室內(nèi)智能掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)【SW3D】
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20XX年6月2日智能清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）任務(wù)書任務(wù)書1、市場調(diào)查、功能分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、商業(yè)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2、設(shè)計(jì)草案5個、最終方案1個 ；3、產(chǎn)品效果圖、部件裝配效果圖、所有部件零件圖；4、產(chǎn)品宣傳資料（網(wǎng)頁制作、宣傳手冊、產(chǎn)品環(huán)境展示）；5、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程的確定及評價的論文主體；6、參考文獻(xiàn)的查閱、設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)及相關(guān)文獻(xiàn)的外文翻譯；7、產(chǎn)品實(shí)物模型制作。第第1 1頁頁 20132013年年6 6月月2 2日日最終效果圖最終效果圖 第第2 2頁頁 20132013年年6 6月月2 2日日 20132013年年6 6月月2 2日日總體介紹總體介紹11 第第3 3頁頁2345產(chǎn)品宣傳產(chǎn)品宣傳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品分析產(chǎn)品分析市場調(diào)查市場調(diào)查主要內(nèi)容主要內(nèi)容 20132013年年6 6月月2 2日日 第第4 4頁頁1.總體介紹總體介紹近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能科學(xué)的飛速發(fā)展，服服務(wù)機(jī)器人務(wù)機(jī)器人開辟了機(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。智能清掃機(jī)器人智能清掃機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人的一種，是智能移動機(jī)器人實(shí)用化發(fā)展的先行者，具有很好的應(yīng)用前景。第第5 5頁頁2.市場調(diào)查市場調(diào)查生產(chǎn)研發(fā)生產(chǎn)研發(fā)人員人員消費(fèi)者消費(fèi)者銷售運(yùn)輸銷售運(yùn)輸人員人員 2.1市場調(diào)查對象市場調(diào)查對象 20132013年年6 6月月2 2日日 第第6 6頁頁2.市場調(diào)查市場調(diào)查2.22.2市場調(diào)查問卷市場調(diào)查問卷消費(fèi)者消費(fèi)者生產(chǎn)研發(fā)生產(chǎn)研發(fā)人員人員銷售運(yùn)輸銷售運(yùn)輸人員人員 20132013年年6 6月月2 2日日 第第7 7頁頁2.市場調(diào)查市場調(diào)查2.32.3問卷分析問卷分析 20132013年年6 6月月2 2日日 第第8 8頁頁2.市場調(diào)查市場調(diào)查2.42.4調(diào)查總結(jié)調(diào)查總結(jié)使用人群使用人群主要人群是主要人群是8080后后9090后白領(lǐng)后白領(lǐng)使用方法使用方法給機(jī)器充好電后，打開機(jī)器，自動清掃房間給機(jī)器充好電后，打開機(jī)器，自動清掃房間使用環(huán)境使用環(huán)境臥室、客廳、書房等平常比較干凈的地方臥室、客廳、書房等平常比較干凈的地方存儲方法存儲方法儲物間，鞋柜極其附近儲物間，鞋柜極其附近安全性指數(shù)安全性指數(shù)機(jī)器具有自動避障功能，對墻壁、家具、不會存在損壞問題機(jī)器具有自動避障功能，對墻壁、家具、不會存在損壞問題宣傳方式宣傳方式電視廣告、網(wǎng)絡(luò)宣傳、海報宣傳、輿論宣傳電視廣告、網(wǎng)絡(luò)宣傳、海報宣傳、輿論宣傳銷售方式銷售方式廠家直銷、商場銷售、網(wǎng)上銷售等廠家直銷、商場銷售、網(wǎng)上銷售等產(chǎn)品功能產(chǎn)品功能給用戶提供掃地、吸塵、殺菌、拖地等一系列清潔房間的功給用戶提供掃地、吸塵、殺菌、拖地等一系列清潔房間的功能、減輕用戶的家務(wù)能、減輕用戶的家務(wù)產(chǎn)品原理產(chǎn)品原理通過驅(qū)動電機(jī)帶動橡皮輪行走，通過邊刷和中掃的配合達(dá)到通過驅(qū)動電機(jī)帶動橡皮輪行走，通過邊刷和中掃的配合達(dá)到清掃的目的，機(jī)器底板上安有殺菌燈，進(jìn)行紫外線殺菌，渦清掃的目的，機(jī)器底板上安有殺菌燈，進(jìn)行紫外線殺菌，渦輪風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)和過濾網(wǎng)的完成吸塵功能，最后通過拖布完成拖輪風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)和過濾網(wǎng)的完成吸塵功能，最后通過拖布完成拖地功能地功能產(chǎn)品造型產(chǎn)品造型圓形外觀、簡潔的面板圓形外觀、簡潔的面板產(chǎn)品色彩產(chǎn)品色彩櫻花紅、鋼琴白、紫荊紅、檸檬黃、水韻藍(lán)、淡雅綠、水晶綠等為主色產(chǎn)品材料產(chǎn)品材料產(chǎn)品材料主要由塑料和金屬構(gòu)成產(chǎn)品材料主要由塑料和金屬構(gòu)成 20132013年年6 6月月2 2日日 第第9 9頁頁3.產(chǎn)品分析產(chǎn)品分析產(chǎn)品價格定位在1500到2000。這樣可以為大多數(shù)接受。中高收入的80后、90后白領(lǐng)階層。生活節(jié)奏快，沒有時間打掃衛(wèi)生。臥室、客廳、書房，平時比較干凈的地方。1.1.人群人群人群人群 2.2.工作工作工作工作 環(huán)境環(huán)境環(huán)境環(huán)境 3.3.價格價格價格價格產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品定位定位定位定位3.13.1產(chǎn)品定位產(chǎn)品定位 20132013年年6 6月月2 2日日 第第1010頁頁 1.雙核處理器，機(jī)器更智能，掃地吸塵更高效。3.異常情況自動報警，液晶顯示對應(yīng)故障代碼。5.路徑記憶功能，優(yōu)化機(jī)器運(yùn)行路徑。4.隨時隨地進(jìn)行定位，最快到達(dá)指定位置。2.人性化設(shè)計(jì)，只需按下面板按鈕就可以取下集塵盒。6.灰塵感應(yīng)，遇到重災(zāi)區(qū)，自動變頻清掃。差異差異差異差異空間空間空間空間 3.產(chǎn)品分析產(chǎn)品分析3.23.2差異空間差異空間 20132013年年6 6月月2 2日日 第第1111頁頁掃地功能掃地功能吸塵功能吸塵功能拖地功能拖地功能殺菌功能殺菌功能功能分析功能分析定時預(yù)約定時預(yù)約自動回充、自動避障自動回充、自動避障遙控功能遙控功能智能防跌落智能防跌落次要功能次要功能主要功能主要功能3.產(chǎn)品分析產(chǎn)品分析3.33.3功能分析功能分析 20132013年年6 6月月2 2日日 第第1 12 2頁頁3.