掃地機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)（CAD裝配圖+PDF電路圖+說(shuō)明書）

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Sweeping robots have many intelligent functions such as actively avoiding obstacles, automatically vacuuming, and automatically returning charge lights, which can help people clean up household waste and provide convenience to people. The sweeping robot designed in this paper adopts the design idea of mechatronics to design the mechanical structure and control system. The mechanical design mainly completes the selection of the overall appearance and the design of the sweeping mechanism. The sweeping mechanism mainly uses the worm shaft to drive the shaft to rotate. The way to achieve the cleaning function. The control system uses the STM32F407VET6 microcontroller as the core of the control system. It mainly completes the control of the drive motor and the sweeping motor. A detection system consisting of eight infrared sensors is designed to perform edge detection and wall collision detection, and a digital tube is used. The display module is connected with the single chip to realize the cleaning time display, the overall control is simple, and the use is convenient. The mechanical structure of the cleaning robot achieves a given design parameter requirement, and the control form also meets the design requirements. Key words: Sweeping Robot; SCM Control;Mechanical Structure II 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 掃地機(jī)器人現(xiàn)狀 1 1.1.1 掃地機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.1.2 掃地機(jī)器人相關(guān)扶持政策 2 1.1.3 現(xiàn)階段掃地機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 4 1.2 掃地機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 5 1.2.1 掃地機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 5 1.2.2 掃地機(jī)器人未來(lái)市場(chǎng)分析 6 1.3 課題要達(dá)到的設(shè)計(jì)目的 8 第2章 方案設(shè)計(jì)及可行性論證 9 2.1 掃地機(jī)器人清掃機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 9 2.1.1 方案1 9 2.1.2 方案2 9 2.1.3 方案3 10 2.2 掃地機(jī)器人清掃機(jī)構(gòu)方案可行性論證 10 2.2.1 方案1評(píng)價(jià) 10 2.2.2 方案2評(píng)價(jià) 10 2.2.3 方案3評(píng)價(jià) 10 2.3 掃地機(jī)器人測(cè)距系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 11 2.3.1 方案1 11 2.3.2 方案2 11 2.3.3 方案3 12 2.4 掃地機(jī)器人偵測(cè)系統(tǒng)方案可行性論證 12 2.4.1 方案1評(píng)價(jià) 12 2.4.2 方案2評(píng)價(jià) 12 2.4.3 方案3評(píng)價(jià) 13 2.5 方案確定 13 第3章 設(shè)計(jì)計(jì)算 14 3.1 電機(jī)選擇 14 3.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 14 3.1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 14 3.1.3 清掃電機(jī)選擇 15 3.2 蝸輪蝸桿選擇 16 3.2.1 材料選擇 16 3.2.2 蝸輪蝸桿齒數(shù)選擇 16 3.2.3 蝸輪蝸桿校核 18 3.2.4 蝸輪蝸桿幾何尺寸 21 3.3 軸的校核 22 3.4 環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展方面的思考 24 3.4.1 掃地機(jī)器人對(duì)于環(huán)境保護(hù)的意義 24 3.4.2 掃地機(jī)器人有利于可持續(xù)發(fā)展 24 第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 4.1 單片機(jī)選擇 25 4.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 25 4.3 電源管理 25 4.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 28 4.5 紅外避障模塊與紅外防跌落模塊 28 4.6 鍵盤輸入模塊 30 4.7 數(shù)碼管顯示模塊 31 第5章 產(chǎn)品使用與維護(hù) 32 5.1 產(chǎn)品使用說(shuō)明 32 5.2 產(chǎn)品維護(hù)保養(yǎng) 33 結(jié) 論 34 參考文獻(xiàn) 35 致 謝 37 CONTENTS Abstract(in Chinese) I Abstract(in English) II Chapter Ⅰ Introduction 1 1.1 sweeping Robot Status 1 1.1.1 Sweeping Robot Development Status 1 1.1.2 Cleaning Robot Related Support Policy 2 1.1.3 The Key Technology of Sweeping Robots at This Stage 4 1.2 Sweeping Robot Development Trend 5 1.2.1 Sweeping Robot Technology Development Trend 5 1.2.2 Sweeping Robot Future Market Analysis 6 1.3 The Purpose of The Project to Achieve 8 Chapter Ⅱ Scheme Design and Feasibility Demonstration 9 2.1 Sweeping Robot Cleaning Mechanism Plan Design 9 2.1.1 Plan 1 9 2.1.2 Plan 2 9 2.1.3 Plan 3 10 2.2 