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家用智能清潔機器人-機械部分設(shè)計 第一章 緒論 1.1 服務(wù)機器人概述 自第一臺工業(yè)機器人問世以來，機器人有著突飛猛進的發(fā)展。機器人在工業(yè)、 國防和科學技術(shù)中日益廣泛的應(yīng)用，帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益，也有力地推 動了有關(guān)學科和技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。服務(wù)機器人是一個新的機器人研究領(lǐng)域。作為 正在發(fā)展新研究領(lǐng)域，服務(wù)機器人有許多不同的定義，但它的最基本特征是提供 服務(wù)。和工業(yè)機器人一樣，服務(wù)機器人基本上包括機器人的所有基本特性。它往 往和人結(jié)合于同一工作環(huán)境中，這隱含著許多工業(yè)機器人沒有的特性，如安全問 題、人機交互性、在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的高度自治等。目前服務(wù)機器人成功應(yīng)用的 領(lǐng)域有雕刻，消防，清洗，醫(yī)療，焊接等等。從長期來看，服務(wù)機器人的英勇數(shù) 量將會超過工業(yè)機器人。 1．1．1服務(wù)機器人的機械結(jié)構(gòu)問題 機械系統(tǒng)是服務(wù)機器人系統(tǒng)中的一個重要組成部分，是完成抓取對象實現(xiàn)所 需運動的機械部分。它與一般地機械系統(tǒng)相比，除要求較高的定位精度之外，還 應(yīng)具有良好的動態(tài)相應(yīng)特性。服務(wù)機器人可以是靜止或移動的平臺。靜止平臺式 服務(wù)機器人通常具有手臂結(jié)構(gòu)它們能用于加油、飛機清洗和輔助殘疾人。這種手 臂結(jié)構(gòu)的服務(wù)機器人也許會有各種工業(yè)機器人的基本特點，也可能會有移動輪但 它們不用于操縱機器人。通常的服務(wù)機器人是可移動的，最典型的移動機器人是 輪式結(jié)構(gòu)，當然也可能有其它方式移方式如步行爬行和飛行等，但它們僅僅用于 不適合輪式機器人的環(huán)境中。 1．1．2服務(wù)機器人的適用環(huán)境 工業(yè)機器人所處的環(huán)境為制造環(huán)境，即所謂的“結(jié)構(gòu)化”環(huán)境，其環(huán)境信息 往往處于非制造環(huán)境，即所謂的“非結(jié)構(gòu)化”環(huán)境，其環(huán)境 信息往往是多義的、不完全的或不準確的。服務(wù)機器人通常在非結(jié)構(gòu)化和比較復雜的環(huán)境中運行也就是指辦公室、公共大樓、超市和家庭等。人和機器人通常共 處在同一環(huán)境中并且環(huán)境會出現(xiàn)預料之外的改變，如家具位置的隨意擺放、人的 隨意走動等因而服務(wù)機器人必須能自我管理和處理環(huán)境中的一切。機器人設(shè)計人 員必須能安全地假設(shè)許多環(huán)境模型來彌補現(xiàn)存環(huán)境感知技術(shù)的缺點。 服務(wù)機器人的最普通的任務(wù)是減輕人類的重復或危險的勞動．如象運輸、救 援、檢查、探險等。服務(wù)機器人運用于運輸，如發(fā)送郵件、實驗品和藥品：運用 于救援，如機器人能實施問題點的勘察，發(fā)現(xiàn)入侵者和火災(zāi)報警：運用于檢查，如 橋梁裂縫檢查，核反應(yīng)堆射線檢測和化學泄漏檢測。這種類型機器人需考慮它的 機械移動裝置、能量存儲、導航和避障。服務(wù)機器人在完成某項任務(wù)，它必須裝 備執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)等，設(shè)計人員必須考慮機器人怎樣探測和操縱目標，怎樣 執(zhí)行和控制系統(tǒng)的交互，需多少能量才能完成任務(wù)等，因而機器人很容易變得復 雜，這是這類機器人快速發(fā)展的主要原因。 一個特別適宜服務(wù)機器人完成的工作是清潔任務(wù)，主要包括室內(nèi)地面的吸 塵、公共建筑物內(nèi)的清掃和大建筑物外墻的清洗。智能吸塵器需較大的功率考慮 到它能在床和椅子下移動它形狀不能太大，合理的路徑規(guī)劃避障和能耗是智能吸 塵器的主要技術(shù)問題。 1．1．3服務(wù)機器人的技術(shù)問題 服務(wù)機器人需完成各種不同的服務(wù)工作，如何完成特定的任務(wù)往往是服務(wù)機 器人的核心技術(shù)，也是決定服務(wù)機器人市場競爭力的關(guān)鍵。如割草機器人的核心 技術(shù)是如何低能耗割草，地面清洗機器人的核心技術(shù)可能是發(fā)展新清洗技術(shù)，使 機器人不必攜帶巨大的水箱。服務(wù)機器人作為機器人技術(shù)的一個分支，所有服務(wù) 機器人或多或少要涉及以下的人工智能技術(shù)： ●環(huán)境感知技術(shù) ●環(huán)境傳感器和信號處理方法 ●控制系統(tǒng)基于模型基于行為等 ●交互和合作的控制結(jié)構(gòu) ●復雜任務(wù)的實時規(guī)劃 ●仿真技術(shù)和環(huán)境 ●人機交互 1．1．4服務(wù)機器人的可靠性和安全性 服務(wù)機器人作為機器人新的應(yīng)用領(lǐng)域，其使用目的是為了改善人們的生活質(zhì) 量，服務(wù)對象大多是沒有使用經(jīng)驗和專業(yè)知識的人們，而且大多數(shù)服務(wù)機器人工 作在與人共處的環(huán)境中，直接或間接作用于人，如何處理好人與機器人的相互關(guān) 系顯得尤為重要。同時，服務(wù)機器人是一個復雜的機械一機電一電子系統(tǒng)，硬件 上由許多不同的普通元件組成，軟件上也不可能十全十美，向傳統(tǒng)的機械設(shè)備一 樣，不可避免的會給人們帶來危險，這是用戶所不希望的。因此可以說服務(wù)機器 人實用化和商品化的關(guān)鍵之～在于它的可靠性和安全性 1．1．5 服務(wù)機器人的應(yīng)用 目前，服務(wù)機器人越來越受到企業(yè)和商業(yè)界的重視，這主要是其所具有的廣 大市場和巨大利潤所致。服務(wù)機器人的出現(xiàn)主要由兩個原因：一是勞動力成本的 上升：另一個是人們想擺脫令人煩惱枯燥的工作，如清潔、家務(wù)勞動、照料病人 和建筑施工等等。另外，福利事業(yè)，特別是老年人人數(shù)比例的上升也為服務(wù)機器 人創(chuàng)造了一個廣闊的市場。目前在歐美、日本等西方發(fā)達國家，服務(wù)機器人己廣 泛應(yīng)用于五大領(lǐng)域(醫(yī)療福利服務(wù)、商場超市服務(wù)、餐廳旅館服務(wù)、維修清潔服 務(wù)和家庭服務(wù))。 