iRobotRoomba掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)【5張圖紙】
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成都理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
iRobot Roomba掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)
作者姓名：專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師：
摘 要
清掃機(jī)器人有四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括：傳感技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、吸塵技術(shù)和電源技術(shù)，這四項(xiàng)技術(shù)對(duì)清掃機(jī)器人的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。本文主要介紹了目前國內(nèi)外清掃機(jī)器人的研究現(xiàn)狀以及機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)?？傮w來說，機(jī)器人的研究已經(jīng)很深入了但還是存在不足。清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要包括行走結(jié)構(gòu)、清掃結(jié)構(gòu)、吸塵結(jié)構(gòu)和擦地結(jié)構(gòu)。清掃機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)控制程序、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制程序。
關(guān)鍵詞：清潔機(jī)器人 智能控制 運(yùn)動(dòng)原理 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
The design of the iRobot Roomba robot sweeps the floor
Abstract
Cleaning robot has four key technologies, including: sensor technology, path
planning, vacuuming technology and power technology. The four technology?plays a
vital role in the development of?cleaning robot. This paper mainly introduces the
cleaning robot at home and abroad research status and structure design and program
design of the robot. Overall, the robot has been researched deeply. But there is still
insufficient. Cleaning robot structure mainly includes walking structure, structure,
structure and vacuum cleaning brush structure. Cleaning robot design program
including the MCU system control program, motor control program.
Key words: cleaning robot intelligent control motion principle structural design
目錄
摘 要 I
Abstract I
目錄 II
第1章 前言 3
1.1.研究現(xiàn)狀 2
1.1.1國外研究現(xiàn)狀 2
1.1.2國內(nèi)現(xiàn)狀 4
1.2研究的目的和意義 5
1.3設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn) 5
第2章 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
2.1機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成和工作原理 6
2.1.1機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成 6
2.1.2工作原理 8
2.2iRobot Roomba的總體設(shè)計(jì) 9
2.2.2 iRobot Roomba機(jī)器人本體硬件結(jié)構(gòu) 10
2.2.3清潔機(jī)器人充電站硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
第3章 具體計(jì)算 14
3.1電機(jī)選擇 14
3.2蝸輪蝸桿的選擇 15
3.3清掃機(jī)構(gòu)的電機(jī)的選擇 18
3.4關(guān)于蝸桿上軸承壽命的計(jì)算 18
3.5 清掃機(jī)構(gòu)中渦輪軸的校核 20
第4章 清潔機(jī)器人軟件程序設(shè)計(jì) 22
4.1單片機(jī)系統(tǒng)控制程序 22
4.1.1時(shí)鐘與設(shè)置程序 22
4.1.2已經(jīng)顯示程序 23
4.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制程序 24
4.2.1電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制 24
4.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 24
4.2.3電機(jī)反饋控制 25
4.3避障處理 26
4.3.1未知環(huán)境探測 26
4.3.2實(shí)現(xiàn)避障的方法 27
4．4路徑規(guī)劃 29
4.4.1 iRobot Roomba機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法：柵格法 29
4.4.2 iRobot Roomba機(jī)器人的路徑算法：往復(fù)式算法 29
4.4.3往復(fù)式性能分析 30
第5章 自主充電技術(shù)研究 31
5.1自主充電技術(shù)概述 31
5.2自動(dòng)充電具體設(shè)計(jì) 31
5.2.1自動(dòng)充電總體方案 31
5.2.2電池電壓監(jiān)控 32
5.2.3紅外發(fā)射電路 33
5.2.4紅外接收電路 33
5.3充電電源檢測 33
5.4自動(dòng)充電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 34
結(jié)論 35
感謝 36
參考文獻(xiàn) 36
II
第1章 前言
在最近這幾年，人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)和移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)都得到了飛速發(fā)展和提高，這些技術(shù)和清潔機(jī)器人息息相關(guān)，這些技術(shù)得到了提升也就意味著會(huì)有更加完善的清潔機(jī)器人誕生，這同樣意味著清潔機(jī)器人的未來更加值得我們期待。隨著我們對(duì)清潔機(jī)器人研究的不斷加深，已經(jīng)有不少種類的清潔機(jī)器人進(jìn)入了我們的日常生活。當(dāng)我們工作一整天之后，拖著疲憊的身體回到家中卻看到地上滿是垃圾，這會(huì)讓我們感到更加的疲累，不過只要家里有了清潔機(jī)器人，這種情況就不會(huì)發(fā)生。當(dāng)我們外出工作的時(shí)候，機(jī)器人就可以把家里打掃的干干凈凈，當(dāng)我們回到家里的時(shí)候就會(huì)有一種傷心悅目的感覺，全身的疲憊都會(huì)一掃而空。本次的論文就是關(guān)于irobot roomba機(jī)器人的設(shè)計(jì)。
1.1.研究現(xiàn)狀
1904年第一臺(tái)掃地機(jī)在英國問世，從那個(gè)時(shí)候開始，掃地機(jī)進(jìn)入了人們的生活當(dāng)中。隨著時(shí)間的流逝直到現(xiàn)在，掃地機(jī)得到了長足的發(fā)展。在人們的日常生活中，掃地機(jī)發(fā)揮的作用也越來越大。接下來，介紹幾種比較經(jīng)典的清潔機(jī)器人。
1.1.1國外研究現(xiàn)狀
德國 Kaercher 公司生產(chǎn)的RC3000是世界上第一臺(tái)能夠自主完成家庭地面打掃工作的清潔機(jī)器人[1]，如圖1-1 所示，這款機(jī)器人的內(nèi)部裝有芯片控制系統(tǒng)以及光電傳感器，一旦機(jī)器人在清掃過程中檢測到雜物的存在，它就可以隨機(jī)的改變行進(jìn)的方向，繼續(xù)進(jìn)行打掃，一直到打掃工作徹底完成。當(dāng)電源電壓不足時(shí)，它會(huì)自主地返回充電站進(jìn)行充電。在這款機(jī)器人的內(nèi)部一共設(shè)置了四種清潔程序，機(jī)器人會(huì)根據(jù)環(huán)境的不同來選擇最合適的程序進(jìn)行打掃。在機(jī)器人的內(nèi)部裝有光敏傳感器，當(dāng)機(jī)器人打掃到距離樓梯或者臺(tái)階的邊緣很近的時(shí)候，傳感器就可以檢測到樓梯和臺(tái)階的存在，然后機(jī)器人就會(huì)自動(dòng)遠(yuǎn)離，這就避免了機(jī)器人可能發(fā)生的跌落以及因跌落造成的損傷。機(jī)器人本身的扁平結(jié)構(gòu)，極大地方便了機(jī)器人的清掃，一些我們平常不容易打掃的地方，對(duì)機(jī)器人而言，卻可以很輕松地完成，如圖1-2.