Sweeping robot cleaning mechanism plan feasibility demonstration 10 2.2.1 Plan 1 Evaluation 10 2.2.2 Plan 2 Evaluation 10 2.2.3 Plan 3 Evaluation 10 2.3 Scrubbing Robot Ranging System Design 11 2.3.1 Plan 1 11 2.3.2 Plan 2 11 2.3.3 Plan 3 12 2.4 Sweeping Robot Detection System Project Feasibility Demonstration 12 2.4.1 Plan 1 Evaluation 12 2.4.2 Plan 2 Evaluation 12 2.4.3 Plan 3 Evaluation 13 2.5 Plan Determination 13 Chapter Ⅲ Design Calculations 14 3.1 Motor Calculation 14 3.1.1 Drive Motor Calculations 14 3.1.2 Sweep Motor Calculation 15 3.2 Turbine worm selection 16 3.2.1 Material Selection 16 3.2.2 Worm Gear Number Selection 16 3.2.3 Worm And Worm Check 18 3.2.4 Worm Gear Geometry 21 3.3 Checking the Axis 22 3.4 Considerations on Environmental Protection 24 3.4.1 The Significance of Environmental Protection 24 3.4.2 Conducive to Sustainable Development 24 Chapter Ⅳ Control System Design 25 4.1 Microcontroller Selection 25 4.2 Microcontroller Minimum System 25 4.3 Power Management 25 4.4 Motor Drive Module 28 4.5 Infrared Obstacle Avoidance Module 28 4.6 Keyboard Input Module 30 4.7 Digital Tube Display Module 31 Chapter Ⅴ Product Use and Maintenance 32 5.1 Product Instructions 32 5.2 Product Maintenance 33 Conclusion 34 References 35 Acknowledgements 37 VI 第1章 緒論 1.1 掃地機(jī)器人現(xiàn)狀 1.1.1 掃地機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 自動(dòng)掃地機(jī)器人，是一種智能掃地、吸塵工具，是一種配備了微電腦系統(tǒng)的電動(dòng)保潔設(shè)備，它能能夠按照人們的設(shè)置清潔房間的某一特定部分或全部。自動(dòng)掃地機(jī)器人最早出現(xiàn)于美國(guó)，隨后發(fā)展的歐美，風(fēng)靡港澳臺(tái)，90年代中期進(jìn)入大陸。國(guó)內(nèi)自動(dòng)掃地機(jī)主要幾種品牌：iRobot(美國(guó))、凱馳(德國(guó))、QQ(臺(tái)灣)、三葉蟲(瑞典)、保時(shí)潔(國(guó)產(chǎn))、美嘉樂(lè)(國(guó)產(chǎn))、微朗(國(guó)產(chǎn))等。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，特別是受生活節(jié)奏的加快和工作壓力的增大影響，人們希望更多地從繁瑣的家庭日常清潔事務(wù)中解脫出來(lái)。這無(wú)疑是清潔機(jī)器人進(jìn)入家庭的市場(chǎng)訴求。 掃地機(jī)器人作為清潔機(jī)器人的一種，其針對(duì)的目標(biāo)用戶是所有家庭，其需求痛點(diǎn)恰恰是為了使人們從日常地板清潔工作中解放出來(lái)，它迎合了市場(chǎng)痛點(diǎn)的需求。最早的掃地機(jī)器人來(lái)源于伊萊克斯、戴森等領(lǐng)銜的吸塵器行業(yè)。 2002年伊萊克斯在原有高質(zhì)量吸塵器的基礎(chǔ)上，開發(fā)了“三葉蟲”掃地機(jī)器人——全世界第一款全自動(dòng)掃地機(jī)器人。隨后iRobot公司先后生產(chǎn)了7代家務(wù)機(jī)器人Roomba，成為了這一領(lǐng)域的代表產(chǎn)品系列。 圖1-1 我國(guó)掃地機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì) 2010年左右，國(guó)內(nèi)的掃地機(jī)器人品牌紛紛涌現(xiàn)，并逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已擁有幾十家掃地機(jī)器人品牌，如科沃斯、iRobot、?，斕亍⒌刎?、Xrobot、海爾、美的、Prosenic、飛利浦和三星等。但是，本土成立且具備核心研發(fā)能力的掃地機(jī)器人企業(yè)占比并不高。 圖1-2 國(guó)內(nèi)掃地機(jī)器人市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)狀況 近幾年，掃地機(jī)器人正在以驚人的速度普及，市場(chǎng)發(fā)展十分迅猛。前期發(fā)展階段，掃地機(jī)器人主要以改進(jìn)掃地效能為主。現(xiàn)階段，掃地機(jī)器人在保證提供較優(yōu)良的清潔效果后，勢(shì)必轉(zhuǎn)向多傳感器融合、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等智能化核心技術(shù)的發(fā)展方向上。 1.1.2掃地機(jī)器人相關(guān)扶持政策 為引導(dǎo)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)有序健康發(fā)展，國(guó)家發(fā)改委發(fā)起成立了國(guó)家機(jī)器人檢測(cè)與評(píng)定中心（簡(jiǎn)稱“國(guó)評(píng)中心”）。據(jù)了解，國(guó)評(píng)中心是由政府部門和科研院所共同設(shè)立的集機(jī)器人產(chǎn)品（部件）認(rèn)證、檢測(cè)、校準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化，技術(shù)咨詢?yōu)橐惑w的第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)[1]。國(guó)評(píng)中心在指導(dǎo)委員會(huì)指導(dǎo)下開展建設(shè)工作，指導(dǎo)委員會(huì)成員由國(guó)家發(fā)改委、工信部、國(guó)標(biāo)委、認(rèn)監(jiān)委、中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、行業(yè)專家等組成。國(guó)評(píng)中心總部設(shè)在上海，廣州，重慶、沈陽(yáng)設(shè)立了分中心，北京、蕪湖設(shè)立了公共服務(wù)平臺(tái)，覆蓋了全國(guó)機(jī)器人產(chǎn)能、需求最集中的地區(qū)。國(guó)評(píng)中心的目標(biāo)任務(wù)是，搭建機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的公共服務(wù)平臺(tái)，提高機(jī)器人產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作建設(shè)和產(chǎn)品質(zhì)量，推動(dòng)國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的技術(shù)快速、健康、有序發(fā)展[2]。 