iRobot-Braava-拖地机器人的设计与仿真

全套设计（图纸）加扣扣194535455第1章前言1.1课题的研究背景一直以来，基本的室内清扫工作枯燥繁琐，是一项人们深受困扰的劳动。而进入了二十世纪，随着科技的发展，人们便想到了用工具来代替这种枯燥乏味的劳动，于是吸尘器等一些家用服务型工具便由此产生。但是最早的吸尘器工作时不仅有较大的噪音，清洁也并不彻底，也无法自动实现清扫，因此，实现自动化和高效高质一直是清洁机器人的发展方向。近年来,随着科学技术的提升，机器人领域的研究开始飞速发展，成为一项集机械领域、电子领域、计算机领域、等众多领域为一体独特科学。而机器人产业的发展，也越来越受到各个政府的高度关注,成为了衡量一个国家科学技术水平的重要指标，吸引了众多人的眼光，。为了节省人力资源，较低劳动成本，美国、日本等一些发达国家纷纷将机器人技术提高到国家战略的地位，以求提高机器人产业在国际上的竞争力，更是为未来的科技革命储备竞争优势。应用现代化科技，实现日常家居的信息化与智能化，以求给人们带来更加方便、快捷、舒适、科学的居住环境，这便是智能家庭概念。而随着这一概念的提出，人们对于能够自主完成家庭清洁任务的机器人的渴望越来越迫切，各科研生产机构也纷纷将目光投向了家庭服务机器人的庞大市场。于是，集传感技术、人工智能技术、信息技术为一体的家庭服务机器人被研发出来，广泛的应用于与人们日常生活密切相关的劳动中：打扫房间的扫地机器人、危险作业的擦玻璃机器人、人机交互的娱乐机器人、检测身体状况的健康机器人这些机器人深受人们的喜爱，正在飞速的融入人们的生活中，显著的提高着人们的生活质量。最新发布的《2013-2017年全球与中国家务机器人行业市场研究及预测分析报告》数据显示，2012年全球家务机器人销量达到196万台，同比增长14.86%，其中大部分是吸尘器机器人，其占家务机器人总销量的96%以上，可见家务型机器人的市场正在不断地扩大[1]。一般的家用服务机器人操作简单，灵活小巧，能够很好地适应各种环境，能够满足各种日常生活劳作，具有很高的实用性，越来越受到人们的青睐。正因为其庞大的市场潜力，许多的知名电子科技公司纷纷研发出了各式各样的家庭用机器人，并且快速的投向市场，使得服务机器人的技术趋向成熟，效果越来越好，效率越来越高1.2国外发展现状世界上第一台机器人（如图1-1所示）的发明是在1958年，由著名的美国人“机器人之父”因戈尔伯格和德奥尔制造，由此开启了工业机器人的时代。而一直持续到二十世纪七十年代，由于科学技术的发展相对缓慢，许多重要难题还没有攻克，也并没有实现机器人的自动化，工业机器人只是仅仅去替代工人的一些简单重复的劳动，政府也并没有意识到这一革命性的举动，没有提出重点举措大力支持，机器人产业的发展陷入了相对缓慢的瓶颈中。当时，整个制造业领域中所使用的工业机器人还不足3000台。此时，许多科研机构和非官方组织也纷纷意识到机器人产业的混乱无章，开始寻找自我救助的方法，于是在1971年，日本成立了世界上第一个机器人组织——日本机器人协会，这对于机器人领域的交流与发展具有划时代的意义。到了八十年代，人们渐渐意识到劳动力资源的缺乏，许多沉重和危险的工作已经不是人力所能满足，以美国为首的资本主义国家也感觉到了工业生产力不足，形势十分严峻，于是开始制定各种鼓励政策，开始重视机器人领域的技术发展与资金支持，加大了对工业机器人的投资力度。于是工业机器人的销售开始日益火爆，各公司机构纷纷将目光投向了这一空白领域，研制出的机器人有着更高的产品质量，更快的生产效率，更自动化的操作模式。工业机器人的发展开始了飞速的提升。这个时期也就是所说的第一代机器人。图1-1世界第一台机器人到了九十年代，第一代机器人的技术已经日趋成熟，随着人们对制造生产的要求越来越高，第一代机器人已经无法满足生产的实际需求，于是具有各种感观的机器人应运而生，这便是第二代机器人。第二代机器人被人们赋予了感观功能，能够捕捉获得外界的一些基本信息，比如说外界的环境、物体的大小等等，并由此对自己的一些操作工程进行调整和修改等，它们已经具有一定的智能。与此同时，人们对于机器人的要求不仅仅是制造业，医疗类、服务类、探索类等等一系列机器人也都开始出现，机器人从制造工厂开始走向各种各样的环境中，完成各种各类的工作任务。到了二十一世纪，网络技术，信息技术，微电子技术的蓬勃发展，给了机器人新的春天，于是便迎来了第三代机器人。