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扫地机器人的关键技术运用(可编辑)

IT圈 admin 2024-04-09 31浏览 0评论

2024年4月9日发(作者：杭旭鹏)

本科毕业设计说明书（论文）

1 引言

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扫地机器人，是当今比较热门、潮流的家居服务型微型机器人。其运用机械机构

加上电路控制模块，能够比较方便的清扫家庭以及办公室复杂环境，保持地面时刻的

清新干净。对于城市的人来说，工作后回家，解放双手，完成地面的清洁任务，是非

常轻松的，所以清洁机器人在上班族中也是有一定的需求量的。

本文主要是从扫地机器人的机械结构设计方面出发，来探讨其工作原理，满足一

定的工作需求，达到模拟仿真的目的。

1.1 扫地机器人的概念

扫地机器人（Robot Cleaner），又称自动打扫机、智能吸尘、机器人吸尘器等，

是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。

一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面

清理的功能。一般来说，将完成清扫、吸尘、擦地工作的机器人，也统一归为扫地机

器人。

扫地机器人一般是圆盘形，直径一般在340mm左右，高度一般在90mm左右。圆

盘内结构紧凑，加入了各种机械结构和电气控制电路。其适用于家居和办公室的工作

环境。

1.2 扫地机器人的发展历程与发展趋势

1.2.1 国外发展历程

国外的清洁机器人起步较早，由于感应器技术的飞速发展，清洁机器人的功能也

是比较成熟的。

英国Dyson（戴森）公司在2001年初推出DC06型号的智能吸尘器，据说该机器

人身上的感应器比火星探测器身上的都多，这是世界上首台全自动的清洁机器人，技

术上还不怎么完善，所以设计上还颇为复杂。

之后，日本、美国、以及伊莱克斯家电厂商、TRC公司、Kent公司等公司相继推

出自己的产品。在竞争力越来越大的情况下，也就促进了清洁机器人的发展。清洁机

器人越来越智能化、便携化、微型化、操作简单化，一般只需按照自己设定的模式，

按下开关，就可以自动清洁。

1.2.2 国内发展历程

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国内微型机器人发展比较晚，但是作为新兴产业,发展尤为迅速。2003 年北京航

空航天大学以国家大剧院的超椭球外表面清洗为应用背景,研制了复杂曲面自攀爬式

机器人。机器人本体分为攀爬机构、移动机构、清洗机构和俯仰调节机构。之后几

年各大学也在研究机器人，但是没有出产品。

近年来，一些企业，如上海雷龙、北京人康等，专业生产清洁机器人，而且生产

能力和质量逐渐与世界接轨。

1.2.3 机器人的发展趋势

通过国内外的研究，扫地机器人主要加强智能化、微型化、节能化，在复杂的家

居以及办公环境下，也能够很好的执行清洁工作。特别今年来，扫地机器人退出虚拟

墙功能，能够通过感应器自动识别虚拟墙。这样我们可以设置虚拟墙，避免无需清扫

的区域。另外，通过改变路径算法，能够更好的智能清扫。通过感应器的作用，还能

防止地势过高而跌落，防止撞墙，对于过于脏的地方，还能改变清扫频率和工作功率。

在家庭中，扫地机器人的操作也会更加简单，适用人群也就会更加广，而且能够

自动充电，不需要人为担心，所以多余的操作不要太多。

扫地机器人的功能扩展，将会更好的服务人群。人们可以根据自己的意愿，设置

清扫时间段。有些扫地机器人还加上了空气净化器，有效吸收新房的甲醛等有害气体。

如遇晚上断电，还可以开启应急灯。今后的发展，还可能成为移动的WIFI热点。

未来的发展，机器人会更加的安全，有效避免儿童玩耍时遇到危险。电路控制模

块，会智能电气保护。对于本身的故障，也会通过内部的感应器，自己检测到，然后

通过外壳上的显示器显示，方便维修人员检测维修。

扫地机器人主要是依靠传感器技术、路径规划技术、吸尘技术。但就目前而言，

机器人的开发周期较长，运营成本较高，易受到干扰，实时性与精确性存在矛盾，应

变能力不足。所以在未来发展过程中，机器人的加工工艺会完善突破，用高强度的轻

材料来制作，内部使用高精度抗干扰能力强的感应器。因此，以后的扫地机器人在运

营时更加智能，适用的工作环境也比较广。

[7]

1.3 研究的目的和意义

对于目前城市中的工作人群，没有精力和时间清扫家居生活，以及办公室要时刻

保持清洁，也就需要这种扫地机器人，来减轻人们的负担。

扫地机器人是传感技术、控制技术、信息处理技术、机械加工技术、电子技术、

计算机技术等多门技术相结合的成果。因此扫地机器人的发展必然建立在这些技术告

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人的机械原理。

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诉发展的基础上。本课题主要是研究机器人的机器结构和运动，从中学习到扫地机器

扫地机器人有利于产业转型，建立创新性国家。科学技术是第一生产力，科技反

馈于普通家庭。

1.4 本课题研究的主要问题

本课题设计的扫地机器人是在直径为340mm，高度为90mm的圆盘形盒子中加入各

种机械机构和电路控制部分。其中机构包括清扫机构、行走机构、吸尘机构和储存垃

圾机构。在紧凑的空间里，要设计如此多的机构，需要空间搭配，合理应用空间。

对于机器人转弯的万向轮，要防止机器人转弯时卡死，还要防止机器的外部零件

碰触到墙壁等物体。

1.5 选题的科学意义和应用前景

扫地机器人有着广阔的应用前景，技术也相对成熟。本人热衷于Pro/E绘图，想

通过运用Pro/E软件，全真模拟扫地机器人的机械结构，并且进行运动仿真。

通过Pro/E软件模拟，可以减少研发成本，但是可以进行进行应力应变分析、零

件疲劳分析、运动分析等，大大缩短了设计周期。通过设计过程，也可以体会到设计

的历程，与课程想结合，大大提升自己的创新能力，以及与产业相接轨。

融合现代传感器以及机器人领域的关键技术，本课题旨在开发一部价格低廉，全

区域覆盖，能够基本满足家庭清扫工作的移动式扫地机器人。使它可以替代传统的家

庭人工扫地方式，使家庭生活电气化、智能化，使科技更好地为人类服务。

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2 扫地机器人的机械设计

2.1 机械结构组成和工作原理

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本课题主要是设计一种小型的清洁机器人，要容易实现，能够应用于普通家庭，

初步完成自主移动、自动避障和路径规划任务的清洁机器人。整个机器人主要有机械

机构和电路控制部分，不过本课题着重研究机械机构。机械机构包括清扫机构、吸尘

机构、行走机构和储存垃圾机构。外壳等定位机构由高强度塑料组成，有效的降低了

重量，减小成本，同时减小了轮子的承载力和扭矩，从而降低了电机的功率，达到节

能的目的。机器人主要由两个后驱动轮，以及一个前万向从动轮组成，能够进行简单

的自行转弯。如图2.1，为目前比较主流的扫地机器人。图2.2：为扫地机器人的底

盘。

图2.1 扫地机器人的外观

图2.2 扫地机器人的底盘

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设计家庭清洁机器人的工作内容和要求：

运行机构形式：轮式

最高行进速度： 0.5 m/s

转弯半径：0

高度：<100mm

宽度：<400mm

清洁方式：吸尘、刷扫

一次充电连续工作时间： 0.5 小时

警示方式： LED闪光

具有自动路径规划、避障功能。

2.1.1 机械结构组成

（1）清扫机构。如图2.3，是由一组反向的毛刷组成，旋向如图所示。毛刷的旋

转频率是同步的。通过毛刷，可以把旋转区域内的垃圾扫向机器人底部，底部中心附

近是吸尘口。

图2.3 底盘毛刷

（2）行走机构。行走机构主要是由后2个驱动轮（分别由两个电机控制）以及

前轮随动轮（前轮为万向轮，主要控制转向功能）。它的行走频率以及转向，是通过

感应器控制的。通过感应器，探测周围的物体，比如前方墙壁，经路径规划技术，智

能进行电机功率的分配，实现转向。通过感应器，探测到某区域特别脏，还可以改变

电机的频率，实现清扫力度和速度的改变。

（3）吸尘机构。吸尘机构主要是由一个小型的吸尘器组成。通过在吸尘口制造

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强大的吸力，把灰尘带到储存垃圾机构中。

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（4）储存垃圾机构。如图2.4，主要是由储存盒和过滤网组成，与外部连接，可

以取出来，清理垃圾。

图2.4 储存垃圾机构

移动机构是机器人的主要行动机构，机器人移动机构按结构分有轮式、履带式和

步行式等。轮式和履带式机器人要求的工作环境较高，需平整地面，而步行机器人则

适合于多变的地面。本课题研究的扫地机器人在平整的家居环境，所以采用轮式的移

动机构。

轮式的扫地机器人一般有三轮、四轮和六轮，扫地机器人采用三轮就比较简单，

能满足一般的家庭需求，应用也比较广泛;四轮的稳定性好，承载能力较大，但结构

较复杂;六轮与四轮类似，有更大的承载能力和稳定性。在本课题中，扫地机器人比

较轻，工作环境是家庭生活，也不复杂，三点确定一个平面，三个轮子也能达到技术

要求。但对负载有一定的要求，对三轮扫地机器人来说，重心较低，载荷稳定且重心

的偏移不是很明显，所以采用三轮机构就能达到要求。

三轮转向装置的机构通常有两种方式:

(1) 铰轴转向式:转向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆机构控

制铰轴，从而控制转向轮的转向。

(2) 差速转向式:在机器人的左、右轮的轴上安装一个差速器，差速器由一个驱动

电机带动。当直线移动时，电机带动差速器，差速器能够同步带动2个轮子的转速。

当其中一个轮子受到阻力时，会降低转速，这时由于差速器的作用，会使另外一个轮

子转速加快，从而实现转弯的作用。

根据上述的移动机构，扫地机器人采用一个直流电动机的差速转向式移动机构，

控制简单，试用各种转弯半径，可以轻松实现扫地机器人的各方向（前、后、左、右）

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的运动，以及调头等功能。

2.1.2 工作原理

如图2.5，机器人工作的流程如下:

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(l) 首先可以通过机器人外壳或者遥控器启动清洁机器人，让它开始执行清扫工

作。

(2) 机器人一旦开始工作，便通过感应器控制清扫机构进行清扫、吸尘机构开始

吸尘。

(3) 机器人工作过程中，传感探测模块就开始不断地采集外部信息，送到CPU进

行分析和决策产生机器人行走的路径，这就是路径规划技术。

(4) 当路径规划需要机器人实现转向的时候。CPU就分别改变左右轮的速度，通

过差速来实现转向。

(5) 工作期间机器人可以通过LCD显示一些相关信息(比如工作模式、工作计时

或温度、机器人电量)。

(6) 遥控器除了可以控制清洁机器人的启停，还可以对机器人进行定时，让机器

人在一定时间后开始工作或者工作一定时间后停止工作

[2]

。

图2.5 功能模块关系示意图

机器人利用安装在外壳上的各类传感器来收集工作环境的各种参数，如障碍物的

距离、自身移动的路线等;然后根据收集的参数，选择相应的行走程序;通过以单片机

为核心的控制电路进行障碍物判断、避障策略选择和运动行走实施。机器人面板上有

控制其电路通断的电源按钮。同时也可以通过遥控来控制，遥控还能对机器人进行个

性化定义，扫地机器人面板上实时显示各种参数。

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2.2 扫地机器人的总体设计

2.2.1 机器人外形的设计

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为了适应家居环境的需求，扫地机器人采用直径为340mm，高度为90mm的圆盘形

结构。此外形可以在沙发、桌子、写字台等难打扫的地方。并且因为是圆盘型结构，

所以机器人在转弯时，也不容易碰壁，能进能出，灵活改变清扫策略。并且在外壳上

有一些感应器，安装在圆盘形的外壳上，探测额范围变得开阔，有效提高了感应器的

效应。如图2.6，为扫地机器人的基本外形。

图2.6 扫地机器人的基本外形

2.2.2 机器人后轮的设计

扫地机器人后轮轮毂部分主要运用高强度塑料制作，质量轻，又满足工作需求。

最外层运用2mm厚的橡胶轮胎。橡胶轮胎最大直径处为60mm。运用如图七所示的轮胎

凹痕，可以有效的增大摩擦阻力，防滑，而又能够带动机器人行走。轮毂中有些圆孔

和圆弧形孔，一来可以节省材料，降低重量；二来可以提高强度，增强轮胎的需用应

力，能够承载稍大的压力。

以下为轮胎的设计计算：

扫地机器人估计重量为3kg，g取9.8N/kg

机器人的重力为

G39.829.4N

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每个轮子上受到的载荷

FG9.8N

按橡胶在优质路面上，取







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，



0.1

滑动摩擦阻力

fF



9.80.10.98N

滚动摩擦力





F



9.8



9.8



Nm

车体底盘高于地面10mm，取轮子直径D为60mm，则

R30mm

，轮子行走过程中

所受的阻力矩为

fRM

f

0.983010



9.810



0.0392Nm

如图2.7为后主动轮的三维建模。

33

图2.7 后轮胎设计图

2.2.3 传动部件——蜗轮蜗杆的设计

通过蜗轮蜗杆部件，可以改变传动方向，大大改变传动比，有效的节省空间。

因为蜗轮蜗杆是机器人的重要传动部分，所以本次课题的蜗轮蜗杆选用的材料为

40Cr，表面淬火，硬度45～50HRC,蜗轮齿圈材料为ZcuSn10Pb1,金属模铸造。

蜗轮的模数

m2.5

，

2

，

31

，压力角为

Q20

，蜗轮变位系数为-0.5，

传动比

i15.5

，

0.8

，

1.2

，



1

。

载荷系数

KK

K



0.81.210.96

T

i



①

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当

2

时，



0.7~0.75

，取



0.73

代入

①

式中得

0.039215.50.730.4435Nm

m2mm

22.4m

2

q10

31

y1007





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中心距

a

(



)41

mZ

23162

蜗轮圆周速度



滑动速度



0.673



1000





3.834

siny

蜗杆传动效率



(0.95~0.96)





2





tgy

0.83

tg(y





)

传动效率



(0.95~0.96)0.830.81~0.82

与初选0.73不符合，传动效率应当适当降低。

蜗轮当量齿数



32.49

cosy

查得齿形系数

2.52







0.916

120



蜗杆齿顶圆直径

m(q2)24

由于蜗杆头数为2，即

3

，则蜗杆宽度为



0.75



蜗杆齿根圆直径

d

2h

d

2(h



c



)20mm

(



1,



0.2)

蜗杆宽度

2.5mZ

12.5230127.8

,取

28

。

蜗轮喉圆直径：

d

2h

d

2m





x



64mm



取0



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蜗轮齿宽



sin

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蜗轮齿根圆直径：

d

2h

d

2m(h



c



x

)55.2mm





17.16mm



取



60



(选蜗轮轮齿端面为锥面结构)

蜗轮轮缘宽度





2



sin





0.8m



22.44mm

，取

B20mm

。

三维设计图如图2.8。

图2.8 蜗轮蜗杆副

2.2.4 皮带轮的设计

皮带轮的选型如下表2.1：

表2.1 皮带轮的参数

带宽

spz

9.7

8.5

如下图2.9为皮带轮的三维建模：

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图2.9 皮带轮

2.2.5 轴设计

轴上能使产生弯距的力有

=0.081N

=0.015N

两个力在互相垂直的两个平面上，L=69mm，D=12mm 如下图2.10为轴的受力图。

图2.10 轴的受力图

做弯距图:



0.25F



0.25



0.081





0.25F



0.25



0.015





合成弯距







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



MMM1.46



0.01M/mm



0.1d0.1



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由于前面已经选定轴的材料为45钢，调质处理，查表













，故符合强度要求。

如图2.11为轴的尺寸。

图2.11 轴的CAD图

2.2.6 轴承设计

根据《机械设计--课程设计手册》，选用滚动轴承，轴承代号6001。

表2.2 轴承代号及参数

轴承

代号

6001 12 28 8

d D B

min

0.3

min

14.4

max

25.6

max

0.3

轴承的寿命的计算：



()

h （1）计算轴承寿命的基本公式为：



60np

其中：P- 当量动载荷(N);



- 寿命指数，球轴承



=3，滚子轴承



=10/3；

n- 轴承转速r/min;

C- 基本额定动载荷（N），可由轴承样本或有关[1]中查到。

经查表的

C =2.7510

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（2）计算角接触轴承的当量动载荷

基本公式为P=

(XRYA)

其中：X - 径向载荷系数，其值根据[1] 表12-12；

Y - 轴向载荷系数，其值根据[1] 表12-12；

R –轴承所承受径向载荷；

A - 轴承所承受轴向载荷；

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- 载荷系数，考虑机器的运转情况对轴承载荷的影响，查表12-12

[1]

图2.12 轴承受力分析图

经计算解得

Fr0.081N

Fa0.015 N

有已知条件可知，轴承是关于蜗轮对称的，所以左右的距离相等。

所以

R1R2Fr1/20.0405N

又因为轴的质量作用在轴承上，每个轴承大约承受

0.1N

所以

R1R20.1405N

派生轴向力

S1S2R/2Y0.0468N

又因为

S2Fa0.0468.0150.0618N0.0468N

所以轴承1压紧，轴承2放松

所以

A10.0618N,

A20.0468N

A1A2

,所以只需要校核轴承1即可

因为

A/R=0.0618/0.1405e

选取

X1,Y0,fp1.0

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所以 P=

(XRYA)

1.0(10.14050A)0.1405

2.7510



所以



()

=1.08



()



30000.1405

60np

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所以符合要求。

2.2.7 轴承端盖的设计

轴承端盖选用的是凸缘式轴承盖，具体选用规格如下：

D28

4

d

15

D2.5d

282.5438

D

2.5d

382.5448

e1.2d

1.244.8

e5

281018

383426D

28226

b5

h0.854

2.3 扫地机器人的机构设计

2.3.1 清扫毛刷的设计

如图2.13，为扫地机构示意图。

图2.13 扫地机构示意图

清扫机构，由蜗杆为输入扭矩，带动2个蜗轮反方向运动，蜗轮通过轴和键的连

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接，带动皮带轮的旋转，再由皮带的摩擦力，带动另外一个皮带轮，最后带动通过螺

