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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)  (論文 ) 題     目     基于單片機(jī)的清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)     學(xué)     院          機(jī)電工程學(xué) 院               專業(yè)班級(jí)                         學(xué)生姓名      

2、                       指導(dǎo)教師                             成     績(jī)                             &nb

3、sp;     2016年      06 月       10日   1 摘     要  智能家庭 清掃機(jī)器人 結(jié)合了 傳感器、移動(dòng)機(jī)器人 技術(shù)等多個(gè) 領(lǐng)域的關(guān) 鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)室 內(nèi)環(huán)境 （地面）的 半自動(dòng)或 全自動(dòng) 清潔，替代了傳統(tǒng)的人工清潔工作，具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。本文首先綜述了家庭清掃機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，在綜合比 較了國(guó)內(nèi)外多種典型產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，提出適合中低端用戶使用的家庭清掃機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案。  智能家庭清掃機(jī)器人系統(tǒng)由清掃機(jī)器人和充電站組成。清

4、掃機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)智能清掃的主體部分，本文介紹了清掃機(jī)器人的組成部分，并完成了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與硬件電路的實(shí)現(xiàn)?？紤]到存儲(chǔ)、接口資源及可靠 性能等，主控器選擇了 司的 片機(jī)，所構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)功能強(qiáng)、性價(jià)比高，完全滿足控制功能的要求。然后，詳細(xì)說(shuō)明了紅外傳感器，塵倉(cāng)檢測(cè)，碰撞檢測(cè)，里程計(jì)，貼邊行走檢測(cè)以及吸塵電機(jī)、  毛刷電機(jī)、主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)等控制原理。在軟件設(shè)計(jì)方面，通過(guò)分析底層與路徑規(guī)劃算法的銜接，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人直行 正算法、里程計(jì)返回值的坐標(biāo)變換及計(jì)算等算法，為路徑覆蓋算法提供依據(jù)。并實(shí)現(xiàn)了紅外、碰撞傳感器檢測(cè)等子程序。   最后，將機(jī)器人的全部功能整合進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。完成 &

5、nbsp;線校正和里 程計(jì)誤差修正后，加入路徑覆蓋算法進(jìn)行房間內(nèi)的全區(qū)域覆蓋和地圖創(chuàng)建的調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，覆蓋率高，可隨時(shí)參與人為控制，安全性高，達(dá)到了智能家庭清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。  關(guān)鍵詞 ： 清掃機(jī)器人；智能控制；單片機(jī)系統(tǒng)；路徑規(guī)劃   2 as It or It an on on on a of to be by is is of is to of s as CU of to of of as as is as a ID of s of in of of in its of  3 目      錄 &

6、nbsp;摘     要 . 1 . 2 第  1 章     緒    論 . 5 課題背景  . 5 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述  . 5  國(guó)外研究現(xiàn)狀 . 5  國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 . 10 清掃機(jī)器人存在的問(wèn)題分析 . 11  課題研究的目的與意義  . 11  本章小結(jié)  . 12 第  2 章     清掃機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案 . 13 設(shè)計(jì)目標(biāo)  . 13 清掃機(jī)器人的組成部分  . 13 清掃

7、機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案  . 14  主控系統(tǒng) . 14  驅(qū) 動(dòng)電機(jī)部分 . 15  傳感器系統(tǒng) . 15  紅外遙控部分 . 16  電源部分 . 17  充電站部分 . 17 本章小結(jié)  . 17 第  3 章     清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì) . 18 清掃機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)  . 18 清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  . 18 外形設(shè)計(jì) . 18 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) . 19 清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) . 19 吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) . 21 塵倉(cāng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) . 21 主控系統(tǒng)  . 2

8、2 執(zhí)行電機(jī)控制  . 25 輪子電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 . 25 吸塵與毛刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng) . 26  4 傳感器部分  . 27 測(cè)速裝置模塊 . 27 碰撞檢測(cè) . 27 塵倉(cāng)紅外發(fā)射和接收電路 . 28 紅外遙控模塊  . 29 電源模塊  . 30 充電站設(shè)計(jì)  . 31 本章小結(jié)  . 32 第  4 章    清掃機(jī)器人的主體設(shè)計(jì) . 33 機(jī)選擇 . 33 蝸輪蝸桿的選擇 . 34 清掃機(jī)構(gòu)的電機(jī)的選擇 . 36 家庭清潔機(jī)器人電池的選用 . 37 清掃機(jī)構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計(jì)算 . 38

9、掃機(jī)構(gòu)中渦輪軸的校核 . 39 第  5 章    清掃機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì) . 41 件結(jié)構(gòu)框圖  . 41 正算法設(shè)計(jì)  . 41 法的設(shè)計(jì)思想  . 42 電機(jī)速度控制方法 . 43 標(biāo)計(jì)算原理  . 44  充電站導(dǎo)航對(duì)接程序  . 45 控程序的設(shè)計(jì)  . 46 章小結(jié)  . 46 第  6 章       總    結(jié) . 49   發(fā)展趨勢(shì)  . 49 高度智能化需求 . 49 功能擴(kuò)展 . 49

10、 低成本化 . 49 發(fā)展  . 49 參考文獻(xiàn) . 51 致謝 . 52  5 第  1 章     緒    論  課題背景  近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī) 技術(shù)與人工 智能科學(xué)的飛速發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。其中，服務(wù)機(jī)器人開(kāi)辟了機(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。服務(wù)機(jī) 器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一是勞動(dòng)力成本的上升；二是人類想擺脫枯燥乏味的體力勞動(dòng)，如清潔、家務(wù)、照顧病人等；三是人口的老齡和社會(huì)福利制度的完善也為某些服務(wù)機(jī)器人提供了廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。服務(wù)機(jī)器人區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)主要特征就

