家用自動清掃機的行走機構(gòu)設(shè)計【優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計+含5張CAD圖紙+帶+28頁加正文1.04萬字】-jxsj23

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摘  要

隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展，家用自動機器人的研究有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，許多以前只能服務(wù)國家重要領(lǐng)域的成功技術(shù)已經(jīng)使用于服務(wù)普通大眾的機器人中。自動清掃機器人屬于服務(wù)機器人，世界各國特別是發(fā)達(dá)國家正致力于研究開發(fā)和廣泛運用服務(wù)機器人，中國許多高等學(xué)府在這方面的研究也取得了不錯的成果。

本文在比較了國內(nèi)外許多種家用機器人產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，提出了家庭清掃機器人行走機構(gòu)的設(shè)計方案。介紹了清掃機器人行走機構(gòu)的各個組成部分，著重介紹了自動清掃機器人的蝸輪蝸桿設(shè)計等。并用CAD畫出了行走機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)，以及蝸輪蝸桿和驅(qū)動輪萬向輪的裝配圖及零件圖。完成了行走機構(gòu)的全部設(shè)計，成本較低但尺寸較大。

由此可見，想要自動清掃機器人將來具有廣闊的市場前景，那么設(shè)計出來的產(chǎn)品必須要有高的性價比。本設(shè)計最終完成了所有的設(shè)計任務(wù)，綜合運用了大學(xué)所學(xué)的專業(yè)知識，很大程度的提高了綜合理解能力。

關(guān)鍵字：清掃機器人；行走機構(gòu)；蝸輪蝸桿

Abstract

Along with the social progress, the home study of autonomous mobile robot has been a great development. Used in many military robots on the successful technology has been used in a civilian robot. Automatic cleaning robots are service robots，Serving robot is being researched and developed in the countries all over the world, and which is being used widely in the west developed countries. If the rate of quality and price of the cleaning robot is highly enough ,the market of the cleaning robot would be prospered.

   Compared on the basis of a variety of home robot products at home and abroad, household cleaning robot overall design of the program. We describe various components of a cleaning robot and Focuses on the part and vacuum part of the running gear automatic cleaning robot. Finally, refer to the relevant design manual, automatic cleaning robot design and carry out various parts of the check, the results show that to achieve the design requirements for household cleaning robot automatically.

Keywords: cleaning robot; running gear; vacuum institutions.

