【《清洁机器人结构设计的文献综述》6000字】

参考文献清洁机器人结构设计的文献综述1.1课题背景清洁机器人通常是指带有扫地、智能式吸尘器、机械式吸尘器等,它们都是现代智能家居中使用的电器之一，与普通的吸尘器产品相比，家庭清洗机器人更加智能化、人性化，并且可以自动、自主地完成对房间内所有环境的地面清洗工作。目前市面上清洁机器人已经很丰富了，当然也存在一些的问题，诸如价格高、清洁死区多等问题。本设计旨在运用所学知识，以机械结构为主，研究设计一台具有清扫垃圾，清理灰尘还能拖地的家庭清洁机器人。在此基础上，完善机器人的工作模式，而且机器人要具备随机运动，遇到障碍物会自动转弯刹车避让，悬空探测等智能功能。本机器人需要进行多个部分的机械设计，如：机器人机身结构设计、行走机构设计、控制系统设计、传感器的选型等。本毕业设计所进行的清洁机器人是目前国内外市场上应用最广泛的小型扫地机产品之一，它借鉴了前两类扫地机产品的基本优势。1.2国内外研究现状由于当前我国国民经济社会的快速发展而逐渐开始大量诞生,并随着当前我国国民经济社会的进一步快速发展和现代信息电子科技的持续改革与不断进步,机器人的内部结构和工作功能也逐渐变得更加复杂多元化,目前的以服务型工业机器人和作为主要生产目的的现代服务型工业机器人已经越来越多的普及并逐渐受到了社会人们的广泛青睐。国际机器人联合会把移动服务器和机器人用户界面的定义是作为一种能够从事人类半自主或者完全是独立性的工作,能够用于帮助人类实现对其他人类有利的商业服务但不是只用于从事人类制造品的移动设备。现今已在我国的专业服务型清洁机器人广泛被已在我国的家庭清扫、运输、维护等多个专业方面的服务领域所广泛采用,清洁型服务机器人已经成为是目前已在我国市场使用最多的一种专业服务型清洁机器人,它不仅可以对室内外各种墙体地面物件进行彻底的清洁。清洁型吸尘机器人将各种智能机器人控制技术充分融入应用到清洁吸尘系统中,集成了机械、传感器、智能自动控制、人机交互、计算机科学等多门学科,应用机械传感器控制技术、定位系统控制技术、全遍历清洁吸尘路径路线规划控制技术、自主充电返充和自动电源控制技术等多种优势功能实现特殊清洁功能。环境保洁清扫工作是工业属于一项非常耗时、重复性较强的作业工作,清洁作业机器人的成功存在就彻底解决了这一复杂问题,将我们从简单而枯燥的工业环境保洁清扫作业操作中彻底拯救了并走出来,它在很大程度上有效地降低了我国清洁劳动的生产成本，提高了我国清洁劳动的效率。目前国内福玛特、海尔等企业都已相继发布了家用清洗机器人系列产品。在市面上使用功能较全的是海尔公司生产的swe-c1清洗机器人。这款自动化的机器人能够实现定时自动预约清扫,智能遥控器远程操作,虚拟墙小区清扫,智能防跌撞,智能返还充电。在设置好了时间准备清扫的区域同时,我们还可以使用配置的红外线虚拟器来阻止一台机器人在没有必要的情况下进行不必要的清扫。从而达到清扫的目的。美国irobot公司自主生产设计推出的的iroomba系列劳动机器人已经被《时代周刊》杂志评选为2002年度十大世界最佳劳动发明,如如下图1.1所示。roomba的机身重量约长度为2kg,厚度10cm,轮廓外观呈直角椭圆形,直径34cm,roomba这一系列的清洁仪在机器人均质上是完全采取了三轴两段式的自动清扫机和工作处理模式,清洁机的工作处理系统由两个相对方向旋转的边擦刷子和一个相对旋转的边擦印刷共同操作构成,其中,相对方向旋转的边擦刷子的基本功能主要是能够进行大量中规模细小碎片灰尘垃圾的吸附处理和灰尘捕获,而这个相对旋转的边擦印刷主要功能就是通过使用边刷来进行清理墙边并且还甚至能够智慧方便地帮助识别柔软的各种障碍物,比如你的床裙、窗帘,并且还甚至能够有效地帮助摆脱传统电缆线的重重缠绕。roombao该系列的衣物清洗定位机器人目前正在不断升级并成为一种能够结合了人体声学与自动光学定位传感器并用来精确检测所有用户需要对特定区域衣物进行一次重点定位清洗的智能机器。