室内用消毒器设计（消毒机器人设计含CAD图纸）
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摘 要随着人们的物质和精神生活质量的提高，医院、宾馆等一些室内环境需要一个清洁的公共环境，为了解决这个问题，迫切需要室内用消毒机器人进行自动消毒。设计对消毒机器人的研究现状及发展前景进行简述并对消毒机器人的基本功能和工作原理设计做介绍。消毒机器人的设计主要有结构设计和控制系统设计两个方面。结构设计包括机器人的外形设计、喷雾模块和驱动模块设计，轴的设计计算及危险截面的校核等；控制系统设计分为硬件和软件两方面，硬件方面包括控制元件的选型、控制电路的设计等；软件方面包括电机控制程序的编制、控制系统流程图的设计等。消毒机器人能够在比较复杂的环境下工作，代替人工作业，提高了工作效率，也解决了人工消毒不利于人身健康的问题。关键词：消毒机器人；结构设计；控制系统设计；电路AbstractWith the peoples material and spiritual life, improve the quality of hospitals, hotels and other indoor environment requires a clean public environment, in order to solve this problem, the urgent need for indoor disinfection disinfection robot automatically.In order to solve this problem, the urgent need to design the indoor disinfection robot. Design research status and Prospect of disinfection robot the paper introduces the basic function; and the principle of design and the design of the robot. The disinfection disinfection robot are the main structure design and control system design two aspects. Structural design includes the shape design of the robot, spray module and driver module design, design and calculation of the dangerous section of the shaft check; control system design is divided into two aspects of hardware and software, the hardware includes the selection of control components, control circuit design; software including the preparation of motor control procedures, control system flow chart of the design. Disinfection of the robot can work in more complex environment, instead of manual operation, improve the work efficiency, and solves the problem of artificial disinfection