家用清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、noss大學(xué)noss學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目： 家用清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 2021963304 姓 名： 熊壯 指導(dǎo)教師： noss 完成日期： 2021年5月29日 摘要 近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能科學(xué)的飛速開(kāi)展，智能機(jī)器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。其中，效勞機(jī)器人開(kāi)辟了機(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。效勞機(jī)器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一是勞動(dòng)力本錢的上升；二是人類想擺脫枯燥乏味的體力勞動(dòng)，如清潔、家務(wù)、照顧病人等；三是人口的老齡和社會(huì)福利制度的完善也為某些效勞機(jī)器人提供了廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。效勞機(jī)器人區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)主要特征就是效勞機(jī)器

2、人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)過(guò)程的機(jī)器人系統(tǒng)，其活動(dòng)空間大，具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動(dòng)性，因此效勞機(jī)器人大多數(shù)是移動(dòng)機(jī)器人。由于這里不能上傳完整的畢業(yè)設(shè)計(jì)完整的應(yīng)包括畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、相關(guān)圖紙CAD/PROE、中英文文獻(xiàn)及翻譯等，此文檔也稍微刪除了一局部?jī)?nèi)容目錄及某些關(guān)鍵內(nèi)容如需要其他資料的朋友，請(qǐng)加叩扣:二二壹五八玖一壹五一 隨著社會(huì)的開(kāi)展需要，效勞機(jī)器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟(jì)方面，并且起到了很大的作用。效勞機(jī)器人的研究和開(kāi)展對(duì)我們的經(jīng)濟(jì)開(kāi)展有很多的影響。這片文章主要通過(guò)闡述清潔機(jī)器人在效勞行業(yè)的重要性，對(duì)機(jī)器人在各國(guó)開(kāi)展?fàn)顩r的一些綜述，讓讀者了解將來(lái)機(jī)器人開(kāi)展對(duì)社會(huì)開(kāi)展的重要

3、性，文章還寫(xiě)了本人對(duì)我國(guó)機(jī)器人現(xiàn)狀的一些調(diào)查和理解看法，在機(jī)器人開(kāi)展中存在的一些影響因素，還有對(duì)機(jī)器人使用領(lǐng)域的一些展望。關(guān)鍵詞：機(jī)器人：清潔機(jī)器人：運(yùn)動(dòng)原理：清潔方式ABSTRACT In recent years，along with the computer technology and the rapid development of artificial intelligence，intelligent robot technology gradually become modern robot research hotpots Among them，service robot， o

4、pened a new field of application of robots Service robots appeared three main reasons：one is rising labor costs. Second is the human to escape the boring physical labor, such as cleaning，housework and patient care，etcThe population is aged 3 and social welfare system for certain service robot also p

5、rovides a broad application prospect in the marketService robots in industrial robots is one of the main features of service robot is a suitable way environment and the specific tasks of the robot system，the process of large space activities in unstructured environment，has the high mobility. So most

6、 of the mobile robot is service robots With the development of society, we service robots have infiltrated the life，work and economic aspects，and play a very significant roleService robot research and development of our economic development has a lot of influenceThis article mainly elaborated throug

7、h cleaning robot in the importance of service industry in the world，robot is reviewed the development of some future robots，let the reader know the importance of the development of social development，the article also wrote himself in the situation of robot，investigation and understanding in robot in

8、 some influencing factors，and to use the domain of robotKey words：Robots：cleaning robot：sports principle：clean way第一章 前言題目要求 近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能科學(xué)的飛速開(kāi)展，智能機(jī)器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。其中，效勞機(jī)器人開(kāi)辟了機(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。效勞機(jī)器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一是勞動(dòng)力本錢的上升；二是人類想擺脫枯燥乏味的體力勞動(dòng)，如清沽、家務(wù)、照顧病人等；三是人口的老齡和社會(huì)福利制度的完善也為某些效勞機(jī)器人提供了廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。效勞機(jī)器人區(qū)別于工業(yè)

9、機(jī)器人的一個(gè)主要特征就是效勞機(jī)器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)過(guò)程的機(jī)器人系統(tǒng)，其活動(dòng)空間大，具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動(dòng)性，因此效勞機(jī)器人大多數(shù)是移動(dòng)機(jī)器人。 自動(dòng)進(jìn)行房間地而清潔的自主吸塵式家庭效勞機(jī)器人，集機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體。自主吸塵機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化開(kāi)展的先行者，其研究始于20世紀(jì)80年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品。吸塵機(jī)器人的開(kāi)展，帶動(dòng)了家庭效勞機(jī)器人行業(yè)的開(kāi)展，也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、圖像和語(yǔ)音識(shí)別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的開(kāi)展本次設(shè)計(jì)的題目?家庭清沾機(jī)器人?就是在這種背景下提出的，其具體

10、設(shè)計(jì)要求如下： 設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)器人的工作內(nèi)容和要求：運(yùn)行機(jī)構(gòu)形式：輪式最高行進(jìn)速度：s轉(zhuǎn)彎半徑:0高度:100mm寬度:400mm清潔方式：吸塵、掃刷一次充電連續(xù)工作時(shí)間：小時(shí)營(yíng)示方式： LED閃光具有自動(dòng)路徑規(guī)劃避障功能具確自動(dòng)充電裝置國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究 地面清潔機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化開(kāi)展的先行者其研究始于 20世紀(jì)80年代到目前為止已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品吸塵機(jī)器人的開(kāi)展帶動(dòng)了家庭效勞機(jī)器人行業(yè)的開(kāi)展也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)圖像和語(yǔ)音識(shí)別傳感器等相關(guān)技術(shù)的開(kāi)展?，F(xiàn)結(jié)合國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)將清掃機(jī)器人及其自動(dòng)充電技術(shù)的開(kāi)展現(xiàn)狀闡述如下.1國(guó)外產(chǎn)品研究狀況 對(duì)于機(jī)器人大家可能不會(huì)太陌生，工業(yè)

11、機(jī)器人在很多領(lǐng)域都得到了比擬廣泛的應(yīng)用，但是對(duì)于家庭機(jī)器人我們所了解的卻相當(dāng)?shù)纳俣毡練W美等國(guó)家的研究那么比擬領(lǐng)先，有的都已經(jīng)投入市場(chǎng)，在實(shí)際中投入使用。Rc3000是世界上第一臺(tái)能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清浩機(jī)器人如圖1-1所示它有光電傳感器和芯片控制，當(dāng)遇到障礙時(shí)，會(huì)隨機(jī)改變一個(gè)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(shí)，可以調(diào)整其清潔程序，通過(guò)傳感器對(duì)于地板污漬的判斷，選擇適宜的應(yīng)用程序 內(nèi)置光敏傳感器確保在遇到樓梯與臺(tái)階時(shí)能夠自動(dòng)避讓不會(huì)掉落。扁平的設(shè)計(jì)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(shí)問(wèn)設(shè)定、工作

