iRobotRoomba扫地机器人的设计（全套含CAD图纸及三维模型）
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包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 地机器人的设计 摘 要 清扫机器人有四项关键技术，包括：传感技术、路径规划技术、吸尘技术和电源技术，这四项技术对清扫机器人的发展起着至关重要的作用。本文主要介绍了目前国内外清扫机器人的研究现状以及机器人的结构设计和程序设计。总体来说，机器人的研究已经很深入了但还是存在不足。清扫机器人结构主要包括行走结构、清扫结构、吸尘结构和擦地结构。清扫机器人的程序设计主要包括单片机系统控制程序、驱动电机控制程序。 关键词： 清洁机器人 智能控制 运动原理 结构设计 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 I of a in of at of is CU 含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 录 摘 要 . I . 录 . 错误 !未定义书签。 第 1 章 前言 . 4 . 4 外研究现状 . 4 内现状 . 6 . 7 . 7 第 2 章 机器人的结构设计 . 8 . 8 器人的结构组成 . 8 作原理 . 10 总体设计 . 11 器人本体硬件结构 . 12 洁机器人充电站硬件结构设计 . 14 第 3 章 具体计算 . 16 . 16 . 17 . 20 . 20 扫机构中涡轮轴的校核 . 22 第 4 章 清洁机器人软件程序设计 . 23 . 23 钟与设置程序 . 23 经显示程序 . 24 . 26 机正反转控制 . 26 机转速控制 . 26 机反馈控制 . 27 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 V . 27 知环境探测 . 27 现避障的方法 . 28 4 4路径规划 . 29 器人的路径规划方法：栅格法 . 29 器人的路径算法：往复式算 法 . 30 复式性能分析 . 31 第 5 章 自主充电技术研究 . 32 . 32 . 32 动充电总体方案 . 32 池电压监控 . 33 外发射电路 . 34 外接收电路 . 34 . 34 系统软件设计 . 35 结论 . 36 感谢 . 37 参考文献 . 37 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 第 1 章 前言 在最近这几年， 人工智能技术、传感器技术和移动机器人技术都得到了飞速发展和提高，这些技术和清洁机器人息息相关，这些技术得到了提升也就意味着会有更加完善的清洁机器人诞生，这同样意味着清洁机器人的未来更加 值得我们期待 。随着我们对清洁机器人研究的不断加深，已经有不少种类的清洁机器人进入了我们的日常生活。当我们工作一整天之后，拖着疲惫的身体回到家中却看到地上满是垃圾，这会让我们感到更加的疲累，不过只要家里有了清洁机器人，这种情况就不会发生。当我们外出工作的时候，机器人就可以把家里打扫的干干净净，当我们回到家里的时候就会有一种伤心悦目的感觉，全身的疲惫都会一扫而空。本次的论文就是关于 器人的设计 。 1904年第一台扫地机在英国问世，从那个时候开始，扫地机进入了人 们的生活当中。随着时间的流逝直到现在，扫地机得到了长足的发展。在人们的日常生活中，扫地机发挥的作用也越来越大。接下来，介绍几种比较经典的清洁机器人。 外研究现状 德国 司生产的 1，如图 1示，这款机器人的内部装有芯片控制系统以及光电传感器，一旦机器人在清扫过程中检测到杂物的存在，它就可以随机的改变行进的方向，继续进行打扫，一直到打扫工作彻底完成。当电源电压不足时，它会自主地返回充电站进行充电。在这款机 器人的内部一共设置了四种清洁程序，机器人会根据环境的不同来选择最合适的程序进行打扫。在机器人的内部装有光敏传感器，当机器人打扫到距离楼梯或者台阶的边缘很近的时候，传感器就可以检测到楼梯和台阶的存在，然后机器人就会自动远离，这就避免了机器人可能发生的跌落以及因跌落造成的损伤。机器人本身的扁平结构，极大地方便了机器人的清扫，一些我们平常不容易打扫的地方，对机器人而言，却可以很轻松地完成，如图 1包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 图 1充电站 图 1扫工作图 “三叶虫” 诞生于英国，这是一款问世较早但功能强大的吸尘器，如图 1它内部装有超声波探测器，可以迅捷地探测到障碍物的存在并绕开 能够自由穿梭清扫，同时可以自主的设计出最优行走路线；这款机器人能够分三个档位来工作：正常、快速和点清理；当机器人的垃圾盒被垃圾充满之后，机器人就会发出警报；如果用户有些地方不需 “三叶虫”打扫，只要贴上特制的磁带就能够限制机器人的打扫范围。“三叶虫”的电源是可充电的，电量充满之后机器人大概可以持续工作 1个小时。 图 1莱克斯的“三叶虫” 2002年 9月清洁机器人“ 美国面世，它的重量大约是 2 千克，直径 30英寸 2。这款机器人拥有高度的自主工作能力，它体积较小，因此能够包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 轻松地把房间内各个角落的垃圾打扫干净。当 “ 行打扫的时候，动作不会太快但是打扫的效果却很好，在主人外出之前，可以设定机器人进行自主工作，当打扫完成之后，机器人就会自主切断电源，进入待机状态，如图 1 图 1国“ 扫机器人 内现状 1999 年初，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，与苏州 司 合作研发，到 2003 年系统在自主能力和工作效率上都有了显著提高 1。