is bad for health.Keywords: disinfection of the robot; structure design; control system design; circuit目 录1 绪论11.1 消毒机器人研究现状11.2 消毒机器人发展前景11.3 消毒机器人研究意义11.4 消毒机器人研究内容22 消毒机器人功能原理设计32.1 消毒机器人工作原理32.2 消毒机器人基本功能33 消毒机器人结构设计53.1 消毒机器人外形结构设计53.2 消毒机器人喷雾模块设计53.3 消毒机器人驱动模块设计63.4 轴的结构设计73.4.1 轴所受载荷的计算73.4.2 轴支点受力分析83.4.3 轴上力矩的计算83.4.4 按弯扭合成校核轴的强度103.4.5 疲劳强度精确校核114 消毒机器人控制系统的硬件设计184.1 控制核心的选型设计184.2 控制转向设计184.3 监测传感器设计194.3.1 压电式超声波传感器原理及结构194.3.2 红外线热释电传感器的原理及电路204.4 供电电源的选型设计204.5 步进电机的选型设计214.6 电动隔膜泵的设计215 消毒机器人控制系统的软件设计235.1 消毒机器人工作过程分析235.2 步进电机的程序设计235.3 发声器的程序设计及其电路图245.4 消毒机器人系统的工作流程255.5 消毒机器人总体电路设计266 结论27参考文献28致 谢29附 录30附录A 总体电路图30附录B 总体装配图311 绪论1.1 消毒机器人研究现状在欧美等发达国家机器人的使用较为普遍，机器人技术也较为先进，尤其是最近几年，随着信息化和自动化技术的发展，机器人技术得到迅速的发展。目前，服务业开发出许多种类的消毒机器人来代替人工作业。消毒机器人技术在很早就出现了，不过现在的消毒机器人融入了先进的智能化技术，使消毒机器人有了自己的判断和对比1。一台消毒机器人设定好程序之后，接通电源就可以工作了。一般情况下，消毒机器人由很多模块组成，包括本体机构的执行模块、信号检测模块以及信息的处理单元等。相对国外相比，我国的消毒机器人技术发展较晚，机器人的使用覆盖面还相对较窄，不过随着国民经济的发展，信息化和自动化技术的提升，消毒机器人受到了足够的重视，尤其是在服务业上，消毒机器人的发展速度非常快，应用也逐渐普及起来。在机器人的研究中，很多高校陆陆续续有了自己的机器人研究中心，在机器人的执行能力和控制方面都有了很大的提高。消毒机器人就是其中一款正在重点研究的机器人。消毒机器人主要对室内或者指定的位置进行消毒液的喷洒工作，该工作无需人工协作，设定好固有的程序，消毒机器人就可以完成，即节省了人工成本，也提高了工作效率，在市场上有着很大的发展前景。1.2 消毒机器人发展前景近年来，随着人们对突发疫情的重视，国家对公共场所的消毒卫生提出了更高的要求，我国人民的环境意识，健康意识，劳动保护意识越来越强。机器人刚进入市场，便受到了广泛的关注，进而推出各种规格，价格适中的全自动机器人产品。消毒机器人作为服务机器人领域中的一员，大大减轻人力物力，和劳动负担，因此拥有非常大的市场潜力。虽然消毒机器人在研究开发方面取得一定的成果，但由于现阶段成本过高的问题尚未解决。因此消毒机器人如能大批量生产使成本降低，以低价格进入市场，将会具有巨大的市场前景，有关资料也预测自动化服务业未来几年需求量最大的是消毒机器人2。1.3 消毒机器人研究意义随着生活节奏的加快，脑力劳动带来的疲惫，消毒卫生越来越成为居家的一大难题。大部分家庭里使用喷洒消毒液进行消毒，但这种办法对实施消毒人员的身体有一定危害，同时也是一项烦琐的工作。越来越多的人逐渐在居家方面也在尝试使用消毒机器人来代替人工劳动，从而能够解决消毒卫生这一大难题。这款机器人的设计，将使人们能在无人看守的情况下，轻松地完成室内环境的消毒液喷洒工作，可以在特殊环境下持续的工作，并且不需要休息。