目 錄

1. 緒論 1

1.1. 研究的背景 1

1.2. 自動清掃機器人的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1

1.3. 研究的目的與意義 2

1.4. 當(dāng)前清掃機器人存在的問題與分析 3

2  小型自動清掃機器人總體結(jié)構(gòu)的介紹 4

2.2 自動清掃機器人控制部分介紹 4

2.3 自動清掃機器人電源部分介紹 5

2.4 小型自動清掃機器人行走機構(gòu)介紹 5

2.5 輪式行走機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu) 5

2.6 行走機構(gòu)的運動分析及總體結(jié)構(gòu) 6

3  確定各部件及零件的結(jié)構(gòu) 9

  3.1 步進(jìn)電機的選用 9

3.2 底座 14

3.3 驅(qū)動輪 15

3.4 蝸輪蝸桿 15

3.5 蝸輪蝸桿的強度校核 18

3.6 從動輪 18

3.7 軸承 19

參考文獻(xiàn) 22

4  小結(jié) 23

謝  辭 24

大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘 要 隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展，家用自動機器人的研究有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，許多以前只能服務(wù)國家重要領(lǐng)域的成功技術(shù)已經(jīng)使用于服務(wù)普通大眾的機器人中。自動清掃機器人屬于服務(wù)機器人，世界各國特別是發(fā)達(dá)國家正致力于研究開發(fā)和廣泛運用服務(wù)機器人，中國許多高等學(xué)府在這方面的研究也取得了不錯的成果。 本文在比較了國內(nèi)外許多種家用機器人產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，提出了家庭清掃機器人行走機構(gòu)的設(shè)計方案。介紹了清掃機器人行走機構(gòu)的各個組成部分，著重介紹了自動清掃機器人的蝸輪蝸桿設(shè)計等。并用 及蝸輪蝸桿和驅(qū)動輪萬向輪的裝配圖及零件圖。完成了行走機構(gòu)的全部設(shè)計，成本較低但尺寸較大。 由此可見，想要自動清掃機器人將來具有廣闊的市場前景，那么設(shè)計出來的產(chǎn)品必須要有高的性價比。本設(shè)計最終完成了所有的設(shè)計任務(wù)，綜合運用了大學(xué)所學(xué)的專業(yè)知識，很大程度的提高了綜合理解能力。 關(guān)鍵字 ： 清掃機器人；行走機構(gòu) ；蝸輪蝸桿 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） of a in on in a is in is in If of of is of be on of a of at of We of a on of to of to 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 目 錄 1. 緒論 ................................................ 1 研究的背景 ......................................................... 1 自動清掃機器人的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ....................................... 1 研究的目的與意義 ................................................... 2 當(dāng)前清掃機器人存在的問題與分析 ..................................... 3 2 小型自動清掃機器人總體結(jié)構(gòu)的介紹 .................... 4 動清掃機器人控制部分介紹 .......................................... 4 動清掃機器人電源部分介紹 .......................................... 5 型自動清掃機器人行走機構(gòu)介紹 ...................................... 5 式行走機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu) .............................................. 5 走機構(gòu)的運動分析及總體結(jié)構(gòu) ........................................ 6 3 確定各部件及零件的結(jié)構(gòu) .............................. 9 進(jìn)電機的選用 ...................................................... 9 座 ............................................................... 14 動輪 ............................................................. 15 輪蝸桿 ........................................................... 15 輪蝸桿的強度校核 ................................................. 18 動輪 ............................................................. 18 承 ............................................................... 19 參考文獻(xiàn) .............................................. 22 4 小結(jié) ............................................... 