【導讀】提供，灰塵被吸到垃圾儲藏盒中，只要將垃圾儲藏盒取出，即可完成垃圾的清理。制，電機上裝有減速器，使得動力平穩(wěn)與適當。家用清掃機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)確定；蝸輪蝸桿的選擇和參數(shù)計算；帶傳動的設(shè)計及帶的選取等；[3]于駿一鄒青編主編.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，[6]岑軍健主編.新編非標準設(shè)備設(shè)計手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，與工業(yè)生產(chǎn)實際結(jié)合緊密。其中，服務(wù)機器人開辟了機器人應(yīng)用的新領(lǐng)域，自主移動家庭清掃機器人。為家庭服務(wù)機器人的推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。服務(wù)機器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一。服務(wù)機器人區(qū)別于工業(yè)機器人的一個主要特征就是服務(wù)機器人是一種適用。的移動性，因此服務(wù)機器人大多數(shù)是移動機器人。服務(wù)機器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟方面，并且起到了很大的作用。服務(wù)機器人的研究和發(fā)展對我們的經(jīng)濟發(fā)展有很多的影響。人對我國機器人現(xiàn)狀的一些調(diào)查和理解看法，在機器人發(fā)展中存在的一些影響因素，

　　

【正文】 該方案通過毛刷將垃圾掃至吸口，因吸口橫截面積小，根據(jù)伯努利方程可知，此處吸力很強。當被吸入的垃圾到達垃圾儲藏盒時，空間瞬間擴大，吸力減弱至最低值，垃圾便停留在垃圾儲存盒中。要傾倒出垃圾，將可拉出的垃圾儲藏盒拉出即可傾倒。又因為本處的清掃機器人為室內(nèi)清掃，不存在很大體積的垃圾 ，而且該方案所用空間很小，故本處采用該方案，圖如 313所示 : 23 因為清掃部分是家庭清潔機器人的最重要的部分，整個機體的大半部分質(zhì)量都集中在這一部分。為了減輕機器的質(zhì)量，使其在使用時更方便一寫，將這一部分單獨設(shè)計一個固定件固定在機體上，這樣既滿足工作要求有減輕了機體的質(zhì)量，清掃機構(gòu)的固定件如圖所示 : 最終設(shè)計家庭清潔機器人大體布局如 圖 所示 ： their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX24 第四章 具體計算 電機選擇 (1) 初步估計機器的總重量為 5 千克、 g 取 ／ kg，則 G=5*=49N 則分配到每個輪子上的載荷位 F=1／ 3G=1／ 3*49=. (2) 按橡膠在優(yōu)質(zhì)路面上行走，取 滾動摩擦系數(shù) δ=1，滑動摩擦系數(shù) μ=， 則 : 滾動摩擦阻力 Mf=δ?F=l = 滑動摩擦阻力 f=F?μ= = 由前面的總體設(shè)計中機器的各個機構(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 96mm，則 半徑 R=1／ 2D=48mm，則輪子行走過程中所受的阻力矩 ： =f?R+Mf= 48 103+= (3) 工作機要求的功率 = Tw*n／ 9550， 式中： = 由 =2 =204r/min 25 取 ，則 == ， 電 機 所 需 的 輸 出 功 率 = , 其中= = **=, 則電機所需的輸 出的功率 = = =。 (3) 確定電機?？紤]到機器人在轉(zhuǎn)彎時要求其轉(zhuǎn)彎半徑為零，這樣就要求兩個和電機相連的輪子在轉(zhuǎn)彎時必須差速運轉(zhuǎn)從而才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零。