机器人工作之前，需要先进行环境探测，从而决定清扫时间；然后，计算出效率高的清洁路径；在打扫完成之后，机器人就会自动返回充电站充电。不过因为系统在进行升级，所以并没有产品进入市场。之后国内推出了机器人 款机器人防跌落，可以自主清扫，同时价格便宜。但是这款机器人没有充电站，只能靠人工进行充电。 国内众多品牌清洁机器人中，科沃斯机器人是比较出名的。市场上平均卖出 3台清扫机器人，当中有 2台就是科沃斯 的。科沃斯清洁机器人利用涡轮增压系统提高机器人的清扫动力，从而使得机器人打扫房间的质量得到保障。这款机器人能够自主选择最佳清洁模式；具有防碰撞，防跌落的设计；预约定时，自动充电，让智慧清洁有始有终。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 图 1沃斯扫地机器人 究的目的和意义 如今社会的发展越来越迅速，生活节奏也越来越快，人们身上的压力也越来越大，所以很少有人会在工作一天后还愿意打扫自己的房间。这就使得清洁机器人有了广大的市场。但是现在市场上存在的机器人质量好的一般价格也比较昂贵，希望通过这次设计，可以降低机器人的生产成 本，使得机器人能够进入更多人的生活当中。 计的重点和难点 本文主要是对 结构进行设计和材料的计算。关于清洁机器人清扫机构的设计是本次设计当中的重点，本文需要介绍机器人的各种功能以及实现该功能的原理。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 第 2 章 机器人的结构设计 器人的结构组成和工作原理 清洁机器人整体上由 2大部分组成，分别是控制系统和机械部分。机器人的整体外观如图 2的机械部分包括 2个驱动轮、 1个万向轮、塑料底盘以及外壳。毛刷、电机、电池和控制系统只有安装在这些部件上面才能 发挥功用。 图 2地机器人 器人的结构组成 （ 1）行走驱动轮及驱动电机。这部分作为机器人的移动机构（如图 2功能就是让机器人在平面上可以自由的行走。机器人的底面有 3个红外探测器，当机器人打扫接近楼梯或台阶时，这 3个红外探测器就可以检测出来，从而防止机器人掉下去。当机器人进行清扫的时候，有可能会碰到桌角或者其他障碍物，这就使得机器人需要避障，而在清扫机器人的的前面和侧面都有红外开关，这就避免了机器人产生碰撞磨损。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 图 2动机构 （ 2）清扫机构。当机器人进行打 扫的时候，首先电机启动，然后带动滚刷转动，这时右面的滚刷做逆时针转动，左面的滚刷做顺时针转动，在这两个清扫刷的共同作用下，垃圾和灰尘都被集中到吸尘器的吸风口。 （ 3）吸尘机构。由吸尘器内的风扇高速旋转产生强大的吸力，把垃圾和灰尘吸入垃圾盒中。 （ 4）擦地机构。前面两部分完成之后，大部分垃圾都扫干净了，但是还有一些细小的灰尘没有扫到，这时候，装在机器人下面的清洁布开始擦地，通过 3重结构保障打扫的高质量。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 0 图 2器人的组成机构 移动机构，清洁机器人的整个机体都在移动结构上面。我们课题的 研究是室内清扫，所以选用的轮式结构。 本次选用轮式结构的机器人，轮式结构机器人轮系通常情况下分为三轮、四轮和六轮等。在这次的设计当中，因为机器人的整个机体并不是很大，只要三个轮子就可以让机器人完成移动。 采用三轮机构，而三轮机构清洁机器人想要实现转向一般情况下只有通过差速转向和铰轴转向这两种方式。而 用差速转向式来实现机体的转向。机器人的机体上一共有 3个轮胎，在机体前端的轮胎是万向轮，机体中间的两个轮子都是驱动轮，当机器人要进行转向的时候，驱动轮上的驱动电机开始运行，这就使得 两个驱动轮产生不同的加速度，从而产生不同的速度，然后整个机器人就完成转向。 作原理 清洁机器人想要完成它的打扫工作，如果它自身什么都没有那就是不可能实现的，因此在机器人机体上面安装了很多个工作模块，在这些模块的共同作用下，机器人才能够实现打扫。 外遥控接收模块和键盘模块主要用于接收主人的指令，然后把指令传给 给机器人开始工作。信息采集模块用于采集机器人的本身信息和周包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 1 围环境的信息。 机器人工作流程如下： （ 1） 开始用遥控器或者键盘把机器人打 开，使机器人进入工作状态。 （ 2） 机器人开始打扫之后，传感探测模块不断地收集外界的信息并把收集的信息传递给 这些信息进行分析、处理最终规划出一条效率最高、同时能够完全覆盖清扫区的路径。 （ 3） 机器人按照路径规划开始进行打扫，当需要转向时， （ 4） 机器人在工作的时候， （ 5） 遥控器主要用来控制机器人，不仅能够控制机器人的启动和停止，除此之外，还可以给机器人进行定时，让机器人在特定的时间段进行工作。 如，房间的长度以及宽度，还有房间内影响机器人打扫的物体的位置。传感器把所得到的信息传递给 理后规划处一条高效率、高打扫质量的路径。 总体设计 2系统是通过充电基站和机器人自身两大部分构成。机器人本身需要完成的是进行地面的打扫，而且机器人还有定时工作的功能，可以在特定的时间段进行工作；可以自主的躲避障碍物；自主的打扫 地面；当检测到楼梯时，自动离开，避免出现碟碰自；机器人还可以在电源不足时主动寻找充电站充电等功能；基站的主要功能就是给机器人充电和发射召回信号。机器人通过这两部分实现自主工作。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 2 图 2构总图 机器人采用轮式差速转向行走机构，如图（ 2机器人中间的两个轮子每个上面都有两个独立的驱动电机来控制轮的速度，通过改变左右轮的速度比来改变机器人的行进方向 9，而安装在机器人前方的轮子则是自由轮。 清洁机器人就是通过这种方式实现自己的移动。 