12、模式選擇。充電垃圾處理五個(gè)功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導(dǎo)航信號(hào)來(lái)指機(jī)器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務(wù)，同時(shí)能夠根據(jù)用戶設(shè)定的信息來(lái)控制機(jī)器人完成相應(yīng)的操作，如圖1-1所示 在日本，東日本鐵路公司、Shink電器公司和Howa 工業(yè)聯(lián)臺(tái)研制了車站地面清掃機(jī)器人機(jī)器人可沿墻壁從任何一個(gè)位置自動(dòng)啟動(dòng)利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子將廢棄物掃入自帶容器中該機(jī)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)suba實(shí)驗(yàn)室和JR東方設(shè)施管理 聯(lián)合研制了車站地面擦洗機(jī)器人，該機(jī)器人工作時(shí)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(jī)器人中的感知系統(tǒng)采用光纖

13、陀螺和超聲波傳感器，自動(dòng)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假設(shè)干個(gè)單位而積，按照其存儲(chǔ)器中的單位面積識(shí)別其行使路線機(jī)器人還可利用其傳感器識(shí)別和躲避障礙物：另一種叫“路徑地圖模式機(jī) 器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行駛，機(jī)器人可存9幅地圖，并可利用IC卡作為外存，在該模式下、機(jī)器人不會(huì)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(jiǎn)單的列車內(nèi)部地面清洗的機(jī)器人其體積小重量輕、易于出人車廂及在車廂之間運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)采用超聲波距離傳感器和光學(xué)、接觸式的接近傳感器，機(jī)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假設(shè)探測(cè)到錯(cuò)誤位置、機(jī)器

14、人會(huì)通過(guò)距離傳感器自動(dòng)修正；高級(jí)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(gè)步驟日本靜甲株式會(huì)社的清水工廠開(kāi)發(fā)出一種自動(dòng)清掃機(jī)器人，可用于各種工廠的清掃工作，機(jī)器人采用光纖陀螺控制機(jī)器人的方向采用編碼器和超聲波傳感器測(cè)距，采用光學(xué)探測(cè)器探測(cè)障礙物機(jī)器人的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺(jué)傳感器，一機(jī)器人 與人接觸，觸覺(jué)傳惑器信號(hào)會(huì)使機(jī)器人停下來(lái)以保證人的平安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(jī)器人該機(jī)器人采用蓄電池作為動(dòng)力源可自動(dòng)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(jī)器人的試制機(jī)

15、。該機(jī)器人可以根據(jù)房間的形狀地板狀況垃圾量進(jìn)行自動(dòng)清掃，還配備有避開(kāi)墻壁爐子等熱源以及障礙的平安功能；該機(jī)器人配備有50個(gè)傳感器可一邊自動(dòng)行走邊進(jìn)行清掃，工作時(shí)首先沿房間四周走一圈，記憶房間形狀，然后在避開(kāi)障礙物的同時(shí)開(kāi)始縱橫來(lái)回移動(dòng)清潔工作完成后會(huì)自動(dòng)停止。該機(jī)器人清掃一般的日本式房間約需要9min相當(dāng)于人清掃同樣大房間所需時(shí)間的倍，可清掃房間地板的92-93，機(jī)器人利用光及超聲波的測(cè)距傳感器及感壓傳感器來(lái)避開(kāi)障礙物，機(jī)器人的內(nèi)置回轉(zhuǎn)傳感器用來(lái)控制行走姿勢(shì)以保持既定的行進(jìn)方向、但在地毯上行走時(shí)如果不采取措施那么會(huì)受到“地毯花紋影響而彎曲前進(jìn)因此該公司在機(jī)器人中安裝了方自舵?zhèn)鞲衅鳎梢詸z測(cè)出由

16、于地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進(jìn)方自偏差、由此即使在鋪有地毯的地板上也能夠直線前進(jìn)，機(jī) 器人體內(nèi)還安裝有防止從臺(tái)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(cè)自身所受外力大小的重量傳感器及防滑傳感器、檢測(cè)添加動(dòng)力的負(fù)載傳感器、機(jī)器人同普通的障礙物最少保持10cm的距離，而在探測(cè)到熱源時(shí)將會(huì)同熱源至少保持50cm的距離。20世紀(jì)90年代、美國(guó)就推出了地面清潔機(jī)器人R0boscrub，該機(jī)器人配有激光導(dǎo)航系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距和避障用光碼條實(shí)現(xiàn)定位。2002年9月清潔機(jī)器人“Roomba在美國(guó)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(shuō)這

17、是將用于軍事的“躲避地雷的移動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到了吸塵器上Roomba的動(dòng)作有自兒緩慢但它卻能穩(wěn)定、平安地完成任務(wù)由于能夠在完成任務(wù)后自動(dòng)切斷電源，所以可以在外出期間讓R00mba在家進(jìn)行清掃，如圖1-2所示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(kāi)發(fā)的清潔機(jī)器人“特里洛巴伊特上市銷售，“特里洛洛伊特主要由清掃機(jī)器和超聲波傳感器構(gòu)成，在工作時(shí)可避開(kāi)室內(nèi)擺放的各種家具用品只要家庭主婦領(lǐng)著它搞過(guò)一次清掃后，它便可以按行走過(guò)的清掃線路進(jìn)行自動(dòng)清掃這種機(jī)器人是充電式的，每一次充電可連續(xù)工作1小時(shí)。 瑞典家電制造商伊萊克斯(Ekctdux)研制生產(chǎn)的清潔機(jī)器人小“三葉蟲(chóng)高13mm直徑35外表光

18、滑，呈圓形，內(nèi)置搜索雷達(dá)，可以迅速地探測(cè)到并避開(kāi)桌腿玻璃器皿寵物或任何其它障礙物。一微處理器識(shí)別出這些障礙物，它可重新選擇路線，并對(duì)整個(gè)房間做出重新判斷與計(jì)算，以保持房問(wèn)的各個(gè)角落都被清掃在樓梯的臺(tái)階等一些沒(méi)有天然障礙物的地方，只要有一條磁鐵，小“三葉蟲(chóng)便不會(huì)跨越，小“三葉蟲(chóng)開(kāi)始啟動(dòng)后體內(nèi)的搜索雷達(dá)回探測(cè)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(cè)出整個(gè)房問(wèn)的格局，計(jì)算出清掃整個(gè)房問(wèn)所需的時(shí)間只要一接近一件障礙物它便會(huì)重新設(shè)定行進(jìn)路線、不會(huì)漏掉每一個(gè)角落電線或地毯的邊緣不會(huì)被認(rèn)作是障礙物。小“三葉蟲(chóng)的吸刷裝置中裝一只專利設(shè)計(jì)滑輪， 可以越過(guò)電線或地毯邊緣不被絆住電源缺乏時(shí)

