畢業(yè)論文基于單片機的清掃機器人設計

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1、畢業(yè)設計  (論文 ) 題     目     基于單片機的清掃機器人設計     學     院          機電工程學 院               專業(yè)班級                         學生姓名      

2、                       指導教師                             成     績                             &nb

3、sp;     2016年      06 月       10日   1 摘     要  智能家庭 清掃機器人 結(jié)合了 傳感器、移動機器人 技術(shù)等多個 領(lǐng)域的關(guān) 鍵技術(shù)，實現(xiàn)室 內(nèi)環(huán)境 （地面）的 半自動或 全自動 清潔，替代了傳統(tǒng)的人工清潔工作，具有十分廣闊的市場前景。本文首先綜述了家庭清掃機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，在綜合比 較了國內(nèi)外多種典型產(chǎn)品的基礎上，提出適合中低端用戶使用的家庭清掃機器人整體設計方案。  智能家庭清掃機器人系統(tǒng)由清掃機器人和充電站組成。清

4、掃機器人是實現(xiàn)智能清掃的主體部分，本文介紹了清掃機器人的組成部分，并完成了其結(jié)構(gòu)設計與硬件電路的實現(xiàn)?？紤]到存儲、接口資源及可靠 性能等，主控器選擇了 司的 片機，所構(gòu)成的單片機應用系統(tǒng)功能強、性價比高，完全滿足控制功能的要求。然后，詳細說明了紅外傳感器，塵倉檢測，碰撞檢測，里程計，貼邊行走檢測以及吸塵電機、  毛刷電機、主動輪驅(qū)動電機等控制原理。在軟件設計方面，通過分析底層與路徑規(guī)劃算法的銜接，實現(xiàn)了機器人直行 正算法、里程計返回值的坐標變換及計算等算法，為路徑覆蓋算法提供依據(jù)。并實現(xiàn)了紅外、碰撞傳感器檢測等子程序。   最后，將機器人的全部功能整合進行聯(lián)合調(diào)試。完成 &

5、nbsp;線校正和里 程計誤差修正后，加入路徑覆蓋算法進行房間內(nèi)的全區(qū)域覆蓋和地圖創(chuàng)建的調(diào)試。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，覆蓋率高，可隨時參與人為控制，安全性高，達到了智能家庭清掃機器人的設計要求。  關(guān)鍵詞 ： 清掃機器人；智能控制；單片機系統(tǒng)；路徑規(guī)劃   2 as It or It an on on on a of to be by is is of is to of s as CU of to of of as as is as a ID of s of in of of in its of  3 目      錄 &

6、nbsp;摘     要 . 1 . 2 第  1 章     緒    論 . 5 課題背景  . 5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述  . 5  國外研究現(xiàn)狀 . 5  國內(nèi)研究現(xiàn)狀 . 10 清掃機器人存在的問題分析 . 11  課題研究的目的與意義  . 11  本章小結(jié)  . 12 第  2 章     清掃機器人的總體設計方案 . 13 設計目標  . 13 清掃機器人的組成部分  . 13 清掃

7、機器人的設計方案  . 14  主控系統(tǒng) . 14  驅(qū) 動電機部分 . 15  傳感器系統(tǒng) . 15  紅外遙控部分 . 16  電源部分 . 17  充電站部分 . 17 本章小結(jié)  . 17 第  3 章     清掃機器人的結(jié)構(gòu)與硬件設計 . 18 清掃機器人的總體設計  . 18 清掃機器人的結(jié)構(gòu)設計  . 18 外形設計 . 18 行走機構(gòu)設計 . 19 清掃機構(gòu)設計 . 19 吸塵機構(gòu)設計 . 21 塵倉機構(gòu)設計 . 21 主控系統(tǒng)  . 2

8、2 執(zhí)行電機控制  . 25 輪子電機驅(qū)動原理 . 25 吸塵與毛刷電機的驅(qū)動 . 26  4 傳感器部分  . 27 測速裝置模塊 . 27 碰撞檢測 . 27 塵倉紅外發(fā)射和接收電路 . 28 紅外遙控模塊  . 29 電源模塊  . 30 充電站設計  . 31 本章小結(jié)  . 32 第  4 章    清掃機器人的主體設計 . 33 機選擇 . 33 蝸輪蝸桿的選擇 . 34 清掃機構(gòu)的電機的選擇 . 36 家庭清潔機器人電池的選用 . 37 清掃機構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計算 . 38

9、掃機構(gòu)中渦輪軸的校核 . 39 第  5 章    清掃機器人的軟件設計 . 41 件結(jié)構(gòu)框圖  . 41 正算法設計  . 41 法的設計思想  . 42 電機速度控制方法 . 43 標計算原理  . 44  充電站導航對接程序  . 45 控程序的設計  . 46 章小結(jié)  . 46 第  6 章       總    結(jié) . 49   發(fā)展趨勢  . 49 高度智能化需求 . 49 功能擴展 . 49

