掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)

《掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)（10頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)報(bào)告  一、功能綜述 1、清掃模式：隨機(jī)清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點(diǎn)清掃、預(yù)約清掃等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全方位立體清掃； 2、智能導(dǎo)航系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)對(duì)房間地形的重構(gòu)，自動(dòng)規(guī)劃清掃路線； 3、智能安全監(jiān)控：防撞，防跌落，防纏繞，電池電量監(jiān)測(cè)； 4、創(chuàng)新功能：灰塵量識(shí)別，實(shí)現(xiàn)床底清掃，手機(jī)遙控模式，尖端氣流濾塵技術(shù)，室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與提醒； 5、其他基礎(chǔ)功能：自動(dòng)返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測(cè)。 二、機(jī)械及系統(tǒng)設(shè)計(jì) 掃地機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)如圖1所示。 圖1 掃地機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)圖

2、 清掃機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，吸塵機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)所在。由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件多，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。因此，增加機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，提高機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性尤為重要。為此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，并注意運(yùn)動(dòng)部件對(duì)轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心裝配。 (1)行走驅(qū)動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)電機(jī) 該部分主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動(dòng)。為了保證小車良好的直線性，可采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右兩輪的方式，且在車體的后端裝有一個(gè)不銹鋼萬向滾珠，這樣可以使小車獲取較好的機(jī)動(dòng)性和靈活性及靈活性。前輪驅(qū)動(dòng)的好處是：轉(zhuǎn)向性能得到改善。前輪是轉(zhuǎn)向輪，使得轉(zhuǎn)向時(shí)的行駛方向容易控制，不容易出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向

3、的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)向安全性也得到提高。 (2)清掃機(jī)構(gòu) 用電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)清掃刷，使左面清掃刷順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右面逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就可以在清掃灰塵時(shí)將灰塵集中于吸風(fēng)口處，為吸塵機(jī)構(gòu)的工作做準(zhǔn)備；清掃刷設(shè)計(jì)成可更換型的，可選擇棉質(zhì)紡織品或尼龍等化纖材料的，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。 (3)吸塵機(jī)構(gòu) 旨在強(qiáng)大的吸力、將灰塵吸入灰塵儲(chǔ)存箱中；這里我們采用尖端氣流濾塵技術(shù)，全方位，多層次將灰塵一網(wǎng)打盡。 (4)擦地機(jī)構(gòu) 在清掃、吸塵之后，利用安裝在殼體下面的清潔布擦出殘留在地面上的細(xì)小灰塵，同時(shí)也能夠擦除地面上的頑固污漬，從而保證清潔工作的質(zhì)量。 掃地機(jī)器人功能框圖如圖2所示。 圖2 掃地機(jī)器人功

4、能框圖 三、功能簡(jiǎn)介 1、清掃模式： 清掃模式包括隨機(jī)清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點(diǎn)清掃、預(yù)約清掃等。 隨機(jī)清掃是指根據(jù)地面狀況在其他幾種清掃模式之中進(jìn)行切換； 螺旋式清掃是指繞圈清掃的模式； 交叉清掃是指在不同的區(qū)域之間交叉穿梭來清掃，也可以稱為Z字形清掃； 沿邊清掃是沿著房間的邊界進(jìn)行清掃； 定點(diǎn)清掃是指在指定的位置小范圍內(nèi)清掃； 預(yù)約清掃是指每天在指定的時(shí)間自動(dòng)清掃，可以預(yù)約一次和一周內(nèi)任意預(yù)約清掃時(shí)間，可以放心上班和出差，也可以自動(dòng)打掃。 2、智能導(dǎo)航系統(tǒng) 掃地機(jī)器人的智能導(dǎo)航實(shí)質(zhì)就是路徑自動(dòng)規(guī)劃。掃地機(jī)器人路徑自動(dòng)規(guī)劃有兩種方法：：隨機(jī)式全區(qū)域覆

5、蓋和規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋。隨機(jī)式全區(qū)域覆蓋方法控制簡(jiǎn)單，不需要很多的硬件，軟件編程也簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但其缺點(diǎn)是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行軌跡重復(fù)性較大，且運(yùn)行軌跡不能較快地、充分地覆蓋整個(gè)區(qū)域，這種路徑規(guī)劃只考慮完成任務(wù)，沒有考慮到時(shí)間消耗和能量消耗情況，因此選擇規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋方法。 此設(shè)計(jì)中選擇往返式路徑規(guī)劃方法。往返式路徑規(guī)劃清掃路徑的規(guī)則為當(dāng)掃地機(jī)器人置于室內(nèi)時(shí)，可通過超聲波測(cè)距傳感器的信息來判斷它放置于墻邊還是房屋中間。在房屋中間，則先設(shè)為它沿某一方向運(yùn)動(dòng)到靠近墻邊的某一點(diǎn)。機(jī)器入就可從墻邊的某一點(diǎn)開始，按順時(shí)針方向繞墻運(yùn)動(dòng)一周，先對(duì)室內(nèi)墻邊地面進(jìn)行一次預(yù)清掃。掃地機(jī)器人在繞完一圈后再向左或向右行

