《畢業(yè)論文基于單片機的清掃機器人設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《畢業(yè)論文基于單片機的清掃機器人設(shè)計（53頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

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

2、                       指導(dǎo)教師                             成     績                             &nb

3、sp;     2016年      06 月       10日   1 摘     要  智能家庭 清掃機器人 結(jié)合了 傳感器、移動機器人 技術(shù)等多個 領(lǐng)域的關(guān) 鍵技術(shù)，實現(xiàn)室 內(nèi)環(huán)境 （地面）的 半自動或 全自動 清潔，替代了傳統(tǒng)的人工清潔工作，具有十分廣闊的市場前景。本文首先綜述了家庭清掃機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，在綜合比 較了國內(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器人整體設(shè)計方案。  智能家庭清掃機器人系統(tǒng)由清掃機器人和充電站組成。清

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

5、nbsp;線校正和里 程計誤差修正后，加入路徑覆蓋算法進行房間內(nèi)的全區(qū)域覆蓋和地圖創(chuàng)建的調(diào)試。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，覆蓋率高，可隨時參與人為控制，安全性高，達到了智能家庭清掃機器人的設(shè)計要求。  關(guān)鍵詞 ： 清掃機器人；智能控制；單片機系統(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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述  . 5  國外研究現(xiàn)狀 . 5  國內(nèi)研究現(xiàn)狀 . 10 清掃機器人存在的問題分析 . 11  課題研究的目的與意義  . 11  本章小結(jié)  . 12 第  2 章     清掃機器人的總體設(shè)計方案 . 13 設(shè)計目標  . 13 清掃機器人的組成部分  . 13 清掃

7、機器人的設(shè)計方案  . 14  主控系統(tǒng) . 14  驅(qū) 動電機部分 . 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     清掃機器人的結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計 . 18 清掃機器人的總體設(shè)計  . 18 清掃機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計  . 18 外形設(shè)計 . 18 行走機構(gòu)設(shè)計 . 19 清掃機構(gòu)設(shè)計 . 19 吸塵機構(gòu)設(shè)計 . 21 塵倉機構(gòu)設(shè)計 . 21 主控系統(tǒng)  . 2

8、2 執(zhí)行電機控制  . 25 輪子電機驅(qū)動原理 . 25 吸塵與毛刷電機的驅(qū)動 . 26  4 傳感器部分  . 27 測速裝置模塊 . 27 碰撞檢測 . 27 塵倉紅外發(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  . 31 本章小結(jié)  . 32 第  4 章    清掃機器人的主體設(shè)計 . 33 機選擇 . 33 蝸輪蝸桿的選擇 . 34 清掃機構(gòu)的電機的選擇 . 36 家庭清潔機器人電池的選用 . 37 清掃機構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計算 . 38

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

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

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

12、究現(xiàn)狀綜述   國外研究現(xiàn)狀  對于機器人大家可能不會太陌生，工業(yè)機器人在很多領(lǐng)域都得到了比較廣泛的應(yīng)用，但是對于家庭機器人我們所了解的卻相當?shù)纳?，而日本，歐美等國家的研究則比較領(lǐng)先，有的都已經(jīng)投入市場，在實際中投入使用。   世界上第一臺能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機器人，如圖 1有光電傳感器和芯片控制，當遇到障礙時，會隨機改變一個角度，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，可以調(diào)整其清潔程序；通過傳感器對于地板污漬的判斷，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階時，能夠自動避讓，不會掉落。扁

13、平的設(shè)計使其能夠清潔床，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、工作時間設(shè)定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導(dǎo)航信 號來指引機器人回到充電站完成充電和 6 垃圾處理的任務(wù)；同時能夠根據(jù)用戶設(shè)定的信息來控制機器人完成相應(yīng)的操作。  如圖 1 圖 1能機器人 日本，東日本鐵路公司、 器公司和 業(yè)有限公司聯(lián)合研制了車站地面清掃機器人，機器人可沿墻壁從任何一個位置自動啟動，利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子將廢棄物掃人自帶容器中。該機器人可采用  “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)合研制了車站地面擦洗機器人，該 機器人工作時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。機器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自動清洗系統(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單位面積，按照其存儲器中的單位面積識別其行使路線，機器人還可利用其傳感器識別和躲避障礙物；另一種叫“路徑地圖模式”，機器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行使，機器人可存幅地圖，并可利用 卡作為外存，在該模式下，機器人不會避障，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單的 列車內(nèi)部地面清洗的機器人，其

