室內(nèi)地面清潔機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

15 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)室內(nèi)地面自動(dòng)清潔機(jī) 學(xué)生姓名 學(xué) 號 所屬學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班 級 15-1 指導(dǎo)老師 日 期 前 言 隨著人民生活水平的提高，現(xiàn)代家庭的住宅越來越寬敞，地面清潔工作量越來越大。為了節(jié)省清潔占用時(shí)間，減輕勞動(dòng)量，提高清潔工作效率和清潔度。本文中設(shè)計(jì)了一臺具有獨(dú)特之處的家用自動(dòng)清潔機(jī)。目前市場上所擁有的清潔機(jī)構(gòu)主要是依靠電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)抽風(fēng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生極強(qiáng)的吸力和壓力，從而使清潔機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生瞬時(shí)真空吸力，與外界大氣壓形成壓力差，從而將空氣中的灰塵以及地面的污垢垃圾吸入清潔機(jī)內(nèi)。與以往的清潔機(jī)構(gòu)相比較本設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處在于：一是它采用了鋰電池作為能量源，每次使用完以后可以直接將電池取下充電，這樣可以重復(fù)的使用，而且從用的是直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的功率較低，比普通清潔機(jī)的耗電量要低很多；二是本自動(dòng)清潔機(jī)的體積小，結(jié)構(gòu)簡潔，使用方便，不僅能夠清潔開闊地面，而且能夠清潔沙發(fā)、家具等占用狹小空間的地面；三是本次設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的拖布和清潔機(jī)的集塵袋的清洗方便很多可以直接取出用水洗干凈。 綜上所述，本次設(shè)計(jì)的室內(nèi)地面自動(dòng)清潔機(jī)有著很高的市場研發(fā)價(jià)值以及實(shí)際使用價(jià)值。本次設(shè)計(jì)的圓滿成功可以解決許多日常生活中清潔衛(wèi)生的問題，大大的減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高清潔的效率，節(jié)約成本和花費(fèi)。關(guān)鍵詞：家用清潔機(jī)；運(yùn)動(dòng)原理；清潔方式目 錄1 緒論11.1引言11.2研究的目的和意義11.3國外產(chǎn)品研究狀況11.4國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況22 室內(nèi)清潔機(jī)的關(guān)鍵部分22.1 傳感技術(shù)32.2 路徑規(guī)劃技術(shù)32.3 吸塵技術(shù)32.4 電源選擇33 室內(nèi)清潔機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)43.1 總體設(shè)計(jì)43.2行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)53.3 吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)53.4 吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)54 機(jī)械結(jié)構(gòu)的參數(shù)計(jì)算64.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇64.2 蝸輪蝸桿的選擇74.3 吸塵機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇94.4 家用室內(nèi)清潔機(jī)電池的選擇94.5 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上蝸桿軸承的壽命的計(jì)算94.6 清掃機(jī)構(gòu)中蝸輪軸的校核10總 結(jié)12致 謝13參考文獻(xiàn)13 1 緒論1.1 引言自第一臺工業(yè)清潔機(jī)問世以來，清潔機(jī)有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展。清潔機(jī)在工業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)中日益廣泛的應(yīng)用，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，也有力地推動(dòng)了有關(guān)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。家用清潔機(jī)是一個(gè)新的清潔機(jī)研究領(lǐng)域。作為正在發(fā)展新研究領(lǐng)域，家用清潔機(jī)有許多不同的定義，但它的最基本特征是提供服務(wù)。和工業(yè)清潔機(jī)一樣，家用清潔機(jī)基本上包括清潔機(jī)的所有基本特性。它往往和人結(jié)合于同一工作環(huán)境中，這隱含著許多工業(yè)清潔機(jī)沒有的特性，如安全問題、人機(jī)交互性、在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的高度自治等。目前家用清潔機(jī)成功應(yīng)用的領(lǐng)域有雕刻，吸塵，清洗，醫(yī)療，等等。