11、是服務(wù)機(jī)器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)過(guò)程的機(jī)器人系統(tǒng)，其活動(dòng)空間大，具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動(dòng)性，因此服務(wù)機(jī)器人大多數(shù)是移動(dòng)機(jī)器人。  自動(dòng)進(jìn)行房間地面清潔的自主吸塵式家庭服務(wù)機(jī)器人，集機(jī)械學(xué)、電子技  術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體。 自主吸塵機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化發(fā)展的先行者，其研究始于  20 世紀(jì)  80 年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品。吸塵機(jī)器人的發(fā)展，帶動(dòng)了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、圖像和語(yǔ)音識(shí)別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。  國(guó)內(nèi)外研

12、究現(xiàn)狀綜述   國(guó)外研究現(xiàn)狀  對(duì)于機(jī)器人大家可能不會(huì)太陌生，工業(yè)機(jī)器人在很多領(lǐng)域都得到了比較廣泛的應(yīng)用，但是對(duì)于家庭機(jī)器人我們所了解的卻相當(dāng)?shù)纳?，而日本，歐美等國(guó)家的研究則比較領(lǐng)先，有的都已經(jīng)投入市場(chǎng)，在實(shí)際中投入使用。   世界上第一臺(tái)能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機(jī)器人，如圖 1有光電傳感器和芯片控制，當(dāng)遇到障礙時(shí)，會(huì)隨機(jī)改變一個(gè)角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物。內(nèi)置了四種清潔程序，保證在遇到不同污漬的地面時(shí)，可以調(diào)整其清潔程序；通過(guò)傳感器對(duì)于地板污漬的判斷，選擇合適的應(yīng)用程序。內(nèi)置光敏傳感器，確保在遇到樓梯與臺(tái)階時(shí)，能夠自動(dòng)避讓，不會(huì)掉落。扁

13、平的設(shè)計(jì)使其能夠清潔床，沙發(fā)，茶幾等家具的下部位置。其相應(yīng)的充電站有紅外發(fā)射、工作時(shí)間設(shè)定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個(gè)功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導(dǎo)航信 號(hào)來(lái)指引機(jī)器人回到充電站完成充電和 6 垃圾處理的任務(wù)；同時(shí)能夠根據(jù)用戶設(shè)定的信息來(lái)控制機(jī)器人完成相應(yīng)的操作。  如圖 1 圖 1能機(jī)器人 日本，東日本鐵路公司、 器公司和 業(yè)有限公司聯(lián)合研制了車(chē)站地面清掃機(jī)器人，機(jī)器人可沿墻壁從任何一個(gè)位置自動(dòng)啟動(dòng)，利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子將廢棄物掃人自帶容器中。該機(jī)器人可采用  “磁導(dǎo)引方式”、“示教方式”或  “墻面復(fù)制方式”控制。東日本路公司、富士工業(yè)有限公司 R 東方

14、設(shè)施管理有限公司聯(lián)合研制了車(chē)站地面擦洗機(jī)器人，該 機(jī)器人工作時(shí)一面將清洗液噴灑到地面上，一面用旋轉(zhuǎn)刷不停地擦洗地面，并將臟水吸人所帶的容器中。機(jī)器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自動(dòng)清洗系統(tǒng)有兩種，一種是“面積設(shè)定模式”，即將待清洗的面積分為若干個(gè)單位面積，按照其存儲(chǔ)器中的單位面積識(shí)別其行使路線，機(jī)器人還可利用其傳感器識(shí)別和躲避障礙物；另一種叫“路徑地圖模式”，機(jī)器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行使，機(jī)器人可存幅地圖，并可利用 卡作為外存，在該模式下，機(jī)器人不會(huì)避障，僅適用于需要反復(fù)擦洗的指定地段。  東日本鐵路公司和東芝公司聯(lián)合研制的用于座椅布局簡(jiǎn)單的 列車(chē)內(nèi)部地面清洗的機(jī)器人，其

15、體積小、重量輕、易于出人車(chē)廂及在車(chē)廂之間運(yùn)動(dòng)，感知系統(tǒng)采用超聲波距離傳感器和光學(xué)、接觸式的接近傳感器；機(jī)器人采用推算定位法，利用編碼器中的數(shù)據(jù)，保持自己的位置和路徑，若探測(cè)到錯(cuò)誤位置，機(jī)器人會(huì)通過(guò)距離傳感器自動(dòng)修正；高級(jí)的列車(chē)地面清洗包括掃除垃圾、噴灑清洗液、擦洗、回收污水、用清水沖洗和給地面打蠟六個(gè)步驟。日本靜甲株式會(huì)社的清水工廠開(kāi)發(fā)出一種自動(dòng)清掃機(jī)器人，可用于各種工廠的清掃工作，機(jī)器人采用光纖陀螺控制機(jī)器人的方向，采用編碼器和超聲波傳感器測(cè)距，采用光學(xué)探測(cè)器探測(cè)障礙物，機(jī)器人 的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺(jué)傳感器，一旦機(jī)器人與人接觸，觸覺(jué)傳感器信號(hào)會(huì)使機(jī)器人停下來(lái)以保證人的安全。松下

16、和日立公司也研制出了可清掃磚地木質(zhì)地板和地毯地面的清潔機(jī)器人，該機(jī)器人采用蓄電池作為動(dòng)力源，可自動(dòng)去充電站充電，能夠自主避障和路徑規(guī)劃。  松下電器產(chǎn)業(yè)公司在 2002 年上半年推出了家庭用清潔機(jī)器人的試制機(jī)。該 7 機(jī)器人可以根據(jù)房間的形狀、地板狀況、垃圾量進(jìn)行自動(dòng)清掃，還配備有避開(kāi)墻壁、爐子等熱源以及障礙的安全功能；該機(jī)器人配備有 50 個(gè)傳感器可一邊自動(dòng)行走一邊進(jìn)行清掃，工作時(shí)首先沿房間四周走一圈，記憶房 間形狀，然后在避開(kāi)障礙物的同時(shí)開(kāi)始縱橫來(lái)回移動(dòng)，清潔工作完成后會(huì)自動(dòng)停止。該機(jī)器人清掃一般的日本式房間約需要 9當(dāng)于人打掃同樣大房間所需時(shí)間的 ，可清掃房間地板的 92 93