15、體積小、重量輕、易于出人車廂及在車廂之間運動，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，若探測到錯誤位置，機器人會通過距離傳感器自動修正；高級的列車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步驟。日本靜甲株式會社的清水工廠開發(fā)出一種自動清掃機器人，可用于各種工廠的清掃工作，機器人采用光纖陀螺控制機器人的方向，采用編碼器和超聲波傳感器測距，采用光學(xué)探測器探測障礙物，機器人 的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺傳感器，一旦機器人與人接觸，觸覺傳感器信號會使機器人停下來以保證人的安全。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器人，該機器人采用蓄電池作為動力源，可自動去充電站充電，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器人的試制機。該 7 機器人可以根據(jù)房間的形狀、地板狀況、垃圾量進行自動清掃，還配備有避開墻壁、爐子等熱源以及障礙的安全功能；該機器人配備有 50 個傳感器可一邊自動行走一邊進行清掃，工作時首先沿房間四周走一圈，記憶房 間形狀，然后在避開障礙物的同時開始縱橫來回移動，清潔工作完成后會自動停止。該機器人清掃一般的日本式房間約需要 9當于人打掃同樣大房間所需時間的 ，可清掃房間地板的 92 93

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

18、年代，美國就推出了地面清潔機器人  機器人配有激光導(dǎo)航系統(tǒng)，采用超聲波測距和避障，用光碼條實現(xiàn)定位。 2002 年 月清潔機器人 美國面市，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)說這是將用于軍事的“躲避地雷的移動技術(shù)”應(yīng)用到了吸塵器上。 動作有點兒遲緩，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)后自動切斷電源，所以可以在外出期間讓 家進行清掃。如圖 1 圖 1能清潔機器人 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發(fā)的清潔機器人  “特里洛巴伊特”上市銷售，“特里洛巴伊特”主要由清掃機器

19、和超聲波傳感器構(gòu)成，在工作時可避開室內(nèi)擺放的各種家具用品。只要家庭主婦領(lǐng)著它搞過一次清掃后，它便可以按 行走過的清掃線路進行自動清掃。這種機器人是充電式的，每一次充電可連續(xù)工作 小時。  瑞典家電制造商伊萊克斯 （ 研制生產(chǎn)的清潔機器人小“三葉蟲”高 13 ，直徑 35 ，表面光滑，呈圓形，內(nèi)置搜索雷達，可以迅速地探測 8 到并避開桌腿、玻璃器皿、寵物或任何其它障礙物。一旦微處理器識別出這些障礙物，它可重新選擇路線，并對整個房間做出重新判斷與計算，以保證房間的各個角落都被清掃。在樓梯的臺階等一些沒有天然障礙物的地方，只要有一條磁鐵，小“三葉蟲”便不會跨越。小“三葉蟲”開始啟動后，體內(nèi)

20、的搜索雷達會探測出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡。這樣它便能探測出整個房間的格局，計算出清掃整個房間所需的時間。只要一接近一件障礙物，它便會重新設(shè)定行進路線，不會漏掉每一個角落。電線或地毯的邊緣不會被認作是  圖 1葉蟲   障礙物。小“三葉蟲”的吸刷裝置中裝有一只專利設(shè)計滑輪，可以越過電線或地毯邊緣，不被絆住。電源不足時，小“三葉蟲”會自動回到充電卡座自行充電。如果此時房間還沒有清掃完畢，小“三葉蟲”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、法國和澳大利亞也都推出過清潔 機器人產(chǎn)品。  英國 司最近推出一種型號為  

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

22、采取保護措施 ,以防止?jié)L到樓下。使用時 ,只要打開電源、選好速度、按下 "走 "鍵 ,吸塵器就會自動工作 ,其它程序都由它自己獨立完成。不過該產(chǎn)品目前價格太高 (4000美元左右一臺 ),要真正推向市場還有相當?shù)碾y度 ,如圖 1示。   9 圖 1能機器人 大利亞的 司最近也研制出可自動行駛并打掃房間的 如圖 1示。這種全自動吸塵器表面光滑 ,體積很小 ,呈圓形 ,內(nèi)置搜索雷達 ,可以搜索各種房間里 的每一處 ,不會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方向、選擇前進路線的能力。只要一放在地面上 ,全自動吸塵器便可自動開始工作。其搜索雷達會探