作为家用电器清洁领域的著名龙头企业,代表着清洁电器行业的一个标杆的产品是由由日本松下电器公司自主开发的s-rulo清洁清理机器人,这种清洁产品本身可以说也就是直接代表着清洁电器行业的一个标杆,如如下图1.2所示。它不仅可以直接实现对地上的内部环境空气条件情况进行实时检测,根据墙上地板面的平整度、垃圾气体排放的数量对地板清洗后或者刷漆时地板齿轮回转的振动次数、对产生驱动力的能力和清除空气中尘埃的能力等进行了实时，全方位的过程自动化管理和控制。rulo的垃圾清除机器人经过重新设计，形成了不同类型的垃圾三角形，以提高和大大提高不同角落垃圾的清除效率。一种内置式垃圾收集器的容量比以前同类产品增加了1.5倍。图1.1Roomba系列清洁机器人图1.2RULO清洁机器人现在，清洁机器人的国内产品包括银星，科沃斯和小米的产品。KV8银星的深圳市如图1．3所示。为防止机器人从阶梯或楼梯上坠落，建立了虚拟墙，并采用随机清洗策略。基于红外障碍物传感系统，对环境进行实时监测，并在底部设置单侧检测装置。可优化吸入口的洗效果。2012年8月，银星在清洁机器人推出了首款锂电。与前的镍氢充电电池相比，锂电池具有循环寿命长，容量大，损耗率低，单位能量密度高，安全性能高等特点。它可以根据不同的工作环境从三种内置工作模式中选择最合适的一种。图1.3KV8清洁机器人1.3清洁机器人的行走机构解析清洁机器人的技术结构，不难发现其中的核心技术可以划分为行走机构和地上清理机构两个结构层。前者，行走机构本身就是移动机器人能够走起来的根本，作为一个机器人，行走是最基本也是最重要的一个功能。后者，机器人的清扫机构，是家庭清洁机器人的职能所在，即扫灰、吸尘、湿拖、喷雾等这些清洁功能，而这些功能中所需要的技术也是家庭清洁机器人在众多智能机器人中立足之根本。清洁机器人的走向结构主要分为几个不同的形式:一是轮式、履带型的结构、二是步行型的结构。刘隆盛和刘小虎[3]研究了清洁机器人的走向机构,设计了轮式运动结构。机机器人前面需要安装的是有一个万向轮,通过驱动发电机、减速箱、驱动轮和万向轮之间的差速器等相互配合从而驱动使其能够实现了自动转向,清洁式洗车机器人的应用总体软件结构设计软件示意图如总体软件设计框图1.4所示。图1.4清洁机器人结构示意图轮式结构与履带型结构的机器人在工作时由于其环境条件要求相当高,所以地面需要十分平整,而且步行型的机器人只是一种比较好的适用于复杂地面。吉林农业大学赵文才等研究员[4]针对机器人的轮式行走机构特点进行研究结果表明,当路况比较好时,为了大大提高机器人的行走速度及其稳定性。使用车轮式行走机构在道路上行走时,可以通过前、左、右转移动并在原地改变方向。南华大学的肖佳涛、雷泽勇等研究人[5]就已经针对履带式的汽车行走机构稳定问题对其进行了深入研究,结果显示履带式的行走机器人可以是一种机械相对于普通重型车轮式的行走机器人,它们的行走结构更加稳定,在不平整的普通道路上,仍然可以是一种机械能够相对稳定地用力推动重型汽车继续前进。机器人的突出技术特点之一是它本身具备了较大的机动支撑作用范围和移动面积,接地比重和电压小,能够在松软甚至潮湿泥。由于转向架的半径极小,可以轻松实现车辆原地高速旋转;并在履带的最大支撑范围表面上特别设置了一个防滑履齿,有效地完全避免了履齿打滑,附着稳定性能好,并且不仅能为越野车辆行驶提供较大的机动牵引力;同时具备巨大的车身承载力。但由于履带式的转弯机器人并不是没有任何自动转向控制装置,在高速转弯运行过程中它们只能简单地通过依靠左右2个转向履带的差速器来旋转,摩擦阻力大,外侧的两个履带容易松动发生严重磨损,且其回转半径也不易精确精准确定。履带式的移动机器人因为能够受到人体移动和承载机构的高度限制,体型比较大,功耗也比较大,传动上的效率也不高,通常这些类的机械人都有但是有的只能够在维持低速的移动状态之后才能正常工作运行。故履带式运动机械手更更为适宜在当地路面湿滑条件差、负载强度要求相对较高、但是运行速度控制要求低等特殊条件情况下使用才能正常进行工作。