10、 低成本化 . 49 發(fā)展  . 49 參考文獻 . 51 致謝 . 52  5 第  1 章     緒    論  課題背景  近年來，隨著計算機 技術(shù)與人工 智能科學的飛速發(fā)展，智能機器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機器人研究領(lǐng)域的熱點。其中，服務機器人開辟了機器人應用的新領(lǐng)域。服務機 器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一是勞動力成本的上升；二是人類想擺脫枯燥乏味的體力勞動，如清潔、家務、照顧病人等；三是人口的老齡和社會福利制度的完善也為某些服務機器人提供了廣泛的市場應用前景。服務機器人區(qū)別于工業(yè)機器人的一個主要特征就

11、是服務機器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務過程的機器人系統(tǒng)，其活動空間大，具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動性，因此服務機器人大多數(shù)是移動機器人。  自動進行房間地面清潔的自主吸塵式家庭服務機器人，集機械學、電子技  術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、機器人技術(shù)、人工智能等諸多學科為一體。 自主吸塵機器人作為智能移動機器人實用化發(fā)展的先行者，其研究始于  20 世紀  80 年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機和產(chǎn)品。吸塵機器人的發(fā)展，帶動了家庭服務機器人行業(yè)的發(fā)展，也促進了移動機器人技術(shù)、圖像和語音識別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。  國內(nèi)外研

12、究現(xiàn)狀綜述   國外研究現(xiàn)狀  對于機器人大家可能不會太陌生，工業(yè)機器人在很多領(lǐng)域都得到了比較廣泛的應用，但是對于家庭機器人我們所了解的卻相當?shù)纳?，而日本，歐美等國家的研究則比較領(lǐng)先，有的都已經(jīng)投入市場，在實際中投入使用。   世界上第一臺能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機器人，如圖 1有光電傳感器和芯片控制，當遇到障礙時，會隨機改變一個角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物。內(nèi)置了四種清潔程序，保證在遇到不同污漬的地面時，可以調(diào)整其清潔程序；通過傳感器對于地板污漬的判斷，選擇合適的應用程序。內(nèi)置光敏傳感器，確保在遇到樓梯與臺階時，能夠自動避讓，不會掉落。扁

13、平的設計使其能夠清潔床，沙發(fā)，茶幾等家具的下部位置。其相應的充電站有紅外發(fā)射、工作時間設定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導航信 號來指引機器人回到充電站完成充電和 6 垃圾處理的任務；同時能夠根據(jù)用戶設定的信息來控制機器人完成相應的操作。  如圖 1 圖 1能機器人 日本，東日本鐵路公司、 器公司和 業(yè)有限公司聯(lián)合研制了車站地面清掃機器人，機器人可沿墻壁從任何一個位置自動啟動，利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子將廢棄物掃人自帶容器中。該機器人可采用  “磁導引方式”、“示教方式”或  “墻面復制方式”控制。東日本路公司、富士工業(yè)有限公司 R 東方

14、設施管理有限公司聯(lián)合研制了車站地面擦洗機器人，該 機器人工作時一面將清洗液噴灑到地面上，一面用旋轉(zhuǎn)刷不停地擦洗地面，并將臟水吸人所帶的容器中。機器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自動清洗系統(tǒng)有兩種，一種是“面積設定模式”，即將待清洗的面積分為若干個單位面積，按照其存儲器中的單位面積識別其行使路線，機器人還可利用其傳感器識別和躲避障礙物；另一種叫“路徑地圖模式”，機器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行使，機器人可存幅地圖，并可利用 卡作為外存，在該模式下，機器人不會避障，僅適用于需要反復擦洗的指定地段。  東日本鐵路公司和東芝公司聯(lián)合研制的用于座椅布局簡單的 列車內(nèi)部地面清洗的機器人，其

15、體積小、重量輕、易于出人車廂及在車廂之間運動，感知系統(tǒng)采用超聲波距離傳感器和光學、接觸式的接近傳感器；機器人采用推算定位法，利用編碼器中的數(shù)據(jù)，保持自己的位置和路徑，若探測到錯誤位置，機器人會通過距離傳感器自動修正；高級的列車地面清洗包括掃除垃圾、噴灑清洗液、擦洗、回收污水、用清水沖洗和給地面打蠟六個步驟。日本靜甲株式會社的清水工廠開發(fā)出一種自動清掃機器人，可用于各種工廠的清掃工作，機器人采用光纖陀螺控制機器人的方向，采用編碼器和超聲波傳感器測距，采用光學探測器探測障礙物，機器人 的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺傳感器，一旦機器人與人接觸，觸覺傳感器信號會使機器人停下來以保證人的安全。松下

16、和日立公司也研制出了可清掃磚地木質(zhì)地板和地毯地面的清潔機器人，該機器人采用蓄電池作為動力源，可自動去充電站充電，能夠自主避障和路徑規(guī)劃。  松下電器產(chǎn)業(yè)公司在 2002 年上半年推出了家庭用清潔機器人的試制機。該 7 機器人可以根據(jù)房間的形狀、地板狀況、垃圾量進行自動清掃，還配備有避開墻壁、爐子等熱源以及障礙的安全功能；該機器人配備有 50 個傳感器可一邊自動行走一邊進行清掃，工作時首先沿房間四周走一圈，記憶房 間形狀，然后在避開障礙物的同時開始縱橫來回移動，清潔工作完成后會自動停止。該機器人清掃一般的日本式房間約需要 9當于人打掃同樣大房間所需時間的 ，可清掃房間地板的 92 93

