1 研制背景及意义

1.1研究背景

2l世纪，由于信息技术、生物技术、能源、环境等的快速发展，各种智能化的设备已经走向了我们的生活中。值得重点强调的是《中国制造2025》的提出使我们深刻的认识到创新高效率工作的重要意义，其中机器人技术就作为重要的一项来发展。在日常生活中随处可见，都是一些智能化的器械来代替人类的劳动力，如电动拖把的发明，高空擦玻璃器的引入等，都是在工业里面的重大创新，为服务业的发展做出了巨大的贡献，都体现这中国智能化数字数技术的快速发展。但是，即使如此，仍然在我们生活中在服务业中有许多的工作需要我们人工去完成， 所以为了解决这个问题，为了能够更好、更方便的服务创新我们研制了集爬楼和清洁的智能爬楼清洁器。

1.2 意义

积极响应《中国制造2025》，将智能化融进生活，形成更具科技与工作效率的复合型智能设备。此智能爬楼清洁器大小适中，结构精简，方便使用和存放，极具便利性。适用于各大公司、企业、高楼大厦及学校等卫生的清理，工作效率高，并且工作质量有一定的保障。墙角，死角也更加方便快捷的清理。造价成本低，制造容易，使用方便，有良好的市场前景。

2 设计方案

2.1 总体设计构想

本智能爬楼清洁器是以爬楼机器人作为载体，拖载清洁装置爬楼，并实现清洁机构对每个台阶的清洁。把爬楼机器人与清洁装置很好的融合在一起，在非工作状态时，清洁装置通过丝杠螺母副依附在爬楼装置底板表面，且与底板平行，以免影响爬楼装置上升。而在工作状态下，爬楼装置每上升一个台阶，清洁装置工作一次。通过丝杠螺母副传动使清洁装置下降，到达地面开始工作。

2.2 方案比较

2.2.1传动方式方案选取

方案一 链传动

优点：承载能力高，作用于轴上的力小。

缺点：工作时有噪音。

方案二 用同步带进行传动

优点：结构简单，平均传动比准确。

缺点：传动刚性差。

2.2.2 位移的输出

方案一 气缸

优点:速度快。

缺点:必须以空气为介质，价钱高。

方案二 滚珠丝杠

优点:摩擦力小，刚性好。

缺点：造和安装精度要求高。

2.2.3最终方案的确定

综上所得，智能爬楼清洁器整体传动方式方案确定为方案二，前面毛刷连接在同步带上，通过光轴导向，步进电机带动同步带运动，实现毛刷的往复运动来工作（如图1）；两侧面和底面的毛刷分别固定在左右两支撑板上，通过在滑轨上的丝杠螺母副，螺母固定在机架上不动，丝杠旋转推动支撑板运动到侧壁,保证进给运动的精确性（如图2）。

图1                                                      图2       

3 设计要求

大小适中，结构精简，方便使用和存放，极具便利性，工作效率高，并且工作质量有一定的保障。

3.1爬楼装置的设计

爬楼装置包括底板、导向机构和爬楼轮。爬楼轮的设计是根据三角轮和星型轮原理，星型轮一共由7个齿轮组成，中心齿轮称为一级齿轮与动力轴和机架固接，二级有3个齿轮实现换向，三级齿轮与三角轮的三个橡胶轮连接；三角轮由三个橡胶轮固定在机架上组成的，机架与动力轴固连，通过旋转动力轴带动三角轮公转的同时，星型轮使得三个橡胶轮自转，实现爬楼动作。（如图3示和如图4示）

                        图3                                                  图4

3.2清洁装置的设计

清洁装置工作有三个工作面，分别为前面、两侧边和底面。两侧面和底面的毛刷分别固定在左右两支撑板上，通过在滑轨上的丝杠螺母副以及伸缩杆，螺母固定在机架上不动，伸缩杆起支撑作用，丝杠旋转推动支撑板运动到侧壁，底面毛刷已清洁完底面，侧面通过曲柄滑块机构实现侧面毛刷对侧壁的清洁。前面毛刷连接在同步带上通过光轴导向，步进电机带动同步带运动，实现毛刷的往复运动来工作。（如图5示）

3.3升降装置的设计

清洁装置的上升和下降通过安装在L件上的丝杠螺母实现，螺母固定在L件上，丝杠末端连接止推轴承安装在清洁装置底板上，丝杠旋转推动清洁装置下降，由于重力原因毛刷可平行地面开始工作。上升时相同，当碰到安在爬楼装置底板上的限位块1时，清洁装置倾斜角度，知道碰到限位块2时，实现三点固定，清洁装置可平行爬楼装置底面，进行下一个工作过程。（如图6示）

               图5                                         图6

4辅件介绍

4.1曲柄滑块机构

丝杠旋转推动支撑板运动到侧壁，侧面通过曲柄滑块机构的往复运动实现侧面毛刷对侧壁的清洁。（如图7）

                                      图7

4.3平行导轨和光轴

 为了增加传动的平稳度和加工的刚度，设备增设了光轴、平行导轨辅助支撑。（如图8）  

图8

4.4伸缩装置

毛刷工作时，其支撑板需上下移动，为了防止侧面毛刷支撑板工作时来回晃动，影响工作质量及设备寿命，我们对支撑板加设了固定伸缩装置。（如图9）

 图9

5技术指标及创新点

5.1我们产品的技术指标总结为以下五点：

1、采用滚珠丝杠传动，更具具有稳定性。

2、侧边通过曲柄滑块原理实现毛刷的往复运动。

3、使用汽车转向原理，设计爬楼机器人导向四杆结构，实现换向。

4、使用步进电机驱动，锥齿轮传动，爬楼效率更高。

5、利用行星轮和三角轮原理设计爬楼轮，爬楼效率高，工作效率高。

5.2我们产品的特点总结为以下四点：

1、集清洁、爬楼于一体，更加方便省力；

2、大小适中，结构精简，方便使用和存放，极具便利性；

3、机电结合机器运行快、清洁速度快，代替人工劳动力；

4、提高保洁人员的工作效率及工作质量。

整体结构图

5.3 应用前景

该项目为一个机电结合体，。极响应《中国制造2025》，将智能化与生活进行融合，形成更具科技与生活的复合型智能设备；此智能爬楼清洁器大小适中，结构精简，方便使用和存放，极具便利性。适用于各大公司、企业、高楼大厦及学校等卫生的清理，工作效率高，并且工作质量有一定的保障。墙角，死角也更加方便快捷的清理。造价成本低，制造容易，使用方便，有良好的市场前景。

文献

[1] 赵关康，张国民．工程力学简明教程[M].北京:机械工业出版社，第3版

[2] 张春林.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006

[3] 罗庆生,韩宝林, 现在仿生机器人设计[D].电子工业出版社

[4] 谭立新,朱林; 智能家居机器人设计与控制[J].北京理工大学

[5] 庞明,王晓宇. 机器人设计与实现[D]. 科学出版社 2014

[6] 文蹈.  能主宰未来的产品[J]. 装备制造. 2012(11)