在政策上，為促進(jìn)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，中央相關(guān)部委相繼出臺(tái)了一些扶持政策?？萍疾?017年8月1日正式發(fā)布《“智能機(jī)器人”重點(diǎn)專項(xiàng)2017年度項(xiàng)目專項(xiàng)申報(bào)指南》（下稱《指南》），明確圍繞智能機(jī)器人基礎(chǔ)前沿技術(shù)、新一代機(jī)器人、關(guān)鍵共性技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人6個(gè)方向，按照基礎(chǔ)前沿技術(shù)類、共性技術(shù)類、關(guān)鍵技術(shù)與裝備類和示范應(yīng)用類四個(gè)層次，啟動(dòng)42個(gè)項(xiàng)目，擬安排經(jīng)費(fèi)總概算約6億元[3]。《指南》的發(fā)布，有利于我國(guó)機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，形成具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的行業(yè)龍頭企業(yè)，助力《中國(guó)制造2025》規(guī)劃的落地。 國(guó)家相關(guān)部門不斷加大對(duì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的扶持力度?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中，明確將智能服務(wù)機(jī)器人技術(shù)作為重要發(fā)展方向之一，要求以服務(wù)機(jī)器人和危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用需求為重點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)方法、制造工藝、智能控制和應(yīng)用系統(tǒng)集成等共性基礎(chǔ)技術(shù)[4]。國(guó)家“863”計(jì)劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域發(fā)布的《機(jī)器人行業(yè)白皮書》也指出，國(guó)內(nèi)機(jī)器人在高端領(lǐng)域尚缺少競(jìng)爭(zhēng)力，近期需要在關(guān)鍵零部件、機(jī)器人本體和系統(tǒng)集成3個(gè)方面取得突破[5]。 國(guó)家發(fā)改委、工信部和財(cái)政部2016年共同制定的《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》明確，到2020年，我國(guó)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人密度(每萬(wàn)名工人使用工業(yè)機(jī)器人數(shù)量)達(dá)到150以上?！澳壳?，我國(guó)機(jī)器人密度是70。在機(jī)器人的幫助下，未來(lái)我國(guó)制造智能化要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率更高、資源消耗更少、單價(jià)成本更低、產(chǎn)品品質(zhì)更好、消費(fèi)個(gè)性需求更能滿足、市場(chǎng)響應(yīng)速度更快的目標(biāo)[5]?！? 科技部2017年8月1日正式發(fā)布《“智能機(jī)器人”重點(diǎn)專項(xiàng)2017年度項(xiàng)目專項(xiàng)申報(bào)指南》（下稱《指南》），明確圍繞智能機(jī)器人基礎(chǔ)前沿技術(shù)、新一代機(jī)器人、關(guān)鍵共性技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人6個(gè)方向，按照基礎(chǔ)前沿技術(shù)類、共性技術(shù)類、關(guān)鍵技術(shù)與裝備類和示范應(yīng)用類四個(gè)層次，啟動(dòng)42個(gè)項(xiàng)目，擬安排經(jīng)費(fèi)總概算約6億元?！吨改稀返陌l(fā)布，有利于我國(guó)機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，形成具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的行業(yè)龍頭企業(yè)，助力《中國(guó)制造2025》規(guī)劃的落地[6]。 2016年出臺(tái)的《中國(guó)制造2025》計(jì)劃明確了我國(guó)未來(lái)十年機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)方向。由此可見(jiàn)，近年來(lái)，國(guó)家對(duì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的扶持力度空前，給我國(guó)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)了明顯的利好[7]。 1.1.3現(xiàn)階段掃地機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 用戶直觀可見(jiàn)的掃地機(jī)器人基本功能為清掃、吸塵、拖地等，因此相關(guān)企業(yè)在清掃毛刷的材料、結(jié)構(gòu)形式、旋轉(zhuǎn)速度/方式，以及吸塵原理、吸塵機(jī)構(gòu)形式、拖布材料、拖布布置方式、供水量、供水方式等基本功能原理和技術(shù)方面不斷優(yōu)化。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)更好的清潔效果、更良好的用戶體驗(yàn)，掃地機(jī)器人在人工智能相關(guān)領(lǐng)域涉及到如下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 1.多傳感器信息融合技術(shù) 多傳感器信息融合是指綜合來(lái)自多個(gè)傳感器的感知數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生更可靠、更準(zhǔn)確或更全面的機(jī)器人狀態(tài)信息，如在掃地機(jī)器人中融合激光雷達(dá)、超聲傳感器、紅外傳感器、里程計(jì)的信息等。多傳感器信息融合處理的基本原理類似于人類大腦處理信息的過(guò)程，能夠通過(guò)對(duì)多種傳感器反饋信息的合理分析與使用，得以降低各種單一傳感器在空間和時(shí)間局限性方面的影響，并且通過(guò)冗余信息的解析，更加完善和更加精確地反映出檢測(cè)對(duì)象的特性，消除信息的不確定性，得到對(duì)觀測(cè)環(huán)境具備較高可行性的一致性結(jié)果。 2.室內(nèi)導(dǎo)航和定位技術(shù) 　　掃地機(jī)器人需要自主移動(dòng)，無(wú)論是局部實(shí)時(shí)避障，還是全局規(guī)劃，都需要較精確地確定機(jī)器人或障礙物的當(dāng)前狀態(tài)及位置，以完成導(dǎo)航、避障及路徑規(guī)劃等任務(wù)。一般地，機(jī)器人通過(guò)航位推算方法、信標(biāo)定位方法以及混合定位方法，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航和定位。 　　航位推算方法是最為常用的一種方法，通過(guò)機(jī)器人自身的里程計(jì)、陀螺儀、加速度計(jì)等內(nèi)部傳感器，實(shí)時(shí)解算機(jī)器人自身的速度、姿態(tài)信息。以出發(fā)點(diǎn)為絕對(duì)零點(diǎn)，則可以漸進(jìn)累加地推算出機(jī)器人當(dāng)前所在的位置和姿態(tài)。此種方法隨著工作時(shí)間的增加，積分運(yùn)算誤差和定時(shí)系統(tǒng)時(shí)差引起的誤差將會(huì)逐漸累積，因此不適于長(zhǎng)時(shí)間的精確定位。 　　