清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

王宇欣 岑強(qiáng)

摘 要：本課題研究的主要目的就是開(kāi)發(fā)出來(lái)結(jié)構(gòu)類型緊湊，使用靈活方便、控制起來(lái)較為容易、不同功能之間的切換較為容易實(shí)現(xiàn)、更重要的是他能夠完成自動(dòng)移動(dòng)、規(guī)避障礙物、合理規(guī)劃路徑等，另外此機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要有控制系統(tǒng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)兩大系統(tǒng)。對(duì)機(jī)械性能有一定的要求，外殼一定要有高強(qiáng)度的柔性，底盤(pán)應(yīng)該有一定的穩(wěn)定性，需要對(duì)其配備兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)輪用來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能。最后就是吸塵器吸入點(diǎn)口徑的大小、電池能量系統(tǒng)、整個(gè)動(dòng)力控制系統(tǒng)、清潔刷的清潔系統(tǒng)等。

關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu);工作原理;總體設(shè)計(jì)

一、機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

其由接著來(lái)要討論的三部分構(gòu)成：

（1）行走驅(qū)動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)電機(jī)。有了這兩種結(jié)構(gòu)的支持，使得機(jī)器人能夠靈活自如的在工作區(qū)域內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)。為了防止用于碰撞檢測(cè)的傳感器的脫落，所以在機(jī)體的底部安裝了三個(gè)紅外開(kāi)關(guān)。另外為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輪速的檢測(cè)和監(jiān)控，在驅(qū)動(dòng)輪上安裝有可以實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和定位的光電編碼器。另外精確定位功能也可以在超聲波傳感器上實(shí)現(xiàn)。

（2）清掃機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)主要依賴于兩個(gè)清潔刷，動(dòng)力來(lái)源為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。有兩種方向的運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是清潔刷向右側(cè)進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，與此對(duì)應(yīng)的是反方向的進(jìn)行逆時(shí)針向左側(cè)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)初衷就是為了使吸塵器機(jī)器人清理的灰塵進(jìn)行集中處理。

（3）吸塵機(jī)構(gòu)。由強(qiáng)大的電機(jī)系統(tǒng)提供動(dòng)力以得到強(qiáng)大的吸塵能力?；覊m全部吹進(jìn)存儲(chǔ)盒予以排出。

這種機(jī)器人主要有三種不同類型，他們主要以輪子數(shù)量進(jìn)行區(qū)別，分別為3、4、6個(gè)輪子。三輪機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的一種，它的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，使用起來(lái)也是相當(dāng)?shù)姆奖?。四輪結(jié)構(gòu)是三種里最為復(fù)雜的，但是其承重能力比較強(qiáng)。六輪機(jī)構(gòu)較四輪有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。本課題的設(shè)計(jì)中使用三輪機(jī)構(gòu)就能滿足要求。

通過(guò)上文的陳述，我們可以精準(zhǔn)的對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行速度上的控制，這建立在多種頻率脈沖信號(hào)從步進(jìn)電機(jī)上發(fā)射出來(lái)的前提下。同時(shí)，如果兩個(gè)電機(jī)上得到了不同的脈沖信號(hào)時(shí)，吸塵器的六自由度的功能實(shí)現(xiàn)主要依賴于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的差動(dòng)。也就是位于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)以不同轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)此差動(dòng)功能的。這種方法相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易精準(zhǔn)的控制機(jī)器人的移動(dòng)方向和狀態(tài)。

二、工作原理

多個(gè)不同功能之間的配合是一個(gè)智能機(jī)器人應(yīng)該具有的最基本特點(diǎn)。不同模塊之間的工作原理就是：CPU作為智能機(jī)器人的核心，主要對(duì)各個(gè)不同模塊起到協(xié)調(diào)支配的作用。信息采集模塊，他的存在就是將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到的障礙物信息、路徑信息，通過(guò)位置傳感器和光傳感器、超聲波傳感器等傳遞的信息進(jìn)行收集整理。最后由信息采集模塊將匯總好的信息一塊發(fā)送給CPU進(jìn)行計(jì)算分析。CPU通過(guò)運(yùn)算會(huì)將計(jì)算結(jié)果再傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)讓機(jī)器人按照對(duì)應(yīng)的指令進(jìn)行工作。有時(shí)候機(jī)器人正常工作的過(guò)程中，各個(gè)不同模塊之間的工作狀態(tài)會(huì)在LED顯示模塊上予以實(shí)時(shí)顯示。機(jī)器人工作的流程如下：