6、走到墻壁的最左端或者最右端，以此來作為它清擋路徑的起始點(diǎn)，也即絕對(duì)坐標(biāo)的原點(diǎn)。先假設(shè)室內(nèi)只有一個(gè)孤立的障礙物，以房屋左下角O點(diǎn)為起始點(diǎn)。開始清掃時(shí)，從O點(diǎn)勢(shì)始沿Y軸正方向清掃，遇到墻壁時(shí)向右原地旋轉(zhuǎn)90o，向X軸正方向移動(dòng)一個(gè)車身后再向右旋轉(zhuǎn)90o，沿Y軸負(fù)方向清掃，以此往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，則按下面的方法進(jìn)行規(guī)劃和避障：當(dāng)清潔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到障礙物的最左邊點(diǎn)時(shí)，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)和驅(qū)動(dòng)輪光柵的脈沖數(shù)計(jì)算出最左邊點(diǎn)的坐標(biāo)。然后根據(jù)超聲波測(cè)距傳感器收到的信息沿著障礙物邊緣行進(jìn)相當(dāng)于X軸方向一個(gè)車身的距離，再原地旋轉(zhuǎn)到Y(jié)軸負(fù)方向，沿Y軸負(fù)方向繼續(xù)清掃，這樣一直往返清掃，當(dāng)掃地機(jī)器人在沿障礙物邊緣

7、清掃時(shí)超聲波傳感器突然收不到信號(hào)即到達(dá)了障礙物的最右端點(diǎn)，掃地機(jī)器人將原地一直向左旋轉(zhuǎn)直到超聲波傳感器再次收到信號(hào)為止，然后沿障礙物的上邊沿行進(jìn)到障礙物的最左端點(diǎn)，再沿Y軸方向進(jìn)行往返清掃，行進(jìn)路徑和障礙物下邊沿的行進(jìn)路徑類似。這樣就可以在清掃過程中自動(dòng)避開障礙物。清掃路徑自動(dòng)規(guī)劃示意圖如圖3所示。 圖3 清掃路徑自動(dòng)規(guī)劃示意圖 3、智能安全監(jiān)控 3.1防撞 掃地機(jī)器人在工作過程中難免遇到各種障礙物，如果不及時(shí)躲避障礙物，將影響掃地機(jī)器人正常工作。因此在掃地機(jī)器人內(nèi)部安裝三個(gè)超聲波測(cè)距傳感器，用來檢測(cè)掃地機(jī)器人行進(jìn)路線上是否有障礙物。超聲波測(cè)距傳感器安裝位置如圖4所示。

8、 圖4 防撞傳感器分布 超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面處，會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)測(cè)量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測(cè)量距離的作用。避障功能的實(shí)現(xiàn)正是利用了這一超聲波測(cè)距的原理。超聲波傳感器測(cè)距原理如圖5所示。 圖5超聲波傳感器測(cè)距原理 超聲波傳感器接收到反射信號(hào)，檢測(cè)出前方有障礙物時(shí)，向控制器發(fā)出信號(hào)，控制器控制掃地機(jī)器人轉(zhuǎn)向，躲避障礙物，根據(jù)信號(hào)的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小。選用超聲波測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，避免與家具等物品發(fā)生碰撞，從而避免損壞相應(yīng)物品。 3.

9、2防跌落 為了防止掃地機(jī)器人遇到臺(tái)階時(shí)跌落，在掃地機(jī)器人背面安裝3個(gè)防跌落傳感器。防跌落傳感器安裝位置如圖6所示。 防跌落傳感器利用超聲波進(jìn)行測(cè)距。當(dāng)掃地機(jī)器人行進(jìn)至臺(tái)階邊緣時(shí)，防跌落傳感器利用超聲波測(cè)得掃地機(jī)器人與地面之間的距離超過限定值，向控制器發(fā)送信號(hào)，控制器控制掃地機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向，改變掃地機(jī)器人行進(jìn)方向，從而實(shí)現(xiàn)防止跌落的目的。掃地機(jī)器人防止跌落示意圖如圖7所示。 圖6 防跌落傳感器分布 圖7 掃地機(jī)器人遇臺(tái)階示意圖 3.3防線纏繞： 掃地機(jī)器人工作過程中，可能會(huì)遇到細(xì)線纏繞清掃刷的情況，使清掃刷無法正常旋轉(zhuǎn)，從而造成掃地機(jī)器人不能正常工作。為了解決此問

