家用擦玻璃清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

《家用擦玻璃清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)》由會(huì)員分享，可在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)《家用擦玻璃清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（56頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、河北工業(yè)大學(xué)2015屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 河 北 工 業(yè) 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 作 者： 焦然 學(xué) 號(hào)： 111122 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 系(專(zhuān)業(yè))： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 題 目： 家用擦玻璃清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 李輝 講師

2、 (姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)) 評(píng)閱者： (姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2015 年 5 月 31 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)中文摘要 家用擦玻璃清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要： 隨著時(shí)代的進(jìn)步，科技的發(fā)展，智能家居越來(lái)越流行，與此同時(shí)，智能機(jī)器人也如火如荼地發(fā)展起來(lái)，人們?cè)絹?lái)越注重智能化，自動(dòng)化。 同時(shí)，人們住的樓層也越來(lái)越高，擦玻璃變成了很難辦的事情，本人自主研發(fā)設(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)民用擦玻璃小車(chē)，該小車(chē)

3、啟動(dòng)之后，小車(chē)能夠同時(shí)對(duì)玻璃里外側(cè)進(jìn)行全自動(dòng)擦拭。 本文首先闡述了本課題的背景以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況，接著描述了擦玻璃機(jī)器人的整體方案的確定以及詳細(xì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后闡述了本課題控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后介紹了機(jī)器人實(shí)體樣機(jī)的調(diào)試。 本課題主要完成的工作： （1）設(shè)計(jì)加工擦玻璃機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)并進(jìn)行實(shí)體裝配。 （2）基于STC12單片機(jī)，設(shè)計(jì)PCB板，加工并焊接零件，然后編程燒寫(xiě)，上機(jī)調(diào)試。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人 全自動(dòng) 實(shí)體裝配 單片機(jī) PCB 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要 Title Structure design of household cle

4、aning robot for cleaning glass Abstract Along with the progress of the times, the development of science and technology, the home automation is more and more popular, meanwhile, the intelligent robot is also in full swing, people pay m

5、ore and more attention to intelligent automation. At the same time, the floors which people live in are also getting higher and higher, wiping the glass becomes a troublesome thing, I design a fully automatic civil car to wipe glass in my research and development, when the car is started, it can wi

6、pe the glass outside and inside automatically at the same time. The background and foreign development situation are described in this paper at first, after representing the determination of the overall scheme of glass cleaning robot and detailed mechanical structure design, then the design of cont

7、rol system of the subject is elaborated on, at last, the debugging of the prototype robot entity is introduced in this paper. The main work of this thesis: (1) designing and processing the mechanical structure of glass robot and assemble the entity. (2) based on STC12 microcontroller, desi

8、gning PCB board, processing and welding parts, and then programming and debugging the machine. Keywords： robot automatic entity assembly MCU PCB 目 錄 第一章 引言 ……………………………………………………………… 1 1.1 課題背景……………………………………………………………1 1.2 國(guó)內(nèi)外擦玻璃機(jī)器人的研究概況…………………………………1 1.3 本課題的主要工作………………

9、…………………………………3 第二章 家用擦玻璃清潔機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) …………………………… 3 2.1 家用擦玻璃清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)原則…………………………………4 2.2 家用擦玻璃清潔機(jī)器人的總體方案的確定…………………………4 2.2.1 家用擦玻璃清潔機(jī)器人的總體方案……………………………4 2.2.2 總體方案的對(duì)比與選擇…………………………………………12 第三章 家用擦玻璃清潔機(jī)器人詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………14 3.1 關(guān)鍵部件的選型………………………………………………………14 3.1.1 電機(jī)的選型…………………………………………

10、……………14 3.1.2 微動(dòng)開(kāi)關(guān)的選型…………………………………………………15 3.1.3 電池的選擇………………………………………………………15 3.1.4 磁鐵的選擇………………………………………………………16 3.2 微動(dòng)開(kāi)關(guān)緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)……………………………………………16 3.3 磁鐵升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)…………………………………………………17 3.3.1 磁鐵升降機(jī)構(gòu)的ANSYS分析……………………………………18 第四章 家用擦玻璃清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………………21 4.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)……………

11、………………………… 21 4.1.1 單片機(jī)系統(tǒng)元器件的選型…………………………………… 21 4.1.2 單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路及I/O口分配……………………… 25 4.2 單片機(jī)系統(tǒng)編程框圖……………………………………………… 25 第五章 家用擦玻璃清潔機(jī)器人樣機(jī)研制與調(diào)試……………………………27 5.1控制電路板的設(shè)計(jì)與調(diào)試……………………………………………27 5.1.1 PCB設(shè)計(jì)…………………………………………………………27 5.1.2 電路板的調(diào)試……………………………………………………28 5.2 家用擦玻璃清潔機(jī)器人樣機(jī)的

12、制作…………………………………31 5.3 家用擦玻璃清潔機(jī)器人樣機(jī)的測(cè)試…………………………………31 第六章 總結(jié)與展望……………………………………………………………33 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………… 34 致謝…………………………………………………………………………… 35 附錄…………………………………………………………………………… 37 IV 1 引言 1.1 課題背景 智能家居近兩年發(fā)展火熱，作為其重要組成部分的智能服務(wù)機(jī)器人也不甘示弱，伴隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化

13、技術(shù)的迅速發(fā)展,人們對(duì)機(jī)器人的智能性的要求也越來(lái)越高，同時(shí)智能服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)近年來(lái)也陸續(xù)被寫(xiě)入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。2006年,發(fā)展智能服務(wù)機(jī)器人被列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》; 2012年,我國(guó)出臺(tái)《智能制造科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》和《服務(wù)機(jī)器人科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》，足見(jiàn)我國(guó)對(duì)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展的重視。 在智能機(jī)器人如火如荼得發(fā)展過(guò)程中，目前具有一定的智能性的清潔機(jī)器人也成為研究熱點(diǎn)之一,智能清潔機(jī)器人系統(tǒng)的研究在發(fā)達(dá)國(guó)家受到廣泛的關(guān)注,許多高科技應(yīng)用領(lǐng)域,以及實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中的特殊應(yīng)用環(huán)境的強(qiáng)烈需求更成為它不斷發(fā)展的強(qiáng)勁動(dòng)力。 近年來(lái),都市中的高層建筑

14、越來(lái)越多,目前對(duì)高層建筑的玻璃窗的清洗工作主要還是由清洗工人搭乘吊籃完成的,傳統(tǒng)的人工清洗方式既危險(xiǎn),效率又低且成本高，但如果自己清洗的話(huà)不僅有危險(xiǎn)而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，況且現(xiàn)在更多的人們希望從繁瑣的日常事務(wù)中解放出來(lái)，因此迫切需要一種設(shè)備協(xié)助甚至替代人來(lái)完成玻璃的清洗工作。 1.2 國(guó)內(nèi)外擦玻璃機(jī)器人的研究概況 眾所周知，日本是機(jī)器人發(fā)展較為發(fā)達(dá)的國(guó)家，其對(duì)智能機(jī)器人的研究實(shí)力雄厚，值得我們學(xué)習(xí)，下圖的多用途壁面機(jī)器人是一個(gè)日本開(kāi)發(fā)的清潔機(jī)器人的范例：該機(jī)器人自重100kg，同時(shí)可載150kg負(fù)重，小車(chē)的車(chē)輪上具有磁性設(shè)計(jì)，采用磁吸附方式吸附在墻壁上，可直接越過(guò)坑洼不平的墻面以及其他墻上的不明障

