家用清掃機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計【清潔地面-圓盤式】【含CAD圖紙+PDF圖】

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C語言程序設(shè)計教程 [M]. 北京：中國鐵道出版社，2008 [12] 新版機械設(shè)計手冊 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004 [13] 章小兵，宋愛國 地面移動機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2005，2 [14] 宗光華等編著. 機器人的創(chuàng)意設(shè)計及實踐 [M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2004,60-68 [16] 蔡自興主編. 機器人學 [M]. 北京：清華大學出版社 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表 學號 2010962923 姓名 劉鑫 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目：家用清掃機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 評價項目 評 價 內(nèi) 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本 要求，達到綜合訓練的目的； 2.難度、份量是否適當； 3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。 能力 1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機應(yīng)用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。 論文 （設(shè)計）質(zhì)量 1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴謹合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學；技術(shù)用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評 價 本設(shè)計選題綜合性較強，符合機械專業(yè)培養(yǎng)目標和要求；題目難度適中，與工業(yè)生產(chǎn)實際結(jié)合緊密。該生具有較強的查閱文獻和綜合歸納資料的能力，綜合應(yīng)用本科所學知識能力較強；計算機應(yīng)用能力較好，英文水平及應(yīng)用不錯。 論文立論正確，論述比較充分，整體結(jié)構(gòu)尚可；設(shè)計與計算科學，技術(shù)用語準確，圖紙完備，引文規(guī)范。論文文字通順，該設(shè)計具有一定的實際應(yīng)用價值。同意參加答辯。 評閱人： 2014年 月 日 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見 學號： 2010962923 姓名 劉鑫 專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 43 頁 圖表 9 張 論文（設(shè)計）題目： 家用清掃機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 內(nèi)容提要： 近年來，隨著機器人是技術(shù)的成熟，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(wù)機器人開辟了機器人應(yīng)用的新領(lǐng)域，自主移動家庭清掃機器人為家庭服務(wù)機器人的推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。服務(wù)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(wù)、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(wù)機器人提供了廣泛的市場應(yīng)用前景。服務(wù)機器人區(qū)別于工業(yè)機器人的一個主要特征就是服務(wù)機器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)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(wù)機器人大多數(shù)是移動機器人。 服務(wù)機器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟方面，并且起到了很大的作用。服務(wù)機器人的研究和發(fā)展對我們的經(jīng)濟發(fā)展有很多的影響。清掃機器人是當今服務(wù)機器人領(lǐng)域的一個熱門研究方向。這片文章提出一種全方位地面清掃機器人，主要面向家庭和辦公室等狹窄空間的清掃工作，主要通過闡述清潔機器人在服務(wù)行業(yè)的重要性，在對國內(nèi)現(xiàn)有家庭清掃機器人機械系統(tǒng)進行詳細分析的基礎(chǔ)上，對清掃機器人的清掃功能做了一定改進，讓讀者了解將來機器人發(fā)展對社會發(fā)展的重要性，文章還寫了本人對我國機器人現(xiàn)狀的一些調(diào)查和理解看法，在機器人發(fā)展中存在的一些影響因素，還有對機器人使用領(lǐng)域的一些展望。 指導(dǎo)教師評語 指導(dǎo)教師： 年 月 日 答辯簡要情況及評語 答辯小組組長： 年 月 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任： 年 月 日 目錄 摘要 …………………………………………………………………1 第一章 前言 1.1題目要求 ………………………………………………………3 1.2國內(nèi)外產(chǎn)品研究狀況 …………………………………………4 1.2.1 國外產(chǎn)品研究狀況 ………………………………………………………4 1.