1、 室内地面自动清洁机 学生姓名 学 号 所属学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 15-1 指导老师 日 期 15 届毕业设计 前 言 随着人民生活水平的提高，现代家庭的住宅越来越宽敞，地面清洁工作量越来越大。为了节省清洁占用时间，减轻劳动量，提高清洁工作效率和清洁度。本 文中设计了一台具有独特之处的家用自动清洁机。目前市场上所拥有的清洁机构主要是依靠电动机带动抽风机的高速运转产生极强的吸力和压力，从而使清洁机内部产生瞬时真空吸力，与外界大气压形成压力差，从而将空气中的灰尘以及地面的污垢垃圾吸入清洁机内。与以往的清洁机构相比较本设计的独特之处在于：一是它采用了锂电池作为能量源，每次使用
2、完以后可以直接将电池取下充电，这样可以重复的使用，而且从用的是直流电动机，电动机的功率较低，比普通清洁机的耗电量要低很多；二是本自动清洁机的体积小，结构简洁，使用方便，不仅能够清洁开阔地面，而且 能够清洁沙发、家具等 占用狭小空间的地面；三是本次设计机构的拖布和清洁机的集尘袋的清洗方便很多可以直接取出用水洗干净。 综 上所述，本次设计的室内地面自动清洁机有着很高的市场研发价值以及实际使用价值。本次设计的圆满成功可以解决许多日常生活中清洁卫生的问题，大大的减轻劳动强度，提高清洁的效率，节约成本和花费。 关键词： 家用清洁机；运动原理；清洁方式 目 录 1 绪论 .错误 !未定义书签。 1.1 引
3、言 .1 1.2 研究的目的和意义 .1 1.3 国外产品研究状况 .1 1.4 国内产品研究状况 .2 2 室内清洁机的关键部分 .2 2.1 传感技术 .3 2.2 路径规划技术 .3 2.3 吸尘技术 .3 2.4 电源选择 .3 3 室内清洁机的机械设计 .4 3.1 总体设计 .4 3.2 行走机构设计 .5 3.3 吸尘机构的设计 .5 3.4 吸尘机构的设计 .5 4 机械结构的参数计算 .6 4.1 驱 动电机的选择 .6 4.2 蜗轮蜗杆的选择 .7 4.3 吸尘机构电机的选择 .9 4.4 家用室内清洁机电池的选择 .9 4.5 驱动机构上蜗杆轴承的寿命的计算 .9 4.6
4、 清扫机构中蜗轮 轴的校核 . 10 总 结 . 12 致 谢 . 13 参考文献 . 13 1 1 绪论 1.1 引言 自第一台工业清洁机问世以来，清洁机有着突飞猛进的发展。清洁机在工业、国防和科学技术中日益广泛的应用，带来了巨大的经济和社会效益，也有力地推动了 有关学科和技术领域的发展。家用清洁机是一个新的清洁机研究领域。作为正在发展新研究领域，家用清洁机有许多不同的定义，但它的最基本特征是提供服务。和工业清洁机一样，家用清洁机基本上包括清洁机的所有基本特性。它往往和人结合于同一工作环境中，这隐含着许多工业清洁机没有的特性，如安全问题、人机交互性、在非结构化环境中的高度自治等。目前家用清洁
5、机成功应用的领域有雕刻，吸尘，清洗，医疗，等等。从长期来看，家用清洁机的应用数量将会超过工业清洁机。 1.2 研究的目的与意义 清洁机将移动机器技术和清洁技术有机地融合起来，实现 室内环境（地面）的半自动或全自动清洁，替代传统繁重的人工清洁工作，近年来已受到国内外的研究人员重视。作为智能移动机器的一个特殊应用，从技术方面讲，智能化自主式清洁机比较具体地体现了移动机器的多项关键技术，具有较强的代表性。从市场前景角度讲，自主清洁机将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于家庭和公共场馆的室内清洁。因此，开发自主智能清洁机既具有科研上的挑战性，又具有广阔的市场前景。融合现代传感器以及机器领域的关键技术
6、，本课题旨在开发一部价格便宜，全区域覆盖，能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家庭清洁机器。 使它可以替代传统的家庭人工清扫方式，使家庭生活电气化、智能化，使科技更好地为人类服务。 1.3 国外产品研究状况 RC3000 是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的室内清洁机，它有光电传感器和芯片控制，当遇到障碍时，会随机改变一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物。内置了四种清洁程序，保证在遇到不同污渍的地面时，可以调整其清洁程序；通过传感器对于地板污渍的判断，选择合适的应用程序。内置光敏传感器，确保在遇到楼梯与台阶时，能够自动避让，不会掉落。扁平的设计使其能够清洁床，沙发，茶几等家具
