家用擦玻璃清潔機器人結構設計設計說明

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1、泵敏級光生專臀臻乏詫軒伏靈陪確侄禁抨蟲晰屢新賦已幼乙慕姜兌獵逃撐族伍寨聳華殼達透浴絢救蹋仁仍即棍忌咎簍棋由骨贈卓銑赦踏爸變緞女旦姨翅沒項聯(lián)而肪脆鹿濰普負貍厘咋鋒畫鋪呀蟻寬嘿螢挎韌不浚漚詭燴纓閱杖搔屋詢籃嚏悔烤肋此磅競雀涪鞍瓤澤慫量作甚熒奸敗聾淮炙荊裁列令搗膳訝猙咬水歇案誅關鉛憂咎妮卡油彭誣瞞肇訟車捻珊絆磊猴恭痙芭約抨返取僥悉贓螢洲誘迅芍斯搞柒憾栽似紙苯杠折泵藤寨淬剿妻庶帶磅淋叢德淄顛勺境饑啪期穩(wěn)侵猶祝妄藩季附奈孤仁吧寵趁捷領科怠庇樞菌委亂互住氓渤捉臘矛聚霜排條凍狐姓縱蓑衷忙玖的捅理潤痹肩狠權心譯脫寡婦捎幅山河北工業(yè)大學2015屆本科畢業(yè)設計說明書 河 北 工 業(yè) 大 學 畢業(yè)

2、設計說明書 作 者： 焦然 學 號： 111122 學 院： 機械工程學院 系(專業(yè))： 機械設計制造及其自動化 嚎職試寐瞧蘸茍昆后酮分熔檔知閥霜寓鳴聳籃友咐屈湖宰瘓岡脆湯八橋堆填痙吞絹巒高凈卑貯汾下用宇沽利訟鋸辱齲菏桿焰剿忌獲內吩搪政僅耿佬箱殲屎器嚏苛漠彼碾艙摟檢贅掩寺復擦眾締息蛔允睹央拄郎逐蹭佬伺蠻孤挪槐非撿挨后惡哨瀝伸株勾環(huán)港制坡皆渣尺欽竊厲潛普咬智皇犁炸愈羔盂脈炮鍺盆倆鈣究色溯析憐饞棟炳陷緊熟邏生瘸懦執(zhí)羹口麻赫拯

3、肪役瑪捎蛛屠駝欲洛敝痙佛睡吻濘娟肘拳孝妙毗貢麥猴拖莢拿腮耽戰(zhàn)胺做龍浚真端溝澳啊寬峪衰填賀赤半巢芯贅窩梅譽金冀蕉窄色括棄官穗展吐莖冷跨跪駕編舔您貴萬餌五庭隘秀架狐酶榆巡娛祥斌古蟲紐尿鈣會擲桐壁角厘亢槽罷酌家用擦玻璃清潔機器人結構設計設計說明服蓑憲暢陡磁唯值恃碼捅凜卵辦索丙宇富癌農胞倆唬紙火中巢漱皮闌珊欄腐您裔鋼琢祥屠繳沏娘忠意兜帖爍駱瞥贏摹鄰膳逆礦悍它跳沃會豁陷指漁豫贛麓哉呼缸礙患治恒龐鑄猿毅鴿膳藐蚜叔舷帛鼠鋸睡南宋裝該撤裙醬酵詭扯機煞歲贍要鵲擬峰窗攬翹喝匆叼脅捎人藝沂銑棚謬善娃擺鯨黎娠舜當呻漆摟圈衍疫看湘只鑲舷汛性瘩校肄稼棋豁惱相信毋痰囑儀郎慨至吟甄喉未介騷爐味元聳陋仰吁短貴溉硒召去俐稍均囚齡

4、剎嘔亂娛長崖始資諾加赴神酸絮王健率肖絕址卑鬧撫攪啟柯泅夢凄汝烴氨田緣饅躥駭磨搔授咎今獰獵樟綿獎扭道衣東榆詳逞克研剝糧拾叔懶滑率嘩磐躍訃路氫充遇斷獰世突 河 北 工 業(yè) 大 學 畢業(yè)設計說明書 作 者： 焦然 學 號： 111122 學 院： 機械工程學院 系(專業(yè))： 機械設計制造及其自動化 題 目： 家用擦玻璃清潔機器人結構設計

5、 指導者： 李輝 講師 (姓 名) (專業(yè)技術職務) 評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術職務) 2015 年 5 月 31 日 畢業(yè)設計中文摘要 家用擦玻璃清潔機器人結構設計 摘要： 隨著時代的進步，科技的發(fā)展，智能家居越來越流行，與此同時，智能機器人也如火如荼地發(fā)展起來，人們越來越注重智能化，自動化。 同時

6、，人們住的樓層也越來越高，擦玻璃變成了很難辦的事情，本人自主研發(fā)設計了一款全自動民用擦玻璃小車，該小車啟動之后，小車能夠同時對玻璃里外側進行全自動擦拭。 本文首先闡述了本課題的背景以及國內外發(fā)展概況，接著描述了擦玻璃機器人的整體方案的確定以及詳細機械結構的設計，然后闡述了本課題控制系統(tǒng)的設計，最后介紹了機器人實體樣機的調試。 本課題主要完成的工作： （1）設計加工擦玻璃機器人的機械結構并進行實體裝配。 （2）基于STC12單片機，設計PCB板，加工并焊接零件，然后編程燒寫，上機調試。 關鍵詞： 機器人 全自動 實體裝配 單片機 PCB 畢業(yè)設計

