【文章內(nèi)容簡介】 吸干技術(shù) 真空泵吸干是由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇或螺桿使機(jī)體形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，將遺水通過吸口吸入 機(jī)體內(nèi)。吸水系統(tǒng)包括刮水器、儲(chǔ)水箱、排水管以及其他的一些附件。其吸水能力取決于真空泵的功率大小 。 電源技術(shù) 移動(dòng)電源在自動(dòng)清洗機(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)滿足清洗機(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)定的電壓和為刷洗操作提供能源等。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，盡可能增加清洗機(jī)的不間斷工作時(shí)間。 下表簡單介紹了以些可供選擇的化學(xué)電池及其性能和特點(diǎn)。 華中科技大學(xué)機(jī)械專業(yè) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 各種可作為清洗機(jī)移動(dòng)電源的化學(xué)電池 化學(xué)電池 名稱 能否充電 能量密度 （ Wh/kg） 單元電壓 典型容量 （ mah） 內(nèi)阻 （ Ω ） 說明 堿性電池 否 130 C 4500 D 10000 一般用作主電池 鉛酸電池 能 40 1200120210 C— 有各種大小 鋰電池 否 300 A 1800 C 5000 D 14000 高能量密度成本高 水銀電池 否 120 Coin 190 10 NiCd 能 38 AA 500 C 1800 D 4000 低內(nèi)阻可用于 許多場合 NiMH 能 57 AA 1100 4/3A 2300 能量密度高于NiCd價(jià)格高 銀電池 否 130 Coin 10 華中科技大學(xué)機(jī)械專業(yè) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 180 鋅空電池 否 310 能量高，尺寸受限 3. 本設(shè)計(jì)課題的工作原理 該地面自動(dòng)清洗機(jī)采用 24v、 130Ah蓄電池 提供電源，一部分供給真空泵，一部分給電動(dòng)馬達(dá)和電磁閥。此地面自動(dòng)清洗機(jī)設(shè)有一個(gè)清水箱，一個(gè)污水箱。清洗機(jī)工作的時(shí)候，清水箱的水通過水管和電磁閥提供 給刷子洗地；以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、皮帶聯(lián)接，使洗地刷子轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合水箱提供的水達(dá)到了洗地的作用；而真空泵（風(fēng)機(jī)）的作用是把污水箱里的 空氣抽真空。使其工作壓力小于大氣壓力，從而把洗地污水抽到污水箱里。 4. 地面自動(dòng)清洗機(jī)機(jī)械 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 整機(jī)的功能設(shè)計(jì)要求 地面自動(dòng)清洗機(jī)應(yīng)具有如下功能特點(diǎn) : (1)集噴液、洗地、清潔、吸水、吸塵為一體 。 (2)洗地盤升降機(jī)構(gòu)和水扒升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ,使本機(jī)在非工作狀態(tài)下更加容易移動(dòng) 。 (3)出水調(diào)節(jié) ,達(dá)到控制清水缸向洗地盤提供水量的大小 。 (4)配備防浪擋板 ,避免污水外濺 ,刷盤無 需任何工具 ,可以輕松拆裝 。 (5)吸水扒的獨(dú)到設(shè)計(jì) ,確保水扒緊扣地面 ,確保地面一次吸干 ,厚重的膠條可反復(fù)使用 ,有效降低機(jī)器使用成本。 機(jī)械結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 組成 地面自動(dòng)清洗機(jī)的開發(fā)這一課題是要通過對諸多已有的清洗機(jī)進(jìn)行研究，開發(fā)設(shè)計(jì)出一臺(tái)結(jié)構(gòu)小巧、靈活、控制簡單、易于實(shí)現(xiàn)的地面清潔機(jī)器。整臺(tái)清洗機(jī)由機(jī)械部分和控制系統(tǒng)兩大部分組成。機(jī)械部分包括高強(qiáng)度塑料底盤、外殼、驅(qū)動(dòng)裝置、吸水扒裝置。它們是 真空泵、清洗盤、電池以及控制系統(tǒng)的載體。 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成 華中科技大學(xué)機(jī)械專業(yè) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 地面自動(dòng)清洗機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括以下幾部分： （ 1） 清洗機(jī) 構(gòu)。用電機(jī)通過皮帶帶動(dòng)刷洗盤，刷洗地面，刷洗盤與地面的距離可調(diào)，可以通過機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié) 升降刷洗盤，使其在工作與不工作之間有所區(qū)別； （ 2） 吸干機(jī)構(gòu)。通過真空泵制造吸力，將地面殘余的水吸入污水箱中； （ 3） 吸水扒機(jī)構(gòu)。吸水扒置于地面清洗機(jī)機(jī)體之后采用弧形結(jié)構(gòu)，然后通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使其能進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，通過膠條與地面的緊密接觸使其 將水刮凈以待吸干。 （ 4） 移動(dòng)機(jī)構(gòu)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)多采用 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。 移動(dòng)機(jī)構(gòu)是其它部件的載體，機(jī)器移動(dòng)機(jī)構(gòu)按結(jié)構(gòu)分有輪式、履帶式等。輪式和履帶式機(jī)器適合條件較好的地面。本課題開發(fā)的地面自動(dòng)清洗機(jī)工作在家居、廣 場、超市等環(huán)境較好的地面 ，所以采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)較為適合。 輪式移動(dòng)機(jī)器一般有三輪、四輪和六輪，移動(dòng)機(jī)器若采用三輪結(jié)構(gòu)則比較簡單，能夠滿足一般的的需求，應(yīng)用也比較廣泛；四輪的穩(wěn)定性好，承載能力較大，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；六輪與四輪相比類似，只不過有更大的承載能力和穩(wěn)定性。在本設(shè)計(jì)課題中，地面自動(dòng)清洗機(jī)的重量不是很大，工作主要在室內(nèi)，環(huán)境較好 ，三點(diǎn)確定一個(gè)平面，三輪理論上也是穩(wěn)定的。但是對負(fù)載有一定的限制，對三輪移動(dòng)機(jī)器來說重心都比較低，載荷穩(wěn)定且重心位置基本不發(fā)生變化，所以采用三輪結(jié)構(gòu)就能滿足要求。 三輪轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有兩種方式： （ 1） 鉸軸轉(zhuǎn)向式：轉(zhuǎn)向輪裝在鉸軸上，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速裝置和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu) 控制鉸軸，從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。 （ 2） 差速轉(zhuǎn)向式 ：在機(jī)器后兩輪的左、右輪上分別裝上兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過控制左右輪的速度比實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。在這種情況下，非驅(qū)動(dòng)的前輪應(yīng)為自由輪。差動(dòng)輪控制復(fù)雜，但精度較高。考慮到本設(shè)計(jì)在高層次上設(shè)計(jì)需要，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗，可以采用差動(dòng)轉(zhuǎn)向式比較好，并且其運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的精度也高一些，以便為以后更高層次的設(shè)計(jì) — 避障、軌跡規(guī)劃打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)，也是本設(shè)華中科技大學(xué)機(jī)械專業(yè) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 計(jì)以后的擴(kuò)展方向（由于技術(shù) 知識(shí)匱乏 原 因暫不考慮 ，只做暢想 ）。因此本系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)可采用三輪 差速轉(zhuǎn)向式的，如圖 41所示。 按照上述的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，地面自動(dòng)清洗機(jī)采用兩直流電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)左右兩后輪的差動(dòng)方式，控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可以方便的實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退，以及調(diào)頭等功能，使清洗機(jī)能夠在任意半徑下，以任意速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，甚至可以實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑（即繞軸中點(diǎn)原地旋轉(zhuǎn)）。 圖 41 移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 在此基礎(chǔ)上的 高層次設(shè)計(jì)的暢想 本系統(tǒng)的高層次功能模塊關(guān)系圖如圖 42 所示。自動(dòng)地面清洗機(jī)由多個(gè)模塊 共同組成，這 幾個(gè)模塊共同工作、相互協(xié)調(diào)、相互作用，保證了清洗機(jī)能夠順利的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗。 具體的工作原理暢想如下：清洗機(jī)的中心是清洗機(jī)的 CPU，它對其它各個(gè)功能模塊進(jìn)行控制。信息采集模塊負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境以及清洗機(jī)本身的各種信息。