家居清潔機器人說明書

PAGE目錄第1章緒論 1第1.1節(jié)課題設(shè)計背景 1第1.2節(jié)國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究 21.2.1國外產(chǎn)品研究狀況 21.2.2國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 9第1.3節(jié)研究的目的和意義 11第1.4節(jié)設(shè)計難點 11第2章家居清潔機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 12第2.1節(jié)機械結(jié)構(gòu)組成和工作原理 122.1.1機械結(jié)構(gòu)組成 12第2.2節(jié)家居清潔機器人總體設(shè)計 142.2.1機器人外形設(shè)計 142.2.2機器人的行走機構(gòu)設(shè)計 152.2.3清掃機構(gòu)的設(shè)計 152.2.4吸塵機構(gòu)設(shè)計 192.2.5垃圾收集處理機構(gòu)設(shè)計 19第3章硬件部分設(shè)計 23第3.1節(jié)驅(qū)動電機選擇 23第3.2節(jié)清掃機構(gòu)的電機的選擇 24第3.3節(jié)蝸輪蝸桿的選擇 25第3.4節(jié)清掃機構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計算 29第3.5節(jié)清掃機構(gòu)中蝸輪軸的校核 31第4章控制部分工作原理 34第4.1節(jié)系統(tǒng)硬件設(shè)計 354.1.1控制器的選擇和應用 354.1.2復位電路 364.1.3時鐘電路 38第4.2節(jié)傳感器模塊 384.2.1碰撞傳感器 384.2.2塵倉紅外發(fā)射和接受電路 404.2.3光電編碼器 414.2.4驅(qū)動模塊設(shè)計 424.2.5光電耦合器 43第5章展望 44總結(jié) 45參考文獻 48附錄 49英文原文 52中文譯文 65致謝 72中國礦業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGE74第1章緒論第1.1節(jié)課題設(shè)計背景近年來，隨著計算機技術(shù)與人工智能科學的飛速發(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、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)展本次設(shè)計的題目<<家居清潔機器人>>就是在這種背景下提出的,其具體設(shè)計要求如下：運行機構(gòu)形式：輪式最高行走速度：0.5m高度：<100mm寬度：<400mm清潔方式：吸塵、刷掃第1.2節(jié)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?，F(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。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的操作。如圖1-1所示。圖1-1智能機器人RC3000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。20世紀90年代，美國就推出了地面清潔機器人RoboScrub，該機器人配有激光導航系統(tǒng)，采用超聲波測距和避障，用光碼條實現(xiàn)定位。2002年９月清潔機器人＂Roomba”在美國面市，它重約２ｋｇ，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)”應用到了吸塵器上。Roomba的動作有點兒遲緩，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Roomba在家進行清掃。如圖1-2所示。圖1-2智能清潔機器人Roomba2002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“三葉蟲圖1-3三葉蟲障礙物。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，如圖1-3所示。英國、法國和澳大利亞也都推出過清潔機器人產(chǎn)品。英國Dyson公司最近推出一種型號為DC06的智能吸塵器。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1-4所示,吸塵機器人形狀呈50厘米長的模型汽車狀,重9.2公斤左右,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1-4所示。圖1-4智能機器人DC06澳大利亞的FloorBotics公司最近也研制出可自動行駛并打掃房間的V4型機器人,如圖1-5所示。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,ARNA導航算法引導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。因為機器人導航沿房間的周圍,所以它要創(chuàng)建自己的空間參考圖,機器人不需要任何編程"教它應該去哪里”。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1-5所示。圖1-5V4智能吸塵機器人2003年11月，三星公司推出一款代號為VC-RP30W的機器人吸塵器，如圖1-6所示。