能去到很多劳动者工作不到的地方，大大减轻体力劳动者的工作负担3。同时，使用消毒机器人还能避免消毒液给人体带来的副作用，具有非常实用的研究价值。1.4 消毒机器人研究内容（1）消毒机器人研究现状及发展前景；（2）消毒机器人功能原理设计；（3）消毒机器人整体结构设计；（4）消毒机器人控制系统的硬件设计；（5）消毒机器人电机控制程序的编制及总体电路框图的设计。332 消毒机器人功能原理设计2.1 消毒机器人工作原理根据工作需求，将消毒机器人分为结构设计和控制系统设计两部分。通过对控制模块，驱动模块，监测模块及其他辅助部分的选型，确定结构设计的组成部分；通过电源、电路及控制程序的设计来完成控制系统设计的工作。消毒机器人的工作原理图见图1。其工作原理是通过超声波传感器计算距离来实现的。在消毒机器人前进过程中，向前进的方向发射超声波，当超声波遇到障碍物时，会返回声波脉冲，被声波接收装置接收，然后进行距离的判断，判断出结构之后，给控制核心单片机发出相关的距离信号，由控制核心8051单片机来进行控制策略的制定，并把相关的运动信息通过电子陀螺仪给出正确的运动方向。此时，执行构件驱动器驱动方向轮运动，准确的避开障碍物。同时设计的热释电红外传感器能够对人有着特殊的感应，当发射的超声波碰到人身上时，反馈脉冲被接收装置接收，并进行判断，当判断完成之后，发出信号给单片机，单片机发出停止前进的信号给驱动器，从而实现消毒机器人的停止运动，同时给控制发生器的控制器发出信号使鸣笛，使人让开消毒机器人的行走路线。在消毒机器人的身上设计有小型喷药筒，在消毒机器人行走的同时，向经过区域喷洒药物，从而实现消毒的功能。电子陀螺仪器仪发声器接 收 端超 声 波 传 感 器单片机驱 动 器左步进电机发 射 端右步进电机喷雾器电 源 红外传感器图1 消毒机器人工作原理图2.2 消毒机器人基本功能消毒机器人的整体结构根据实际工作需要设计为小型控制车，主要实现的功能是在规定的工作区域，进行雾化范围性消毒。该功能主要是通过控制模块的单片机来控制各个模块之间的相互配合运作来实现。驱动模块的功能是使消毒机器人能够正常行走，主要通过步进电机来调节，步进电机则通过单片机给出的脉冲信号来设定。喷雾模块的功能是使消毒机器人完成消毒喷雾工作，主要是通过电动隔膜泵来实现的，电动隔膜泵功能主要是通过控制直流电机驱动器及稳定模块使吸进的药液高速增压，然后从喷头喷出消毒液，从而完成喷雾模块工作，相关设计会在后面的章节里介绍。监测模块的功能是实现无人管理避障自动化的重要组成，主要通过各种类型传感器及单片机控制系统来共同完成。供电模块的功能是给控制系统及驱动电机进行供电，是实现整体长时间工作的根本。将上述各个模块组合起来，便可以达到完成整体工作的目的。3 消毒机器人结构设计3.1 消毒机器人外形结构设计消毒机器人的外壳，主要用来起支撑作用，一方面用来支撑消毒机器人的本体的组成机构，实现整体的运动，同时也为了支撑消毒喷雾器以及药剂。外壳一般是封闭的，一方面为了使药剂与外界隔开，避免蹭到其他地方，同时也能对消毒机器人的内部结构有一定的保护作用。消毒机器人在作业时，要进行行走的动作，其行走机构必须要保持一定的稳定性，因此消毒机器人的外壳结构设计成小车的结构外形，实现运动的稳定性4。消毒机器人的外形结构由壳体后壳上盖等部分组成，均为塑料材料（电子陀螺仪附近不能有铁磁性零件）。壳头部为喷雾器喷头，壳后部内安装电池和线路板，中间部分为储液槽，上部里面主要安装电动机、隔膜泵及一些功能性机构；两侧可以用来安装车轮。消毒机器人结构组成见图2。图2 消毒机器人结构组成因为机器人要运动，消毒机器人的设计要满足外观的需要，也要保证有足够的强度和刚度5。所以，尽量减轻其自身重量，并且结构尽可能的简单，降低加工成本。