自動智能掃地機器人設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 機電工程 學(xué)院 機械電子工程 專業(yè) 144 班級 學(xué)生： 題目： 自動掃地機器人設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計（論文）從2018年 3 月 5 日起到 2018年 6 月 11 日課題的意義及培養(yǎng)目標： 自動掃地機器人，是智能家用電器的一種，能憑借一定的人工智能，自動在房間內(nèi)完成地板清理工作。一般采用刷掃方式，將地面雜物掃進入自身的垃圾收納盒，從而完成地面清理的功能。一般來說，將完成清掃、吸塵的機器人，也統(tǒng)一歸為掃地機器人。清掃機器的機身為無線機器，以圓盤型為主。使用充電電池運作，操作方式以遙控器、或是機器上的操作面板。一般能設(shè)定時間預(yù)約打掃，前方有設(shè)置感應(yīng)器，可偵測障礙物，如碰到墻壁

2、或其他障礙物，會自行轉(zhuǎn)彎。通過本次設(shè)計將所學(xué)機械知識與電氣知識進行結(jié)合，設(shè)計出滿足要求的機電一體化的自動掃地機器人。 設(shè)計（論文）所需收集的原始數(shù)據(jù)與資料：1、掃地機器人的構(gòu)成 2、掃地機器人的工作原理、工作過程 3、各部分的實現(xiàn)方式 4、清掃區(qū)域的設(shè)置 5、模擬仿真的實現(xiàn)方法 課題的主要任務(wù)（需附有技術(shù)指標分析）： 1. 在充分理解課題任務(wù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計自動掃地機器人的總體方案，畫出掃地機器人的總體機械結(jié)構(gòu)圖。 2. 根據(jù)總體方案對各部分進行設(shè)計，畫出各部分的結(jié)構(gòu)圖及零件圖。 3. 根據(jù)功能要求設(shè)置檢測控制系統(tǒng)，合理的選擇元器件，畫出控制原理圖、接線圖。 4. 用Keil編寫避障及防跌落控制

3、程序。 5. 用Proteus進行仿真調(diào)試，控制系統(tǒng)全部功能需要在軟件上調(diào)試通過，軟件可直觀的方式表現(xiàn)出清掃機器人的工作過程。 6. 撰寫1.5萬2萬字畢業(yè)設(shè)計說明書。 設(shè)計（論文）進度安排及完成的相關(guān)任務(wù)（以教學(xué)周為單位）：周 次設(shè)計（論文）任務(wù)及要求第1周熟悉、理解畢業(yè)設(shè)計題目，查找、借閱各種參考資料第2、3周畢業(yè)實習(xí)收資，繼續(xù)搜集與設(shè)計課題有關(guān)的素材，整理書寫實習(xí)報告第4-6周掃地機器人的總體結(jié)構(gòu)示意圖第7-9周各部分的機械結(jié)構(gòu)圖第10-11周檢測控制系統(tǒng)設(shè)計，畫出控制原理圖、接線圖第12-13周編寫控制程序并調(diào)試第14周整理書寫畢業(yè)設(shè)計說明書第15周答辯準備及預(yù)答辯 學(xué)生簽名： 指導(dǎo)教

4、師： 教研室主任： 自動掃地機器人設(shè)計摘 要隨著科技和社會的不斷進步和發(fā)展，機器人的應(yīng)用從工業(yè)領(lǐng)域逐步擴展到了其他領(lǐng)域。尤其是服務(wù)機器人，已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟各方面，并且起到了很大的作用。掃地機器人是目前最貼近人類的機器人，它能夠代替人完成家庭地面的清理，最有可能進入千家萬戶成為家庭生活的一部分。它涉及到機械、電子和計算機等相關(guān)知識，是將移動機器人技術(shù)和清潔技術(shù)融為一體，自動掃地機器人技術(shù)的研究與實現(xiàn)旨在于，通過科技改變?nèi)藗兊目诔Ｉ?。它已?jīng)成為目前家用電器領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的熱門研發(fā)課題。本文主要介紹了自動掃地機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計，整體外形采用圓餅狀，運動機構(gòu)采用三輪機

5、構(gòu)，前輪萬向輪后輪采用兩個電機分別驅(qū)動，清掃機構(gòu)采用蝸桿傳動和帶輪配合的傳動方案，控制部分采用開關(guān)電路啟動毛刷電機，采用L298電機驅(qū)動模塊控制驅(qū)動電機，用紅外傳感器和光電傳感器將信號傳給AT89C51單片機完成了機器人的自動避障和防跌落功能，在相關(guān)機械結(jié)構(gòu)的配合下能夠有效地完成清掃工作。關(guān)鍵詞：掃地機器人，智能化，傳感器，單片機， 避障Design of Automatic Sweeping RobotABSTRACTWith the continuous progress and development of technology and society, the application