图 2式差速转向行走机构 器人本体硬件结构 片机）、电机驱动器、传感器、转态设置按钮、电源模块和状态显示器等几部分构成，这些模块由单片机包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 3 统一进行管理，共同工作，从而保证机器人的功能实现。其关系图如 (2 图 2洁机器人的硬件控制系统机构图 各模块的主要组成与功能如下： （ 1） 控制器（单片机）主要由单片机 的主要功能是实现各个模块和和控制程序的对接，并实现对整个机器人的控制。 （ 2） 电机驱动器：主要由驱动电机驱动器、毛 刷电机驱动器和吸尘电机驱动器组成，其中驱动电机驱动左右轮从而带动机器人的运动，毛刷电机和吸尘电机负载清洁除尘工作，如图（ 2 图 2动电机 （ 3） 传感器：主要有红外避障传感器、红外防跌落传感器等组成，这些传感器的功能各不相同，但是却能够实现功能互补，从而保证包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 4 机器人工作的顺利进行，它们主要是用来检测机器人当前工作的环境信息以及机器人当前的状态，最终把这些信息传递到 （ 4） 状态设置按钮：对机器人的开始工作、停止工作或者其他的转态进行设置。 （ 5） 工作状态显示器：用来表示机器人工作时的温度、位置等。 （ 6） 电源模 块：机器人不同的模块需要的电压不同，而电源模块可以把电源的电压转换成不同的电压让其他模块应用。 洁机器人充电站硬件结构设计 2机器人采用可充电电池供电。冲电基站上面存在着金属插板，清洁机器人的后端有金属充电电极，当金属片和充电电极接触上后就可以开始冲电。在机器人的机身上面装着两个红外调频接收器，每个接收器都能够接收到 90度范围内的红外信号。假设清洁机器人寻找充电基站的时候沿着顺时针的方向向前走，装在机器人机体上的调频红外传感器就能够检 测到信号，之后机器人就会顺时针旋转 90，接着位于机器人后面的传感器就会检测到信号，并且靠向充电站，一直到和充电站的充电端子接触成功。因为机器人在行走中出现错误，所以向充电站前进的时候有一个自主适应的过程。 图 2电站硬件系统组成示意图 充电站硬件结构由充电器模块、充电站控制器、调频红外线发射器 3个部分组成。 （ 1） 充电器模块：机器人充电站一般直接提供的电源都是 220纸和三维建模及说明书 ,咨询 5 交流电，但是 220电模块就是用来把 220 24 （ 2） 充电站控制器：当充电站的充电端子和机器人的电池对接充电的时候，调频红外发射器就会被关闭，这样不仅可以节约电量，同时也能够延长传感器器的使用寿命。 （ 3） 调频红外发射器：主要用来发射调频红外波，红外波的频率大约为 1机器人接收到红外波时，会根据红外波来调整自己的方位，向充电站靠近，并最终与充电站对接进行充电。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 6 第 3 章 具体计算 机选择 (1) 机器人的重量大致为 5kg,机器人的所受重力 （ 3 每个轮子所承受的载荷为 （ 3 (2)采用轮胎在室内环境行走，取滑动摩擦系数 =滚动摩擦系数 =1 ，则 : 滑动摩擦阻力 （ 3 滚动摩擦阻力 （ 3 根据机器人的结构设计，需要机器人的底盘最少要比地面高 10毫米，因此在本次设计当中选择直径 6毫米的轮子，那么轮子的半径 R=1 2D=48子所受到的阻力矩 错误 !未找到引用源。 为： （ 3 (1) 电机需要功率，式中： 由 （ 3 取 错误 !未找到引用源。 ，则 错误 !未找到引用源。 =机所需的输出功率 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 ,其中 （ 3 则电机所需的输出的功率 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 = 错误 !未找到引用源。 = （ 3 (3) 确定电机。机器人的移动结构使用差速转向式，为了实现差速运转就需要有调遣功能的电机，结合式子（ 3得出来的电机所需要的输出功率，结合互联网上搜寻到的关于电机的信息，最后决定使用 据上面的计算可以知道机器人运行需要电 机的输出功率是 结合互联网上查阅得到的关于电机的资料，最后确定使用 台电机的输出功率是 6W，大于我们所需的功率，满足需要；这台电机的速度在每分钟 900转包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 7 到 1500转之间可调，当我们调整电机的转速为每分钟 1200转时，电机的转矩是 样满足我们对转矩的要求，综上所述，最终选定这个型号的电机。 轮蜗杆的选择 (1)选择蜗杆传动类型 根据 用渐开线蜗杆 (2)选择材料 涡轮和蜗杆对机器人的清扫至关重要，机器人的清扫机构需要涡轮和蜗杆才能进行打扫工作，因此对涡轮和蜗杆的要求也比较高，所以蜗杆的螺旋齿面必须进行淬火处理，硬度 45 50轮的材料选用铸锡磷青铜，金属模铸造。 (3)根据齿面接触疲劳强度进行设计 1、确定载荷系数 K 选定齿轮的传动比 i=14，参考蜗轮蜗杆参数表取 ，则 8。 由于工作载荷基本上不会发生改变，所以在选取载荷分布不均匀系数的时候可以把 错误 !未找到引用源。 的值选为 1，然后查找资料得到： 错误 !未找到引用源。 =1，由于电机的转 速并不快，产生的冲击力度并不会太强，所以选定动载荷系数 错误 !未找到引用源。 =1. 1；则 载荷系数 ； （ 3 2、计算作用在涡轮上的转矩 550*106*P /n 当 错误 !未找到引用源。 =2时， 错误 !未找到引用源。的值在 错误 !未找到引用源。 =入式中得： （ 3 3、确定弹性影响因素 于选用的齿轮材料是铸锡磷青铜，蜗杆选用 的是钢铸造的，这两者相互配合，通过查机械设计得： 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 8 160错误 !未找到引用源。 。 