7、的下部 位置。其相应的充电站有红外发射、工作时间设定、工作模式选择、充电、垃圾处理五个功能。充电站一直发射红外定位和导航信号来指引清洁机回到充电站完成充电和垃圾处理的任务；同时能够根据用户设定的信息来控制清洁机完成相应的操作。 松下电器产业公司在 2002 年上半年推出了家庭用室内清洁机的试制机。该清洁机可以根据房间的形状、地板状况、垃圾量进行自动清扫，还配备有避开墙壁、炉子等热源以及障碍的安全功能；该清洁机配备有 50 个传感器可一边自动行走一边进行清扫，工作时首先沿房间四周走一圈，记忆房间形状，然后在避开障碍物的同 时开始纵横来回移动，清洁工作完成后会自动停止。该清洁机清扫一般的日本式房间
8、约需要 9min，相当于人打扫同样大房间所需时间的 1-1.5 倍，可清扫房间地板的 92 93；清洁机利用光及超声波的测距传感器及感压传感器来避开障碍物，清洁机的内置回转传感器用来控制行走姿势以保持既定的行进方向，但在地毯上行走时如果不采取措施则会受到“地毯花纹”影响而弯曲前进，因此该公司在清洁机中安装了方向舵传感器，可以检测出由于地毯花纹影响而产生的行进方向偏差，因此即使在铺有地毯的地板上也能够直线前进，清洁机体内还安装有防止从台阶等 高处滚下的落差传感器、感知暖炉等热源的热传感器、检测自身所受外力大小的重量传感器及防滑传感器、检测添加动力的负载传感器，清洁机同普通的障碍物最少保持 10c
9、m的距离，而在探测到热源时，将会同热源至少保持 50cm 的距离。 瑞典家电制造商伊莱克斯（ EIectoIux)研制生产的室内清洁机小“三叶虫”高 13mm，直径 35mm，表面光滑 ,呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一旦微处理器识别出这些障碍物，它可重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落 都被清扫。在楼梯的台阶等一些没有天然障碍物的地方，只要有一条磁铁，小“三叶虫”便不会跨越。小“三叶虫”开始启动后，体内的搜索雷达会探测出距离最近的墙壁，先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽。这样它便能探测出整个房间的格局，计算出
10、清扫整个房间所需的时间。只要一接近一件障碍物，它便会重新设定行进路线，不会漏掉每一个角落。电线或地毯的边缘不会被认作是障碍物。小“三叶虫”的吸刷装置中装有一只专利设计滑轮，可以越过电线或地毯边缘，不被绊住。电源不足时，小“三叶虫”会自动回到充电卡座自行充电。 如果此时2 房间还没有清扫完 毕，小“三叶虫”还有记忆功能，充好电后自己回到原处继续吸尘。 图 1-1 三叶虫 2003 年 11 月，三星公司推出一款代号为 VC-RP30W 的清洁机清洁机。 VC-RP30W 主要依靠 3D地图技术来进行定位，并能灵巧地躲避障碍物，能够快速、高效地对房间每个角落进行吸尘。当遇到障碍物或者死角等情况，
11、VC-RP30W 会自动转向继续工作。其强大的智能判断系统使得 VC-RP30W能轻易地分辨出垃圾与其他日常生活用品，清洁机也允许用户定义它的工作时间及清扫区域等，从而实现主人不在家时清洁机也能进行自动清扫。事实上，用 户除了可以对它本身进行设置以外，还能通过计算机查看安装在清洁机前部的摄像头进行远程遥控。整个器人的电池能维持它连续工作50 分钟，而一旦电池处于即将耗尽的状态时它自动回到充电座补充能源，非常地智能化。它回充电站使用的是已经生成的 3D 地图，而不是像 RC3000 那样使用红外的导航信号。 地面室内清洁机作为智能移动清洁机实用化发展的先行者，到目前为止，已经产生了一些概念样机和
12、产品。吸尘清洁机的发展，带动了家庭服务清洁机行业的发展，也促进了移动清洁机技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。 1.4 国内产品研究状 况 在国内的一些大学，如哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单位也对室内清洁机进行了大量的研究并取得了一些成果，对室内清洁机相关技术如机器感知、清洁机导航和定位与路径规划、清洁机控制、电源与电源管理、动力驱动等技术的研究则更多，这些都为室内清洁机的研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。 哈尔滨工业大学于 90 年代开始致力于这方面的研究，与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清洁机。该清洁机具有如下特点：采用全方位移动技术，使清洁