栓连接的毛刷。这对毛刷是反方向运作的，可以通过这种运动方式，把地面上的垃圾

收集到机器人底部。

由于电机运转速度高，可以通过蜗轮蜗杆副的特点，进行降速处理，同时由于功

率不变，扭矩就大大提高，使得清扫时，给了足够的力，把体积较大的垃圾能够清扫

成功。

运用双蜗轮，可以有效准确的控制2把毛刷的清洗频率，达到同步的效果。当通

过感应器感应周围环境需要变频清扫时，也能快速响应，达到用户的要求，使得，清

扫的路面更加干净整洁。

另外，通过蜗轮传动之后，再各自用皮带轮进行传动，可以有效的使清扫半径扩

大。毛刷最外围可以超过机器人的外壳，有利于清扫死角。就目前市场上的扫地机器

人，大多都是当感应器探测到机器人快要撞墙时就执行转弯命令，所以，毛刷的长度，

可以有效的清扫外围的区域，另一方面，也能避免机器人碰撞，保护了外壳。

如图2.14，为扫地机构工作尺寸范围简化图。

图2.14 扫地机构简单示意图

电机带动蜗杆，蜗杆两端接蜗轮，两个蜗轮分别接皮带轮，皮带轮上的轴接刷

子，从而实现清扫。

2.3.2 吸尘机构的设计

如图2.15为吸尘结构的十一三维图。

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图2.15 吸尘机构示意图

吸尘机构主要运用了吸尘技术。目前采用的吸尘技术主要有两类:真空吸尘器和

气流滤尘器。真空吸尘器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。气流滤尘器一个全封闭系统,既无外

部气体吸入,也无机内气体排除,其原理是利用附壁效应去形成低压涡流气体,最后将

沉渣截留于吸尘器内的涡流腔内

[3]

。

本课题主要运用的是真空吸尘器。该吸尘器主要部件由进尘管、储尘盒、风扇、

电机和排气罩等部件组成。当底部的清扫毛刷，把地面上的垃圾归纳到机器人底部时，

通过风扇制造真空气流，在底部中央的进尘口产生较大的气流，把垃圾吸入。垃圾由

此进入储尘盒。储尘盒右端有过滤网，过滤网的间隙很小，垃圾无法通过，所以垃圾

残留在储尘盒中。因此，干净的空气就会从过滤网流出，通过排气罩排出机器人本体。

另外，如果有市场需求，为了满足家庭的需要，可以在排气罩部分加装空气净化器等

外设部分，能有效的清洁空气。如果在新房子中使用，还能起到吸收甲醛的作用。

另外，机器人在工作过程中，会产生一定的热量，散布到整个机器人的内腔，通

过吸尘机构的空气流通作用，会把内腔中的热量持续的带到机器人之外，有效的提高

了零部件的使用寿命，保护了机体。

2.3.3 行走传动机构----差速器的设计

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图2.16 差速器的三维示意图

图2.17 差速器的结构简化图

如上两幅图所示，第一副图是差速器的三维建模图，第二幅图是差速器的简化示

意图。

输入轴连接的是电机，输入轴转动时，带动从动齿轮；行星齿轮通过齿轮架连接

从动齿轮，当从动齿传动时，行星齿轮同频率传动；行星齿轮带动左右半轴齿轮，同

频率旋转，2根输出轴连接后驱动轮，实现2个后驱动轮同频率做旋转运动，从后做

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直线运动。

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当传感器探测周围环境，要执行转弯命令时，比如要进行右转弯，就会通过传感

器，控制左半轴齿轮加速旋转，然后通过行星齿轮的作用，右半轴齿轮的转速就会下

降，然后通过前万向轮的随动性，扫地机器人就会向右转弯，从而实现智能化控制。

差速器的校核：

1）行星齿轮数目有4个

2）计算行星齿轮球面半径

圆锥行星齿轮差速器的结构尺寸是由行星齿轮的背面的球面半径

决定的，它

是差速器圆锥齿轮的节锥距。

球面半径

的计算如下

K

mm (1)

式中：

——行星齿轮球面半径系数，可取2.52～2.99，对于有4个行星齿轮的

扫地机器人取小值；

T——计算转矩，取Tce和Tcs的较小值，N·m.

计算转矩的计算

=0.377

amax

（2）

式中

——车轮的滚动半径，

=5.32mm

——变速器量高档传动比。i

根据所选定的主减速比i

值，就可基本上确定主减速器的减速型式（单级、双级

等以及是否需要轮边减速器），并使之与汽车总布置所要求的离地间隙相适应。

把n

=5200r/n ,

amax

=140km/h , r

=5.32mm, i

=1代入（2）

计算出 i

=0.074

从动锥齿轮计算转矩Tce

式中：

Tce—计算转矩，Nm；



emax

kiii



1f0

（3）

本科毕业设计说明书（论文）

emax

—发动机最大转矩；T

emax

=0.0392 Nm

n—计算驱动桥数，1；

—变速器传动比，i

=0.074；

—主减速器传动比，I

=0.074；

η—变速器传动效率，η=0.96；

k—液力变矩器变矩系数，K=1；

—由于猛接离合器而产生的动载系数，K

=1；

—变速器最低挡传动比，i

=1；

代入式（4-3），有：

Tce=0.34847 Nm

主动锥齿轮计算转矩T=0.8964Nm

根据上式

=2.7

0.34847

=19mm 所以预选其节锥距A

=19mm

3)行星齿轮与半轴齿轮的选择

第 20 页共 31 页

为了获得较大的模数从而使齿轮有较高的强度，应使行星齿轮的齿数尽量少。但

一般不少于10。半轴齿轮的齿数采用14～25，大多数半轴齿轮与行星齿轮的齿数比

在1.5～2.0的范围内。

差速器的各个行星齿轮与两个半轴齿轮是同时啮合的，因此，在确定这两种齿轮齿

数时，应考虑它们之间的装配关系，在任何圆锥行星齿轮式差速器中，左右两半轴齿

轮的齿数

，

之和必须能被行星齿轮的数目所整除，以便行星齿轮能均匀地分布

于半轴齿轮的轴线周围，否则，差速器将无法安装，即应满足的安装条件为：



I

(4)

——左右半轴齿轮的齿数，

式中：

，对于对称式圆锥齿轮差速器来说，

——行星齿轮数目；

——任意整数。

在此

=12，

=20 满足以上要求。

4)差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定

首先初步求出行星齿轮与半轴齿轮的节锥角



，



本科毕业设计说明书（论文）





arctan

第 21 页共 31 页

arctan

=30.96°



=90°-



=59.03°

再按下式初步求出圆锥齿轮的大端端面模数m



40.27

sin



sin



sin30.96

=3.35

查阅文献,取m=4mm

得

mz

42.5

=10mm

mz

=4×7.5=30mm

5)压力角α

目前，汽车差速器的齿轮大都采用22.5°的压力角，齿高系数为0.8。最小齿数

可减少到10，并且在小齿轮（行星齿轮）齿顶不变尖的条件下，还可以由切向修正加

大半轴齿轮的齿厚，从而使行星齿轮与半轴齿轮趋于等强度。由于这种齿形的最小齿

数比压力角为20°的少，故可以用较大的模数以提高轮齿的强度。在此选22.5°的压

力角。

6)行星齿轮安装孔的直径



及其深度L

行星齿轮的安装孔的直径



与行星齿轮轴的名义尺寸相同，而行星齿轮的安装孔的

深度就是行星齿轮在其轴上的支承长度，通常取：

L1.1









1.1













10





1.1







式中：

——差速器传递的转矩，N·m；在此取0.0392N·m

——行星齿轮的数目；在此为4

——行星齿轮支承面中点至锥顶的距离，mm，

≈0.5d

， d

为半轴齿轮齿

面宽中点处的直径，而d

≈0.8

；







——支承面的许用挤压应力，在此取0.069MPa

根据上式

0.830

=24mm

=0.5×24=12mm

本科毕业设计说明书（论文）

第 22 页共 31 页

0.0392







≈3.28mm

L1.13.28

≈3.60mm

1.1



0.069



7)差速器齿轮的强度计算

差速器齿轮的尺寸受结构限制，而且承受的载荷较大，它不像主减速器齿轮那样

经常处于啮合状态，只有当汽车转弯或左右轮行驶不同的路程时，或一侧车轮打滑而

滑转时，差速器齿轮才能有啮合传动的相对运动。因此对于差速器齿轮主要应进行弯

曲强度校核。轮齿弯曲强度



为





2Tk



MPa (5)

0.6

式中：

——差速器一个行星齿轮传给一个半轴齿轮的转矩，其计算式



在此

为0.0392N·m；

——差速器的行星齿轮数；

——半轴齿轮齿数；

——尺寸系数，

当ｍ

1.6

时，



2.5

，在此



＝0.56

25.4

——载荷分配系数，当两个齿轮均用骑马式支承型式时，

＝1.00

～1.1；

其他方式支承时取1.10～1.25。支承刚度大时取最小值。

——质量系数，对于汽车驱动桥齿轮，当齿轮接触良好，周节及径向

跳动精度高时，可取1.0;

——计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数，可查得

=0.225



0.0392



1.1



0.56

根据上式



==0.067MPa〈0.098 MPa



0.225

所以，差速器齿轮满足弯曲强度要求。

8)差速器齿轮的材料的选择

差速器齿轮和主减速器齿轮一样，基本上都是用碳钢制造，目前用于制造差速器

锥齿轮的材料为20CrMnTi、20CrMoTi、22CrMnMo和20CrMo等。由于差速器齿轮轮齿

要求的精度较低，所以精锻差速器齿轮工艺已被广泛应用。

[8]