第三代机器人性能更加出色，功能更加全面，精准度更高，速度更快，不但具有更加精密的感观系统，还能准确识别外在环境，智能判断各种条件，做出相应的反射运作。清洁机器人是二十一世纪的新产品，虽然只有短短数十年的生命历程，但随着高新科技的日新月异，清洁机器人在短暂的历史中，有了长足的进步。许多国家已经参与到家庭清洁机器人的研究和生产中，包括美国，德国，日本，瑞典和韩国等一些发达国家。数据显示，目前世界上至少有48个国家在发展机器人，其中25个国家已涉足服务型机器人开发，在日本、北美和欧洲，迄今已有7种类型计40余款服务型机器人进入实验和半商业化应用[2]。机器人技术产生于美国，作为发源地，美国的机器人技术一直走在世界前列，美国拥有机器人制造相当完整的工艺，其制造的机器人技术含量非常高，适应能力非常强，至今仍处于世界领先地位。美国在机器人的应用上主要集中于军事，医疗，家庭服务等领域，服务机器人的需求量十分巨大，达到了其百分之六十左右的机器人销售组分。日本的资源十分缺乏，这也注定了其是机器人的使用大国，同时也促使其在机器人产品的开发领域投入了大量精力。对于这样一个国家战略领域，为了推动机器人产业的发展，日本政府在经济上和政策上给与了相当大的支持，积极的鼓励开发机器人，并且给与很高的便利设施和最大的经济优惠，使得日本的机器人拥有量非常大，技术相当先进。图1-2日本服务机器人市场增长趋势（亿日元）最近日本推出了一款会做家务的机器人“AR”，由东京大学和丰田公司等联合开发，其与传统机器人不同的是，“AR”能够智能识别衣物上的褶皱，并且对衣物进行分类放置，最后再分类清洗；如果拿的过程中，衣物掉到了地上，它还能自主捡起来；同时。它还能够完成收拾桌子，拖地等一系列家务活动，真正实现家务活动的自动化和智能化。韩国将服务机器人技术列为未来国家发展的十大“发动机”产业，把服务机器人作为国家的一个新的经济增长点进行重点发展，对机器人技术给予了重点扶持[3]。面对经济的困顿，韩国政府将机器人的开发作为一个重点工程，从政策上大力支持，早在2006年，韩国政府就已经认识到了目前世界机器人市场的中心正在从制造型机器人向服务型机器人转变，于是计划在15年内普及服务机器人，这就是所谓的“机器人强国”策略。故而韩国虽然机器人技术起步较晚，但是发展迅猛，有希望在五至十年间追赶上美国、日本等一些技术前列国家。德国的服务机器人开发最为成功，作为一个机械制造领域处于世界领先地位的国家，其先进的科学技术和精密的制造技术为机器人的开发提供了有力的环境。最近，德国研究出了一款新的保姆机器人Care-O-Bot3（图1-3所示），这是一个独臂的仿人形机器人，主要为了帮助居家老年人和行动不便的人群。这款机器人主要功能是帮助主人拿取物品，它的全身上下装满了传感器和扫描系统，能够分辨出周围的环境和物品，准确的抓取众多日常用品，将其交到人类手中。同时Care-O-Bot3还带有导航传感器，即便在公众场合密集人群中也能行动自如，自动避开物品和行人，识别抓取物并完成指令。图1-3Care-O-Bot31.3国内发展现状我国的服务机器人现阶段相对与外国的先进水品相比还存在一定的差距，这主要是由以下原因造成的。因为我国有关于服务机器人的研究时间很晚，都是最近才开始的，发展时间的滞后和工业科技水平与发达国家的差距造成了落后的局面。1986年，国家高科技发展规划首次把机器人产业列入其中，这为我国机器人的发展打下了坚实的基础，此后，一系列高新科技公司和科研基地陆续出现。最近国家无论从政策还是资金方面对机器人的行业的扶持力度都较大。2005年的时候，国家科技部和有关的科研所，相关的生产制造企业在北京共同召开了服务机器人发展战略会。此次大会对我过十一五期间服务机器人的发展做出了指导，并更具国内机器人行业的现实基础，提出了相关课题的研究。2009年的时候，中国科技大学卡法的可佳服务机器人是国内服务机器人一次较大的飞跃。因为此机器人它具有很多先进的功能，如人脸识别，GPS导航，人机语音交互和自主识别物体并抓取物体等功能。尤其是它不单单是机器，还具有了人的思考功能。实现了任务的自动规划完成，通过与人的对话来获取相关的知识条件。虽然很多公司都已经涉足了服务机器人这个产业，但是还是处于相关的理论阶段，真正的从理论到制造销售与售后支持还有一段很长的路要走。虽然可以预料到的是，这个行业是一个朝阳产业，但距离真正的飞入寻常百姓家还有一段很长的距离，大多只会在特定的场合运用。1999年的时候，浙江大学就开始了清洁机器人相关课题的研发与探索，并在短短的2年时间内开发出了吸尘机器人，虽然它的智能化很低，但不得不说也填补了国内在这个行业的空白。