家用清掃機器人的結構設計

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畢業(yè)設計（論文）題 目 家用清掃機器人的結構設計 學 院 機電工程學院 專業(yè)班級學生姓名指導教師成 績 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）Ⅰ摘 要清潔機器人又稱智能吸塵機器人或自動吸塵器，它涉及到機械、電子和計算機等相關知識，是將移動機器人技術和清潔技術融為一體，模仿人體清潔動作的高新技術產(chǎn)品。它不僅節(jié)省了勞動力資源，而且還解決了人類在復雜惡劣的環(huán)境之下不能持續(xù)工作的問題。近年來隨著科技和社會的不斷進步和發(fā)展，已受到國內(nèi)外的重視，成為服務性機器人一個新的研究方向，也成為目前家用電器領域最具挑戰(zhàn)性的熱門研發(fā)課題。服務機器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟各方面，并且起到了很大的作用。服務機器人的研究和發(fā)展對我們的經(jīng)濟發(fā)展有很多的影響。清掃機器人是當今服務機器人領域的一個熱門研究方向。本篇文章提出一種全方位地面清掃機器人，主要面向家庭和辦公室等狹窄空間的清掃工作，主要通過闡述清潔機器人在服務行業(yè)的重要性，對國內(nèi)現(xiàn)有家庭清掃機器人機械系統(tǒng)進行詳細分析的基礎上，對清掃機器人的清掃功能做了一定改進，讓讀者了解將來機器人發(fā)展對社會發(fā)展的重要性，文章還寫了本人對我國機器人現(xiàn)狀的一些調(diào)查和理解看法，在機器人發(fā)展中存在的一些影響因素，還有對機器人使用領域的一些展望。關鍵詞：服務機器人；清掃機器人；運動原理；清潔方式齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）ⅡAbstractCleaning robot is also called intelligent vacuuming robot or automatic vacuum cleaner, it involves knowledge such as machinery, electronics and computer, mobile robot technology and clean technology integration, the imitation of human body cleaning action of high-tech products. It not only saves labor resources，but also solve the human in the complex can't continue to work under the harsh environment. In recent years, along with the advance of science and technology and society and the development, has brought to the attention of the domestic and foreign, to become a service robot is a new research direction, also become the home appliances is the most challenging in the field of the hot research topic.Service robots have infiltrated our lives, work and the economy, and played a large role. Service robot research and development of our economic development have a lot of influence. Cleaning robot is a hot research direction in the field of service robots. This article puts forward a comprehensive ground cleaning robot, mainly for home and office of narrow space such as cleaning work, mainly through the importance of cleaning robot in the service sector, in the domestic existing home cleaning robot mechanical system, on the basis of detailed analysis of the cleaning robot cleaning function to do a certain improvement, let the reader understand the importance of robots in the future development of the social development, the article also wrote himself on the current status of the robot in our country, based on some investigation and understanding in some influence factors existing in the development of the robot, and to use some prospects in the field of robot.Key words：Service robots；cleaning robot；motion principle；clean way齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）目錄摘 要 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????IAbstract??