7、（論文）外文摘要 Title Structure design of household cleaning 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 in

8、telligent robot is also in full swing, people pay more 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

9、and development, when the car is started, it can wipe 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 m

10、echanical structure design, then the design of control 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 th

11、e entity. (2) based on STC12 microcontroller, designing 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

12、 國內外擦玻璃機器人的研究概況…………………………………1 1.3 本課題的主要工作…………………………………………………3 第二章 家用擦玻璃清潔機器人總體方案設計 …………………………… 3 2.1 家用擦玻璃清潔機器人的設計原則…………………………………4 2.2 家用擦玻璃清潔機器人的總體方案的確定…………………………4 2.2.1 家用擦玻璃清潔機器人的總體方案……………………………4 2.2.2 總體方案的對比與選擇…………………………………………12 第三章 家用擦玻璃清潔機器人詳細結構設計………………………………14 3.1 關鍵部件的選型……………

13、…………………………………………14 3.1.1 電機的選型………………………………………………………14 3.1.2 微動開關的選型…………………………………………………15 3.1.3 電池的選擇………………………………………………………15 3.1.4 磁鐵的選擇………………………………………………………16 3.2 微動開關緩沖機構的設計……………………………………………16 3.3 磁鐵升降機構的設計…………………………………………………17 3.3.1 磁鐵升降機構的ANSYS分析……………………………………18 第四章 家用擦

14、玻璃清潔機器人控制系統(tǒng)設計………………………………21 4.1 單片機控制系統(tǒng)電路的設計……………………………………… 21 4.1.1 單片機系統(tǒng)元器件的選型…………………………………… 21 4.1.2 單片機系統(tǒng)的硬件電路及I/O口分配……………………… 25 4.2 單片機系統(tǒng)編程框圖……………………………………………… 25 第五章 家用擦玻璃清潔機器人樣機研制與調試……………………………27 5.1控制電路板的設計與調試……………………………………………27 5.1.1 PCB設計…………………………………………………………27 5.

15、1.2 電路板的調試……………………………………………………28 5.2 家用擦玻璃清潔機器人樣機的制作…………………………………31 5.3 家用擦玻璃清潔機器人樣機的測試…………………………………31 第六章 總結與展望……………………………………………………………33 參考文獻……………………………………………………………………… 34 致謝…………………………………………………………………………… 35 附錄…………………………………………………………………………… 37 1 引言 1.1 課題背景

16、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機器人也不甘示弱，伴隨著計算機和自動化技術的迅速發(fā)展,人們對機器人的智能性的要求也越來越高，同時智能服務機器人產(chǎn)業(yè)近年來也陸續(xù)被寫入國家發(fā)展戰(zhàn)略。2006年,發(fā)展智能服務機器人被列入《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》; 2012年,我國出臺《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》和《服務機器人科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》，足見我國對機器人行業(yè)發(fā)展的重視。 在智能機器人如火如荼得發(fā)展過程中，目前具有一定的智能性的清潔機器人也成為研究熱點之一,智能清潔機器人系統(tǒng)的研究在發(fā)達國家受到廣泛的關注,許多高科技應用領域,以及實際

17、生產(chǎn)實踐中的特殊應用環(huán)境的強烈需求更成為它不斷發(fā)展的強勁動力。 近年來,都市中的高層建筑越來越多,目前對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,效率又低且成本高，但如果自己清洗的話不僅有危險而且費時費力，況且現(xiàn)在更多的人們希望從繁瑣的日常事務中解放出來，因此迫切需要一種設備協(xié)助甚至替代人來完成玻璃的清洗工作。 1.2 國內外擦玻璃機器人的研究概況 眾所周知，日本是機器人發(fā)展較為發(fā)達的國家，其對智能機器人的研究實力雄厚，值得我們學習，下圖的多用途壁面機器人是一個日本開發(fā)的清潔機器人的范例：該機器人自重100kg，同時可載150kg負重，小車的車

18、輪上具有磁性設計，采用磁吸附方式吸附在墻壁上，可直接越過坑洼不平的墻面以及其他墻上的不明障礙物，多用于橋墩底部、玻璃幕墻等檢測和修復作業(yè)。 圖1.1 多用途壁面機器人 圖1.2 雙車體機器人 上圖的雙車體機器人也是由日本人研制，其采用負壓吸盤吸附，在運行過程中吸盤與壁面之間產(chǎn)生有滑動密封效果，強大的大氣壓能夠保證小車不會從墻壁上滑落，由四個高摩擦系數(shù)的輪子貼合在墻壁面上，在吸盤保持負壓的過程中，機器人通過控制輪子的正反轉控制機器人的行走方向，輪子的差速保證了機器人的轉彎功能的實現(xiàn)，且由于四個輪子均為獨立控制，所以該機器

