多功能智能清洁运动小车的设计

肖新华，袁友利，张文丽，杨秀芝

(湖北理工学院机电工程学院，湖北黄石435003)

0 引言

为吸引青少年参与家务劳动，设计了清洁运动小车，其包含2种工作状态，即娱乐和家用，2种工作状态可相互自由转换。为改变扫地、拖地施力方式及满足节能环保要求，小车既可依靠腿部施力工作，也可智能地进行打扫，具有扫地、拖地、擦地等功能。

设计的清洁运动小车以运动车为依托，扫地、拖地、擦地工具可以上下调整，以满足不同人群及占用空间小的要求，为适应不同的工作场合，拖地部分对地面的压力可自动调节［1］。

1 清洁运动小车系统的工作原理

通过对清洁运动小车结构、电路系统的不断优化，与目前市场上的家用机器人相比，该清洁运动小车在功能、效率上有很大的提高，具体体现在以下几个方面:

首先，该清洁运动小车根据需要可以采用不同的工作模式。小车有3种不同的工作方式:①智能清扫功能;②运动和清扫功能;③运动功能。

其次，该清洁运动小车可有效地完成各项清扫工作，包括扫地、拖地、擦地、废物回收、清水自动补给、拖地滚筒自我清洗等，实现了高效、智能的功能。小车的最前方是一个扫地刷，可将所有垃圾扫入垃圾箱;中间是一个滚刷，可将地面洗刷干净;后方是一块擦布，可将地面水吸干。

利用PROE软件对清洁运动小车进行了建模和运动仿真分析。仿真分析结果表明:该运动小车设计方案可行，能够实现预设的各项功能。清洁运动小车模型如图1所示。

图1 清洁运动小车模型

2 清洁运动小车的机械结构设计

2.1 多功能结构的设计

该清洁运动小车有效地实现了一车多用的设计目的，具有多个工作模式:①运动小车，此时需要撤走一系列的清扫工具，利用小车侧边的调节旋钮将其向上调节，这样就可以使清扫工具远离地面，从而实现运动小车的功能;②运动小车+清扫，此时将旋钮下调即可，使清扫工具与地面接触，从而实现运动和清扫的功能;③智能清扫，此时要用到自动控制装置，本装置由一个单片机和多个电子控制器件组成，实现智能清扫、蔽障的功能。

2.2 传动装置的设计

该清洁运动小车能有效地完成各项清扫工作，整套工作由一系列的传动装置来完成，该传动装置具有可靠性和稳定性高的特点。考虑到装配精度和远距离的传动，传动装置第1级、第2级、第5级采用链传动;考虑到滚筒擦地装置要与小车运动方向相反和实现小车的多功能，传动装置第3级、第4级采用齿轮传动。传动装置如图2所示。

图2 传动装置

2.3 2套转向机构的设计

要实现一车多用的目的，设计转向机构是很有必要的，也是不可或缺的。转向机构采用联轴器进行连接，当运动清洁小车作为运动车使用时，则用销钉将龙头和车身连接在一起;当清洁运动小车作为清洁工具使用时，只需拔出销钉即可。这样，就为清洁运动小车实现一车多用的目的打下了基础。转向机构如图3所示。

图3 转向机构

2.4 理论设计计算

2.4.1 清洁运动小车的外形尺寸设计

考虑到工作时使用者右脚踏在板面的正中心，清洁运动小车的宽度应以适应人群直立时双脚的间距来设计。运动小车板面宽度定为220 mm;为使使用者踏脚舒适且便于施力，板面距地面的高度不高于150 mm，取清洁状态时高度为100 mm;把手杆距地面高度不高于1 200 mm。前后附加辅助支撑轮向内伸缩，综合考虑内部清洁机构和外形美观因素，清洁运动小车前端做成圆弧，总长为420 mm。

2.4.2 调节弹簧的设计

弹簧在材料选定后，设计时需要计算出弹簧刚度E、中径D、钢丝直径d、有效圈数n和变形量ε。

以弹簧设计为例:

1)弹簧受力［2］。

估算弹簧所受力F'为40 N，考虑制造加工因素，增加1.2倍系数，F=1.2F'=48 N。

2)选材料(一般选用碳素弹簧钢丝65 Mn或琴钢丝)。以65 Mn为例，变形量ε=20。

3)许用应力。

查机械设计手册，考虑到载荷弹簧的材料的抗拉强度σb与钢丝直径 d有关，选择 σb= 2 150～2 450 MPa，取安全系数K=1.2，则σb= 1 791.7～2 041.7 MPa，σb取下限值1 791.7 MPa。