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????II第 1 章 緒 論 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1題目要求 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2國內(nèi)外產(chǎn)品研究現(xiàn)狀 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2.1 國外產(chǎn)品研究現(xiàn)狀 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品研究現(xiàn)狀 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????81.2.3 自主充電技術研究狀況 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????91.3 研究的目的和意義 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????91.4 設計的重點和難點 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????10第 2 章 家庭清潔機器人的關鍵技術 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????112.1 傳感技術 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????112.2 路徑規(guī)劃技術 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????122.3 吸塵技術 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????132.4 電源技術 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13第 3 章 清潔機器人的機械設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????153.1 機械結構組成和工作原理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????153.1.1 機械結構組成 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????153.1.2 工作原理 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????173.2 清潔機器人總體設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????183.2.1 機器人外形設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????183.2.2 機器人的行走機構設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????193.2.3 清掃機構的設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????193.2.4 吸塵機構設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????223.2.5 垃圾收集處理機構設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????23第 4 章 電機的選擇及軸的校核 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????264.1 電機的選擇 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????264.2 蝸輪蝸桿的選擇 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）4.3 清掃機構電機的選擇 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????304.4 家用清掃機器人電池的選用 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????304.5 清掃機構中蝸桿上軸承的壽命的計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????314.6 清掃機構中渦輪軸的校核 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????33第 5 章 清掃機電路的設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????355.1 電源電路設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????355.2 總控制電路 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????365.2.1 STC89C52單片機簡介 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????365.2.2 總控制電路的設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????385.3 