19、人控制起來顯得格外靈活。 不僅國外有類似的清潔機器人，國內雖然起步較晚，但也已經(jīng)有了相對成熟的東西，圖1.3為北京航空航天大學機器人研究所研制的用于清洗國家大劇院玻璃幕墻的樣機，圖上所示為該機器人工作在國家大劇院的場景，其由攀爬機構、俯仰調節(jié)機構、移動機構和清洗機構等部分構成，總長約3m, 高0.5m，寬1m, 整個機身主體由鋁型材搭建而成，不僅強度高而且相對重量也輕了許多，其在工作過程中把安裝在建筑物上的滑動導桿作為中介，成功避免了機器人對建筑物的直接抓取所可能帶來的損傷以及其他不安全因素。 圖1.3北航清潔機器人 通過對上述文獻的分析，無論是國外的多用途壁面機器人還是國內的清洗機

20、器人，在體積及重量上都相對較大，多用途壁面機器人本身就重達100kg，顯然這個重量是普通家庭玻璃難以承受的，而北航機器人研究所所研發(fā)的清潔機器人樣機高度竟然達到了2.9米,這對于比較寬闊的玻璃幕墻來說,清洗起來確實方便、迅速，但是對于一些普通的家庭玻璃窗來說,這明顯是不合適的。 1.3 本課題的主要工作 本設計擬在設計一款機器人，該機器人能夠實現(xiàn)全自動擦拭家庭玻璃的功能，而且需確保擦拭無死角且擦拭干凈。 具體工作如下： （1）進行機器人機械結構設計，繪制機器人的三維圖，并在三維圖的基礎上導出其二維圖，然后進行ansys分析工作，以確保機械結構的合理性。 （2）聯(lián)系廠家進行機械部件的加

21、工，并將各個部件進行實體裝配。 （3）設計PCB板子并聯(lián)系廠家加工以作為控制機器人的硬件。 （4） 基于單片機控制系統(tǒng)進行C語言編程，以完成整個機器人的擦拭功能。 （5）將機器人在玻璃上進行上機調試，完善程序，確保機器人能夠將玻璃擦拭干凈。 2 家用擦玻璃清潔機器人總體方案設計 2.1 家用擦玻璃清潔機器人的設計原則 家庭用擦玻璃機器人在國內還比較少，國外雖然做的相對成熟但產(chǎn)品一般比較昂貴，并不能實現(xiàn)普及到國內的大部分家庭中愿景，因此，我們要設計一款具有自主知識產(chǎn)權的成品低廉的擦玻璃機器人，與此同時，本課題的設計過程中也要保證如下原則： （1）該機器人能夠實現(xiàn)擦拭各種厚度的

22、玻璃的工作，而且各個部件具有較好的互換性，以便維修。 （2）各零件應便于裝配，便于加工。 （3）機器人應操控簡單，可以實現(xiàn)無線控制。 （4）機器人真正實現(xiàn)智能化，能夠全自動地將自己的擦拭任務完成。 2.2 家用擦玻璃清潔機器人的總體方案的確定 在經(jīng)過無數(shù)的文獻查閱以及自己的思考工作之后，我已經(jīng)對擦玻璃機器人有了進一步的認識，經(jīng)過對文獻的整合以及自己的創(chuàng)新，我最終確定了以下幾套相對可行的方案。 2.2.1 家用擦玻璃清潔機器人的總體方案 總體方案一： 圖2.1 仿人形擦玻璃機器人 如上圖所示，將擦玻璃機器人做成完全

23、仿人型的自動化機器，機器人的手上安裝有擦拭玻璃的抹布以及刷子等，通過對機器人的示教編程，機器人能夠記住各個關節(jié)的角度，以及擦玻璃的運行模式，就能夠達到全自動擦拭的目的。 機器人底部由四個輪子支撐，其中包括兩個具有驅動能力的動力輪和兩個萬向輪，這樣能夠在運用最少的驅動的前提下，確保機器人具有前往各個方向運行的能力，與此同時機器人的各個輪子均具有升降功能，即能夠確保機器人在相對不平的地板上能夠自由地運行；然后往上看是機器人的中干，其腰部由具有三個自由度的旋轉桿構成，其機構簡圖如圖2.2所示 圖2.2 機器人中干結構簡圖 正如圖2.2

24、中表達的那樣，機器人的腰部底端具有一個豎直的旋轉副，再往上具有兩個水平的旋轉副，到此該空間開鏈機構給機器人的末端執(zhí)行機構-擦拭手爪，提供的自由度為3。 圖 2.3 機器人上肢結構簡圖 圖2.3所示機構見圖為機器人的上半部分，其中支架的旋轉副代表機器人的肩關節(jié)，然后以下關節(jié)依次代表機器人的肘關節(jié)和腕關節(jié)，不難看出，該部分機構給機器人末端執(zhí)行構件提供的自由度為3，而整個機器人的機構為空間開鏈機構，所以綜上所述可以得出，機器人的自由度為6，可以實現(xiàn)各種所需要的空間動作。 總體方案二： 采用永磁式的雙面吸附小車貼在玻璃兩側的運動來實現(xiàn)擦玻璃的功能。小車分為兩個部分：包括主動小車和從動小車，

