掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)

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XX學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目 掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì) 學(xué) 院 工業(yè)制造學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 學(xué) 號 年級 11 指導(dǎo)教師 職稱 講師 2015年4月27日  掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 學(xué) 號： 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 摘要：機(jī)器人是一種能夠模仿人類動(dòng)作的機(jī)器，它可以完成許多對人類來說危險(xiǎn)且單調(diào)的工作，機(jī)器人讓人類從繁重、單調(diào)的工作中解脫出來。它們從事固定而有規(guī)律的工作，例如工業(yè)生產(chǎn)中的焊接、噴漆等等。 本文主要設(shè)計(jì)的是掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)，該機(jī)器人采用統(tǒng)一動(dòng)作、協(xié)調(diào)控制的原則，通過電機(jī)帶動(dòng)動(dòng)力輪實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，通過中控系統(tǒng)的控制來實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人的動(dòng)作，由于是中控系統(tǒng)控制，所以控制靈活，多樣。通過控制器來控制機(jī)器人的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人清掃、除塵的功能。 關(guān)鍵詞： 掃地機(jī)器人；控制；結(jié)構(gòu)；清掃 The design of sweeping robot Specialty： Student Number： Student： Supervisor： Abstract：The overall scheme of this paper to the electric push rod as the main component to design manned three degree of freedom triangular robot. The mechanism adopts the unified action, the coordinated control principle, by opening the travel of the push rod to realize the robot foot movement, to achieve a manned with three degrees of freedom robot motion control in the triangle by control system, the control system to control, so the control of flexible, multi sample. People can sit on the robot, the controller is adopted to control the robots movement, the realization of some people rely on their own to complete the function of the leg muscles. Must regard as the machine design is the machine design personnel carries on using creative ability the product design, the system analysis and a formulation product manufacture technology good opportunity. Key words：Machine manufacture;Crankshaft;Processing craft;Fixture; 目 錄 緒論 1 1. 機(jī)器人簡史 3 2. 應(yīng)用機(jī)器人的意義 6 3. 本課題研究的內(nèi)容 9 4. 掃地機(jī)器人總體方案結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12 4.1 掃地機(jī)器人的總體方案圖 12 4.2 掃地機(jī)器人的工作原理 12 5. 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18 5.1電機(jī)的選型計(jì)算 20 5.2齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 20 5.3掃地機(jī)器人的功能概述 20 5.3.1 掃地機(jī)器人的清掃模式 20 5.3.2 智能導(dǎo)航系統(tǒng) 20 5.4 齒輪的強(qiáng)度校核 20 5.5 掃地機(jī)器人的智能控制系統(tǒng) 20 6. 掃地機(jī)器人的三維建模 21 6.1 動(dòng)力輪的三維建模 21 6.2 萬向輪的三維建模 22 6.3 毛刷的三維建模 23 6.4 掃地機(jī)器人的三維建模 22 7. 三維軟件設(shè)計(jì)總結(jié) 22 結(jié)論 25 參考文獻(xiàn) 26 致謝 27 緒論 機(jī)械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。 研究、設(shè)計(jì)和發(fā)展新的機(jī)械產(chǎn)品，不斷改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)械產(chǎn)品和生產(chǎn)新一代機(jī)械產(chǎn)品，以適應(yīng)當(dāng)前和將來的需要。