1. 1. 6 家用智能清掃機器人 目前，在一些發(fā)達國家，對辦公室、車站、機場、工廠等場合的清掃已經(jīng)采用清潔機器人.隨著科學技術(shù)的進步和社會的發(fā)展，人們希望從繁瑣的日常工作解脫出來，使清潔機器人進入家庭已成為可能.如果清潔機器人有足夠高的性價比，清潔機器人將會有較好的市場前景.室內(nèi)地面清潔機器人將移動機器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機結(jié)合起來，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境半自主或自主清潔，是一種環(huán)保、健康、智能型的服務(wù)機器人，具有良好的應(yīng)用前景和廣泛的市場需求.盡管目前國內(nèi)在清潔機器人方面的研究已取得一定的成果，但與國外相比國內(nèi)依然處在初步發(fā)展階段。 家用清掃機器人是當今服務(wù)機器人領(lǐng)域一個熱門研究方向。雖然已經(jīng)有很多樣機和產(chǎn)品產(chǎn)生，但它們?nèi)杂泻芏嗟膯栴}需要解決：如動態(tài)環(huán)境中的適應(yīng)性，它的覆蓋率和覆蓋效率極其成本等。吸塵器自主地在房間內(nèi)吸塵而不需主人太多的干預是一件非常有挑戰(zhàn)性的工作，它設(shè)計了當前多項人工智能技術(shù)，從理論和技術(shù)上講，全自主智能清潔機器人比較具體的體現(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，智能清潔機器人將大大降低勞動強度，提高勞動效率。 在國外，早在20世紀80年代就已經(jīng)敬愛是智能清掃機器人的研發(fā)工作。如今，智能清掃機器人在智能 性和工作效率上和當初有了飛躍的提高。在中國，智能清掃機器人還是比較新興的產(chǎn)業(yè)。但隨著國內(nèi)市場對智能清掃機器人的需求日益增大，智能清掃機器人已經(jīng)在國內(nèi)快速發(fā)展，已有多家廠商開始研制適應(yīng)市場需求的智能清掃機器人 1.2 國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究 地面清潔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。現(xiàn)結(jié)合國內(nèi)外的文獻將清掃機器人及其自動充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀闡述如下。 1.2.1 國外產(chǎn)品研究狀況 RC3000是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1-1所示，它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)射紅外定位和導航信號來指引機器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務(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。 在日本，東日本鐵路公司、Shink電器公司和Howa工業(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 “磁導引方式”、“示教方式”或 “墻面復制方式”控制。東日本路公司、富士工業(yè)有限公司Subaru實驗室和JR東方設(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９幅地圖，并可利用ＩＣ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、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9min，相當于人打掃同樣大房間所需時間的1-1.5倍，可清掃房間地板的92％－93％；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?，可以檢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10cm的距離，而在探測到熱源時，將會同熱源至少保持50cm的距離 在日本本土，自動吸塵器市場競爭異常激烈，繼東芝之后，夏普也于2012年5月8日布了新一代智能吸塵器COCOROBO RX-V100和RX-V80。雖說名為吸塵器，但CoCoRoRo卻是一臺能夠進行簡單人機交流的機器人。 　　夏普CoCoRoRo圓盤狀的外形保證了它能夠在地板上能夠出入各種縫隙，機身頂部的LED燈能夠顯示不同的顏色變換“心情”，或者根據(jù)遙控操作做出回應(yīng)。在上面的演示視頻中，這臺吸塵器甚至能夠聽懂使用者的簡單日語，并且能夠根據(jù)語音命令做出相應(yīng)的動作。例如，你對著機器人大吼一聲：“把房間打掃一下！”，機器人一般情況下會回復：“遵命，主人！”，然后它便開始賣力的工作。但如果機器人心情好，它也會嬌羞的回答：“我知道了……主人[害羞]”。 　　CoCoRoRo內(nèi)置紅外傳感器和攝像頭，我們可以通過智能手機遙控操作吸塵器，攝像頭拍攝到的畫面會實時顯示在手機屏幕上。此外，CoCoRoRo吸塵器還會對手機的重力感應(yīng)操作做出相應(yīng)反饋。由于采用了超聲波傳感器，CoCoRoRo在清潔地板時不會碰到家居和寵物。 圖1-1 智能吸塵器COCOROBO 2002年10月１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 １小時。 瑞典家電制造商伊萊克斯（EIectoIux）研制生產(chǎn)的清潔機器人小“三葉蟲”高13ｍｍ，直徑35ｍｍ，表面光滑，呈圓形，內(nèi)置搜索雷達，可以迅速地探測到并避開桌腿、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)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1-2 三葉蟲 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。 2003年11月，三星公司推出一款代號為VC-RP30W的機器人吸塵器。VC-RP30W主要依靠3D地圖技術(shù)來進行定位，并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，VC-RP30W會自動轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強大的智能判斷系統(tǒng)使得VC- RP30W能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掃區(qū)域等，從而實現(xiàn)主人不在家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3D地圖，而不是像RC3000那樣使用紅外的導航信號。 