23 謝 辭 ................................................ 24 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 頁 1. 緒論 近年來計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、自動控制技術(shù)以及服務(wù)機器人技術(shù)有了飛速的發(fā)展，自動清掃機器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已經(jīng)具有了堅實的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。 研究的背景 清掃機器人屬于服務(wù)機器人的一種 ,服務(wù)機器人研究工作從九十年代開始越來越受到國際關(guān)注，很多國家尤其是西方發(fā)達(dá)國度正致力于研制、研發(fā)和廣泛應(yīng)用服務(wù)機器人。現(xiàn)在，很多國家已經(jīng)將智能機器人技術(shù)運用到了很多地方，比如廣闊區(qū)域打掃，餐廳的服務(wù)員等一些繁重枯燥的工作。這些國家很多的工作效益都是由于應(yīng)用了服務(wù)機器人，解決了很多人們無法完成的工作項目。 ]15[ 近幾年，我國國民經(jīng)濟和人民生活水平有了顯著的質(zhì)的飛躍，服務(wù)機器人也已經(jīng)在各個領(lǐng)域廣泛、大量地嶄露頭角。 現(xiàn)如今服務(wù)機器人應(yīng)用還處于初中級階段在很多領(lǐng)域，有部分工作還要靠人力去完成解決。比如我國北方的冬天經(jīng)常下雪，每次下完雪路面都會有較厚的積雪，人工打掃會很辛苦而且浪費時間，如果可以用人工智能機器人解決這一問題將會很方便。目前，已經(jīng)有一些大型的掃雪車代替人工掃雪，但是我們追求的是完全自動化。日立和松下公司生產(chǎn)的一種自動吸塵器具有避障功能并且可以主行走吸塵，對于廣闊的路面有較大的應(yīng)用前景，最大的創(chuàng)新在于可以自己充電。目前，自動清掃機器人還沒有辦法在人群擁擠以及情況比較惡劣的環(huán)境下清掃路面，因為它還不能特別智能化的 避讓障礙物。另外， 款機器人有一種超聲測距傳感器可以通過不斷的超聲波傳播來測量機器人和障礙物之間的間隔。 ]9[ 自動清掃機器人的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 在我國，隨著改革開放國民生產(chǎn)總值一年比一年有所升高，人們也越來越注重自己的生活水平，不再是吃飽穿暖更注重的是生活品質(zhì)，所以目前所擁有的科技技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們對生活的期望了，人們迫切向往著更先進(jìn)的技術(shù)來提升自己的生活品質(zhì)。越來越多的行業(yè)也同樣迫切 需要先進(jìn)技術(shù)來解放生產(chǎn)力。為了滿足人們和國家這么多行業(yè)的迫切需要，我國的科研人員們已經(jīng)研究并且取得了一定的成果。在上世紀(jì) 90 年代，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與香港中文大學(xué)合作，共同開發(fā)研制出了一種全方位移動清掃機器人。 1999 年初，浙江大學(xué)機械電子研究所開始進(jìn)行了智能吸塵機器人的研討，并且成功研究出國內(nèi)第一個具有初步智能的 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 頁 自主吸塵機器人。 圖 1 國內(nèi)公司生產(chǎn)的機器人 圖 1所示的 廣泛用于家庭、辦公等其它公共場所， 以及另外一些人員不方便進(jìn)入的地點。但對于規(guī)劃路程等功能還沒有完善，所以現(xiàn)在基本已經(jīng)被新興的產(chǎn)品所取代了。隨著科技創(chuàng)新的突飛猛進(jìn)，在我國家用掃地機的品牌越來越多，但目前銷量和口碑比較好的有科沃斯朵朵 S（圖 2）、小米（圖 3）、普桑尼克 780 4）等。 圖 2 科沃斯朵朵 s 圖 3 小米掃地機 圖 4 普桑尼克 780 研究的目的與意義 清掃機器人同時運用了移動機器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)，能夠自主的在平坦的路面進(jìn)行清掃任務(wù)，比如廣場路面清掃，學(xué)校路面清掃這種枯燥乏味又浪費時間的勞動，如果智能清掃機器人可以運用到這些方面將會很大程度上的解放生產(chǎn)力。在上世紀(jì)已經(jīng)受到國內(nèi)外研究人員的重視。從市場前景角度來看，清掃機器人可以很大程度地降低勞動強度，并且能夠升高勞動效率，非常適用于家庭住所和公共場所的室內(nèi)外清潔。清掃機器人屬于智能機器人的一種特殊應(yīng)用，智能清掃機器人相對全面地應(yīng)用了許多先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，所以研制開發(fā)智能自動清掃機器人具有廣闊的市場前景，而且 對于科學(xué)技術(shù)的提升也具有重要意義。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 頁 當(dāng)前清掃機器人存在的問題與分析 現(xiàn)如今國內(nèi)外在研究開發(fā)清掃機器人方面有了一定的基礎(chǔ)，但是有些關(guān)鍵技 術(shù)問題還沒有得到實質(zhì)性地解決，主要體現(xiàn)在以下幾方面： 目前 ,價格偏高是影響清掃機器人普及到每個家庭的主要因素 ,因此，很多設(shè)計師將如何提高機器人的性價比作為了自己不斷追求的目的。為了進(jìn)一步的降低清掃機器人的成本 ,我們必須開發(fā)性價比高的微型傳感器以及開發(fā)清掃機器人專用的數(shù)字處理和運動控制芯片。接下來我們可以認(rèn)識到藍(lán)牙技術(shù)在家電行業(yè)的重要應(yīng)用 ,通過采用藍(lán)牙技術(shù)將數(shù)字 處理器過高的成本平移到用戶的移動設(shè)備上 ,我們或許可以把智能清掃機器人的實際成本控制到更低。 