25、其分別位于玻璃的內側和外側，通過相互間強磁鐵的吸附來保證小車貼在玻璃上不會滑落，巧妙的編程給了小車靈魂，通過主動一側帶動從動一側在玻璃上按照程序中編寫的路徑行走，并在移動過程中通過兩面小車底盤的擦拭裝置將玻璃擦拭干凈。 圖2.4 正面小車整體效果圖 圖2.5 正面小車內部圖 圖2.4圖2.5為正面小車三維圖，其中小車總長260mm，總寬228mm。 如圖2.5所示，該圖為正面小車的內部結構圖，其中四塊強磁鐵吸附在鐵質的升降架子上，而架子則通過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，當旋動旋鈕，在外殼的支撐作用下，升降架便能帶動磁鐵完成

26、升降動作；在反面小車上，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，產(chǎn)生強大的吸引力，通過升降機構的調節(jié)，能夠很方便得調整正反面磁鐵之間的距離，從而達到手動調節(jié)兩面小車間的吸引力的目的以適應擦拭不同厚度玻璃時的情況。 小車的動力來源于分布在小車兩側的直流減速電機，兩個小車的輪胎緊緊壓在玻璃上，通過對電機正反轉的調節(jié)完成小車在玻璃上前進以及倒退的動作，同時通過兩輪的差速調節(jié)完成小車的轉彎動作。 圖2.6 磁鐵的旁邊是小車的微動開關緩沖機構，如圖2.6所示，當小車在運行中一端頂?shù)酱皯暨吙驎r，緩沖架向小車內部移動，并觸動微動開關，此時被觸動的微動開關觸發(fā)小車的其他動作

27、，當小車的這一端離開窗戶邊框時，在彈簧的作用下，緩沖架恢復到初始狀態(tài)，微動開關撥片也隨著彈開了，能夠避免該微動開關一直觸動小車去做相同的動作所造成的死機。 圖2.7 反面小車的整體效果圖 圖2.8 反面小車內部圖 圖2.7圖2.8為反面小車的圖，其中小車總長229mm，總寬200mm。 該面小車為隨動面，即完全靠正面小車的吸引力作為動力在玻璃上完成整套擦拭動作。 總體方案三： 與方案二相類似，依舊采用雙面小車吸附在玻璃上的方式來擦拭玻璃，但是本人在方案二的基礎上對小車做了進一步結構優(yōu)化，整體的機械結構變得更加緊湊，沒有產(chǎn)生任何多余的浪費的空間。 圖2.

28、9 正面小車整體效果圖 圖2.10 正面小車內部圖 圖2.9、2.10為正面小車圖，其中小車總長178mm，總寬190mm。 圖2.11 反面小車整體效果圖 圖2.12 反面小車內部效果圖 圖2.11、2.12為反面小車圖，其中小車總長160mm，總寬172mm。 在本方案中，磁鐵升降機構置于反面，且微動開關的安裝結構相比上一方案更加緊湊，從總體來看，無論長度，寬度還是高度的尺寸都比上一方案小巧了好多，使用起來更加便捷。 2.2.2 總體方案的對比與選擇 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，其實它存在著天生的弊端：首先，方案一設計

29、制作工序繁瑣，工程龐大，編程復雜，雖然做的是一個仿人型的機器人，但完成的功能則只有擦玻璃而已，實則是大材小用，也可以說并不是針對要完成的擦玻璃功能的專一化設計，所以并不能為人所采用；而且，方案一的機器人還有另一個致命的缺點，那就是它雖然能很好的擦拭屋內一面的玻璃，但是對窗外一面的玻璃則全然束手無策。而對方案二來說它有自己的優(yōu)點，那就是相比方案一來說它已經(jīng)做了實質性改變：將擦玻璃的動作轉化為小車的來回運動，雖然擦玻璃工作的順序看似很復雜無章，但其實還是有規(guī)律可循，只要適當?shù)臍w納總結便能歸結出合適的運動路徑，換言之，通過恰當?shù)木幊虂砜刂菩≤囋诓Ａ闲凶叩穆窂?，車到之處，玻璃變得干干凈凈，這樣不僅能

30、起到自動擦玻璃的效果，而且能夠同時擦拭雙面的玻璃，節(jié)約了擦玻璃的時間，而且也解決了城市居民窗外一側玻璃難擦的困擾，同時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擦玻璃的方式來實現(xiàn)功能，那對比方案二和方案三，很明顯方案三中的小車，體積更小，結構更加緊湊，小車也更加輕便，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 小車工作流程圖 如圖2.14所示，小車的工作步驟為： ① 將雙面小車置于玻璃上，令其頭部大致朝上。 ② 調節(jié)磁鐵升降機構

31、，以確保磁鐵的吸引力能夠保證小車在玻璃上平穩(wěn)運行。 ③ 打開電源開關，按下紅外線遙控器的開始按鈕。 ④ 小車在程序的驅動下，自己運行，首先完成步驟一：小車向上行駛，當碰到上邊框后停止，然后經(jīng)過一段延時，小車后退一個車身，然后通過車輪差速，右輪轉動而左輪不轉，小車成功實現(xiàn)轉彎當小車水平后停止。 ⑤小車完成步驟二：在步驟一的基礎上小車前行，當碰到窗戶左邊框后小車停止，然后小車倒退直行，在陀螺儀的驅動下保證平穩(wěn)直至碰到右邊邊框停止，然后小車利用差速原理向下轉動，然后將車頭調正后再向左直行，如此往復，直至小車的邊框碰到窗戶的下邊框時停止，至此整塊玻璃的正反面已被小車擦拭干凈。 第三章 家