（1）首先機(jī)器人是否需要開(kāi)始工作，我們可以通過(guò)遙控器或者是電腦鍵盤(pán)對(duì)其予以控制操作。

（2）當(dāng)機(jī)器人開(kāi)始工作，控制清掃機(jī)構(gòu)進(jìn)行清潔、吸塵機(jī)構(gòu)開(kāi)始抽塵。

（3）機(jī)器人正常工作狀態(tài)開(kāi)啟時(shí)，傳感器模塊會(huì)將從周圍獲取的信息進(jìn)行收集整理并最終發(fā)送至CPU處供其進(jìn)行分析計(jì)算決定機(jī)器人接下來(lái)要走的路徑。

（4）由強(qiáng)大的電機(jī)系統(tǒng)提供動(dòng)力以得到強(qiáng)大的吸塵能力?；覊m全部吹進(jìn)存儲(chǔ)盒予以排出。

在各種類型傳感器的配合下，機(jī)器人會(huì)將其各種信息進(jìn)行收集整理最終分析出機(jī)器人所處的工作環(huán)境和路徑狀態(tài)。周圍環(huán)境主要就是障礙物的大小、形狀、位置等一些基本信息。最后將這些信息反饋給主機(jī)并進(jìn)行分析給出一個(gè)合理的路徑線路圖，使得機(jī)器人能夠避免與障礙物撞到。進(jìn)行接下來(lái)的正常工作。

三、清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

3.1機(jī)器人外形設(shè)計(jì)

機(jī)器人之所以被設(shè)計(jì)成有限的體積在直徑為400和高度100的圓中，可以留出放電池，控制中心和觀察中心的地方，可是如果選用它，就必將會(huì)占用大量的空間，所以其他一些單元將放置不下，這就超過(guò)了設(shè)計(jì)的大小，所以就否定了這種方案，機(jī)器人的外形最終設(shè)計(jì)為圓盤(pán)形狀

3.2機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如果想實(shí)現(xiàn)智能清潔機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑為零，智能機(jī)器人正常工作時(shí)對(duì)其移動(dòng)機(jī)構(gòu)中就需要選用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式，并且二者成對(duì)稱位置布置在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪位置。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)電機(jī)前進(jìn)裝置進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)分別以不同轉(zhuǎn)速的方式運(yùn)作。這樣對(duì)于機(jī)器人的清潔效果能起到很好的作用。差速運(yùn)動(dòng)如果能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零，這樣的話車輪的運(yùn)動(dòng)方向也能得到控制。

3.3 清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

斜齒輪1由電機(jī)進(jìn)行直接控制、再對(duì)斜齒輪2進(jìn)行控制操作、最后斜齒輪3在齒輪2的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)軸和滾刷的連接從而間接實(shí)現(xiàn)清潔功能;錐齒輪1通過(guò)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)，再進(jìn)一步將動(dòng)力傳遞給錐齒輪2，進(jìn)一步使錐齒輪2的軸與滾刷進(jìn)行連接達(dá)到清潔的功能;蝸桿在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，兩端與渦輪機(jī)相連接，渦輪機(jī)軸與刷子進(jìn)行連接從而實(shí)現(xiàn)對(duì)臟污地面的清潔功能;蝸桿在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下與渦輪進(jìn)行連接，然后再與皮帶輪和其軸與刷子相連接實(shí)現(xiàn)清潔功能操作。

3.4吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)智能機(jī)器人吸塵機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意的是風(fēng)扇應(yīng)該位于垃圾儲(chǔ)存盒的上方位置，另外在風(fēng)扇的上蓋位置應(yīng)該留一個(gè)薄壁腔并且在其上邊開(kāi)一圓孔，這樣做的目的主要是為了將內(nèi)部空氣排除干凈。另外在儲(chǔ)存盒的上方應(yīng)該加上一個(gè)防塵的裝置，此裝置旁邊還需留兩個(gè)方形孔，儲(chǔ)存盒位置有小風(fēng)扇，小風(fēng)扇運(yùn)動(dòng)起來(lái)可以帶動(dòng)周圍的空氣這樣就形成了一個(gè)壓力差。清潔空氣可以通過(guò)這樣一個(gè)壓力差排除儲(chǔ)存盒，外界的灰塵就被壓了進(jìn)來(lái)，從而達(dá)到吸塵目的。

參考文獻(xiàn)

[1]于駿一，鄒青編主編.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[2]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[3]周良德，朱泗芳 楊世平主編.現(xiàn)代工程圖學(xué)[M].長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版，2008

[4]吳宗澤，宋寶玉主編.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)[M].北京：高等教育出版，2009