3.2 消毒机器人喷雾模块设计消毒机器人的喷雾部位，主要由吸管喷管储液箱电动隔膜泵等部位组成。消毒机器人在工作时要经过吸液、雾化、喷洒三个阶段。第一阶段通过电动隔膜泵过滤网，将储液箱的消毒液吸进隔膜泵；第二阶段消毒液通过隔膜泵的压力下通过输液管，喷液管到达喷头；第三阶段从喷头瞬间雾化喷出消毒液。过滤网透气性好，能挡住较大颗粒的杂物，能长时间过滤而不被堵塞，使电动隔膜泵正常工作。消毒机器人喷雾简图见图3。图3 消毒机器人喷雾简图3.3 消毒机器人驱动模块设计消毒机器人的行走结构采用轮式驱动，该行走机构能够减小摩擦，减小阻力，节省驱动能源，该消毒机器人的驱动采用步进电机驱动，执行机构为两个后轮。步进电机带动两后轮转动，实现消毒机器人的前进或者后退。在前轮的设计中，采用的是单一万向轮作为消毒机器人的前轮，该万向轮的设计即简化了结构，也提高了消毒机器人的总体自由度和灵活度6。消毒机器人在行走的同时要进行药剂的喷洒，为了保证消毒机器人工作的质量，行进速度不能太快，一般在3m/min即可。消毒机器人行走结构图见图4。图4 消毒机器人行走结构图车轮的转速计算： （3.1）式中U线速度(m/min)；C车轮的周长（cm）；N车轮的转速（r/min）。将U=300，C=7代入式（3.1）得40r/min（1）消毒机器人后轮阻力距计算设计消毒机器人单个后轮的质量在3Kg，则后车轮阻力矩的计算 （3.2）式中T为所求阻力矩；m为质量；g为常数；f滚动摩擦系数；R为所求车轮半径。将m=3，g=9.8，f=0.05，R=4代入式（3.2）得= 5.88NM（2）消毒机器人前轮阻力矩计算设计消毒机器人前轮的质量在6Kg，前车轮阻力矩的计算由式（3.2）得= 11.76NM将上述所求结果，与机械设计手册7中相应的数据经对比验证后，得出结论，该消毒机器人的行走符合设计要求。3.4 轴的结构设计3.4.1 轴所受载荷的计算轴所受的载荷从零件传来，计算时，将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布的中点，作用在轴上的扭矩，一般从传动轮毂宽度的中点算起，通常把轴作为链铰接支座的梁，支持反力的作用点与轴承的类型和布局方式有关。轴的受力分析图见图5（a）。（1）切向力的计算 （3.3） 式中切向力；转矩；分度圆直径。将4.75106，代入式（3.3）得（2）轴向力的计算 （3.4） 式中轴向力；转矩；分度圆直径。将4.75106，代入式（3.4）得（3）径向力的计算 （3.5）式中径向力；角度正切值。将13892.86，代入式（3.5）得3.4.2 轴支点受力分析（1）在竖直方向的受力 （3.6）式中，竖直方向的受力；轴向力；d1分度圆直径。将205，代入式（3.6）得，（2）在水平方向的受力 （3.7）式中，水平方向的受力；切向力。将代入式（3.7）得各个力的方向和大小见图5的（b）、（d）。3.4.3 轴上力矩的计算（1）支点1对截面X的力矩M1竖直方向上的力矩计算 （3.8）式中竖直方向上的力矩；竖直方向的力。将代入式（3.8）得水平方向上的力矩的计算 （3.9）式中水平方向上的力矩；水平方向的力。将代入式（3.9）得则支点1对截面X的力矩M1的计算 （3.10）式中对截面X的力矩；竖直方向的力矩；水平方向的力矩。将，代入式（3.10）得（2）支点2对截面X处的力矩M2竖直方向上的力矩由式（3.8）可得水平方向上的力矩由式（3.9）可得则支点2对截面X处的力矩M2由式（3.10）可得各弯矩图见图5（c）、（e），支点对截面X处的力矩见图5（f）。图5 轴的分析图3.4.4 按弯扭合成校核轴的强度（1）因轴的结构不同，各个部位的强度也不尽相同，所以在校核轴的强度时首先分析轴的危险截面的位置和强度情况，只校核该处的强度即可。轴的应力计算 （3.11）式中轴的应力；应力影响系数；为轴的抗弯截面系数，单位mm2；支点1的力矩； 在轴上的扭矩，见图5（g）。