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 ………………………………………………………9 1.2.3 自主充電技術(shù)研究現(xiàn)狀 …………………………………………………10 1.3研究的目的和意義 ……………………………………………11 1.4設(shè)計的重點和難點 ………………………………………………11 第二章 家庭清潔機器人的關(guān)鍵技術(shù) 2.1傳感技術(shù) …………………………………………………………12 2.2路徑規(guī)劃技術(shù) ……………………………………………………12 2.3吸塵技術(shù) …………………………………………………………12 2.4電源技術(shù) …………………………………………………………13 第三章 清潔機器人的機械設(shè)計 3.1機械結(jié)構(gòu)組成和工作原理 ………………………………………13 3.1.1 機械結(jié)構(gòu)組成 ……………………………………………………………14 3.1.2 工作原理 …………………………………………………………………16 3.2清潔機器人總體設(shè)計 ……………………………………………17 3.2.1 機器人外形設(shè)計 …………………………………………………………17 3.2.2 機器人的行走機構(gòu)設(shè)計 …………………………………………………18 3.2.3 清掃機構(gòu)的設(shè)計 …………………………………………………………18 3.2.4 吸塵機構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………………………21 3.2.5 垃圾收集處理機構(gòu)設(shè)計 …………………………………………………22 第四章 具體計算 4.1電機選擇 ………………………………………………………24 4.2 蝸輪蝸桿的選擇 ………………………………………………25 4.3 清掃機構(gòu)電機的選擇 …………………………………………26 4.4 家用清掃機器人電池的選用 …………………………………26 4.5 清掃機構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計算 ………………………27 4.6 清掃機構(gòu)中渦輪軸的校核 ……………………………………28 第五章 總結(jié)和展望 5.1 發(fā)展趨勢 …………………………………………………………30 5.1.1 高度智能化 …………………………………………………………………30 5.1.2 功能擴展 ……………………………………………………………………30 5.1.3 低成本化 ……………………………………………………………………30 5.2展望 ………………………………………………………………30 參考文獻 ………………………………………………………………31 致謝 ……………………………………………………………………32 附錄 ……………………………………………………………………33 外文文獻 ……………………………………………………………………33 中文翻譯 ……………………………………………………………………40 摘要 二十一世紀是清潔環(huán)保的時代，中國新興的清洗產(chǎn)業(yè)必將迅猛發(fā)展。當今，各種綠色、環(huán)保的清洗技術(shù)不斷地推出，新型產(chǎn)品和機械設(shè)備不斷涌現(xiàn)，清洗產(chǎn)業(yè)也幾乎滲透到所有的工業(yè)服務(wù)領(lǐng)域，以及社會生活服務(wù)的各個方面，直至深入到人們的日常衣食住行中。人類生活水平不斷提高的今天，無論從環(huán)境美化、節(jié)能增效，還是從人們精神生活需要的角度，清潔業(yè)的全面進步已經(jīng)并正在成為市場經(jīng)濟發(fā)展不可缺少的推動力，能為社會環(huán)保事業(yè)做出不可忽視的貢獻。 清潔機器人又稱智能吸塵機器人或自動吸塵器，它涉及到機械、電子和計算機等相關(guān)知識，是將移動機器人技術(shù)和清潔技術(shù)融為一體，模仿人體清潔動作的高新技術(shù)產(chǎn)品。它不僅節(jié)省了勞動力資源，而且還解決了人類在復(fù)雜惡劣的環(huán)境之下不能持續(xù)工作的問題。近年來隨著科技和社會的不斷進步和發(fā)展，已受到國內(nèi)外的重視，成為服務(wù)性機器人一個新的研究方向，也成為目前家用電器領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的熱門研發(fā)課題。 服務(wù)機器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟各方面，并且起到了很大的作用。服務(wù)機器人的研究和發(fā)展對我們的經(jīng)濟發(fā)展有很多的影響。清掃機器人是當今服務(wù)機器人領(lǐng)域的一個熱門研究方向。本篇文章提出一種全方位地面清掃機器人，主要面向家庭和辦公室等狹窄空間的清掃工作，主要通過闡述清潔機器人在服務(wù)行業(yè)的重要性，對國內(nèi)現(xiàn)有家庭清掃機器人機械系統(tǒng)進行詳細分析的基礎(chǔ)上，對清掃機器人的清掃功能做了一定改進，讓讀者了解將來機器人發(fā)展對社會發(fā)展的重要性，文章還寫了本人對我國機器人現(xiàn)狀的一些調(diào)查和理解看法，在機器人發(fā)展中存在的一些影響因素，還有對機器人使用領(lǐng)域的一些展望。 關(guān)鍵詞：服務(wù)機器人，清潔機器人，運動原理，清潔方式。 