2938 家用智能清潔機(jī)器人-機(jī)械部分設(shè)計(jì),家用,智能,清潔,機(jī)器人,機(jī)械,部分,部份,設(shè)計(jì) 1家用智能清潔機(jī)器人-機(jī)械部分設(shè)計(jì)第一章 緒論1.1 服務(wù)機(jī)器人概述自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世以來(lái)，機(jī)器人有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展。機(jī)器人在工業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)中日益廣泛的應(yīng)用，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，也有力地推動(dòng)了有關(guān)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。服務(wù)機(jī)器人是一個(gè)新的機(jī)器人研究領(lǐng)域。作為正在發(fā)展新研究領(lǐng)域，服務(wù)機(jī)器人有許多不同的定義，但它的最基本特征是提供服務(wù)。和工業(yè)機(jī)器人一樣，服務(wù)機(jī)器人基本上包括機(jī)器人的所有基本特性。它往往和人結(jié)合于同一工作環(huán)境中，這隱含著許多工業(yè)機(jī)器人沒(méi)有的特性，如安全問(wèn)題、人機(jī)交互性、在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的高度自治等。目前服務(wù)機(jī)器人成功應(yīng)用的領(lǐng)域有雕刻，消防，清洗，醫(yī)療，焊接等等。從長(zhǎng)期來(lái)看，服務(wù)機(jī)器人的英勇數(shù)量將會(huì)超過(guò)工業(yè)機(jī)器人。1．1．1 服務(wù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)問(wèn)題機(jī)械系統(tǒng)是服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，是完成抓取對(duì)象實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部分。它與一般地機(jī)械系統(tǒng)相比，除要求較高的定位精度之外，還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)相應(yīng)特性。服務(wù)機(jī)器人可以是靜止或移動(dòng)的平臺(tái)。靜止平臺(tái)式服務(wù)機(jī)器人通常具有手臂結(jié)構(gòu)它們能用于加油、飛機(jī)清洗和輔助殘疾人。這種手2臂結(jié)構(gòu)的服務(wù)機(jī)器人也許會(huì)有各種工業(yè)機(jī)器人的基本特點(diǎn)，也可能會(huì)有移動(dòng)輪但它們不用于操縱機(jī)器人。通常的服務(wù)機(jī)器人是可移動(dòng)的，最典型的移動(dòng)機(jī)器人是輪式結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也可能有其它方式移方式如步行爬行和飛行等，但它們僅僅用于不適合輪式機(jī)器人的環(huán)境中。1．1．2 服務(wù)機(jī)器人的適用環(huán)境工業(yè)機(jī)器人所處的環(huán)境為制造環(huán)境，即所謂的“結(jié)構(gòu)化”環(huán)境，其環(huán)境信息往往處于非制造環(huán)境，即所謂的“非結(jié)構(gòu)化”環(huán)境，其環(huán)境信息往往是多義的、不完全的或不準(zhǔn)確的。服務(wù)機(jī)器人通常在非結(jié)構(gòu)化和比較復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)行也就是指辦公室、公共大樓、超市和家庭等。人和機(jī)器人通常共處在同一環(huán)境中并且環(huán)境會(huì)出現(xiàn)預(yù)料之外的改變，如家具位置的隨意擺放、人的隨意走動(dòng)等因而服務(wù)機(jī)器人必須能自我管理和處理環(huán)境中的一切。機(jī)器人設(shè)計(jì)人員必須能安全地假設(shè)許多環(huán)境模型來(lái)彌補(bǔ)現(xiàn)存環(huán)境感知技術(shù)的缺點(diǎn)。服務(wù)機(jī)器人的最普通的任務(wù)是減輕人類的重復(fù)或危險(xiǎn)的勞動(dòng)．如象運(yùn)輸、救援、檢查、探險(xiǎn)等。服務(wù)機(jī)器人運(yùn)用于運(yùn)輸，如發(fā)送郵件、實(shí)驗(yàn)品和藥品：運(yùn)用于救援，如機(jī)器人能實(shí)施問(wèn)題點(diǎn)的勘察，發(fā)現(xiàn)入侵者和火災(zāi)報(bào)警：運(yùn)用于檢查，如橋梁裂縫檢查，核反應(yīng)堆射線檢測(cè)和化學(xué)泄漏檢測(cè)。這種類型機(jī)器人需考慮它的機(jī)械移動(dòng)裝置、能量存儲(chǔ)、導(dǎo)航和避障。服務(wù)機(jī)器人在完成某項(xiàng)任務(wù)，它必須裝備執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)等，設(shè)計(jì)人員必須考慮機(jī)器人怎樣探測(cè)和操縱目標(biāo)，怎樣執(zhí)行和控制系統(tǒng)的交互，需多少能量才能完成任務(wù)等，因而機(jī)器人很容易變得復(fù)雜，這是這類機(jī)器人快速發(fā)展的主要原因。一個(gè)特別適宜服務(wù)機(jī)器人完成的工作是清潔任務(wù)，主要包括室內(nèi)地面的吸3塵、公共建筑物內(nèi)的清掃和大建筑物外墻的清洗。智能吸塵器需較大的功率考慮到它能在床和椅子下移動(dòng)它形狀不能太大，合理的路徑規(guī)劃避障和能耗是智能吸塵器的主要技術(shù)問(wèn)題。1．1．3 服務(wù)機(jī)器人的技術(shù)問(wèn)題服務(wù)機(jī)器人需完成各種不同的服務(wù)工作，如何完成特定的任務(wù)往往是服務(wù)機(jī)器人的核心技術(shù)，也是決定服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。如割草機(jī)器人的核心技術(shù)是如何低能耗割草，地面清洗機(jī)器人的核心技術(shù)可能是發(fā)展新清洗技術(shù)，使機(jī)器人不必?cái)y帶巨大的水箱。服務(wù)機(jī)器人作為機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)分支，所有服務(wù)機(jī)器人或多或少要涉及以下的人工智能技術(shù)：●環(huán)境感知技術(shù)●環(huán)境傳感器和信號(hào)處理方法●控制系統(tǒng)基于模型基于行為等●交互和合作的控制結(jié)構(gòu)●復(fù)雜任務(wù)的實(shí)時(shí)規(guī)劃●仿真技術(shù)和環(huán)境●人機(jī)交互1．1．4 服務(wù)機(jī)器人的可靠性和安全性服務(wù)機(jī)器人作為機(jī)器人新的應(yīng)用領(lǐng)域，其使用目的是為了改善人們的生活質(zhì)量，服務(wù)對(duì)象大多是沒(méi)有使用經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)的人們，而且大多數(shù)服務(wù)機(jī)器人工作在與人共處的環(huán)境中，直接或間接作用于人，如何處理好人與機(jī)器人的相互關(guān)系顯得尤為重要。同時(shí)，服務(wù)機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械一機(jī)電一電子系統(tǒng)，硬件上由許多不同的普通元件組成，軟件上也不可能十全十美，向傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備一樣，不可避免的會(huì)給人們帶來(lái)危險(xiǎn)，這是用戶所不希望的。因此可以說(shuō)服務(wù)機(jī)4器人實(shí)用化和商品化的關(guān)鍵之～在于它的可靠性和安全性1．1．5 服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用目前，服務(wù)機(jī)器人越來(lái)越受到企業(yè)和商業(yè)界的重視，這主要是其所具有的廣大市場(chǎng)和巨大利潤(rùn)所致。服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)主要由兩個(gè)原因：一是勞動(dòng)力成本的上升：另一個(gè)是人們想擺脫令人煩惱枯燥的工作，如清潔、家務(wù)勞動(dòng)、照料病人和建筑施工等等。另外，福利事業(yè)，特別是老年人人數(shù)比例的上升也為服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)造了一個(gè)廣闊的市場(chǎng)。目前在歐美、日本等西方發(fā)達(dá)國(guó)家，服務(wù)機(jī)器人己廣泛應(yīng)用于五大領(lǐng)域(醫(yī)療福利服務(wù)、商場(chǎng)超市服務(wù)、餐廳旅館服務(wù)、維修清潔服務(wù)和家庭服務(wù))。1. 1. 6 家用智能清掃機(jī)器人目前，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)辦公室、車站、機(jī)場(chǎng)、工廠等場(chǎng)合的清掃已經(jīng)采用清潔機(jī)器人.隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，人們希望從繁瑣的日常工作解脫出來(lái)，使清潔機(jī)器人進(jìn)入家庭已成為可能.如果清潔機(jī)器人有足夠高的性價(jià)比，清潔機(jī)器人將會(huì)有較好的市場(chǎng)前景.室內(nèi)地面清潔機(jī)器人將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境半自主或自主清潔，是一種環(huán)保、健康、智能型的服務(wù)機(jī)器人，具有良好的應(yīng)用前景和廣泛的市場(chǎng)需求.盡管目前國(guó)內(nèi)在清潔機(jī)器人方面的研究已取得一定的成果，但與國(guó)外相比國(guó)內(nèi)依然處在初步發(fā)展階段。家用清掃機(jī)器人是當(dāng)今服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)熱門研究方向。