機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括：生產(chǎn)設(shè)施的規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)；生產(chǎn)計(jì)劃的制訂和生產(chǎn)調(diào)度；編制和貫徹制造工藝；設(shè)計(jì)和制造工具、模具；確定勞動(dòng)定額和材料定額；組織加工、裝配、試車和包裝發(fā)運(yùn)；對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行有效的控制。機(jī)械制造企業(yè)的經(jīng)營和管理。機(jī)械一般是由許多各有獨(dú)特的成形、加工過程的精密零件組裝而成的復(fù)雜的制品。生產(chǎn)批量有單件和小批，也有中批、大批，直至大量生產(chǎn)。銷售對象遍及全部產(chǎn)業(yè)和個(gè)人、家庭。而且銷售量在社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況的影響下，可能出現(xiàn)很大的波動(dòng)。因此，機(jī)械制造企業(yè)的管理和經(jīng)營特別復(fù)雜，企業(yè)的生產(chǎn)管理、規(guī)劃和經(jīng)營等的研究也多是肇始于機(jī)械工業(yè)。 機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗(yàn)收、安裝、調(diào)整、操作、維護(hù)、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機(jī)械和成套機(jī)械裝備，以保證機(jī)械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗(yàn)收、安裝、調(diào)整、操作、維護(hù)、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機(jī)械和成套機(jī)械裝備，以保證機(jī)械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。研究機(jī)械產(chǎn)品在制造過程中，尤其是在使用中所產(chǎn)生的環(huán)境污染，和自然資源過度耗費(fèi)方面的問題，及其處理措施。這是現(xiàn)代機(jī)械工程的一項(xiàng)特別重要的任務(wù)，而且其重要性與日俱增。機(jī)械的種類繁多，可以按幾個(gè)不同方面分為各種類別，如：按功能可分為動(dòng)力機(jī)械、物料搬運(yùn)機(jī)械、粉碎機(jī)械等；按服務(wù)的產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械、紡織機(jī)械等；按工作原理可分為熱力機(jī)械、流體機(jī)械、仿生機(jī)械等。另外，機(jī)械在其研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)用等過程中都要經(jīng)過幾個(gè)工作性質(zhì)不同的階段。按這些不同階段，機(jī)械工程又可劃分為互相銜接、互相配合的幾個(gè)分支系統(tǒng)，如機(jī)械科研、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、機(jī)械運(yùn)用和維修等。 機(jī)器人是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)器人的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)器人作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機(jī)器人是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)器人被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)器人的發(fā)展，使得機(jī)器人能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)器人雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)器人已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。 機(jī)器人技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣氣技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)器人是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多自由度，可用來搬運(yùn)物體以及可以在各個(gè)不同環(huán)境中工作。 1 機(jī)器人簡史 現(xiàn)代機(jī)器人起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。 機(jī)器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)器人。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 1962年，美國機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)器人。商名為Unimate(即萬能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用氣驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)器人就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動(dòng)公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)機(jī)器人。 