10、題，可以在掃地機(jī)器人中安裝接近傳感器，利用接近傳感器測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此來判斷清掃刷工作是否正常。當(dāng)細(xì)線纏繞清掃刷時(shí)，致使清掃刷停止旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)傳感器測(cè)得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零，控制器接收此信號(hào)后向掃地機(jī)器人發(fā)送控制信號(hào)，切斷電動(dòng)機(jī)電流，同時(shí)發(fā)出求救信號(hào)。同時(shí)設(shè)計(jì)掃地機(jī)器人在發(fā)出求救信號(hào)3分鐘后自動(dòng)關(guān)閉掃地機(jī)器人電源功能，防止家中無人的情況。掃地機(jī)器人防止線纏繞流程示意圖如圖8所示。 圖8 防線纏繞流程示意圖 3.4電池電量監(jiān)控： 移動(dòng)電源在吸塵機(jī)器人中的地位十分重要,可以說它是吸塵機(jī)器人的生命源。移動(dòng)電源需同時(shí)為移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，為控制電路提供穩(wěn)定的電壓

11、，為吸塵操作模塊及傳感觀測(cè)模塊提供能源等。在這一領(lǐng)域,一般采用化學(xué)電池作為移動(dòng)電源,如鉛酸電池、NiCd等。理想的電源在放電過程中應(yīng)該能夠具備：①保持恒定的電壓；②內(nèi)阻小以便快速放電；③可充電；④成本低等特點(diǎn)。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)掃地機(jī)器人電池電量的安全監(jiān)控，可以在掃地機(jī)器人內(nèi)部安裝庫(kù)侖計(jì)，用來檢測(cè)掃地機(jī)器人電池電量變化。庫(kù)侖計(jì)是在電池的正極和負(fù)極串連一個(gè)電流檢查電阻，當(dāng)有電流流經(jīng)電阻時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)監(jiān)控取樣電壓，通過檢測(cè)這個(gè)監(jiān)控取樣電壓計(jì)算流過電池的電流，就可以精確跟蹤電池電量變化。庫(kù)侖計(jì)測(cè)量原理如圖9所示。 圖9 庫(kù)侖計(jì)測(cè)量原理 另外通過溫度傳感器測(cè)量電池溫度，與庫(kù)侖計(jì)測(cè)得的電池電

12、壓相互配合，可以極大減少電池老化等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 4、創(chuàng)新功能 4.1灰塵量智能識(shí)別 掃地機(jī)器人需要根據(jù)某處灰塵量多少自動(dòng)安排清掃時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，在掃地機(jī)器人吸塵口上方安裝灰塵傳感器。灰塵傳感器安裝位置如圖10所示。 圖10 灰塵傳感器安裝示意圖 灰塵傳感器利用可變間距電容傳感器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)吸入灰塵越多時(shí)，灰塵撞擊電容傳感器下極板越劇烈，使灰塵傳感器極板振動(dòng)越劇烈，輸出信號(hào)越強(qiáng)。掃地機(jī)器人控制器根據(jù)灰塵傳感器信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行判斷，發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)，使掃地機(jī)器人根據(jù)某處灰塵多少自行決定清掃時(shí)間長(zhǎng)短。 4.2床底智能清掃 一般來說，床底、柜子底等地方相對(duì)較臟，因此這些

13、地方需要重點(diǎn)清掃，以保證清潔度。為實(shí)現(xiàn)此功能，在掃地機(jī)器人正面安裝8個(gè)光敏傳感器。光敏傳感器安裝位置如圖11所示。 掃地機(jī)器人在床底或柜子底開始工作后，光敏傳感器接收的光強(qiáng)較弱。當(dāng)掃地機(jī)器人運(yùn)行離開床底或柜子底時(shí)，光敏傳感器接收到的光強(qiáng)發(fā)生變化，向控制 圖11 光敏傳感器分布 器發(fā)送信號(hào)，控制器發(fā)出控制信號(hào)，使掃地機(jī)器人轉(zhuǎn)向，重新回到暗處，繼續(xù)進(jìn)行清掃。掃地機(jī)器人在床底或柜子底清掃路徑的規(guī)劃可以參考智能導(dǎo)航系統(tǒng)中路徑規(guī)劃的方法。 4.3手機(jī)遙控模式 在掃地機(jī)器人內(nèi)部安裝藍(lán)牙等模塊，與手機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，利用相應(yīng)軟件，通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)掃地機(jī)器人的手動(dòng)控制。 4.4尖端氣流濾塵技術(shù)