從長期來看，家用清潔機(jī)的應(yīng)用數(shù)量將會超過工業(yè)清潔機(jī)。1.2 研究的目的與意義清潔機(jī)將移動(dòng)機(jī)器技術(shù)和清潔技術(shù)有機(jī)地融合起來，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動(dòng)或全自動(dòng)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(dòng)機(jī)器的一個(gè)特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自主式清潔機(jī)比較具體地體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。從市場前景角度講，自主清潔機(jī)將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于家庭和公共場館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能清潔機(jī)既具有科研上的挑戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場前景。融合現(xiàn)代傳感器以及機(jī)器領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開發(fā)一部價(jià)格便宜，全區(qū)域覆蓋，能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家庭清潔機(jī)器。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式，使家庭生活電氣化、智能化，使科技更好地為人類服務(wù)。1.3 國外產(chǎn)品研究狀況RC3000 是世界上第一臺能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的室內(nèi)清潔機(jī)，它有光電傳感器和芯片控制，當(dāng)遇到障礙時(shí)，會隨機(jī)改變一個(gè)角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物。內(nèi)置了四種清潔程序，保證在遇到不同污漬的地面時(shí)，可以調(diào)整其清潔程序；通過傳感器對于地板污漬的判斷，選擇合適的應(yīng)用程序。內(nèi)置光敏傳感器，確保在遇到樓梯與臺階時(shí)，能夠自動(dòng)避讓，不會掉落。扁平的設(shè)計(jì)使其能夠清潔床，沙發(fā)，茶幾等家具的下部位置。其相應(yīng)的充電站有紅外發(fā)射、工作時(shí)間設(shè)定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個(gè)功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導(dǎo)航信號來指引清潔機(jī)回到充電站完成充電和垃圾處理的任務(wù)；同時(shí)能夠根據(jù)用戶設(shè)定的信息來控制清潔機(jī)完成相應(yīng)的操作。松下電器產(chǎn)業(yè)公司在 2002 年上半年推出了家庭用室內(nèi)清潔機(jī)的試制機(jī)。該清潔機(jī)可以根據(jù)房間的形狀、地板狀況、垃圾量進(jìn)行自動(dòng)清掃，還配備有避開墻壁、爐子等熱源以及障礙的安全功能；該清潔機(jī)配備有50個(gè)傳感器可一邊自動(dòng)行走一邊進(jìn)行清掃，工作時(shí)首先沿房間四周走一圈，記憶房間形狀，然后在避開障礙物的同時(shí)開始縱橫來回移動(dòng)，清潔工作完成后會自動(dòng)停止。該清潔機(jī)清掃一般的日本式房間約需要9min，相當(dāng)于人打掃同樣大房間所需時(shí)間的1-1.5倍，可清掃房間地板的9293；清潔機(jī)利用光及超聲波的測距傳感器及感壓傳感器來避開障礙物，清潔機(jī)的內(nèi)置回轉(zhuǎn)傳感器用來控制行走姿勢以保持既定的行進(jìn)方向，但在地毯上行走時(shí)如果不采取措施則會受到“地毯花紋”影響而彎曲前進(jìn)，因此該公司在清潔機(jī)中安裝了方向舵?zhèn)鞲衅?，可以檢測出由于地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進(jìn)方向偏差，因此即使在鋪有地毯的地板上也能夠直線前進(jìn)，清潔機(jī)體內(nèi)還安裝有防止從臺階等高處滾下的落差傳感器、感知暖爐等熱源的熱傳感器、檢測自身所受外力大小的重量傳感器及防滑傳感器、檢測添加動(dòng)力的負(fù)載傳感器，清潔機(jī)同普通的障礙物最少保持10cm的距離，而在探測到熱源時(shí)，將會同熱源至少保持50cm的距離。瑞典家電制造商伊萊克斯（EIectoIux)研制生產(chǎn)的室內(nèi)清潔機(jī)小“三葉蟲”高13mm，直徑35mm，表面光滑,呈圓形，內(nèi)置搜索雷達(dá)，可以迅速地探測到并避開桌腿、玻璃器皿、寵物或任何其它障礙物。一旦微處理器識別出這些障礙物，它可重新選擇路線，并對整個(gè)房間做出重新判斷與計(jì)算，以保證房間的各個(gè)角落都被清掃。在樓梯的臺階等一些沒有天然障礙物的地方，只要有一條磁鐵，小“三葉蟲”便不會跨越。小“三葉蟲”開始啟動(dòng)后，體內(nèi)的搜索雷達(dá)會探測出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡。這樣它便能探測出整個(gè)房間的格局，計(jì)算出清掃整個(gè)房間所需的時(shí)間。只要一接近一件障礙物，它便會重新設(shè)定行進(jìn)路線，不會漏掉每一個(gè)角落。電線或地毯的邊緣不會被認(rèn)作是障礙物。小“三葉蟲”的吸刷裝置中裝有一只專利設(shè)計(jì)滑輪，可以越過電線或地毯邊緣，不被絆住。