在随后的开发中，通过与其它公司的合作，在2003年的时候，新款机器人的智能化水平有了大幅度的提高，而且它的工作效率相对上一代机器人而言有着质的飞跃。它主要的工作原理是先进行相关的环境学习，利用超声波原理，覆盖房间每一个需要清洁的区域。另一方面，通过此原理，合理规划清洁的路径和清洁时间。同现有的机器人一样，在任务结束或者电量缺乏时，自主回到充电座，实现智能充电，据相关实际的测定，一般情况下，充电10分钟可以完成一般房屋百分之90的清洁区域，可以说是十分高效和便捷。总而言之，我国目前的服务机器人产业仍然与西方发达国家有一定的差距，想要赶超世界先进水平还需要经过很大的努力。目前，我国的服务机器人主布局在以下领域如清洁，教育，娱乐安全等，同时相关零件与控制驱动部件的公司也正在经历较快的发展。1.4现有拖地机器人种类（1）德国RC3000RC3000（图1-4所示）是一款德国制造的机机器人，它在2006年被凯驰公司设计制造，是一款非常经典的商用产品。它的配置非常高端，能够自动完成所有的过程，它配备有各种各样的传感器，而所有的运动都由它内部的芯片来控制。在清扫过程中，遇到障碍的时候，它可以自主绕过然后选择最佳路线继续清洁地面。当没有电或者任务完成以后，它会自动的到充电桩去充电。这是出现在世界上的第一款智能服务机器人，可以自主完成所有清洁过程，也由此开启了智能服务机器人的时代。图1-4RC000（2）科沃斯地宝朵朵国外的机器人发展迅速，国内的也在飞速发展中。科沃斯机器人是国内较为常见的清洁机器人。科沃斯是我国苏州的一家高科技公司，它业务范围覆盖全国各地，集销售研发制造与一体。科沃斯机器人在清洁机器人领域有着自己独特的地位。它的生产线是全世界最先进最为完整的，开拓了多个业内第一。机器人地宝朵朵，是一款非常先进的机器人，拥有各种功能，它有独立的水箱，它的供水系统是连续的，还能偶自动的清洁抹布。它的一系列操作都集成在智能控制芯片里面，全部由内置的智能软件操作，不需要人为的干预。图1-5科沃斯地宝（3）地贝Dibea（地贝）是一款吸尘器，它是苏州的益节智能科技有限公司开发出来的一款性能卓越的产品。它的优势在于涵盖了不同层次的消费者，满足了大众的各种需求，是一款真正的居家必备的清洁管家。它首次实现了人与机器的语言沟通，每个步骤都会有集成在机器里面的语音控制系统确认再进行执行。它具有独特的一键工作模式，只需按一个按钮即可实现所有的工作，非常简便。我们还可以自定义打扫时间，当电量不够的时候，它会自动回去自我充电。图1-6地贝（4）Proscenicjojo“Proscenic”（图1-7所示）是由台湾的公司开发出的产品。在20世界末期就投入使用，进过一系列的开发改进之后，已经变得十分先进了。在2015年的时候，退出了它的最新变种Pro-JOJO，这时一款智能擦地机器人，它依靠模仿人工擦地，实现了干湿两种模式的呼唤，而且它独特的GPS功能，能够覆盖房子的每一个区域。当JOJO在干擦模式的时候，它主要以吸附灰尘和毛发为主。当处于湿擦模式的时候，它会保持Y型路线进行移动，保证每个区域都被托干净之后才会到下一区域工作，这样就有利于实现深层次的清洁。图1-7Proscenicjojo（5）iRobotBraava美国的iRobotBraava闻名世界。美国iRobot公司是最早开发清洁机器人的老牌公司之一，它一开始获得了政府的大力支持，专注于为国家研究军事用途的机器人，积累了大量的技术资源。作为全球知名的人工智能技术研发公司，其开发的iRobotBraava是目前为止最受欢迎，性能最好的拖地机器人之一，它真正的做到了服务机器人走进千家万户。iRobotBraava作为销售量最好，认可度最高的拖地机器人，其在清洁机器人领域的地位不言而喻，也代表了当代服务机器人最先进的科学技术，截至2014年，iRobotBraava在全世界的销售量已经达到了九百万台。图1-8iRobotBraava（6）iRobotBraava的特点Braava是一款专业的擦地机器人，是由美国机器人公司iRobot于2013年全新推出的产品。这款机器人具有以下几个特点：1、擦地情况：就像传统的人工擦地一样，iRobotBraava模拟的是人工跪地作业，左右来回进行擦拭，使得地面和人工擦拭没有区别，相比于其它清洁机器人更加干净。2、擦地模式:iRobotBraava拥有干擦和湿擦两种擦地模式，可以视地面情况和使用者要求进行处理，能够进行更加深入的处理。