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智能清扫机器人的行走部分设计

作者:admin 发布时间:2019-04-11 21:36

  辽宁工程技术大学《机器人技术及其应用》课程综合训练项目报告 综合训练项目 智能清扫机器人的行走部分设计 随着经济和科技的发展,家用自动机器人的研究有了突飞猛进的进步,许多以前只能服务国家重要领域的•●成功技术已经使用于服务普通大众的机器人中。自动清扫机器人 属▽•●◆于服务机器人,世界各国特别是发达国家正致力于研究开发和广泛运用服务机器人, 中国许多高等学府在这方面的研究也取得了不错的成果。 本文在比较了国内外许多种家用机器人产品的基础上,提出了家庭☆△◆▲■清扫机器人行走 机构的设计方案。介绍了清扫机器人行走机构的各个组成部分,着重介绍了自动清扫机 器人的蜗轮蜗杆设计等。并用CAD 画出了行走机构的总体结构,以及蜗轮蜗▪…□▷▷•杆和驱动轮 万向轮的装配图及零件图。完成了行走机构的全部设计,成本较低但尺寸较大。 由此可见,想要自动清扫机器人将来具有广阔的市场前景,那么设计出来的产品必 须要有高的性价比。本设计最终完成了所有的设计任务,综合运用了大学所学的专业知 识,很大程度的提高了综合理解能力。 关键字:清扫机器人;行走机构;蜗轮蜗杆 Abstract Along socialprogress, homestudy autonomousmobile robot has been greatdevelopment. Used manymilitary robots successfultechnology has been used civilianrobot. Automatic cleaning robots servicerobots,ared homerobot products abroad,household cleaning robot overall design program.We describe various components cleaningrobot vacuumpart runninggear automatic cleaning robot. Finally, refer relevantdesign manual, automatic cleaning robot design carryout various parts resultsshow designrequirements householdcleaning robot automatically. Keywords: cleaning robot; running gear; vacuum institutions. 1.1.研究的背景 1.2.自动清扫机器人的国内研究现状 1.3.研究的目的与意义 1.4.当前清扫机器人存在的问题与分析 2.1自动清扫机器人控制部分介绍 2.2自动清扫机器人电源部分介绍 2.3小型自动清扫机器人行走机构介绍 2.4轮式行走机构的总体结构 2.5行走机构的运动分析及总体结构 3.1步进电机的选用.................................................... 3.2底座 143.3 驱动轮 153.4 蜗轮蜗杆 163.5 蜗轮蜗杆的强度校核 183.6 从动轮 183.7 轴承 19参考文献 绪论近年来计算机技术、人工智能技术、自动控制技术以及服务机器人技术有了 飞速的发展,自动清扫机器人控制系统的研究和开发已经具有了坚实的基础和良 好的发展前景。 1.1 研究的背景 清扫机器人属于服务机器人的一种,服务机器人研究工作从九十年代开始越 来越受到国际关注,很多国家尤其是西方发达国度正致力于研制、研发和广泛应 用服务机器人。