4、确定接触系数 假定蜗杆的分度圆直径 d1/a=资料当中查得数据，得到 5、确定应力循环次数 应力循环次数 （ 3 查机械设计得： 错误 !未找到引用源。 =230 错误 !未找到引用源。 -=90 3 6、计算中心距 （ 3 选 a=40于 i=14，通过查表选定模数 m=2终确定 个时候 d1/a=资料查得 足我们设计的要求，因此计算结果正确，数据能够使用。 查表选取 m=2 q=9，分度圆导程角r=100729 。中心距 =40 8； a=并不是满足要求的推荐中心距，但是如果选择了中心距，涡轮就会改变位置。本设计不采用变位，取 a= (2) 验算初设 参数 滑动速度 （ 3 在范围之内，所选材料合适。 蜗杆的传动效率 错误 !未找到引用源。 在 错误 !未找到引用源。 因为 错误 !未找到引用源。 是 s，查表得 错误 !未找到引用源。=2， ， （ 3 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 9 传动效率 错误 !未找到引用源。 =（ *初选 错误 !未找到引用源。 =效率应适当降低。 （ 5）验算齿根的刚度和弯曲疲劳强度 （ 3 蜗轮当量齿数 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 / =得齿形系数 错误 !未找到引用源。 = 则可求的： （ 3 带入式中 错误 !未找到引用源。 =以只需要校核轴承 1即可 因为 选取 X=1， Y=0， 以 （ 3 所以 （ 3 所以符合要求。 扫机构中涡轮轴的校核 轴上能使产生弯矩的力有 r=t=两个力所在的平面互相垂直， 9毫米， 2毫米，如图 3 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 3 图 3力示意分析图 做弯矩图如 3图 3矩图 （ 3 （ 3 合成弯矩 （ 3 （ 3 在之前的设计当中，轴的制造材料确定了用 45钢，把钢经过加工之后，查表查得 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 =以满足对轴的需求，可以使用。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 4 第 4 章 清洁机器人软件程序设计 片机系统控制程序 钟与设置程序 用自身单片机的定时器来实现。 个定时器，其中 ，把 12种情况下最大定时是 66636就是 赋初值为 0 置出来三个时刻改变的数值 钟和小时 ,在机器人的定时工作和停止的程序当中， 到达到 1000次的时候，计为一分钟，如图 4 图 4统即使程序流程图 图 4置程序流程图 通过 4个键位以及 们就能够轻易的设置机器人，让机器人按照人们的意愿工作。 4个按键分别定义为 中 一次按下之后，你就可以对机器人进行设置，当设置完成之后，在按一次，就能够对机器人的下个状态进行设 置，每次按下 会改变一次设置内容，直到设置全部完成后，在按一次就会退出设置项。 纸和三维建模及说明书 ,咨询 5 数据，而 完成数据的增减之后，按下行确定。机器人的设置程序流程图如图 4经显示程序 1602液晶模块对于机器人来说很重要，它的主要用途就是显示机器人的状态。 制器接收到之后控制整个模块工作，模块由指令寄存和译码机构、 址计算器等部 分组成。 图 4602读操作时序 图 4602写操作时序 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 6 图 4晶显示程序流程图 动电机控制程序 机正反转控制 在 实现它的差速移动。 两个直流电机的驱动机构都是采用 芯片的逻辑功能如表 4利用 I 表 4298机转速控制 电机的转速通过 冲宽度调制是把输出信号的基本周期固定，通 过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率 11。电机的旋转速度和加在电机两端的电压有一定的关系，施加在电机上的电压越大，那么电机的旋转速度也就越快。由于施加在电机的电压和占空比成正比，因此占空比的数值越大，施加在电机的两端电压也就越强，这样的话电机的旋转速度也就越快。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 7 选择定时器产生 892， 以利用 2分别产生两组 是我们只需要使用一个定时器就可以形成多组 理设定一个周期时间为 T，将时间分为 10份，（图 4，每一小段的时间都是 t, 程序中，首先给 赋予它们的电平是由需要的占空比决定的，如 0%、0%时， 种情况会一直持续到 5个定时全部中断后转变成低电平，取 10个定时中断为一个周期，这样循环就产生了两个占空比不同的 们利用这个原理就可以形成多组 图 4种 机反馈控制 它有两个驱动轮，在每个驱动轮的上面 都装有齿轮轴，霍尔传感器就被安装在磁钢片上面的一个地方，用它来测验电机的转速。 我们可以利用计数器来测定脉冲的数目，单片机有 3个计数器，其中 2包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 8 都有用途，但是 2能够被重复的使用，设置 2的任务互不影响，通过设置， 障处理 知环境探测 清洁机器人被置于一个特殊的环境下，关于环境的信息一点都没有。这就需要避障系统首先要求机器人对环境先进行探测。红外传感器具备 一些预瞻能力，而碰撞传感器的性能比较可靠。红外传感器能够在最短的时间内探测到远处的杂物，碰撞传感器能够探测到距离机器人较近的信息，把这两种传感器探测到的信息，依据一定的算法，可以得出较为真实的环境情况。 传感器布局如图 4器人四周各有一个反射式红外传感器，前方有两个碰撞传感器，底盘有三个红外传感器，用于台阶检测。图中机器人需要进行探测的区域是红线包围的区域，但是机器人实际上能够探测到的地方却是蓝色虚线所包围的区域，红线包围的区域和蓝线包围的区域并不完全重合，这就意味着机器人的探测并不完全，存在无法探测 到的区域，这部分区域大部分分布于左后侧和右后侧。