【文章內(nèi)容簡介】 功能吸塵器的阻力計算 設(shè)計多功能吸塵器的質(zhì)量在 3Kg 則后車輪的的阻力矩由公式 32 T mg179。f179。r 32 f 滾動摩擦系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)》表 117 取 005KCM T 3179。98179。0055179。4 6468Nm 2 多功能吸塵器的前輪阻力矩 T0 mg179。f179。r 3179。98179。0055179。05 08Nm 3 深溝球軸承的摩擦力臂 T1 mg179。f1179。R f1 002kcm 由《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)》表 119 選取 T1 0025ncm 根據(jù)供電電壓為 12V 選取步進(jìn)電極電機(jī)根據(jù)《小功率電機(jī)手冊》選擇永磁式步進(jìn)電機(jī)其具體參數(shù)如下表 31 表格 31 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) 型號 相數(shù) 額定電壓 V 電流 A 保持轉(zhuǎn)矩 mNcm 步近角 176。 57BYG005 4 12V 04A 25497mNcm 18176。 332 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 軸的徑向尺寸的確定 軸的徑向尺寸是在出算軸的直徑基礎(chǔ)上進(jìn)行的軸徑的估算方法是按扭矩并降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的方法進(jìn)行的 計算由公式 33 d≥179。 A mm 33 式中 P 為軸所傳地的功率 KW N 為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速 rmin A 為軸的許用應(yīng)力系數(shù)其值可以查《機(jī)械設(shè)計》教材表 103 在這里選取軸的材料為 45 號鋼則 A 108 由步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)由公式 34可知 P VI 34 04179。12 48W 取轉(zhuǎn)速 n 12rmin 計算得 d≥ 108179。 ≥ 796mm 軸的截面上有一個 鍵槽將直徑增大 5％得 d≥ 796 15％ ≥ 835mm 取標(biāo)準(zhǔn)值 d 10mm 即為軸直徑最小直徑 2 擬定軸上零件的裝配方案 為了便于聯(lián)軸器的連接以及車輪的安裝許用下述方按如圖 35 在軸的左側(cè)需要連接聯(lián)軸器以便于和步進(jìn)電機(jī)的軸相互連接在軸的右側(cè)有鍵主要用來和車輪連接在右側(cè) 同時加工螺紋使車輪能夠沿軸向固定在軸的中間留有軸間用來固定軸承逐步選定軸的直徑為 D 10mm 軸間 D 12mm 則根據(jù)軸的直徑來選擇軸承和聯(lián)軸器等由于軸的直徑 較小現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器很難滿足設(shè)計的要求因此需要單獨(dú)設(shè)計聯(lián)軸器選用鋼管加工滿足要求的孔而后加工兩個徑向螺紋孔用螺釘將電機(jī)軸與轉(zhuǎn)軸相連接軸上面的平臺可以通過磨削的方式實現(xiàn)滾動軸承的選取根據(jù)《軸承手冊》選用深溝球軸承軸承的型號 61800 其基本尺寸 B179。 D179。 d 5179。 19179。 10 圖 05 軸的裝配簡圖 通過中間的軸進(jìn)行定位選擇軸承蓋將軸承固定并且密封鍵的選取 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)》 選定選取 GB109679 鍵 4179。 