防撞電路設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????395.4 電源電壓檢測電路 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????415.5 電機驅動電路設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????41第 6 章 總結與發(fā)展 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????446.1 發(fā)展趨勢 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????446.1.1 高度智能化 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????446.1.2 功能擴展 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????446.1.3 低成本化 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????446.2 展望 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????44參考文獻 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????46致謝 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????47齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）1第 1 章 緒 論1.1 題目要求近年來，隨著計算機技術與人工智能科學的飛速發(fā)展，智能機器人技術逐漸成為現(xiàn)代機器人研究領域的熱點。其中，服務機器人開辟了機器人應用的新領域。服務機器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一是勞動力成本的上升；二是人類想擺脫枯燥乏味的體力勞動，如清沽、家務、照顧病人等；三是人口的老齡和社會福利制度的完善也為某些服務機器人提供了廣泛的市場應用前景。服務機器人區(qū)別于工業(yè)機器人的一個主要特征就是服務機器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務過程的機器人系統(tǒng)，其活動空間大，具有在非結構環(huán)境下的移動性，因此服務機器人大多數(shù)是移動機器人。自動進行房間地面清潔的自主吸塵式家庭服務機器人，集機械學、電子技術、傳感器技術、計算機技術、控制技術、機器人技術、人工智能等諸多學科為一體。自主吸塵機器人作為智能移動機器人實用化發(fā)展的先行者，其研究始于 20 世紀 80 年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機和產(chǎn)品。吸塵機器人的發(fā)展，帶動了家庭服務機器人行業(yè)的發(fā)展，也促進了移動機器人技術、圖像和語音識別、傳感器等相關技術的發(fā)展，本次設計的題目《家庭清掃機器人》就是在這種背景下提出的，其具體設計要求如下：運行機構形式：滾輪式；最高行進速度：0.5m／s；高度:100mm；寬度:400mm；清潔方式：掃刷、吸塵；一次充電連續(xù)工作時間：0.8 小時；具有自動路徑規(guī)劃避障功能；具有自動充電裝置。1.2 國內(nèi)外相關產(chǎn)品研究地面清潔機器人作為智能移動機器人實用化發(fā)展的先行者其研究始于 20 世紀 80 年代，到目前為止已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機和產(chǎn)品，吸塵機器人的發(fā)展帶動了家庭服務機器人行業(yè)的發(fā)展，也促進了移動機器人技術圖像和語音識別傳感器等相關技術的發(fā)展?，F(xiàn)結合國內(nèi)外的文獻將清掃機器人及其自動充電技術的發(fā)展現(xiàn)狀說明。齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）21.2.1 國外產(chǎn)品研究狀況對于機器人大家可能不會太陌生，工業(yè)機器人在很多領域都得到了比較廣泛的應用，但是對于家庭機器人我們所了解的卻相當?shù)纳俣毡練W美等國家的研究則比較領先，在一些發(fā)達國家，早已開始采用服務機器人的清掃工作，有的都已經(jīng)投入市場，在實際中投入使用。RC300 是世界上第一臺能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機器人，如圖 1-1所示，它有光電傳感器和芯片控制，當遇到障礙時，會隨機改變一個角度，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，可以調(diào)整其清潔程序，通過傳感器對于地板污漬的判斷，選擇合適的應用程序，內(nèi)置光敏傳感器確保在遇到樓梯與臺階時能夠自動避讓不會掉落。扁平的設計使其能夠清潔床，沙發(fā)，茶幾等家具的下部位置，其相應的充電站有紅外發(fā)射、工作時問設定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導航信號來指示機器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務，同時能夠根據(jù)用戶設定的信息來控制機器人完成相應的操作。如圖1-1 所示：圖 1-1 RC300 清掃機器人20 世紀 90 年代初，美國就推出了地面清潔機器人“Roboscrub” ，該機器人采用超聲波傳感器檢測障礙物，并配有高精度激光導航系統(tǒng)。