19、，小“三葉蟲(chóng)會(huì)自動(dòng)回到充電卡座自行充電。如果此時(shí)房間還沒(méi)確清掃完畢，小“三葉蟲(chóng)還有記憶憶功能，充好電后自己回到原處繼續(xù)吸塵如圖1-3所示。英國(guó)、法目和澳大利亞也都推出過(guò)清潔機(jī)器人產(chǎn)品。英國(guó)Dy sun公司最近推出一種型號(hào)為DC06的智能吸塵器這是世界首次開(kāi)發(fā)研制的全自動(dòng)吸塵機(jī)器人這種機(jī)器人具有一定的人工智能，只需輕按開(kāi)關(guān)它就會(huì)為你解除每天清掃房間的煩惱。如圖14所示，吸塵機(jī)器人形狀呈50厘米長(zhǎng)的模型汽車狀，重公斤左右，配置了70多個(gè)傳感器，可隨時(shí)將發(fā)現(xiàn)的情況告訴由3臺(tái)內(nèi)置電腦組成的“大腦。“大腦每秒可發(fā)出16條命令來(lái)指揮吸塵器的工作。充電后一按開(kāi)關(guān)機(jī)器人會(huì)在瞬間通過(guò)所搭載的三臺(tái)小型計(jì)算機(jī)和70

20、個(gè)傳感器計(jì)算出自己所在位置、房問(wèn)大小及臟亂程度、家具的配置等。要是小孩或夠等外來(lái)物體接近吸塵器，它就會(huì)自動(dòng)停止工作接近樓梯口時(shí)吸塵器會(huì)自動(dòng)采用保護(hù)措以防止?jié)L到樓下。使用時(shí)，只要翻開(kāi)電源選好速度按下“走鍵，吸塵器就會(huì)自開(kāi)工作，其他程序都由它自己獨(dú)立完成不過(guò)該產(chǎn)品目前價(jià)格太高(4000美元左右一臺(tái))，要真正推向市場(chǎng)還有相當(dāng)?shù)碾y度，如目1-4所示澳大利亞的FloorBotics公司最近也研制出可自動(dòng)行駛并清掃房間的V4型機(jī)器人，如圖1-5所示這種全自動(dòng)吸塵器外表光滑，體積很小，呈圓形內(nèi)置搜索雷達(dá)，可以搜索各種房問(wèn)里的每一處不會(huì)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(cè)方向選擇前進(jìn)路線

21、的能力只要一放在地面上，全自動(dòng)吸塵器便可自動(dòng)開(kāi)始工作其搜索雷達(dá)會(huì)探測(cè)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)那么地來(lái)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(jī)器人由于在主機(jī)的周圍360度配備了障礙物傳感器，因此可以在檢測(cè)墻壁及障礙物的同時(shí)清掃地面。當(dāng)清掃完可以行駛的場(chǎng)所后，機(jī)器人就自動(dòng)關(guān)閉電源在經(jīng)過(guò)4個(gè)小時(shí)充電后可以連續(xù)工作1個(gè)小時(shí)以上，通過(guò)更換配件還可以清掃地毯等如果清掃沒(méi)有障礙物的地面時(shí)，1個(gè)小時(shí)可以清掃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(jī)器人在任何房間的所有無(wú)遮掩區(qū)域四處運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行清潔工作因?yàn)闄C(jī)器人導(dǎo)航沿房間的周圍，所

22、以它要?jiǎng)?chuàng)立自己的空間參考圖機(jī)器人不需要任何編程教它應(yīng)該去哪里該機(jī)器人操作簡(jiǎn)單，僅有三個(gè)按鈕：開(kāi)始，結(jié)束以及暫停，人們只要簡(jiǎn)單地將它放置在需要清掃的區(qū)域或房間中(這個(gè)機(jī)器人吸塵器很輕，一只手就可以容易拿起它)，按下開(kāi)始按鈕即可如圖l-5所示。2003年11月，三星公司推出一款代號(hào)為VC-RP30W的機(jī)器人，如圖1-6所示。VC-RP30W主要依靠3D地圖技術(shù)來(lái)進(jìn)行定位，并能靈巧地躲避障礙物，能夠快速、高效地對(duì)房間每個(gè)角落進(jìn)行吸塵。當(dāng)遇到障礙物或者死角等情況，VC-RP30W會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強(qiáng)大的只能判斷系統(tǒng)使得VC-RP30W能輕易地分辨出垃圾魚(yú)其他日常生活用品，機(jī)器人也允許用戶定義它的工

23、作時(shí)間及清掃區(qū)域等，從而實(shí)現(xiàn)主人不在家時(shí)機(jī)器人也能進(jìn)行自動(dòng)清掃。事實(shí)上，用戶除了可以對(duì)它本身進(jìn)行設(shè)置外，還能通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)看安裝在機(jī)器人前部的攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。整個(gè)機(jī)器人的電池能維持它連續(xù)工作50分鐘，而一電池處于即將耗盡的狀態(tài)時(shí)它自動(dòng)回到充電座補(bǔ)充能源，非常地智能化。它會(huì)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(hào)。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 在國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)、如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也對(duì)清潔機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究并取得了一成果，對(duì)清掃機(jī)器人相關(guān)技術(shù)如機(jī)器感知、機(jī)器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機(jī)器人控制、電源與電源管理、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的研究那么更多

24、，這些都為清潔機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)根底和技術(shù)根底。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 90年代開(kāi)始致力于這方面的亞久，與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)出一種全方位移動(dòng)清掃機(jī)器人。該機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：采用全放位移動(dòng)技術(shù)，使機(jī)器人可執(zhí)行對(duì)狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開(kāi)放式機(jī)器人鉸制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬件可擴(kuò)展，軟件可移植、可繼承，使機(jī)器人作為效勞載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)吸塵腔路的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。浙江大學(xué)于l999年初在浙江大學(xué)機(jī)械電子研究所開(kāi)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(guó)

25、內(nèi)第一個(gè)左右初步朱能的自主吸塵機(jī)器人，這種智能吸塵機(jī)器人工作時(shí)，首先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)；利用超聲波傳感器測(cè)距，與墻保持一定距離行走，在清潔這角落的同時(shí)獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時(shí)間；之后，利用隨機(jī)和局部遍歷規(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(bǔ)充電力。吸塵機(jī)器人在的實(shí)際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以到達(dá)90以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗(yàn)還沒(méi)有進(jìn)行。目前，系統(tǒng)正在引入機(jī)器視覺(jué)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。KV8保潔機(jī)器人是今年在市場(chǎng)上以低價(jià)位賣得比擬火的一款產(chǎn)品，也是國(guó)內(nèi)首個(gè)產(chǎn)品化清