15、礙物，多用于橋墩底部、玻璃幕墻等檢測(cè)和修復(fù)作業(yè)。 1 圖1.1 多用途壁面機(jī)器人 圖1.2 雙車(chē)體機(jī)器人 上圖的雙車(chē)體機(jī)器人也是由日本人研制，其采用負(fù)壓吸盤(pán)吸附，在運(yùn)行過(guò)程中吸盤(pán)與壁面之間產(chǎn)生有滑動(dòng)密封效果，強(qiáng)大的大氣壓能夠保證小車(chē)不會(huì)從墻壁上滑落，由四個(gè)高摩擦系數(shù)的輪子貼合在墻壁面上，在吸盤(pán)保持負(fù)壓的過(guò)程中，機(jī)器人通過(guò)控制輪子的正反轉(zhuǎn)控制機(jī)器人的行走方向，輪子的差速保證了機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎功能的實(shí)現(xiàn)，且由于四個(gè)輪子均為獨(dú)立控制，所以該機(jī)器人控制起來(lái)顯得格外靈活。 不僅國(guó)外有類(lèi)似的清潔機(jī)器人，國(guó)內(nèi)雖然起步較晚，但也已

16、經(jīng)有了相對(duì)成熟的東西，圖1.3為北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所研制的用于清洗國(guó)家大劇院玻璃幕墻的樣機(jī)，圖上所示為該機(jī)器人工作在國(guó)家大劇院的場(chǎng)景，其由攀爬機(jī)構(gòu)、俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和清洗機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成，總長(zhǎng)約3m, 高0.5m，寬1m, 整個(gè)機(jī)身主體由鋁型材搭建而成，不僅強(qiáng)度高而且相對(duì)重量也輕了許多，其在工作過(guò)程中把安裝在建筑物上的滑動(dòng)導(dǎo)桿作為中介，成功避免了機(jī)器人對(duì)建筑物的直接抓取所可能帶來(lái)的損傷以及其他不安全因素。 圖1.3北航清潔機(jī)器人 通過(guò)對(duì)上述文獻(xiàn)的分析，無(wú)論是國(guó)外的多用途壁面機(jī)器人還是國(guó)內(nèi)的清洗機(jī)器人，在體積及重量上都相對(duì)較大，多用途壁面機(jī)器人本身就重達(dá)100kg，顯然這個(gè)重

17、量是普通家庭玻璃難以承受的，而北航機(jī)器人研究所所研發(fā)的清潔機(jī)器人樣機(jī)高度竟然達(dá)到了2.9米,這對(duì)于比較寬闊的玻璃幕墻來(lái)說(shuō),清洗起來(lái)確實(shí)方便、迅速，但是對(duì)于一些普通的家庭玻璃窗來(lái)說(shuō),這明顯是不合適的。 1.3 本課題的主要工作 本設(shè)計(jì)擬在設(shè)計(jì)一款機(jī)器人，該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)擦拭家庭玻璃的功能，而且需確保擦拭無(wú)死角且擦拭干凈。 具體工作如下： （1）進(jìn)行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制機(jī)器人的三維圖，并在三維圖的基礎(chǔ)上導(dǎo)出其二維圖，然后進(jìn)行ansys分析工作，以確保機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性。 （2）聯(lián)系廠家進(jìn)行機(jī)械部件的加工，并將各個(gè)部件進(jìn)行實(shí)體裝配。 （3）設(shè)計(jì)PCB板子并聯(lián)系廠家加工以作為控制機(jī)

18、器人的硬件。 （4） 基于單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行C語(yǔ)言編程，以完成整個(gè)機(jī)器人的擦拭功能。 （5）將機(jī)器人在玻璃上進(jìn)行上機(jī)調(diào)試，完善程序，確保機(jī)器人能夠?qū)⒉ＡР潦酶蓛簟? 2 家用擦玻璃清潔機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 2.1 家用擦玻璃清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)原則 家庭用擦玻璃機(jī)器人在國(guó)內(nèi)還比較少，國(guó)外雖然做的相對(duì)成熟但產(chǎn)品一般比較昂貴，并不能實(shí)現(xiàn)普及到國(guó)內(nèi)的大部分家庭中愿景，因此，我們要設(shè)計(jì)一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成品低廉的擦玻璃機(jī)器人，與此同時(shí)，本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中也要保證如下原則： （1）該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)擦拭各種厚度的玻璃的工作，而且各個(gè)部件具有較好的互換性，以便維修。 （2）各零件應(yīng)便于裝配，

19、便于加工。 （3）機(jī)器人應(yīng)操控簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)控制。 （4）機(jī)器人真正實(shí)現(xiàn)智能化，能夠全自動(dòng)地將自己的擦拭任務(wù)完成。 2.2 家用擦玻璃清潔機(jī)器人的總體方案的確定 在經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)的文獻(xiàn)查閱以及自己的思考工作之后，我已經(jīng)對(duì)擦玻璃機(jī)器人有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的整合以及自己的創(chuàng)新，我最終確定了以下幾套相對(duì)可行的方案。 2.2.1 家用擦玻璃清潔機(jī)器人的總體方案 總體方案一： 圖2.1 仿人形擦玻璃機(jī)器人 如上圖所示，將擦玻璃機(jī)器人做成完全仿人型的自動(dòng)化機(jī)器，機(jī)器人的手上安裝有擦拭玻璃的抹布以及刷子等，通過(guò)對(duì)機(jī)器人的示

20、教編程，機(jī)器人能夠記住各個(gè)關(guān)節(jié)的角度，以及擦玻璃的運(yùn)行模式，就能夠達(dá)到全自動(dòng)擦拭的目的。 機(jī)器人底部由四個(gè)輪子支撐，其中包括兩個(gè)具有驅(qū)動(dòng)能力的動(dòng)力輪和兩個(gè)萬(wàn)向輪，這樣能夠在運(yùn)用最少的驅(qū)動(dòng)的前提下，確保機(jī)器人具有前往各個(gè)方向運(yùn)行的能力，與此同時(shí)機(jī)器人的各個(gè)輪子均具有升降功能，即能夠確保機(jī)器人在相對(duì)不平的地板上能夠自由地運(yùn)行；然后往上看是機(jī)器人的中干，其腰部由具有三個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)桿構(gòu)成，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.2所示 圖2.2 機(jī)器人中干結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 正如圖2.2中表達(dá)的那樣，機(jī)器人的腰部底端具有一個(gè)豎直的旋轉(zhuǎn)副，再往上具有兩個(gè)水平的旋轉(zhuǎn)副，

