)方面，大部分的廠家都有使用機(jī)器人生產(chǎn)。但是，在家用清掃機(jī)器人這一方面，我們了解得很少，而日本、歐美等一些發(fā)達(dá)國家在這方面得研究已是比較領(lǐng)先。有一些發(fā)達(dá)國家，早早就使用家用清掃機(jī)器人來進(jìn)行家庭得清掃工作，有的已在市場(chǎng)上進(jìn)行售賣，有的已在實(shí)際中進(jìn)行使用。世界上第一臺(tái)清掃機(jī)器人叫RC300，它是由德國發(fā)明的。它是一款全自動(dòng)的智能機(jī)器人，可以在家里沒有人的情況下進(jìn)行家庭清掃。它里面有多種清潔程序，你可以根據(jù)自己的情況來選用清掃程序。它每小時(shí)能清掃13m2的面積，為人們提供了可靠的服務(wù)精確的感應(yīng)程序，自我規(guī)劃行走路徑，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別各中垃圾的所在位置，可靠的運(yùn)行系統(tǒng)指令著機(jī)器人陸續(xù)進(jìn)入各個(gè)角落和空間進(jìn)行清掃。這一款機(jī)器人可以在不同的材質(zhì)地面進(jìn)行清掃工作，它里面設(shè)置的程序能夠順利越過或者避免電線的阻礙，避免從工作表面翻落。面對(duì)重度污染的地方，機(jī)器人可以根據(jù)系統(tǒng)指令對(duì)它進(jìn)行清掃，直到清掃達(dá)到滿足要求為止。這款機(jī)器人的噪音很低，即使你在家休息的時(shí)候，它進(jìn)行清掃工作也不會(huì)影響你的睡眠。此機(jī)器人能自主充電和自行進(jìn)行垃圾處理，當(dāng)它的電量不足或垃圾存儲(chǔ)室里的垃圾滿的時(shí)候，它可以通過充電站發(fā)出的紅外射線和導(dǎo)航信號(hào)返回充電站，進(jìn)而進(jìn)行充電或把進(jìn)行垃圾處理。自德國發(fā)明世界第一臺(tái)家用清潔機(jī)器人RC300之后，世界很多國家研究并推出自己的家用清掃機(jī)器人。在2002年的時(shí)候，美國研制出一款叫Roomba的清潔機(jī)器人，這一款機(jī)器人與其它家用清潔機(jī)器人相比，重量更輕，尺寸較小，它的質(zhì)量為2KG，直徑為30英寸，可以巧妙地完成房間、家具狹小間隙的地方清掃任務(wù)。在2002年的時(shí)候，日本的公司和瑞典的公司一起研發(fā)一款家用清掃機(jī)器人，這款機(jī)器人叫“特里洛洛伊特”，它最重要的兩個(gè)部分是清掃機(jī)器和超聲波傳感器，這一款機(jī)器人在新的環(huán)境需要人們示范一次清掃工作，它就按照人們示范的清掃工作進(jìn)行清掃。在2002年上半年，日本松下電器公司研制出家用清掃機(jī)器人的試制樣機(jī)，這款機(jī)器人與別的清掃機(jī)器人相比來說屬于比較先進(jìn)的，它可以根據(jù)房間的形狀、地板的材質(zhì)、垃圾的多少來規(guī)劃如何清掃，具有自動(dòng)躲避地面上各種障礙物的安全功能。自德國發(fā)明第一臺(tái)家用清潔機(jī)器人后，世界各國也開始研究家用清潔智能機(jī)器人了，有些發(fā)達(dá)國家也陸續(xù)研究出自己的家用清潔機(jī)器人，并開發(fā)了家用清潔機(jī)器人的市場(chǎng)。1.1.2國內(nèi)相關(guān)的家用清掃機(jī)器人的研究狀況我國因忙于國內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，所以，在家用清掃機(jī)器人研究方面與西方發(fā)達(dá)國家相比，研究比較晚。最初，對(duì)家用清掃機(jī)器人進(jìn)行研究的是一些大學(xué)機(jī)構(gòu)，比如：上海交大、哈爾濱的哈工大、華南理工大學(xué)和香港中文大學(xué)一起合作研究。他們?cè)诩矣们鍜邫C(jī)器人的研究方面非常努力，也在此方面取得一些成就，比如：機(jī)器人的自動(dòng)充電技術(shù)、機(jī)器人的紅外線定位技術(shù)、機(jī)器人的供電電池技術(shù)等。他們?cè)跈C(jī)器人研究方面取得的這些技術(shù)將會(huì)為國內(nèi)清潔機(jī)器人的研制和市場(chǎng)的拓展打下良好的基礎(chǔ)。在20世紀(jì)90年代的時(shí)候，香港回歸不久，為了加強(qiáng)內(nèi)地與香港的交流，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)與香港中文大學(xué)在學(xué)術(shù)交流上一起交流，它們?cè)诩矣们鍜邫C(jī)器人等學(xué)術(shù)方面一起合作研究，經(jīng)過他們的努力，最終發(fā)明了一款可以全方位移動(dòng)的家用清掃機(jī)器人。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的是鉸制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝在它上面的硬件具有可擴(kuò)展功能，它的軟件可進(jìn)行繼承或者移植。這款機(jī)器人可以進(jìn)入非常狹窄的地方或角落進(jìn)行清掃工作，可以在物品擺放密集的地方來回移動(dòng)，巧妙地避開地面上的各種障礙物，完成清掃任務(wù)，進(jìn)而更好地適應(yīng)多變的各種環(huán)境。在它的運(yùn)動(dòng)方式方面，我們可以通過遙控操作的方式控制它的運(yùn)動(dòng)，也可以讓它按照機(jī)體內(nèi)的程序指令自主移動(dòng)。在1999年的時(shí)候，浙江大學(xué)開始研究吸塵機(jī)器人，在2021年的時(shí)候，該大學(xué)成功研究出一款自主吸塵機(jī)器人，它是我國獨(dú)立自主研制的第一款左右步吸塵的智能機(jī)器人。它與普通的家用清掃機(jī)器人不同的是“在使用之前，它要先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)”。在機(jī)體上安裝有超聲波傳感器，它可以通過超聲波傳感器對(duì)周邊的環(huán)境進(jìn)行測(cè)距，進(jìn)而獲得機(jī)器人所在地方與地面上各物體的距離，或所處辦公室的大小信息，因此，當(dāng)智能吸塵機(jī)器人在進(jìn)行清潔工作的時(shí)候，可以避開地面上的障礙物繼續(xù)清掃、或者避免撞到墻壁。當(dāng)機(jī)器人接受到所清掃場(chǎng)所大小的信息時(shí)，可以對(duì)清掃的時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，之后，就規(guī)劃出一條效率高的清掃路徑。在面積為6×3.5m2的辦公室環(huán)境中，它工作9分鐘時(shí)間，就可以達(dá)到此面積的90％的覆蓋率。在比上面辦公室面積還要大的地面還沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過。當(dāng)它電量不足或者清掃地面之后，能自動(dòng)進(jìn)行返回充電的路徑規(guī)劃，并自行回到充電座充電?，F(xiàn)在，此款機(jī)器人的設(shè)計(jì)者正打算為它引進(jìn)機(jī)器視角和全局定位等系統(tǒng)，希望在進(jìn)行房間數(shù)量多的家庭使用時(shí)，它的自我定位能量更好，進(jìn)行路徑規(guī)劃出更省電的路徑，提高返回充電的效率，從而提高整臺(tái)機(jī)器人的清掃質(zhì)量。目前，在國內(nèi)，使用家用清掃機(jī)器人進(jìn)行清掃的用戶不多，現(xiàn)在處于推廣階段。我國機(jī)器人的品種繁多，進(jìn)入淘寶網(wǎng)，在搜索欄中輸入家用清掃機(jī)器人，就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)品牌的家用清掃機(jī)器人，任你選購。目前，在我國比較出名的家用清掃機(jī)器人的品牌有：海爾公司生產(chǎn)的SWE-C1清掃機(jī)器人、臺(tái)灣研制的Proscenic浦桑尼克家用清掃機(jī)器人、?，斕氐?。它們作為家用清掃機(jī)器人發(fā)展的領(lǐng)頭羊，將為我國家用清掃機(jī)器人的推廣起積極的作用。