毕业设计(论文)-室内地面清洁机毕业设计(13页).doc
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1、-毕业设计(论文)-室内地面清洁机毕业设计室内地面自动清洁机学生姓名 学 号 所属学院 专 业 机械设计制造及其自动化班 级 15-1 指导老师 日 期 前 言 随着人民生活水平的提高,现代家庭的住宅越来越宽敞,地面清洁工作量越来越大。为了节省清洁占用时间,减轻劳动量,提高清洁工作效率和清洁度。本文中设计了一台具有独特之处的家用自动清洁机。目前市场上所拥有的清洁机构主要是依靠电动机带动抽风机的高速运转产生极强的吸力和压力,从而使清洁机内部产生瞬时真空吸力,与外界大气压形成压力差,从而将空气中的灰尘以及地面的污垢垃圾吸入清洁机内。与以往的清洁机构相比较本设计的独特之处在于:一是它采用了锂电池作为
2、能量源,每次使用完以后可以直接将电池取下充电,这样可以重复的使用,而且从用的是直流电动机,电动机的功率较低,比普通清洁机的耗电量要低很多;二是本自动清洁机的体积小,结构简洁,使用方便,不仅能够清洁开阔地面,而且能够清洁沙发、家具等占用狭小空间的地面;三是本次设计机构的拖布和清洁机的集尘袋的清洗方便很多可以直接取出用水洗干净。 综上所述,本次设计的室内地面自动清洁机有着很高的市场研发价值以及实际使用价值。本次设计的圆满成功可以解决许多日常生活中清洁卫生的问题,大大的减轻劳动强度,提高清洁的效率,节约成本和花费。关键词:家用清洁机;运动原理;清洁方式目 录1 绪论11.1引言11.2研究的目的和意
3、义11.3国外产品研究状况11.4国内产品研究状况22 室内清洁机的关键部分22.1 传感技术32.2 路径规划技术32.3 吸尘技术32.4 电源选择33 室内清洁机的机械设计43.1 总体设计43.2行走机构设计53.3 吸尘机构的设计53.4 吸尘机构的设计54 机械结构的参数计算64.1 驱动电机的选择64.2 蜗轮蜗杆的选择74.3 吸尘机构电机的选择94.4 家用室内清洁机电池的选择94.5 驱动机构上蜗杆轴承的寿命的计算94.6 清扫机构中蜗轮轴的校核10总 结12致 谢13参考文献13-第 9 页 15 届毕业设计1 绪论1.1 引言自第一台工业清洁机问世以来,清洁机有着突飞猛
4、进的发展。清洁机在工业、国防和科学技术中日益广泛的应用,带来了巨大的经济和社会效益,也有力地推动了有关学科和技术领域的发展。家用清洁机是一个新的清洁机研究领域。作为正在发展新研究领域,家用清洁机有许多不同的定义,但它的最基本特征是提供服务。和工业清洁机一样,家用清洁机基本上包括清洁机的所有基本特性。它往往和人结合于同一工作环境中,这隐含着许多工业清洁机没有的特性,如安全问题、人机交互性、在非结构化环境中的高度自治等。目前家用清洁机成功应用的领域有雕刻,吸尘,清洗,医疗,等等。从长期来看,家用清洁机的应用数量将会超过工业清洁机。1.2 研究的目的与意义清洁机将移动机器技术和清洁技术有机地融合起来
5、,实现室内环境(地面)的半自动或全自动清洁,替代传统繁重的人工清洁工作,近年来已受到国内外的研究人员重视。作为智能移动机器的一个特殊应用,从技术方面讲,智能化自主式清洁机比较具体地体现了移动机器的多项关键技术,具有较强的代表性。从市场前景角度讲,自主清洁机将大大降低劳动强度、提高劳动效率,适用于家庭和公共场馆的室内清洁。因此,开发自主智能清洁机既具有科研上的挑战性,又具有广阔的市场前景。融合现代传感器以及机器领域的关键技术,本课题旨在开发一部价格便宜,全区域覆盖,能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家庭清洁机器。使它可以替代传统的家庭人工清扫方式,使家庭生活电气化、智能化,使科技更好地为人类服
6、务。1.3 国外产品研究状况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室内清洁机,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清洁机回到充电站完成充电和垃圾处理的任务;同时能够根
7、据用户设定的信息来控制清洁机完成相应的操作。松下电器产业公司在 2002 年上半年推出了家庭用室内清洁机的试制机。该清洁机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;该清洁机配备有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。该清洁机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9293;清洁机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,清洁机的内置回转传感器用来控制行走姿势以保持
8、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,因此该公司在清洁机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,清洁机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,清洁机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)研制生产的室内清洁机小“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
9、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
10、“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。图1-1 三叶虫2003年11月,三星公司推出一款代号为 VC-RP30W 的清洁机清洁机。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,清洁机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清洁机也能进行自动清扫。事实上,用户除了可以对它本身进行设置以外
