毕业设计（论文）-扫楼梯机器人设计.docx

随着新世纪的科学技术快速的发展，人们对于生活的品质要求也是越来越高,机器人的使用也是越来越多。在家庭使用过程中有使用过扫地机器人，那么人们在一些住房中往往还会有楼梯，那么由于楼梯有很多阶层，通过人工来进行清扫的话，需要对每一个楼梯阶层进行清扫，人们还要使用簸箕扫帚一点点的去扫，这样的话造成劳动强度增大而且人们也会很繁重。本次设计结合节省人力、节省劳动强度，设计一种可以进行爬楼梯和清扫楼梯两用的机器人。该机器人采用的是履带式的爬行行走机构，使用双电机的结构,在正常行驶的时候两个电机速度一样，如果要转弯的话那么就可以通过一个高速、一个低速来实现转弯。爬楼梯的时候由于轮子是变形轮配合履带，所以上楼梯是很方便的。除去爬楼梯之外，这里还增设可以对每一个阶层进行清扫的装置，本次的是采用的是吸尘装置进行清理，随着一点点爬楼可以一点点吸尘清扫楼梯上的垃圾，从而结合了机械专业的知识的应用来完成本次设计。关键词：清洁机器人；伺服电机；舵机；吸尘装置ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofscienceandtechnologyinthenewcentury,peoplelsrequirementsforthequalityoflifearealsoincreasing,andtheuseofrobotsisalsoincreasing.Intheprocessofhouseholduse,ifasweepingrobothasbeenused,peopleoftenhavestairsinsomehouses.Therefore,duetothemanylevelsofstairs,manualcleaningisrequiredforeachlevelofstairs.Peoplealsoneedtouseadustpanbroomtosweepgradually,whichincreaseslaborintensityandmakespeopleveryheavy.Thisdesigncombineslaborsavingandlaborintensitysavingtodesignarobotthatcanbeusedforbothclimbingandcleaningstairs.Therobotadoptsacrawlertypewalkingmechanismandusesadualmotorstructure.Duringnormaldriving,thetwomotorshavethesamespeed.Ifturningisnecessary,itcanbeachievedthroughonehighspeedandonelowspeed.Whenclimbingstairs,itisveryconvenienttoclimbstairsbecausethewheelsaredeformedandmatchedwithtracks.Inadditiontoclimbingstairs,therearealsodevicesaddedherethatcancleaneverylevel.Thistime,avacuumcleanerisusedforcleaning,andasyouclimbthestairs,youcangraduallyvacuumandcleanthegarbageonthestairs,combiningtheapplicationofmechanicalknowledgetocompletethisdesign.Keywords:cleaningrobots;Servomotor;Steeringgear;Vacuumcleaningdevice第一章绪论1Ll本次课题研究目的和意义11.2 国内外研究现状11.3 本次设计的主要内容6第二章总体结构方案设计和分析72.1 方案的提出72.2 方案的结构设计和分析7第三章扫楼梯机器人机械部分设计93.1 爬升行走部分驱动电机选型93.2 爬升转向部分驱动电机选型93.2.1 舵机概述10322舵机的选型103.3 爬升前轮设计123.4 爬楼机器人后轮设计123.5 清扫吸尘器的设计133.6 探测装置以及减震的设计143.7 框架的强度校核14第四章运动学模型分析164.1 数学基础164.1.1 位置和姿态的表示164.1.2 齐次坐标变换174.2 运动学模型174.3 数学工具和力学原理184.3.1 爬楼机器人运动分析184.3.2 爬楼机器人的重心计算方法19第五章三维制图和虚拟装配215.1 三维制图介绍215.2 三维零件图的建模215.2.1 底板的三维建模215.2.2 履带部件的建模215.2.3 吸尘装置的建模235.3 三维实体的装配24结论26参考文献27致谢29第一章绪论1.1 本次课题研究目的和意义随着人工智能科学和计算机技术的发展,智能机器人技术成为研究热点,其中的服务机器人首当其冲。服务机器人出现的原因主要有三点:一是人力成本逐步提高;二是群众希望垃圾清理、家务劳动等繁琐的体力劳动,照顾病人和儿童;第三,人口老龄化和社会福利体系的完善也为一些服务机器人提供了广阔的市场应用前景服务机器人工业机器人的地方在于,它是适应特定任务的机器人系统,具有广阔的活动空间,可以在非结构化中自由活动,所以服务机器人是一个从自动洁净室、地板、真空、家庭服务、机器人、机械设计技术技术技术、计算机科学、控制技术、机器人学、等多学科形成一个整体的机器人智能机器人的先驱,这项研究从上世纪80年代开始，已经产生了很多概念样机和产品，目前已经形成了很多应用前景，如果清洁机器人能进化成一种既能爬楼梯又能扫楼梯的两用机器人，可以省去人较强的劳动强度，代替人完成劳动强度大的重复性工作，有助于用机器代替人工。