掃地機(jī)器人在室內(nèi)地板上的運(yùn)動(dòng)可視為在二維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，如果室內(nèi)允許布置信標(biāo)（如充電樁或其他滿足信標(biāo)條件的標(biāo)志物），則可以通過(guò)傳感器，檢測(cè)機(jī)器人與信標(biāo)之間的相對(duì)距離與位姿，實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人的室內(nèi)導(dǎo)航與定位。信標(biāo)定位的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，沒(méi)有累積誤差，精度穩(wěn)定性好，且可通過(guò)多信標(biāo)冗余覆蓋的方式，彼此互為位置校準(zhǔn)或當(dāng)某個(gè)信標(biāo)故障時(shí)，機(jī)器人仍可成功定位。混合定位方法融合航位推算方法與信標(biāo)定位方法各自優(yōu)勢(shì)[8]。 3.掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃算法 　　掃地機(jī)器人在工作過(guò)程中，需要盡量做到清掃面積全覆蓋且行走路徑不重疊，這就需要依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則進(jìn)行最優(yōu)路徑規(guī)劃，在其工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)，可以避開障礙物的最優(yōu)路徑。 　　根據(jù)對(duì)環(huán)境信息的把握程度，我們可以把路徑規(guī)劃分為，基于已知地圖的全局路徑規(guī)劃和基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃。其中，以獲取障礙物信息是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)的角度看，全局路徑規(guī)劃屬于靜態(tài)規(guī)劃（離線規(guī)劃），局部路徑規(guī)劃屬于動(dòng)態(tài)規(guī)劃（在線規(guī)劃）。 　　全局路徑規(guī)劃需要建立工作空間的詳細(xì)地圖，根據(jù)地圖包含的環(huán)境信息進(jìn)行路徑規(guī)劃；局部路徑規(guī)劃則根據(jù)傳感器實(shí)時(shí)采集的周邊環(huán)境信息，確定所在地圖的位置及其局部的障礙物分布情況，從而可以選出從當(dāng)前結(jié)點(diǎn)到鄰近子目標(biāo)結(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。 　　常用路徑規(guī)劃算法主要有人工勢(shì)場(chǎng)法、Dijkstra算法、Floyed算法、SPFA算法(Bellman_Ford改進(jìn)算法)、A算法、D算法、DWA算法、圖論最短算法、遺傳算法、元胞自動(dòng)機(jī)算法、免疫算法、禁忌搜索算法、模擬退火算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、蟻群算法、粒子群算法等。 1.2掃地機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1掃地機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 　　1.高性價(jià)比、高性能傳感器的融合應(yīng)用 　　目前，掃地機(jī)器人多采用紅外傳感器、接觸式傳感器、超聲波傳感器等，少部分高端機(jī)型使用了線掃描激光雷達(dá)傳感器。對(duì)于智能化的掃地機(jī)器人室內(nèi)定位和復(fù)雜路徑規(guī)劃的需求而言，傳感器提供的信息尚顯不足。 　　將來(lái)，視覺(jué)傳感器（深度攝像頭、仿生視覺(jué)、結(jié)構(gòu)光傳感器）、低成本高性能激光雷達(dá)傳感器、軟體防碰撞接觸式傳感器等高性能、新型傳感器的應(yīng)用，將給掃地機(jī)器人決策提供更豐富的參考信息。同時(shí)，在算法層面，需要深挖多傳感器信息融合處理算法，在紛繁復(fù)雜的傳感器反饋信息中，提取有效信息，并根據(jù)優(yōu)化策略規(guī)則制定決策[9]。 　　2.家用功能的模塊化集成，實(shí)現(xiàn)智能掃地機(jī)器人多任務(wù)功能 在實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人基本的掃地、吸塵、拖地等功能的基礎(chǔ)上，模塊化集成，如空氣凈化、加濕、溝通交流、室內(nèi)玩具、兒童寫字板等功能模塊，實(shí)現(xiàn)智能化掃地機(jī)器人的一專多用。掃地機(jī)器人本體可以平臺(tái)化，即實(shí)現(xiàn)室內(nèi)智能移動(dòng)平臺(tái)的功能，具備基本的避障、路徑規(guī)劃、軟硬件交互接口等功能，而其他功能均以模塊化的形式進(jìn)行加載，給用戶更多的自主選擇余地，實(shí)現(xiàn)細(xì)分市場(chǎng)的拓展。 　　3.智能程度提升、智能算法拓展應(yīng)用 　　借助語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和圖像處理技術(shù)的逐步發(fā)展，如聲源定位和聲紋識(shí)別技術(shù)研究的深入、人臉識(shí)別技術(shù)的成熟、物品識(shí)別技術(shù)性能的提高，我們可更有效地提高掃地機(jī)器人對(duì)家庭環(huán)境的融入程度，提升掃地機(jī)器人與家庭成員的智能交互能力。 　　同時(shí)，我們應(yīng)研究并設(shè)計(jì)各種智能人機(jī)接口，如多語(yǔ)種語(yǔ)音、自然語(yǔ)言理解、圖像、手寫字識(shí)別等，以更好地適應(yīng)不同用戶和不同的應(yīng)用任務(wù)，提高人與機(jī)器人交互的和諧性，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的簡(jiǎn)單化、多樣化、智能化、人性化。智能掃地機(jī)器人作為現(xiàn)階段銷量最大的家用服務(wù)機(jī)器人，未來(lái)將能夠?qū)φZ(yǔ)言進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，并在社會(huì)化環(huán)境中向他人學(xué)習(xí)，把這種語(yǔ)言能力轉(zhuǎn)化為自主學(xué)習(xí)和處理問(wèn)題的能力。未來(lái)，機(jī)器人將掌握更多的自主性能力，實(shí)現(xiàn)智能掃地機(jī)器人功能定位的本質(zhì)性革新與發(fā)展[10]。 　　4.掃地機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)化 　　目前，部分智能掃地機(jī)器人已通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制功能，一些掃地機(jī)器人還安裝了監(jiān)控?cái)z像頭，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程安防監(jiān)控的功能。掃地機(jī)器人體積小、可移動(dòng)等特點(diǎn)成為其作為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可延展遠(yuǎn)程安防、智能家居、視頻/語(yǔ)音通訊終端、健康助理、陪伴聊天等多種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)化功能。 1.2.2掃地機(jī)器人未來(lái)市場(chǎng)分析 從20世紀(jì)60年代初期世界上第一臺(tái)真正使用的機(jī)器人誕生以來(lái)，機(jī)器人開始被廣泛應(yīng)用。機(jī)器人的發(fā)展就像上世紀(jì)80年代的個(gè)人電腦、上世紀(jì)90年代中期的手機(jī)一樣，正處于產(chǎn)業(yè)真正起飛的前夕，機(jī)器人從一開始的工業(yè)領(lǐng)域慢慢轉(zhuǎn)入生活領(lǐng)域，其中掃地機(jī)器人就是機(jī)器人服務(wù)類型轉(zhuǎn)變的代表性產(chǎn)品，由于它能減少日常屋子打掃時(shí)間，深受生活節(jié)奏快的城市歡迎。 