23、測出距離最近的墻壁 ,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。該吸塵機器人由于在主機的周圍 360 度配備了障礙物傳感器 ,因此可以在檢測墻壁及障礙物的同時打掃地面。當打掃完可以行駛的場所后 ,機器人就自動關(guān)閉電源。在經(jīng)過 4 個小時充電后可以連續(xù)工作 1 個小時以上 ,通過更換配件還可以打掃地毯等。如 果打掃沒有障礙物的地面時 ,1個小時可以打掃 360 平方米。不管房間的外形及面積的大小 , 航算法引導(dǎo)機器人在任何房間的所有無遮掩區(qū)域四處運動來進行清潔工作。因為機器人導(dǎo)航沿房間的周圍 ,所以它要創(chuàng)建自己的空間參考圖 ,機

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

25、時機器人也能進行自動清掃。事實上，用戶除了可以對它本身進行設(shè)置以外，還能通過計算機查看安裝 在機器人前部的攝像頭進行遠程遙控。整個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)時它自動回到充電座補充能源，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    國內(nèi)研究現(xiàn)狀  在國內(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)等單位也對清潔機器人進行了大量的研究并取得了一些成果，對清潔機器人相關(guān)技術(shù)如機器感知、機器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機器人控制、電源與電源管理、動力驅(qū)動等技術(shù)的研究則更多，這些都為清潔機器人的研 究開發(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)合研制開發(fā)出一種全方位移動清掃機器人。該機器人具有如下特點：采用全方位移動技術(shù)，使機器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開放式機器人鉸制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)硬件可擴展，軟件可移植、可繼承，使機器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實時避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運動兩種運行方式；吸塵機構(gòu)可實現(xiàn)吸塵腔路的自動轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。  浙江大學(xué)于 1999 年初在浙江 大學(xué)機械電子研究所開始進行智能吸塵機器人的研究，兩年后設(shè)計成功國內(nèi)第

27、一個具有初步智能的自主吸塵機器人。這種智能吸塵機器人工作時，首先進行環(huán)境學(xué)習(xí)：利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時間；之后，利用隨機和局部遍歷規(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 自行回到充電座補充電力。吸塵機器人在  的實際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達到 90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗還沒有進行。目前，系統(tǒng)正在引入機器視覺和全局 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 是國內(nèi)首個產(chǎn)品化清掃

28、機器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂場所，以及其它一些人員不便進入的地方。要人工對其電池進行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動時伴有音樂聲。  清掃機器人存在的問題分析  通過對市場上幾種典型產(chǎn)品進行比較：中低檔產(chǎn)品不具備路 徑規(guī)劃功能，隨機清掃效率很低；國內(nèi)產(chǎn)品不具備自動返回充電的功能；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器人定位為中低檔產(chǎn)品，可以實現(xiàn)以下功能：  (1)具有路徑覆蓋算法，實現(xiàn)高覆蓋率，低重復(fù)地清掃；  (2)能夠有效避障及檢測臺階，卡住時會提醒用戶，實現(xiàn)自我保護功能；  

29、(3)自主性高，電池續(xù)航能力強。電量低能夠自動返回充電；  (4)具有良好的人機交互功能，可由用戶控制清掃路徑。   課題研究的目的與意義  吸塵機器人將移動機器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機地融合起來，實現(xiàn)室 內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動或全自動清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作，近年來已受到 12 國內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動機器人的一個特殊應(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)了移動機器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有較強的代表性。從市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動強度、提高勞動效率，適用于家庭和公共場館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑

30、戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場前景。  融合現(xiàn)代傳感器以及機器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開發(fā)一部價格便宜，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)  智能家庭清掃機器人包括兩個部分：機器人和充電站。本課題主要研究機器人部分，包括功能分析，方案設(shè)計，硬件實現(xiàn)以及底層軟件設(shè)計。機器人按照功能主要分為 5部分：主控器、傳感器、執(zhí)行電機、輸入輸出和電源部分。其中，傳感器包括紅外傳感器，塵倉檢測，碰撞檢測，里程計，貼邊行走檢測等；執(zhí)行電機包括吸塵電機、毛刷

31、電機和主動輪驅(qū)動電機（也稱行走電機）；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)計目標。  (2)綜合考慮各種功能需求設(shè)計總體方案。  (3)設(shè)計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，芯片選擇和可行性論證，并詳細分析了部分單元電路的工作原理。   13 第  2 章     清掃機器人的總體設(shè)計方案  設(shè)計目標  智能家庭清掃機器人的總體設(shè)計目標是研究一個能夠在無人干預(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)的機器人系