2.3.4 电机的选择

本科毕业设计说明书（论文）

（1）驱动电机的选择

第 23 页共 31 页

电机（英文：Electric machinery，俗称“马达”）是指依据电磁感应定律实现

电能转换或传递的一种电磁装置。在电路中用字母M（旧标准用D）表示。它的主要

作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。发电机在电路中用字母G表

示。

电机的参数计算：

工作机要求的功率：



由



，式中：

0.126Nm

9550





VV0.5







60203.2

/min





0.047



0.126



203.2



取



0.7

，



3.83



9550





9550



0.7

电机所需的输出的功率





,其中

















0.99



0.97



0.9



0.86

则电机所需的输出的功率





3.83

=4.45W。

0.86

通过在网上搜索查到了宁波市北仓深港交流调速电机厂生产的YCJT系列电机满

足设计中所需要的电机要求，因为运转本机器时电机需要输出的功率为4.45W，由宁

波市北仓深港交流调速电机厂网站上给的产品的技术指标和安装型号中选型号为

YCJT-6-1，输出功率为6W，速度可调范围为90~1350r/min，1200 r/min时转距为5

，启动转距为的电机，因为其在满足要求的情况下尺寸比我所查到的电

机的尺寸都小，所以选用它为驱动机构的电机。

如图2.18为所示电机。

本科毕业设计说明书（论文）

图2.18 电机的外形建模

第 24 页共 31 页

并且该电机是通过传感器控制的，能够根据编制的特定的程序，在特定的环境下

改变电机的运行频率，从而实现智能化控制。

变频电机的应用：

变频调速已经成为主流的调速方案，可广泛应用于各行各业无级变速传动。

特别是随着变频器在工业控制领域内日益广泛的应用，变频电机的使用也日益广

泛起来，可以这样说由于变频电机在变频控制方面较普通电机的优越性，凡是用到变

频器的地方都不难看到变频电机的身影。

（2）清扫结构电机的选择

因为清扫机构中刷子的旋转速度只要达到3r/s就可以实现清扫目的，并可以把

垃圾扫到垃圾储尘室中，又因为皮带轮的传动比设计为1：1.5，所以要求蜗轮的转速

大约为180r/min到210r/min左右即可完成清扫任务，由前面初步算得的蜗轮蜗杆之

间的减速比可推出蜗杆的转速大约为2610r/min- 3045r/min之间，因而选电机型号

为55SZ01,转速为3000r/min,功率为12W，其尺寸较小，又能满足工作需要，所以选

用它来做为清扫机构的动力输入部分。

[9]

本科毕业设计说明书（论文）

3 扫地机器人的关键技术运用

第 25 页共 31 页

家庭清洁机器人的关键技术吸尘机器人系统通常由四个部分组成:移动机构、感

知系统、控制系统和吸尘系统。移动机构是扫地机器人的主要机构,决定了吸尘器的

运动方式和清扫路线,一般采用2个主动轮和一个随动万向前轮。感知系统一般采用

超声波测距仪、接触和接近觉传感器、红外线传感器和CCD摄像机等。随着近年来计

算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅速发展,吸尘机器人控

制系统的研究和开发已具备了坚实的基础和良好的发展前景。吸尘机器人的控制与工

作环境往往是不确定的或多变的,因此必须兼顾安全可靠性、抗干扰性以及清洁度。

用传感器探测环境、分析信号,以及通过适当的建模方法来理解环境,具有特别重要的

意义。近年来对智能机器人的研究表明,对于工作在复杂非结构环境中的自主式移动

机器人,要进一步提高其自动化程度,主要依靠模式识别及障碍物识别、实时数据传输

及适当人工智能方法,还需要进一步开发全局模型,从而为机器人获取全局信息。目前

发展较快、对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是:传感技术、智能控制技术、路

径规划技术、吸尘技术、电源技术等。

3.1 传感技术

为了保持机器人的工作状态,必须对机器人位置、状态、速度、功率和频率进行

检测,还要收集机器人所处工作环境的静态和动态信息,使得扫地机器人的各方面运

作状态能顾符合周围环境的变化而变化。

通常采用的传感器分为内部传感器和外部传感器。其中内部传感器有:编码器、

线加速度计、陀螺仪、磁罗盘等。其中编码器主要可以手机当前机器人所在的方位信

息,线加速度计能够只能计算加速度信息,进而得到线加速度和位置信息;陀螺仪测量

移动机器人的角度、角速度、角加速度以得到机器人的姿态角、运动方向和转动时运

动方向的改变等绝对航向信息。外部传感器有:视觉传感器、超声波传感器、红外传

感器、接触和接近传感器。视觉传感器采用CCD摄像机进行机器人的视觉导航与定位、

目标识别和地图构造等;超声波传感器可以利用声波的发出与接收，通过计算，从而

得到障碍物距离自身的距离位置信息。当扫地机器人运行到高台边缘时，位于机器人

底部的距离传感器就会探测到高度较高，评估自身有可能会摔坏，就会自主的绕行。

红外线传感器大多采用红外接近开关来探测机器人工作环境中的障碍物以避免碰撞，

还能利用遥控器的红外技术，来进行控制机器人的动作。接触和接近觉传感器多用于

避碰规划。

本科毕业设计说明书（论文）

3.2 路径规划技术

第 26 页共 31 页

扫地机器人的路径规划就是按照机器人传感器收集到的信息，进行分析和运算，

选择最适合的路径，来满足复杂环境下的清扫工作，达到最优化的处理效果，能智能

化的自主行走。机器人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，也必将持续的运用下去，今后的路径规划也会越来越复杂，但是却能更

加符合复杂地面的扫地路径规划。其主要研究内容按机器人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,按机器人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，所以还具有一定的开发空间，但今后的发展

趋势会有优势。根据机器人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机器

人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。

3.3 电源技术

移动电源在吸尘机器人中的地位十分重要,电源的存在，才能维持机器人的正常

运作。移动电源需要同时满足扫地机器人的多种内部机构运行的需求,如为移动机构

提供动力,为控制电路提供稳定的电压和为吸尘操作模块提供能源等。在这一领域,一

般采用固态锂电池作为移动电源，能够储存较大的电能，维持长久工作，多次充电也

能维持电池内部稳态。理想的电源应该能够在放电过程中保持恒定的电压、内阻小以

便快速放电、可充电以及成本低等。但实际上没有一种电池可同时具备上述优点,这

就要求设计人员选择一种合适的电池,尽可能增加吸尘机器人的不间断工作时间。

在电源内部会有传感器，检测电量的多少，当电源能量少于5%时，传感器就会发

出指令，然后与连接在插座上的充电设备进行红外探测导航，利用路径规划技术，自

主的寻找到充电设备，进行对接充电。这样，也就免去了人为的操作，能够长久运行

[6]

。

本科毕业设计说明书（论文）

4 扫地机器人的展望

第 27 页共 31 页

目前，扫地机器人已是相当的成熟，各种传感器，传动设备也是运用的恰到好处。

今后的扫地机器人，主要是在功能上发生变革和创新。

扫地机器人扫楼梯一直是一大难点，今后有可能会在扫地机器人上外加可拆卸的

爬楼梯装置，清扫楼梯无死角。对于新装修的家居环境，空气中会弥漫很多有毒气体，

比如甲醛这种气体一直让人们头疼，而在扫地机器人本体上，可以装配空气净化器，

有效的加快甲醛的吸收。对于没有有害气体的家庭，可以换装空气清新剂装置，能够

保持室内长久清新，地面的洁净和空气的清爽是非常有必要的。机器人有必要使用一

个照明系统，一到夏天，紧张的用电或者雷暴天气，容易使得断电，家里一般没有应

急灯，可以使用扫地机器人的应急灯装置，只需在遥控器或者机器人面板上打开即可。

本科毕业设计说明书（论文）

5 扫地机器人部分零件的三维图

（1）万向轮的设计如图5.1：

第 28 页共 31 页

图5.1 万向轮的建模

万向轮本体是一个球形的轮胎，外层橡胶材质，能够增大摩擦，能够绕着蓝色部

位的销钉旋转，上方偏心处是与机器人底部连接的旋转槽，当万向随动轮需要旋转时，

就会绕着旋转槽旋转，而轮胎就会也会绕着销钉旋转。

（2）轴承的三维图如图5.2：

本科毕业设计说明书（论文）

图5.2 轴承的三维建模

第 29 页共 31 页

轴承选用的是6001号轴承，有内孔，滚珠，保持架，外圈组成，内孔直径是12mm。

（3）扫地机器人总装图如图5.3：

图5.3 扫地机器人的装配图（正面）

扫地机器人的正面装配图如图5.4：

图5.4 扫地机器人的装配图（反面）

本科毕业设计说明书（论文）

结束语

第 30 页共 31 页

在学校、辅导员和导师的安排下，在为期2个月左右的毕业设计过程中，我对本

专业的机械课程，如：《机械原理》、《机械制造》、《工程制图》等专业课程更加的了

解。从拿到毕业设计选题的迷茫到有思路，从模糊到清晰，一步步走来，受益匪浅。

本次设计中，我主要是运用的Pro/E和CAD，solidworks和keyshot用到点，然

后根据家居环境的特点，运用各种专业知识来设定尺寸，选取标准零件的规格。这样，

设计出来的产品，能够自如的在家居环境中运行。

我有不懂的方面，会通过查阅文献资料以及请教导师，培养了我查阅的能力，并

且能够利用来转化为自己的设计思路，加以创新。在毕业设计过程中，加入了专业知

识，使我更加巩固大学四年来的学科知识，能够让专业只是辅助我完成毕业设计。

致谢

本科毕业设计说明书（论文）

第 31 页共 31 页

此次毕业设计中，我的课题是基于Pro/E的扫地机器人的运动仿真，特别感谢

瞿志俊导师和同学们的悉心指导。

就设计方面的问题进行解答，以及对我们设计中的不足，加以改进，使我们的

设计更加完善充实。瞿老师还经常督促我们，按照毕业设计进程来安排工作量。正

是由于瞿老师的这些努力，保证了我们毕业设计的顺利进行。瞿老师的专业技术知

识，严谨务实的学术精神也在深深感染着我们，为我们今后的生活和工作提供了很

好的楷模，在此，我要向指导老师以最衷心的感谢。

2024年4月9日发(作者：杭旭鹏)

