家用智能清洁机器人-机械部分设计【通过答辩毕业论文+CAD图纸】
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1 家用智能清洁机器人 第一章 绪论 务机器人概述 自第一台工业机器人问世以来，机器人有着突飞猛进的发展。机器人在工业、 国防和科学技术中日益广泛的应用，带来了巨大的经济和社会效益，也有力地推 动了有关学科和技术领域的发展。服务机器人是一个新的机器人研究领域。作为 正在发展新研究领域，服务机器人有许多不同的定义，但它的最基本特征是提供 服务。和工业机器人一样，服务机器人基本上包括机器人的所有基本特性。它往 往和人结合于同一工作环境中，这隐含着许多工业机器人没有的特性，如安全问 题、人机交 互性、在非结构化环境中的高度自治等。目前服务机器人成功应用的 领域有雕刻，消防，清洗，医疗，焊接等等。从长期来看，服务机器人的英勇数 量将会超过工业机器人。 1 1 1 服务机器人的机械结构问题 机械系统是服务机器人系统中的一个重要组成部分，是完成抓取对象实现所 需运动的机械部分。它与一般地机械系统相比，除要求较高的定位精度之外，还 应具有良好的动态相应特性。服务机器人可以是静止或移动的平台。静止平台式 服务机器人通常具有手臂结构它们能用于加油、飞机清洗和辅助残疾人。这种手 臂结构的服务机器人也许会有各种工 业机器人的基本特点，也可能会有移动轮但 它们不用于操纵机器人。通常的服务机器人是可移动的，最典型的移动机器人是 轮式结构，当然也可能有其它方式移方式如步行爬行和飞行等，但它们仅仅用于 不适合轮式机器人的环境中。 1 1 2 服务机器人的适用环境 工业机器人所处的环境为制造环境，即所谓的“结构化”环境，其环境信息 往往 处于非制造环境，即所谓的“非结构化”环境，其环境 信息往往是多义的、不完全的或不准确的。服务机器人通常在非结构化和比较复杂的环境中运行也就是指办公室、公共大楼、超市和家庭等。人和机器人通常共 处 在同一环境中并且环境会出现预料之外的改变，如家具位置的随意摆放、人的 2 随意走动等因而服务机器人必须能自我管理和处理环境中的一切。机器人设计人 员必须能安全地假设许多环境模型来弥补现存环境感知技术的缺点。 服务机器人的最普通的任务是减轻人类的重复或危险的劳动如象运输、救 援、检查、探险等。服务机器人运用于运输，如发送邮件、实验品和药品：运用 于救援，如机器人能实施问题点的勘察，发现入侵者和火灾报警：运用于检查，如 桥梁裂缝检查，核反应堆射线检测和化学泄漏检测。这种类型机器人需考虑它的 机械移动装置、能量存储 、导航和避障。服务机器人在完成某项任务，它必须装 备执行机构和控制系统等，设计人员必须考虑机器人怎样探测和操纵目标，怎样 执行和控制系统的交互，需多少能量才能完成任务等，因而机器人很容易变得复 杂，这是这类机器人快速发展的主要原因。 一个特别适宜服务机器人完成的工作是清洁任务，主要包括室内地面的吸 尘、公共建筑物内的清扫和大建筑物外墙的清洗。智能吸尘器需较大的功率考虑 到它能在床和椅子下移动它形状不能太大，合理的路径规划避障和能耗是智能吸 尘器的主要技术问题。 1 1 3 服务机器人的技术问题 服务机器人需 完成各种不同的服务工作，如何完成特定的任务往往是服务机 器人的核心技术，也是决定服务机器人市场竞争力的关键。如割草机器人的核心 技术是如何低能耗割草，地面清洗机器人的核心技术可能是发展新清洗技术，使 机器人不必携带巨大的水箱。服务机器人作为机器人技术的一个分支，所有服务 机器人或多或少要涉及以下的人工智能技术： 环境感知技术 环境传感器和信号处理方法 控制系统基于模型基于行为等 交互和合作的控制结构 复杂任务的实时规划 仿真技术和环境 人机交互 1 1 4 服务机器人的可靠性和安全性 服务机器 人作为机器人新的应用领域，其使用目的是为了改善人们的生活质 量，服务对象大多是没有使用经验和专业知识的人们，而且大多数服务机器人工 作在与人共处的环境中，直接或间接作用于人，如何处理好人与机器人的相互关 3 系显得尤为重要。同时，服务机器人是一个复杂的机械一机电一电子系统，硬件 上由许多不同的普通元件组成，软件上也不可能十全十美，向传统的机械设备一 样，不可避免的会给人们带来危险，这是用户所不希望的。因此可以说服务机器 人实用化和商品化的关键之在于它的可靠性和安全性 1 1 5 服务机器人的应用 目前，服务机 器人越来越受到企业和商业界的重视，这主要是其所具有的广 大市场和巨大利润所致。服务机器人的出现主要由两个原因：一是劳动力成本的 上升：另一个是人们想摆脱令人烦恼枯燥的工作，如清洁、家务劳动、照料病人 和建筑施工等等。另外，福利事业，特别是老年人人数比例的上升也为服务机器 人创造了一个广阔的市场。