1962年，美國機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)器人，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)器人的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用氣驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)器人出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機(jī)器人發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年，美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型機(jī)器人，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。 美國還十分注意提高機(jī)器人的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)器人試驗(yàn)臺，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到0.1毫米。 德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)器人，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)器人，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)器人，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機(jī)器人清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)器人后，大力研究機(jī)器人的研究。據(jù)報(bào)道，1976年從事機(jī)器人的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1979年120多個(gè)大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)器人的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)器人的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)器人產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機(jī)器人約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)器人累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機(jī)器人最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。 第二代機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)器人具有感覺機(jī)能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)器人。 第三代機(jī)器人（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)器人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多。 2 應(yīng)用機(jī)器人的意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人也越來越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。 在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)器人的意義可以概括如下： 一、以提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度 應(yīng)用機(jī)器人有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 二、以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)器人即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。 在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)器人代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)器人代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)器人可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒有機(jī)器人，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)器人，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。 各類機(jī)器人的圖形分別如下所示： 3 本課題研究的內(nèi)容 本論文主要研究運(yùn)用SolidWorks對掃地機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，了解掃地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特征和三維軟件的使用要領(lǐng)。 本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種掃地機(jī)器人，該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)隨機(jī)清掃，交叉清掃，床底清掃，防撞等等多種功能，其研究內(nèi)容包括： （1）功能分析與方案設(shè)計(jì)； （2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維造型； （3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 4 掃地機(jī)器人總體方案結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 4.1 掃地機(jī)器人的總體方案圖 本次設(shè)計(jì)的掃地機(jī)器人采取的方案是：在機(jī)器人的兩側(cè)各布置一組毛刷，成對稱分布，通過電動(dòng)機(jī)通過傘齒輪傳動(dòng)控制動(dòng)力輪轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)動(dòng)作。