21、到此該空間開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)給機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)-擦拭手爪，提供的自由度為3。 圖 2.3 機(jī)器人上肢結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖2.3所示機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖為機(jī)器人的上半部分，其中支架的旋轉(zhuǎn)副代表機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)，然后以下關(guān)節(jié)依次代表機(jī)器人的肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，不難看出，該部分機(jī)構(gòu)給機(jī)器人末端執(zhí)行構(gòu)件提供的自由度為3，而整個(gè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)為空間開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)，所以綜上所述可以得出，機(jī)器人的自由度為6，可以實(shí)現(xiàn)各種所需要的空間動(dòng)作。 總體方案二： 采用永磁式的雙面吸附小車(chē)貼在玻璃兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)擦玻璃的功能。小車(chē)分為兩個(gè)部分：包括主動(dòng)小車(chē)和從動(dòng)小車(chē)，其分別位于玻璃的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，通過(guò)相互間強(qiáng)磁鐵的吸附來(lái)保證小車(chē)貼在玻璃上不會(huì)滑落，

22、巧妙的編程給了小車(chē)靈魂，通過(guò)主動(dòng)一側(cè)帶動(dòng)從動(dòng)一側(cè)在玻璃上按照程序中編寫(xiě)的路徑行走，并在移動(dòng)過(guò)程中通過(guò)兩面小車(chē)底盤(pán)的擦拭裝置將玻璃擦拭干凈。 圖2.4 正面小車(chē)整體效果圖 圖2.5 正面小車(chē)內(nèi)部圖 圖2.4圖2.5為正面小車(chē)三維圖，其中小車(chē)總長(zhǎng)260mm，總寬228mm。 如圖2.5所示，該圖為正面小車(chē)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其中四塊強(qiáng)磁鐵吸附在鐵質(zhì)的升降架子上，而架子則通過(guò)螺桿與升降旋鈕相連接，升降旋鈕的底部與外殼上部相接觸，因此，當(dāng)旋動(dòng)旋鈕，在外殼的支撐作用下，升降架便能帶動(dòng)磁鐵完成升降動(dòng)作；在反面小車(chē)上，也存在四塊磁鐵，該四塊磁鐵與正面的磁鐵均為N S極相對(duì)，

23、產(chǎn)生強(qiáng)大的吸引力，通過(guò)升降機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)，能夠很方便得調(diào)整正反面磁鐵之間的距離，從而達(dá)到手動(dòng)調(diào)節(jié)兩面小車(chē)間的吸引力的目的以適應(yīng)擦拭不同厚度玻璃時(shí)的情況。 小車(chē)的動(dòng)力來(lái)源于分布在小車(chē)兩側(cè)的直流減速電機(jī)，兩個(gè)小車(chē)的輪胎緊緊壓在玻璃上，通過(guò)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)完成小車(chē)在玻璃上前進(jìn)以及倒退的動(dòng)作，同時(shí)通過(guò)兩輪的差速調(diào)節(jié)完成小車(chē)的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。 圖2.6 磁鐵的旁邊是小車(chē)的微動(dòng)開(kāi)關(guān)緩沖機(jī)構(gòu)，如圖2.6所示，當(dāng)小車(chē)在運(yùn)行中一端頂?shù)酱皯?hù)邊框時(shí)，緩沖架向小車(chē)內(nèi)部移動(dòng)，并觸動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，此時(shí)被觸動(dòng)的微動(dòng)開(kāi)關(guān)觸發(fā)小車(chē)的其他動(dòng)作，當(dāng)小車(chē)的這一端離開(kāi)窗戶(hù)邊框時(shí)，在彈簧的作用下，緩沖架恢復(fù)到初始狀態(tài)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)撥

24、片也隨著彈開(kāi)了，能夠避免該微動(dòng)開(kāi)關(guān)一直觸動(dòng)小車(chē)去做相同的動(dòng)作所造成的死機(jī)。 圖2.7 反面小車(chē)的整體效果圖 圖2.8 反面小車(chē)內(nèi)部圖 圖2.7圖2.8為反面小車(chē)的圖，其中小車(chē)總長(zhǎng)229mm，總寬200mm。 該面小車(chē)為隨動(dòng)面，即完全靠正面小車(chē)的吸引力作為動(dòng)力在玻璃上完成整套擦拭動(dòng)作。 總體方案三： 與方案二相類(lèi)似，依舊采用雙面小車(chē)吸附在玻璃上的方式來(lái)擦拭玻璃，但是本人在方案二的基礎(chǔ)上對(duì)小車(chē)做了進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化，整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，沒(méi)有產(chǎn)生任何多余的浪費(fèi)的空間。 圖2.9 正面小車(chē)整體效果圖 圖2.10 正面小車(chē)內(nèi)部圖 圖2.9、2.10為

25、正面小車(chē)圖，其中小車(chē)總長(zhǎng)178mm，總寬190mm。 圖2.11 反面小車(chē)整體效果圖 圖2.12 反面小車(chē)內(nèi)部效果圖 圖2.11、2.12為反面小車(chē)圖，其中小車(chē)總長(zhǎng)160mm，總寬172mm。 在本方案中，磁鐵升降機(jī)構(gòu)置于反面，且微動(dòng)開(kāi)關(guān)的安裝結(jié)構(gòu)相比上一方案更加緊湊，從總體來(lái)看，無(wú)論長(zhǎng)度，寬度還是高度的尺寸都比上一方案小巧了好多，使用起來(lái)更加便捷。 2.2.2 總體方案的對(duì)比與選擇 綜合分析以上三種方案，雖然方案一在表面上看著更加直接，更加可信，其實(shí)它存在著天生的弊端：首先，方案一設(shè)計(jì)制作工序繁瑣，工程龐大，編程復(fù)雜，雖然做的是一個(gè)仿人型的機(jī)器人，但完成的功能則只

26、有擦玻璃而已，實(shí)則是大材小用，也可以說(shuō)并不是針對(duì)要完成的擦玻璃功能的專(zhuān)一化設(shè)計(jì)，所以并不能為人所采用；而且，方案一的機(jī)器人還有另一個(gè)致命的缺點(diǎn)，那就是它雖然能很好的擦拭屋內(nèi)一面的玻璃，但是對(duì)窗外一面的玻璃則全然束手無(wú)策。而對(duì)方案二來(lái)說(shuō)它有自己的優(yōu)點(diǎn)，那就是相比方案一來(lái)說(shuō)它已經(jīng)做了實(shí)質(zhì)性改變：將擦玻璃的動(dòng)作轉(zhuǎn)化為小車(chē)的來(lái)回運(yùn)動(dòng)，雖然擦玻璃工作的順序看似很復(fù)雜無(wú)章，但其實(shí)還是有規(guī)律可循，只要適當(dāng)?shù)臍w納總結(jié)便能歸結(jié)出合適的運(yùn)動(dòng)路徑，換言之，通過(guò)恰當(dāng)?shù)木幊虂?lái)控制小車(chē)在玻璃上行走的路徑，車(chē)到之處，玻璃變得干干凈凈，這樣不僅能起到自動(dòng)擦玻璃的效果，而且能夠同時(shí)擦拭雙面的玻璃，節(jié)約了擦玻璃的時(shí)間，而且也解決