1.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 在國內(nèi)的一些大學，如哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學、上海交通大學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)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。 哈爾濱工業(yè)大學于90年代開始致力于這方面的研究，與香港中文大學合作，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。 浙江大學于1999年初在浙江大學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)境學習：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，自行回到充電座補充電力。吸塵機器人在5.5×3.5m2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、智能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。如圖1-4所示。KV8保潔機器人是今年在市場以低價位賣得比較火的一款產(chǎn)品，也是國內(nèi)首個產(chǎn)品化清掃機器人。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。KV8能夠通過自身的碰撞傳感器來實現(xiàn)隨機的清掃和碰撞處理，需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。 圖1-3國內(nèi)公司生產(chǎn)的機器人KV8 1.2.3 自主充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 在20世紀40年代末，Grey Walter開發(fā)第一個自主充電的移動機器人名為：“Tortoises”，這種機器人具有在神經(jīng)學研究中向著光線走的行為。Walter還發(fā)明了一個可以充電的小櫥，櫥中有能夠發(fā)射光束的裝置和充電器，并把它當作充電站。通過光線束的引導，機器人來到櫥前通過接觸從而進行自主充電。這個系統(tǒng)有如下的特征： (1)機器人的感知行為：感光； (2)充電站能夠發(fā)出機器人可以感知的光束； (3)能夠?qū)﹄姵睾统潆娖鬟M行具有一定準確性地對接。 1998年，Tsukuba大學成功開發(fā)出了一款可以自動充電的名為Yamabico-Liv的導游機器人。通過使用導航系統(tǒng)，該機器人能夠利用地圖自主導航繞越實驗室的環(huán)境到達充電站，通過充電站上一些特殊的裝置的作用，實現(xiàn)自主充電。 最近，位于美國的卡內(nèi)基梅隆大學的機器人研究中心也開發(fā)出了一種叫做Sage的導游機器人，它是從卡內(nèi)基梅隆歷史博物館所使用的導游機器人Nomad XR4000改進而來。機器人Sage通過其所攜帶的CCD攝像頭對標識環(huán)境的三維路標等進行識別和處理，從而自主地尋找充電站實現(xiàn)自動充電。路標被直接放于充電站的插座的正上方，通過它的引導，實現(xiàn)機器人可靠地?？吭陬A設(shè)的充電位置處，從而實現(xiàn)充電，在插座和插孔中間沒有別的東西。在174天的操作運行中，這個機器人成功地實現(xiàn)135天無故障地運轉(zhuǎn)。與此同時，大約每九天就偶爾會要人為地進行一些精度校正。 1.3 研究的目的和意義 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)。 第二章 家庭清潔機器人的關(guān)鍵技術(shù) 全自主吸塵器通?？捎?個主要部分組成：控制器部分、行走驅(qū)動部分、傳 感器部分、吸塵部分和電源部分。行走驅(qū)動部分是吸塵機器人的主體，決定了吸 塵器的運動空間，一般采用輪式機構(gòu)。傳感器部分一般采用超聲波測距儀、接觸 和接近傳感器、視覺傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機等。這種吸塵器實際上融合了移動機器人和吸塵器技術(shù)，故稱為智能吸塵器或吸塵機器人。隨著近年 來計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動機器人技術(shù)的迅速發(fā)展，吸塵 機器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)己具備了堅實的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。目前發(fā)展 較快、對吸塵機器人發(fā)展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是：傳感器技術(shù)、環(huán)境建模、定位、 路徑規(guī)劃技術(shù)。 2.1 傳感技術(shù) 傳感器是機器人的感覺器官，負責采集外界環(huán)境和自身狀態(tài)的信息。根據(jù)采 集信息的種類可以分為內(nèi)傳感器和外傳感器。內(nèi)傳感器負責采集系統(tǒng)自身狀態(tài)的 信息，包括編碼器、陀螺儀、電子羅盤等。外傳感器負責采集系統(tǒng)外部信息，包 括CCD視覺傳感器、激光雷達、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感 器。超聲波、紅外和接觸傳感器，具有價格低廉、工作可靠、速度快的優(yōu)點，廣 泛應(yīng)用于機器人的局部無碰撞導航。激光雷達是應(yīng)用較為廣泛的一種全局信息獲 取手段，可以進行定位和環(huán)境建模，但是所提供的信息不全面，并且價格較高， 限制了其應(yīng)用范圍。而CCD器件可以提供類似人類的視覺信息，隨著技術(shù)的發(fā) 展，其價格越來越低，在車牌識別、人臉識別、無人監(jiān)控、遙感圖像等領(lǐng)域得到 越來越廣泛的應(yīng)用。但是圖象處理的數(shù)據(jù)量大，算法復雜，特征提取和深度信息 回復困難，所以在機器人視覺方面的應(yīng)用還是有限的。隨著集成電路的發(fā)展和計 算機視覺的深入研究，CCD視覺傳感器必將成為機器人環(huán)境感知的主要來源， 同時促使機器人智能產(chǎn)生飛躍。 