雖然已經(jīng)有很多樣機(jī)和產(chǎn)品產(chǎn)生，但它們?nèi)杂泻芏嗟膯?wèn)題需要解決：如動(dòng)態(tài)環(huán)境中的適應(yīng)性，它的覆蓋率和覆蓋效率極其成本等。吸塵器自主地在房間內(nèi)吸塵而不需主人太多的干預(yù)是一件非常有挑戰(zhàn)性的工作，它設(shè)計(jì)了當(dāng)前多項(xiàng)人工智能技術(shù)，從理論和技術(shù)上講，全自主智能清潔機(jī)器人比較具體的體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性，從市場(chǎng)前景角度講，智能清潔機(jī)器人將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率。在國(guó)外，早在 20 世紀(jì) 80 年代就已經(jīng)敬愛(ài)是智能清掃機(jī)器人的研發(fā)工作。如今，智能清掃機(jī)器人在智能 性和工作效率上和當(dāng)初有了飛躍的提高。在中國(guó)，5智能清掃機(jī)器人還是比較新興的產(chǎn)業(yè)。但隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)智能清掃機(jī)器人的需求日益增大，智能清掃機(jī)器人已經(jīng)在國(guó)內(nèi)快速發(fā)展，已有多家廠商開(kāi)始研制適應(yīng)市場(chǎng)需求的智能清掃機(jī)器人1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究地面清潔機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化發(fā)展的先行者，其研究始于 20世紀(jì) 80 年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品。吸塵機(jī)器人的發(fā)展，帶動(dòng)了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、圖像和語(yǔ)音識(shí)別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)結(jié)合國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)將清掃機(jī)器人及其自動(dòng)充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀闡述如下。1.2.1 國(guó)外產(chǎn)品研究狀況RC3000 是世界上第一臺(tái)能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機(jī)器人，如圖 1-1 所示，它有光電傳感器和芯片控制，當(dāng)遇到障礙時(shí)，會(huì)隨機(jī)改變一個(gè)角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物。內(nèi)置了四種清潔程序，保證在遇到不同污漬的地面時(shí)，可以調(diào)整其清潔程序；通過(guò)傳感器對(duì)于地板污漬的判斷，選擇合適的應(yīng)用程序。內(nèi)置光敏傳感器，確保在遇到樓梯與臺(tái)階時(shí)，能夠自動(dòng)避讓，不會(huì)掉落。扁平的設(shè)計(jì)使其能夠清潔床，沙發(fā)，茶幾等家具的下部位置。其相應(yīng)的充電站有紅外發(fā)射、工作時(shí)間設(shè)定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個(gè)功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導(dǎo)航信號(hào)來(lái)指引機(jī)器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務(wù)；同時(shí)能夠根據(jù)用戶設(shè)定的信息來(lái)控制機(jī)器人完成相應(yīng)的操作。在日本，東日本鐵路公司、Shink 電器公司和 Howa 工業(yè)有限公司聯(lián)合研制了車站地面清掃機(jī)器人，機(jī)器人可沿墻壁從任何一個(gè)位置自動(dòng)啟動(dòng)，利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子將廢棄物掃人自帶容器中。該機(jī)器人可采用 “磁導(dǎo)引方式” 、 “示教方式”或 “墻面復(fù)制方式”控制。東日本路公司、富士工業(yè)有限公司 Subaru實(shí)驗(yàn)室和 JR 東方設(shè)施管理有限公司聯(lián)合研制了車站地面擦洗機(jī)器人，該機(jī)器人工作時(shí)一面將清洗液噴灑到地面上，一面用旋轉(zhuǎn)刷不停地擦洗地面，并將臟水吸人所帶的容器中。機(jī)器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自動(dòng)6清洗系統(tǒng)有兩種，一種是“面積設(shè)定模式” ，即將待清洗的面積分為若干個(gè)單位面積，按照其存儲(chǔ)器中的單位面積識(shí)別其行使路線，機(jī)器人還可利用其傳感器識(shí)別和躲避障礙物；另一種叫“路徑地圖模式” ，機(jī)器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行使，機(jī)器人可存９幅地圖，并可利用ＩＣ卡作為外存，在該模式下，機(jī)器人不會(huì)避障，僅適用于需要反復(fù)擦洗的指定地段。東日本鐵路公司和東芝公司聯(lián)合研制的用于座椅布局簡(jiǎn)單的列車內(nèi)部地面清洗的機(jī)器人，其體積小、重量輕、易于出人車廂及在車廂之間運(yùn)動(dòng)，感知系統(tǒng)采用超聲波距離傳感器和光學(xué)、接觸式的接近傳感器；機(jī)器人采用推算定位法，利用編碼器中的數(shù)據(jù)，保持自己的位置和路徑，若探測(cè)到錯(cuò)誤位置，機(jī)器人會(huì)通過(guò)距離傳感器自動(dòng)修正；高級(jí)的列車地面清洗包括掃除垃圾、噴灑清洗液、擦洗、回收污水、用清水沖洗和給地面打蠟六個(gè)步驟。日本靜甲株式會(huì)社的清水工廠開(kāi)發(fā)出一種自動(dòng)清掃機(jī)器人，可用于各種工廠的清掃工作，機(jī)器人采用光纖陀螺控制機(jī)器人的方向，采用編碼器和超聲波傳感器測(cè)距，采用光學(xué)探測(cè)器探測(cè)障礙物，機(jī)器人的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺(jué)傳感器，一旦機(jī)器人與人接觸，觸覺(jué)傳感器信號(hào)會(huì)使機(jī)器人停下來(lái)以保證人的安全。松下和日立公司也研制出了可清掃磚地木質(zhì)地板和地毯地面的清潔機(jī)器人，該機(jī)器人采用蓄電池作為動(dòng)力源，可自動(dòng)去充電站充電，能夠自主避障和路徑規(guī)劃。松下電器產(chǎn)業(yè)公司在 2002 年上半年推出了家庭用清潔機(jī)器人的試制機(jī)。該機(jī)器人可以根據(jù)房間的形狀、地板狀況、垃圾量進(jìn)行自動(dòng)清掃，還配備有避開(kāi)墻壁、爐子等熱源以及障礙的安全功能；該機(jī)器人配備有 50 個(gè)傳感器可一邊自動(dòng)行走一邊進(jìn)行清掃，工作時(shí)首先沿房間四周走一圈，記憶房間形狀，然后在避開(kāi)障礙物的同時(shí)開(kāi)始縱橫來(lái)回移動(dòng)，清潔工作完成后會(huì)自動(dòng)停止。該機(jī)器人清掃一般的日本式房間約需要 9min，相當(dāng)于人打掃同樣大房間所需時(shí)間的 1-1.5 倍，可清掃房間地板的 92％－93％；機(jī)器人利用光及超聲波的測(cè)距傳感器及感壓傳感器來(lái)避開(kāi)障礙物，機(jī)器人的內(nèi)置回轉(zhuǎn)傳感器用來(lái)控制行走姿勢(shì)以保持既定的行進(jìn)方向，但在地毯上行走時(shí)如果不采取措施則會(huì)受到 “地毯花紋”影響而彎曲前進(jìn)，因此該公司在機(jī)器人中安裝了方向舵?zhèn)鞲衅鳎梢詸z測(cè)出由于地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進(jìn)方向偏差，因此即使在鋪有地毯的地板上也能夠直線前進(jìn)，機(jī)器人體內(nèi)還安裝有防止從臺(tái)階等高處滾下的落差傳感器、感知暖爐等熱源的熱傳感器、檢測(cè)自身所受外力大小的重量傳感器及防滑傳感器、檢測(cè)添加動(dòng)力的負(fù)載傳感器，機(jī)器人同普通的障礙物最少保持 10cm 的距離，而在探測(cè)到熱源時(shí)，將會(huì)同熱源至少保持 50cm 的距離在日本本土，自動(dòng)吸塵器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，繼東芝之后，夏普也于 2012 年 57月 8 日布了新一代智能吸塵器 COCOROBO RX-V100 和 RX-V80。雖說(shuō)名為吸塵器，但 CoCoRoRo 卻是一臺(tái)能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單人機(jī)交流的機(jī)器人。夏普 CoCoRoRo 圓盤(pán)狀的外形保證了它能夠在地板上能夠出入各種縫隙，機(jī)身頂部的 LED 燈能夠顯示不同的顏色變換“心情” ，或者根據(jù)遙控操作做出回應(yīng)。在上面的演示視頻中，這臺(tái)吸塵器甚至能夠聽(tīng)懂使用者的簡(jiǎn)單日語(yǔ)，并且能夠根據(jù)語(yǔ)音命令做出相應(yīng)的動(dòng)作。例如，你對(duì)著機(jī)器人大吼一聲：“把房間打掃一下！” ，機(jī)器人一般情況下會(huì)回復(fù)：“遵命，主人！” ，然后它便開(kāi)始賣力的工作。但如果機(jī)器人心情好，它也會(huì)嬌羞的回答：“我知道了……主人[害羞]” 。CoCoRoRo 內(nèi)置紅外傳感器和攝像頭，我們可以通過(guò)智能手機(jī)遙控操作吸塵器，攝像頭拍攝到的畫(huà)面會(huì)實(shí)時(shí)顯示在手機(jī)屏幕上。此外，CoCoRoRo 吸塵器還會(huì)對(duì)手機(jī)的重力感應(yīng)操作做出相應(yīng)反饋。由于采用了超聲波傳感器，CoCoRoRo在清潔地板時(shí)不會(huì)碰到家居和寵物。圖 1-1 智能吸塵器 COCOROBO2002 年 10 月１日，瑞典的拉克斯電子公司與日本東芝公司共同開(kāi)發(fā)的清潔機(jī)器人 “特里洛巴伊特”上市銷售， “特里洛巴伊特”主要由清掃機(jī)器和超聲波傳感器構(gòu)成，在工作時(shí)可避開(kāi)室內(nèi)擺放的各種家具用品。