0523-小型自動清掃機器人設(shè)計【優(yōu)秀含8張CAD圖+說明書】

0523-小型自動清掃機器人設(shè)計【優(yōu)秀含8張CAD圖+說明書】,優(yōu)秀含8張CAD圖+說明書,小型,自動,清掃,打掃,機器人,設(shè)計,優(yōu)秀,優(yōu)良,cad,說明書,仿單 第 I 頁 小型自動清掃機器人設(shè)計 摘 要 隨著社會的進步，家用自主式移動機器人的研究得到了很大的發(fā)展。許多應(yīng)用于 軍用機器人上的成功技術(shù)已經(jīng)使用于民用機器人中。自動清掃機器人屬于服務(wù)機器人， 世界各國尤其是發(fā)達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。如果自動清掃機器人具有優(yōu)良的性價比，那 么這個產(chǎn)品將具有廣闊的市場前景。 本文在比較了國內(nèi)外多種家用機器人產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，提出家庭清掃機器人整體設(shè) 計方案。介紹了清掃機器人的各個組成部分，側(cè)重介紹了自動清掃機器人的行走機構(gòu) 部分和吸塵部分。最后通過查閱相關(guān)設(shè)計手冊，并對所設(shè)計的自動清掃機器人進行各 部分的校核，結(jié)果表明能達到家用自動清掃機器人的設(shè)計要求。 關(guān)鍵字：清掃機器人；行走機構(gòu)；吸塵機構(gòu)；電源。 第 II 頁 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; power. 第 1 頁 共 32 頁 目錄 引言 .1 1 小型自動清掃機器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 4 1.1 小型自動清掃機器人行走機構(gòu)設(shè)計 4 1.2 輪式行走機構(gòu) 4 1.3 自動清掃機器人吸塵機構(gòu)介紹 5 1.4 自動清掃機器人控制部分 6 1.5 自動清掃機器人電源部分的選擇 6 1.6 行走機構(gòu)整體結(jié)構(gòu) 7 2 確定各部件及零件的結(jié)構(gòu) 9 2.1 步進電機的選用 9 2.2 底座 .11 2.3 驅(qū)動輪 .11 2.4 渦輪蝸桿 .12 2.5 從動輪 .15 2.6 軸承 .16 3 自動清掃機器人吸塵機構(gòu)設(shè)計 18 3.1 吸塵機構(gòu)整體設(shè)計。 .18 3.2 吸塵機構(gòu)重要零件設(shè)計 .19 3.2.1 電動機的選擇 .19 3.2.2 同步帶傳動機構(gòu)設(shè)計 19 3.2.3 滾動軸承 .23 3.2.4 軸設(shè)計 .24 3.2.5 萬向輪中軸工藝 .28 4 小結(jié) 30 謝 辭 .31 參考文獻 .32 第 1 頁 共 32 頁 引 言 近年來計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)以及清掃機器人技術(shù)有了突飛猛進的發(fā)展，自 動清掃機器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已經(jīng)具備了堅實的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。 （1）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)達國家正致力于研制、開發(fā)和廣泛應(yīng)用服務(wù)機器人。目前，機器人已被美國、 日本等發(fā)達國家，用于醫(yī)療福利、商場導(dǎo)購、物品移送、家居服務(wù)和展廳保安等多個服務(wù)領(lǐng)域。服 務(wù)機器人給這些國家?guī)砹撕艽蟮墓ぷ餍б?，解決了很多人們無法完成的工作項目。隨著我國國民 經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，服務(wù)機器人也勢必會在各個領(lǐng)域廣泛、大量地應(yīng)用。 目前服務(wù)機器人應(yīng)用在很多領(lǐng)域還處于初級階段，很多工作還需要人力去完成。例如大面積寬 闊地面的清掃工作一直是一項繁重的體力勞動，人工清掃費時、費力且工作效率低，若將機器人用 于清掃服務(wù)，將具有廣闊的應(yīng)用前景和市場需求?，F(xiàn)在在一些發(fā)達國家，已開始采用服務(wù)機器人完 成對工廠、車站、機場和辦公室等寬闊地面的清掃工作。日本鐵路公司、Shink 電器公司和 Howa 工業(yè)有限公司聯(lián)合研制出車站地面清掃機器人，其配有超聲測距傳感器，通過不斷探測機器人與墻 壁的距離來完成對大廳地面的往復(fù)清掃；松下和日立公司研制的自動吸塵器可清掃磚地、木質(zhì)地板 及地毯地面，能自動行駛至充電站進行充電和實現(xiàn)簡單的避障功能。此外，法國還開發(fā)出了 AutoVacC 系列自主真空吸塵器。但是，清掃機器人對狹窄區(qū)域、墻角等死區(qū)的清掃以及在擁擠人 群中自主運動仍然是困擾清掃機器人研究和設(shè)計人員的問題。 （2）自動清掃機器人的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 在我國，隨著經(jīng)濟建設(shè)的不斷開展，人民生活水平的提高，現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)越來越不能滿足人民 日益增長的物質(zhì)需求。