2002 年 9 月清潔機器人“Roomba”在美國面世，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)說這是將用于軍事的“躲避地雷的移動技術”應用到了吸塵器上， “Roomba”的動作有自動遲緩但它卻能穩(wěn)定、安全地完成任務，由于能夠在完成齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）3任務后自動切斷電源，所以可以在外出期間讓“Roomba”在家進行清掃，如圖 1-2 所示：圖 1-2 美國“Roomba”清掃機器人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發(fā)的清潔機器人“特里洛巴伊特”上市銷售， “特里洛洛伊特”主要由清掃機器和超聲波傳感器構成，在工作時可避開室內(nèi)擺放的各種家具用品，只要家庭主婦領著它搞過一次清掃后，它便可以按行走過的清掃線路進行自動清掃，這種機器人是充電式的，每一次充電可連續(xù)工作 1 小時。瑞典家電制造商伊萊克斯(Ekctdux)研制生產(chǎn)的清潔機器人小“三葉蟲”高 13mm 直徑35 表面光滑，呈圓形，內(nèi)置搜索雷達，可以迅速地探測到并避開桌腿、玻璃器皿、寵物或任何其它障礙物。一旦微處理器識別出這些障礙物，它可重新選擇路線，并對整個房間做出重新判斷與計算，以保持房問的各個角落都被清掃，在樓梯的臺階等一些沒有天然障礙物的地方，只要有一條磁鐵，小“三葉蟲”便不會跨越，小“三葉蟲”開始啟動后體內(nèi)的搜索雷達會探測出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡，這樣它便能探測出整個房問的格局，計算出清掃整個房問所需的時間，只要接近一件障礙物它便會重新設定行進路線，不會漏掉每一個角落，電線或地毯的邊緣不會被認作是障礙物。小“三葉蟲”的吸刷裝置中裝一只專利設計滑輪，可以越過電線或地毯邊緣不被絆住。電源不足時，小“三葉蟲”會自動回到充電卡座自行充電。如果此時房間還沒有清掃完畢，小“三葉蟲”還有記憶功能，充好電后自己回到原處繼續(xù)吸塵如圖 1-3 所示：齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）4圖 1-3 瑞典伊萊克斯(Ekctdux)公司清潔機器人小“三葉蟲”在日本，東日本鐵路公司、Shink 電器公司和 Howa 工業(yè)有限公司聯(lián)臺研制了車站地面清掃機器人可沿墻壁從任何一個位置自動啟動利用不斷旋轉的刷子將廢棄物掃入自帶容器中，該機器人可采用“磁導引方式” 、 “示教方式”或“墻面復制方式”控制，東日本路公司富士工業(yè)有限公司 suba 實驗室和 JR 東方設施管理有限公司聯(lián)合研制了車站地面擦洗機器人，該機器人工作時一面將清洗液噴灑到地面上，一面用旋轉刷不停地擦洗地面，并將臟水吸入所帶的容器中，機器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自動清洗系統(tǒng)有兩種，一種是“面積設定模式” ，即將待清洗的面積分為若干個單位而積，按照其存儲器中的單位面積識別其行使路線，機器人還可利用其傳感器識別和躲避障礙物。另一種叫“路徑地圖模式” ，機器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行駛，機器人可存 9 幅地圖，并可利用 IC 卡作為外存，在該模式下機器人不會避障，僅適用于需要反復擦洗的指定地段。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單的列車內(nèi)部地面清洗的機器人，其體積小、重量輕、易于出入車廂及在車廂之間，運動感知系統(tǒng)采用超聲波距離傳感器和光學、接觸式的接近傳感器，機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，若探測到錯誤位置，機器人會通過距離傳感器自動修正。高級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步驟，日本靜甲株式會社的清水工廠開發(fā)出一種自動清掃機器人，可用于各種工廠的清掃工作，機器人采用光纖陀螺控制機器人的方向采用編碼器和超聲波傳感器測距，采用光學探測器探測障礙物機器人的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺傳感器，一旦機器人與人接觸，齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）5觸覺傳感器信號會使機器人停下來以保證人的安全，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器人，該機器人采用蓄電池作為動力源可自動去充電站充電，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器人的試制機。該機器人可以根據(jù)房間的形狀地板狀況垃圾量進行自動清掃，還配備有避開墻壁爐子等熱源以及障礙的安全功能，該機器人配備有 50 個傳感器，可以一邊自動行走一邊進行清掃，工作時首先沿房間四周走一圈，記憶房間形狀，然后在避開障礙物的同時開始縱橫來回移動，清潔工作完成后會自動停止。該機器人清掃一般的日本式房間約需要 9min，相當于人打掃同樣大房間所需時間的 1-1.5 倍，可清掃房間地板的 92％-93％，機器人利用光及超聲波的測距傳感器及感應傳感器來避開障礙物，機器人的內(nèi)置回轉傳感器用來控制行走姿勢以保持既定的行進方向，但在地毯上行走時，如果不采取措施則會受到“地毯花紋”影響而彎曲前進，因此該公司在機器人中安裝了方向自舵?zhèn)鞲衅?，可以檢測出由于地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進方自偏差，由此即使在鋪有地毯的地板上也能夠直線前進。機器人體內(nèi)還安裝有防止從臺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、檢測自身所受外力大小的重量傳感器及防滑傳感器、檢測添加動力的負載傳感器，機器人同普通的障礙物最少保持 10cm 的距離，而在探測到熱源時將會同熱源至少保持 50cm 的距離。