根據(jù)控制方法的不同，機(jī)器人的轉(zhuǎn)速或者方向也有所不同。整機(jī)采用成本低廉且經(jīng)久耐用的塑料作為材料，經(jīng)過噴漆噴塑處理后在外觀上面得到了一定的保證。其具體方案布局圖如下： 4.2 掃地機(jī)器人的工作原理 本次設(shè)計(jì)的掃地機(jī)器人的工作原理為：通過電動(dòng)機(jī)通過傘齒輪傳動(dòng)控制動(dòng)力輪轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)動(dòng)作，根據(jù)控制方法的不同，機(jī)器人的轉(zhuǎn)速或者方向也有所不同。1、清掃模式：隨機(jī)清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點(diǎn)清掃、預(yù)約清掃等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全方位立體清掃； 2、智能導(dǎo)航系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)對房間地形的重構(gòu)，自動(dòng)規(guī)劃清掃路線； 3、智能安全監(jiān)控：防撞，防跌落，防纏繞，電池電量監(jiān)測； 4、創(chuàng)新功能：灰塵量識別，實(shí)現(xiàn)床底清掃，手機(jī)遙控模式，尖端氣流濾塵 技術(shù)，室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與提醒； 5、其他基礎(chǔ)功能：自動(dòng)返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測 5 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 5.1電機(jī)的選型計(jì)算 已知整個(gè)掃地機(jī)器人中零件的重量，我們?nèi)】傊亓繛?0Kg，范圍為50mm~200mm，動(dòng)力輪轉(zhuǎn)速為1~2r/min。即： 具體的電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算如下: N=＝0.18(KW) G－電機(jī)的負(fù)載 －傳動(dòng)效率，取0.75 所以根據(jù)N＝0.10kw，n＝1500r/min，查B1表10-4-1選用Y112M-4，再查B1表10-4-2得Y112M-4電機(jī)的結(jié)構(gòu)。 5.2齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 1初步計(jì)算 （1）材料選擇 因傳動(dòng)尺寸無嚴(yán)格限制，批量較小，故小齒輪用40Cr(調(diào)質(zhì)），硬度241HB~286HB，平均取為280HB，大齒輪用45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度229HB~286HB,平均取為240HB。選齒輪精度為7級。 （2）節(jié)錐角的計(jì)算 （3.11） （3.12） （3.13） 由文獻(xiàn)[2]表可知， （3.14） 式中，齒頂高系數(shù)，。 取小齒輪齒數(shù)， （3.15） 取大齒輪齒數(shù)。 （3）根據(jù)工作條件的要求，大端模數(shù)為 （3.16） （4）齒輪分度圓的直徑 mm （3.17） mm （3.18） （5）錐距 mm （3.19） （6）齒輪齒頂、齒根圓直徑 由文獻(xiàn)[3]表可知， 齒頂高 mm （3.20） 齒頂圓直徑 mm （3.21） mm （3.22） 齒根高 mm （3.23） 齒輪基圓直徑 mm （3.24） mm （3.25） （7）齒寬 由文獻(xiàn)[2]表可知，， mm （3.26） （8）節(jié)圓周速度 m/s （3.27） 5.3掃地機(jī)器人的功能概述 本次設(shè)計(jì)的掃地機(jī)器人，主要具有如下功能： 1、清掃模式：隨機(jī)清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點(diǎn)清掃、預(yù)約清掃等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全方位立體清掃； 2、智能導(dǎo)航系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)對房間地形的重構(gòu)，自動(dòng)規(guī)劃清掃路線；3、智能安全監(jiān)控：防撞，防跌落，防纏繞，電池電量監(jiān)測； 4、創(chuàng)新功能：灰塵量識別，實(shí)現(xiàn)床底清掃，手機(jī)遙控模式，尖端氣流濾塵技術(shù)，室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與提醒； 5、其他基礎(chǔ)功能：自動(dòng)返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測。 5.3.1 掃地機(jī)器人的清掃模式 清掃模式包括隨機(jī)清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點(diǎn)清掃、預(yù)約清掃等。隨機(jī)清掃是指根據(jù)地面狀況在其他幾種清掃模式之中進(jìn)行切換；螺旋式清掃是指繞圈清掃的模式；交叉清掃是指在不同的區(qū)域之間交叉穿梭來清掃，也可以稱為Z字形清掃；沿邊清掃是沿著房間的邊界進(jìn)行清掃；定點(diǎn)清掃是指在指定的位置小范圍內(nèi)清掃；預(yù)約清掃是指每天在指定的時(shí)間自動(dòng)清掃，可以預(yù)約一次和一周內(nèi)任意預(yù)約清掃時(shí)間，可以放心上班和出差，也可以自動(dòng)打掃。 5.3.2 智能導(dǎo)航系統(tǒng) 掃地機(jī)器人的智能導(dǎo)航實(shí)質(zhì)就是路徑自動(dòng)規(guī)劃。掃地機(jī)器人路徑自動(dòng)規(guī)劃有兩種方法：：隨機(jī)式全區(qū)域覆蓋和規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋。隨機(jī)式全區(qū)域覆蓋方法控制簡單，不需要很多的硬件，軟件編程也簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但其缺點(diǎn)是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行軌跡重復(fù)性較大，且運(yùn)行軌跡不能較快地、充分地覆蓋整個(gè)區(qū)域，這種路徑規(guī)劃只考慮完成任務(wù)，沒有考慮到時(shí)間消耗和能量消耗情況，因此選擇規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋方法。此設(shè)計(jì)中選擇往返式路徑規(guī)劃方法。往返式路徑規(guī)劃清掃路徑的規(guī)則為當(dāng)掃地機(jī)器人置于室內(nèi)時(shí)，可通過超聲波測距傳感器的信息來判斷它放置于墻邊還是房屋中間。在房屋中間，則先設(shè)為它沿某一方向運(yùn)動(dòng)到靠近墻邊的某一點(diǎn)。機(jī)器入就可從墻邊的某一點(diǎn)開始，按順時(shí)針方向繞墻運(yùn)動(dòng)一周，先對室內(nèi)墻邊地面進(jìn)行一次預(yù)清掃。掃地機(jī)器人在繞完一圈后再向左或向右行走到墻壁的最左端或者最右端，以此來作為它清擋路徑的起始點(diǎn)，也即絕對坐標(biāo)的原點(diǎn)。 先假設(shè)室內(nèi)只有一個(gè)孤立的障礙物，以房屋左下角O點(diǎn)為起始點(diǎn)。開始清掃時(shí)，從O點(diǎn)勢始沿Y軸正方向清掃，遇到墻壁時(shí)向右原地旋轉(zhuǎn)90o，向X軸正方向移動(dòng)一個(gè)車身后再向右旋轉(zhuǎn)90o，沿Y軸負(fù)方向清掃，以此往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，則按下面的方法進(jìn)行規(guī)劃和避障：當(dāng)清潔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到障礙物的最左邊點(diǎn)時(shí)，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)和驅(qū)動(dòng)輪光柵的脈沖數(shù)計(jì)算出最左邊點(diǎn)的坐標(biāo)。然后根據(jù)超聲波測距傳感器收到的信息沿著障礙物邊緣行進(jìn)相當(dāng)于X軸方向一個(gè)車身的距離，再原地旋轉(zhuǎn)到Y(jié)軸負(fù)方向，沿Y軸負(fù)方向繼續(xù)清掃，這樣一直往返清掃，當(dāng)掃地機(jī)器人在沿障礙物邊緣清掃時(shí)超聲波傳感器突然收不到信號即到達(dá)了障礙物的最右端點(diǎn)，掃地機(jī)器人將原地一直向左旋轉(zhuǎn)直到超聲波傳感器再次收到信號為止，然后沿障礙物的上邊沿行進(jìn)到障礙物的最左端點(diǎn)，再沿Y軸方向進(jìn)行往返清掃，行進(jìn)路徑和障礙物下邊沿的行進(jìn)路徑類似。這樣就可以在清掃過程中自動(dòng)避開障礙物。 5.4 齒輪的強(qiáng)度校核 （Ⅰ）校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 （1）接觸應(yīng)力的計(jì)算 由文獻(xiàn)[4]表可知，齒面接觸應(yīng)力計(jì)算公式，即 （3.28） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 ① 計(jì)算載荷系數(shù) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，載荷平穩(wěn)，由文獻(xiàn)[4]表可知，取 平均分度圓直徑 mm 平均分度圓圓周速度 m/s 由文獻(xiàn)[4] 圖（a）可知，按，得； 由文獻(xiàn)[4] 圖（b）可知，按，齒輪懸臂布置，； 由文獻(xiàn)[4]表可知，； ② 由文獻(xiàn)[1]表可知，彈性系數(shù)； ③ 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 計(jì)算得， MPa （1） 接觸疲勞強(qiáng)度的許用應(yīng)力 由文獻(xiàn)[4] 表可知，許用接觸應(yīng)力計(jì)算公式，即 （3.29） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 ①小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限MPa ②最小安全系數(shù) ③由文獻(xiàn)[1，10-13]可知，計(jì)算應(yīng)力循環(huán)系數(shù) 由文獻(xiàn)[1] 圖10-19可知，查得接觸疲勞壽命系數(shù) ， ④尺寸系數(shù) ⑤工作硬化系數(shù)，按 ⑥潤滑油膜影響系數(shù)， 計(jì)算得， MPa （3）由于MPaMPa，故安全。 （Ⅱ）校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 （1）齒根應(yīng)力的計(jì)算 由文獻(xiàn)[4]表可知，彎曲應(yīng)力計(jì)算公式，即 （3.30） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 ① 由文獻(xiàn)[1]表可知， ， ② 由文獻(xiàn)[1]表可知， ， 計(jì)算得， MPa （2）彎曲強(qiáng)度的齒根許用應(yīng)力 由文獻(xiàn)[4]表可知，齒根許用應(yīng)力計(jì)算公式，即 （3.31） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 ①彎曲疲勞極限MPa ③ 齒輪的應(yīng)力修正系數(shù) ④ 彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù) ⑤ 彎曲疲勞壽命系數(shù) ， ④彎曲疲勞的尺寸系數(shù) 計(jì)算得， （3） 由于MPaMpa，故安全。 5.5 掃地機(jī)器人的智能控制系統(tǒng) 掃地機(jī)器人在工作過程中難免遇到各種障礙物，如果不及時(shí)躲避障礙物，將影響掃地機(jī)器人正常工作。因此在掃地機(jī)器人內(nèi)部安裝三個(gè)超聲波測距傳感器，用來檢測掃地機(jī)器人行進(jìn)路線上是否有障礙物。