17、 ；機(jī)器人利用光及超聲波的測(cè)距傳感器及感壓傳感器來(lái)避開(kāi)障礙物，機(jī)器人的內(nèi)置回轉(zhuǎn)傳感器用來(lái)控制行走姿勢(shì)以保持既定的行進(jìn)方向，但在地毯上行走時(shí)如果不采取措施則會(huì)受到  “地毯花紋”影響而彎曲前進(jìn)，因此該公司在機(jī)器人中安裝了方向舵?zhèn)鞲衅?，可以檢測(cè)出由于地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進(jìn)方向偏差，因此即使在鋪有地毯的地板上也能夠直線前進(jìn)， 機(jī)器人體內(nèi)還安裝有防止從臺(tái)階等高處滾下的落差傳感器、感知暖爐等熱源的熱傳感器、檢測(cè)自身所受外力大小的重量傳感器及防滑傳感器、檢測(cè)添加動(dòng)力的負(fù)載傳感器，機(jī)器人同普通的障礙物最少保持 10距離，而在探測(cè)到熱源時(shí)，將會(huì)同熱源至少保持 50距離。  20世紀(jì) 90

18、年代，美國(guó)就推出了地面清潔機(jī)器人  機(jī)器人配有激光導(dǎo)航系統(tǒng)，采用超聲波測(cè)距和避障，用光碼條實(shí)現(xiàn)定位。 2002 年 月清潔機(jī)器人 美國(guó)面市，它重約 ，直徑為 30 英寸，具有高度自主能力，可以游走于房間各家具縫隙間，靈巧 地完成清掃工作，據(jù)說(shuō)這是將用于軍事的“躲避地雷的移動(dòng)技術(shù)”應(yīng)用到了吸塵器上。 動(dòng)作有點(diǎn)兒遲緩，但它卻能穩(wěn)定、安全地完成任務(wù)。由于能夠在完成任務(wù)后自動(dòng)切斷電源，所以可以在外出期間讓 家進(jìn)行清掃。如圖 1 圖 1能清潔機(jī)器人 002年 10月日 ，瑞典的拉克斯電子公司與日本東芝公司共同開(kāi)發(fā)的清潔機(jī)器人  “特里洛巴伊特”上市銷(xiāo)售，“特里洛巴伊特”主要由清掃機(jī)器

19、和超聲波傳感器構(gòu)成，在工作時(shí)可避開(kāi)室內(nèi)擺放的各種家具用品。只要家庭主婦領(lǐng)著它搞過(guò)一次清掃后，它便可以按 行走過(guò)的清掃線路進(jìn)行自動(dòng)清掃。這種機(jī)器人是充電式的，每一次充電可連續(xù)工作 小時(shí)。  瑞典家電制造商伊萊克斯 （ 研制生產(chǎn)的清潔機(jī)器人小“三葉蟲(chóng)”高 13 ，直徑 35 ，表面光滑，呈圓形，內(nèi)置搜索雷達(dá)，可以迅速地探測(cè) 8 到并避開(kāi)桌腿、玻璃器皿、寵物或任何其它障礙物。一旦微處理器識(shí)別出這些障礙物，它可重新選擇路線，并對(duì)整個(gè)房間做出重新判斷與計(jì)算，以保證房間的各個(gè)角落都被清掃。在樓梯的臺(tái)階等一些沒(méi)有天然障礙物的地方，只要有一條磁鐵，小“三葉蟲(chóng)”便不會(huì)跨越。小“三葉蟲(chóng)”開(kāi)始啟動(dòng)后，體內(nèi)

20、的搜索雷達(dá)會(huì)探測(cè)出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡。這樣它便能探測(cè)出整個(gè)房間的格局，計(jì)算出清掃整個(gè)房間所需的時(shí)間。只要一接近一件障礙物，它便會(huì)重新設(shè)定行進(jìn)路線，不會(huì)漏掉每一個(gè)角落。電線或地毯的邊緣不會(huì)被認(rèn)作是  圖 1葉蟲(chóng)   障礙物。小“三葉蟲(chóng)”的吸刷裝置中裝有一只專利設(shè)計(jì)滑輪，可以越過(guò)電線或地毯邊緣，不被絆住。電源不足時(shí)，小“三葉蟲(chóng)”會(huì)自動(dòng)回到充電卡座自行充電。如果此時(shí)房間還沒(méi)有清掃完畢，小“三葉蟲(chóng)”還有記憶功能，充好電后自己回到原處繼續(xù)吸塵，如圖 1國(guó)、法國(guó)和澳大利亞也都推出過(guò)清潔 機(jī)器人產(chǎn)品。  英國(guó) 司最近推出一種型號(hào)為  

21、智能吸塵器。這是世界首次開(kāi)發(fā)研制的全自動(dòng) “ 吸塵機(jī)器人 ” 。這種機(jī)器人具有一定的人工智能 ,只需輕按開(kāi)關(guān)它就會(huì)為你解除每天打掃房間的煩惱。如圖 1示 ,吸塵機(jī)器人形狀呈 50厘米長(zhǎng)的模型汽車(chē)狀 ,重 配置了 70多個(gè)傳感器 ,可隨時(shí)將發(fā)現(xiàn)的情況告訴由 3 臺(tái)內(nèi)置電腦組成的 "大腦 "。 "大腦 "每秒可發(fā)出 16 條命令來(lái)指揮吸塵器的工作。充電后一按開(kāi)關(guān) ,機(jī)器人會(huì)在瞬間通過(guò)所搭載的三臺(tái)小型計(jì)算機(jī)和 70個(gè)傳感器計(jì)算出自己所在位置、房間大小及臟亂程度、家具的配置等。 要是小孩或狗等外來(lái)物體接近吸塵器 ,它就會(huì)自動(dòng)停止工作。接近樓梯口時(shí) ,吸塵器會(huì)自動(dòng)