27、了城市居民窗外一側(cè)玻璃難擦的困擾，同時(shí)相比方案一極大地節(jié)約了成本，使其量產(chǎn)成為可能。 依據(jù)以上的論述，我們決定采用雙面吸附小車(chē)擦玻璃的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，那對(duì)比方案二和方案三，很明顯方案三中的小車(chē)，體積更小，結(jié)構(gòu)更加緊湊，小車(chē)也更加輕便，更能夠讓現(xiàn)在生活空間不大的城市居民所接受，圖2.13為小車(chē)吸附在玻璃上的效果圖。 圖2.13 玻璃吸附效果圖 步驟1 步驟2 圖2.14 小車(chē)工作流程圖 如圖2.14所示，小車(chē)的工作步驟為： ① 將雙面小車(chē)置于玻璃上，令其頭部大致朝上。 ② 調(diào)節(jié)磁鐵升降機(jī)構(gòu)，以確保磁鐵的吸引力能夠保證小車(chē)在玻璃上平穩(wěn)運(yùn)行。 ③ 打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，按下紅外

28、線(xiàn)遙控器的開(kāi)始按鈕。 ④ 小車(chē)在程序的驅(qū)動(dòng)下，自己運(yùn)行，首先完成步驟一：小車(chē)向上行駛，當(dāng)碰到上邊框后停止，然后經(jīng)過(guò)一段延時(shí)，小車(chē)后退一個(gè)車(chē)身，然后通過(guò)車(chē)輪差速，右輪轉(zhuǎn)動(dòng)而左輪不轉(zhuǎn)，小車(chē)成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎當(dāng)小車(chē)水平后停止。 ⑤小車(chē)完成步驟二：在步驟一的基礎(chǔ)上小車(chē)前行，當(dāng)碰到窗戶(hù)左邊框后小車(chē)停止，然后小車(chē)倒退直行，在陀螺儀的驅(qū)動(dòng)下保證平穩(wěn)直至碰到右邊邊框停止，然后小車(chē)?yán)貌钏僭硐蛳罗D(zhuǎn)動(dòng)，然后將車(chē)頭調(diào)正后再向左直行，如此往復(fù)，直至小車(chē)的邊框碰到窗戶(hù)的下邊框時(shí)停止，至此整塊玻璃的正反面已被小車(chē)擦拭干凈。 第三章 家用擦玻璃清潔機(jī)器人詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 關(guān)鍵部件的選型 3.1.1 電機(jī)的

29、選型 根據(jù)該小車(chē)的工作方式，可以計(jì)算得出，該小車(chē)所需的動(dòng)力扭矩為： 根據(jù)以上計(jì)算的數(shù)據(jù)，在下表選擇電機(jī)扭矩為8.8NM，即兩個(gè)電機(jī)扭矩之和為17.6NM，遠(yuǎn)大于所需要的扭矩，因此選用該電機(jī)滿(mǎn)足使用要求。 圖3.1 電機(jī)參數(shù)表 3.1.2 微動(dòng)開(kāi)關(guān)的選型 圖3.2 微動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)物圖 KW10-Z1P開(kāi)關(guān)體長(zhǎng)度12.8毫米，寬度5.8毫米，高6.5毫米；不銹鋼壓片長(zhǎng)13.5毫米，寬3.75毫米，厚0.28毫米；腳長(zhǎng)3.5毫米，寬0.85毫米，厚0.56毫米；耐壓125V1A；安裝孔2毫米大，孔中心距6.5毫米。 該微動(dòng)開(kāi)關(guān)只需接出兩根線(xiàn)，其中一根GND

30、一根常開(kāi)線(xiàn)，當(dāng)不銹鋼壓片沒(méi)有被壓下時(shí)，兩根線(xiàn)相當(dāng)于斷路，當(dāng)壓片被壓下時(shí)，兩根線(xiàn)接通，觸發(fā)小車(chē)動(dòng)作。 3.1.3 電池的選擇 圖3.3 電池參數(shù)圖 小車(chē)的電機(jī)為12V直流減速電機(jī)，所以綜合考慮之下電池的選擇參數(shù)如上所示。 3.1.4 磁鐵的選擇 兩面小車(chē)均依靠磁鐵的吸引力吸附在玻璃兩側(cè)，所以選擇永磁鐵的規(guī)格很重要，如果磁鐵的吸引力過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)支座甚至電機(jī)的損壞，但如果其吸引力過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致小車(chē)車(chē)輪與玻璃間摩擦力太小，從而引起小車(chē)的打滑現(xiàn)象，甚至滑離玻璃，經(jīng)過(guò)一番實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我選擇的磁鐵規(guī)格為：材質(zhì)：釹鐵硼稀土永磁，電鍍涂層:鍍鎳，性能:N535，最大耐溫:80，形狀規(guī)格:40

31、X30X10MM，正反面小車(chē)分別各裝有四塊該永磁鐵，由于釹鐵硼稀土材料做的磁鐵磁力很大，所以在小車(chē)中磁鐵全都被封裝了起來(lái)以防止發(fā)生意外。 3.2 微動(dòng)開(kāi)關(guān)緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 圖3.4 緩沖機(jī)構(gòu)正面圖 圖3.5 緩沖機(jī)構(gòu)反面圖 圖3.6 緩沖機(jī)構(gòu)正面細(xì)節(jié)圖 圖3.7 緩沖機(jī)構(gòu)反面細(xì)節(jié)圖 微動(dòng)開(kāi)關(guān)緩沖機(jī)構(gòu)如上圖所示，四只扭簧相互配合起到了將擋板控制在恰當(dāng)?shù)钠胶馕恢玫淖饔?，同時(shí)，當(dāng)小車(chē)走到玻璃的盡頭，擋板將微動(dòng)開(kāi)關(guān)1、2壓下，為了避免小車(chē)一直執(zhí)行微動(dòng)開(kāi)關(guān)1、2觸動(dòng)下的程序，當(dāng)小車(chē)離開(kāi)窗戶(hù)邊緣后，在扭簧1、2的共同作用下，擋板被彈

