【正文】 圖 04 轉向結構圖 則由公式 31 U C179。N 31 式中 C 車輪的周長 cm N 車輪的轉速 rmin N UC ≈ 12rmin 1 多功能吸塵器的阻力計算 設計多功能吸塵器的質量在 3Kg 則后車輪的的阻力矩由公式 32 T mg179。r 32 f 滾動摩擦系數由《機械設計課程設計指導》表 117 取 005KCM T 3179。0055179。f179。98179。05 08Nm 3 深溝球軸承的摩擦力臂 T1 mg179。R f1 002kcm 由《機械設計課程設計指導》表 119 選取 T1 0025ncm 根據供電電壓為 12V 選取步進電極電機根據《小功率電機手冊》選擇永磁式步進電機其具體參數如下表 31 表格 31 步進電機的基本參數 型號 相數 額定電壓 V 電流 A 保持轉矩 mNcm 步近角 176。 332 軸的結構設計 1 軸的結構設計 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上進行的軸徑的估算方法是按扭矩并降低許用扭轉切應力的方法進行的 計算由公式 33 d≥179。12 48W 取轉速 n 12rmin 計算得 d≥ 108179。 D179。 19179。 6 333 軸的強度校核 1 按許用彎扭合成強度條件計算 通過軸的結構設計軸的主要結構尺寸軸 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度條件對軸進行強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取為載荷分布的中點作用在軸上的扭矩一般從傳動輪轂寬度的中點算起通常把軸作為鏈 鉸接支座的梁支持反力的作用點與軸承的類型和布局方式有關 如圖36 圖 36 軸的計算簡圖 2 做出彎矩圖 根據上述簡圖分別按水平面和垂直面計算做出各力產生的彎矩并按照計算結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 進計算總彎矩 M 如圖 37 M 35 75N178。pn 77N178。m 式中 a 是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產生的循環(huán)特性差異系數扭剪應力按脈動循環(huán)變換取 06 5 校合軸的強度 已知軸的計算彎矩后對危險截面作強度進行校核計算按第三強度理論計算彎曲應力由公式 37 Mpa 37 88Mpa＜ 59MPa 式中 W 軸的抗彎截面系數 []軸的許用彎曲應力 Mpa45 調質處理經取 59Mpa 經計算滿足要求設計軸符合調節(jié) 第四章 電源及驅動電路的設計 41 供電電源的設計 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器中的地位十分重要可以說它是吸塵機器人的生命源移動電源需同時為移動機構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域一般采用化學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該能夠具備保持恒定的電壓內阻小以便快速放電可充電成本低等特點 但實際上沒有一種電池可同時具備上述優(yōu)點由于室內移動機器人要求具有體積小自重輕等特點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使用性高的電池盡可能增加吸塵機器人的不間斷工作時間除了為吸塵器運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器人能及時進行充電能夠自動完成對指定環(huán)境的吸塵任務蓄電池安裝時 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準電量如 1000MAH 表示電池在 1000MA 放電電流的條件下具有的連續(xù)工作 1 小時的能力質量效率是衡量蓄電池能量密度的指標表示蓄電池單位質量的輸出效率質量效率的單位為 AHKG 機器人使用蓄電池雖然摔掉了電纜卻有增加 了負載和和體積因此追求質量效率有實際意義普通蓄電池的質量效率不高在 30～ 36AHKG 新型蓄電池的質量效率在 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行系統(tǒng)供電為了便于蓄電池進行充電將蓄電池的充電器和驅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 12V 電源電路多功能吸塵器需要兩類電源一類是供給數字 IC、單片機傳感器的工作電源為 5V 同時需要一類為電機驅動電源根據電機的要求電壓在 12V電流在幾 A兩類電源當然可以分別供電但是往往不經濟并可 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 移動機器人自動充電技術 目前移動機器人都是使用高質量的機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的方式來給機器人充電即當移動機器人電力不足時發(fā)出提示 信號由操作人員手動完成機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是安全可靠簡單易行但需要專人看管浪費人力而且這也使得機器人的自動化智能化不完整如果采用人工充電那么機器人就處于一種非連續(xù)的任務環(huán) [37]如圖 43 所示這阻礙了機器人的長期自治 圖 43 機器人非連續(xù)任務環(huán) 如果要實現真正意義上的長期自治機器人必須能在所處的環(huán)境中實現自我支持實現連續(xù)任務環(huán)如圖 44 所示機器人連續(xù)任務環(huán)被簡單地定義為使機器人以自主充電的方式來繼續(xù)完成它所分配到的任務一旦開始運行機器人便進入連續(xù)任務環(huán)即 不再需要人的幫助在此系統(tǒng)中啟動和停止是由機器人自動完成的 總之隨著移動機器人的應用越來越廣泛人們對移動機器人能實現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器人動力能源的無纜化主要依賴高品質的機載蓄電池組如何讓機器人在無人工干預環(huán)境下安全可靠快速高效地自動實現充電是實現機器人長期自治的一項關鍵技術 