17、 ；機器人利用光及超聲波的測距傳感器及感壓傳感器來避開障礙物，機器人的內(nèi)置回轉(zhuǎn)傳感器用來控制行走姿勢以保持既定的行進方向，但在地毯上行走時如果不采取措施則會受到  “地毯花紋”影響而彎曲前進，因此該公司在機器人中安裝了方向舵?zhèn)鞲衅?，可以檢測出由于地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進方向偏差，因此即使在鋪有地毯的地板上也能夠直線前進， 機器人體內(nèi)還安裝有防止從臺階等高處滾下的落差傳感器、感知暖爐等熱源的熱傳感器、檢測自身所受外力大小的重量傳感器及防滑傳感器、檢測添加動力的負載傳感器，機器人同普通的障礙物最少保持 10距離，而在探測到熱源時，將會同熱源至少保持 50距離。  20世紀 90

18、年代，美國就推出了地面清潔機器人  機器人配有激光導航系統(tǒng)，采用超聲波測距和避障，用光碼條實現(xiàn)定位。 2002 年 月清潔機器人 美國面市，它重約 ，直徑為 30 英寸，具有高度自主能力，可以游走于房間各家具縫隙間，靈巧 地完成清掃工作，據(jù)說這是將用于軍事的“躲避地雷的移動技術(shù)”應用到了吸塵器上。 動作有點兒遲緩，但它卻能穩(wěn)定、安全地完成任務。由于能夠在完成任務后自動切斷電源，所以可以在外出期間讓 家進行清掃。如圖 1 圖 1能清潔機器人 002年 10月日 ，瑞典的拉克斯電子公司與日本東芝公司共同開發(fā)的清潔機器人  “特里洛巴伊特”上市銷售，“特里洛巴伊特”主要由清掃機器

19、和超聲波傳感器構(gòu)成，在工作時可避開室內(nèi)擺放的各種家具用品。只要家庭主婦領(lǐng)著它搞過一次清掃后，它便可以按 行走過的清掃線路進行自動清掃。這種機器人是充電式的，每一次充電可連續(xù)工作 小時。  瑞典家電制造商伊萊克斯 （ 研制生產(chǎn)的清潔機器人小“三葉蟲”高 13 ，直徑 35 ，表面光滑，呈圓形，內(nèi)置搜索雷達，可以迅速地探測 8 到并避開桌腿、玻璃器皿、寵物或任何其它障礙物。一旦微處理器識別出這些障礙物，它可重新選擇路線，并對整個房間做出重新判斷與計算，以保證房間的各個角落都被清掃。在樓梯的臺階等一些沒有天然障礙物的地方，只要有一條磁鐵，小“三葉蟲”便不會跨越。小“三葉蟲”開始啟動后，體內(nèi)

20、的搜索雷達會探測出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡。這樣它便能探測出整個房間的格局，計算出清掃整個房間所需的時間。只要一接近一件障礙物，它便會重新設定行進路線，不會漏掉每一個角落。電線或地毯的邊緣不會被認作是  圖 1葉蟲   障礙物。小“三葉蟲”的吸刷裝置中裝有一只專利設計滑輪，可以越過電線或地毯邊緣，不被絆住。電源不足時，小“三葉蟲”會自動回到充電卡座自行充電。如果此時房間還沒有清掃完畢，小“三葉蟲”還有記憶功能，充好電后自己回到原處繼續(xù)吸塵，如圖 1國、法國和澳大利亞也都推出過清潔 機器人產(chǎn)品。  英國 司最近推出一種型號為  

21、智能吸塵器。這是世界首次開發(fā)研制的全自動 “ 吸塵機器人 ” 。這種機器人具有一定的人工智能 ,只需輕按開關(guān)它就會為你解除每天打掃房間的煩惱。如圖 1示 ,吸塵機器人形狀呈 50厘米長的模型汽車狀 ,重 配置了 70多個傳感器 ,可隨時將發(fā)現(xiàn)的情況告訴由 3 臺內(nèi)置電腦組成的 "大腦 "。 "大腦 "每秒可發(fā)出 16 條命令來指揮吸塵器的工作。充電后一按開關(guān) ,機器人會在瞬間通過所搭載的三臺小型計算機和 70個傳感器計算出自己所在位置、房間大小及臟亂程度、家具的配置等。 要是小孩或狗等外來物體接近吸塵器 ,它就會自動停止工作。接近樓梯口時 ,吸塵器會自動