現(xiàn)在的清掃機器人正在向著自主式和智能化的方向發(fā)展 ,所以我們更應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)在已掌握的移動機器人控制和運動規(guī)劃技術(shù) ,將自動清掃機器人進(jìn)行優(yōu)化升級，使其能夠更好地自動避讓障礙物并且可以自動進(jìn)行充電，將碰撞損害率降到最低，最好是能讓自動清掃機器人清掃出來的效果可以和人工清掃出來的效果相媲美。 為了更加有效地提高清掃質(zhì)量 ,我們還需要繼續(xù)改進(jìn)對現(xiàn)有的吸塵技術(shù)。讓自動清掃機器人可以通過現(xiàn)有的環(huán)境清掃程度自動規(guī)劃清掃任務(wù)及路線，最大程度的運用清掃機器人的功能，讓自動清掃機器人的清掃效果越來越優(yōu)秀。 ]4[ 清掃機器人的核心之一是電源技術(shù) ,不但能提高自動清掃機器人的工作時間還能提升它的工作效率以及完成工作任務(wù)所用的時間 ,為了保證清掃機器人能夠及時地進(jìn)行自主充電 ,現(xiàn)在還需要優(yōu)化自動充電的設(shè)計 ,自動完成在指定位置的清掃和充電任務(wù)?，F(xiàn)如今智能機器人技術(shù)日新月異，所以自動清掃機器人也越來越實用 ,每隔幾個月就會有新產(chǎn)品誕生，同樣出現(xiàn)的是清掃機器人價格的降低，從而使智能清掃機器人能像電視機這種家電產(chǎn)品一樣幾乎普及到 每家每戶成為生活的必需品 ,從而為這個新一代的技術(shù)產(chǎn)物帶來可觀的市場前景和經(jīng)濟效益。 （ 5） 設(shè)計的重點和難點 小型自動清掃機器人行走機構(gòu)的設(shè)計 確定各零部件的結(jié)構(gòu)并完成 結(jié)構(gòu) 零件圖 的繪制 ； 繪制 裝配圖原理圖； 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 頁 2 小型自動清掃機器人總體結(jié)構(gòu)的介紹 自動清掃機器人總體結(jié)構(gòu)由四大部分組成：行走機構(gòu)、吸塵機構(gòu)、控制部分和電源部分。本設(shè)計主要是行走機構(gòu)的設(shè)計，但在本文中對其它部分進(jìn)行簡要的介紹以及確定。 動清掃機器人吸塵機構(gòu)介紹 現(xiàn)代吸塵器技術(shù)主要包括兩類：氣流濾塵塵器和真空吸塵器。通過比較現(xiàn)有清掃機器人本文決定采用氣流濾塵器，氣流濾塵器是一個全封閉系統(tǒng)，其原理是應(yīng)用附壁效應(yīng)形成抵壓渦流氣體，最后把廢物留在了吸塵器的氣流腔中。根據(jù)機器人的本體形狀和移動路徑以及吸塵效果，將吸塵機構(gòu)的吸嘴設(shè)計在機器人本體的前方，而兩個旋轉(zhuǎn)刷子，分別位于機器人的左右兩邊，這樣就可以提高清掃效率又能方便墻角清掃。控制旋轉(zhuǎn)刷子的電動機以及吸塵機構(gòu)的電動機采用直流電動機。 ]3[ 清掃機器人的總體機構(gòu)如圖 5所示。 圖 5 清掃機器人總體結(jié)構(gòu)示意圖 動清掃機器人控制部分介紹 自動清掃機器人的控制主要是對小車的驅(qū)動電路啟動、停止、自身定位和路徑識別的控制。主要由驅(qū)動電路、直流穩(wěn)壓電源、驅(qū)動器、檢測開關(guān)、控制電路等構(gòu)成。 隨著機器人控制技術(shù)的提升和計算機技術(shù)的進(jìn)步，自動清掃機器人的控制系統(tǒng)已經(jīng)由分布式控制取代傳統(tǒng)的集中式控制。因此本文決定采用分布式控制方式。分布式控制就是由上一級主要控制計算機擔(dān)任全部體系的處置以及坐標(biāo)變動和路徑規(guī)劃等，下一級由許多微處理器構(gòu)成，每一個微處理器負(fù)責(zé)機器人一個或 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 多個關(guān)節(jié)的驅(qū)動或傳感器數(shù)據(jù)的處理，并且平行地完成任務(wù)，從而提升工作效率 和處理能力。這些微處理器和主控機之間的聯(lián)系是通過總線形式實現(xiàn)的，這種結(jié)構(gòu)易于系統(tǒng)的擴展和維護(hù)。 動清掃機器人電源部分介紹 自動清掃機器人所使用的蓄電池的結(jié)構(gòu)必須有良好的充放電特性、耐沖擊、耐振動等?，F(xiàn)如今鉛酸蓄電池和錫鎳蓄電池使用得比較廣泛。現(xiàn)在的很多移動電源都是追求能儲存很多的電量同時還要有小的體積，都是是對于用在智能機器人上的電源來說，不能只是追求這些必須結(jié)合實際的運用讓電源更適合智能機器人。通過結(jié)合自動清掃機器人的特點， 本文決定采用鉛酸蓄電池作為系統(tǒng)的移動電源。綜合考慮鉛酸蓄電池的參數(shù)和特性，決定采用美國 額定電壓為 12v,額定容量為 36A。 型自動清掃機器人行走機構(gòu)介紹 自動清掃機器人的行走方式有很多種，主要有輪式的、履帶式的和腿式的。履帶式行走機構(gòu)被稱為無限軌道方式，它的特點是有很多的圓形的無線軌道繞在在許多輪子上，這樣可以讓車輪不直接地接觸地面。適用于表面凹凸不平的或是松軟車輪行走困難的環(huán)境。因為履帶行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)計時需要考慮輪子與履帶相配合所以設(shè)計的成本和時間都會升 高。但是由于本設(shè)計主要是用于室內(nèi)這種平坦的路面，故不采用履帶行走機構(gòu)。由于 當(dāng)今比較成熟的車輪移動方式，所以本設(shè)計決定采用輪式行走結(jié)構(gòu)。 式行走機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu) 輪式行走機構(gòu)有著自由，靈活，簡單的特點，適合于平坦并且障礙物較少的環(huán)境。在清掃機器人的運功控制中要求具備三個參數(shù)，坐標(biāo)和方向角，兩個輪機器人只是有兩個主動輪，因此是不完全約束，兩個驅(qū)動輪最好是設(shè)計成前后對稱的方案。在兩輪驅(qū)動的機器人中，車體由四個點支撐，其中前后各有一個萬向輪用來協(xié)助，左右各一個驅(qū)動輪。四點支撐可以將左右兩個主動輪配置在清掃機 器人的中心線上，這種形式能夠良好的控制重心。