產(chǎn)品分析產(chǎn)品分析掃地功能掃地功能吸塵功能吸塵功能拖地功能拖地功能殺菌功能殺菌功能定時預(yù)約定時預(yù)約功能結(jié)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)遙控功能遙控功能 自動回充、自動回充、自動避障自動避障智能防跌落智能防跌落3.43.4功能結(jié)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)掃地機(jī)器人 拖地 功能 拖布 掃地 功能 殺菌 功能 吸塵 功能 掃地機(jī)器人 遙控 功能藍(lán)牙發(fā)射端 定時 預(yù)約 智能防 跌落 自動避讓自動回充 20132013年年6 6月月2 2日日 第第1 13 3頁頁3.產(chǎn)品分析產(chǎn)品分析3.53.5技術(shù)矩陣和部件實(shí)現(xiàn)方案技術(shù)矩陣和部件實(shí)現(xiàn)方案 20132013年年6 6月月2 2日日 第第1 14 4頁頁4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.14.1草圖方案草圖方案 20132013年年6 6月月2 2日日 第第1 15 5頁頁4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.24.2最終方案最終方案 20132013年年6 6月月2 2日日 第第1 16 6頁頁 20132013年年6 6月月2 2日日4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.34.3結(jié)構(gòu)介紹結(jié)構(gòu)介紹 第第1 17 7頁頁4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20132013年年6 6月月2 2日日行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu) 第第1 18 8頁頁4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20132013年年6 6月月2 2日日清掃機(jī)構(gòu)清掃機(jī)構(gòu) 第第1 19 9頁頁4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20132013年年6 6月月2 2日日集塵盒集塵盒機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu) 第第2020頁頁4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20132013年年6 6月月2 2日日底板底板 第第2121頁頁4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20132013年年6 6月月2 2日日4.44.4色彩方案色彩方案 第第2222頁頁 20132013年年6 6月月2 2日日4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.5 proe4.5 proe總裝圖總裝圖 第第2 23 3頁頁 20132013年年6 6月月2 2日日4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.64.6工程圖工程圖 第第2 24 4頁頁 20132013年年6 6月月2 2日日5.產(chǎn)品宣傳產(chǎn)品宣傳5.15.1宣傳海報宣傳海報 第第2 25 5頁頁5.產(chǎn)品宣傳產(chǎn)品宣傳5.25.2環(huán)境展示環(huán)境展示 20132013年年6 6月月2 2日日 第第2 26 6頁頁5.產(chǎn)品宣傳產(chǎn)品宣傳5.35.3網(wǎng)頁宣傳網(wǎng)頁宣傳 20132013年年6 6月月2 2日日 20 xx年6月2日請各位專家指導(dǎo)和批評 謝謝謝謝室內(nèi)智能掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)
摘要
在科技高速發(fā)展、物質(zhì)生活水平不斷提高的21世紀(jì)，人們不僅僅對自己的要求在提高，在對物質(zhì)生活的要求上也不同以往。本文是關(guān)于市場上的掃地機(jī)器人的調(diào)查，利用調(diào)查結(jié)果分析確定模型及制作實(shí)物模型的過程分析，主要通過市場調(diào)查的網(wǎng)絡(luò)查詢法、觀察法及其他方法，針對市場上現(xiàn)有的掃地機(jī)器人從功能、類別、造型、使用情況、工作原理、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求、限制條件、特點(diǎn)等方面進(jìn)行調(diào)查分析。確定出掃地機(jī)器人的具體結(jié)構(gòu)、尺寸、外觀造型及三維模型的制作。 本產(chǎn)品以簡單、實(shí)用 、多功能的設(shè)計(jì)理念展開設(shè)計(jì)，對其多方面的影響因素進(jìn)行分析，使產(chǎn)品成為更加功能化和實(shí)用化。
關(guān)鍵詞：掃地機(jī)器人；功能原理；實(shí)物模型 ；solidworks
29
Abstract
In the rapid development of science and technology, the material life level enhances unceasingly in the 21st century, people in improving to own request, not just on the requirement of material life is also different. This article is about the robot sweeps the floor on the market investigation, the results of the survey analysis is used to determine the model with the physical mock-ups and process analysis, mainly through the market survey network query method, observation method and other methods, in view of the existing on the market of the robot from the function, category, modelling, usage, working principle, structure, the design of the product requirements, constraints and characteristics were investigated. Determine the specific of the sweeping robot structure, size, style and the production of the 3 d model. This product in a simple, practical, multi-function design, the design idea of the various influencing factors were analyzed, and make products more functional and practical.
