智能掃地機(jī)器人樓梯清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)智能掃地機(jī)器人樓梯清掃機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真摘 要本文主要是對智能掃地機(jī)器人樓梯清掃結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)樓梯掃地機(jī)器人的功能特點(diǎn)，主要對它的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過電機(jī)帶動動力輪實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人的運(yùn)動，通過行星履帶式結(jié)構(gòu)進(jìn)行爬樓。添加許多傳感器，使機(jī)器更智能化，功能更加豐富。通過設(shè)計(jì)計(jì)算完善機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)，最終進(jìn)行實(shí)體建模，二維裝配，完成本次設(shè)計(jì)內(nèi)容。主要研究內(nèi)容如下：1. 調(diào)研及分析2. 設(shè)計(jì)爬樓梯掃地機(jī)總體方案3. 爬樓梯掃地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4. 爬樓梯掃地機(jī)器人的仿真分析關(guān)鍵詞：樓梯掃地機(jī)器人，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，仿真分析AbstractThis is mainly on the design of the staircase sweeping robot, in order to achieve the functional characteristics of the staircase sweeping robot, mainly on its mechanical structure design, through the motor to drive the power wheel to achieve the movement of the sweeping robot, through the planetary crawler structure to climb buildings. Many sensors are added to make the machine more intelligent and more functional. Through design and calculation, the overall structure of the robot is improved. Finally, solid modeling is carried out, 2d assembly is carried out and rendering is carried out to complete the design content.The main research contents are as follows:1. research and analysis2. Design the overall scheme of stair sweeper3. The structure design of the sweeping robot for climbing stairs4. Simulation analysis of stair sweeping robotKeywords: Sweeping Robot, Structural design, simulation analysis目錄1 前言61.1本設(shè)計(jì)的目的、意義及應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求61.2本設(shè)計(jì)在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題71.3本設(shè)計(jì)應(yīng)解決的主要問題82市場調(diào)研92.1調(diào)研背景92.2調(diào)研對象92.3調(diào)研結(jié)論113智能掃地機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)133.1行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)143.1.1主動輪與從動輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)143.1.2履帶的設(shè)計(jì)173.1.3帶輪以及同步帶的設(shè)計(jì)183.2傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)213.2.1電機(jī)的選用223.2.2齒輪的設(shè)計(jì)233.2.3傳動軸的設(shè)計(jì)273.2.4 鍵的校核303.2.5軸承的選用313.3清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)323.4總體裝配圖334智能掃地機(jī)器人的仿真分析355 結(jié)論37參考文獻(xiàn)38謝 辭391 前言智能掃地機(jī)器人作為日常生活中使用的的智能家居電器，它運(yùn)用了人工智能技術(shù)來幫助我們?nèi)祟愅瓿扇粘Ｉ钪械囊恍┣鍜吖ぷ?。通常會使用刷掃和真空方式來?shí)現(xiàn)吸塵，將地面的垃圾灰塵等吸進(jìn)裝備中自帶的垃圾盒里，從而完成清理地面的功能。