将，代入式（3.11）得根据轴的材料参考资料查得，轴的许用弯曲应力=60Mpa，另查得=275Mpa，=155Mpa，所以，所以截面X是安全的。（2）在截面处弯矩较大，轴颈较小，对此截面也按弯扭合成进行校核如下，将截面处的弯矩代入式（3.11）得=同样截面也安全。（3）在界面处弯矩比截面小，且轴颈也比小，不能判断截面是否满足强度要求，因此需要验证。将截面处的弯矩式中代入式（3.11）得同样所以截面也是安全的。3.4.5 疲劳强度精确校核（1）判断危险截面截面和截面轴径相同，但截面不受扭矩，只需验证截面。对于截面，受到扭矩较大，但所受弯矩较截面小。因此，无法判断其是否安全，也需要验证。、截面都受键槽引起的应力集中，因为截面直径与截面的直径相同，但不受扭矩，故只需验证截面。（2）截面校核截面抗弯截面系数计算 （3.12）式中抗弯截面系数；直径。将d = 95代入式（3.12）得截面抗扭截面系数计算 （3.13）式中抗扭截面系数；直径。将代入式（3.13）得。截面所受的弯矩计算 （3.14）式中弯矩；X截面的力矩。将M2 = 647689代入式（3.14）得截面上的扭矩：。截面上的弯曲应力计算 （3.15）式中弯曲应力；W抗弯截面系数；竖直方向的力矩。将W = 85737.5，MV1 = 1232032.78代入式（3.15）得截面上的扭转切应力计算 （3.16）式中扭转切应力；在轴上的扭矩；抗扭截面系数。将T = 347321.43，WT = 171475代入式（3.16）得轴的材料为45#钢调质处理，根据机械设计手册查得，在截面处，由于尺寸突变形成了应力集中，则计算时要考虑应力集中的影响，应力集中系数和根据机械设计手册查得，经过差值后，得，。又根据机械设计手册，可得轴的材料的敏感系数，。故有效应力集中系数的计算 （3.17）式中材料的敏感系数；应力集中系数。将，代入式（3.17）得。 （3.18）式中材料的敏感系数；应力集中系数。将，代入式（3.18）得。根据所有系数，得出综合影响系数计算 （3.19）式中综合影响系数；应力集中系数；尺寸系数；表面质量系数；轴未经表面强化处理系数。将，代入式（3.19）得 （3.20）式中综合影响系数；应力集中系数；尺寸系数；扭转尺寸系数；轴未经表面强化处理系数。将，代入式（3.20）得根据机械设计手册知碳钢的特性系数，取；，取根据已知数据计算安全系数 （3.21）式中安全系数；应力集中系数；弯曲应力系数；碳钢的特性系数。将，代入式（3.21）得 （3.22）式中安全系数；应力集中系数；切应力系数；碳钢的特性系数。将，代入式（3.22）得 （3.23）式中安全系数；安全弯曲应力系数；安全切应力系数。将，代入式（3.23）得安全系数S=1.51.8，所以截面安全。（3）截面校核截面抗弯截面系数由式（3.12）可得。截面抗扭截面系数由式（3.13）可得。截面所受的弯矩由式（3.14）可得截面上的扭矩。截面上的弯曲应力为由式（3.15）可得截面上的扭转切应力由式（3.16）可得已知轴的材料和处理方式，结合机械设计手册，查表得，在截面处，由于尺寸突变形成了应力集中，则计算时要考虑应力集中的影响，应力集中系数和根据机械设计手册查得，经过差值后，得，。又根据机械设计手册可得轴的材料的敏感系数。从而带入应力集中系数计算由式（3.17）可得。应力集中系数计算由式（3.18）可得。根据所得系数，求出综合影响系数由式（3.19）可得根据所得系数，求出综合影响系数由式（3.20）可得根据机械设计手册知碳钢的特性系数，取；，取根据已知数据计算安全系数由式（3.21），（3.22）和（3.23）可得 安全系数取S=1.51.8，所以截面安全。（4）截面的校核截面抗弯截面系数由式（3.12）可得。截面抗扭截面系数由式（3.13）可得。