32、開(kāi)回到初始位置；同理扭簧3、4也是這樣工作的。 該機(jī)構(gòu)設(shè)置了卡槽，正是這一對(duì)卡槽對(duì)擋板起到了限位作用，當(dāng)小車(chē)撞到窗戶(hù)邊界時(shí)，有了卡槽的保護(hù)，能夠防止微動(dòng)開(kāi)關(guān)不會(huì)被擋板撞壞，同時(shí)，擋板上端的卡槽和下端的伸出端配合起來(lái)起到了限制擋板上下躥動(dòng)的作用。 3.3 磁鐵升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 圖3.8 升降機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)圖 磁鐵升降機(jī)構(gòu)是小車(chē)很重要的一個(gè)構(gòu)件，通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋鈕，螺桿被擰入旋鈕中，在外殼的支撐下以及導(dǎo)向桿的導(dǎo)向作用下，升降架豎直升起，進(jìn)而調(diào)節(jié)反面小車(chē)的磁鐵到玻璃的距離來(lái)調(diào)節(jié)兩個(gè)小車(chē)間的吸引力，從而保證機(jī)器人能夠承擔(dān)不同厚度的玻璃的擦拭工作。 圖3.9 升降支架圖 3.3.1 磁

33、鐵升降機(jī)構(gòu)的ANSYS分析 圖3.10 ANSYS參數(shù)設(shè)置圖 將磁鐵升降機(jī)構(gòu)的三維文件導(dǎo)入到ANSYS中并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置如上圖所示，該零件為3D打印件，其材料為玻璃纖維參數(shù)為：抗拉強(qiáng)度（Tensile Strength）：44Mpa；彈性模量（Elastic Modulus）：3500 ~ 7800Mpa（取其為5000Mpa）；泊松比為0.25，然后設(shè)置其受力參數(shù)，四塊磁鐵的吸引力大約為60N，即每塊磁鐵對(duì)于升降機(jī)構(gòu)的壓力為15N，可得出其壓強(qiáng)為 然后對(duì)物件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其結(jié)果如圖所示： 圖3.11 ANSYS網(wǎng)格劃分圖 圖3.13第二主應(yīng)力圖

34、 圖3.12第一主應(yīng)力圖 經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的計(jì)算，結(jié)果如下： 圖3.15 整體應(yīng)力圖 圖3.14 第三主應(yīng)力圖 由以上分析可知，該機(jī)構(gòu)所受的最大應(yīng)力為，比該材料的許用應(yīng)力小很多，因此從這個(gè)角度看，該設(shè)計(jì)滿(mǎn)足應(yīng)力的限制要求。 以下為該機(jī)構(gòu)在各個(gè)方向的位移圖： 圖3.16 X方向位移圖 圖3.17 Y方向位移圖 圖3.19 整體位移圖 圖3.18 Z軸方向位移圖 第四章 家用擦玻璃清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì) 4.1.1 單片機(jī)系統(tǒng)元器件的選型

35、（1）CPU的選擇 在本課題中，主控CPU需要實(shí)時(shí)監(jiān)控2X4的矩陣鍵盤(pán)，且需要具有兩路硬件PWM調(diào)速功能，然后還要連接外部紅外模塊以及陀螺儀MPU6050模塊，還要通過(guò)L298M芯片去驅(qū)動(dòng)兩路直流減速電機(jī)等等，考慮到這些功能均需要很協(xié)調(diào)的實(shí)現(xiàn)，所以本人選用1T的基于51內(nèi)核的8位單片機(jī)STC12C5A60S2，如圖4.1所示。 圖4.1 單片機(jī)管腳圖 圖4.2 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 該芯片的工作電壓為3.5-5.5V，工作頻率范圍：0～35MHz，相當(dāng)于普通8051的 0～420MHz，片上集成1280字節(jié) RAM，有K的Flash程序存儲(chǔ)器，有兩個(gè)定時(shí)器T0、T1，擁有獨(dú)

36、立的波特率發(fā)生器，有兩路UART串口，有兩路硬件PWM發(fā)生器，該種封裝擁有40-pin的I/O口，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，強(qiáng)推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開(kāi)漏每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò)120mA，擁有內(nèi)置EEPOM，內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，內(nèi)置看門(mén)狗，具有外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷。 （2）紅外模塊 紅外模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的無(wú)線(xiàn)控制，本課題中采用HX1838模塊，該模塊具有寬電壓適應(yīng)、高靈敏度、低功耗、優(yōu)良的抗干擾特性，而且該模塊應(yīng)用廣泛，多用于家用電器

37、、空調(diào)、玩具等紅外遙控接收。 圖4.3 HX1838芯片引腳圖 （3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 圖4.4 L298M芯片引腳圖 本課題中采用了L298-M電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊其運(yùn)用全新原裝L298芯片設(shè)計(jì)，雙H 橋能夠驅(qū)動(dòng)2路直流或者1路步進(jìn)電機(jī)，峰值驅(qū)動(dòng)電流能達(dá) 4A。在L298M芯片底部布置有大面積的金屬散熱片，用以快速散失掉驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生的熱量，以免燒壞芯片。 L298M的使用方法：如果 IN1輸入高電平，OUT1將輸出高電平，如果IN1輸入低電平，OUT1將輸出低電平，同理IN2、 IN3、 IN4的編程方法與之類(lèi)似。 圖4.5斬波電路圖

38、 圖4.6斬波原理圖 PWM調(diào)速的本質(zhì)便是通過(guò)斬波實(shí)現(xiàn)改變輸出有效電壓的方式來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速率，如上圖所示S表示開(kāi)關(guān)， VD 表示續(xù)流二極管。當(dāng)S閉合時(shí)，直流電源電壓 加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，直流電源與電機(jī)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)電樞電流經(jīng) VD 續(xù)流，因此兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖所示，好像是電源電壓在時(shí)間內(nèi)被接上，又在 — 時(shí)間內(nèi)被斬?cái)?，所以稱(chēng)“斬波”。 運(yùn)用該模塊再融合進(jìn)STC12芯片的硬件PWM輸出，用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流減速電機(jī)

39、的無(wú)級(jí)調(diào)速。 （4）陀螺儀模塊 本課題中使用的陀螺儀型號(hào)為MPU6050，該模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的IIC通信協(xié)議，其供電電源為3—5V，內(nèi)部整合了3軸陀螺儀、3軸加速器最大的加速度測(cè)量范圍為16g，陀螺儀測(cè)量范圍最大為2000/秒，本人利用該模塊反饋Z軸的加速度值去找到模塊與水平方向的夾角，從而在小車(chē)一開(kāi)始向上運(yùn)行的過(guò)程中由該值判斷小車(chē)的姿態(tài)并通過(guò)PWM硬件調(diào)節(jié)兩邊電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速率進(jìn)行差速調(diào)速，令小車(chē)靈活地不斷地為自己調(diào)平，實(shí)現(xiàn)豎直向上的運(yùn)動(dòng)，同樣運(yùn)用X軸的加速度器反饋回來(lái)的值去控制小車(chē)在后來(lái)階段水平運(yùn)行的過(guò)程中的姿態(tài)調(diào)整，真正地實(shí)現(xiàn)小車(chē)姿態(tài)的閉環(huán)控制。 4.1.2 單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路及I/O口