目前在欧美、日本等西方发达国家，服务机器人己广 泛应用于五大领域 (医疗福利服务、商场超市服务、餐厅旅馆服务、维修清洁服 务和家庭服务 )。 1. 1. 6 家用智能清扫机器人 目前，在一些发达国家，对办公室、车站、 机场、工厂等场合的清扫已经采用清洁机器人 们希望从繁琐的日常工作解脱出来，使清洁机器人进入家庭已成为可能 洁机器人将会有较好的市场前景 现室内环境半自主或自主清洁，是一种环保、健康、智能型的服务机器人，具有良好的应用前景和广泛的市场需求 与国外相比国内依然处在初步发展阶段。 家用清扫机器人是当今服务机器人领域一个热门研究方向。 虽然已经有很多样机和产品产生，但它们仍有很多的问题需要解决：如动态环境中的适应性，它的覆盖率和覆盖效率极其成本等。吸尘器自主地在房间内吸尘而不需主人太多的干预是一件非常有挑战性的工作，它设计了当前多项人工智能技术，从理论和技术上讲，全自主智能清洁机器人比较具体的体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性，从市场前景角度讲，智能清洁机器人将大大降低劳动强度，提高劳动效率。 在国外，早在 20 世纪 80年代就已经敬爱是智能清扫机器人的研发工作。如今，智能清扫机器人在智能 性和工作效率上和当初有了飞跃的提高。在 中国，智能清扫机器人还是比较新兴的产业。但随着国内市场对智能清扫机器人的需求日益增大，智能清扫机器人已经在国内快速发展，已有多家厂商开始研制适应市场需求的智能清扫机器人 4 内外相关产品研究 地面清洁机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于 20世纪 80 年代 ，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。吸尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。现结合国内外的文献将清扫机器人及其自动充电技术的发展现状阐述如下。 国外产品研究状况 世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的清洁机器人，如图 1有光电传感器和芯片控制，当遇到障碍时，会随机改变一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物。内置了四种清洁程序，保证在遇到不同污渍的地面时，可以调整其清洁程序；通过传感器对于地板污渍的判断，选择合适的应用程序。内置光敏传感器，确保在遇到楼梯与台阶时，能够自动避让，不会掉落。扁平的设计使其能够清洁床，沙发，茶几等家具的下部位置。其相应的充电站有红外发射、工作时间设定、工作模式选择、充电、垃 圾处理五个功能。充电站一直发射红外定位和导航信号来指引机器人回到充电站完成充电和垃圾处理的任务；同时能够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的操作。 在日本，东日本铁路公司、 器公司和 业有限公司联合研制了车站地面清扫机器人，机器人可沿墙壁从任何一个位置自动启动，利用不断旋转的刷子将废弃物扫人自带容器中。该机器人可采用 “磁导引方式”、“示教方式”或 “墙面复制方式”控制。东日本路公司、富士工业有限公司 验室和 方设施管理有限公司联合研制了车站地面擦洗机器人，该机器人工作时一面将清洗液喷洒到地面上，一面用旋转刷不停地擦洗地面，并将脏水吸人所带的容器中。机器人中的感知系统采用光纤陀螺和超声波传感器，自动清洗系统有两种，一种是“面积设定模式”，即将待清洗的面积分为若干个单位面积，按照其存储器中的单位面积识别其行使路线，机器人还可利用其传感器识别和躲避障碍物；另一种叫“路径地图模式”，机器人按照内装的路径地图行使，机器人可存幅地图，并可利用 卡作为外存，在该模式下，机器人不会避障，仅适 5 用于需要反复擦洗的指定地段。 东日本铁路公司和东芝公司联合研制的用于座椅布局简单的列车内部地 面清洗的机器人，其体积小、重量轻、易于出人车厢及在车厢之间运动，感知系统采用超声波距离传感器和光学、接触式的接近传感器；机器人采用推算定位法，利用编码器中的数据，保持自己的位置和路径，若探测到错误位置，机器人会通过距离传感器自动修正；高级的列车地面清洗包括扫除垃圾、喷洒清洗液、擦洗、回收污水、用清水冲洗和给地面打蜡六个步骤。日本静甲株式会社的清水工厂开发出一种自动清扫机器人，可用于各种工厂的清扫工作，机器人采用光纤陀螺控制机器人的方向，采用编码器和超声波传感器测距，采用光学探测器探测障碍物，机器人的四周装有 橡胶垫，橡胶垫内部装有触觉传感器，一旦机器人与人接触，触觉传感器信号会使机器人停下来以保证人的安全。