2.2 路徑規(guī)劃技術(shù) 吸塵機器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)機器人所感知到的工作環(huán)境信息,按照某種優(yōu)化指標,在起始點和目標點規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑,并且實現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。機器人路徑規(guī)劃研究開始于20世紀70年代,目前對這一問題研究仍舊十分活躍。其主要研究內(nèi)容按機器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動態(tài)已知環(huán)境和動態(tài)不確定環(huán)境,按機器人獲取環(huán)境信息的方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。 對運動規(guī)劃問題,目前有具體的解析算法。但由于解析算法牽涉到復雜的橢圓積分問題,實現(xiàn)起來依然具有相當?shù)碾y度。根據(jù)機器人對環(huán)境信息知道的程度不同,可以分為兩種類型:環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知,通過傳感器在線地對機器人的工作環(huán)境進行探測,以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息的局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個子問題。其中環(huán)境建模的主要方法有:可視圖法(V-Graph)、自由空間法 (Free Space Approach)和柵格法(Grids)等。 2.3 吸塵技術(shù) 真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風扇在機體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強大的氣流,將塵埃和臟物通過吸口吸入機體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。吸塵系統(tǒng)包括濾塵器、集塵袋、排氣管以及其他一些附件。其吸塵能力取決于風機轉(zhuǎn)速的大小。最近,澳大利亞Jetfan公司又開發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個吸塵器是一個全封閉系統(tǒng),既無外部氣體吸入,也無機內(nèi)氣體排除,所以就無需濾塵器、集塵袋、排氣管等附件。其原理是利用附壁效應(yīng)去形成低壓渦流氣體,最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi)的渦流腔內(nèi)。在英國Dyson公司最近推出的DC06型智能吸塵器中就采用了這種技術(shù)。 吸塵技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)按功能分為五個部分： 1、動力部分：吸塵器電機和調(diào)速器。調(diào)速器分手控、機控。 電機：有銅線電機和鋁線電機之分。銅線電機有耐高溫、壽命長、單次操作時間長等優(yōu)點，但價格較鋁線比較高；鋁線電機有著價格低廉的特點，但是耐溫性較差、熔點低、壽命不及銅線長。?? 　　2．過濾系統(tǒng)：塵袋、前過濾片、后過濾片。按過濾材料不同又分：紙質(zhì)、布質(zhì)、SMS、海帕（HEPA高效過濾材料）。 3．功能性部分：收放線機構(gòu)、塵滿指示、按鈕或滑動開關(guān)。 　　4．保護措施：無塵袋保護、真空度過高保護、抗干擾保護（軟啟動）、過熱保護、防靜電保護。 吸塵原理：吸塵器的風機葉輪在電動機高速驅(qū)動下，將葉輪中的空氣高速排出風機，同時使吸塵部分內(nèi)空氣不斷地補充進風機。這樣不妨與外界形成較高的壓差。吸嘴的塵埃、臟物隨空氣被吸入吸塵部分，并經(jīng)過漏器過漏，將塵埃、臟物收集與塵筒內(nèi)。 2.4 電源技術(shù) 移動電源在吸塵機器人中的地位十分重要,可以說是它的生命源。移動電源需要同時滿足吸塵機器人的多種能源需要,如為移動機構(gòu)提供動力,為控制電路提供穩(wěn)定的電壓和為吸塵操作模塊提供能源等。在這一領(lǐng)域,一般采用化學電池作為移動電源。理想的電源應(yīng)該能夠在放電過程中保持恒定的電壓、內(nèi)阻小以便快速放電、可充電以及成本低等。但實際上沒有一種電池可同時具備上述優(yōu)點,這就要求設(shè)計人員選擇一種合適的電池,盡可能增加吸塵機器人的不間斷工作時間。 移動電源目前主流的類型有五種： 　　類型一，帶照明功能的移動電源，內(nèi)置節(jié)能超強LED照明燈，非常省電。如果單純用于LED照明上，根據(jù)內(nèi)置電池容量大小可以使用3小時到30小時甚至更加，這個取決于移動電源的電池容量。 類型二，只帶充電功能的移動電源，這種充電器不帶任何什么其他擴展功能。優(yōu)點是這類型充電器容量大，非常適合做專業(yè)外置電源。) 　　類型三，帶太陽能板的移動電源，在使用過程中可以通過太陽光充電從而達到補足電量的目的。這類移動電源以前主要應(yīng)用在特種部隊和特殊行業(yè)上。民用上隨著太陽能板轉(zhuǎn)化率的逐步提高，現(xiàn)在也逐步流行起來。 類型四，使用靈活的柔性單片集成電路pv薄膜太陽能面板，將)太陽能儲存在蓄電池中，也可以直接將太陽能轉(zhuǎn)化的電能傳輸給電子設(shè)備。在光線不好的條件下，也能將能源捕獲效率最大化，可彎曲、防水等優(yōu)點，相比其他太陽能產(chǎn)品，更加地靈活輕便。 　　類型五，以最新技術(shù)及最安全的鋰聚合物電芯生產(chǎn)出的最高質(zhì)量安全品質(zhì)的移動電源,將電量儲存在蓄電池電芯中,更高更快的將電量傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備.隨時實現(xiàn)可隨充隨用,邊打邊充.方便快捷,安全保護的優(yōu)點,相比其他移動電源產(chǎn)品,安全性做到了最高. 　　不同種類移動電源核心部件，簡要的來說有兩部分，一是存儲電量的介質(zhì)，而是把其他能量轉(zhuǎn)化成電量的介質(zhì)。所以電芯的好壞可以作為衡量移動電源品質(zhì)的重要標準之一。 2.5 環(huán)境建模 環(huán)境建模是移動機器人一個基礎(chǔ)而重要的課題。環(huán)境建模是在傳感器信息的 基礎(chǔ)上，對工作環(huán)境進行二維或者三維重建。自主吸塵機器人的工作環(huán)境為三維 環(huán)境，但是它總是約束在地面并且高度有限，因此可以強環(huán)境地圖簡化為二維模 型。地圖的形式主要由三種：幾何信息表示法，拓撲圖表示法和結(jié)合幾何信息和 拓撲結(jié)構(gòu)的復合方法。