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑為 0 的時，由于清掃機器人能夠圍繞自身的中心點旋轉(zhuǎn)，從而能在狹窄的地方如墻角改變方向。 ]2[ 考慮到機器人的功能和成本問題，本設(shè)計采用四輪行走機構(gòu)。四輪結(jié)構(gòu)中左右兩輪獨立驅(qū)動 ,前后的兩個萬向輪為輔助方式，從而能夠滿足轉(zhuǎn)向的要求。中 間的兩個步進(jìn)電機和蝸輪通過聯(lián)軸器相接連，動力經(jīng)過蝸輪蝸桿的嚙合運動傳遞，蝸輪和驅(qū)動輪安設(shè)在同一傳動軸上，具有相同的轉(zhuǎn)速，軸再通過鍵連接，從而帶動兩驅(qū)動輪，推進(jìn)機器人行動。由于步進(jìn)電機是通過變動輸入不同的脈沖頻率來調(diào)速的，因此，通過改變步進(jìn)電機輸入的脈沖頻率，使兩個驅(qū)動輪可以獲得不同 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 6 頁 的速率，從而使清掃機器人實現(xiàn)直線前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎和倒退等性能。從動輪采用了應(yīng) 用非常廣泛的雙軸承萬向輪，這既增加了運動的平穩(wěn)性，又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性。行走機構(gòu)本身采用鋁合金型材料制作，從而可以盡可能減輕清掃機器人的總重量。外形采用圓 筒形，可以避免在屋內(nèi)清掃時碰壞其他物品， 同時也可以避免機器人自身受到損壞，行走機構(gòu)原理示意圖如圖 6 所示。 ]5[ 圖 6 行走結(jié)構(gòu)原理圖 走機構(gòu)的運動分析及總體結(jié)構(gòu) 小型自動清掃機器人的驅(qū)動系統(tǒng)由兩個步進(jìn)電動機，蝸輪蝸桿， 驅(qū)動輪，萬向輪組成，如圖 7所示。在電動機轉(zhuǎn)動下，蝸輪通過聯(lián)軸器相接連，蝸桿蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪通過鍵將動力傳遞到軸，從而驅(qū)動驅(qū)動輪，在設(shè)計時候需注意蝸輪和驅(qū)動輪要同軸，以具有相同的轉(zhuǎn)速。前輪是萬向輪，他具有運動穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎靈活等特點。 只需要變動 脈沖信號的頻次就可以對步進(jìn)電動機進(jìn)行調(diào)速，就可得到高精度的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時自動機器人就可以前進(jìn)或后退，當(dāng)兩個電動機輸出不同的脈沖頻率時，就可得到自動清掃機器人左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向功能。這樣設(shè) 計可以使清掃機器人在任意半徑下以任意速度實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，甚至可以在零旋轉(zhuǎn)半徑時轉(zhuǎn)彎，也就是清掃機器人可以在原地圍繞自身中心旋轉(zhuǎn)。本設(shè)計采用了蝸輪蝸桿傳動作為減速設(shè)計，這與以往的減速方式不同，以往都是齒輪減速，現(xiàn)在這一設(shè)計可以有效避免步進(jìn)電動機因低速而 出現(xiàn)的爬行現(xiàn)象。以下通過公式說明這點：設(shè)驅(qū)動輪的半徑為 r，電動機轉(zhuǎn)速 為 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 n，驅(qū)動輪的行走速度為： 0?(1) 式中 左右驅(qū)動輪的線速度（ k=1,2， 3）； i—— 蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動比。 從公式可知道調(diào)節(jié) 兩個不同的電動機轉(zhuǎn)速不同時候既可以彎轉(zhuǎn)。 (a) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 (b) (c) 圖 7 自動清掃機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1— 軸用彈性擋圈； 23,5— 滾動軸承； 467— 聯(lián)軸器； 8— 圓錐銷； 9— 電動機； 10— 萬向輪側(cè)支撐板； 11— 萬向輪； 12— 螺釘； 13— 萬向輪上支撐板；14— 蝸輪； 15— 電機下支架； 16— 電機上支架； 17— 六角螺栓； 18— 墊圈； 19,27— 彈性墊圈； 20,28— 六角螺母； 2122， 26— 套筒； 23,26— 平鍵； 24— 傳動軸；28— 六角螺母； 2930圖 7為自動清掃機的行走機構(gòu)裝配圖，是本設(shè)計最后的設(shè)計成果，具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計會在后面的文章中敘述。 ]6[ 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 3 確定各部件及零件的結(jié)構(gòu) 進(jìn)電機的選用 （ 1）步進(jìn)電動機的工作原理和優(yōu)點 步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫€位移或角位移的開環(huán)控制元件。步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)矩大但慣性小且響應(yīng)頻率高，因此具有急速停止與瞬間開動的優(yōu)越性，步進(jìn)電動機不需要反饋就能對速度或位移進(jìn)行精確控制并且價格較低。 （ 2）步進(jìn)電動機的應(yīng)用 步進(jìn)電動機雖然已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，但使用步進(jìn)電動機的控制系統(tǒng)必須由功率驅(qū)動電路、雙環(huán)形脈沖信號等組成。 （ 3）步進(jìn)電機的選擇 選擇步進(jìn)電動機考慮其步距角、靜轉(zhuǎn)矩及電流三大要素。 