松下和日立公司也研制出了可清扫砖地木质地板和地毯地面的清洁机器人，该机器人采用蓄电池作为动力源，可自动去充电站充电，能够自主避障和路径规划。 松下电器产业公司在 2002 年上半年推出了家庭用清洁机器人的试制机。该机器人可以根据房间的形状、地板状况、垃圾量进行自动清扫，还配备有避开墙壁、炉子等热源以及障碍的安全功能；该机器人配备有 50 个传感器可一边自动行走一边进行清扫，工作时首先沿房间四周走一圈，记忆房间形状，然 后在避开障碍物的同时开始纵横来回移动，清洁工作完成后会自动停止。该机器人清扫一般的日本式房间约需要 9当于人打扫同样大房间所需时间的 ，可清扫房间地板的 92 93；机器人利用光及超声波的测距传感器及感压传感器来避开障碍物，机器人的内置回转传感器用来控制行走姿势以保持既定的行进方向，但在地毯上行走时如果不采取措施则会受到 “地毯花纹”影响而弯曲前进，因此该公司在机器人中安装了方向舵传感器，可以检测出由于地毯花纹影响而产生的行进方向偏差，因此即使在铺有地毯的地板上也能够直线前进，机器人体内 还安装有防止从台阶等高处滚下的落差传感器、感知暖炉等热源的热传感器、检测自身所受外力大小的重量传感器及防滑传感器、检测添加动力的负载传感器，机器人同普通的障碍物最少保持 10距离，而在探测到热源时，将会同热源至少保持 50距离 在日本本土，自动吸尘器市场竞争异常激烈，继东芝之后，夏普也于 2012 年 5月 8日布了新一代智能吸尘器 说名为吸尘器，但 夏普 盘状的外形保证了它能够在地板上 能够出入各种缝隙，机身顶部的 情”，或者根据遥控操作做出回应。在上面的演示视频中，这台吸尘器甚至能够听懂使用者的简单日语，并且能够根 6 据语音命令做出相应的动作。例如，你对着机器人大吼一声：“把房间打扫一下！”，机器人一般情况下会回复：“遵命，主人！”，然后它便开始卖力的工作。但如果机器人心情好，它也会娇羞的回答：“我知道了主人 害羞 ”。 置红外传感器和摄像头，我们可以通过智能手机遥控操作吸尘器，摄像头拍摄到的画面会实时显示在手机屏幕上。此外， 尘器还会对手机的重力感应操作做出相应反馈。由于采用了超声波传感器， 图 1能吸尘器 002年 10月日 ，瑞典的拉克斯电子公司与日本东芝公司共同开发的清洁机器人 “特里洛巴伊特”上市销售，“特里洛巴伊特”主要由清扫机器和超声波传 感器构成，在工作时可避开室内摆放的各种家具用品。只要家庭主妇领着它搞过一次清扫后，它便可以按行走过的清扫线路进行自动清扫。这种机器人是充电式的，每一次充电可连续工作 小时。 瑞典家电制造商伊莱克斯 （ 研制生产的清洁机器人小“三叶虫”高 13 ，直径 35 ，表面光滑，呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一旦微处理器识别出这些障碍物，它可重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被清扫。在楼梯的台阶等一些没有天然障碍物 的地方，只要有一条磁铁，小“三叶虫”便不会跨越。小“三叶虫”开始启动后，体内的搜索雷达会探测出 7 距离最近的墙壁，先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽。这样它便能探测出整个房间的格局，计算出清扫整个房间所需的时间。只要一接近一件障碍物，它便会重新设定行进路线，不会漏掉每一个角落。电线或地毯的边缘不会被认作是 图 1叶虫 障碍物。小 “三叶虫”的吸刷装置中装有一只专利设计滑轮，可以越过电线或地毯边缘，不被绊住。电源不足时，小“三叶虫”会自动回到充电卡座自行充电。如果此时房间还没有清 扫完毕，小“三叶虫”还 有记忆功能，充好电后自己回到原处继续吸尘 。 2003 年 11 月，三星公司推出一款代号为 机器人吸尘器。D 地图技术来进行定位，并能灵巧地躲避障碍物，能够快速、高效地对房间每个角落进行吸尘。当遇到障碍物或者死角等情况， 自动转向继续工作。其强大的智能判断系统使得 器人也允许用户定义它的工作时间及清扫区域等，从而实现主人不在家时机器人也能进行自动清扫。事实上，用户除了可以对它本身进行设置以外，还能通过计 算机查看安装在机器人前部的摄像头进行远程遥控。整个器人的电池能维持它连续工作 50 分钟，而一旦电池处于即将耗尽的状态时它自动回到充电座补充能源，非常地智能化。它回充电站使用的是已经生成的 3不是像 样使用红外的导航信号 。 内产品研究状况 在国内的一些大学，如哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单位也对清洁机器人进行了大量的研究并取得了一些成果，对清洁机器人相关技术如机器感知、机器人导航和定位与路径规划、机器人控制、电源与电源管理、动力驱动等技术的研究则更多，这些都为清洁机器人的 研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。 