1.1本設(shè)計(jì)的目的、意義及應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求這些年來，伴隨著機(jī)器人技術(shù)與人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)?？梢灶A(yù)測，人類已經(jīng)打開了機(jī)器人時代的大門，相信在不久之后，各種各樣不同功能的機(jī)器人將會迅速普及到人們的工作和生活之中，智能機(jī)器人將會成為我們生活中密切的一部分，這些機(jī)器人的功能性也會覆蓋到人類生活的方方面面。在這之中，智能掃地機(jī)器人是屬于生活服務(wù)類型的機(jī)器人，它與人類的日常生活有更加密切的接觸聯(lián)系。機(jī)器人的發(fā)展就好像上世紀(jì)80年代的個人電腦、上世紀(jì)90年代中期的手機(jī)一樣，正處于產(chǎn)業(yè)真正起飛的前夕，巨大的市場前景已經(jīng)可以看見。1隨著人工智能機(jī)器人的研究有了越來越多的成果，結(jié)合了智能機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)的智能掃地機(jī)器人做到了室內(nèi)環(huán)境的自動化清潔。從技術(shù)制造方面來說，智能機(jī)器人以及掃地機(jī)的多項(xiàng)技術(shù)在智能掃地機(jī)器人身上得到了比較好的體現(xiàn)。從市場前景來說，智能掃地機(jī)器人大幅度地降低人類花在清潔上的時間，降低了人類花在重復(fù)勞動上的時間就相當(dāng)于增長了人類生命的長度，這對于人類的發(fā)展具有重要的意義，值得向市場推廣。與傳統(tǒng)手持式吸塵器相比，智能掃地機(jī)器人省去了人力的操作，有效的提高了清潔的效率，而且小巧輕便，能清掃到普通吸塵器清掃不到的死角。為了使智能掃地機(jī)器人能更好的實(shí)現(xiàn)它的這些功能，這也是掃地機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。對各種各樣不同的復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性，也是不同掃地機(jī)器人之間地主要區(qū)別。在復(fù)雜環(huán)境中的掃地機(jī)器人如何進(jìn)行清潔任務(wù)多年來一直是掃地機(jī)器人研究中的熱點(diǎn)問題之一。比如，掃地機(jī)器人在進(jìn)行日常清掃任務(wù)時，無法識別攀爬樓梯，這時候只能人工調(diào)動掃地地機(jī)器人的位置。樓梯是家庭環(huán)境以及公共場所中的最為常見的障礙之一，若能克服樓梯障礙那就可以讓掃地機(jī)器人更好地適用于不同環(huán)境中。隨著現(xiàn)代社會生活的節(jié)奏日益加快，人們對美好生活的需求日益增長，在這個時候，一個智能掃地機(jī)器人就可以讓人們從繁重的家務(wù)中脫身，甩掉無謂的重復(fù)勞動，幫助人類節(jié)約出更多的時間去做更有意義的事情。1.2本設(shè)計(jì)在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題自從1904年的世界歷史上第一臺清掃機(jī)被英國人發(fā)明出來，到今天為止清掃機(jī)器的面世差不多有上百年的時間了。清潔機(jī)器人最早出現(xiàn)在于美國，隨后發(fā)展的歐美，風(fēng)靡港澳臺，90年代中期進(jìn)入大陸，現(xiàn)在市場上的自動掃地機(jī)器人主要幾種品牌：（TOMEFON德國）斐納掃地機(jī)器人，（irobot美國）irobot掃地機(jī)器人，（Proscenic臺灣）浦桑尼克掃地機(jī)器人，（科沃斯中國）科沃斯掃地機(jī)器人，（PHILIPS荷蘭）飛利浦掃地機(jī)器人等。2而在與機(jī)器人爬樓梯機(jī)構(gòu)相關(guān)地研究中，國外對此研究開始地依然比國內(nèi)要早不少，最早的爬樓梯結(jié)構(gòu)的專利出現(xiàn)在1892的年美國。在這之后，各國陸續(xù)開始投入到爬樓梯機(jī)構(gòu)的研究中，其中美、英、德、日這些技術(shù)也相對比較成熟，科研成果也相對較多的國家則在研究中有更多的優(yōu)勢，并且已經(jīng)有了一些產(chǎn)品經(jīng)過了市場的檢驗(yàn)。而我國對此類機(jī)構(gòu)的研究開發(fā)雖然起步比較晚，但是近年來也不斷涌現(xiàn)出了很多這個方面的專利，不過能夠投入實(shí)際使用的實(shí)例還是比較少。智能掃地機(jī)器人在服務(wù)機(jī)器人這個領(lǐng)域中還算是一個新產(chǎn)品，盡管目前國內(nèi)在這方面的研究開發(fā)已經(jīng)取得一定的成果，推出的產(chǎn)品在市場上也取得了不錯的反響，但是仍然有許多的關(guān)鍵技術(shù)問題未能得出完美的解決方案。不同品牌的掃地機(jī)器人，有的按照一定的路線規(guī)劃移動，有的可在房間內(nèi)隨機(jī)移動，這說明掃地地機(jī)器人的路線規(guī)劃問題沒有得到很好的解決。事實(shí)上，雖然國內(nèi)外的公司已經(jīng)向市場推出了不少的產(chǎn)品，但大部分的產(chǎn)品都未能達(dá)到令人滿意的使用效果。清潔效果不理想，清掃時間長等大大小小的問題還存在著比較多。而且這種情況也不僅僅存在于中國，智能掃地機(jī)器人對于在復(fù)雜地形的清掃在世界范圍依然是難題，比如樓梯，較窄銳的墻角等。以及清掃性能如何進(jìn)一步提高也是一個難以攻克的問題。到目前為止，移動機(jī)器人應(yīng)對樓梯等復(fù)雜環(huán)境所采用的運(yùn)動機(jī)構(gòu)有履帶式、輪組式、步行式等。這三種機(jī)構(gòu)各有各的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。對于履帶式機(jī)構(gòu)，它的運(yùn)動原理比較簡單，也比較成熟。