智能楼梯拖地机

智能楼梯拖地机摘 要随着我国经济的快速发展和科技的不断进步，人们的物质需求也在不断的提高。目前越来越多的智能化产品进入千家万户的生活中，但楼梯清洁工作一直没有一款智能化的产品来减轻清洁工人的劳动强度；楼梯楼道的清洁成为一项既繁琐又枯燥的工作，人们不得不投入大量的人力、物力、财力。通过在日常生活的观察与了解得知楼梯清洁工作急需的一款全自动产品。为此我设计了这款全自动智能楼梯拖地机以解决这个问题。该机完全打破了传统拖地机只能清洁平地的单一模式，实现了自动下楼，自动清洁，自动无角度转弯等功能，使清洁工作不留死角，干净彻底，其机械结构设计新颖、操作简单方便、省时省力。可以广泛应用于各种楼宇的楼梯清洁工作。关键词：自动下楼梯；拖楼道；智能ISmart staircase mopping machineAbstractAs Chinas rapid economic development and scientific and technological advances, peoples material needs has been improved. At present, more and more intelligent products to enter the lives of millions of households, but the staircase cleaning has not been a product of intelligent cleaners to reduce labor intensity; staircase cleaning the corridor become a cumbersome and boring work People have invested a large amount of manpower, material and financial resources. Through observation and understanding of everyday life informed the staircase cleaning products needed a fully automatic. For this reason I designed this fully automatic machine intelligence mopping the stairs in order to solve this problem. It completely broke the traditional mopping machine can clean the ground of a single model, the realization of an automatic downstairs, automatic cleaning, automatic features such as no point of turning, so that work does not stay clean corners, clean thoroughly, and its mechanical structure design, operation simple and convenient, save time and manpower. Can be widely used in various building staircase cleaning.Keywords: automatic down the stairs ;dragging the corridor; aptitude21-目 录摘 要IAbstractII目 录i第一章 引言2第二章 拖地机的硬件结构与材料选择2.1 车身设计方案52.1.1整体车身式方案52.1.2 分解车身式方案52.2 主要部件的设计62.2.1 车轮的无半径转向62.2. 2 车身的升降62.2. 3 重心的调节72.2. 4 辅助支撑轮设计82.2. 5 清洁系统的设计8第三章 拖地机器件的选择93.1 材料的选择93.2 检测装置的选择93.2.1 传感器的选择93.2. 2 行程开关93.3 电机的选择93.4 单片机的选择103.4. 1 微控制器103.4. 2 多功能扩展卡10第四章 系统的软件设计11课题成果分析19致 谢20参考文献21第一章 引言1.1 课题意义机器人是一种科技含量极高的自动化机器，与普通机器所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的机器。