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1 引言

第 1 页共 31 页

扫地机器人，是当今比较热门、潮流的家居服务型微型机器人。其运用机械机构

加上电路控制模块，能够比较方便的清扫家庭以及办公室复杂环境，保持地面时刻的

清新干净。对于城市的人来说，工作后回家，解放双手，完成地面的清洁任务，是非

常轻松的，所以清洁机器人在上班族中也是有一定的需求量的。

本文主要是从扫地机器人的机械结构设计方面出发，来探讨其工作原理，满足一

定的工作需求，达到模拟仿真的目的。

1.1 扫地机器人的概念

扫地机器人（Robot Cleaner），又称自动打扫机、智能吸尘、机器人吸尘器等，

是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。

一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面

清理的功能。一般来说，将完成清扫、吸尘、擦地工作的机器人，也统一归为扫地机

器人。

扫地机器人一般是圆盘形，直径一般在340mm左右，高度一般在90mm左右。圆

盘内结构紧凑，加入了各种机械结构和电气控制电路。其适用于家居和办公室的工作

环境。

1.2 扫地机器人的发展历程与发展趋势

1.2.1 国外发展历程

国外的清洁机器人起步较早，由于感应器技术的飞速发展，清洁机器人的功能也

是比较成熟的。

英国Dyson（戴森）公司在2001年初推出DC06型号的智能吸尘器，据说该机器

人身上的感应器比火星探测器身上的都多，这是世界上首台全自动的清洁机器人，技

术上还不怎么完善，所以设计上还颇为复杂。

之后，日本、美国、以及伊莱克斯家电厂商、TRC公司、Kent公司等公司相继推

出自己的产品。在竞争力越来越大的情况下，也就促进了清洁机器人的发展。清洁机

器人越来越智能化、便携化、微型化、操作简单化，一般只需按照自己设定的模式，

按下开关，就可以自动清洁。

1.2.2 国内发展历程

本科毕业设计说明书（论文）

第 2 页共 31 页

国内微型机器人发展比较晚，但是作为新兴产业,发展尤为迅速。2003 年北京航

空航天大学以国家大剧院的超椭球外表面清洗为应用背景,研制了复杂曲面自攀爬式

机器人。机器人本体分为攀爬机构、移动机构、清洗机构和俯仰调节机构。之后几

年各大学也在研究机器人，但是没有出产品。

近年来，一些企业，如上海雷龙、北京人康等，专业生产清洁机器人，而且生产

能力和质量逐渐与世界接轨。

1.2.3 机器人的发展趋势

通过国内外的研究，扫地机器人主要加强智能化、微型化、节能化，在复杂的家

居以及办公环境下，也能够很好的执行清洁工作。特别今年来，扫地机器人退出虚拟

墙功能，能够通过感应器自动识别虚拟墙。这样我们可以设置虚拟墙，避免无需清扫

的区域。另外，通过改变路径算法，能够更好的智能清扫。通过感应器的作用，还能

防止地势过高而跌落，防止撞墙，对于过于脏的地方，还能改变清扫频率和工作功率。

在家庭中，扫地机器人的操作也会更加简单，适用人群也就会更加广，而且能够

自动充电，不需要人为担心，所以多余的操作不要太多。

扫地机器人的功能扩展，将会更好的服务人群。人们可以根据自己的意愿，设置

清扫时间段。有些扫地机器人还加上了空气净化器，有效吸收新房的甲醛等有害气体。

如遇晚上断电，还可以开启应急灯。今后的发展，还可能成为移动的WIFI热点。

未来的发展，机器人会更加的安全，有效避免儿童玩耍时遇到危险。电路控制模

块，会智能电气保护。对于本身的故障，也会通过内部的感应器，自己检测到，然后

通过外壳上的显示器显示，方便维修人员检测维修。

扫地机器人主要是依靠传感器技术、路径规划技术、吸尘技术。但就目前而言，

机器人的开发周期较长，运营成本较高，易受到干扰，实时性与精确性存在矛盾，应

变能力不足。所以在未来发展过程中，机器人的加工工艺会完善突破，用高强度的轻

材料来制作，内部使用高精度抗干扰能力强的感应器。因此，以后的扫地机器人在运

营时更加智能，适用的工作环境也比较广。

[7]

1.3 研究的目的和意义

对于目前城市中的工作人群，没有精力和时间清扫家居生活，以及办公室要时刻

保持清洁，也就需要这种扫地机器人，来减轻人们的负担。

扫地机器人是传感技术、控制技术、信息处理技术、机械加工技术、电子技术、

计算机技术等多门技术相结合的成果。因此扫地机器人的发展必然建立在这些技术告

本科毕业设计说明书（论文）

人的机械原理。

第 3 页共 31 页

诉发展的基础上。本课题主要是研究机器人的机器结构和运动，从中学习到扫地机器

扫地机器人有利于产业转型，建立创新性国家。科学技术是第一生产力，科技反

馈于普通家庭。

1.4 本课题研究的主要问题

本课题设计的扫地机器人是在直径为340mm，高度为90mm的圆盘形盒子中加入各

种机械机构和电路控制部分。其中机构包括清扫机构、行走机构、吸尘机构和储存垃

圾机构。在紧凑的空间里，要设计如此多的机构，需要空间搭配，合理应用空间。

对于机器人转弯的万向轮，要防止机器人转弯时卡死，还要防止机器的外部零件

碰触到墙壁等物体。

1.5 选题的科学意义和应用前景

扫地机器人有着广阔的应用前景，技术也相对成熟。本人热衷于Pro/E绘图，想

通过运用Pro/E软件，全真模拟扫地机器人的机械结构，并且进行运动仿真。

通过Pro/E软件模拟，可以减少研发成本，但是可以进行进行应力应变分析、零

件疲劳分析、运动分析等，大大缩短了设计周期。通过设计过程，也可以体会到设计

的历程，与课程想结合，大大提升自己的创新能力，以及与产业相接轨。

融合现代传感器以及机器人领域的关键技术，本课题旨在开发一部价格低廉，全

区域覆盖，能够基本满足家庭清扫工作的移动式扫地机器人。使它可以替代传统的家

庭人工扫地方式，使家庭生活电气化、智能化，使科技更好地为人类服务。

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2 扫地机器人的机械设计

2.1 机械结构组成和工作原理

第 4 页共 31 页

本课题主要是设计一种小型的清洁机器人，要容易实现，能够应用于普通家庭，

初步完成自主移动、自动避障和路径规划任务的清洁机器人。整个机器人主要有机械

机构和电路控制部分，不过本课题着重研究机械机构。机械机构包括清扫机构、吸尘

机构、行走机构和储存垃圾机构。外壳等定位机构由高强度塑料组成，有效的降低了

重量，减小成本，同时减小了轮子的承载力和扭矩，从而降低了电机的功率，达到节

能的目的。机器人主要由两个后驱动轮，以及一个前万向从动轮组成，能够进行简单

的自行转弯。如图2.1，为目前比较主流的扫地机器人。图2.2：为扫地机器人的底

盘。

图2.1 扫地机器人的外观

图2.2 扫地机器人的底盘

本科毕业设计说明书（论文）

第 5 页共 31 页

设计家庭清洁机器人的工作内容和要求：

运行机构形式：轮式

最高行进速度： 0.5 m/s

转弯半径：0

高度：<100mm

宽度：<400mm

清洁方式：吸尘、刷扫

一次充电连续工作时间： 0.5 小时

警示方式： LED闪光

具有自动路径规划、避障功能。

2.1.1 机械结构组成

（1）清扫机构。如图2.3，是由一组反向的毛刷组成，旋向如图所示。毛刷的旋

转频率是同步的。通过毛刷，可以把旋转区域内的垃圾扫向机器人底部，底部中心附

近是吸尘口。

图2.3 底盘毛刷

（2）行走机构。行走机构主要是由后2个驱动轮（分别由两个电机控制）以及

前轮随动轮（前轮为万向轮，主要控制转向功能）。它的行走频率以及转向，是通过

感应器控制的。通过感应器，探测周围的物体，比如前方墙壁，经路径规划技术，智

能进行电机功率的分配，实现转向。通过感应器，探测到某区域特别脏，还可以改变

电机的频率，实现清扫力度和速度的改变。

（3）吸尘机构。吸尘机构主要是由一个小型的吸尘器组成。通过在吸尘口制造

本科毕业设计说明书（论文）

强大的吸力，把灰尘带到储存垃圾机构中。

第 6 页共 31 页

（4）储存垃圾机构。如图2.4，主要是由储存盒和过滤网组成，与外部连接，可

以取出来，清理垃圾。

图2.4 储存垃圾机构

移动机构是机器人的主要行动机构，机器人移动机构按结构分有轮式、履带式和

步行式等。轮式和履带式机器人要求的工作环境较高，需平整地面，而步行机器人则

适合于多变的地面。本课题研究的扫地机器人在平整的家居环境，所以采用轮式的移

动机构。

轮式的扫地机器人一般有三轮、四轮和六轮，扫地机器人采用三轮就比较简单，

能满足一般的家庭需求，应用也比较广泛;四轮的稳定性好，承载能力较大，但结构

较复杂;六轮与四轮类似，有更大的承载能力和稳定性。在本课题中，扫地机器人比

较轻，工作环境是家庭生活，也不复杂，三点确定一个平面，三个轮子也能达到技术

要求。但对负载有一定的要求，对三轮扫地机器人来说，重心较低，载荷稳定且重心

的偏移不是很明显，所以采用三轮机构就能达到要求。

三轮转向装置的机构通常有两种方式:

(1) 铰轴转向式:转向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆机构控

制铰轴，从而控制转向轮的转向。

(2) 差速转向式:在机器人的左、右轮的轴上安装一个差速器，差速器由一个驱动

电机带动。当直线移动时，电机带动差速器，差速器能够同步带动2个轮子的转速。

当其中一个轮子受到阻力时，会降低转速，这时由于差速器的作用，会使另外一个轮

子转速加快，从而实现转弯的作用。

根据上述的移动机构，扫地机器人采用一个直流电动机的差速转向式移动机构，

控制简单，试用各种转弯半径，可以轻松实现扫地机器人的各方向（前、后、左、右）

本科毕业设计说明书（论文）

的运动，以及调头等功能。

2.1.2 工作原理

如图2.5，机器人工作的流程如下:

第 7 页共 31 页

(l) 首先可以通过机器人外壳或者遥控器启动清洁机器人，让它开始执行清扫工

作。

(2) 机器人一旦开始工作，便通过感应器控制清扫机构进行清扫、吸尘机构开始

吸尘。

(3) 机器人工作过程中，传感探测模块就开始不断地采集外部信息，送到CPU进

行分析和决策产生机器人行走的路径，这就是路径规划技术。

(4) 当路径规划需要机器人实现转向的时候。CPU就分别改变左右轮的速度，通

过差速来实现转向。

(5) 工作期间机器人可以通过LCD显示一些相关信息(比如工作模式、工作计时

或温度、机器人电量)。

(6) 遥控器除了可以控制清洁机器人的启停，还可以对机器人进行定时，让机器

人在一定时间后开始工作或者工作一定时间后停止工作

[2]

。

图2.5 功能模块关系示意图

机器人利用安装在外壳上的各类传感器来收集工作环境的各种参数，如障碍物的

距离、自身移动的路线等;然后根据收集的参数，选择相应的行走程序;通过以单片机

为核心的控制电路进行障碍物判断、避障策略选择和运动行走实施。机器人面板上有

控制其电路通断的电源按钮。同时也可以通过遥控来控制，遥控还能对机器人进行个

性化定义，扫地机器人面板上实时显示各种参数。

本科毕业设计说明书（论文）

2.2 扫地机器人的总体设计

2.2.1 机器人外形的设计

第 8 页共 31 页

为了适应家居环境的需求，扫地机器人采用直径为340mm，高度为90mm的圆盘形

结构。此外形可以在沙发、桌子、写字台等难打扫的地方。并且因为是圆盘型结构，

所以机器人在转弯时，也不容易碰壁，能进能出，灵活改变清扫策略。并且在外壳上

有一些感应器，安装在圆盘形的外壳上，探测额范围变得开阔，有效提高了感应器的

效应。如图2.6，为扫地机器人的基本外形。

图2.6 扫地机器人的基本外形

2.2.2 机器人后轮的设计

扫地机器人后轮轮毂部分主要运用高强度塑料制作，质量轻，又满足工作需求。

最外层运用2mm厚的橡胶轮胎。橡胶轮胎最大直径处为60mm。运用如图七所示的轮胎

凹痕，可以有效的增大摩擦阻力，防滑，而又能够带动机器人行走。轮毂中有些圆孔

和圆弧形孔，一来可以节省材料，降低重量；二来可以提高强度，增强轮胎的需用应

力，能够承载稍大的压力。

以下为轮胎的设计计算：

扫地机器人估计重量为3kg，g取9.8N/kg

机器人的重力为

G39.829.4N

本科毕业设计说明书（论文）

每个轮子上受到的载荷

FG9.8N

按橡胶在优质路面上，取







第 9 页共 31 页

，



0.1

滑动摩擦阻力

fF



9.80.10.98N

滚动摩擦力





F



9.8



9.8



Nm

车体底盘高于地面10mm，取轮子直径D为60mm，则

R30mm

，轮子行走过程中

所受的阻力矩为

fRM

f

0.983010



9.810



0.0392Nm

如图2.7为后主动轮的三维建模。

33

图2.7 后轮胎设计图

2.2.3 传动部件——蜗轮蜗杆的设计

通过蜗轮蜗杆部件，可以改变传动方向，大大改变传动比，有效的节省空间。

因为蜗轮蜗杆是机器人的重要传动部分，所以本次课题的蜗轮蜗杆选用的材料为

40Cr，表面淬火，硬度45～50HRC,蜗轮齿圈材料为ZcuSn10Pb1,金属模铸造。

蜗轮的模数

m2.5

，

2

，

31

，压力角为

Q20

，蜗轮变位系数为-0.5，

传动比

i15.5

，

0.8

，

1.2

，



1

。

载荷系数

KK

K



0.81.210.96

T

i



①

本科毕业设计说明书（论文）

当

2

时，



0.7~0.75

，取



0.73

代入

①

式中得

0.039215.50.730.4435Nm

m2mm

22.4m

2

q10

31

y1007





第 10 页共 31 页

中心距

a

(



)41

mZ

23162

蜗轮圆周速度



滑动速度



0.673



1000





3.834

siny

蜗杆传动效率



(0.95~0.96)





2





tgy

0.83

tg(y





)

传动效率



(0.95~0.96)0.830.81~0.82

与初选0.73不符合，传动效率应当适当降低。

蜗轮当量齿数



32.49

cosy

查得齿形系数

2.52







0.916

120



蜗杆齿顶圆直径

m(q2)24

由于蜗杆头数为2，即

3

，则蜗杆宽度为



0.75



蜗杆齿根圆直径

d

2h

d

2(h



c



)20mm

(



1,



0.2)

蜗杆宽度

2.5mZ

12.5230127.8

,取

28

。

蜗轮喉圆直径：

d

2h

d

2m





x



64mm



取0



本科毕业设计说明书（论文）

蜗轮齿宽



sin

第 11 页共 31 页

蜗轮齿根圆直径：

d

2h

d

2m(h



c



x

)55.2mm





17.16mm



取



60



(选蜗轮轮齿端面为锥面结构)

蜗轮轮缘宽度





2



sin





0.8m



22.44mm

，取

B20mm

。

三维设计图如图2.8。

图2.8 蜗轮蜗杆副

2.2.4 皮带轮的设计

皮带轮的选型如下表2.1：

表2.1 皮带轮的参数

带宽

spz

9.7

8.5

如下图2.9为皮带轮的三维建模：

本科毕业设计说明书（论文）

第 12 页共 31 页

图2.9 皮带轮

2.2.5 轴设计

轴上能使产生弯距的力有

=0.081N

=0.015N

两个力在互相垂直的两个平面上，L=69mm，D=12mm 如下图2.10为轴的受力图。

图2.10 轴的受力图

做弯距图:



0.25F



0.25



0.081





0.25F



0.25



0.015





合成弯距







本科毕业设计说明书（论文）





MMM1.46



0.01M/mm



0.1d0.1



第 13 页共 31 页

由于前面已经选定轴的材料为45钢，调质处理，查表













，故符合强度要求。

如图2.11为轴的尺寸。

图2.11 轴的CAD图

2.2.6 轴承设计

根据《机械设计--课程设计手册》，选用滚动轴承，轴承代号6001。

表2.2 轴承代号及参数

轴承

代号

6001 12 28 8

d D B

min

0.3

min

14.4

max

25.6

max

0.3

轴承的寿命的计算：



()

h （1）计算轴承寿命的基本公式为：



60np

其中：P- 当量动载荷(N);



- 寿命指数，球轴承



=3，滚子轴承



=10/3；

n- 轴承转速r/min;

C- 基本额定动载荷（N），可由轴承样本或有关[1]中查到。

经查表的

C =2.7510

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（2）计算角接触轴承的当量动载荷

基本公式为P=

(XRYA)

其中：X - 径向载荷系数，其值根据[1] 表12-12；

Y - 轴向载荷系数，其值根据[1] 表12-12；

R –轴承所承受径向载荷；

A - 轴承所承受轴向载荷；

第 14 页共 31 页

- 载荷系数，考虑机器的运转情况对轴承载荷的影响，查表12-12

[1]

图2.12 轴承受力分析图

经计算解得

Fr0.081N

Fa0.015 N

有已知条件可知，轴承是关于蜗轮对称的，所以左右的距离相等。

所以

R1R2Fr1/20.0405N

又因为轴的质量作用在轴承上，每个轴承大约承受

0.1N

所以

R1R20.1405N

派生轴向力

S1S2R/2Y0.0468N

又因为

S2Fa0.0468.0150.0618N0.0468N

所以轴承1压紧，轴承2放松

所以

A10.0618N,

A20.0468N

A1A2

,所以只需要校核轴承1即可

因为

A/R=0.0618/0.1405e

选取

X1,Y0,fp1.0

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所以 P=

(XRYA)

1.0(10.14050A)0.1405

2.7510



所以



()

=1.08



()



