清掃機器人結(jié)構(gòu)設計

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1、畢業(yè)設計（論文） 中文題目： 清掃機器人結(jié)構(gòu)設計 學習中心（函授站）： 江陰 專 業(yè)：機械設計及自動化 姓 名： 夏成 學 號： CS051410248 指導教師： 孫菊 南京航空航天大學 2019年4月 目錄 中文摘要 I ABSTRACT. II 第一章緒論 1 第一節(jié)研究的目的和意義 1 第二節(jié)設計的重點和難點 1 第三節(jié)家庭清掃機器人的關鍵技術 1 第四節(jié)論文主要完成工作 2 第二章總體結(jié)構(gòu)設計 3 第一節(jié)整體結(jié)構(gòu)布局 3 第二節(jié)驅(qū)動部分 4 第三節(jié)吸塵部分 6 第四節(jié)電源部分 6 第五節(jié)路徑規(guī)劃算法 6 第六節(jié)仿真結(jié)果 8 第三章硬

2、件控制部分設計 9 第一節(jié)AT89系列單片機簡介 9 第二節(jié)外圍電路 9 結(jié)論 11 致謝 12 參考文獻 13 題目：清掃機器人結(jié)構(gòu)設計 中文摘要 摘 要：清掃機器人屬于服務機器人的一種，世界各國尤其是西方發(fā)達國家都在致力 于研究開發(fā)和廣泛使用服務機器人。如果清掃機器人的性價比足夠高，那么清掃機器人的 市場將會被看好。 本文介紹了清潔機器人在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和應用情況，側(cè)重研究了清潔機器人的避障 控制系統(tǒng)。結(jié)合實驗室實際條件，設計了機器人樣機。其主要工作內(nèi)容包括 ：小車機械本 體設計、控制理論的介紹、AT89C51單片機控制系統(tǒng)硬件電路及檢測電路設計、控制系統(tǒng) 軟件設計和

3、機器人避障性能測試試驗。 通過實驗表明所設計的機器人樣機能夠?qū)崿F(xiàn)自主避碰的功能，達到設計要求。 關鍵詞：清潔機器人 避障AT89C51單片機 Abstract Cleaning robot is one part of the serving robot..Serving robot is beingresearched and developed in the countries all over the world,and which is beingused widely in the west developed countries. If the rate of quali

4、ty and price of thecleaning robot is highly enough ,the market of the cleaning robot would beprospered. The paper studies the applications and developments of cleaning robot athome and abroad, and researches the control system of the cleaning robot avoidinga obstacle mainly. The model is designed

5、under the actual condition of the lab. The main work of the paper is as follows. The mechanical design of cleaning robot,thetheory of the control system, the design of control system of hardware circuit andsoftware based on AT89C51 SCM, the design of inspective circuit and theexperiment of performa

6、nce of the cleaning robot avoiding a obstacle. The result of the experiment shows that the robot designed has the functionsof avoiding a obstacle, so it fills the demand of the task. KEY WORDcleaning robot avoid a obstacle AT89C51 SCM. 緒論 第一章 第一節(jié) 研究的目的和意義 清掃機器人將移動機器人技術和吸塵器技術有機地融合起來，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面） 的

7、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用，從技術方面講，智能化清掃機器人比較具體 地體現(xiàn)了移動機器人的多項關鍵技術，具有較強的代表性。從市場前景角度講，清掃機器 人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 器人領域的關鍵技術，本課題旨在開發(fā)一部價格便宜，全區(qū)域覆蓋，能夠充分滿足家庭需 求且方便適用的智能家庭清掃機器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式，使家庭生 活電氣化、智能化，使科技更好地為人類服務。

8、 第二節(jié)設計的重點和難點 由前面的設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)。 路徑方式的選擇，以及如何用軟件控制實現(xiàn)其避障功能。 第三節(jié) 家庭清掃機器人的關鍵技術 家庭清潔機器人的關鍵技術吸塵機器人系統(tǒng)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)是吸塵機器人的主體，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、接觸和接近傳感器、紅外線傳感器等。 隨著近年來計算機技術、人工智能技術、傳感技術以及移動機器人技術的迅速發(fā)展 清掃機器人控制系統(tǒng)