步距角的選擇。目前市場五相電動機的步距角一般有 °，二、四相電動機的步距角一般有 °。；三相電動機的為 °。 靜力矩的選擇。靜力矩的選擇是由步進(jìn)電動機的負(fù)載來決定的，恒速運行時只考慮摩擦負(fù)載，加速啟動時需考慮慣性負(fù)載，直接啟動時需考慮慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載。 電流的挑選。有相同靜力矩的步進(jìn)電動機，由于有不同的參數(shù)，運行特性會有很大不同 。要判斷步進(jìn)電機的電流只能通過頻率特性曲線圖。 力矩與功率換算。步進(jìn)電動機一般功率是變化 是在較大范圍內(nèi)調(diào)整使用時，一般只用力矩衡量。力矩與功率換算如下： （ 2） (3) (4) 式中 P—— 功率， W; ? —— 角速度， s； n—— 轉(zhuǎn)速， r/—— 力矩， 電動機為半步工作方式，則： 4002 ?（ 5） 602602????? 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁 其中， 步進(jìn)電動機應(yīng)用中的注意要點： ①步進(jìn)電動機應(yīng)用于轉(zhuǎn)速不高出 1000r/情況，在 1000可使電動機工作效率高，噪聲低。 ②因整步狀態(tài)時振動大所以步進(jìn)電動機最好不使用整步狀態(tài)。 ③轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)挑選大機座號的電動機。 ④步進(jìn)電動機在大慣量負(fù)載或較高轉(zhuǎn)速時，一般不在工作速度啟動，而應(yīng)用逐漸升頻提速，這樣不但電動機不失步，還可以在減輕噪聲的同時升高停止的定位精度。 ⑤步進(jìn)電動機在 600應(yīng)用小電流，大電感，低電壓來驅(qū)動。 ⑥先選電動機后選擇驅(qū)動的原則。 在進(jìn)行驅(qū)動步進(jìn)電動機功率確定的時候，只考慮機器人在水平路面做直線運動的情狀，并且忽略地面打滑、輪子變形、空氣阻力等因素。驅(qū)動輪的受力情況如圖 8所示 圖 8 驅(qū)動輪受力示意圖 圖中 M──驅(qū)動電動機施加于驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩； 驅(qū)動輪重力 清掃機器人施加于驅(qū)動輪的載荷； 清掃機器人對驅(qū)動輪的作用力； 地面對驅(qū)動輪的摩擦力； 地面對驅(qū)動輪的支撐力； v ──驅(qū)動輪軸心的運動速度 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 機器人直線運動時，從動輪受力情況如圖 9所示 圖 9 從動輪受力示意圖 圖中 機器人對從動輪的作用力； 機器人施加于從動輪的載荷； 地面對從動輪的摩擦力，方向與驅(qū)動輪所受摩擦力方向相反； 地面對從動輪的支持力。由主動輪受力分析可知： (6) (7) 其中， 又由 ?可得： ?（ 8） 其中， 由式 (6)~式（ 8）可得： ( 2???（ 9） 由從動輪受力分析可得： ?（ 10） ?（ 11） 其中 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 12 頁 由 ?可得： ?（ 12） 其中， 由式（ 10） ~式（ 12）可得 ( 2??（ 13） 完成對驅(qū)動輪和從動輪的受力分析后，接下來分析清掃機器人整體的受力，如圖 10所示 ]10[ 圖 10 清掃機器人的整體受力示意圖 在圖 10中，據(jù)圖 10的受力情況得： ? )(2（ 14） 由式（ 9） ~式（ 14）可得： dc cd 2222(2122 ?????(15) 其中清掃機器人的總質(zhì)量為：? 22為 9據(jù)現(xiàn)有的清掃機器人的加速度，可以預(yù)算出所需要的驅(qū)動力矩 。根據(jù)所設(shè)定的運行速率 s，且考慮到安全情況和傳動效率，可以確定需要的步進(jìn)電動機的功率大致為： ?(16) 式中 K ──安全系數(shù) ──中間減速機構(gòu)的傳動效率 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 將以上的數(shù)據(jù)代入式（ 16）得所需步進(jìn)電動機的功率為 4W。根據(jù)市場上不同型號電動機的靜力矩及矩頻曲線等參數(shù)，我們選用某電動機技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 57外形尺寸如圖 5所示，參數(shù)如表 1所示。 圖 5 57進(jìn)電機的外形尺寸 表 1 57進(jìn)電機參數(shù) 相數(shù) 2 步距角（°） 態(tài)相電流（ A） 電阻（ r） 電感（ 持轉(zhuǎn)矩（ 位轉(zhuǎn)矩（ 載啟動頻率（半步方式）（ 3 重量（ 動慣量（ g／ c㎡ ） 330 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14 頁 座 清掃機器人的底座應(yīng)該在保證足夠剛度的同時，盡量減輕底座的重量，從而提高有效承載重量。其次底座的外輪廓不應(yīng)有凸出部分，以防止碰撞其他物體并且傷害到自身。本文根據(jù)清掃機器人的承載要求和工作環(huán)境采用硬鋁作為機器人的底座材料，牌號為 座直徑 350度為 5右分別割兩個槽用于安設(shè)驅(qū)動輪，板上空間裝有與驅(qū)動直接相關(guān)的部件。在板的前后焊接幾塊小的硬鋁板用于支撐萬向輪，這樣做利于降低車體重心以及結(jié)構(gòu)設(shè)計，]12[ 機器人底座的結(jié)構(gòu)如圖 6所示。 圖 6 機器人底座設(shè)計圖 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15 頁 動輪 清掃機器人的驅(qū)動輪采用鑄鐵橡膠面驅(qū)動輪，它的優(yōu)點是摩擦力大能產(chǎn)生足夠的驅(qū)動力，并且承載能力大，運動時橡膠輪緣也有利于減震。輪芯是兩個帶有凸臺的圓形鑄鐵，材料選擇 緣有相應(yīng)的凸塊和輪芯相嚙合。兩半輪芯將輪緣夾住，通過螺釘緊固。驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖 7所示。 