智能扫地机器人楼梯清扫机构设计.doc

1、智能扫地机器人设计智能扫地机器人楼梯清扫机构的结构设计与仿真摘 要本文主要是对智能扫地机器人楼梯清扫结构的设计，为实现楼梯扫地机器人的功能特点，主要对它的机械结构进行设计，通过电机带动动力轮实现扫地机器人的运动，通过行星履带式结构进行爬楼。添加许多传感器，使机器更智能化，功能更加丰富。通过设计计算完善机器人的总体结构，最终进行实体建模，二维装配，完成本次设计内容。主要研究内容如下：1. 调研及分析2. 设计爬楼梯扫地机总体方案3. 爬楼梯扫地机器人的结构设计4. 爬楼梯扫地机器人的仿真分析关键词：楼梯扫地机器人，结构设计，仿真分析AbstractThis is mainly on the de

2、sign of the staircase sweeping robot, in order to achieve the functional characteristics of the staircase sweeping robot, mainly on its mechanical structure design, through the motor to drive the power wheel to achieve the movement of the sweeping robot, through the planetary crawler structure to cl

3、imb buildings. Many sensors are added to make the machine more intelligent and more functional. Through design and calculation, the overall structure of the robot is improved. Finally, solid modeling is carried out, 2d assembly is carried out and rendering is carried out to complete the design conte

4、nt.The main research contents are as follows:1. research and analysis2. Design the overall scheme of stair sweeper3. The structure design of the sweeping robot for climbing stairs4. Simulation analysis of stair sweeping robotKeywords: Sweeping Robot, Structural design, simulation analysis目录1 前言61.1本

5、设计的目的、意义及应达到的技术要求61.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题71.3本设计应解决的主要问题82市场调研92.1调研背景92.2调研对象92.3调研结论113智能扫地机器人结构设计133.1行走机构的结构设计143.1.1主动轮与从动轮的结构设计143.1.2履带的设计173.1.3带轮以及同步带的设计183.2传动机构的结构设计213.2.1电机的选用223.2.2齿轮的设计233.2.3传动轴的设计273.2.4 键的校核303.2.5轴承的选用313.3清扫机构设计323.4总体装配图334智能扫地机器人的仿真分析355 结论37参考文献38谢 辞391 前言智能扫地机器

6、人作为日常生活中使用的的智能家居电器，它运用了人工智能技术来帮助我们人类完成日常生活中的一些清扫工作。通常会使用刷扫和真空方式来实现吸尘，将地面的垃圾灰尘等吸进装备中自带的垃圾盒里，从而完成清理地面的功能。1.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求这些年来，伴随着机器人技术与人工智能技术的蓬勃发展，智能机器人技术已经成为世界范围内研究领域的焦点。可以预测，人类已经打开了机器人时代的大门，相信在不久之后，各种各样不同功能的机器人将会迅速普及到人们的工作和生活之中，智能机器人将会成为我们生活中密切的一部分，这些机器人的功能性也会覆盖到人类生活的方方面面。在这之中，智能扫地机器人是属于生活服务类型的

7、机器人，它与人类的日常生活有更加密切的接触联系。机器人的发展就好像上世纪80年代的个人电脑、上世纪90年代中期的手机一样，正处于产业真正起飞的前夕，巨大的市场前景已经可以看见。1随着人工智能机器人的研究有了越来越多的成果，结合了智能机器人技术和吸尘器技术的智能扫地机器人做到了室内环境的自动化清洁。从技术制造方面来说，智能机器人以及扫地机的多项技术在智能扫地机器人身上得到了比较好的体现。从市场前景来说，智能扫地机器人大幅度地降低人类花在清洁上的时间，降低了人类花在重复劳动上的时间就相当于增长了人类生命的长度，这对于人类的发展具有重要的意义，值得向市场推广。与传统手持式吸尘器相比，智能扫地机器人省

8、去了人力的操作，有效的提高了清洁的效率，而且小巧轻便，能清扫到普通吸尘器清扫不到的死角。为了使智能扫地机器人能更好的实现它的这些功能，这也是扫地机器人领域的研究热点之一。对各种各样不同的复杂环境的适应性，也是不同扫地机器人之间地主要区别。在复杂环境中的扫地机器人如何进行清洁任务多年来一直是扫地机器人研究中的热点问题之一。比如，扫地机器人在进行日常清扫任务时，无法识别攀爬楼梯，这时候只能人工调动扫地地机器人的位置。楼梯是家庭环境以及公共场所中的最为常见的障碍之一，若能克服楼梯障碍那就可以让扫地机器人更好地适用于不同环境中。随着现代社会生活的节奏日益加快，人们对美好生活的需求日益增长，在这个时候，

9、一个智能扫地机器人就可以让人们从繁重的家务中脱身，甩掉无谓的重复劳动，帮助人类节约出更多的时间去做更有意义的事情。1.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题自从1904年的世界历史上第一台清扫机被英国人发明出来，到今天为止清扫机器的面世差不多有上百年的时间了。清洁机器人最早出现在于美国，随后发展的欧美，风靡港澳台，90年代中期进入大陆，现在市场上的自动扫地机器人主要几种品牌：（TOMEFON德国）斐纳扫地机器人，（irobot美国）irobot扫地机器人，（Proscenic台湾）浦桑尼克扫地机器人，（科沃斯中国）科沃斯扫地机器人，（PHILIPS荷兰）飞利浦扫地机器人等。2而在与机器人爬楼梯