将机械原理与机械结构的应用结合起来，具有重要的现实意义。1.2 国内外研究现状这里针对爬楼梯和清扫方面的机器人进行的相关国内外的研究情况进行分析。机器人在爬楼方面的应用可以用于一些高难度的任务，这不仅能确保操作人员的人身安全，也可以增加产品的产量，提高效率，从一定程度上降低了人力的劳动强度，并且在减少原材料的需求量的同时，还让所需要的成本也得到减少。根据不同的地形，移动机器人的运动方式主要有以下几种，即轮辐式、履带式和双足式等。爬楼机器人的研究，国外起步较早。最早出现的专利是美国的Bray在1892年发明的爬楼梯轮椅。从那个时候开始，其他国家也开始投入研究，其中美国、德国、日本、英国的技术相对成熟，他们的一些产品已经投入市场使用。根据主要实现原理，当前拥有爬楼装置专利的国内外主要有三种，分为履带式、轮组式、步行式爬楼装置、接下来将介绍和分析国内外各种装置的发展情况，以及他们的优劣点。第一种是步行式爬楼机器人运动时平稳，对于不同磁村的楼梯都可以适应，但是它对控制方面的要求非常高，操作复杂，在平地行走时非常缓慢，动作幅度也不是很大口叫图1-1美国机器人大狗图1-2日本巨型移动机器人第二种是履带式的爬楼装置。英国Baronmead公司开发的一种电动轮椅车，底部的传动结构是履带式，可爬坡的最大坡度为35°,上下楼梯速度为每分钟1520个台阶。法国TOPChair公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮提供正常情况下平地使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把四个轮手气，依靠履带无需旁人辅助便可自动完成爬楼功能B。图1-3爬楼机器人履带式第三种是轮组式的爬楼梯装置。轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式。单轮组式的结构稳定性较差，爬楼过程中需要有人协助草能保住重心平稳。而双轮组式虽可以实现自主爬楼，但由于体积过大而且重量偏重，影响使用范围国。图1-4（八）两轮式（b）三轮式（C）四轮式我国在上个世纪八十年代已经对轮组式爬楼装置进行了研究，1987年取得专利，是一种用于平地以及楼梯上运行的多用轮椅诬，前后的轮子都是由几个星形轮构成，除自转外还绕滚轮进行公转从而实现上下楼梯。内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了iBOT的爬楼方式，采用星形轮系作为爬楼机构。改变了轮椅需要人辅助或者楼梯扶手的支撑，让它可以调整重心位置,平稳的爬楼汽TOYOT图1-5iB0T爬楼轮椅第四种是复合类的机器人。这种是采用了腿-履复合和轮-腿-履复合等结构。设计主要依靠腿式机构完成越障，以及履带平稳性和轮组灵活性来达到功能的完成。机器人摆臂在一定范围可上下摆动，辅助越长、攀爬，具有较强的越障性能，路面通过性和上下台阶能力。根据调研情况,浙江大学机电研究所在国内率先开展了智能真空机器人的课题研究。经过两年努力,我国设计出首台自主吸尘机器人。智能真空机器人在工作的时候,利用超声波传感器进行距离测量,做到高效清洁咒机器人完成打扫通道和清洁地面后,会自动回到充电座,为电池充电。在5.5X3.5平方米的真实家居环境中，集尘机器人在10分钟内就能覆盖90%的面积,大房间的扫描测试还没有进行。目前,该系统已引入机器视觉和全球定位技术，以提高自动定位功能、智能决策能力和多房间环境下充电效率,使清洁速度和效果得到提升（见图7）。另外,这些年销量比较低的产品KV8清洁机,它也是在我们国家推出的首款清扫机器人。KV8在家庭、办公区域、娱乐场所等不能随意进出的地方得到大量的使用。KV8机器人可以通过碰撞传感器实现随机清扫和碰撞处理，电池需要手动进行充电。有多种工作方式能够选择,打开电源时还可以听到音乐。图1-6国内公司生产的机器人KV8东日本铁路株式会社、新光电机株式会社和豪华工业株式会社共同建造了一款车站地板清洁机器人。该机器人可以沿着墙壁自动启动，并使用旋转刷子清除垃圾。东日本铁路公司和东芝公司一起开发了一种在内部打扫地面的机器人，它有简单的座位布局、尺寸小巧，重量轻巧。它可以轻松地移动于车厢与舱室之间，使用超声波距离感应器感应系统，以及光学非接触式近距离感应器加。日本静水工厂研发出自动清洁机器人,可用于清洁各种工厂。它使用编码器和超声波传感器来感知范围，光电探测器用于检测障碍物。该机器人配备了橡胶垫，橡胶垫接触传感器能让机器人停止，确保人员安全。松下和日立还开发了清洁砖和地毯清洁机器人。在2002年上半年，松下公司推出了一种实验性的清洁机器人。这个机器人设计用于自动执行清洁任务，能够依据房间的布局、地面状况及垃圾的多少进行适应。它搭载了五十个传感器，这使得机器人不仅能进行清洁工作，还能够自动规避障碍物，并在完成清洁任务后自行停止。这台机器人能够在大约九分钟内完成对一个标准的日式房间的清洁工作，这个时间大约是清洁同等大小房间所需时间的1到1.5倍1。其能够清洁房间地板的92%至93%。为了避免碰撞，机器人采用了光学和超声波距离传感器以及压力传感器切。传感器，加热器和其他热源热传感器直接安装在机器人身体上，以防止滚下楼梯的高度上的间隙。对外力大小感应器和滑动质量感应器进行测试，对加入的动态载荷感应器进行监测。确保机器人在遇到常见障碍物时，保持最少10厘米的安全距离，并在探测热源时，至少与热源保持50厘米的距离切。由国际研究团队开发的戴森公司最近发布了一款DC06型号的高级智能吸尘器，它被誉为世界首款完全自动化的真空清洁机器人。这款机器人拥有先进的人工智能技术，能够通过简单的开关操作来大大简化日常的房间清洁工作。如图7所展示，这款拥有50厘米轮廓的机器人模型车的重量为9.2公斤，并装备了超