Key words: sweeping robot; Function principle; Physical model; solidworks
目錄
摘要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1 室內(nèi)自動掃地機(jī)器人的研究背景 1
1.2 室內(nèi)制動掃地機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 室內(nèi)掃地機(jī)器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 室內(nèi)掃地機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀 3
1.3 本課題研究的目的與意義 9
第二章 室內(nèi)自動掃地機(jī)器人介紹 10
2.1 家用室內(nèi)掃地機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 10
2.2 室內(nèi)掃地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)介紹 12
2.3 室內(nèi)掃地機(jī)器人的工作原理 15
2.4 室內(nèi)掃地機(jī)器人功能介紹 16
第三章 室內(nèi)掃地機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 19
3.1 室內(nèi)掃地機(jī)器人的外形設(shè)計(jì) 19
3.2 室內(nèi)自動掃地機(jī)器人的三維設(shè)計(jì) 21
3.2.1 solidworks簡介 21
3.2.2 室內(nèi)掃地機(jī)器人的三維設(shè)計(jì) 25
第四章 展望與總結(jié) 26
致謝 28
參考文獻(xiàn) 29
第一章 緒論
1.1 室內(nèi)自動掃地機(jī)器人的研究背景
近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能科學(xué)的飛速發(fā)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，服務(wù)機(jī)器人開辟了機(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。服務(wù)機(jī)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，如清潔、家務(wù)、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(wù)機(jī)器人提供了廣泛的市場應(yīng)用前景。服務(wù)機(jī)器人區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人的一個主要特征就是服務(wù)機(jī)器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)過程的機(jī)器人系統(tǒng)，其活動空間大，具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動性，因此服務(wù)機(jī)器人大多數(shù)是移動機(jī)器人。
自動進(jìn)行房間地面清潔的自主吸塵式家庭服務(wù)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)器人作為智能移動機(jī)器人實(shí)用化發(fā)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。
1.2 室內(nèi)制動掃地機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
地面清潔機(jī)器人作為智能移動機(jī)器人實(shí)用化發(fā)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)器人的發(fā)展，帶動了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動機(jī)器人技術(shù)、圖像和語音識別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)結(jié)合國內(nèi)外的文獻(xiàn)將清掃機(jī)器人及其自動充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀闡述如下。
1.2.1 室內(nèi)掃地機(jī)器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀
在國內(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)等單位也對清潔機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究并取得了一些成果，對清潔機(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、動力驅(qū)動等技術(shù)的研究則更多，這些都為清潔機(jī)器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)于90年代開始致力于這方面的研究，與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動清掃機(jī)器人。該機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：采用全方位移動技術(shù)，使機(jī)器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開放式機(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)器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實(shí)時避障功能，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)動兩種運(yùn)行方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)吸塵腔路的自動轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。
浙江大學(xué)于1999年初在浙江大學(xué)機(jī)械電子研究所開始進(jìn)行智能吸塵機(jī)器人的研究，兩年后設(shè)計(jì)成功國內(nèi)第一個具有初步智能的自主吸塵機(jī)器人。這種智能吸塵機(jī)器人工作時，首先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)：利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些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(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5.5×3.5m2的實(shí)際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達(dá)到90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗(yàn)還沒有進(jìn)行。目前，系統(tǒng)正在引入機(jī)器視覺和全局
圖1-1 國內(nèi)公司生產(chǎn)的機(jī)器人KV8