22、采取保護(hù)措施 ,以防止?jié)L到樓下。使用時(shí) ,只要打開(kāi)電源、選好速度、按下 "走 "鍵 ,吸塵器就會(huì)自動(dòng)工作 ,其它程序都由它自己獨(dú)立完成。不過(guò)該產(chǎn)品目前價(jià)格太高 (4000美元左右一臺(tái) ),要真正推向市場(chǎng)還有相當(dāng)?shù)碾y度 ,如圖 1示。   9 圖 1能機(jī)器人 大利亞的 司最近也研制出可自動(dòng)行駛并打掃房間的 如圖 1示。這種全自動(dòng)吸塵器表面光滑 ,體積很小 ,呈圓形 ,內(nèi)置搜索雷達(dá) ,可以搜索各種房間里 的每一處 ,不會(huì)碰撞家具或其它障礙物。微處理小電腦使它具備在拐至屋角處能探測(cè)方向、選擇前進(jìn)路線的能力。只要一放在地面上 ,全自動(dòng)吸塵器便可自動(dòng)開(kāi)始工作。其搜索雷達(dá)會(huì)探

23、測(cè)出距離最近的墻壁 ,先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡 ;然后再不規(guī)則地來(lái)回于房間的其它位置 ,并且能在接近障礙物之前迅速轉(zhuǎn)向。該吸塵機(jī)器人由于在主機(jī)的周?chē)?360 度配備了障礙物傳感器 ,因此可以在檢測(cè)墻壁及障礙物的同時(shí)打掃地面。當(dāng)打掃完可以行駛的場(chǎng)所后 ,機(jī)器人就自動(dòng)關(guān)閉電源。在經(jīng)過(guò) 4 個(gè)小時(shí)充電后可以連續(xù)工作 1 個(gè)小時(shí)以上 ,通過(guò)更換配件還可以打掃地毯等。如 果打掃沒(méi)有障礙物的地面時(shí) ,1個(gè)小時(shí)可以打掃 360 平方米。不管房間的外形及面積的大小 , 航算法引導(dǎo)機(jī)器人在任何房間的所有無(wú)遮掩區(qū)域四處運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行清潔工作。因?yàn)闄C(jī)器人導(dǎo)航沿房間的周?chē)?,所以它要?jiǎng)?chuàng)建自己的空間參考圖 ,機(jī)

24、器人不需要任何編程 "教它應(yīng)該去哪里 ” 。該機(jī)器人操作簡(jiǎn)單 ,僅有三個(gè)按鈕 :開(kāi)始 ,結(jié)束以及暫停。人們只要簡(jiǎn)單地將它放置在需要清掃的區(qū)域或房間中 (這個(gè)機(jī)器人吸塵器很輕 ,一只手就可以容易拿起它 ),按下開(kāi)始按鈕即可 ，如圖 1 圖 12003 年 11 月，三星公司推出一 款代號(hào)為 機(jī)器人吸塵器，如圖1要依靠 3能靈巧地躲避障礙物，能夠快速、高效地對(duì)房間每個(gè)角落進(jìn)行吸塵。當(dāng)遇到障礙物或者死角等情況， 10 自動(dòng)轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強(qiáng)大的智能判斷系統(tǒng)使得 輕易地分辨出垃圾與其他日常生活用品，機(jī)器人也允許用戶定義它的工作時(shí)間及清  圖 1三星機(jī)器人 區(qū)域等，從而實(shí)現(xiàn)主人不在家

25、時(shí)機(jī)器人也能進(jìn)行自動(dòng)清掃。事實(shí)上，用戶除了可以對(duì)它本身進(jìn)行設(shè)置以外，還能通過(guò)計(jì)算機(jī)查看安裝 在機(jī)器人前部的攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。整個(gè)器人的電池能維持它連續(xù)工作 50 分鐘，而一旦電池處于即將耗盡的狀態(tài)時(shí)它自動(dòng)回到充電座補(bǔ)充能源，非常地智能化。它回充電站使用的是已經(jīng)生成的 3不是像    國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀  在國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也對(duì)清潔機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究并取得了一些成果，對(duì)清潔機(jī)器人相關(guān)技術(shù)如機(jī)器感知、機(jī)器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機(jī)器人控制、電源與電源管理、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的研究則更多，這些都為清潔機(jī)器人的研 究開(kāi)發(fā)和推廣

26、奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。  哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 90年代開(kāi)始致力于這方面的研究，與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)出一種全方位移動(dòng)清掃機(jī)器人。該機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：采用全方位移動(dòng)技術(shù)，使機(jī)器人可執(zhí)行對(duì)狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開(kāi)放式機(jī)器人鉸制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬件可擴(kuò)展，軟件可移植、可繼承，使機(jī)器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實(shí)時(shí)避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)行方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)吸塵腔路的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。  浙江大學(xué)于 1999 年初在浙江 大學(xué)機(jī)械電子研究所開(kāi)始進(jìn)行智能吸塵機(jī)器人的研究，兩年后設(shè)計(jì)成功國(guó)內(nèi)第

27、一個(gè)具有初步智能的自主吸塵機(jī)器人。這種智能吸塵機(jī)器人工作時(shí)，首先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)：利用超聲波傳感器測(cè)距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時(shí)獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時(shí)間；之后，利用隨機(jī)和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結(jié)束以后， 11 自行回到充電座補(bǔ)充電力。吸塵機(jī)器人在  的實(shí)際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達(dá)到 90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗(yàn)還沒(méi)有進(jìn)行。目前，系統(tǒng)正在引入機(jī)器視覺(jué)和全局 定位功能，力圖在 多房間環(huán)境下，提高自定位能力、  圖 1內(nèi)公司生產(chǎn)的機(jī)器人 能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。如圖 1 是國(guó)內(nèi)首個(gè)產(chǎn)品化清掃