電源不足時(shí)，小“三葉蟲”會自動(dòng)回到充電卡座自行充電。 如果此時(shí)房間還沒有清掃完畢，小“三葉蟲”還有記憶功能，充好電后自己回到原處繼續(xù)吸塵。圖1-1 三葉蟲2003年11月，三星公司推出一款代號為 VC-RP30W 的清潔機(jī)清潔機(jī)。VC-RP30W主要依靠3D地圖技術(shù)來進(jìn)行定位，并能靈巧地躲避障礙物，能夠快速、高效地對房間每個(gè)角落進(jìn)行吸塵。當(dāng)遇到障礙物或者死角等情況，VC-RP30W 會自動(dòng)轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強(qiáng)大的智能判斷系統(tǒng)使得VC-RP30W能輕易地分辨出垃圾與其他日常生活用品，清潔機(jī)也允許用戶定義它的工作時(shí)間及清掃區(qū)域等，從而實(shí)現(xiàn)主人不在家時(shí)清潔機(jī)也能進(jìn)行自動(dòng)清掃。事實(shí)上，用戶除了可以對它本身進(jìn)行設(shè)置以外，還能通過計(jì)算機(jī)查看安裝在清潔機(jī)前部的攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。整個(gè)器人的電池能維持它連續(xù)工作50分鐘，而一旦電池處于即將耗盡的狀態(tài)時(shí)它自動(dòng)回到充電座補(bǔ)充能源，非常地智能化。它回充電站使用的是已經(jīng)生成的3D地圖，而不是像RC3000那樣使用紅外的導(dǎo)航信號。地面室內(nèi)清潔機(jī)作為智能移動(dòng)清潔機(jī)實(shí)用化發(fā)展的先行者，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品。吸塵清潔機(jī)的發(fā)展，帶動(dòng)了家庭服務(wù)清潔機(jī)行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動(dòng)清潔機(jī)技術(shù)、圖像和語音識別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。1.4 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況在國內(nèi)的一些大學(xué)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也對室內(nèi)清潔機(jī)進(jìn)行了大量的研究并取得了一些成果，對室內(nèi)清潔機(jī)相關(guān)技術(shù)如機(jī)器感知、清潔機(jī)導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、清潔機(jī)控制、電源與電源管理、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的研究則更多，這些都為室內(nèi)清潔機(jī)的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于90年代開始致力于這方面的研究，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(dòng)清潔機(jī)。該清潔機(jī)具有如下特點(diǎn)：采用全方位移動(dòng)技術(shù)，使清潔機(jī)可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開放式清潔機(jī)鉸制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬件可擴(kuò)展，軟件可移植、可繼承，使清潔機(jī)作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實(shí)時(shí)避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)行方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)吸塵腔路的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。浙江大學(xué)于1999年初在浙江大學(xué)機(jī)械電子研究所開始進(jìn)行智能清潔機(jī)的研究，兩年后設(shè)計(jì)成功國內(nèi)第一個(gè)具有初步智能的自主清潔機(jī)。這種智能清潔機(jī)工作時(shí)，首先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)：利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時(shí)獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時(shí)間；之后，利用隨機(jī)和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結(jié)束以后，自行回到充電座補(bǔ)充電力。吸塵清潔機(jī)在5.53.5m2的實(shí)際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達(dá)到90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗(yàn)還沒有進(jìn)行。目前，系統(tǒng)正在引入機(jī)器視覺和全局定位功能，力圖在多房間環(huán)境下，提高自定位能力、智能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。如圖1-4所示。KV8保潔清潔機(jī)是今年在市場以低價(jià)位賣得比較火的一款產(chǎn)品，也是國內(nèi)首個(gè)產(chǎn)品化清潔機(jī)。