只要家庭主婦領(lǐng)著它搞過(guò)一次清掃后，它便可以按行走過(guò)的清掃線路進(jìn)行自動(dòng)清掃。這種機(jī)器人是充電式的，每一次充電可連續(xù)工作 １小時(shí)。8瑞典家電制造商伊萊克斯（EIectoIux）研制生產(chǎn)的清潔機(jī)器人小“三葉蟲(chóng)”高 13ｍｍ，直徑 35ｍｍ，表面光滑，呈圓形，內(nèi)置搜索雷達(dá)，可以迅速地探測(cè)到并避開(kāi)桌腿、玻璃器皿、寵物或任何其它障礙物。一旦微處理器識(shí)別出這些障礙物，它可重新選擇路線，并對(duì)整個(gè)房間做出重新判斷與計(jì)算，以保證房間的各個(gè)角落都被清掃。在樓梯的臺(tái)階等一些沒(méi)有天然障礙物的地方，只要有一條磁鐵，小“三葉蟲(chóng)”便不會(huì)跨越。小“三葉蟲(chóng)”開(kāi)始啟動(dòng)后，體內(nèi)的搜索雷達(dá)會(huì)探測(cè)出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡。這樣它便能探測(cè)出整個(gè)房間的格局，計(jì)算出清掃整個(gè)房間所需的時(shí)間。只要一接近一件障礙物，它便會(huì)重新設(shè)定行進(jìn)路線，不會(huì)漏掉每一個(gè)角落。電線或地毯的邊緣不會(huì)被認(rèn)作是圖 1-2 三葉蟲(chóng)障礙物。小 “三葉蟲(chóng)”的吸刷裝置中裝有一只專利設(shè)計(jì)滑輪，可以越過(guò)電線或地毯邊緣，不被絆住。電源不足時(shí)，小“三葉蟲(chóng)”會(huì)自動(dòng)回到充電卡座自行充電。如果此時(shí)房間還沒(méi)有清掃完畢，小“三葉蟲(chóng)”還有記憶功能，充好電后自己回到原處繼續(xù)吸塵。2003 年 11 月，三星公司推出一款代號(hào)為 VC-RP30W 的機(jī)器人吸塵器。VC-RP30W 主要依靠 3D 地圖技術(shù)來(lái)進(jìn)行定位，并能靈巧地躲避障礙物，能夠快速、高效地對(duì)房間每個(gè)角落進(jìn)行吸塵。當(dāng)遇到障礙物或者死角等情況，VC-RP30W 會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強(qiáng)大的智能判斷系統(tǒng)使得 VC- RP30W 能輕易地分辨出垃圾與其他日常生活用品，機(jī)器人也允許用戶定義它的工作時(shí)間及清掃區(qū)域等，從而實(shí)現(xiàn)主人不在家時(shí)機(jī)器人也能進(jìn)行自動(dòng)清掃。事實(shí)上，用戶除了可以對(duì)它本身進(jìn)行設(shè)置以外，還能通過(guò)計(jì)算機(jī)查看安裝在機(jī)器人前部的攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。整個(gè)器人的電池能維持它連續(xù)工作 50 分鐘，而一旦電池處于即將耗盡的狀態(tài)時(shí)它自動(dòng)回到充電座補(bǔ)充能源，非常地智能化。它回充電站使用的是已經(jīng)生成的 3D 地圖，而不是像 RC3000 那樣使用紅外的導(dǎo)航信號(hào)。1.2.2 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研究狀況在國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等9單位也對(duì)清潔機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究并取得了一些成果，對(duì)清潔機(jī)器人相關(guān)技術(shù)如機(jī)器感知、機(jī)器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機(jī)器人控制、電源與電源管理、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的研究則更多，這些都為清潔機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 90 年代開(kāi)始致力于這方面的研究，與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)出一種全方位移動(dòng)清掃機(jī)器人。該機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：采用全方位移動(dòng)技術(shù)，使機(jī)器人可執(zhí)行對(duì)狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開(kāi)放式機(jī)器人鉸制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬件可擴(kuò)展，軟件可移植、可繼承，使機(jī)器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實(shí)時(shí)避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)行方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)吸塵腔路的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。浙江大學(xué)于 1999 年初在浙江大學(xué)機(jī)械電子研究所開(kāi)始進(jìn)行智能吸塵機(jī)器人的研究，兩年后設(shè)計(jì)成功國(guó)內(nèi)第一個(gè)具有初步智能的自主吸塵機(jī)器人。這種智能吸塵機(jī)器人工作時(shí)，首先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)：利用超聲波傳感器測(cè)距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時(shí)獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時(shí)間；之后，利用隨機(jī)和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結(jié)束以后，自行回到充電座補(bǔ)充電力。吸塵機(jī)器人在 5.5×3.5m2 的實(shí)際家庭環(huán)境中，工作 10 分鐘可以達(dá)到 90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗(yàn)還沒(méi)有進(jìn)行。目前，系統(tǒng)正在引入機(jī)器視覺(jué)和全局定位功能，力圖在多房間環(huán)境下，提高自定位能力、智能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。如圖 1-4 所示。KV8 保潔機(jī)器人是今年在市場(chǎng)以低價(jià)位賣得比較火的一款產(chǎn)品，也是國(guó)內(nèi)首個(gè)產(chǎn)品化清掃機(jī)器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂(lè)場(chǎng)所，以及其它一些人員不便進(jìn)入的地方。KV8 能夠通過(guò)自身的碰撞傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)的清掃和碰撞處理，需要人工對(duì)其電池進(jìn)行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動(dòng)時(shí)伴有音樂(lè)聲。10圖 1-3 國(guó)內(nèi)公司生產(chǎn)的機(jī)器人 KV81.2.3 自主充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀在 20 世紀(jì) 40 年代末，Grey Walter 開(kāi)發(fā)第一個(gè)自主充電的移動(dòng)機(jī)器人名為：“Tortoises” ，這種機(jī)器人具有在神經(jīng)學(xué)研究中向著光線走的行為。Walter 還發(fā)明了一個(gè)可以充電的小櫥，櫥中有能夠發(fā)射光束的裝置和充電器，并把它當(dāng)作充電站。通過(guò)光線束的引導(dǎo)，機(jī)器人來(lái)到櫥前通過(guò)接觸從而進(jìn)行自主充電。這個(gè)系統(tǒng)有如下的特征：(1)機(jī)器人的感知行為：感光；(2)充電站能夠發(fā)出機(jī)器人可以感知的光束；(3)能夠?qū)﹄姵睾统潆娖鬟M(jìn)行具有一定準(zhǔn)確性地對(duì)接。1998 年，Tsukuba 大學(xué)成功開(kāi)發(fā)出了一款可以自動(dòng)充電的名為 Yamabico-Liv 的導(dǎo)游機(jī)器人。通過(guò)使用導(dǎo)航系統(tǒng)，該機(jī)器人能夠利用地圖自主導(dǎo)航繞越實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境到達(dá)充電站，通過(guò)充電站上一些特殊的裝置的作用，實(shí)現(xiàn)自主充電。最近，位于美國(guó)的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人研究中心也開(kāi)發(fā)出了一種叫做Sage 的導(dǎo)游機(jī)器人，它是從卡內(nèi)基梅隆歷史博物館所使用的導(dǎo)游機(jī)器人 Nomad XR4000 改進(jìn)而來(lái)。機(jī)器人 Sage 通過(guò)其所攜帶的 CCD 攝像頭對(duì)標(biāo)識(shí)環(huán)境的三維路標(biāo)等進(jìn)行識(shí)別和處理，從而自主地尋找充電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。路標(biāo)被直接放于充電站的插座的正上方，通過(guò)它的引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可靠地?？吭陬A(yù)設(shè)的充電位置處，從而實(shí)現(xiàn)充電，在插座和插孔中間沒(méi)有別的東西。在 174 天的操作運(yùn)行中，這個(gè)機(jī)器人成功地實(shí)現(xiàn) 135 天無(wú)故障地運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，大約每九天就偶爾會(huì)要人為地進(jìn)行一些精度校正。