3、导航系统：iRobotBraava采用的是先进的“北极星”室内导航系统，拥有最为先进的路径规划技术。区别于其它清洁机器人的胡乱走动，iRobotBraava能够标记出它已经走过的地方，不会进行重复多余的处理，从而实现路径的最优。1.5研究意义目前市场上，单一的拖地机器人种类还很缺乏，国产的拖地机器人在性能和功能上和国外的老牌产品相比还有很多不足，中国在智能清洁机器人上的研究水平和国外相比还有一定的差距。而iRobotBraava作为销售量最好，认可度最高的拖地机器人，其在清洁机器人领域的地位不言而喻，也代表了当代服务机器人最先进的科学技术。通过对iRobotBraava的研究分析，了解并掌握机器人设计的基本路线，并学习了解机器人的结构设计以及路径规划等基本理论，明白北极星导航系统的工作原理，掌握iRobotBraavaobotBraava380型拖地机器人的串口通信、数字与模拟信号的输入输出等相关知识，为今后拖地机器人的发展提供理论基础和学术理论支撑。第2章结构设计2.1机械结构组成(1)整体结构iRobotBraava的整体由两个部分组成：机构部分和控制系统部分。机器人的移动结构方式通常有轮式、履带式,关节式和复合式几种[4]。其中，关节式主要应用于仿人机器人，结构类型和人类手臂等相似，能够实现灵活运转和多角度的运动，但是关节式机器人较为复杂，现在主要用于各研究室，实际生产中较为少见；履带式机构具有适应性强，稳定性高等诸多优点，可以在户外等一些路面环境较为复杂的情况下使用，但是其运作时噪音较大，不适合于室内作业；复合式机构最为复杂，性能也最强，能够适应各种各样特殊的环境，完成各种特殊工作所需，但是成本较高，维修较为不便。iRobotBraava主要是室内作业，地面一般光滑，而且考虑到灵活性，减小噪音，精简结构等因素，所以采用的是轮式结构。室内拖地中，经常会遇到各种狭小的空间，比如说沙发底下，家具角落等区域，这就要求iRobotBraava需要具有灵活小巧、转弯半径小、方便实用等特点。在其工作过程中，需要模仿人类擦地动作，完成往复式左右擦地，故而iRobotBraava采用的是后轮两轮驱动，从而使重心压在擦布上，使得拖地更加有力度，清洁效果更好。除此之外，iRobotBraava还包括了塑料底盘、塑料外壳、电动机、清洁垫、导航盒等一系列部分组成。在实现家庭清洁过程中，会遇到众多障碍物或者说楼梯口等一些意外环境，这就需要它能够自能的躲避或绕开这些情况，于是，iRobotBraava的前面和两侧都装有传感检测器，用于检测障碍物品并将结果传给控制系统，接收控制系统的调整，以此来实现避障系统的工作。同理，底盘上还装有台阶检测传感器，通过它们来避免iRobotBraava掉下台阶。（2）机器人的转向结构通常情况下，实现移动机器人转向的结构有两种方式：=1\*GB3①铰轴转向式：机器人前部装有一个转向轮，转向轮连接在转向铰轴上。操控系统控制电动机的速度，而电动机的速度经过减速器传到转向铰链上，由此来实现对转向铰链的控制，进而控制转向轮的转向。=2\*GB3②差速转向式：由差动驱动轮来实现机器人的转向。与汽车上使用的差速器不同，为了节约成本和制造难度，在机器人的驱动轮上装上各自独立的驱动电机，当两个电动机的转速不一样时，机器人便会沿着转速低的一方转向。这样既可以实现汽车的转向，又可以方便的完成机器人的直线行走，灵活转向等。iRobotBraava机器人主要用于室内，工作范围相对狭小，所以需要的转向控制精度较高，能够灵活快捷的完成转向、掉头等功能，甚至可以实现原地转动，即零半径转弯。由此，我们选用差速式转向方法。（3）传动机构的选择蜗轮蜗杆对于重工业的发展有着举足轻重的作用，无论是在减速器，工业机器人等高科技，高技术含量的工业产品里面应用广泛，在机械传动学术学科方面，蜗轮蜗杆机构的研究设计也占有很大的比重。传递交错角为90的两空间交错轴的时候常常利用蜗杆蜗轮机构。蜗轮蜗杆机构装置可在较小的空间里进行工作，并且一次传动能达到足够大的传动比，齿面啮合处的方式为线接触，加上同时有多个齿型相互啮合，传输高负荷的动力时比较平稳，产生的噪声相对少。其具有以下几个优点：=1\*GB3①在空间传动的方面，蜗杆传动更节省空间，比斜齿轮具有更大的传动扭矩。=2\*GB3②两轮啮合齿面间的接触为线接触，其承载能力很大程度上高于交错轴斜齿轮机构

，类似螺旋传动。