圖 7 驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)示意圖 12； 3 4 5 6 輪蝸桿 電動機和驅(qū)動輪之間用的是蝸輪蝸桿傳動，減速比設(shè)計為 29。 ]13[ 電動機與蝸桿之間采用套筒聯(lián)軸器相接連，蝸輪及驅(qū)動輪裝在同一個軸上，轉(zhuǎn)速相同。蝸桿材料為 45桿材料選用鑄造銅合金，牌號為 （ 1）蝸桿設(shè)計 蝸桿結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 8所示 圖 8 蝸桿結(jié)構(gòu)示意圖 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16 頁 表 2 圓柱蝸桿傳到基本參數(shù) 基本參數(shù) 計算公式 數(shù)值 蝸桿形式 阿基米德 蝸桿軸向模數(shù) m 2 蝸桿頭數(shù) 變位系數(shù) ? 頂高 ?? aa 2 頂間系數(shù) 中心距 a 桿軸向齒距 ?? 40 蝸桿導(dǎo)程程 1?? 桿分度圓直徑 1 桿齒頂圓直徑 aa ? 桿齒根圓直徑 )(211 ??桿節(jié)圓直徑 ?? )2(11 ????? 22 蝸桿分度圓導(dǎo)程角 11?? 蝸桿節(jié)圓導(dǎo)程角 ??? 22t a ????????? 蝸桿齒寬 1221 ?? 開線蝸桿基圓直徑 nb co s ? 桿螺旋線方向 右旋 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 17 頁 （ 4）蝸輪設(shè)計。蝸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 9所示，相關(guān)參數(shù)如表 3 所示。 圖 9 渦輪結(jié)構(gòu)示意圖 表 3 蝸輪基本參數(shù) 基本參數(shù) 計算公式 數(shù)值 蝸輪齒數(shù) 29 蝸輪分度圓直徑 2 58 蝸輪齒根圓直徑 ?? ???? (222 ） 輪喉圓直徑 ? ???? 輪咽喉母直徑 22 21 ag ? 輪節(jié)圓直徑 22 ? 58 蝸輪齒寬 ???????? ??? 2 16 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 18 頁 輪蝸桿的強度校核 蝸輪輪齒因彎曲強度不足而失效的情況，多發(fā)生在蝸輪齒數(shù)較多（ 90時）或開式傳動中。本設(shè)計的蝸輪齒數(shù)為 29 且所需的傳動力矩較小，因此本設(shè)計將省略蝸輪校核。 蝸輪齒面接觸疲勞強度計算的原始公式來源于赫茲公式。接觸應(yīng)力 ????(單位為 ???? = √????????0??Σ????? (17) 式中； ????—— 嚙合齒面上的法向載荷， N； ??0—— 接觸線總長， K—— 載荷系數(shù)； ????—— 材料的彈性影響系數(shù)，單位為 12 將相應(yīng)參數(shù)帶入可得，此蝸輪強度符合要求。 動輪 從動輪只是起到支撐作用不會產(chǎn)生力矩，當(dāng)清掃機器人在轉(zhuǎn)向時它可以自由活動。為了使小車轉(zhuǎn)向靈活，從動輪結(jié)構(gòu)設(shè)計為雙軸承形式的萬向輪。車輪與轉(zhuǎn)向軸中心線之間有 8]14[ 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 10所示。 圖 10 萬向輪的結(jié)構(gòu)示意圖 01— 六角螺釘； 02— 彈簧墊圈； 03— 中軸； 04,11— 軸套； 05— 連接板； 06— 推力球軸承； 07— 上板； 08— 滾動球軸承； 09— 輪緣； 10— 側(cè)板； 12— 連接軸 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 19 頁 萬向輪的工作原理和動力學(xué)分析。這種萬向輪的輪架通過豎直的連接軸與連接板采用螺母相連，連接板通過螺釘與機器人的底座相連。萬向輪上面的一個推力軸承承受機器人的總體壓力，并通過萬向輪輪架的兩側(cè)板以及下面的一個向心球軸承、中軸從而傳 到車輪上，轉(zhuǎn)向是通過下面的向心輪球軸承和上面的推力球軸承來實現(xiàn)的。輪心偏離連接軸心會產(chǎn)生彎力矩，這個彎力矩主要是由向心球軸承來承受。輪心和輪架軸即連接軸偏離可以產(chǎn)生一定的力矩讓萬向輪隨清掃機器人驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)向而轉(zhuǎn)動。下面的向心球軸承除了能傳遞壓力外，也可以讓輪子轉(zhuǎn)動起來。通常偏心距與輪半徑之比為 1/4左右為宜。 萬向輪的材料選用和熱處理。設(shè)計萬向輪輪體的輪架用三塊材料為 接軸用 45 鋼，熱處理 35軸即中軸，也用 45 鋼，熱處理 38文萬向輪的特點和應(yīng)用環(huán)境。本文中設(shè)計的萬向輪成本比較低，適合于承受小彎矩和中載荷，路面比較平坦，并且沒有大的凹凸環(huán)境。 承 滾動軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應(yīng)用的部件之一，它主要是依靠元件間的滾動接觸來支承轉(zhuǎn)動零件的。滾動軸承與滑動軸承相比具有功率消耗少，摩擦阻力小，起動容易等優(yōu)點。 ]6[ 廣泛使 用的滾動軸承很大一部分已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并且由工廠大量制造及供應(yīng)各種各樣的常用規(guī)格的軸承。滾動軸承的基本結(jié)構(gòu)如圖 11，內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架等四部分組成。內(nèi)圈用來和軸頸裝配。外圈用來和軸承座裝配。一般情況下是內(nèi)圈隨軸頸旋轉(zhuǎn)，外圈固定，但同樣也可以用于外圈回轉(zhuǎn)但是內(nèi)圈不動。或是內(nèi)、外圈同時回轉(zhuǎn)的場合。當(dāng)內(nèi)、外圈產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)時，滾動體即在內(nèi)，外圈的滾道間滾動。