1.3 研究的目的和意義11吸塵機(jī)器人將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作，近年來(lái)已受到國(guó)內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自主式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。從市場(chǎng)前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于家庭和公共場(chǎng)館的室內(nèi)清潔。因此，開(kāi)發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場(chǎng)前景。融合現(xiàn)代傳感器以及機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開(kāi)發(fā)一部?jī)r(jià)格便宜，全區(qū)域覆蓋，能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家庭清掃機(jī)器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式，使家庭生活電氣化、智能化，使科技更好地為人類服務(wù)。第二章 家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)全自主吸塵器通?？捎?5 個(gè)主要部分組成：控制器部分、行走驅(qū)動(dòng)部分、傳感器部分、吸塵部分和電源部分。行走驅(qū)動(dòng)部分是吸塵機(jī)器人的主體，決定了吸塵器的運(yùn)動(dòng)空間，一般采用輪式機(jī)構(gòu)。傳感器部分一般采用超聲波測(cè)距儀、接觸和接近傳感器、視覺(jué)傳感器、紅外線傳感器和 CCD 攝像機(jī)等。這種吸塵器實(shí)際上融合了移動(dòng)機(jī)器人和吸塵器技術(shù)，故稱為智能吸塵器或吸塵機(jī)器人。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)己具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。目前發(fā)展較快、對(duì)吸塵機(jī)器人發(fā)展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是：傳感器技術(shù)、環(huán)境建模、定位、路徑規(guī)劃技術(shù)。2.1 傳感技術(shù)傳感器是機(jī)器人的感覺(jué)器官，負(fù)責(zé)采集外界環(huán)境和自身狀態(tài)的信息。根據(jù)采12集信息的種類可以分為內(nèi)傳感器和外傳感器。內(nèi)傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)自身狀態(tài)的信息，包括編碼器、陀螺儀、電子羅盤(pán)等。外傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)外部信息，包括 CCD 視覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器。超聲波、紅外和接觸傳感器，具有價(jià)格低廉、工作可靠、速度快的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人的局部無(wú)碰撞導(dǎo)航。激光雷達(dá)是應(yīng)用較為廣泛的一種全局信息獲取手段，可以進(jìn)行定位和環(huán)境建模，但是所提供的信息不全面，并且價(jià)格較高，限制了其應(yīng)用范圍。而 CCD 器件可以提供類似人類的視覺(jué)信息，隨著技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格越來(lái)越低，在車牌識(shí)別、人臉識(shí)別、無(wú)人監(jiān)控、遙感圖像等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是圖象處理的數(shù)據(jù)量大，算法復(fù)雜，特征提取和深度信息回復(fù)困難，所以在機(jī)器人視覺(jué)方面的應(yīng)用還是有限的。隨著集成電路的發(fā)展和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的深入研究，CCD 視覺(jué)傳感器必將成為機(jī)器人環(huán)境感知的主要來(lái)源，同時(shí)促使機(jī)器人智能產(chǎn)生飛躍。2.2 路徑規(guī)劃技術(shù)吸塵機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息,按照某種優(yōu)化指標(biāo),在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無(wú)碰撞的路徑,并且實(shí)現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。機(jī)器人路徑規(guī)劃研究開(kāi)始于 20 世紀(jì) 70 年代,目前對(duì)這一問(wèn)題研究仍舊十分活躍。其主要研究?jī)?nèi)容按機(jī)器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動(dòng)態(tài)已知環(huán)境和動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境,按機(jī)器人獲取環(huán)境信息的方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題,目前有具體的解析算法。但由于解析算法牽涉到復(fù)雜的橢圓積分問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)起來(lái)依然具有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)機(jī)器人對(duì)環(huán)境信息知道的程度不同,可以分為兩種類型:環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知,通過(guò)傳感器在線地對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測(cè),以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息的局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個(gè)子問(wèn)題。其中環(huán)境建模的主要方法有:可視圖法(V-Graph)、自13由空間法 (Free Space Approach)和柵格法(Grids)等。2.3 吸塵技術(shù)真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇在機(jī)體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流,將塵埃和臟物通過(guò)吸口吸入機(jī)體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。吸塵系統(tǒng)包括濾塵器、集塵袋、排氣管以及其他一些附件。其吸塵能力取決于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。最近,澳大利亞Jetfan 公司又開(kāi)發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個(gè)吸塵器是一個(gè)全封閉系統(tǒng),既無(wú)外部氣體吸入,也無(wú)機(jī)內(nèi)氣體排除,所以就無(wú)需濾塵器、集塵袋、排氣管等附件。其原理是利用附壁效應(yīng)去形成低壓渦流氣體,最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi)的渦流腔內(nèi)。在英國(guó) Dyson 公司最近推出的 DC06 型智能吸塵器中就采用了這種技術(shù)。吸塵技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)按功能分為五個(gè)部分：1、動(dòng)力部分：吸塵器電機(jī)和調(diào)速器。調(diào)速器分手控、機(jī)控。電機(jī)：有銅線電機(jī)和鋁線電機(jī)之分。銅線電機(jī)有耐高溫、壽命長(zhǎng)、單次操作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較鋁線比較高；鋁線電機(jī)有著價(jià)格低廉的特點(diǎn)，但是耐溫性較差、熔點(diǎn)低、壽命不及銅線長(zhǎng)。 2．過(guò)濾系統(tǒng)：塵袋、前過(guò)濾片、后過(guò)濾片。按過(guò)濾材料不同又分：紙質(zhì)、布質(zhì)、SMS、海帕（HEPA 高效過(guò)濾材料）。3．功能性部分：收放線機(jī)構(gòu)、塵滿指示、按鈕或滑動(dòng)開(kāi)關(guān)。4．保護(hù)措施：無(wú)塵袋保護(hù)、真空度過(guò)高保護(hù)、抗干擾保護(hù)（軟啟動(dòng)）、過(guò)熱保護(hù)、防靜電保護(hù)。吸塵原理：吸塵器的風(fēng)機(jī)葉輪在電動(dòng)機(jī)高速驅(qū)動(dòng)下，將葉輪中的空氣高速排出風(fēng)機(jī)，同時(shí)使吸塵部分內(nèi)空氣不斷地補(bǔ)充進(jìn)風(fēng)機(jī)。這樣不妨與外界形成較高的壓差。吸嘴的塵埃、臟物隨空氣被吸入吸塵部分，并經(jīng)過(guò)漏器過(guò)漏，將塵埃、臟物收集與塵筒內(nèi)。2.4 電源技術(shù)移動(dòng)電源在吸塵機(jī)器人中的地位十分重要,可以說(shuō)是它的生命源。移動(dòng)電源需要同時(shí)滿足吸塵機(jī)器人的多種能源需要,如為移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力,為控制電路提供穩(wěn)定的電壓和為吸塵操作模塊提供能源等。在這一領(lǐng)域,一般采用化學(xué)電池作為移動(dòng)電源。理想的電源應(yīng)該能夠在放電過(guò)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(méi)有一種電池可同時(shí)具備上述優(yōu)14點(diǎn),這就要求設(shè)計(jì)人員選擇一種合適的電池,盡可能增加吸塵機(jī)器人的不間斷工作時(shí)間。移動(dòng)電源目前主流的類型有五種：類型一，帶照明功能的移動(dòng)電源，內(nèi)置節(jié)能超強(qiáng) LED 照明燈，非常省電。