22、采取保護措施 ,以防止?jié)L到樓下。使用時 ,只要打開電源、選好速度、按下 "走 "鍵 ,吸塵器就會自動工作 ,其它程序都由它自己獨立完成。不過該產(chǎn)品目前價格太高 (4000美元左右一臺 ),要真正推向市場還有相當?shù)碾y度 ,如圖 1示。   9 圖 1能機器人 大利亞的 司最近也研制出可自動行駛并打掃房間的 如圖 1示。這種全自動吸塵器表面光滑 ,體積很小 ,呈圓形 ,內(nèi)置搜索雷達 ,可以搜索各種房間里 的每一處 ,不會碰撞家具或其它障礙物。微處理小電腦使它具備在拐至屋角處能探測方向、選擇前進路線的能力。只要一放在地面上 ,全自動吸塵器便可自動開始工作。其搜索雷達會探

23、測出距離最近的墻壁 ,先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡 ;然后再不規(guī)則地來回于房間的其它位置 ,并且能在接近障礙物之前迅速轉(zhuǎn)向。該吸塵機器人由于在主機的周圍 360 度配備了障礙物傳感器 ,因此可以在檢測墻壁及障礙物的同時打掃地面。當打掃完可以行駛的場所后 ,機器人就自動關(guān)閉電源。在經(jīng)過 4 個小時充電后可以連續(xù)工作 1 個小時以上 ,通過更換配件還可以打掃地毯等。如 果打掃沒有障礙物的地面時 ,1個小時可以打掃 360 平方米。不管房間的外形及面積的大小 , 航算法引導機器人在任何房間的所有無遮掩區(qū)域四處運動來進行清潔工作。因為機器人導航沿房間的周圍 ,所以它要創(chuàng)建自己的空間參考圖 ,機

24、器人不需要任何編程 "教它應該去哪里 ” 。該機器人操作簡單 ,僅有三個按鈕 :開始 ,結(jié)束以及暫停。人們只要簡單地將它放置在需要清掃的區(qū)域或房間中 (這個機器人吸塵器很輕 ,一只手就可以容易拿起它 ),按下開始按鈕即可 ，如圖 1 圖 12003 年 11 月，三星公司推出一 款代號為 機器人吸塵器，如圖1要依靠 3能靈巧地躲避障礙物，能夠快速、高效地對房間每個角落進行吸塵。當遇到障礙物或者死角等情況， 10 自動轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強大的智能判斷系統(tǒng)使得 輕易地分辨出垃圾與其他日常生活用品，機器人也允許用戶定義它的工作時間及清  圖 1三星機器人 區(qū)域等，從而實現(xiàn)主人不在家

25、時機器人也能進行自動清掃。事實上，用戶除了可以對它本身進行設置以外，還能通過計算機查看安裝 在機器人前部的攝像頭進行遠程遙控。整個器人的電池能維持它連續(xù)工作 50 分鐘，而一旦電池處于即將耗盡的狀態(tài)時它自動回到充電座補充能源，非常地智能化。它回充電站使用的是已經(jīng)生成的 3不是像    國內(nèi)研究現(xiàn)狀  在國內(nèi)的一些大學，如哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學、上海交通大學等單位也對清潔機器人進行了大量的研究并取得了一些成果，對清潔機器人相關(guān)技術(shù)如機器感知、機器人導航和定位與路徑規(guī)劃、機器人控制、電源與電源管理、動力驅(qū)動等技術(shù)的研究則更多，這些都為清潔機器人的研 究開發(fā)和推廣

26、奠定了物質(zhì)基礎和技術(shù)基礎。  哈爾濱工業(yè)大學于 90年代開始致力于這方面的研究，與香港中文大學合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動清掃機器人。該機器人具有如下特點：采用全方位移動技術(shù)，使機器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務；采用開放式機器人鉸制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)硬件可擴展，軟件可移植、可繼承，使機器人作為服務載體具有更好的功能適應性；在擁擠環(huán)境下的實時避障功能，能更好地適應不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運動兩種運行方式；吸塵機構(gòu)可實現(xiàn)吸塵腔路的自動轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。  浙江大學于 1999 年初在浙江 大學機械電子研究所開始進行智能吸塵機器人的研究，兩年后設計成功國內(nèi)第

27、一個具有初步智能的自主吸塵機器人。這種智能吸塵機器人工作時，首先進行環(huán)境學習：利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時間；之后，利用隨機和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結(jié)束以后， 11 自行回到充電座補充電力。吸塵機器人在  的實際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達到 90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗還沒有進行。目前，系統(tǒng)正在引入機器視覺和全局 定位功能，力圖在 多房間環(huán)境下，提高自定位能力、  圖 1內(nèi)公司生產(chǎn)的機器人 能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。如圖 1 是國內(nèi)首個產(chǎn)品化清掃

28、機器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂場所，以及其它一些人員不便進入的地方。要人工對其電池進行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動時伴有音樂聲。  清掃機器人存在的問題分析  通過對市場上幾種典型產(chǎn)品進行比較：中低檔產(chǎn)品不具備路 徑規(guī)劃功能，隨機清掃效率很低；國內(nèi)產(chǎn)品不具備自動返回充電的功能；高檔產(chǎn)品使用攝像頭等高端傳感器，不利于產(chǎn)品的廣泛普及。  本課題研究的智能清掃機器人定位為中低檔產(chǎn)品，可以實現(xiàn)以下功能：  (1)具有路徑覆蓋算法，實現(xiàn)高覆蓋率，低重復地清掃；  (2)能夠有效避障及檢測臺階，卡住時會提醒用戶，實現(xiàn)自我保護功能；  