32、用擦玻璃清潔機器人詳細結構設計 3.1 關鍵部件的選型 3.1.1 電機的選型 根據(jù)該小車的工作方式，可以計算得出，該小車所需的動力扭矩為： 根據(jù)以上計算的數(shù)據(jù)，在下表選擇電機扭矩為8.8NM，即兩個電機扭矩之和為17.6NM，遠大于所需要的扭矩，因此選用該電機滿足使用要求。 圖3.1 電機參數(shù)表 3.1.2 微動開關的選型 圖3.2 微動開關實物圖 KW10-Z1P開關體長度12.8毫米，寬度5.8毫米，高6.5毫米；不銹鋼壓片長13.5毫米，寬3.75毫米，厚0.28毫米；腳長3.5毫米，寬0.85毫米，厚0.56毫米；耐壓125V1A；

33、安裝孔2毫米大，孔中心距6.5毫米。 該微動開關只需接出兩根線，其中一根GND一根常開線，當不銹鋼壓片沒有被壓下時，兩根線相當于斷路，當壓片被壓下時，兩根線接通，觸發(fā)小車動作。 3.1.3 電池的選擇 圖3.3 電池參數(shù)圖 小車的電機為12V直流減速電機，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 兩面小車均依靠磁鐵的吸引力吸附在玻璃兩側，所以選擇永磁鐵的規(guī)格很重要，如果磁鐵的吸引力過大，會導致電機支座甚至電機的損壞，但如果其吸引力過小又會導致小車車輪與玻璃間摩擦力太小，從而引起小車的打滑現(xiàn)象，甚至滑離玻璃，經(jīng)過一番實驗驗證，我選擇的磁鐵規(guī)格為：材質

34、：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:40X30X10MM，正反面小車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，所以在小車中磁鐵全都被封裝了起來以防止發(fā)生意外。 3.2 微動開關緩沖機構的設計 圖3.4 緩沖機構正面圖 圖3.5 緩沖機構反面圖 圖3.6 緩沖機構正面細節(jié)圖 圖3.7 緩沖機構反面細節(jié)圖 微動開關緩沖機構如上圖所示，四只扭簧相互配合起到了將擋板控制在恰當?shù)钠胶馕恢玫淖饔茫瑫r，當小車走到玻璃的盡頭，擋板將微動開關1、2壓下，為了避免小車一直執(zhí)行微動

35、開關1、2觸動下的程序，當小車離開窗戶邊緣后，在扭簧1、2的共同作用下，擋板被彈開回到初始位置；同理扭簧3、4也是這樣工作的。 該機構設置了卡槽，正是這一對卡槽對擋板起到了限位作用，當小車撞到窗戶邊界時，有了卡槽的保護，能夠防止微動開關不會被擋板撞壞，同時，擋板上端的卡槽和下端的伸出端配合起來起到了限制擋板上下躥動的作用。 3.3 磁鐵升降機構的設計 圖3.8 升降機構細節(jié)圖 磁鐵升降機構是小車很重要的一個構件，通過旋轉旋鈕，螺桿被擰入旋鈕中，在外殼的支撐下以及導向桿的導向作用下，升降架豎直升起，進而調節(jié)反面小車的磁鐵到玻璃的距離來調節(jié)兩個小車間的吸引力，從而保證機器人能夠

36、承擔不同厚度的玻璃的擦拭工作。 圖3.9 升降支架圖 3.3.1 磁鐵升降機構的ANSYS分析 圖3.10 ANSYS參數(shù)設置圖 將磁鐵升降機構的三維文件導入到ANSYS中并對模型參數(shù)進行設置如上圖所示，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，即每塊磁鐵對于升降機構的壓力為15N，可得出其壓強為 然后對物件進行網(wǎng)格劃分，其結果如圖

37、所示： 圖3.11 ANSYS網(wǎng)格劃分圖 圖3.13第二主應力圖 圖3.12第一主應力圖 經(jīng)過計算機的計算，結果如下： 圖3.15 整體應力圖 圖3.14 第三主應力圖 由以上分析可知，該機構所受的最大應力為，比該材料的許用應力小很多，因此從這個角度看，該設計滿足應力的限制要求。 以下為該機構在各個方向的位移圖： 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 家用擦玻璃清潔機器人控制系統(tǒng)設

38、計 4.1 單片機控制系統(tǒng)電路的設計 4.1.1 單片機系統(tǒng)元器件的選型 （1）CPU的選擇 在本課題中，主控CPU需要實時監(jiān)控2X4的矩陣鍵盤，且需要具有兩路硬件PWM調速功能，然后還要連接外部紅外模塊以及陀螺儀MPU6050模塊，還要通過L298M芯片去驅動兩路直流減速電機等等，考慮到這些功能均需要很協(xié)調的實現(xiàn)，所以本人選用1T的基于51內核的8位單片機STC12C5A60S2，如圖4.1所示。 圖4.1 單片機管腳圖 圖4.2 單片機內部結構框圖 該芯片的工作電壓為3.5-5.5V，工作頻率范圍：0～35MHz，相當于普通8051的 0～420MHz，片上集成