如果單純用于 LED 照明上，根據(jù)內(nèi)置電池容量大小可以使用 3 小時(shí)到 30 小時(shí)甚至更加，這個(gè)取決于移動(dòng)電源的電池容量。 類型二，只帶充電功能的移動(dòng)電源，這種充電器不帶任何什么其他擴(kuò)展功能。優(yōu)點(diǎn)是這類型充電器容量大，非常適合做專業(yè)外置電源。)類型三，帶太陽(yáng)能板的移動(dòng)電源，在使用過(guò)程中可以通過(guò)太陽(yáng)光充電從而達(dá)到補(bǔ)足電量的目的。這類移動(dòng)電源以前主要應(yīng)用在特種部隊(duì)和特殊行業(yè)上。民用上隨著太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)化率的逐步提高，現(xiàn)在也逐步流行起來(lái)。類型四，使用靈活的柔性單片集成電路 pv 薄膜太陽(yáng)能面板，將)太陽(yáng)能儲(chǔ)存在蓄電池中，也可以直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的電能傳輸給電子設(shè)備。在光線不好的條件下，也能將能源捕獲效率最大化，可彎曲、防水等優(yōu)點(diǎn)，相比其他太陽(yáng)能產(chǎn)品，更加地靈活輕便。類型五，以最新技術(shù)及最安全的鋰聚合物電芯生產(chǎn)出的最高質(zhì)量安全品質(zhì)的移動(dòng)電源,將電量?jī)?chǔ)存在蓄電池電芯中,更高更快的將電量傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備.隨時(shí)實(shí)現(xiàn)可隨充隨用,邊打邊充.方便快捷,安全保護(hù)的優(yōu)點(diǎn),相比其他移動(dòng)電源產(chǎn)品,安全性做到了最高.不同種類移動(dòng)電源核心部件，簡(jiǎn)要的來(lái)說(shuō)有兩部分，一是存儲(chǔ)電量的介質(zhì)，而是把其他能量轉(zhuǎn)化成電量的介質(zhì)。所以電芯的好壞可以作為衡量移動(dòng)電源品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。 2.5 環(huán)境建模環(huán)境建模是移動(dòng)機(jī)器人一個(gè)基礎(chǔ)而重要的課題。環(huán)境建模是在傳感器信息的基礎(chǔ)上，對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行二維或者三維重建。自主吸塵機(jī)器人的工作環(huán)境為三維環(huán)境，但是它總是約束在地面并且高度有限，因此可以強(qiáng)環(huán)境地圖簡(jiǎn)化為二維模型。地圖的形式主要由三種：幾何信息表示法，拓?fù)鋱D表示法和結(jié)合幾何信息和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)合方法。幾何法可以精確描述環(huán)境，但是隨著分辨率的提高和環(huán)15境面積的增大，數(shù)據(jù)量迅速增大，很難滿足實(shí)時(shí)性的要求；拓?fù)涞貓D具有抽象性的特點(diǎn)，所以對(duì)環(huán)境變化和傳感器噪聲不敏感，并且存儲(chǔ)小，但是分辨率較低，所以目前研究者重點(diǎn)放在結(jié)合幾何信息和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)合方法上。2.6 自主移動(dòng)系統(tǒng)自主移動(dòng)清潔機(jī)器人是自主移動(dòng)機(jī)器人的一種。其最主要的特征是自主移動(dòng)性，具有一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)，能夠在結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的，已知的或未知的環(huán)境中自主移動(dòng)。這涉及到傳感器技術(shù)、環(huán)境信息分析、環(huán)境建模、通訊、運(yùn)動(dòng)控制以及高級(jí)人工智能等多種復(fù)雜技術(shù)的綜合集成。輪式、履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)在移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用較多。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作平穩(wěn)，自動(dòng)操縱簡(jiǎn)單，在無(wú)人工廠中，用來(lái)搬運(yùn)零部件或做其他工作，應(yīng)用最廣泛。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)最適合平地行走，但如果不是特殊結(jié)構(gòu)就不能跨越高度，不能爬樓梯。普通的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)一般有 3 個(gè)輪、4 個(gè)輪或 6 個(gè)輪它們或使用驅(qū)動(dòng)輪和自位輪，或使用驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以在凹凸的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不太高的臺(tái)階，但由于沒(méi)有自位輪，沒(méi)有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，靠左右兩個(gè)履帶的速度差來(lái)轉(zhuǎn)彎，在橫向和前進(jìn)方向會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)。轉(zhuǎn)彎阻力大，不能準(zhǔn)確地確定回轉(zhuǎn)半徑。常見(jiàn)的輪式機(jī)構(gòu)有三輪結(jié)構(gòu)或四輪結(jié)構(gòu)：三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，控制最方便，三點(diǎn)確定一個(gè)平面。三輪支撐在理論上是穩(wěn)定的，但這種裝置很容易在施加到角落的力作用下翻倒，對(duì)負(fù)載有一定限制。然而對(duì)采用三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，重心都比較低，載荷穩(wěn)定且中心位置基本不發(fā)生變化，所以三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用很廣泛。本論文中清潔機(jī)器人采用三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)。第三章 清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)163.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理3．1.1 模塊化設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)是一種著重解決產(chǎn)品品種、規(guī)格、與設(shè)計(jì)制造的周期、成本之間矛盾的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法，是在對(duì)一定范圍內(nèi)的產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能獨(dú)立、結(jié)構(gòu)獨(dú)立的基本單元一模塊，并使模塊系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品或系統(tǒng)，以滿足不同需求的設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)理論分析和實(shí)踐證明，其意義主要體現(xiàn)在下述借個(gè)方面：1 可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造周期，從而大大地縮短供貨期限。2 有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代以及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，增加對(duì)市場(chǎng)的快速應(yīng)變能力。3 有利于提高質(zhì)量，降低成本，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。4 便于維修服務(wù)機(jī)器人具有環(huán)境多義性和高智能化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)周期和制造成本成為急需解決的難題。模塊化概念的引入為推動(dòng)服務(wù)機(jī)器人實(shí)用化進(jìn)程提供了新的思路，選擇適當(dāng)?shù)哪K機(jī)器人拓?fù)潢P(guān)系和標(biāo)準(zhǔn)模塊，迅速組成模塊機(jī)器人是縮短機(jī)器人設(shè)計(jì)周期和降低成本的有效途徑。目前模塊設(shè)計(jì)主要存在 3 個(gè)方面問(wèn)題l 合理劃分模塊。模塊劃分的合理，則模塊的適應(yīng)力強(qiáng)，組合性好。要做到這一點(diǎn)，除進(jìn)行功能分析之外還應(yīng)很好的解決模塊之間的聯(lián)系問(wèn)題，這種聯(lián)系既要滿足安裝、定位的要求，又要滿足力流和運(yùn)動(dòng)傳遞方面的需求。2 模塊的管理。模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不同常規(guī)產(chǎn)品，而是按照模塊為單元進(jìn)行管理。充分利用現(xiàn)有模塊，進(jìn)行合理組合，并使能迅速有效的組成滿足需要的產(chǎn)品3 解決好造型與冗余結(jié)構(gòu)冗余的問(wèn)題。模塊用于不同規(guī)格的產(chǎn)品，常會(huì)有尺寸上的不協(xié)調(diào)問(wèn)題，所以在進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)注意其造型。全自主智能吸塵器應(yīng)包括吸塵器車體、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、吸塵系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等組成。