超聲波測距傳感器安裝位置如下圖所示。 超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面處，會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測量距離的作用。避障功能的實(shí)現(xiàn)正是利用了這一超聲波測距的原理。超聲波傳感器測距原理如圖所示。 超聲波傳感器接收到反射信號，檢測出前方有障礙物時(shí)，向控制器發(fā)出信號， 控制器控制掃地機(jī)器人轉(zhuǎn)向，躲避障礙物，根據(jù)信號的幅值大小，也可以初步確 定障礙物的大小。選用超聲波測距傳感器，實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，避免與家具等物 品發(fā)生碰撞，從而避免損壞相應(yīng)物品。為了防止掃地機(jī)器人遇到臺階時(shí)跌落，在掃地機(jī)器人背面安裝3個(gè)防跌落傳感器。防跌落傳感器安裝位置如閃圖所示。防跌落傳感器利用超聲波進(jìn)行測距。當(dāng)掃地機(jī)器人行進(jìn)至臺階邊緣時(shí)，防跌落傳感器利用超聲波測得掃地機(jī)器人與地面之間的距離超過限定值，向控制器發(fā)送信號，控制器控制掃地機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向，改變掃地機(jī)器人行進(jìn)方向，從而實(shí)現(xiàn)防止跌落的目的。 6 掃地機(jī)器人的三維建模 6.1 動(dòng)力輪的三維建模 6.2 萬向輪的三維建模 6.3 毛刷的三維建模 6.4 掃地機(jī)器人的三維建模 7 三維軟件設(shè)計(jì)總結(jié) 在最近的一段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我們充分把握的設(shè)計(jì)方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗(yàn)與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，會(huì)遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時(shí)的指導(dǎo)，確保設(shè)計(jì)進(jìn)度，本文所設(shè)計(jì)的是20噸掃地機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過初期的定題，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會(huì)到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進(jìn)取才可要做的好，總之，本設(shè)計(jì)完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 通過此次設(shè)計(jì)，又一次提升了運(yùn)用三維軟件的水平，并吸收了不少經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)為一下幾點(diǎn)。 有零件圖紙作圖與空想設(shè)計(jì)作圖不同，零件尺寸已經(jīng)給出，作圖時(shí)先不考慮尺寸是否真的合適，根據(jù)尺寸作出零件的三維圖，但到裝配時(shí)必須要考慮尺寸是否合適，由于AutoCAD圖紙效果不好，導(dǎo)致尺寸會(huì)有出錯(cuò)，甚至有出現(xiàn)欠定義尺寸，所以，此時(shí)必須通過配合后在衡量尺寸，再進(jìn)行修改，直到滿足配合要求。 工具集的確方便了作圖，通過選擇零件類型，輸入數(shù)據(jù)，就能生成出標(biāo)準(zhǔn)零件，但有時(shí)需要用到的零件在工具集上也未必能找到，所以此時(shí)要隨機(jī)應(yīng)變，運(yùn)用其他零件代替并通過修改或添加零件使其滿足要求。 作三維圖時(shí)要靈活變通，解決問題的方法總比問題多，當(dāng)一種方法不能正常作圖時(shí)，試試另一種方法，這不但能完成零件制作，同時(shí)也可以培養(yǎng)出更好的作圖思路，和打破規(guī)矩的新想法。 規(guī)則的零件，要學(xué)會(huì)使用一些能夠節(jié)省時(shí)間的命令，如鏡向，陣列等，“能省則省”。 關(guān)于裝配，曾經(jīng)帶給我很大的阻礙，花了很多時(shí)間才弄清原因所在。在一可活動(dòng)子裝配體上，即使活動(dòng)范圍會(huì)產(chǎn)生干涉，也不能對其設(shè)定活動(dòng)范圍，如高級配合里的距離范圍，和角度范圍，即使在該活動(dòng)范圍并不影響父配體，也不可設(shè)定。因?yàn)橐坏┰O(shè)定范圍后，在父裝配體上會(huì)將子裝配體視為完全定義的模型，這樣會(huì)對子裝配體之間的配合產(chǎn)生矛盾，將不能完成裝配。 看懂圖是作圖的首要任務(wù)，看圖就是了解零件的工具，沒有工具則無法制出 零件，所以畫圖不能急于下筆，想透了零件的結(jié)構(gòu)，想透圖中的虛實(shí)線，這才是高效作圖的重中之重。進(jìn)行零件建模前，一般應(yīng)進(jìn)行深入的特征分析，搞清零件是由那幾個(gè)特征組成，明確各個(gè)特征的形狀，他們之間的相對位置和表面連接關(guān)系，然后按照特征的主次關(guān)系，按一定的順序進(jìn)行建模。一個(gè)復(fù)雜的零件，可能是許多個(gè)簡單特征經(jīng)過相互之間的疊加、切除或相交組成。所以零件建模時(shí)，特征的生成順序十分重要，不同的建模過程雖然可以構(gòu)造出同樣的實(shí)體零件，但其造型過程及實(shí)體的構(gòu)型結(jié)構(gòu)卻直接影響到實(shí)體模型的穩(wěn)定性、可修改性、可理解性及實(shí)體模型的應(yīng)用。 尤其在二維圖紙上，我們能看到的只是零件的平面圖，而內(nèi)部特征則以虛線給予表示，另外還有零件的相貫線，這表示了各個(gè)特征相交時(shí)出現(xiàn)線段。在零件的草圖繪制過程中，必須要選好第一個(gè)草繪平面，這很關(guān)鍵，這個(gè)平面決定了往后建模的所用到的命令，簡單的說，一個(gè)圓柱可以作一個(gè)圓形然后拉伸，也可以作一個(gè)長方體旋轉(zhuǎn)，雖然他們的結(jié)果都一樣，但所用的草繪平面和命令就截然不同。如果我們要的是一條軸，那我們就應(yīng)該選擇第二種方法為好了。 