13、机可执行对狭窄区域等死区的清扫任务；采用开放式清洁机铰制结构， 实现硬件可扩展，软件可移植、可继承，使清洁机作为服务载体具有更好的功能适应性；在拥挤环境下的实时避障功能，能更好地适应不断变化的清扫工作环境；遥控操作和自主运动两种运行方式；吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换，提高了吸尘效率。 浙江大学于 1999 年初在浙江大学机械电子研究所开始进行智能清洁机的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主清洁机。这种智能清洁机工作时，首先进行环境学习：利用超声波传感器测距，与墙保持一定距离行走，在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时间；之后，利用随机和局部遍 历规划相结合的策略
14、产生高效的清扫路径；清扫结束以后，自行回到充电座补充电力。吸尘清洁机在 5.53.5m2 的实际家庭环境中，工作 10 分钟可以达到 90%以上的覆盖率。更大房间的清扫试验还没有进行。目前，系统正在引入机器视觉和全局 定位功能，力图在多房间环境下，提高自定位能力、智能决策能力以及回归充电效率，最终提高清扫效率。如图1-4 所示 。 KV8 保洁清洁机是今年在市场以低价位卖得比较火的一款产品，也是国内首个产品化清洁机。它广泛用于家庭、办公和娱乐场所，以及其它一些人员不便进入的地方。 KV8 能够通过自身的碰撞传感 器来实现随机的清扫和碰撞处理，需要人工对其电池进行充电，有三种工作模式可以选择，在
15、启动时伴有音乐声。 2 室内清洁机的关键部分 室内地面自动清洁机通常可由 5 个主要部分组成：控制器部分、行走驱动部分、传感器部分、清洁部分和电源部分。行走驱动部分是清洁机的主体，决定了清洁机的运动空间，一般采用轮式机3 构。传感器部分一般采用超声波测距仪、接触和接近传感器、视觉传感器、红外线传感器和 CCD 摄像机等。这种清洁机实际上融合了移动清洁机和清洁机技术，故称为智能清洁机或清洁机。随着近年 来计算机技术、人工智能技术、传感技术以 及移动清洁机技术的迅速发展，清洁机控制系统的研究和开发己具备了坚实的基础和良好的发展前景。目前发展较快、对清洁机发展影响较大的关键技术是：传感器技术、环境建
16、模、定位、路径规划技术。 2.1 传感技术 传感器是清洁机的感觉器官，负责采集外界环境和自身状态的信息。根据采集信息的种类可以分为内传感器和外传感器。内传感器负责采集系统自身状态的信息，包括编码器、陀螺仪、电子罗盘等。外传感器负责采集系统外部信息，包 括 CCD 视觉传感器、激光雷达、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器。超声波、红外和接触传感器，具有价 格低廉、工作可靠、速度快的优点，广泛应用于清洁机的局部无碰撞导航。激光雷达是应用较为广泛的一种全局信息获 取手段，可以进行定位和环境建模，但是所提供的信息不全面，并且价格较高，限制了其应用范围。而 CCD器件可以提供类似人类的视觉信息，
17、随着技术的发展，其价格越来越低，在车牌识别、人脸识别、无人监控、遥感图像等领域得到越来越广泛的应用。但是图象处理的数据量大，算法复杂，特征提取和深度信息回复困难，所以在清洁机视觉方面的应用还是有限的。随着集成电路的发展和计 算机视觉的深入研究， CCD 视觉传感器必将成为清洁机环境 感知的主要来源，同时促使清洁机智能产生飞跃。 2.2 路径规划技术 室内清洁机的路径规划就是根据清洁机所感知到的工作环境信息 ,按照某种优化指标 ,在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径 ,并且实现所需清扫区域的合理完全路径覆盖。清洁机路径规划研究开始于 20 世纪 70 年代，目前对这一问题研究仍旧十分