14、氣流濾塵器是一個(gè)全封閉系統(tǒng)，既無外部氣體吸入，也無機(jī)內(nèi)氣體排出，其原理是利用附壁效應(yīng)去形成低壓渦流氣體，最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi)的渦流腔內(nèi)。 4.5室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與提醒 為了監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度、濕度和空氣質(zhì)量等，在掃地機(jī)器人內(nèi)安置溫度、濕度和監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的傳感器。當(dāng)傳感器接收到這些環(huán)境信息時(shí)，經(jīng)過放大、濾波、轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，掃地機(jī)器人控制器對(duì)這些信息進(jìn)行處理。同時(shí)設(shè)計(jì)當(dāng)室內(nèi)的空氣質(zhì)量出現(xiàn)異常時(shí)，如甲烷超標(biāo)，煤氣泄漏等發(fā)生時(shí)，掃地機(jī)器人能夠完成檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)及時(shí)報(bào)警功能。 5、其他基礎(chǔ)功能 5.1自動(dòng)返回并充電： 自動(dòng)返回并充電對(duì)掃地機(jī)是非常重要的，因?yàn)閽叩貦C(jī)器人自帶的充電電池電量有限，不一

15、定能保證完成清掃工作，這就需要掃地機(jī)器人能自動(dòng)對(duì)接充電。掃地機(jī)器人利用紅外信號(hào)來確定充電基座位置，并自行運(yùn)動(dòng)到充電基座，完成自動(dòng)充電。 當(dāng)掃地機(jī)器人檢測(cè)到電池電量小于規(guī)定值時(shí)，掃地機(jī)器人上的紅外發(fā)射裝置在控制器的控制下發(fā)射一個(gè)傳播距離較遠(yuǎn)并且覆蓋角度較窄的紅外信號(hào)，用于搜尋充電基座的位置，同時(shí)掃地機(jī)器人向充電基座發(fā)送信號(hào)；充電基座接收到掃地機(jī)器人發(fā)射的信號(hào)后，基座上的紅外發(fā)射裝置發(fā)射一個(gè)傳播距離近且覆蓋角度窄的紅外信號(hào)，用于在機(jī)器人到達(dá)充電站附近與充電站進(jìn)行對(duì)接時(shí)使用。 在搜尋充電基座位置時(shí)，掃地機(jī)器人先緩慢地原地旋轉(zhuǎn)。在掃地機(jī)器人旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)充電基座接收到掃地機(jī)器人發(fā)射的紅外信號(hào)時(shí)，充

16、電基座向掃地機(jī)器人發(fā)送信號(hào)，掃地機(jī)器人接收到信號(hào)后停止旋轉(zhuǎn)，并按照此方向行進(jìn)。掃地機(jī)器人行進(jìn)到充電基座附近時(shí)，利用充電基座發(fā)出的紅外信號(hào)精確地與充電基座進(jìn)行對(duì)接，完成自動(dòng)對(duì)接充電。掃地機(jī)器人自動(dòng)尋找充電基座位置原理示意圖如圖12所示。 圖12 自動(dòng)尋找充電基座原理示意圖 5.2灰塵盒安裝檢查 在掃地機(jī)器人開始工作之前，首先要保證收集灰塵的灰塵盒已經(jīng)安裝到位，否則進(jìn)行報(bào)警。為實(shí)現(xiàn)該功能，在掃地機(jī)器人灰塵盒卡槽內(nèi)安裝壓力傳感器， 通過壓力傳感器來檢查灰塵盒是否安裝到位，壓力傳感器安裝示意圖如圖13所示。 圖13 壓力傳感器安裝示意圖 壓力傳感器利用了電阻應(yīng)變片元件

17、，電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。 當(dāng)灰塵盒裝入指定位置時(shí)，盒與壓力傳感器接觸，壓力傳感器受到壓力，發(fā)送信號(hào)給控制器，說明盒已安裝；反之灰塵盒未裝入指定位置時(shí)，壓力傳感器無信號(hào)輸出，控制器無法收到信號(hào)，發(fā)出警告。 5.3灰塵盒容量探測(cè) 為了監(jiān)視掃地機(jī)器人灰塵盒中灰塵是否裝滿，在灰塵盒兩側(cè)安裝變介質(zhì)型電容傳感器。電容傳感器安裝示意圖如圖14所示。 圖14 電容傳感器安裝示意圖 當(dāng)灰塵盒中灰塵高度到達(dá)電容傳感器高度時(shí)，電容傳感器中的介質(zhì)發(fā)生改變，由于灰塵的介電常數(shù)與空氣的介電常數(shù)不同，從而引起傳感器電容變化，傳感器將信號(hào)傳給控制器，控制器控制掃地機(jī)器人發(fā)出報(bào)警信號(hào)，知道灰塵盒被清空。 專心---專注---專業(yè)