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(jī)器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂場所，以及其它一些人員不便進(jìn)入的地方。KV8能夠通過自身的碰撞傳感器來實(shí)現(xiàn)隨機(jī)的清掃和碰撞處理，需要人工對其電池進(jìn)行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動時伴有音樂聲。
1.2.2 室內(nèi)掃地機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀
對于機(jī)器人大家可能不會太陌生，工業(yè)機(jī)器人在很多領(lǐng)域都得到了比較廣泛的應(yīng)用，但是對于家庭機(jī)器人我們所了解的卻相當(dāng)?shù)纳?，而日本，歐美等國家的研究則比較領(lǐng)先，有的都已經(jīng)投入市場，在實(shí)際中投入使用。
RC3000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(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，會隨機(jī)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，保證在遇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(yīng)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(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、工作時間設(shè)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(dǎo)航信號來指引機(jī)器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務(wù)；同時能夠根據(jù)用戶設(shè)定的信息來控制機(jī)器人完成相應(yīng)的操作。
如圖所示。
圖1-2 智能機(jī)器人RC3000
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)合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位置自動啟動，利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子將廢棄物掃人自帶容器中。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)有限公司Subaru實(shí)驗(yàn)室和JR東方設(shè)施管理有限公司聯(lián)合研制了車站地面擦洗機(jī)器人，該機(jī)器人工作時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，并將臟水吸人所帶的容器中。機(jī)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(shè)定模式”，即將待清洗的面積分為若干個單位面積，按照其存儲器中的單位面積識別其行使路線，機(jī)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(jī)器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行使，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，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，若探測到錯誤位置，機(jī)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(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距，采用光學(xué)探測器探測障礙物，機(jī)器人的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺傳感器，一旦機(jī)器人與人接觸，觸覺傳感器信號會使機(jī)器人停下來以保證人的安全。松下和日立公司也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(jī)器人的試制機(jī)。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(jī)器人配備有50個傳感器可一邊自動行走一邊進(jìn)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(jī)器人清掃一般的日本式房間約需要9min，相當(dāng)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(jī)器人利用光及超聲波的測距傳感器及感壓傳感器來避開障礙物，機(jī)器人的內(nèi)置回轉(zhuǎn)傳感器用來控制行走姿勢以保持既定的行進(jìn)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(jìn)，因此該公司在機(jī)器人中安裝了方向舵?zhèn)鞲衅?，可以檢測出由于地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進(jìn)方向偏差，因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)還安裝有防止從臺階等高處滾下的落差傳感器、感知暖爐等熱源的熱傳感器、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(fù)載傳感器，機(jī)器人同普通的障礙物最少保持10cm的距離，而在探測到熱源時，將會同熱源至少保持50cm的距離。
20世紀(jì)90年代，美國就推出了地面清潔機(jī)器人 RoboScrub，該機(jī)器人配有激光導(dǎo)航系統(tǒng)，采用超聲波測距和避障，用光碼條實(shí)現(xiàn)定位。2002年９月清潔機(jī)器人＂Roomba”在美國面市，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，靈巧地完成清掃工作，據(jù)說這是將用于軍事的“躲避地雷的移動技術(shù)”應(yīng)用到了吸塵器上。Roomba的動作有點(diǎn)兒遲緩，但它卻能穩(wěn)定、安全地完成任務(wù)。由于能夠在完成任務(wù)后自動切斷電源，所以可以在外出期間讓Roomba在家進(jìn)行清掃。如圖所示。
圖1-3 智能清潔機(jī)器人Roomba
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(jī)器人 “特里洛巴伊特”上市銷售，“特里洛巴伊特”主要由清掃機(jī)器和超聲波傳感器構(gòu)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(lǐng)著它搞過一次清掃后，它便可以按行走過的清掃線路進(jìn)行自動清掃。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。
瑞典家電制造商伊萊克斯（EIectoIux）研制生產(chǎn)的清潔機(jī)器人小“三葉蟲”高13ｍｍ，直徑35ｍｍ，表面光滑，呈圓形，內(nèi)置搜索雷達(dá)，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(jì)算，以保證房間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(dá)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間的格局，計(jì)算出清掃整個房間所需的時間。只要一接近一件障礙物，它便會重新設(shè)定行進(jìn)路線，不會漏掉每一個角落。電線或地毯的邊緣不會被認(rèn)作是
