掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)

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)對房間地形的重構(gòu)，自動規(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；4、創(chuàng)新功能：灰塵量識別，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)測與提醒；5、其他基礎(chǔ)功能：自動返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測。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)動部件多，運(yùn)動狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動。因此，增加機(jī)器人運(yùn)動平穩(wěn)性，提高機(jī)器人動力學(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)動部件的質(zhì)量，并注意運(yùn)動部件對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心裝配。(1)行走驅(qū)動輪及驅(qū)動電機(jī)該部分主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動。為了保證小車良好的直線性，可采用雙電機(jī)驅(qū)動左右兩輪的方式，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)動性和靈活性及靈活性。前輪驅(qū)動的好處是：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)帶動兩個(gè)清掃刷，使左面清掃刷順時(shí)針轉(zhuǎn)動，右面逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，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)不同的工作用來檢測掃地機(jī)器人行進(jìn)路線上是否有障礙物。超聲波測距傳感器安裝位置如圖4所示。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，會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測量距離的作用。避障功能的實(shí)現(xiàn)正是利用了這一超聲波測距的原理。超聲波傳感器測距原理如圖5所示。圖5超聲波傳感器測距原理超聲波傳感器接收到反射信號，檢測出前方有障礙物時(shí)，向控制器發(fā)出信號，控制器控制掃地機(jī)器人轉(zhuǎn)向，躲避障礙物，根據(jù)信號的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小。選用超聲波測距傳感器，實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，避免與家具等物品發(fā)生碰撞，從而避免損壞相應(yīng)物品。3.2防跌落為了防止掃地機(jī)器人遇到臺階時(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)行測距。當(dāng)掃地機(jī)器人行進(jìn)至臺階邊緣時(shí)，防跌落傳感器利用超聲波測得掃地機(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，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)器人遇臺階示意圖3.3防線纏繞：掃地機(jī)器人工作過程中，可能會遇到細(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，利用接近傳感器測量電動機(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)致電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，此時(shí)傳感器測得電動機(jī)轉(zhuǎn)速為零，控制器接收此信號后向掃地機(jī)器人發(fā)送控制信號，切斷電動機(jī)電流，同時(shí)發(fā)出求救信號。同時(shí)設(shè)計(jì)掃地機(jī)器人在發(fā)出求救信號3分鐘后自動關(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。移動電源需同時(shí)為移動機(jī)構(gòu)提供動力，為控制電路提供穩(wěn)定的電壓，為吸塵操作模塊及傳感觀測模塊提供能源等。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)部安裝庫侖計(jì)，用來檢測掃地機(jī)器人電池電量變化。庫侖計(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)就會產(chǎn)生一個(gè)監(jiān)控取樣電壓，通過檢測這個(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。庫侖計(jì)測量原理如圖9所示。圖9庫侖計(jì)測量原理另外通過溫度傳感器測量電池溫度，與庫侖計(jì)測得的電池電壓相互配合，可以極大減少電池老化等因素對測量結(jié)果的影響。4、創(chuàng)新功能4.1灰塵量智能識別掃地機(jī)器人需要根據(jù)某處灰塵量多少自動安排清掃時(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越劇烈，輸出信號越強(qiáng)。掃地機(jī)器人控制器根據(jù)灰塵傳感器信號的強(qiáng)度進(jìn)行判斷，發(fā)出相應(yīng)控制信號，使掃地機(jī)器人根據(jù)某處灰塵多少自行決定清掃時(shí)間長短。4.2床底智能清掃一般來說，床底、柜子底等地方相對較臟，因此這些地方需要重點(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，控制器發(fā)出控制信號，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)對掃地機(jī)器人的手動控制。4.4尖端氣流濾塵技術(shù)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)測與提醒為了監(jiān)測室內(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，掃地機(jī)器人控制器對這些信息進(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自動返回并充電：自動返回并充電對掃地機(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，不一定能保證完成清掃工作，這就需要掃地機(jī)器人能自動對接充電。掃地機(jī)器人利用紅外信號來確定充電基座位置，并自行運(yùn)動到充電基座，完成自動充電。當(dāng)掃地機(jī)器人檢測到電池電量小于規(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，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；充電基座接收到掃地機(jī)器人發(fā)射的信號后，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，用于在機(jī)器人到達(dá)充電站附近與充電站進(jìn)行對接時(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)射的紅外信號時(shí)，充電基座向掃地機(jī)器人發(fā)送信號，掃地機(jī)器人接收到信號后停止旋轉(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)出的紅外信號精確地與充電基座進(jìn)行對接，完成自動對接充電。掃地機(jī)器人自動尋找充電基座位置原理示意圖如圖12所示。圖12自動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，電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。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)，壓力傳感器無信號輸出，控制器無法收到信號，發(fā)出警告。5.