英國 Dy son 公司最近推出一種型號為 DC06 的智能吸塵器，這是世界首次開發(fā)研制的全自動吸塵機器人，這種機器人具有一定的人工智能，只需輕按開關它就會為你解除每天打掃房間的煩惱。如圖 1-4 所示，吸塵機器人形狀呈 50 厘米長的模型汽車狀，重 9.2 公斤左右，配置了 70 多個傳感器，可隨時將發(fā)現(xiàn)的情況，告訴由 3 臺內(nèi)置電腦組成的“大腦” ，大腦每秒可發(fā)出 16 條命令來指揮吸塵器的工作。充電后一按開關機器人會在瞬間通過所搭載的三臺小型計算機和 70 個傳感器計算出自己所在位置、房問大小及臟亂程度、家具的配置等。要是小孩或動物等外來物體接近吸塵器，它就會自動停止工作，接近樓梯口時吸塵器會自動采用保護措施以防止?jié)L到樓下。使用時，只要打開電源選好速度按下“走”鍵，吸塵器就會自動工作，其他程序都由它自己獨立完成，不過該產(chǎn)品目前價格太高(4000 美元左右一臺)，要真正推向市場還有相當?shù)碾y度，如圖 1-4 所示：齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）6圖 1-4 英國 Dy son 公司 DC 系列清掃機器人澳大利亞的 FloorBotics 公司最近也研制出可自動行駛并打掃房間的 V4 型機器人，如圖 1-5 所示，這種全自動吸塵器表面光滑，體積很小，呈圓形內(nèi)置搜索雷達，可以搜索各種房問里的每一處，不會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方向選擇前進路線的能力，只要一放在地面上，全自動吸塵器便可自動開始工作，其搜索雷達會探測出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡，然后再不規(guī)則地來回于房間的其它位置，并且能在接近障礙物之前迅速轉向。該吸塵機器人由于在主機的周圍 360 度配備了障礙物傳感器，因此可以在檢測墻壁及障礙物的同時打掃地面。當打掃完可以行駛的場所后，機器人就自動關閉電源，在經(jīng)過 4 個小時充電后可以連續(xù)工作 1 個小時以上，通過更換配件還可以打掃地毯等，如果打掃沒有障礙物的地面時，1 個小時可以打掃 360 平方米，不管房間的外形及面積的大小，ARNA 導航算法引導機器人在任何房間的所有無遮掩區(qū)域四處運動來進行清潔工作，因為機器人導航沿房間的周圍，所以它要創(chuàng)建自己的空間參考圖，機器人不需要任何編程教它應該去哪里，該機器人操作簡單，僅有三個按鈕：開始，結束以及暫停。人們只要簡單地將它放置在需要清掃的區(qū)域或房間中，按下開始按鈕即可。如圖 1-5 所示：齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）7圖 1-5 V4 智能吸塵機器人2003 年 11 月，三星公司推出一款代號為 VC-RP30W 的機器人，如圖 1-6 所示：圖 1-6 三星機器人 VC-RP30WVC-RP30W 主要依靠 3D 地圖技術來進行定位，并能靈巧地躲避障礙物，能夠快速、高效地對房間每個角落進行吸塵。當遇到障礙物或者死角等情況，VC-RP30W 會自動轉向繼續(xù)工作。其強大的智能判斷系統(tǒng)使得 VC-RP30W 能輕易地分辨出垃圾與其他日常生活用品，機器人也允許用戶定義它的工作時間及清掃區(qū)域等，從而實現(xiàn)主人不在家時機器人也能進行自動清掃。事實上，用戶除了可以對它本身進行設置外，還能通過計算機查看安裝在機器人前部的攝像頭進行遠程遙控。整個機器人的電池能維持它連續(xù)工作 50 分鐘，而一旦電池處于即將耗盡的狀態(tài)時它自動回到充電座補充能源，非常地智能化，它回充電站使用的是已經(jīng)生成的 3D 地圖，而不是像 RC3000 那樣使用紅外的導航信號。齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）81.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況在國內(nèi)的一些大學、如哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學、上海交通大學等單位也對清潔機器人進行了大量的研究并取得了一定的成果，對清掃機器人相關技術如機器人感知、機器人導航和定位與路徑規(guī)劃、機器人控制、電源與電源管理、動力驅動等技術的研究則更多，這些都為清潔機器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎和技術基礎。哈爾濱工業(yè)大學于 90 年代開始致力于這方面的研究，與香港中文大學合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動清掃機器人。該機器人具有如下特點：采用全放位移動技術，使機器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務；采用開放式機器人鉸制結構，實現(xiàn)硬件可擴展、軟件可移植、可繼承，使機器人作為服務載體具有更好的功能適應性；在擁擠環(huán)境下的實時避障功能，能更好地適應不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運動兩種運動方式；吸塵機構可實現(xiàn)吸塵腔路的自動轉換，提高了吸塵效率。浙江大學于 1999 年初在浙江大學機械電子研究所開始進行智能吸塵機器人的研究，兩年后設計成功國內(nèi)第一個左右初步能自主吸塵的機器人，這種智能吸塵機器人工作時，首先進行環(huán)境學習，利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走，在清潔這角落的同時獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時間，之后，利用隨機和局部規(guī)劃相結合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑。清掃結束以后，自行回到充電座補充電力。吸塵機器人在5.5×3.5m2的實際家庭環(huán)境中，工作 10 分鐘可以達到 90％以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗還沒有進行。目前，系統(tǒng)正在引入機器視覺和全局定位功能，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：圖 1-7 國產(chǎn) KV8 保潔機器人KV8 保潔機器人是今年在市場上以低價位賣得比較火的一款產(chǎn)品，也是國內(nèi)首個產(chǎn)品化清掃機器人。它廣泛適用于家庭辦公和娛樂場所，以及其它一些人員不便進入的地方。齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）9KV8 能夠通過自身的碰撞傳感器來實現(xiàn)隨機的清掃和碰撞處理，需要人工對其電池進行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動時伴有音樂聲。1.2.3 電源自主充電技術自主充電也是目前清掃機器人的主要研究問題，當清掃機器人在清掃過程中能夠自我感知電量不足時，將暫停清掃作業(yè)主動尋找充電站，進行自動充電的能力，也是表現(xiàn)機器人自主認知能力的主要方面。20 世紀 40 年代末，G 熱源 Walte 開發(fā)第一個自主充電的移動機器人名為：“Tortoises” ，這種機器人具有在神經(jīng)學研究中想著光線走的行為。Walter 還發(fā)明了一個可以充電的小櫥，櫥中有能夠發(fā)射光束的裝置和充電器，并把它當作充電站。通過光纖束的引導，機器人來到櫥前通過接觸從而自主充電，這個系統(tǒng)有如下的特征：(1)機器人的感知行為：感光；(2)充電站能夠發(fā)出機器人可以感知的光束；(3)能夠對電池和充電器進行具有一定準確性地對接。1998 年 Tsukuba 大學成功開發(fā)出了一款可以自動充電的名為 Yamabico-Liv 的導游機器人。通過使用導航系統(tǒng)，該機器人能夠利用地圖自主導航繞越實驗室的環(huán)境到達充電站，通過充電站上一特殊的裝置的作用實現(xiàn)自主充電。因此，當前對自主充電功能的設計研究也有很多。利用充電基站發(fā)出紅外線信號，幫助清掃機器人尋找充電站的位置是目前已經(jīng)研究成熟的方法。基站對正在工作的清掃機器人兩種相對離充電基站遠近不同的信號，但當機器人收索不到信號時，會根據(jù)已經(jīng)建立的地圖去尋找充電位置，按照相應路徑規(guī)劃去靠近基站，直到收到信號為止。如德國的凱馳RC30000 的清掃機器人就利用類似的原理自動充電。國內(nèi)的清掃機器人能自動充電的產(chǎn)品較少。自主研究的成果也有，如哈爾濱工業(yè)大學開發(fā)的清掃機器人就能自動尋找充電站對接技術，但未見產(chǎn)品上市。1.3 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臺起來，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的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，智能化自動式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動機器人的多項關鍵技術，具有較強的代表性。就市場前景角度講，自主吸塵器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。齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）10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鹿清掃機器人。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。1.4 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、行走機構、吸塵機構和儲存垃圾機構是本次設計的重點，機器人中的關鍵部分清掃機構的設計也是本次設計中的難點所在。因為還要求所設計的機器人具有避障功能，所以其外形設計也應該考慮清掃后的垃圾如何處理，以及如何布置吸塵設備也是本次設計中需要仔細考慮的問題。齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）11第 2 章 家庭清潔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)通通常由四個部分組成：移動機構、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動機構是吸塵機器人的主題，決定了吸塵器的運動空間，一般采用輪式機構。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、接觸和接近覺傳感器、紅外線傳感器和 CCD 攝像機等。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猛發(fā)展，吸塵機器人控制系統(tǒng)研究和開發(fā)已具備了件事的基礎和良好的發(fā)展前景。吸塵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，近年來對智能機器人的研究表明，對于工作在復雜非結構環(huán)境中的自主式移動機器人，要進一步提高其自動化程度，主要依賴模式識別及障礙物識別、實時數(shù)據(jù)傳輸及適當人工智能方法，還需要進一步開發(fā)全局模型，從而為機器人獲取全局信息。目前發(fā)展較快、對吸塵機器人發(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。