垃圾清理機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

褚超 王彤

【摘要】清掃機(jī)器人能夠完成清掃、垃圾收集等功能。本文介紹了清掃機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)有的研究資料，設(shè)計(jì)的機(jī)器人整體的結(jié)構(gòu)方案。為實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)器人的功能，對(duì)它的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用電機(jī)帶動(dòng)皮帶輪的驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)器人的行走運(yùn)動(dòng)，清掃機(jī)構(gòu)通過(guò)刷子清掃加風(fēng)機(jī)吸引的形式完成垃圾清掃，清掃垃圾過(guò)程的同時(shí)收集裝置將垃圾收入垃圾箱。外殼方面設(shè)計(jì)成方型，整體設(shè)計(jì)成三輪形式，兩個(gè)主動(dòng)輪分別由電機(jī)帶動(dòng)，通過(guò)萬(wàn)向輪方便機(jī)器轉(zhuǎn)向。并在設(shè)計(jì)完成后對(duì)主要的部件進(jìn)行計(jì)算校核使設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)滿(mǎn)足使用要求。

【關(guān)鍵詞】清掃機(jī)器人;傳動(dòng)結(jié)構(gòu);清掃機(jī)構(gòu);收集裝置

1?總體方案設(shè)計(jì)

1.1機(jī)器人總體布局

本文設(shè)計(jì)的掃地機(jī)器人采取的方案是：采用電機(jī)帶動(dòng)帶輪，由帶輪帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪行走;清掃機(jī)構(gòu)主要由兩部分構(gòu)成，在機(jī)器兩側(cè)放置毛刷，起輔助清掃的作用，在機(jī)器底盤(pán)放置滾刷，該滾刷由滾刷電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，起主要清掃作用，在風(fēng)機(jī)的作用下將灰塵、紙屑等物品吸入收集箱中，完成垃圾的清掃。其具體方案布局如圖1所示。

1.2機(jī)器人工作原理

本文所設(shè)計(jì)掃地機(jī)器人的工作原理為：

動(dòng)力及傳動(dòng)裝置：該機(jī)器人的動(dòng)力裝置采用直流電機(jī)，電機(jī)輸出軸與帶輪相連，通過(guò)帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳給驅(qū)動(dòng)輪，帶動(dòng)機(jī)器人行走;同時(shí)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)清潔刷旋轉(zhuǎn)，通過(guò)清掃刷自身的轉(zhuǎn)動(dòng)以及風(fēng)機(jī)的吸力來(lái)收集垃圾，并將垃圾收入垃圾箱，完成清掃任務(wù)。

掃地機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)部分：行走部分為三輪結(jié)構(gòu)，圖1中8、9為驅(qū)動(dòng)輪，控制機(jī)器人的行走方向，由兩個(gè)單獨(dú)的電機(jī)（圖1中10、11）進(jìn)行驅(qū)動(dòng);圖1中1為從動(dòng)輪，配合前輪運(yùn)動(dòng)。

掃地機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)部分：該結(jié)構(gòu)的清掃機(jī)構(gòu)由三部分組成，起主要清掃作用的為結(jié)構(gòu)7，由滾刷電機(jī)6帶動(dòng)旋轉(zhuǎn);起輔助清掃作用的為結(jié)構(gòu)4和5，在2、3毛刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，5逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);起垃圾收集作用的為結(jié)構(gòu)12，在風(fēng)機(jī)13作用下，將垃圾吸入垃圾收集箱中，完成垃圾收集。

2?運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇中常用的三種機(jī)構(gòu)為：車(chē)輪式、履帶式、腿足式。

車(chē)輪式：顧名思義車(chē)輪式是采用車(chē)輪樣的運(yùn)動(dòng)方式，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可以行走在相對(duì)平穩(wěn)，環(huán)境不太復(fù)雜的地面，車(chē)輪式本身比較平穩(wěn)，且成本較低。