现在,很多国家已经将智能机器人技术运用到了很多地方,比如 广阔区域打扫,餐厅的服务员等一些繁重枯燥的工作。这些国家很多的工作效益 都是由于应用了服务机器人,解决了很多人们无法完成的工作项目。近几年,我 国国民经济和人民生活水平有了显著的质的飞跃,服务机器人也已经在各个领域 广泛、大量地崭露头角。 现如今服务机器人应用还处于初中级阶段在很多领域,有部分工作还要靠人 力去完成解决。比如我国北方的冬天经常下雪,每次下完雪路面都会有较厚的积 雪,人工打★▽…◇扫会很辛苦而且浪费时间,如果可以用人工智能机器人解决这一问题 将会很方便。目前,已经有一些大型的扫雪车代替人工扫雪,但是我们追求的是 完全自动化。日立和松◇…=▲下公司生产的一种自动吸尘器具有避障功能并且可以主行 走吸尘,对于广阔的路面有较大的应用前景,最大的创新在于可以自己充电。目 前,自动清扫机器人还没有办法在人群拥挤以及情况比较恶劣的环境下清扫路 面,因为它还不能特别智能化的避让障碍物。另外,Howa 产业有限公司、Shink 电器公司和日本铁路公司还联合研制出车站地面清扫机器人,这款机器人有一种 超声测距传感器可以通过不断的超声波传播来测量机器人和障碍物之间的间隔。 1.2 自动清扫机器人的国内研究现状 在我国,随着改革开放国民生产总值一年比一年有所升高,人们也越来越注 重自己的生活水平,不再是吃饱穿暖更注重的是生活品质,所以目前所拥有的科 技技术已经不能满足人们对生活的期望了,人们迫切向往着更先进的技术来提升 自己的生活品质。越来越多的行业也同样迫切需要先进技术来解放生产力。为了 满足人们和国家这么多行业的迫切需要,我国的科研人员们已经研究并且取得了 一定的成果。在上世纪 90 年代,哈尔滨工业大学与香港中文大学合作,共同开 发研制出了一种全方位移动清扫机器人。1999 年初,浙江大学机械电子研究所 开始进行了智能吸尘机器人的研讨,并且成功研究出国内第一个具有初步智能的 自主吸尘机器人。 国内公司生产的机器人KV8如图1 所示的KV8 保洁机器人是我国第一个产品化的清扫机器人。它广泛用 于家庭、办公等其它公共场所,以及另外一些人员不方便进入的地点。但对于规 划路程等功能还没有完善,所以现在基本已经被新兴的产品所取代了。随着科技 创新的突飞猛进,在我国家用扫地机的品牌越来越多,但目前销量和口碑比较好 的有科沃斯朵朵S(图2)、小米(图3)、普桑尼克780TS(图4)等。 普桑尼克780TS1.3 研究的目的与意义 清扫机器人同时运用了移动机器人技术和吸尘器技术,能够自主的在平坦的 路面进行清扫任务,比如广场路面清扫,学校路面清扫这种枯燥乏味又浪费时间 的劳动,如果智能清扫机器人可以运用到这些方面将会很大程度上的解放生产 力。在上世纪已经受到国内外研究人员的重视。从市场前景角度来看,清扫机器 人可以很大程度地降低劳动强度,并且能够升高劳动效率,非常适用于家庭住所 和公共场所的室内外清洁。清扫机器人属于智能机器人的一种特殊应用,智能清 扫机器人相对全面地应用了许多先进的科学技术,所以研制◆▼开发智能自动清扫机 器人具有广阔的市场前景,而且对于科学技术的提升也具有重要意义。 1.4 当前清扫机器人存在的问题与分析 现如今国内外在研究开发清扫机器人方面有了一定的基础,但是有些关键技 术问题还没有得到实质性地解决,主要体现在以下几方面: 目前,价格偏高是影响清扫机器人普及到每个家庭的主要因素,因此,很多设 计师将如何提高机器人的性价比作为了自己不断追求的目的。为了进一步的降低清扫机器人的成本,我们必须开发性价比高的微型传感器以及开发清扫机器人专 用的数字处理和运动控制芯片。