截面所受的弯矩由式（3.14）可得。截面上的扭矩。截面上的扭转切应力由式（3.16）可得已知轴的材料和处理方式，结合机械设计手册，查表得在截面上，由于尺寸突变形成了应力集中，则计算时要考虑应力集中的影响，取值为，经过差值后，得。.又根据机械设计手册可得轴的材料的敏感系数。带入应力集中的计算由式（3.18）可得。根据所有系数，得出综合影响系数由式（3.20）可得根据机械设计手册知碳钢的特性系数，取根据已知数据计算安全系数由式（3.23）可得安全系数S=1.51.8，所以截面安全。（5）截面校核截面上产生的最大切应力、平均应力计算由式（3.16）可得已知轴的材料和处理方式，根据机械设计手册查得，绝对尺寸影响系数由机械设计手册得，。表面质量影响系数根据机械设计手册得。由于设置有键，在键的位置上会形成应力集中，由机械设计手册得，根据机械设计手册中碳钢的特征系数，取截面安全系数由式（3.22）可得安全系数取S=1.51.8，所以截面安全。将校核的数据与材料力学里的标准参数进行对比，得出最终结论轴强度合格。4 消毒机器人控制系统的硬件设计4.1 控制核心的选型设计消毒机器人的控制部分主要由单片机来完成，根据需要选用MC-51系列单片机中的8051型单片机作为整个消毒机器人是控制核心来进行控制，8051是ROM型单片机，内含4K字节的ROM，完全符合设计需求。机器人的控制核心采用的是操作简单的8051单片机，该单片机的核心是CPU，同时还有这边各种寄存器和输入输出接口，并且能够对内部和外部存储器进行寻址8。8051单片机引脚图见图6，其主要的特征由以下几个方面：（1）面向控制的8位CPU 和指令系统；（2）128*8位内部RAM；（3）两个16位定时器/计数器；（4）共32个可编程I/O线；（5）可编程串行通道；（6）两个中断优先级，5个中断源；（7）低功耗的闲置和掉电模式；（8）一个片内振荡器和时钟电路。图6 8051型号单片机引脚图4.2 控制转向设计消毒机器人的转向需要电子陀螺仪进行指引，在转向过程中电子陀螺仪能将检测到的方向角以脉冲的方式发出，通过单片机进行判断来完成预期的转向目的。消毒机器人在进行行走消毒的过程中，动作的转换需要A/D转换所对应的数字电子陀螺仪的OEM板作为向导，该电子陀螺仪是利用电子感应技术来进行设计的，该芯片能够进行精准的GPS定位，借助该定位可以进行消毒机器人的轨迹规划等，并且能够判定自己的位置和需要消毒区域的坐标。该电子陀螺仪使用标准同步三线制串行总线作为数据接口，可以和MCS-51，Motorola 68xxx，PLC16Cxx等多种系列单片机接口使用。通过引脚可选择输出数据格式是二进制或十进制（BCD），电子陀螺仪管脚图见图7。图7 电子陀螺仪管脚图4.3 监测传感器设计4.3.1 压电式超声波传感器原理及结构自从超声波技术出现以来就备受关注，为了使超声波技术与监测领域更好的融合，经过很长一段时间的研究和开发，终于设计和制作成了超声波传感器9。在压电式超声波传感器中，压电晶体会有谐振现象，超声波的发生恰恰是利用了该谐振现象。压电式超声波传感器的核心结构，一共有两块压电晶片和一个共振板组成。首先给压电晶片的两级施加脉冲信号，脉冲信号有着相应的频率输出，当脉冲信号的频率和压电晶片的固有频率一致时，会产生共振，同时带动共振板振动，从而产生声波传出，利用这种原理可以制成超声波发生器。反之，如果压电晶片一开始没有振动，当接收到超声波时，压电晶片才开始振动，利用这种原理可以制成超声波接收装置。消毒机器人选用了压电陶瓷式超声波传感器，在超声波信号发射端使用T40-16，在信号接受端使用R40-16，发射信号由NE555时基电路组成振荡器产生40KHZ的声波，接收信号侧有放大、比较和积分电路三部分组成。一般情况下，可以通过调节电阻的大小来改变振荡频率，同时也可以通过改变电阻的大小来改变电压值，使敏感度得到调整。