10、机构相关地研究中，国外对此研究开始地依然比国内要早不少，最早的爬楼梯结构的专利出现在1892的年美国。在这之后，各国陆续开始投入到爬楼梯机构的研究中，其中美、英、德、日这些技术也相对比较成熟，科研成果也相对较多的国家则在研究中有更多的优势，并且已经有了一些产品经过了市场的检验。而我国对此类机构的研究开发虽然起步比较晚，但是近年来也不断涌现出了很多这个方面的专利，不过能够投入实际使用的实例还是比较少。智能扫地机器人在服务机器人这个领域中还算是一个新产品，尽管目前国内在这方面的研究开发已经取得一定的成果，推出的产品在市场上也取得了不错的反响，但是仍然有许多的关键技术问题未能得出完美的解决方案。不同

11、品牌的扫地机器人，有的按照一定的路线规划移动，有的可在房间内随机移动，这说明扫地地机器人的路线规划问题没有得到很好的解决。事实上，虽然国内外的公司已经向市场推出了不少的产品，但大部分的产品都未能达到令人满意的使用效果。清洁效果不理想，清扫时间长等大大小小的问题还存在着比较多。而且这种情况也不仅仅存在于中国，智能扫地机器人对于在复杂地形的清扫在世界范围依然是难题，比如楼梯，较窄锐的墙角等。以及清扫性能如何进一步提高也是一个难以攻克的问题。到目前为止，移动机器人应对楼梯等复杂环境所采用的运动机构有履带式、轮组式、步行式等。这三种机构各有各的优点与缺点。对于履带式机构，它的运动原理比较简单，也比较成

12、熟。履带式机构的优点是运动比较平稳，且对复杂地形适应能力非常强。它的缺点则在于机构重量比较大，而且转弯功能比较弱，这些问题限制了履带式爬楼梯结构在智能扫地机器人的应用。而第二种机构，轮组式爬楼梯机构的优点是运动轻便灵活，可以说彻底摆脱了履带式机构的缺点，但是上下楼梯时稳定性不高，会导致机器人的重心不稳，不容易在智能扫地机器人中应用。第三种步行式机构，步行式机构在外观上看上去是三种机构中最为复杂的，然而事实上在早期的机器人爬楼梯机构中一般都采用步行式机构。步行式也有称作为足式，它的爬楼梯机构的原理就是模仿动物用腿爬楼梯的动作，运用多条机械腿交替升降，让机器人像一只长腿的动物一样爬楼梯。步行式爬楼

13、梯机构爬楼梯时运动比较平稳，能够适应不同尺寸的楼梯; 但它对制造精度以及控制系统的要求很高，具体设计也比较复杂，而且在地面运动时动作比较缓慢，对于主要工作在平地上进行的扫地机器人不太适合。1.3本设计应解决的主要问题（1）智能扫地机器人在平地运行与爬楼梯动作之间的切换；（2）智能扫地机器人爬楼梯时的整体动作设计；（3）机器人要在能加上爬楼梯机构后不影响平地清扫；（4）精简优化内部结构，降低整个智能扫地机器人的能耗。2市场调研2.1调研背景在现在各种电器产品都追求智能化的时代，人们对于各种新奇事物的接受能力已经不似旧时代。对于能够改善他们生活质量，能够真正帮助到他们日常生活的工具，现在有越来越多

14、的人勇于尝试。在现在的市场上，扫地机器人已经不是什么稀奇的物件，也有很多家庭已经在使用。但还是有比较多的家庭对扫地机器人并不看好，因为现有的扫地机器人清扫的局限性，清扫效率，清扫效果都还是不好评价，不同品牌的扫地机器人各方面性能差异也是客观存在。对于这次我的设计目标，具备楼梯清扫功能的扫地机器人，市面上目前还没有有这样功能的扫地机器人，这想法本身并不稀奇，但是市面上并没有这样的产品，多半是因为结构设计起来具有一定难度，而且设计出来的结构又多出来其他方面的缺点，实用性欠缺，无法向市场推广。因为市面上的扫地机里没有具备爬楼梯功能的产品，于是本次市场调研里主要研究的是具备爬楼梯功能的其他产品，从具备

15、爬楼梯功能的其他产品的成功经验中研究爬楼梯扫地机器人的可行方案。2.2调研对象（1）欧航履带式电动爬楼老人椅（2）科沃斯地宝T5MAX扫地机器人（3）顺和爬楼折叠手拉车图2.1欧航履带式电动爬楼老人椅图2.2科沃斯地宝T5MAX扫地机器人图2.3顺和爬楼折叠手拉车2.3调研结论从图片上也很明显可以看出，传统扫地机与其他两个产品的体积相差甚远，当然产品功能性不同导致体积不同是主要原因，但同时是否也可以说明爬楼梯机构在当前技术下需要一定体积才可以实现？我认为是的。在传统扫地机的体积框架下，要想加入爬楼梯机构实现难度非常大，那要想加上爬楼梯机构就必须增大扫地机的体型，不能被传统扫地机的小巧体型框住想法。然后在最重要的爬楼梯功能上，调研中的老人椅采用的是履带式机构，手推车采用的是组合轮机构，履带式机构的优点是运动非常平稳，地形适应性也比较强，但是转弯功能相对较弱，轮组式机构的优点是运动较为轻便灵活，但是在爬楼梯运动中容易引起重心不稳，稳定性不高。经过总结后，我们想出以下几种方案:方案一：运用履带