許多行業(yè)尤其是運輸業(yè)對在人流量大的寬闊地面實現(xiàn)自動清掃的要求越來越 強烈。為實現(xiàn)適合我國國情的寬闊地面自動清掃，我國在這一領(lǐng)域做了一些探索，并取得了一定的 成果。在 90 年代，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動清掃機 器人。1999 年初，浙江大學(xué)機械電子研究所開始進行智能吸塵機器人的研究，并成功研究出國內(nèi) 第一個具有初步智能的自主吸塵機器人。 目前在我國市場性價比比較高的產(chǎn)品是 KV8。 第 2 頁 共 32 頁 圖 1 國內(nèi)公司生產(chǎn)的機器人 KV8 如圖 1 所示的 KV8 保潔機器人是國內(nèi)首個產(chǎn)品化清掃機器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂場 所，以及其它一些人員不便進入的地方。KV8 能夠通過自身的碰撞傳感器來實現(xiàn)隨機的清掃和碰撞 處理，需要人工對其電池進行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動時伴有音樂聲。 （3）研究的目的與意義 清掃機器人將移動機器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機地融合起來，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的半自動或全自動 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。作為智能移動機器人 的一個特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化清掃機器人比較具體地體現(xiàn)了移動機器人的多項關(guān)鍵技術(shù)， 具有較強的代表性。從市場前景角度講，清掃機器人將大大降低勞動強度、提高勞動效率，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。 （4）目前清掃機器人存在的問題與分析 目前國內(nèi)外在清掃機器人研究開發(fā)有了一定的基礎(chǔ)，但是許多關(guān)鍵技術(shù)問題還沒有得到解決， 主要體現(xiàn)在一下幾方面： ●目前,價格過高是嚴重影響清掃機器人打入家電市場的主要因素,因此如何提高機器人的性價 比成為了許多設(shè)計師不斷追求的目的。為了大幅度降低其成本,我們必須開發(fā)專用運動控制和數(shù)字 處理芯片以及微型傳感器。其次,應(yīng)該看到藍牙技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景,通過采用藍牙技術(shù)將過 高的數(shù)字處理器成本轉(zhuǎn)移到用戶的個人電腦上,則有望在短期內(nèi)將清掃機器人的成本控制在千元左 右。 ●未來的清掃機器人將向智能化和自主式發(fā)展,因此我們必須結(jié)合現(xiàn)有的移動機器人運動規(guī)劃 和控制技術(shù),研究開發(fā)出對環(huán)境變化具有良好的自適應(yīng)性和對環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功 能的智能運動規(guī)劃與控制器,使吸塵機器人完成與人工操作質(zhì)量相同甚至更好的吸塵工作。 ●為了有效地提高清潔的質(zhì)量,還需要對現(xiàn)有的吸塵技術(shù)進行改進。根據(jù)環(huán)境的臟潔程度,采用 模糊邏輯等技術(shù)設(shè)計合理的吸塵時間以及相協(xié)調(diào)的機器人運動速度,確保滿意的吸塵效果。 ●電源技術(shù)是吸塵機器人的核心之一,除了有效地提高機器人運動和吸塵速度以延長電池的實 際吸塵時間外,還尚需優(yōu)化自動充電方案,保證機器人能及時進行充電,自動完成對指定環(huán)境的吸塵 任務(wù)。隨著吸塵機器人關(guān)鍵技術(shù)和性能價格比的不斷提高或改進,相信根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件,未來 幾年內(nèi)就會推出價格適中的全自動吸塵機器人產(chǎn)品,進而使吸塵機器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進 第 3 頁 共 32 頁 千家萬戶,為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來可觀的市場和經(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)、吸塵機構(gòu)的設(shè)計 ●確定各零部件的結(jié)構(gòu)并完成結(jié)構(gòu)草圖的繪制； ●繪制裝配圖原理圖； 第 4 頁 共 32 頁 1 小型自動清掃機器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 設(shè)計的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。 1.1 小型自動清掃機器人行走機構(gòu)設(shè)計 自動清掃機器人的移動方式有很多種，主要有輪式的、履帶式的。