掃地機器人設計(1)10頁

1、掃地機器人設計報告一、功能綜述1、清掃模式：隨機清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預約清掃等相結(jié)合，實現(xiàn)全方位立體清掃；2、智能導航系統(tǒng)：實現(xiàn)對房間地形的重構(gòu)，自動規(guī)劃清掃路線；3、智能安全監(jiān)控：防撞，防跌落，防纏繞，電池電量監(jiān)測；4、創(chuàng)新功能：灰塵量識別，實現(xiàn)床底清掃，手機遙控模式，尖端氣流濾塵技術(shù)，室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與提醒；5、其他基礎功能：自動返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測。二、機械及系統(tǒng)設計掃地機器人機械設計如圖1所示。圖1 掃地機器人機械設計圖清掃機構(gòu)，行走機構(gòu)，吸塵機構(gòu)是本次設計的重點，也是難點所在。由于機器人運動部件多，運動狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動

2、。因此，增加機器人運動平穩(wěn)性，提高機器人動力學特性尤為重要。為此，在設計時應注意在滿足強度和剛度的前提下，盡量減小運動部件的質(zhì)量，并注意運動部件對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心裝配。(1)行走驅(qū)動輪及驅(qū)動電機該部分主要保證機器人能夠在平面內(nèi)移動。為了保證小車良好的直線性，可采用雙電機驅(qū)動左右兩輪的方式，且在車體的后端裝有一個不銹鋼萬向滾珠，這樣可以使小車獲取較好的機動性和靈活性及靈活性。前輪驅(qū)動的好處是：轉(zhuǎn)向性能得到改善。前輪是轉(zhuǎn)向輪，使得轉(zhuǎn)向時的行駛方向容易控制，不容易出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)向安全性也得到提高。(2)清掃機構(gòu)用電機帶動兩個清掃刷，使左面清掃刷順時針轉(zhuǎn)動，右面逆時針轉(zhuǎn)動，這樣就可以在清掃灰塵時將灰

3、塵集中于吸風口處，為吸塵機構(gòu)的工作做準備；清掃刷設計成可更換型的，可選擇棉質(zhì)紡織品或尼龍等化纖材料的，以適應不同的工作環(huán)境。(3)吸塵機構(gòu)旨在強大的吸力、將灰塵吸入灰塵儲存箱中；這里我們采用尖端氣流濾塵技術(shù)，全方位，多層次將灰塵一網(wǎng)打盡。(4)擦地機構(gòu)在清掃、吸塵之后，利用安裝在殼體下面的清潔布擦出殘留在地面上的細小灰塵，同時也能夠擦除地面上的頑固污漬，從而保證清潔工作的質(zhì)量。掃地機器人功能框圖如圖2所示。圖2 掃地機器人功能框圖三、功能簡介1、清掃模式：清掃模式包括隨機清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預約清掃等。隨機清掃是指根據(jù)地面狀況在其他幾種清掃模式之中進行切換；螺旋式清

4、掃是指繞圈清掃的模式；交叉清掃是指在不同的區(qū)域之間交叉穿梭來清掃，也可以稱為Z字形清掃；沿邊清掃是沿著房間的邊界進行清掃；定點清掃是指在指定的位置小范圍內(nèi)清掃；預約清掃是指每天在指定的時間自動清掃，可以預約一次和一周內(nèi)任意預約清掃時間，可以放心上班和出差，也可以自動打掃。2、智能導航系統(tǒng)掃地機器人的智能導航實質(zhì)就是路徑自動規(guī)劃。掃地機器人路徑自動規(guī)劃有兩種方法：隨機式全區(qū)域覆蓋和規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋。隨機式全區(qū)域覆蓋方法控制簡單，不需要很多的硬件，軟件編程也簡單，易于實現(xiàn)。但其缺點是移動機器人運行軌跡重復性較大，且運行軌跡不能較快地、充分地覆蓋整個區(qū)域，這種路徑規(guī)劃只考慮完成任務，沒有考慮到時間消

5、耗和能量消耗情況，因此選擇規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋方法。此設計中選擇往返式路徑規(guī)劃方法。往返式路徑規(guī)劃清掃路徑的規(guī)則為當掃地機器人置于室內(nèi)時，可通過超聲波測距傳感器的信息來判斷它放置于墻邊還是房屋中間。在房屋中間，則先設為它沿某一方向運動到靠近墻邊的某一點。機器入就可從墻邊的某一點開始，按順時針方向繞墻運動一周，先對室內(nèi)墻邊地面進行一次預清掃。掃地機器人在繞完一圈后再向左或向右行走到墻壁的最左端或者最右端，以此來作為它清擋路徑的起始點，也即絕對坐標的原點。先假設室內(nèi)只有一個孤立的障礙物，以房屋左下角O點為起始點。開始清掃時，從O點勢始沿Y軸正方向清掃，遇到墻壁時向右原地旋轉(zhuǎn)90o，向X軸正方向移動一個