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圖1-6三星機器人VC-RP30W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性；在擁擠環(huán)境下的實時避障功能，能更好地適應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5.5×3.5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圖1-7國內(nèi)公司生產(chǎn)的機器人KV8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1-7所示。KV8保潔機器人是目前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具有智能計算機系統(tǒng)、自動螺旋導航系統(tǒng)、記憶系統(tǒng)、21個感應頭。掃地、擦地、吸塵、凈化空氣四大功能同步進行清潔和自動充電功能。第1.3節(jié)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1.4節(jié)設(shè)計難點由前面的設(shè)計家庭清潔機器人的工作內(nèi)容和要求，在寬400高100的體積下如何設(shè)計和布置好清掃機構(gòu)，行走機構(gòu)，吸塵機構(gòu)和儲存垃圾機構(gòu)是本次設(shè)計的重點，機器人中的關(guān)鍵部分清掃機構(gòu)的設(shè)計也是本次設(shè)計中的難點所在。清掃后的垃圾如何處理，以及如何布置吸塵設(shè)備也是本次設(shè)計中需要仔細考慮的問題。驅(qū)動輪的調(diào)速和行走方向的控制，塵倉報警裝置和防碰撞避障控制也是本次設(shè)計中的難點。第2章家居清潔機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計第2.1節(jié)機械結(jié)構(gòu)組成和工作原理本課題要研制一臺結(jié)構(gòu)小巧、靈活，控制簡單、易于實現(xiàn)，初步完成自主移動、自動避障的清潔機器人。整個清潔機器人由機械部分和控制系統(tǒng)兩大部分組成。機械部分包括高強度塑料底盤、外殼、兩個驅(qū)動輪和一個隨動輪。它們是吸塵電機、清潔刷、電池以及控制系統(tǒng)的載體。2.1.1機械結(jié)構(gòu)組成本清潔機器人的結(jié)構(gòu)主要包括以下幾部分:(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。殼體前端和側(cè)面裝有紅外開關(guān)，作為碰撞檢測傳感器。驅(qū)動輪上裝有光電編碼盤，可以對輪速進行檢測和控制，實現(xiàn)定位和行走。(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塵集中于吸風口處，為吸塵機構(gòu)的工作做準備；(3)吸塵機構(gòu)。制造強大的吸力，將灰塵吸入灰塵存儲箱中。移動機構(gòu)是其它部件的載體，機器人移動機構(gòu)按結(jié)構(gòu)分有輪式、履帶式和步行式等。輪式和履帶式機器人適合條件較好的地面，而步行機器人則適合于條件較差的路面。本課題研制的自主清潔機器人工作在環(huán)境較好的室內(nèi)，所以采用輪式移動機構(gòu)較為適合。輪式移動機器人一般有三輪、四輪和六輪，移動機器人若采用三輪結(jié)構(gòu)則比較簡單，能夠滿足一般的需求，應用也比較廣泛;四輪的穩(wěn)定性好，承載能力較大，但結(jié)構(gòu)較復雜;六輪與四輪類似，只不過有更大的承載能力和穩(wěn)定性。在本課題中，清潔機器人的重量不是很大，工作條件是室內(nèi)，也不惡劣，三點確定一個平面，三輪理論上也是穩(wěn)定的。但是對負載有一定的限制，對三輪移動機器人來說，重心都比較低，載荷穩(wěn)定且中心位置基本不發(fā)生變化，所以采用三輪結(jié)構(gòu)就能滿足要求。三輪轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有兩種方式:(1)鉸軸轉(zhuǎn)向式:轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)向電機通過減速器和機械連桿機構(gòu)控制鉸軸，從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。(2)差速轉(zhuǎn)向式:在機器人的左、右輪上分別裝上兩個獨立的驅(qū)動電機，通過控制左右輪的速度比實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。在這種情況下，非驅(qū)動輪應為自由輪。移動機器人若采用鉸軸轉(zhuǎn)向式控制簡單，但精度不是太高;差動轉(zhuǎn)向式控制復雜，但精度較高?？紤]到本課題清潔機器人將來作為服務(wù)型機器人使用，在控制方式上應達到一個較高層次，所以采用差動轉(zhuǎn)向式比較好，并且其運動和轉(zhuǎn)向的精度也高一些。因此本系統(tǒng)的移動機構(gòu)采用的是三輪差速轉(zhuǎn)向式的，如圖2-1所示。圖2-1三輪差速轉(zhuǎn)向式移動機構(gòu)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))［5］。