ABSTRACT The 21st century is the era of clean and environmental protection, China's emerging cleaning industry will be rapid development. Today, all kinds of green, environmentally friendly cleaning technology constantly launch, new products and mechanical equipment, cleaning industry also permeates nearly all industrial sectors, as well as to various aspects of social life, to go deep into the People's Daily food and clothing live line. Today, human's living standards continue to improve, both from the landscaping, energy conservation and efficiency, and from the perspective of people spiritual life need, the overall progress of cleaning industry has been and is become indispensable driving force, the market economy development socially significant contributions to environmental causes. Cleaning robot is also called intelligent vacuuming robot or automatic vacuum cleaner, it involves knowledge such as machinery, electronics and computer, mobile robot technology and clean technology integration, the imitation of human body cleaning action of high-tech products. It not only saves labor resources，but also solve the human in the complex can't continue to work under the harsh environment. In recent years, along with the advance of science and technology and society and the development, has brought to the attention of the domestic and foreign, to become a service robot is a new research direction, also become the home appliances is the most challenging in the field of the hot research topic. Service robots have infiltrated our lives, work and the economy, and played a large role. Service robot research and development of our economic development have a lot of influence. Cleaning robot is a hot research direction in the field of service robots. This article puts forward a comprehensive ground cleaning robot, mainly for home and office of narrow space such as cleaning work, mainly through the importance of cleaning robot in the service sector, in the domestic existing home cleaning robot mechanical system, on the basis of detailed analysis of the cleaning robot cleaning function to do a certain improvement, let the reader understand the importance of robots in the future development of the social development, the article also wrote himself on the current status of the robot in our country, based on some investigation and understanding in some influence factors existing in the development of the robot, and to use some prospects in the field of robot. Key words：Service robots, cleaning robot, motion principle, clean way. 第一章 前言 1.1題目要求 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(wù)機器人開辟了機器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。服務(wù)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，如清沽、家務(wù)、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(wù)機器人提供了廣泛的市場應(yīng)用前景。