2010年左右，國(guó)內(nèi)的掃地機(jī)器人品牌紛紛涌現(xiàn)，并逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已擁有幾十家掃地機(jī)器人品牌，如科沃斯、iRobot、福瑪特、地貝、Xrobot、海爾、美的、Prosenic、飛利浦和三星等。但是，本土成立且具備核心研發(fā)能力的掃地機(jī)器人企業(yè)占比并不高。 我國(guó)掃地機(jī)器人起步較晚，中國(guó)的掃地機(jī)器人市場(chǎng)剛剛萌芽起步，目前處于行業(yè)快速成長(zhǎng)階段。隨著掃地機(jī)器人功能更完善，智能化程度更高，掃地機(jī)器人受到的關(guān)注度逐年上升，從起初的10.8萬(wàn)臺(tái)的行業(yè)產(chǎn)量到去年，翻了近20倍。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的信息表明，到2017年年底，掃地機(jī)器人的行業(yè)產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到了225萬(wàn)臺(tái)，平均增長(zhǎng)率已經(jīng)超過(guò)60%，而預(yù)計(jì)今年，掃地機(jī)器人的零售規(guī)模有可能突破75億元[11]。 2014年全球家務(wù)機(jī)器人銷售額達(dá)到12億美元，同比增長(zhǎng)24%。預(yù)計(jì)2015到2018年期間，銷售額可以累計(jì)達(dá)到122億美元。2014年全球家務(wù)機(jī)器人銷量達(dá)到330萬(wàn)，比2013年274萬(wàn)增長(zhǎng)了20.4%。預(yù)計(jì)2015年到2018年期間，家務(wù)機(jī)器人的銷量將會(huì)爆發(fā)性增長(zhǎng)，累計(jì)銷量達(dá)到2590萬(wàn)。同時(shí)，根據(jù)GFK數(shù)據(jù)，2015年中國(guó)掃地機(jī)器人市場(chǎng)零售規(guī)模在50億元人民幣左右，這一數(shù)字在 2017年將達(dá)到75億元人民幣，2018年則將增長(zhǎng)至120億元人民幣。掃地機(jī)器人市場(chǎng)空間巨大。結(jié)合這兩個(gè)知名專業(yè)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出，未來(lái)掃地機(jī)器人市場(chǎng)空間將呈大幅度增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，同時(shí)中國(guó)市場(chǎng)也將成為掃地機(jī)器人放量的主戰(zhàn)[12]。 圖1-3 全球及中國(guó)掃地機(jī)器人市場(chǎng)空間預(yù)測(cè)（億美元） 我國(guó)掃地機(jī)器人起步較晚，隨著掃地機(jī)器人功能更完善，智能化程度更高，預(yù)計(jì)未來(lái)中國(guó)沿海發(fā)達(dá)地區(qū)掃地機(jī)器人滲透率水平會(huì)達(dá)到美國(guó)掃地機(jī)器人目前的滲透率水平。在政策利好的環(huán)境下，隨著人們的生活質(zhì)量的提高，我國(guó)掃地機(jī)器人將成為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的一片藍(lán)海。 掃地機(jī)器人市場(chǎng)處在不斷發(fā)展壯大的時(shí)期。為不斷提升用戶體驗(yàn)和擬合實(shí)際功能的需求，掃地機(jī)器人會(huì)不斷進(jìn)化和提升，將在融合型傳感系統(tǒng)、功能定位、智能化程度、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以及多機(jī)協(xié)作和自我學(xué)習(xí)等方面不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人真正意義的智能化，使掃地機(jī)器人發(fā)展成為人們的家用高科技伙伴。 圖1-4 我國(guó)掃地機(jī)器人滲透率橫縱向?qū)Ρ? 1.3課題要達(dá)到的設(shè)計(jì)目的 機(jī)器人是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)器人的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)器人作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機(jī)器人是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)器人被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)器人的發(fā)展，使得機(jī)器人能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)器人雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)器人已受到許多部門的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用[13]。 機(jī)器人技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣氣技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)器人是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以及可以在各個(gè)不同環(huán)境中工作。 通過(guò)此次家用掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)，能對(duì)掃地機(jī)器人的清掃結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)控制的進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)單進(jìn)行家庭清掃。 第2章 方案設(shè)計(jì)及可行性論證 2.1掃地機(jī)器人清掃機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 2.1.1 方案1 電機(jī)帶動(dòng)斜齒輪1，斜齒輪1帶動(dòng)斜齒輪2，斜齒輪2帶動(dòng)斜齒輪3，斜齒輪3上的軸帶動(dòng)滾刷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清掃工作，如圖2-1斜齒輪清掃機(jī)構(gòu)所示。 圖2-1 斜齒輪清掃機(jī)構(gòu) 2.1.2方案2 電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個(gè)蝸輪分別接皮帶輪，皮帶輪上的軸連接刷子，從而實(shí)現(xiàn)清掃工作，如圖2-2蝸輪蝸桿皮帶輪清掃機(jī)構(gòu)。 圖2-2 蝸輪蝸桿皮帶輪清掃機(jī)構(gòu) 2.1.3方案3 電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪連接軸，軸連接刷子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)清掃工作，如圖2-3蝸輪蝸桿清掃機(jī)構(gòu) 圖2-3 蝸輪蝸桿清掃機(jī)構(gòu) 2.2掃地機(jī)器人清掃機(jī)構(gòu)方案可行性論證 2.2.1 方案1評(píng)價(jià) 方案一雖然易于安裝，斜齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，但是所需面積過(guò)大，其他部分將放置不下，超出所要設(shè)計(jì)的尺寸，斜齒輪制造比較麻煩，制造工藝復(fù)雜，成本高，因而否定了方案一。 2.2.2方案2評(píng)價(jià) 方案二中帶傳動(dòng)傳動(dòng)傳動(dòng)平穩(wěn)、緩沖吸振、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、使用維護(hù)方便、 有良好的撓性和彈性、過(guò)載打滑。