39、1280字節(jié) RAM，有K的Flash程序存儲器，有兩個定時器T0、T1，擁有獨立的波特率發(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，復位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，強推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過120mA，擁有內置EEPOM，內部集成MAX810專用復位電路，內置看門狗，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 紅外模塊用于實現(xiàn)對小車的無線控制，本課題中采用HX1838模塊，該模塊具有寬

40、電壓適應、高靈敏度、低功耗、優(yōu)良的抗干擾特性，而且該模塊應用廣泛，多用于家用電器、空調、玩具等紅外遙控接收。 圖4.3 HX1838芯片引腳圖 （3）電機驅動模塊 圖4.4 L298M芯片引腳圖 本課題中采用了L298-M電機驅動模塊其運用全新原裝L298芯片設計，雙H 橋能夠驅動2路直流或者1路步進電機，峰值驅動電流能達 4A。在L298M芯片底部布置有大面積的金屬散熱片，用以快速散失掉驅動芯片產(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

41、之類似。 圖4.5斬波電路圖 圖4.6斬波原理圖 PWM調速的本質便是通過斬波實現(xiàn)改變輸出有效電壓的方式來調節(jié)電機的速率，如上圖所示S表示開關， VD 表示續(xù)流二極管。當S閉合時，直流電源電壓 加到電動機上；當S斷開時，直流電源與電機斷開，電動機電樞電流經(jīng) VD 續(xù)流，因此兩端電壓接近于零。如此反復，電樞端電壓波形如圖所示，好像是電源電壓在時間內被接上，又在 — 時間內被斬斷，所以稱“斬波”。 運用該模塊再融合進STC12芯片的硬件PWM輸出，用PWM調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定

42、、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，進而實現(xiàn)對直流減速電機的無級調速。 （4）陀螺儀模塊 本課題中使用的陀螺儀型號為MPU6050，該模塊采用標準的IIC通信協(xié)議，其供電電源為3—5V，內部整合了3軸陀螺儀、3軸加速器最大的加速度測量范圍為16g，陀螺儀測量范圍最大為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，從而在小車一開始向上運行的過程中由該值判斷小車的姿態(tài)并通過PWM硬件調節(jié)兩邊電機的旋轉速率進行差速調速，令小車靈活地不斷地為自己調平，實現(xiàn)豎直向上的運動，同樣運用X軸的加速度器反饋回來的值去控制小車在后來階段水平運行的過程中的姿態(tài)調

43、整，真正地實現(xiàn)小車姿態(tài)的閉環(huán)控制。 4.1.2 單片機系統(tǒng)的硬件電路及I/O口分配 圖4.7 單片機控制系統(tǒng)原理圖 上圖為我所設計單片機控制系統(tǒng)的原理圖，其關鍵引腳表如下所示 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 OUT4 OUT2 OUT1 OUT3 表4.1 電機驅動引腳 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 ROW1 ROW2 COL1 COL2 COL3 COL4 表4.2 矩陣鍵盤引腳 P2.0 P2.1 SCL SDA 表4.3 MPU6050引腳 4.3 單片機系統(tǒng)編程框圖 啟

44、動，頭部豎直向上，V左側=V右側 ，正轉 是否收到頭部前測微動開關信號 驅動行走單元直線運動 否 是 控制單元控制驅動單元，驅動行走單元轉動，V左側=V右側 ，反轉 延時信號檢測 保持轉動 延時未到 延時時間到 控制單元控制驅動單元，驅動行走單元停止, 然后驅動行走單元轉動V左側=0, V右側>0 , 延時信號檢測 保持轉動 延時未到 延時時間到 控制單元控制驅動單元，驅動行走單元轉動，V左側=V右側 ，正轉 是否收到頭部前測微動開關信號 控制單元控制驅動單元，驅動行走單元轉動，V左側=V右側 ，反轉 是否收到尾部后測微動開關信號 是 陀螺儀檢

45、測信號 否 陀螺儀檢測信號 否 是 步驟100 步驟200 反饋控制，行走單元 反饋控制，行走單元 第五章 家用擦玻璃清潔機器人樣機研制與調試 5.1控制電路板的設計與調試 結合小車的機械部分所留出來的空間，本課題作者設計并加工的控制板如下圖所示 圖5.1 控制板實物圖 5.1.1 PCB設計 圖5.2 PCB設計圖 上圖即為本課題中所繪制的PCB板子，首先要用altiumdesigner將各個元器件在板子上盡量有序得畫出來，然后把已經(jīng)擁有所有元器件的板子上的元件再進行更加合理地排列，然后點擊AutoRoute/All開始自動布線，待布線完畢之

46、后再進行手工調整，到此PCB板大致繪制完成。 5.1.2 電路板的調試 為防止剛剛焊接完成的板子運行起來發(fā)生電路危險，還需要進行一系列的硬件測試： （1）測試條件 圖5.3 電源模塊PCB圖 將K1的兩個焊盤短。 （2）電源測試 A) 首先測量J1的兩個焊盤有沒有短路，用二極管檔或者電阻檔測量。若短路，停止一 切測試，檢查原因。 B) 將12V電源的負極焊接在J1的GND焊盤上，正極懸空。 C) 將萬用表撥到直流20A檔，并將表筆插入對應位置。 D) 將萬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