其中控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理單元、運(yùn)動(dòng)控制單元等：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速裝置等。每個(gè)模塊系統(tǒng)的在緊密17相連的同時(shí)保持很大的獨(dú)立性，不僅便于設(shè)計(jì)，安裝，調(diào)試，而且各個(gè)部分都能實(shí)現(xiàn)自己特有的功能。3．1.2 車體設(shè)計(jì)不僅機(jī)器人各個(gè)系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，車體本身的機(jī)械設(shè)計(jì)也采用了模塊化設(shè)計(jì)思想。整個(gè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以分為：2 個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，前輪系統(tǒng)，吸塵系統(tǒng)。系統(tǒng)模塊都是單自由度和車體基板相連接。機(jī)器人本體良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其他各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)。由于移動(dòng)機(jī)器人所采用的機(jī)械傳動(dòng)方式，加工制作等所產(chǎn)生的固有誤差，勢(shì)必對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的控制帶來(lái)影響，增加控制難度，所以在機(jī)器人本體設(shè)計(jì)上，要充分考慮這些因素，盡量減小系統(tǒng)的固有誤差，為實(shí)現(xiàn)更精確的控制創(chuàng)造條件。移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械傳動(dòng)盡可能選用一些傳動(dòng)平穩(wěn)、可靠、簡(jiǎn)單實(shí)用的傳動(dòng)方式。車體的形狀，傳感器的種類、數(shù)量和位置，軟件所采取的算法，這三者必須作為一個(gè)整體綜合加以考慮才易于使智能吸塵器達(dá)到良好的效果。車體形狀的選擇應(yīng)該比較優(yōu)化和適當(dāng)簡(jiǎn)化，這樣智能吸塵器不僅便于移動(dòng)和工作，也便于傳感器的安裝和提高傳感器的利用效果，最后對(duì)軟件的編寫(xiě)也是有利的，比如使程序結(jié)構(gòu)更合理，更簡(jiǎn)潔，易于閱讀，執(zhí)行速度更快，可靠性提高吸塵器外形將影響它的覆蓋區(qū)域。好的外形不僅能降低移動(dòng)機(jī)器人的算法復(fù)雜程度，而且能減少區(qū)域邊角的死區(qū)，還能降低能耗提高行走精確度。吸塵器外形主要有矩形、圓形。考慮到機(jī)構(gòu)和控制的復(fù)雜性本文吸塵器采用圓形本體，圓形車體的最大優(yōu)點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)靈活，控制簡(jiǎn)單，不會(huì)發(fā)生卡死的現(xiàn)象。本文的吸塵器原形樣機(jī)的車體采用鋁合金板經(jīng)機(jī)械加工而成。車體前端是由一套機(jī)械裝置和光電開(kāi)關(guān)組成，用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方向上的障礙物。左右二個(gè)后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，每個(gè)輪子都有電機(jī)、碼盤(pán)、光電傳感器，各自是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，只接受控制系統(tǒng)的控制信號(hào)和反饋給控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)信息。中間部分是吸塵系統(tǒng)，包括一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的吸塵裝置。18圖 3-1193．1.3 車輪系統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)、車輪的個(gè)數(shù)、車輪的平面布置、驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的個(gè)數(shù)及分配對(duì)車體的靈活性、準(zhǔn)確定位和導(dǎo)航都有著非常關(guān)鍵的影響。行走機(jī)構(gòu)的決定應(yīng)以盡量減少滑動(dòng)，控制策略不過(guò)分復(fù)雜，制作相對(duì)容易為原則。常見(jiàn)的行走機(jī)構(gòu)有三輪結(jié)構(gòu)或四輪結(jié)構(gòu)：三輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活，穩(wěn)定性稍差；四輪結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些驅(qū)動(dòng)方式有三種：前輪轉(zhuǎn)向前輪驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向后輪差速驅(qū)動(dòng)，兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。前輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)方式移動(dòng)靈活、控制精度高，后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度稍差。綜合利弊，本文采用在室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用廣泛的三輪結(jié)構(gòu)，兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式前輪為隨動(dòng)輪靠?jī)珊筝喼g的速度差來(lái)控制小車的運(yùn)動(dòng)方向。前面的萬(wàn)向輪為隨動(dòng)輪，無(wú)導(dǎo)向作用輪子的材料采用鋁合金加橡皮護(hù)套，既可以避免橡皮輪因壓癟變形導(dǎo)致誤差，又可以避免金屬輪因摩擦阻力小導(dǎo)致滑動(dòng)，兩后輪分別由一臺(tái)直流電機(jī)經(jīng)一對(duì)蝸輪蝸桿變速后驅(qū)動(dòng)。按照上述的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，清潔機(jī)器人采用兩直流電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)左右兩輪的差動(dòng)方式，控制簡(jiǎn)單、精確、易于實(shí)現(xiàn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)吸塵機(jī)器人的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退，以及調(diào)頭等功能，清潔機(jī)器人能夠在任意半徑下，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))。20圖 3-2 萬(wàn)向輪3.1.4 工作原理清潔機(jī)器人由多個(gè)功能模塊共同組成，這幾個(gè)模塊共同工作、相互協(xié)調(diào)、相互作用，保證了機(jī)器人能夠順利的進(jìn)行清掃。具體的工作原理如下清潔機(jī)器人的中心是清潔機(jī)器人的 CPU，它對(duì)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)境以及機(jī)器人本身的各種信息。鍵盤(pán)模塊和紅外遙控接收模塊可以接收人們對(duì)機(jī)器人的控制信息，然后把信息傳給 CPU 進(jìn)行處理。當(dāng)接收到需要機(jī)器人進(jìn)行清掃工作的信號(hào)時(shí)，CPU 可以通過(guò)控制行走機(jī)構(gòu)和清潔機(jī)構(gòu)讓機(jī)器人進(jìn)行工作。在機(jī)器人工作的過(guò)程中還可以通過(guò) LCD 顯示模塊和狀態(tài)指示模塊對(duì)機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行時(shí)實(shí)的顯示。機(jī)器人工作的流程如下:(l) 首先可以通過(guò)鍵盤(pán)或者遙控器啟動(dòng)清潔機(jī)器人，讓它開(kāi)始清掃工作。(2) 機(jī)器人一旦開(kāi)始工作，便控制吸塵機(jī)構(gòu)開(kāi)始吸塵。(3) 機(jī)器人開(kāi)始工作，傳感探測(cè)模塊就開(kāi)始不斷地采集外部信息，送到CPU 進(jìn)行分析和決策產(chǎn)生機(jī)器人行走的路徑。(4) 當(dāng)路徑規(guī)劃需要機(jī)器人實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的時(shí)候。CPU 就分別改變左右輪的速21度，通過(guò)差速來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。(5) 工作期間機(jī)器人可以通過(guò) LCD 顯示一些相關(guān)信息(比如工作模式、工作計(jì)時(shí)或溫度)。(6) 遙控器除了可以控制清潔機(jī)器人的啟停，還可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定時(shí)，讓機(jī)器人在一定時(shí)間后開(kāi)始工作或者工作一定時(shí)間后停止工作。3.2 清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì)3.2.1 機(jī)器人外形設(shè)計(jì)根據(jù)家庭清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)該包括清掃機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)、垃圾收集處理機(jī)構(gòu)，其中清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。通過(guò)在網(wǎng)上搜索一些相關(guān)資料以及在圖書(shū)館查閱的資料，初步把機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)為長(zhǎng)寬均為 400mm 高為 200mm 的長(zhǎng)方體，但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的不合理之處，周邊有棱角的機(jī)器人在躲避障礙物是很不便，非常容易碰到障礙物，而圓形物體則比較容易避開(kāi)障礙物。