清洁机器人在正常工作的时候，只有在遇到桌角或台阶时才会后退一小段。因此这几块盲区的存在对于机器人的清扫几乎不存在影响。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 9 图 4感器探测区域和盲区 现避障的方法 在室内打扫时，因为房间内存放大量的家具、电器等，这就使得机器人的打扫环境十分复杂，而且有人们还会时不时的会走动，在这种情况下，机器人要想顺利的完成清扫就要做到躲避避障碍物。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 0 图 4障策略图 关于躲避障碍物的措施最常用的有势场法和栅格法等。 的是基于多传感器的反应式实时避障策略，这种策略拥有反应速度快、可以同步进行、效率高的特点，十分适用于在不知道环境信息的地方避障。 实时避障如图 4先传感器搜集周围的环境信息，一旦检测到有障碍物的存在，机器人就会减速前进，当发生碰撞时就停止并后退一小段距离，然后通过左右侧红外传感器检测两边环境，优先右转，如果不行就左转，再不行就后退，当后退的路被障碍物挡到时，就延时一段时间之后再检测周围环境，当延长时间超过一段时间（如 6分钟）后，仍然不行，机器人就认为遇到特殊情况，然后启动警报。当位于底盘的红外传感器 检测到楼梯的时候，就启动中断程序，选择向后撤离，防止跌落，产生碰撞损伤。 4 4 路径规划 器人的路径规划方法：栅格法 设定以方形区域代表机器人的几何形状。把机器人看成一个点，网格来表包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 1 示工作空间，把机器人工作的空间分成大小相同的网格。这个方法方便了路径规划的实现，而且也可以表示不规则障碍物，但是没有一种方法是十全十美的，这种方法同样也存在着缺点，表示效率不高。栅格划分大了，分辨率就会下降；栅格划分小了，环境的储存量就太大。 器人的路径算法：往复式算法 往复式算法，同样也被称为犁式算法。让机器人首先沿着墙壁行走一圈，建立完成地图之后，开始往返式的清扫。往返式行走能够分为下面的几部分运动步骤， 9 （ 1） 机器人由房间的某个角落开始，首先沿着墙面运动，直到和墙壁发生碰撞； （ 2） 机器人旋转 180，并且偏移与吸尘口宽度相同的距离； （ 3） 重复步骤 1； （ 4） 位于机器人侧面的传感器能够检测出是否有障碍物的存在，假使在机器人将要偏移的方向检测到了障碍物的存在，而且检测到杂物的距离比较小，那么机器人就会终止往复式覆盖程序的执行然后执行其他程序； （ 5） 机器人按照和前 次相反的方向旋转 180，同时也会偏移一定的宽度； （ 6） 重复上述步骤。 在长方形的没有障碍物的房间里面，往复式可以轻易的实现房间的打扫，经过往复运动，清洁机器人大致可以完成房屋内的打扫，但是如果房屋存在障碍物的时候，那么障碍物的另一边就不能被打扫到，这就需要用其他的方法继续进行打扫。 包含有 CAD成都理工大学毕业论文（设计） I 地机器人的设计 作者姓名：专业班级：指导教师： 摘 要 清扫机器人有四项关键技术，包括：传感技术、路径规划技术、吸尘技术和电源技术，这四项技术对清扫机器人的发展起着至关重要的作用。本文主要介绍了目前国内外清扫机器人的研究现状以及机器人的结构设计和程序设计。总体来说，机器人的研究已经很深入了但还是存在不足。清扫机器人结构主要包括行走结构、清扫结构、吸尘结构和擦地结构。清扫机器人的程序设计主要包括单片机系统控制程序、驱动电机控制程序。 关键词： 清洁机器人 智能控制 运 动原理 结构设计 of a in of at of is CU 都理工大学毕业论文（设计） 录 摘 要 . I . I 目录 . 错误 !未定义书签。 第 1 章 前言 . 1 . 1 外研究现状 . 1 内现状 . 3 . 4 . 4 第 2 章 机器人的结构设计 . 5 . 5 器人的结构组成 . 5 作原理 . 7 总体设计 . 8 器人本体硬件结构 . 9 洁机器人充电站硬件结构设计 . 11 第 3 章 具体计算 . 13 . 13 . 14 . 17 . 17 扫机构中涡轮轴的校核 . 19 第 4 章 清洁机器人软件程序设计 . 21 . 21 钟与设置程序 . 21 成都理工大学毕业论文（设计） 已经显示程序 . 22 . 23 机正反转控制 . 23 机转速控制 . 23 机反馈控制 . 24 . 25 知环境探测 . 25 现避障的方法 . 26 4 4路径规划 . 28 器人的路径规划方法：栅格法 . 28 器人的路径算法：往复式算法 . 28 复式性能分析 . 29 第 5 章 自主充电技术研究 . 30 . 30 . 30 动充电总体方案 . 30 池电 压监控 . 31 外发射电路 . 32 外接收电路 . 32 . 33 . 33 结论 . 34 感谢 . 35 参考文献 . 35 成都理工大学毕业论文（设计） 1 第 1 章 前言 在最近这几年， 人工智能技术、传感器技术和移动机器人技术都得到了飞速发展和提高，这些技术和清洁机器人息息相关，这些技术得到了提升也就意味着会有更加完善的清洁机器人诞生，这同样意味着清洁机器人的未来更加值得我们期待 。随着我们对清洁机器人研究的不断加深，已经有不少种类的清洁机器人进入了我们的日常生活。当我们工作一整天之后，拖着疲惫的身体回到家中却看到地上满是垃圾，这会让我们感到更加的疲累，不过只要家里有了清洁机 器人，这种情况就不会发生。当我们外出工作的时候，机器人就可以把家里打扫的干干净净，当我们回到家里的时候就会有一种伤心悦目的感觉，全身的疲惫都会一扫而空。本次的论文就是关于 器人的设计 。 1904年第一台扫地机在英国问世，从那个时候开始，扫地机进入了人们的生活当中。随着时间的流逝直到现在，扫地机得到了长足的发展。