28、機(jī)器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂(lè)場(chǎng)所，以及其它一些人員不便進(jìn)入的地方。要人工對(duì)其電池進(jìn)行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動(dòng)時(shí)伴有音樂(lè)聲。  清掃機(jī)器人存在的問(wèn)題分析  通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上幾種典型產(chǎn)品進(jìn)行比較：中低檔產(chǎn)品不具備路 徑規(guī)劃功能，隨機(jī)清掃效率很低；國(guó)內(nèi)產(chǎn)品不具備自動(dòng)返回充電的功能；高檔產(chǎn)品使用攝像頭等高端傳感器，不利于產(chǎn)品的廣泛普及。  本課題研究的智能清掃機(jī)器人定位為中低檔產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：  (1)具有路徑覆蓋算法，實(shí)現(xiàn)高覆蓋率，低重復(fù)地清掃；  (2)能夠有效避障及檢測(cè)臺(tái)階，卡住時(shí)會(huì)提醒用戶，實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)功能；  

29、(3)自主性高，電池續(xù)航能力強(qiáng)。電量低能夠自動(dòng)返回充電；  (4)具有良好的人機(jī)交互功能，可由用戶控制清掃路徑。   課題研究的目的與意義  吸塵機(jī)器人將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)室 內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作，近年來(lái)已受到 12 國(guó)內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自主式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。從市場(chǎng)前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于家庭和公共場(chǎng)館的室內(nèi)清潔。因此，開(kāi)發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑

30、戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場(chǎng)前景。  融合現(xiàn)代傳感器以及機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開(kāi)發(fā)一部?jī)r(jià)格便宜，全區(qū)域覆蓋，能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家庭清掃 機(jī)器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式，使家庭生活電氣化、智能化，使科技更好地為人類服務(wù)。   本章小結(jié)  智能家庭清掃機(jī)器人包括兩個(gè)部分：機(jī)器人和充電站。本課題主要研究機(jī)器人部分，包括功能分析，方案設(shè)計(jì)，硬件實(shí)現(xiàn)以及底層軟件設(shè)計(jì)。機(jī)器人按照功能主要分為 5部分：主控器、傳感器、執(zhí)行電機(jī)、輸入輸出和電源部分。其中，傳感器包括紅外傳感器，塵倉(cāng)檢測(cè)，碰撞檢測(cè)，里程計(jì)，貼邊行走檢測(cè)等；執(zhí)行電機(jī)包括吸塵電機(jī)、毛刷

31、電機(jī)和主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)（也稱行走電機(jī)）；輸入輸出部分包括紅外遙控。  本文完成的主要工作如下：  (1)分析系統(tǒng)功能需求，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)。  (2)綜合考慮各種功能需求設(shè)計(jì)總體方案。  (3)設(shè)計(jì)整體硬件電路和部分模塊的結(jié)構(gòu)：包括硬件電路設(shè)計(jì)，芯片選擇和可行性論證，并詳細(xì)分析了部分單元電路的工作原理。   13 第  2 章     清掃機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案  設(shè)計(jì)目標(biāo)  智能家庭清掃機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是研究一個(gè)能夠在無(wú)人干預(yù)情況下自  主完成室內(nèi)清掃工作，也可以人為控制其狀態(tài)的機(jī)器人系

32、統(tǒng)。  本課題設(shè)計(jì)的清掃機(jī)器人具有自主清掃，自動(dòng)返回充電，避障，防跌落，  卡住報(bào)警，過(guò)流檢測(cè)，塵倉(cāng)滿倉(cāng) 檢測(cè)等功能；同時(shí)，為使機(jī)器人高效、可靠地  完成作業(yè)，在其內(nèi)部嵌入路徑覆蓋算法，使它脫離隨機(jī)清掃的模式，能夠記憶  已走過(guò)的路徑和遇到的障礙物位置，以使機(jī)器人不遺漏地進(jìn)行全區(qū)域清掃和不  重復(fù)遇到同一個(gè)障礙物，實(shí)現(xiàn)了高覆蓋率，低重復(fù)率的清掃過(guò)程；為使機(jī)器人  在電量過(guò)低情況下能夠主動(dòng)充電，通過(guò)自動(dòng)尋找和對(duì)接算法程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)對(duì)接；  用戶可以通過(guò)紅外遙控器控制機(jī)器人的行走路徑，也可以遙控其返回充電站停  止工作。

33、  清掃機(jī)器人的組成部分  智能家庭清掃機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人和基站兩部分組成。機(jī)器人主要負(fù)責(zé)清掃地面，同時(shí) 具有遙控控制，自動(dòng)避障，檢測(cè)臺(tái)階和樓梯，自動(dòng)返回基站充電，定時(shí)工作，過(guò)流檢測(cè)等功能；基站主要負(fù)責(zé)與機(jī)器人的紅外通訊，可發(fā)射召回信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的充電對(duì)接。  機(jī)器人由 5部分組成：主控制系統(tǒng)部分、執(zhí)行電機(jī)部分、傳感器部分、輸入輸出部分和電源部分。結(jié)構(gòu)框圖如圖 2控系統(tǒng)使用單片機(jī)控制，包括對(duì)輸入輸出器件的操作，對(duì)執(zhí)行電機(jī)的控制，以及對(duì)傳感器的響應(yīng)等，同時(shí)內(nèi)部嵌入智能軟件，包括路徑覆蓋算法和返回充電站路徑規(guī)劃程序；執(zhí)行電機(jī)部分是吸塵機(jī)器人的主要構(gòu)成部分，包括行走

34、驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)和吸塵子系統(tǒng)，它決定了吸塵器的運(yùn) 動(dòng)軌跡和清掃效率。行走結(jié)構(gòu)采用的是輪式結(jié)構(gòu)，雙輪電機(jī)通過(guò)齒輪箱驅(qū)動(dòng)左右雙輪，輪子電機(jī)、吸塵電機(jī)和毛刷電機(jī)使用的都是無(wú)刷直流電機(jī)；傳感器部分即檢測(cè)子系統(tǒng)，主要為了保障機(jī)器人能夠安全地工作，包括霍爾元件、 外傳感器等；輸入輸出部分包括遙控子系統(tǒng)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能；電源部分為機(jī)器人工作提供電能，保證機(jī)器人能夠獨(dú)立有效的工作。   14 圖 2家庭清掃機(jī)器人的機(jī)構(gòu)框圖  清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案   主控系統(tǒng)  控制系統(tǒng)在智 能家庭清掃機(jī)器人系統(tǒng)中占有重要地位，是機(jī)器人的核心部分，它決定控制性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系