服務(wù)機器人區(qū)別于工業(yè)機器人的一個主要特征就是服務(wù)機器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)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(wù)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(wù)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(wù)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，本次設(shè)計的題目《家庭清掃機器人》就是在這種背景下提出的，其具體設(shè)計要求如下： 設(shè)計家庭清潔機器人的工作內(nèi)容和要求： 運行機構(gòu)形式：滾輪式 最高行進速度：0.5m／s 高度:<100mm 寬度:<400mm 清潔方式：掃刷、吸塵 一次充電連續(xù)工作時間： 0.8小時 具有自動路徑規(guī)劃避障功能 具有自動充電裝置 1.2國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究 地面清潔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(wù)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?，F(xiàn)結(jié)合國內(nèi)外的文獻將清掃機器人及其自動充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀闡述如下： 1.2.1國外產(chǎn)品研究狀況 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(yīng)用，但是對于家庭機器人我們所了解的卻相當?shù)纳俣毡練W美等國家的研究則比較領(lǐng)先，在一些發(fā)達國家，早已開始采用服務(wù)機器人的清掃工作，有的都已經(jīng)投入市場，在實際中投入使用。 RC3000是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1-3所示，它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，保證在退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(yīng)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。扁平的設(shè)計使其能夠清潔床，沙發(fā)，茶幾等家具的下部位置，其相應(yīng)的充電站有紅外發(fā)射、工作時問設(shè)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(dǎo)航信號來指示機器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務(wù)，同時能夠根據(jù)用戶設(shè)定的信息來控制機器人完成相應(yīng)的操作。如圖1-3所示： 20世紀90年代初，美國就推出了地面清潔機器人“Roboscrub”，該機器人采用超聲波傳感器檢測障礙物，并配有高精度激光導(dǎo)航系統(tǒng)。2002年9月清潔機器人“Roomba”在美國面世，它重約2KG，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(yīng)用到了吸塵器上，“Roomba”的動作有自動遲緩但它卻能穩(wěn)定、安全地完成任務(wù)，由于能夠在完成任務(wù)后自動切斷電源，所以可以在外出期間讓“Roomba”在家進行清掃，如圖2所示： 圖2 美國“Roomba”清掃機器人 2002年10月1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，“特里洛洛伊特”主要由清掃機器和超聲波傳感器構(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1小時。 瑞典家電制造商伊萊克斯(Ekctdux)研制生產(chǎn)的清潔機器人小“三葉蟲”高13mm直徑35表面光滑，呈圓形，內(nèi)置搜索雷達，可以迅速地探測到并避開桌腿、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，以保持房問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)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問的格局，計算出清掃整個房問所需的時間，只要接近一件障礙物它便會重新設(shè)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障礙物。小“三葉蟲”的吸刷裝置中裝一只專利設(shè)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)吸塵如圖所示： 圖3 瑞典伊萊克斯(Ekctdux)公司清潔機器人小“三葉蟲” 在日本，東日本鐵路公司、Shink電器公司和Howa 工業(yè)有限公司聯(lián)臺研制了車站地面清掃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)的刷子將廢棄物掃入自帶容器中，該機器人可采用“磁導(dǎo)引方式”、“示教方式”或“墻面復(fù)制方式”控制，東日本路公司富士工業(yè)有限公司suba實驗室和JR東方設(shè)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，并將臟水吸入所帶的容器中，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(shè)定模式”，即將待清洗的面積分為若干個單位而積，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)裝的路徑地圖行駛，機器人可存9幅地圖，并可利用IC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(fù)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，其體積小、重量輕、易于出入車廂及在車廂之間，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，松下和日立公司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，可以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9min，相當于人打掃同樣大房間所需時間的1-1.5倍，可清掃房間地板的92％-93％，機器人利用光及超聲波的測距傳感器及感應(yīng)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自舵?zhèn)鞲衅?