接下来我们可以认识到蓝牙技术在家电行业的重 要应用,通过采用蓝牙技术将数字处理器过高的成本平移到用户的移动设备上, 我们或许可以把智能清扫机器人的实际成本控制到更低。 现在的清扫机器人正在向着自主式和智能化的方向发展,所以我们更应该结 合现在已掌握的移动机器人控制和运动规划技术,将自动清扫机器人进行优化升 级,使其能够更好地自动避让障碍物并且可以自动进行充电,将碰撞损害率降到 最低,最好是能让自动清扫机器人清扫出来的效果可以和人工清扫出来的效果相 媲美。 为了更加有效地提高清扫质量,我们还需要继续改进对现有的吸尘技术。让 自动清扫机器人可以通过现有的环境清扫程度自动规划清扫任务及路线,最大程 度的运用清扫机器人的功能,让自动清扫机器人的清扫效果越来越优秀。 清扫机器人的核心之一是电源技术,不但能提高自动清扫机器人的工作时间 还能提升它的工作▷•●效率以及完成工作任务所用的时间,为了保证清扫机器人能够 及时地进行自主充电,现在还需要优化自动充电的设计,自动完成在指定位置的 清扫和充电任务。现如今智能机器人技术日新月异,所以自动清扫机器人也越来 越实用,每隔几个月就会有新产品诞生,同样出现的是清扫机器人价格的降低, 从而使智能清扫机器人能像电视机这种家电产品一样几乎普及到每家每户成为 生活的必需品,从而为这个新一代的技术产物带来可观的市场前景和经济效益。 2.小型自动清扫机器人总体结构的介绍 自动清扫机器人总体结构由四大部分组成:行走机构、吸尘机构、控制部分 和电源部分。本设计主要是行走机构的设计,但在本文中对其它部分进行简要的 介绍以及确定。 自动清扫机器人吸尘机构介绍 现代吸尘器技术主要包括两类:气流滤尘尘▼▲器和真空吸尘器。通过比较现有 清扫机器人本文决定采用气流滤尘器,气流滤尘器是一个全封闭系统,其原理是 应用附壁效应形成抵压涡流气体,最后把废物留在了吸尘器的气流腔中。根据机 器人的本体形状和移动路径以及吸尘效果,将吸尘机构的吸嘴设计在机器人本体 的前方,而两个旋转刷子,分别位于机器人的左右两边,这样就可以提高清扫效 率又能方便墙角清扫。控制旋转刷子的电动机以及吸尘机构的电动机采用直流电 动机。清扫机器人的总体机构如图5 所示。 清扫机器人总体结构示意图2.1 自动清扫机器人控制部分介绍 自动清扫机器人的控制主要是对小车的驱动电路启动、停止、自身定位和路 径识别的控制。主要由驱动电路、直流稳压电源、驱动器、检测开关、控制电路 等构成。 随着机器人控制技术的提升和计算机技术的进步,自动清扫机器人的控制系 统已经由分布式控制取代传统的集中式控制。因此本文决定采用分布式控制方 式。分布式控制就是由上一级主要控制计算机担任全部体系的处置以及坐标变动 和路径规划等,下一级由许多微处理器构成,每一个微处理器负责机器人一个或 多个关节的驱动或传感器数据的处理,并且平行地完成任务,从而提升工作效率 和处理能力。这些微处理器和主控机之间的联系是通过总线形式实现的,这种结 构易于系统的扩展和维护。 2.2 自动清扫机器人电源部分介绍 自动清扫机器人所使用的蓄电池的结构必须有良好的充放电特性、耐冲击、 耐振动等。现如今铅酸蓄电池和锡镍蓄电池使用得比较广泛。现在的很多移动电 源都是追求能储存很多的电量同时还要有小的体积,都是是对于用在智能机器人 上的电源来说,不能只是追求这些必须结合实际的运用让电源更适合智能机器 人。通过结合自动清扫机器人的特点,本文决定采用铅酸蓄电池作为系统的移动 电源。综合考虑铅酸蓄电池的参数和特性,决定采用美国DECO 公司生产的铅酸 蓄电池,其额定电压为12v,额定容量为36A。 2.3 小型自动清扫机器人行走机构介绍 自动清扫机器人的行走方式有很多种,主要有轮式的、履带式的和腿式的。 履带式行走机构被称为无限轨道方式,它的特点是有很多的圆形的无线轨道绕在 在许多轮子上,这样可以让车轮不直接地接触地面。