在人们的日常生活中，扫地机发挥的作用也越来越大。接下来，介绍几种比较经典的清洁机器人。 外研究现状 德国 司生产的 1，如图 1示，这款机器人的内部装有芯片控制系统以及光电传感器，一旦机器人在清扫过程中检测到杂物的存在，它就可以随机的改变行进的方向，继续进行打扫，一直到打扫工作彻底完成。当电源电压不足时，它会自主地返回充电站进行充电。在这款机器人的内部一共设置了四种清洁程序，机器人会根据环境的不同来选择最合适的程序进行打扫。在机器人的内部装有光敏传感器，当机器人打扫到距离楼梯或者台阶的边缘很近的时候，传感器就可以检测到楼梯和台阶的存在，然后机器人就 会自动远离，这就避免了机器人可能发生的跌落以及因跌落造成的损伤。机器人本身的扁平结构，极大地方便了机器人的清扫，一些我们平常不容易打扫的地方，对机器人成都理工大学毕业论文（设计） 2 而言，却可以很轻松地完成，如图 1图 1充电站 图 1扫工作图 “三叶虫”诞生于英国，这是一款问世较早但功能强大的吸尘器，如图 1它内部装有超声波探测器，可以迅捷地探测到障碍物的存在并绕开 能够自由穿梭清扫，同时可以自主的设计出最优行走路线；这款机器人能够分三个档位来工作：正常 、快速和点清理；当机器人的垃圾盒被垃圾充满之后，机器人就会发出警报；如果用户有些地方不需 “三叶虫”打扫，只要贴上特制的磁带就能够限制机器人的打扫范围。“三叶虫”的电源是可充电的，电量充满之后机器人大概可以持续工作 1个小时。 图 1莱克斯的“三叶虫” 成都理工大学毕业论文（设计） 3 2002年 9月清洁机器人“ 美国面世，它的重量大约是 2 千克，直径 30英寸 2。这款机器人拥有高度的自主工作能力，它体积较小，因此能够轻松地把房间内各个角落的垃圾打扫干净。当 “ 行打扫的时候，动作不会太快但是打扫的效 果却很好，在主人外出之前，可以设定机器人进行自主工作，当打扫完成之后，机器人就会自主切断电源，进入待机状态，如图 1 图 1国“ 扫机器人 内现状 1999 年初，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，与苏州 司 合作研发，到 2003 年系统在自主能力和工作效率上都有了显著提高 1。机器人工作之前，需要先进行环境探测，从而决定清扫时间；然后，计算出效率高的清洁路径；在打扫完成之后， 机器人就会自动返回充电站充电。不过因为系统在进行升级，所以并没有产品进入市场。之后国内推出了机器人 款机器人防跌落，可以自主清扫，同时价格便宜。但是这款机器人没有充电站，只能靠人工进行充电。 国内众多品牌清洁机器人中，科沃斯机器人是比较出名的。市场上平均卖出 3台清扫机器人，当中有 2台就是科沃斯的。科沃斯清洁机器人利用涡轮增压成都理工大学毕业论文（设计） 4 系统提高机器人的清扫动力，从而使得机器人打扫房间的质量得到保障。这款机器人能够自主选择最佳清洁模式；具有防碰撞，防跌落的设计；预约定时，自动充电，让智慧清洁有始有终。 图 1沃斯扫地机器人 究的目的和意义 如今社会的发展越来越迅速，生活节奏也越来越快，人们身上的压力也越来越大，所以很少有人会在工作一天后还愿意打扫自己的房间。这就使得清洁机器人有了广大的市场。但是现在市场上存在的机器人质量好的一般价格也比较昂贵，希望通过这次设计，可以降低机器人的生产成本，使得机器人能够进入更多人的生活当中。 计的重点和难点 本文主要是对 结构进行设计和材料的计算。关于清洁机器人清扫机构的设计是本次设计当中的重点，本文需要介绍机器人 的各种功能以及实现该功能的原理。 成都理工大学毕业论文（设计） 5 第 2 章 机器人的结构设计 器人的结构组成和工作原理 清洁机器人整体上由 2大部分组成，分别是控制系统和机械部分。机器人的整体外观如图 2的机械部分包括 2个驱动轮、 1个万向轮、塑料底盘以及外壳。毛刷、电机、电池和控制系统只有安装在这些部件上面才能发挥功用。 图 2地机器人 器人的结构组成 （ 1）行走驱动轮及驱动电机。这部分作为机器人的移动机构（如图 2功能就是让机器人在平面上可以自由的行走。机器人的底面有 3个红外探测 器，当机器人打扫接近楼梯或台阶时，这 3个红外探测器就可以检测出来，从而防止机器人掉下去。当机器人进行清扫的时候，有可能会碰到桌角或者其他障碍物，这就使得机器人需要避障，而在清扫机器人的的前面和侧面都有红外开关，这就避免了机器人产生碰撞磨损。 成都理工大学毕业论文（设计） 6 图 2动机构 （ 2）清扫机构。当机器人进行打扫的时候，首先电机启动，然后带动滚刷转动，这时右面的滚刷做逆时针转动，左面的滚刷做顺时针转动，在这两个清扫刷的共同作用下，垃圾和灰尘都被集中到吸尘器的吸风口。 （ 3）吸尘机构。由吸尘器内的风扇高速旋转 产生强大的吸力，把垃圾和灰尘吸入垃圾盒中。 （ 4）擦地机构。前面两部分完成之后，大部分垃圾都扫干净了，但是还有一些细小的灰尘没有扫到，这时候，装在机器人下面的清洁布开始擦地，通过 3重结构保障打扫的高质量。 成都理工大学毕业论文（设计） 7 图 2器人的组成机构 移动机构，清洁机器人的整个机体都在移动结构上面。我们课题的研究是室内清扫，所以选用的轮式结构。 本次选用轮式结构的机器人，轮式结构机器人轮系通常情况下分为三轮、四轮和六轮等。在这次的设计当中，因为机器人的整个机体并不是很大，只要三个轮子就可以让机器人完成移动。 采用三 轮机构，而三轮机构清洁机器人想要实现转向一般情况下只有通过差速转向和铰轴转向这两种方式。而 用差速转向式来实现机体的转向。机器人的机体上一共有 3个轮胎，在机体前端的轮胎是万向轮，机体中间的两个轮子都是驱动轮，当机器人要进行转向的时候，驱动轮上的驱动电机开始运行，这就使得两个驱动轮产生不同的加速度，从而产生不同的速度，然后整个机器人就完成转向。 作原理 清洁机器人想要完成它的打扫工作，如果它自身什么都没有那就是不可能实现的，因此在机器人机体上面安装了很多个工作模块 ，在这些模块的共同作用下，机器人才能够实现打扫。 外遥控接收模块和键盘模块主要用于接收主人的指令，然后把指令传给 给机器人开始工作。