小型扫雪机器人的机械结构设计

小型扫雪机器人的机械结构设计

刘亚卿1葛雪1

1.山东协和学院 山东济南    邮编   250200

摘要：随着冬季雪天带来的交通不便问题日益突出，全自动扫雪机器人因其高效、便捷的特性，在清扫积雪方面展现出巨大的应用潜力。因此本文围绕小型扫雪机器人的机械结构设计进行了系统研究。重点考虑了扫雪机器人的稳定性、清扫效率以及环境适应性。通过优化底盘结构，采用耐磨、抗冲击的材料，增强了机器人的耐用性。扫雪机器人的出现，不仅极大地提高了除雪效率，减轻了人工清雪的负担，而且也为人们带来了更加便捷、高效的除雪体验。

关键词：小型扫雪机器人；机械结构设计；稳定性；清扫效率

小型扫雪机器人是一种新型的智能扫雪设备，它可以自动清理积雪，为居民和商业用户提供更高效、更便捷的扫雪服务。小型扫雪机器人具有高效性。它可以在短时间内清理大量的积雪，大大节省了人工扫雪的时间和精力。小型扫雪机器人还可以在夜间或清晨工作，以免影响用户的日常生活。小型扫雪机器人具有安全性。它配备了多种安全保护装置，可以有效地防止意外事故的发生。当前，我国城市道路上的积雪覆盖仍以手工作业为主，作业效率低，劳动强度大，人力资源消耗大。在发达的地区，一般都会采取机械化的除雪方法，即由手工驾驶的机器来清除积雪，常见的有犁板刮铲式、抛扬式、刷扫式等，这种方法比单纯的手工方法要有效得多，但也存在着一些不足之处，例如，装置的设计较为复杂，造价较高，而且功率较大，使用效果并不理想，因此，自动扫雪机器人的存在将会在未来的冬季除雪工作中发挥更加重要的作用。

一、设计原则

小型扫雪机器人的机械结构设计是一项融合了多重考量因素的综合性工作。在设计过程中，始终坚守功能性、可靠性、易用性和经济性的核心原则。此外，全自动扫雪机器人还应注重安全性和易用性。机器人应具备避障功能，能够自动避开障碍物并防止碰撞，确保使用过程中的安全。由于机器人尺寸的限制，需要确保所有部件都能紧凑地布置在有限的空间内。考虑到机器人的移动性能和能耗，必须严格控制其重量，同时保证结构的强度。材料的选择也是一项复杂的决策，需要在性能、成本、重量和可加工性之间找到最佳平衡。最后，机器人需要在雪地环境中长时间工作，因此机械结构必须具备抵抗低温、湿度和雪水侵蚀的能力。

二、设计方案

在推雪方面，采用了三个独立的推雪板，可以更灵活地应对不同情况。扫雪装置则是螺旋滚刷式的，可以将雪有效地旋到一边。选用了履带式，这样机器人在雪地中行走会更加稳定。所有功能通过电机驱动实现，电动机为整个微型全自主扫雪机器人提供了动力，使其能够自如地移动，意味着扫雪作业可以持续不断地进行，无需人工干预，工作流程如图1所示。

图1 小型扫雪机器人工作流程

通过内置的智能控制系统，机器人能够自主感知雪情，智能规划扫雪路径，实现自动化作业。机器人还能够实时反馈作业状态，方便管理部门进行远程监控和调度。其机械结构设计紧凑，使得机器人能够在狭小的空间内灵活作业，适应各种复杂的扫雪环境。

不同类别的扫雪机器人在机械结构设计上也有所不同。推雪式机器人需要设计合理的推雪板角度和高度，以确保积雪能够顺利被推走；铲雪式机器人则需要考虑铲刀的材质、形状和动力传递方式，以实现高效铲雪。履带式机器人在设计时需要注重履带的材质、宽度和附着性能，以适应雪地等复杂地形；而轮式机器人则需要考虑轮胎的防滑性和耐磨性，以确保在雪地中稳定行驶。