履帶式機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動比較平穩(wěn)，且對復(fù)雜地形適應(yīng)能力非常強(qiáng)。它的缺點(diǎn)則在于機(jī)構(gòu)重量比較大，而且轉(zhuǎn)彎功能比較弱，這些問題限制了履帶式爬樓梯結(jié)構(gòu)在智能掃地機(jī)器人的應(yīng)用。而第二種機(jī)構(gòu)，輪組式爬樓梯機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動輕便靈活，可以說徹底擺脫了履帶式機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，但是上下樓梯時穩(wěn)定性不高，會導(dǎo)致機(jī)器人的重心不穩(wěn)，不容易在智能掃地機(jī)器人中應(yīng)用。第三種步行式機(jī)構(gòu)，步行式機(jī)構(gòu)在外觀上看上去是三種機(jī)構(gòu)中最為復(fù)雜的，然而事實(shí)上在早期的機(jī)器人爬樓梯機(jī)構(gòu)中一般都采用步行式機(jī)構(gòu)。步行式也有稱作為足式，它的爬樓梯機(jī)構(gòu)的原理就是模仿動物用腿爬樓梯的動作，運(yùn)用多條機(jī)械腿交替升降，讓機(jī)器人像一只長腿的動物一樣爬樓梯。步行式爬樓梯機(jī)構(gòu)爬樓梯時運(yùn)動比較平穩(wěn)，能夠適應(yīng)不同尺寸的樓梯; 但它對制造精度以及控制系統(tǒng)的要求很高，具體設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜，而且在地面運(yùn)動時動作比較緩慢，對于主要工作在平地上進(jìn)行的掃地機(jī)器人不太適合。1.3本設(shè)計(jì)應(yīng)解決的主要問題（1）智能掃地機(jī)器人在平地運(yùn)行與爬樓梯動作之間的切換；（2）智能掃地機(jī)器人爬樓梯時的整體動作設(shè)計(jì)；（3）機(jī)器人要在能加上爬樓梯機(jī)構(gòu)后不影響平地清掃；（4）精簡優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低整個智能掃地機(jī)器人的能耗。2市場調(diào)研2.1調(diào)研背景在現(xiàn)在各種電器產(chǎn)品都追求智能化的時代，人們對于各種新奇事物的接受能力已經(jīng)不似舊時代。對于能夠改善他們生活質(zhì)量，能夠真正幫助到他們?nèi)粘Ｉ畹墓ぞ?，現(xiàn)在有越來越多的人勇于嘗試。在現(xiàn)在的市場上，掃地機(jī)器人已經(jīng)不是什么稀奇的物件，也有很多家庭已經(jīng)在使用。但還是有比較多的家庭對掃地機(jī)器人并不看好，因?yàn)楝F(xiàn)有的掃地機(jī)器人清掃的局限性，清掃效率，清掃效果都還是不好評價，不同品牌的掃地機(jī)器人各方面性能差異也是客觀存在。對于這次我的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具備樓梯清掃功能的掃地機(jī)器人，市面上目前還沒有有這樣功能的掃地機(jī)器人，這想法本身并不稀奇，但是市面上并沒有這樣的產(chǎn)品，多半是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起來具有一定難度，而且設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)又多出來其他方面的缺點(diǎn)，實(shí)用性欠缺，無法向市場推廣。因?yàn)槭忻嫔系膾叩貦C(jī)里沒有具備爬樓梯功能的產(chǎn)品，于是本次市場調(diào)研里主要研究的是具備爬樓梯功能的其他產(chǎn)品，從具備爬樓梯功能的其他產(chǎn)品的成功經(jīng)驗(yàn)中研究爬樓梯掃地機(jī)器人的可行方案。2.2調(diào)研對象（1）歐航履帶式電動爬樓老人椅（2）科沃斯地寶T5MAX掃地機(jī)器人（3）順和爬樓折疊手拉車圖2.1歐航履帶式電動爬樓老人椅圖2.2科沃斯地寶T5MAX掃地機(jī)器人圖2.3順和爬樓折疊手拉車2.3調(diào)研結(jié)論從圖片上也很明顯可以看出，傳統(tǒng)掃地機(jī)與其他兩個產(chǎn)品的體積相差甚遠(yuǎn)，當(dāng)然產(chǎn)品功能性不同導(dǎo)致體積不同是主要原因，但同時是否也可以說明爬樓梯機(jī)構(gòu)在當(dāng)前技術(shù)下需要一定體積才可以實(shí)現(xiàn)？我認(rèn)為是的。在傳統(tǒng)掃地機(jī)的體積框架下，要想加入爬樓梯機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)難度非常大，那要想加上爬樓梯機(jī)構(gòu)就必須增大掃地機(jī)的體型，不能被傳統(tǒng)掃地機(jī)的小巧體型框住想法。然后在最重要的爬樓梯功能上，調(diào)研中的老人椅采用的是履帶式機(jī)構(gòu)，手推車采用的是組合輪機(jī)構(gòu)，履帶式機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動非常平穩(wěn)，地形適應(yīng)性也比較強(qiáng)，但是轉(zhuǎn)彎功能相對較弱，輪組式機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動較為輕便靈活，但是在爬樓梯運(yùn)動中容易引起重心不穩(wěn)，穩(wěn)定性不高。經(jīng)過總結(jié)后，我們想出以下幾種方案:方案一：運(yùn)用履帶式機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爬樓梯功能。運(yùn)用傳統(tǒng)掃地地機(jī)器人的外形框架，在掃地機(jī)器人兩側(cè)加上可以升降的履帶輪條，在平地里履帶輪條升起，掃地機(jī)器人清掃狀態(tài)與傳統(tǒng)掃地機(jī)器人一致，在爬樓梯時，履帶輪條下降觸地，撐起掃地機(jī)器人往上爬。