1.2家用清掃機(jī)器人的研究目的和意義把家用清掃機(jī)器人的移動(dòng)技術(shù)和吸塵技術(shù)巧妙地結(jié)合在一起，使它可以自動(dòng)化或半自動(dòng)化地對(duì)地面進(jìn)行清掃作業(yè)，人們就不用在用傳統(tǒng)的方式進(jìn)行清潔工作在近年來，這種技術(shù)已經(jīng)受到國內(nèi)和國外科發(fā)人員的看重。從技術(shù)方面上來說，智能化自動(dòng)式吸塵器作為家用清掃機(jī)器人一個(gè)特殊的應(yīng)用，比較具體展現(xiàn)了家用清掃機(jī)器人的多種功能，是很典型的代表。從它的市場(chǎng)方面來說，家用清掃機(jī)器人可以替代或者協(xié)助人們進(jìn)行地面清掃，提高清掃質(zhì)量，比較適合在家庭、辦公室、室內(nèi)公共場(chǎng)所等地方使用。因此，在家用清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，會(huì)遇到很多困難，但是，家用清掃機(jī)器人也有很廣闊的市場(chǎng)。本次設(shè)計(jì)的家用清掃機(jī)器人采用靈敏度更高的傳感器技術(shù)以及品質(zhì)更好的CPU中心處理器。本文意在設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)更簡單、生產(chǎn)成本更低、使用更方便、更滿足當(dāng)代家庭清掃需求的家用清掃機(jī)器人。希望能過人們手中的掃把，讓人坐下來看它進(jìn)行清掃，讓更多的人享受到科技發(fā)展帶來的福利。1.3家用清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)在前面的設(shè)計(jì)中，可以確定家用清掃機(jī)器人的體積為寬：400mm，高：100的物體。在這個(gè)有限的體積內(nèi)如何設(shè)計(jì)或合理放置電機(jī)、電池、移動(dòng)機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿、清掃機(jī)構(gòu)、存儲(chǔ)等機(jī)構(gòu)在本次設(shè)計(jì)中是非常重要的、清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是用清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，也是本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。本次設(shè)計(jì)的家用清掃機(jī)器人在進(jìn)行地面清掃的時(shí)候，要求能避開地面放置的各種物品，因此，對(duì)于它的外形設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者也要認(rèn)真考慮。在機(jī)器人清掃完地面后，存儲(chǔ)室里的垃圾如何處理，這也需要設(shè)計(jì)者認(rèn)真考慮。1.4家庭清掃機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)家用清掃機(jī)器人有四個(gè)主要部分組成，它們分別是：機(jī)器人的移動(dòng)部分、感應(yīng)感知系統(tǒng)、機(jī)器人的控制系統(tǒng)、吸塵系統(tǒng)。其中吸塵系統(tǒng)在整個(gè)家用清掃機(jī)器人中很重要，移動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的主體，是它把機(jī)器人帶到清掃環(huán)境的各個(gè)角落，，讓家用清掃機(jī)器人完成清掃任務(wù)。感應(yīng)感知系統(tǒng)采用的儀器有很多，有超聲波測(cè)距儀、紅外線傳感器、攝像頭等。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)清掃環(huán)境的感應(yīng)、對(duì)環(huán)境的垃圾進(jìn)行感應(yīng)，然后把感應(yīng)到的信息傳回CPU，在讓CPU選擇合適的清掃程序讓家用清掃機(jī)器人進(jìn)行清掃。近幾年來，伴隨計(jì)算機(jī)智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及電子電工技術(shù)等快速發(fā)展，家用清掃機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境往往是不定的或者是經(jīng)常變化的，因而，必須要兼顧家用清掃機(jī)器人的安全可靠性、抗干擾性以及清潔度。目前，發(fā)展較好的，對(duì)家用清掃機(jī)器人發(fā)展以及影響比較大的技術(shù)有：計(jì)算機(jī)智能技術(shù)、路徑自動(dòng)規(guī)劃技術(shù)、感應(yīng)感知技術(shù)等。1.4.1機(jī)器人的自主充電技術(shù)家用清掃機(jī)器人的自主充電技術(shù)在整臺(tái)機(jī)器人中的地位很高，目前，有很多科研人員研究這一技術(shù)。家用清掃機(jī)器人的自主充電技術(shù)是指：當(dāng)機(jī)器人電量時(shí)候，能自行規(guī)劃返回充電地方的路徑，并返回充電的地方，進(jìn)行充電的技術(shù)。這也表現(xiàn)機(jī)器人在主認(rèn)知方面的能力。在上世紀(jì)40年代，G熱源Walte研制了一臺(tái)叫“Tortoises”的移動(dòng)機(jī)器人，這款機(jī)器人具有向著光線行走的功能。Walter發(fā)明了一個(gè)小櫥，當(dāng)家用清掃機(jī)器人在進(jìn)行清掃工作感動(dòng)電量不足的時(shí)候，它會(huì)通過小櫥發(fā)出的光束返回小櫥，并在小廚里進(jìn)行電量補(bǔ)充。其實(shí)，移動(dòng)機(jī)器人Tortoise是G熱源Walte研制的第一臺(tái)擁有自主充電功能的機(jī)器人。該系統(tǒng)有以下特征：機(jī)器人的感知行為：感光；機(jī)器人可以對(duì)充電站發(fā)出的光線進(jìn)行感知；機(jī)器人的電池與充電器可以進(jìn)行一定準(zhǔn)確性地連接上世紀(jì)90年代的時(shí)候，Tsukuba大學(xué)研究并開發(fā)出一臺(tái)導(dǎo)游機(jī)器人，它的名字叫Yamabico-Liv,這臺(tái)機(jī)器人可以自主充電。當(dāng)機(jī)器人感到電量不足的時(shí)候，可以在之前建立的地圖的基礎(chǔ)下，借助導(dǎo)航系統(tǒng)，進(jìn)而避開各種障礙物返回充電站充電。機(jī)器人自主充電技術(shù)的研究受到很多科學(xué)家的歡迎。在眾多科學(xué)家的努力研究下，終于研究出幫助機(jī)器人尋找充電位置的方法，這種方法就是利用充電基站發(fā)出的信號(hào)幫助清掃機(jī)器人返回充電位置進(jìn)行充電。當(dāng)機(jī)器人在進(jìn)行清掃工作的時(shí)候，基站在對(duì)機(jī)器人發(fā)出紅外信號(hào)，以確定機(jī)器人所處的位置與基站的距離，因?yàn)槟撤N原因，當(dāng)基站發(fā)出的紅外線信號(hào)機(jī)器人感應(yīng)不到的時(shí)候，它可以按照之前建立好的地圖取尋找基站或者感應(yīng)基站的信號(hào)，直到尋找到基站發(fā)出的信號(hào)為止。在國外也有國家利用基站發(fā)出的信號(hào)幫助機(jī)器人返回充電位置充電。比如：國外生產(chǎn)的Vector玩具機(jī)器人就是運(yùn)用基站這一原理自動(dòng)進(jìn)行電量補(bǔ)充。在國內(nèi)，很少電器產(chǎn)品利用基站這一原理進(jìn)行自主充電，比如：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究并開發(fā)的那一款清潔機(jī)器人就可以進(jìn)行自主充電。1.4.2傳感技術(shù)為了讓家用清掃機(jī)器人順利完成清掃任務(wù)，就要對(duì)機(jī)器人某些方面進(jìn)行檢測(cè)，比如：家用清掃機(jī)器人在進(jìn)行清掃工作時(shí)它所處的的工作位置、工作型態(tài)、它的移動(dòng)速度大小等。