圖 1-1 RC3000 和充電站 圖 1-2 RC3000 清掃工作圖
“三葉蟲”誕生于英國，這是一款問世較早但功能強(qiáng)大的吸塵器，如圖1-3所示。它內(nèi)部裝有超聲波探測器，可以迅捷地探測到障礙物的存在并繞開能夠自由穿梭清掃，同時(shí)可以自主的設(shè)計(jì)出最優(yōu)行走路線；這款機(jī)器人能夠分三個(gè)檔位來工作：正常、快速和點(diǎn)清理；當(dāng)機(jī)器人的垃圾盒被垃圾充滿之后，機(jī)器人就會(huì)發(fā)出警報(bào)；如果用戶有些地方不需 “三葉蟲”打掃，只要貼上特制的磁帶就能夠限制機(jī)器人的打掃范圍?！叭~蟲”的電源是可充電的，電量充滿之后機(jī)器人大概可以持續(xù)工作1個(gè)小時(shí)。
圖1-3 伊萊克斯的“三葉蟲”
2002年9月清潔機(jī)器人“Roomba”在美國面世，它的重量大約是2千克，直徑30英寸[2]。這款機(jī)器人擁有高度的自主工作能力，它體積較小，因此能夠輕松地把房間內(nèi)各個(gè)角落的垃圾打掃干凈。當(dāng) “Roomba”進(jìn)行打掃的時(shí)候，動(dòng)作不會(huì)太快但是打掃的效果卻很好，在主人外出之前，可以設(shè)定機(jī)器人進(jìn)行自主工作，當(dāng)打掃完成之后，機(jī)器人就會(huì)自主切斷電源，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，如圖1-4所示：
圖1-4 美國“Roomba”清掃機(jī)器人
1.1.2國內(nèi)現(xiàn)狀
1999 年初，浙江大學(xué)機(jī)械電子研究所開始進(jìn)行智能吸塵機(jī)器人的研究，兩
年后設(shè)計(jì)成功國內(nèi)第一個(gè)具有初步智能的自主吸塵機(jī)器人，與蘇州TEK 公司
合作研發(fā)，到2003 年系統(tǒng)在自主能力和工作效率上都有了顯著提高[1]。機(jī)器人工作之前，需要先進(jìn)行環(huán)境探測，從而決定清掃時(shí)間；然后，計(jì)算出效率高的清潔路徑；在打掃完成之后，機(jī)器人就會(huì)自動(dòng)返回充電站充電。不過因?yàn)橄到y(tǒng)在進(jìn)行升級(jí)，所以并沒有產(chǎn)品進(jìn)入市場。之后國內(nèi)推出了機(jī)器人KV8，這款機(jī)器人防跌落，可以自主清掃，同時(shí)價(jià)格便宜。但是這款機(jī)器人沒有充電站，只能靠人工進(jìn)行充電。
國內(nèi)眾多品牌清潔機(jī)器人中，科沃斯機(jī)器人是比較出名的。市場上平均賣出3臺(tái)清掃機(jī)器人，當(dāng)中有2臺(tái)就是科沃斯的?？莆炙骨鍧崣C(jī)器人利用渦輪增壓系統(tǒng)提高機(jī)器人的清掃動(dòng)力，從而使得機(jī)器人打掃房間的質(zhì)量得到保障。這款機(jī)器人能夠自主選擇最佳清潔模式；具有防碰撞，防跌落的設(shè)計(jì)；預(yù)約定時(shí)，自動(dòng)充電，讓智慧清潔有始有終。
圖1-5 科沃斯掃地機(jī)器人
1.2研究的目的和意義
如今社會(huì)的發(fā)展越來越迅速，生活節(jié)奏也越來越快，人們身上的壓力也越來越大，所以很少有人會(huì)在工作一天后還愿意打掃自己的房間。這就使得清潔機(jī)器人有了廣大的市場。但是現(xiàn)在市場上存在的機(jī)器人質(zhì)量好的一般價(jià)格也比較昂貴，希望通過這次設(shè)計(jì)，可以降低機(jī)器人的生產(chǎn)成本，使得機(jī)器人能夠進(jìn)入更多人的生活當(dāng)中。
1.3設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)
本文主要是對(duì)irobot roomba 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和材料的計(jì)算。關(guān)于清潔機(jī)器人清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)當(dāng)中的重點(diǎn)，本文需要介紹機(jī)器人的各種功能以及實(shí)現(xiàn)該功能的原理。
第2章 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成和工作原理
清潔機(jī)器人整體上由2大部分組成，分別是控制系統(tǒng)和機(jī)械部分。機(jī)器人的整體外觀如圖2-1，它的機(jī)械部分包括2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、1個(gè)萬向輪、塑料底盤以及外殼。毛刷、電機(jī)、電池和控制系統(tǒng)只有安裝在這些部件上面才能發(fā)揮功用。
圖2-1 掃地機(jī)器人
2.1.1機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成
（1）行走驅(qū)動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這部分作為機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（如圖2-2），功能就是讓機(jī)器人在平面上可以自由的行走。機(jī)器人的底面有3個(gè)紅外探測器，當(dāng)機(jī)器人打掃接近樓梯或臺(tái)階時(shí)，這3個(gè)紅外探測器就可以檢測出來，從而防止機(jī)器人掉下去。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行清掃的時(shí)候，有可能會(huì)碰到桌角或者其他障礙物，這就使得機(jī)器人需要避障，而在清掃機(jī)器人的的前面和側(cè)面都有紅外開關(guān)，這就避免了機(jī)器人產(chǎn)生碰撞磨損。
圖2-2 移動(dòng)機(jī)構(gòu)
（2）清掃機(jī)構(gòu)。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行打掃的時(shí)候，首先電機(jī)啟動(dòng)，然后帶動(dòng)滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)右面的滾刷做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，左面的滾刷做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在這兩個(gè)清掃刷的共同作用下，垃圾和灰塵都被集中到吸塵器的吸風(fēng)口。
（3）吸塵機(jī)構(gòu)。由吸塵器內(nèi)的風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力，把垃圾和灰塵吸入垃圾盒中。
（4）擦地機(jī)構(gòu)。前面兩部分完成之后，大部分垃圾都掃干凈了，但是還有一些細(xì)小的灰塵沒有掃到，這時(shí)候，裝在機(jī)器人下面的清潔布開始擦地，通過3重結(jié)構(gòu)保障打掃的高質(zhì)量。
圖2-3 機(jī)器人的組成機(jī)構(gòu)