方案二：運(yùn)用輪組式機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爬樓梯功能。將掃地機(jī)器人的箱體改成方形，將將掃地機(jī)器人的輪子改成如同調(diào)研中手推車樣式的輪組，裝在掃地機(jī)器人箱體外側(cè)，讓掃地機(jī)器人外形如同一輛小車一般。爬樓梯時小輪鎖住，大輪轉(zhuǎn)動，讓小輪卡住樓梯角來帶動掃地機(jī)器人爬樓梯。方案三：結(jié)合了兩種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，在方案二的基礎(chǔ)上，讓輪組套上履帶，利用履帶的外齒來卡住樓梯邊角，加強(qiáng)掃地機(jī)器人對樓梯的附著力，同時讓掃地機(jī)器人可以更加穩(wěn)定地進(jìn)行爬樓動作，也可以讓清掃工作更加穩(wěn)定地進(jìn)行。將三種方案對比比較以及與同組組員的溝通商量之后，我們最終確定了選用方案三作為最終方案來進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。3智能掃地機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的智能掃地機(jī)器人主要由幾個部分組成，分別是傳動機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、清掃機(jī)構(gòu)、和車體。在這次的設(shè)計(jì)中我運(yùn)用的是SOLIDWORKS軟件，先對各個零件進(jìn)行計(jì)算以及形狀設(shè)計(jì)，思考組裝的合理性，再將各零部件組裝到一起，最終完成智能掃地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的智能掃地機(jī)器人總體三維圖如圖3.1所示。本次設(shè)計(jì)的掃地機(jī)器人采取的方案是：采用伺服電機(jī)驅(qū)動，由于傳動的精度較高，采用伺服電機(jī)可以提高轉(zhuǎn)動的精度，傳動采用傳動帶，通過帶上的輪子帶動傳動軸，傳動軸上采用齒輪減速，通過帶動履帶的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)行走。履帶的結(jié)構(gòu)比較平穩(wěn)，是掃地機(jī)器人進(jìn)行爬樓梯動作的關(guān)鍵部件，在掃地機(jī)器人進(jìn)行爬樓梯的動作時，履帶附帶的外齒可以卡住樓梯邊角，增大掃地機(jī)器人對樓梯的附著力。履帶部件包括電機(jī)、輪子和履帶，通過電機(jī)驅(qū)動主動滑輪，通過履帶與從動滑輪的連接實(shí)現(xiàn)行走，可以在樓梯上進(jìn)行爬行，而且重心也比較穩(wěn)定。不容易在爬樓梯的過程中翻車，平穩(wěn)的爬樓運(yùn)動也讓清掃任務(wù)可以更加穩(wěn)定的進(jìn)行。圖3.1樓梯掃地機(jī)器人總體方案3.1行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三角形履帶機(jī)構(gòu)包括三個輪子，分別為一個主動輪和兩個從動輪，主動輪是通過同步輪進(jìn)行驅(qū)動，帶動主動輪旋轉(zhuǎn)，三個輪子通過履帶進(jìn)行張緊，履帶上有許多的外齒可以增大行走的摩擦力，同時也增大了掃地機(jī)器人對樓梯的附著力。三個輪子用三角支撐板進(jìn)行安裝固定，如圖3.2所示為三角形履帶機(jī)構(gòu)。在進(jìn)行平面運(yùn)動時，三角支撐板相對地面不動，帶輪旋轉(zhuǎn)帶動主動輪旋轉(zhuǎn)，主動輪通過履帶帶動兩個從動輪旋轉(zhuǎn)，從而讓掃地機(jī)器人像坦克一樣動起來。在進(jìn)行爬樓梯運(yùn)動時，三角支撐板相對于里面的四個輪子不動，相對于地面轉(zhuǎn)動，將整體形成一個三角形的輪子，通過履帶外齒對樓梯邊角的阻力帶動掃地機(jī)器人往樓梯上方爬行。 圖3.2三角形履帶機(jī)構(gòu)3.1.1主動輪與從動輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因?yàn)檩喿优c履帶嚙合類似于齒輪，所以下面用設(shè)計(jì)軟齒面齒輪的方式來設(shè)計(jì)主動輪與從動輪。主動輪如圖3.3所示。材料選用45剛，而帶輪組兩邊兩個帶輪的尺寸是一樣的，而且它們?nèi)齻€帶輪是組合使用，所以功率也是0.44KW，轉(zhuǎn)速也是和中間帶輪一樣為318r/min。確定許用應(yīng)力：齒面接觸強(qiáng)度極限：輪齒彎曲強(qiáng)度極限：按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)：輪子的轉(zhuǎn)矩：齒數(shù)取z=20，模數(shù)m=d/z=2.54取m=2.5則d=mz=2.5*20=50mm所以輪子直徑為50mm。取齒寬系數(shù)d=0.5，齒寬b=d*d=25mm再按彎曲強(qiáng)度校核：查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得：齒形系數(shù)YFa1=2.56，YSa1=1.63 符合設(shè)計(jì)要求。主動輪的直徑為50mm，齒寬為25mm。從動輪在本設(shè)計(jì)中與主動輪結(jié)構(gòu)一致。二維圖如圖3.4所示。圖3.3主動輪圖3.4主動輪的二維圖3.1.2履帶的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的智能掃地機(jī)器人，通過履帶與地面和樓梯的靜摩擦力來實(shí)現(xiàn)平面移動和爬樓梯的功能，因?yàn)槁膸强坷锩娴囊粋€主動輪和兩個從動輪撐起來，于是這里根據(jù)主動輪的尺寸來確定履帶的尺寸。