35、到機(jī)器人使用的方便程度和清掃效率。根據(jù)機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的諸多功能，主控器既要方便地控制各個(gè)子系統(tǒng)，又要運(yùn)行路徑覆蓋算法程序。因而主控器需要有多個(gè)中斷源，多個(gè) I/個(gè) 時(shí)程序存儲(chǔ)容量大，存儲(chǔ)內(nèi)容掉電不丟失，為方便機(jī)器人進(jìn)行功能升級(jí)，還要留有可擴(kuò)展的串行通訊口。  由于 司的單片機(jī)性能可靠，在移動(dòng)機(jī)器人和汽車(chē)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，因此選用了 位 控制 器，其存儲(chǔ)空間大，可以滿足算法的實(shí)現(xiàn)要求；使用 壓供電，在 40功率消耗不到 1且該微控制器具有多種省電模式可以選用。除此之外，  具有多種功能端口，可為外圍的傳感器件提供各種控制功能，而且便于編程。  傳感器部分 &nbs

36、p;執(zhí)行電機(jī)部分  電源系統(tǒng)  主控系統(tǒng)  遙控子系統(tǒng)  鍵盤(pán)顯示子系統(tǒng)  路徑覆蓋算法  返回充電站路徑規(guī)劃算法  智能軟件部分  輸入輸出部分  吸塵子系統(tǒng)  行走驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)  傳感器系統(tǒng)  塵倉(cāng)紅外檢測(cè)  碰撞檢測(cè)  里程計(jì)  左輪電機(jī)  右輪電機(jī)  吸塵電機(jī)  毛刷電機(jī)   15 主控器內(nèi)部嵌有智能軟件算法：覆蓋算法和返回充電站路徑規(guī)劃算法。覆蓋算法是在清掃過(guò)程中，按一定的路徑規(guī)劃進(jìn)行清掃，并且可以

37、記憶并標(biāo)記已走過(guò)的路徑和遇到的障礙物位置，下次只清掃未標(biāo)記的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)全區(qū)域的路徑覆蓋；返回充電站路徑規(guī)劃是在機(jī)器人未收到充電站發(fā)出的導(dǎo) 航信號(hào)時(shí)，根據(jù)已記錄的地圖信息中充電站的位置，按照一定的算法向充電站靠近，直到收到導(dǎo)航信號(hào)后，進(jìn)入導(dǎo)航對(duì)接程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)對(duì)接。   驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分  機(jī)器人的工作電機(jī)分為行走、吸塵和毛刷電機(jī)。機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)中前面有一個(gè)從動(dòng)轉(zhuǎn)向輪，兩側(cè)各有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，由無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行控制。清掃結(jié)構(gòu)主要使用真空吸塵器和由電機(jī)帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)毛刷。  永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)具有效率高，功率大，體積小，控制精度高等明顯特點(diǎn)，在機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。無(wú)刷直流電機(jī)具有

38、良好的調(diào)速性能，由于它采用電子換向，脈寬調(diào)制脈沖調(diào)速，在進(jìn)一步提高直流 電機(jī)性能的同時(shí)，又克服了直電機(jī)傳統(tǒng)機(jī)械換向帶來(lái)的一系列問(wèn)題，從而大大延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。直流無(wú)刷電機(jī)控制電路在實(shí)現(xiàn)上主要有控制電路微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器和專用集成電路等 3種方式。使用單片機(jī)或 測(cè)頻、換相、控制調(diào)節(jié)等均由軟件實(shí)現(xiàn)，本課題選用單片機(jī)軟件編程的方法控制無(wú)刷直流電機(jī)。  吸塵器內(nèi)的風(fēng)機(jī)和帶動(dòng)毛刷的電機(jī)都使用直流電機(jī)，由于不需要調(diào)速、換向，因此控制方法比較簡(jiǎn)單。   傳感器系統(tǒng)  傳感器是機(jī)器人環(huán)境感知的主要來(lái)源，是機(jī)器人智能化的一部分，在整個(gè)系統(tǒng)中占有重要 的地位。機(jī)器人技術(shù)融合

39、了多種傳感器技術(shù)，包括紅外傳感器，接觸和接近傳感器，編碼器，超聲波傳感器等。   感器的選擇依據(jù)   選擇機(jī)器人傳感器應(yīng)當(dāng)完全取決于機(jī)器人的工作需要和應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)機(jī)器人感覺(jué)系統(tǒng)的要求是選擇機(jī)器人傳感器的基本依據(jù)。機(jī)器人對(duì)傳感器的一般要求是：  (1)精度高，重復(fù)性好。機(jī)器人傳感器的精度直接影響機(jī)器人的工作質(zhì)量。  用于檢測(cè)和控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的傳感器是控制機(jī)器人定位精度的基礎(chǔ)。機(jī)器 16 人能否準(zhǔn)確無(wú)誤地正常工作，很大程度上取決于傳感器的測(cè)量精度。  (2)穩(wěn)定性好、可靠性高。機(jī)器人傳 感器的穩(wěn)定性和可靠性是保證機(jī)器人能  夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠

40、地工作的必要條件。  (3)抗干擾能力強(qiáng)。機(jī)器人的工作環(huán)境是不定和未知的，在運(yùn)行中可能會(huì)有  來(lái)自外在的干擾存在。  感器的選擇   避障功能是智能家庭清掃機(jī)器人必備的功能，由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，在無(wú)人看管的情況下，機(jī)器人需要自動(dòng)識(shí)別障礙物并繞開(kāi)行走。目前同類產(chǎn)品中主要使用了兩種方式：非接觸式避障和接觸式避障。其中，應(yīng)用較多的是非接觸避障，主要原理是利用超聲波測(cè)距。但是這種方法的缺點(diǎn)是波束較寬，其分辨力受到嚴(yán)重的限制，不能有效地確保機(jī)器人的安全。本課題 選用接觸式避障，即先碰撞后避障，使用霍爾開(kāi)關(guān)對(duì)磁場(chǎng)變化的檢測(cè)判斷是否發(fā)生碰撞。  塵倉(cāng)紅外檢測(cè)實(shí)