18、活跃。其主要研究内容按清洁机工作环境不同可分为静态结构化环境、动态已知环境和动态不确定环境 ,按清洁机获取环境信息的 方式不同可以分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。对运动规划问题 ,目前有具体的解 析算法。但由于解析算法牵涉到复杂的椭 圆积分问题 ,实现起来依然具有相当的难度。根据清洁机对环境信息知道的程度不同 ,可以分为两种类型 :环境信息完全知道的全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知 ,通过传感器在线地对清洁机的工作环境进行探测 ,以获取障碍物 的位置、形状和尺寸等信息的局部路径规划。全局路径规划包括环境建模和路径搜索策略两个子问题。其中环境建模的主要方法有 :可视图法 (
19、V-Graph)、自由空间法 (Free Space Approach)和栅格法(Grids)等。 2.3 吸尘技术 真空清洁机是由高速旋 转的风扇在机体内形成真空从而产生强大的气流，将尘埃和脏物通过吸口吸入机体内的滤尘袋内。吸尘系统包括滤尘器、集尘袋、排气管以及其他一些附件。其吸尘能力取决于风机转速的大小。最近 ,澳大利亚 Jetfan 公司又开发出采用新原理的气流滤尘器。这个清洁机是一个全封闭系统 , 既无外部气体吸入 ,也无机内气体排除 ,所以就无需滤尘器、集尘袋、排气管等附件。其原理是利用附壁效应去形成低压涡流气体 ,最后将沉渣截留于清洁机内的涡流腔内。在英国 Dyson 公司最近推出
20、的 DC06 型智能清洁机中就采用了这种技术。 吸尘技术的基本结构按 功能分为五个部分： 1.动力部分：清洁机电机和调速器。调速器分手控、机控。电机：有铜线电机和铝线电机之分。铜线电机有耐高温、寿命长、单次操作时间长等优点，但价格较铝线比较高；铝线电机有着价格低廉的特点，但是耐温性较差、熔点低、寿命不及铜线长。2.过滤系统：尘袋、前过滤片、后过滤片。按过滤材料不同又分：纸质、布质、 SMS、海帕（ HEPA高效过滤材料）。 3.功能性部分：收放线机构、尘满指示、按钮或滑动开关。 4.保护措施：无尘袋保护、真空度过高保护、抗干扰保护（软启动）、过热保护、防静电保护。 2.4 电源 选择 移动电源
21、在清洁机中的地位十分重要 ,可以说是它的生命源。移动电源需要同时满足清洁机的多种能源需要 ,如为移动机构提供动力 ,为控制电路提供稳定的电压和为吸尘操作模块提供能源等。在这一领域 ,一般采用化学电池作为移动电源。理想的电源应该能够在放电过程中保持恒定的电压、内阻小以便 快速放电、可充电以及成本低等。但实际上没有一种电池可同时具备上述优点 ,这就要求设计人员选择一种合适的电池 ,尽可能增加清洁机的不间断工作时间。 4 3 室内清洁机的设计 3 1 总体设计 整个清洁机的机械结构可以分为： 2 个后轮驱动系统，前轮 系统，吸尘系统。系统模块都是单自由度和车体基板相连接。清洁机本体良好的结构设计是其
22、他各项功能的基础。由于移动清洁机所采用的机械传动方式，加工制作等所产生的固有误差，势必对移动清洁机的控制带来影响，增加控制难度，所以在清洁机本体设计上，要充分考虑这些因素，尽量减小系统的固有误差，为实现更精确的控制创造条件。移动清洁机的机械传动尽可能选用一些传动平稳、可靠、简单实用的传动方式。车体的形状，传感器的种类、数量和位置，软件所采取的算法，这三者必须作为一个整体综合加以考虑才易于使智能清洁机达到良好的效果。车体形状的选 择应该比较优化和适当简化，这样智能清洁机不仅便于移动和工作，也便于传感器的安装和提高传感器的利用效果，最后对软件的编写也是有利的，比如使程序结构更合理，更简洁，易于阅读
23、，执行速度更快，可靠性提高清洁机外形将影响它的覆盖区域。好的外形不仅能降低移动清洁机的算法复杂程度，而且能减少区域边角的死区，还能降低能耗提高行走精确度。清洁机外形主要有矩形、圆形。考虑到机构和控制的复杂性本文清洁机采用圆形本体，圆形车体的最大优点就是运动灵活，控制简单，不会发生卡死的现象。本文的清洁机原形样机的车体采用铝合金板经机械加工而成 。车体前端是由一套机械装置和光电开关组成，用于检测运动方向上的障碍物。左右二个后轮独立驱动，每个轮子都有电机、码盘、光电传感器，各自是一个独立的系统，只接受控制系统的控制信号和反馈给控制系统运动信息。中间部分是吸尘系统，包括一个电机驱动的吸尘装置。 图