在機(jī)器人工作的時(shí)候，還要感知機(jī)器人工作環(huán)境的障礙物的位置變動(dòng)以及障礙物的數(shù)量變化。這使家用清掃機(jī)器人的工作程序和操作方式可以對(duì)工作環(huán)境的各種變化。家用清掃機(jī)器人按安裝在家用清掃機(jī)器人內(nèi)外的方式進(jìn)行分類，分別是：內(nèi)部傳感器和外部傳感器。其中，常用的內(nèi)部傳感器有：編碼器、線加速度、陀螺儀。內(nèi)部傳感器不是獨(dú)立工作的，它們要聯(lián)合起來才能起到更大的作用，編碼器的作用是來確定家用清掃機(jī)器人目前所處的位置；線加速度計(jì)的作用是獲取機(jī)器人行走時(shí)的加速度信息，再進(jìn)一步得到它的具體加速度和所處的位置信息；陀螺測(cè)試儀的作用是獲取機(jī)器人行走時(shí)的角度、角速度、甚至是角加速度，進(jìn)而得到機(jī)器人行走時(shí)的姿態(tài)角、運(yùn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)方向等，這些涉及到改變家用清掃機(jī)器人航向的信息。家用清掃機(jī)器人常用的外部傳感器有以下幾種，分別是：視角傳感器、超聲波傳感器、接觸傳感器和紅外線傳感器等。家用清掃機(jī)器人的視角傳感器一般采用的是CCD攝像機(jī)，通過安裝在它上面的CCD攝像機(jī)為機(jī)器人進(jìn)行視角導(dǎo)航、所處的位置定位、地板上各種物品的識(shí)別和建造地面地圖；超聲波傳感器的作用是測(cè)量家用清掃機(jī)器人在清掃時(shí)地面各障礙物的距離和進(jìn)行地面地圖的建造等。在家用清掃機(jī)器人在進(jìn)行地面清掃時(shí)，紅外線傳感器會(huì)通過紅外接近開關(guān)來探測(cè)地面上遇到的各種障礙物，進(jìn)而避免和這些障礙物發(fā)生碰撞。安裝在家清掃機(jī)器人的各個(gè)傳感器之間分工合作，各自發(fā)威自己的所能，讓家用清掃機(jī)器人更好地完成清掃任務(wù)。1.4.3路徑規(guī)劃技術(shù)家用清掃機(jī)器人的路徑。當(dāng)家用清掃機(jī)器人在對(duì)地面進(jìn)行清潔的時(shí)候，會(huì)對(duì)清掃地面的環(huán)境信息進(jìn)行規(guī)劃。根據(jù)某中優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，在家用清掃機(jī)器人開始清掃的地方到清掃結(jié)束的目標(biāo)點(diǎn)之間，規(guī)劃出一條地面障礙物少、能夠快速完成清掃任務(wù)、清掃效率高的路徑。在上世紀(jì)70年代，人們開始對(duì)家用清掃機(jī)器人的清掃路徑的規(guī)劃進(jìn)行研究，直到現(xiàn)在，這一個(gè)問題還成為機(jī)器人研究的一個(gè)熱點(diǎn)之一。他們研究的內(nèi)容是家用清掃機(jī)器人的工作環(huán)境和獲取信息的方法，經(jīng)過多年的研究，他們把研究的環(huán)境分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境，動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境這三大類。而機(jī)器人獲取信息常用的方法有基于模型的路徑規(guī)劃和給予傳感器的路徑規(guī)劃這兩種方法。目前，我們可以用解析算法來解決運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的問題。但是，解析算法涉及到橢圓積分問題，這個(gè)問題比較復(fù)雜，運(yùn)用這一算法具有一定的難度。家用清掃機(jī)器人對(duì)清掃的環(huán)境的感知程度可以分為：完全感知、沒有完全感知、完全未知。當(dāng)家用清掃機(jī)器人在工作之前，它可以通過傳感器在線的方法對(duì)要工作的環(huán)境進(jìn)行探索，以此來獲取障礙物所處的位置、它的外形如何和尺寸大小等信息，進(jìn)而進(jìn)行清掃路徑過規(guī)劃，然后就可以進(jìn)行清掃工作了?？墒菆D法、自由空間法和柵格法是目前家用清掃機(jī)器人常用的建模方法。1.4.4吸塵技術(shù)家用清掃機(jī)器人的吸塵技術(shù)是利用電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)電機(jī)上的風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生很大的吸力，將附近的灰塵等細(xì)小的垃圾吸入濾塵袋中。此機(jī)器人吸塵能力與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大小有關(guān)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越大，它的吸塵能力就越大，反之，則越小。濾塵袋、集塵袋、排氣管等零部件共同組成家用清掃機(jī)器人的吸塵系統(tǒng)。在前一段時(shí)間，澳大利亞Jetfan公司開發(fā)出一種氣流濾塵袋，此濾塵袋跟傳統(tǒng)的濾塵袋不同，它不需要?dú)怏w的吸入和排出，因此，不需要濾塵袋、吸塵袋和排氣管等其它附件。此氣流濾塵器是運(yùn)用附壁效應(yīng)進(jìn)而形成亞渦流氣體的原理，然后，將灰塵、細(xì)小垃圾等沉渣留在它的渦流腔內(nèi)。最近，英國公司研發(fā)的智能吸塵器就是運(yùn)用這種技術(shù)原理。1.4.5電源技術(shù)移動(dòng)電源在吸塵器中的地位很高，對(duì)吸塵器的來說很重要。在家用清掃機(jī)器人中，移動(dòng)電源需要向它的各個(gè)機(jī)構(gòu)提供電壓，比如：移動(dòng)電源向移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供電壓，讓移動(dòng)機(jī)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；移動(dòng)電源為控制電路提供電壓，以保持CPU對(duì)家用清掃機(jī)器人整體的控制；移動(dòng)機(jī)構(gòu)向吸塵操作模塊提高那個(gè)電壓，讓它完成吸塵工作。家用清掃機(jī)器人一般采用化學(xué)電池作為移動(dòng)電源。我們心目中理想的電源應(yīng)該是這樣的，在放電的時(shí)候保持穩(wěn)定的電壓，內(nèi)阻很小，放電迅速，對(duì)環(huán)境污染小，價(jià)格低等。但是，目前同時(shí)具備有以上特點(diǎn)的電池還沒有被科學(xué)家研究出來。所以，當(dāng)設(shè)計(jì)的人在設(shè)計(jì)家用清掃機(jī)器人的時(shí)候，就要選一款適合使用要求的電池。

第二章家用清掃機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1家用清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成和工作原理本此意在設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡單，各機(jī)械零件配合緊密、傳動(dòng)效率高、清掃質(zhì)量高、可以自主移動(dòng)、可以自主處理存出室里的垃圾、在清掃的時(shí)候，可以巧妙地避開地面上放置的各種障礙物、能自動(dòng)規(guī)劃清掃路徑、可以自動(dòng)規(guī)劃返回充電站路徑的家用清掃機(jī)器人。機(jī)械部分與控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)家用清掃機(jī)器人來說是非常重要的。家用清掃機(jī)器人的機(jī)械部分有：底盤、外殼、它底盤下的三個(gè)輪子，他們曬安裝在機(jī)器人上各零件的載體。2.1.1家用清掃機(jī)器人的機(jī)械組成部分本機(jī)器人各功能模塊布置如圖2-1所示。主要包括以下部分（1）驅(qū)動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和機(jī)器人的傳感器。在家用清掃機(jī)器人的外殼前、后、左、右四端，安裝紅外線開關(guān)碰撞檢測(cè)傳感器，避免它在移動(dòng)或工作的時(shí)候碰撞到其它物體。