2.1 傳感技術傳感技術同計算機技術與通信技術一起被稱為信息技術的三大支柱。從仿生學觀點，如果把計算機看成處理和識別信息的“大腦” ，把通信系統(tǒng)看成傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”的話，那么傳感器就是“感覺器官” 。傳感技術是關于從自然信源獲取信息，并對之進行處理（變換）和識別的一門多學科交叉的現(xiàn)代科學與工程技術，它涉及傳感器（又稱換能器） 、信息處理和識別的規(guī)劃設計、開發(fā)、建造、測試、應用及評價改進等活動。 獲取信息靠各類傳感器，它們有各種物理量、化學量或生物量的傳感器。按照信息論的凸性定理，傳感器的功能與品質(zhì)決定了傳感系統(tǒng)獲取自然信息的信息量和信息質(zhì)量，是高品質(zhì)傳感技術系統(tǒng)的構造第一個關鍵。信息處理包括信號的預處理、后置處理、特征提取與選擇等。識別的主要任務是對經(jīng)過處理信息進行辨識與分類。它利用被識別（或診斷）對象與特征信息間的關聯(lián)關系模型對輸入的特征信息集進行辨識、比較、分類和判斷。因此，傳感技術是遵循信息論和系統(tǒng)論的。它包含了眾多的高新技術、被眾多的產(chǎn)業(yè)廣泛采齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）12用。它也是現(xiàn)代科學技術發(fā)展的基礎條件，應該受到足夠地重視。至此，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，還要感知機器人所出工作環(huán)境的靜態(tài)和動感信息，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。通常采用的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。其中內(nèi)部傳感器有：編碼器、線加速度計、陀螺儀、磁羅盤等。其中編碼器用于確定當前機器人的位置，線加速度計獲取線加速度信息，進而得到線加速度和位置信息；陀螺儀測量移動機器人的角度、角速度、角加速度以得到機器人的姿態(tài)角、運動方向和轉動時運動方向的改變等絕對航向信息。外部傳感器有視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸很接近傳感器。視覺傳感器采用CCD 攝像機進行機器人的視覺導航與定位、目標識別和地圖構造等；超聲波傳感器測量機器人工作環(huán)境中障礙物的距離信息和地圖構造等。紅外線傳感器大多采用紅外接近開關來探測機器人工作環(huán)境中的障礙物以及避免碰撞。接觸和接近覺傳感器多用于避碰規(guī)劃。2.2 路徑規(guī)劃技術目前，對清掃機器人的移動路徑規(guī)劃研究提出了很多方法，但尚未形成統(tǒng)一和完善的體系，還有許多關鍵問題例如機器人運動環(huán)境建模、機器人導航控制器的學習和優(yōu)化、實時故障診斷、實時運動規(guī)劃與控制等技術問題亟待解決和完善，下面就路徑規(guī)劃技術作具體分析：(1)對環(huán)境的感知技術。機器人必須通過傳感器感知環(huán)境的信息，處理器通過處理這些傳感器信息后，進一步?jīng)Q策機器人的具體行為。如何正確地感知環(huán)境信息，關鍵在傳感器，只有先進的傳感器才能有效地采集環(huán)境信息，從而提高機器人動作的準確性。目前超聲波、激光雷達、視覺等傳感器在移動機器人中得到了實際應用，但是這些傳感器都有一定的局限性，例如超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率，視覺傳感器所獲得圖像的清晰和細膩程度取決于分辨率，分辨率越高圖像越清晰，但所需的存儲空間就越大，圖像分析和處理速度就越慢。所以對清掃機器人的環(huán)境感知技術將是未來清掃機器人研究的一個突出方面。 (2)多傳感器信息融合技術。多傳感器信息融合的目的是提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性，在移動機器人路徑規(guī)劃中，傳感器起了很重要的作用，多傳感器所獲得的信息具有冗余性、互補性、協(xié)同性，可對現(xiàn)場環(huán)境進行快速并行分析，有利于機器人快速找到有效路徑。但是多傳感器信息融合技術還存在很多難題，例如如何減小信息融合的錯誤率、如何提高信息融合的實時性、如何建立有效的信息融合質(zhì)量評價機制等。 家用清掃機器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)機器人所感知到的工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）13化指標，在起始點和目標點規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑，并且實現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。機器人路徑規(guī)劃研究始于 20 世紀 70 年代，目前對這一問題研究仍舊十分活躍。其主要研究內(nèi)容按機器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結構化環(huán)境、動態(tài)已知環(huán)境動態(tài)不確定環(huán)境，按機器人獲取環(huán)境信息的方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和給予傳感器的路徑規(guī)劃。對運動規(guī)劃問題，目前有具體的解析算法。但由于解析算法牽涉到復雜的橢圓積分問題，實現(xiàn)起來依然具有相當?shù)碾y度。根據(jù)機器人對環(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)境信息完全未知或部分未知，通過傳感器在線地對機器人的工作環(huán)境進行探測，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子問題。