最終選用的履帶型號為25*10*62。履帶寬度25mm，履帶節(jié)距10mm，履帶節(jié)數(shù)62節(jié)。履帶三維圖如圖3.5所示。圖3.5履帶3.1.3帶輪以及同步帶的設(shè)計(jì)一般的同步帶分為PVC橡膠和聚氨酯鋼絲同步帶。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的應(yīng)用場景可能會有水的出現(xiàn)，橡膠是不耐水的，而且我們的設(shè)計(jì)有時候需要高負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，所以同步帶材料類型選用聚氨酯鋼絲同步帶。本次設(shè)計(jì)的同步帶的作用就是將電機(jī)的功率傳遞給輪子，通過帶輪的傳遞將動力傳遞給履帶機(jī)構(gòu)上的主動輪， 采用同步輪的原因主要是首先同步輪的結(jié)構(gòu)比較緊湊，而且傳動比比較穩(wěn)定，傳遞效率也高，容易安裝，同步輪裝在框架上可以提高張力，下面對同步輪進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。帶輪與同步帶三維圖如圖3.6和圖3.7所示。帶輪二維圖如圖3.8所示。首先對同步帶的設(shè)計(jì)功率進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)公式式中-載荷修改系數(shù)，這里載荷較小，取=1.1;P-工作機(jī)上電機(jī)的功率，前面計(jì)算可以得知電機(jī)的功率P=0.4W;帶輪轉(zhuǎn)速的確定前面計(jì)算出大齒輪的轉(zhuǎn)速為318r/min，大齒輪與同步輪轉(zhuǎn)速相同，因此帶輪的轉(zhuǎn)速選定同步帶帶型和節(jié)距 由于功率較小，初步選擇同步帶的型號為S8M齒形同步帶，節(jié)距，通過查表知道帶輪最小齒數(shù)為20，現(xiàn)在選取帶輪齒數(shù)為20?？梢杂?jì)算出帶輪的分度圓直徑為：=50mm同步帶的速度v的計(jì)算帶輪中心距的計(jì)算根據(jù)電機(jī)的安裝位置以及帶輪的安裝位置取中心距大小為。同步帶帶長及其齒數(shù)確定=() = =460mm圖3.6帶輪圖3.7同步帶 圖3.8帶輪二維圖3.2傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的傳動機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)，空心傳動軸，齒輪組，同步帶系統(tǒng)，花鍵軸和深溝球軸承組成。采用兩個電機(jī)同時驅(qū)動，采用電機(jī)驅(qū)動同步輪和齒輪，將電機(jī)的輸出傳遞給空心傳動軸，空心傳動軸帶動履帶機(jī)構(gòu)的主動輪轉(zhuǎn)動，通過齒輪箱的作用每個電機(jī)可以控制兩個輪子進(jìn)行轉(zhuǎn)動，空心傳動軸與輪子通過花鍵連接，這樣可以增大傳遞的扭矩，如圖3.9所示為傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)。四個齒輪箱內(nèi)齒輪組是相同的，四根空心軸管也是相同的，兩個同步輪系統(tǒng)也是相同的。傳動機(jī)構(gòu)如圖3.9所示。在平面運(yùn)動時，兩側(cè)電機(jī)不工作，中間電機(jī)通過雙面同步帶將動力傳遞給，同步輪，同步輪通過空心軸管將動力傳遞給花鍵軸，花鍵軸將動力傳遞給帶輪，帶輪帶動主動輪、從動輪以及履帶相對地面旋轉(zhuǎn)，以此實(shí)現(xiàn)在平地上的行走。在爬樓梯運(yùn)動時，中間電機(jī)不工作，兩側(cè)電機(jī)通過同步輪系統(tǒng)將動力傳遞給齒輪箱內(nèi)的小齒輪，小齒輪通過大齒輪將動力傳遞給與三角支撐板，從而讓整個大三角輪相對地面和樓梯旋轉(zhuǎn)，以此實(shí)現(xiàn)爬樓梯的動作。與在平地上行走不同，讓整個智能掃地機(jī)器人爬上樓梯所需動力比較大，所以采用了兩個電機(jī)來為爬樓梯動作提供動力，兩個電機(jī)分別控制前后兩對大三角輪轉(zhuǎn)動，互不干涉。圖3.9傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.2.1電機(jī)的選用電機(jī)的好壞很大程度上決定了設(shè)備的性能，選價格低的電機(jī)，但轉(zhuǎn)速與穩(wěn)定性達(dá)不到要求；選價格高的電機(jī)，但高性能又顯得有些過剩。電機(jī)的選擇不能盲目的關(guān)注價格高低性能好壞，應(yīng)該根據(jù)工作環(huán)境、供電源的種類等實(shí)際因素決定。下面是幾條電機(jī)選擇應(yīng)該考慮的因素。（1）看供電源是什么類型，要區(qū)分交流、直流、三相電、單相電，不能盲目的選一款電機(jī)直接裝上，不僅會對電機(jī)造成損壞，嚴(yán)重的還會造成安全事故。（2）實(shí)地考察電機(jī)的工作環(huán)境，炎熱或寒冷、干燥或潮濕、是否在磁場環(huán)境中，工作地是否有粉塵等，不同的工作環(huán)境對應(yīng)的選擇不同的配置的電機(jī)，例如在磁場環(huán)境中工作就要選擇電機(jī)外殼具有屏蔽磁場作用的電機(jī)。（3）電機(jī)的運(yùn)作方式，由于工作要求，電機(jī)可能會持續(xù)不斷地運(yùn)作或者不連續(xù)的運(yùn)作，如果工作是不連續(xù)的而選擇一款起動速度慢的電機(jī)肯定是不合理的。（4）電機(jī)的安裝方式，電機(jī)的型號各種各樣，甚至同款電機(jī)也有不同的安裝方式，有臥式、立式、側(cè)臥式等等，不同安裝方式選用不同電機(jī)罩外殼，如果市面上沒有你所需要安裝方式的電機(jī)還得定制。本設(shè)備中采用的是臥式安裝的電機(jī)。