機(jī)器人的底盤下安裝有三個(gè)紅外線開關(guān)，這些開關(guān)作為臺(tái)階檢測(cè)傳感器，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行清掃工作的時(shí)候，遇到臺(tái)階，臺(tái)階檢測(cè)器傳感器檢測(cè)到臺(tái)階，機(jī)器人會(huì)時(shí)刻和臺(tái)階保持一定的距離，避免從臺(tái)階上跌落。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪上的光電編碼器上測(cè)得，能夠控制和測(cè)試機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的速度，進(jìn)而對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位和移動(dòng)路線的規(guī)劃。同時(shí)，還安裝超聲波傳感器在機(jī)器人上，進(jìn)而達(dá)到機(jī)器人更精確的定位。（2）機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)。家用清掃機(jī)器人通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)和它連接的清掃機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人的左右兩把清掃刷一個(gè)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，一個(gè)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，把地面上的垃圾掃進(jìn)垃圾存儲(chǔ)室。同時(shí)把灰塵等細(xì)小顆粒掃到吸塵口，方便后面吸塵機(jī)構(gòu)的吸塵。圖2-1家用清掃機(jī)器人的各功能模塊的布置圖（3）吸塵機(jī)構(gòu)。吸塵機(jī)構(gòu)通過電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生很大的吸力，進(jìn)而把灰塵等細(xì)小顆粒吸入濾塵袋中。（4）機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)于機(jī)器人來說是非常重要的，它背著機(jī)器人在地面上任意移動(dòng)，進(jìn)而完成清掃任務(wù)。當(dāng)前，我們可以把機(jī)器人設(shè)計(jì)成輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人和步行式機(jī)器人。輪式機(jī)器人適合地面平坦，摩擦系數(shù)小的路面上行走，履帶式機(jī)器人適合地面平坦，但地面坑洼較多的路面行走，而步行式機(jī)器人適合在臺(tái)階較多的地面行走。本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人是在室內(nèi)鋪有瓷磚或混凝土的地面上做業(yè)，地面較好，所以本次設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)為輪式。我們?cè)谠O(shè)計(jì)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)的時(shí)候，可以把機(jī)器人設(shè)計(jì)為三輪式機(jī)器人、四輪式機(jī)器人、六輪式機(jī)器人。三輪式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡單一些，方便控制，適合一般條件下的機(jī)器人使用，應(yīng)用頻率較高。四輪式機(jī)器人和六輪式機(jī)器人相似，在高低不平或條件不好的路面上移動(dòng)的時(shí)候平穩(wěn)性較好，可以承載較大的重量，但是它們的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不易控制。在本次設(shè)計(jì)中，家用清掃機(jī)器人的重量不大，在室內(nèi)工作，室內(nèi)的地面較好。三輪式機(jī)器人雖然在穩(wěn)定性方面沒有四、六輪機(jī)器人那么高，但也有一定的平穩(wěn)性，它的重心穩(wěn)定，但不能承載較大的重量，因此，本次設(shè)計(jì)把機(jī)器人設(shè)計(jì)為三輪式。三輪轉(zhuǎn)向裝置常用的方式有以下兩種（1）機(jī)器人的鉸軸轉(zhuǎn)向方式。在轉(zhuǎn)向鉸軸上安裝轉(zhuǎn)向輪，機(jī)器人通過對(duì)電機(jī)減速器和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，進(jìn)而控制鉸軸，最終實(shí)現(xiàn)方向控制。（2）機(jī)器人的差速轉(zhuǎn)向方式。差速轉(zhuǎn)向方式是通過控制安裝在機(jī)器人上兩輪上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來控制機(jī)器人的方向。它的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)是由安裝在它上面的兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)的。鉸軸轉(zhuǎn)向方式具有結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，精度低的特點(diǎn)。差速轉(zhuǎn)向方式具有控制復(fù)雜，精度較高等特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)的家用清掃機(jī)器人在轉(zhuǎn)向控制方面要求精度高，而差速轉(zhuǎn)向方式正好符合這一要求，因此，本次機(jī)器人設(shè)計(jì)采用差速轉(zhuǎn)動(dòng)方式控制方向。機(jī)器人的三輪差速轉(zhuǎn)向式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1機(jī)器人的三輪差速轉(zhuǎn)向式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)2.1.2機(jī)器人的工作原理機(jī)器人的各功能模塊的發(fā)布以及關(guān)系如下圖3-4。家用清掃機(jī)器人是由清掃機(jī)構(gòu)、紅外線接收控制模塊、LCD顯示模塊組成的。這些模塊相互影響、相互協(xié)助、共同工作，為機(jī)器人完成各項(xiàng)清掃任務(wù)提供了保障。機(jī)器人的各模塊的工作原理如下，CPU是家用清掃機(jī)器人的中心處理器，可以說是整個(gè)機(jī)器人的大腦，對(duì)各功能模塊機(jī)械監(jiān)控。當(dāng)其它的功能模塊在接收到外部環(huán)境以及自身的各種信息的時(shí)候，再進(jìn)行分析、決策。然后再向各機(jī)構(gòu)模塊發(fā)出相應(yīng)的指令，讓各機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的行動(dòng)。它的信息收集模塊的職責(zé)是接收工作環(huán)境和機(jī)體自身發(fā)出的各種信息，鍵盤模塊和紅外線遙控模塊的職責(zé)一樣，把人類想要對(duì)機(jī)器人發(fā)出的指令輸送給機(jī)器人的CPU。LCD模塊和狀態(tài)顯示模塊的功能一樣，顯示定時(shí)的倒計(jì)時(shí)間和目前機(jī)器人的溫度。機(jī)器人的操作步驟：（1）首先，通過鍵盤或者遙控器給機(jī)器人開機(jī)，開機(jī)后等十分鐘，再讓它進(jìn)行清掃工作。（2）機(jī)器人一進(jìn)入工作狀態(tài)，就控制清掃機(jī)構(gòu)和吸塵機(jī)構(gòu)，讓它們進(jìn)行清掃或吸塵。（3）家用清掃機(jī)器人在開機(jī)之后，將要進(jìn)行清掃工作時(shí)，它的傳感器探測(cè)模塊就會(huì)開啟，并不斷地采集地面和周圍環(huán)境的其它信息，再傳回CPU，再進(jìn)行分析和決策，進(jìn)而產(chǎn)出家用清掃機(jī)器人的清掃路徑。