信息采集模块用于采集机器人的本身信息和周成都理工大学毕业论文（设计） 8 围环境的信息。 机器人工作流程如下： （ 1） 开始用遥控器或者键盘把机器人打开，使机器人进入工作状态。 （ 2） 机器人开始打扫之后，传感探测模块不断地收集外界的信息并把收集的信息传递给 这些信息进行分析、处理最终规划出一条效率最高、同时能够完全覆盖清扫区的路径。 （ 3） 机器 人按照路径规划开始进行打扫，当需要转向时， （ 4） 机器人在工作的时候， （ 5） 遥控器主要用来控制机器人，不仅能够控制机器人的启动和停止，除此之外，还可以给机器人进行定时，让机器人在特定的时间段进行工作。 如，房间的长度以及宽度，还有房间内影响机器人打扫的物体的位置。传感器把所得到的信息传递给 理后规划处一条高效率、高打扫质量的路径。 总体设计 2系统是通过充电基站和机器人自身两大部分构成。机器人本身需要完成的是进行地面的打扫，而且机器人还有定时工作的功能，可以在特定的时间段进行工作；可以自主的躲避障碍物；自主的打扫地面；当检测到楼梯时，自动离开，避免出现碟碰自；机器人还可以在电源不足时主动寻找充电站充电等功能；基站的主要功能就是给机器人充电和发射召回信号。机器人通过这两部分实现自主工作。 成都理工大学毕业论文（设计） 9 图 2构总图 机器人采用轮式差速转向行走机构，如图（ 2机器人中间的两个轮子每个上面都有两个独立的驱动电机来控制轮的速度，通过改变左右轮的速度比来改变机器人的行进方向 9，而安装在机器人前方的轮子则是自由轮。 清洁机器人就是通过这种方式实现自己的移动。 图 2式差速转向行走机构 器人本体硬件结构 片机）、电机驱动器、传感器、转态设置按钮、电源模块和状态显示器等几部分构成，这些模块由单片机成都理工大学毕业论文（设计） 10 统一进行管理，共 同工作，从而保证机器人的功能实现。其关系图如 (2 图 2洁机器人的硬件控制系统机构图 各模块的主要组成与功能如下： （ 1） 控制器（单片机）主要由单片机 的主要功能是实现各个模块和和控制程序的对接，并实现对整个机器人的控制。 （ 2） 电机驱动器：主要由驱动电机驱动器、毛刷电机驱动器和吸尘电机驱动器组成，其中驱动电机驱动左右轮从而带动机器人的运动，毛刷电机和吸尘电机负载清洁除尘工作，如图（ 2 图 2动电机 （ 3） 传感器：主要有红外避障传感器、红外防跌落传感器等组成， 这些传感器的功能各不相同，但是却能够实现功能互补，从而保证成都理工大学毕业论文（设计） 11 机器人工作的顺利进行，它们主要是用来检测机器人当前工作的环境信息以及机器人当前的状态，最终把这些信息传递到 （ 4） 状态设置按钮：对机器人的开始工作、停止工作或者其他的转态进行设置。 （ 5） 工作状态显示器：用来表示机器人工作时的温度、位置等。 （ 6） 电源模块：机器人不同的模块需要的电压不同，而电源模块可以把电源的电压转换成不同的电压让其他模块应用。 洁机器人充电站硬件结构设计 2机器人采用 可充电电池供电。冲电基站上面存在着金属插板，清洁机器人的后端有金属充电电极，当金属片和充电电极接触上后就可以开始冲电。在机器人的机身上面装着两个红外调频接收器，每个接收器都能够接收到 90度范围内的红外信号。假设清洁机器人寻找充电基站的时候沿着顺时针的方向向前走，装在机器人机体上的调频红外传感器就能够检测到信号，之后机器人就会顺时针旋转 90，接着位于机器人后面的传感器就会检测到信号，并且靠向充电站，一直到和充电站的充电端子接触成功。因为机器人在行走中出现错误，所以向充电站前进的时候有一个自主适应的过程。 图 2电站硬件系统组成示意图 充电站硬件结构由充电器模块、充电站控制器、调频红外线发射器 3个部分组成。 成都理工大学毕业论文（设计） 12 （ 1） 充电器模块：机器人充电站一般直接提供的电源都是 220是 220电模块就是用来把 2204 （ 2） 充电站控制器：当充电站的充电端子和机器人的电池对接充电的时候，调频红外发射器就会被关闭，这样不仅可以节约电量，同时也能够延长传感器器的使用寿命。 （ 3） 调频红外发射器：主要用来发射调频红外波，红外波 的频率大约为 1机器人接收到红外波时，会根据红外波来调整自己的方位，向充电站靠近，并最终与充电站对接进行充电。 成都理工大学毕业论文（设计） 13 第 3 章 具体计算 机选择 (1) 机器人的重量大致为 5kg,机器人的所受重力 （ 3 每个轮子所承受的载荷为 （ 3 (2)采用轮胎在室内环境行走，取滑动摩擦系数 =滚动摩擦系数 =1 ，则 : 滑动摩擦阻力 （ 3 滚动摩擦阻力 （ 3 根据机器人的结构设计，需要机器人的底盘最少要比地面高 10毫米，因此在本次设计当中选择直径 6毫米的轮子，那么轮子的半径 R=1 2D=48子所受到的阻力矩 错误 !未找到引用源。 为： （ 3 (1) 电机需要功率，式中： 由 （ 3 取 错误 !未找到引用源。 ，则 错误 !未找到引用源。 =机所需的输出功率 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 ,其中 （ 3 则电机所需的输出的功率 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 = 错误 !未找到引用源。 = （ 3 (3) 确定电机。机器人的移动结构使用差速转向式，为了实现差速运转就需要有调遣功能的电机，结合式子（ 3得出来的电机所需要的输出功率，结合互联网上搜寻到的关于电机的信息，最后决定使用 据上面的计算可以知道机器人运行需要电机的输出功率是 结合互联网上成都理工大学毕业论文（设计） 14 查阅得到的关于电机的资料，最后确定使用 台电机的输出功率是 6W，大于我们所需的功率，满足需要；这台电机的速度在每分钟 900转到 1500转之间可调， 当我们调整电机的转速为每分钟 1200转时，电机的转矩是 样满足我们对转矩的要求，综上所述，最终选定这个型号的电机。 