但是傳動(dòng)比比不準(zhǔn)確、帶壽命低、軸上載荷較大、傳動(dòng)裝置外部尺寸大、效率低，所以否定方案二。 2.2.3方案3評(píng)價(jià) 方案三采用了蝸輪蝸桿傳動(dòng)，它能平穩(wěn)的傳動(dòng)，噪聲也非常的小。這主要是用蝸桿和蝸輪齒的嚙合是連續(xù)的，并且嚙合的齒對(duì)數(shù)還相對(duì)的較多，所以傳動(dòng)比較平穩(wěn)，噪聲也比較低，非常適合家用掃地機(jī)器人。 綜上三種方案，為了能有更加穩(wěn)定的傳動(dòng)和較低的噪聲，我選擇第三種方案作為本次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案。 2.3掃地機(jī)器人測(cè)距系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2.3.1 方案1 通過(guò)激光測(cè)距傳感器對(duì)房間進(jìn)行掃描，快速獲取距離信息，當(dāng)激光投射到障礙物上時(shí)，會(huì)形成光斑，同時(shí)圖像傳感器會(huì)根據(jù)光斑的像素序號(hào)來(lái)計(jì)算到激光測(cè)距傳感器的中心距離。結(jié)合掃地機(jī)器人自身的算法，構(gòu)建房間地圖，并實(shí)時(shí)定位清掃。 圖2-4 激光測(cè)距模塊 2.3.2方案2 通過(guò)超聲波偵測(cè)對(duì)前方進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)，從而實(shí)時(shí)定位清掃。 圖2-5 超聲波測(cè)距模塊 2.3.3方案3 通過(guò)紅外測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，利用的紅外測(cè)距傳感器LDM301發(fā)射出一束紅外光，在照射到物體后形成一個(gè)反射的過(guò)程，反射到傳感器后接收信號(hào)，然后利用CCD圖像處理接收發(fā)射與接收的時(shí)間差的數(shù)據(jù)，從而實(shí)時(shí)定位清掃。 圖2-6 紅外測(cè)距模塊 2.4掃地機(jī)器人偵測(cè)系統(tǒng)方案可行性論證 2.4.1 方案1評(píng)價(jià) 激光測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是精確，因?yàn)槎す鉁y(cè)距傳感器是極小的一束激光發(fā)射出去再回來(lái)，所以只要光束能通過(guò)的，幾乎無(wú)干擾。但是長(zhǎng)期在室內(nèi)使用激光對(duì)人體有一定影響，而且激光模塊制作成本較高，需要時(shí)刻保證光學(xué)系統(tǒng)的干凈，故因?yàn)槌杀靖撸瑢?duì)人體有一定影響，不選擇第1種方案。 2.4.2方案2評(píng)價(jià) 超聲波測(cè)距傳感器容易報(bào)錯(cuò)，主要原因在于超聲波測(cè)距傳感器是聲波發(fā)射，具有聲波的扇形發(fā)射特性，所以當(dāng)聲波經(jīng)過(guò)之處障礙物較多時(shí)，反射回來(lái)的聲波較多，干擾較多，易報(bào)錯(cuò)。由于在室內(nèi)清掃時(shí)，有很多不同介質(zhì)的障礙物，干擾較多，而故不選擇第2種方案。 2.4.3方案3評(píng)價(jià) 因?yàn)閽叩貦C(jī)器人更多是在室內(nèi)工作，所以室內(nèi)光線不強(qiáng)，因此紅外傳感測(cè)距在室內(nèi)能更好發(fā)揮它的作用，而且制作成本低，相對(duì)安全，測(cè)量精度高，能給系統(tǒng)足夠的反饋時(shí)間。 綜上所述，綜合考慮此次設(shè)計(jì)的使用場(chǎng)景，從傳感的穩(wěn)定性及制造成本上考慮，對(duì)于環(huán)境及人的影響較小，故選擇第3種測(cè)距方案。 2.4方案確定 綜合以上對(duì)于本次設(shè)計(jì)的機(jī)械部分中的清掃結(jié)構(gòu)及控制部分的測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行方案論證，最后確定清掃機(jī)構(gòu)中采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)的方案，而測(cè)距系統(tǒng)則采用紅外傳感測(cè)距。 圖2-7 圓形結(jié)構(gòu) 另外對(duì)于掃地機(jī)器人的外觀，由于發(fā)現(xiàn)機(jī)器的周邊有棱角在躲避障礙物時(shí)不是很方便，容易刮蹭，所以選定圓形結(jié)構(gòu)為最優(yōu)外形結(jié)構(gòu)，外觀小巧，行動(dòng)靈活，占地面積小，工作時(shí)全方位無(wú)死角打掃房間，較方形外觀來(lái)說(shuō)，更合理，更適用，所以最終排除方形，選定圓形結(jié)構(gòu)。 第3章 設(shè)計(jì)和計(jì)算 3.1電機(jī)選擇 3.11設(shè)計(jì)參數(shù) 整機(jī)重量 不超過(guò)10kg 車體地盤 高于地面10mm 清掃刷子轉(zhuǎn)速 3r/s 3.1.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算 初步估計(jì)整機(jī)的重量為10kg，取g=9.8，則,由于該機(jī)器有三個(gè)輪子支撐，故分配在每個(gè)輪子上的載荷 滾動(dòng)摩擦阻力矩 滑動(dòng)摩擦阻力 由前面的總體布局安排，車體底盤應(yīng)至少高于地面10mm，取輪子直徑， 輪子行走過(guò)程中所受的阻力矩 工作機(jī)要求的效率公式 （3-1） 式中 ； 。 初步估計(jì)掃地機(jī)器人最高行進(jìn)速度 電機(jī)所需的輸出功率 （3-2） 式中 ——軸承傳動(dòng)效率，?。? ——齒輪傳動(dòng)效率，??； 考慮到機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，要求其轉(zhuǎn)彎半徑為零，這樣就會(huì)要求兩個(gè)與電機(jī)相連的輪子在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候必須差速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零。而要實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)轉(zhuǎn)，則要求電機(jī)具有調(diào)速功能，再由電機(jī)輸出功率，查到了深圳市昊冉機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的130系列的電機(jī)滿足設(shè)計(jì)中所需要的電機(jī)要求，因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)本機(jī)器時(shí)電機(jī)需要輸出的功率為3.22W，由深圳市昊冉機(jī)電設(shè)備有限公司網(wǎng)站上給的產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和安裝型號(hào)中選型號(hào)為130TT，輸出功率為15W，速度可調(diào)范圍為，因?yàn)槠湓跐M足要求的情況下尺寸比我所查到的電機(jī)的尺寸都小，所以選用它為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)。電機(jī)參數(shù)如表3-1。 表3-1 電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 電壓 頻率 空載系數(shù) 負(fù)載系數(shù) 轉(zhuǎn)速 電流 轉(zhuǎn)速 電流 V W RPM A RPM A 130TT 6 15 1100 1.0 17 2.0 3.1.2清掃電機(jī)計(jì)算 因清掃機(jī)構(gòu)中刷子的轉(zhuǎn)速達(dá)到即可實(shí)現(xiàn)清掃，，所以蝸輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速為即可,D=35mm，故 因而選電機(jī)型號(hào)為55SZ02，轉(zhuǎn)速為，功率為12W，其尺寸較小，又能滿足工作需要，所以選用它來(lái)做為清掃機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸入部分。