移動(dòng)機(jī)構(gòu)，清潔機(jī)器人的整個(gè)機(jī)體都在移動(dòng)結(jié)構(gòu)上面。我們課題的研究是室內(nèi)清掃，所以選用的輪式結(jié)構(gòu)。
本次選用輪式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，輪式結(jié)構(gòu)機(jī)器人輪系通常情況下分為三輪、四輪和六輪等。在這次的設(shè)計(jì)當(dāng)中，因?yàn)闄C(jī)器人的整個(gè)機(jī)體并不是很大，只要三個(gè)輪子就可以讓機(jī)器人完成移動(dòng)。
采用三輪機(jī)構(gòu)，而三輪機(jī)構(gòu)清潔機(jī)器人想要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向一般情況下只有通過差速轉(zhuǎn)向和鉸軸轉(zhuǎn)向這兩種方式。而iRobot Roomba就是采用差速轉(zhuǎn)向式來實(shí)現(xiàn)機(jī)體的轉(zhuǎn)向。機(jī)器人的機(jī)體上一共有3個(gè)輪胎，在機(jī)體前端的輪胎是萬向輪，機(jī)體中間的兩個(gè)輪子都是驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)機(jī)器人要進(jìn)行轉(zhuǎn)向的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始運(yùn)行，這就使得兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生不同的加速度，從而產(chǎn)生不同的速度，然后整個(gè)機(jī)器人就完成轉(zhuǎn)向。
2.1.2工作原理
清潔機(jī)器人想要完成它的打掃工作，如果它自身什么都沒有那就是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此在機(jī)器人機(jī)體上面安裝了很多個(gè)工作模塊，在這些模塊的共同作用下，機(jī)器人才能夠?qū)崿F(xiàn)打掃。CPU是整個(gè)機(jī)器人的核心，紅外遙控接收模塊和鍵盤模塊主要用于接收主人的指令，然后把指令傳給CPU，CPU接收到指令后經(jīng)過處理，返給機(jī)器人開始工作。信息采集模塊用于采集機(jī)器人的本身信息和周圍環(huán)境的信息。
機(jī)器人工作流程如下：
（1） 開始用遙控器或者鍵盤把機(jī)器人打開，使機(jī)器人進(jìn)入工作狀態(tài)。
（2） 機(jī)器人開始打掃之后，傳感探測模塊不斷地收集外界的信息并把收集的信息傳遞給CPU，CPU接收到之后，對(duì)這些信息進(jìn)行分析、處理最終規(guī)劃出一條效率最高、同時(shí)能夠完全覆蓋清掃區(qū)的路徑。
（3） 機(jī)器人按照路徑規(guī)劃開始進(jìn)行打掃，當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時(shí)，CPU就會(huì)通過驅(qū)動(dòng)輪上的獨(dú)立電機(jī)改變兩輪的速度比實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。
（4） 機(jī)器人在工作的時(shí)候，LCD顯示屏?xí)@示一些它本身的工作信息。
（5） 遙控器主要用來控制機(jī)器人，不僅能夠控制機(jī)器人的啟動(dòng)和停止，除此之外，還可以給機(jī)器人進(jìn)行定時(shí)，讓機(jī)器人在特定的時(shí)間段進(jìn)行工作。
iRobot Roomba通過裝在機(jī)體上的各種傳感器協(xié)同工作來得到機(jī)器人工作的環(huán)境信息，例如，房間的長度以及寬度，還有房間內(nèi)影響機(jī)器人打掃的物體的位置。傳感器把所得到的信息傳遞給CPU，CPU經(jīng)過分析、處理后規(guī)劃處一條高效率、高打掃質(zhì)量的路徑。
2.2iRobot Roomba的總體設(shè)計(jì)
iRobot Roomba結(jié)構(gòu)如圖（2-4），系統(tǒng)是通過充電基站和機(jī)器人自身兩大部分構(gòu)成。機(jī)器人本身需要完成的是進(jìn)行地面的打掃，而且機(jī)器人還有定時(shí)工作的功能，可以在特定的時(shí)間段進(jìn)行工作；可以自主的躲避障礙物；自主的打掃地面；當(dāng)檢測到樓梯時(shí)，自動(dòng)離開，避免出現(xiàn)碟碰自；機(jī)器人還可以在電源不足時(shí)主動(dòng)尋找充電站充電等功能；基站的主要功能就是給機(jī)器人充電和發(fā)射召回信號(hào)。機(jī)器人通過這兩部分實(shí)現(xiàn)自主工作。
圖2-4 結(jié)構(gòu)總圖
機(jī)器人采用輪式差速轉(zhuǎn)向行走機(jī)構(gòu)，如圖（2-5），機(jī)器人中間的兩個(gè)輪子每個(gè)上面都有兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來控制輪的速度，通過改變左右輪的速度比來改變機(jī)器人的行進(jìn)方向[9]，而安裝在機(jī)器人前方的輪子則是自由輪。清潔機(jī)器人就是通過這種方式實(shí)現(xiàn)自己的移動(dòng)。
圖2-5 輪式差速轉(zhuǎn)向行走機(jī)構(gòu)
2.2.2 iRobot Roomba機(jī)器人本體硬件結(jié)構(gòu)
iRobot Roomba機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)由控制器（單片機(jī)）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器、轉(zhuǎn)態(tài)設(shè)置按鈕、電源模塊和狀態(tài)顯示器等幾部分構(gòu)成，這些模塊由單片機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行管理，共同工作，從而保證機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)。其關(guān)系圖如(2-6):
圖2-6 清潔機(jī)器人的硬件控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖
各模塊的主要組成與功能如下：
（1） 控制器（單片機(jī)）主要由單片機(jī)STC89C52RC組成，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊和和控制程序的對(duì)接，并實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)器人的控制。
（2） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、毛刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和吸塵電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右輪從而帶動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，毛刷電機(jī)和吸塵電機(jī)負(fù)載清潔除塵工作，如圖（2-7）。