履帶式行走機構(gòu)稱為無限軌 道方式，其最大特征是將圓環(huán)狀得無限軌道履帶卷繞在多個車輪上，使車輪不直接與路面接觸。最 適合有故障或凹凸不平、車輪行走困難的環(huán)境，它設(shè)計困難，增加工藝性，造價要高很多。本設(shè)計 環(huán)境是家庭平坦的地面，所以不考慮用履帶式行走機構(gòu)。根據(jù)當(dāng)今比較成熟的車輪移動方式，本文 決定采用輪式結(jié)構(gòu)。 1.2 輪式行走機構(gòu) 輪式行走自由，靈活，是最簡單的行走方式，適合于平坦且沒有故障物的環(huán)境。機器人的運功 控制中要求具備三個參數(shù)，坐標和方向角，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。在兩驅(qū)動輪機器人中，車體有四點支撐，其中左右各一 個驅(qū)動輪，前后各有一個輔助的萬向輪，車體也可以有三個點支撐，其中只有一個輔助支撐輪。四 點支撐可以將左右主動輪配置在機器人的中軸線，這樣重心容易掌握。 如果旋轉(zhuǎn)半徑為 0 的時候， 因為繞著車體的中心點旋轉(zhuǎn)，所以這對于在狹窄的地方能改變方向。 考慮到機器人的重量和成本問題，本設(shè)計采用四輪車結(jié)構(gòu)。四輪結(jié)構(gòu)中中間左右兩輪分別驅(qū)動, 前后的萬向輪為隨動方式，從而滿足轉(zhuǎn)向要求。通過中間的兩個步進電機帶動渦輪蝸桿運動，再進 一步將運動傳遞到車輪。由于步進電機是通過改變輸入不同的脈沖頻率來調(diào)速的，因此，對兩個步 進電機輸入不同的脈沖頻率，就可以使得兩個驅(qū)動輪獲得不同的速度，從而使機器人實現(xiàn)直線前進、 后退和轉(zhuǎn)彎等功能。行走機構(gòu)本體采用鋁合金型材料制作，以盡可能減輕其重量。外形采用圓筒形， 以免在屋子里行走時碰壞其他物品。也避免機器人自身受損，行走機構(gòu)原理示意圖如圖 2 所示。 第 5 頁 共 32 頁 圖 2 行走結(jié)構(gòu)原理圖 1.3 自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：真空吸塵器和氣流濾塵塵器。本設(shè)計決定采用氣流濾塵器，氣 流濾塵器是一個全封閉系統(tǒng)，其原理是利用附壁效應(yīng)形成抵押渦流氣體，最后將沉渣截留在吸塵器 內(nèi)的氣流腔內(nèi)。根據(jù)機器人的本體形狀和移動路徑以及吸塵效果，我們將吸塵機構(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。吸塵的主電動機和控制旋轉(zhuǎn)刷子的電動機選用直流電動機。清掃機器人的總體機構(gòu)如 圖 3 所示。 第 6 頁 共 32 頁 圖 3 清掃機器人總體結(jié)構(gòu)示意圖 1.4 自動清掃機器人控制部分 自動清掃機器人的控制主要是對小車的驅(qū)動電路發(fā)熱啟動、停止、路徑識別和自身定位的控制。 主要由驅(qū)動電路、驅(qū)動器、檢測開關(guān)、直流穩(wěn)壓電源、控制電路等組成。 隨著計算機技術(shù)的進步和機器人控制質(zhì)量的提高，自動清掃機器人的控制系統(tǒng)已經(jīng)有分布式控 制取代傳統(tǒng)的集中式控制。因此本文設(shè)計決定采用分布式控制方式。分布式控制就是由上一級主控 計算機負責(zé)整個系統(tǒng)的管理以及坐標變換和路徑規(guī)劃運算等，下一級有許多微處理器組成，每一個 微處理器負責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的處理或機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動，并平行地完成任務(wù)，因而提高工作速度和處 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。 1.5 自動清掃機器人電源部分的選擇 自動清掃機器人所使用的蓄電池結(jié)構(gòu)必須有良好的充放電特性、耐振動、耐沖擊等。目前用得 比較廣泛的時鉛酸蓄電池和錫鎳蓄電池。對于移動式服務(wù)機器人移動電源參數(shù)的選擇應(yīng)該是多方面 考慮的，而不是一味地追求電源的容量越大越好，或一味地要求體積越小越好。結(jié)合自動清掃機器 人的特點，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，決定選 用美國 DECO 公司生產(chǎn)的鉛酸蓄電池，其額定電壓為 12v,額定容量為 36A 的鉛酸蓄電池。 第 7 頁 共 32 頁 1.6 行走機構(gòu)整體結(jié)構(gòu) 自動清掃機器人驅(qū)動系統(tǒng)由步進電動機，渦輪蝸桿， 驅(qū)動輪，萬向輪組成，如圖 4 所示。在 電動機轉(zhuǎn)動下，渦輪通過聯(lián)軸器相連接，蝸桿渦輪轉(zhuǎn)動，渦輪通過鍵將動力傳遞到軸，從而驅(qū)動驅(qū) 動輪，在設(shè)計時候要注意渦輪和驅(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。 要對步進電動機進行調(diào)速只需要改變脈沖號的頻率，就可得到高精度的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動機正轉(zhuǎn)或 反轉(zhuǎn)即可得到自動機器人前進或后退，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)的方向功能。