電機(jī)具體參數(shù)如表3-2。 表3-2 電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速 功率 電壓 電流不大于 W 電樞 激磁 電樞 激磁 55SZ02 65 3000 20.0 24 24 1.55 0.430 3.2 蝸輪蝸桿選擇 3.2.1 材料選擇 蝸桿材料，表面淬火，硬度 蝸輪齒圈材料，金屬模鑄造。 3.2.2 蝸輪蝸桿齒數(shù)選擇 傳動(dòng)比 由參考文獻(xiàn)[1]表3-3查得齒數(shù) 故 表3-3 各種傳動(dòng)比時(shí)推薦的、值 1. 確定許用應(yīng)力 由參考文獻(xiàn)[1]表3-4查得 由參考文獻(xiàn)[1] 圖16.5-4壽命系數(shù)查得 2. 接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 按接觸強(qiáng)度計(jì)算公式 （3-3） 載荷系數(shù)取 由參考文獻(xiàn)[1]表3-4查得 蝸輪軸的轉(zhuǎn)矩 （式中暫?。? 表3-4 蝸輪材料及時(shí)的許用應(yīng)力 時(shí)的許用彎曲應(yīng)力 蝸輪材料 鑄造方法 使用的滑動(dòng)速度 力學(xué)性能 蝸桿齒面硬度 一側(cè)受載 兩側(cè)受載 沙模 金屬模 表3-5 彈性系數(shù) 蝸桿材料 蝸輪材料 鑄錫青銅 鑄鋁青銅 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 鋼 155 156 162 181.4 將上述諸值代入公式3-3 由參考文獻(xiàn)[1]表3-6查得，接近于的是，相應(yīng)的，。 表3-6 蝸桿傳動(dòng)的m與d1的匹配 1 1.25 1.6 2 18 20 22.4 20 28 （18） 22.4 （28） 33.5 18 31.3 35 51.2 71.7 72 89.6 112 142 由參考文獻(xiàn)[1]表3-7查得，按，，，其 ，，， 蝸輪分度圓直徑 導(dǎo)程角 表3-7 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的基本參數(shù)及其匹配 3.2.3 蝸輪蝸桿校核 1. 蝸輪的圓周速度并校核效率 實(shí)際傳動(dòng)比 蝸輪的圓周速度 滑動(dòng)速度 傳動(dòng)效率 （3-4） 式中 ——蝸桿傳動(dòng)的嚙合效率； ——考慮攪油損耗的效率，一般； ——軸承效率，。 嚙合效率 由參考文獻(xiàn)[1]表3-6查得 將上述諸值代入公式3-4 2. 校核蝸輪齒面的接觸強(qiáng)度 齒面接觸強(qiáng)度驗(yàn)算公式 （3-5） 由表3-3查得 由參考文獻(xiàn)[1]表3-7查得 取 ， 蝸輪傳遞的實(shí)際轉(zhuǎn)矩 由參考文獻(xiàn)[1]圖16.5-3滑動(dòng)速度影響系數(shù)查得，當(dāng)時(shí) 將上訴諸值代入公式3-5 滿足要求。 3. 蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度校核 齒根彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算公式 (3-6) 由參考文獻(xiàn)[1]機(jī)械設(shè)計(jì)圖8.13蝸輪的齒形系數(shù)查得 將上述諸值代入公式3-6 表3-8 蝸桿傳動(dòng)的當(dāng)量摩擦角 蝸輪材料 錫青銅 無(wú)錫青銅 灰鑄鐵 鋼蝸輪齒面硬度 其他情況 其他情況 滑動(dòng)速度 表3-9 使用系數(shù) 原動(dòng)機(jī) 工作特點(diǎn) 平穩(wěn) 中等沖擊 嚴(yán)重沖擊 電動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī) 多缸內(nèi)燃機(jī) 單缸內(nèi)燃機(jī) 3.2.4 蝸輪蝸桿幾何尺寸 已知：，，，， 具體尺寸見(jiàn)表3-10蝸輪蝸桿參數(shù)。 表3-10 蝸輪蝸桿參數(shù) 名稱 代號(hào) 公式及結(jié)果 中心距 蝸桿頭數(shù) 蝸輪齒數(shù) 齒形角 模數(shù) 蝸輪變位系數(shù) 蝸桿軸向齒距 蝸桿分度圓直徑 蝸桿齒頂圓直徑 蝸桿齒根圓直徑 蝸桿齒寬 蝸輪分度圓直徑 蝸輪頂圓直徑 蝸輪齒寬 蝸輪齒頂圓弧半徑 蝸輪齒根圓弧半徑 蝸桿軸向齒厚 續(xù)表 蝸輪分度圓齒厚 蝸桿齒厚測(cè)量高度 蝸桿齒根高 蝸輪齒根高 蝸輪齒根圓直徑 蝸輪齒高 頂隙 ，一般頂隙系數(shù) 3.3軸的校核 3.3.1 校核軸強(qiáng)度 1. 軸的受力情況 水平面受力 垂直面受力 水平面彎矩 垂直面彎矩 合成彎矩 因單向回轉(zhuǎn)，視扭矩為脈動(dòng)循環(huán)，則截面處的當(dāng)量彎矩 彎矩圖、當(dāng)量彎矩圖如圖3-1軸的受力所示。 圖3-1 軸的受力 2. 按當(dāng)量彎矩校核軸的強(qiáng)度 由上圖可見(jiàn)最高點(diǎn)處的兩彎矩最大，故對(duì)此校核。 強(qiáng)度公式 （3-7） 將上述諸值代入公式3-7 由參考文獻(xiàn)[1]表3-11查得45鋼 故清掃機(jī)中軸的強(qiáng)度足夠。 表3-11 軸的許用彎曲應(yīng)力 材料 碳素鋼 400 40 500 45 600 55 700 65 合金鋼 800 75 900 80 1000 90 鑄鋼 400 30 500 40 3.4環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展方面的思考 3.4.1掃地機(jī)器人對(duì)于環(huán)境保護(hù)的意義 隨著人們對(duì)生活品質(zhì)的逐漸重視，環(huán)保問(wèn)題也成為了人們心中最關(guān)注的問(wèn)題之一。掃地機(jī)越來(lái)越多的用于環(huán)保工作中，傳統(tǒng)的清潔模式主要是人工，而人工清潔模式已經(jīng)不能夠滿足人們對(duì)環(huán)境的要求。首先是在清潔過(guò)程中，一般都是用掃把直接清掃，不但清潔不徹底，而且會(huì)對(duì)人體造成巨大的威脅，尤其是清潔人員，而后續(xù)也有二次揚(yáng)塵帶來(lái)的不便和威脅，揚(yáng)塵也會(huì)飄落到公共設(shè)施、建筑物和綠化上，而掃地機(jī)器人能很好的解決這些環(huán)保的問(wèn)題。 3.4.2掃地機(jī)器人有利于可持續(xù)發(fā)展 2008年新的勞動(dòng)法出臺(tái)以后，人工成本逐年上升，而且清潔工作人員出現(xiàn)普遍的老齡化問(wèn)題。所以降低人工成本，增加公司新鮮血液也成為了環(huán)衛(wèi)公司急需解決的一個(gè)問(wèn)題。使用掃地機(jī)成為了他們解決這個(gè)問(wèn)題的辦法，掃地機(jī)操作方便，非常符合我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，所以說(shuō)掃地機(jī)器人代替人工廣泛應(yīng)用于環(huán)保工作中不僅是順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展，也是順應(yīng)人們需求的改變。 第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 單片機(jī)選擇 掃地機(jī)器人需要檢測(cè)前進(jìn)方向的四個(gè)障礙物有無(wú)，以及前進(jìn)方向是否為臺(tái)階似的邊緣以防止跌落。所以至少需要八路數(shù)字輸入。因?yàn)樵诠δ茉O(shè)定上使用了矩陣鍵盤，需要4+4個(gè)I/O來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵狀態(tài)的掃描檢測(cè)，在數(shù)碼管顯示方面因?yàn)椴捎昧藙?dòng)態(tài)掃描的顯示方式，數(shù)碼管的段顯示需要8個(gè)數(shù)字輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐挥昧?