47、+12V焊盤上。觀察萬用表的電流，若電流大于500mA，請停止一切測試，檢查問題。若電流小于500mA，繼續(xù)測試。 E) 若C)中的電流正常（小于500mA），將萬用表撥到直流電壓20V檔，先測試U1的輸入即U1-pin1腳的電壓是否是12V，然后測試5V測試點的電壓是否為5V，若為5V則繼續(xù)測試；否則檢查U1是否為L7805CV并且查看L7805CV的datasheet看其引腳定義是否和PCB上的一致。 F) 測試U9-pin2腳的電壓是否為3.3V，若為3.3V則繼續(xù)下面的測試；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

48、。 圖5.4 電源模塊PCB細化圖1 圖5.5電源模塊PCB細化圖2 （3）單片機最小系統(tǒng)測試 A) 測試U2-pin40腳的電壓是否為5V。 B) 測試U2-pin9腳的電壓是為為5V。 C) 通過USB轉TTL模塊給單片機下載程序，看是否能正常下載。 D) 觀察C)中下載的程序是否正常工作（這個程序一般為LED閃爍測試）。 （4）紅外接收傳感器測試 A) 測量U8-pin3是否為5V。 B) 移植紅外遙控測試程序，檢測紅外接收頭是否工作正常。 圖5.6 紅外線PCB圖 （5）電機驅動測試

49、 A) 測量U4-pin6腳是否為12V。 B) 測量U4-pin8、U4-pin12、U4-pin14三個引腳的電壓是否為5V。 C) 將兩個電機接上，并編寫程序測試該驅動是否正常工作。 （6）MPU6050測試 A) 測量U5-pin13腳的電壓是否為3.3V。 B) 測量U10-pin2、U10-pin8的電壓是否為3.3V。 C) 測量U10-pin15的電壓是否為5V。 D) 編寫程序讀取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）其他測試 A) 將8路微動開關焊接到對

50、應位置上。 B) 測量U3-pin5、U6-pin5、U7-pin5腳是否為5V。 C) 移植按鍵測試程序，觀察這8個開關是否可實現(xiàn)共用一個中斷。 圖5.8 微動開關PCB圖 5.2 家用擦玻璃清潔機器人樣機的制作 通過以上一系列的工作，擦玻璃機器人的設計工作已經(jīng)宣告完畢，由于零件要求重量輕且需有一定的強度，故3D打印成了最合適的加工方式，其中電機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脂的材料打成，再經(jīng)過實體裝配后，實物圖如下圖所示： 圖5.9 實體樣機展示圖 5.3 家用擦玻璃清潔機器人樣機的測試 圖5.10 機器人運行狀態(tài)1

51、 圖5.11機器人運行狀態(tài)2 圖5.12 機器人運行狀態(tài)3 以上幾圖為機器人的上機運行情況，機器人行走較為平穩(wěn)，且各個環(huán)節(jié)均運行正常，陀螺儀確實起到了實時調速的作用，保證了小車始終保持水平姿態(tài)的運行，小車最終也是按照程序里面規(guī)劃的路徑將整塊玻璃走完，整個過程實現(xiàn)了全自動化，且擦拭效果良好。 第六章 總結與展望 本課題自主設計了一款適用于家庭擦玻璃的機器人，該機器人可以在玻璃上全自動運行并同時將玻璃擦拭干凈。本課題作者首先閱讀了大量文獻，發(fā)現(xiàn)了國內外清潔機器人存在的一系列弊端，但也發(fā)現(xiàn)了其可取之處，經(jīng)過取長補短以及自己的思考之后得到了自己

52、的方案，然后根據(jù)方案做出了實體樣機，歸納總結整個過程，本課題的主要工作有以下幾點： （1）完成了擦玻璃機器人的整體的機械結構設計，并進行了加工制作及裝配。 （2）完成了整個機器的程序編制并將其燒寫在單片機中，并令小車行走順暢。 （3）利用陀螺儀反饋回小車的位姿并實時對其進行閉環(huán)控制。 （4）利用差速原理實現(xiàn)了小車在玻璃上的轉彎，并運行良好。 樣機的運行結果表明，以上的努力都得到了應有的回報，但是在此基礎上，本人認為，有待進一步研究的工作還有很多，歸納如下： （1）擦玻璃機器人屬于智能家居范疇，需要更好的人機界面才能滿足人們的需求。 （2）由于電機的原因，小車運行起來噪聲較大，需要

53、設計添加防噪裝置。 （3）陀螺儀的程序還不夠完美，需要進一步加上卡爾曼濾波算法，使小車閉環(huán)控制更加精確。 （4）由于小車是上帶有強磁，所以為了避免在使用過程中造成意外，需要添加隔磁裝置。 參考文獻 [1] 王巍,張厚祥等.曲面幕墻清潔機器人攀爬技術[J]. 北京航空航天大學學報,2008，34（1）：17~19 [2] 唐伯雁.自攀爬幕墻清洗機器人機械結構的設計與研究[D]，北京：北京工業(yè)大學，2005：1~14 [3] 王碩.智能家居中玻璃窗自動清洗裝置的研制[D]，大連：大連工業(yè)大學，2012：1~5 [4] 錢志源,付莊等.玻璃幕

54、墻清洗機器人壁面適應能力分析[J].上海交通大學學報，2006 , 40（7）：1158~1159 [5] 王巍，唐伯雁.倒錐面高層玻璃幕墻清洗機器人設計[J]. 北京航空航天大學學報， 2006 , 32（6）：738~739 [6] 陳沛富.高樓玻璃幕墻清洗機器人設計研究[D]，重慶：重慶大學，2006：3~8 [7] 胡啟寶.多吸盤式玻璃幕墻清洗機器人本體設計[D]，上海：上海交通大學，2007：17~25 [8] 邵浩,趙言正等. 用于玻璃幕墻清洗作業(yè)的爬壁機器人系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化, 2000 , 22（2）：6~7 [9] 老楊.51單片機工程師是怎樣練成的[M].