哈尔滨工业大学于 90年代开始致力于这方面的研究，与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人。该机器人具有如下特点：采用全方位移动技术，使机器人可执行对狭窄区域等死区的清扫任务；采用开放式机器人 8 铰制结构，实现硬件可扩展，软件可移植、可继承，使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性；在拥挤环境下的实时避障功能，能更好地适应不断变化的清扫工作环境；遥控操作和自主运动两种运行方式；吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换，提高了吸尘效率。 浙江大学于 1999 年初在浙 江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人。这种智能吸尘机器人工作时，首先进行环境学习：利用超声波传感器测距，与墙保持一定距离行走，在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时间；之后，利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清扫路径；清扫结束以后，自行回到充电座补充电力。吸尘机器人在 实际家庭环境中，工作 10分钟可以达到 90%以上的覆盖率。更大房间的清扫试验还没有进行。目前，系统正在引入机器视觉和全局 定位功能，力图 在多房间环境下，提高自定位能力、智能决策能力以及回归充电效率，最终提高清扫效率。如图 1 洁机器人是今年在市场以低价位卖得比较火的一款产品，也是国内首个产品化清扫机器人。它广泛用于家庭、办公和娱乐场所，以及其它一些人员不便进入的地方。要人工对其电池进行充电，有三种工作模式可以选择，在启动时伴有音乐声。 图 1 自主充电技术发展现状 在 20世纪 40年代末， 电的移动机器人名为：“，这种机器人具有在神经学研究中向着光线走的行为。 发明了一个可以充电的小橱，橱中有能够发射光束的装置和充电器，并把它当作充电站。通过光线束的引导，机器人来到橱前通过接触从而进行自主充电。这个系统有如下的特征： 9 (1)机器人的感知行为：感光； (2)充电站能够发出机器人可以感知的光束； (3)能够对电池和充电器进行具有一定准确性地对接。 1998年， 过使用导航系统 ，该机器人能够利用地图自主导航绕越实验室的环境到达充电站，通过充电站上一些特殊的装置的作用，实现自主充电。 最近，位于美国的卡内基梅隆大学的机器人研究中心也开发出了一种叫做导游机器人，它是从卡内基梅隆历史博物馆所使用的导游机器人 器人 而自主地寻找充电站实现自动充电。路标被直接放于充电站的插座的正上方，通过它的引导，实现机器人可靠地停靠在预设的充电位置处，从而实现充电，在插座和插孔中间没有别的 东西。在 174天的操作运行中，这个机器人成功地实现 135天无故障地运转。与此同时，大约每九天就偶尔会要人为地进行一些精度校正。 究的目的和意义 吸尘机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来，实现室内环境（地面）的半自动或全自动清洁，替代传统繁重的人工清洁工作，近年来已受到国内外的研究人员重视。作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术方面讲，智能化自主式吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性。从市场前景角度讲，自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于家 庭和公共场馆的室内清洁。因此，开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性，又具有广阔的市场前景。 融合现代传感器以及机器人领域的关键技术，本课题旨在开发一部价格便宜，全区域覆盖，能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家庭清扫机器人。使它可以替代传统的家庭人工清扫方式，使家庭生活电气化、智能化，使科技更好地为人类服务。 第二章 家庭清洁机器人的关键技术 全自主吸尘器通常可由 5个主要部分组成：控制器部分、行走驱动部分、传 感器部分、吸尘部分和电源部分。行走驱动部分是吸尘机器人的主体，决定了吸 尘器的运动空间，一般 采用轮式机构。