适用于表面凹凸不平的或是松软车轮行走困难的环境。因为履带行走机构的结构复杂,在设计时需要考虑轮 子与履带相配合所以设计的成本和时间都会升高。但是由于本设计主要是用于室 内这种平坦的路面,故不采用履带行走机构。由于当今比较成熟的车轮移动方式, 所以本设计决定采用轮式行走结构。 2.4 轮式行走机构的总体结构 轮式行走机构有着自由,灵活,简单的特点,适合于平坦并且障碍物较少的 环境。在清扫机器人的运功控制中要求具备三个参数,坐标和方向角,两个轮机 器人只是有两个主动轮,因此是不完全约束,两个驱动轮最好是设计成前后对称 的方案。在两轮驱动的机器人中,车体由四个点支撑,其中前后各有一个万向轮 用来协助,左右各一个驱动轮。四点支撑可以将左右两个主动轮配置在清扫机器 人的中心线上,这种形式能够良好的控制重心。 当旋转半径为 的时,由于清扫机器人能够围绕自身的中心点旋转,从而能在狭窄的地方如墙角改变方向。 考虑到机器人的功能和成本问题,本设计采用四轮行走机构。四轮结构中左 •□▼◁▼右两轮独立驱动,前后的两个万向轮为辅助方式,从而能够满足转向的要求。中 间的两个步进电机和蜗轮通过联轴器相接连,动力经过蜗轮蜗杆的啮合运动传 递,蜗轮和驱动轮安设在同一传动轴上,具有相同的▲=○▼转速,轴再通过键连接,从 而带动两驱动轮,推进机器人行动。由于步进电机是通过变动输入不同的脉冲频 率来调速的,因此,通过改变步进电机输入的脉冲频率,使两个驱动轮可以获得 不同的速率,从而使清扫机器人实现直线前进、转弯和倒退等性能。从动轮采用 了应用非常广泛的双轴承万向轮,这既增加了运动的平稳性,又提高了转弯的灵 活性。行走机构本身采用铝合金型材料制作,从而可以尽可能减轻清扫机器人◆■的 总重量。外形采用圆筒形,可以避免在屋内清扫时碰坏其他物品,同时也可以避 免机器人自身受到损坏,行走机构原理示意图如图6 所示。 2.5行走机构的运动分析及总体结构 小型自动清扫机器人的驱动系统由两个步进电动机,蜗轮蜗杆, 驱动轮, 万向轮组成 如图7所示。在电动机转动下,蜗轮通过联轴器相接连,蜗杆蜗轮 转动,蜗轮通过键将动力传递到轴,从而驱动驱动轮,在设计时候需注意蜗轮和 驱动轮要同轴,以具有相同的转速。前轮是万向轮,他具有运动稳定,转弯灵活 等特点。 只需要变动脉冲信号的频次就可以对步进电动机进行调速,就可得到高精度 的转速。当电动机正转或反转时自动机器人就可以前进或后退,当两个电动机输 出不同的脉冲频率时,就可得到自动清扫机器人左转或右转的转向功能。这样设 计可以使清扫机器人在任意半径下以任意速度实现转弯,甚至可以在零旋转半径 时转弯,也就是清扫机器人可以在原地围绕自身中心旋转。本设计采用了蜗轮蜗 杆传动作为减速设计,这与以往的减速方式不同,以往都是齿轮减速,现在这一 设计可以有效避免步进电动机因低速而出现的爬行现象。以下通过公式说明这 点:设驱动轮的半径为r,电动机转速为n,驱动轮的行走速度为: vk——左右驱动轮的线);i——蜗轮蜗杆转动比。 从公式可知道调节n 的大小和正反就可得到不同的转速,当两个不同的电动 机转速不同时候既可以弯转。 自动清扫机驱动系统结构图1—轴用弹性挡圈;2-轴承座;3,5—滚动轴承;4-蜗杆;6-滚动轴承座;7—联轴器;8—圆 锥销;9—电动机;10—万向轮侧支撑板;11—万向轮;12—螺钉;13—万向轮上支撑板; 14—蜗轮;15—电机下支架;16—电机上支架;17—六角螺栓;18—垫圈; 19,27—弹性垫圈;20,28—六角螺母;21-底座;22,26—套筒;23,26—平键;24—传动轴; 28—六角螺母;29-驱动轮;30-万向轮后支撑板 为自动清扫机的行走机构装配图,是本设计最后的设计成果,具体结构的设计会在后面的文章中叙述。 