26、掃機(jī)器人。它廣泛適用于家庭辦公和娛樂(lè)場(chǎng)所，以及其它一些人員不便進(jìn)入的地方。KV8能夠通過(guò)自身的碰撞傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)的清掃和碰撞處理，需要人工對(duì)其電池進(jìn)行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動(dòng)時(shí)伴有音樂(lè)聲。自主充電技術(shù)開(kāi)展現(xiàn)狀 在20世紀(jì)40年代末，G熱源Walte開(kāi)發(fā)第一個(gè)自主充電的移動(dòng)機(jī)器人名為：“Tortoises，這種機(jī)器人具有在神經(jīng)學(xué)研究中想著光線走的行為。Walter還創(chuàng)造了一個(gè)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(dāng)作充電站。通過(guò)光纖束的引導(dǎo)，機(jī)器人來(lái)到櫥前通過(guò)接觸從而自主充電，這個(gè)系統(tǒng)有如下的特征： (1)機(jī)器人的感知行為：感光； (2)充電站能夠發(fā)出機(jī)器人可以感

27、知的光束； (3)能夠?qū)﹄姵睾统潆娖鬟M(jìn)行具有一定準(zhǔn)確性地對(duì)接。 1998年Tsukuba大學(xué)成功開(kāi)發(fā)出了一款可以自動(dòng)充電的名為Yamabico-Liv的導(dǎo)游機(jī)器人。通過(guò)使用導(dǎo)航系統(tǒng)，該機(jī)器人能夠利用地圖自主導(dǎo)航繞越實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境到達(dá)充電站，通過(guò)充電站上一特殊的裝置的作用實(shí)現(xiàn)自主充電。 最近，位于美國(guó)的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人研究中也也開(kāi)發(fā)出了一種叫做sage的導(dǎo)游機(jī)器人，它是從卡內(nèi)基梅隆歷史物館所使用的導(dǎo)游機(jī)器人NomadxR4000改良而來(lái)。機(jī)器Sage通過(guò)其所攜帶的CCD攝像頭對(duì)標(biāo)識(shí)環(huán)境三維路標(biāo)等進(jìn)行識(shí)別和處理，從而自主得地尋找充電實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。路標(biāo)被直接放于充電站的插座的正上方、通過(guò)它的引導(dǎo)

28、，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可靠地停靠在預(yù)設(shè)的充電位置處，從而實(shí)現(xiàn)充電，在插座和插孔中間沒(méi)有別的東西。在 174 天的操作運(yùn)行中，這個(gè)機(jī)器人成功地實(shí)現(xiàn)135天無(wú)故障地運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，大約每九天偶爾會(huì)要人為地進(jìn)行一些精度校正。研究的目的和意義 吸塵機(jī)器人將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融臺(tái)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境地面的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作近年來(lái)已受到國(guó)內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自王式吸塵器比擬具體地表達(dá)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。性市場(chǎng)前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于家庭和公共場(chǎng)館的室內(nèi)清潔。因

29、此，開(kāi)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(chǎng)前景。 融合現(xiàn)代傳感器以及機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開(kāi)發(fā)一部?jī)r(jià)格廉價(jià)，全區(qū)域蓋，能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家鹿清掃機(jī)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效勞。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn) 由前面的設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)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(jì)和布置好清掃機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，吸塵機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)存垃圾機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，機(jī)器人中的關(guān)鍵局部清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是本次設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)所在。因?yàn)檫€要求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有避障功能，所以其外形設(shè)計(jì)也應(yīng)該仔自考慮清掃后的垃圾如何處理，以及

30、如何布置吸塵設(shè)備也是本次設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)考慮的問(wèn)題。第二章 家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)吸塵機(jī)器人系統(tǒng)通通常由四個(gè)局部組成：移動(dòng)機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)是吸塵機(jī)器人的主題，決定了吸塵器的運(yùn)動(dòng)空間，一般采用輪式機(jī)構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測(cè)距儀、接觸和接近覺(jué)傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機(jī)等。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的迅猛開(kāi)展，吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)研究和開(kāi)發(fā)已具備了件事的根底和良好的開(kāi)展前景。吸塵機(jī)器人的控制與工作環(huán)境往拄是不確定的或多變的，因此必須兼顧平安可靠性、抗干擾性以及清潔度。用傳感器探測(cè)環(huán)境、分析信號(hào)，以及通過(guò)

31、適當(dāng)?shù)慕７椒▉?lái)理解環(huán)境，具有特別重要的意義，近年來(lái)對(duì)只能機(jī)器人的研究說(shuō)明，對(duì)于工作在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的自主式移動(dòng)機(jī)器人，要進(jìn)一步提高其自動(dòng)化程度，主要依賴模式識(shí)別及障礙物識(shí)別、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸及適當(dāng)人工智能方法，還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)全局模型，從而為機(jī)器人獲取全局信息。目前開(kāi)展較快、對(duì)吸塵機(jī)器人開(kāi)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)等傳感技術(shù) 為了讓吸塵機(jī)器人正常工作，必須對(duì)機(jī)器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，還要感知機(jī)器人所出工作環(huán)境的靜態(tài)和動(dòng)感信息，使得吸塵機(jī)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

32、器和外部傳感器。其中內(nèi)部傳感器有：編碼器、線加速度計(jì)、陀螺儀、磁羅盤等。其中編碼器用于確定當(dāng)前機(jī)器人的位置，線加速度計(jì)獲取線加速度信息，進(jìn)而得到線加速度和位置信息；陀螺儀測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人的角度、角速度、角加速度以得到機(jī)器人的姿態(tài)角、運(yùn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向的改變等絕對(duì)航向信息。外部傳感器有視覺(jué)傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸很接近傳感器。視覺(jué)傳感器采用CCD攝像機(jī)進(jìn)行機(jī)器人的視覺(jué)導(dǎo)航與定位、目標(biāo)識(shí)別和地圖構(gòu)造等；超聲波傳感器測(cè)量機(jī)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(kāi)關(guān)來(lái)探測(cè)機(jī)器人工作環(huán)境中的障礙物以及防止碰撞。接觸和接近覺(jué)傳感器多用于避碰規(guī)劃。路徑規(guī)劃

33、技術(shù) 吸塵機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無(wú)碰撞的路徑，并且實(shí)現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。機(jī)器人路徑規(guī)劃研究始于20世紀(jì)70年代，目前對(duì)這一問(wèn)題研究仍舊十分活潑。其主要研究?jī)?nèi)容按機(jī)器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動(dòng)態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境，按機(jī)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)劃和給于傳感器的路徑規(guī)劃 對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)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(wèn)題，實(shí)現(xiàn)起來(lái)依然具有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)機(jī)器人對(duì)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