（4）機(jī)器人開始工作，需要繞過地面上擺放的物體的時(shí)候，CPU就會(huì)給機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的電機(jī)發(fā)指令，進(jìn)而改變驅(qū)動(dòng)輪的速度，利用差速轉(zhuǎn)向方式的原理來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，從而繞過障礙物。（5）家用清掃機(jī)器人在工作的時(shí)候，它的相關(guān)信息可以通過LCD顯示模塊和狀態(tài)指示模塊顯示出來，比如：工作模式、電量、溫度。（6）遙控器可以對(duì)家用清掃機(jī)器人進(jìn)行開、關(guān)機(jī)的設(shè)定。還能對(duì)它設(shè)置它工作的時(shí)間、還能在它進(jìn)行清掃工作時(shí)讓它暫?；蛘呃^續(xù)工作。圖3-4家用清掃機(jī)器人的各模塊功能之間的關(guān)系圖家用清掃機(jī)器人的各類傳感器采集機(jī)體及地面周圍信息，例如：此時(shí)機(jī)器人與墻壁的距離有多遠(yuǎn)，地面擺放的障礙物有多少，垃圾所處的位置等。然后，再把采集到的信息傳回CPU，再規(guī)劃清掃路徑，制定相應(yīng)的清掃策略。家用清掃機(jī)器人的表面上有控制它開始工作或者停止工作的按鈕，當(dāng)然，也可以用要遙控器控制機(jī)器人，對(duì)它工作的時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。2.2家用清掃機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)2.2.1家用清掃機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)在本次家用清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)到很多機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，比如：移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、自動(dòng)充電機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。其中，清掃機(jī)構(gòu)在家用清掃機(jī)器人中很重要。通過在網(wǎng)上收索到的家用清掃機(jī)器人的相關(guān)材料以及去圖書館收集到關(guān)于家用清掃機(jī)器人的相關(guān)材料，第一設(shè)計(jì)的時(shí)候，把機(jī)器人設(shè)計(jì)為地面為正方形它的邊長為400mm，高為100mm的長方體外形。后來發(fā)現(xiàn)外形為長方體的機(jī)器人不易避開地面上的物品，它的菱角不便于在物體面前轉(zhuǎn)彎。后來發(fā)現(xiàn)，把機(jī)器人外形設(shè)計(jì)為扁平的圓柱體不僅容易繞開障礙物，還方便機(jī)器人進(jìn)入沙發(fā)、床底的垃圾。因此，此次將機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)為扁平的圓柱體。它的外形形狀如下圖3-5所示。圖3-5機(jī)器人的外形俯視圖和正視圖2.2.2家用清掃機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)家用清掃機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是由：兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、一個(gè)隨動(dòng)輪組成的。隨動(dòng)輪分布在機(jī)器人的前端，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分布在它的后方，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪連接。驅(qū)動(dòng)電機(jī)為機(jī)器人的移動(dòng)提供動(dòng)力，機(jī)器人控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)輪的速度，利用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度差來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。在機(jī)器人中，當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度為0時(shí)，另一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪有速度，那么它就實(shí)現(xiàn)直徑為0的轉(zhuǎn)彎了。清掃機(jī)構(gòu)的兩個(gè)清掃刷緊貼著地面，一方面它可以把地面掃得更干凈，另一方面與機(jī)器人得三個(gè)輪子一起支撐機(jī)器人。2.2.3家用清掃機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案：方案一：電機(jī)與斜此輪1連接在一起，斜齒輪1和斜齒輪2嚙合，斜齒輪2與斜齒輪3嚙合，斜齒輪3和清掃刷連接。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過嚙合的齒輪1、2、3把電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳到清掃刷，請(qǐng)掃刷轉(zhuǎn)動(dòng)，清掃機(jī)構(gòu)進(jìn)行清掃。圖2-6機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一方案二，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，先把旋轉(zhuǎn)傳遞給與它相連接的錐齒輪1，錐齒輪1把旋轉(zhuǎn)通過與錐齒輪2的嚙合傳遞給它，錐齒輪2在把旋轉(zhuǎn)傳遞給與它相連接的清掃刷，清掃刷旋轉(zhuǎn)把垃圾掃進(jìn)垃圾存儲(chǔ)室。圖2-7機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案二方案三，電機(jī)與蝸桿相連接，蝸桿與蝸輪嚙合，蝸輪與清掃刷相連接。電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過蝸輪與蝸桿的嚙合把旋轉(zhuǎn)傳到清掃刷，清掃刷旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行清掃專業(yè)。圖2-8機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案三方案四，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與它相連接的蝸桿，蝸桿與蝸輪嚙合，蝸輪跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿帶動(dòng)與它相連接的皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)1，皮帶輪1通過皮帶把電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳給皮帶輪2，皮帶輪2帶動(dòng)于它相連接清掃刷轉(zhuǎn)動(dòng)，清掃刷進(jìn)而進(jìn)行垃圾清掃。圖2-9機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案四對(duì)以上提出的各方案進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)方案四比較適合本次設(shè)計(jì)的清掃機(jī)構(gòu)，所以本次設(shè)計(jì)的清掃機(jī)構(gòu)采用方案四。