确定各部件及零件的结构3.1 步进电机的选用 (1)步进电动机的工作原理和优点 步进电机是一种将电脉冲信号转变为线位移或角位移的开环控制元件。步进 电动机转矩大但惯性小且响应频率高,因此具有急速停止与瞬间开动的优越性, 步进电动机不需要反馈就能对速度或位移进行精确控制并且价格较低。 (2)步进电动机的应用 步进电动机虽然已经得到了非常广泛的应用,但使用步进电动机的控制系统 必须由功率驱动电路、双环形脉冲信号等组成。 (3)步进电机的选择 选择步进电动机考虑其步距角、静转矩及电流三大要素。步距角的选择。目前市场五相电动机的步距角一般有0.36/0.72,二、 四相电◁☆●•○△动机的步距角一般有0.9/1.8。;三相电动机的为1.5/3。 静力矩的选择。静力矩的选择是由步进电动机的负载来决定的,恒速运行时 只考虑摩擦负载,加速启动时需考虑惯性负载,直接启动时需考虑惯性负载和摩 擦负载。 电流的挑选。有相同静力矩的步进电动机,由于有不同的参数,运行特性会 有很大不同。要判断步进电机的电流只能通过频率特性曲线图。力矩与功率换算。 步进电动机一般功率是变化是在较大范围内调整使用时,一般只用力矩衡量。力 矩与功率换算如下: ——角速度,rad/s;n——转速,r/min M——力矩,N.mm 若电动机为半步工作方式,则: 400 其▲●…△中,f为每秒脉冲数(pps) 步进电动机应用中的注意要点: 步进电动机应用于转速不高出 1000r/min 的情况,在 1000-3000PPs 使电动机工作效率高,噪声低。因整步状态时振动大所以步进电动机最好不使用整步状态。 转动惯量大的负载应挑选大机座号的电动机。 步进电动机在大惯量负载或较高转速时,一般不在工作速度启动,而应用 逐渐升频提速,这样不但电动机不失步,还可以在减轻噪声的同时升高停止的定 位精度。 步进电动机在600pps 以下工作,应应用小电流,大电感,低电压来驱动。 先选电动机后选择驱动的原则。 在进行驱动步进电动机功率确定的时候,只考虑机器人在水平路面做直线 动的情状,并且忽略地面打滑、轮子变形、空气阻力等因素。驱动轮的受力情况如图8 所示 驱动轮受力示意图图中 M驱动电动机施加于驱动轮的驱动力矩; 驱动轮轴心的运动速度机器人直线运动时,从动轮受力情况如图9 所示 从动轮受力示意图图中 可得:dt dtdv dtdv 由从动轮受力分析可得:dt dv (10)dt (11)其中 可得:dt dtdv (12)其中, 为驱动轮的半径。由式(10)式(12)可得 dt dv (13)完成对驱动轮和从动轮的受力分析后,接下来分析清扫机器人整体的受力, 如图10 所示 图10清扫机器人的整体受力示意图 在图10 为除了从动轮和驱动轮之外的总质量。根据图10的受力情 dtdv (14)由式(9)~式(14)可得: dtdv (15)其中清扫机器人的总质量为: 为9kg根据现有的清扫机器人的加速度,可以预算出所需要的驱动力矩M 的大小为 0.5 。根据所设定的运行速率0.1m/s,且考虑到安全情况和传动效率,可以确定需要的步进电动机的功率大致为: 中间减速机构的传动效率将以上的数据代入式(16)得所需步进电动机的功率为4W。根据市场上不同型 号电动机的静力矩及矩频曲线等参数,我们选用某电动机技术有限公司生产的 57BYG250E-SAFRML-0152 型两相混合式步进电动机。其外形尺寸如图5 所示,参 数如表1 所示。 57BYG250E-SAFRML-0152步进电机的外形尺寸 57BYG250E-SAFRML-0152步进电机参数 3.2 底座 清扫机器人的底座应该在保证足够刚度的同时,尽量减轻底座的重量,从而 提高有效承载重量。其次底座的外轮廓不应有凸出部分,以防止碰撞其他物体并 且伤害到自身。