查机械设计手册，取切变模量G=78.8× 103MPa，许用切应力 τs=0.3×σb=537.51 MPa。

4)弹簧旋绕比C。初步选取C=10。

5)钢丝直径［3－4］。

6)弹簧中径。

D=Cd=16.563 mm。

7)弹簧有效圈数。

n=Gd4ε/(8FD3)=6.8，总圈数n总=n+ n1=8.8(n1为安全圈数，取2)。

8)试验载荷。

9)自由高度。

HO=n总t0+1.5d=44 mm(取整)。

其中:t0——初步估计节距，t0=d+ε/n+ δ1(δ1=0.1d)=4.76。

10)节距。

t=(HO－1.5d)/n=4.26 mm。

11)弹簧螺旋角(一般为5°～9°)。

α=arctan(t/(πD))=6.5°。

12)弹簧的稳定性验算(b＜5.3，即可满足稳定性要求)。

b=HO/D=2.66。

13)弹簧刚度。

E=Gd4/(8D3n)=2.42 N。

14)弹簧载荷。

B=E×ε=48.4 N。

3 清洁运动小车的电路设计

3.1 清洁运动小车的主体电控设计

整个系统由1个STC89C51单片机、1个超声波模块、2个型号为42BYGH4417的步进电机、1个细分器和1个L298N组成。

通过单片机给细分器发送脉冲，细分器可控制步进电机的运动，再通过链轮链条提供清洁运动小车前进的动力，同时给扫地装置提供工作的动力。

超声波模块不断检测车前是否存在障碍物，当检测到障碍物时，超声波模块反馈信号给单片机，实现自动避障［5－9］。

3.2 清洁运动小车的驱动控制设计

清洁运动小车主要采用电机控制。由于在控制步进电机时，只需要按照一定的规律向步进电机提供脉冲信号，省去了处理测速传感器的环节，这样就将直流电机的闭环控制变成了开环控制，因此采用型号为42BYGH 4417的步进电机控制驱动轮子。

通过脉冲和转动角度的精确比例关系，可以非常方便地计算出小车的位移;而步距角W是固定的或可以设定，只要知道脉冲数量N就可以计算出小车的位移S。同样，根据脉冲的周期就可以计算出小车的速度。

通过步进电机，可以随时计算出小车转动的速率，从而精确地控制小车的转向、速度和行走路线，本文使用链轮链条将步进电机与车轮连接起来。

3.3 电路设计

清洁运动小车控制电路中最重要的是超声波蔽障模块，车前的超声波模块不断检测车前是否存在障碍物，当检测到障碍物时，超声波模块反馈信号给单片机，带动步进电机转动，从而实现小车的转弯。小车控制电路图如图4所示。

图4 小车控制电路图

3.4 部分设计程序

部分设计程序如下:

3.5 典型电子元器件主要技术参数

1)超声波模块技术参数如表1所示。

表1 超声波模块技术参数

2)步进电机42BYGH4417的参数如表2所示。

表2 步进电机42BYGH 4417的参数

3)L298N模块主要参数如表3所示。

表3 L298N模块主要参数

4)驱动器DM542 128细分参数如表4所示。

表4 驱动器DM542 128细分参数

4 结论

本文设计的是一款家用与娱乐相结合的清洁运动小车，该小车有助于从小培养青少年热爱生活、爱护卫生、勤于做家务的好习惯。设计的清洁运动小车功能齐全，结构紧凑，集扫地、拖地、清洗、干燥等功能于一体，工作效率高。它不仅改变了通常工作时的施力方式，实现了智能化，大大减少了手臂的劳动负荷，使工作更加轻松，而且适用人群广，操作简单方便，节能环保，有益于人体健康;还可根据不同的清洁要求随意调整清洁程度。如若推广，该清洁运动小车将填补国内娱乐家用产品的空白。

［1］ 苏敏，梁银丽，汪道辉.基于路径记忆算法的智能小车控制系统的设计［J］.哈尔滨理工大学学报，2011，16(1):64－68.

［2］ 陶洪浩，刘俊.基于目标识别的智能小车定位方法研究［J］.电脑知识与技术，2011 (1):180－181.

［3］ 冯惠秋，吕宁，黄帅峰.多功能智能小车的设计［J］.职业，2011(3):107－108.

［4］ 濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京:高等教育出版社，2006:10－25.

［5］ 魏兵，熊禾根.机械原理［M］.武汉:华中科技大学出版社，2007:5－30.

［6］ 李金山，李琳，谭定忠.清洁机器人概述［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2005:15－60.

［7］ 王洪，银金光.工程力学［M］.北京:希望电子出版社，2006:175－300.

［8］ 郑玉华.典型机械产品构造［M］.北京:科学出版社，2004:230－400.

［9］ 邓英剑，杨冬生.公差配合与测量技术［M］.北京:国防工业出版社，2008:25－241.