传感器部分一般采用超声波测距仪、接触 10 和接近传感器、视觉传感器、红外线传感器和 种吸尘器实际上融合了移动机器人和吸尘器技术，故称为智能吸尘器或吸尘机器人。随着近年 来计算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅速发展，吸尘 机器人控制系统的研究和开发己具备了坚实的基础和良好的发展前景。目前发展 较快、对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是：传感器技术、环境建模、定位、 路径规划技术。 感技术 传感器是机器人的感觉器官，负责采集外界环境和自身状态的信息。根据 采 集信息的种类可以分为内传感器和外传感器。内传感器负责采集系统自身状态的 信息，包括编码器、陀螺仪、电子罗盘等。外传感器负责采集系统外部信息，包 括 光雷达、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感 器。超声波、红外和接触传感器，具有价格低廉、工作可靠、速度快的优点，广 泛应用于机器人的局部无碰撞导航。激光雷达是应用较为广泛的一种全局信息获 取手段，可以进行定位和环境建模，但是所提供的信息不全面，并且价格较高， 限制了其应用范围。而 着技术的发 展， 其价格越来越低，在车牌识别、人脸识别、无人监控、遥感图像等领域得到 越来越广泛的应用。但是图象处理的数据量大，算法复杂，特征提取和深度信息 回复困难，所以在机器人视觉方面的应用还是有限的。随着集成电路的发展和计 算机视觉的深入研究， 同时促使机器人智能产生飞跃。 径规划技术 吸尘机器人的路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息 ,按照某种优化指标 ,在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径 ,并且实现所需清扫区域的合理完全路径覆盖。机器人路 径规划研究开始 于 20 世纪 70 年 代 ,目前对这一问题研究仍旧十分活跃。其主要研究内容按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境、动态已知环境和动态不确定环境 ,按机器人获取环境信息的方式不同可以分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。 对运动规划问题 ,目前有具体的解析算 法 。但由于解析算法牵涉到复杂的椭圆积分问题 ,实现起来依然具有相当的难度。根据机器人对环境信息知道的程度不同 ,可以分为两种类型 :环境信息完全知道的全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知 ,通过传感器在线地对机器人的工作环境进行探测 ,以获取障碍物的 位置、形状和尺寸等信息的局部路径规划。全局路径规划包括环境建模和路径 11 搜索策略两个子问题。其中环境建模的主要方法有 :可视图法 ( 自由空间法 (栅格法 (。 尘技术 真空吸尘器是由高速旋转的风扇在机体内形成真空从而产生强大的气流 ,将尘埃和脏物通过吸口吸入机体内的滤尘袋内。吸尘系统包括滤尘器、集尘袋、排气管以及其他一些附件。其吸尘能力取决于风机转速的大小。最近 ,澳大利亚个吸尘器是一个 全封闭系统 ,既无外部气体吸入 ,也无机内气体排除 ,所以就无需滤尘器、集尘袋、排气管等附件。其原理是利用附壁效应去形成低压涡流气体 ,最后将沉渣截留于吸尘器内的涡流腔内。在英国 司最近推出的 智能吸尘器中就采用了这种技术。 吸尘 技术 的基本结构按功能分为五个部分： 1、动力部分：吸尘器电机和调速器。调速器分手控、机控。 电机：有铜线电机和铝线电机之分。铜线电机有耐高温、寿命长、单次操作时间长等优点，但价格较铝线比较高；铝线电机有着价格低廉的特点，但是耐温性较差、熔点低、寿命不及铜线长。 2过滤系统：尘袋、前过滤片、后过滤片。按过滤材料不同又分：纸质、布质、 帕（ 效过滤材料）。 3功能性部分：收放线机构、尘满指示、按钮或滑动开关。 4保护措施：无尘袋保护、真空度过高保护、抗干扰保护（软启动）、过热保护、防静电保护。 吸尘原理 ： 吸尘器的风机叶轮在电动机高速驱动下，将叶轮中的空气高速排出风机，同时使吸尘部分内空气不断地补充进风机。这样不妨与外界形成较高的压差。吸嘴的尘埃、脏物随空气被吸入吸尘部分，并经过漏器过漏，将尘埃、脏物收集与尘筒内。 源技 术 移动电源在吸尘机器人中的地位十分重要 ,可以说是它的生命源。移动电源需要同时满足吸尘机器人的多种能源需要 ,如为移动机构提供动力 ,为控制电路提供稳定的电压和为吸尘操作模块提供能源等。在这一领域 ,一般采用化学电池作为移动电源。