6 333 軸的強(qiáng)度校核 1 按許用彎扭合成強(qiáng)度條件計算 通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸軸 上的零件位置以及外載荷和支反力的作用位置均以確定軸上的載荷已可以求得因而可以按彎扭合成強(qiáng)度條件對軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計算其計算步驟如下 1 做出軸的計算簡圖 軸所受的載荷從零件傳來計算時將軸上的分布載荷簡化為集中力其作用點(diǎn)取為載荷分布的中點(diǎn)作用在軸上的扭矩一般從傳動輪轂寬度的中點(diǎn)算起通常把軸作為鏈 鉸接支座的梁支持反力的作用點(diǎn)與軸承的類型和布局方式有關(guān) 如圖36 圖 36 軸的計算簡圖 2 做出彎矩圖 根據(jù)上述簡圖分別按水平面和垂直面計算做出各力產(chǎn)生的彎矩并按照計算結(jié)果分別做出水平面上的彎矩 Mh 圖和垂直面上的彎矩 Mv 圖然后由公式 35 進(jìn)計算總彎矩 M 如圖 37 M 35 75N178。m 75 M 圖 37 彎矩圖 3 T 955179。pn 77N178。m 77 圖 38 扭矩圖 4 做出計算彎矩 根據(jù)已做出的總彎矩圖和扭矩圖計算彎矩 Mca 由公式 36 36 881 N178。m 式中 a 是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生的循環(huán)特性差異系數(shù)扭剪應(yīng)力按脈動循環(huán)變換取 06 5 校合軸的強(qiáng)度 已知軸的計算彎矩后對危險截面作強(qiáng)度進(jìn)行校核計算按第三強(qiáng)度理論計算彎曲應(yīng)力由公式 37 Mpa 37 88Mpa＜ 59MPa 式中 W 軸的抗彎截面系數(shù) []軸的許用彎曲應(yīng)力 Mpa45 調(diào)質(zhì)處理經(jīng)取 59Mpa 經(jīng)計算滿足要求設(shè)計軸符合調(diào)節(jié) 第四章 電源及驅(qū)動電路的設(shè)計 41 供電電源的設(shè)計 多功能吸塵器是以自主方式工作的因而所用的電源不 是一般拖線方式而是采用隨身攜帶的蓄電池這樣不但可實現(xiàn)無人控制而且工作時較靈活一次充電可以連續(xù)工作幾個小時 移動電源在多功能吸塵機(jī)器中的地位十分重要可以說它是吸塵機(jī)器人的生命源移動電源需同時為移動機(jī)構(gòu)提供動力為控制電路提供穩(wěn)定的電壓為吸塵操作模塊及傳感觀測模塊提供能源等在這一領(lǐng)域一般采用化學(xué)電池作為移動電源如鉛酸電池等理想的電源在放電過程中應(yīng)該能夠具備保持恒定的電壓內(nèi)阻小以便快速放電可充電成本低等特點(diǎn) 但實際上沒有一種電池可同時具備上述優(yōu)點(diǎn)由于室內(nèi)移動機(jī)器人要求具有體積小自重輕等特點(diǎn)所以電源的體積重量也是一個重要的考慮因素這就要求選擇一種體積小容量大可重復(fù)使用性高的電池盡可能增加吸塵機(jī)器人的不間斷工作時間除了為吸塵器運(yùn)動吸塵及控制電路提供能量外還需優(yōu)化自動充電方案保證機(jī)器人能及時進(jìn)行充電能夠自動完成對指定環(huán)境的吸塵任務(wù)蓄電池安裝時 AH 表示容量在規(guī)定溫度下放電充電和通常電源條件下完全充電的電池所能輸出的標(biāo)準(zhǔn)電量如 1000MAH 表示電池在 1000MA 放電電流的條件下具有的連續(xù)工作 1 小時的能力質(zhì)量效率是衡量蓄電池能量密度的指標(biāo)表示蓄電池單位質(zhì)量的輸出效率質(zhì)量效率的單位為 AHKG 機(jī)器人使用蓄電池雖然摔掉了電纜卻有增加 了負(fù)載和和體積因此追求質(zhì)量效率有實際意義普通蓄電池的質(zhì)量效率不高在 30～ 36AHKG 新型蓄電池的質(zhì)量效率在 60～ 100AHKG 多功能吸塵器選用 24V10AH 的蓄電池也可以選用蓄電池組進(jìn)行系統(tǒng)供電為了便于蓄電池進(jìn)行充電將蓄電池的充電器和驅(qū)動電路集成一體如圖 