6、of robots has expanded from industry to other fields. In particular, service robots have penetrated our lives, work and economic aspects, and have played a great role. The sweeper robot is the most close to the human robot, it can replace people to complete the cleaning of the family ground, most li

7、kely to enter thousands of families to become part of the family life. It involves mechanical, electronic and computer related knowledge. It integrates mobile robot technology and cleaning technology into one. The research and Realization of automatic sweeping robot technology is aimed at changing p

8、eople's life through technology. It has become the most challenging research topic in the field of household appliances. This paper mainly introduces the mechanical structure design and control system design of the automatic sweeping robot. The whole shape uses round cake, the motion mechanism a

9、dopts three wheels, and the rear wheel of the front wheel is driven by two motors respectively. The cleaning mechanism adopts the transmission scheme of the worm drive and the belt wheel, and the control part adopts the switch circuit. Starting brush motor, The drive motor is controlled by the L298

10、motor drive module. using infrared sensor and photoelectric sensor to transmit the signal to AT89C51 single chip microcomputer to complete the automatic obstacle avoidance and fall prevention function of the robot. It can effectively complete the cleaning work under the coordination of the related m

11、echanical structure.Key word: Sweeping robot, Intelligentization, Sensor, Singlechip, Dodge obstacles目 錄摘 要IABSTRACTII1 前言11.1 設(shè)計要求11.2 課題國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀11.2.1 課題國外研究現(xiàn)狀11.2.2 課題國內(nèi)研究現(xiàn)狀31.3 設(shè)計的目的和意義41.4 設(shè)計的重點難點41.5 本章小結(jié)42 機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計52.1 機械結(jié)構(gòu)組成52.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計選擇52.2.1 機器人外形設(shè)計52.2.2 機器人運動機構(gòu)選擇52.2.3 清掃機構(gòu)的設(shè)計72.3 本章小結(jié)

12、103 機械部分設(shè)計計算123.1 驅(qū)動電機的選擇123.2 清掃機構(gòu)電機的選擇133.3 蝸輪蝸桿的設(shè)計計算133.4 各個軸的設(shè)計計算183.4.1 蝸桿軸結(jié)構(gòu)設(shè)計計算183.4.2 蝸桿軸結(jié)構(gòu)設(shè)計計算193.4.3 清掃軸結(jié)構(gòu)設(shè)計計算203.5 軸的強度校核213.6 本章小結(jié)234 機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計244.1 單片機簡介244.2 單片機的選擇及I/O口設(shè)計254.2.1 AT89C51單片機簡介254.2.2 I/O口定義274.3 控制電路的設(shè)計274.3.1 復(fù)位及晶振電路設(shè)計274.3.2 驅(qū)動輪控制電路設(shè)計28毛刷電機驅(qū)動控制電路設(shè)計294.3.4 避障控制電路設(shè)計304

13、.3.5 防跌落控制電路設(shè)計314.4 本章小結(jié)315 系統(tǒng)程序的設(shè)計及仿真325.1 C語言與匯編語言比較325.2 控制程序設(shè)計325.2.1 避障程序設(shè)計325.2.1 防跌落程序設(shè)計335.3 Proteus模擬仿真345.3.1 Proteus簡介345.3.2 仿真調(diào)試345.4本章小結(jié)356 總結(jié)與展望366.1 總結(jié)366.2 展望36致 謝37參 考 文 獻38附 錄39需要全套資料加QQ1270699904微信zxis199506281 前言1.1 設(shè)計要求自動掃地機器人，它屬于智能家用電器，能夠依靠人工智能，通過設(shè)置就能自動的在所規(guī)定的區(qū)域完成清掃工作。一般都采用毛刷掃地

14、和吸塵方式，把地面雜物用毛刷聚集然后吸入機體的垃圾儲存盒，就能完成地面清掃的功能。一般來說，把能夠完成清掃及吸塵的機器人，都統(tǒng)一稱為掃地機器人。掃地機器人的機身全都是無線機器，整體幾乎都是圓盤型。使用充電電池用于機體運作，操作方式不僅可以用遙控器，又可以是機器人上的操作面板。一般都能設(shè)定時間來預(yù)約打掃，自行返回充電。機體前方有傳感器，可探測障礙物，如感應(yīng)到墻壁或別的障礙物，就會自行轉(zhuǎn)彎。通過本次畢業(yè)設(shè)計將所學(xué)機械知識和電氣知識巧妙結(jié)合，設(shè)計出滿足要求的機電一體化自動掃地機器人。1.2 課題國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀自動掃地機器人作為智能移動機器人對其的研究開始于20世紀，到現(xiàn)在為止迅速發(fā)展的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)