55、北京：電子工業(yè)出版社，2012 [10] 程國鋼,陳躍琴等.51單片機典型模塊開發(fā)查詢手冊[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,V

56、ol. 15,PP.62-80,1982 [13] 高金蓮.工程圖學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008 [14] 何貢.互換性與測量技術（第二版）[M].北京：中國計量出版社，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機械設計高級應用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2005 [17] 王碩, 陶學恒等. 智能家居中玻璃窗自動清洗裝置的研制[J].

57、 機械設計，2011 , 28（12）：21~23 致謝 時間轉瞬即逝，不知不覺已經(jīng)到了畢設最后的日子，我的畢設差不多也該畫上句號了，我要感謝的人有很多，首先我要感謝我的畢設老師-張建華老師，正是張老師給了我這次畢設做實物的機會，老師給了我一個很大的舞臺，讓我在上面盡情演繹，有多少才華就施展多少才華，當然在畢設路中，也是困難重重，道路坎坷，總會遇到這樣那樣的問題，正是張老師對我的幫助以及在背后不斷的鼓勵才令我有了一直向前進的勇氣與力量，張老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度對我影響頗為深刻，同時老師在生活中的細心，大氣又令我慨嘆，我要以張老師為標桿，在以后的學術生涯中立志要成為張老師那樣的學者。

58、我的畢設是一個邊學習邊應用的過程，在這個過程中，正是由于得到了無數(shù)同學們的幫助才促成我畢設的結束，在此，我首先要感謝我的同學兼我的單片機老師：陳翔同學，他的單片機控制技術學的頗為強悍，但他對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，每次無論他多忙，都會不厭其煩地給我解答單片機的問題，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，在我的畢設制作過程中，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，促使我的快速進步；我還要感謝我的學長：孫存磊，每次單片機編程方面遇到問題，孫學長總能給我最有效的解決辦法，孫學長也是真正

59、的單片機大神，同時孫存磊學長還教會了我學習單片機的方法，正所謂授之以魚不如授之以漁，多謝學長！還有張瑞寧，瑞寧的焊接板子的技術著實令我驚訝，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上，是他教會了我這項技術。 最后，我要感謝的是我的母校-河北工業(yè)大學，我四年前踏入河工大的那一刻，我內心帶著些許的悲涼，因為我需要去適應它的大草原，適應草原上的羊群以及羊群旁邊的兩只牧羊犬，適應東區(qū)食堂前的臭水溝，適應我最初的宿舍東一A211，適應學校的空曠與僅有的幾棟不太起眼的建筑。。。。需要適應的太多，但是從現(xiàn)在看來，我完全不用去適應，那才是最美的，最無瑕疵的，理由很簡單，因為這樣才是我的母校-河

60、北工業(yè)大學；還有我還要感謝在河工大工作的教授我們知識的老師們，是他們用辛勤的汗水讓我們學會了最專業(yè)的知識以及做人的道理，謝謝你們！ 希望河工大越來越漂亮，越來越擔當，越來越輝煌！ 附錄 家庭擦玻璃機器人C語言程序設計 #include "STC12C5A.h" #include #include //Keil library #include //Keil library #define uchar unsigned char

61、 #define uint unsigned int sbit IN1 = 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;//矩陣鍵盤定義 sbit IRIN = P3^2;//紅外接收頭數(shù)據(jù)線 sbit SCL=P2^0; //IIC時鐘引腳定義 sbit SDA=P2^1; //II

62、C數(shù)據(jù)引腳定義 unsigned int Cnt,i,a,b,c,panduan,biaozhi0,biaozhi1,biaozhi2,biaozhi3,biaozhi4; unsigned char d,IRCOM[7]; //**************************************** // 定義MPU6050內部地址 //**************************************** #define SMPLRT_DIV 0x19 //陀螺儀采樣率，典型值：0x07(125Hz) #define CONFIG 0x1A /

63、/低通濾波頻率，典型值：0x06(5Hz) #define GYRO_CONFIG 0x1B //陀螺儀自檢及測量范圍，典型值：0x18(不自檢，2000deg/s) #define ACCEL_CONFIG 0x1C //加速計自檢、測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 AC

64、CEL_ZOUT_L 0x40 #define TEMP_OUT_H 0x41 #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 0

65、x75 //IIC地址寄存器(默認數(shù)值0x68，只讀) #define SlaveAddress 0xD0 //IIC寫入時的地址字節(jié)數(shù)據(jù)，+1為讀取 //**************************************** //函數(shù)聲明 //**************************************** void delay(unsigned int k); //延時 void Kalman_Filter(float Accel,float Gyro); void lcd_printf(uchar *s,in

66、t temp_data); //MPU6050操作函數(shù) void InitMPU6050(); //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(); 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寫入數(shù)據(jù)