從正面看，它的結(jié)構(gòu)圖如下：圖2-10機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案四的正視圖由前面的設(shè)計(jì)可知，本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人外形為扁平的圓柱體，它的半徑為200，高為100，體積為2002×3.14×100=12560000mm3，這個(gè)體積不小也不大，但是在這樣的體積下要放置移動(dòng)機(jī)構(gòu)、電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、清掃機(jī)構(gòu)等，那就顯得空間有限了。不過，各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，它們還是能全部安裝進(jìn)去的。所以，在設(shè)計(jì)清掃機(jī)構(gòu)以及選用的時(shí)候，要認(rèn)真考慮。方案一采用的斜齒輪嚙合傳動(dòng)，這種傳動(dòng)方式雖平穩(wěn)，但斜齒輪的體積大，如果把斜齒輪安裝在機(jī)器人里面，會(huì)造成機(jī)器人的其它機(jī)構(gòu)安裝不了，因此，不能采用方案一。方案二采用的是錐齒輪傳動(dòng)，它的傳動(dòng)也平穩(wěn)，但不及斜齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，錐齒輪的體積也大，因此，也不能采用此方案。方案三，此方案是利用蝸輪蝸桿的傳動(dòng)，把電機(jī)旋轉(zhuǎn)傳遞清掃刷，進(jìn)而清掃刷旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)清掃任務(wù)。為了能讓機(jī)器人清掃到墻壁邊緣的垃圾，就要把清掃刷子的半徑設(shè)計(jì)為100mm，這樣的話，蝸輪與蝸桿的中心距就是100mm了，因而蝸輪蝸桿的尺寸也比較大，如果把這樣大的蝸輪蝸桿的尺寸安裝進(jìn)機(jī)器人里面，機(jī)器人的其它機(jī)構(gòu)也安裝不進(jìn)去。因此，此方案也不適合做機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)。在方案三的情況下，推出方案四。方案四用的是皮帶輪、蝸輪蝸桿傳動(dòng)，皮帶輪傳動(dòng)縮小了蝸輪蝸桿的中心，就不需要把蝸輪與蝸桿的尺寸設(shè)計(jì)得很大，進(jìn)而減小了蝸輪蝸桿得重量，把它們安裝進(jìn)去，不會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人得其它機(jī)構(gòu)安裝不進(jìn)去。故采用方案四作為本次機(jī)器人得清掃機(jī)構(gòu)。2.2.4機(jī)器人吸塵機(jī)構(gòu)得設(shè)計(jì)吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在垃圾存儲(chǔ)是的上面開兩個(gè)小孔，在一個(gè)小孔上面安裝一個(gè)電機(jī)，電機(jī)連接風(fēng)扇，風(fēng)扇上面安裝一個(gè)薄壁腔，在薄壁腔上面鉆一個(gè)小孔，用于空氣的排放。另一個(gè)小孔加隔塵罩。當(dāng)電機(jī)快速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生較大的吸力，把灰塵吸進(jìn)薄壁腔，空氣經(jīng)過過濾后，從薄壁腔上的小孔流出，垃圾被擋進(jìn)垃圾存儲(chǔ)室，這樣，吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)好了。2.2.5家用清掃機(jī)器人的垃圾收集機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)器人的垃圾收集機(jī)構(gòu)的選用，我們剛剛設(shè)計(jì)垃圾收集機(jī)構(gòu)的時(shí)候，想到用垃圾收集擋板的方法收集垃圾，它的結(jié)構(gòu)如下圖所示3-12所示。電機(jī)與齒輪1連接，齒輪1與齒輪2嚙合，齒輪2與齒輪3連接，齒輪3與齒輪4嚙合，齒輪4與垃圾收集擋板連接。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)的時(shí)候，電機(jī)通過齒輪1、2、3、4以及齒輪之間的嚙合把正轉(zhuǎn)傳遞給垃圾收集擋板，垃圾收集擋板揚(yáng)起（即做垃圾清掃的準(zhǔn)備）；當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)的時(shí)候，電機(jī)通過齒輪1、2、3、4把反轉(zhuǎn)傳遞給垃圾收集擋板，垃圾收集擋板放下（即做垃圾清掃的動(dòng)作，把垃圾清掃進(jìn)垃圾存儲(chǔ)室），這樣完成了一小次垃圾的清掃。可是，機(jī)器人在進(jìn)行地板清掃的時(shí)候要進(jìn)行多次清掃，因此電機(jī)不斷地正反轉(zhuǎn)，電機(jī)如果做正反轉(zhuǎn)過于平凡，它的使用壽命會(huì)很短。所以，此方案不能采用。圖3-12家用清掃機(jī)器人的吸塵器原理圖此后，采用了下面這種方案，這種方案就是讓清掃刷把垃圾掃到吸塵口處，因?yàn)槲鼔m口的面積小，由伯努利定律可知，這個(gè)地方的吸力很大。當(dāng)垃圾被吸到存儲(chǔ)盒的時(shí)候，空間瞬間變大，吸力將會(huì)降低，直至最低，垃圾就吸進(jìn)垃圾存儲(chǔ)室。如果想要把垃圾倒出來，可以把垃圾存儲(chǔ)盒拉出來，把盒中的垃圾到回垃圾桶，然后把垃圾存儲(chǔ)盒推回家用清掃機(jī)器人那里。本次設(shè)計(jì)的家用清掃機(jī)器人在室內(nèi)作業(yè)，室內(nèi)很少甚至沒有體積大的垃圾，而且，這種方案所用的空間小，所以采取這種方案，如下圖2-11所示圖2-11在家用清掃機(jī)器人中，清掃系統(tǒng)的地位很高，重量占整個(gè)機(jī)器人的總重量比重高。為了減少機(jī)器人的重量，以及方便人們使用和安裝清掃機(jī)構(gòu)，給這一部分單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)固定件，讓它把清掃機(jī)構(gòu)單獨(dú)固定在機(jī)器人上。這樣不僅滿足了機(jī)器人的使用要求，減輕了它的總重量，還方便人們安裝它。這個(gè)固定件如下圖：本機(jī)器人的總布局如下圖：

第三章零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選用3.1電機(jī)的選擇（1）根據(jù)實(shí)際情況，我們初次估算家用清掃機(jī)器人重為m=9kg、g取用9.8N/kg，則G=5*9.8=49N,機(jī)器人身上有三個(gè)輪子，平均每個(gè)輪子要承受的重力為：F=1/3G=13×49=16.3N（2）機(jī)器人輪子的材質(zhì)是橡膠，它一般在室內(nèi)作業(yè)，室內(nèi)的地面一般都很好，因此，按橡膠輪子在摩檫力較小的光滑地面上行走，σ表示滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取σ=1，μ表示滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取μ=0.1則：f滑=F*μ=22.1*0.1=2.21（3-2）F滾=Mf=σ*F=1*22.1=0.0221N.m（3-3）f滑—表示滑動(dòng)摩擦力F滾—表示滾動(dòng)摩檫力根據(jù)前面家用清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)以及各機(jī)構(gòu)的分布安裝中，它的底盤少為10mm，它的輪子直徑D長度取為96mm，則R=1/2D=48mm.