15、，使服務(wù)型機器人漸漸出現(xiàn)在大眾市場，為人們的智能化和科技化生活提供了許多便利。掃地機器人已經(jīng)成為了一款必不可缺的智能家居，具有一定化的人工智能，能夠不依靠人自己進行掃地工作，從而解放了人們的雙手，提高了人們的工作效率。掃地機器人的快速發(fā)展帶動了家庭服務(wù)行業(yè)機器人的快速發(fā)展，還促進了機器人技術(shù)中圖像及語音識別、傳感器等有關(guān)技術(shù)的發(fā)展。因此設(shè)計一個合理掃地機器人具有很大研究意義。通過改造掃地機器人的部分機械結(jié)構(gòu)及怎樣使用合理的控制系統(tǒng)，將對掃地機器人的性能改進具有很大的提高?，F(xiàn)把自動掃地機器人的國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀分析如下： 課題國外研究現(xiàn)狀世界上最先出現(xiàn)的掃地機器人是由瑞典的家電巨頭伊萊克斯1996

16、年制造的，它被叫做“三葉蟲”掃地機器人，“三葉蟲”有現(xiàn)在智能掃地機器人的很多元素，只是功能沒有那沒齊全。外觀設(shè)計上，它采用圓餅形設(shè)計，塑料外殼，高度只有13cm，直徑35cm，它可以鉆到桌子和床底下等人們難以清掃的狹小空間清理；在導(dǎo)航上，三葉蟲”掃地機器人是通過超聲波探測躲避障礙、定位及規(guī)劃路徑；避障上，第一代“三葉蟲”掃地機器人功能不夠完善不能很好躲避障礙物，雖然第二代機器人安裝了了紅外傳感器，但是還是沒有下視探頭，所以只能在水平方向上躲避障礙物，在需要通過在有樓梯盡頭和門口出貼上磁條作為虛擬墻防止機器人跌落。“三葉蟲”掃地機器人充電后可以工作近60min，它分三個擋位進行工作：正常、快速及

17、點清理，當機器人的存塵盒充滿垃圾時就會發(fā)出燈光警告。一直到2001年“三葉蟲”清掃機器人才實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，各種性能也得到了優(yōu)化反應(yīng)速度有所提高，“三葉蟲”的出現(xiàn)顛覆了人們對掃地的概念，但是當時非常稀有，所以“三葉蟲”價格非常昂貴。圖1-1 “三葉蟲”掃地機器人隨后，iRobot公司設(shè)計制造自動掃地機器人Roomba，不斷的升級優(yōu)化，Roomba成為掃地機器人領(lǐng)域的代表產(chǎn)品。最值得提出來的是iRobot公司的Roomba 780智能掃地機器人2012年則作為Roomba系列機器人產(chǎn)品的最高級旗艦型號，以一流的創(chuàng)意贏得了評委的一致認可，奪得“紅點設(shè)計榮譽提名獎”（Red dot design ho

18、norary nomination Award），機器人用光學(xué)和聲學(xué)兩個系統(tǒng)來探測垃圾，就像人的聽覺及視覺感官系統(tǒng)清圖1-2 Roomba 780自動掃地機器人掃地面各種粗細垃圾?？梢晕⌒∮?.3m的細小顆粒，能吸除家中最常見的粉塵和雜質(zhì)粒子等微小的顆粒。機體前端裝有軟性防撞帶，用來防止機器人在運動過程中對家中物品的碰撞，保證墻壁、家具及其它用品不被碰撞，機體裝有六個防跌落感應(yīng)器，通過傳感器感應(yīng)周圍高度，防止機體跌落。Roomba系列的掃地機器人早從2002年開始不斷發(fā)展，經(jīng)歷十幾年的優(yōu)化改進，Roomba系列掃地機器人成為最智能的家用機器人，不管是第一代還是Roomba500以及目前最智能