而要實現(xiàn)差速運轉(zhuǎn)則要求電機具有調(diào)遣功能，再由 (2)中所算得電機輸出功率、從而通過在網(wǎng)上搜索查到了寧波市北倉深港交流調(diào)速電機廠生產(chǎn)的 YCJT 系列電機滿足設(shè)計中所需要的電機要求，因為運轉(zhuǎn)本機器時電機需要輸出的功率為 ，由寧波市北倉深港交流調(diào)速電機廠網(wǎng)站上給的產(chǎn)品的技 術(shù)指標和安裝型號中選型號為 YCJT61 輸出功率為 6W，速度可調(diào)范圍為 901350r/min， 1200r／ min 時轉(zhuǎn)矩為 啟動轉(zhuǎn)矩為 的電機，因為其在滿足要求的情況下尺寸比我所查到的電機的尺寸都小，所以選用它為驅(qū)動機構(gòu)的電機 。 蝸輪蝸桿的選擇 (1)選擇蝸桿傳動類型 根據(jù) GB /T100851988 的推薦，采用漸開線蝸桿 (ZI) (2)選擇材料 因為本次設(shè)計所用的蝸桿和渦輪是清掃機構(gòu)功率的輸如部分，是機器人結(jié)構(gòu)中最重要的部分， 因此需要效率高些，耐磨性好些，故 蝸桿 螺旋齒面要 求淬火，硬度 45～ 50HRC。渦輪用鑄錫磷青銅 ZCuSn10Pb1，金屬模鑄造 。 (3)按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計 確定載荷系數(shù) K 根據(jù)傳動比 選擇為 i=14，參考蝸輪蝸桿參數(shù)表取 Z1=2，則 Z2=28。 因為工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均勻系數(shù) =1，由 查 表 《機械設(shè)計》確定計算公式所需參數(shù)： =1，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載荷系數(shù) =1. 1；則 載荷系數(shù) K= =1**1=； 確定 作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩 T2： T2=9550*106*P /n 當 =2 時， =~， 取 =，代入式中得： T2=*=*= 確定彈性影響因素 Ze their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX26 因選用的是鑄錫磷青銅齒輪和鋼蝸桿相配合，故 查《機械設(shè)計》得： Ze =160 。 確定接觸系數(shù) 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 d1 和傳動中心距 a 的比值 d1/a=，從《機械設(shè)計》查表的 Zp=。 確定 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N2=60 N2Lh=60*206*12021=*108 查《機械設(shè)計》得： =230MPa =90MPa = = 194Mpa； = = =52MPa 計算中心距 a≥ *234469*( 160* /194) = 取 a=40mm，因 i=14，從《機械設(shè)計》中查表取模數(shù) m=2mm，蝸桿分度圓直徑 d1=。這時 d1/a=，從《機械設(shè)計》中查圖得 Zp=＜ ，因此以上計算結(jié)果可用。 查 表選取 m=2mm， d1=， Z1=2q=， Z2=29，分度圓導程角r=10176。07′29″。中心距ａ =40 mm， d2 =mz2=58； a=，不是標準推薦中心距，若 選擇中心距，渦輪將變位。本設(shè)計不采用變?yōu)椋?a=。 (4) 驗算初設(shè)參數(shù) 蝸輪圓周速度 =，原 估 計 3m/s， 選 Kv 值，相符。 滑動速度 = =，在范圍之內(nèi)，所選材料合適。 蝸桿傳動效率 =（ ~） 根據(jù) =， 查表得 =2176。， = =，傳動效率 =（ ~） *=~，與初選 =不符， 初 效率應(yīng)適當降低。 （ 5）驗算齒根彎曲疲勞強度和剛度 = ( )/ = 蝸輪當量齒數(shù) = / =，查得齒形系數(shù) =； 則可求的： =1 = 27 帶入式中 = 成立。彎曲強度滿足要求。 （ 6）蝸桿與 蝸輪 的主要參數(shù)和 幾何尺寸 蝸桿 軸向齒距 Pa= 直徑系數(shù) q= 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 df1= 分度圓導程角 r= 176。 