履帶式：履帶式主要模擬的是坦克履帶的運(yùn)動(dòng)方式，這種方式可以行走在環(huán)境較復(fù)雜的地面，適應(yīng)性較強(qiáng)，不宜打滑適合在柔軟地面上行走，滾動(dòng)阻力較小，適合在自然路面上行走，能夠相對(duì)容易的爬過(guò)障礙。但履帶式本身重量較大慣性大，而且減震效果差，本身零件比較容易損壞，主要應(yīng)用于大型機(jī)器上。

腿足式：腿足式是一種近些年興起的仿生技術(shù)，通過(guò)對(duì)某些動(dòng)物腿足的觀察設(shè)計(jì)出的一種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種方式本身靈活性高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)能夠很好的行走在各種復(fù)雜環(huán)境中，運(yùn)動(dòng)相當(dāng)平穩(wěn)，對(duì)比車(chē)輪式和履帶式其自身有著很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。但是制造復(fù)雜，且本身成本很高。

對(duì)上面三種方式進(jìn)行比較，由于使用的環(huán)境在小區(qū)內(nèi)，地面較平穩(wěn)，且要求成本較低，因此采用車(chē)輪式的方式，能夠滿(mǎn)足使用要求。車(chē)輪式根據(jù)輪子數(shù)量多少進(jìn)行分類(lèi)，由于設(shè)計(jì)要求運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，因此采用三輪式的車(chē)輪機(jī)構(gòu)。

掃地機(jī)器人的工作過(guò)程就是在區(qū)域的不斷移動(dòng)清掃，采用往返不斷的清掃模式，通過(guò)輪子不停的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器行走，所以?huà)叩貦C(jī)器人的輪子需要很高的靈活度才能完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

行走分析：采用電機(jī)帶動(dòng)帶輪驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，帶動(dòng)掃地機(jī)器人進(jìn)行行走。

轉(zhuǎn)向分析：由于掃地機(jī)器人體積較小，汽車(chē)的轉(zhuǎn)向方式不適用，用兩個(gè)電機(jī)分別帶動(dòng)兩個(gè)前輪，利用兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的差速來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的效果。

3?傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

常用的傳動(dòng)方式目前主要有渦輪蝸桿傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)的傳動(dòng)方式。

蝸輪蝸桿傳動(dòng)：蝸輪蝸桿傳動(dòng)本身結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)。蝸輪蝸桿傳動(dòng)傳遞方向只能由蝸桿帶動(dòng)渦輪而不能反向帶動(dòng)，但蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率低，損壞后不易更換。

齒輪傳動(dòng)：齒輪傳動(dòng)的精度高，齒輪傳動(dòng)可以在空間內(nèi)任意兩軸的傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)傳遞的效率高，傳動(dòng)比恒定，工作可靠壽命長(zhǎng)。但齒輪傳動(dòng)對(duì)安裝精度要求較高成本高，不適用于傳遞距離較大的兩軸間的運(yùn)動(dòng)。

帶傳動(dòng)：帶傳動(dòng)傳動(dòng)平穩(wěn)，且成本極低，在皮帶壞損后很容易更換。

對(duì)比上面三種方式由于本款清掃機(jī)器人主要的工作環(huán)境為室外小區(qū)內(nèi)，因此在清掃的過(guò)程中要求行駛平穩(wěn)，震動(dòng)較小。所以在主體的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采取帶輪傳動(dòng)的傳動(dòng)方式，帶本身具有彈性，能夠緩和振動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)。在通過(guò)石子等障礙時(shí)能有效減小振動(dòng)，而且?guī)鲃?dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能有效防止過(guò)載，可以在防震基礎(chǔ)上達(dá)到保護(hù)其他零件的目的。

4?結(jié)論

本次設(shè)計(jì)基本達(dá)成了預(yù)期效果，歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了垃圾清掃以及收集功能;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本合理能夠滿(mǎn)足使用要求;整體的設(shè)計(jì)方面結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)器小巧、節(jié)省材料以及成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]張琛.直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017：35-41.

[2]貢俊，陸國(guó)林.無(wú)刷直流電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展[J].微特電機(jī)，2017（5）：15-19.