4.3.2 红外线热释电传感器的原理及电路在消毒机器人中需要用到很多传感器来确定机器人的位置关系和作业范围，在众多的传感器元件中，热释电传感器应用较为广泛10。该传感器主要是用来高敏度探测的，该传感器可以得到被检测物体的能量变化，并且把该能量变化转化成电压信号，再通过相关的放大电路将该信号放大，当驱动电路得到相关的信号之后，驱动相应的执行部件，实现需要的动作。该传感器还能进行温度的变化感应，推测出光线的弧度变化，进行机器人位置的判断。红外热释电传感器电路图见图8。图8 红外热释电传感器电路图消毒机器人为了能够检测人的活动，减少人对消毒车工作的影响，采用了AM111型传感器，这种传感器使用热电元件，能够精准的确定人的具体位置，并发射定位信号。在该传感器内部，集成了运算放大器，如果有特殊需要还可以在外部链接运算放大器，以便增强消毒机器人的其他功能。4.4 供电电源的选型设计消毒机器人的工作是一个区域性的工作，电源的选择不能使用传统的拖线式电源，而是采用蓄电池作为原动力。工作非常灵活，只要蓄电池充上电，就能实现自主工作，无需工作人员控制11。由于消毒机器人的运动采用的是轮式转动，减小了运动中的摩擦力，负载也是小型轻型的喷雾器，所以电源选择24V，10AH的蓄电池。在该消毒机器人的驱动元件中，需要有两部分的电源作为运动支撑。一是电路的控制核心CPU以及传感器工作的电源，我们采用+5V电源，二是电机的驱动电源，该电源是消毒机器人运动的驱动支撑。两类电源可以分开进行充电，但是这样造成能源的浪费，并且很不方便。本次设计，两类电源的需求可以从一组电源处获得，通过稳压器变换出不同的电压来满足两种不同的需求。4.5 步进电机的选型设计步进电机是驱动元件，是由电能转换成机械能的工作装置，该能量的转换主要是有电脉冲信号转换成某个部件的位移的控制元件。步进电机对电机转速的控制以及消毒机器人的运动位置的精准确定是通过脉冲的信号以及脉冲的数量来决定的，在给电机添加相应的脉冲信号，电机的转动角度就会随着脉冲信号而得到确定，它们之间是一种线性关系，而这一关系使步进电机在转速和位置的精确控制上操作更加简单方便。步进电机的驱动采用单电压驱动，根据电源要求步进电机的供电电压为12V，同时查阅机械设计手册，选择相应的步进电机型号，步进电机的基本参数见表1。表1 步进电机的基本参数型号相数额定电压（V）电流（A）保持转矩（NM）步距角（ ）57BYG003412V0.6A0.51.84.6 电动隔膜泵的设计图9 电动隔膜泵原理图1单向阀；2隔膜；3减速箱；4电机电动隔膜泵原理图见图9，其工作原理是：首先电机4的转动带动减速箱3转动，减速器设计成偏心装置，类似于曲柄连杆机构带动隔膜2做一前一后的往复运动，在隔膜泵的左右两个泵腔内设计有上下两个单向球单向阀1，随着隔膜的左右运动，腔内的容积发生变化，迫使四个单向球阀不停地交替开启和关闭，从而实现液体的吸入和排出。微型电动隔膜泵的原理和图9完全一致，只是把电机部分，减速箱，泵体部分作为一个整体。电动隔膜泵的转动源为直流电机，所以需要直流电机驱动器用来驱动电动隔膜泵，采用驱动电路来驱动，在该驱动电路的设计中，能够实现电机的正反转动，实现不同方向的运动。电机驱动电路图见图10。图10 电机驱动电路图由于考虑到电机工作的稳定性，可以通过单片机控制驱动芯片的工作来使隔膜泵旋转或停止，在这里选用L6203。L6203引脚图见图11。图11 L6203引脚图5 消毒机器人控制系统的软件设计5.1 消毒机器人工作过程分析消毒机器人的运动主要是沿直线行走，在使用时先将它放置在需要消毒空间的墙壁左侧，这种方式就像我国规定的汽车通行方式一样，消毒机器人的右侧靠近墙壁12。