這里才用了渦輪蝸桿傳動作為減速設(shè)計，這與以往的設(shè)計減速方式不 同，以往都是齒輪減速，現(xiàn)在這一設(shè)計可以避免了步進電動機因低速出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。以下通過公式 說明這點：設(shè)電動機轉(zhuǎn)速為 n，驅(qū)動輪的半徑為 r，驅(qū)動輪的行走速度為： (1) 式中 vk——左右驅(qū)動輪的線速度（k=1,2，3） ； i——渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動比。 從公式可知道調(diào)節(jié) n 的大小和正反就可得到不同的轉(zhuǎn)速，當(dāng)兩個不同的電動機轉(zhuǎn)速不同時候既 可以彎轉(zhuǎn)。 (a) 第 8 頁 共 32 頁 (b) (c) 圖 4 自動清掃機器人驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1，9—六角螺釘；2，19—彈簧墊圈；3,6—平鍵；4,13—軸套；5—傳動軸；7—底板；8—驅(qū)動輪； 10—六角頭螺釘；11—電動機上支架；12—電動機下支架；14—萬向輪上支撐板；15—螺釘；16— 萬向輪側(cè)支撐板；17—蝸輪；18—電動機；20—墊圈；21—圓錐銷；22—套筒聯(lián)軸器；23,28—軸 承座；24,27—滾動軸承；25—渦輪；26—萬向輪；29—軸用彈簧擋圈；30—萬向輪后支撐板。 第 9 頁 共 32 頁 2 確定各部件及零件的結(jié)構(gòu) 2.1 步進電機的選用 （1）步進電動機的工作原理和優(yōu)點 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。步進電機轉(zhuǎn)矩大慣性小、響 應(yīng)頻率高。因此具有瞬間啟動與急速停止的優(yōu)越性。步進電機不需要反饋就能對位移或速度進行精 確控制并價格低。 （2）步進電機的選擇 選擇步進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 0.36°/0.72°，二、四相電動機的步距 角一般有 0.9°/1.8°。 ；三相電動機的為 1.5°/3°。 靜力矩的選擇。靜力矩的選擇由電動機的負載來決定，直接啟動時要考慮慣性負載和摩擦負載， 加速啟動時考慮慣性負載，恒速運行時只考慮摩擦負載。 電流的選擇。靜力矩相同的電動機，由于不同的電流參數(shù)，運行特性有很大差別。只有依據(jù)頻 率特性曲線圖，來判斷電動機的電流。 力矩與功率換算。步進電動機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)使用時其功率是變化的，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，rad/s；? n——轉(zhuǎn)速，r/min M——力矩，N.mm 若電動機為半步工作方式，則： （5） 其中，f 為每秒脈沖數(shù)（pps） 步進電動機應(yīng)用中的注意要點： ①機應(yīng)用于轉(zhuǎn)速不超過 1000r/min 的場合，在 1000-3000PPs 間可使電動機工作效率高，噪聲 低。 ②動機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。 ③量大的負載應(yīng)選擇大機座號得電動機。 602nMP???402fP?? 第 10 頁 共 32 頁 ④在較高轉(zhuǎn)速或大慣量負載時，一般不在工作速度啟動，而采用逐漸升頻提速，這樣不但電動 機不失步，還可以在減少噪聲的同步提高停止的定位精度。 ⑤在 600pps 以下工作，應(yīng)采用小電流，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。 根據(jù)市場上電動機的參數(shù)，我們選用某電動機技術(shù)有限公司的 57BYG250E-SAFRML-0152 型兩相 混合式步進電動機。其外形尺寸如圖 5 所示，參數(shù)如表 1 所示。 圖 5 57BYG250E-SAFRML-0152 步進電機的外形尺寸 表 1 57BYG250E-SAFRML-0152 步進電機參數(shù) 相數(shù) 2 步距角（°） 0.9/1.8 靜態(tài)相電流（A） 1.5 相電阻（ ）?1.1 相電感（Mh） 6.2 保持轉(zhuǎn)矩（Nm） 1.5 定位轉(zhuǎn)矩（Nm） 0.04 空載啟動頻率（半步方式） （KHz） 3 重量（Kg） 1.5 轉(zhuǎn)動慣量（g／c㎡） 330 第 11 頁 共 32 頁 2.2 底座 機器人的底座要求在保證足夠剛度的條件下，盡量減輕底座的重量，以提高有效承載重量。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。本文根據(jù)去清掃機器人的工作環(huán)境和承載 要求采用硬鋁作為機器人的底座材料，牌號為 LY11。