鍵盤模塊和紅外遙控接收模塊可以接收人們對機(jī)器的控制信息，然后把信息轉(zhuǎn)給 CPU 進(jìn)行處理。 比如當(dāng)接收到需要清洗機(jī)進(jìn)行清洗工作的信號(hào)時(shí)， CPU可以通過控制行走機(jī)構(gòu)和清洗機(jī)構(gòu)讓機(jī)器進(jìn)行工作。在清洗機(jī)工作的過程中還可以通過 LCD/LED 顯示模塊和狀態(tài)指示模塊對清洗機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示。 華中科技大學(xué)機(jī)械專業(yè) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 地面自動(dòng)清洗機(jī) 工作的流程如下： （ 1） 首先可以通過鍵盤或者遙控器啟動(dòng)清洗機(jī)，讓它開始清洗工作。 （ 2） 清洗機(jī)一旦開始工作，便控制清洗機(jī)構(gòu)進(jìn)行清洗、吸干機(jī)構(gòu)開始吸水。 （ 3） 清洗機(jī)開始工作，傳感探測模塊就開始不斷采集外部信息，送到 CPU進(jìn)行分析和決策產(chǎn)生清洗機(jī)行走的路徑。 （ 4） 當(dāng)路徑規(guī)劃需要清洗機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的時(shí)候。 CPU就分別改變左右輪的速度，通過差速來實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 （ 5） 工作期間清洗機(jī)可以通過 LCD顯示一些相關(guān)信息（比如工作模式、工作計(jì)時(shí)和溫度）。 （ 6） 遙控器除了可以控制清洗機(jī)的啟停，還可以對清洗機(jī)進(jìn)行定時(shí)，讓清洗機(jī)在一定時(shí)間后開始工作或者工作一定時(shí)間 后停止工作。 圖 42 功能模塊關(guān)系示意圖 華中科技大學(xué)機(jī)械專業(yè) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 該清洗機(jī)利用安裝的各類傳感器來獲取周圍環(huán)境以及自身的基本信息，如障礙物的位置、自身走過的距離等；然后根據(jù)獲得的信息，選定相應(yīng)的控制策略；通過以單片機(jī)、 PLC為核心的控制系統(tǒng)進(jìn)行障礙物 判斷、避障策略選擇和運(yùn)動(dòng)行走實(shí)施。清洗機(jī)面板上有控制其開始 /停止工作的按鍵。同時(shí)也可以通過遙控來控制，遙控還可以用來對清洗機(jī)進(jìn)行定時(shí)，LCD還可以實(shí)時(shí)的倒記時(shí)和當(dāng)前的溫度值。 地面自動(dòng)清洗機(jī)總體設(shè)計(jì) 清洗機(jī)外形設(shè)計(jì) 根據(jù)地面清洗機(jī)的設(shè)計(jì)要求，本次 設(shè)計(jì)的清洗機(jī)應(yīng)包括清洗機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、吸水機(jī)構(gòu)、清污水收集機(jī)構(gòu)，其中清洗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。通過在網(wǎng)上搜索一些相關(guān)資料以及在圖書館查閱的資料，初步把清洗機(jī)的外形設(shè)計(jì)成 近似長 600mm，寬 500mm高小于 1200mm的長方體，但由于清洗機(jī)在工作過程中極可能碰到障礙物，所以應(yīng)將其各角設(shè)計(jì)為圓角 ，這樣有利于機(jī)殼的保護(hù)。 因而最終把清洗機(jī)的外形設(shè)計(jì)為四角為大圓角的長方體，其外部輪廓大體上如圖 43所示。 圖 43 清洗機(jī)布置圖 華中科技大學(xué)機(jī)械專業(yè) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 清洗機(jī)的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng) 行走后輪設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn) 清洗機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑為 0，在清洗機(jī)的行走機(jī)構(gòu)中采用兩后輪驅(qū)動(dòng) ，兩驅(qū)動(dòng)輪對稱分布在在清洗機(jī)構(gòu)的后方，清洗工作時(shí)，兩個(gè)輪子和刷盤支撐機(jī)體工作和運(yùn)動(dòng)，這樣設(shè)計(jì)既節(jié)省材料，又可以使刷子和地面全面接觸，從而利于更徹底的清洗工作。在清洗機(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。 為實(shí)現(xiàn)刷盤工作與不工作時(shí)的區(qū)別：工作時(shí)刷盤緊貼地面，不工作時(shí)離開地面。 采用浮動(dòng)式刷盤結(jié)構(gòu)，縱觀許多清洗機(jī)刷盤的浮動(dòng)結(jié)構(gòu)均在刷盤上做文章，本設(shè)計(jì)采用可收 縮式前輪實(shí)現(xiàn)刷盤與地面的接觸、不接觸操作，其機(jī)構(gòu)借鑒飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)，如圖 44所示： 圖 44 前輪收縮機(jī)構(gòu) 在輪子放下時(shí)，桿 BC 與 CD成一直線，此時(shí)輪子上雖受到很大的力，但由于機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置，機(jī)架不會(huì)反轉(zhuǎn)（折回），這使得輪子的伸縮更加可靠。