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(jìn)入的地方。KV8能夠通過自身的碰撞傳感器來實(shí)現(xiàn)隨機(jī)的清掃和碰撞處理，需要人工對其電池進(jìn)行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動(dòng)時(shí)伴有音樂聲。2 室內(nèi)清潔機(jī)的關(guān)鍵部分室內(nèi)地面自動(dòng)清潔機(jī)通?？捎?個(gè)主要部分組成：控制器部分、行走驅(qū)動(dòng)部分、傳感器部分、清潔部分和電源部分。行走驅(qū)動(dòng)部分是清潔機(jī)的主體，決定了清潔機(jī)的運(yùn)動(dòng)空間，一般采用輪式機(jī)構(gòu)。傳感器部分一般采用超聲波測距儀、接觸和接近傳感器、視覺傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機(jī)等。這種清潔機(jī)實(shí)際上融合了移動(dòng)清潔機(jī)和清潔機(jī)技術(shù)，故稱為智能清潔機(jī)或清潔機(jī)。隨著近年 來計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)清潔機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，清潔機(jī)控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)己具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。目前發(fā)展較快、對清潔機(jī)發(fā)展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是：傳感器技術(shù)、環(huán)境建模、定位、路徑規(guī)劃技術(shù)。2.1傳感技術(shù)傳感器是清潔機(jī)的感覺器官，負(fù)責(zé)采集外界環(huán)境和自身狀態(tài)的信息。根據(jù)采集信息的種類可以分為內(nèi)傳感器和外傳感器。內(nèi)傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)自身狀態(tài)的信息，包括編碼器、陀螺儀、電子羅盤等。外傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)外部信息，包 括CCD視覺傳感器、激光雷達(dá)、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器。超聲波、紅外和接觸傳感器，具有價(jià)格低廉、工作可靠、速度快的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于清潔機(jī)的局部無碰撞導(dǎo)航。激光雷達(dá)是應(yīng)用較為廣泛的一種全局信息獲 取手段，可以進(jìn)行定位和環(huán)境建模，但是所提供的信息不全面，并且價(jià)格較高，限制了其應(yīng)用范圍。而CCD器件可以提供類似人類的視覺信息，隨著技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格越來越低，在車牌識別、人臉識別、無人監(jiān)控、遙感圖像等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是圖象處理的數(shù)據(jù)量大，算法復(fù)雜，特征提取和深度信息回復(fù)困難，所以在清潔機(jī)視覺方面的應(yīng)用還是有限的。隨著集成電路的發(fā)展和計(jì) 算機(jī)視覺的深入研究，CCD視覺傳感器必將成為清潔機(jī)環(huán)境感知的主要來源，同時(shí)促使清潔機(jī)智能產(chǎn)生飛躍。2.2路徑規(guī)劃技術(shù)室內(nèi)清潔機(jī)的路徑規(guī)劃就是根據(jù)清潔機(jī)所感知到的工作環(huán)境信息,按照某種優(yōu)化指標(biāo),在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑,并且實(shí)現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。清潔機(jī)路徑規(guī)劃研究開始于 20 世紀(jì) 70 年代，目前對這一問題研究仍舊十分活躍。其主要研究內(nèi)容按清潔機(jī)工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動(dòng)態(tài)已知環(huán)境和動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境,按清潔機(jī)獲取環(huán)境信息的 方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。對運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題,目前有具體的解析算法。但由于解析算法牽涉到復(fù)雜的橢 圓積分問題,實(shí)現(xiàn)起來依然具有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)清潔機(jī)對環(huán)境信息知道的程度不同,可以分為兩種類型:環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知,通過傳感器在線地對清潔機(jī)的工作環(huán)境進(jìn)行探測,以獲取障礙物 的位置、形狀和尺寸等信息的局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個(gè)子問題。其中環(huán)境建模的主要方法有:可視圖法(V-Graph)、自由空間法 (Free Space Approach)和柵格法(Grids)等。