（5）電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速，實(shí)際工作中，一款設(shè)備可能會生產(chǎn)或運(yùn)送多種產(chǎn)品，生產(chǎn)不同的產(chǎn)品產(chǎn)生的負(fù)載也不相同，這時候我們應(yīng)該考慮周全，根據(jù)最大負(fù)載來選定電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速。在這里我取最大負(fù)載G=25KG，設(shè)定機(jī)器人的移動速度v=1m/s，機(jī)器人需要的牽引力為履帶與地面的摩擦力，查得摩擦系數(shù)，那么需要的牽引力，因此輪子行走所需要的功率為：-為帶傳動的傳遞效率；-為軸承的傳遞效率。電動機(jī)選擇應(yīng)保證： 由于采用的是兩個電機(jī)同時驅(qū)動，因此單個電機(jī)的功率需要大于P/2=0.5KW因此選擇伺服電機(jī)的功率為0.75KW，最大轉(zhuǎn)速是3000轉(zhuǎn)每分鐘。已知輪子的直徑為60毫米，行走速度為1米每秒，這樣可以計(jì)算出輪子的轉(zhuǎn)速為傳動比分配，設(shè)計(jì)同步帶的傳動比為1，齒輪的傳動比為2，這樣可以計(jì)算出齒輪箱的傳動比為3.2.2齒輪的設(shè)計(jì)（1）對傳動齒輪的類型、齒輪的精度、材料和齒數(shù)進(jìn)行選擇。1）由于輪子主要承受的是徑向力，軸向力作用較小，因此本設(shè)計(jì)選用圓柱直齒輪。2）由于轉(zhuǎn)速為318r/min，因此轉(zhuǎn)速不高，齒輪選用8級精度。3）小齒輪齒輪材料選用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度是280HBS，大齒輪材料選用45剛，調(diào)質(zhì)處理，硬度是240HBS。4）根據(jù)前面的計(jì)算可以得知大齒輪的工作轉(zhuǎn)速為318r/min，齒輪傳動比為u=2，選圓柱直齒輪齒數(shù)Z1=30,則Z2=uZ1=60， （2）根據(jù)齒輪齒面的接觸疲勞強(qiáng)度來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算確定公式內(nèi)的各計(jì)算值由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊10-7取，載荷系數(shù)，材料彈性影響系數(shù)ZE=189.8Mpa12，齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限Lim1=600Mpa，圓柱直齒輪的接觸疲勞極限Lim2=550Mpa，壽命系數(shù)為。計(jì)算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力試算齒輪的分度圓直徑，帶入中的較小值得 =31.03mm計(jì)算圓周速度v：計(jì)算齒寬b：計(jì)算齒寬與齒高比模數(shù)：齒高：由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊10-2查得KA=1，根據(jù)，8級精度，可查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊10-8取動載荷系數(shù)，Kv=0.98，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊10-3查得KH=1.2，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊10-4查的KH=1.4。故載荷系數(shù)K=KAKvKHKH=10.981.21.4=1.646。按實(shí)際載荷系數(shù)校正所計(jì)算得到分度圓直徑d1=d1t3KKt=31.0331.6461.1=35.49mm計(jì)算模數(shù)與中心距m=dz=1.2取模數(shù)為1.5d1=zm=301.5=45mm中心距a=（d1+d2）/2=67.5mm齒輪的三維圖如圖3.10和圖3.11，二維圖如圖3.12和圖3.13。圖3.10 大齒輪圖3.11小齒輪圖3.12大齒輪二維圖圖3.13小齒輪二維圖3.2.3傳動軸的設(shè)計(jì)首先計(jì)算齒輪的圓周力大?。篎t=2T/d2=27162/90=159N求徑向力Fr：Fr=Fttan=159tan20=58N根據(jù)力平衡分別可以計(jì)算出軸承的支撐力：可以計(jì)算出：Ra=117N；Rb=42N；Ra+Rb=Ft=58N；35Ra=100Rb然后根據(jù)軸向力平衡可以計(jì)算出：然后算出：；做出各平面受力分析圖、彎矩圖和扭矩圖，如圖3.14示：圖3.14各平面受力分析圖、彎矩圖根據(jù)計(jì)算公式及上面所算的d截面的彎矩和扭矩，以及軸運(yùn)動時需正反轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力，取=1，軸的計(jì)算應(yīng)力：前已選定軸的材料為45，調(diào)質(zhì)處理，查得-1=60MPa。因此，故安全。傳動軸的三維圖和二維圖如圖3.15和圖3.16所示。圖3.15傳動軸 圖3.16傳動軸二維圖3.2.4 鍵的校核鍵的選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)中一項(xiàng)不可忽視的一部分,鍵的選擇包括選型和確定尺寸兩個范疇，鍵的選型應(yīng)根據(jù)鍵聯(lián)接的具體設(shè)計(jì)、根據(jù)人的需求和實(shí)際工作環(huán)境來挑選，鍵的尺寸則按適合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和強(qiáng)度要求來選擇。