理想的电源应该能够在放电过程中保持恒定的电压、内阻小以便 12 快速放电、可充电以及成本低等。但实际上没有一种电池可同时具备上述优点 ,这就要求设计人员选择一种合适的电池 ,尽可能增加吸尘机器人的不间断工作时间。 移动电源目前主流的类型有 五 种： 类型一，带照明功能的移动电源，内置节能超强 常省电。如果单纯用于 据内置电池容量大小可以使用 3小时到 30小时甚至更加，这个取决于移动电源的电池容量。 类型二，只带充电功能的移动电源，这种充电器不带任何什么其他扩展功能。优点是这类型充电器容量大，非常适合做专业外置电源。 ) 类型三，带太阳能板的移动电源，在使用过程中可以通过太阳光充电从而达到补足电量的目的。这类移动电源以前主要应用在特种部队和特殊行业上。民用上随着太阳能板转化率的逐步提高，现在也逐步流行起来。 类型四，使用灵活的柔性单片集成电路 膜太阳 能面板，将 )太阳能储存在蓄电池中，也可以直接将太阳能转化的电能传输给电子设备。在光线不好的条件下，也能将能源捕获效率最大化，可弯曲、防水等优点，相比其他太阳能产品，更加地灵活轻便。 类型五，以最新技术及最安全的锂聚合物电芯生产出的最高质量安全品质的移动电源 ,将电量储存在蓄电池电芯中 ,更高更快的将电量传输到电子设备 边打边充 安全保护的优点 ,相比其他移动电源产品 ,安全性做到了最高 . 不同种类移动电源核心部件，简要的来说有两部分，一是存储电量的介质，而是把其他能量转化成电量 的介质。所以电芯的好坏可以作为衡量移动电源品质的重要标准之一。 境建模 环境建模是移动机器人一个基础而重要的课题。环境建模是在传感器信息的 基础上，对工作环境进行二维或者三维重建。自主吸尘机器人的工作环境为三维 环境，但是它总是约束在地面并且高度有限，因此可以强环境地图简化为二维模 型。地图的形式主要由三种：几何信息表示法，拓扑图表示法和结合几何信息和 拓扑结构的复合方法。几何法可以精确描述环境，但是随着分辨率的提高和环境 面积的增大，数据量迅速增大，很难满足实时性的要求；拓扑地图具有抽象性 的 特点，所以对环境变化和传感器噪声不敏感，并且存储小，但是分辨率较低，所以目前研究者重点放在结合几何信息和拓扑结构的复合方法上。 13 主移动系统 自主移动清洁机器人是自主移动机器人的一种。其最主要的特征是自主移 动性，具有一个移动平台，能够在结构化或非结构化的，已知的或未知的环境 中自主移动。这涉及到传感器技术、环境信息分析、环境建模、通讯、运动控 制以及高级人工智能等多种复杂技术的综合集成。轮式、履带式移动机构在移 动机器人中应用较多。轮式移动机构动作平稳，自动操纵简单，在无人工厂中， 用来搬 运零部件或做其他工作，应用最广泛。轮式移动机构最适合平地行走， 但如果不是特殊结构就不能跨越高度，不能爬楼梯。普通的轮式移动机构一般 有 3个轮、 4个轮或 6个轮它们或使用驱动轮和自位轮，或使用驱动轮和转向 机构。履带式移动机构可以在凹凸的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度 不太高的台阶，但由于没有自位轮，没有转向机构，靠左右两个履带的速度差 来转弯，在横向和前进方向会产生滑动。转弯阻力大，不能准确地确定回转半 径。常见的轮式机构有三轮结构或四轮结构：三轮移动机构结构最简单，控制 最方便，三点确定一个平面。三 轮支撑在理论上是稳定的，但这种装置很容易 在施加到角落的力作用下翻倒，对负载有一定限制。然而对采用三轮移动机构 的机器人来说，重心都比较低，载荷稳定且中心位置基本不发生变化，所以三 轮移动机构应用很广泛。本论文中清洁机器人采用三轮移动机构。 第 三 章 清洁机器人的机械设计 械结构组成和工作原理 3 模块化设计是一种着重解决产品品种、规格、与设计制造的周期、成本之间 矛盾的现代化设计方法，是在对一定范围内的产品或系统进行功能分析的基础 上，划分并设计出一系列功能独立、结构独立的 基本单元一模块，并使模块系列 14 化、标准化，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品或系统，以满足不同需 求的设计方法。模块化设计在技术上和经济上具有明显的优势，经理论分析和实 践证明，其意义主要体现在下述借个方面： 1可以缩短产品的设计和制造周期，从而大大地缩短供货期限。 2有利于产品的更新换代以及新产品的开发，增加对市场的快速应变能力。 3有利于提高质量，降低成本，增强产品的竞争能力。 4便于维修 服务机器人具有环境多义性和高智能化的特点，设计周期和制造成本成为急 需解决的难题。模块化概念的引入为推动服务机器人实用化进程提供了新的思 路，选择适当的模块机器人拓扑关系和标准模块，迅速组成模块机器人是缩短机 器人设计周期和降低成本的有效途径。 