在及其恶劣及不确定环境作业中机器人发挥了人类所不能及的作用，随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如智能楼梯拖地机等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。为了使机器人能更好的应用于社会，各发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大，各主要大学都设有机器人研究室，麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则着重于系统应用软件的开发。德国正研究开发“MOVE AND PLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机,开汽车一样。1.2.研究现状国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：（1）机械结构向模块化、可重构化发展。 例如关节模块中的伺服电机、减速机检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问世。（2）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。（3）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控、遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入使用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名的实例。我国的机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，以系统集成带动机器人技术的全面发展，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。该产品完全打破了传统拖地机只能平地工作的单一模式，采用分步式骨架模仿人体下楼动作，全向自动方式消除转弯半径，横向运动方式清洁楼梯及楼道，采用完全自主式控制,实现了自动下楼，自动清洁，自动无角度转弯等功能，使清洁工作不留死角、干净彻底、方便快捷,可充分面向于高档宾馆、写字间、政府办公、娱乐等大众场所, 最大限度的节约劳动力开支。同时,本产品一般的清洁工人便可轻松操作，省时省力，提高效率,紧随时代步伐，提高大众环保意识和普及生活科技水平, 做到绿色环保节能减排。该产品清洁效果不逊色于人工清洁,且造价低廉，集科技与实用于一体，符合时代环保潮流，必将深受大众欢迎。目前市场上还没有该同类成型产品出售。第二章 拖地机系统方案的设计 本智能楼梯拖地机的难点是机器框架的构成。怎样的下楼方式，基本动作的完成需何种结构才能完成？这些问题都需解决，同时也是我们实验的关键和难点。我们必须应用一种全新的硬件结构模式来取代传统的机器模式。从理论上说，完成了车身的设计就完成了硬件的关键部分。为此我们采取了多种实验来验证我们的设计，让它达到我们的设计要求。2.1 车身设计方案2.1.1 整体车身式方案采用常规整体车身行进方式，借助大齿轮（半径）轮胎进行上下楼梯动作。由于车身为一整体，在阶梯行进中重心时刻在变化，平衡难以掌控。拖地机不能转向，清洗的面积是固定的，不能清洗死角，所以对楼梯难以实现全面清洗，达不到设计的要求，且国内已有类似结构，实际应用效果并不好。固该措施不易采纳。采用坦克式结构，将轮胎换成履带轮，爬升下降楼梯可以实现，不过攀爬笨重，仅能瞬间完成动作，而且晃动幅度大，很不稳定，随时有跌落可能。我们需要一款行动平稳且可以能提供充足时间来拖地的结构, 并且清洗的面积也是固定的，不能清洗死角，所以对楼梯难以实现全面清洗，达不到设计的要求，且国内已有类似结构，实际应用效果并不好。固该方案在多次试验后放弃。2.1.2 分解车身式方案采用车身分步下楼化解重心难以掌控的难题：仿照蛇爬行的方式，将小车做成许多节，用节节爬升来分解重心。且实现可以清洗死角，清晰面积大的优点，但在实验室我们发现，这种想法太过理想，实现起来问题相当困难，且不能实现完全完全智能，只能依靠遥控。在做硬件时，就单单节节之间的连接就是个大问题，而且节数越多越难掌控，并且对伺服电机的要求很高。经过反复考虑我们放弃了此方案。将车身分为前后两部分（前身、后身），两车身间用弹簧连接，当车前身走出楼梯，自然跌落，后身尾随其后滑落台阶。此方案对小车损害很大，难以找到抗摔打的材料构造此车，放弃.前后车身间用“天桥”连接，当前身走出台阶，让其自动下降，车体跨跃台阶行进，当后身还未完全走下台阶，后身下放辅助支撑轮，对后身重力进行支撑，车体行进，后身完全走出台阶时，前身上升，辅助支撑轮回收，车体回复初始状态继续行进。