清洁机器人的机械设计

王宇欣 岑强

摘 要：本课题研究的主要目的就是开发出来结构类型紧凑，使用灵活方便、控制起来较为容易、不同功能之间的切换较为容易实现、更重要的是他能够完成自动移动、规避障碍物、合理规划路径等，另外此机器人的设计主要有控制系统和机械运动两大系统。对机械性能有一定的要求，外壳一定要有高强度的柔性，底盘应该有一定的稳定性，需要对其配备两个驱动轮和一个从动轮用来实现移动功能。最后就是吸尘器吸入点口径的大小、电池能量系统、整个动力控制系统、清洁刷的清洁系统等。

关键词：机械结构;工作原理;总体设计

一、机械结构组成

其由接着来要讨论的三部分构成：

（1）行走驱动轮及驱动电机。有了这两种结构的支持，使得机器人能够灵活自如的在工作区域内进行移动。为了防止用于碰撞检测的传感器的脱落，所以在机体的底部安装了三个红外开关。另外为了实现对轮速的检测和监控，在驱动轮上安装有可以实现路径规划和定位的光电编码器。另外精确定位功能也可以在超声波传感器上实现。

（2）清扫机构。此机构主要依赖于两个清洁刷，动力来源为电机驱动。有两种方向的运动，一个是清洁刷向右侧进行逆时针旋转，与此对应的是反方向的进行逆时针向左侧进行旋转运动。这种结构的设计初衷就是为了使吸尘器机器人清理的灰尘进行集中处理。

（3）吸尘机构。由强大的电机系统提供动力以得到强大的吸尘能力。灰尘全部吹进存储盒予以排出。

这种机器人主要有三种不同类型，他们主要以轮子数量进行区别，分别为3、4、6个轮子。三轮机构是应用最为广泛的一种，它的结构较为简单，使用起来也是相当的方便。四轮结构是三种里最为复杂的，但是其承重能力比较强。六轮机构较四轮有更强的稳定性。本课题的设计中使用三轮机构就能满足要求。

通过上文的陈述，我们可以精准的对步进电机进行速度上的控制，这建立在多种频率脉冲信号从步进电机上发射出来的前提下。同时，如果两个电机上得到了不同的脉冲信号时，吸尘器的六自由度的功能实现主要依赖于两个驱动轮的驱动电机之间的差动。也就是位于两个驱动轮上的驱动电机同时以不同转速实现此差动功能的。这种方法相对来说比较容易精准的控制机器人的移动方向和状态。

二、工作原理

多个不同功能之间的配合是一个智能机器人应该具有的最基本特点。不同模块之间的工作原理就是：CPU作为智能机器人的核心，主要对各个不同模块起到协调支配的作用。信息采集模块，他的存在就是将机器人运动过程中遇到的障碍物信息、路径信息，通过位置传感器和光传感器、超声波传感器等传递的信息进行收集整理。最后由信息采集模块将汇总好的信息一块发送给CPU进行计算分析。CPU通过运算会将计算结果再传递给执行机构让机器人按照对应的指令进行工作。有时候机器人正常工作的过程中，各个不同模块之间的工作状态会在LED显示模块上予以实时显示。机器人工作的流程如下：

（1）首先机器人是否需要开始工作，我们可以通过遥控器或者是电脑键盘对其予以控制操作。

（2）当机器人开始工作，控制清扫机构进行清洁、吸尘机构开始抽尘。

（3）机器人正常工作状态开启时，传感器模块会将从周围获取的信息进行收集整理并最终发送至CPU处供其进行分析计算决定机器人接下来要走的路径。

（4）由强大的电机系统提供动力以得到强大的吸尘能力。灰尘全部吹进存储盒予以排出。

在各种类型传感器的配合下，机器人会将其各种信息进行收集整理最终分析出机器人所处的工作环境和路径状态。周围环境主要就是障碍物的大小、形状、位置等一些基本信息。最后将这些信息反馈给主机并进行分析给出一个合理的路径线路图，使得机器人能够避免与障碍物撞到。进行接下来的正常工作。

三、清洁机器人总体设计

3.1机器人外形设计

机器人之所以被设计成有限的体积在直径为400和高度100的圆中，可以留出放电池，控制中心和观察中心的地方，可是如果选用它，就必将会占用大量的空间，所以其他一些单元将放置不下，这就超过了设计的大小，所以就否定了这种方案，机器人的外形最终设计为圆盘形状

3.2机器人的行走机构设计

如果想实现智能清洁机器人的转弯半径为零，智能机器人正常工作时对其移动机构中就需要选用两轮独立驱动的方式，并且二者成对称位置布置在两个驱动轮位置。机器人在运动过程中转动时会对电机前进装置进行控制以实现两个电机分别以不同转速的方式运作。这样对于机器人的清洁效果能起到很好的作用。差速运动如果能够实现转弯半径为零，这样的话车轮的运动方向也能得到控制。

3.3 清扫机构的设计

斜齿轮1由电机进行直接控制、再对斜齿轮2进行控制操作、最后斜齿轮3在齿轮2的带动下实现轴和滚刷的连接从而间接实现清洁功能;锥齿轮1通过电机进行动力传动，再进一步将动力传递给锥齿轮2，进一步使锥齿轮2的轴与滚刷进行连接达到清洁的功能;蜗杆在电机的驱动下，两端与涡轮机相连接，涡轮机轴与刷子进行连接从而实现对脏污地面的清洁功能;蜗杆在电机的驱动下与涡轮进行连接，然后再与皮带轮和其轴与刷子相连接实现清洁功能操作。

3.4吸尘机构设计

對智能机器人吸尘机构进行设计时，需要注意的是风扇应该位于垃圾储存盒的上方位置，另外在风扇的上盖位置应该留一个薄壁腔并且在其上边开一圆孔，这样做的目的主要是为了将内部空气排除干净。另外在储存盒的上方应该加上一个防尘的装置，此装置旁边还需留两个方形孔，储存盒位置有小风扇，小风扇运动起来可以带动周围的空气这样就形成了一个压力差。清洁空气可以通过这样一个压力差排除储存盒，外界的灰尘就被压了进来，从而达到吸尘目的。

参考文献

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[4]吴宗泽，宋宝玉主编.机械设计课程设计指导书[M].北京：高等教育出版，2009