11、,还能通过计算机查看安装在清洁机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。地面室内清洁机作为智能移动清洁机实用化发展的先行者,到目前为止,已经产生了一些概念样机和产品。吸尘清洁机的发展,带动了家庭服务清洁机行业的发展,也促进了移动清洁机技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。1.4 国内产品研究状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室内清洁机进行了大量的研究并取得了一些成果,对
12、室内清洁机相关技术如机器感知、清洁机导航和定位与路径规划、清洁机控制、电源与电源管理、动力驱动等技术的研究则更多,这些都为室内清洁机的研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。哈尔滨工业大学于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洁机。该清洁机具有如下特点:采用全方位移动技术,使清洁机可执行对狭窄区域等死区的清扫任务;采用开放式清洁机铰制结构,实现硬件可扩展,软件可移植、可继承,使清洁机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
13、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清洁机的研究,两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主清洁机。这种智能清洁机工作时,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,从而决定清扫时间;之后,利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清扫路径;清扫结束以后,自行回到充电座补充电力。吸尘清洁机在5.53.5m2的实际家庭环境中,工作10分钟可以达到90%以上的覆盖率。更大房间的清扫试验还没有进行。目前,系统正在引入机器视觉和全局定位功能,力图在多房间环境下,提高自定位能力、智能决策能力以及回归充电效率,最
14、终提高清扫效率。如图1-4所示。KV8保洁清洁机是今年在市场以低价位卖得比较火的一款产品,也是国内首个产品化清洁机。它广泛用于家庭、办公和娱乐场所,以及其它一些人员不便进入的地方。KV8能够通过自身的碰撞传感器来实现随机的清扫和碰撞处理,需要人工对其电池进行充电,有三种工作模式可以选择,在启动时伴有音乐声。2 室内清洁机的关键部分室内地面自动清洁机通常可由5个主要部分组成:控制器部分、行走驱动部分、传感器部分、清洁部分和电源部分。行走驱动部分是清洁机的主体,决定了清洁机的运动空间,一般采用轮式机构。传感器部分一般采用超声波测距仪、接触和接近传感器、视觉传感器、红外线传感器和CCD摄像机等。这种
15、清洁机实际上融合了移动清洁机和清洁机技术,故称为智能清洁机或清洁机。随着近年 来计算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动清洁机技术的迅速发展,清洁机控制系统的研究和开发己具备了坚实的基础和良好的发展前景。目前发展较快、对清洁机发展影响较大的关键技术是:传感器技术、环境建模、定位、路径规划技术。2.1传感技术传感器是清洁机的感觉器官,负责采集外界环境和自身状态的信息。根据采集信息的种类可以分为内传感器和外传感器。内传感器负责采集系统自身状态的信息,包括编码器、陀螺仪、电子罗盘等。外传感器负责采集系统外部信息,包 括CCD视觉传感器、激光雷达、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器。超声波、
16、红外和接触传感器,具有价格低廉、工作可靠、速度快的优点,广泛应用于清洁机的局部无碰撞导航。激光雷达是应用较为广泛的一种全局信息获 取手段,可以进行定位和环境建模,但是所提供的信息不全面,并且价格较高,限制了其应用范围。而CCD器件可以提供类似人类的视觉信息,随着技术的发展,其价格越来越低,在车牌识别、人脸识别、无人监控、遥感图像等领域得到越来越广泛的应用。但是图象处理的数据量大,算法复杂,特征提取和深度信息回复困难,所以在清洁机视觉方面的应用还是有限的。随着集成电路的发展和计 算机视觉的深入研究,CCD视觉传感器必将成为清洁机环境感知的主要来源,同时促使清洁机智能产生飞跃。2.2路径规划技术室
17、内清洁机的路径规划就是根据清洁机所感知到的工作环境信息,按照某种优化指标,在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径,并且实现所需清扫区域的合理完全路径覆盖。清洁机路径规划研究开始于 20 世纪 70 年代,目前对这一问题研究仍旧十分活跃。其主要研究内容按清洁机工作环境不同可分为静态结构化环境、动态已知环境和动态不确定环境,按清洁机获取环境信息的 方式不同可以分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。对运动规划问题,目前有具体的解析算法。但由于解析算法牵涉到复杂的椭 圆积分问题,实现起来依然具有相当的难度。根据清洁机对环境信息知道的程度不同,可以分为两种类型:环境信息完全知道的全局路
18、径规划和环境信息完全未知或部分未知,通过传感器在线地对清洁机的工作环境进行探测,以获取障碍物 的位置、形状和尺寸等信息的局部路径规划。全局路径规划包括环境建模和路径搜索策略两个子问题。其中环境建模的主要方法有:可视图法(V-Graph)、自由空间法 (Free Space Approach)和栅格法(Grids)等。2.3吸尘技术真空清洁机是由高速旋转的风扇在机体内形成真空从而产生强大的气流,将尘埃和脏物通过吸口吸入机体内的滤尘袋内。吸尘系统包括滤尘器、集尘袋、排气管以及其他一些附件。其吸尘能力取决于风机转速的大小。最近,澳大利亚 Jetfan公司又开发出采用新原理的气流滤尘器。这个清洁机是一
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