19、的Roomba980都具有很好自主能力，可以穿梭于房間中各家具縫隙間，快速完成清掃工作，據(jù)傳言這是把用在軍事的“躲避地雷技術(shù)”用到了機器人上。所以Roomba系列當之無愧是自動掃地機器人領(lǐng)域的代表產(chǎn)品。韓國Ottoro掃地機器人，可以說是 “掃地機中的戰(zhàn)斗機”，相當特殊，在機體充電樁上配有一個激光投影儀器，激光在房間天花板不同地方投影出不同圖案用作定位。機器人的正前方有兩個攝像頭用來觀察正前方的情況，當遇到障礙物時自動繞過障礙物進行清掃。Ottoro沒有用常用的毛刷掃和吸取結(jié)合方案，它裝配了一個強力的真空吸塵器。Roomba780需要30分鐘打掃的區(qū)域，Ottoro只要十多分鐘。Ottoro機

20、器人的實現(xiàn)在軟件及硬件上都有很高的要求，所以價格相對非常昂貴，一臺Ottoro的價格一般情況可以買10個Roomba, 因此Ottoro還是極少數(shù)人使用。 課題國內(nèi)研究現(xiàn)狀在國內(nèi)一些大學(xué)對掃地機器人進行了許多的研究并且取得了不少成果，對掃地機器人一些技術(shù)比如機器人定位、驅(qū)動、路徑規(guī)劃、機器人感應(yīng)等技術(shù)的研究更深更多，都為掃地機器人的研究發(fā)展鑒定技術(shù)基礎(chǔ)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)目前一直致力于掃地機器人這方面的研究，與香港中文大學(xué)聯(lián)合，開發(fā)出了一種全方自主位移動掃地機器人。浙江大學(xué)于1999年開始進行智能掃地機器人的研究，經(jīng)過兩年努力成功設(shè)計國內(nèi)第一個能夠初步自主掃地的機器人。國產(chǎn)服務(wù)機器人方面，小米公司

21、掃地機器人、蘇州科沃斯、蘇州地貝地貝等產(chǎn)品水平已經(jīng)與Roomba掃地機器人相近，其產(chǎn)品包含了機器人定位、機器人感應(yīng)、驅(qū)動、路徑規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)。而還有許多其他國產(chǎn)自動掃地機在技術(shù)較差，是市場低端產(chǎn)品，勉強混進國內(nèi)低端產(chǎn)品市場。一方面，這是因為國內(nèi)的機器人技術(shù)起步比國外晚很多；另一方面由于大部分地區(qū)消費水平限制使得自動掃地機在中國的市場接受度還不高。圖1-3 科沃斯地寶朵朵科沃斯掃地機器人是賣得比較火的一款產(chǎn)品，科沃斯在家庭掃地機器人行業(yè)占領(lǐng)先地位，因為每銷售三臺掃地機器人就有兩臺是科沃斯的?？莆炙沟貙毷亲畛Ｓ玫膾叩貦C器人。它適用于家庭、辦公區(qū)及娛樂場所，以及其它一些人員不便進入的地方。它是一個集

22、自動清掃和智能一體的地面清掃機器人，整個清掃過程不需人的插手，還有定點清掃、自動清掃、沿邊、精掃四種工作形式可選，徹底替代人們的雙手。科沃斯掃地機器人利用渦輪系統(tǒng)來提高清掃的動力，從而是機器人打掃房間質(zhì)量有保障，具有防撞和防跌落的功能，及自主充電功能。現(xiàn)已面市的有5系、6系、7系、以及9系等多種產(chǎn)品。地寶可以工作在如地板、瓷磚、地磚、短毛地毯等任何硬地面。1.3 設(shè)計的目的和意義掃地機器人是把移動機器人相關(guān)技術(shù)和吸塵器技術(shù)結(jié)合起來，是一種自動掃地并吸塵的工具，機體裝配了微電腦系統(tǒng)，按照人們的意愿完成清掃房間部分或者全部，代替?zhèn)鹘y(tǒng)繁重的人工清潔工作以及可以清掃人們不能到達的部分。長期的發(fā)展，工業(yè)

23、機器人技術(shù)已經(jīng)接近成熟，服務(wù)機器人也受到世界各國的研究人員重視。應(yīng)用最為廣泛的就是家庭清潔機器人，人類也已經(jīng)邁入了機器人時代的大門，所以服務(wù)機器人將融入人們的生活，像汽車一樣即將成為人們生活必需品。所以，自動掃地機器人開發(fā)和研究不僅有科研上的挑戰(zhàn)，在國內(nèi)又有廣闊的市場前景。自動掃地機器人比普通吸塵器有點主要在，省力省時以及清潔過程一般不需要人們的干預(yù)，比噪音吸塵器小很多，清潔效率高，小巧輕便無死角，總之掃地機器人各方面都優(yōu)于普通的吸塵器?，F(xiàn)在社會發(fā)展迅速，生活節(jié)奏快，人們壓力越來越大，服務(wù)機器人可以幫助然們減輕壓力，它就是結(jié)合傳感器和機器人領(lǐng)域的技術(shù)，本次畢業(yè)設(shè)計準備設(shè)計一部能夠滿足大部分家庭