在台阶上需要横向运动，由于台阶狭小，想让小车转弯很难实现，我们采用了车轮的无半径转弯结构，切实的解决了转弯难题。故采用了仿人迈步式下楼进行进一步研究。在采用仿人迈步式下楼进行进一步研究时，我们陆续解决了一下几个关键问题。 图2.1.1 智能拖地机全图图2.1.2 车轮图2.2 主要部件的设计2.2.1 车轮的无半径转向为解决楼梯台阶面积小不易转向的问题，我们将车轮、轴承和伺服电机巧妙地结合为一体，让伺服电机带动车轮旋转，车体无需转身即可实现前后左右四个方向的变向。开始我们只将车轮和伺服电机巧结合为一体，是解决了车轮的无半径转弯问题，由于车体的重量是通过伺服电机连动车轮的，使伺服电机承受过大重量，且致使拖地机行走时不稳，所以我们加上了轴承，将车论和小车的连接点转移到了轴承上，解决了此问题。2.2.2 车身的升降使用电机带动绞绳牵引车前身，辅助利用滑轮及滑板将前身送下楼梯。辅助支撑轮的放送也用电机带绳来完成。两电机转速不能保证完全一致，在回收绳时缠绕问题严重，无法同步进行。该方式也不易采纳。车身升降我们曾考虑采用汽缸来完成，因为汽缸可以使小车前板平稳快速升降，以及小车整体的升降，效果很好，达到了实验要求。但由于汽缸的体积及重量对小车的结构上要求很高，成本较高，实用性较差，因此也没有采用。经过反复试验发现，通过电机转动带动滚珠丝杠来完成前身升降和后身辅助支撑轮的升降很好控制，关键是电机和丝杠的合理搭配,因此实验效果相当理想。基于产品的要求，电机必须具有很强的自锁能力。一般自锁能力很强的电机的速度在100R/S，但我们要求丝杠一秒下降的距离是50mm，市场上能买到的丝杠的最大螺距为10mm,这就必须要求我们的电机的转速达到300R/S.经过多次试验我们最终前板丝杠选择了日本产DC24V电机（DGM-309-2A)带动, 后身辅助支撑轮丝杠选择了日本产DC24V电机(TD3152G-24F-9K24C)作为动力源,并对丝杠做了特殊处理，减小了对电机自锁能力的要求，找到了最优方案,我们最终采用了此种结构为使前板保持稳定，在前板两侧安装了滚珠导轨。2.2.3 重心的调节在小车的整个行进过程中，重心的平稳是小车能否实现功能的关键，这也是我们实验时重中之重的问题。前后板的重量比：由于结构的限制，小车前板的重量是固定的，如果小车的后板重量太轻，则拖地机在进行第一步下楼动作时，拖地机很容易前翻，致使实验室失败。如果小车的后板重量太重，则小车的整体重量太重，对电机的要求太高，且增加成倍。所以我们就必须选择一个最假重量比。在拖地机的反复试验时我们发现当拖地机前板重量和后板重量比小于1：（5.2）时，重量比达到最优。由于拖地机采用车体分解分步下楼动作，出现了重心转移问题。当车身前行到后板底盘悬空时，单片机起动与其相连的升降丝杠利用安装在底盘下部的限位开关准确的将后身辅助支撑轮下放至下一台阶，以便使其起到支撑作用。后身辅助支撑轮怎样的结构才能满足实验要求呢？开始试验时我们采用的辅助支撑轮是单轮，但当辅助支撑单轮下降后，单轮触地接触面积小，导致重心不稳，小车易摔，故放弃。后改进将车轮换成地盘（一长方形），在下方放上四个小车轮（减小摩擦力,即先采用结构）,很好的解决了重心问题。2.2.4 辅助支撑轮设计为了保证辅助支撑轮在下方后车身的稳定，我们选择将辅助支撑轮的受力面积尽大化，所以我们将辅助支撑轮设计了如图结构。 辅助支撑 双滚珠丝杠滚珠导轨 2.2.5 清洁系统的设计 本产品的最终用途是清洁楼道楼梯，当然清洁系统的设计就显得尤为重要。考遇到本产品的应用的市场（高档的宾馆、办公楼、写字楼等），我们的清洁系统为吸尘式。吸尘器又称真空吸尘器，吸尘器主要由电动机、风机、过滤器储尘室、消音装置、外壳及其他附件组成。在吸尘器接通电源后，风机叶轮在电动机的驱动下，高速旋转，带动叶片对空气不断做功，将吸尘器内的空气不断排出去，使其内部形成瞬时真空，即吸尘器内部与外界大气之间形成一个相当高的负压差。在此负压差的作用下，吸嘴附近的垃圾灰尘随着气流经过吸嘴管道，进入过滤室进行过滤。垃圾灰尘留在储尘室内，过滤后的清洁空气经排气室从出风口排出。我们根据吸尘器的原理制作了符合要求的吸尘器，吸尘器可有人工和单片机双重控制。第三章 拖地机器件的选择3.1 材料的选择图3.1拖地机各部分材料的选择图车轮材料车轮电机外壳材料地盘材料塑化胶DS-400 .110/S555塑料角形铝合金3.2 检测装置的选择3.2.1 传感器的选择为保证小车各个动作实现智能化，必须保证数据的时时传输，要求我们选用的传感器有效地信号传输范围为525cm，传输信号好，反应快，最终我们先用了光电开关 E3F-DS10C4 。 电源电压检测距离输出电流输出模式（E3F-DS10C4）10-30VDC 90-250VAC10cm300mANPN常开图3.2拖地机技术参数图 代替限位开关等接触式检测方式。