齒寬 b=26mm 基圓直徑 d= 模數(shù) m=2， 頭數(shù) z=2 齒根高 hf=，齒頂高 ha=2mm。 渦輪 渦輪齒數(shù) z2=28 渦輪分度圓直徑 d2=mz2=2x28=56mm 渦輪喉圓直徑 da2=d2+2ha2=56+2x2=60mm 渦輪 齒 根 圓直徑 df2=d22hf2==51mm 渦輪咽喉母圓半徑 rg2==10mm 渦輪齒寬 b2==，取 18mm。 為不損傷齒寬 b2，所以 蝸 輪 齒頂圓直徑 de2 的取值范圍在 58mm 和 60mm 之間，取 de2=58mm。 由于蝸桿傳動效率底， 所以工作時產(chǎn)生熱量大。對閉式蝸桿傳動，摩擦所產(chǎn)生的熱量將通過箱體散發(fā)到空氣中去。本設(shè)計中，蝸桿傳動產(chǎn)生的熱量直接散發(fā)到機器內(nèi)，通過吸塵時產(chǎn)生的風力將熱量排除機體外。 因為蝸桿傳動的效率主要取決于嚙合效率，而蝸桿分度 圓導程角對嚙合效率起主要影響，導程角大于 30176。以后嚙合效率增加不顯著切蝸桿加工也比較困難，所以本設(shè)計中蝸桿導程角小于 30176。，同時減小了中心距進而減小了蝸桿的直徑，從而提 高 了嚙合效率，因而進一步提高了蝸桿的傳動效率。 清掃機構(gòu)的電機的選擇 因為清掃機構(gòu)中刷子的旋轉(zhuǎn)速度只要達到 3r/s 就可以實現(xiàn)清掃目的，并可以把垃圾掃到垃圾儲藏室中， 又因為皮帶輪的傳動比設(shè)計為 1： 1，所以要求蝸輪的轉(zhuǎn)速大約為 180r/min 到 210r/min 左右即完成清掃任務(wù)，由前面初步算得的蝸 their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX28 輪蝸桿之間的減速比可推出蝸桿的轉(zhuǎn)速大 約自 2600r/min3000r/min 之間，因而選電機型號為 55SZ01，轉(zhuǎn)速為 3000r/min， 功率為 12W，其尺寸較小，又能滿足工作需要，所以選用它作 為清掃機構(gòu)的動力輸入部分。 家庭清潔機器人電池的選用 工作環(huán)境對清潔機器人的能源提出了特殊要求，目前清潔機器人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。作為機器人能源的次電池要求能量密度高、自放電少、可靠性高，一次電池有錳干電池，堿性錳電池、鉀電池、汞電池、氧化銀電池等。干電池應(yīng)用范圍廣，使用溫度 越 高，電壓、容量都同時增大， 但有可能造成自放電和產(chǎn)生氣體，使用溫度可達 50℃ 60℃，在0℃ 以下容量 急劇 減少。堿性錳電池適合于大電流放電，放電容量很大，尺寸與干電池相同，具有互換性。銼電池電動勢高、能量密度高、工作溫 度范圍大、自放電少，正逐步走向?qū)嵱没?，是一種非常好的機器人能源。 二次電池又叫蓄電池，有鉛酸電池銀鋅電池、鎳鎬電池和鎳鋅電池等。鉛酸電池是一種比較好的機器人能源，電壓高、壽命長、可高比率放電、價格低、結(jié)構(gòu)簡單可靠，工藝成熟，能量密度低。銀鋅電池是現(xiàn)有二次電池中輸出功率最大、能量最高的電池、自放電速度慢，機械強度高，可短期超 負荷放電，放電電壓平穩(wěn)，價格貴、充電時間長、壽命短充電次數(shù)步。鎳鎬電池和鎳鋅電池電壓低、價格貴，應(yīng)用較少。 燃料電池有堿性燃料電池、另算燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體電解質(zhì)燃料電池等，燃料電池體積小、重量輕、壽命長、效率高、無污染，是一種非常好的清潔機器人用電源，但總的來說，目前還處于研究開發(fā)階段。 由以上對各種電池的分析，同時考慮到本次設(shè)計的要求，選用鉛酸電池比較臺理，因為鉛酸電池是一種比較好的機器人能源，電壓高、壽命長、可高比率放電、價格低、結(jié)構(gòu)簡單可靠、工藝成熟，可降低制造家庭清潔機器人的 總成本，因而本次設(shè)計選用兩組鉛酸電池作為機器人的能量來源，其安裝位置入家庭清潔機器人的裝配圖中所示。 