24、家庭需求而且方便的自動掃地機器人。讓它可以代替家庭人工清掃，使家庭的生活智能化，讓科技更好地服務(wù)于人們。1.4 設(shè)計的重點難點由于掃地機器人體積不能過大，所以怎么設(shè)計和裝配好行走機構(gòu)、掃地機構(gòu)、吸塵機構(gòu)及儲存垃圾機構(gòu)在這小型機器人中非常重要，也并不容易。機器人中清掃機構(gòu)設(shè)計是本次設(shè)計關(guān)鍵部分也是畢業(yè)設(shè)計中的難點。其外形設(shè)計也要考慮清掃后如何垃圾儲存、如何處理以及如何布置吸塵裝置也是本次畢業(yè)設(shè)計中要詳細考慮的問題。避障功能和防跌落功能是機器人很重要功能是本次設(shè)計主要設(shè)計的也是一個難點。1.5 本章小結(jié)本章主要闡述了我所選課題研究背景、目的及意義，介紹了掃地機器人國內(nèi)外的發(fā)展狀況，明確了本次設(shè)計研

25、究的內(nèi)容，并對本次設(shè)計難點進行了總結(jié)，也對文章的結(jié)構(gòu)作簡要的說明。2 機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 機械結(jié)構(gòu)組成圖2-1 掃地機器人大體組成自動掃地機器，顧名思義就是自動行走掃地，因此自動掃地機器人的機械部分主要包括輪子、底盤、外殼、毛刷傳動系統(tǒng)等機器人大體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。2.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計選擇 機器人外形設(shè)計根據(jù)掃地機器人的設(shè)計需求，本次設(shè)計需要設(shè)計出掃地機器人的各個機構(gòu)?？紤]實用性，通過在網(wǎng)上以及淘寶京東各大購物網(wǎng)站查看機器人的外形尺寸，大部分掃地機器人尺寸都以圓盤形，因為圓盤形控制相對簡單，而且不易于房間東西發(fā)生碰撞，所以本次設(shè)計采用圓盤型結(jié)構(gòu)，大多數(shù)機器人直徑在350mm左右，高度

26、一般都在90100mm，我考慮到本次設(shè)計不宜過大，機體必須輕巧，不至于太大過于笨重，高度不宜過大，從而使機器人能夠進入一般低矮環(huán)境進行清掃。所以初定掃地機器人的外形尺寸圓盤直徑350mm，高100mm，底盤需要和地面有一定的距離便于毛刷清掃，此距離不宜過大也不宜過小，過小毛刷旋轉(zhuǎn)被阻礙，過大可能清掃不徹底，現(xiàn)定底盤與地面10mm ，設(shè)計輪子大小過程中，輪子直徑不能大于100mm（機器人高度）。 機器人運動機構(gòu)選擇智能運動的機構(gòu)主要有以下幾種：車輪式、履帶式、腿足式這三種移動機構(gòu)最為常用，還有不常用的比如：步進式、蠕動式、混合式、蛇形式只適用于特殊的場合這里不一一介紹。車輪式：車輪式主要可以行駛在相對平坦，不太復(fù)雜環(huán)境地面上，車輪式比較平穩(wěn)，它按照輪子的數(shù)量可分為：單、雙輪、三輪、四輪。履帶式：履帶式機構(gòu)其實就是輪式結(jié)構(gòu)的延伸，履帶改善了輪子在一些環(huán)境不能運作的情況，履帶的作用就相當于一直在給輪子進行鋪路，它適合在沒有加工的自然路面行走，滾動阻力較小，履帶式適合在松軟的泥沙場地行走，而且履帶式不容易打滑，爬坡和越過溝槽等都比輪式方便，但是重量大，慣性大減震效果不佳，零件易損壞等缺點，目前廣泛運用于大型操作機上。腿足式：機動性好，可以說是一種仿生技術(shù)，他有很好的適應(yīng)能力應(yīng)對各種地面環(huán)境，運動可以做到相當平穩(wěn)，他有許多性能輪式和履帶式是無法達