32、統(tǒng)。  本課題設(shè)計的清掃機器人具有自主清掃，自動返回充電，避障，防跌落，  卡住報警，過流檢測，塵倉滿倉 檢測等功能；同時，為使機器人高效、可靠地  完成作業(yè)，在其內(nèi)部嵌入路徑覆蓋算法，使它脫離隨機清掃的模式，能夠記憶  已走過的路徑和遇到的障礙物位置，以使機器人不遺漏地進行全區(qū)域清掃和不  重復(fù)遇到同一個障礙物，實現(xiàn)了高覆蓋率，低重復(fù)率的清掃過程；為使機器人  在電量過低情況下能夠主動充電，通過自動尋找和對接算法程序?qū)崿F(xiàn)自動對接；  用戶可以通過紅外遙控器控制機器人的行走路徑，也可以遙控其返回充電站停  止工作。

33、  清掃機器人的組成部分  智能家庭清掃機器人系統(tǒng)由機器人和基站兩部分組成。機器人主要負責(zé)清掃地面，同時 具有遙控控制，自動避障，檢測臺階和樓梯，自動返回基站充電，定時工作，過流檢測等功能；基站主要負責(zé)與機器人的紅外通訊，可發(fā)射召回信號，實現(xiàn)對機器人的充電對接。  機器人由 5部分組成：主控制系統(tǒng)部分、執(zhí)行電機部分、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)使用單片機控制，包括對輸入輸出器件的操作，對執(zhí)行電機的控制，以及對傳感器的響應(yīng)等，同時內(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)行電機部分是吸塵機器人的主要構(gòu)成部分，包括行走

34、驅(qū)動子系統(tǒng)和吸塵子系統(tǒng)，它決定了吸塵器的運 動軌跡和清掃效率。行走結(jié)構(gòu)采用的是輪式結(jié)構(gòu)，雙輪電機通過齒輪箱驅(qū)動左右雙輪，輪子電機、吸塵電機和毛刷電機使用的都是無刷直流電機；傳感器部分即檢測子系統(tǒng)，主要為了保障機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)，能夠較好地實現(xiàn)人機交互的功能；電源部分為機器人工作提供電能，保證機器人能夠獨立有效的工作。   14 圖 2家庭清掃機器人的機構(gòu)框圖  清掃機器人的設(shè)計方案   主控系統(tǒng)  控制系統(tǒng)在智 能家庭清掃機器人系統(tǒng)中占有重要地位，是機器人的核心部分，它決定控制性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系

35、到機器人使用的方便程度和清掃效率。根據(jù)機器人需要實現(xiàn)的諸多功能，主控器既要方便地控制各個子系統(tǒng)，又要運行路徑覆蓋算法程序。因而主控器需要有多個中斷源，多個 I/個 時程序存儲容量大，存儲內(nèi)容掉電不丟失，為方便機器人進行功能升級，還要留有可擴展的串行通訊口。  由于 司的單片機性能可靠，在移動機器人和汽車領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，因此選用了 位 控制 器，其存儲空間大，可以滿足算法的實現(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)行電機部分  電源系統(tǒng)  主控系統(tǒng)  遙控子系統(tǒng)  鍵盤顯示子系統(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)動子系統(tǒng)  傳感器系統(tǒng)  塵倉紅外檢測  碰撞檢測  里程計  左輪電機  右輪電機  吸塵電機  毛刷電機   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程中，按一定的路徑規(guī)劃進行清掃，并且可以

37、記憶并標記已走過的路徑和遇到的障礙物位置，下次只清掃未標記的區(qū)域，實現(xiàn)全區(qū)域的路徑覆蓋；返回充電站路徑規(guī)劃是在機器人未收到充電站發(fā)出的導(dǎo) 航信號時，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)航信號后，進入導(dǎo)航對接程序?qū)崿F(xiàn)自動對接。   驅(qū)動電機部分  機器人的工作電機分為行走、吸塵和毛刷電機。機器人行走結(jié)構(gòu)中前面有一個從動轉(zhuǎn)向輪，兩側(cè)各有一個驅(qū)動輪，由無刷直流電機進行控制。清掃結(jié)構(gòu)主要使用真空吸塵器和由電機帶動的旋轉(zhuǎn)毛刷。  永磁無刷電動機具有效率高，功率大，體積小，控制精度高等明顯特點，在機器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機具有