=3\*GB3③蜗杆传动多个齿面同时啮合，传动相对平稳且产生的噪声少。

=4\*GB3④在一些传动条件下，需要利用蜗杆传动的反向自锁的特性，因为当蜗杆的当量摩擦角大于导程角时，蜗杆只能正转不能反转。从而在某些场合下得到一定的保护措施。进行蜗杆机构的设计时，应该根据工作环境，经济性，以及传动精度等条件等合理选取适用的蜗杆类型：=1\*GB3①对于工业中要求传动效率高，带动的扭矩大，传动精确的蜗杆，可以选用圆弧圆柱蜗杆（ZC蜗杆）传动或包络环面蜗杆传动。=2\*GB3②对于功率要求不大的传动，并且蜗杆的加工精度不高的可以选用环面蜗杆传动。=3\*GB3③对于要求精密，转速高且传动比不大，传动效率高的传动，可以选用开线圆柱蜗杆（ZI蜗杆）传动。=4\*GB3④对于传动的扭矩不大，转速低，精度要求不高或者传动不太重要的时候，可以选用阿基米德蜗杆。因此，对于iRobotBraava的传动机构，我们选用ZI蜗杆（图2-1所示）。图2-1ZI蜗杆2.2电机的选择(1)初步估计iRobotBraava机器的总重量为2千克，g取9.8N/kg，则G=2*9.8=19.6N则分配到每个轮子上的载荷位F=1/2G=1/2*19.6=9.8N按机器人在光滑地面上移动，取，，则：滚动摩擦阻力滑动摩擦阻力=F=9.8*0.1=0.98N由iRobotBraava的说明书可知，其总体尺寸为244*216*79mm，产品功率为3.6w，所以初步拟定各部分尺寸，我们取底盘高度为10mm，取轮子直径D为60mm，V为0.5m/s。则R=1/2D=30mm。则机器人移动时所受的阻力矩：（2-1）（2）电动机要求的功率（2-2）式中：由（2-3）取则：（2-4）电机所需的输出的功率（2-5）其中，代入式2-5中，则电机所需的输出的功率==3.97W符合iRobotBraava发动机的额定功率。（3）确定电机考虑到iRobotBraava所需要的功率较小，所以拟采用小功率电动机。经查阅《机械设计》[7]，选定YS系列小功率电动机，其具有优良的启动和运动性能，结构简单，使用、维修方便。根据所算出的电动机输出功率，最终选用YS4514型号电动机，其功率为10w，转速为1400r/min，满足设计中所需要的电机要求。2.3蜗轮蜗杆的选择（1）材料的选择蜗轮蜗杆是机器人最主要的传动机构，也是机器人结构中最重要的部分，所以选蜗杆轴材料为40Cr，淬火处理，调质处理后具有良好的力学性能，硬度为45～50HRC。蜗轮齿圈材料选用为ZcuSn10Pb1，如表2-1所示，采用金属模铸造。表2-1ZCuSn10P1的铸造方法蜗轮材料铸造方法蜗杆螺旋面硬度≤45HRC>45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模

金属模150

220180

268铸锡锌铅青铜ZCuSnPb5Zn5砂模

金属模113

128135

140（2）选择z、z初步拟定传动比I=7.25，参照《机械设计》[7]蜗轮蜗杆参数表，取z=4,则z=29；（3）确定许用应力：查《机械设计》[7]，由表查出基本许用应力=230MPa=90MPa所以应力循环次数N60nL=60*206*12000=1.48（2-6）由此确定许用接触应力=.=194MPa（2-7）MPa（2-8）（4）.计算齿面接触疲劳强度=1\*GB3①确定载荷系数K先查《机械设计》[7]确定计算公式所需参数：使用系数；取动载系数表2-2使用系数K工作类型IIIIII载荷性质均匀且没有冲击不均匀、小冲击不均匀、大冲击每小时起动次数<2525~50>50起动载荷小较大大KA11.151.2取出载荷不均匀系数=1，由上表选取使用系数则载荷系数；=2\*GB3②确定作用在蜗轮上的转矩（2-9）当z=4时，=0.7～0.75，取=0.7；代入式2-9中得：N.mm=3\*GB3③确定弹性影响系数因蜗轮的材料是铸锡磷青铜，而蜗杆材料为40Cr，查《机械设计》得：；=4\*GB3④将这些数据代入接触强度计算公式，求得：（2-10）按接触强度要求，，查表选取m=2mm,d=18mm,z=4,q=11.20,z=29,中心距：，（2-11）（5）验算初设参数蜗轮圆周速度v=0.63m/s原估计，选值，相符。滑动速度，在范围内，所选材料合适。蜗杆传动效率根据，查表得，0.83，传动效率，与初选不符，传动效率应适当降低。（6）.