圖2-7 驅(qū)動(dòng)電機(jī)
（3） 傳感器：主要有紅外避障傳感器、紅外防跌落傳感器等組成，這些傳感器的功能各不相同，但是卻能夠?qū)崿F(xiàn)功能互補(bǔ)，從而保證機(jī)器人工作的順利進(jìn)行，它們主要是用來檢測機(jī)器人當(dāng)前工作的環(huán)境信息以及機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)，最終把這些信息傳遞到CPU。
（4） 狀態(tài)設(shè)置按鈕：對(duì)機(jī)器人的開始工作、停止工作或者其他的轉(zhuǎn)態(tài)進(jìn)行設(shè)置。
（5） 工作狀態(tài)顯示器：用來表示機(jī)器人工作時(shí)的溫度、位置等。
（6） 電源模塊：機(jī)器人不同的模塊需要的電壓不同，而電源模塊可以把電源的電壓轉(zhuǎn)換成不同的電壓讓其他模塊應(yīng)用。
2.2.3清潔機(jī)器人充電站硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
iRobot Roomba充電站的系統(tǒng)示意圖如圖（2-8）。機(jī)器人采用可充電電池供電。沖電基站上面存在著金屬插板，清潔機(jī)器人的后端有金屬充電電極，當(dāng)金屬片和充電電極接觸上后就可以開始沖電。在機(jī)器人的機(jī)身上面裝著兩個(gè)紅外調(diào)頻接收器，每個(gè)接收器都能夠接收到90度范圍內(nèi)的紅外信號(hào)。假設(shè)清潔機(jī)器人尋找充電基站的時(shí)候沿著順時(shí)針的方向向前走，裝在機(jī)器人機(jī)體上的調(diào)頻紅外傳感器就能夠檢測到信號(hào)，之后機(jī)器人就會(huì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，接著位于機(jī)器人后面的傳感器就會(huì)檢測到信號(hào)，并且靠向充電站，一直到和充電站的充電端子接觸成功。因?yàn)闄C(jī)器人在行走中出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以向充電站前進(jìn)的時(shí)候有一個(gè)自主適應(yīng)的過程。
圖2-8 充電站硬件系統(tǒng)組成示意圖
充電站硬件結(jié)構(gòu)由充電器模塊、充電站控制器、調(diào)頻紅外線發(fā)射器3個(gè)部分組成。
（1） 充電器模塊：機(jī)器人充電站一般直接提供的電源都是220V的交流電，但是220V的交流電并不能被機(jī)器人直接使用，供電模塊就是用來把220V的交流電轉(zhuǎn)換成可以被整個(gè)系統(tǒng)的使用5V直流電和電池充電用的24V直流電。
（2） 充電站控制器：當(dāng)充電站的充電端子和機(jī)器人的電池對(duì)接充電的時(shí)候，調(diào)頻紅外發(fā)射器就會(huì)被關(guān)閉，這樣不僅可以節(jié)約電量，同時(shí)也能夠延長傳感器器的使用壽命。
（3） 調(diào)頻紅外發(fā)射器：主要用來發(fā)射調(diào)頻紅外波，紅外波的頻率大約為1KHz,當(dāng)機(jī)器人接收到紅外波時(shí)，會(huì)根據(jù)紅外波來調(diào)整自己的方位，向充電站靠近，并最終與充電站對(duì)接進(jìn)行充電。
第3章 具體計(jì)算
3.1電機(jī)選擇
(1) 機(jī)器人的重量大致為5kg,g取 9.8N／kg，則機(jī)器人的所受重力 （3-1）
每個(gè)輪子所承受的載荷為
（3-2）
(2)采用輪胎在室內(nèi)環(huán)境行走，取滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.1，滾動(dòng)摩擦系數(shù)δ=1，則:
滑動(dòng)摩擦阻力 （3-3）
滾動(dòng)摩擦阻力 （3-4）
根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要機(jī)器人的底盤最少要比地面高10毫米，因此在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中選擇直徑D為96毫米的輪子，那么輪子的半徑R=1／2D=48mm，輪子所受到的阻力矩為：
（3-5）
(1) 電機(jī)需要功率，式中：
由 （3-6）
取，則=3.83W，電機(jī)所需的輸出功率=,其中
（3-7）
則電機(jī)所需的輸出的功率
== =4.45W。 （3-8）
(3) 確定電機(jī)。機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu)使用差速轉(zhuǎn)向式，為了實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)轉(zhuǎn)就需要有調(diào)遣功能的電機(jī)，結(jié)合式子（3-8）中得出來的電機(jī)所需要的輸出功率，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)上搜尋到的關(guān)于電機(jī)的信息，最后決定使用YCJT系列的電機(jī)。根據(jù)上面的計(jì)算可以知道機(jī)器人運(yùn)行需要電機(jī)的輸出功率是4.45W，再結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)上查閱得到的關(guān)于電機(jī)的資料，最后確定使用YCJT-6-1的電機(jī)。這臺(tái)電機(jī)的輸出功率是6W，大于我們所需的功率，滿足需要；這臺(tái)電機(jī)的速度在每分鐘900轉(zhuǎn)到1500轉(zhuǎn)之間可調(diào)，當(dāng)我們調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速為每分鐘1200轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是5N.m。同樣滿足我們對(duì)轉(zhuǎn)矩的要求，綜上所述，最終選定這個(gè)型號(hào)的電機(jī)。
3.2蝸輪蝸桿的選擇
(1)選擇蝸桿傳動(dòng)類型
根據(jù)GB /T10085-1988的推薦，采用漸開線蝸桿(ZI)
(2)選擇材料
渦輪和蝸桿對(duì)機(jī)器人的清掃至關(guān)重要，機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)需要渦輪和蝸桿才能進(jìn)行打掃工作，因此對(duì)渦輪和蝸桿的要求也比較高，所以蝸桿的螺旋齒面必須進(jìn)行淬火處理，硬度45～50HRC。渦輪的材料選用鑄錫磷青銅，金屬模鑄造。
(3)根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
1、確定載荷系數(shù)K
選定齒輪的傳動(dòng)比i=14，參考蝸輪蝸桿參數(shù)表取Z1=2，則Z2=28。