40、分配 圖4.7 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理圖 上圖為我所設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的原理圖，其關(guān)鍵引腳表如下所示 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 OUT4 OUT2 OUT1 OUT3 表4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)引腳 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 ROW1 ROW2 COL1 COL2 COL3 COL4 表4.2 矩陣鍵盤(pán)引腳 P2.0 P2.1 SCL SDA 表4.3 MPU6050引腳 4.3 單片機(jī)系統(tǒng)編程框圖 啟動(dòng)，頭部豎直向上，V左側(cè)=V右側(cè) ，正轉(zhuǎn) 是否收到頭部前測(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào) 驅(qū)動(dòng)

41、行走單元直線(xiàn)運(yùn)動(dòng) 否 是 控制單元控制驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)行走單元轉(zhuǎn)動(dòng)，V左側(cè)=V右側(cè) ，反轉(zhuǎn) 延時(shí)信號(hào)檢測(cè) 保持轉(zhuǎn)動(dòng) 延時(shí)未到 延時(shí)時(shí)間到 控制單元控制驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)行走單元停止, 然后驅(qū)動(dòng)行走單元轉(zhuǎn)動(dòng)V左側(cè)=0, V右側(cè)>0 , 延時(shí)信號(hào)檢測(cè) 保持轉(zhuǎn)動(dòng) 延時(shí)未到 延時(shí)時(shí)間到 控制單元控制驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)行走單元轉(zhuǎn)動(dòng)，V左側(cè)=V右側(cè) ，正轉(zhuǎn) 是否收到頭部前測(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào) 控制單元控制驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)行走單元轉(zhuǎn)動(dòng)，V左側(cè)=V右側(cè) ，反轉(zhuǎn) 是否收到尾部后測(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào) 是 陀螺儀檢測(cè)信號(hào) 否 陀螺儀檢測(cè)信號(hào) 否 是 步驟100 步驟200 反

42、饋控制，行走單元 反饋控制，行走單元 第五章 家用擦玻璃清潔機(jī)器人樣機(jī)研制與調(diào)試 5.1控制電路板的設(shè)計(jì)與調(diào)試 結(jié)合小車(chē)的機(jī)械部分所留出來(lái)的空間，本課題作者設(shè)計(jì)并加工的控制板如下圖所示 圖5.1 控制板實(shí)物圖 5.1.1 PCB設(shè)計(jì) 圖5.2 PCB設(shè)計(jì)圖 上圖即為本課題中所繪制的PCB板子，首先要用altiumdesigner將各個(gè)元器件在板子上盡量有序得畫(huà)出來(lái)，然后把已經(jīng)擁有所有元器件的板子上的元件再進(jìn)行更加合理地排列，然后點(diǎn)擊AutoRoute/All開(kāi)始自動(dòng)布線(xiàn)，待布線(xiàn)完畢之后再進(jìn)行手工調(diào)整，到此PCB板大致繪制完成。 5.1.2 電路板的調(diào)試 為防

43、止剛剛焊接完成的板子運(yùn)行起來(lái)發(fā)生電路危險(xiǎn)，還需要進(jìn)行一系列的硬件測(cè)試： （1）測(cè)試條件 圖5.3 電源模塊PCB圖 將K1的兩個(gè)焊盤(pán)短。 （2）電源測(cè)試 A) 首先測(cè)量J1的兩個(gè)焊盤(pán)有沒(méi)有短路，用二極管檔或者電阻檔測(cè)量。若短路，停止一 切測(cè)試，檢查原因。 B) 將12V電源的負(fù)極焊接在J1的GND焊盤(pán)上，正極懸空。 C) 將萬(wàn)用表?yè)艿街绷?0A檔，并將表筆插入對(duì)應(yīng)位置。 D) 將萬(wàn)用表的紅色表筆接在電源的正極上，黑色表筆快速（大約0.5S）連接在電路板J1的+12V焊盤(pán)上。觀察萬(wàn)用表的電流，若電流大于500mA，請(qǐng)停止一切測(cè)試，檢查問(wèn)題

44、。若電流小于500mA，繼續(xù)測(cè)試。 E) 若C)中的電流正常（小于500mA），將萬(wàn)用表?yè)艿街绷麟妷?0V檔，先測(cè)試U1的輸入即U1-pin1腳的電壓是否是12V，然后測(cè)試5V測(cè)試點(diǎn)的電壓是否為5V，若為5V則繼續(xù)測(cè)試；否則檢查U1是否為L(zhǎng)7805CV并且查看L7805CV的datasheet看其引腳定義是否和PCB上的一致。 F) 測(cè)試U9-pin2腳的電壓是否為3.3V，若為3.3V則繼續(xù)下面的測(cè)試；否則檢查U9是否為AMS1117-3.3并且查看其datasheet，看其引腳定義是否和PCB上的一致。 圖5.4 電源模塊PCB細(xì)化圖1 圖5.5

45、電源模塊PCB細(xì)化圖2 （3）單片機(jī)最小系統(tǒng)測(cè)試 A) 測(cè)試U2-pin40腳的電壓是否為5V。 B) 測(cè)試U2-pin9腳的電壓是為為5V。 C) 通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL模塊給單片機(jī)下載程序，看是否能正常下載。 D) 觀察C)中下載的程序是否正常工作（這個(gè)程序一般為L(zhǎng)ED閃爍測(cè)試）。 （4）紅外接收傳感器測(cè)試 A) 測(cè)量U8-pin3是否為5V。 B) 移植紅外遙控測(cè)試程序，檢測(cè)紅外接收頭是否工作正常。 圖5.6 紅外線(xiàn)PCB圖 （5）電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)試 A) 測(cè)量U4-pin6腳是否為12V。 B) 測(cè)量U4-pin8

46、、U4-pin12、U4-pin14三個(gè)引腳的電壓是否為5V。 C) 將兩個(gè)電機(jī)接上，并編寫(xiě)程序測(cè)試該驅(qū)動(dòng)是否正常工作。 （6）MPU6050測(cè)試 A) 測(cè)量U5-pin13腳的電壓是否為3.3V。 B) 測(cè)量U10-pin2、U10-pin8的電壓是否為3.3V。 C) 測(cè)量U10-pin15的電壓是否為5V。 D) 編寫(xiě)程序讀取MPU6000的數(shù)據(jù)，然后觀察數(shù)據(jù)是否正常。 圖5.7 MPU6000 PCB圖 （7）其他測(cè)試 A) 將8路微動(dòng)開(kāi)關(guān)焊接到對(duì)應(yīng)位置上。 B) 測(cè)量U3-pin5、U6-pin5、U7-pin5腳是