底座直徑 350mm，厚度為 5mm 的圓形硬鋁板， 左右兩邊割兩個槽用于安裝驅(qū)動輪，板上空間裝有與驅(qū)動直接有關(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，這樣利于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和降低車體重心，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 2.3 驅(qū)動輪 機器人的驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)采用鑄鐵橡膠面驅(qū)動輪其優(yōu)點在于承載能力大，與地面的附著系數(shù)大，保 證了足夠的驅(qū)動能力。而且機器人運動時橡膠輪緣有利于減震。輪芯是兩個帶有凸臺的圓形鑄鐵， 材料選擇 HT150。輪緣有相應(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。 第 12 頁 共 32 頁 圖 7 驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)示意圖 1-輪緣；2-輪芯 ； 3-六角螺母； 4-墊圈； 5-彈性墊圈； 6-六角頭螺栓。 2.4 渦輪蝸桿 電動機和驅(qū)動輪之間采用蝸輪蝸桿傳動，減速比設(shè)計為 29。電動機與蝸桿之間通過套筒聯(lián)軸 器相連，渦輪與驅(qū)動輪裝在同一軸上，轉(zhuǎn)速相同。蝸桿材料為 45Mn2，蝸桿材料選用鑄造銅合金， 牌號為 ZCuSn10Zn2。 （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 第 13 頁 共 32 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) Z1 1 變位系數(shù) ?0.100 齒頂高 ??ah1 2 頂間系數(shù) mc2.0? 0.4 中心距 a 11.2 蝸桿軸向齒距 P??? 40 蝸桿導(dǎo)程程 1z?6.28 蝸桿分度圓直徑 qmd1 22.4 蝸桿齒頂圓直徑 aah??26.4 蝸桿齒根圓直徑 )(21cf?17.6 蝸桿節(jié)圓直徑 ?mdqd1? 22 蝸桿分度圓導(dǎo)程角 z1tan??5.1° 蝸桿節(jié)圓導(dǎo)程角 ?2t 11?????????qmd5.1° 蝸桿齒寬 21?zb22 漸開線蝸桿基圓直徑 bbd??tan1?rrcoscos5.3 蝸桿螺旋線方向 右旋 第 14 頁 共 32 頁 （4）蝸輪設(shè)計。渦輪的結(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 渦輪基本參數(shù) 基本參數(shù) 計算公式 數(shù)值 蝸輪齒數(shù) z2 29 蝸輪分度圓直徑 md?58 蝸輪齒根圓直徑 ）????chaf ?(2 52.8 蝸輪喉圓直徑 ??a 61.6 蝸輪咽喉母直徑 221agdr?9.2 蝸輪節(jié)圓直徑 ? 58 蝸輪齒寬 ????????15.022mb16 第 15 頁 共 32 頁 2.5 從動輪 從動輪不產(chǎn)生力矩，它只起支撐作用，小車在轉(zhuǎn)向時它可以自由轉(zhuǎn)動。為了使小車轉(zhuǎn)向靈活， 從動輪的結(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 8mm 的偏心距。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 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、下面的一個向心球軸承、中軸傳動到車輪上，上面的推力球軸承和下面的向 心輪球軸承用以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。主要是向心球軸承承受輪心偏離連接軸心所造成的彎力矩，載重時推力 球軸承也承受一部分該力矩。輪心和輪架軸即連接軸偏離是造成一定的力矩使萬向輪隨機器人驅(qū)動 輪的轉(zhuǎn)向而轉(zhuǎn)動。下面的向心球軸承除傳遞壓力外，還可以實現(xiàn)輪體轉(zhuǎn)動。通常偏心距與輪半徑之 比為 1/4 左右為宜。本設(shè)計萬向輪的設(shè)計中，偏心距不應(yīng)該大于上面推力球軸承鋼球所在圓的半徑。 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 HT150 的平板焊接而成。連 接軸用 45 鋼，熱處理 35-40HRC。輪軸即中軸，也用 45 鋼，熱處理 38-42HRC。本文萬向輪的特點 和應(yīng)用環(huán)境。本文中的萬向輪成本比較低，適合承受中載荷和小彎矩，合適于路面狀況很平坦，沒 有大的凹凸環(huán)境。 第 16 頁 共 32 頁 2.6 軸承 滾動軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應(yīng)用的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動接觸來支承轉(zhuǎn)動零件 的。與滑動軸承相比，滾動軸承具有摩擦阻力小。功率消耗少，起動容易等優(yōu)點。 有用的滾動軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標準化，并由工業(yè)工廠大量制造及供應(yīng)各種常用規(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。