29、(3)自主性高，電池續(xù)航能力強。電量低能夠自動返回充電；  (4)具有良好的人機交互功能，可由用戶控制清掃路徑。   課題研究的目的與意義  吸塵機器人將移動機器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機地融合起來，實現(xiàn)室 內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動或全自動清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作，近年來已受到 12 國內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動機器人的一個特殊應用，從技術(shù)方面講，智能化自主式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動機器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有較強的代表性。從市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動強度、提高勞動效率，適用于家庭和公共場館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑

30、戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場前景。  融合現(xiàn)代傳感器以及機器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開發(fā)一部價格便宜，全區(qū)域覆蓋，能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家庭清掃 機器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式，使家庭生活電氣化、智能化，使科技更好地為人類服務。   本章小結(jié)  智能家庭清掃機器人包括兩個部分：機器人和充電站。本課題主要研究機器人部分，包括功能分析，方案設計，硬件實現(xiàn)以及底層軟件設計。機器人按照功能主要分為 5部分：主控器、傳感器、執(zhí)行電機、輸入輸出和電源部分。其中，傳感器包括紅外傳感器，塵倉檢測，碰撞檢測，里程計，貼邊行走檢測等；執(zhí)行電機包括吸塵電機、毛刷

31、電機和主動輪驅(qū)動電機（也稱行走電機）；輸入輸出部分包括紅外遙控。  本文完成的主要工作如下：  (1)分析系統(tǒng)功能需求，確定設計目標。  (2)綜合考慮各種功能需求設計總體方案。  (3)設計整體硬件電路和部分模塊的結(jié)構(gòu)：包括硬件電路設計，芯片選擇和可行性論證，并詳細分析了部分單元電路的工作原理。   13 第  2 章     清掃機器人的總體設計方案  設計目標  智能家庭清掃機器人的總體設計目標是研究一個能夠在無人干預情況下自  主完成室內(nèi)清掃工作，也可以人為控制其狀態(tài)的機器人系

32、統(tǒng)。  本課題設計的清掃機器人具有自主清掃，自動返回充電，避障，防跌落，  卡住報警，過流檢測，塵倉滿倉 檢測等功能；同時，為使機器人高效、可靠地  完成作業(yè)，在其內(nèi)部嵌入路徑覆蓋算法，使它脫離隨機清掃的模式，能夠記憶  已走過的路徑和遇到的障礙物位置，以使機器人不遺漏地進行全區(qū)域清掃和不  重復遇到同一個障礙物，實現(xiàn)了高覆蓋率，低重復率的清掃過程；為使機器人  在電量過低情況下能夠主動充電，通過自動尋找和對接算法程序?qū)崿F(xiàn)自動對接；  用戶可以通過紅外遙控器控制機器人的行走路徑，也可以遙控其返回充電站停  止工作。

33、  清掃機器人的組成部分  智能家庭清掃機器人系統(tǒng)由機器人和基站兩部分組成。機器人主要負責清掃地面，同時 具有遙控控制，自動避障，檢測臺階和樓梯，自動返回基站充電，定時工作，過流檢測等功能；基站主要負責與機器人的紅外通訊，可發(fā)射召回信號，實現(xiàn)對機器人的充電對接。  機器人由 5部分組成：主控制系統(tǒng)部分、執(zhí)行電機部分、傳感器部分、輸入輸出部分和電源部分。結(jié)構(gòu)框圖如圖 2控系統(tǒng)使用單片機控制，包括對輸入輸出器件的操作，對執(zhí)行電機的控制，以及對傳感器的響應等，同時內(nèi)部嵌入智能軟件，包括路徑覆蓋算法和返回充電站路徑規(guī)劃程序；執(zhí)行電機部分是吸塵機器人的主要構(gòu)成部分，包括行走

34、驅(qū)動子系統(tǒng)和吸塵子系統(tǒng)，它決定了吸塵器的運 動軌跡和清掃效率。行走結(jié)構(gòu)采用的是輪式結(jié)構(gòu)，雙輪電機通過齒輪箱驅(qū)動左右雙輪，輪子電機、吸塵電機和毛刷電機使用的都是無刷直流電機；傳感器部分即檢測子系統(tǒng)，主要為了保障機器人能夠安全地工作，包括霍爾元件、 外傳感器等；輸入輸出部分包括遙控子系統(tǒng)，能夠較好地實現(xiàn)人機交互的功能；電源部分為機器人工作提供電能，保證機器人能夠獨立有效的工作。   14 圖 2家庭清掃機器人的機構(gòu)框圖  清掃機器人的設計方案   主控系統(tǒng)  控制系統(tǒng)在智 能家庭清掃機器人系統(tǒng)中占有重要地位，是機器人的核心部分，它決定控制性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系