第2.2節(jié)家居清潔機器人總體設(shè)計2.2.1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100mm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2-2所示圖2-2機器人外形圖2.2.2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［5］。2.2.3清掃機構(gòu)的設(shè)計在清掃機構(gòu)的設(shè)計中想到了四種方案：(1)電機帶動直齒輪1，直齒輪1帶動直齒輪2，直齒輪2帶動直齒輪3，直齒輪上的軸連接滾刷，進而實現(xiàn)清掃；如圖2-3所示圖2-3清掃機構(gòu)(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；如圖2-4所示。圖2-4清掃機構(gòu)(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；如圖2-5所示。圖2-5清掃機構(gòu)(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。如圖2-6所示。圖2-6清掃機構(gòu)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2-7所示圖2-7清掃機構(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)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，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200mm的刷子，這樣的話，蝸輪和蝸桿的中心距就必須為100mm,而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)。2.2.4吸塵機構(gòu)設(shè)計圖2-8吸塵機構(gòu)在吸塵機構(gòu)的設(shè)計中將風扇固定在垃圾儲藏室上壁，在風扇上罩一個薄壁腔。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。（其大體圖形如圖所示）通過風扇的旋轉(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。2.2.5垃圾收集處理機構(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2-9驅(qū)動擋板機構(gòu)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另一端上固定的大齒輪帶動和其相連的小齒輪旋轉(zhuǎn)，進而使垃圾收集擋板作揚起動作，將垃圾倒入其后面的垃圾儲藏室。垃圾收集擋板的揚起放下動作通過控制電機的正反轉(zhuǎn)來控制。但是此種結(jié)構(gòu)所占的空間比較大，所示設(shè)計的家庭清潔機器人空間有限，不允許用這種結(jié)構(gòu)，因為如果采用此種結(jié)構(gòu)，將導致其它一些機構(gòu)無法放置，因而此種方案不可行。后來將垃圾收集和儲倉的機構(gòu)設(shè)置如圖2-10所示。圖圖2-10垃圾收集和儲倉的機構(gòu)垃圾儲藏室安放在機體的最后邊，其前端用銷釘連接一個可以繞著銷釘旋轉(zhuǎn)的垃圾收集擋板，擋板用厚度為1mm的鋼板制成，表面光滑，旋轉(zhuǎn)的刷子可以將垃圾直接通過垃圾收集擋板掃到垃圾儲物室里，在儲物室末端，做一個和儲物室相匹配的拉門，其上端用螺釘從外壁擰入掛住在里邊，當準備倒垃圾時，將螺釘擰下來，抽出拉門，傾斜機體即可倒出垃圾。因為清掃部分是家庭清潔機器人的最重要的部分，整個機體的大半質(zhì)量都集中在這一部分。為了減輕機器的質(zhì)量，使其在使用時更方便一些，將這一部分單獨設(shè)計一個固定件固定在機體上，這樣既滿足工作要求又減輕了機體的質(zhì)量。清掃機構(gòu)的固定件如圖2-11所示圖2-11上下支撐體零件圖最終設(shè)計家庭清潔機器人大體布局如圖2-12所示。圖2-12機器人本體

第3章硬件部分設(shè)計第3.1節(jié)驅(qū)動電機選擇(1)初步估計機器的總重量為8千克，g取10kg，則G=8*10=80N則分配到每個輪子上的載荷位F=1/3G=26.7N按橡膠在優(yōu)質(zhì)路面上行走，取，，則：滾動摩擦阻力126.7=0.0267N·m滑動摩擦阻力=F=26.70.1=2.67N由前面的總體設(shè)計中機器的各個機構(gòu)的布局安排，車體底盤應至少高于地面10mm,取輪子直徑D為90mm,R=1/2D=45mm則輪子行走過程中所受的阻力矩：=2.670.045+0.0267=0.147N·m（2）工作機要求的功率式中：0.147N·m由=106.2r/min取則：=3.34W電機所需的輸出的功率,其中0.97=0.8047W彈性聯(lián)軸器傳動效率；軸承傳動效率；齒輪粘合傳動效率。則電機所需的輸出的功率==4.15W（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)上搜索查到了北京歐特利機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的6DK06-2系列電機滿足設(shè)計中所需要的電機要求，網(wǎng)站上給的產(chǎn)品的技術(shù)指標和安裝型號中選型，輸出功率為6W，傳動比為30，轉(zhuǎn)速3000r/min，轉(zhuǎn)距為0.429N.m，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。