電機(jī)與帶輪的連接是通過花鍵進(jìn)行連接，下面對鍵進(jìn)行強(qiáng)度的校核，理想情況下，載荷在工作面上平均分布，用于計(jì)算擠壓的公式為 電機(jī)與帶輪之間是通過鍵連接，已知電機(jī)的軸徑為14mm，選用的是普通平鍵，鍵槽的尺寸鍵寬和鍵高分別為5mmx5mm，鍵的長度為15mm，這樣可以計(jì)算出鍵的擠壓應(yīng)力為 13.64MPa 查的為100-120MPa。因此：設(shè)計(jì)中的鍵連接滿足擠壓強(qiáng)度要求。3.2.5軸承的選用軸承對于當(dāng)代機(jī)械設(shè)備而言一種極其重要的零件。軸承可以對機(jī)械旋轉(zhuǎn)體起到支持作用，同時大大降低了旋轉(zhuǎn)中的摩擦系數(shù)，重要的是，它還能提高旋轉(zhuǎn)的精度。軸承的好壞很大程度上決定了設(shè)備的性能，因此要選擇合適的軸承，如果選擇承受載荷方向不對的軸承，則會影響軸承的壽命。下面是幾條軸承選擇應(yīng)該考慮的因素。1、選擇軸承類型的主要依據(jù)是軸承所承受載荷的大小，方向和性質(zhì)。以軸承承受載荷大小作為選擇軸承的因素時，因滾子軸承在受力時的受力方式是線接觸，因此可以比受力方式是點(diǎn)接觸的軸承接受更大的載荷，而且變形也不大。然而球軸承靠點(diǎn)接觸，因此不能承受太大載荷，應(yīng)該適用在不太重的載荷。2.軸承的轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)速較高時，轉(zhuǎn)速對軸承影響較大。每個類型、每種型號的軸承都有自己的極限轉(zhuǎn)速。此極限轉(zhuǎn)速指工況為冷卻情況較好，軸承承受的載荷較小，且為0公差軸承，這種情況下工作允許的最大的轉(zhuǎn)速。但是隨著轉(zhuǎn)速的越來越高工作溫度也會不斷升高，因此，根據(jù)轉(zhuǎn)速選擇軸承時，要留有一定的安全系數(shù)，不能按最大機(jī)械轉(zhuǎn)速選其最大轉(zhuǎn)速。3軸承的調(diào)心性能。當(dāng)軸承與軸的中心線不完全重疊在一起，存在一定量的偏差時，或者因?yàn)檩S受到外力引起的其他情況時，會引起軸承的外、內(nèi)圈軸線隨之傾斜。這種情況，有調(diào)心性能的調(diào)心滾子軸承或者調(diào)心球軸承是比較好的選擇。這樣軸承自己自己調(diào)節(jié)，保證內(nèi)外圈有較小的傾斜時依然可以正常工作。當(dāng)軸的剛度較小，或者是軸承座孔的支承剛度不大的情況下，有兩種軸承對傾斜比較不耐受，分別是滾針軸承和圓柱滾子軸承，此情況下應(yīng)該避免使用這兩種軸承。而且球軸承在傾斜的狀態(tài)下的承受載荷能力都大于這兩類軸承，因此偏心的時候要避開這兩種軸承。4.在整體機(jī)構(gòu)的裝配和拆卸的時候，哪種軸承更加容易裝配和拆卸，這也是選擇軸承類型的一個重要原因。本設(shè)計(jì)中有一處需要安裝軸承，由于本設(shè)計(jì)中軸的轉(zhuǎn)速不大，因此暫且不用軸承允許的最大轉(zhuǎn)速，而且主軸沒有因?yàn)槭芰Χ鴱澢?，因此不需要考慮調(diào)心軸承。皮帶旋轉(zhuǎn)過程中只產(chǎn)生徑向載荷，所以初選深溝球軸承。軸承作為本設(shè)計(jì)中軸以及軸上零件連接的唯一標(biāo)準(zhǔn)件，在本設(shè)計(jì)中占有重要地位。軸承在承受載荷滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，壽命是另一項(xiàng)重要指標(biāo)，軸承的壽命對安全門的維修頻率，整機(jī)壽命都有很大的影響，因此本章節(jié)主要是計(jì)算軸承的壽命，保證裝置的使用壽命。為實(shí)現(xiàn)輪子的直線行走，電機(jī)帶動帶輪轉(zhuǎn)動。根據(jù)載荷受力方向和大小，此處不承受軸向力，因此選用深溝球軸承，根據(jù)軸徑10mm選用軸承6001。查詢設(shè)計(jì)手冊可得知深溝球軸承基本性能參數(shù)，其基本額定動載荷Cor=4.55kN，靜載荷Cr=7.05kN；由于轉(zhuǎn)速較低，采用的潤滑形式為脂，可以承受極限轉(zhuǎn)速為1600r/min。計(jì)算當(dāng)量動載荷P軸承質(zhì)量為0.042kg，軸承質(zhì)量偏小，其軸向力0.42N，受電扭矩作用在軸承的徑向力。通過帶輪作用到軸承的徑向力為200N，軸向力為1.5N，故軸承承受徑向力為200N，軸向承受力為0.42N。則有Fr1=Fr2=100N，F(xiàn)a1=Fa2=0.21N。根據(jù)軸承的當(dāng)量動載荷計(jì)算公式 由于軸向力與徑向力略大，故查表得系數(shù)X=1，Y=0,所以有 查得系數(shù)為1.1，則當(dāng)量動載荷=1.1100=110N則該對軸承的最短壽命為=32.06106h所以該軸承壽命為32.06106h小時，滿足設(shè)計(jì)需求。3.3清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在底盤的兩邊各布置一組旋轉(zhuǎn)刷頭，高速旋轉(zhuǎn)清掃地面。上端連接部分材料使用ABS塑料，刷毛部分材料使用人造纖維制成。具體如圖3.17和圖3.18所示。圖3.17掃地刷頭圖3.18刷頭端二維圖3.4總體裝配圖根據(jù)上文對各個零件完成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再將各個零件裝配到一起，得出裝配圖如圖3.19所示。圖3.19總體裝配圖4智能掃地機(jī)器人的仿真分析 將第三章設(shè)計(jì)的各個零件裝配到一起后，運(yùn)用SOLIDWORKS軟件的運(yùn)動算例功能，將智能掃地機(jī)器人爬樓梯的動作模擬出來。如圖4.1是掃地機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)的仿真圖，圖4.2是掃地機(jī)器人進(jìn)行爬樓梯動作的仿真圖。