個(gè)數(shù)碼管，所以數(shù)碼管的位選擇顯示需要四個(gè)數(shù)字輸出。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，為了實(shí)現(xiàn)調(diào)速，使用了PWM的調(diào)速方法，每個(gè)電機(jī)需要兩路需要兩路PWM信號(hào)，所以需要控制器帶至少6路的PWM輸出的功能。 綜合以上設(shè)計(jì)考慮，選擇了輸入輸出引腳多達(dá)72個(gè)，17個(gè)定時(shí)器且每個(gè)定時(shí)器有4路輸出，內(nèi)置程序容量高達(dá)512KB，RAM高達(dá)192KB的STM32F407VET6單片機(jī)，作為本系統(tǒng)的控制器。 4.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖4-1所示。STM32F407VET6供電電壓為3.3V，系統(tǒng)工作晶振為8M，可以通過(guò)內(nèi)部PLL電路倍頻到168MHz，復(fù)位電路使用一個(gè)電阻一個(gè)電容以及一個(gè)開關(guān)組成，可以實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，系統(tǒng)一上電時(shí)由于電容兩端電壓不會(huì)突變的特性，單片機(jī)的復(fù)位引腳處于低電平狀態(tài)，單片機(jī)復(fù)位，電容通過(guò)電阻進(jìn)行充電，電容兩端電壓恢復(fù)，復(fù)位引腳變?yōu)楦唠娖剑瑔纹瑱C(jī)正常工作。 4.3 電源管理 對(duì)于任何系統(tǒng)而言，電源在提供足夠的電壓的同時(shí)，必須安全性高、穩(wěn)定性好、散熱快、帶負(fù)載能力達(dá)到系統(tǒng)需求。 在本系統(tǒng)中STM32F407VET6單片機(jī)的供電電壓為3.3V， 避障和紅外檢測(cè)傳感器，數(shù)碼管顯示電路的供電電壓均為5V，同時(shí)三個(gè)直流減速電機(jī)需要12V驅(qū)動(dòng)電壓。 圖4-1 單片機(jī)最小系統(tǒng) 1.電池充電電路 電池充電電路如圖4-2所示，系統(tǒng)的能量完全由一塊可充電鋰電池提供，標(biāo)稱電壓為12V，充電使用了一塊HM4063B的鋰電池充電管理芯片 圖4-2電池充電電路 2.5V電源電路 5V穩(wěn)壓電路如圖4-3 所示，5V電源部分通過(guò)LM7805芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。TO-220封裝形式的LM7805芯片為傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，可提供穩(wěn)定的5V輸出電壓，同時(shí)輸出電流也可達(dá)到1.5A，但要求輸入電壓比輸出電壓高2V至3V，本系統(tǒng)的電池電壓最低為8.4V，滿足LM7805的輸入要求。LM7805芯片基本可以滿足設(shè)計(jì)要求，但同樣須加裝散熱片。另外，為使電源輸出的紋波足夠小，在芯片的輸出管腳放置470uF和0.1uF濾波電容；為減小輸入端受到的干擾，輸入管腳放置470uF和0.1uF的濾波電容。 圖4-3 5V穩(wěn)壓電路 3.3V電源電路 3.3V穩(wěn)壓電路如圖4-4所示，3.3V電源部分通過(guò)AMS-1117-3.3芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。SOT-23封裝形式的AMS-1117-3.3芯片為低壓差線性穩(wěn)壓器，可將輸入最低4.5V的電壓穩(wěn)壓到穩(wěn)定的3.3V輸出電壓，只要求輸入電壓比輸出電壓高1.3V至1.5V，這樣該電路的輸入接+5V即可，可減小穩(wěn)壓器功耗，提高能源利用效率。同時(shí)輸出電流也可達(dá)到800mA。本系統(tǒng)中STM32F407VET6單片機(jī)需要的3.3V電壓需要該電源電路提供。AMS-1117-3.3芯片基本可以滿足設(shè)計(jì)要求。另外，為使電源輸出的紋波足夠小，在芯片的輸出管腳放置470uF和0.1uF濾波電容；為減小輸入端受到的干擾，輸入管腳放置470uF和0.1uF的濾波電容。 圖4-4 3V穩(wěn)壓電路 4.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電機(jī)電路如圖4-5所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇了L9110，L9110是一塊H橋驅(qū)動(dòng)芯片，輸入電壓為2.5V-12V，連續(xù)輸出電流可達(dá)0.8A，設(shè)計(jì)使用了130TT電機(jī)，空載電壓小于180mA，所以選用的驅(qū)動(dòng)芯片可以滿足要求。 表4-1 L9110邏輯功能 IA IB OA OB 電機(jī)轉(zhuǎn)向 H L H L 正轉(zhuǎn) L H L H 反轉(zhuǎn) L L L L 停止 H H L L 停止 圖4-5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 4.5 紅外避障模塊與紅外防跌落模塊 紅外線避障傳感器制作成本低、體積小、功耗低、使用方便、穩(wěn)定性高、可靠性好，另外該傳感器集發(fā)射電路與接收電路于一身，發(fā)射光經(jīng)過(guò)調(diào)制后發(fā)出，接收頭對(duì)反射光進(jìn)行解調(diào)后輸出，避免了可見(jiàn)光的干擾，有極好的抗干擾能力[10]。掃地機(jī)器人選擇了型號(hào)為E3F-5DN1的紅外接近開關(guān)作為避障和邊緣檢測(cè)的傳感器，紅外避障傳感器的實(shí)物如圖4-6所示。 圖4-6 紅外避障傳感器實(shí)物圖 紅外避障傳感器的主要性能參數(shù)如下： (1) 工作電壓：DC5V (2) 驅(qū)動(dòng)電流：最大100mA (3) 感應(yīng)距離：3~80cm (4) 工作溫度：-25~70 (5) 工作電流：10~15mA 紅外避障傳感器連接如圖4-7所示。紅線接5V電壓，綠線接地，黃線為輸出，外加一個(gè)4.7的上拉電阻與+5V相連后接STM32F407VET6的I/O口，正常狀態(tài)輸出高電平，檢測(cè)到障礙物時(shí)輸出低電平。在該傳感器的發(fā)射電路中，傳感器上電后，調(diào)制器控制發(fā)光二級(jí)管周期性的導(dǎo)通與關(guān)閉，發(fā)射頭持續(xù)發(fā)射中心頻率為38KHz的紅外線。當(dāng)傳感器前方有障礙時(shí)，紅外線會(huì)發(fā)生反射。障礙物顏色不同可反射距離也不同，白色障礙物反光效果最好，可測(cè)量距離最大；黑色障礙物反光效果差，可測(cè)距離最小。經(jīng)反射后，紅外光波被接收頭接收，接收電路中NPN光敏三極管在有光照射時(shí)導(dǎo)通，否則截止。光敏三極管周期性導(dǎo)通，輸出周期性電信號(hào)。該電信號(hào)先經(jīng)放大器放大，然后經(jīng)限幅器將脈沖幅度限制在一定范圍內(nèi)，再經(jīng)濾波處理后，被解調(diào)器解調(diào)。時(shí)序電路判斷接收光的頻率是否吻合捕獲頻率38KHz（即發(fā)射光的頻率），吻合就輸出低電平，不吻合就認(rèn)定接收的紅外線為干擾，輸出高電平。傳感器的檢測(cè)距離與流入發(fā)射端中的發(fā)光二極管的電流大小有關(guān)，調(diào)節(jié)電位器使該電流增大，可增大避障檢測(cè)距離[11]。 在本系統(tǒng)中，四個(gè)紅外避障傳感器實(shí)現(xiàn)避障功能。同時(shí)，為防止機(jī)器人從高處跌落，四個(gè)紅外線避障傳感器被安放在機(jī)器人底盤前端外面，發(fā)射接收頭垂直地面向下，當(dāng)傳感器輸出高電平時(shí)，表示地面出現(xiàn)落差。 圖4-7 紅外避障傳感器連接圖 4.6 鍵盤輸入模塊 鍵盤輸入模塊連接如圖4-8所示，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)定小車定時(shí)打掃的功能，使用了4x4的矩陣