=28.25第3.2節(jié)清掃機構(gòu)的電機的選擇因為清掃機構(gòu)中刷子的旋轉(zhuǎn)速度只要達到3r/s就可以實現(xiàn)清掃目的，并可以把垃圾掃到垃圾儲藏室中，又因為皮帶輪的傳動比設(shè)計為1：1，所以要求蝸輪的轉(zhuǎn)速大約為180r/min到210r/min左右即可完成清掃任務(wù).1.884m/s8.7W=1.1×8.7=9.57W=0.96（V帶傳動效率）；=0.9(蝸桿傳動效率)；=0.97(聯(lián)軸器傳動效率)；=0.98(軸承傳動效率)==0.65因而選電機型號為G30.0,轉(zhuǎn)速為3030r/min,功率為10W，電壓24V.其尺寸較小，又能滿足工作需要，所以選用它來做為清掃機構(gòu)的動力輸入部分。第3.3節(jié)蝸輪蝸桿的選擇(1)蝸桿傳動效率=10××=10×0.97×0.81=7.9W估算認為機器人每天工作2小時，一年300天，5年。因為本次設(shè)計所用的蝸桿和蝸輪是清掃機構(gòu)功率的輸入部分，是器人結(jié)構(gòu)中最重要的部分，所以選蝸桿材料為40Cr，表面淬火，硬度45～50HRC,蝸輪齒圈材料為ZcuSn10Pb1,金屬模鑄造。確定許用應力：蝸輪的基本許用接觸應力[]‵=200N/應力循環(huán)次數(shù)N60nL=60*206*3000=0.371接觸強度的壽命系數(shù)==0.8488則蝸輪許用接觸應力=0.8488×200=169.76N/蝸輪的許用彎曲應力由式得：=[]'查表得：[]'=51N/彎曲強度的壽命系數(shù)==0.6693則蝸輪的許用彎曲應力=0.6693×51=34.1N/（2）齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算10K根據(jù)傳動比I=14.5，參考蝸輪蝸桿參數(shù)表。取蝸桿頭數(shù)=2蝸輪齒數(shù)=i×=14.5×2=29蝸輪轉(zhuǎn)矩=9.55×/=349.7N載荷系數(shù)K=查表7.8=1=1.2=1K=1×1.2×1=1.2材料彈性系數(shù)=155=1.4查機械設(shè)計手冊m=1q=18.0中心距=23.5mm==1×29=29mm=18mm蝸輪圓周速度=/60000=0.32m/s符合估計（3）.齒根彎曲疲勞強度校核計算'查機械設(shè)計書（表7.9）=2.46=×2.46=3.96N/<[]'彎曲強度足夠，滿足要求。（4）.蝸桿、蝸輪幾何尺寸計算蝸桿齒頂圓直徑=20mm（）蝸桿齒根圓直徑=15.7mm（=0.2）蝸桿齒寬=12.74mm取=13mm蝸輪喉圓直徑=31mm（）蝸輪齒根圓直徑26.6mm蝸輪外圓直徑=31+1.5×1=32.5mm蝸輪寬度=15mm由于蝸桿傳動效率低所以工作時產(chǎn)生的熱量大。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起主要影響，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。由以上可知，在本次設(shè)計中，由于蝸輪下面要加一個皮帶輪，而二者尺寸都不大，因而直接將蝸輪和皮帶輪一起鑄出來，其外廓形狀如圖3-1所示。圖3-1渦輪皮帶輪組合零件圖第3.4節(jié)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。Cr=2.9kN2）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)計書P160表10.5；Y-軸向載荷系數(shù)，其值見機械設(shè)計書P160表10.5；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10.6（機械設(shè)計P160）待求量為R,A值計算軸承所受的徑向載荷R軸承受力如圖3-2所示。圖3-2軸承受力圖經(jīng)計算解得Fr=8.7NFa=24N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==/2=1.5N+=8.7N24×18+×39-×39=0得;=9.85N=-1.15N3)合成支反力==9.96N==1.9N4)計算軸承派生軸向力由表10.7軸承派生軸向力S=/(2y)=4.98N=/(2y)=0.95N5)計算軸承所受的軸向載荷因為S2+Fa=0.95+24=24.95N>S1=4.98N所以軸承1壓緊，軸承2放松所以A1=S2+Fa-S1=19.97N;A2=S2=0.95N6)計算軸承所受當量動載荷軸承工作時無沖擊或輕微沖擊，由機械設(shè)計書（表10.6）載荷系數(shù)=1.0因A1/R1=2>e.查表10.5X1=0.44Y1=1.47故=33.74N因A2/R2=0.5<e查表10.5X1=1Y1=0故=1.9N7)計算軸承壽命因P1>P2，故應按P1計算，由機械設(shè)計書（表10.3）取溫度系數(shù)=1所以==1.54*h所以符合要求。第3.5節(jié)清掃機構(gòu)中蝸輪軸的校核1)初步估算軸的直徑選取45號鋼作為軸的材料，調(diào)質(zhì)處理由式得：查表8.6取A=116則8.31mm2)計算作用在蝸桿上的力=8.7N=3NFa=24N3）繪制軸的彎曲圖和扭曲圖（1）求軸承反力圖3-4H水平面=1.5N=1.5NV垂直面=9.85N=-1.15N(2)求蝸桿中點處彎矩H水平面=58.5N.mmV垂直面=384.15N.mm=44.85N.mm合成彎矩MM1=442.65N-mmM2=397.8N-mm扭矩T=26.8N-mm(3)按彎扭合成強度校核軸的強度當量彎矩=，取折合系數(shù)=0.6，則當量彎矩=496.7N-mm當量彎矩圖見圖3-4軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由機械設(shè)計書（表8.2）查的640N/==1.21N/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4章控制部分工作原理本系統(tǒng)的功能模塊關(guān)系如圖4-1所示。