9、的研究和開發(fā)已具備了堅實的基礎和良好的發(fā)展前景。 清掃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。 目前展較快、對清掃機器人發(fā)展影響較大的關鍵技術是 ：傳感技術、智能控制技術、 路徑規(guī)劃技術、吸塵技術、電源技術等。 傳感技術 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，還要感知機器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動態(tài)信息 ，使得吸塵機器人相應的 工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應工作環(huán)境的變化。 第四節(jié) 論文主要完成工作 課題主

10、要完成的工作包括清潔機器人結(jié)構(gòu) 設計，驅(qū)動電機選擇，傳感器的選擇，控制算法的研究，硬件電路設計 和軟件編程及試驗。 1 .機械結(jié)構(gòu)部分 包括機器人構(gòu)成方案選擇、機器人本體機構(gòu)設計和驅(qū)動電機的 選擇 2 .避障系統(tǒng)控制方案 包括機器人障礙檢測系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的確定和控制算法的選 擇 3 .控制系統(tǒng)硬件部分 包括AT89C51單片機控制系統(tǒng)硬件電路設計、電機驅(qū)動電路 設計和傳感器檢測硬件電路設計 4 .控制系統(tǒng)軟件部分包括AT89C5俾片機控制系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設計 第二章總體結(jié)構(gòu)設計第一節(jié)整體結(jié)構(gòu)布局 整個機器人的結(jié)構(gòu)由車體，吸塵裝置，傳感部分，控制部分組成。 傳感部分包括車身兩側(cè)

11、的光電傳感器和前面的碰板和光電開關組成的接觸式傳感器。 機器人前輪為隨動輪，后輪采用差動式驅(qū)動，光電編碼器裝在前隨動輪上，與隨動輪同 軸。 當發(fā)生碰撞時，碰板帶動光開關移動產(chǎn)生信號變化。光電傳感器對車體側(cè)面進行探測， 判斷左右轉(zhuǎn)彎是否可行。如結(jié)構(gòu)簡圖 2所示: 圖2.1 清掃機器人結(jié)構(gòu)示意圖 考慮到機構(gòu)和控制的復雜性，本清掃機器人采用圓形車體，圓形車體的最大優(yōu)點是運 動靈活，控制簡單，不會發(fā)生卡死的現(xiàn)象。 車體前端是一個碰板系統(tǒng)由一套機械裝置和光電開關組成 ，用于檢測運動前方的障礙 物。 左右二個后輪獨立驅(qū)動，每個輪子都有電機、光電傳感器，各自是一個獨立的系統(tǒng)，只 接受控

12、制系統(tǒng)的控制信號和反饋給控制系統(tǒng)運動信息。 中間鏤空的部分是清掃系統(tǒng)，包括二個電機驅(qū)動的一個清掃裝置和一個吸塵裝置。 車體左右二側(cè)裝有二個光電傳感器，用于對小車轉(zhuǎn)彎可行性判斷。 前輪的支撐部分是一個垂直方向可滑動桿 ，中間有彈簧做緩沖（運動的時候也有減震 的作用）。 本機器人沒有采用陣列式碰撞傳感器。而是獨立設計了一塊碰板和光電開關組成 ，它 可以檢測到車體前方的一切障礙物，不存在任何盲點。 弧形的碰板通過2個連桿和車體較接在一起，連桿和碰板連接的部分可以沿碰板外徑 方向滑動， 而和車體連接的部分可以旋轉(zhuǎn)，碰板二端和光電開關相連，當碰撞引發(fā)碰板移動后，通 過光電開關的變化把信

13、號反饋給控制系統(tǒng) 碰板可以把障礙物的位置分為 3類：正前方，前方,右前方。通過2個光電開關的組合 狀態(tài)給出，如果2個光電開關的初始狀態(tài)是00 如表1所示。 表2.1碰撞檢測對照表 左光電無關 右光電開美 障礙物位置 0 0 未碰撞 0 1 右前 1 0 左前 _ 1 具制1搜索 止而 L ? 整個清掃系統(tǒng)通過后方的圓孔和車體相較接，可以作很小幅度的擺動，這樣的設計將 使機器人對地面的適應性有很大提高 ，整個清掃系統(tǒng)又可以分為清掃部分和吸塵部分 ，每 部分各有1個電機提供動力，清掃部分在前端，由電機帶動2個旋轉(zhuǎn)方向不同的滾刷轉(zhuǎn)動， 從而把紙片等大