幾何法可以精確描述環(huán)境，但是隨著分辨率的提高和環(huán)境 面積的增大，數(shù)據(jù)量迅速增大，很難滿足實時性的要求；拓撲地圖具有抽象性的 特點，所以對環(huán)境變化和傳感器噪聲不敏感，并且存儲小，但是分辨率較低，所以目前研究者重點放在結(jié)合幾何信息和拓撲結(jié)構(gòu)的復合方法上。 2.6 自主移動系統(tǒng) 自主移動清潔機器人是自主移動機器人的一種。其最主要的特征是自主移 動性，具有一個移動平臺，能夠在結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的，已知的或未知的環(huán)境 中自主移動。這涉及到傳感器技術(shù)、環(huán)境信息分析、環(huán)境建模、通訊、運動控 制以及高級人工智能等多種復雜技術(shù)的綜合集成。輪式、履帶式移動機構(gòu)在移 動機器人中應(yīng)用較多。輪式移動機構(gòu)動作平穩(wěn)，自動操縱簡單，在無人工廠中， 用來搬運零部件或做其他工作，應(yīng)用最廣泛。輪式移動機構(gòu)最適合平地行走， 但如果不是特殊結(jié)構(gòu)就不能跨越高度，不能爬樓梯。普通的輪式移動機構(gòu)一般 有3個輪、4個輪或6個輪它們或使用驅(qū)動輪和自位輪，或使用驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向 機構(gòu)。履帶式移動機構(gòu)可以在凹凸的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度 不太高的臺階，但由于沒有自位輪，沒有轉(zhuǎn)向機構(gòu)，靠左右兩個履帶的速度差 來轉(zhuǎn)彎，在橫向和前進方向會產(chǎn)生滑動。轉(zhuǎn)彎阻力大，不能準確地確定回轉(zhuǎn)半 徑。常見的輪式機構(gòu)有三輪結(jié)構(gòu)或四輪結(jié)構(gòu)：三輪移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)最簡單，控制 最方便，三點確定一個平面。三輪支撐在理論上是穩(wěn)定的，但這種裝置很容易 在施加到角落的力作用下翻倒，對負載有一定限制。然而對采用三輪移動機構(gòu) 的機器人來說，重心都比較低，載荷穩(wěn)定且中心位置基本不發(fā)生變化，所以三 輪移動機構(gòu)應(yīng)用很廣泛。本論文中清潔機器人采用三輪移動機構(gòu)。 第三章 清潔機器人的機械設(shè)計 3.1 機械結(jié)構(gòu)組成和工作原理 3．1.1模塊化設(shè)計 模塊化設(shè)計是一種著重解決產(chǎn)品品種、規(guī)格、與設(shè)計制造的周期、成本之間 矛盾的現(xiàn)代化設(shè)計方法，是在對一定范圍內(nèi)的產(chǎn)品或系統(tǒng)進行功能分析的基礎(chǔ) 上，劃分并設(shè)計出一系列功能獨立、結(jié)構(gòu)獨立的基本單元一模塊，并使模塊系列 化、標準化，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品或系統(tǒng)，以滿足不同需 求的設(shè)計方法。模塊化設(shè)計在技術(shù)上和經(jīng)濟上具有明顯的優(yōu)勢，經(jīng)理論分析和實 踐證明，其意義主要體現(xiàn)在下述借個方面： 1可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計和制造周期，從而大大地縮短供貨期限。 2有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代以及新產(chǎn)品的開發(fā)，增加對市場的快速應(yīng)變能力。 3有利于提高質(zhì)量，降低成本，增強產(chǎn)品的競爭能力。 4便于維修 服務(wù)機器人具有環(huán)境多義性和高智能化的特點，設(shè)計周期和制造成本成為急 需解決的難題。模塊化概念的引入為推動服務(wù)機器人實用化進程提供了新的思 路，選擇適當?shù)哪K機器人拓撲關(guān)系和標準模塊，迅速組成模塊機器人是縮短機 器人設(shè)計周期和降低成本的有效途徑。 目前模塊設(shè)計主要存在3個方面問題 l合理劃分模塊。模塊劃分的合理，則模塊的適應(yīng)力強，組合性好。要做到這 一點，除進行功能分析之外還應(yīng)很好的解決模塊之間的聯(lián)系問題，這種聯(lián)系既要 滿足安裝、定位的要求，又要滿足力流和運動傳遞方面的需求。 2模塊的管理。模塊化設(shè)計的產(chǎn)品不同常規(guī)產(chǎn)品，而是按照模塊為單元進行管 理。充分利用現(xiàn)有模塊，進行合理組合，并使能迅速有效的組成滿足需要的產(chǎn)品 3解決好造型與冗余結(jié)構(gòu)冗余的問題。模塊用于不同規(guī)格的產(chǎn)品，常會有尺寸 上的不協(xié)調(diào)問題，所以在進行模塊化設(shè)計時必須同時注意其造型。 全自主智能吸塵器應(yīng)包括吸塵器車體、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、行走驅(qū)動系統(tǒng)、 吸塵系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等組成。其中控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理單元、運動控制單元等：驅(qū)動系統(tǒng)包括移動機構(gòu)、驅(qū)動電機和減速裝置等。每個模塊系統(tǒng)的在緊密相連的 同時保持很大的獨立性，不僅便于設(shè)計，安裝，調(diào)試，而且各個部分都能實現(xiàn)自 己特有的功能。 3．1.2車體設(shè)計 不僅機器人各個系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計思想，車體本身的機械設(shè)計也采用了 模塊化設(shè)計思想。整個機器人的機械結(jié)構(gòu)可以分為：2個后輪驅(qū)動系統(tǒng)，前輪系統(tǒng)，吸塵系統(tǒng)。系統(tǒng)模塊都是單自由度和車體基板相連接。機器人本體良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計是其他各項功能的基礎(chǔ)。由于移動機器人所采用的機械傳動方式，加工制作等所產(chǎn)生的固有誤差，勢必對移動機器人的控制帶來影響，增加控制難度，所以在機器人本體設(shè)計上，要充分考慮這些因素，盡量減小系統(tǒng)的固有誤差，為實現(xiàn)更精確的控制創(chuàng)造條件。移動機器人的機械傳動盡可能選用一些傳動平穩(wěn)、可靠、簡單實用的傳動方式。