30000.1405

60np

第 15 页共 31 页

所以符合要求。

2.2.7 轴承端盖的设计

轴承端盖选用的是凸缘式轴承盖，具体选用规格如下：

D28

4

d

15

D2.5d

282.5438

D

2.5d

382.5448

e1.2d

1.244.8

e5

281018

383426D

28226

b5

h0.854

2.3 扫地机器人的机构设计

2.3.1 清扫毛刷的设计

如图2.13，为扫地机构示意图。

图2.13 扫地机构示意图

清扫机构，由蜗杆为输入扭矩，带动2个蜗轮反方向运动，蜗轮通过轴和键的连

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第 16 页共 31 页

接，带动皮带轮的旋转，再由皮带的摩擦力，带动另外一个皮带轮，最后带动通过螺

栓连接的毛刷。这对毛刷是反方向运作的，可以通过这种运动方式，把地面上的垃圾

收集到机器人底部。

由于电机运转速度高，可以通过蜗轮蜗杆副的特点，进行降速处理，同时由于功

率不变，扭矩就大大提高，使得清扫时，给了足够的力，把体积较大的垃圾能够清扫

成功。

运用双蜗轮，可以有效准确的控制2把毛刷的清洗频率，达到同步的效果。当通

过感应器感应周围环境需要变频清扫时，也能快速响应，达到用户的要求，使得，清

扫的路面更加干净整洁。

另外，通过蜗轮传动之后，再各自用皮带轮进行传动，可以有效的使清扫半径扩

大。毛刷最外围可以超过机器人的外壳，有利于清扫死角。就目前市场上的扫地机器

人，大多都是当感应器探测到机器人快要撞墙时就执行转弯命令，所以，毛刷的长度，

可以有效的清扫外围的区域，另一方面，也能避免机器人碰撞，保护了外壳。

如图2.14，为扫地机构工作尺寸范围简化图。

图2.14 扫地机构简单示意图

电机带动蜗杆，蜗杆两端接蜗轮，两个蜗轮分别接皮带轮，皮带轮上的轴接刷

子，从而实现清扫。

2.3.2 吸尘机构的设计

如图2.15为吸尘结构的十一三维图。

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第 17 页共 31 页

图2.15 吸尘机构示意图

吸尘机构主要运用了吸尘技术。目前采用的吸尘技术主要有两类:真空吸尘器和

气流滤尘器。真空吸尘器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。气流滤尘器一个全封闭系统,既无外

部气体吸入,也无机内气体排除,其原理是利用附壁效应去形成低压涡流气体,最后将

沉渣截留于吸尘器内的涡流腔内

[3]

。

本课题主要运用的是真空吸尘器。该吸尘器主要部件由进尘管、储尘盒、风扇、

电机和排气罩等部件组成。当底部的清扫毛刷，把地面上的垃圾归纳到机器人底部时，

通过风扇制造真空气流，在底部中央的进尘口产生较大的气流，把垃圾吸入。垃圾由

此进入储尘盒。储尘盒右端有过滤网，过滤网的间隙很小，垃圾无法通过，所以垃圾

残留在储尘盒中。因此，干净的空气就会从过滤网流出，通过排气罩排出机器人本体。

另外，如果有市场需求，为了满足家庭的需要，可以在排气罩部分加装空气净化器等

外设部分，能有效的清洁空气。如果在新房子中使用，还能起到吸收甲醛的作用。

另外，机器人在工作过程中，会产生一定的热量，散布到整个机器人的内腔，通

过吸尘机构的空气流通作用，会把内腔中的热量持续的带到机器人之外，有效的提高

了零部件的使用寿命，保护了机体。

2.3.3 行走传动机构----差速器的设计

本科毕业设计说明书（论文）

第 18 页共 31 页

图2.16 差速器的三维示意图

图2.17 差速器的结构简化图

如上两幅图所示，第一副图是差速器的三维建模图，第二幅图是差速器的简化示

意图。

输入轴连接的是电机，输入轴转动时，带动从动齿轮；行星齿轮通过齿轮架连接

从动齿轮，当从动齿传动时，行星齿轮同频率传动；行星齿轮带动左右半轴齿轮，同

频率旋转，2根输出轴连接后驱动轮，实现2个后驱动轮同频率做旋转运动，从后做

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直线运动。

第 19 页共 31 页

当传感器探测周围环境，要执行转弯命令时，比如要进行右转弯，就会通过传感

器，控制左半轴齿轮加速旋转，然后通过行星齿轮的作用，右半轴齿轮的转速就会下

降，然后通过前万向轮的随动性，扫地机器人就会向右转弯，从而实现智能化控制。

差速器的校核：

1）行星齿轮数目有4个

2）计算行星齿轮球面半径

圆锥行星齿轮差速器的结构尺寸是由行星齿轮的背面的球面半径

决定的，它

是差速器圆锥齿轮的节锥距。

球面半径

的计算如下

K

mm (1)

式中：

——行星齿轮球面半径系数，可取2.52～2.99，对于有4个行星齿轮的

扫地机器人取小值；

T——计算转矩，取Tce和Tcs的较小值，N·m.

计算转矩的计算

=0.377

amax

（2）

式中

——车轮的滚动半径，

=5.32mm

——变速器量高档传动比。i

根据所选定的主减速比i

值，就可基本上确定主减速器的减速型式（单级、双级

等以及是否需要轮边减速器），并使之与汽车总布置所要求的离地间隙相适应。

把n

=5200r/n ,

amax

=140km/h , r

=5.32mm, i

=1代入（2）

计算出 i

=0.074

从动锥齿轮计算转矩Tce

式中：

Tce—计算转矩，Nm；



emax

kiii



1f0

（3）

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emax

—发动机最大转矩；T

emax

=0.0392 Nm

n—计算驱动桥数，1；

—变速器传动比，i

=0.074；

—主减速器传动比，I

=0.074；

η—变速器传动效率，η=0.96；

k—液力变矩器变矩系数，K=1；

—由于猛接离合器而产生的动载系数，K

=1；

—变速器最低挡传动比，i

=1；

代入式（4-3），有：

Tce=0.34847 Nm

主动锥齿轮计算转矩T=0.8964Nm

根据上式

=2.7

0.34847

=19mm 所以预选其节锥距A

=19mm

3)行星齿轮与半轴齿轮的选择

第 20 页共 31 页

为了获得较大的模数从而使齿轮有较高的强度，应使行星齿轮的齿数尽量少。但

一般不少于10。半轴齿轮的齿数采用14～25，大多数半轴齿轮与行星齿轮的齿数比

在1.5～2.0的范围内。

差速器的各个行星齿轮与两个半轴齿轮是同时啮合的，因此，在确定这两种齿轮齿

数时，应考虑它们之间的装配关系，在任何圆锥行星齿轮式差速器中，左右两半轴齿

轮的齿数

，

之和必须能被行星齿轮的数目所整除，以便行星齿轮能均匀地分布

于半轴齿轮的轴线周围，否则，差速器将无法安装，即应满足的安装条件为：



I

(4)

——左右半轴齿轮的齿数，

式中：

，对于对称式圆锥齿轮差速器来说，

——行星齿轮数目；

——任意整数。

在此

=12，

=20 满足以上要求。

4)差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定

首先初步求出行星齿轮与半轴齿轮的节锥角



，



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



arctan

第 21 页共 31 页

arctan

=30.96°



=90°-



=59.03°

再按下式初步求出圆锥齿轮的大端端面模数m



40.27

sin



sin



sin30.96

=3.35

查阅文献,取m=4mm

得

mz

42.5

=10mm

mz

=4×7.5=30mm

5)压力角α

目前，汽车差速器的齿轮大都采用22.5°的压力角，齿高系数为0.8。最小齿数

可减少到10，并且在小齿轮（行星齿轮）齿顶不变尖的条件下，还可以由切向修正加

大半轴齿轮的齿厚，从而使行星齿轮与半轴齿轮趋于等强度。由于这种齿形的最小齿

数比压力角为20°的少，故可以用较大的模数以提高轮齿的强度。在此选22.5°的压

力角。

6)行星齿轮安装孔的直径



及其深度L

行星齿轮的安装孔的直径



与行星齿轮轴的名义尺寸相同，而行星齿轮的安装孔的

深度就是行星齿轮在其轴上的支承长度，通常取：

L1.1









1.1













10





1.1







式中：

——差速器传递的转矩，N·m；在此取0.0392N·m

——行星齿轮的数目；在此为4

——行星齿轮支承面中点至锥顶的距离，mm，

≈0.5d

， d

为半轴齿轮齿

面宽中点处的直径，而d

≈0.8

；







——支承面的许用挤压应力，在此取0.069MPa

根据上式

0.830

=24mm

=0.5×24=12mm

本科毕业设计说明书（论文）

第 22 页共 31 页

0.0392







≈3.28mm

L1.13.28

≈3.60mm

1.1



0.069



7)差速器齿轮的强度计算

差速器齿轮的尺寸受结构限制，而且承受的载荷较大，它不像主减速器齿轮那样

经常处于啮合状态，只有当汽车转弯或左右轮行驶不同的路程时，或一侧车轮打滑而

滑转时，差速器齿轮才能有啮合传动的相对运动。因此对于差速器齿轮主要应进行弯

曲强度校核。轮齿弯曲强度



为





2Tk



MPa (5)

0.6

式中：

——差速器一个行星齿轮传给一个半轴齿轮的转矩，其计算式



在此

为0.0392N·m；

——差速器的行星齿轮数；

——半轴齿轮齿数；

——尺寸系数，

当ｍ

1.6

时，



2.5

，在此



＝0.56

25.4

——载荷分配系数，当两个齿轮均用骑马式支承型式时，

＝1.00

～1.1；

其他方式支承时取1.10～1.25。支承刚度大时取最小值。

——质量系数，对于汽车驱动桥齿轮，当齿轮接触良好，周节及径向

跳动精度高时，可取1.0;

——计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数，可查得

=0.225



0.0392



1.1



0.56

根据上式



==0.067MPa〈0.098 MPa



0.225

所以，差速器齿轮满足弯曲强度要求。

8)差速器齿轮的材料的选择

差速器齿轮和主减速器齿轮一样，基本上都是用碳钢制造，目前用于制造差速器

锥齿轮的材料为20CrMnTi、20CrMoTi、22CrMnMo和20CrMo等。由于差速器齿轮轮齿

要求的精度较低，所以精锻差速器齿轮工艺已被广泛应用。

[8]