由于工作載荷基本上不會(huì)發(fā)生改變，所以在選取載荷分布不均勻系數(shù)的時(shí)候可以把的值選為1，然后查找資料得到：=1，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速并不快，產(chǎn)生的沖擊力度并不會(huì)太強(qiáng)，所以選定動(dòng)載荷系數(shù)
=1. 1；則
載荷系數(shù)； （3-9）
2、計(jì)算作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩T2：
T2=9550*106*P /n 當(dāng)=2時(shí)，的值在0.7到0.9之間，取 =0.8，代入式中得：
（3-10）
3、確定彈性影響因素 Ze
由于選用的齒輪材料是鑄錫磷青銅，蝸桿選用的是鋼鑄造的，這兩者相互配合，通過查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得：
Ze =160。
4、確定接觸系數(shù)
假定蝸桿的分度圓直徑d1和傳動(dòng)中心距a的比值d1/a=0.35，由資料當(dāng)中查得數(shù)據(jù)，得到Zp是2.9。
5、確定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （3-11）
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得：=230MPa -=90MPa
（3-12）
6、計(jì)算中心距
（3-13）
選a=40mm，由于i=14，通過查表選定模數(shù)m=2mm，最終確定d1的值是22.4mm。這個(gè)時(shí)候d1/a=0.56，由資料查得Zp=2.4＜2.9，滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的要求，因此計(jì)算結(jié)果正確，數(shù)據(jù)能夠使用。
查表選取m=2mm，d1=22.4mm， Z1=2q=11.20，Z2=29，分度圓導(dǎo)程角r=10°07′29″。中心距ａ=40 mm，d2 =mz2=58；
a=40.20mm，這并不是滿足要求的推薦中心距，但是如果選擇了中心距，渦輪就會(huì)改變位置。本設(shè)計(jì)不采用變位，取a=40.20。
(2) 驗(yàn)算初設(shè)參數(shù)
滑動(dòng)速度 （3-14）
在范圍之內(nèi)，所選材料合適。
蝸桿的傳動(dòng)效率在0.95和0.96之間， 因?yàn)槭?.8m/s，查表得 =2°，
， （3-15）
傳動(dòng)效率=（0.95~0.96）*0.85=0.81~0.82，與初選 =0.7不符，初效率應(yīng)適當(dāng)降低。
（5）驗(yàn)算齒根的剛度和彎曲疲勞強(qiáng)度
（3-16）
蝸輪當(dāng)量齒數(shù)=/ =29.44，查得齒形系數(shù)=2.65；
則可求的： （3-17）
帶入式中
=27.85Mpa< 成立。彎曲強(qiáng)度滿足要求。
（6）蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)以及幾何尺寸
1、蝸桿
軸向齒距Pa=6.28mm
直徑系數(shù)q=11.20
齒頂圓直徑da126.4mm
齒根圓直徑df1=16.4mm
分度圓導(dǎo)程角r=10.12?°
齒寬b=26mm
基圓直徑d=22.4mm
模數(shù)m=2，頭數(shù)z=2
齒根高 hf=2.4mm，齒頂高h(yuǎn)a=2mm。
2、渦輪
渦輪齒數(shù)z2=28
渦輪分度圓直徑 （3-19）
渦輪喉圓直徑 （3-20）
渦輪齒根圓直徑 （3-21）
渦輪咽喉母圓半徑 （3-22）
渦輪齒寬b2=0.7da1=18.48mm，取18mm。
為了避免損傷到齒寬b2，因此蝸輪齒頂圓直徑de2的大小要在58毫米和60毫米之間，最終選擇取de2=58mm。
在蝸桿工作的時(shí)候，電機(jī)的能量在傳遞到渦輪的過程當(dāng)中，會(huì)有很多的能量無法傳遞過去，而這部分無法傳遞的能量就會(huì)以熱能的形式表現(xiàn)出來。在此次機(jī)器人的設(shè)計(jì)當(dāng)中，蝸桿工作時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)直接散發(fā)到機(jī)器的內(nèi)部，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行吸塵操作的時(shí)候當(dāng)中就會(huì)把這些熱量清除出去。
3.3清掃機(jī)構(gòu)的電機(jī)的選擇
經(jīng)過計(jì)算和資料的查閱，只要清掃刷的轉(zhuǎn)速達(dá)到或者超過3r/s，就能夠把灰塵或者其它臟東西打掃到垃圾盒里面，讓機(jī)器人完成清掃工作，同時(shí)加上皮帶輪的傳動(dòng)比是1:1，因此為了完成打掃，渦輪的轉(zhuǎn)速就需要在每分鐘180轉(zhuǎn)到210轉(zhuǎn)之間，再結(jié)合之前得到的蝸輪蝸桿的關(guān)系，可以計(jì)算得出蝸桿的轉(zhuǎn)速要在每分鐘2600轉(zhuǎn)和3000轉(zhuǎn)之間，故此選則型號(hào)是55SZ01的電機(jī)，它的轉(zhuǎn)速是每分鐘3000轉(zhuǎn)，功率是12W，這個(gè)型號(hào)電動(dòng)機(jī)的體積不大，同時(shí)又可以保證機(jī)器人的工作進(jìn)行，因此這個(gè)電機(jī)可以滿足清掃機(jī)構(gòu)的需求。
3.4關(guān)于蝸桿上軸承壽命的計(jì)算
（1）計(jì)算軸承壽命的基本公式為： （3-23）
其中：P-當(dāng)量動(dòng)載荷（N）；
-壽命指數(shù)，滾子軸承 =10/3，球軸承=3，；
n-軸承轉(zhuǎn)速r/min；
C-基本額定動(dòng)載荷（N），能夠通過機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行查找。
經(jīng)查表得C=2.75*103
（2）計(jì)算角接觸軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷
基本公式為P=FP (XFR+YFA) （3-24）
其中：X-徑向載荷系數(shù)，其值見機(jī)械設(shè)計(jì)P321表13-5；
Y-軸向載荷系數(shù)，其值見機(jī)械設(shè)計(jì)P321表13-5
Fr-軸承所承受的徑向載荷；
Fa-軸承所承受的軸向載荷；
FP -載荷系數(shù)，查表13-6（機(jī)械設(shè)計(jì)P321）
待求量為Fr、Fa值，計(jì)算軸承所受的徑向載荷Fr
軸向受力如圖3-2所示。
圖3-2 軸承受力圖
經(jīng)計(jì)算解 得Fr=0.081N，F(xiàn)a=0.015N
根據(jù)已經(jīng)知道的條件能夠得出，在渦輪兩側(cè)的軸承無論是距離、大小、形狀等都是完成相同的。所以 （3-25）
同時(shí)由于軸承自身的重量也要由它自己承擔(dān)，所以每個(gè)軸承大概還會(huì)受到0.1N的作用力，
所以 （3-26）
派生軸向力 （3-27）
又因?yàn)? （3-28）
所以軸承1壓緊，軸承2放松
所以
Fa1> Fa2，所以只需要校核軸承1即可
因?yàn)?