圖 44 機器人連續(xù)任務環(huán) 當移動機器人需要補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)自動實現電連接并實施充電充電完成后機器 人自動脫離充電系統(tǒng)駛向工作區(qū)或待命區(qū)投入正常運行其特點是整個充電過程全部實現自動化智能化無需專人看管 自動充電技術分析 由上兩節(jié)的內容可以歸納出以下結論機器人要實現自主充電需要滿足以下幾個條件 1 機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器人的運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)測機器人能夠預測何時需要充電 2 機器人必須被放置在充電座足夠近的地方不同的導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)境地圖機器人離充電座太遠將無法找到充電座 3 機器 人要能對充電座進行定位目前的系統(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 機器人從當前位置移動到充電座需要導航行為 在可能面臨障礙物的情況下機器人如何從當前位置運動到充電座機器人系統(tǒng)必須具有導航避障路徑規(guī)劃能力 5 機器人和充電座之間必須能實現自動電器連接與脫離一般情況下在機器人上設計一個公頭連接器在充電座上設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)的關鍵是基于引導系統(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對接出現偏 差時也能夠對接成功目前已有的對接系統(tǒng)一般可以允許177。以及177。 MOV ATH0 取 THo 當前值 ADDC A31H 加定時常效 高 8 位 MOV TH0A 重裝定時常數 高 8 位 SETB TR0 開定時器 POP PSW POP ACC RETI 返回 定時器采用了精確定時的方法因為中斷過程和中斷服務程序執(zhí)行過程都要花一 定的時間這些時間造成延時．會影響步進脈沖的頻率精度定時 BS 在溢出后．如果沒接到停止的指令會繼續(xù)從 0000H 開始加 1 因此在程序中．取 To 的當前位與定時常數相加是因為 To 的當前值包含了在定時器件之前中斷服務過程所花的時間另外．在本程序中定時器從停止到重新打開 CPU 執(zhí)行了 8 條單周期的指令這 8 個機器周期也要算在內調速指令是通過輸入界面出外界輸入的通過鍵盤程序或 A／ D 轉換程序接收．通過這些程序將外界給定的速度值轉換成相應的定時常數并存人 3011 和 31H．這樣就可以在定時器中斷后改變步進脈沖的頻布達到調速的目的采用定時 器法進行步進電動機的速度控制時 CPU 只在改變步進脈沖狀態(tài)時進行參與所以 CPU 的負擔大大地減輕完全可以同時從事其他項工作 63 發(fā)聲器的脈沖信號 多功能吸塵器的發(fā)聲器發(fā)聲主要由單片機提供變化的脈沖使發(fā)生器的電路導通由電容等構成的震蕩電路不斷的對發(fā)聲器加電壓使發(fā)聲器發(fā)出聲音電路圖如圖 51 其程序及流程圖如下 流程圖如圖 52 Speaker equ P06 Loop clr Speaker call Delay setb Speaker call Delay ljmp Loop Delay mov r0 50 djnz r0 ret end 圖 01 發(fā)生器電路圖 64 系統(tǒng)的總體控制流程 多功能吸塵器的控制程序是根據整個工作過程來編制的工作過程在前面已經提到實際上多功能吸塵器就是一個行走機器人和一個小型吸塵器的組合體將幾個控制子程序結合起來就構成了多功能吸塵器的整體控制程序其程序框圖可以表示為下圖 第七章 全自動吸塵器的技術經濟分析 多功能吸塵器作為一種家用電器要想得到家 庭用戶的認可和購買必須價格低廉性能優(yōu)異大規(guī)模投放市場后應該能夠產生很高的經濟效益 多功能吸塵器的殼體主要材料是工程塑料工程塑料在我們的日常生活中都能見到它以強度高質量輕等特點被廣泛應用于家電行業(yè)以及輕工業(yè)當中多功能吸塵器的殼體用注塑成型可以進行大規(guī)模生產注塑技術發(fā)展迅速技術先進而且成本低廉所以多功能吸塵器的殼體部分經濟適用 多功能吸塵器的動力部分主要由電機構成在設計中以步進電機作為動力源步進電機在機械傳動中應用廣泛它可以實現精確的位移它的價格比普通的直流電機略高一些但考慮到其優(yōu)越的性能它作為動力源很合適多功 能吸塵器的風機電動機采用了鐵氧體永磁直流電動機它的轉速很高在小型吸塵器中經常應用它的價格比較底在幾十元左右而且很容易從一些電機生產廠家購進 電路控制部分是吸塵器的關鍵由 8051單片機電子羅盤以及傳感器構成 8051單片機以其高性能低成本在家電控制領域中應用廣泛吸塵器 的導向儀VECTOR2X 電子羅盤是一種利用電磁感應原理設計的一種高精度低價位的導向工具它常用在機器人等領域而且體積很小容易安裝在電路板上選用它很合理傳感器是吸塵器的眼睛和鼻子在多功能吸塵器中安裝了紅外線熱釋電傳感器和超聲波傳感器在很多自動設備中都 能見到它們整個控制系統(tǒng)還有許多電子元件大多都是常用的因此可以大大降低多功能吸塵器的成本 綜上所述多功能吸塵器的成本很低它的銷售價格基本和現有家用普吸塵器接近并且可以大規(guī)模生產制造進而多功能吸塵器能像普通家電產品一樣走進千家戶為這一高新技術產品帶來可觀的市場和經濟效益 結 論 從這次畢業(yè)設計中我了解到了有關機器人和吸塵器方面的知識特別是單片機方面的知識對多功能吸塵器的工作方案進行了初步的設計 在設計中多功能吸塵器利用超聲波傳感器的測距原理通過向前方發(fā)射超聲波脈沖并進行接受相應的返回聲波對墻壁等進行判斷 通過以 單片機為核心的控制器實現對超聲發(fā)射和接收的選通控制并在處理返回脈沖信號的基礎上加以判斷選定相應的控制策略多功能吸塵器在電子羅盤的引導下通過驅動器驅動兩步進電機帶動驅動輪從而實現行走轉向等功能與此同時由其自身攜帶的小型吸塵部件對經過的地面進行必要的吸塵清掃多功能吸塵器的行走方式類似于蛇行能初步實現對室內地面的初步清掃為了減少人的活動對吸塵器工作