圖1-4 三葉蟲
障礙物。小 “三葉蟲”的吸刷裝置中裝有一只專利設(shè)計(jì)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，如圖所示。英國、法國和澳大利亞也都推出過清潔機(jī)器人產(chǎn)品。
英國Dyson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(jī)器人”。這種機(jī)器人具有一定的人工智能,只需輕按開關(guān)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(jī)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(guān),機(jī)器人會在瞬間通過所搭載的三臺小型計(jì)算機(jī)和70個傳感器計(jì)算出自己所在位置、房間大小及臟亂程度、家具的配置等。要是小孩或狗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,吸塵器會自動采取保護(hù)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,其它程序都由它自己獨(dú)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(dāng)?shù)碾y度,如下圖所示。
圖1-4 智能機(jī)器人DC06
澳大利亞的Floor Botics公司最近也研制出可自動行駛并打掃房間的V4型機(jī)器人,如圖所示。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(dá),可以搜索各種房間里的每一處,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(jìn)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(dá)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(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,因此可以在檢測墻壁及障礙物的同時打掃地面。當(dāng)打掃完可以行駛的場所后,機(jī)器人就自動關(guān)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(dǎo)航算法引導(dǎo)機(jī)器人在任何房間的所有無遮掩區(qū)域四處運(yùn)動來進(jìn)行清潔工作。因?yàn)闄C(jī)器人導(dǎo)航沿房間的周圍,所以它要創(chuàng)建自己的空間參考圖,機(jī)器人不需要任何編程"教它應(yīng)該去哪里”。該機(jī)器人操作簡單,僅有三個按鈕:開始,結(jié)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(這個機(jī)器人吸塵器很輕,一只手就可以容易拿起它),按下開始按鈕即可，如圖所示。
圖1-5 V4智能吸塵機(jī)器人
2003年11月，三星公司推出一款代號為VC-RP30W的機(jī)器人吸塵器，如圖1-6所示。VC-RP30W主要依靠3D地圖技術(shù)來進(jìn)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(jìn)行吸塵。當(dāng)遇到障礙物或者死角等情況，VC-RP30W會自動轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強(qiáng)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(jī)器人也允許用戶定義它的工作時間及清
圖1-6 三星機(jī)器人VC- RP30W
掃區(qū)域等，從而實(shí)現(xiàn)主人不在家時機(jī)器人也能進(jìn)行自動清掃。事實(shí)上，用戶除了可以對它本身進(jìn)行設(shè)置以外，還能通過計(jì)算機(jī)查看安裝在機(jī)器人前部的攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。整個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(bǔ)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(dǎo)航信號。
1.3 本課題研究的目的與意義
吸塵機(jī)器人將移動機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融合起來，實(shí)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(jī)器人的一個特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自主式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。從市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動強(qiáng)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。
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庭清掃機(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服務(wù)。
第二章 室內(nèi)自動掃地機(jī)器人介紹
2.1 家用室內(nèi)掃地機(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)通常由四個部分組成:移動機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動機(jī)構(gòu)是吸塵機(jī)器人的主體,決定了吸塵器的運(yùn)動空間,一般采用輪式機(jī)構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、接觸和接近覺傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機(jī)等。隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展,吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。吸塵機(jī)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(dāng)?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(jī)器人的研究表明,對于工作在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的自主式移動機(jī)器人,要進(jìn)一步提高其自動化程度,主要依靠模式識別及障礙物識別、實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸及適當(dāng)人工智能方法,還需要進(jìn)一步開發(fā)全局模型,從而為機(jī)器人獲取全局信息。目前發(fā)展較快、對吸塵機(jī)器人發(fā)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。
1、傳感技術(shù)