轮蜗杆的选择 (1)选择蜗杆传动类型 根据 用渐开线蜗杆 (2)选择材料 涡轮和蜗杆对机器人的清扫至关重要，机器人的清扫机构需要涡轮和蜗杆才能进行打扫工作，因此对涡轮和蜗杆的要求也比较高，所以蜗杆的螺旋齿面必须进行淬火处理，硬度 45 50轮的材料选用铸锡磷青铜，金属模铸造。 (3)根据齿面接触疲劳强度进行设计 1、确定 载荷系数 K 选定齿轮的传动比 i=14，参考蜗轮蜗杆参数表取 ，则 8。 由于工作载荷基本上不会发生改变，所以在选取载荷分布不均匀系数的时候可以把 错误 !未找到引用源。 的值选为 1，然后查找资料得到： 错误 !未找到引用源。 =1，由于电机的转速并不快，产生的冲击力度并不会太强，所以选定动载荷系数 错误 !未找到引用源。 =1. 1；则 载荷系数 ； （ 3 2、计算作用在涡轮上的转矩 550*106*P /n 当 错误 !未找到引用源。 =2时， 错误 !未找到引用源。的值在 错误 !未找到引用源。 =入式中得： （ 3 3、确定弹性影响因素 都理工大学毕业论文（设计） 15 由于选用的齿轮材料是铸锡磷青铜，蜗杆选用的是钢铸造的，这两者相互配合，通过查机械设计得： 160错误 !未找到引用源。 。 4、确定接触系数 假定蜗杆的分度圆直径 d1/a=资料当中查得数据，得到 5、确定应力循环次数 应力循环次数 （ 3 查机械设计得： 错误 !未找到引用源。 =230 错误 !未找到引用源。 -=90 3 6、计算中心距 （ 3 选 a=40于 i=14，通过查表选定模数 m=2终确定 个时候 d1/a=资料查得 足我们设计的要求，因此计算结果正确，数据能够使用。 查表选取 m=2 q=9，分度圆导程角r=100729 。中心距 =40 8； a=并不是满足要求的推荐中心距，但是如果选择了中心距，涡轮就会改变位置。本设计不采用变位，取 a= (2) 验算初设参数 滑动速度 （ 3 在范围之内，所选材料合适。 蜗杆的传动效率 错误 !未找到引用源。 在 错误 !未找到引用源。 因为 错误 !未找到引用源。 是 s，查表得 错误 !未找到引用源。=2， 成都理工大学毕业论文（设计） 16 ， （ 3 传动效率 错误 !未找到引用源。 =（ *初选 错误 !未找到引用源。 =效率应适当降低。 （ 5）验算齿根的刚度和弯曲疲劳强度 （ 3 蜗轮当量齿数 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 / =得齿形系数 错误 !未找到引用源。 = 则可求的： （ 3 带入式中 错误 !未找到引用源。 =以只需要校核轴承 1即可 因为 选取 X=1， Y=0， 以 （ 3 所以 （ 3 所以符合要求。 扫机构中涡轮轴的校核 轴上能使产生弯矩的力有 r=t=两个力所在的平面互相垂直， 9毫米， 2毫米，如图 3 成都理工大学毕业论文（设计） 20 图 3力示意分析图 做弯矩图如 3图 3矩图 （ 3 （ 3 合成弯矩 （ 3 （ 3 在之前的设计当中，轴的制造材料确定了用 45钢，把钢经过加工之后，查表查得 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 =以满足对轴的需求，可以使用。 成都理工大学毕业论文（设计） 21 第 4 章 清洁机器人软件程序设计 片机系统控制程序 钟与设置程序 用自身单片机的定时器来实现。 个定时器，其中 ，把 12种情况下最大定时是 66636就是 赋初值为 0 置出来三个时刻改变的数值 钟和小时 ,在机器人的定时工作和停止的程序当中， 到达到 1000次的时候，计为一分钟，如图 4 图 4统即使程序流程图 图 4置程序流程图 通过 4个键位以及 们就能够轻易的设置机器人，让机器人按照人们的意愿工作。 4个按键分别定义为 中 一次按下之后，你就可以对机器人进行设置，当设置完成之后，在按一次，就能够对机器人的下个状态进行设置，每次按下 会改变一次设成都理工大学毕业论文（设计） 22 置内容，直到设置全部完成后，在按一次就会退出设置项。 完成数据的增减之后，按下行确定。机器人的设置程序流程图如图 4经显示 程序 1602液晶模块对于机器人来说很重要，它的主要用途就是显示机器人的状态。 制器接收到之后控制整个模块工作，模块由指令寄存和译码机构、 址计算器等部分组成。 图 4602读操作时序 图 4602写操作时序 成都理工大学毕业论文（设计） 23 图 4晶显示程序流程图 动电机控制程序 机正反转控制 在 实现它的差速移动。 两个直 流电机的驱动机构都是采用 芯片的逻辑功能如表 4利用 I 表 4298机转速控制 电机的转速通过 冲宽度调制是把输出信号的基本周期固定，通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率 11。电机的旋转速度和加在电机两端的电压有一定的关系，施加在电机上的电压越大，那么电机的旋转速度也就越快。由于施加在电机的电压和占空比成正比，因此占空比的数值越大，施加在电机的两端电压也就越强，这样的话电机 的旋转速度也就越成都理工大学毕业论文（设计） 24 快。 选择定时器产生 892， 以利用 2分别产生两组 是我们只需要使用一个定时器就可以形成多组 理设定一个周期时间为 T，将时间分为 10份，（图 4每一小段的时间都是 t, 程序中，首先给 赋予它们的电平是由需要的占空比决定的，如 0%、0%时， 种情况会一直持续到 5个定时全部中断后转变成低电平，取 10个定时中断为一个周期，这样循环就产生了两个占空比不同的 们利用这个原理就可以形成多组 图 4种 机反馈控制 有两个驱动轮，在每个驱动轮的上面 都装有齿轮轴，霍尔传感器就被安装在磁钢片上面的一个地方，用它来测成都理工大学毕业论文（设计） 25 验电机的转速。 我们可以利用计数器来测定脉冲的数目
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