，可以檢測出由于地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進方自偏差，由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10cm的距離，而在探測到熱源時將會同熱源至少保持50cm的距離。 英國Dy son公司最近推出一種型號為DC06的智能吸塵器，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4所示，吸塵機器人形狀呈50厘米長的模型汽車狀，重9.2公斤左右，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、房問大小及臟亂程度、家具的配置等。要是小孩或動物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采用保護措施以防止?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，其他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4所示： 圖4 英國Dy son公司DC系列清掃機器人 澳大利亞的FloorBotics公司最近也研制出可自動行駛并打掃房間的V4型機器人，如圖1-5所示，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，可以搜索各種房問里的每一處，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，ARNA導(dǎo)航算法引導(dǎo)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(dǎo)航沿房間的周圍，所以它要創(chuàng)建自己的空間參考圖，機器人不需要任何編程教它應(yīng)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，按下開始按鈕即可。如圖1-5所示： 2003年11月，三星公司推出一款代號為VC-RP30W的機器人，如圖1-6所示： VC-RP30W主要依靠3D地圖技術(shù)來進行定位，并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，VC-RP30W會自動轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強大的智能判斷系統(tǒng)使得VC-RP30W能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掃區(qū)域等，從而實現(xiàn)主人不在家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(shè)置外，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。整個機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3D地圖，而不是像RC3000那樣使用紅外的導(dǎo)航信號。 1.2.2國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 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定的成果，對清掃機器人相關(guān)技術(shù)如機器人感知、機器人導(dǎo)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)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。 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：采用全放位移動技術(shù)，使機器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；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(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實時避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運動兩種運動方式；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(shè)計成功國內(nèi)第一個左右初步能自主吸塵的機器人，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，自行回到充電座補充電力。吸塵機器人在5.5×3.5m2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、智能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。如圖1-7所示： 圖1-7 國產(chǎn)KV8保潔機器人 KV8保潔機器人是今年在市場上以低價位賣得比較火的一款產(chǎn)品，也是國內(nèi)首個產(chǎn)品化清掃機器人。它廣泛適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。KV8能夠通過自身的碰撞傳感器來實現(xiàn)隨機的清掃和碰撞處理，需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。 