具有体积小，灵敏度高，频率响应快，重复定位精度高，瞬变过程短，输出功率大，急电特性好，工作稳定可靠，使用命长等优点。 3.2.2 行程开关要求反应迅速，抗压能力强的行程开关，所以我们选择了LXW5-11G1 。3.3 电机的选择前部丝杠选用日本产DC24V电机（DGM-309-2A)带动,它的转速为300R/MIN,扭矩为4N*CM，体积小，效率高的特点。 后身辅助支撑轮丝杠选择了日本产DC24V电机(TD3152G-24F-9K24C)作为动力源, 它的转速为200R/MIN,扭矩为5N*CM，由于速度达不到要求，我们在丝杠上加一速度比为2：1的散齿。3.4 单片机的选择在设计时应充分考虑其体积小，功耗低，存储容量大和处理速度高的要求，因此在CPU的选择上十分慎重。经过资料收集和反复比较，最终选择了摩托罗拉公司推出的基于ARM920T内核的68HC11E1处理器，该处理器资料丰富，性价比高。 采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点： 体积小，功耗低，成本低，性能高； 支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集； 大量使用寄存器，使指令执行速度更快； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定。3.4.1 微控制器CPU（68HC11E1）：2个8位累加器，2个16位变址寄存器，1个8位条件寄存器，1个16位堆栈指针/程序计数器。片内存储器：512字节EEPROM，可重定位的256字节RAM；定时器和脉冲电路：16位定时器，频率2MHZ8M晶振，3个输入捕捉，5个输出比较；串行口：和PC通信速度2Mbps；A/D转换器：8个输入通道，4个转换结果寄存器；中断：16个硬件中断，2个软件中断；并行I/O口：单片方法工作时38个 I/O扩展方式时：8位数据单线，16位地址总线，2个8位I/O口，1个I/O口，可以扩展64K存储器；复位系统：上电自动复位，外部RESET复位，看门狗复位，时钟监视复位；外部存储器：32K地址空间，15根地址线，4对输入输出控制线，可扩展32个输出或输入口；电源：两个电池插座；通信：MAX202串口驱动芯片。3.4.2 多功能扩展卡8路数字输入通道，4路数字输出通道 ，3路模拟输入通道， 4路电机控制信号输出，2路输入捕捉口 。第四章 软件的设计4.1 拖地机流程图图4.1 拖地机流程图4.2 编程根据实验和产品的要求，我们将智能楼梯拖地机的总程序设计如下：int iIn=0; /*光电读取*/ int bmp_1=0; /*碰撞读取*/int mcd_1=0; /*下放回收上两电机*/int mcm_1=0;int t=1; /*平面区分标志*/ int k=1; /*平面横托标志*/int m=1; /*楼梯横托标志*/ int n=1; /*台阶数区分标志*/ int j=1; /*防止前碰撞开关的不稳定*/ void Go()motor(1,-50);motor(2,-65);void Back()motor(1,50); motor(2,65);void Gozuo()motor(1,70);motor(2,-85);void Goyou()motor(1,-70);motor(2,85);void Stop()motor(1,0);motor(2,0); /* mcd_1 =(mcm_1 & 0b0000); poke( 0x5000 ,mcd_1); */ void main ()int OS3=3;SVA_Pulse(OS3,0.6,2.4);SVA_Speed(OS3,255,20,20,20,20,20,20,20,20);SVA_Ptc(OS3,5);SVA_Pos(OS3,255,0,0,0,0,0,13,-16,71); /*设定舵机初始位置。第六个为后左，*/SVA_GO(OS3,255); /*第七个为前，第八个为后右*/ wait(2.0);while(1)bmp_1=bumper(); /*左碰撞为2，右碰撞为1*/iIn=read(0x4000); /*在平面11111010(250)，前右空11111011(251)，前左空11111110(254)*/ /*前空11111111(255)，中空11111000(248)，加上四个碰撞后数据在变*/ /*在平面11111010(250)，前空11111111(255)，前板下放后11100010(226)*/ /*中空11100000(224)或者11101000(232),后托下放后10000010(130)或者10001010(138)*/ if(iIn=250 | iIn=234) & t=1 & j=1) if(bmp_1 = 0 & k=1 ) /*无碰撞*/ SVA_Pos(OS3,255,0,0,0,0,0,-73,81,-14); /*设定舵机左转位置，原来-70,80,-12*/ SVA_GO(OS3,255); wait(2.0); Gozuo(); else if(bmp_1 = 2 & k=1 ) /*左碰壁*/ Stop(); Goyou(); wait(0.25); Stop(); k=2; SVA_Pos(OS3,255,0,0,0,0,0,13,-16,71); SVA_GO(OS3,255); wait(2.0);Stop();Go();wait(1.0);Stop(); SVA_Pos(OS3,255,0,0,0,0,0,-73,81,-14); /*设定舵机左转位置*/ SVA_GO(OS3,255); wait(2.0); Goyou(); else if(bmp_1=0 & k=2) Goyou(); else if(bmp_1 =1 ) /*右碰壁*/ Stop(); Gozuo(); wait(0.25); Stop(); k=3; SVA_Pos(OS3,255,0,0,0,0,0,13,-16,71); SVA_GO(OS3,255); wait(2.0); Stop(); else if(bmp_1=0 & k=3)Go();j=2; else if(iIn=255 | iIn=234) & t=1 & j=2) /*为防止前碰撞开关的不稳定设定j*/ Stop(); t=2; m=1; /*以便第二个台阶时进入下一状态*/ k=3; SVA_Pos(OS3,255,0,0,0,0,0,-73,81,-14); /*设定舵机左转位置*/ SVA_GO(OS3,255); wait(2.0); mcd_1 =(mcm_1 & 0b1110)| 0b1; /*前电机下放，数据不确定*/ poke( 0x5000 ,mcd_1); /*若不行就用标志位*/ else if(iIn=226 & t=2) /*前板被下放后*/mcd_1 =(mcm_1 & 0b1110); poke( 0x5000 ,mcd_1); Stop(); wait(1.0); t=3;while(m=1)bmp_1=bumper(); if(bmp_1 = 0 & k=3) /*无碰撞*/ Gozuo(); /*往左拖*/ else if(bmp_1 = 2 & k=3) /*左碰壁*/ Stop(); k=4;Goyou(); /*往右拖*/ else if(bmp_1 = 0 & k=4 ) Goyou(); /*往右拖*/ else if(bmp_1 = 1 ) /*右碰壁*/ m=0; Stop(); Gozuo(); wait(0.25); Stop(); SVA_Pos(OS3,255,0,0,0,0,0,13,-16,71); SVA_GO(OS3,255); wait(2.0); else if(m=0 & (iIn!=232 & iIn!=224) ) /*(iIn=234 | iIn=226 | iIn=170 | iIn=162)*/ motor(1,-38);motor(2,-66); else if(iIn=232 | iIn=224 ) /*后托悬空(11101000)*/m=2;motor(1,-35);motor(2,-50); wait(0.20); Stop();motor(1,50); /*急刹车，瞬间反向制动*/motor(2,50);wait(0.1);Stop(); mcd_1 =(mcm_1 & 0b1011) | 0b100; /*后电机下放，数据不确定*/ poke( 0x5000 ,mcd_1); else if(iIn=130 | iIn=138) /*后托被下放*/ mcd_1 =(mcm_1 & 0b1011) ; /*后托停止下放*/ poke( 0x5000 ,mcd_1); Stop(); motor(1,-45); motor(2,-60); wait(1.50); Stop(); while(iIn!=250) iIn=read(0x4000); if(iIn=130 | iIn=138) iIn=read(0x4000); mcd_1 =(mcm_1 & 0b101) | 0b1010; /*前后两个电机回收，数据不确定*/ poke( 0x5000 ,mcd_1); else if(iIn = 154 ) /*| iIn = 186 | iIn = 218*/mcd_1 =(mcm_1 & 0b0000); poke( 0x5000 ,mcd_1); mcd_1 =(mcm_1 & 0b111) | 0b1000; /*前停止*/ poke( 0x5000