41 是由整流二極管等組成的蓄電池充電電路 CPU 用 5V 以及電機(jī) 12V 電源電路多功能吸塵器需要兩類電源一類是供給數(shù)字 IC、單片機(jī)傳感器的工作電源為 5V 同時需要一類為電機(jī)驅(qū)動電源根據(jù)電機(jī)的要求電壓在 12V電流在幾 A兩類電源當(dāng)然可以分別供電但是往往不經(jīng)濟(jì)并可 能帶來安裝空間困難用一組電池時 5V12V 電源可以從端子穩(wěn)壓器件變換后獲得 圖 42 穩(wěn)壓電源 圖 42中的輸入電壓 24V電源經(jīng)芯片 MPC2412HF和 MPC2405HF分別獲得電壓12V 和 5V 的 兩路電壓輸出其中 5V 電壓的供電最好選用 MPC24A05HF 而非TA78005AP 區(qū)別在前者最小輸入電壓是 6V 或者 7V 42 移動機(jī)器人自動充電技術(shù) 目前移動機(jī)器人都是使用高質(zhì)量的機(jī)載可充電蓄電池組來給自身供電但是一般只能維持幾個小時一旦電能耗盡必須采用人工干預(yù)的方式來給機(jī)器人充電即當(dāng)移動機(jī)器人電力不足時發(fā)出提示 信號由操作人員手動完成機(jī)器人與充電器之間的電器連接然后實施充電完成后也是人工脫離連接電路其特點(diǎn)是安全可靠簡單易行但需要專人看管浪費(fèi)人力而且這也使得機(jī)器人的自動化智能化不完整如果采用人工充電那么機(jī)器人就處于一種非連續(xù)的任務(wù)環(huán) [37]如圖 43 所示這阻礙了機(jī)器人的長期自治 圖 43 機(jī)器人非連續(xù)任務(wù)環(huán) 如果要實現(xiàn)真正意義上的長期自治機(jī)器人必須能在所處的環(huán)境中實現(xiàn)自我支持實現(xiàn)連續(xù)任務(wù)環(huán)如圖 44 所示機(jī)器人連續(xù)任務(wù)環(huán)被簡單地定義為使機(jī)器人以自主充電的方式來繼續(xù)完成它所分配到的任務(wù)一旦開始運(yùn)行機(jī)器人便進(jìn)入連續(xù)任務(wù)環(huán)即 不再需要人的幫助在此系統(tǒng)中啟動和停止是由機(jī)器人自動完成的 總之隨著移動機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛人們對移動機(jī)器人能實現(xiàn)長期值守延長自治時間以及增加活動范圍等功能的要求越來越高故而其補(bǔ)充動力能源成為了一個亟待解決的問題由于常見的移動機(jī)器人動力能源的無纜化主要依賴高品質(zhì)的機(jī)載蓄電池組如何讓機(jī)器人在無人工干預(yù)環(huán)境下安全可靠快速高效地自動實現(xiàn)充電是實現(xiàn)機(jī)器人長期自治的一項關(guān)鍵技術(shù) 圖 44 機(jī)器人連續(xù)任務(wù)環(huán) 當(dāng)移動機(jī)器人需要補(bǔ)充電力時會自動駛向指定充電區(qū)車載充電連接器與地面充電系統(tǒng)自動實現(xiàn)電連接并實施充電充電完成后機(jī)器 人自動脫離充電系統(tǒng)駛向工作區(qū)或待命區(qū)投入正常運(yùn)行其特點(diǎn)是整個充電過程全部實現(xiàn)自動化智能化無需專人看管 自動充電技術(shù)分析 由上兩節(jié)的內(nèi)容可以歸納出以下結(jié)論機(jī)器人要實現(xiàn)自主充電需要滿足以下幾個條件 1 機(jī)器人能檢測到什么時候需要充電一種方法是監(jiān)測電源的電壓或者限制機(jī)器人的運(yùn)行時間另一種方法是精確測量使用的電能通過對電源的監(jiān)測機(jī)器人能夠預(yù)測何時需要充電 2 機(jī)器人必須被放置在充電座足夠近的地方不同的導(dǎo)航方法例如視覺識別循墻循跡光跟蹤源每種方法都有他們的局限性如果沒有環(huán)境地圖機(jī)器人離充電座太遠(yuǎn)將無法找到充電座 3 機(jī)器 