6、車身后再向右旋轉(zhuǎn)90o，沿Y軸負方向清掃，以此往復運動。當遇到障礙物時，則按下面的方法進行規(guī)劃和避障：當清潔機器人運動到障礙物的最左邊點時，根據(jù)步進電機的脈沖數(shù)和驅(qū)動輪光柵的脈沖數(shù)計算出最左邊點的坐標。然后根據(jù)超聲波測距傳感器收到的信息沿著障礙物邊緣行進相當于X軸方向一個車身的距離，再原地旋轉(zhuǎn)到Y(jié)軸負方向，沿Y軸負方向繼續(xù)清掃，這樣一直往返清掃，當掃地機器人在沿障礙物邊緣清掃時超聲波傳感器突然收不到信號即到達了障礙物的最右端點，掃地機器人將原地一直向左旋轉(zhuǎn)直到超聲波傳感器再次收到信號為止，然后沿障礙物的上邊沿行進到障礙物的最左端點，再沿Y軸方向進行往返清掃，行進路徑和障礙物下邊沿的行進路徑類似

7、。這樣就可以在清掃過程中自動避開障礙物。清掃路徑自動規(guī)劃示意圖如圖3所示。圖3 清掃路徑自動規(guī)劃示意圖3、智能安全監(jiān)控3.1防撞掃地機器人在工作過程中難免遇到各種障礙物，如果不及時躲避障礙物，將影響掃地機器人正常工作。因此在掃地機器人內(nèi)部安裝三個超聲波測距傳感器，用來檢測掃地機器人行進路線上是否有障礙物。超聲波測距傳感器安裝位置如圖4所示。圖4 防撞傳感器分布超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面處，會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用。避障功能的實現(xiàn)正是利用了這一超聲波測距的原理。

8、超聲波傳感器測距原理如圖5所示。圖5超聲波傳感器測距原理超聲波傳感器接收到反射信號，檢測出前方有障礙物時，向控制器發(fā)出信號，控制器控制掃地機器人轉(zhuǎn)向，躲避障礙物，根據(jù)信號的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小。選用超聲波測距傳感器，實現(xiàn)非接觸式測量，避免與家具等物品發(fā)生碰撞，從而避免損壞相應物品。3.2防跌落為了防止掃地機器人遇到臺階時跌落，在掃地機器人背面安裝3個防跌落傳感器。防跌落傳感器安裝位置如圖6所示。防跌落傳感器利用超聲波進行測距。當掃地機器人行進至臺階邊緣時，防跌落傳感器利用超聲波測得掃地機器人與地面之間的距離超過限定值，向控制器發(fā)送信號，控制器控制掃地機器人進行轉(zhuǎn)向，改變掃地機器

9、人行進方向，從而實現(xiàn)防止跌落的目的。掃地機器人防止跌落示意圖如圖7所示。圖6 防跌落傳感器分布圖7 掃地機器人遇臺階示意圖3.3防線纏繞：掃地機器人工作過程中，可能會遇到細線纏繞清掃刷的情況，使清掃刷無法正常旋轉(zhuǎn)，從而造成掃地機器人不能正常工作。為了解決此問題，可以在掃地機器人中安裝接近傳感器，利用接近傳感器測量電動機的轉(zhuǎn)速，以此來判斷清掃刷工作是否正常。當細線纏繞清掃刷時，致使清掃刷停止旋轉(zhuǎn)，從而導致電動機停止轉(zhuǎn)動，此時傳感器測得電動機轉(zhuǎn)速為零，控制器接收此信號后向掃地機器人發(fā)送控制信號，切斷電動機電流，同時發(fā)出求救信號。同時設計掃地機器人在發(fā)出求救信號3分鐘后自動關(guān)閉掃地機器人電源功能，防

10、止家中無人的情況。掃地機器人防止線纏繞流程示意圖如圖8所示。圖8 防線纏繞流程示意圖3.4電池電量監(jiān)控： 移動電源在吸塵機器人中的地位十分重要,可以說它是吸塵機器人的生命源。移動電源需同時為移動機構(gòu)提供動力，為控制電路提供穩(wěn)定的電壓，為吸塵操作模塊及傳感觀測模塊提供能源等。在這一領域,一般采用化學電池作為移動電源,如鉛酸電池、NiCd等。理想的電源在放電過程中應該能夠具備：保持恒定的電壓；內(nèi)阻小以便快速放電；可充電；成本低等特點。為了實現(xiàn)對掃地機器人電池電量的安全監(jiān)控，可以在掃地機器人內(nèi)部安裝庫侖計，用來檢測掃地機器人電池電量變化。庫侖計是在電池的正極和負極串連一個電流檢查電阻，當有電流流經(jīng)電