2.3吸塵技術(shù)真空清潔機(jī)是由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇在機(jī)體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，將塵埃和臟物通過吸口吸入機(jī)體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。吸塵系統(tǒng)包括濾塵器、集塵袋、排氣管以及其他一些附件。其吸塵能力取決于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。最近,澳大利亞 Jetfan公司又開發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個(gè)清潔機(jī)是一個(gè)全封閉系統(tǒng), 既無外部氣體吸入,也無機(jī)內(nèi)氣體排除,所以就無需濾塵器、集塵袋、排氣管等附件。其原理是利用附壁效應(yīng)去形成低壓渦流氣體,最后將沉渣截留于清潔機(jī)內(nèi)的渦流腔內(nèi)。在英國Dyson公司最近推出的 DC06 型智能清潔機(jī)中就采用了這種技術(shù)。吸塵技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)按功能分為五個(gè)部分：1.動(dòng)力部分：清潔機(jī)電機(jī)和調(diào)速器。調(diào)速器分手控、機(jī)控。電機(jī)：有銅線電機(jī)和鋁線電機(jī)之分。銅線電機(jī)有耐高溫、壽命長、單次操作時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較鋁線比較高；鋁線電機(jī)有著價(jià)格低廉的特點(diǎn)，但是耐溫性較差、熔點(diǎn)低、壽命不及銅線長。2.過濾系統(tǒng)：塵袋、前過濾片、后過濾片。按過濾材料不同又分：紙質(zhì)、布質(zhì)、SMS、海帕（HEPA高效過濾材料）。3.功能性部分：收放線機(jī)構(gòu)、塵滿指示、按鈕或滑動(dòng)開關(guān)。4.保護(hù)措施：無塵袋保護(hù)、真空度過高保護(hù)、抗干擾保護(hù)（軟啟動(dòng)）、過熱保護(hù)、防靜電保護(hù)。 2.4電源選擇移動(dòng)電源在清潔機(jī)中的地位十分重要,可以說是它的生命源。移動(dòng)電源需要同時(shí)滿足清潔機(jī)的多種能源需要,如為移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力,為控制電路提供穩(wěn)定的電壓和為吸塵操作模塊提供能源等。在這一領(lǐng)域,一般采用化學(xué)電池作為移動(dòng)電源。理想的電源應(yīng)該能夠在放電過程中保持恒定的電壓、內(nèi)阻小以便 快速放電、可充電以及成本低等。但實(shí)際上沒有一種電池可同時(shí)具備上述優(yōu)點(diǎn),這就要求設(shè)計(jì)人員選擇一種合適的電池,盡可能增加清潔機(jī)的不間斷工作時(shí)間。3 室內(nèi)清潔機(jī)的設(shè)計(jì)31總體設(shè)計(jì)整個(gè)清潔機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以分為：2個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，前輪系統(tǒng)，吸塵系統(tǒng)。系統(tǒng)模塊都是單自由度和車體基板相連接。清潔機(jī)本體良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其他各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)。由于移動(dòng)清潔機(jī)所采用的機(jī)械傳動(dòng)方式，加工制作等所產(chǎn)生的固有誤差，勢必對移動(dòng)清潔機(jī)的控制帶來影響，增加控制難度，所以在清潔機(jī)本體設(shè)計(jì)上，要充分考慮這些因素，盡量減小系統(tǒng)的固有誤差，為實(shí)現(xiàn)更精確的控制創(chuàng)造條件。移動(dòng)清潔機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)盡可能選用一些傳動(dòng)平穩(wěn)、可靠、簡單實(shí)用的傳動(dòng)方式。車體的形狀，傳感器的種類、數(shù)量和位置，軟件所采取的算法，這三者必須作為一個(gè)整體綜合加以考慮才易于使智能清潔機(jī)達(dá)到良好的效果。車體形狀的選擇應(yīng)該比較優(yōu)化和適當(dāng)簡化，這樣智能清潔機(jī)不僅便于移動(dòng)和工作，也便于傳感器的安裝和提高傳感器的利用效果，最后對軟件的編寫也是有利的，比如使程序結(jié)構(gòu)更合理，更簡潔，易于閱讀，執(zhí)行速度更快，可靠性提高清潔機(jī)外形將影響它的覆蓋區(qū)域。好的外形不僅能降低移動(dòng)清潔機(jī)的算法復(fù)雜程度，而且能減少區(qū)域邊角的死區(qū)，還能降低能耗提高行走精確度。清潔機(jī)外形主要有矩形、圓形?？紤]到機(jī)構(gòu)和控制的復(fù)雜性本文清潔機(jī)采用圓形本體，圓形車體的最大優(yōu)點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)靈活，控制簡單，不會發(fā)生卡死的現(xiàn)象。本文的清潔機(jī)原形樣機(jī)的車體采用鋁合金板經(jīng)機(jī)械加工而成。車體前端是由一套機(jī)械裝置和光電開關(guān)組成，用于檢測運(yùn)動(dòng)方向上的障礙物。