本文根据清扫机器人的承载要求和工作环境采用硬铝作为机器人 的底座材料,牌号为LY11。底座直径350mm,厚度为5mm 的圆形硬铝板,左右分 别割两个槽用于安设驱动轮,板上空间装有与驱动直接相关的部件。在板的前后 焊接几块小的硬铝板用于支撑万向轮,这样做利于降低车体重心以及结构设计, 机器人底座的结构如图6 所示。 0.9/1.8静态相电流(A) 1.5 相电阻(r) 1.1 相电感(Mh) 6.2 保持转矩(Nm) 1.5 定位转矩(Nm) 0.04 空载启动频率(半步方式)(KHz) 重量(Kg)1.5 转动惯量◇=△▲(g/c 机器人底座设计图3.3 驱动轮 清扫机器人的驱动轮采用铸铁橡胶面驱动轮,它的优点是摩擦力大能产生足 够的驱动力,并且承载能力大,运动时橡胶轮缘也有利于减震。轮芯是两个带有 凸台的圆形铸铁,材料选择HT150。轮缘有相应的凸块和轮芯相啮合。两半轮芯 将轮缘夹住,通过螺钉紧固。驱动轮结构示意图如图7 所示。 驱动轮结构示意图1-轮缘;2-轮芯 3-六角螺母;4-垫圈; 5-弹性垫圈; 6-六角头螺栓。 3.4蜗轮蜗杆 电动机和驱动轮之间用的是蜗轮蜗杆传动,减速比设计为 29。 电动机与蜗杆之间采用套筒联轴器相接连,蜗轮及驱动轮装在同一个轴上,转速相同。蜗 杆材料为45Mn2,蜗杆材料选用铸造铜合金,牌号为ZCuSn10Zn2。 (1)蜗杆设计 蜗杆结构设计如图8 所示 圆柱蜗杆传到基本参数基本参数 计算公式 数值 蜗杆形式 阿基米德 蜗杆轴向模数 蜗杆头数Z1 0.4中心距 11.2蜗杆轴向齿距 40蜗杆导程程 6.28蜗杆分度圆直径 qm 22.4蜗杆齿顶圆直径 26.4蜗杆齿根圆直径 22蜗杆分度圆导程角 5.1蜗杆节圆导程角 5.1蜗杆齿宽 22渐开线蜗杆基圆直径 coscos cos 5.3蜗杆螺旋线)蜗轮设计。蜗轮的结构设计如图9 所示,相关参数如表3 所示。 蜗轮基本参数基本参数 计算公式 数值 蜗轮齿数 z2 29 蜗轮分度圆直径 mz 58蜗轮齿根圆直径 52.8蜗轮喉圆直径 61.6蜗轮咽喉母直径 9.2蜗轮节圆直径 58蜗轮齿宽 163.5 蜗轮蜗杆的强度校核 蜗轮轮齿因弯曲强度不足而失效的情况,多发生在蜗轮齿数较多( 90时)或开式传动中。本设计的蜗轮齿数为29 且所需的传动力矩较小,因此本 设计将省略蜗轮校核。 蜗轮齿面接触疲劳强度计算的原始公式来源于赫兹公式。接触应力 (单位为MPa)为 (17) ——啮合齿面上的法向载荷,N;——接触线总长,mm; K——载荷系数; ——材料的弹性影响系数,单位为MP 将相应参数带入可得,此蜗轮强度符合要求。 3.6 从动轮 从动轮只是起到支撑作用不会产生力矩,当清扫机器人在转向时它可以自由 活动。为了使小车转向灵活,从动轮结△▪▲□△构设计为双轴承形式的万向轮。车轮与转 向轴中心线mm 的偏心距。其结构示意图如图10 所示。 图10万向轮的结构示意图 01—六角螺钉;02—弹簧垫圈;03—中轴;04,11—轴套;05—连接板; 06—推力球轴承;07—上板;08—滚动球轴承;09—轮缘;10—侧板; 12—连接轴 万向轮的工作原理和动力学分析。这种万向轮的轮架通过竖直的连接轴与连 接板采用螺母相连,连接板通过螺钉与机器人的底座相连。万向轮上面的一个推 力轴承承受机器人的总体压力,并通过万向轮轮架的两侧板以及下面的一个向心 球轴承、中轴从而传到车轮上,转向是通过下面的向心轮球轴承和上面的推力球 轴承来实现的。轮心偏离连接轴心会产生弯力矩,这个弯力矩主要是由向心球轴 承来承受。轮心和轮架轴即连接轴偏离可以产生一定的力矩让万向轮随清扫机器

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