為了讓吸塵機(jī)器人正常工作,必須對機(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)器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動態(tài)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;陀螺儀測量移動機(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)動方向和轉(zhuǎn)動時運(yùn)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、接觸和接近傳感器。視覺傳感器采用CCD攝像機(jī)進(jìn)行機(jī)器人的視覺導(dǎo)航與定位、目標(biāo)識別和地圖構(gòu)造等;超聲波傳感器測量機(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關(guān)來探測機(jī)器人工作環(huán)境中的障礙物以避免碰撞。接觸和接近覺傳感器多用于避碰規(guī)劃。
2、路徑規(guī)劃技術(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)劃研究開始于20世紀(jì)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(jī)器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動態(tài)已知環(huán)境和動態(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)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。
對運(yùn)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(fù)雜的橢圓積分問題,實(shí)現(xiàn)起來依然具有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)機(jī)器人對環(huán)境信息知道的程度不同,可以分為兩種類型: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(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)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 Space Approach)和柵格法(Grids)等。
3、吸塵技術(shù)
真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇在機(jī)體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流,將塵埃和臟物通過吸口吸入機(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)轉(zhuǎn)速的大小。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。這個吸塵器是一個全封閉系統(tǒng),既無外部氣體吸入,也無機(jī)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(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)。在英國Dyson公司最近推出的DC06型智能吸塵器中就采用了這種技術(shù)。
4、電源技術(shù)
移動電源在吸塵機(jī)器人中的地位十分重要,可以說是它的生命源。移動電源需要同時滿足吸塵機(jī)器人的多種能源需要,如為移動機(jī)構(gòu)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(lǐng)域,一般采用化學(xué)電池作為移動電源。理想的電源應(yīng)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(shí)際上沒有一種電池可同時具備上述優(yōu)點(diǎn),這就要求設(shè)計(jì)人員選擇一種合適的電池,盡可能增加吸塵機(jī)器人的不間斷工作時間。
2.2 室內(nèi)掃地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)介紹
本課題要研制一臺結(jié)構(gòu)小巧、靈活，控制簡單、易于實(shí)現(xiàn)，初步完成自主移動、自動避障和路徑規(guī)劃任務(wù)的清潔機(jī)器人。整個清潔機(jī)器人由機(jī)械部分和控制系統(tǒng)兩大部分組成。機(jī)械部分包括高強(qiáng)度塑料底盤、外殼、兩個驅(qū)動輪和一個隨動輪。它們是吸塵電機(jī)、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2-1所示。
圖2-1 機(jī)器人整體外觀
本清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖所示。主要包括以下幾部分:
(1) 個行走驅(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。殼體前端和側(cè)面裝有紅外開關(guān)，作為碰撞檢測傳感器。底面的3個紅外開關(guān)作為臺階檢測傳感器，防止跌落。驅(qū)動輪上裝有光電編碼盤，可以對輪速進(jìn)行檢測和控制，實(shí)現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。同時還擴(kuò)展了超聲波傳感器，用于精確定位的需要;
(2) 清掃機(jī)構(gòu)。用電機(jī)帶動兩個清掃刷，使左面清掃刷順時針轉(zhuǎn)動，右面逆時針轉(zhuǎn)動，這樣就可以在清掃灰塵時將灰塵集中于吸風(fēng)口處，為吸塵機(jī)構(gòu)的工作做準(zhǔn)備；
(3) 吸塵機(jī)構(gòu)。制造強(qiáng)大的吸力，將灰塵吸入灰塵存儲箱中；
圖2-2 組成結(jié)構(gòu)圖
(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除殘留在 地面上的細(xì)小灰塵，保證清潔工作的質(zhì)量。
移動機(jī)構(gòu)是其它部件的載體，機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)按結(jié)構(gòu)分有輪式、履帶式和步行式等。輪式和履帶式機(jī)器人適合條件較好的地面，而步行機(jī)器人則適合于條件較差的路面。本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)，所以采用輪式移動機(jī)構(gòu)較為適合。
輪式移動機(jī)器人一般有三輪、四輪和六輪，移動機(jī)器人若采用三輪結(jié)構(gòu)則比較簡單，能夠滿足一般的需求，應(yīng)用也比較廣泛;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)確定一個平面，三輪理論上也是穩(wěn)定的。但是對負(fù)載有一定的限制，對三輪移動機(jī)器人來說，重心都比較低，載荷穩(wěn)定且中心位置基本不發(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)向電機(jī)通過減速器和機(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獨(dú)立的驅(qū)動電機(jī)，通過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)動輪應(yīng)為自由輪。移動機(jī)器人若采用鉸軸轉(zhuǎn)向式控制簡單，但精度不是太高;差動轉(zhuǎn)向式控制復(fù)雜，但精度較高?？紤]到本課題清潔機(jī)器人將來作為服務(wù)型機(jī)器人使用，在控制方式上應(yīng)達(dá)到一個較高層次，所以采用差動轉(zhuǎn)向式比較好，并且其運(yùn)動和轉(zhuǎn)向的精度也高一些，以便為以后的避障和軌跡規(guī)劃打下一個良好的基礎(chǔ)。因此本系統(tǒng)的移動機(jī)構(gòu)采用的是三輪差速轉(zhuǎn)向式的，如圖所示。