41、現(xiàn)了塵倉(cāng)滿倉(cāng)自動(dòng)提醒用戶除塵的功能。它是由紅外發(fā)射和接收管組成的，對(duì)管安裝在塵倉(cāng)的上部。根據(jù)灰塵密度的不同，紅外光透過(guò)的強(qiáng)度不同，接收管的輸出電壓也不同。這個(gè)變化是模擬量，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定滿倉(cāng)電壓值，避免塵倉(cāng)未滿或者過(guò)滿所造成的誤操作。為了檢測(cè)機(jī)器人在前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)角上的變化，在兩個(gè)主動(dòng)輪上安裝了光電編碼式傳感器，簡(jiǎn)稱里程計(jì)。它可以檢測(cè)機(jī)器人的行走距離和速度，同時(shí)根據(jù)左右輪速差計(jì)算出機(jī)器人偏轉(zhuǎn)的角度。選用了非接觸式光 電碼盤(pán)，為提高系統(tǒng)分辨率，將碼盤(pán)安裝在機(jī)器人行走電機(jī)的電機(jī)軸上，即高速端的轉(zhuǎn)子。  過(guò)流檢測(cè)是電子類產(chǎn)品必要的功能之一，用來(lái)防止工作發(fā)生異常燒壞電路板造成損失。使用 料做

42、成的電流保護(hù)元件，在電子電器、玩具、汽車(chē)、電機(jī)保護(hù)等方面都有廣泛的應(yīng)用，被稱為自復(fù)式保險(xiǎn)絲。這種材料的電阻率隨溫度升高而增加，同時(shí)溫度降低后可以自動(dòng)恢復(fù)，可以檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的過(guò)流現(xiàn)象。一般連接在電源的入口處，能夠有效地保護(hù)電路安全。  邊緣檢測(cè)傳感器也是一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的觸發(fā)端設(shè)計(jì)成一個(gè)滑輪結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人的兩側(cè)各裝有一個(gè)，用于保證機(jī)器人 可以始終貼著墻的邊緣走。   紅外遙控部分  智能家庭清掃機(jī)器人在創(chuàng)建地圖的清掃過(guò)程中，可以由用戶控制其行走路徑，同時(shí)在清掃完畢時(shí)能夠通過(guò)遙控召回其返回充電站結(jié)束清掃。機(jī)器人上方裝有四個(gè)紅外接收芯片，角度覆蓋范圍接近  

43、;360，接收來(lái)自遙控器和充電站的信號(hào)。紅外發(fā)送端和接收端使用統(tǒng)一的編碼格式，各種格式對(duì)應(yīng)的功能可以自行定 17 義，可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、加速、減速、充電站召回等多種功能。   電源部分  電源部分選用可充電的鎳氫電池，它相比傳統(tǒng)的鎳鎘電池，具有電容量高、放電深度大、耐過(guò)充和過(guò)度放電 、充電時(shí)間短等明顯的優(yōu)點(diǎn)。最重要的是鎳氫電池不再使用有毒的重金屬作為材料，可以消除對(duì)環(huán)境的污染。鎳氫電池的溫度特性較差，有效范圍為  0 45。但室內(nèi)的環(huán)境溫度比較穩(wěn)定且可以保證在一個(gè)范圍內(nèi)，因此選用鎳氫充電電池可以充分發(fā)揮它的優(yōu)點(diǎn)。  電池安裝在機(jī)器人的兩側(cè)中部，由于容量大

44、的電池，重量也大，會(huì)影響機(jī)器人的行走速度，繼而消耗更多的電能。因此不能單一追求電池的電能而忽視重量的適度，否則將嚴(yán)重影響機(jī)器人的工作效率。當(dāng)機(jī)器人工作到電量過(guò)低時(shí)，可以通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的 出觸發(fā)信號(hào)使機(jī)器人自動(dòng)返回充 電站充電。   充電站部分  充電站主要負(fù)責(zé)與機(jī)器人的紅外通信發(fā)射召回信號(hào)，引導(dǎo)機(jī)器人自動(dòng)返回充電站進(jìn)行充電。機(jī)器人在電量充足時(shí)對(duì)充電站發(fā)出的信號(hào)不做響應(yīng)，當(dāng)檢測(cè)到自身電量不足時(shí)機(jī)器人通過(guò)充電站發(fā)射的紅外召回信號(hào)及相應(yīng)算法自動(dòng)返回充電站充電。  本章小結(jié)  本章介紹了智能家庭清掃機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)，并按功能將結(jié)構(gòu)分為  6個(gè)部分，

45、結(jié)合其總體框圖分別闡述了每個(gè)部分需要實(shí)現(xiàn)的功能、選擇的器件以及初步的實(shí)現(xiàn)方法，為機(jī)器人的硬件和軟件設(shè)計(jì)提供了相關(guān)的依據(jù)。   18 第  3 章     清 掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)  清掃機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)  整個(gè)硬件系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、執(zhí)行電機(jī)控制、傳感器、輸入輸出模塊和電源部分組成。傳感器包括紅外傳感器、碰撞檢測(cè)模塊、沿邊行走檢測(cè)模塊和低電壓檢測(cè)模塊，另外還有記錄機(jī)器人行走路徑信息的里程計(jì)；執(zhí)行電機(jī)控制包括主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速控制，毛刷和吸塵電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；輸入輸出模塊包括紅外遙控。以下詳細(xì)討論每個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)思想和硬件電路的實(shí)現(xiàn)。 &