因而最終把機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)為圓盤(pán)形，其外部輪廓大體如圖所示圖 3-3 小車外形3.2.2 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑為 0，在機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)中采用兩輪驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱分布在清掃機(jī)構(gòu)的后方，兩個(gè)輪子和刷子支撐機(jī)體工作和運(yùn)動(dòng)，22這樣設(shè)計(jì)既節(jié)省材料，又可以使刷子和地面全面的接觸，從而利于更徹底的清掃。在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過(guò)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(guò)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。圖 3-33.2.3 吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)因?yàn)樗O(shè)計(jì)的機(jī)器人它的體積有限制，在直徑為三百五十，高為一百七十的圓內(nèi)要放置有行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)，同時(shí)還得留下放電池、控制中心、觀察中心的地方。故將吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)置如下圖所示圖 3-5 吸塵模塊其中包括濾塵袋、吸塵風(fēng)葉、吸塵電機(jī)、電機(jī)箍以及支撐板。吸塵盒、支撐板和電機(jī)箍的材料均為工程塑料。這樣就保證了吸塵機(jī)構(gòu)體積小，質(zhì)量輕。23第四章 具體計(jì)算4.1 電機(jī)選擇(1) 初步估計(jì)機(jī)器的總重量為 9 千克，g 取 9.8N/kg，則 G=9*9.8=88.2N則分配到每個(gè)輪子上的載荷位 F=1/3G=1/3*88.2=29.4N按橡膠在優(yōu)質(zhì)路面上行走，取 ， ，1??.0?則：滾動(dòng)摩擦阻力 mNFMf 24.*?滑動(dòng)摩擦阻力 =F =22.1*0.1=2.94N?由前面的總體設(shè)計(jì)中機(jī)器的各個(gè)機(jī)構(gòu)的布局安排，車體底盤(pán)應(yīng)至少高于地面10mm,取輪子直徑 D 為 80mm，則 R=1/2D=40mm,則輪子行走過(guò)程中所受的阻力矩： NRfTfW ?????? ?147.029.10*49.23（2）工作機(jī)要求的功率 式中：wWnTP??5mNTw??147.0由 in/6.120*4.2rRVnRVw???取 則： ，電機(jī)所需的輸7.0?w? WTPwW3.7.95950????出的功率 ,其中d 86.09*..22?cgr則電機(jī)所需的輸出的功率 = =3.97W?wdP?86.03（3）確定電機(jī) 考慮到機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)要求其轉(zhuǎn)彎半徑為零，這樣就要求兩個(gè)和電機(jī)相連的輪子在轉(zhuǎn)彎時(shí)必須差速運(yùn)轉(zhuǎn)從而才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零。而要實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)轉(zhuǎn)則要求電機(jī)具有調(diào)速功能，再由（2）中所算得電機(jī)輸出功率，從而通過(guò)在網(wǎng)上搜索查到了寧波市北倉(cāng)深港交流調(diào)速電機(jī)廠生產(chǎn)的 YCJT 系列電機(jī)滿足設(shè)計(jì)中所需要的電機(jī)要求 ，因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)本機(jī)器時(shí)電機(jī)需要輸出的功率為3.97W，由寧波市北倉(cāng)深港交流調(diào)速電機(jī)廠網(wǎng)站上給的產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和安裝型號(hào)中選型號(hào)為 YCJT-6-1，輸出功率為 6W，速度可調(diào)范圍為90~1350r/min，1200 r/min 時(shí)轉(zhuǎn)距為 5 N.cm，啟動(dòng)轉(zhuǎn)距為 3.5N.cm 的電機(jī)，因?yàn)槠湓跐M足要求的情況下尺寸比我所查到的電機(jī)的尺寸都小，所以選用它為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)。24圖 4-1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)4.2 蝸輪蝸桿的選擇（1）因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)所用的蝸桿和蝸輪是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)功率的輸入部分，是機(jī)器人結(jié)構(gòu)中最重要的部分，所以選蝸桿軸材料為 40Cr，表面淬火，硬度45～50HRC,蝸輪齒圈材料為 ZcuSn10Pb1,金屬模鑄造。確定許用應(yīng)力： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 60n L =60*206*12000=1.48?2h 810*查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得： =230MPa =90MPa ??OH???OF?= . =194MPa； MPa??NHZ?OH82710 ??52926??OFNY?（2）選擇 z 、z1根據(jù)傳動(dòng)比 I=7.25，參考蝸輪蝸桿參數(shù)表，取 z =4,則 z =29；12（3）.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)先查《機(jī)械設(shè)計(jì)》確定計(jì)算公式所需參數(shù)： ；8.0?AK取 2.1?VK25因載荷平穩(wěn)，通過(guò)跑合可以改善偏載程度，取 1??K則載荷系數(shù) ；96.0281.*.??KVA① 當(dāng) z =4 時(shí)， =0.7～0.75，取 =0.7；代入①式中得： ?iT12?1??N.mm5.193867.0*23.0*5.9.0*5.9616 ?inP查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得： ；MPaZE?將這些數(shù)據(jù)代入接觸強(qiáng)度計(jì)算公式，求得：； ?? 322212 194*5.19386*.09 mzKTdmHE ???????????????按接觸強(qiáng)度要求， ，查表選取 m=2mm ,d =18mm,z =4,12?dm11q=11.20,z =29, 。中心距 ， ；2''907?????zqa28?382?zd（4）驗(yàn)算初設(shè)參數(shù) 蝸輪圓周速度 v = 0.63m/s 原估計(jì) ，選 值，相符。210*62nd?smv/32?VK滑動(dòng)速度 ，在范圍內(nèi)，所選材料合適。sms /6/54.3i2???蝸桿傳動(dòng)效率 根據(jù) ，查表得 ，??19.0??～ svs/8.1??2?v?0.83，傳動(dòng)效率 ，與初選????vtg??1 ??8.015.0*96.50～～不符，傳動(dòng)效率應(yīng)適當(dāng)降低。7.0?（5）.驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和剛度=58.4 MPa ??FFaFzdmYKT?????216蝸輪當(dāng)量齒數(shù) ， 查得齒形系數(shù) ；4.29cos3??V 65.2?FaY則可求得： =0.917?10???Y代入①式中 =27.85MPa29*4.17.06586.*2F?26成立，彎曲強(qiáng)度滿足要求。??FFMPa????85.27（6）.蝸桿、蝸輪幾何尺寸計(jì)算蝸桿齒頂圓直徑 =22.5mm （ ）mhddaaa*112??1*?ah蝸桿齒根圓直徑 =19mm （ =0.2）??cff ?c蝸輪喉圓直徑 （ ）xaaa 6.42*22 02x蝸輪齒根圓直徑 36.8mm ???chmdhdff由于蝸桿傳動(dòng)效率低所以工作時(shí)產(chǎn)生的熱量相對(duì)較大。對(duì)閉式蝸桿傳動(dòng)，摩擦所產(chǎn)生的熱量將通過(guò)箱體散發(fā)到周圍空氣中去。本設(shè)計(jì)中蝸桿傳動(dòng)產(chǎn)生的熱量直接散發(fā)到集體內(nèi)，通過(guò)吸塵時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)力將熱量排帶機(jī)體外。因?yàn)槲仐U傳動(dòng)的效率主要取決于嚙合效率，而蝸桿分度圓導(dǎo)程角對(duì)嚙合效率其主要影響，導(dǎo)程角大于 30 度以后嚙合效率增加不顯著且蝸桿加工也較困難，所以本設(shè)計(jì)中蝸桿導(dǎo)程角小于 30 度，同時(shí)減小了中心距進(jìn)而減小了蝸桿的直徑，從而提高了嚙合效率，因而進(jìn)一步提高了蝸桿的傳動(dòng)效率。4.3 吸塵機(jī)構(gòu)的電機(jī)的選擇因?yàn)槲鼔m機(jī)構(gòu)中風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn)速度需要足夠高才可以實(shí)現(xiàn)吸塵目的，并可以把垃圾吸到濾塵袋中，因而選電機(jī)型號(hào)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，所以選用它來(lái)做為吸塵機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸入部分。