選取X=1，Y=0，fp=1.0
所以 （3-29）
所以 （3-30）
所以符合要求。
3.5 清掃機(jī)構(gòu)中渦輪軸的校核
軸上能使產(chǎn)生彎矩的力有Fr，F(xiàn)t
Fr=0.081N
Ft=0.015N
這兩個(gè)力所在的平面互相垂直，L是69毫米，D是12毫米，如圖3-3，
圖3-3 受力示意分析圖
做彎矩圖如3-4所示
圖3-4 彎矩圖
（3-31）
（3-32）
合成彎矩 （3-33）
（3-34）
在之前的設(shè)計(jì)當(dāng)中，軸的制造材料確定了用45鋼，把鋼經(jīng)過加工之后，查表查得<[]=60N.mm，所以滿足對(duì)軸的需求，可以使用。
第4章 清潔機(jī)器人軟件程序設(shè)計(jì)
4.1單片機(jī)系統(tǒng)控制程序
4.1.1時(shí)鐘與設(shè)置程序
iRobot Roomba當(dāng)中關(guān)于的時(shí)鐘操作可以使它完成定時(shí)工作。它用自身單片機(jī)的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。STC89C52有3個(gè)定時(shí)器，其中T0用作定時(shí)。把T0設(shè)置成工作方式1，把12MHz的晶振用作單片機(jī)系統(tǒng)，這種情況下最大定時(shí)是66636uS,也就是0.06S，則賦初值為0X15A0，即TH1=0x15,TL1=0xA0。設(shè)置出來三個(gè)時(shí)刻改變的數(shù)值ti,分鐘和小時(shí),在機(jī)器人的定時(shí)工作和停止的程序當(dāng)中，ti依次增加，直到達(dá)到1000次的時(shí)候，計(jì)為一分鐘，如圖4-1，
圖4-1 系統(tǒng)即使程序流程圖 圖4-2 設(shè)置程序流程圖
通過4個(gè)鍵位以及LCD顯示，人們就能夠輕易的設(shè)置機(jī)器人，讓機(jī)器人按照人們的意愿工作。4個(gè)按鍵分別定義為ADD、DEC、 SET和OX鍵。其中SET鍵是設(shè)置鍵，第一次按下之后，你就可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)設(shè)置完成之后，在按一次，就能夠?qū)C(jī)器人的下個(gè)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，每次按下SET鍵，就會(huì)改變一次設(shè)置內(nèi)容，直到設(shè)置全部完成后，在按一次就會(huì)退出設(shè)置項(xiàng)。ADD用于增減內(nèi)容的數(shù)據(jù)，而DCE則用來減小內(nèi)容數(shù)據(jù)。OK是確定鍵，當(dāng)完成數(shù)據(jù)的增減之后，按下OK鍵，進(jìn)行確定。機(jī)器人的設(shè)置程序流程圖如圖4-2.
4.1.2已經(jīng)顯示程序
1602液晶模塊對(duì)于機(jī)器人來說很重要，它的主要用途就是顯示機(jī)器人的狀態(tài)。
MPU發(fā)出數(shù)據(jù)和指令，控制器接收到之后控制整個(gè)模塊工作，模塊由指令寄存和譯碼機(jī)構(gòu)、DDRAM、CGRAM、CGROM等字符存儲(chǔ)區(qū)域以及MPU和列驅(qū)動(dòng)器的I\O接口、地址計(jì)算器等部分組成。
圖4-3 1602讀操作時(shí)序
圖4-4 1602寫操作時(shí)序
圖4-5 液晶顯示程序流程圖
4.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制程序
4.2.1電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制
在iRobot Roomba左輪和右輪上都裝有兩個(gè)直流電機(jī)，來實(shí)現(xiàn)它的差速移動(dòng)。
兩個(gè)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都是采用L298N芯片，該芯片的邏輯功能如表4-1所示，它利用I\O輸出高低電組合來實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。
表4-1 L298N的邏輯功能
4.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速控制
電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過PWM方式控制。脈沖寬度調(diào)制是把輸出信號(hào)的基本周期固定，通過調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來控制輸出功率[11]。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和加在電機(jī)兩端的電壓有一定的關(guān)系，施加在電機(jī)上的電壓越大，那么電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也就越快。由于施加在電機(jī)的電壓和占空比成正比，因此占空比的數(shù)值越大，施加在電機(jī)的兩端電壓也就越強(qiáng)，這樣的話電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也就越快。
選擇定時(shí)器產(chǎn)生PWM波。89C52有三個(gè)定時(shí)器，T0，T1和T2，T0用于系統(tǒng)計(jì)時(shí)，可以利用T1和T2分別產(chǎn)生兩組PMW波。但是我們只需要使用一個(gè)定時(shí)器就可以形成多組PWM波。原理設(shè)定一個(gè)周期時(shí)間為T，將時(shí)間分為10份，（圖4-6所示），每一小段的時(shí)間都是t, t為定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間。在程序中，首先給PWM1和PWM2賦與電平，而賦予它們的電平是由需要的占空比決定的，如PWM1為30%、PWM2為50%時(shí)，PWM1在三個(gè)定時(shí)中斷后變成低電平，而PWM2則依舊是高電平，這種情況會(huì)一直持續(xù)到5個(gè)定時(shí)全部中斷后轉(zhuǎn)變成低電平，取10個(gè)定時(shí)中斷為一個(gè)周期，這樣循環(huán)就產(chǎn)生了兩個(gè)占空比不同的PWM波。我們利用這個(gè)原理就可以形成多組PWM波。
圖4-6 兩種PWM波產(chǎn)生程序流程圖
4.2.3電機(jī)反饋控制
iRobot Roomba采用差速式結(jié)構(gòu)移動(dòng)，它有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，在每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的上面都裝有齒輪軸，霍爾傳感器就被安裝在磁鋼片上面的一個(gè)地方，用它來測驗(yàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
