垃圾清理機器人結構設計

褚超 王彤

【摘要】清掃機器人能夠完成清掃、垃圾收集等功能。本文介紹了清掃機器人的研究現狀，根據現有的研究資料，設計的機器人整體的結構方案。為實現清掃機器人的功能，對它的機械傳動結構進行設計，選用電機帶動皮帶輪的驅動方式，實現清掃機器人的行走運動，清掃機構通過刷子清掃加風機吸引的形式完成垃圾清掃，清掃垃圾過程的同時收集裝置將垃圾收入垃圾箱。外殼方面設計成方型，整體設計成三輪形式，兩個主動輪分別由電機帶動，通過萬向輪方便機器轉向。并在設計完成后對主要的部件進行計算校核使設計符合標準滿足使用要求。

【關鍵詞】清掃機器人;傳動結構;清掃機構;收集裝置

1?總體方案設計

1.1機器人總體布局

本文設計的掃地機器人采取的方案是：采用電機帶動帶輪，由帶輪帶動驅動輪行走;清掃機構主要由兩部分構成，在機器兩側放置毛刷，起輔助清掃的作用，在機器底盤放置滾刷，該滾刷由滾刷電機帶動旋轉，起主要清掃作用，在風機的作用下將灰塵、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機器人工作原理

本文所設計掃地機器人的工作原理為：

動力及傳動裝置：該機器人的動力裝置采用直流電機，電機輸出軸與帶輪相連，通過帶傳動將動力傳給驅動輪，帶動機器人行走;同時電動機帶動清潔刷旋轉，通過清掃刷自身的轉動以及風機的吸力來收集垃圾，并將垃圾收入垃圾箱，完成清掃任務。

掃地機器人的行走機構部分：行走部分為三輪結構，圖1中8、9為驅動輪，控制機器人的行走方向，由兩個單獨的電機（圖1中10、11）進行驅動;圖1中1為從動輪，配合前輪運動。

掃地機器人的清掃機構部分：該結構的清掃機構由三部分組成，起主要清掃作用的為結構7，由滾刷電機6帶動旋轉;起輔助清掃作用的為結構4和5，在2、3毛刷電機的驅動下，4順時針旋轉，5逆時針旋轉;起垃圾收集作用的為結構12，在風機13作用下，將垃圾吸入垃圾收集箱中，完成垃圾收集。

2?運動機構設計

目前運動機構選擇中常用的三種機構為：車輪式、履帶式、腿足式。

車輪式：顧名思義車輪式是采用車輪樣的運動方式，這種方式的優點是可以行走在相對平穩，環境不太復雜的地面，車輪式本身比較平穩，且成本較低。

履帶式：履帶式主要模擬的是坦克履帶的運動方式，這種方式可以行走在環境較復雜的地面，適應性較強，不宜打滑適合在柔軟地面上行走，滾動阻力較小，適合在自然路面上行走，能夠相對容易的爬過障礙。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，主要應用于大型機器上。

腿足式：腿足式是一種近些年興起的仿生技術，通過對某些動物腿足的觀察設計出的一種運動機構。這種方式本身靈活性高，環境適應性強能夠很好的行走在各種復雜環境中，運動相當平穩，對比車輪式和履帶式其自身有著很強的優勢。但是制造復雜，且本身成本很高。

對上面三種方式進行比較，由于使用的環境在小區內，地面較平穩，且要求成本較低，因此采用車輪式的方式，能夠滿足使用要求。車輪式根據輪子數量多少進行分類，由于設計要求運動較平穩，因此采用三輪式的車輪機構。

掃地機器人的工作過程就是在區域的不斷移動清掃，采用往返不斷的清掃模式，通過輪子不停的轉動帶動機器行走，所以掃地機器人的輪子需要很高的靈活度才能完成復雜的運動。

行走分析：采用電機帶動帶輪驅動輪子轉動的方式，帶動掃地機器人進行行走。

轉向分析：由于掃地機器人體積較小，汽車的轉向方式不適用，用兩個電機分別帶動兩個前輪，利用兩個電機轉動的差速來實現轉彎的效果。

3?傳動方案設計

常用的傳動方式目前主要有渦輪蝸桿傳動、齒輪傳動、帶傳動的傳動方式。

蝸輪蝸桿傳動：蝸輪蝸桿傳動本身結構緊湊，傳動精度高、傳動平穩。蝸輪蝸桿傳動傳遞方向只能由蝸桿帶動渦輪而不能反向帶動，但蝸輪蝸桿的傳動效率低，損壞后不易更換。

齒輪傳動：齒輪傳動的精度高，齒輪傳動可以在空間內任意兩軸的傳動。齒輪傳動傳遞的效率高，傳動比恒定，工作可靠壽命長。但齒輪傳動對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動。

帶傳動：帶傳動傳動平穩，且成本極低，在皮帶壞損后很容易更換。

對比上面三種方式由于本款清掃機器人主要的工作環境為室外小區內，因此在清掃的過程中要求行駛平穩，震動較小。所以在主體的傳動系統設計，采取帶輪傳動的傳動方式，帶本身具有彈性，能夠緩和振動，傳動平穩。在通過石子等障礙時能有效減小振動，而且帶傳動的結構設計，能有效防止過載，可以在防震基礎上達到保護其他零件的目的。

4?結論

本次設計基本達成了預期效果，歸納起來主要有以下幾點：實現了垃圾清掃以及收集功能;結構設計基本合理能夠滿足使用要求;整體的設計方面結構緊湊、機器小巧、節省材料以及成本。

參考文獻：

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