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，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。當接收到塵倉模塊信號后，蜂鳴提示用戶可以清除垃圾盒內(nèi)的垃圾。機器人工作的流程如下:(1)首先可以通過啟動清潔機器人，讓它開始清掃工作。(2)機器人一旦開始工作，便控制清掃機構(gòu)進行清掃、吸塵機構(gòu)開始吸塵。(3)當遇到障礙物需要機器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的時候。CPU就分別改變左右輪的速度，通過差速控制來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。圖4-1系統(tǒng)功能模塊關(guān)系圖第4.1節(jié)系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1.1控制器的選擇和應用為控制系統(tǒng)選擇合適的控制十分重要，考慮到控制系統(tǒng)總體設(shè)計的需要選用AT89C51單片機作為主控芯片。AT89C51是一種低功耗，高性能，內(nèi)部帶有4K字節(jié)的可下載FLASH存儲器、128字節(jié)RAM的8位CMOS單片機。該器件運用了ATMEL公司的高密度非易失存儲器技術(shù)，與工業(yè)標準的AT89C51的指令和管腳排列兼容。芯片內(nèi)可一下載的FLASH存儲器可通過SPI串行接口或通過通用的非易失存儲器編程器對程序存儲器進行系統(tǒng)內(nèi)的重新編程。通過將可下載的FLASH存儲器與通用的8位CPU相結(jié)合，AT89C51成為一種許多嵌入式應用系統(tǒng)中低成本，靈活性好的單片機。其主要特點如下:（1）與MCS一51'u產(chǎn)品兼容（2）一個8位的80C51微處理器（3）片內(nèi)256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM/SFR,用以存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果，最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。（4）4K字節(jié)可系統(tǒng)內(nèi)重復編程的FLASHEPROM（5）兩個16位的定時/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設(shè)置成計數(shù)方式，用以對外部事件計數(shù)，也可以設(shè)置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)器或定時的結(jié)果實現(xiàn)計算機控制。（6）4個8位并行I/O端口P0~P3,每個端口既可以用作輸入，也可以用作輸出。（7）具有5個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)。（8）一個全雙工UART的串行I/O口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機之間或單片機之間或單片機與PC機之間的串行通信。（9）片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接，最高允許振蕩頻率為24MHz。(10)89C51單片機與8051相比，具有節(jié)電工作方式，即休閑方式及掉電方式。4.1.2復位電路通過某種方式，使單片機內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復位。為使單片機正常工作，必須保證良好的復位。復位可分為上電復位和外部復位兩種方式。上電復位是指單片機在接通電源時對單片機復位。外部復位可由外部脈沖復位或由手動復位。本系統(tǒng)中手動復位由復位按鈕完成。復位電路的參見圖4-2圖4-2復位電路主單片機的復位包括上電復位和按鈕復位兩部分。上電瞬間，由于電容C,兩端電壓不能突變，所以單片機RST引腳保持高電平。隨著電容上電壓的逐漸上升，RST引腳的電壓逐漸下降。只要合理選擇R,,C、的值使RST引腳上高電平的保持時間超過兩個機器周期，就可以使單片機可靠復位。復位按鈕在控制面板上。當控制面板上的復位按鈕按下時，電流經(jīng)R:和R，構(gòu)成回路，此時與R.相連的RST引腳為高電平，使RST引腳保持兩個機器周期以上的高電平就可以使單片機可靠復位，當松開按鈕后，單片機的復位管腳又恢復到低電平，開始進入工作狀態(tài)。4.1.3時鐘電路圖4-3時鐘電路AT89C51工作的時鐘頻率為0^-24MHzoXTAL1和XTAL2分別作為單片機內(nèi)部反相放大器的輸入和輸出，該放大器可被設(shè)置為片內(nèi)的晶振器?？捎檬⒕д窕蛱沾芍C振器。本文選擇11.0592MHz的石英晶振，30pF的電容構(gòu)成振蕩電路，如圖4-3所示。