11、阻時就會產(chǎn)生一個監(jiān)控取樣電壓，通過檢測這個監(jiān)控取樣電壓計算流過電池的電流，就可以精確跟蹤電池電量變化。庫侖計測量原理如圖9所示。圖9 庫侖計測量原理另外通過溫度傳感器測量電池溫度，與庫侖計測得的電池電壓相互配合，可以極大減少電池老化等因素對測量結(jié)果的影響。4、創(chuàng)新功能4.1灰塵量智能識別掃地機器人需要根據(jù)某處灰塵量多少自動安排清掃時間，為實現(xiàn)這個功能，在掃地機器人吸塵口上方安裝灰塵傳感器。灰塵傳感器安裝位置如圖10所示。圖10 灰塵傳感器安裝示意圖灰塵傳感器利用可變間距電容傳感器實現(xiàn)。當吸入灰塵越多時，灰塵撞擊電容傳感器下極板越劇烈，使灰塵傳感器極板振動越劇烈，輸出信號越強。掃地機器人控制器根

12、據(jù)灰塵傳感器信號的強度進行判斷，發(fā)出相應控制信號，使掃地機器人根據(jù)某處灰塵多少自行決定清掃時間長短。4.2床底智能清掃一般來說，床底、柜子底等地方相對較臟，因此這些地方需要重點清掃，以保證清潔度。為實現(xiàn)此功能，在掃地機器人正面安裝8個光敏傳感器。光敏傳感器安裝位置如圖11所示。掃地機器人在床底或柜子底開始工作后，光敏傳感器接收的光強較弱。當掃地機器人運行離開床底或柜子底時，光敏傳感器接收到的光強發(fā)生變化，向控制圖11 光敏傳感器分布器發(fā)送信號，控制器發(fā)出控制信號，使掃地機器人轉(zhuǎn)向，重新回到暗處，繼續(xù)進行清掃。掃地機器人在床底或柜子底清掃路徑的規(guī)劃可以參考智能導航系統(tǒng)中路徑規(guī)劃的方法。4.3手機

13、遙控模式在掃地機器人內(nèi)部安裝藍牙等模塊，與手機實現(xiàn)通訊，利用相應軟件，通過手機實現(xiàn)對掃地機器人的手動控制。4.4尖端氣流濾塵技術(shù)氣流濾塵器是一個全封閉系統(tǒng)，既無外部氣體吸入，也無機內(nèi)氣體排出，其原理是利用附壁效應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)。4.5室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與提醒為了監(jiān)測室內(nèi)溫度、濕度和空氣質(zhì)量等，在掃地機器人內(nèi)安置溫度、濕度和監(jiān)測空氣質(zhì)量的傳感器。當傳感器接收到這些環(huán)境信息時，經(jīng)過放大、濾波、轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，掃地機器人控制器對這些信息進行處理。同時設計當室內(nèi)的空氣質(zhì)量出現(xiàn)異常時，如甲烷超標，煤氣泄漏等發(fā)生時，掃地機器人能夠完成檢測并實現(xiàn)及時報警功能。5、其他

14、基礎功能5.1自動返回并充電：自動返回并充電對掃地機是非常重要的，因為掃地機器人自帶的充電電池電量有限，不一定能保證完成清掃工作，這就需要掃地機器人能自動對接充電。掃地機器人利用紅外信號來確定充電基座位置，并自行運動到充電基座，完成自動充電。當掃地機器人檢測到電池電量小于規(guī)定值時，掃地機器人上的紅外發(fā)射裝置在控制器的控制下發(fā)射一個傳播距離較遠并且覆蓋角度較窄的紅外信號，用于搜尋充電基座的位置，同時掃地機器人向充電基座發(fā)送信號；充電基座接收到掃地機器人發(fā)射的信號后，基座上的紅外發(fā)射裝置發(fā)射一個傳播距離近且覆蓋角度窄的紅外信號，用于在機器人到達充電站附近與充電站進行對接時使用。在搜尋充電基座位置時

15、，掃地機器人先緩慢地原地旋轉(zhuǎn)。在掃地機器人旋轉(zhuǎn)過程中，當充電基座接收到掃地機器人發(fā)射的紅外信號時，充電基座向掃地機器人發(fā)送信號，掃地機器人接收到信號后停止旋轉(zhuǎn)，并按照此方向行進。掃地機器人行進到充電基座附近時，利用充電基座發(fā)出的紅外信號精確地與充電基座進行對接，完成自動對接充電。掃地機器人自動尋找充電基座位置原理示意圖如圖12所示。圖12 自動尋找充電基座原理示意圖5.2灰塵盒安裝檢查在掃地機器人開始工作之前，首先要保證收集灰塵的灰塵盒已經(jīng)安裝到位，否則進行報警。為實現(xiàn)該功能，在掃地機器人灰塵盒卡槽內(nèi)安裝壓力傳感器， 通過壓力傳感器來檢查灰塵盒是否安裝到位，壓力傳感器安裝示意圖如圖13所示。圖13 壓力傳感器安裝示意圖壓力傳感器利用了電阻應變片元件，電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。當灰塵盒裝入指定位置時，盒與壓力傳感器接觸，壓力傳感器