車體的形狀，傳感器的種類、數(shù)量和位置，軟件所采取的算法，這三者必須作為一個整體綜合加以考慮才易于使智能吸塵器達到良好的效果。車體形狀的選擇應(yīng)該比較優(yōu)化和適當簡化，這樣智能吸塵器不僅便于移動和工作，也便于傳感器的安裝和提高傳感器的利用效果，最后對軟件的編寫也是有利的，比如使程序結(jié)構(gòu)更合理，更簡潔，易于閱讀，執(zhí)行速度更快，可靠性提高吸塵器外形將影響它的覆蓋區(qū)域。好的外形不僅能降低移動機器人的算法復雜程度，而且能減少區(qū)域邊角的死區(qū)，還能降低能耗提高行走精確度。吸塵器外形主要有矩形、圓形?？紤]到機構(gòu)和控制的復雜性本文吸塵器采用圓形本體，圓形車體的最大優(yōu)點就是運動靈活，控制簡單，不會發(fā)生卡死的現(xiàn)象。本文的吸塵器原形樣機的車體采用鋁合金板經(jīng)機械加工而成。車體前端是由一套機械裝置和光電開關(guān)組成，用于檢測運動方向上的障礙物。左右二個后輪獨立驅(qū)動，每個輪子都有電機、碼盤、光電傳感器，各自是一個獨立的系統(tǒng)，只接受控制系統(tǒng)的控制信號和反饋給控制系統(tǒng)運動信息。中間部分是吸塵系統(tǒng)，包括一個電機驅(qū)動的吸塵裝置。 圖 3-13．1.3車輪系統(tǒng) 行走機構(gòu)、車輪的個數(shù)、車輪的平面布置、驅(qū)動輪和從動輪的個數(shù)及分配對 車體的靈活性、準確定位和導航都有著非常關(guān)鍵的影響。行走機構(gòu)的決定應(yīng)以盡 量減少滑動，控制策略不過分復雜，制作相對容易為原則。常見的行走機構(gòu)有三 輪結(jié)構(gòu)或四輪結(jié)構(gòu)：三輪結(jié)構(gòu)簡單、靈活，穩(wěn)定性稍差；四輪結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。一 些結(jié)構(gòu)復雜一些驅(qū)動方式有三種：前輪轉(zhuǎn)向前輪驅(qū)動，前輪轉(zhuǎn)向后輪差速驅(qū)動， 兩后輪獨立驅(qū)動。前輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動方式移動靈活、控制精度高，后輪獨立驅(qū)動方式驅(qū)動機構(gòu)簡單、控制精度稍差。綜合利弊，本文采用在室內(nèi)移動機器人中應(yīng)用廣 泛的三輪結(jié)構(gòu)，兩后輪獨立驅(qū)動方式前輪為隨動輪靠兩后輪之間的速度差來控制 小車的運動方向。前面的萬向輪為隨動輪，無導向作用輪子的材料采用鋁合金加 橡皮護套，既可以避免橡皮輪因壓癟變形導致誤差，又可以避免金屬輪因摩擦阻 力小導致滑動，兩后輪分別由一臺直流電機經(jīng)一對蝸輪蝸桿變速后驅(qū)動。 按照上述的移動結(jié)構(gòu)，清潔機器人采用兩直流電動機獨立驅(qū)動左右兩輪的差動方式，控制簡單、精確、易于實現(xiàn)，可以方便地實現(xiàn)吸塵機器人的前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退，以及調(diào)頭等功能，清潔機器人能夠在任意半徑下，以任意速度實現(xiàn) 轉(zhuǎn)彎，甚至可以實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑(即繞軸中點原地旋轉(zhuǎn))。 圖3-2 萬向輪 3.1.4工作原理 清潔機器人由多個功能模塊共同組成，這幾個模塊共同工作、相互協(xié)調(diào)、相互作用，保證了機器人能夠順利的進行清掃。具體的工作原理如下清潔機器人的中心是清潔機器人的CPU，它對其它各個功能模塊進行控制。信息采集模塊負責采集周圍環(huán)境以及機器人本身的各種信息。鍵盤模塊和紅外遙控接收模塊可以接收人們對機器人的控制信息，然后把信息傳給CPU進行處理。當接收到需要機器人進行清掃工作的信號時，CPU可以通過控制行走機構(gòu)和清潔機構(gòu)讓機器人進行工作。在機器人工作的過程中還可以通過LCD顯示模塊和狀態(tài)指示模塊對機器人的狀態(tài)進行時實的顯示。 機器人工作的流程如下: (l) 首先可以通過鍵盤或者遙控器啟動清潔機器人，讓它開始清掃工作。 (2) 機器人一旦開始工作，便控制吸塵機構(gòu)開始吸塵。 (3) 機器人開始工作，傳感探測模塊就開始不斷地采集外部信息，送到CPU進行分析和決策產(chǎn)生機器人行走的路徑。 (4) 當路徑規(guī)劃需要機器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的時候。CPU就分別改變左右輪的速度，通過差速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 (5) 工作期間機器人可以通過LCD顯示一些相關(guān)信息(比如工作模式、工作計時或溫度)。 (6) 遙控器除了可以控制清潔機器人的啟停，還可以對機器人進行定時，讓機器人在一定時間后開始工作或者工作一定時間后停止工作。 3.2 清潔機器人總體設(shè)計 3.2.1 機器人外形設(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400mm高為200mm的長方體，但是后來發(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 圖3-3 小車外形 3.2.2 機器人的行走機構(gòu)設(shè)計 為實現(xiàn)機器人的轉(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。 圖3-3 3.2.3 吸塵機構(gòu)的設(shè)計 因為所設(shè)計的機器人它的體積有限制，在直徑為三百五十，高為一百七十的圓內(nèi)要放置有行走機構(gòu)、吸塵機構(gòu)，同時還得留下放電池、控制中心、觀察中心的地方。故將吸塵機構(gòu)設(shè)置如下圖所示 圖3-5 吸塵模塊 其中包括濾塵袋、吸塵風葉、吸塵電機、電機箍以及支撐板。吸塵盒、支撐板和電機箍的材料均為工程塑料。這樣就保證了吸塵機構(gòu)體積小，質(zhì)量輕。 第四章 具體計算 4.1 電機選擇 (1) 初步估計機器的總重量為9千克，g取9.8N/kg，則G=9*9.8=88.2N 則分配到每個輪子上的載荷位F=1/3G=1/3*88.2=29.4N 按橡膠在優(yōu)質(zhì)路面上行走，取，， 則：滾動摩擦阻力 滑動摩擦阻力=F=22.1*0.1=2.94N 由前面的總體設(shè)計中機器的各個機構(gòu)的布局安排，車體底盤應(yīng)至少高于地面10mm,取輪子直徑D為80mm，則R=1/2D=40mm,則輪子行走過程中所受的阻力矩： （2）工作機要求的功率 式中： 由 取則：，電機所需的輸出的功率 ,其中 則電機所需的輸出的功率==3.97W （3）確定電機 考慮到機器人在轉(zhuǎn)彎時要求其轉(zhuǎn)彎半徑為零，這樣就要求兩個和電機相連的輪子在轉(zhuǎn)彎時必須差速運轉(zhuǎn)從而才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零。