單片機也可以由外部時鐘源驅(qū)動，此時XTAL1接外時鐘源，XTAL2懸空。第4.2節(jié)傳感器模塊4.2.1碰撞傳感器機器人的碰撞傳感器采用反射式紅外光電傳感器ST198。這種傳感器由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。采用非接觸檢測方式，檢測距離范圍為50-200mm。其電路如圖4-4所示。圖4-4ST198工作電路圖紅外光電二極管發(fā)出紅外線，若前方有障礙物則紅外線被反射回來，照射到光電晶體管的基極使三極管導通，C點電壓為“L";若前方?jīng)]有障礙物則紅外線不被反射回來，光電三極管處于截止狀態(tài)，C點電壓為“H"利用C點電位的變化即可判斷前方障礙物的有無。它的相關(guān)參數(shù)如下表:表4.1紅外光電傳感器ST198的相關(guān)參數(shù)項目符號數(shù)值單位輸入正向電壓50mA輸入反向電壓6V輸入耗散功率75mw輸出集-射電壓25V輸出射-集電壓6V輸出集電極功率50mw工作溫度-25-654.2.2塵倉紅外發(fā)射和接受電路塵倉的發(fā)射和接受使用普通的紅外對管，頻率一致，發(fā)射管只用一個I/O引腳控制紅外線發(fā)射管是否發(fā)射，發(fā)射開關(guān)的命令由單片機給出；接收管的電壓變化通過兩級放大給單片機的A/D模塊，通過判斷模擬電壓的值判斷塵倉灰塵的多少，超過一定閥值，即塵倉已滿，需要報警提醒用戶除塵。塵倉紅外接收發(fā)射和接收圖蜂鳴電路4.2.3光電編碼器編碼器是用于檢測移動機器人的位置和速度的傳感器，通常編碼器安裝于驅(qū)動軸或電機軸上。在移動機器人中，機器人的移動距離檢測和2個驅(qū)動輪同步，通常使用增量編碼器來實現(xiàn)。增量編碼器通常包含1個有數(shù)條長槽的圓盤和光電發(fā)射接收裝置，紅外線發(fā)射器和接收器分別位于圓盤兩側(cè)。當編碼器的圓盤隨驅(qū)動軸同步旋轉(zhuǎn)時，紅外線間隔地通過圓盤被接收器接收，從而產(chǎn)出一定頻率的脈沖，再通過微處理器計數(shù)就可以計算出機器人的移動距離和速度。但這種編碼器的缺點是無法知道驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動方向，當驅(qū)動輪反向轉(zhuǎn)動時，驅(qū)動程序仍然累加計數(shù)，與方向未改變時一樣。相位編碼器能解決這一問題。在相位編碼器中，將2個編碼傳感器同時安裝在一個驅(qū)動軸上，并偏移一定角度，使產(chǎn)生的波形相位角相差1/4周期。工作原理如圖4-5。圖4-5增量式光電編碼器原理4.2.4驅(qū)動模塊設(shè)計1）行走機構(gòu)驅(qū)動模塊微型直流電機以其良好的線性特性，優(yōu)異的控制性能和非常高的效率廣泛的應用于小功率系統(tǒng)中。MCS-51系列典型產(chǎn)品AT89C51具有兩個定時器T1和T0。通過控制定時器初值T0和T1，從而可以實現(xiàn)從AT89C51的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。不過，其輸出地PWM波功率有限，須由驅(qū)動電路放大后才能驅(qū)動電機.L298N是專用驅(qū)動集成電路，屬于H橋集成電路，與L293D的差別是其輸出電流增大，功率增強。其輸出電流為2A，最高電流4A，最高工作電壓50V，可以驅(qū)動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機控制。當驅(qū)動直流電機時，可以直接控制兩路電機，并可以實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。本模塊具有體積小，控制方便的特點。采用L298N驅(qū)動。2)清掃機構(gòu)電機驅(qū)動清掃，吸塵電機都是由繼電器驅(qū)動的，AT89C51的I/O口只需要給一個信號，由三極管做開關(guān)驅(qū)動繼電器，線圈通電，長開端閉合，就可以驅(qū)動電機。電路圖如圖4-6所示。圖4-6清掃電機驅(qū)動模塊4.2.5光電耦合器后向通道往往所處環(huán)境惡劣，控制對象為驅(qū)動機構(gòu)，電磁干擾較為嚴重，為防止干擾竄入和保證系統(tǒng)的安全，常常采用光電耦合器，用以實現(xiàn)信號的傳輸，同時又可以將系統(tǒng)與現(xiàn)場隔離開。光電耦合器電路圖，如圖4-7所示。圖4-7光電耦合器電路第5章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,應該看到藍牙技術(shù)在家電行業(yè)的應用前景,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。

總結(jié)以上就是本次設(shè)計的全過程。這次設(shè)計不僅使我對所設(shè)計的產(chǎn)品有了更深的了解，還使我學到了許多在書本上學不到的東西，這對我以后走上社會，走向工作崗位都有十分重要的意義。畢業(yè)設(shè)計是綜合運用所學知識進行設(shè)計實踐的環(huán)節(jié)，為對我們在生產(chǎn)實際中進行調(diào)查研究的能力、觀察問題、分析問題能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。通過畢業(yè)設(shè)計的鍛煉，我們運用所學知識的能力、解決問題的能力、創(chuàng)新設(shè)計的能力都得到了很好的鍛煉和加強。畢業(yè)設(shè)計使我學到了不少新知識和研究方法，完善了知識結(jié)構(gòu)，它使我在大學里所學的基礎(chǔ)理論知識、專業(yè)技術(shù)知識得到了融會貫通。