验算齿根弯曲疲劳强度和刚度=58.4MPa（2-12）蜗轮当量齿数，查得齿形系数；则可求得：=0.917代入式2-12中=27.85MPa成立，弯曲强度满足要求。（7）.蜗杆、蜗轮几何尺寸确定蜗杆齿顶圆直径=22.5mm（）蜗杆齿根圆直径=19mm（=0.2）蜗轮喉圆直径（）蜗轮齿根圆直径36.8mm第3章机器人的控制及传感系统3.1机器人的运动分析iRobotBraava采用了两个独立驱动的后轮，由差动驱动轮来实现机器人的转向。在机器人的驱动轮上装上各自独立的驱动电机，当两个电动机的转速不一样时，机器人便会沿着转速低的一方转向。由此可以方便的完成机器人的直线行走，灵活转向等。图3-1机器人运动模型图3-1是机器人的运动模型。机器人的运动中心为点A，将其速度放入坐标系中，得到x，y两个沿坐标轴的速度分量，将扫地机器人运动中心在直角坐标系中的运动角速度定义为θ，而ω1，ω2是两个驱动轮在直角坐标系中的角速度，D为两轮间距离，R为坐标系中机器人的转动半径，（3-1）（3-2）（3-3）由式（3-1）、式（3-2）、式（3-3）得则机器人的运动可由下式表示：3.2避障处理图3-2机器人的电路结构简图（1）传感器技术简介清洁机器人处于工作模式时，它需要依靠自身的感应装置和控制装置不断的对自身和外界的信息进行交换，用来控制自己的运动状态和规划自己接下来的路径。而这些操作全部都依靠内置在机器内部的控制感应芯片来进行的。它一般会把从外界收集来的信息进行自我编辑，创建环境地图，并依靠gps导航最为合适的清洁路线，并对自己的工作的效果进行检测，看时候需要再次清洁。外部传感器大致有视觉，超声波，红外传感器等。传感器对机器人的性能以及人工化有着很大的作用，但由于现如今科技水平还不能支撑传感器的告诉发展，相对应的机器人的发展也相对落后。移动机器人可以利用多个传感器检测环境状态，其传感器设置如图3-3所示：图3-3移动机器人传感器设置原理图机器人自主作业的核心就是它能否在工作的时候能够主动的避开障碍物，保证工作的顺利进行和工作安全。（2）未知环境探测当清洁机器人放在一个完全陌生的环境的时候，这时候机器人的第一任务就是利用自身的传感器对周围的环境进行探测，然后利用内置的芯片建模成为机器人能够识别，能够自主识别周围的障碍以及相关的信息，对周围环境有一个全面真实的了解。在机器人的各个方向都布置有许多的传感器，它们用力啊探测周围的环境，或者是探测碰撞和台阶。用来保证它们的行驶安全和路线的合理规划。图3-4画线为清洁机器人需要探测的区域，但是实际上探测到的区域要比全部部分小，所以就会存在一些探测不到的地方，我们称之为盲区，但这对机器人正常工作的影响不大，甚至可以忽略不计。因为机器人在遇到障碍物或台阶时，它会自主的绕开或者是停下来，重新规划路径。图3-4传感器探测区域和盲区（3）实现避障的方法避障是机器人最基本也是最关键功能，尤其是清洁机器人运用到的区域大多是人员流动较为多的区域，所以说避障非常重要。避障一般运用的最为常见的是方法有势场法、栅格法等[5]。iRobotBraava机器人运用的是利用多传感器来随时分析，反馈至控制系统，自动绕开障碍物。它十分方便快捷，效率很高。实际工作室，机器人首先利用传感器分析周围环境，如果检测到了障碍物时，它就会马上减速并合理规划新的路线。如果它没有新的合理路线能够运动时，它就会向后退，但如果后退路上也有障碍物时，它就会停下来重新检测周围的环境，如果过儿一段时间后仍然不行，它就会自动的报警，终止程序的运行。3.3路径规划相比于传统的清洁机器人路径方式，iRobotBraava机器人有着更为先进、更为优化的路径规划方式。如图3-5所示，传统的清洁机器人路径规划杂乱无章，必须要在一个很长的周期内才有可能将地面完全清洁到。现有的清扫机器人多数采用的便是这种传统的路径覆盖方式，这种方式的算法简单，随机性很高，相对来说效率很低，覆盖率也比较低，比较起来费时费力。图3-5传统路径规划图3-6所示，iRobotBraava机器人先利用栅格法将地图划分为一个个小方格区域，在每一个区域内采用往复式算法进行清洁工作，从而达到将每一个区域清洁干净，最终将所有区域清洁干净的过程。图3-6先进路径规划栅格法，是一种基于生物激励神经网络的方法，是近些年来提出的一个新的方法，此方法基于栅格地图，将环境分为栅格，每个栅格类似于一个神经元。（（））这种方法将地图最直观、最简单的划分为数个相同的小区域（如图3-7所示），先满足每一个小区域内的路径，再完成整个地图内的行走路径的规划。