34、信息完全未知或局部未知，通過(guò)傳感器在線地對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，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(gè)子問(wèn)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)等吸塵技術(shù) 真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇在機(jī)體自形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，將塵埃和臟物通過(guò)吸口吸入機(jī)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(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。最近，澳大利亞Jetfan公司又開(kāi)發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個(gè)吸塵器是一個(gè)封閉系統(tǒng)，既無(wú)外部氣體吸入，

35、也無(wú)機(jī)內(nèi)氣體排除，所以就無(wú)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(guó)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)。電源技術(shù)移動(dòng)電源在吸塵機(jī)器人中的地位十分重要，可以說(shuō)是它的生命源。移動(dòng)電源需要同時(shí)滿足吸塵機(jī)器人的多種能源需要，如為移動(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(xué)電池作為移動(dòng)電源。理想的電源應(yīng)該能夠在放電過(guò)程中保持恒定的電壓，內(nèi)阻小以便快速放電，可充電以及本錢低等，但實(shí)際上沒(méi)有一種電池可同時(shí)具備上述優(yōu)點(diǎn)，這就要求設(shè)計(jì)人員選擇一種適宜的電池，盡可能

36、增加吸塵機(jī)器人的不間斷工作時(shí)間。第三章 清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理 本課題要研制一自結(jié)構(gòu)小巧、靈活，控制簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，初步完成自主移動(dòng)、自動(dòng)避障和路徑規(guī)劃任務(wù)的清潔機(jī)器人。整個(gè)清潔機(jī)器人由機(jī)機(jī)械局部和控制系統(tǒng)兩大局部組成。機(jī)械局部包括高強(qiáng)度塑料底盤、外殼、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)隨動(dòng)輪。它們是吸塵點(diǎn)擊、清潔刷、電池以及控制系統(tǒng)的載體。機(jī)器人整體外觀，如圖3-1所示3.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成本清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。主要包括以下幾局部： (1)個(gè)行走驅(qū)動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該局部主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動(dòng)。殼體前端和側(cè)面裝有紅外開(kāi)關(guān)、作為碰撞檢測(cè)傳感器。底面的3個(gè)紅外開(kāi)關(guān)作為臺(tái)階檢

37、測(cè)傳感器，防止跌落。驅(qū)動(dòng)輪上裝有光電編碼盤、可以對(duì)輪速進(jìn)行檢測(cè)和控制、實(shí)現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。同時(shí)還括展了超聲波傳感器，用于精確定位的需； (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；(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； (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，保證清潔工作的質(zhì)量。 移動(dòng)機(jī)構(gòu)是其它部件的載體，機(jī)器人移動(dòng)機(jī)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(jī)器人適合條件較好的地面，而步行機(jī)器人剛適合于條件較差的路面。本

38、課題研制的自主清潔機(jī)器人工作在環(huán)境較好的室內(nèi)，所以采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)較為適合。 輪式移動(dòng)機(jī)器人一般有三輪、四輪和六輪，移動(dòng)機(jī)器人假設(shè)采用三輪結(jié)構(gòu)那么比擬簡(jiǎn)單，能夠滿足一般的需求，應(yīng)用也比擬廣泛；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(guò)有更大的承載能力和穩(wěn)定性。在本課題中清潔機(jī)器人的重量不是很大，工作條件是室內(nèi)，也不惡劣，三點(diǎn)確定一個(gè)平面，三輪理論上也是穩(wěn)定的，但是對(duì)負(fù)載有一定的限制，對(duì)三三輪動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，重心都比擬低，載荷穩(wěn)定且中心位置根本不發(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(jī)通過(guò)減速器

39、和機(jī)械連桿機(jī)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(jī)器人的左、右輪上分別裝上兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)控制左右輪的速度比實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。在這種情況下，非驅(qū)動(dòng)輪影子有輪。移動(dòng)機(jī)器人假設(shè)采用鍍軸轉(zhuǎn)向式控制簡(jiǎn)單，但精度不是太高；差動(dòng)轉(zhuǎn)向式控制復(fù)雜但精度較高?？紤]到本課題清潔機(jī)人將來(lái)作為效勞型機(jī)器人使用，在控制方式上應(yīng)到達(dá)一個(gè)較高層次，所以采用差動(dòng)輪轉(zhuǎn)向式比擬好，并且其運(yùn)動(dòng)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(gè)良好的根底。因此本系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是三輪差速轉(zhuǎn)向式的，如圖3-3所示 按照上述的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，清潔機(jī)器人采用兩直流電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)左右兩輪的差動(dòng)方式，控制點(diǎn)單、精確，抑

40、郁實(shí)現(xiàn)，可以方便地吸塵機(jī)器人的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、后退，以及調(diào)頭等功能，清潔機(jī)器人能夠在任意半徑下、一人一速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、甚至可以實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑(即繞軸中點(diǎn)原地旋轉(zhuǎn))。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(jī)器人由多個(gè)功能模塊共同組成，這幾個(gè)模塊共同工作，相互協(xié)調(diào)、相互作用、保證了機(jī)器人能夠順利的進(jìn)行清掃。具體的工作原理如下清潔機(jī)器人的中心是清潔機(jī)器人的CPU，它對(duì)其它各個(gè)功能模塊進(jìn)行控制。信息采集模塊負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境以及機(jī)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(duì)機(jī)器人的控制信息，然后把信息傳給CPU進(jìn)行處理。當(dāng)接收收到需要機(jī)器人進(jìn)行清掃工作的信號(hào)，CPU可以通過(guò)控制行

41、走機(jī)構(gòu)和清潔機(jī)構(gòu)讓機(jī)器人進(jìn)行工作。在機(jī)器人工作的過(guò)程中還可以通過(guò)LCD顯示模塊和狀態(tài)指示模塊對(duì)機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行時(shí)實(shí)的顯示 機(jī)器人工作的流程如下： (1)首先可以通過(guò)鍵盤或者遙控器啟動(dòng)清潔機(jī)器人，讓它開(kāi)始清掃工作 (2)機(jī)器人一但開(kāi)始工作，便控制清掃機(jī)構(gòu)進(jìn)行清掃、吸塵機(jī)構(gòu)開(kāi)始吸塵擦地機(jī)構(gòu)開(kāi)始擦地。 (3)機(jī)器人開(kāi)始工作、傳感探測(cè)模塊就開(kāi)始不斷地采集外部信息，送到CPU進(jìn)行分析和決策產(chǎn)生機(jī)器人行走的路徑。 (4)當(dāng)路徑規(guī)劃需要機(jī)器人實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的時(shí)候。CPU就分別改變左右輪的速度，通過(guò)差速來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 (5)工作期間機(jī)器人可以通過(guò)LCD顯示一些相關(guān)信息(比方工作模式、工作計(jì)時(shí)或溫度)(6)遙控器除了可