家用清掃機(jī)器人的輪子在地面上行走的時(shí)候，它受到的阻力矩為：Tw=f*R+F滾=2.21×47×10^a+0.0221=0.126N.mTw（3-4）Tw—表示家用清掃機(jī)器人的輪子在行走的時(shí)候受到的阻力矩（3）工作機(jī)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）電機(jī)的輸出功率為Pd，而取Pw=3.83WPd=Pw/η（3-7）傳動(dòng)裝置的總效率：η=η12×η2×η3（3-8）式中，η1、η2……為從電動(dòng)機(jī)到蝸桿之間各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和軸承的效率。通過查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》第9頁表2-4機(jī)械傳動(dòng)效率概略值中；聯(lián)軸器傳動(dòng)η1=0.99，V帶傳動(dòng)η2=0.97，蝸桿傳動(dòng)η3=0.9，則：η=η12×η2×η3=0.992×0.97×0.9=0.86（3-9）η—傳動(dòng)裝置的總效率η1—聯(lián)軸器得傳動(dòng)效率η2—V帶的傳動(dòng)效率η3—蝸桿的傳動(dòng)效率故Pd=Pw/η=3.83÷0.86=4.45w（3-10）則電機(jī)所需的輸出功Pd=4.45W（4）挑選驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在本次設(shè)計(jì)中，要求機(jī)器人能在半徑為零得情況下進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。要想實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)半徑為零，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連接的驅(qū)動(dòng)輪就要實(shí)行差速運(yùn)轉(zhuǎn)，但具有調(diào)遣功能的電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)轉(zhuǎn)。再由（2）中所算得電機(jī)得輸出功率Pd=4.45w。我們?cè)诰W(wǎng)上查找合適得電機(jī)，發(fā)現(xiàn)福建深巷電機(jī)廠生產(chǎn)得TCJT系列得電機(jī)可以滿足本次設(shè)計(jì)的使用因?yàn)闄C(jī)器人在進(jìn)行清掃作業(yè)的時(shí)候驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要輸出的功率為4.45w，在福建深巷電機(jī)廠在網(wǎng)上上傳的電機(jī)技術(shù)指數(shù)和安裝型號(hào)中，我們發(fā)現(xiàn)型號(hào)為YCJT-3-1的電機(jī)的輸出功率為6W，速度可在100r/min-1400r/min范圍中調(diào)換，在1200r/min時(shí)轉(zhuǎn)矩為5N.Cm。因此，這個(gè)型號(hào)為YCJT-3-1的電機(jī)滿足我們這次設(shè)計(jì)使用要求，它的尺寸比我們查到的電機(jī)尺寸小，因此，選用此款電機(jī)為本次的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。3.2蝸桿渦輪的計(jì)算及選用（1）在此次設(shè)計(jì)里，采用的蝸桿和蝸輪用于電機(jī)機(jī)械能的傳遞，它們對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)很重要，查課本《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表10—7蝸桿、蝸輪常用材料及工藝要求得：蝸桿選用得材料為Cr40；它的使用特點(diǎn)為：淬火（45~55HRC）并磨削；應(yīng)用范圍為：用于高速重載傳動(dòng)。蝸輪齒圈選用的材料為ZCuSn10P1，它的使用特點(diǎn)為：抗膠合能力強(qiáng)，但強(qiáng)度較低（Rm＜350MPa），缺點(diǎn)是價(jià)格有點(diǎn)昂貴，應(yīng)用范圍為：用于滑動(dòng)速度較大（Vs=5~15m/s）及長期連續(xù)工作處。要用金屬模鑄造的工藝來進(jìn)行生產(chǎn)，確定許用應(yīng)力為：10^8。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N2=60nLh=60n2Lh=60×206×12000=1.48×10^8（3-11）N2—應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Lh—齒輪工作壽命n—轉(zhuǎn)速查課本《機(jī)械設(shè)計(jì)》得：[σ]OH=230MPa[σ]OF=90MPa（3-12）[σ]OH—許用接觸應(yīng)力[σ]OF—基本許用彎曲應(yīng)力ZN==0.714031358（3-13）ZN—接觸壽命次數(shù)[σ]H=ZN×[σ]OH=0.067567567×230=164MPa（3-14）[σ]H—許用應(yīng)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—許用彎曲應(yīng)力根據(jù)傳動(dòng)比i=14.5，參考課本《機(jī)械設(shè)計(jì)》P195頁的表10—2蝸桿頭數(shù)Z1和蝸輪齒數(shù)Z2的推薦值，取Z1=2則：Z2=i×Z1=2×14.5=29（3-17）（2）根據(jù)齒面的接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)確定載荷系數(shù)K。通過查課本《機(jī)械設(shè)計(jì)》的P205頁中的表10—8蝸桿傳動(dòng)的使用系數(shù)KA=0.8。假設(shè)V2＜3m/s，取Kv=1.2，因載荷平穩(wěn)，通過跑合可以改善偏載程度，取Kβ=1。則載荷系數(shù)：K=KAKvKβ=0.8×1.2×1=0.96（3-18）KA—蝸桿傳動(dòng)的使用系數(shù)Kβ—齒向載荷分布系數(shù)Kv—?jiǎng)虞d系數(shù)T1=9.55T2=T1iη①當(dāng)Z1=2時(shí)，η=0.7~0.75，取η=0.7，代入①式中得：T2=9.55*=19386.5N/mm（3-19）P1—蝸桿傳動(dòng)功率n1—蝸桿轉(zhuǎn)速T1—蝸桿轉(zhuǎn)矩T2—蝸桿轉(zhuǎn)矩I—傳動(dòng)比η—蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)總效率查課本《機(jī)械設(shè)計(jì)》的P206頁中的表10—9彈性系數(shù)ZE，取ZE=155，將這些數(shù)據(jù)依次代入接觸強(qiáng)度計(jì)算公式求得：m2d≥9KT2(ZE÷Z2÷[σ]H)2=9×0.96×19386.5×（155÷29÷194）=134（3-20）按接觸強(qiáng)度要求，m2d1≥134，查課本《機(jī)械設(shè)計(jì)》的P193頁表10—1，選取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—分度圓直徑a=40.20mm，這個(gè)不是機(jī)械設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)推薦的中心距，如果采用a=40.20做中心距，蝸桿與蝸桿在傳動(dòng)的時(shí)候會(huì)發(fā)生變位。本設(shè)計(jì)不采用變?yōu)?，取a=驗(yàn)算初設(shè)參數(shù)渦輪圓周速度V2=0.63m/s元估計(jì)＜3m/s，選Kv（動(dòng)載系數(shù)）值，相符。Vs=V2sinY=3.54（3-24）Vs—滑動(dòng)速度在范圍之內(nèi)，所選的材料合適。蝸桿傳感效率=（0.95—0.96）根據(jù)Vs=1.8m/s，查表得φv=2°，η1==0.83,傳動(dòng)效率η=（0.95—0.96）*0.85=0.81—0.82（3-25）η—傳動(dòng)效率與初選=0.7η1不符，出阿東效率應(yīng)適當(dāng)降低。3.2.2驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和剛度[σ]F=（1.6KT2YFa2Yβ）/m2d1Z2＜[σ]F=58.4Mpa（3-26）[σ]F—彎曲應(yīng)力渦輪當(dāng)量齒數(shù)Zv2=Z2/=29.44，查得齒形系數(shù)YFa2=2.65；則可求的：Yβ=1-=0.917代入（1）式中σF=27.85Mpa＜[σ]F成立。