图3-7栅格的划分在实际的工作过程中，为了保证栅格地图的精准度，网络方格的划分越精细越好，但并不是说越小就越好。栅格的划分过大，会造成地图的精准度下降，拖地机器人在工作的过程中就会忽略一些细小的地方，从而使得覆盖率下降，清洁不干净。但是栅格的划分太小的话，会使得算法计算量大大增加，使得机器人控制系统的存储信息量剧增，对于控制电板的要求很高。由此我们将栅格的大小定为iRobotBraava外观尺寸的大小。栅格地图的每一个栅格代表一个神经元，当前神经元的变更表示机器人的位置的变更[6]。当iRobotBraava走到了某一个栅格之后，其四周的传感器开始获取机器人所处位置的环境信息，并将信息反馈到控制中心。由于信息的获取具有一定的空间限制，所以每一次的信息都不是完整的，需要机器人在工作的过程中时时刻刻更新周边的环境信息，最终覆盖所有的工作区域，至此机器人的路径覆盖了整个地图，完成了彻彻底底的清洁。栅格法路径的算法：编辑一个栅格地图，用数组来表示每个栅格的状态，如覆盖或未覆盖。flag=0代表已经被覆盖的区域；flag=1表示障碍物；flag=2代表还未被覆盖的区域。具体的算法如下：(1)首先，将机器人随机放置与地图的某一地点，并将其定义为初始位置，而除了当前位置以外，其它的所有区域都还是未被覆盖状态。外部激励输入为：E，并且定义其初始活性值为0；(2)在运动过程中，周边的传感器在时时刻刻获取周围的环境信息，将周围的障碍物区域标记为障碍物，外部激励输入-E，未覆盖区域标记为待覆盖区域，外部激励输入E，计算当前位置周围的区域是否为覆盖区域，并据此，走向周围的未覆盖区域；(3)将新走到的栅格标记，记录当前区域区域；(4)将前一位置标记为已覆盖位置，外部激励输入0；(5)检查是否覆盖完全，若没覆盖完全跳转到第二步。根据上述算法，可以得到如图3-8所示的路径行走图，通过对算法的控制，将已经走过的栅格，标记其活性值变为0，iRobotBraava将不会再次进行对此区域的路径覆盖，因此可以有效地提高工作的效率，避免路径的重复，有效提高覆盖率。图3-8栅格式路径图第4章建模及运动仿真4.1建模软件的介绍目前，机械行业能应用的三维软件有很多，但是主要还是Pro/E、UG、Inventor、SolidWorks、CAX等技术相对比较成熟，应用范围相对较广的软件。本文用的是Pro/E进行三维建模。Pro/E是美国参数公司在1989年发布的实体模型软件，经过了多年的发展，已成为目前全世界普及度最高的三维软件，并大量的应用在机械、模具、工业设计、电子、航天、汽车、家电等诸多领域。Pro/E和传统绘图工具CAD的区别就在于3D实体建模功能，能够将定义了特征的平面几何形状的所有尺寸存为可变参数，在最后形成实体，并且作为复杂的几何形体构造的基础，从而实现3D建模的方便性与快捷性，可以省去很多不必要的步骤，加快项目的进程，将节省出来的时间用到其它步骤上，缩短产品的开发周期，节约人力物力财力，提高我们的效率。同时，其可以进行大型装配体设计，Pro/E处理可包含1万多个零件的设计，因此节约了很多单独的设计，化繁为简，提升设计效率。4.23D零件的建立3D零件是Pro/e中的最基本的组件，通过编辑这个模块，可以讲各个零件图组装，形成最终的实体。最常用的块和零件的特征编辑也是在这个模块中进行完成的，零件的属性的自定义也都是在这个模块里进行编辑的。这大致包括零件的编辑移动以及颜色的自定义使用制定每个零件的选用的材料以及零件剖视图的显示，对零件的注释和复制等功能。图4-1蜗杆零件图图4-2蜗轮零件图4.3装配模块在进行仿真的时候，我们都是把多个零件装配在一个整体之后才能进行仿真的，运用Pro/e的装配模块就能实现这一功能。比如我们将蜗轮蜗杆齿轮等装配在一起就需要此模块。除此之外，我们还可以添加装配体的零部件。图4-3车体装配图图4.4总装配图4.4添加伺服电机伺服电机的添加入下图所示图4-5伺服电机的添加4.5仿真运动时间的设定下图为仿真运动时间的设定图4-6运动时间的设定4.6动画导出以上步骤之后可以进行机器人的运动仿真，将差速器运动仿真的动画导出保存。图4-7动画的生成