常用的滾動體，有球；滾柱滾子；滾針；圓錐滾子；球面滾子等。軸承內(nèi)、外圈上的滾道，可以避免滾動體向側(cè)面滾動。 圖 11 軸承的基本結(jié)構(gòu)與常用的滾動體 滾動軸 承選擇型號：本次行走機構(gòu)使用的軸承代號為 6303和 6200，如圖 11所示。它們?yōu)樯顪锨蜉S承，該軸承性能為主要承受徑向載荷，同時可以承受少量 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 20 頁 的雙向軸向載荷。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高而且不易使用推力軸承時，深溝球軸承也可以承受較輕的純軸向載荷。軸承的內(nèi)、外圈和滾動體，一般是用軸承鉻鋼制造的，熱處理后其硬度一般不低于 60為一般軸承的一些元件會經(jīng)過 150℃的回火，所以通常當(dāng)軸承的工作溫度不高于 120℃時，元件的硬度不會降低。選擇的軸承代號 6203和 6200 查表 4如下： 圖 12 深溝球軸承 (摘自 276 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 21 頁 表 4 軸承參數(shù) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 22 頁 參考文獻(xiàn) [1] 金大鷹 M]北京：機械工業(yè)出版社， 2004. [2] 徐灝 M],北京：機械工業(yè)出版社， 1991 [3] 湯陽 ,戴光智 ,王銳鵬 . 家用自主吸塵機器人的研究和開發(fā) [J]2006,14 11 :1554 - 1556. [4] 蔣新松 J]1996,18 (5): 2855] 隋凌燕，姜勇 文版機械制圖基礎(chǔ)教程 [M]民郵電出版社，6] 廖念釗 M]1991 [7] 趙如福 M]1990 [8] 孫恒，陳作模主編．機械原理．第六版 [M]．北京：高等教育出版社， 2001． 5 [9] 施拉夫特 M]997, 54 (1): 310] 單輝祖，材料力學(xué)（ I） [M]，第 3版，北京，高等教育出版社， [11] 王之櫟，王大康，機械設(shè)計綜合課程設(shè)計 [M]，第 2版，北京，機械工業(yè)出版社， 12] 濮良貴，陳國定，機械設(shè)計 [M] ，第 9版，北京，高等教育出版社， 13] 肖銀玲，機械制圖 [M]，第 6版，北京，高等教育出版社， 14] 王伯平，互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ) [M]，第 3版，北京，機械工業(yè)出版社， 15] 陳豐，曾凡才，“簡易空間機器人”機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 [J]，鄭州工學(xué)院學(xué)報， 10卷，第 3 期， 71— 74 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 23 頁 4 小結(jié) 本設(shè)計對自動清掃機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了自動清掃機器人存在的問題，提出了發(fā)展趨勢，大體介紹了請掃機器人所涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)。本文設(shè)計只是滿足了中端自動清掃機器人的行走機構(gòu)的技術(shù)要求，對其行走機構(gòu)的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。主要完成的內(nèi)容有： ●自動清掃機器人的現(xiàn)狀介紹。 ●自動清掃機器人的總體方案設(shè)計。 ●自動清掃機器人行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 自動清掃機器人作為一種服務(wù)機器人的一種，目前逐漸成熟傳感器技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展給自動清掃機器人的研究發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。目前市場上的價格以及參差不齊的技術(shù)仍然制約了自動清掃機器人的普及。但是自動清掃機器人的未來是光明的。成本低、功能強、智能化程度高、適應(yīng)性強、應(yīng)用廣泛的自動清掃機器人正在研發(fā)中，無需多時將會普及到千家萬戶。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 24 頁 謝 辭 本設(shè)計是在金阿芳老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的。在整個設(shè)計過程中，她 不顧教務(wù)的繁忙，設(shè)身處地的為我找資料，查文獻(xiàn)， 細(xì)致、耐心地教導(dǎo)和講解我遇到的各種問題，讓我的畢業(yè)設(shè)計最終得以完成。除此之外她還教會我很多的學(xué)習(xí)方法以及為人處事方面的道理 。 老師平易近人的人格魅力，嚴(yán)謹(jǐn)進(jìn)取的治學(xué)精神和樂觀向上的生活態(tài)度，將給我往后的學(xué)習(xí)生活帶來很多幫助。 畢業(yè)設(shè)計是對本科階段各種知識的綜合運用也是讀研究生的一個開端，我相信在今后的學(xué)習(xí)生活中將會遇到更多更復(fù)雜的困難。在未來的科研生活中也會遇到許多的坎坷。但是我現(xiàn)在沒有絲毫畏懼，因為在這次畢業(yè)設(shè)計中我同樣遇到了很多困難，但在老師和同學(xué)的幫助下我順 利地克服了。這次的經(jīng)歷對于我的人生是非常寶貴的，俗話說“萬事開頭難”，開頭難已經(jīng)過去，在接下來的日子里我要一步一個腳印努力提升自己的專業(yè)水平，專心從事機械設(shè)計方面的研究，讓自己的能力和專業(yè)知識產(chǎn)生更多的價值。 在此衷心感謝在這次畢業(yè)設(shè)計中幫助及指導(dǎo)過我的老師和同學(xué)，讓我開闊了眼界，增長了學(xué)識。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 25 頁