24、3-1 车体 1 万向轮； 2 电机； 3 吸尘盘； 4 传动轴； 5 蜗杆轴承座； 6 支撑架； 7 车轮； 8 吸尘电机； 9 集尘箱； 10 蜗杆； 11 吸尘管； 图 3-1 机体 5 3.2 行走机构设计 为实现清洁机 的转弯半径为 0，在清洁机的行走机构中采用两轮驱动，两个驱动轮对称分布在吸尘机构的后方，两个轮子支撑机体工作和运动。在清洁机转弯时，通过控制行走机构的两个电机的转速及旋转方向，进而控制两个轮子，通过轮子的前后差速运动实现机体的转弯半径 为 0。 图 3-2 行走机构示意图 3.3 吸尘机构的设计 因为所设计的清洁机它的体积有限制，在直径为三百五十，高为一百七十的圆内要
25、放置有行走机构、吸尘机构，同时还得留下放电池、控制中心、观察中心的地方。故将吸尘机构设置如图 3-4所示 图 3-3 吸尘模块 其中包括滤尘袋、吸尘风叶、吸尘电机、电机箍以及支撑板。吸尘盒、支撑板和电机箍的材料均为工程塑料，这样就保证了吸尘机构体积小，质量轻。 吸尘原理：清洁机的风叶在电动机驱动下高速旋转，并在机体内形成真空，从而产生强大的气流，吸嘴的尘埃、脏物随气流被吸入吸尘部分，并收集到滤尘袋内。 3.4 拖地机构的设 计 本来的设计方案是通过一个电机来带动拖把，通过清洁机运动和拖把自转的摩擦力来执行拖地工作，但考虑到电机过多带给电源的使用时间过短的问题，所以决定重新设计。通过对塔里木超市
26、拖把的调查，发现一种拖布和拖把分离且便于拆卸的拖地机构，经过改装后，将拖地机构设置如图6 3-4 所示： 图 3-4 拖地模块 图示的拖地模块位于地面清洁机的底部，在需要执行拖地工作时，可将定制的拖布的两端由拖布夹夹紧，拖布夹的上表面和机体的下表面为互相黏合的小齿，当拖布放上去以后，可以很好的起到固定作用，支撑 板的作用是让拖布尽量的接触地面，便于更好的清洁，工作时，拖地模块会随着地面清洁机的运动与地面产生摩擦来完成拖地作业。当完成工作后，可以轻易把拖布取下来，进行清洗并重复利用。 4 参数计算 4.1 电机选择 (1) 初步估计机器的总重量 为 9 千克， g 取 9.8N/kg，则 G=8
27、8.2N 则分配到每个轮子上的载荷 位 F=1/3G=1/3*88.2=29.4N 按橡胶在优质路面上行走， 取 1 ， 1.0 ， 则：滚动摩擦阻 力 mNFM f .0 2 9 4.01.221 （ 4-1） 滑动摩擦阻 力 f =F =2.94N 由前面的总体设计中机器的各个机构的布局安排，车体底盘应至少高于地面 10mm,取轮子直径 D 为 80mm，则 R=1/2D=40mm,则 轮子行走过程中所受的阻力矩 ： mNMRfT fW 1 4 7.00 2 9 4.0104094.2 3 （ 4-2） （ 2） 工作机要求的功率 wwwW nTP 9550 （ 4-3） 式中： mNTw
28、 147.0 由 m i n/6.1 5 26004.02 5.022 rRVnnRVww （ 4-4） 7 取 7.0w 则： WnTPwwwW 36.37.09 5 5 0 106.1 5 21 4 7.09 5 5 0 3 （ 4-5） 电机所需的输出的功 率 wd PP （ 4-6） 其中 86.02 cgr 则电机所需的输出的功率 wd PP 97.386.0 36.3 （ 4-7） （ 3） 确定电机 考虑到清洁机在转弯时要求其转弯半径为零，这样就要求两个和电机相连的轮子在转弯时必须差速运转从而才能实现转弯半径为零。而要实现差速运转则要求电机具有调速功能，再由 （ 2）中所算得电机
29、输出功率，从而通过在网上搜索查到了宁波市北仓深港交流调速电机厂生产的 YCJT 系列电机满足设计中所需要的电机要求 ，因为运转本机器时电机需要输出的功率为3.97W，由宁波市北仓深港交流调速电机厂网站上给的产品的技术指标和安装型号 中选型号为YCJT-6-1，输出功率为 6W，速度可调范围为 901350r/min， 1200 r/min 时转距为 5 N.cm，启动转距为 3.5N.cm 的电机，因为其在满足要求的情况下尺寸比我所查到的电机的尺寸都小，所以选用它为驱动机构的电机。 4-1 驱动电机图 4.2 蜗轮蜗杆的选择 （ 1）因为本次设计所用的蜗杆和蜗轮是传动机构功率的输入部分，是清洁机 结构中最重要的部分，所以选蜗杆 轴 材料为 40Cr，表面淬火，硬度 45 50HRC,蜗轮齿圈材料为 ZcuSn10Pb1,金属模铸造。 确 定许用应力： 应力循环次数 N 2 60n2 Lh =60 206 12000=1.48 810 （ 4-8） 查 机械设计 得： OH =230MPa ； OF =90MPa