1.2.3電源自主充電技術(shù) 自主充電也是目前清掃機器人的主要研究問題，當清掃機器人在清掃過程中能夠自我感知電量不足時，將暫停清掃作業(yè)主動尋找充電站，進行自動充電的能力，也是表現(xiàn)機器人自主認知能力的主要方面。20世紀40年代末，G熱源Walte開發(fā)第一個自主充電的移動機器人名為：“Tortoises”，這種機器人具有在神經(jīng)學研究中想著光線走的行為。Walter還發(fā)明了一個可以充電的小櫥，櫥中有能夠發(fā)射光束的裝置和充電器，并把它當作充電站。通過光纖束的引導(dǎo)，機器人來到櫥前通過接觸從而自主充電，這個系統(tǒng)有如下的特征： (1)機器人的感知行為：感光； (2)充電站能夠發(fā)出機器人可以感知的光束； (3)能夠?qū)﹄姵睾统潆娖鬟M行具有一定準確性地對接。 1998年Tsukuba大學成功開發(fā)出了一款可以自動充電的名為Yamabico-Liv的導(dǎo)游機器人。通過使用導(dǎo)航系統(tǒng)，該機器人能夠利用地圖自主導(dǎo)航繞越實驗室的環(huán)境到達充電站，通過充電站上一特殊的裝置的作用實現(xiàn)自主充電。 因此，當前對自主充電功能的設(shè)計研究也有很多。利用充電基站發(fā)出紅外線信號，幫助清掃機器人尋找充電站的位置是目前已經(jīng)研究成熟的方法?；緦φ诠ぷ鞯那鍜邫C器人兩種相對離充電基站遠近不同的信號，但當機器人收索不到信號時，會根據(jù)已經(jīng)建立的地圖去尋找充電位置，按照相應(yīng)路徑規(guī)劃去靠近基站，直到收到信號為止。如德國的凱馳RC30000的清掃機器人就利用類似的原理自動充電。國內(nèi)的清掃機器人能自動充電的產(chǎn)品較少。自主研究的成果也有，如哈爾濱工業(yè)大學開發(fā)的清掃機器人就能自動尋找充電站對接技術(shù)，但未見產(chǎn)品上市。 1.3研究的目的和意義 清掃機器人將移動機器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機地融臺起來，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(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自動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。就市場前景角度講，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鹿清掃機器人。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(wù)。 1.4設(shè)計的重點和難點 由前面的設(shè)計家庭清潔機器人的工作內(nèi)容和要求，在寬400高100 的體積下如何設(shè)計和布置好清掃機構(gòu)、行走機構(gòu)、吸塵機構(gòu)和儲存垃圾機構(gòu)是本次設(shè)計的重點，機器人中的關(guān)鍵部分清掃機構(gòu)的設(shè)計也是本次設(shè)計中的難點所在。因為還要求所設(shè)計的機器人具有避障功能，所以其外形設(shè)計也應(yīng)該考慮清掃后的垃圾如何處理，以及如何布置吸塵設(shè)備也是本次設(shè)計中需要仔細考慮的問題。 第二章 家庭清潔機器人的關(guān)鍵技術(shù) 家庭清潔機器人的關(guān)鍵技術(shù)吸塵機器人系統(tǒng)通通常由四個部分組成：移動機構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動機構(gòu)是吸塵機器人的主題，決定了吸塵器的運動空間，一般采用輪式機構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、接觸和接近覺傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機等。隨著近年來計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動機器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，吸塵機器人控制系統(tǒng)研究和開發(fā)已具備了件事的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。吸塵機器人的控制與工作環(huán)境往往是不確定的或多變的，因此必須兼顧安全可靠性、抗干擾性以及清潔度。用傳感器探測環(huán)境、分析信號，以及通過適當?shù)慕７椒▉砝斫猸h(huán)境，具有特別重要的意義，近年來對智能機器人的研究表明，對于工作在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的自主式移動機器人，要進一步提高其自動化程度，主要依賴模式識別及障礙物識別、實時數(shù)據(jù)傳輸及適當人工智能方法，還需要進一步開發(fā)全局模型，從而為機器人獲取全局信息。目前發(fā)展較快、對吸塵機器人發(fā)展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是：傳感技術(shù)，智能控制技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、吸塵技術(shù)、電源技術(shù)等。 2.1傳感技術(shù) 為了讓吸塵機器人正常工作，必須對機器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進行監(jiān)控，還要感知機器人所出工作環(huán)境的靜態(tài)和動感信息，使得吸塵機器人相應(yīng)的工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應(yīng)工作環(huán)境的變化。 通常采用的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。其中內(nèi)部傳感器有：編碼器、線加速度計、陀螺儀、磁羅盤等。