42、以控制清潔機(jī)器人的啟停，還可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定時(shí)，讓機(jī)器人在一定時(shí)間后開(kāi)始工作或者工作一定時(shí)間后停止工作。該機(jī)器人利用安裝的各類傳感器來(lái)獲取室內(nèi)環(huán)境以及自身的根本信息，如障礙物的位置、自身走過(guò)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(guò)以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)進(jìn)行障礙物判斷、避障策略選擇和運(yùn)動(dòng)行走實(shí)是。機(jī)器人面板上有控制其開(kāi)始/停止工作的案件。同時(shí)也可以通過(guò)來(lái)控制，遙控還可以用來(lái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定時(shí)，LCD實(shí)時(shí)的顯定時(shí)的倒計(jì)時(shí)和當(dāng)前的溫度值。清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì).1機(jī)器人外形設(shè)計(jì)根據(jù)家庭清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)該包括清掃機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)、垃圾收集處理機(jī)構(gòu)，其中清掃機(jī)構(gòu)

43、的設(shè)計(jì)尤為重要。通過(guò)在網(wǎng)上搜索一些相關(guān)資料以及在圖書(shū)館查閱的資料，初步把機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)為長(zhǎng)寬均為400mm高位100mm的長(zhǎng)方體。但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)多設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的不合理之處周邊有棱角的機(jī)器人在躲避障礙物是很不便，非常容易碰到障礙物、而圓形物體那么比擬容易避開(kāi)障礙物。因而最終把機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)為圓盤形，其外部輪廓大體如圖3-5所示機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑為0，在機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)中采用兩輪驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱分布在清掃機(jī)構(gòu)的前方，兩個(gè)輪子子和刷子支撐機(jī)體工作和運(yùn)動(dòng)，選樣設(shè)計(jì)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(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過(guò)控制行走機(jī)構(gòu)的兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)

44、速及旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而控制兩個(gè)輪子，通過(guò)輪子的前后茶素運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)集體的轉(zhuǎn)彎半徑為0.3.2.3 清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)在清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中想到了四個(gè)方案：電機(jī)帶動(dòng)斜齒輪1，斜齒輪1帶動(dòng)斜齒輪2，挾斜齒輪2帶動(dòng)斜齒輪3，斜齒輪上的軸連接滾刷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清掃；電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪1，錐齒輪1帶動(dòng)錐齒輪2，有錐齒輪2上的軸連接滾刷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清掃；(3)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接渦輪，兩個(gè)渦輪的軸上分別接刷子，從而實(shí)現(xiàn)清掃；(4)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接渦輪，兩個(gè)渦輪分別接皮帶輪、皮帶輪上的軸接刷子，從而實(shí)現(xiàn)清掃。以上四種方案通過(guò)比照以及由設(shè)計(jì)的要求所限制，最終選擇方案四為清掃機(jī)構(gòu)。其正面結(jié)構(gòu)如下列圖所示 因?yàn)樗O(shè)計(jì)的機(jī)器人它

45、的體積有限制，在直徑為四百，高為一百的園內(nèi)要放置有清掃機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)、垃圾收集處理機(jī)構(gòu)，同時(shí)還得留下放電池、控制中心、觀察中心的地方，而方案一雖然易于安裝，傳動(dòng)平穩(wěn)，但是斜齒輪所占的面積非常大、如果選用它，那么會(huì)占用大量的空間，是其他幾個(gè)單元有局部將放置不下，從而超出所要設(shè)計(jì)的尺寸，因而否認(rèn)了這種方案；方案二中，錐齒輪傳動(dòng)不如斜齒輪平穩(wěn)，同時(shí)錐齒輪一所占的體積也比擬大，而清掃機(jī)構(gòu)又是本次設(shè)計(jì)中最重要的局部，因而選用錐齒輪的弊端也很大，所以經(jīng)過(guò)計(jì)算及各個(gè)機(jī)構(gòu)總體布局的綜合考慮，舍棄了方案二；方案三中通過(guò)點(diǎn)擊帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，再有蝸桿帶動(dòng)其兩端的蝸輪，由蝸輪上的軸帶動(dòng)固定在其上的刷子旋轉(zhuǎn)，從

46、而實(shí)現(xiàn)了清掃的目的。為了使機(jī)囂人的外壁在靠近墻邊時(shí)刷子能夠掃到墻壁的邊緣，同時(shí)使它在清掃過(guò)程中沒(méi)有工作盲區(qū)，開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)用兩個(gè)直徑都為200mm的刷子，這樣的話，蝸輪和蝸桿的中心距就必須為100mm，而在選種中心距的情況下，渦輪蝸稈的尺寸都比擬大，雖然能夠放置下，但是渦輪蝸桿這個(gè)裝置就顯得比擬笨重，所占的重量很大，這就加重了機(jī)器的人的總重量，因而這種方案也不是很合理；最后在方案三的根底上產(chǎn)生了方案四。方案四中通過(guò)兩邊加皮帶輪這個(gè)結(jié)構(gòu)縮小了蝸輪蝸桿的中心距，從而減小了機(jī)器的總重量，同時(shí)還有利于其它機(jī)構(gòu)的安裝因而選擇方案司為本次設(shè)計(jì)的清掃機(jī)構(gòu)。吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中將風(fēng)扇固定在垃圾儲(chǔ)藏室上壁

47、，在風(fēng)扇上罩一個(gè)薄壁腔。在薄壁腔上方開(kāi)一個(gè)圓孔，以便于空氣的排出。在垃圾儲(chǔ)藏室上壁開(kāi)兩個(gè)小長(zhǎng)方孔，在方孔下加一個(gè)隔塵罩。其大體圖形如圖3-11所示通過(guò)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)垃圾儲(chǔ)藏室內(nèi)的空氣流動(dòng)，有通過(guò)儲(chǔ)藏室內(nèi)的管腔將刷子清掃引起的塵土吸附進(jìn)來(lái)，待塵土的空氣通過(guò)防塵罩將塵土擋到垃圾儲(chǔ)物室，較干凈的空氣那么通過(guò)吸塵室上壁腔的圓孔排到大氣中去，從而實(shí)現(xiàn)吸塵的目的。垃圾收集處理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 在對(duì)垃圾收集處理機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，開(kāi)始想用如圖下所示的結(jié)構(gòu)作為垃圾收集擋板通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)和電機(jī)相連的小齒輪,小齒輪通過(guò)帶動(dòng)和其配對(duì)的大齒輪帶動(dòng)軸2旋轉(zhuǎn)，從而使軸2另一端上固定的大齒輪帶動(dòng)和其相連的小齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使垃圾收集擋板作