2.3.4 电机的选择

本科毕业设计说明书（论文）

（1）驱动电机的选择

第 23 页共 31 页

电机（英文：Electric machinery，俗称“马达”）是指依据电磁感应定律实现

电能转换或传递的一种电磁装置。在电路中用字母M（旧标准用D）表示。它的主要

作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。发电机在电路中用字母G表

示。

电机的参数计算：

工作机要求的功率：



由



，式中：

0.126Nm

9550





VV0.5







60203.2

/min





0.047



0.126



203.2



取



0.7

，



3.83



9550





9550



0.7

电机所需的输出的功率





,其中

















0.99



0.97



0.9



0.86

则电机所需的输出的功率





3.83

=4.45W。

0.86

通过在网上搜索查到了宁波市北仓深港交流调速电机厂生产的YCJT系列电机满

足设计中所需要的电机要求，因为运转本机器时电机需要输出的功率为4.45W，由宁

波市北仓深港交流调速电机厂网站上给的产品的技术指标和安装型号中选型号为

YCJT-6-1，输出功率为6W，速度可调范围为90~1350r/min，1200 r/min时转距为5

，启动转距为的电机，因为其在满足要求的情况下尺寸比我所查到的电

机的尺寸都小，所以选用它为驱动机构的电机。

如图2.18为所示电机。

本科毕业设计说明书（论文）

图2.18 电机的外形建模

第 24 页共 31 页

并且该电机是通过传感器控制的，能够根据编制的特定的程序，在特定的环境下

改变电机的运行频率，从而实现智能化控制。

变频电机的应用：

变频调速已经成为主流的调速方案，可广泛应用于各行各业无级变速传动。

特别是随着变频器在工业控制领域内日益广泛的应用，变频电机的使用也日益广

泛起来，可以这样说由于变频电机在变频控制方面较普通电机的优越性，凡是用到变

频器的地方都不难看到变频电机的身影。

（2）清扫结构电机的选择

因为清扫机构中刷子的旋转速度只要达到3r/s就可以实现清扫目的，并可以把

垃圾扫到垃圾储尘室中，又因为皮带轮的传动比设计为1：1.5，所以要求蜗轮的转速

大约为180r/min到210r/min左右即可完成清扫任务，由前面初步算得的蜗轮蜗杆之

间的减速比可推出蜗杆的转速大约为2610r/min- 3045r/min之间，因而选电机型号

为55SZ01,转速为3000r/min,功率为12W，其尺寸较小，又能满足工作需要，所以选

用它来做为清扫机构的动力输入部分。

[9]

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3 扫地机器人的关键技术运用

第 25 页共 31 页

家庭清洁机器人的关键技术吸尘机器人系统通常由四个部分组成:移动机构、感

知系统、控制系统和吸尘系统。移动机构是扫地机器人的主要机构,决定了吸尘器的

运动方式和清扫路线,一般采用2个主动轮和一个随动万向前轮。感知系统一般采用

超声波测距仪、接触和接近觉传感器、红外线传感器和CCD摄像机等。随着近年来计

算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅速发展,吸尘机器人控

制系统的研究和开发已具备了坚实的基础和良好的发展前景。吸尘机器人的控制与工

作环境往往是不确定的或多变的,因此必须兼顾安全可靠性、抗干扰性以及清洁度。

用传感器探测环境、分析信号,以及通过适当的建模方法来理解环境,具有特别重要的

意义。近年来对智能机器人的研究表明,对于工作在复杂非结构环境中的自主式移动

机器人,要进一步提高其自动化程度,主要依靠模式识别及障碍物识别、实时数据传输

及适当人工智能方法,还需要进一步开发全局模型,从而为机器人获取全局信息。目前

发展较快、对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是:传感技术、智能控制技术、路

径规划技术、吸尘技术、电源技术等。

3.1 传感技术

为了保持机器人的工作状态,必须对机器人位置、状态、速度、功率和频率进行

检测,还要收集机器人所处工作环境的静态和动态信息,使得扫地机器人的各方面运

作状态能顾符合周围环境的变化而变化。

通常采用的传感器分为内部传感器和外部传感器。其中内部传感器有:编码器、

线加速度计、陀螺仪、磁罗盘等。其中编码器主要可以手机当前机器人所在的方位信

息,线加速度计能够只能计算加速度信息,进而得到线加速度和位置信息;陀螺仪测量

移动机器人的角度、角速度、角加速度以得到机器人的姿态角、运动方向和转动时运

动方向的改变等绝对航向信息。外部传感器有:视觉传感器、超声波传感器、红外传

感器、接触和接近传感器。视觉传感器采用CCD摄像机进行机器人的视觉导航与定位、

目标识别和地图构造等;超声波传感器可以利用声波的发出与接收，通过计算，从而

得到障碍物距离自身的距离位置信息。当扫地机器人运行到高台边缘时，位于机器人

底部的距离传感器就会探测到高度较高，评估自身有可能会摔坏，就会自主的绕行。

红外线传感器大多采用红外接近开关来探测机器人工作环境中的障碍物以避免碰撞，

还能利用遥控器的红外技术，来进行控制机器人的动作。接触和接近觉传感器多用于

避碰规划。

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3.2 路径规划技术

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扫地机器人的路径规划就是按照机器人传感器收集到的信息，进行分析和运算，

选择最适合的路径，来满足复杂环境下的清扫工作，达到最优化的处理效果，能智能

化的自主行走。机器人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，也必将持续的运用下去，今后的路径规划也会越来越复杂，但是却能更

加符合复杂地面的扫地路径规划。其主要研究内容按机器人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,按机器人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，所以还具有一定的开发空间，但今后的发展

趋势会有优势。根据机器人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机器

人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。

3.3 电源技术

移动电源在吸尘机器人中的地位十分重要,电源的存在，才能维持机器人的正常

运作。移动电源需要同时满足扫地机器人的多种内部机构运行的需求,如为移动机构

提供动力,为控制电路提供稳定的电压和为吸尘操作模块提供能源等。在这一领域,一

般采用固态锂电池作为移动电源，能够储存较大的电能，维持长久工作，多次充电也

能维持电池内部稳态。理想的电源应该能够在放电过程中保持恒定的电压、内阻小以

便快速放电、可充电以及成本低等。但实际上没有一种电池可同时具备上述优点,这

就要求设计人员选择一种合适的电池,尽可能增加吸尘机器人的不间断工作时间。

在电源内部会有传感器，检测电量的多少，当电源能量少于5%时，传感器就会发

出指令，然后与连接在插座上的充电设备进行红外探测导航，利用路径规划技术，自

主的寻找到充电设备，进行对接充电。这样，也就免去了人为的操作，能够长久运行

[6]

。

本科毕业设计说明书（论文）

4 扫地机器人的展望

第 27 页共 31 页

目前，扫地机器人已是相当的成熟，各种传感器，传动设备也是运用的恰到好处。

今后的扫地机器人，主要是在功能上发生变革和创新。

扫地机器人扫楼梯一直是一大难点，今后有可能会在扫地机器人上外加可拆卸的

爬楼梯装置，清扫楼梯无死角。对于新装修的家居环境，空气中会弥漫很多有毒气体，

比如甲醛这种气体一直让人们头疼，而在扫地机器人本体上，可以装配空气净化器，

有效的加快甲醛的吸收。对于没有有害气体的家庭，可以换装空气清新剂装置，能够

保持室内长久清新，地面的洁净和空气的清爽是非常有必要的。机器人有必要使用一

个照明系统，一到夏天，紧张的用电或者雷暴天气，容易使得断电，家里一般没有应

急灯，可以使用扫地机器人的应急灯装置，只需在遥控器或者机器人面板上打开即可。

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5 扫地机器人部分零件的三维图

（1）万向轮的设计如图5.1：

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图5.1 万向轮的建模

万向轮本体是一个球形的轮胎，外层橡胶材质，能够增大摩擦，能够绕着蓝色部

位的销钉旋转，上方偏心处是与机器人底部连接的旋转槽，当万向随动轮需要旋转时，

就会绕着旋转槽旋转，而轮胎就会也会绕着销钉旋转。

（2）轴承的三维图如图5.2：

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图5.2 轴承的三维建模

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轴承选用的是6001号轴承，有内孔，滚珠，保持架，外圈组成，内孔直径是12mm。

（3）扫地机器人总装图如图5.3：

图5.3 扫地机器人的装配图（正面）

扫地机器人的正面装配图如图5.4：

图5.4 扫地机器人的装配图（反面）

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结束语

第 30 页共 31 页

在学校、辅导员和导师的安排下，在为期2个月左右的毕业设计过程中，我对本

专业的机械课程，如：《机械原理》、《机械制造》、《工程制图》等专业课程更加的了

解。从拿到毕业设计选题的迷茫到有思路，从模糊到清晰，一步步走来，受益匪浅。

本次设计中，我主要是运用的Pro/E和CAD，solidworks和keyshot用到点，然

后根据家居环境的特点，运用各种专业知识来设定尺寸，选取标准零件的规格。这样，

设计出来的产品，能够自如的在家居环境中运行。

我有不懂的方面，会通过查阅文献资料以及请教导师，培养了我查阅的能力，并

且能够利用来转化为自己的设计思路，加以创新。在毕业设计过程中，加入了专业知

识，使我更加巩固大学四年来的学科知识，能够让专业只是辅助我完成毕业设计。

致谢

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此次毕业设计中，我的课题是基于Pro/E的扫地机器人的运动仿真，特别感谢

瞿志俊导师和同学们的悉心指导。

就设计方面的问题进行解答，以及对我们设计中的不足，加以改进，使我们的

设计更加完善充实。瞿老师还经常督促我们，按照毕业设计进程来安排工作量。正

是由于瞿老师的这些努力，保证了我们毕业设计的顺利进行。瞿老师的专业技术知

识，严谨务实的学术精神也在深深感染着我们，为我们今后的生活和工作提供了很

好的楷模，在此，我要向指导老师以最衷心的感谢。