其中編碼器用于確定當前機器人的位置，線加速度計獲取線加速度信息，進而得到線加速度和位置信息；陀螺儀測量移動機器人的角度、角速度、角加速度以得到機器人的姿態(tài)角、運動方向和轉(zhuǎn)動時運動方向的改變等絕對航向信息。外部傳感器有視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸很接近傳感器。視覺傳感器采用CCD攝像機進行機器人的視覺導(dǎo)航與定位、目標識別和地圖構(gòu)造等；超聲波傳感器測量機器人工作環(huán)境中障礙物的距離信息和地圖構(gòu)造等。紅外線傳感器大多采用紅外接近開關(guān)來探測機器人工作環(huán)境中的障礙物以及避免碰撞。接觸和接近覺傳感器多用于避碰規(guī)劃。 2.2路徑規(guī)劃技術(shù) 吸塵機器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)機器人所感知到的工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標，在起始點和目標點規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑，并且實現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。機器人路徑規(guī)劃研究始于20世紀70年代，目前對這一問題研究仍舊十分活躍。其主要研究內(nèi)容按機器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動態(tài)已知環(huán)境動態(tài)不確定環(huán)境，按機器人獲取環(huán)境信息的方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和給予傳感器的路徑規(guī)劃 對運動規(guī)劃問題，目前有具體的解析算法。但由于解析算法牽涉到復(fù)雜的橢圓積分問題，實現(xiàn)起來依然具有相當?shù)碾y度。根據(jù)機器人對環(huán)境信息知道的程度不同，可分為為兩種類型：環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知，通過傳感器在線地對機器人的工作環(huán)境進行探測，以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息的局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個子問題。其中環(huán)境建模的主要方法有：可視圖法（V-Graph）、自由空間法(Free spaccApproach)和柵格法(Grids)等。 2.3吸塵技術(shù) 真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風扇在機體自形成真空從而產(chǎn)生強大的氣流，將塵埃和垃圾通過吸口吸入機體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。吸塵系統(tǒng)包括濾塵器、集塵袋、排氣管以及其他一些附件。其吸塵能力取決于風機的轉(zhuǎn)速大小。最近，澳大利亞Jetfan公司又開發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個吸塵器是一個封閉系統(tǒng)，既無外部氣體吸入，也無機內(nèi)氣體排除，所以就無需濾塵器、集塵袋、排氣管等附件。其原理是利用附壁效應(yīng)去形成利亞渦流氣體，最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi)的渦流腔內(nèi)，在英國Dyson公司最近推出的DC06型智能吸塵器就采用的了這種技術(shù)。 2.4電源技術(shù) 移動電源在吸塵機器人中的地位十分重要，可以說是它的生命源。移動電源需要同時滿足吸塵機器人的多種能源需要，如為移動機構(gòu)提供動力，為控制電路提供穩(wěn)定的電壓和為吸塵操作模塊提供能源等。在這一領(lǐng)域，一般采用化學電池作為移動電源。理想的電源應(yīng)該能夠在放電過程中保持恒定的電壓，內(nèi)阻小以便快速放電，可充電以及成本低等，但實際上沒有一種電池可同時具備上述優(yōu)點，這就要求設(shè)計人員選擇一種合適的電池，盡可能增加吸塵機器人的不間斷工作時間。 第三章 清潔機器人的機械設(shè)計 3.1機械結(jié)構(gòu)組成和工作原理 本課題要研制結(jié)構(gòu)小巧、靈活，控制簡單、易于實現(xiàn)，初步完成自主移動、自動避障和路徑規(guī)劃任務(wù)的清潔機器人。整個清潔機器人由機械部分和控制系統(tǒng)兩大部分組成。機械部分包括高強度塑料底盤、外殼、兩個驅(qū)動輪和一個隨動輪。它們是吸塵點擊、清潔刷、電池以及控制系統(tǒng)的載體。機器人整體外觀，如圖3-1所示： 3.1.1 機械結(jié)構(gòu)組成 本清潔機器人的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。主要包括以下幾部分： (1)行走驅(qū)動輪及驅(qū)動電機。該部分主要保證機器人能夠在平面內(nèi)移動。殼體前端和側(cè)面裝有紅外開關(guān)、作為碰撞檢測傳感器。底面的3個紅外開關(guān)作為臺階檢測傳感器，防止跌落。驅(qū)動輪上裝有光電編碼盤、可以對輪速進行檢測和控制、實現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。同時還擴展了超聲波傳感器，用于精確定位的需要。 (2)清掃機構(gòu)。用電機帶動兩個清掃刷、使左面清掃刷順時針轉(zhuǎn)動，右面逆時針轉(zhuǎn)動，這樣就可以在清掃灰塵時將灰塵集中于吸風口處，為吸塵機構(gòu)的工作做準備。 (3)吸塵機構(gòu)。旨在強大的吸力、將灰塵吸入灰塵儲存箱中。 清掃機器人機械大體結(jié)構(gòu)組成 移動機構(gòu)是其它部件的載體，機器人移動機構(gòu)按結(jié)構(gòu)分有輪式、履帶式和步行式等。輪式和履帶武機器人適合條件較好的地面，而步行機器人剛適合于條件較差的路面。