46、nbsp;清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  外形設(shè)計(jì)       根據(jù)家庭清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)該包括清掃機(jī) 構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)、垃圾收集處理機(jī)構(gòu)，其中清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。通過(guò)在網(wǎng)上搜索一些相關(guān)資料以及在圖書(shū)館查閱的資料，初步把機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)為長(zhǎng)寬均為 40000是后來(lái)發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的不合理之處，周邊有棱角的機(jī)器人在躲避障礙物是很不便，非常容易碰到障礙物，而圓形物體則比較容易避開(kāi)障礙物。因而最終把機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)為圓盤(pán)形，其外部輪廓大體如圖所示：   19 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)      為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的

47、轉(zhuǎn)彎半徑為 0，在機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)中采用兩輪驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱分布在清 掃機(jī)構(gòu)的后方，兩個(gè)輪子和刷子支撐機(jī)體工作和運(yùn)動(dòng)，這樣設(shè)計(jì)既節(jié)省材料，又可以使刷子和地面全面的接觸，從而利于更徹底的清掃。在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過(guò)控制行走機(jī)構(gòu)的兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而控制兩個(gè)輪子，通過(guò)輪子的前后差速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)體的轉(zhuǎn)彎半徑 為 0。  清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)       在清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中想到了四種方案：  (1) 電機(jī)帶動(dòng)斜齒輪 1，斜齒輪 1 帶動(dòng)斜齒輪 2，斜齒輪 2 帶動(dòng)斜齒輪 3，斜齒輪上的軸連接滾刷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清掃；  圖 3掃機(jī)構(gòu)一  

48、;(2) 電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪 1，錐齒輪 1帶動(dòng)錐齒輪 2，由錐齒輪 2上的軸連接滾刷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清掃；  圖 3掃機(jī)構(gòu)二  (3) 電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個(gè)蝸輪的軸上分別接刷子，從而實(shí)現(xiàn)清掃；  圖 3掃機(jī)構(gòu)三  (4) 電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個(gè)蝸輪分別接皮帶輪，皮帶輪上的軸接刷子，從而實(shí)現(xiàn)清掃。   20 圖 3掃機(jī)構(gòu)四  以上四種方案通過(guò)對(duì)比以及由設(shè)計(jì)的要求所限制，最終選擇方案四為清掃機(jī)構(gòu)。其正面結(jié)構(gòu)如下圖所示  圖 3掃傳動(dòng)機(jī)構(gòu)  因?yàn)樗O(shè)計(jì)的機(jī)器人它的體積有限制，在直徑為四百，高為一百的圓內(nèi)

49、要放置有清掃機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)、 垃圾收集處理機(jī)構(gòu)，同時(shí)還得留下放電池、控制中心、觀察中心的地方，而方案一雖然易于安裝，傳動(dòng)平穩(wěn)，但是斜齒輪所占的面積非常大，如果選用它，則會(huì)占用大量的空間，使其它幾個(gè)單元有些部分將放置不下，從而超出所要設(shè)計(jì)的尺寸，因而否定了這種方案；方案二中，錐齒輪傳動(dòng)不如斜齒輪平穩(wěn)，同時(shí)錐齒輪一所占的體積也比較大，而清掃機(jī)構(gòu)又是本次設(shè)計(jì)中最重要的部分，因而選用錐齒輪的弊端也很大，所以經(jīng)過(guò)計(jì)算及各個(gè)機(jī)構(gòu)總體布局的綜合考慮，舍棄了方案二；方案三中通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，再有蝸桿帶動(dòng)其兩端的蝸輪，由蝸輪上的軸帶動(dòng)固定在其上的刷子 旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了清掃的目的。為了使機(jī)器人的外壁

50、在靠近墻邊時(shí)刷子能夠掃到墻壁的邊緣，同時(shí)使它在清掃過(guò)程中沒(méi)有工作盲區(qū)，開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)用兩個(gè)直徑都為 200刷子，這樣的話，蝸輪和蝸桿的中心距就必須為 100在這種中心距的情況下，蝸輪蝸桿的尺寸都比較大，雖然能夠放置下，但是蝸輪蝸桿這個(gè)裝置就顯得比較笨重，所占的重量很大，這就加重了機(jī)器的人的總重量，因而這種方案也不是很合理；最后在方案三的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了方案四。方案四中通過(guò)兩邊加皮帶輪這個(gè)結(jié)構(gòu)縮小了蝸輪蝸桿的中心距，從而減小了機(jī)器的總重量，同時(shí)還有利于其它機(jī)構(gòu)的 安裝。因而選擇方案四為本次設(shè)計(jì)的清掃機(jī)構(gòu)。   21 吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)     圖 3塵器  在吸塵機(jī)構(gòu)的

51、設(shè)計(jì)中將風(fēng)扇固定在垃圾儲(chǔ)藏室上壁，在風(fēng)扇上罩一個(gè)薄壁腔。在薄壁腔上方開(kāi)一個(gè)圓孔，以便于空氣的排出。在垃圾儲(chǔ)藏室上壁開(kāi)兩個(gè)小長(zhǎng)方孔，在方孔下加上一個(gè)隔塵罩。（其大體圖形如圖 3過(guò)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)垃圾儲(chǔ)藏室內(nèi)的空氣流動(dòng)，又通過(guò)儲(chǔ)藏室內(nèi)的管腔將刷子清掃引起的塵土吸附進(jìn)來(lái)，帶塵土的空氣通過(guò)防塵罩將塵土擋到垃圾儲(chǔ)物室內(nèi)，較干凈的空氣則通過(guò)吸塵室上壁腔的圓孔排帶大氣中去。從而實(shí)現(xiàn)吸塵的目的。  塵倉(cāng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)  在對(duì)垃圾收集處理機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，開(kāi)始想用如圖下所示的結(jié)構(gòu)作為垃圾收集擋板。  圖 3塵器原理  通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)和電機(jī)相連的小齒輪，小齒輪通過(guò)帶動(dòng)和其配對(duì)的大齒輪帶動(dòng)軸 2 旋轉(zhuǎn)，從而使軸 2另一端上固定的