通常是內(nèi)圈隨軸頸回轉(zhuǎn)，外圈固定，但是也可以用于外圈回轉(zhuǎn)而內(nèi)圈不動。 或是內(nèi)、外圈同時回轉(zhuǎn)的場合。當(dāng)內(nèi)、外圈相對轉(zhuǎn)動是，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，有限制滾動 體側(cè)向位移的作用。 圖 11 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?溝球軸承，該軸承性能主要承受徑向載荷，也可同時承受少量的雙向軸向載荷。在轉(zhuǎn)速較高，不宜 用推力軸承時候，可承受較輕純軸向載荷。軸承的內(nèi)、外圈和滾動體，一般是用軸承鉻鋼制造的， 熱處理后硬度一般不低于 60HRC。由一般軸承的一些元件都經(jīng)過 150℃的回火出來，所以通常當(dāng)軸 承的工作溫度不高于 120℃時，元件的硬度不會下降。選擇的軸承代號 6203 和 6200 查表 4 如下： 圖 12 深溝球軸承(摘自 GB/T276-1994) 第 17 頁 共 32 頁 表 4 軸承參數(shù) 第 18 頁 共 32 頁 3 自動清掃機器人吸塵機構(gòu)設(shè)計 本自動清掃機器人吸塵機構(gòu)由直流電動機，同步帶，同步帶輪，清掃刷組成。 3.1 吸塵機構(gòu)整體設(shè)計。 吸塵機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)如圖 12 所示。 圖 12 吸塵機構(gòu)整體結(jié)構(gòu) 01-電動機； 02-同步帶輪； 03-同步帶； 04-同步帶輪； 05-清掃機器外蓋主刷； 06-垃圾 盒； 07-主刷。 清掃機器人工作原理：在車輛底裝置了一個滾柱式的主刷，在電動機驅(qū)動下，通過同步帶傳動， 前述的滾刷子便會將地面上的垃圾和沙土直接 滾送到車輛上的垃圾盒子中。 第 19 頁 共 32 頁 3.2 吸塵機構(gòu)重要零件設(shè)計 3.2.1 電動機的選擇 ZYT 系列永磁直流電動機采用鐵氧體永久磁鐵激磁，系封閉自冷式。作為小功率直流電動機， 可在各種裝置中用作驅(qū)動元件。本設(shè)計是小型機構(gòu)，功率小，ZYT 系列永磁直流電動機符合設(shè)計要 求。 經(jīng)過考察，初步選定電動機轉(zhuǎn)速為 3000min/r，考慮到電池的選定，所以選電動機為 24v，以 下是 ZYT 系列永磁直流電動機數(shù)據(jù)表 5，型號 55ZYT01。 表 5 ZYT 系列永磁直流電動機數(shù)據(jù)表 型號：55 ZY T01 機座號 55，其機座為 55mm 表示永磁式直流電動機 表示短鐵芯產(chǎn)品 3.2.2 同步帶傳動機構(gòu)設(shè)計 同步帶傳動是等間距齒的封閉環(huán)行轉(zhuǎn)動帶和具有相應(yīng)齒的帶輪組合，它結(jié)構(gòu)圖如圖 13 所示。 工作原理是依靠的凸齒和帶輪齒槽相嚙合，來傳動運動和動力，這是新型的機械傳動，它的特點與 普通的 V 帶輪相比有如下特點： ① 具有傳動比準確，傳動效率高，傳動穩(wěn)定； 第 20 頁 共 32 頁 ② 機構(gòu)簡單，質(zhì)量小，厚度薄而均勻： ③ 有一定壽命，撓性好，不產(chǎn)生打滑； ④ 維護方便，運轉(zhuǎn)費用低 同步帶應(yīng)用日益廣泛，印刷、食品、醫(yī)療機器，清掃機器等設(shè)備多處用到了同步帶傳動，同 步帶傳動代替原有的齒輪，鏈、V 帶傳動，取得了節(jié)能，無潤滑油污染，噪聲小的等良好效果，同 步帶傳動的應(yīng)用不斷快速發(fā)展。正是以上同步帶的優(yōu)點，本設(shè)計清掃機器人應(yīng)用在家庭環(huán)境，要求 噪音小，傳動效率高，不容易出現(xiàn)打滑，這與長距離傳動（一般選用 V 帶傳動）彌補了 V 帶傳動長 時間工作容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)狀。 圖 13 同步帶傳動結(jié)構(gòu) 一般傳動用同步帶通常用橡膠（包括聚氨酯彈性體）做背膠和齒膠，抗拉體所以芯繩為玻璃纖 維繩、鋼絲繩或合成纖維繩等，齒面包布用錦綸布或其他織物聚氯酯帶無包布。如圖 14（a） 、 （b）所示。 （a）梯形齒結(jié)構(gòu) （b）圓弧齒結(jié)構(gòu) 1—帶背；2—包布；3—帶齒；4—芯繩。 圖 14 同步帶 第 21 頁 共 32 頁 （1）選定初始條件 由永磁直流電動機，型號為：55ZYT01，電動機額定功率 P=0.04kW，電動機轉(zhuǎn)速輸出輪轉(zhuǎn)速 n1=3000r/min，同步帶的傳動比 3.5，工作時間每天普通使用 8 小時。 選用節(jié)距制度圓弧齒同步帶傳動。同步帶由廠家提供的氯胺酯橡膠基體，玻璃纖維承載繩，尼 龍包布組成；帶輪采用 45（調(diào)質(zhì)） 。 （2）幾何尺寸 ①設(shè)計功率 Pd 由表 5 查得：KA=1.4，則 Pd= KAP=0.056kW (6) (7)min/857.302rn? ②選定帶型和節(jié)距 根據(jù) Pd 和 n1，設(shè)計帶型號為 XL，節(jié)距為 Pb=2.032 ③小帶輪齒數(shù) Z1 根據(jù)帶型 XL 和小帶輪轉(zhuǎn)速 n1.由表 6 得小帶輪的最小齒數(shù)，此次取帶輪 Z1=12，小帶輪節(jié)圓直 徑 d1。 