当开关闭合后，消毒机器人向前沿直线行走，同时超声波传感器对墙壁等障碍进行检测、热释电红外线传感器对人的活动进行检测13，当经过脉冲信号的反馈和相关电路的判断前方有人时，消毒机器人停止运动并发出声音示意让行；如果房间里没有行人，则持续前进，直到检测到墙壁为止。此时，消毒机器人停止前进开始转动，转动需要两个步进电机的协作，一个正转一个反转，实现消毒机器人的转弯，在电子陀螺仪的指引下，运动到指定的位置，如果到了边缘则停止前进，向左旋转到180度，然后前进，直到有墙壁存在时整个消毒机器人停止工作。如果在转过90度之后沿墙壁行走过程中走到了步进电机的步数后，消毒机器人停止前进，向左旋转直到180度，然后前进，直到有墙壁存在时整个消毒机器人停止工作，如果在转过90度之后沿墙壁行走过程中走到了步进电机的步数后，消毒机器人停止前进，向右旋转直回到0度，在不断的重复前面的过程，直到将整个区域喷洒完成，实际上消毒机器人的转向为2次左转、2次右转的循环。5.2 步进电机的程序设计消毒机器人的驱动采用步进电机，步进电机的驱动信号是由单片机经过脉冲分配器分配给步进电机的14，通过改变脉冲的频率实现步进电机的速度控制，通过脉冲高低电平的控制实现电机的正反转动，从而实现消毒机器人的直行或者转弯等运动。步进电机的速度是通过改变脉冲频率来调节的，该种调节是通过定时器来实现的。定时器通过计算脉冲频率以及单片机的工作周期来进行计算，当到了定时时间时，定时器溢出，定时程序中断，改变P1.0电平状态，实现相对应的脉冲输出，从而实现了速度的调节。这里我们使用定时器T0。消毒机器人的步进电机脉冲频率 （5.1）式中脉冲频率；转子齿数；步距角。将，代入式（5.1）得 = 40HZ用于改变速度的定时常数存放在内部RAM 30H(低8位)和31H(高8位)中，则定时器中断服务子程序为：AA： CPL P1.0；改变P1.0电平状态PUSH ACC；累加器A进线PUSH PSW；CLR C；CLR TR0；停定时器MOV A，TL0；取TL0当前值ADD A，#08H；加8个机器周期ADD A，30H；加定时常数(低8位)MOV TL0，A；重装定时常数(低B位)MOV A，TH0；取TH0当前值ADDC A，31H；加定时常效(高8位)MOV TH0，A；重装定时常数(高8位)SETB TR0；开定时器POP PSW；POP ACC；RETI； 返回5.3 发声器的程序设计及其电路图在遇到行人时，消毒机器人停止前进，发生器发出声音，提示让行15。发生器发声的原理主要是接收到变化的脉冲信号，使发生器电路持续导通状态，在电路中设计有振荡电路，该振荡电路由于接收到变化的脉冲对发生器施加电压，从而实现了发生器的发声，发生器电路图见图12。其程序如下所示：SPEAKER EQU P0.6LOOP： CLR Speaker CALL Delay SETB Speaker CALL Delay LJMP F2 DELAY： MOV R0，#50 DJNZ R0，F2 RETEND图12 发生器电路图5.4 消毒机器人系统的工作流程系统总体工作流程图见图13。图13 系统总体工作流程图5.5 消毒机器人总体电路设计消毒机器人的组成实际上是一个移动机器人与喷雾器的组合16，主要是在移动机器人的设计上。消毒机器人的总体电路需要结合机器人的整个工作流程。前面已经介绍和设计了消毒机器人的各个组成模块，把这些模块有序的联合起来就是消毒机器人的工作过程了。总体电路图见附录B。6 结论消毒机器人是一款集智能化、自动化等多种功能于一体的服务型机器人。首先对消毒机器人的发展前景和研究现状进行了分析和研究；接着对消毒机器人的基本功能及工作原理进行了设计。消毒机器人的设计主要完成了结构设计和控制系统设计两个方面。结构设计完成了机器人的外形设计，喷雾模块和驱动模块的设计，以及轴的设计计算，并对其危险截面
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