所以根据文献表述,家庭清洁机器人个体较小,使用于家庭,地面工整,不需过度承重,因此本课题拟采用轮式行走机构。1.4清洁机器人的扫地机构合肥工业大学的陈伟安[8]等人对清洁机器人的清扫机构进行了研究。其述清洁型工业机器人主要由各种清洁机械部件及其它的控制系统组成。其机械清洁机构主要有往复式传动机构、拖把头往复运动、稳定式机械传动控制机构等机构；其中一种头的往复运动机构位置是专门主要用来用于实现一台飞行器的往复旋转和进行往复运动时的方向切换;拖把机和头的往复运动机构是主要用来专门实现对一台拖把机的头本身进行往复旋转;稳定的传动机构位置能够有效防止机械工具在飞行机器上落时发生剧烈晃动、滑移、颠簸或严重翻倒,对整个机械工具结构起到一种支撑性的保护作用。往复式机构[9],驱动电动机用传送机构与启动机连接，驱动齿轮往复运动。驱动齿轮，连杆和主驱动齿轮一起形成曲柄连杆装置。有急回特性,可以为拖地动作增加输出力,并缩短回程时间,提高工作效率,利于打扫功能的实现。传送带能够实现一级带轮、二级带轮和三级带轮的同步运动(包括传送带、一级带轮、二级带轮和三级带轮的原理相同);一级从动齿轮、二级从动齿轮、三级从动齿轮带动齿条实现往复运动,从而实现一种仿人式的来回反复的拖地动作,对地面污渍进行多次清洁。其往复机构如图1.5所示。图1.5往复机构1驱动齿轮，2连杆，3一级从动齿轮，11驱动齿轮，12连杆，13一级从动齿轮拖把运动机构：为了实现拖把对地面的清扫，拖把运动由上下和前后两部分运动组成，上下运动由转向器驱动，前后运动由驱动齿轮、连杆和一级从动齿轮组成的曲柄连杆机构实现。当拖把头在电机的驱动下旋转时，便可以实现对地面顽固污渍的清洁功能。拖把机构如图1.6所示。图1.6拖把头机构稳定机构：稳定机构功能主要是为了防止拖地过程中机器的晃动、滑移、倾覆或翻倒，通过支撑推杆的收缩，带动支撑连杆的旋转，使得吸盘与地面接触，为整个机构起到一个支撑的作用。稳定机构如图1.7所示。图1.7稳定机构江苏美的清洁电器股份有限公司郭辉等人[10]对清洁机器人地毯除尘性能影响因素进行研究。其研究表明，给地毯除尘首先要进行脱附，就是要将地毯里的灰尘从地毯里吸出来，然后在将脱附的灰尘输送进机器人的集尘器。众所周知，灰尘想要从地毯中脱附出来，需要被施加作用力，而对于吸尘器来说，有两种方式可以对想要脱附的物体施加作用力，第一种是对目标物体施加机械作用力，毛刷被滚刷带动旋转，旋转提供施加在目标物体上的作用力；第二种是对目标物体施加流体作用力，也就是说用风的力量去吹动目标物体，但是如果流体作用力太小，就无法对目标物体进行有效的脱附，有效的吸附要求风机功率达到上百瓦，而清洁机器人的风机功率普遍在一百瓦以下，因此流体作用力较小，所以滚刷的机械作用力是最适合用在家庭清洁机器人的。附着在地毯上的灰尘会被随滚刷旋转的刷毛接触、刮擦，从而被家庭清洁机器人直接清除。而这种方式的脱附效果在实地工作中也会被降低：第一点就是在工作过程中毛刷会发生弯曲变形，因为毛刷在清扫时会对地毯产生一个压力，所以在一定程度上会收到地毯给毛刷的一个反作用力，这样毛刷就不能高效的清洁地毯深处的灰尘。由于刷毛的变形程度与刷毛刚度直接相关，所以我们要提高毛刷的刚度，从而减小毛刷的形变量。第二点就是刷毛的旋转速度会直接影响到刷毛作用在灰尘上的力的大小。想要地毯毛受到的加速度变大，刷毛速度就要变大，受惯性影响，地毯中的灰尘更容易被毛刷携带出来。而单位时间内刷毛对地毯里的灰尘施加机械力的次数越多，越有利于清除灰尘，所以要提高滚刷的转速。第三点是刷毛对地毯的侵入深度，清洁效率会随着刷毛插入地毯毛中深度的增加而增加，插入越深，就会与更多的地毯毛接触，清洁的效果就会更好。一般家庭清洁机器人滚刷较长，但是滚刷腔内吸口并没有刷毛长度的一半，所以除尘效率低的另外一个原因就是吸口无法全部将距离吸口较远的滚刷末端脱附的灰尘吸进而导致灰尘随着滚刷的旋转而掉落地面。