機械(論文)_家用清掃機器人的結構設計-資料下載頁

【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，使得動力平穩與適當。家用清掃機器人的結構設計和參數確定；蝸輪蝸桿的選擇和參數計算；帶傳動的設計及帶的選取等；[3]于駿一鄒青編主編.機械制造技術基礎[M].北京：機械工業出版社，[6]岑軍健主編.新編非標準設備設計手冊[M].北京：國防工業出版社，與工業生產實際結合緊密。其中，服務機器人開辟了機器人應用的新領域，自主移動家庭清掃機器人。為家庭服務機器人的推廣奠定了良好的基礎。服務機器人的出現主要有三大原因：一。服務機器人區別于工業機器人的一個主要特征就是服務機器人是一種適用。的移動性，因此服務機器人大多數是移動機器人。服務機器人已經滲透了我們的生活、工作和經濟方面，并且起到了很大的作用。服務機器人的研究和發展對我們的經濟發展有很多的影響。人對我國機器人現狀的一些調查和理解看法，在機器人發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量都集中在這一部分。為了減輕機器的質量，使其在使用時更方便一寫，將這一部分單獨設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量，清掃機構的固定件如圖所示 : 最終設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) 按橡膠在優質路面上行走，取 滾動摩擦系數 δ=1，滑動摩擦系數 μ=， 則 : 滾動摩擦阻力 Mf=δ?F=l = 滑動摩擦阻力 f=F?μ= = 由前面的總體設計中機器的各個機構的布局安排，車體底盤應至少高于地面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]到機器人在轉彎時要求其轉彎半徑為零，這樣就要求兩個和電機相連的輪子在轉彎時必須差速運轉從而才能實現轉彎半徑為零。而要實現差速運轉則要求電機具有調遣功能，再由 (2)中所算得電機輸出功率、從而通過在網上搜索查到了寧波市北倉深港交流調速電機廠生產的 YCJT 系列電機滿足設計中所需要的電機要求，因為運轉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速電機廠網站上給的產品的技 術指標和安裝型號中選型號為 YCJT61 輸出功率為 6W，速度可調范圍為 901350r/min， 1200r／ min 時轉矩為 啟動轉矩為 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，所以選用它為驅動機構的電機 。 蝸輪蝸桿的選擇 (1)選擇蝸桿傳動類型 根據 GB /T100851988 的推薦，采用漸開線蝸桿 (ZI) (2)選擇材料 因為本次設計所用的蝸桿和渦輪是清掃機構功率的輸如部分，是機器人結構中最重要的部分， 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計 確定載荷系數 K 根據傳動比 選擇為 i=14，參考蝸輪蝸桿參數表取 Z1=2，則 Z2=28。 因為工作載荷較穩定，故取載荷分布不均勻系數 =1，由 查 表 《機械設計》確定計算公式所需參數： =1，由于轉速不高，沖擊不大，可取動載荷系數 =1. 1；則 載荷系數 K= =1**1=； 確定 作用在渦輪上的轉矩 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《機械設計》得： Ze =160 。 確定接觸系數 先假設蝸桿分度圓直徑 d1 和傳動中心距 a 的比值 d1/a=，從《機械設計》查表的 Zp=。 確定 應力循環次數 應力循環次數 N2=60 N2Lh=60*206*12021=*108 查《機械設計》得： =230MPa =90MPa = = 194Mpa； = = =52MPa 計算中心距 a≥ *234469*( 160* /194) = 取 a=40mm，因 i=14，從《機械設計》中查表取模數 m=2mm，蝸桿分度圓直徑 d1=。這時 d1/a=，從《機械設計》中查圖得 Zp=＜ ，因此以上計算結果可用。 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。本設計不采用變為，取 a=。 (4) 驗算初設參數 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，所選材料合適。 蝸桿傳動效率 =（ ~） 根據 =， 查表得 =2176。， = =，傳動效率 =（ ~） *=~，與初選 =不符， 初 效率應適當降低。 （ 5）驗算齒根彎曲疲勞強度和剛度 = ( )/ = 蝸輪當量齒數 = / =，查得齒形系數 =； 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 的主要參數和 幾何尺寸 蝸桿 軸向齒距 Pa= 直徑系數 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 m=2， 頭數 z=2 齒根高 hf=，齒頂高 ha=2mm。 渦輪 渦輪齒數 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， 所以工作時產生熱量大。對閉式蝸桿傳動，摩擦所產生的熱量將通過箱體散發到空氣中去。本設計中，蝸桿傳動產生的熱量直接散發到機器內，通過吸塵時產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。 清掃機構的電機的選擇 因為清掃機構中刷子的旋轉速度只要達到 3r/s 就可以實現清掃目的，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計為 1： 1，所以要求蝸輪的轉速大約為 180r/min 到 210r/min 左右即完成清掃任務，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速大 約自 2600r/min3000r/min 之間，因而選電機型號為 55SZ01，轉速為 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 為清掃機構的動力輸入部分。 家庭清潔機器人電池的選用 工作環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，正逐步走向實用化，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、結構簡單可靠，工藝成熟，能量密度低。銀鋅電池是現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，價格貴、充電時間長、壽命短充電次數步。鎳鎬電池和鎳鋅電池電壓低、價格貴，應用較少。 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階段。 由以上對各種電池的分析，同時考慮到本次設計的要求，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、結構簡單可靠、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，球軸承 =3，滾 子軸承 =10/3； n軸承轉速 r/min； C基本額定動載荷（ N），可由軸承樣本或有關機械設計手冊中查到。 經查表得 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，其值見機械設計 P321 表 135； Y軸向載荷系數，其值見機械設計 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，考慮機器的運轉情況對軸承載荷的影響，查表 136（機械設計 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。 經計算解 得 Fr=， Fa= 由 已知 條件可知，軸承是關于蝸輪 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。 清掃機構中渦輪軸的校核 軸上能使產生彎矩的 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 于前面已經選定軸的材料為 45 鋼，調制處理，查表 [ ]=，故符合強度要求。 第五章 總結 與發展 發展趨勢 雖然我國 自主 清掃 機器人的研究已經取得了很大進步， 市場已經投入銷售，進入了實用階段，但是自主能力、工作效率方面還不 夠 理想， 還面臨這一些關鍵技術的提高，比如 傳感器技求、定位和環境建模技術、路徑規劃技術等，再此 基礎上，自主吸塵機器人 才 可以向著高度智能化、多功能集成、低成本的方向發展。 高度智能化 需求 現在的自主吸塵機 器人在行為上還處于“低級生物”的階段，環境感知能力有限，對路徑的規劃只是隨機的方式或者基于局部環境信息的規劃方式，在復雜環境和多房間的環境下，這種工作方式的效率會銳減，因此，建立 CCD 視覺系 統，融合多種傳感器 進行定位和環境建模，實現全局路徑規劃，將是一個重要的研究方向同時，算法必須考慮系統的處理速度、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境檢測（防止火災電器故障盜竊等 )這方面的市場需求已經被 Tmsuk 和三洋公 司抓住并在 2021 年發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，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使用者望而卻步 ，