35、到機器人使用的方便程度和清掃效率。根據(jù)機器人需要實現(xiàn)的諸多功能，主控器既要方便地控制各個子系統(tǒng)，又要運行路徑覆蓋算法程序。因而主控器需要有多個中斷源，多個 I/個 時程序存儲容量大，存儲內(nèi)容掉電不丟失，為方便機器人進行功能升級，還要留有可擴展的串行通訊口。  由于 司的單片機性能可靠，在移動機器人和汽車領(lǐng)域都有廣泛的應用，因此選用了 位 控制 器，其存儲空間大，可以滿足算法的實現(xiàn)要求；使用 壓供電，在 40功率消耗不到 1且該微控制器具有多種省電模式可以選用。除此之外，  具有多種功能端口，可為外圍的傳感器件提供各種控制功能，而且便于編程。  傳感器部分 &nbs

36、p;執(zhí)行電機部分  電源系統(tǒng)  主控系統(tǒng)  遙控子系統(tǒng)  鍵盤顯示子系統(tǒng)  路徑覆蓋算法  返回充電站路徑規(guī)劃算法  智能軟件部分  輸入輸出部分  吸塵子系統(tǒng)  行走驅(qū)動子系統(tǒng)  傳感器系統(tǒng)  塵倉紅外檢測  碰撞檢測  里程計  左輪電機  右輪電機  吸塵電機  毛刷電機   15 主控器內(nèi)部嵌有智能軟件算法：覆蓋算法和返回充電站路徑規(guī)劃算法。覆蓋算法是在清掃過程中，按一定的路徑規(guī)劃進行清掃，并且可以

37、記憶并標記已走過的路徑和遇到的障礙物位置，下次只清掃未標記的區(qū)域，實現(xiàn)全區(qū)域的路徑覆蓋；返回充電站路徑規(guī)劃是在機器人未收到充電站發(fā)出的導 航信號時，根據(jù)已記錄的地圖信息中充電站的位置，按照一定的算法向充電站靠近，直到收到導航信號后，進入導航對接程序?qū)崿F(xiàn)自動對接。   驅(qū)動電機部分  機器人的工作電機分為行走、吸塵和毛刷電機。機器人行走結(jié)構(gòu)中前面有一個從動轉(zhuǎn)向輪，兩側(cè)各有一個驅(qū)動輪，由無刷直流電機進行控制。清掃結(jié)構(gòu)主要使用真空吸塵器和由電機帶動的旋轉(zhuǎn)毛刷。  永磁無刷電動機具有效率高，功率大，體積小，控制精度高等明顯特點，在機器人領(lǐng)域有著廣泛的應用。無刷直流電機具有

38、良好的調(diào)速性能，由于它采用電子換向，脈寬調(diào)制脈沖調(diào)速，在進一步提高直流 電機性能的同時，又克服了直電機傳統(tǒng)機械換向帶來的一系列問題，從而大大延長了電機的使用壽命。直流無刷電機控制電路在實現(xiàn)上主要有控制電路微處理器、數(shù)字信號處理器和專用集成電路等 3種方式。使用單片機或 測頻、換相、控制調(diào)節(jié)等均由軟件實現(xiàn)，本課題選用單片機軟件編程的方法控制無刷直流電機。  吸塵器內(nèi)的風機和帶動毛刷的電機都使用直流電機，由于不需要調(diào)速、換向，因此控制方法比較簡單。   傳感器系統(tǒng)  傳感器是機器人環(huán)境感知的主要來源，是機器人智能化的一部分，在整個系統(tǒng)中占有重要 的地位。機器人技術(shù)融合

39、了多種傳感器技術(shù)，包括紅外傳感器，接觸和接近傳感器，編碼器，超聲波傳感器等。   感器的選擇依據(jù)   選擇機器人傳感器應當完全取決于機器人的工作需要和應用特點，對機器人感覺系統(tǒng)的要求是選擇機器人傳感器的基本依據(jù)。機器人對傳感器的一般要求是：  (1)精度高，重復性好。機器人傳感器的精度直接影響機器人的工作質(zhì)量。  用于檢測和控制機器人運動的傳感器是控制機器人定位精度的基礎。機器 16 人能否準確無誤地正常工作，很大程度上取決于傳感器的測量精度。  (2)穩(wěn)定性好、可靠性高。機器人傳 感器的穩(wěn)定性和可靠性是保證機器人能  夠長期穩(wěn)定可靠

40、地工作的必要條件。  (3)抗干擾能力強。機器人的工作環(huán)境是不定和未知的，在運行中可能會有  來自外在的干擾存在。  感器的選擇   避障功能是智能家庭清掃機器人必備的功能，由于室內(nèi)環(huán)境復雜，在無人看管的情況下，機器人需要自動識別障礙物并繞開行走。目前同類產(chǎn)品中主要使用了兩種方式：非接觸式避障和接觸式避障。其中，應用較多的是非接觸避障，主要原理是利用超聲波測距。但是這種方法的缺點是波束較寬，其分辨力受到嚴重的限制，不能有效地確保機器人的安全。本課題 選用接觸式避障，即先碰撞后避障，使用霍爾開關(guān)對磁場變化的檢測判斷是否發(fā)生碰撞。  塵倉紅外檢測實