结论对于iRobotBraava研究的前期准备。通过对图书馆和网上查阅的大量资料，并且对市场现有的拖地机器人的调研，了解到iRobotBraava是家用拖地机器人中最具有先进代表性的产品，模仿人工擦地方式，具有多种擦地模式，也具有先进的导航系统和路径规划方式，具有很高的研究学习价值。iRobotBraava的结构设计具有灵活轻巧，简单实用的特点。通过蜗轮蜗杆的使用，实现交错空间的机构传动，在传输动力时比较平稳，产生的噪声相对少；而行走方式，iRobotBraava采用的是后轮驱动的两轮驱动方式，有利于平稳行进和精准转向。在实现机器人转向结构上，在机器人的左、右轮上分别装上两个独立的驱动电机，通过改变电机的转速，从而控制驱动轮的速度比来实现车体的转向。由此可以方便的完成机器人的直线行走，灵活转向等。iRobotBraava自身带有传感器，以探测周边环境并进行对外界信息的采集，通过控制系统进行编辑，创建环境地图，在此基础上进行路径规划；同时也依靠传感器，来避免碰撞与滑落。相比于传统的清洁机器人路径规划的杂乱无章，iRobotBraava利用栅格法，将整个地图进行最直观了当的划分，并通过路径算法，实现机器人对每一个区域的覆盖，比传统的路径算法效率高，覆盖率也由此提高。同时，本文还有很多不足之处，机构的设计还不够精准。对于传感系统的剖析还不够深入等等。在这个过程中，我也学到了很多。我现有的知识是完全不够的，必须不断的学习，无论我们处于一个什么样的水平中。还有就是做事一定要合理安排时间，做好规划，才能事半功倍。

致谢最初拿到论文题目时，我自己感觉真的很茫然，感觉无从下手，像一个无头苍蝇一般查阅各种资料，但是很多都是没有用的，幸好我的指导老师胡波老师及时的为我指明了方向，让我知道了此次设计的方向，知道了此次设计中的重点和难点。让我知道如何进行准备。每隔一周的见面答疑为我指出了我上一阶段工作的不足，提出了改进意见，也为下一阶段的工作做出了详细的安排，在这里我真诚的感谢胡老师在百忙之中抽出时间为我们进行答疑解惑。在这里，我还要感谢所有在学习和生活上教导过我的老师们，谢谢你们大学4年来对我的教导。以及在此次论文撰写过程中对我帮助过同学们，谢谢你们的帮助。正是在你们的帮助下，我的毕业论文才能够按时按要求的完成，真诚的感谢你们在此期间对我的帮助。参考文献[1]张佳馨.机器人崛起:第三次工业革命.中国西部[J].2013（34）[2]刘林森.信息时代的"宠儿".上海信息化[J].2007(6)[3]郭闯强.基于BP神经网络的机器人视觉伺服控制系统设计.哈尔滨理工大学[J].2008[4]陈淑艳.移动机器人履带行走装置的构型与机动性能研究.扬州大学[J].2008[5]杨杰,贺利乐,李荣丽,仪怀亮.基于改进势场栅格法的移动机器人路径规划.煤矿机械[J].2012(8)[6]张超.智能清扫机器人设计及其路径规划的研究.哈尔滨工业大学[J]．2012[7]濮良贵，纪名刚，陈国定，吴立言机械设计[M].西北工业大学机械原理及机械零件教研室1995.[8]周盛荣.智能家庭清扫机器人的研究.哈尔滨工业大学工学硕士学位论文,2006（10）[9]薛慧心.智能家庭扫地机器人设计原理研究与分析.信息技术,2014（11）[10]张超.智能清扫机器人设计及其路径规划的研究.哈尔滨工业大学，2012（07）[11]李金山,李琳,谭定忠.清洁机器人概述.中国科技信息，2005（05）[12]方啸,郑德忠.移动机器人自主寻路避障启发式动态规划算法.农业机械学报，2014[13]陈鹏.移动机器人全遍历覆盖路径规划研究.山东理工大学硕士学位论文，2014（04）[14]裴晓锐.家庭清洁机器人性能分析与运动规划研究.武汉理工大学硕士学位论文，2012（06）[15]张琦.移动机器人的路径规划与定位技术研究.哈尔滨工业大学，2014（06）[16]王以伦,邓宝林,王洪涛,冯晨.清洁机器人的自动避障控制系统.中国科技信，2005（15）[17]翟天嵩,刘忠超.全向移动机器人设计与仿真软件的研究与实现.制造业自动化.2013[18]裴晓,锐廖维.基于Pro/e的家庭清洁机器人虚拟设计.2011年机械电子学学术会议论文集，2011（09）[19]SaffiottiA.Theusesoffuzzylogicforautonomousrobotnavigation[J].SoftComputing,2007[20]MarroneFabrizio.RaimondiFrancescoM.Kinematicsandcontrolofahousekeepingrobotassistant[J].WSEASTransactionsonCircuitsandSystems,2005基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发\t"_bla