彎曲強(qiáng)度達(dá)到使用要求。（3）確定蝸輪和蝸桿的幾何尺寸、主要幾何參數(shù)：1.蝸桿軸向齒距：Pa=6.28mm直徑系數(shù)：q=11.20齒頂圓直徑：da1=26.4mm齒根圓直徑：df1=17.6mm分度圓導(dǎo)成角:r=10°7′29″齒寬：b=26mm基圓直徑：d=22.4mm模數(shù)：m=2,頭數(shù)：z=2mm蝸輪蝸輪齒數(shù)Z2=28蝸輪分度圓直徑：d2=mz2=2×28=56mm（3-27）蝸輪喉圓直徑：da2=d2+2ha2=56+2×2=60（3-28）蝸輪齒根圓直徑:df2=d2-2hf2=56-2×1.5×2=51mm（3-29）蝸輪咽喉母圓半徑:rg2=a-0.51da2=10mm（3-30）蝸輪齒寬:b2=0.7da1=18.84mm，取18mm。（3-31）為了不損傷齒寬b2，因此，蝸輪的齒頂圓直徑de2的取值在58mm和60mm之間選取，取de2=58mm。蝸輪蝸桿在機(jī)械傳動(dòng)中效率不高，它們?cè)诠ぷ鞯臅r(shí)候，會(huì)產(chǎn)生較多的熱量。閉式蝸桿在機(jī)器中傳動(dòng)的時(shí)候，傳動(dòng)所產(chǎn)生的熱量將流經(jīng)箱體再擴(kuò)散到空氣里。在此次家用清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，蝸桿在傳動(dòng)所產(chǎn)生的熱量通隨吸塵時(shí)造成的氣體流動(dòng)擴(kuò)散到空氣中。蝸桿的嚙合率影響它的傳動(dòng)效率，而它的嚙合率主要受到它導(dǎo)程角影響。在蝸桿的導(dǎo)程角大于30°之后，它們傳動(dòng)的嚙合率雖增加，但時(shí)不明顯，而蝸桿的加工成本高。當(dāng)導(dǎo)程角小于30°之后，同時(shí)縮短了蝸輪與蝸桿傳動(dòng)的中心距，進(jìn)而蝸桿不需要設(shè)計(jì)這么大的尺寸，從而提高了蝸輪與蝸桿傳動(dòng)時(shí)的嚙合率，因此蝸桿的傳動(dòng)效率也增加。3.3清掃刷的電機(jī)選擇在家用清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，皮帶輪的傳動(dòng)比為1：1，右因?yàn)榍鍜咚⒌霓D(zhuǎn)速大于或等于3r/m才能完成清掃垃圾的目的，并且將垃圾掃進(jìn)垃圾存儲(chǔ)室里。因此，要想機(jī)器人把地面的垃圾清掃干凈，它清掃機(jī)構(gòu)的蝸桿轉(zhuǎn)速要在180r/m-210r/m的范圍內(nèi)，根據(jù)上面計(jì)算蝸輪與蝸桿的傳動(dòng)比得出，蝸桿的轉(zhuǎn)速為2600r/m-3200r/m之間才能完成地面垃圾清掃工作。提高網(wǎng)上查詢，發(fā)現(xiàn)一款型號(hào)為55S201的電機(jī)的轉(zhuǎn)速為300r/m，它的功率為12w，這滿足了功能使用要求；它的尺寸小，又滿足了安裝要求。因此，選用這款電機(jī)作為清掃機(jī)構(gòu)的電機(jī)。3.4家用清掃機(jī)器人電池的選用機(jī)器人工作的環(huán)境大多數(shù)在室內(nèi)，家用清掃機(jī)器人如果通過插座插電線獲得電源，拖著長長的電線進(jìn)行作業(yè)，又因?yàn)榧依飻[放著各種各樣的生活物品，家用清掃機(jī)器人不方便清掃。目前，大部分的清潔機(jī)器人都是運(yùn)用電池為它供電，超市里普通的電池是不能作為清潔機(jī)器人的供電電池，作為家用清掃機(jī)器人的供電電池，要具備有密度高、自放電少、可靠性好等特點(diǎn)。我國的電池品種很多，但可以把它們分為三大類，分別是：一次電池、二次電池和燃料電池。常見的一次電池有錳干電池、堿性電池、氧化銀電池等。干電池在很多方面都有使用，它的電壓、容量會(huì)受溫度的影響，使用時(shí)，溫度越高，它的電壓和容量同時(shí)增大，它工作時(shí)的溫度可到達(dá)50℃到60℃，當(dāng)溫度在0℃以下時(shí)，它的容量會(huì)快速下降。堿性電池的尺寸大小與干電池一樣，這兩種電池可以互換使用，它具有電流量大、放電容量大的特點(diǎn)。銼電池能工作的溫度范圍大，自放電少，具有電動(dòng)勢(shì)高、能量密度高的特點(diǎn)，這種電池正走向使用化，很適合機(jī)器人使用的電池。在生活中常見的二次電池有：鉛酸電池、銀鉛電池和鎳鎬電池。鉛酸電池結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠、現(xiàn)在，人們已經(jīng)能熟練地生產(chǎn)它，生產(chǎn)成本低、使用壽命長，還具有電壓高、放電比率高、能量密度低等特點(diǎn)，最適合現(xiàn)在機(jī)器人使用。銀鉛電池的輸出功率雖高、能量高，但充一次電要用很長時(shí)間才能充滿，充電的壽命次數(shù)少。鎳鎬電池的電壓低，生產(chǎn)費(fèi)用，很少被機(jī)器人用作供電源。在生活中常見的燃料電池為：堿性、磷酸、固體電解質(zhì)燃料電池。燃料電池是一種很理想的電池，它的尺寸小，重量輕，可重復(fù)使用次數(shù)多，能較長時(shí)間使用，使用效率高，對(duì)環(huán)境的污染小。遺憾的是此種電池現(xiàn)在處于研發(fā)中，還沒能投入使用。由于上面對(duì)電池進(jìn)行分析，也對(duì)此次設(shè)計(jì)的家用清掃機(jī)構(gòu)選用的零件進(jìn)行綜合考慮，就采用鉛酸電池作為家用清掃機(jī)器人作為供電源。因?yàn)殂U酸電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：電壓高，能使用較長時(shí)間，可放電比率高，價(jià)格低，結(jié)構(gòu)組合簡單，使用可靠。因此，鉛電池作為機(jī)器人的電源。3.5家用清掃機(jī)器人的軸承的壽命的計(jì)算（1）計(jì)算軸承壽命的基本公式為：Lh=（ftc/fpp）h（3-32）其中：P—當(dāng)量動(dòng)載荷（N）；—壽命指數(shù)，球軸承=3，滾子軸承=10/3n—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)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查到。通關(guān)查表得C=2.75×10^3（2）計(jì)算角接觸軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷?；竟綖?P=Fp(XFR+YFA)（3-33）其中：X—徑向載荷系數(shù)，其值可以通過查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P285頁表13—11得到；Y—軸向載荷系數(shù)，其值可以通過查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P285頁表13—11得到；Fr—軸向所承受得徑向載荷；Fa—軸承所承受的軸向載荷；Fp—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Fr、Fa值，計(jì)算軸承所受的徑向載荷Fr軸向受力如圖3—2所示。、圖3—2軸承受力圖經(jīng)計(jì)算解得Fr=0.081N，F(xiàn)a=0.015N從前面給出的條件可以知道，軸承是關(guān)于蝸輪對(duì)稱得，一次兩邊的距離一樣。所以：FR1=FR2=1/2Fr=×0.081N=0.0405N（3-34）又因?yàn)檩S承的重力要軸承受，每個(gè)軸承重0.1N左右軸承受到理論的載荷加上軸承的重力，所以:FR1=FR2=0.0405N+0.1N=0.1405N（3-35）S1=S2=R/2Y=0.0468N（3-36）S1—派生軸向力又因?yàn)椋篠2+Fa=0.0468+0.015=0.0618N＞0.0468N（3-37）所以軸承1壓緊，軸承2放松所以Fa1=0.0618N,Fa2=0.0468N（3-38）Fa1＞Fa2，所以只需要校核軸承1即可因?yàn)镕a/Fr=0.0618/0.1405＜e