47、否為5V。 C) 移植按鍵測(cè)試程序，觀察這8個(gè)開(kāi)關(guān)是否可實(shí)現(xiàn)共用一個(gè)中斷。 圖5.8 微動(dòng)開(kāi)關(guān)PCB圖 5.2 家用擦玻璃清潔機(jī)器人樣機(jī)的制作 通過(guò)以上一系列的工作，擦玻璃機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)宣告完畢，由于零件要求重量輕且需有一定的強(qiáng)度，故3D打印成了最合適的加工方式，其中電機(jī)座和磁鐵升降架所用的材料為玻璃纖維，而其它件均采用光敏樹(shù)脂的材料打成，再經(jīng)過(guò)實(shí)體裝配后，實(shí)物圖如下圖所示： 圖5.9 實(shí)體樣機(jī)展示圖 5.3 家用擦玻璃清潔機(jī)器人樣機(jī)的測(cè)試 圖5.10 機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)1 圖5.11機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)2 圖5.12 機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)3 以上幾

48、圖為機(jī)器人的上機(jī)運(yùn)行情況，機(jī)器人行走較為平穩(wěn)，且各個(gè)環(huán)節(jié)均運(yùn)行正常，陀螺儀確實(shí)起到了實(shí)時(shí)調(diào)速的作用，保證了小車(chē)始終保持水平姿態(tài)的運(yùn)行，小車(chē)最終也是按照程序里面規(guī)劃的路徑將整塊玻璃走完，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化，且擦拭效果良好。 第六章 總結(jié)與展望 本課題自主設(shè)計(jì)了一款適用于家庭擦玻璃的機(jī)器人，該機(jī)器人可以在玻璃上全自動(dòng)運(yùn)行并同時(shí)將玻璃擦拭干凈。本課題作者首先閱讀了大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)外清潔機(jī)器人存在的一系列弊端，但也發(fā)現(xiàn)了其可取之處，經(jīng)過(guò)取長(zhǎng)補(bǔ)短以及自己的思考之后得到了自己的方案，然后根據(jù)方案做出了實(shí)體樣機(jī)，歸納總結(jié)整個(gè)過(guò)程，本課題的主要工作有以下幾點(diǎn)

49、： （1）完成了擦玻璃機(jī)器人的整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了加工制作及裝配。 （2）完成了整個(gè)機(jī)器的程序編制并將其燒寫(xiě)在單片機(jī)中，并令小車(chē)行走順暢。 （3）利用陀螺儀反饋回小車(chē)的位姿并實(shí)時(shí)對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制。 （4）利用差速原理實(shí)現(xiàn)了小車(chē)在玻璃上的轉(zhuǎn)彎，并運(yùn)行良好。 樣機(jī)的運(yùn)行結(jié)果表明，以上的努力都得到了應(yīng)有的回報(bào)，但是在此基礎(chǔ)上，本人認(rèn)為，有待進(jìn)一步研究的工作還有很多，歸納如下： （1）擦玻璃機(jī)器人屬于智能家居范疇，需要更好的人機(jī)界面才能滿(mǎn)足人們的需求。 （2）由于電機(jī)的原因，小車(chē)運(yùn)行起來(lái)噪聲較大，需要設(shè)計(jì)添加防噪裝置。 （3）陀螺儀的程序還不夠完美，需要進(jìn)一步加上卡爾曼濾波算法

50、，使小車(chē)閉環(huán)控制更加精確。 （4）由于小車(chē)是上帶有強(qiáng)磁，所以為了避免在使用過(guò)程中造成意外，需要添加隔磁裝置。 參考文獻(xiàn) [1] 王巍,張厚祥等.曲面幕墻清潔機(jī)器人攀爬技術(shù)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2008，34（1）：17~19 [2] 唐伯雁.自攀爬幕墻清洗機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究[D]，北京：北京工業(yè)大學(xué)，2005：1~14 [3] 王碩.智能家居中玻璃窗自動(dòng)清洗裝置的研制[D]，大連：大連工業(yè)大學(xué)，2012：1~5 [4] 錢(qián)志源,付莊等.玻璃幕墻清洗機(jī)器人壁面適應(yīng)能力分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006 , 40（7）：

51、1158~1159 [5] 王巍，唐伯雁.倒錐面高層玻璃幕墻清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006 , 32（6）：738~739 [6] 陳沛富.高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)研究[D]，重慶：重慶大學(xué)，2006：3~8 [7] 胡啟寶.多吸盤(pán)式玻璃幕墻清洗機(jī)器人本體設(shè)計(jì)[D]，上海：上海交通大學(xué)，2007：17~25 [8] 邵浩,趙言正等. 用于玻璃幕墻清洗作業(yè)的爬壁機(jī)器人系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2000 , 22（2）：6~7 [9] 老楊.51單片機(jī)工程師是怎樣練成的[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012 [10] 程國(guó)鋼,陳躍琴等.51單片機(jī)典型模塊

52、開(kāi)發(fā)查詢(xún)手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2012 [11] J.Kuffner,Jr.,S.Kagmi, K. Nishiweki, M. Inaboa, and H. Inolue, "Dynamically-Stable Motion Planning for Robots," Autonomous Robots, vol.12, pp. 105-118, 2002. [12] Lee,C.S.G.,Robot Arm kingmatics,Dymaies,and Control.Computer,Vol. 15,PP.62-80,1982 [13] 高金蓮.工程圖學(xué)[M].

53、北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008 [14] 何貢.互換性與測(cè)量技術(shù)（第二版）[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2005 [15] Daniel.E.Whitney,State Space Task of Remote Manipulation Models, IEEE Trans,Vol.14,pp617-623,No.6,1969 [16] 胡仁喜,王慶五等.ANSYS 8.2機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2005 [17] 王碩, 陶學(xué)恒等. 智能家居中玻璃窗自動(dòng)清洗裝置的研制[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2011 , 28（12）：21~23 致謝 時(shí)間轉(zhuǎn)瞬即

54、逝，不知不覺(jué)已經(jīng)到了畢設(shè)最后的日子，我的畢設(shè)差不多也該畫(huà)上句號(hào)了，我要感謝的人有很多，首先我要感謝我的畢設(shè)老師-張建華老師，正是張老師給了我這次畢設(shè)做實(shí)物的機(jī)會(huì)，老師給了我一個(gè)很大的舞臺(tái)，讓我在上面盡情演繹，有多少才華就施展多少才華，當(dāng)然在畢設(shè)路中，也是困難重重，道路坎坷，總會(huì)遇到這樣那樣的問(wèn)題，正是張老師對(duì)我的幫助以及在背后不斷的鼓勵(lì)才令我有了一直向前進(jìn)的勇氣與力量，張老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度對(duì)我影響頗為深刻，同時(shí)老師在生活中的細(xì)心，大氣又令我慨嘆，我要以張老師為標(biāo)桿，在以后的學(xué)術(shù)生涯中立志要成為張老師那樣的學(xué)者。 我的畢設(shè)是一個(gè)邊學(xué)習(xí)邊應(yīng)用的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，正是由于得到了無(wú)數(shù)同學(xué)們的幫助才