本課題研制的自主清潔機器人工作在環(huán)境較好的室內(nèi)，所以采用輪式移動機構(gòu)較為適合。 輪式移動機器人一般有三輪、四輪和六輪，移動機器人若采用三輪結(jié)構(gòu)則比較簡單，能夠滿足一般的需求，應(yīng)用也比較廣泛；四輪的穩(wěn)定性好，承載能力較大，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；六輪與四輪類似．只不過有更大的承載能力和穩(wěn)定性。在本課題中．清潔機器人的重量不是很大，工作條件是室內(nèi)，也不惡劣，三點確定一個平面，三輪理論上也是穩(wěn)定的，但是對負載有一定的限制，對三輪動機器人來說，重心都比較低，載荷穩(wěn)定且中心位置基本不發(fā)生變化．所以采用三輪結(jié)構(gòu)就能滿足要求。 三輪轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有兩種方式： (1)鉸軸轉(zhuǎn)向式：轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)自電機通過減速器和機械連桿機構(gòu)控制鉸軸從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。 (2)差速轉(zhuǎn)向式：在機器人的左、右輪上分別裝上兩個獨立的驅(qū)動電機，通過控制左右輪的速度比實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。在這種情況下，非驅(qū)動輪影子有輪。移動機器人若采用鉸軸轉(zhuǎn)向式控制簡單，但精度不是太高；差動轉(zhuǎn)向式控制復(fù)雜但精度較高?？紤]到本課題清潔機人將來作為服務(wù)型機器人使用，在控制方式上應(yīng)達到一個較高層次，所以采用差動輪轉(zhuǎn)向式比較好，并且其運動轉(zhuǎn)向的精度也高一些，以便為以后的避障和軌跡規(guī)劃打下一個良好的基礎(chǔ)。因此本系統(tǒng)的移動機構(gòu)采用的是三輪差速轉(zhuǎn)向式的，如圖3-3所示 圖3-3 三輪差速轉(zhuǎn)向式驅(qū)動結(jié)構(gòu) 按照上述的移動結(jié)構(gòu)，通過改變作用于步進電機的脈沖信號的頻率，可以對步進電機實現(xiàn)較高精度的調(diào)速。同時在對兩電機分別施以相同或不同的脈沖信號時，通過差速方式，可以實現(xiàn)吸塵器的前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭等功能。清潔機器人采用兩直流電動機獨立驅(qū)動左右兩輪的差動方式，控制點單、精確易于實現(xiàn)，清潔機器人能夠在任意半徑下實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、甚至可以實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑(即繞軸中點原地旋轉(zhuǎn))。 3.1.2工作原理 本系統(tǒng)的功能模塊關(guān)系如圖3-4所示。清潔機器人由多個功能模塊共同組成，這幾個模塊共同工作，相互協(xié)調(diào)、相互作用、保證了機器人能夠順利的進行清掃。具體的工作原理如下，清潔機器人的中心是清潔機器人的CPU，它對其它各個功能模塊進行控制。信息采集模塊負責采集周圍環(huán)境以及機器人本身的各種信息鍵盤模塊和紅外遙控接收模塊可以接收人們對機器人的控制信息，然后把信息傳給CPU進行處理。當接收到需要機器人進行清掃工作的信號，CPU可以通過控制行走機構(gòu)和清潔機構(gòu)讓機器人進行工作。在機器人工作的過程中還可以通過LCD顯示模塊和狀態(tài)指示模塊對機器人的狀態(tài)進行時實的顯示。 機器人工作的流程如下： (1)首先可以通過鍵盤或者遙控器啟動清潔機器人，讓它開始清掃工作。 (2)機器人一旦開始工作，便控制清掃機構(gòu)進行清掃、吸塵機構(gòu)開始吸塵。 (3)機器人開始工作、傳感探測模塊就開始不斷地采集外部信息，送到CPU進行分析和決策產(chǎn)生機器人行走的路徑。 (4)當路徑規(guī)劃需要機器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的時候，CPU就分別改變左右輪的速度，通過差速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 (5)工作期間機器人可以通過LCD顯示一些相關(guān)信息(比如工作模式、工作計時或溫度)。 (6)遙控器除了可以控制清潔機器人的啟停，還可以對機器人進行定時，讓機器人在一定時間后開始工作或者工作一定時間后停止工作。 該機器人利用安裝的各類傳感器來獲取室內(nèi)環(huán)境以及自身的基本信息，如障礙物的位置、自身走過的距離等，然后根據(jù)獲得的信息，選定相應(yīng)的公職策略，通過以單片機為核心的控制系統(tǒng)進行障礙物判斷、避障策略選擇和運動行走實是。機器人面板上有控制其開始/停止工作的按鍵。同時也可以通過來控制遙控，還可以用來對機器人進行定時，LCD實時的顯定時的倒計時和當前的溫度值。 3.2清潔機器人總體設(shè)計 3.2.1機器人外形設(shè)計 根據(jù)家庭清潔機器人的設(shè)計要求，本次設(shè)計的機器人應(yīng)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(shè)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(shè)計為長寬均為400mm高位100mm的長方體。但是后來發(fā)現(xiàn)多設(shè)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(shè)計為圓盤形，其外部輪廓大體如圖3-5所示 3.2.2機器人的行走機構(gòu)設(shè)計 為實現(xiàn)機器人的轉(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，選樣設(shè)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