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。2.3 吸塵技術作為全自動家居清掃機器人，如何合理的設計清潔線路，達到全面清潔、定點清潔、合理清潔、避免觸碰與防止跌落的目的，需要科學的設計才行。此清掃機器人具有定點螺旋清掃、隨機行走、靠墻延邊清掃、Z 字型清掃、多邊形清掃五種模式。并采用了升級版的 HSIR+多點矩陣智能清潔系統(tǒng)，利用機器人內(nèi)置的 12 對超聲波傳感器，精確探測障礙物距離，不斷修正家居空間方位圖，自動設計一個最優(yōu)的清掃模式組合?？茖W合理的清潔系統(tǒng)設定和強大給力的電機配置，是此清掃機器人能夠出色完成吸塵技術的關鍵。同時附有履帶式拖板和冷陰極紫外線殺菌燈的它，面對腳印、細菌等也是一掃而空，可謂真正的清潔小斗士。其中，真空吸塵器是由高速旋轉的風扇在機體自形成真空從而產(chǎn)生強大的氣流，將塵埃和垃圾通過吸口吸入機體內(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機的轉速大小。最近，澳大利亞 Jetfan 公司又開發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個吸塵器是一個封閉系統(tǒng)，既無外部氣體吸入，也無機內(nèi)氣體排除，所以就無需濾塵器、集塵袋、排氣管等附件。其原理是利用附壁效應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 Dyson 公司最近推出的 DC06型智能吸塵器就采用的了這種技術。2.4 電源技術目前，移動機器人都是使用高質(zhì)量的機載可充電蓄電池組來給自身供電，但是一般只齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）14能維持幾個小時，一旦電能耗盡，必須采用人工干預的方式來給機器人充電。即當移動機器人電力不足時，發(fā)出提示信號，由操作人員手動完成機器人與充電器之間的電器連接，然后實施充電，完成后也是人工脫離連接電路。其特點是安全可靠，簡單易行，但需要專人看管，浪費人力，而且這也使得機器人的自動化、智能化不完整。這阻礙了機器人的長期自治。機器人連續(xù)任務環(huán)被簡單地定義為使機器人以自主充電的方式來繼續(xù)完成它所分配到的任務。一旦開始運行，機器人便進入連續(xù)任務環(huán)，即不再需要人的幫助，在此系統(tǒng)中，啟動和停止是由機器人自動完成。 總之，隨著移動機器人的應用越來越廣泛，人們對移動機器人能實現(xiàn)長期值守、延長自治時間以及增加活動范圍等功能的要求越來越高，故而其補充動力能源成為了一個亟待解決的問題。由于常見的移動機器人動力能源的無纜化主要依賴高品質(zhì)的機載蓄電池組，如何讓機器人在無人工干預環(huán)境下安全可靠、快速高效地自動實現(xiàn)充電是實現(xiàn)機器人長期自治的一項關鍵技術。 當移動機器人需要補充電力時，會自動駛向指定充電區(qū)，車載充電連接器與地面充電系統(tǒng)自動實現(xiàn)電連接并實施充電。充電完成后機器人自動脫離充電系統(tǒng)，駛向工作區(qū)或待命區(qū)投入正常運行,其特點是整個充電過程全部實現(xiàn)自動化、智能化，無需專人看管。 移動機器人和充電座連接方式常見的有如下三種。 (1)上置式自動充電模式。連接觸點位于移動機器人本體上方，當機器人到達充電座時，與地面連接觸點自動完成對接，當充電完畢后與充電座自動脫離。Grey Walte 開發(fā)的機器人 Elsie 和 Elmer 就是采用將機器人本體上的充電臂插入就近的插座的充電方式來充電。(2)側置式自動充電模式。連接觸點位于移動機器人側面，當機器人到達充電座時，與地面連接觸點側向對應，由機器人主動完成對接。充電完成后，機器人駛離投入運行。澳大利亞的 Alex Zelinsky 開發(fā)的機器人和美國的加利福尼亞大學開發(fā)的機器人是采用這種方法。 (3)下置式自動充電模式。連接觸點位于機器人本體下部，當機器人停在充電臺位時,車載與地面連接觸點自動上下對接吻合。充電完成后，機器人駛離，連接觸點自動脫離。電源在吸塵機器人中的地位十分重要，可以說是它的生命源。電源需要同時滿足吸塵機器人的多種能源需要，如為移動機構提供動力，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。在這一領域，一般采用化學電池作為移動電源。理想的電源應該能夠在放電過程中保持恒定的電壓，內(nèi)阻小以便快速放電，可充電以及成本低等，但實際上沒有一種電池可同時具備上述優(yōu)點，這就要求設計人員選擇一種合適的電池，盡可能增加吸塵機器人的不間斷工作時間。齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）15第 3 章 清潔機器人的機械設計3.1 機械結構組成和工作原理本課題要研制結構小巧、靈活，控制簡單、易于實現(xiàn)，初步完成自主移動、自動避障和路徑規(guī)劃任務的清潔機器人。整個清潔機器人由機械部分和控制系統(tǒng)兩大部分組成。機械部分包括高強度塑料底盤、外殼、兩個驅動輪和一個隨動輪。它們是吸塵點擊、清潔刷、電池以及控制系統(tǒng)的載體。機器人整體外觀，如圖 3-1 所示：圖 3-1 機器人整體外觀3.1.1 機械結構組成本清潔機器人的結構如圖 3-2 所示。主要包括以下幾部分：(1)行走驅動輪及驅動電機。該部分主要保證機器人能夠在平面內(nèi)移動。殼體前端和側面裝有紅外開關、作為碰撞檢測傳感器。底面的 3 個紅外開關作為臺階檢測傳感器，防止跌落。驅動輪上裝有光電編碼盤、可以對輪速進行檢測和控制、實現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。同時還擴展了超聲波傳感器，用于精確定位的需要。(2)清掃機構。用電機帶動兩個清掃刷、使左面清掃刷順時針轉動，右面逆時針轉動，這樣就可