14、塊垃圾清掃進后面的灰塵箱。 后面的吸塵系統(tǒng)類似一個吸塵器，橡膠制成的吸塵端口與地面相接。這樣雙選擇性的 清掃比一般地單一清掃方式效果要好的多。 第二節(jié)驅(qū)動部分 驅(qū)動部分是由兩個四相步進電機以及相應的驅(qū)動機構(gòu)組成的。 步進電機帶動兩驅(qū)動輪，后輪， 構(gòu)，而采用了應用非常廠泛的平卸軸承 r 從而推動吸塵器運動。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結(jié) ,這既減小了結(jié)構(gòu)復度，又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性 /-\ 齒用 \ ,w Aw n \ *進電機 圖2.2驅(qū)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相同或不同脈沖信號時

15、，通過差速方式，可以方便的實現(xiàn)吸 塵器前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭等功能。 這一設計的最大優(yōu)點是吸塵器能夠在任意半徑下 ，以任意速度實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，甚至當兩 后輪相互反向運動時，實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑繞軸中點原地施轉(zhuǎn)動。 同時轉(zhuǎn)彎的速度可通過改變單片機的程序來調(diào)節(jié)。 根據(jù)所需的驅(qū)動力矩和其它結(jié)構(gòu)要求，驅(qū)動電機選用北京四通集團公司的 57BYG250E-SAFRML-01駛兩相混合式步進電動機。其參數(shù)如表 2.2所示； 總工2 方進電機參數(shù) 相數(shù) 9 心 步距角(° ) 0. 9/1. 8 靜態(tài)相電流(A) 1. 5 HI >11141 (G) L。 相甩感(Mh

16、) 5. 3 保持轉(zhuǎn)知(Nm) 1. 5 定位轉(zhuǎn)矩(Nm) 0. 06 空載后動頻率(半步方式)(KHz) 3 量量(Kg) 1. 5 轉(zhuǎn)動/St (gcnf) 330 第三節(jié)吸塵部分 吸塵部分是由封閉在殼體中的小型吸塵器完成的。 包括氣泵，吸室，吸道和吸嘴。在吸塵器爬行的過程中，通過底盤上開的吸嘴將掃過 的地面上的灰塵吸入吸室。 第四節(jié)電源部分 由于智能吸塵器是以自主方式工作的，因而所用的電源不是一般脫線方式，而是采用 隨身攜帶的蓄電池，這樣不但可實現(xiàn)無人控制，而且工作時比較靈活。 一次充電可以連續(xù)工作幾個小時。 第五節(jié)路徑規(guī)劃算法 在本算法中，機器

17、人的路徑大體分為兩類： ①面覆蓋的過程，機器人走直線，相當于一個“迂回推進”的過程 ②從當前點到目標點的尋徑過程，從定位的準確性考慮，路徑段也為直線。 開始的時候機器人選擇房間的一個角落 （2座墻壁的交接點,便于機器人定位）作為初始點,坐標為（0, 0）,即機器人上的p點 坐標為（0, 0） （本文中的坐標都是指p點坐標），沿一側(cè)墻的方向建立X軸，第一次清掃沿X軸的方 向,完成后,返回原點,沿Y軸方向進行第二次清掃。 這樣既保證了清潔質(zhì)量，又在很大程度上避免了 1次清掃所帶來的死角問題。 而且由于2個方向的互補性，并不需要為了遍歷的完整性而采用更為煩雜的算法 , 通過2次數(shù)據(jù)融

18、合就可以得到較為精確的環(huán)境信息機器人的路徑為迂回前進的路徑 段， 每個路徑段的間隔為機器人清潔機構(gòu)的清掃直徑 ，碰到障礙物后，機器人的轉(zhuǎn)向90。 并且側(cè)移20cm，在轉(zhuǎn)向90° , 這個動作由控制系統(tǒng)做好保存，直接調(diào)用，記為microl。 （在前進過程中，發(fā)生碰撞時，機器人的轉(zhuǎn)向所采取的方向，取值可以為“左“或者“右”， 由碰撞次數(shù)的奇偶性決定。 前可行的方法就是一通過建立被控制對象的模糊模型來實現(xiàn)模糊控制器。 所謂建立被控制對象的模糊模型就是用“如果一一那么”的形式來描述 被控對象的 動態(tài)特性。 一條“如果一那么"表達式就是一條控制規(guī)則，因此被控制對象的