左右二個(gè)后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，每個(gè)輪子都有電機(jī)、碼盤、光電傳感器，各自是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，只接受控制系統(tǒng)的控制信號和反饋給控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)信息。中間部分是吸塵系統(tǒng)，包括一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的吸塵裝置。圖3-1 車體1萬向輪；2電機(jī)；3吸塵盤；4傳動(dòng)軸；5蝸桿軸承座；6支撐架；7車輪；8吸塵電機(jī)；9集塵箱；10蝸桿；11吸塵管；圖3-1 機(jī)體3.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑為0，在清潔機(jī)的行走機(jī)構(gòu)中采用兩輪驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪對稱分布在吸塵機(jī)構(gòu)的后方，兩個(gè)輪子支撐機(jī)體工作和運(yùn)動(dòng)。在清潔機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過控制行走機(jī)構(gòu)的兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而控制兩個(gè)輪子，通過輪子的前后差速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)體的轉(zhuǎn)彎半徑為0。 圖3-2 行走機(jī)構(gòu)示意圖3.3 吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)因?yàn)樗O(shè)計(jì)的清潔機(jī)它的體積有限制，在直徑為三百五十，高為一百七十的圓內(nèi)要放置有行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)，同時(shí)還得留下放電池、控制中心、觀察中心的地方。故將吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)置如圖3-4所示圖3-3 吸塵模塊其中包括濾塵袋、吸塵風(fēng)葉、吸塵電機(jī)、電機(jī)箍以及支撐板。吸塵盒、支撐板和電機(jī)箍的材料均為工程塑料，這樣就保證了吸塵機(jī)構(gòu)體積小，質(zhì)量輕。吸塵原理：清潔機(jī)的風(fēng)葉在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，并在機(jī)體內(nèi)形成真空，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，吸嘴的塵埃、臟物隨氣流被吸入吸塵部分，并收集到濾塵袋內(nèi)。3.4 拖地機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)本來的設(shè)計(jì)方案是通過一個(gè)電機(jī)來帶動(dòng)拖把，通過清潔機(jī)運(yùn)動(dòng)和拖把自轉(zhuǎn)的摩擦力來執(zhí)行拖地工作，但考慮到電機(jī)過多帶給電源的使用時(shí)間過短的問題，所以決定重新設(shè)計(jì)。通過對塔里木超市拖把的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)一種拖布和拖把分離且便于拆卸的拖地機(jī)構(gòu)，經(jīng)過改裝后，將拖地機(jī)構(gòu)設(shè)置如圖3-4所示：圖3-4 拖地模塊 圖示的拖地模塊位于地面清潔機(jī)的底部，在需要執(zhí)行拖地工作時(shí)，可將定制的拖布的兩端由拖布夾夾緊，拖布夾的上表面和機(jī)體的下表面為互相黏合的小齒，當(dāng)拖布放上去以后，可以很好的起到固定作用，支撐板的作用是讓拖布盡量的接觸地面，便于更好的清潔，工作時(shí)，拖地模塊會隨著地面清潔機(jī)的運(yùn)動(dòng)與地面產(chǎn)生摩擦來完成拖地作業(yè)。當(dāng)完成工作后，可以輕易把拖布取下來，進(jìn)行清洗并重復(fù)利用。4 參數(shù)計(jì)算4.1 電機(jī)選擇 (1) 初步估計(jì)機(jī)器的總重量為9千克，g取9.8N/kg，則G=88.2N則分配到每個(gè)輪子上的載荷位F=1/3G=1/3*88.2=29.4N按橡膠在優(yōu)質(zhì)路面上行走，取，則：滾動(dòng)摩擦阻力 （4-1） 滑動(dòng)摩擦阻力=F=2.94N由前面的總體設(shè)計(jì)中機(jī)器的各個(gè)機(jī)構(gòu)的布局安排，車體底盤應(yīng)至少高于地面10mm,取輪子直徑D為80mm，則R=1/2D=40mm,則輪子行走過程中所受的阻力矩： （4-2）（2） 工作機(jī)要求的功率 （4-3） 式中：由 （4-4）取則： （4-5）電機(jī)所需的輸出的功率 （4-6）其中則電機(jī)所需的輸出的功率 （4-7）（3）確定電機(jī) 考慮到清潔機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)要求其轉(zhuǎn)彎半徑為零，這樣就要求兩個(gè)和電機(jī)相連的輪子在轉(zhuǎn)彎時(shí)必須差速運(yùn)轉(zhuǎn)從而才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零。