通過做家居清潔機器人設(shè)計，使我增強了解決實際生產(chǎn)問題的能力，讓我深刻認識到了理論與實踐相結(jié)合的重要性。一個學期的畢業(yè)設(shè)計使我感悟甚深：首先，讓我了解到理論與實踐相結(jié)合的重要性。以前在學習理論課、基礎(chǔ)課的時候，自己不十分注意理論聯(lián)系實際，眼高手底，忽略了很多問題。通過畢業(yè)設(shè)計使我認識到只有把所學知識運用到實踐中去才能發(fā)揮知識的最大魅力。畢業(yè)設(shè)計運用到了以前所學基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)知識，使得我們對自己所欠缺的部分得到了補充，因此畢業(yè)設(shè)計也是對以前所學知識的總結(jié)。其次，獨立思考問題、解決問題的能力。小組集體討論固然重要，但個人的獨立思考問題、解決問題的能力也必不可少。在做畢業(yè)設(shè)計期間，從方案的論證到具體的設(shè)計，查閱了很多的資料，豐富了自己的知識面。畢業(yè)設(shè)計讓我從傳統(tǒng)的被動性學習，轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃有詫W習；從閉門讀書、死記硬背模式學習，轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯啃浴⒑献餍詫W習；使工作、學習、生活步入系統(tǒng)化流程等，我認為這種改變是質(zhì)的飛躍。經(jīng)過一個學期的磨練和奮斗，感覺自己進步很大，發(fā)現(xiàn)了自己的能力和未被挖掘的潛力。畢業(yè)設(shè)計不僅使我完善和復習了以前所學知識，同時從老師和同組同學那里學到了在課本上學不到的知識。它們將對我以后的工作、學習和生活產(chǎn)生深遠影響?？傊?，一句話，畢業(yè)設(shè)計使我受益匪淺！然而這次設(shè)計中也存在著少許不足：由于其他一些事情干擾，本次設(shè)計并沒有做的十分完美。對于我所設(shè)計的產(chǎn)品的一些細節(jié)理解不夠深入。本次設(shè)計是在吉導師耐心指導和悉心關(guān)懷下完成的，他對我們的高度責任心，給我的學習、生活和工作有很大的影響，并將激勵我永遠奮發(fā)向上。

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附錄產(chǎn)生PWM波形程序如下：LOOP:JBC TF1,CPLP；等待定時時間到AJMPLOOP；CPLP:MOVTL0,#0CEH；定時器重裝MOVTH0,#0FFHJBP2.0,CPLP1；P2.0為高電平則轉(zhuǎn)CPLP1AJMPCPLP2；否則轉(zhuǎn)CPLP2AJMPLOOP；CPLP1:DJNZR2,LOOP；R2減一不等零等待CPLP2.0；等零則取反P2.0MOVA,R5；計數(shù)器重裝MOVR3,AAJMPLOOPCPLP2:DJNZR3,LOOP；R3減一不等零等待CPLP2.0；等零則取反P2.0MOVA,R4 ；計數(shù)器重裝MOVR2,AAJMPLOOPENDINTEX1:PUSH PSW；壓棧控制字PUSHACC；壓棧累加器JNBP1.1,IR1；若P1為0則轉(zhuǎn)對應的中斷JNBP1.2,IR2JNBP1.3,IR3INTAN:POPACCPOP PSWRETIIR1:MOVA,R4；交換R4，R5的內(nèi)容換向XCHA,R5MOVR4,AAJMPINTAN；中段返回IR2:CJNER4,#14H,GO1；判斷R4不等于20轉(zhuǎn)GO１AJMPINTAN；中斷返回GO1:INCR4；R4的內(nèi)容加１DECR5；R5的內(nèi)容減１調(diào)速AJMPINTAN；中段返回IR3:CJNER5,#14H,GO2；R5不等于２０則轉(zhuǎn)GO2AJMPINTAN；中斷返回G02:INC R5；R5加一DEC R4；R4減一AJMPINTAN；中斷返回

英文原文Homecleaningservice-orienteddevelopmentandcurrentsituationoftherobot1.IntroductionInrecentyears,withtherapiddevelopmentofChineseindustry,cleanerproductionandsalesvolumehasincreasedsignificantlyinChina'smarkethasgreatvitality.Withthesocialprogressanddevelopment,people'smaterialandspiritualimprovementofthequalityoftheurgentneedtocleanfromtheheavyworkout.Thusthebirthofaservice-orientedhomecleaningrobots,mobilerobotswillbecleaningtechnologyandtheorganicintegrationoftechnologytoachievethefamily,hotels,officebuildingsandotherindoorenvironmentcleanandsemi-automaticorfullyautomatic,sohasabroadmarketprospects.Inthispaper,cleaningrobots,onthedomesticandforeignresearchanditskeytechnologiesareintroduced,Andthedevelopmentofcleaningrobotsinthenearfutureanumberofissueswerediscussed.2.CleaningrobotresearchathomeandabroadInEurope,AmericaandJapanandotherdevelopedcountries,thedevelopmentofcleaningrobotsearlier,isalsoawiderrangeofapplications,thelasttwoyears,hasdevelopedawiderangeofmarket-orientedintelligentcleaningrobot.2.1JapanproducedvacuumcleanerJapansomecompanytopromotethefamilyin2002tousevacuumcleanerrobot'strialsiezetheopportunity[1]inthefirsthalfoftheyear.Thisrobotmaywhenaccordingtotheroomshape,thefloorcondition,thequantityofrefusecarriesontheautomaticcleaning,thework,firstalongtheroomallaroundwillwalkamemoryroomshape,then,whileavoidstheobstaclebyvertical,thecrosswisewaybackandforthtomovecarriesoncleanly,aftertheclearingcompletes,theautomaticstopping.Thisvacuumcleanerrobotequipmenthas50sensors,butontheotherhandontheonehandwalksautomaticallycarriesonthecleaning.Itusesthelightandtheultrasonicwaverangefindersensor,thefeelingpressesthesensortoavoidtheobstacle;Built-inhastherotationsensor,usesfortocontrolwalkstheposturemaintainsdecidesmarchesforwardthedirection;Hasinstalledtheruddersensor,mayexaminemarchesforwardthedirectionerrorwhichproducesasaresultoftherugpatterninfluence,eveniftherefore,intheshophasonrug'sflooralsotobeablethestraightlineadvance.Inaddition,thisrobotinvivoalsoinstallshaspreventsheatsourceandsoondroppingvariancesensorwhich,sensationwarmingstovefromhighplacesandsoonstairrollsdownthermalsensors,toexamineownreceivestheexternalforcesizedefiniteweightsensorandtheskidresistantsensor,theexaminationincreasepowerloadsensor.Itmaymostlittlemaintainwiththeordinaryobstacle10cmthedistances,butwhensurveystheheatsource,willhandlejointlywiththeheatsourcewillmaintainatleast50cmthedistances.Itscontoursizeforwide292mm×long367mm×high265mm,heavy9.8kg,themaximumtravelingspeedis30cm/s.Whenthesensorsurveysonfloor'strash,willenhancethesuctiontousual15times,simultaneouslythetravelingspeeddropwillbe15cm/s,willcarryonthecleaningcarefully.Willnotbehavingtrashplacebythe30cm/sspeedmigration,thesuctionalsotoreduce,achargemaywork55min,willsweepclear80m2therooms,willvacuumthepoweris90W.2.2Australia'sV4vacuumsrobotAustraliasomecompanyalsotodevelopmaygoautomaticallyandcleantheroomtheV4robot,thiskindofcompletelyautomaticvacuumcleanersurfaceissmooth,thevolumeisverysmall,assumesthecircular,thebuilt-inacquisitionradar,maysearchineachkindofroomeach,willnotcollidethefurnitureorotherobstacles.Microprocessesthesmallcomputertocauseittohaveisturningtotheroofpinnacleplacecansu