目前模块设计主要存在 3个方面问题 块划分的合理，则模块的适应力强，组合性好。要做到这 一点，除进行功能分析之外还应很好的解决模块之间的联系问题，这种联系既要 满足安装、定位的要求，又要满足力流和运动传递方面的需求。 2模块的管理。模块化设计的产品不同常规产品，而是按照模块为单元进行管 理。充分利用现有模块，进行合理 组合，并使能迅速有效的组成满足需要的产品 3解决好造型与冗余结构冗余的问题。模块用于不同规格的产品，常会有尺寸 上的不协调问题，所以在进行模块化设计时必须同时注意其造型。 全自主智能吸尘器应包括吸尘器车体、控制系统、传感系统、行走驱动系统、 吸尘系统和电源系统等组成。其中控制系统包括系统管理单元、运动控制单元等：驱动系统包括移动机构、驱动电机和减速装置等。每个模块系统的在紧密相连的 同时保持很大的独立性，不仅便于设计，安装，调试，而且各个部分都能实现自 己特有的功能。 3 不仅机器人各个 系统采用了模块化设计思想，车体本身的机械设计也采用了 模块化设计思想。整个机器人的机械结构可以分为： 2个后轮驱动系统 ，前轮系统， 吸尘 系统。系统模块都是单自由度和车体基板相连接。机器人本体良好的结构设计是其他各项功能的基础。由于移动机器人所采用的机械传动方式，加工制作等所产生的固有误差，势必对移动机器人的控制带来影响，增加控制难度，所以在机器人本体设计上，要充分考虑这些因素，尽量减小系统的固有误差，为实现更精确的控制创造条件。移动机器人的机械传动尽可能选用一些传动平稳、可 15 靠、简单实用的传动方式。车体的形状，传 感器的种类、数量和位置，软件所采取的算法，这三者必须作为一个整体综合加以考虑才易于使智能吸尘器达到良好的效果。车体形状的选择应该比较优化和适当简化，这样智能吸尘器不仅便于移动和工作，也便于传感器的安装和提高传感器的利用效果，最后对软件的编写也是有利的，比如使程序结构更合理，更简洁，易于阅读，执行速度更快，可靠性提高吸尘器外形将影响它的覆盖区域。好的外形不仅能降低移动机器人的算法复杂程度，而且能减少区域边角的死区，还能降低能耗提高行走精确度。吸尘器外形主要有矩形、圆形。考虑到机构和控制的复杂性本文吸尘器采用圆 形本体，圆形车体的最大优点就是运动灵活，控制简单，不会发生卡死的现象。本文的吸尘器原形样机的车体采用铝合金板经机械加工而成。车体前端是由一套机械装置和光电开关组成，用于检测运动方向上的障碍物。左右二个后轮独立驱动，每个轮子都有电机、码盘、光电传感器，各自是一个独立的系统，只接受控制系统的控制信号和反馈给控制系统运动信息。中间部分是 吸尘 系统，包括 一 个电机驱动的吸尘装置。 16 图 37 3 行走机构、车轮的个数、车轮的平面布置、驱动轮和从动轮的个数及分配对 车体的灵活性、准确定位和导航都有着非常关键的影响。行走机构的决定应以尽 量减少滑动，控制策略不过分复杂，制作相对容易为原则。常见的行走机构有三 轮结构或四轮结构：三轮结构简单、灵活，稳定性稍差；四轮结构稳定性好。一 些结构复杂一些驱动方式有三种：前轮转向前轮驱动，前轮转 向后轮差速驱动， 两后轮独立驱动。前轮转向驱动方式移动灵活、控制精度高，后轮独立驱动方式驱动机构简单、控制精度稍差。综合利弊，本文采用在室内移动机器人中应用广 泛的三轮结构，两后轮独立驱动方式前轮为随动轮靠两后轮之间的速度差来控制 小车的运动方向。前面的万向轮为随动轮，无导向作用轮子的材料采用铝合金加 橡皮护套，既可以避免橡皮轮因压瘪变形导致误差，又可以避免金属轮因摩擦阻 力小导致滑动，两后轮分别由一台直流电机经一对蜗轮蜗杆 变速后驱动。 按照上述的移动结构，清洁机器人采用两直流电动机独立驱动左右两轮的差动方 式，控制简单、精确、易于实现，可以方便地实现吸尘机器人的前进、左转、右转、后退，以及调头等功能，清洁机器人能够在任意半径下，以任意速度实现 转弯，甚至可以实现零转弯半径 (即绕轴中点原地旋转 )。 图 3向轮 18 作 原理 清洁机器人由多个功能模块共同组成，这几个模块共同工作、相互协调、相互作用，保证了机器人能够顺利的进行清扫。具体的工作原理如下清洁机器人的中心是清洁机器人的 对其它各个功能模块进行控制。信息采集模块负责采集周围环境以及机器人本身的各种信息。键盘模块和红外遥控接收模块可以接收人们对机器人的控制信息，然后把信息传 给 接收到需要机器人进行清扫工作的信号 时， 机器人工作的过程中还可以通 过 的显示。 机器人工作的流程如下 : (l) 首先可以通过键盘或者遥控器启动清洁机器人，让它开始清扫工作。 (2) 机器人一旦开始工作，便控制吸尘机构开始吸尘。 (3) 机器人开始工作，传感探测模块就开始不断地采集外部信息，送到 (4) 当路径规划需要机器人实现转向的时候。 分别改变左右轮的速度，通过差速来实现转向。 (5) 工作期间机器人可以通过 示一些相关信息 (比如工作模式、工作计时或温度 )。 (6) 遥控器除了可以控制清洁机器人的启停，还可以对机器人 进行定时，让机器人在一定时间后开始工作或者工作一定时间后停止工作。 洁机器人总体设计 机器人外形设计 根据家庭清洁机器人的设计要求，本次设计的机器人应该包括清扫机构、行走机构、吸尘机构、垃圾收集处理机构，其中清扫机构的设计尤为重要。通过在网上搜索一些相关资料以及在图书馆查阅的资料，初步把机器人的外形设计为长宽均为 40000长方体，但是后来发现所设计的结构的不合理之处，周边有棱角的机器人在躲避障碍物是很不便，非常容易碰到障碍物，而圆形物体则比较容易避开障碍物。因而最终把 机器人的外形设计为圆盘形，其外部轮廓大体如图所示 19 图 3车外形 器人的行走机构设计 为实现机器人的转弯半径为 0，在机器人的行走机构中采用两轮驱动，两个驱动轮对称分布在清扫机构的后方，两个轮子和刷子支撑机体工作和运动，这样设计 既节省材料，又可以使刷子和地面全面的接触，从而利于更彻底的清扫。在机器人转弯时，通过控制行走机构的两个电机的转速及旋转方向，进而控制两个轮子，通过轮子的前后差速运动实现机体的转弯半径 为 0。 图 320 吸尘机构 的设计 因为所设计的机器人它的体积有限制，在直径 为三 百 五十 ，高为一百 七十 的圆内要放置有 行走机构、吸尘机构，同时还得留下放电池、控制中心、观察中心的地方。故将吸尘机构设置如下图所示 图 3吸尘模块 其中包括滤尘袋、吸尘风叶 、吸尘电机、电机箍以及支撑板。吸尘盒、支撑板和电机箍的材料均为工程塑料。这样就保证了吸尘机构体积小，质量轻。 第四章 具体计算 电机选择 (1) 初步估计机器的总重量 为 9千克， G=9*分配到每个轮子上的载荷 位 F=1/3G=1/3*橡胶在优质路面上行走， 取 1 ， ， 则：滚动摩擦阻 力 0 2 9 滑动摩擦阻 力 f =F =前面的总体设计中机器的各个机构的布局安排，车体底盘应至少高于地面10轮子直径 0 R=1/2D=40 轮子行走过程中所受的阻力矩 ： 0* （ 2）工作机要求的功率 9550式中： 1 由 m 260* 取 7.0w则： 5 5 0 10* 5 0 3 ，电机所需的输出的功 率 ,其中 2 则电机所需的输出的功率 = 3） 确定电机 考虑到机器人在转弯时要求其转弯半径为零，这样就要求两个和电机相连的轮子在转弯时必须差速运转从而才能实现转弯半径为零。而要实现差速运转则要 求电机具有调速功能，再由 （ 2）中所算得电机输出功率，从而通过在网上搜索查到了宁波市北仓深港交流调速电机厂生产的 列电机满足设计中所需要的电机要求 ，宁波市北仓深港交流调速电机厂网站上给的产品的技术指标和安装型号中选型号为 出功率为 6W，速度可调范围为 901350r/1200 r/ 动转距为 为其在满足要求的情况下尺寸比我所查到的电机的尺寸都小，所以选用它为驱动机构的电机。 图 4动电机 22 蜗轮蜗杆的选择 （ 1）因为本次设计所用的蜗杆和蜗轮是传动机构功率的输入部分，是机器人 结构中最重要的部分，所以选蜗杆 轴 材料为 40面淬火，硬度 45 50轮齿圈材料为 属 模铸造。 确定许用应力： 应力循环次数 N2 60h=60*206*12000=10* 查 机械设计 得： =230 =90 =82710N. =194 5210926 Y 2） 选择 根据传动比 I=考蜗轮蜗杆参数表，取 4,则 29； （ 3） 先查 机械设计 确定计算公式所需 参数： K ； 取 过跑合可以改善偏载程度，取 1 A； 2 当 4 时， = =入 式中得： 9*3000 0*10*1162 机械设计 得： 155 ； 将这些数据代入接触强度计算公式，求得： 3222212 112194*29155*9 ； 按接触强度要求， 11212 查表选取 m=218mm,4, q=29, 290710 。中心距 82 2 ， 3822 （ 4） 验算初设参数 23 蜗轮圆周速度 1000*60 22s 原估计 32 ，选符。 滑动速度 6/ ，在范围内，所选材料合适。 蜗杆传动效率 根据 查表得 2v， 动效率 0* ， 不符，传动效率应适当降低。 （ 5） 蜗轮当量齿数 22 查得齿形系数 则可求得：1201 Y =入 式中 29* 38 6*F= P a 立，弯曲强度满足要求。 （ 6） 轮几何尺寸计算 蜗杆齿顶圆直径 1111 22 = （ 1* 蜗杆齿根圆直径 *1111 22 =19 （ *c = 蜗轮喉圆直径 *2222 （ 02 x ） 蜗轮齿根圆直径 2*2222 22 由于蜗杆传动效率低所以工作时产生的热量 相对较
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