而要實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)轉(zhuǎn)則要求電機(jī)具有調(diào)速功能，再由（2）中所算得電機(jī)輸出功率，從而通過在網(wǎng)上搜索查到了寧波市北倉深港交流調(diào)速電機(jī)廠生產(chǎn)的YCJT系列電機(jī)滿足設(shè)計(jì)中所需要的電機(jī)要求 ，因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)本機(jī)器時(shí)電機(jī)需要輸出的功率為3.97W，由寧波市北倉深港交流調(diào)速電機(jī)廠網(wǎng)站上給的產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和安裝型號中選型號為YCJT-6-1，輸出功率為6W，速度可調(diào)范圍為901350r/min，1200 r/min時(shí)轉(zhuǎn)距為5 N.cm，啟動(dòng)轉(zhuǎn)距為3.5N.cm的電機(jī)，因?yàn)槠湓跐M足要求的情況下尺寸比我所查到的電機(jī)的尺寸都小，所以選用它為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)。4-1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖4.2 蝸輪蝸桿的選擇（1）因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)所用的蝸桿和蝸輪是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)功率的輸入部分，是清潔機(jī)結(jié)構(gòu)中最重要的部分，所以選蝸桿軸材料為40Cr，表面淬火，硬度4550HRC,蝸輪齒圈材料為ZcuSn10Pb1,金屬模鑄造。確定許用應(yīng)力： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N60nL=6020612000=1.48 （4-8）查機(jī)械設(shè)計(jì)得：=230MPa ；=90MPa . （4-9） （4-10）（2）選擇z、z根據(jù)傳動(dòng)比I=7.25，參考蝸輪蝸桿參數(shù)表，取z=4,則z=29；（3）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)先查機(jī)械設(shè)計(jì)確定計(jì)算公式所需參數(shù)：；因載荷平穩(wěn)，通過跑合可以改善偏載程度，取 則載荷系數(shù) （4-11） （4-12）查機(jī)械設(shè)計(jì)得：；將這些數(shù)據(jù)代入接觸強(qiáng)度計(jì)算公式，求得：；按接觸強(qiáng)度要求，查表選取 m=2mm ,d=18mm,z=4, q=11.20,z=29,。中心距 （4-13） （4-14）（4）驗(yàn)算初設(shè)參數(shù) 蝸輪圓周速度 （4-15）原估計(jì)，選值，相符?；瑒?dòng)速度 （4-16）在范圍內(nèi)，所選材料合適。蝸桿傳動(dòng)效率 根據(jù)，查表得， （4-17）傳動(dòng)效率，與初選不符，傳動(dòng)效率應(yīng)適當(dāng)降低。（5）驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和剛度 （4-18） 蝸輪當(dāng)量齒數(shù) （4-19）查得齒形系數(shù) ；則可求得：成立，彎曲強(qiáng)度滿足要求。（6）蝸桿、蝸輪幾何尺寸計(jì)算蝸桿齒頂圓直徑 （） （4-20）蝸桿齒根圓直徑 （）蝸輪喉圓直徑 （）蝸輪齒根圓直徑 由于蝸桿傳動(dòng)效率低所以工作時(shí)產(chǎn)生的熱量相對較大。對閉式蝸桿傳動(dòng)，摩擦所產(chǎn)生的熱量將通過箱體散發(fā)到周圍空氣中去。本設(shè)計(jì)中蝸桿傳動(dòng)產(chǎn)生的熱量直接散發(fā)到集體內(nèi)，通過吸塵時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)力將熱量排帶機(jī)體外。因?yàn)槲仐U傳動(dòng)的效率主要取決于嚙合效率，而蝸桿分度圓導(dǎo)程角對嚙合效率其主要影響，導(dǎo)程角大于30度以后嚙合效率增加不顯著且蝸桿加工也較困難，所以本設(shè)計(jì)中蝸桿導(dǎo)程角小于30度，同時(shí)減小了中心距進(jìn)而減小了蝸桿的直徑，從而提高了嚙合效率，因而進(jìn)一步提高了蝸桿的傳動(dòng)效率。4.3 吸塵機(jī)構(gòu)的電機(jī)的選擇因?yàn)槲鼔m機(jī)構(gòu)中風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn)速度需要足夠高才可以實(shí)現(xiàn)吸塵目的，并可以把垃圾吸到濾塵袋中，因而選電機(jī)型號為55SZ01,轉(zhuǎn)速為3000r/min,功率為12W，其尺寸較小，又能滿足工作需要，所以選用它來做為吸塵機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸入部分。4.4 家庭清潔機(jī)電池的選用工作環(huán)境對清潔機(jī)的能源提出了特殊要求，目前清潔機(jī)基本上都采用電池作為能源，電池有一次電池、二次電池和燃料電池。鉛酸電池是一種比較好的清潔機(jī)能源，電壓高、壽命長、可高比率放電、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡單可靠、工藝成熟，但能量密度低。同時(shí)考慮到本次設(shè)計(jì)的要求，選用鉛酸電池比較合理，可降低制造家庭清潔機(jī)的總成本，因而本次設(shè)計(jì)選用兩組鉛酸電池作為清潔機(jī)的能量來源。4.5清掃機(jī)構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計(jì)算（1） 計(jì)算軸承壽命的基本公式為： （4-21）其中：P當(dāng)量動(dòng)載荷(N); 壽命指數(shù)，球軸承=3，滾子軸承=10/3； n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)械設(shè)計(jì)手冊中查到。