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机械家用清洁机器人设计.doc
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机械家用清洁机器人设计.doc
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目 录
摘 要------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
ABSTRACT-----------------------------------------------------------------------------------------------------------1
1 前言--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2
1.1 国内外相关产品研究 -------------------------------------------------2
1.1.1 国外产品研究情况----------------------------------------------2
1.1.2 国内产品研究情况----------------------------------------------3
1.2 研究的目的和意义 ---------------------------------------------------4
2 家用清洁机器人的关键技术 ----------------------------------------------------------------------------5
2.1 传感技术 -----------------------------------------------------------5
2.2 路径规划技术 -------------------------------------------------------5
2.3 吸尘技术 -----------------------------------------------------------6
2.4 电源技术 -----------------------------------------------------------6
3 家用清洁机器人的机械设计 ---------------------------------------------------------------------------7
3.1 机械结构组成 -------------------------------------------------------7
3.2 家用清洁机器人的总体设计 -------------------------------------------7
3.2.1 外形设计------------------------------------------------------7
3.2.2 行走机构设计--------------------------------------------------7
3.2.3 清扫机构设计--------------------------------------------------8
3.2.4 吸尘机构设计--------------------------------------------------9
4 具体计算----------------------------------------------------------------------------------------------------------11
4.1 电机选择 ----------------------------------------------------------11
4.2 蜗轮蜗杆的选择 ----------------------------------------------------12
4.3 电池的选用 --------------------------------------------------------14
4.4 清扫机构中蜗杆上轴承寿命计算 --------------------------------------14
4.5 蜗轮轴的校核 ------------------------------------------------------16
5 总结与展望------------------------------------------------------------------------------------------------------18
5.1 总结 --------------------------------------------------------------18
5.2 展望 --------------------------------------------------------------18
参 考 文 献--------------------------------------------------------------------------------------------------------20
致 谢--------------------------------------------------------------------------------------------------------------21
附 录--------------------------------------------------------------------------------------------------------------22
摘 要
近年来,随着计算机技术与人工智能科学的飞速发展,智能机器人技术逐渐成为现
代机器人研究领域的热点。其中,服务机器人开辟了机器人应用的新领域,服务机器人
的出现主要有三大原因:一是劳动力成本的上升;二是人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动,
如清洁、家务、照顾病人等;三是人口的老龄化和社会福利制度的完善也为某些服务机
器人提供了广泛的市场应用前景。服务机器人区别于工业机器人的一个主要特征是服务
机器人是一种适用于具体的方式、环境及任务过程的机器人系统,其活动空间大,具有
在非结构环境下的移动性,因此服务机器人大多数是移动机器人。
随着社会的发展需要,服务机器人已经渗透入了我们的生活、工作和经济方面,并
且起到了很大的作用。服务机器人的研究和发展对我们的经济发展有很多的影响。这篇
文章主要通过阐述清洁机器人在服务行业的重要性,对机器人在各国发展状况的一个综
述,让读者了解将来机器人发展对社会发展的重要性。
关键词:机器人;清洁机器人;运动原理;清洁方式
全套图纸,加 153893706
ABSTRACT
In recent years, along with the computer technology and the rapid development
of artificial intelligence , intelligent robot technology gradually become
modern robot research hot spot. Among them, service robot, opened a new field of
application of robots.Service robots appeared three main reasons:one is rising
labor costs;Second is the human to escape the boring physical labor,such as
cleaning, housework and patient care,etc.The population is aged 3 and social
welfare system for certain service robots also provides a broad application
prospect in the market.Service robots in industrial robots is one of the main
features of service robot is a suitable way,environment and the specific tasks of
the robot system,the process of large space activities in unstructured
environment,has the high mobility,so most of the mobile robot is service robots
With the development of society,we service robots have infiltrated the life
work and economic aspects,and play a very significant role.Service robot
research and development of our economic development has a lot of influence.This
article mainly elaborated through cleaning robot in the importance of service
industry in the world,robot is reviewed the development of some future robots,let
the reader know the importance of the development of social development.