按照上述的移動結(jié)構(gòu)，清潔機(jī)器人采用兩直流電動機(jī)獨(dú)立驅(qū)動左右兩輪的差動方式，控制簡單、精確、易于實(shí)現(xiàn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)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，以任意速度實(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))。
圖2-3 移動機(jī)構(gòu)示意圖
2.3 室內(nèi)掃地機(jī)器人的工作原理
本系統(tǒng)的功能模塊關(guān)系如圖所示。清潔機(jī)器人由多個功能模塊共同組成，這幾個模塊共同工作、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，它對其它各個功能模塊進(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)接收到需要機(jī)器人進(jìn)行清掃工作的信號時，CPU可以通過控制行走機(jī)構(gòu)和清潔機(jī)構(gòu)讓機(jī)器人進(jìn)行工作。在機(jī)器人工作的過程中還可以通過LCD顯示模塊和狀態(tài)指示模塊對機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行時實(shí)的顯示。
機(jī)器人工作的流程如下:
(l) 首先可以通過鍵盤或者遙控器啟動清潔機(jī)器人，讓它開始清掃工作。
(2) 機(jī)器人一旦開始工作，便控制清掃機(jī)構(gòu)進(jìn)行清掃、吸塵機(jī)構(gòu)開始吸塵、擦地機(jī)構(gòu)開始擦地。
(3) 機(jī)器人開始工作，傳感探測模塊就開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)向的時候。CPU就分別改變左右輪的速度，通過差速來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
(5) 工作期間機(jī)器人可以通過LCD顯示一些相關(guān)信息(比如工作模式、工作計(jì)時或溫度)。
(6) 遙控器除了可以控制清潔機(jī)器人的啟停，還可以對機(jī)器人進(jìn)行定時，讓機(jī)器人在一定時間后開始工作或者工作一定時間后停止工作。
圖2-4 功能模塊關(guān)系示意圖
該機(jī)器人利用安裝的各類傳感器來獲取室內(nèi)環(huán)境以及自身的基本信息，如障礙物的位置、自身走過的距離等;然后根據(jù)獲得的信息，選定相應(yīng)的控制策略;通過以單片機(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)動行走實(shí)施。機(jī)器人面板上有控制其開始/停止工作的按鍵。同時也可以通過遙控來控制，遙控還可以用來對機(jī)器人進(jìn)行定時，LCD實(shí)時的顯示定時的倒記時和當(dāng)前的溫度值。
2.4 室內(nèi)掃地機(jī)器人功能介紹
掃地機(jī)器人是智能家用電器的一種，能憑借一定的人工智能，自動在房間內(nèi)完成地板清理工作。一般采用刷掃和真空方式，將地面雜物先吸納進(jìn)入自身的垃圾收納盒，從而完成地面清理的功能。一般來說，將完成清掃、吸塵、擦地工作的機(jī)器人，也統(tǒng)一歸為掃地機(jī)器人。
伊萊克斯2001年首推出實(shí)用的商品化的自動吸塵系統(tǒng)Trilobite，美國的irobot公司憑借其長期在軍用機(jī)器人方面的積累，于2002年推出roomba。后來其他公司也陸續(xù)推出了各自的產(chǎn)品。
其最核心的技術(shù)，是感知四周的環(huán)境，然后規(guī)劃行走的路徑，有效地遍歷各個區(qū)域，完成各個區(qū)域的打掃。目前最先進(jìn)的有irobot公司的iAdapt技術(shù)為核心的roomba系列、neatorobotics公司的RPS技術(shù)為核心的neato xv系列（含德國vr系列），Evolution Robotics公司（已于2012年9月被irobot公司收購）的north star技術(shù)為核心的mint系列擦地機(jī)。
目前（2012年10月）能夠?qū)嵱玫膾叩貦C(jī)器人有：irobot公司的roomba 5系列、7系列，mint 系列，scooba系列；neato公司的xv系列；Proscenic公司的902和Pro nono。掃地機(jī)器人的發(fā)展方向，將是更加高級的人工智能帶來的更高的清掃效果、更高的清掃效率、更大的清掃面積。
目前基本功能：自動清掃、自動回充、定時清掃、智能防跌落。部分機(jī)型新增殺菌抹地功能。
目前基本功能：自動清掃、自動回充、定時清掃、智能防跌落。部分機(jī)型新增殺菌抹地功能。
圖2-4智能防跌落
紫外燈殺菌功能：對于床底、沙發(fā)下以及其他角落會有很多細(xì)菌和小昆蟲，如果可以殺菌，會提高家庭的環(huán)境質(zhì)量，但是有人在家時不適宜打開紫外燈，因其對人有傷害。
圖2-5 UV殺菌燈
自動充電功能：由于電池電量有限，所以需要充電才能持續(xù)工作，但是現(xiàn)在市面上的產(chǎn)品能夠自動充電的產(chǎn)品非常少，而且非常貴，采用的方式是配備充電的一套東西，一般采用接觸式充電方法，而不是無線充電方式。
圖2-6 智能自動回充
可以實(shí)現(xiàn)無線終端控制，它可以用遙控器，或者手機(jī)、電腦進(jìn)行控制，遙控控制范圍遠(yuǎn)，無阻隔，無輻射。掃地機(jī)器人裝有感應(yīng)探頭，遇到障礙物相觸碰后能夠改變方向，而且配有橡膠，防止撞擊，起到緩沖保護(hù)的作用。掃地機(jī)器人內(nèi)部設(shè)有殺菌燈管，能夠有效殺滅螨蟲、細(xì)菌和病毒等病菌配有虛擬墻，能夠阻隔不需要清掃的區(qū)域。
由于現(xiàn)在的掃地機(jī)器人還處在研發(fā)初期，很多智能學(xué)習(xí)與工作方面的能力還有待提高，在滿足人們更多需求的能力上，也有很大的拓展空間。掃地機(jī)器人的噪音問題也有待解決。由于其工作的特點(diǎn)是吸塵，不可避免的會有風(fēng)聲，還有電機(jī)的轉(zhuǎn)動，特別是較差的電機(jī)轉(zhuǎn)動的聲音比較大，也是要提高的。對家具多的地方、墻角小東西就無能為力了，有時還只會在一個地點(diǎn)打轉(zhuǎn)，打掃不徹底；部分不能自動充電的產(chǎn)品持續(xù)工作能力差；產(chǎn)品噪音較大；無法自動掃描，比如某一個地方有一灘墨水，那么機(jī)器人掃過后，會污染很多其他地方，只能針對簡單需要吸塵的地面。
第三章 室內(nèi)掃地機(jī)器人總體設(shè)計(jì)
3.1 室內(nèi)掃地機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)
目前室內(nèi)智能化掃地機(jī)器人的外形主要有以下幾種:
1、外形一：
圖3-1 掃地機(jī)器人外形一
特點(diǎn)：外形模仿動物，傳感器放置于機(jī)器前端。該外形活潑，吸引眼球。
2、外形二：
圖3-2 掃地機(jī)器人外形二
特點(diǎn)：圓角矩形外觀、有科技感。外觀時尚、搭配和諧。
3、外形三：
圖3-3 掃地機(jī)器人外形三
特點(diǎn)：圓形外觀，操作方便、直觀。在掃地過程中方便轉(zhuǎn)向。