而要實現(xiàn)差速運轉(zhuǎn)則要求電機具有調(diào)速功能，再由（2）中所算得電機輸出功率，從而通過在網(wǎng)上搜索查到了寧波市北倉深港交流調(diào)速電機廠生產(chǎn)的YCJT系列電機滿足設(shè)計中所需要的電機要求 ，因為運轉(zhuǎn)本機器時電機需要輸出的功率為3.97W，由寧波市北倉深港交流調(diào)速電機廠網(wǎng)站上給的產(chǎn)品的技術(shù)指標和安裝型號中選型號為YCJT-6-1，輸出功率為6W，速度可調(diào)范圍為90~1350r/min，1200 r/min時轉(zhuǎn)距為5 N.cm，啟動轉(zhuǎn)距為3.5N.cm的電機，因為其在滿足要求的情況下尺寸比我所查到的電機的尺寸都小，所以選用它為驅(qū)動機構(gòu)的電機。 圖4-1 驅(qū)動電機 4.2 蝸輪蝸桿的選擇 （1）因為本次設(shè)計所用的蝸桿和蝸輪是傳動機構(gòu)功率的輸入部分，是機器人結(jié)構(gòu)中最重要的部分，所以選蝸桿軸材料為40Cr，表面淬火，硬度45～50HRC,蝸輪齒圈材料為ZcuSn10Pb1,金屬模鑄造。 確定許用應(yīng)力： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N60nL=60*206*12000=1.48 查《機械設(shè)計》得：=230MPa =90MPa =.=194MPa；MPa （2）選擇z、z 根據(jù)傳動比I=7.25，參考蝸輪蝸桿參數(shù)表，取z=4,則z=29； （3）.按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 先查《機械設(shè)計》確定計算公式所需參數(shù)：； 取 因載荷平穩(wěn)，通過跑合可以改善偏載程度，取 則載荷系數(shù) ； ① 當z=4時，=0.7～0.75，取=0.7；代入①式中得： N.mm 查《機械設(shè)計》得：； 將這些數(shù)據(jù)代入接觸強度計算公式，求得： ； 按接觸強度要求，，查表選取 m=2mm ,d=18mm,z=4, q=11.20,z=29,。中心距，； （4）驗算初設(shè)參數(shù) 蝸輪圓周速度v=0.63m/s 原估計，選值，相符。 滑動速度，在范圍內(nèi)，所選材料合適。 蝸桿傳動效率 根據(jù)，查表得， 0.83，傳動效率，與初選不符，傳動效率應(yīng)適當降低。 （5）.驗算齒根彎曲疲勞強度和剛度 =58.4 MPa 蝸輪當量齒數(shù) ， 查得齒形系數(shù) ； 則可求得：=0.917 代入①式中 =27.85MPa 成立，彎曲強度滿足要求。 （6）.蝸桿、蝸輪幾何尺寸計算 蝸桿齒頂圓直徑 =22.5mm （） 蝸桿齒根圓直徑 =19mm （=0.2） 蝸輪喉圓直徑 （） 蝸輪齒根圓直徑 36.8mm 由于蝸桿傳動效率低所以工作時產(chǎn)生的熱量相對較大。對閉式蝸桿傳動，摩擦所產(chǎn)生的熱量將通過箱體散發(fā)到周圍空氣中去。本設(shè)計中蝸桿傳動產(chǎn)生的熱量直接散發(fā)到集體內(nèi)，通過吸塵時產(chǎn)生的風力將熱量排帶機體外。 因為蝸桿傳動的效率主要取決于嚙合效率，而蝸桿分度圓導程角對嚙合效率其主要影響，導程角大于30度以后嚙合效率增加不顯著且蝸桿加工也較困難，所以本設(shè)計中蝸桿導程角小于30度，同時減小了中心距進而減小了蝸桿的直徑，從而提高了嚙合效率，因而進一步提高了蝸桿的傳動效率。 4.3 吸塵機構(gòu)的電機的選擇 因為吸塵機構(gòu)中風葉的旋轉(zhuǎn)速度需要足夠高才可以實現(xiàn)吸塵目的，并可以把垃圾吸到濾塵袋中，因而選電機型號為55SZ01,轉(zhuǎn)速為3000r/min,功率為12W，其尺寸較小，又能滿足工作需要，所以選用它來做為吸塵機構(gòu)的動力輸入部分。 4.4 家庭清潔機器人電池的選用 工作環(huán)境對清潔機器人的能源提出了特殊要求，目前清潔機器人基本上都采用電池作為能源，電池有一次電池、二次電池和燃料電池。作為機器人能源的一次電池要求能量密度高、自放電少、可靠性高，一次電池有錳干電池、堿性錳電池、鉀電池、汞電池、氧化銀電池等。干電池應(yīng)用范圍廣，使用溫度越汞電池、氧化銀電池等。干電池應(yīng)用范圍廣，使用溫度越高，電壓、容量都同時增大，但有可能造成自放電和產(chǎn)生氣體，使用溫度可達 ５０℃－６０℃，在 ０℃以下容量急劇減少。堿性錳電池適合于大電流放電，放電容量很大，尺寸與干電池相同，具有互換性。銼電池電動勢高、能量密度高、工作溫度范圍大、自放電少，正逐步走向?qū)嵱没?，是一種非常好的機器人能源。二次電池又叫蓄電池，有鉛酸電池、銀鋅電池、鎳鎬電池和鎳鋅電池等。鉛酸電池是一種比較好的機器人能源，電壓高、壽命長、可高比率放電、價格低、結(jié)構(gòu)簡單可靠、工藝成熟，但能量密度低。銀鋅電池是現(xiàn)有二次電池中輸出功率最大、能量最高的電池，自放電速度慢，機械強度高，可短期超負荷放電，放電電壓平穩(wěn)，但價格貴、充電時間長、壽命短、充電次數(shù)少。鎳鎬電池和鎳鋅電池電壓低、價格貴，應(yīng)用較少。 燃料電池有堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體電解質(zhì)燃料電池等，燃料電池體積小、重量輕、壽命長、效率高、無污染，是一種非常好的清潔機器人用電源，但總的來說，目前還處于研究開發(fā)階段。 由以上對各種電池的分析，同時考慮到本次設(shè)計的要求，選用鉛酸電池比較合理，因為鉛酸電池是一種比較好的機器人能源，電壓高、壽命長、可高比率放電、價格低、結(jié)構(gòu)簡單可靠、工藝成熟，可降低制造家庭清潔機器人的總成本，因而本次設(shè)計選用兩組鉛酸電池作為機器人的能量來源，其安裝位置入家庭清潔機器人的裝配圖中所示。 4.5清掃機構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計算 （1）計算軸承壽命的基本公式為： h 其中：P- 當量動載荷(N); - 壽命指數(shù)，球軸承=3，滾子軸承=10/3； n- 軸承轉(zhuǎn)速r/min; C- 基本額定動載荷（N），可由軸承樣本或有關(guān)機械設(shè)計手冊中查到。 經(jīng)查表的C =2.75*10 （2）計算角接觸軸承的當量動載荷 基本公式為P= 其中：X - 徑向載荷系數(shù)，其值見機械設(shè)計P281 表12-12； Y - 軸向載荷系數(shù)，其值見機械設(shè)計P281 表12-12； R –軸承所承受徑向載荷； A - 軸承所承受軸向載荷； f- 載荷系數(shù)，考慮機器的運轉(zhuǎn)情況對軸承載荷的影響，查表12-12（機械設(shè)計P281） 待求量為R ,A值 計算軸承所受的徑向載荷R。 