那么第一种提升除尘效率的方法就是使毛刷的刚度变强。对于地毯来说，需要刷毛深入地毯去清除地毯内部的灰尘，所以与只需刷毛擦拭地板表面的地板除尘有很大的区别，只有具有一定的刚度的不易变形的毛刷才能避免过软毛刷变形且不易清扫地毯内部的问题。而如果毛刷刚度过大，又会对地毯造成损坏，所以要选择合适的毛刷刚度。第二种就是增加滚刷的旋转速度，速度增加，毛毯上的灰尘就更容易被抖落。第三种就是选择合适的毛刷长度与滚刷腔内吸口的大小，使灰尘可以有效的被吸附以及被吸入吸口，尽可能不要导致灰尘再次进入地毯。1.5传感器清洁机器人上的传感器进行研究，机器人上的传感器需要给机器人的大脑提供当前周围环境测距、角加速度和线加速度、阻挡器信号、近距离障碍情况等信息。其中一个可以180度探测正前方的环境距离的红外传感器需要架设在舵机云台上。传感器对于机器人来说就像是眼睛，防止机器人在运行过程中发生碰撞，提高机器人的工作效率。参考文献[1]赵航,刘玉梅,卜春光,李艳杰,刘博.清洁机器人的发展现状及展望[J].信息与电脑(理论版),2016(12):167-168.[2]苏健.清洁机器人硬件与软件设计[J].科技风,2021,(02):5-6.[3]刘隆盛,刘小虎.基于3D打印的小型家用清洁机器人设计[J].新余学院学报,2019,24(03):152-156.[4]赵文才,闻七男,王欣崎,吴凡,蔡金易.轮腿交互变换式行走机器人运动学分析[J].机械工程与自动化,2017(03):157-160.[5]肖佳涛,雷泽勇,覃倩倩.移动机器人行走机构[J].机械工程师,2018(02):95-97.[6]冯书鹏,王明娣.清洁机器人自适应越障机构的设计及其应用研究[J].机械传动,2018,42(11):173-176.[7]程丽霞.智能清洁机器人系统设计[J].机械工业标准化与质量,2016(09):27-29.[8]陈伟安,李明贤,徐东镇,黄俊,周建平,刘然.一种智能拖地机器人设计与研究[J].机械,2019,46(06):66-70.[9]柴剑.智能清洁机器人技术的研究与实现[D].西安电子科技大学,2014.[10]郭辉,李洋,李蒙,程福萍,靳思宇.清洁机器人地毯除尘性能影响因素研究[A].中国家用电器协会.2020年中国家用电器技术大会论文集[C].中国家用电器协会:《电器》杂志社,2020:4.[11].郑和;梁卫华;刘修军;况君;林稳章.一种基于GP2Y1010AU0F模块的灰尘检测电路.CN,重庆.201420796468.1[P],2014.10.[12].孙佩.论足结合清洁机器人足行运动控制研究[D].燕山大学.2016.05.[13].张建中.一种自动清洁地面的清洁机器人，中国,CN,广东(44)，CN200920206058.6[P],2009.10.19.[14].徐胜华.基于STM32的智能扫地机器人研究与设计[D].广西师范大学.2016.04.[15].原新.智能机器人视觉信息处理及数据融合方法研究[D].哈尔滨工程大学,2004.[16].薛瑞范,面向扫地机器人的室内定位研究[D].哈尔滨工业大学.2015.12.[17].冯刘中.基于多传感器信息融合的移动机器人导航定位技术研究[D].西南交通大学,2011.[18].AndreaCherubini1,2andFrançoisChaumette1.Visualnavigationofamobilerobotwithlaser-basedcollisionavoidance[J].2013.03.02.(2)189–205.[19].范晓静.基于多传感器信息融合的机器人避障和导航控制研究[D].沈阳理工大学,2014.10.[20].陈硕.基于多传感器信息融合的移动机器人路径规划研究[D].哈尔滨工程大学,2012.[21].朱泽春;王忠.一种具有灰尘检测功能的清洁机器人及清洁方法.CN，山东.201610602026.2[P],2016.07.28.[22].陆起涌;杨