48、揚(yáng)起動(dòng)作通過(guò)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)控制。但是此結(jié)構(gòu)所占的空間比擬大，所示設(shè)計(jì)的將清潔機(jī)器人空間有限，不允許用這種結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿绻捎么朔N結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致其他一些機(jī)構(gòu)無(wú)法放置，因此此種方案不可行。后采用如下列圖的方案，該方案通過(guò)毛刷將垃圾掃至吸口，因吸口橫截面積小，根據(jù)伯努利方程可知，此處吸力很強(qiáng)。當(dāng)被吸入的垃圾到達(dá)垃圾儲(chǔ)藏盒時(shí)，空間瞬間擴(kuò)大，吸力減弱至最低值，垃圾便停留在垃圾儲(chǔ)存盒中。要傾倒出垃圾，將可拉出的垃圾儲(chǔ)藏盒拉出即可傾倒。又因?yàn)楸咎幍那鍜邫C(jī)器人為室內(nèi)清掃，不存在很大體積的垃圾，而且該方案所用空間很小，故本處采用該方案，圖如3-13所示 因?yàn)榍鍜呔植渴羌彝デ鍧崣C(jī)器人的最重要的局部，整個(gè)機(jī)體的大半

49、局部質(zhì)量都集中在這一局部。為了減輕機(jī)器的質(zhì)量，使其在使用時(shí)更方便一寫(xiě)，將這一局部單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)固定件固定在機(jī)體上，這樣既滿足工作要求有減輕了機(jī)體的質(zhì)量，清掃機(jī)構(gòu)的固定件如圖3-14所示最終設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)器人大體布局如目3-15所示第四章 具體計(jì)算電機(jī)選擇(1) 初步估計(jì)機(jī)器的總重量為9千克、g取kg，那么那么分配到每個(gè)輪子上的載荷位F=14G=1按橡膠在優(yōu)質(zhì)路面上行走，取那么:滾動(dòng)摩擦阻力 QUOTE =F=l 滑動(dòng)摩擦阻力f=F由前面的總體設(shè)計(jì)中機(jī)器的各個(gè)機(jī)構(gòu)的布局安排，車體底盤應(yīng)至少高于地面10mm取輪子直徑D為94mm，那么R=12D=47mm，那么輪子行走過(guò)程中所受的阻力矩： QUOTE

50、 =fR+ QUOTE 4710工作機(jī)要求的功率 QUOTE = 式中： QUOTE 由 QUOTE =2 QUOTE 取 QUOTE ，那么 QUOTE =3.83W,電機(jī)所需的輸出功率 QUOTE ,其中 QUOTE = QUOTE = QUOTE *0.97*0.9=0.86,那么電機(jī)所需的輸出的功率 QUOTE = QUOTE = QUOTE 。(3) 確定電機(jī)?？紤]到機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)要求其轉(zhuǎn)彎半徑為零，這樣就要求兩個(gè)和電機(jī)相連的輪子在轉(zhuǎn)彎時(shí)必須差速運(yùn)轉(zhuǎn)從而才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零。而要實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)轉(zhuǎn)那么要求電機(jī)具有調(diào)遣功能，再由(2)中所算得電機(jī)輸出功率、從而通過(guò)在網(wǎng)上搜索查到了寧波市北倉(cāng)深

51、港交流調(diào)速電機(jī)廠生產(chǎn)的YCJT系列電機(jī)滿足設(shè)計(jì)中所需要的電機(jī)要求，因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)本機(jī)器時(shí)電機(jī)需要輸出的功率為，由寧波市北倉(cāng)深港交流調(diào)速電機(jī)廠網(wǎng)站上給的產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和安裝型號(hào)中選型號(hào)為YCJT-6-1輸出功率為6W，速度可調(diào)范圍為90-1350r/min，1200rmin時(shí)轉(zhuǎn)矩為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為的電機(jī)，因?yàn)槠湓跐M足要求的情況下尺寸比我所查到的電機(jī)的尺寸都小，所以選用它為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)蝸輪蝸桿的選擇 (1)因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)所用的蝸桿和渦輪是清掃機(jī)構(gòu)功率的輸如局部，是機(jī)器人結(jié)構(gòu)中最重要的局部，所以選蝸桿材料40Cr外表淬火硬度4550HRC，渦輪齒圈村料為ZCuSnl0Pb1，金屬模鑄造,確定許用應(yīng)力：應(yīng)力循環(huán)次

52、數(shù) QUOTE =60 QUOTE =60*206*12000=1.48* QUOTE 查?機(jī)械設(shè)計(jì)?得： QUOTE =230MPa QUOTE -=90MPa QUOTE = QUOTE = 194Mpa； QUOTE = QUOTE = =52MPa (2)選擇根據(jù)傳動(dòng)比，參考蝸輪蝸桿參數(shù)表取 QUOTE =2，那么 QUOTE =i QUOTE =29；按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)先查?機(jī)械設(shè)計(jì)?確定計(jì)算公式所需參數(shù)： QUOTE ；取 QUOTE =1. 2因載荷平穩(wěn),通過(guò)跑合可以改善偏載程度，取 QUOTE =1那么載荷系數(shù)K= QUOTE ； QUOTE = QUOTE i QUOTE

53、 當(dāng) QUOTE =2時(shí)， QUOTE =0.70.75,取 QUOTE ，代入式中得： QUOTE 查?機(jī)械設(shè)計(jì)?得： QUOTE =155 QUOTE ，將這些數(shù)據(jù)代入接觸強(qiáng)度計(jì)算公式求得： QUOTE 9K QUOTE =134；按接觸強(qiáng)度要求， QUOTE 134，差表選取m=2mm, QUOTE =22.4mm, QUOTE =2,q=11.20,z2=29,r=100729。中心距 QUOTE (q+ QUOTE )， QUOTE =m QUOTE =58;不是標(biāo)準(zhǔn)推薦中心距，入選擇中心距，渦輪將變位。本設(shè)計(jì)不采用變?yōu)?，取?yàn)算初設(shè)參數(shù)蝸輪圓周速度 QUOTE 元估計(jì) QUOTE 3

54、m/s,選Kv值，相符?；瑒?dòng)速度 QUOTE = QUOTE ，在范圍之內(nèi)，所選材料適宜。蝸桿傳動(dòng)效率 QUOTE = QUOTE 根據(jù) QUOTE =1.8m/s,查表得 QUOTE =2， QUOTE = QUOTE ，傳動(dòng)效率 QUOTE =，與初選 QUOTE 不符，出阿東效率應(yīng)適當(dāng)降低。5驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和剛度 QUOTE QUOTE )/ QUOTE QUOTE 蝸輪當(dāng)量齒數(shù) QUOTE = QUOTE ，查得齒形系數(shù) QUOTE ；那么可求的： QUOTE =1- QUOTE 帶入式中 QUOTE =27.85MpaA2，所以只需要校核軸承1即可因?yàn)锳/R=0.0618/0.