19、模型是由多條控制 規(guī)則組成的，這樣通過該模型就可以從輸入推理得出輸出。 具體到本課題，模糊規(guī)則設定如下： 規(guī)則1:如果機器人前方為階梯（沿X軸方向遍歷），那么它應該左轉(zhuǎn)一前行一再左轉(zhuǎn)； （把此類型障礙物當作墻來處理） 規(guī)則2:如果機器人前方有障礙物（沿 X軸方向遍歷），同時左側(cè)也有障礙物，那么它 應該原地轉(zhuǎn)彎180度；（記為左轉(zhuǎn)為不可行） 規(guī)則3:如果機器人懸空，那么它應該執(zhí)行電源關操作 規(guī)則4:如果機器人前方為階梯（沿Y軸方向遍歷），那么它應該從右轉(zhuǎn)一前行一再右 轉(zhuǎn)；（把此類型障礙物當作墻來處理） 規(guī)則5:如果機器人前方有障礙物（沿 Y軸方向遍歷），同時右側(cè)也有障礙物，那么它

20、應該原地轉(zhuǎn)彎180度；（記為右轉(zhuǎn)為不可行） 規(guī)則6:如果機器人右前方?jīng)]有障礙物，那么它應該直線前行； 規(guī)則7:如果機器人沿X軸方向遍歷完成，那么執(zhí)行沿 Y軸方向的遍歷；（完成與否的 判定根據(jù)是否有連續(xù)兩次轉(zhuǎn)彎不可行） 規(guī)則8:如果機器人完成了沿X軸和Y軸方向的遍歷，那么小車執(zhí)行回充電插座充電。 第六節(jié)仿真結(jié)果 由于只是表達路徑規(guī)劃的算法，為了描述清晰及簡便，采用矩形環(huán)境邊緣，障礙物也選 用邊緣規(guī)則的矩形，U型等，而實際上由于采用碰撞作為邊緣觸發(fā)條件。 經(jīng)過機器人路徑的規(guī)劃設計對機器人的路徑以達到清掃能到達的角落，不留清掃盲 區(qū)。 第三章硬件控制部分設計 在實際應用中，機器人車

21、體下部需安裝吸塵或清掃等輔助機構(gòu)，故控制 系統(tǒng)安裝在 小車底板的上面。 控制系統(tǒng)硬件主要包括 AT89C51單片機控制系 統(tǒng)及其外圍電路、電機驅(qū)動電路和傳 感器檢測電路。 第一節(jié)AT89系列單片機簡介 機器人的控制系統(tǒng)采用的是 AT89C51單片機。AT89系列單片機是ATMEL公司的系列 產(chǎn)品。 其主要特點如下：1.與MCS-51”產(chǎn)品兼容2.1000次重復編程/擦寫 3.具有2. 7V低電壓型號 衣3. 1 ATS9系列單片機的性能參教 功能參數(shù) AT89C51 ATS9C52 89cl051 89C2051 閃速式存儲器C字節(jié)） 4K 8K 1K 2K

22、內(nèi)存（字節(jié)） 128 256 64 128 工作頻率 24 24 24 24 輸入/輸出線 32 3? 15 15 16位定時器/數(shù)器 9 占, 3 1 2 中斷源 5 8 3 5 串行口 1 1 0 1 第二節(jié)外圍電路 .電源 AT89C51單片機正常工作時，具 40腳(Vcc)接+SV電源，20腳(VSS接地。 AJMP LOOP1 DLY : MOV R4 , #M 通過改變M,M1的值調(diào)整轉(zhuǎn)速DLY1 : MOV #M1 LOOP2: DEC A JNZ LOOP2 DJNZ R4, DLY1 R