表 6 小帶輪相關(guān)參數(shù) mm (8)7.81??bpZd ④大帶輪齒數(shù) Z2 (9)??321/12?ii ⑤大帶輪節(jié)圓直徑 d2 (10)mPZdb58./2?? ⑥驗證帶速 v 對 XL 型同步帶 ，合格max1max /2.60/,/50~4 vsndvs ?? 第 22 頁 共 32 頁 ⑦初步中心距 a0 ，取 a0=41mm????68.472497.167. 21021 ?????dad ⑧帶長及其齒數(shù) (11) 由《新編機械設(shè)計手冊》表 5 得，應(yīng)選用長度代號 80 的 XL 型同步帶，其節(jié)線長 Lp=203.2， 同步帶齒數(shù)為 Z=40。 ⑨實際中心 a (12)??92.43/00????Lp 校核小帶輪嚙合齒數(shù) Zm○10 (13)????42/1/1??aZPbZentm? 基本額定功率 P0○11 由表 7 得 Ta=50.1N，m=0.022kg/m，得 (14)??kWvTa071./20??? 表 7 帶的相關(guān)參數(shù) 帶型 T/N m/(Kg/m) MXL XXL XL L H XH XXH 27 31 50.17 244.46 2 100.86 4 048.90 6 398.03 0.007 0.010 0.022 0.025 0.484 1.484 2.473 35.19/02100L? 第 23 頁 共 32 頁 所需帶寬度 bs○12 由表 8 得 XL 型帶 bs0=9.5，Kz=0.6 得 ，滿足要求，由《新編機械設(shè)計手冊》表 8，選帶寬代??014./00896/ ssds bPK??? 號為 37 的 XL 型帶，其 bs=7.5 表 8 帶寬的相關(guān)參數(shù) 節(jié) 距 代 號 基準寬度 0sb MXL 6.4 XXL 6.4 XL 9.5 L 25.4 H 76.2 XH 101.6 XXH 127 3.2.3 滾動軸承 滾動軸承，滾動軸承具有摩擦阻力小、啟動靈敏、效率高、潤滑簡便和易于互換等優(yōu)點，所以 獲得廣泛應(yīng)用。 主要缺點：抗沖擊能力差，高速時出現(xiàn)噪聲，工作壽命不及液體摩擦的滑動軸承。 滾動軸承類型：10000 調(diào)心球軸承；20000C 調(diào)心滾子軸承；30000 圓錐滾子軸承； 50000 推 力球軸承；60000 深溝球軸承；70000C (α=15)、70000AC (α=25)、70000B (α=40)角接觸球軸 承；80000 推力圓柱滾子軸承。 根據(jù)軸的直徑 10mm，查表 9,查滾動軸承型號為 61800。 第 24 頁 共 32 頁 表 9 滾動軸承的相關(guān)參數(shù) 3.2.4 軸設(shè)計 同步帶傳動裝置，同步帶的從動輪的轉(zhuǎn)速為 n=857r/min，從動軸傳遞功率為 P=0.056kw，從動 同步帶輪寬度為 12mm（以上數(shù)據(jù)為前面設(shè)計得知） ，工作時雙向轉(zhuǎn)動，設(shè)計該結(jié)構(gòu)和尺寸。 (1)選取軸的材料和熱處理方法，并確定軸材料的許用應(yīng)力。根據(jù)已知，普通用途，小功率， 選用 45 鋼正火處理。查表 10 得 ，查表 11 得MPab60????MPab51??? 第 25 頁 共 32 頁 表 10 軸的常用材料及其主要力學(xué)性能 表 11 軸材料的許用彎曲應(yīng)力 （2）估算軸的最小直徑 由表 12 查得 A=110，由 (15) 考慮軸端有一鍵槽，將上述軸頸增大 5%，即 0.88*1.05=0.925mm 表 12 幾種材料的 A 值 軸的材料 Q235、20 35 45 40Cr、40SiMn、42 SiMn、38SiMnMo、20CrMnTi 【r】/MPa 12～20 20～30 30～40 40～52 A 160～135 135～118 118～107 107～98 mnPAd8.0576.1033 ???? 第 26 頁 共 32 頁 （3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計并繪制結(jié)構(gòu)草圖如圖 15 所示。 圖 15 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ①確定軸上的零件的布置方案和固定方式。刷套布置中間，右邊同步帶輪，對稱兩端的軸承， 同步帶輪和軸套作軸向固定，用平鍵和過盈配合（H7/r6）作軸向固定，右端軸承用軸套和過渡配 合（H7/k6）固定內(nèi)套圈；左端軸承用軸套和過渡配（H7/k6）固定內(nèi)套圈，軸的定位則由兩端的軸 承端蓋軸向固定軸承的外套圈來實現(xiàn)。 ②確定軸的各段直徑 d1=10（由軸承型號選取，而且考慮到同步帶輪。 ） d2=15，d3=d2+2h=15+15*2*0.07=18 L1=5+3=8（軸承寬度和軸套寬度） L2=88(考慮到整個布置，旁邊零件剩余的空間) L3=2（軸環(huán)寬度為 b≥1.4h） L4=11+3+5（考慮同步帶輪寬度和軸承寬度軸套寬度） ③軸受力計算 轉(zhuǎn)矩： (16) 軸向力 F=23N ④彎扭組合變形強度條件進行校核計算 a.繪制軸的受力簡圖 16 所示。 mNnPT .32485706.1.9105.96 ????? 第 27 頁 共 32 頁 圖 16 軸的受力簡圖 由上知道 l1=93，l2=12,M 為彎矩 b.列平衡方程如下 （17）? c.作扭矩圖，如圖 17 所示。 （18）mNTMn.324? d.作彎矩圖，如圖 17 所示。 在 F 作用力處切開分析如圖。 Fs=F-FA*93+M=0 M=367N.mm （19） 當(dāng)量彎矩： （20）??mNne .41522????mNMnC,4.19?? （21） 由于有鍵槽所以 d=7.9X1.05=8.3mm＜d1=10mm，故軸強度足夠的，設(shè)計合理。 NFBA203???01???lFlAB??Mdbe9.7.331????? 第 28 頁 共 32 頁 圖 17 軸的受力圖，彎矩圖，扭矩圖 3.2.5 萬向輪中軸工藝 圖 18 萬向輪中軸，它加工工藝如表 12 所示 圖 18 萬向輪中軸 第 29 頁 共 32 頁 表 12 萬向輪中軸機械加工藝卡 產(chǎn)品名 稱 圖號 JQR-00-02-01 桂林航天工業(yè)高等專 科學(xué)校 機械加工工藝卡 零件名 稱 萬向輪中 軸 共一 頁 第 1 頁 毛皮種類 圓鋼 材料牌號 45 鋼 毛坯尺寸 15mmX80mm? 工具序 號 工種 工步 工序內(nèi)容 設(shè)備 夾具 刃具 量具 1 下料 鑄鐵 15mmX80mm? 2 車 三爪卡盤持工件毛坯外圓 車床 1 車端面 C6140 2 粗車 15mm 外圓至 10.5mm，長 68? 3 調(diào)頭，三爪卡盤夾持 70mm 4 車端面，保證總長 68mm 外圓車刀 3 熱處理 調(diào)質(zhì)處理 220-240HBS - 4 車 車床 1 三爪卡盤持工件外圓夾持 50 2 精車 10.5mm 外圓至 10mm，長 50mm?? 3 倒圓角 1X45° 外圓車刀 4 換刀 5 車螺紋 M10，長 11mm 螺紋刀 6 調(diào)頭，三爪卡盤夾持 20mm 7 精車 10.5mm 外圓至 10mm，長 18mm?? 8 倒圓角 1X45° 外圓車刀 9 換刀 10 車螺紋 M10，長 11mm 螺紋刀 11 檢驗 第 30 頁 共 32 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)計滿足中端自動清掃機器人的技術(shù)要求， 對其總體方案和各部分結(jié)構(gòu)進行了設(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。 ●自動清掃機器人各部分結(jié)構(gòu)的設(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)。目前市場上昂貴的價格仍然大大地制約了 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將會在未來不久真正服務(wù)于社會，服務(wù)于普通家庭中。 第 31 頁 共 32 頁 謝 辭 本設(shè)計是在 XX 悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的。在整個設(shè)計過程中，他不顧教務(wù)的繁忙，設(shè)身 處地的為我們找資料，查文獻，細致、耐心的教導(dǎo)和講解我們遇到的各種問題，讓我們的論文最終 得以完成。除此之外他教會我們很多得學(xué)習(xí)的方法以及生活中如何做人、做事。老師平易近人的人 格魅力，嚴謹進取的治學(xué)精神和樂觀向上的生活態(tài)度，將給我往后的工作生活帶來很多幫助。 畢業(yè)設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不 可少的也是提升個人能力的過程。通過這次畢業(yè)設(shè)設(shè)計，我更加深深的體會了解了“千里之行始于 足下”這一佳話。首先，萬事開頭難，但是我們必須腳踏實地的開始，了解設(shè)計整個過程的理念， 以及設(shè)計零件的思想和計劃方案，這樣我們才能為明天穩(wěn)健地在社會建設(shè)大潮中找到立足之地，為 在大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)。 在此衷心感謝在這過程中幫助及指導(dǎo)過我的老師和同學(xué)，讓我開闊了眼界，增加了學(xué)識。 第 32 頁 共 32 頁 參考文獻 【1】 金大鷹.機械制圖[M].4 版.北京：機械工業(yè)出版社，2004. 【2】 徐灝.機械設(shè)計手冊[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].計算機測量與控制,2006,14 11 :1554 - 1556. 【4】 韓全立，王建明.單片機控制技術(shù)及應(yīng)用[M],北京：電子工業(yè)出版社，2004 【5】 蔣新松.未來機器人技術(shù)發(fā)展方向的探討[J].機器人。1996,18 (5): 285--291 【6】 隋凌燕，姜勇.AutoCAD2008 中文版機械制圖基礎(chǔ)教程[M].北京：人民郵電出版社， 2008.10 【7】 廖念釗.互換性與技術(shù)測量[M].中國計量出版社，1991 【8】 趙如福.金屬機械加工工藝人員手冊[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1990 【9】 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 【10】 施拉夫特.服務(wù)機器人[M].機器人技術(shù)與應(yīng)用 1997, 54 (1): 3-5 第 33 頁 共 32 頁