由于此設(shè)計(jì)的零件都是比較規(guī)則的零件，所用到的命令大部分是拉伸命令和旋轉(zhuǎn)命令，而且很多零件都是擁有對稱關(guān)系，所以為了節(jié)省時(shí)間，提高效率，經(jīng)常會(huì)用到鏡向特征命令。 一張完整的工程圖應(yīng)具備以下4方面的內(nèi)容。 一組視圖：用一組視圖（其中包括視圖、剖視圖、斷面圖、局部放大圖）確、完整、清晰地表達(dá)零件各部分的結(jié)構(gòu)形狀。 尺寸：確定零件各部分形狀的大小和位置 技術(shù)要求：表明零件在制造和檢驗(yàn)是應(yīng)達(dá)到的一些要求，如表面粗糙度、尺寸公差、形位公差、材料熱處理方式和指標(biāo)等。 標(biāo)題欄：注明零件名稱、材料、數(shù)量、圖樣比例以及圖號等內(nèi)容。 單擊【新建文件】圖標(biāo)，系統(tǒng)顯示新建SolidWorks文件對話框，雙擊該對話框中得裝配體選項(xiàng)，即可進(jìn)入裝配體工作模式。 調(diào)入第一個(gè)零件模型并放置在裝配體的原點(diǎn)處，即零件原點(diǎn)與裝配體原點(diǎn)重合。調(diào)入一個(gè)與第一個(gè)零件模型有裝配關(guān)系的零件模型。分析兩個(gè)零件之間的裝配約束關(guān)系，然后選取相應(yīng)的約束選項(xiàng)進(jìn)行零件操作。 結(jié) 論 在最近的一段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我們充分把握的設(shè)計(jì)方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗(yàn)與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，會(huì)遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時(shí)的指導(dǎo)，確保設(shè)計(jì)進(jìn)度，本文所設(shè)計(jì)的是掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)，通過初期的定稿，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會(huì)到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進(jìn)取才可要做的好，總之，本設(shè)計(jì)完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 參考文獻(xiàn) [1] 鄭淑芳 機(jī)械設(shè)計(jì)理論研究與探討 北京：科學(xué)出版社，2004.5 [2] 黃長藝 掃地機(jī)器人操作系統(tǒng)概述 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.1 [3] 周宏甫 掃地機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì).高等教育出版社，2004.3 [4] 姜繼海，宋錦春，高常識. 掃地機(jī)器人工作原理.高等教育出版社，2002.8 [5] 張春林，曲繼方，張美麟.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社，2001.4 [6] 錢平. 加工專機(jī)應(yīng)用技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社，2005.1 [7] 張遼遠(yuǎn). 掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 機(jī)械工業(yè)出版社，2002.8 [8] 基恩士傳感器選擇手冊 2010版本 [9] 黃長藝，嚴(yán)普強(qiáng).機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ). 機(jī)械工業(yè)出版社，2001.1 [10] 張桓，陳作模.機(jī)械原理.高等教育出版社，2000.8 [11] 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Dynamic Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space 致 謝 至此在論文完成之際，向我的導(dǎo)師表示由衷的感謝！真心的感謝我的導(dǎo)師這幾年來對我的諄諄教導(dǎo)，感謝我敬愛的老師，您不僅在學(xué)習(xí)學(xué)業(yè)上給我以精心的指導(dǎo)，同時(shí)還在思想給我以無微不至的關(guān)懷支持和理解，給予我人生的啟迪，使我在順利地完成大學(xué)階段的學(xué)業(yè)同時(shí)，也學(xué)到了很多有用的做人的道理，明確了人生目標(biāo)。知道自己想要什么了，不再是從前那個(gè)愛貪玩的我了。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，銳意創(chuàng)新的學(xué)術(shù)作風(fēng)，認(rèn)真加負(fù)責(zé)，公而忘私的敬業(yè)精神，豁達(dá)開朗的寬廣胸懷，平易近人。經(jīng)過近半年努力的設(shè)計(jì)與計(jì)算，查找了各類的掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)資料，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動(dòng)和開心。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因?yàn)槲易约阂呀?jīng)盡力的做了，它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學(xué)四年來對所學(xué)知識的應(yīng)用和體現(xiàn)。四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的個(gè)人能力，更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多有用的知識，在此對所有關(guān)心我?guī)椭业谋磉_(dá)我由衷敬意，謝謝各位同學(xué)老師。 XXII