我們可以利用計(jì)數(shù)器來測定脈沖的數(shù)目，單片機(jī)有3個(gè)計(jì)數(shù)器，其中T1和T2都有用途，但是T1和T2能夠被重復(fù)的使用，設(shè)置T1和T2的任務(wù)互不影響，通過設(shè)置，T1就可以用來計(jì)量左輪霍爾傳感器的脈沖數(shù)目，T2用來計(jì)量右輪霍爾傳感器的脈沖數(shù)目。
4.3避障處理
4.3.1未知環(huán)境探測
清潔機(jī)器人被置于一個(gè)特殊的環(huán)境下，關(guān)于環(huán)境的信息一點(diǎn)都沒有。這就需要避障系統(tǒng)首先要求機(jī)器人對(duì)環(huán)境先進(jìn)行探測。紅外傳感器具備一些預(yù)瞻能力，而碰撞傳感器的性能比較可靠。紅外傳感器能夠在最短的時(shí)間內(nèi)探測到遠(yuǎn)處的雜物，碰撞傳感器能夠探測到距離機(jī)器人較近的信息，把這兩種傳感器探測到的信息，依據(jù)一定的算法，可以得出較為真實(shí)的環(huán)境情況。
傳感器布局如圖4-7，機(jī)器人四周各有一個(gè)反射式紅外傳感器，前方有兩個(gè)碰撞傳感器，底盤有三個(gè)紅外傳感器，用于臺(tái)階檢測。圖中機(jī)器人需要進(jìn)行探測的區(qū)域是紅線包圍的區(qū)域，但是機(jī)器人實(shí)際上能夠探測到的地方卻是藍(lán)色虛線所包圍的區(qū)域，紅線包圍的區(qū)域和藍(lán)線包圍的區(qū)域并不完全重合，這就意味著機(jī)器人的探測并不完全，存在無法探測到的區(qū)域，這部分區(qū)域大部分分布于左后側(cè)和右后側(cè)。清潔機(jī)器人在正常工作的時(shí)候，只有在遇到桌角或臺(tái)階時(shí)才會(huì)后退一小段。因此這幾塊盲區(qū)的存在對(duì)于機(jī)器人的清掃幾乎不存在影響。
圖4-7 傳感器探測區(qū)域和盲區(qū)
4.3.2實(shí)現(xiàn)避障的方法
在室內(nèi)打掃時(shí)，因?yàn)榉块g內(nèi)存放大量的家具、電器等，這就使得機(jī)器人的打掃環(huán)境十分復(fù)雜，而且有人們還會(huì)時(shí)不時(shí)的會(huì)走動(dòng)，在這種情況下，機(jī)器人要想順利的完成清掃就要做到躲避避障礙物。
圖4-8 避障策略圖
關(guān)于躲避障礙物的措施最常用的有勢(shì)場法和柵格法等。iRobot Roomba機(jī)器人用的是基于多傳感器的反應(yīng)式實(shí)時(shí)避障策略，這種策略擁有反應(yīng)速度快、可以同步進(jìn)行、效率高的特點(diǎn)，十分適用于在不知道環(huán)境信息的地方避障。
實(shí)時(shí)避障如圖4-8，首先傳感器搜集周圍的環(huán)境信息，一旦檢測到有障礙物的存在，機(jī)器人就會(huì)減速前進(jìn)，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)就停止并后退一小段距離，然后通過左右側(cè)紅外傳感器檢測兩邊環(huán)境，優(yōu)先右轉(zhuǎn)，如果不行就左轉(zhuǎn)，再不行就后退，當(dāng)后退的路被障礙物擋到時(shí)，就延時(shí)一段時(shí)間之后再檢測周圍環(huán)境，當(dāng)延長時(shí)間超過一段時(shí)間（如6分鐘）后，仍然不行，機(jī)器人就認(rèn)為遇到特殊情況，然后啟動(dòng)警報(bào)。當(dāng)位于底盤的紅外傳感器檢測到樓梯的時(shí)候，就啟動(dòng)中斷程序，選擇向后撤離，防止跌落，產(chǎn)生碰撞損傷。
4．4路徑規(guī)劃
4.4.1 iRobot Roomba機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法：柵格法
設(shè)定以方形區(qū)域代表機(jī)器人的幾何形狀。把機(jī)器人看成一個(gè)點(diǎn)，網(wǎng)格來表示工作空間，把機(jī)器人工作的空間分成大小相同的網(wǎng)格。這個(gè)方法方便了路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)，而且也可以表示不規(guī)則障礙物，但是沒有一種方法是十全十美的，這種方法同樣也存在著缺點(diǎn)，表示效率不高。柵格劃分大了，分辨率就會(huì)下降；柵格劃分小了，環(huán)境的儲(chǔ)存量就太大。
4.4.2 iRobot Roomba機(jī)器人的路徑算法：往復(fù)式算法
往復(fù)式算法，同樣也被稱為犁式算法。讓機(jī)器人首先沿著墻壁行走一圈，建立完成地圖之后，開始往返式的清掃。往返式行走能夠分為下面的幾部分運(yùn)動(dòng)步驟，[9]
（1） 機(jī)器人由房間的某個(gè)角落開始，首先沿著墻面運(yùn)動(dòng)，直到和墻壁發(fā)生碰撞；
（2） 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)180°，并且偏移與吸塵口寬度相同的距離；
（3） 重復(fù)步驟1；
（4） 位于機(jī)器人側(cè)面的傳感器能夠檢測出是否有障礙物的存在，假使在機(jī)器人將要偏移的方向檢測到了障礙物的存在，而且檢測到雜物的距離比較小，那么機(jī)器人就會(huì)終止往復(fù)式覆蓋程序的執(zhí)行然后執(zhí)行其他程序；
（5） 機(jī)器人按照和前次相反的方向旋轉(zhuǎn)180°，同時(shí)也會(huì)偏移一定的寬度；
（6） 重復(fù)上述步驟。
在長方形的沒有障礙物的房間里面，往復(fù)式可以輕易的實(shí)現(xiàn)房間的打掃，經(jīng)過往復(fù)運(yùn)動(dòng)，清潔機(jī)器人大致可以完成房屋內(nèi)的打掃，但是如果房屋存在障礙物的時(shí)候，那么障礙物的另一邊就不能被打掃到，這就需要用其他的方法繼續(xù)進(jìn)行打掃。
4.4.3往復(fù)式性能分析
圖4-9 往復(fù)方式
（4-1）
（4-2）
（4-3）
（4-4）
第5章 自主充電技術(shù)研究
5.1自主充電技術(shù)概述
自主對(duì)接充電就是讓清潔機(jī)器人在自身電量不足以繼續(xù)工作的時(shí)候可以的自主切換到充電模式，這樣就避免了機(jī)器人因?yàn)殡妷翰蛔愣鵁o法工作的情況的發(fā)生。一旦機(jī)器人感到自身電量不夠充足的時(shí)候，它就會(huì)自動(dòng)停止正在進(jìn)行的打掃任務(wù)去找充電站。當(dāng)電源達(dá)到額定電壓之后就會(huì)繼續(xù)之前的打掃工作。通常情況下，即使機(jī)器人是在電源充滿的時(shí)候開始打掃工作，也不足以第一次就實(shí)現(xiàn)對(duì)面積較大的房屋的清掃，所以自主充電技術(shù)對(duì)清潔機(jī)器人而言十分重要。
目前，移動(dòng)機(jī)器人的能源都來自于可充電電池組，但是電池組的能源不能維持太長時(shí)間，當(dāng)電能耗盡的時(shí)候，智能人工充電，當(dāng)充電完成之后，再由人工脫離電路，繼續(xù)工作。這雖然操作簡單，但是會(huì)造成人力浪費(fèi)，而且機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)完全的自主、智能，（如圖5-1A）。