55、促成我畢設(shè)的結(jié)束，在此，我首先要感謝我的同學(xué)兼我的單片機(jī)老師：陳翔同學(xué)，他的單片機(jī)控制技術(shù)學(xué)的頗為強(qiáng)悍，但他對(duì)我一絲不茍的幫助更加令我慨嘆，是他讓我知道了什么是串口，什么是IIC等等，每次無(wú)論他多忙，都會(huì)不厭其煩地給我解答單片機(jī)的問(wèn)題，他是我真正亦師亦友的伙伴；另外我要感謝我的師兄：郝建龍和曹建峰，在我的畢設(shè)制作過(guò)程中，他們的付出也很多，他們與我一起熬夜，在三維繪圖方面郝建龍師兄也給了我很多指導(dǎo)，促使我的快速進(jìn)步；我還要感謝我的學(xué)長(zhǎng)：孫存磊，每次單片機(jī)編程方面遇到問(wèn)題，孫學(xué)長(zhǎng)總能給我最有效的解決辦法，孫學(xué)長(zhǎng)也是真正的單片機(jī)大神，同時(shí)孫存磊學(xué)長(zhǎng)還教會(huì)了我學(xué)習(xí)單片機(jī)的方法，正所謂授之以魚(yú)不如授之以

56、漁，多謝學(xué)長(zhǎng)！還有張瑞寧，瑞寧的焊接板子的技術(shù)著實(shí)令我驚訝，在小的不能再小的金屬片上，瑞寧總能用他靈巧的手將焊錫點(diǎn)上，是他教會(huì)了我這項(xiàng)技術(shù)。 最后，我要感謝的是我的母校-河北工業(yè)大學(xué)，我四年前踏入河工大的那一刻，我內(nèi)心帶著些許的悲涼，因?yàn)槲倚枰ミm應(yīng)它的大草原，適應(yīng)草原上的羊群以及羊群旁邊的兩只牧羊犬，適應(yīng)東區(qū)食堂前的臭水溝，適應(yīng)我最初的宿舍東一A211，適應(yīng)學(xué)校的空曠與僅有的幾棟不太起眼的建筑。。。。需要適應(yīng)的太多，但是從現(xiàn)在看來(lái)，我完全不用去適應(yīng)，那才是最美的，最無(wú)瑕疵的，理由很簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@樣才是我的母校-河北工業(yè)大學(xué)；還有我還要感謝在河工大工作的教授我們知識(shí)的老師們，是他們用辛勤的汗水

57、讓我們學(xué)會(huì)了最專(zhuān)業(yè)的知識(shí)以及做人的道理，謝謝你們！ 希望河工大越來(lái)越漂亮，越來(lái)越擔(dān)當(dāng)，越來(lái)越輝煌！ 附錄 家庭擦玻璃機(jī)器人C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) #include "STC12C5A.h" #include #include //Keil library #include //Keil library #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit IN1 =

58、 P1^2; //L298N輸入控制端定義 sbit IN2 = P1^1; //L298N輸入控制端定義 sbit ROW1 = P0^2; sbit ROW2 = P0^3; sbit COL1 = P0^4; sbit COL2 = P0^5; sbit COL3 = P0^6; sbit COL4 = P0^7;//矩陣鍵盤(pán)定義 sbit IRIN = P3^2;//紅外接收頭數(shù)據(jù)線(xiàn) sbit SCL=P2^0; //IIC時(shí)鐘引腳定義 sbit SDA=P2^1; //IIC數(shù)據(jù)引腳定義 unsigned int Cnt,i,a,b,c,pand

59、uan,biaozhi0,biaozhi1,biaozhi2,biaozhi3,biaozhi4; unsigned char d,IRCOM[7]; //**************************************** // 定義MPU6050內(nèi)部地址 //**************************************** #define SMPLRT_DIV 0x19 //陀螺儀采樣率，典型值：0x07(125Hz) #define CONFIG 0x1A //低通濾波頻率，典型值：0x06(5Hz) #define GYRO_CONF

60、IG 0x1B //陀螺儀自檢及測(cè)量范圍，典型值：0x18(不自檢，2000deg/s) #define ACCEL_CONFIG 0x1C //加速計(jì)自檢、測(cè)量范圍及高通濾波頻率，典型值：0x01(不自檢，2G，5Hz) #define ACCEL_XOUT_H 0x3B #define ACCEL_XOUT_L 0x3C #define ACCEL_YOUT_H 0x3D #define ACCEL_YOUT_L 0x3E #define ACCEL_ZOUT_H 0x3F #define ACCEL_ZOUT_L 0x40 #define TEMP_OUT_H 0x4

61、1 #define TEMP_OUT_L 0x42 #define GYRO_XOUT_H 0x43 #define GYRO_XOUT_L 0x44 #define GYRO_YOUT_H 0x45 #define GYRO_YOUT_L 0x46 #define GYRO_ZOUT_H 0x47 #define GYRO_ZOUT_L 0x48 #define PWR_MGMT_1 0x6B //電源管理，典型值：0x00(正常啟用) #define WHO_AM_I 0x75 //IIC地址寄存器(默認(rèn)數(shù)值0x68，只讀) #define Sla

62、veAddress 0xD0 //IIC寫(xiě)入時(shí)的地址字節(jié)數(shù)據(jù)，+1為讀取 //**************************************** //函數(shù)聲明 //**************************************** void delay(unsigned int k); //延時(shí) void Kalman_Filter(float Accel,float Gyro); void lcd_printf(uchar *s,int temp_data); //MPU6050操作函數(shù) void In

63、itMPU6050(); //初始化MPU6050 void Delay5us(); void I2C_Start(); void I2C_Stop(); void I2C_SendACK(bit ack); bit I2C_RecvACK(); void I2C_SendByte(uchar dat); uchar I2C_RecvByte(); void I2C_ReadPage(); void I2C_WritePage(); void display_ACCEL_x(); void display_ACCEL_y();

64、 void display_ACCEL_z(); uchar Single_ReadI2C(uchar REG_Address); //讀取I2C數(shù)據(jù) void Single_WriteI2C(uchar REG_Address,uchar REG_data); //向I2C寫(xiě)入數(shù)據(jù) //延時(shí) //**************************************** void delay2(unsigned int k) { unsigned int i,j; for(i=0;i

65、(j=0;j<121;j++); } } //************************************** //延時(shí)5微秒(STC90C52RC@12M) //不同的工作環(huán)境,需要調(diào)整此函數(shù) //當(dāng)改用1T的MCU時(shí),請(qǐng)調(diào)整此延時(shí)函數(shù) //************************************** void Delay5us() { int p=0; for(p=0;p<10;p++) { _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_

66、nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); } } void dianjizhengzhuan() { IN1=0; IN2=0; CCAP0H=0X88; CCAP0L=0X88; CCAP1H=0X88; CCAP1L=0X88; } void dianjifanzhuan() { IN1=1; IN2=1; CCAP0H=0X88; CCAP0L=0X88; CCAP1H=0X88; CCAP1L=0X88; } void dianjifanzhuan1() { IN1=1; IN2=1; CCAP0H=0X66; CCAP0L=0X66; CCAP1H=0X66; CCAP1L=0X66; }