41、現(xiàn)了塵倉滿倉自動提醒用戶除塵的功能。它是由紅外發(fā)射和接收管組成的，對管安裝在塵倉的上部。根據(jù)灰塵密度的不同，紅外光透過的強度不同，接收管的輸出電壓也不同。這個變化是模擬量，需要通過實驗確定滿倉電壓值，避免塵倉未滿或者過滿所造成的誤操作。為了檢測機器人在前進速度和轉(zhuǎn)角上的變化，在兩個主動輪上安裝了光電編碼式傳感器，簡稱里程計。它可以檢測機器人的行走距離和速度，同時根據(jù)左右輪速差計算出機器人偏轉(zhuǎn)的角度。選用了非接觸式光 電碼盤，為提高系統(tǒng)分辨率，將碼盤安裝在機器人行走電機的電機軸上，即高速端的轉(zhuǎn)子。  過流檢測是電子類產(chǎn)品必要的功能之一，用來防止工作發(fā)生異常燒壞電路板造成損失。使用 料做

42、成的電流保護元件，在電子電器、玩具、汽車、電機保護等方面都有廣泛的應用，被稱為自復式保險絲。這種材料的電阻率隨溫度升高而增加，同時溫度降低后可以自動恢復，可以檢測系統(tǒng)運行時的過流現(xiàn)象。一般連接在電源的入口處，能夠有效地保護電路安全。  邊緣檢測傳感器也是一個機械開關(guān)，開關(guān)的觸發(fā)端設計成一個滑輪結(jié)構(gòu)，在機器人的兩側(cè)各裝有一個，用于保證機器人 可以始終貼著墻的邊緣走。   紅外遙控部分  智能家庭清掃機器人在創(chuàng)建地圖的清掃過程中，可以由用戶控制其行走路徑，同時在清掃完畢時能夠通過遙控召回其返回充電站結(jié)束清掃。機器人上方裝有四個紅外接收芯片，角度覆蓋范圍接近  

43、;360，接收來自遙控器和充電站的信號。紅外發(fā)送端和接收端使用統(tǒng)一的編碼格式，各種格式對應的功能可以自行定 17 義，可實現(xiàn)前進、后退、加速、減速、充電站召回等多種功能。   電源部分  電源部分選用可充電的鎳氫電池，它相比傳統(tǒng)的鎳鎘電池，具有電容量高、放電深度大、耐過充和過度放電 、充電時間短等明顯的優(yōu)點。最重要的是鎳氫電池不再使用有毒的重金屬作為材料，可以消除對環(huán)境的污染。鎳氫電池的溫度特性較差，有效范圍為  0 45。但室內(nèi)的環(huán)境溫度比較穩(wěn)定且可以保證在一個范圍內(nèi)，因此選用鎳氫充電電池可以充分發(fā)揮它的優(yōu)點。  電池安裝在機器人的兩側(cè)中部，由于容量大

44、的電池，重量也大，會影響機器人的行走速度，繼而消耗更多的電能。因此不能單一追求電池的電能而忽視重量的適度，否則將嚴重影響機器人的工作效率。當機器人工作到電量過低時，可以通過單片機內(nèi)部的 出觸發(fā)信號使機器人自動返回充 電站充電。   充電站部分  充電站主要負責與機器人的紅外通信發(fā)射召回信號，引導機器人自動返回充電站進行充電。機器人在電量充足時對充電站發(fā)出的信號不做響應，當檢測到自身電量不足時機器人通過充電站發(fā)射的紅外召回信號及相應算法自動返回充電站充電。  本章小結(jié)  本章介紹了智能家庭清掃機器人的總體設計目標，并按功能將結(jié)構(gòu)分為  6個部分，

45、結(jié)合其總體框圖分別闡述了每個部分需要實現(xiàn)的功能、選擇的器件以及初步的實現(xiàn)方法，為機器人的硬件和軟件設計提供了相關(guān)的依據(jù)。   18 第  3 章     清 掃機器人的結(jié)構(gòu)與硬件設計  清掃機器人的總體設計  整個硬件系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、執(zhí)行電機控制、傳感器、輸入輸出模塊和電源部分組成。傳感器包括紅外傳感器、碰撞檢測模塊、沿邊行走檢測模塊和低電壓檢測模塊，另外還有記錄機器人行走路徑信息的里程計；執(zhí)行電機控制包括主動輪驅(qū)動電機調(diào)速控制，毛刷和吸塵電機驅(qū)動模塊；輸入輸出模塊包括紅外遙控。以下詳細討論每個功能模塊的設計思想和硬件電路的實現(xiàn)。 &

46、nbsp;清掃機器人的結(jié)構(gòu)設計  外形設計       根據(jù)家庭清潔機器人的設計要求，本次設計的機器人應該包括清掃機 構(gòu)、行走機構(gòu)、吸塵機構(gòu)、垃圾收集處理機構(gòu)，其中清掃機構(gòu)的設計尤為重要。通過在網(wǎng)上搜索一些相關(guān)資料以及在圖書館查閱的資料，初步把機器人的外形設計為長寬均為 40000是后來發(fā)現(xiàn)所設計的結(jié)構(gòu)的不合理之處，周邊有棱角的機器人在躲避障礙物是很不便，非常容易碰到障礙物，而圓形物體則比較容易避開障礙物。因而最終把機器人的外形設計為圓盤形，其外部輪廓大體如圖所示：   19 行走機構(gòu)設計      為實現(xiàn)機器人的