圖5-1 機(jī)器人的任務(wù)環(huán)
如果機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)真正的自主工作，就要完成5-1 B的循環(huán)，一旦開始任務(wù)之后，機(jī)器人可以自主充電，直到完成任務(wù)。
5.2自動(dòng)充電具體設(shè)計(jì)
5.2.1自動(dòng)充電總體方案
當(dāng)機(jī)器人內(nèi)部的電壓低于一定值的時(shí)候，它就會(huì)自動(dòng)尋找充電站進(jìn)行充電。機(jī)器人一直前行，直到碰到墻壁并沿著墻壁按順時(shí)針方向行進(jìn)，直到返回充電站。在機(jī)器人的貼邊一側(cè)和后部各裝有一個(gè)紅外接收器，如圖5-2A所示，一旦它接收到充電站發(fā)出的紅外信號(hào)，就會(huì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，如圖5-2B所示，而且順著紅外光路向充電站的方向行進(jìn)，當(dāng)它到達(dá)充電站后就會(huì)檢查充電線是否和插座完成對(duì)接。
圖5-2 自主充電對(duì)接技術(shù)
5.2.2電池電壓監(jiān)控
機(jī)器人采用鎳氫充電池充電，放電曲線如圖5-3，機(jī)器人能正常工作40分鐘，選取圖中的2C放電曲線，那么每一節(jié)的電池正常工作時(shí)的電壓在1.05伏特和1.40伏特之間,則12節(jié)電池串聯(lián)后，電壓范圍為12.5V-17.5V。由于電池電壓高于CPU電壓，因此首先將充電電池電壓通過比較器處理，然后送A/D處理，可以隨時(shí)的進(jìn)行查詢和控制。
圖5-3 鎳氫電池放電曲線
5.2.3紅外發(fā)射電路
紅外發(fā)射電路的作用是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行引導(dǎo)，它發(fā)出特定頻率的紅外信號(hào)讓機(jī)器人接收到，然后機(jī)器人根據(jù)收到的信號(hào)進(jìn)行活動(dòng)。
圖5-4 紅外發(fā)射電路
紅外發(fā)射電路如圖5-4所示。
5.2.4紅外接收電路
紅外接收電路主要靠鎖相環(huán)譯碼芯片LM567的相互配合來實(shí)現(xiàn)。LM567在電路中起選擇頻率的作用，電路如圖5-5.
圖5-5 紅外接收電路
5.3充電電源檢測
在機(jī)器人向充電站移動(dòng)的過程當(dāng)中，紅外傳感器不止要檢測信號(hào)，同時(shí)還需要準(zhǔn)確的判斷機(jī)器人的充電電極是否已經(jīng)和充電端子接觸上。使用圖5-6所示分壓電路，調(diào)節(jié)RP1至輸出電平稍小于5V。單片機(jī)通過檢測J41的高低，就可以知道是否對(duì)接上。
圖5-6 電源檢測電路
5.4自動(dòng)充電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
機(jī)器人的自動(dòng)充電程序如圖5-7.
圖5-7 自動(dòng)充電程序框圖
清潔機(jī)器人工作時(shí)，每隔一段時(shí)間就會(huì)對(duì)電池電壓進(jìn)行一次檢測，當(dāng)檢測到機(jī)器人的電壓低于12.5V時(shí)，就停止清掃工作朝著一個(gè)方向一直前進(jìn)，直到碰到障礙物后就右轉(zhuǎn)90°，并通過左側(cè)的紅外傳感器與其保持一定距離，并繼續(xù)前進(jìn)，碰到障礙物后一直選擇右轉(zhuǎn)90°，經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)后，在行進(jìn)過程中，一直檢測到充電站發(fā)出的紅外信號(hào)，如果位于機(jī)器人左面的接收器接收到了這個(gè)充電站發(fā)射的信號(hào)，那么它就不會(huì)繼續(xù)前進(jìn)，在原地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。這時(shí)安裝在機(jī)器人后端的紅外接收器再檢測是否有紅外信號(hào)，若沒有則小幅度原地左右旋轉(zhuǎn)，直到檢測到了來自充電站的紅外信號(hào)，然后機(jī)器人就后退，當(dāng)檢測到充電站后，就停下來進(jìn)行充電。一段時(shí)間之后，當(dāng)機(jī)器人的電量充滿就停止充電，并離開充電站，等候下回工作的到來。
結(jié)論
雖然現(xiàn)在我國對(duì)智能清潔機(jī)器人的研究已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但是機(jī)器人的自主化、智能化依然不夠完善。目前市場上的智能清潔機(jī)器人種類繁多，但是一些質(zhì)量好，工作效率高的價(jià)格也比較昂貴，一般的家庭都不會(huì)選擇。而那些價(jià)格低的又存在很多的問題。這就需要降低機(jī)器人的生產(chǎn)成本，使得清掃機(jī)器人能夠進(jìn)入更多的人的生活中。根據(jù)市場調(diào)查，清掃機(jī)器人市場具有很廣闊的前景，這就需要改進(jìn)機(jī)器人的生產(chǎn)技術(shù)，降低生產(chǎn)成本。另外，機(jī)器人還有一些其他問題需要解決，同時(shí)，關(guān)于機(jī)器人的技術(shù)也需要提高。
（1）機(jī)器人進(jìn)行打掃工作時(shí)，會(huì)有很大的噪音產(chǎn)生，這會(huì)嚴(yán)重影響人們的日常工作、生活；所以我們還需要繼續(xù)研究解決這個(gè)問題。
（2）我們還需要對(duì)如今的清掃技術(shù)進(jìn)一步完善，使得機(jī)器人打掃完成之后不會(huì)遺漏任何灰塵和垃圾。如今機(jī)器人在探索方面還存在著盲區(qū)，這就使得我們要不斷的完善傳感器。
（3）如今的掃地機(jī)器人基本上都可以實(shí)現(xiàn)自主充電，但是機(jī)器人的電源并不是最理想的，這需要我們進(jìn)一步提高電池的質(zhì)量，制造出理想的電源。
感謝
本次課題的設(shè)計(jì)很大程度上是因?yàn)槔蠋煹南ば闹笇?dǎo)完成的。從確定論文的題目到論文的完成一共歷時(shí)6個(gè)月，在這6個(gè)月當(dāng)中，老師嚴(yán)格要求我們，定時(shí)給出任務(wù)，這對(duì)論文的完成十分重要。每當(dāng)撰寫論文出現(xiàn)問題時(shí)，老師都能夠及時(shí)的給出引導(dǎo)，給出方向，老師淵博的知識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)時(shí)刻啟迪著我。我十分感謝老師在本次課題中提供的幫助，同時(shí)更加感謝老師在課題完成過程中的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。
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