清掃機構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計算 （ 1）計算軸承壽命的基本公式為： = 10660*n （ ftCfpP ) h 29 其中： P當量動載荷（ 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基本額定動載荷（ N），可由軸承樣本或有關(guān)機械設(shè)計手冊中查到。 經(jīng)查表得 C=*103 （ 2）計算角接觸軸承的當量動載荷 基本公式為 P=FP (XFR+YFA) 其中： X徑向載荷系數(shù)，其值見機械設(shè)計 P321 表 135； Y軸向載荷系數(shù)，其值見機械設(shè)計 P321 表 135 Fr軸承所承受的徑向載荷； Fa軸承所承受的軸向載荷； FP 載荷系數(shù)，考慮機器的運轉(zhuǎn)情況對軸承載荷的影響，查表 136（機械設(shè)計 P321） 待求量為 Fr、 Fa 值，計算軸承所受的徑向載荷 Fr 軸向受力如圖 42 所示。 經(jīng)計算解 得 Fr=， Fa= 由 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FR1=FR2=1/2 Fr = 又因為軸承的質(zhì)量作用在軸承上，每個軸承大約承受 所以 FR1=FR2= 派生軸向力 S1=S2=R/2Y= their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX30 又因為 S2+ Fa =+= 所以軸承 1 壓緊 ，軸承 2 放松 所以 Fa1=， Fa2= Fa1 Fa2，所以只需要校核軸承 1 即可 因為 Fa/Fr=e 選取 X=1， Y=0， fp= 所以 P=FP (XFR+YFA)=*(1*+0*A)= 所以 =( 10660*n ftCfpP ) =*106h 所以符合要求。 清掃機構(gòu)中渦輪軸的校核 軸上能使產(chǎn)生彎矩的 力有 Fr， Ft Fr= Ft= 兩個力在相互垂直的兩個平面上， L=69mm， D=12mm 如下兩個視圖 43 做彎矩 圖如 44 所示 31 Mr== 69= Mt== 69= 合成彎矩 M=Mt+Mr= = = = = ( 123)= 由 于前面已經(jīng)選定軸的材料為 45 鋼，調(diào)制處理，查表 [ ]=，故符合強度要求。 第五章 總結(jié) 與發(fā)展 發(fā)展趨勢 雖然我國 自主 清掃 機器人的研究已經(jīng)取得了很大進步， 市場已經(jīng)投入銷售，進入了實用階段，但是自主能力、工作效率方面還不 夠 理想， 還面臨這一些關(guān)鍵技術(shù)的提高，比如 傳感器技求、定位和環(huán)境建模技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)等，再此 基礎(chǔ)上，自主吸塵機器人 才 可以向著高度智能化、多功能集成、低成本的方向發(fā)展。 高度智能化 需求 現(xiàn)在的自主吸塵機 器人在行為上還處于“低級生物”的階段，環(huán)境感知能力有限，對路徑的規(guī)劃只是隨機的方式或者基于局部環(huán)境信息的規(guī)劃方式，在復雜環(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 進行定位和環(huán)境建模，實現(xiàn)全局路徑規(guī)劃，將是一個重要的研究方向同時，算法必須考慮系統(tǒng)的處理速度、存儲空間的限制。 功能擴展 自主 清掃 機器人是一個可移動的智能平臺，在吸塵功能之外可以進行功能拓展，比如進行家電控制房間環(huán)境檢測（防止火災電器故障盜竊等 )這方面的市場需求已經(jīng)被 Tmsuk 和三洋公 司抓住并在 2021 年發(fā)布了兩款這樣的機器人 。 their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX32 低成本化 智能機器人是一個復雜的系統(tǒng)，使用了大量的傳感器和一個或者多個高性能的微處理器，因此成本較高但是為了讓普通人都可以享受科技進步的成果，降低成本是個必由之路。 發(fā)展 盡管目前價廉物美的吸塵器給人們的清潔工作帶來了一定的便利，但過大的噪音依然讓大多數(shù)使用者望而卻步 ，