三、具体设计与选型

在整体方案确定后，需要针对小型扫雪机器人所需的零部件进行设计。包括扫雪机构、行走机构、传动机构等关键部件的设计。在设计过程中，需要充分考虑零部件的材质、结构、工艺等因素，以确保其能够满足机器人的使用要求。控制器作为核心部件，需要与电机和传感器进行精确的配合和连接。电机和传感器的信号线将通过特定的接口与控制器连接，这些接口通常是标准化的，如RS-485、CAN总线等，以确保数据传输的稳定性和准确性。为了应对雪地等恶劣环境，连接线路将采用防水、防雪设计，确保信号传输不受影响。

电机与减速器之间将采用联轴器进行连接，以确保动力传递的稳定性和效率。联轴器将选择弹性联轴器，以吸收电机和减速器之间的振动和冲击，提高整个动力系统的稳定性。

减速器输出轴与驱动轮之间将采用键连接或花键连接，以确保动力传递的可靠性和高效性。这种连接方式能够承受较大的扭矩和冲击力，确保机器人在雪地等复杂地形中稳定行驶。

履带行走机构的各个部分将采用螺栓连接和销连接相结合的方式。螺栓连接用于固定主要框架和承重部件，确保结构的稳定性和安全性；销连接则用于连接履带和驱动轮，实现履带的张紧和驱动。这种连接方式既方便拆卸和调整，又能保证足够的强度和刚度。

转向机构将采用齿轮传动或连杆传动的方式实现转向功能。齿轮传动将选择高精度的齿轮副，以确保转向的准确性和平稳性；连杆传动则采用铰链连接，实现双侧履带的协同动作。这些连接方式都能够确保机器人在转向时能够快速、准确地响应控制指令。

为使推雪铲能够在不平整的地面上自动躲避障碍物，本文创新性地将推雪铲分成三个独立的小块雪铲，每个都可以单独控制。尽管这种设计方式在目前的调查中还没有先例，结构相对复杂，成本也会稍高，但它的自主性能却得到了显著的提升。每个小块的雪铲设计都基于传统的犁形雪铲。这种犁形雪铲依靠车辆前进的动力，将路面上的积雪推积到一起，并使其沿着雪铲的一侧滑出。积雪在铲面上的运动规律与高速犁耕时犁体表面的运动非常相似。但是，由于积雪的滑动距离比土块要大，所以铲身表面的设计要参考高速犁的特性。

另外，铲刃是一种容易破损的零件，其组装时应注意便于拆装。针对这一问题，提出了一种在铲刃上开有多排、多排、多排的孔的方法。这种设计既能使铲刀前后颠倒，又能延长使用寿命。还可以确保在铲刃磨损到一定程度后，依然能够方便地进行更换，提高了材料的利用率，降低了成本。

三、结束语

本论文针对小型扫雪机器人的机械结构设计进行了深入的研究和分析，设计了一种高效、实用且适用于多种雪地环境的扫雪机器人。在机械结构设计方面，本论文着重考虑了机器人的稳定性、灵活性以及耐用性。通过优化机器人的底盘结构，采用高强度轻质材料，提高了机器人的承载能实现高效清扫。在自动化方面，本论文采用了先进的传感器技术和控制系统，实现了机器人的自动导航、路径规划以及避障功能。通过集成多种传感器，机器人能够实时感知周围环 境，自主调整清扫策略，确保清扫工作的连续性和高效性。综上所述，本论文设计的小型扫雪机器人具有结构紧凑、操作简便、性能稳定等优点，能够满足多种雪地环境下的清扫需求。未来，随着技术的不断进步和应用领域的拓展，这种扫雪机器人有望在城市道路、机场、公园等场所发挥更大的作用，为人们的出行和生活带来更多便利。

参考文献

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[3]童垚,张艳丽,尹礼鑫等.一种多功能自动扫雪车设计[J].科学技术创新, 2020, (33): 193-194.

作者简介：

刘亚卿，女，汉族，山东菏泽，2001年1月，本科应届毕业生。

葛雪，女，汉族，山东潍坊，1997年1月，研究生，流体润滑方向。

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