圖4.1傳動傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真 圖4.2 樓梯清掃運(yùn)動仿真5 結(jié)論本文主要對智能掃地機(jī)器人進(jìn)行研究，通過參考近年來掃地機(jī)器人研究的部分相關(guān)成果上，設(shè)計(jì)履帶式智能掃地機(jī)器人的機(jī)械部分系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)掃地機(jī)器人主要采用電機(jī)、同步輪、齒輪和履帶等機(jī)構(gòu)，對其各個結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，保證掃地機(jī)器人的正常工作，通過深入研究配合原則，同時結(jié)合實(shí)際采用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件建立三維模型，并對所建立的三維模型進(jìn)行合理的修改以得到最終的智能掃地機(jī)器人模型。在第一章我們介紹了課題研究背景，掃地機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，也對論文的研究目的與內(nèi)容作了簡單的介紹；在第二章中我們進(jìn)行了市場調(diào)研，初步確定了智能掃地機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案；在第三章中我們對各部件作了詳細(xì)的解說，并對本設(shè)計(jì)中涉及的各關(guān)重件進(jìn)行了計(jì)算和校核。最后我們歸總了如下幾點(diǎn)結(jié)論。（1）與外國先進(jìn)的掃地機(jī)器人機(jī)構(gòu)和性能相比，我們與部分國外的還存在一定差距，我們要以本著虛心學(xué)習(xí)，以勤奮務(wù)實(shí)的精神，以小步快跑的形式縮小這個差距，甚至實(shí)現(xiàn)超越，而要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)作為當(dāng)代大學(xué)生的我們責(zé)任重大。（2）在進(jìn)行掃地機(jī)器人零部件選型的時候，對所需要選型的零部件進(jìn)行精確的計(jì)算，用計(jì)算所得的數(shù)據(jù)來選定型號，這種方法是最安全也是最經(jīng)濟(jì)的。對掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)也是參考國外內(nèi)大量文獻(xiàn)，深入了解履帶行走原理和設(shè)計(jì)合理性，進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方便、快捷、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)理念。（3）隨著家用機(jī)器人的不斷發(fā)展，對于掃地機(jī)器人越來越重視，所以該市場的未來前景是很大的，但本設(shè)計(jì)在將來可能并不滿足生產(chǎn)的需求，這就需要我們不要停住腳步，永遠(yuǎn)向前走，研發(fā)出更好的產(chǎn)品。參考文獻(xiàn)1 徐灝等機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第3卷北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.2 卜炎中國機(jī)械設(shè)計(jì)大典第3卷江西：科學(xué)技術(shù)出版社，20023 濮良貴，紀(jì)名剛機(jī)械設(shè)計(jì)第七版北京：高等教育出版社，20014 尚久浩，張淳，李思益自動機(jī)械設(shè)計(jì)第二版北京：中國輕工業(yè)出版社，20025 吳宗澤，羅圣國機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊第二版.北京：高等教育出版社，19996 孫恒，陳作模機(jī)械原理第六版北京：高等教育出版社，20017 朱張校工程材料第三版北京：清華大學(xué)出版社，20018 劉鴻文材料力學(xué)第4版北京：高等教育出版社，20041 濮良貴，紀(jì)名剛機(jī)械設(shè)計(jì)第七版北京：高等教育出版社，2001；9安昱臣,賈德錚.AI智能化家居機(jī)器人特征價格的計(jì)量分析以掃地機(jī)器人為例J.價值工程,201910李海.基于STM32的智能掃地機(jī)器人避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.電子測試,201811馮書鵬,王明娣.掃地機(jī)器人自適應(yīng)越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究J.機(jī)械傳動,201812傅忠云,劉子豪,姚翼榮.基于蛇形路徑規(guī)劃的掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.電子世界,201813李夢,徐佳璇,曾林鵬.智能除濕掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)J.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,201814馬宏偉.基于掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究J.智能機(jī)器人,201815周志昊. 鄂爾多斯盆地Z12井區(qū)長6儲層地質(zhì)建模研究D.西安石油大學(xué),2018.16李澤佳.小型家用掃地機(jī)器人硬件研究J.科技傳播,201817陸檉堂,林桂鋒,林位龍,黃程懷,孫寶福.關(guān)于實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人優(yōu)化路徑算法J.科教導(dǎo)刊(下旬)，201837