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，在進一步提高直流 電機性能的同時，又克服了直電機傳統(tǒng)機械換向帶來的一系列問題，從而大大延長了電機的使用壽命。直流無刷電機控制電路在實現(xiàn)上主要有控制電路微處理器、數(shù)字信號處理器和專用集成電路等 3種方式。使用單片機或 測頻、換相、控制調(diào)節(jié)等均由軟件實現(xiàn)，本課題選用單片機軟件編程的方法控制無刷直流電機。  吸塵器內(nèi)的風(fēng)機和帶動毛刷的電機都使用直流電機，由于不需要調(diào)速、換向，因此控制方法比較簡單。   傳感器系統(tǒng)  傳感器是機器人環(huán)境感知的主要來源，是機器人智能化的一部分，在整個系統(tǒng)中占有重要 的地位。機器人技術(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)   選擇機器人傳感器應(yīng)當完全取決于機器人的工作需要和應(yīng)用特點，對機器人感覺系統(tǒng)的要求是選擇機器人傳感器的基本依據(jù)。機器人對傳感器的一般要求是：  (1)精度高，重復(fù)性好。機器人傳感器的精度直接影響機器人的工作質(zhì)量。  用于檢測和控制機器人運動的傳感器是控制機器人定位精度的基礎(chǔ)。機器 16 人能否準確無誤地正常工作，很大程度上取決于傳感器的測量精度。  (2)穩(wěn)定性好、可靠性高。機器人傳 感器的穩(wěn)定性和可靠性是保證機器人能  夠長期穩(wěn)定可靠

40、地工作的必要條件。  (3)抗干擾能力強。機器人的工作環(huán)境是不定和未知的，在運行中可能會有  來自外在的干擾存在。  感器的選擇   避障功能是智能家庭清掃機器人必備的功能，由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，在無人看管的情況下，機器人需要自動識別障礙物并繞開行走。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距。但是這種方法的缺點是波束較寬，其分辨力受到嚴重的限制，不能有效地確保機器人的安全。本課題 選用接觸式避障，即先碰撞后避障，使用霍爾開關(guān)對磁場變化的檢測判斷是否發(fā)生碰撞。  塵倉紅外檢測實

41、現(xiàn)了塵倉滿倉自動提醒用戶除塵的功能。它是由紅外發(fā)射和接收管組成的，對管安裝在塵倉的上部。根據(jù)灰塵密度的不同，紅外光透過的強度不同，接收管的輸出電壓也不同。這個變化是模擬量，需要通過實驗確定滿倉電壓值，避免塵倉未滿或者過滿所造成的誤操作。為了檢測機器人在前進速度和轉(zhuǎn)角上的變化，在兩個主動輪上安裝了光電編碼式傳感器，簡稱里程計。它可以檢測機器人的行走距離和速度，同時根據(jù)左右輪速差計算出機器人偏轉(zhuǎn)的角度。選用了非接觸式光 電碼盤，為提高系統(tǒng)分辨率，將碼盤安裝在機器人行走電機的電機軸上，即高速端的轉(zhuǎn)子。  過流檢測是電子類產(chǎn)品必要的功能之一，用來防止工作發(fā)生異常燒壞電路板造成損失。使用 料做

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

43、;360，接收來自遙控器和充電站的信號。紅外發(fā)送端和接收端使用統(tǒng)一的編碼格式，各種格式對應(yīng)的功能可以自行定 17 義，可實現(xiàn)前進、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、耐過充和過度放電 、充電時間短等明顯的優(yōu)點。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。  電池安裝在機器人的兩側(cè)中部，由于容量大

44、的電池，重量也大，會影響機器人的行走速度，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，否則將嚴重影響機器人的工作效率。當機器人工作到電量過低時，可以通過單片機內(nèi)部的 出觸發(fā)信號使機器人自動返回充 電站充電。   充電站部分  充電站主要負責(zé)與機器人的紅外通信發(fā)射召回信號，引導(dǎo)機器人自動返回充電站進行充電。機器人在電量充足時對充電站發(fā)出的信號不做響應(yīng)，當檢測到自身電量不足時機器人通過充電站發(fā)射的紅外召回信號及相應(yīng)算法自動返回充電站充電。  本章小結(jié)  本章介紹了智能家庭清掃機器人的總體設(shè)計目標，并按功能將結(jié)構(gòu)分為  6個部分，