55、1405e選取X=1，Y=0，所以P=fpXR+YA所以 QUOTE = QUOTE = QUOTE =1.08*h所以符合要求。4.6 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兩個(gè)力在相互垂直的兩個(gè)平面上，L=69mm，D=12mm如下兩個(gè)視圖4-3做彎距圖如4-4所示合成彎矩M= QUOTE QUOTE = QUOTE = QUOTE = QUOTE QUOTE 由于前面已經(jīng)選定軸的材料為45鋼，調(diào)制處理，查表 QUOTE QUOTE ，故符合強(qiáng)度要求。第五章 總結(jié)也展望開(kāi)展趨勢(shì) 雖然自主吸塵機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，進(jìn)入了實(shí)用階段，但是自主能力、工作效率方面還不理想，

56、需要在技術(shù)上解決傳感器技求、定位和環(huán)境建模技術(shù)，再次根底上，自主吸塵機(jī)器人可以向著高度智能化、多功能集成、低本錢的方向開(kāi)展。高度智能化 現(xiàn)在的自主吸塵機(jī)器人在行為上還處于“低級(jí)生物的階段，環(huán)境感知能力有限，對(duì)路徑的規(guī)劃只是隨機(jī)的方式或者基于局部環(huán)境信息的規(guī)劃方式，在復(fù)雜環(huán)境和多房間的環(huán)境下，這種工作方式的效率會(huì)銳減，因此，建立CCD視覺(jué)系統(tǒng)，融合多種傳感囂進(jìn)行定位和環(huán)境建模，實(shí)現(xiàn)全局路徑規(guī)劃，將是一個(gè)重要的研究方向同時(shí)，算法必須考慮系統(tǒng)的處理速度、存儲(chǔ)空間的限制。功能擴(kuò)展 自主吸塵機(jī)器人是一個(gè)可移動(dòng)的智能平臺(tái)，在吸塵功能之外可以進(jìn)行功能拓展，比方進(jìn)行家電控制房間環(huán)境檢測(cè)防止火災(zāi)電器故障盜竊等)

57、這方面的市場(chǎng)需求已經(jīng)被Tmsuk和三洋公司抓住并在2002年發(fā)布了兩款這樣的機(jī)器人.5.1.3 低本錢化 智能機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，使用了大量的傳感器和一個(gè)或者多個(gè)高性能的微處理器，因此本錢較高但是為了讓普通人都可以享受科技進(jìn)步的成果，降低本錢是個(gè)必由之路。展望 盡管目前價(jià)廉物美的吸塵器給人們的清潔工作帶來(lái)了一定的便利，但過(guò)大的噪音依然讓大多數(shù)使用者望而卻步吸塵機(jī)器人作為效勞機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)新產(chǎn)，將使人們能在無(wú)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)本錢兼顧到日用電器批量大，價(jià)格低的特點(diǎn)，吸塵機(jī)器人將具有誘人的市場(chǎng)前景，有關(guān)資料也預(yù)測(cè)吸塵機(jī)器人是未來(lái)幾年需求量最大的效勞

58、機(jī)器人。特別是日用清潔電囂不管是在市場(chǎng)上或者是在產(chǎn)品的創(chuàng)新上絕對(duì)是所有小家電產(chǎn)品中最活潑的未來(lái)仍有相當(dāng)大的成長(zhǎng)空間盡管目前國(guó)內(nèi)外在吸塵機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)當(dāng)面已取得了一定的成果，但本錢過(guò)高很許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題上亟待解決或提高，主要有以下幾個(gè)方面： (1)目前，價(jià)格過(guò)高是嚴(yán)重影響吸塵機(jī)器人打入家電市場(chǎng)的主要因素，因此為了大幅度降低其本錢我們必需開(kāi)發(fā)專用運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)字處理芯片以及微型傳感器其次，應(yīng)該看到藍(lán)牙技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景、通過(guò)采用藍(lán)牙技術(shù)將過(guò)高的數(shù)字處理器本錢轉(zhuǎn)移到用戶的個(gè)人電腦上那么有望在短期內(nèi)將吸塵機(jī)器人的本錢控制在千元左右。 (2)未來(lái)的吸塵機(jī)器人將向智能化和自主式開(kāi)展，因此我們必須結(jié)合現(xiàn)

59、有的基于自適應(yīng)控制、模糊邏輯、遺傳算法等的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)出對(duì)環(huán)境變化具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性對(duì)環(huán)境障礙物具有平安可靠的防碰撞功能的智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制器，使吸塵機(jī)器人完成與人工操作質(zhì)量相同的甚至更好的吸塵工作。 (3)為了有效地提高清潔的質(zhì)量，還需要對(duì)現(xiàn)有的吸塵技術(shù)進(jìn)行改良根據(jù)環(huán)境的臟潔程度，采用模糊邏輯等技術(shù)設(shè)計(jì)臺(tái)理的吸塵時(shí)間以及相協(xié)調(diào)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度確保滿意的吸塵效果。 (4)電源技術(shù)是吸塵機(jī)器人的核心之一，除了有效地提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和吸塵速度以延長(zhǎng)電池的實(shí)際吸塵時(shí)間外，還尚需優(yōu)化自動(dòng)充電方案，保證機(jī)器人能及時(shí)進(jìn)行充電，自動(dòng)完成對(duì)指定環(huán)境的吸塵任務(wù)隨著吸塵機(jī)器人關(guān)鍵技

60、術(shù)和性能價(jià)格比的不斷提高或改良，相信根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件，未來(lái)機(jī)年內(nèi)就會(huì)推出價(jià)格適中的全自動(dòng)吸塵機(jī)器人產(chǎn)品，進(jìn)而使吸塵機(jī)器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進(jìn)千家萬(wàn)戶，為這一高新技產(chǎn)品帶來(lái)可觀的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)1 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20042 羅迎社主編. 材料力學(xué) M. 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，20073 于駿一 鄒青編主編. 機(jī)械制造技術(shù)根底 M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20044 濮良貴、紀(jì)名剛主編. 機(jī)械設(shè)計(jì) M. 北京：高等教育出版社，20065 周良德 朱泗芳 楊世平主編. 現(xiàn)代工程圖學(xué) M. 長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，20216 岑軍健