對于控制上可采用手柄式，設(shè)華中科技大學(xué)機(jī)械專業(yè) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 置手柄兩位置（伸開和收縮），采用以下結(jié)構(gòu)固定其兩位置，如圖 45所示： 圖 45 位置圖 圖示陰影部分為殼體，控制手柄安裝在 CD桿段， 使其手柄實(shí)現(xiàn)搖桿功能以控制前輪的伸縮，手柄在位置 1 時(shí)前輪處于伸開位置，此時(shí)清洗機(jī)不工作，當(dāng)要使清 洗機(jī)工作時(shí)，應(yīng)將手柄拉向位置 2，此時(shí)前輪收縮，刷盤緊貼地面，為刷洗盤刷洗地面做好準(zhǔn)備。 清洗機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì) 在清洗機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)中想到了一下五 種方案： （ 1）電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)斜齒輪 1，斜齒輪 1帶動(dòng)斜齒輪 2，斜齒輪 2帶動(dòng)斜齒輪 3，斜齒輪上的軸連接刷盤機(jī)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地面清洗； 圖 46 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一 （ 2） 電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪 1，錐齒輪 1帶動(dòng)錐齒輪 2，由錐齒輪上的軸連接刷盤機(jī)構(gòu)，華中科技大學(xué)機(jī)械專業(yè) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地面清洗； 圖 47 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)二 （ 3） 電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接渦輪，兩 個(gè)渦輪的 軸上分別接刷盤機(jī)構(gòu)，兩個(gè)刷盤同時(shí)向相反的方向旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)地面的清洗工作； 圖 48 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三 （ 4） 電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接兩個(gè)渦輪，兩個(gè)渦輪分別接皮帶輪，皮帶輪上的兩軸分別接刷盤機(jī)構(gòu)，兩刷盤同時(shí)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)地面清洗； 華中科技大學(xué)機(jī)械專業(yè) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 圖 49 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)四 （ 5） 電機(jī)與一小帶輪直接連接，小帶輪通過皮帶與一大帶輪連接 ，大帶輪固定在一軸上，軸再通過連接結(jié)構(gòu)與刷盤機(jī)構(gòu)直接連接，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)刷盤旋轉(zhuǎn)清洗地面。 華中科技大學(xué)機(jī)械專業(yè) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 410 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)五 以上五種方案通過對比及設(shè)計(jì)的簡單易行要求 所限制，最終決定采用方案五為自動(dòng)地面清洗機(jī)的清洗傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 。其側(cè)面結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖 411 清洗機(jī)刷盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 華中科技大學(xué)機(jī)械專業(yè) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 因?yàn)樗O(shè)計(jì)的清洗機(jī)它的體積有所限制，在那么個(gè)體積內(nèi)要放置刷洗機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸水機(jī)構(gòu)，同時(shí)還要留下安放電池、電機(jī)等的地方，而方案一雖然易于安裝，傳動(dòng)平穩(wěn)，但是斜齒輪所占的面積大，齒輪制造成本高 ，如果選用它，則會(huì)占用大量的空間，使其他幾個(gè)單元有些部分不好安置，且增加造價(jià)，不易于市場競爭，因而否定了這種方案；方案二中，錐齒輪傳動(dòng)不如斜齒輪平穩(wěn)，同時(shí)錐齒輪所占的體積也比較大，而清洗機(jī)構(gòu)又 是本次設(shè)計(jì)中最重要的部分，錐齒輪的造價(jià)比斜齒輪還大，不利于推廣，因而選用 錐齒輪的弊端也很大，所以經(jīng)過計(jì)算及各個(gè)機(jī)構(gòu)總體布局的綜合考慮，舍棄了方案二；方案三中通過電機(jī)帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，再有蝸桿帶動(dòng)其兩端的渦輪，由渦輪上的軸帶動(dòng)固定在其上的刷子旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了清洗的目的。 為了