經(jīng)計算解 得Fr=0.081N Fa=0.015 N 有已知條件可知，軸承是關(guān)于蝸輪對稱的，所以左右的距離相等。 所以R1=R2=Fr1/2=0.0405N 又因為軸的質(zhì)量作用在軸承上，每個軸承大約承受0.1N 所以R1=R2=0.1405N 派生軸向力S1=S2=R/2Y=0.0468N 又因為S2+Fa=0.0468+.015=0.0618N>0.0468N 所以軸承1壓緊，軸承2放松 所以A1=0.0618N,A2=0.0468N A1>A2,所以只需要校核軸承1即可 因為A/R=0.0618/0.1405e 選取X=1,Y=0,fp=1.0 所以 P= =1.0*(1*0.1405+0*A)=0.1405 所以==1.08*10h 所以符合要求。 4.6 清掃機構(gòu)中蝸輪軸的校核 軸上能使產(chǎn)生彎距的力有 =0.081N =0.015N 兩個力在互相垂直的兩個平面上，L=30mm，D=12mm 如下兩個視圖 (a 圖4-2 受力示意圖 做彎距圖如4-3所示。 圖4-4 彎矩圖 由于前面已經(jīng)選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表 ，故符合強度要求。 第五章 總結(jié)也展望 5.1 發(fā)展趨勢 雖然自主吸塵機器人的研究已經(jīng)取得了很大進步,進入了實用階段,但是自主能力、工作效率方面還不理想,需要在技術(shù)上解決傳感器技術(shù)、定位和環(huán)境建模技術(shù).在此基礎(chǔ)上,自主吸塵機器人可以向著高度智能化、多功能集成、低成本的方向發(fā)展。 5.1.1 高度智能化 現(xiàn)在的自主吸塵機器人在行為上還處于“低級生物”的階段,環(huán)境感知能力有限,對路徑的規(guī)劃只是隨機的方式或者是基于局部環(huán)境信息的規(guī)劃方式.在復雜環(huán)境和多房間的環(huán)境下,這種工作方式的效率會銳減.因此,建立CCD視覺系統(tǒng),融合多種傳感器進行定位和環(huán)境建模,實現(xiàn)全局路徑規(guī)劃,將是一個重要的研究方向.同時,算法必須考慮系統(tǒng)的處理速度、存儲空間的限制. 5.1.2 功能擴展 自主吸塵機器人是一個可移動的智能平臺,在吸塵功能之外可以進行功能擴展,比如進行家電控制、房間環(huán)境監(jiān)測(防止火災(zāi)、電器故障、盜竊等).這方面的市場需求已經(jīng)被Tmsuk和三洋公司抓住,并在2002年發(fā)布了兩款這樣的機器人. 5.1.3 低成本化 智能機器人是一個復雜的系統(tǒng),使用了大量的傳感器和一個或者多個高性能的微處理器,因此成本較高.但是為了讓普通人都可以享受科技進步的成果,降低成本是個必由之路. 5.2 展望 盡管目前價廉物美的吸塵器給人們的清潔工作帶來了一定的便利,但過大的噪音依然讓大多數(shù)使用者望而卻步。吸塵機器人作為服務(wù)機器人領(lǐng)域中的一個新產(chǎn)品,將使人們能在無人看守情況下輕松地完成室內(nèi)環(huán)境的吸塵等清潔工作。因此,只要生產(chǎn)成本兼顧到日用電器批量大、價格低的特點,吸塵機器人將具有誘人的市場前景,有關(guān)資料也預測吸塵機器人是未來幾年需求量最大的服務(wù)機器人。特別是日用清潔電器不論是在市場上或者是在產(chǎn)品的創(chuàng)新上,絕對是所有小家電產(chǎn)品中最活躍的,未來仍有相當大的成長空間。盡管目前國內(nèi)外在吸塵機器人研究開發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過高和許多關(guān)鍵技術(shù)問題尚急待解決或提高,主要有以下幾個方面: (1)目前,價格過高是嚴重影響吸塵機器人打入家電市場的主要因素,因此為了大幅度降低其成本,我們必須開發(fā)專用運動控制和數(shù)字處理芯片以及微型傳感器。其次,應(yīng)該看到藍牙技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景,通過采用藍牙技術(shù)將過高的數(shù)字處理器成本轉(zhuǎn)移到用戶的個人電腦上,則有望在短期內(nèi)將吸塵機器人的成本控制在千元左右。 (2)未來的吸塵機器人將向智能化和自主式發(fā)展,因此我們必須結(jié)合現(xiàn)有的基于自適應(yīng)控制、模糊邏輯、遺傳算法等的移動機器人運動規(guī)劃和控制技術(shù),研究開發(fā)出對環(huán)境變化具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性、對環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運動規(guī)劃與 控制器,使吸塵機器人完成與人工操作質(zhì)量相同甚至更好的吸塵工作。 (3)為了有效地提高清潔的質(zhì)量,還需要對現(xiàn)有的吸塵技術(shù)進行改進。根據(jù)環(huán)境的臟潔程度,采用模糊邏輯等技術(shù)設(shè)計合理的吸塵時間以及相協(xié)調(diào)的機器人運動速度,確保滿意的吸塵效果。 (4)電源技術(shù)是吸塵機器人的核心之一,除了有效地提高機器人運動和吸塵速度以延長電池的實際吸塵時間外,還尚需優(yōu)化自動充電方案,保證機器人能及時進行充電,自動完成對指定環(huán)境的吸塵任務(wù)。隨著吸塵機器人關(guān)鍵技術(shù)和性能價格比的不斷提高或改進,相信根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件,未來幾年內(nèi)就會推出價格適中的全自動吸塵機器人產(chǎn)品,進而使吸塵機器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進千家萬戶,為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來可觀的市場和經(jīng)濟效益。 參考文獻 [1] 機械設(shè)計手冊編委會．機械設(shè)計手冊［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2004 [2] 聶毓琴 孟廣偉主編．材料力學［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2004 [3] 于駿一、鄒青編.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004 [4] 譚慶昌、趙洪志