47、轉(zhuǎn)彎半徑為 0，在機器人的行走機構(gòu)中采用兩輪驅(qū)動，兩個驅(qū)動輪對稱分布在清 掃機構(gòu)的后方，兩個輪子和刷子支撐機體工作和運動，這樣設計既節(jié)省材料，又可以使刷子和地面全面的接觸，從而利于更徹底的清掃。在機器人轉(zhuǎn)彎時，通過控制行走機構(gòu)的兩個電機的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，進而控制兩個輪子，通過輪子的前后差速運動實現(xiàn)機體的轉(zhuǎn)彎半徑 為 0。  清掃機構(gòu)設計       在清掃機構(gòu)的設計中想到了四種方案：  (1) 電機帶動斜齒輪 1，斜齒輪 1 帶動斜齒輪 2，斜齒輪 2 帶動斜齒輪 3，斜齒輪上的軸連接滾刷，進而實現(xiàn)清掃；  圖 3掃機構(gòu)一  

48、;(2) 電機帶動錐齒輪 1，錐齒輪 1帶動錐齒輪 2，由錐齒輪 2上的軸連接滾刷，進而實現(xiàn)清掃；  圖 3掃機構(gòu)二  (3) 電機帶動蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個蝸輪的軸上分別接刷子，從而實現(xiàn)清掃；  圖 3掃機構(gòu)三  (4) 電機帶動蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個蝸輪分別接皮帶輪，皮帶輪上的軸接刷子，從而實現(xiàn)清掃。   20 圖 3掃機構(gòu)四  以上四種方案通過對比以及由設計的要求所限制，最終選擇方案四為清掃機構(gòu)。其正面結(jié)構(gòu)如下圖所示  圖 3掃傳動機構(gòu)  因為所設計的機器人它的體積有限制，在直徑為四百，高為一百的圓內(nèi)

49、要放置有清掃機構(gòu)、行走機構(gòu)、吸塵機構(gòu)、 垃圾收集處理機構(gòu)，同時還得留下放電池、控制中心、觀察中心的地方，而方案一雖然易于安裝，傳動平穩(wěn)，但是斜齒輪所占的面積非常大，如果選用它，則會占用大量的空間，使其它幾個單元有些部分將放置不下，從而超出所要設計的尺寸，因而否定了這種方案；方案二中，錐齒輪傳動不如斜齒輪平穩(wěn)，同時錐齒輪一所占的體積也比較大，而清掃機構(gòu)又是本次設計中最重要的部分，因而選用錐齒輪的弊端也很大，所以經(jīng)過計算及各個機構(gòu)總體布局的綜合考慮，舍棄了方案二；方案三中通過電機帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)，再有蝸桿帶動其兩端的蝸輪，由蝸輪上的軸帶動固定在其上的刷子 旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了清掃的目的。為了使機器人的外壁

50、在靠近墻邊時刷子能夠掃到墻壁的邊緣，同時使它在清掃過程中沒有工作盲區(qū)，開始設計時用兩個直徑都為 200刷子，這樣的話，蝸輪和蝸桿的中心距就必須為 100在這種中心距的情況下，蝸輪蝸桿的尺寸都比較大，雖然能夠放置下，但是蝸輪蝸桿這個裝置就顯得比較笨重，所占的重量很大，這就加重了機器的人的總重量，因而這種方案也不是很合理；最后在方案三的基礎上產(chǎn)生了方案四。方案四中通過兩邊加皮帶輪這個結(jié)構(gòu)縮小了蝸輪蝸桿的中心距，從而減小了機器的總重量，同時還有利于其它機構(gòu)的 安裝。因而選擇方案四為本次設計的清掃機構(gòu)。   21 吸塵機構(gòu)設計     圖 3塵器  在吸塵機構(gòu)的

51、設計中將風扇固定在垃圾儲藏室上壁，在風扇上罩一個薄壁腔。在薄壁腔上方開一個圓孔，以便于空氣的排出。在垃圾儲藏室上壁開兩個小長方孔，在方孔下加上一個隔塵罩。（其大體圖形如圖 3過風扇的旋轉(zhuǎn)帶動垃圾儲藏室內(nèi)的空氣流動，又通過儲藏室內(nèi)的管腔將刷子清掃引起的塵土吸附進來，帶塵土的空氣通過防塵罩將塵土擋到垃圾儲物室內(nèi)，較干凈的空氣則通過吸塵室上壁腔的圓孔排帶大氣中去。從而實現(xiàn)吸塵的目的。  塵倉機構(gòu)設計  在對垃圾收集處理機構(gòu)進行設計時，開始想用如圖下所示的結(jié)構(gòu)作為垃圾收集擋板。  圖 3塵器原理  通過電機帶動和電機相連的小齒輪，小齒輪通過帶動和其配對的大齒輪帶動軸 2 旋轉(zhuǎn)，從而使軸 2另一端上固定的