人要能對充電座進(jìn)行定位目前的系統(tǒng)一般采用激光測距儀或視覺傳感器來探測充電座它們一般是基于外觀如光流分析或圖象變形或特征提取或激光條形碼來識別 4 機(jī)器人從當(dāng)前位置移動到充電座需要導(dǎo)航行為 在可能面臨障礙物的情況下機(jī)器人如何從當(dāng)前位置運(yùn)動到充電座機(jī)器人系統(tǒng)必須具有導(dǎo)航避障路徑規(guī)劃能力 5 機(jī)器人和充電座之間必須能實現(xiàn)自動電器連接與脫離一般情況下在機(jī)器人上設(shè)計一個公頭連接器在充電座上設(shè)計一個母頭連接器而且連接方式要便于電流通過連接系統(tǒng)的關(guān)鍵是基于引導(dǎo)系統(tǒng)的精確性和可靠性對對接誤差需要具有一定的容忍度當(dāng)對接出現(xiàn)偏 差時也能夠?qū)映晒δ壳耙延械膶酉到y(tǒng)一般可以允許177。 5176。以及177。 5cm 的對接誤差 6 充電器必須安放在機(jī)器人或者充電座上通常把充電器設(shè)計成充電座的一部分因為這樣可以減輕機(jī)器人的重量以及減小機(jī)器人的體積同時也避免連接位置處于高電壓狀態(tài)如果將充電器設(shè)置在機(jī)器人上那么就必須使用標(biāo)準(zhǔn)的家用插頭連接以便能更好適應(yīng)環(huán)境 7 機(jī)器人需要確定與充電座的物理連接是否成功許多系統(tǒng)采用紅外線接發(fā)裝置來傳遞機(jī)器人與充電座的物理連接是否成功的信息也可以采用監(jiān)測機(jī)器人側(cè)連接端的電壓來確定電氣連接是否成功由于電氣連接是建立在物理連接的基礎(chǔ)上的所 以此檢測系統(tǒng)是必須的否則對接系統(tǒng)將會誤判使得充電失敗 8 一個真正健壯的自主充電系統(tǒng)必須具有容錯以及糾錯功能如果對接時未對準(zhǔn)或者未能檢測到充電座時系統(tǒng)需要對應(yīng)的策略在實際情況中這種狀況時有發(fā)生 自動充電中最重要的方面是對充電座的定位因為如下兩個原因①充電座探測系統(tǒng)的特性如范圍精確性可靠性以及它的輸出形式是否獲取絕對或相對方向距離位置自身特性決定了導(dǎo)航行為②充電座探測系統(tǒng)對于圖象噪點(diǎn)光照環(huán)境硬件特性都比較敏感其中出現(xiàn)的誤差將被累積或者放大 移動機(jī)器人自動充電的過程一般主要分為兩個階段第一個階段是尋找并靠近充電座 第二階段是實現(xiàn)機(jī)器人和充電座的精確對接我們把第一階段稱作遠(yuǎn)程對接把第二階段稱之為近程對接遠(yuǎn)程對接時把機(jī)器人看作成一個質(zhì)點(diǎn)并不考慮機(jī)器人本身的姿態(tài)當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入對接區(qū)域時需要根據(jù)傳感器信息進(jìn)行位姿調(diào)整以滿足相對充電座位置和角度的要求 由于一般的傳感器僅對遠(yuǎn)程或近程有效所以大多數(shù)的自主充電系統(tǒng)一般配有兩套不同的傳感器及對接程序 遠(yuǎn)程對接時如果在固定已知環(huán)境下機(jī)器人能夠利用內(nèi)建環(huán)境地圖進(jìn)行位姿的校正很容易找到充電座但在未知環(huán)境下由于需要在遠(yuǎn)距離方位發(fā)現(xiàn)充電座所在方位所以需要在充電座所在的合適位置設(shè)置機(jī)器人易于識別的 特殊標(biāo)識 遠(yuǎn)程對接一般使用激光或者聲納探測視覺識別等方式來尋找充電座也可以通過設(shè)置紅外線信號燈可見光源可循線等標(biāo)識來給機(jī)器人提供充電座的位置信息 近程對接時在充電座上方設(shè)置便于傳感器如激光探測儀反射帶視覺處理或超聲波等識別的特殊形狀標(biāo)記機(jī)器人依據(jù)傳感器得到的信號如圖象變化圖象特征激光編碼等來進(jìn)行調(diào)整相對充電座的位置和角度然后實施對接 對接成功后機(jī)器人開始充電并監(jiān)控電池電壓狀態(tài)如果電