經(jīng)查表的C=2.7510（2）計(jì)算角接觸軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷基本公式為 (4-22)其中：X徑向載荷系數(shù)，其值見機(jī)械設(shè)計(jì)P281 表12-12； Y軸向載荷系數(shù)，其值見機(jī)械設(shè)計(jì)P281 表12-12； R軸承所承受徑向載荷； A軸承所承受軸向載荷； f載荷系數(shù)，考慮機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況對軸承載荷的影響，查表12-12機(jī)械設(shè)計(jì)P281 待求量為R ,A值計(jì)算軸承所受的徑向載荷R。經(jīng)計(jì)算解 得Fr=0.081N Fa=0.015 N有已知條件可知，軸承是關(guān)于蝸輪對稱的，所以左右的距離相等。所以R1=R2=Fr1/2=0.0405N又因?yàn)檩S的質(zhì)量作用在軸承上，每個(gè)軸承大約承受0.1N所以R1=R2=0.1405N派生軸向力S1=S2=R/2Y=0.0468N又因?yàn)镾2+Fa=0.0468+.015=0.0618N>0.0468N所以軸承1壓緊，軸承2放松所以A1=0.0618N,A2=0.0468NA1>A2,所以只需要校核軸承1即可因?yàn)锳/R=0.0618/0.1405e選取X=1,Y=0,fp=1.0所以 (4-23)所以 (4-24)所以符合要求。4.6 清掃機(jī)構(gòu)中蝸輪軸的校核軸上能使產(chǎn)生彎距的力有=0.081N=0.015N兩個(gè)力在互相垂直的兩個(gè)平面上，L=30mm，D=12mm (4-25)由于前面已經(jīng)選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表，故符合強(qiáng)度要求。總 結(jié)雖然自主清潔機(jī)的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)步,進(jìn)入了實(shí)用階段,但是自主能力、工作效率方面還不理想,需要在技術(shù)上解決傳感器技術(shù)、定位和環(huán)境建模技術(shù).在此基礎(chǔ)上,自主清潔機(jī)可以向著高度智能化、多功能集成、低成本的方向發(fā)展?，F(xiàn)在的自主清潔機(jī)在行為上還處于“低級生物”的階段,環(huán)境感知能力有限,對路徑的規(guī)劃只是隨機(jī)的方式或者是基于局部環(huán)境信息的規(guī)劃方式。在復(fù)雜環(huán)境和多房間的環(huán)境下,這種工作方式的效率會銳減。因此,建立CCD視覺系統(tǒng), 融合多種傳感器進(jìn)行定位和環(huán)境建模,實(shí)現(xiàn)全局路徑規(guī)劃,將是一個(gè)重要的研究方向.同時(shí),算法必須考慮系統(tǒng)的處理速度、存儲空間的限制。自主清潔機(jī)是一個(gè)可移動(dòng)的智能平臺,在吸塵功能之外可以進(jìn)行功能擴(kuò)展,比如進(jìn)行家電控制、房間環(huán)境監(jiān)測(防止火災(zāi)、電器故障、盜竊等)。這方面的市場需求已經(jīng)被Tmsuk和三洋公司抓住,并在2002年發(fā)布了兩款這樣的清潔機(jī)。致 謝 本論文在張涵導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師淵博的專業(yè)知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)于律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無法、平易近人的人格魅力對本人影響深遠(yuǎn)。不僅使本人樹立了遠(yuǎn)大的學(xué)習(xí)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使本人明白了許多為人處事的道理。本次論文從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。在此，謹(jǐn)向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x！在寫論文的過程中，遇到了很多的問題，在老師的耐心指導(dǎo)下，問題都得以解決。不積跬步何以至千里，本設(shè)計(jì)能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握和運(yùn)用專業(yè)知識，并在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向塔里木大學(xué)，機(jī)械電氣化工程學(xué)院的全體老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來的辛勤栽培。雖然我的論文作品不是很成熟，還有很多不足之處，但是這里面的每一點(diǎn)資料，都有我的勞動(dòng)，讓我在本次設(shè)計(jì)中也學(xué)到了許多。最后還要感謝各位老師抽出寶貴的時(shí)間對我的設(shè)計(jì)進(jìn)行點(diǎn)評，再次表達(dá)我最由衷的感謝！參考文獻(xiàn)1葉靜波.手推式地面清潔機(jī)造型設(shè)計(jì)D.吉林大學(xué),2013.2張凡,楊秀芝,李濤.一種清潔滑板車的設(shè)計(jì)J.湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào),2013,01:13-16. 3廖文藏,李凝,吳姝雅,張新華,鄭洋洋.多功能地面清潔器的研發(fā)與設(shè)計(jì)J.科技資訊,2013,01:75. 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