Key words:Robots;cleaning robot;sports principle;clean way
1 前言
1.1 国内外相关产品研究
地面清洁机器人作为作为智能移动机器人实用化发展的先行者,其研究始于 20 世纪
80 年代,到目前为止已经产生了一些概念样机和产品。吸尘机器人的发展带动了家庭服
务机器人行业的发展,也促进了移动机器人技术图像和语音识别传感器等相关技术的发
展。现结合国内外的文献将清扫机器人的发展阐述如下
1.1.1 国外产品研究情况
RC3000 是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的清洁机器人,它有光
电传感器和芯片控制,当遇到障碍时,会随机改变一个角度,然后继续直走,直到遇到
新的障碍物。内置了四种清洁程序,保证在遇到不同污渍的地面时,可以调整其清洁程
序;通过传感器对于地板污渍的判断,选择合适的应用程序。内置光敏传感器,确保在
遇到楼梯与台阶时,能够自动避让,不会掉落。扁平的设计使其能够清洁床,沙发,茶
几等家具的下部位置。其相应的充电站有红外发射、工作时间设定、工作模式选择、充
电、垃圾处理五个功能。充电站一直发射红外定位和导航信号来指引机器人回到充电站
完成充电和垃圾处理的任务;同时能够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的操
作。
松下电器产业公司在 2002 年上半年推出了家庭用清洁机器人的试制机。该机器人
可以根据房间的形状、地板状况、垃圾量进行自动清扫,还配备有避开墙壁、炉子等热
源以及障碍的安全功能;该机器人配备有 50 个传感器可一边自动行走一边进行清扫,
工作时首先沿房间四周走一圈,记忆房间形状,然后在避开障碍物的同时开始纵横来回
移动,清洁工作完成后会自动停止。该机器人清扫一般的日本式房间约需要 9min,相当
于人打扫同样大房间所需时间的 1-1.5 倍,可清扫房间地板的 92%-93%;机器人利用
光及超声波的测距传感器及感压传感器来避开障碍物,机器人的内置回转传感器用来控
制行走姿势以保持既定的行进方向,但在地毯上行走时如果不采取措施则会受到“地毯
花纹”影响而弯曲前进,因此该公司在机器人中安装了方向舵传感器,可以检测出由于
地毯花纹影响而产生的行进方向偏差,因此即使在铺有地毯的地板上也能够直线前进,
机器人体内还安装有防止从台阶等高处滚下的落差传感器、感知暖炉等热源的热传感器、
检测自身所受外力大小的重量传感器及防滑传感器、检测添加动力的负载传感器,机器
人同普通的障碍物最少保持 10cm 的距离,而在探测到热源时,将会同热源至少保持 50cm
的距离。
瑞典家电制造商伊莱克斯(EIectoIux)研制生产的清洁机器人小“三叶虫”高
13mm,直径 35mm,表面光滑,呈圆形,内置搜索雷达,可以迅速地探测到并避开桌腿、
玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一旦微处理器识别出这些障碍物,它可重新选择路
线,并对整个房间做出重新判断与计算,以保证房间的各个角落都被清扫。在楼梯的台
阶等一些没有天然障碍物的地方,只要有一条磁铁,小“三叶虫”便不会跨越。小“三
叶虫”开始启动后,体内的搜索雷达会探测出距离最近的墙壁,先顺着墙壁把地板四周
的灰尘及异物吸尽。这样它便能探测出整个房间的格局,计算出清扫整个房间所需的时
间。只要一接近一件障碍物,它便会重新设定行进路线,不会漏掉每一个角落。电线或
地毯的边缘不会被认作是障碍物。小“三叶虫”的吸刷装置中装有一只专利设计滑轮,
可以越过电线或地毯边缘,不被绊住。电源不足时,小“三叶虫”会自动回到充电卡座
自行充电。 如果此时房间还没有清扫完毕,小“三叶虫”还有记忆功能,充好电后自己
回到原处继续吸尘。
2003 年 11 月,三星公司推出一款代号为 VC-RP30W 的机器人吸尘器。VC-RP30W 主
要依靠 3D 地图技术来进行定位,并能灵巧地躲避障碍物,能够快速、高效地对房间每
个角落进行吸尘。当遇到障碍物或者死角等情况,VC-RP30W 会自动转向继续工作。其强
大的智能判断系统使得 VC-RP30W 能轻易地分辨出垃圾与其他日常生活用品,机器人也
允许用户定义它的工作时间及清扫区域等,从而实现主人不在家时机器人也能进行自动
清扫。事实上,用户除了可以对它本身进行设置以外,还能通过计算机查看安装在机器
人前部的摄像头进行远程遥控。整个器人的电池能维持它连续工作 50 分钟,而一旦电
池处于即将耗尽的状态时它自动回到充电座补充能源,非常地智能化。它回充电站使用
的是已经生成的 3D 地图,而不是像 RC3000 那样使用红外的导航信号
1.1.2 国内产品研究情况
在国内的一些大学,如哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单位也对
清洁机器人进行了大量的研究并取得了一些成果,对清洁机器人相关技术如机器感知、
机器人导航和定位与路径规划、机器人控制、电源与电源管理、动力驱动等技术的研究
则更多,这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。哈尔滨工
业大学 90 年代开始致力于这方面的研究,与香港中文大学合作,联合研制开发出一种
全方位移动清扫机器人。该机器人具有如下特点:采用全方位移动技术,使机器人可执
行对狭窄区域等死区的清扫任务;采用开放式机器人铰制结构,实现硬件可扩展,软件
可移植、可继承,使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性;在拥挤环境下的实时
避障功能,能更好地适应不断变化的清扫工作环境;遥控操作和自主运动两种运行方式;
吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换,提高了吸尘效率。浙江大学于 1999 年初在浙江
大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的研究,两年后设计成功国内第一个具有
初步智能的自主吸尘机器人。这种智能吸尘机器人工作时,首先进行环境学习:利用超
声波传感器测距,与墙保持一定距离行走,在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息,
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