4.4 家庭清潔機(jī)器人電池的選用工作環(huán)境對(duì)清潔機(jī)器人的能源提出了特殊要求，目前清潔機(jī)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(jī)器人能源的一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(shí)增大，但有可能造成自放電和產(chǎn)生氣體，使用溫度可達(dá) 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(dòng)勢(shì)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(jī)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(jī)器人能源，電壓高、壽命長(zhǎng)、可高比率放電、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、27工藝成熟，但能量密度低。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(jī)械強(qiáng)度高，可短期超負(fù)荷放電，放電電壓平穩(wěn)，但價(jià)格貴、充電時(shí)間長(zhǎng)、壽命短、充電次數(shù)少。鎳鎬電池和鎳鋅電池電壓低、價(jià)格貴，應(yīng)用較少。燃料電池有堿性燃料電池、磷酸燃料電池、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(zhǎng)、效率高、無(wú)污染，是一種非常好的清潔機(jī)器人用電源，但總的來(lái)說(shuō)，目前還處于研究開(kāi)發(fā)階段。由以上對(duì)各種電池的分析，同時(shí)考慮到本次設(shè)計(jì)的要求，選用鉛酸電池比較合理，因?yàn)殂U酸電池是一種比較好的機(jī)器人能源，電壓高、壽命長(zhǎng)、可高比率放電、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、工藝成熟，可降低制造家庭清潔機(jī)器人的總成本，因而本次設(shè)計(jì)選用兩組鉛酸電池作為機(jī)器人的能量來(lái)源，其安裝位置入家庭清潔機(jī)器人的裝配圖中所示。4.5 清掃機(jī)構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計(jì)算（1）計(jì)算軸承壽命的基本公式為： h?)(601pcnLh?其中：P- 當(dāng)量動(dòng)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(dòng)載荷（N） ，可由軸承樣本或有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查到。經(jīng)查表的 C =2.75*103（2）計(jì)算角接觸軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷基本公式為 P= )(YAXRfp?其中：X - 徑向載荷系數(shù)，其值見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì) P281 表 12-12；Y - 軸向載荷系數(shù)，其值見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì) P281 表 12-12；R –軸承所承受徑向載荷；A - 軸承所承受軸向載荷；f - 載荷系數(shù)，考慮機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況對(duì)軸承載荷的影響，查表 12-p12（機(jī)械設(shè)計(jì) P281）待求量為 R ,A 值計(jì)算軸承所受的徑向載荷 R。經(jīng)計(jì)算解 得 Fr=0.081NFa=0.015 N28有已知條件可知，軸承是關(guān)于蝸輪對(duì)稱的，所以左右的距離相等。所以 R1=R2=Fr1/2=0.0405N又因?yàn)檩S的質(zhì)量作用在軸承上，每個(gè)軸承大約承受 0.1N所以 R1=R2=0.1405N派生軸向力 S1=S2=R/2Y=0.0468N又因?yàn)?S2+Fa=0.0468+.015=0.0618N>0.0468N所以軸承 1 壓緊，軸承 2 放松所以 A1=0.0618N,A2=0.0468NA1>A2,所以只需要校核軸承 1 即可因?yàn)?A/R=0.0618/0.1405 e?選取 X=1,Y=0,fp=1.0所以 P= =1.0*(1*0.1405+0*A)=0.1405)(YAXRfp?所以 = =1.08*10 h?601cnLh?36)1405.*72(315所以符合要求。4.6 清掃機(jī)構(gòu)中蝸輪軸的校核軸上能使產(chǎn)生彎距的力有 trF,=0.081NrF=0.015Nt兩個(gè)力在互相垂直的兩個(gè)平面上，L=30mm，D=12mm 如下兩個(gè)視圖(a29圖 4-2 受力示意圖做彎距圖如 4-3 所示。圖 4-4 彎矩圖mNMLFMtrttrr .630125.205. .82????合 成 彎 距 2333 /5.1..2dW??由于前面已經(jīng)選定軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表，故符合強(qiáng)度要求。??mN.60??第五章 總結(jié)也展望5.1 發(fā)展趨勢(shì)雖然自主吸塵機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)步,進(jìn)入了實(shí)用階段,但是自主能力、工作效率方面還不理想,需要在技術(shù)上解決傳感器技術(shù)、定位和環(huán)境建模技術(shù).在此基礎(chǔ)上,自主吸塵機(jī)器人可以向著高度智能化、多功能集成、低成本的方向發(fā)展。305.1.1 高度智能化現(xiàn)在的自主吸塵機(jī)器人在行為上還處于“低級(jí)生物”的階段,環(huán)境感知能力有限,對(duì)路徑的規(guī)劃只是隨機(jī)的方式或者是基于局部環(huán)境信息的規(guī)劃方式.在復(fù)雜環(huán)境和多房間的環(huán)境下,這種工作方式的效率會(huì)銳減.因此,建立 CCD 視覺(jué)系統(tǒng),融合多種傳感器進(jìn)行定位和環(huán)境建模,實(shí)現(xiàn)全局路徑規(guī)劃,將是一個(gè)重要的研究方向.同時(shí),算法必須考慮系統(tǒng)的處理速度、存儲(chǔ)空間的限制.5.1.2 功能擴(kuò)展自主吸塵機(jī)器人是一個(gè)可移動(dòng)的智能平臺(tái),在吸塵功能之外可以進(jìn)行功能擴(kuò)展,比如進(jìn)行家電控制、房間環(huán)境監(jiān)測(cè)(防止火災(zāi)、電器故障、盜竊等).這方面的市場(chǎng)需求已經(jīng)被 Tmsuk 和三洋公司抓住,并在 2002 年發(fā)布了兩款這樣的機(jī)器人.5.1.3 低成本化智能機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),使用了大量的傳感器和一個(gè)或者多個(gè)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(jìn)步的成果,降低成本是個(gè)必由之路.5.2 展望盡管目前價(jià)廉物美的吸塵器給人們的清潔工作帶來(lái)了一定的便利,但過(guò)大的噪音依然讓大多數(shù)使用者望而卻步。吸塵機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)新產(chǎn)品,將使人們能在無(wú)人看守情況下輕松地完成室內(nèi)環(huán)境的吸塵等清潔工作。因此,只要生產(chǎn)成本兼顧到日用電器批量大、價(jià)格低的特點(diǎn),吸塵機(jī)器人將具有誘人的市場(chǎng)前景,有關(guān)資料也預(yù)測(cè)吸塵機(jī)器人是未來(lái)幾年需求量最大的服務(wù)機(jī)器人。特別是日用清潔電器不論是在市場(chǎng)上或者是在產(chǎn)品的創(chuàng)新上,絕對(duì)是所有小家電產(chǎn)品中最活躍的,未來(lái)仍有相當(dāng)大的成長(zhǎng)空間。盡管目前國(guó)內(nèi)外在吸塵機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過(guò)高和許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚急待解決或提高,主要有以下幾個(gè)方面: (1)目前,價(jià)格過(guò)高是嚴(yán)重影響吸塵機(jī)器人打入家電市場(chǎng)的主要因素,因此為了大幅度降低其成本,我們必須開(kāi)發(fā)專用運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)字處理芯片以及微型傳感器。其次,應(yīng)該看到藍(lán)牙技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景,通過(guò)采用藍(lán)牙技術(shù)將過(guò)高的數(shù)字處理器成本轉(zhuǎn)移到用戶的31個(gè)人電腦上,則有望在短期內(nèi)將吸塵機(jī)器人的成本控制在千元左右。(2)未來(lái)的吸塵機(jī)器人將向智能化和自主式發(fā)展,因此我們必須結(jié)合現(xiàn)有的基于自適應(yīng)控制、模糊邏輯、遺傳算法等的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制技術(shù),研究開(kāi)發(fā)出對(duì)環(huán)境變化具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性、對(duì)環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制器,使吸塵機(jī)器人完成與人工操作質(zhì)量相同甚至更好的吸塵工作。(3)為了有效地提高清潔的質(zhì)量,還需要對(duì)現(xiàn)有的吸塵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)環(huán)境的臟潔程度,采用模糊邏輯等技術(shù)設(shè)計(jì)合理的吸塵時(shí)間以及相協(xié)調(diào)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度,確保滿意的吸塵效果。(4)電源技術(shù)是吸塵機(jī)器人的核心之一,除了有效地提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和吸塵速度以延長(zhǎng)電池的實(shí)際吸塵時(shí)間外,還尚需優(yōu)化自動(dòng)充電方案,保證機(jī)器人能及時(shí)進(jìn)行