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

46、nbsp;清掃機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計  外形設(shè)計       根據(jù)家庭清潔機器人的設(shè)計要求，本次設(shè)計的機器人應(yīng)該包括清掃機 構(gòu)、行走機構(gòu)、吸塵機構(gòu)、垃圾收集處理機構(gòu)，其中清掃機構(gòu)的設(shè)計尤為重要。通過在網(wǎng)上搜索一些相關(guān)資料以及在圖書館查閱的資料，初步把機器人的外形設(shè)計為長寬均為 40000是后來發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的結(jié)構(gòu)的不合理之處，周邊有棱角的機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障礙物。因而最終把機器人的外形設(shè)計為圓盤形，其外部輪廓大體如圖所示：   19 行走機構(gòu)設(shè)計      為實現(xiàn)機器人的

47、轉(zhuǎn)彎半徑為 0，在機器人的行走機構(gòu)中采用兩輪驅(qū)動，兩個驅(qū)動輪對稱分布在清 掃機構(gòu)的后方，兩個輪子和刷子支撐機體工作和運動，這樣設(shè)計既節(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。在機器人轉(zhuǎn)彎時，通過控制行走機構(gòu)的兩個電機的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，進而控制兩個輪子，通過輪子的前后差速運動實現(xiàn)機體的轉(zhuǎn)彎半徑 為 0。  清掃機構(gòu)設(shè)計       在清掃機構(gòu)的設(shè)計中想到了四種方案：  (1) 電機帶動斜齒輪 1，斜齒輪 1 帶動斜齒輪 2，斜齒輪 2 帶動斜齒輪 3，斜齒輪上的軸連接滾刷，進而實現(xiàn)清掃；  圖 3掃機構(gòu)一  

48、;(2) 電機帶動錐齒輪 1，錐齒輪 1帶動錐齒輪 2，由錐齒輪 2上的軸連接滾刷，進而實現(xiàn)清掃；  圖 3掃機構(gòu)二  (3) 電機帶動蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個蝸輪的軸上分別接刷子，從而實現(xiàn)清掃；  圖 3掃機構(gòu)三  (4) 電機帶動蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個蝸輪分別接皮帶輪，皮帶輪上的軸接刷子，從而實現(xiàn)清掃。   20 圖 3掃機構(gòu)四  以上四種方案通過對比以及由設(shè)計的要求所限制，最終選擇方案四為清掃機構(gòu)。其正面結(jié)構(gòu)如下圖所示  圖 3掃傳動機構(gòu)  因為所設(shè)計的機器人它的體積有限制，在直徑為四百，高為一百的圓內(nèi)

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

50、在靠近墻邊時刷子能夠掃到墻壁的邊緣，同時使它在清掃過程中沒有工作盲區(qū)，開始設(shè)計時用兩個直徑都為 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，但是蝸輪蝸桿這個裝置就顯得比較笨重，所占的重量很大，這就加重了機器的人的總重量，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。方案四中通過兩邊加皮帶輪這個結(jié)構(gòu)縮小了蝸輪蝸桿的中心距，從而減小了機器的總重量，同時還有利于其它機構(gòu)的 安裝。因而選擇方案四為本次設(shè)計的清掃機構(gòu)。   21 吸塵機構(gòu)設(shè)計     圖 3塵器  在吸塵機構(gòu)的

51、設(shè)計中將風(fēng)扇固定在垃圾儲藏室上壁，在風(fēng)扇上罩一個薄壁腔。在薄壁腔上方開一個圓孔，以便于空氣的排出。在垃圾儲藏室上壁開兩個小長方孔，在方孔下加上一個隔塵罩。（其大體圖形如圖 3過風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)帶動垃圾儲藏室內(nèi)的空氣流動，又通過儲藏室內(nèi)的管腔將刷子清掃引起的塵土吸附進來，帶塵土的空氣通過防塵罩將塵土擋到垃圾儲物室內(nèi)，較干凈的空氣則通過吸塵室上壁腔的圓孔排帶大氣中去。從而實現(xiàn)吸塵的目的。  塵倉機構(gòu)設(shè)計  在對垃圾收集處理機構(gòu)進行設(shè)計時，開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  通過電機帶動和電機相連的小齒輪，小齒輪通過帶動和其配對的大齒輪帶動軸 2 旋轉(zhuǎn)，從而使軸 2另一端上固定的