23、ET 、左輪控制程序: ZLKZ: PUSH MOV A , @R0 MOV P1.3 R0 控制字存儲地址增 是結(jié)束標志轉(zhuǎn)移 步數(shù)不為0,轉(zhuǎn)移 保護現(xiàn)場 MOV R0 控制字存儲地址增 是結(jié)束標志轉(zhuǎn)移 步數(shù)不為0,轉(zhuǎn)移 恢復控制字首址 MOV R4 , #M 通過改變 LOOP2 DJNZ ACALL DLY ;調(diào)用延時程序 INC 1 MOV A ,#00H ORL JZ POP TPL LOOP1 DJNZ R3 , LOOP @R0 ACALL 1 MOV A JZ POP SUBB ZLKZ: PUS

24、H A MOV P1.3 DLY ,#00H ORL ;調(diào)用延時程序 INC TPL LOOP1 RET TPL DJNZ R3 , LOOP :MOV A , R0 ,#06H MOV R0 , A AJMP LOOP1 DLY M,M1的值調(diào)整轉(zhuǎn)速 R4, DLY1 RET DLY1: MOV A , #M1 LOOP2: DEC A JNZ 結(jié)論 工作效 雖然清掃機器人的研究已經(jīng)取得了很大進步，進入了實用階段，但是自主能力、 率方面還不理想，需要在技術上解決傳感器技術、定位和環(huán)境建模技術 在此基礎上，自主吸塵機器人可以向著高度智能化

25、、多功能集成、低成本的方向發(fā)展。 清掃機器人作為服務機器人領域中的一個新產(chǎn)品，將使人們能在無人看守情況下輕松 地完成室內(nèi)環(huán)境的吸塵等清潔工作。 因此，只要生產(chǎn)成本兼顧到日用電器批量大、價格低的特點 ，清掃機器人將具有誘人 的市場前景，有關資料也預測清掃機器人是未來幾年需求量最大的服務機器人 特別是日用清潔電器不論是在市場上或者是在產(chǎn)品的創(chuàng)新上 ，絕對是所有小家電產(chǎn)品 中最活躍的，未來仍有相當大的成長空間。 致謝 隨著畢業(yè)設計的完成，我的大學生涯很快就要劃上句號。 臨近畢業(yè)，更多的是眷戀與不舍，三年，一段不短的時間，讓我從青澀走向成熟。 回顧這一程求學路，給我?guī)椭娜颂嗵啵?/p>

26、此學業(yè)即將完成之際對他們獻上我誠 摯的謝意。 飲其流時思其源，成吾學時念吾師。值此論文完成之際，謹向我尊敬的論文指導老師 唐老師及輔導員包老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 論文期間，老師們不顧教務的繁忙，設身處地的為我們找資料，查文獻，解決我們遇 到的很多問題，力爭讓我們的論文做到完美?！笆谌艘贼~，不如授之以漁”您教會我們的 更重要的是學習的方法。 您還教會我們待人接物和為人處世的道理： 您的勤奮，讓我明白天道酬勤要堅持始終; 您的博學，讓我知道學海無涯仍需努力；您的樸實，讓我明白善良的價值。 生活中，您還教我們?nèi)绾握嬲\做人、做事不拖沓。老師平易近人的人格魅力，嚴謹進 取的治學精神和

27、樂觀向上的生活態(tài)度，將是我今后生活工作中的指路航標。 桃李不言，下自成蹊；師恩深厚，不敢言報。唯有今后以百倍熱情工作、學習，力爭 有所建樹，以報師恩于萬一。臨別之際，真誠的祝各位老師：身體健康，生活順心！ 最后向評審論文及參加本人論文答辯的各位老師獻上誠摯的謝意！您們辛苦了！ 參考文獻 1 .著作類： [1] .白井良明.王棣棠譯.機器人工程.科學出版社，2001。 [2] .楊可禎，程光蘊.機械設計基礎（第三版）高等教育出版社，1998。 [3] .劉寶廷，程樹康等.步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng).哈爾濱工業(yè)大學出版社， 1997。 [4] .張立勛，王立權(quán)，楊勇.機械電子學.哈爾濱工程大學出版社，1999。 [5] .李建忠編著.單片機原理及應用.西安電子科技大學出版社，2002。 [6] .季維發(fā)，過潤秋，嚴武升.機電一體化技術.哈爾濱工程大學出版社，1999。 [7] .蔡自興，徐光.人工智能及其應用.北京：清華大學出版社，1996 [8],李鴻主編.單片機原理及應用，湖南：湖南大學出版社，2004 o