4、外形四：
圖3-4掃地機(jī)器人外形四
特點(diǎn)：采用橢圓形外觀，平板上安放遙控器、操作方便。
5、外形五：
圖3-5 掃地機(jī)器人外形五
特點(diǎn)：圓形外觀時尚簡約。操作方便、拿去方便，集灰盒清洗方便。
綜合考慮上述情況選取外形方案五為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
3.2 室內(nèi)自動掃地機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)
3.2.1 solidworks簡介
SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技術(shù)副總裁與CV公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸塞州的康克爾郡（Concord,Massachusetts）內(nèi)，當(dāng)初所賦予的任務(wù)是希望在每一個工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。從1995年推出第一套SolidWorks三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件至今，它已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由300家經(jīng)銷商在全球140個國家進(jìn)行銷售與分銷該產(chǎn)品。SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財(cái)務(wù)狀況和用戶支持使得SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項(xiàng)的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽(yù)。該系統(tǒng)在1995-1999年獲得全球微機(jī)平臺CAD系統(tǒng)評比第一名；從1995年至今，已經(jīng)累計(jì)獲得十七項(xiàng)國際大獎，其中僅從1999年起，美國權(quán)威的CAD專業(yè)雜志CADENCE連續(xù)4年授予SolidWorks最佳編輯獎，以表彰SolidWorks的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，SolidWorks所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實(shí)和證明，使用它，設(shè)計(jì)師大大縮短了設(shè)計(jì)時間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。
由于SolidWorks出色的技術(shù)和市場表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在1997年由法國達(dá)索公司以三億一千萬美元的高額市值將SolidWorks全資并購。公司原來的風(fēng)險投資商和股東，以一千三百萬美元的風(fēng)險投資，獲得了高額的回報，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀(jì)錄。并購后的SolidWorks以原來的品牌和管理技術(shù)隊(duì)伍繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)作，成為CAD行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司，SolidWorks三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件也成為達(dá)索企業(yè)中最具競爭力的CAD產(chǎn)品。
由于使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的parasolid內(nèi)核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)，SolidWorks成為全球裝機(jī)量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的SolidWorks軟件使用許可約28萬，涉及航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費(fèi)品、離散制造等分布于全球100多個國家的約3萬1千家企業(yè)。在教育市場上，每年來自全球4，300所教育機(jī)構(gòu)的近145，000名學(xué)生通過SolidWorks的培訓(xùn)課程。
據(jù)世界上著名的人才網(wǎng)站檢索，與其它3D CAD系統(tǒng)相比，與SolidWorks相關(guān)的招聘廣告比其它軟件的總合還要多，這比較客觀地說明了越來越多的工程師使用SolidWorks，越來越多的企業(yè)雇傭SolidWorks人才。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界用戶每年使用SolidWorks的時間已達(dá)5500萬小時。
在美國，包括麻省理工學(xué)院（MIT）、斯坦福大學(xué)等在內(nèi)的著名大學(xué)已經(jīng)把SolidWorks列為制造專業(yè)的必修課，國內(nèi)的一些大學(xué)（教育機(jī)構(gòu)）如清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海教育局等也在應(yīng)用SolidWorks進(jìn)行教學(xué)。相信在未來的5~8年內(nèi)，SolidWorks將會成為與當(dāng)今AutoCAD一樣，成為3D普及型主流軟件乃至于CAD的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 Solidworks 功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。其基本操作界面如下：
圖3-6 solidworks操作界面
3.2.2 室內(nèi)掃地機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)
圖3-7 室內(nèi)掃地機(jī)器人主視圖
圖3-8 室內(nèi)掃地機(jī)器人底部圖
第四章 展望與總結(jié)
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,需要在技術(shù)上解決傳感器技術(shù)、定位和環(huán)境建模技術(shù).在此基礎(chǔ)上,自主吸塵機(jī)器人可以向著高度智能化、多功能集成、低成本的方向發(fā)展。
現(xiàn)在的自主吸塵機(jī)器人在行為上還處于“低級生物”的階段,環(huán)境感知能力有限,對路徑的規(guī)劃只是隨機(jī)的方式或者是基于局部環(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銳減.因此,建立CCD視覺系統(tǒng),融合多種傳感器進(jìn)行定位和環(huán)境建模,實(shí)現(xiàn)全局路徑規(guī)劃,將是一個重要的研究方向.同時,算法必須考慮系統(tǒng)的處理速度、存儲空間的限制.
自主吸塵機(jī)器人是一個可移動的智能平臺,在吸塵功能之外可以進(jìn)行功能擴(kuò)展,比如進(jìn)行家電控制、房間環(huán)境監(jiān)測(防止火災(zāi)、電器故障、盜竊等).這方面的市場需求已經(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.
智能機(jī)器人是一個復(fù)雜的系統(tǒng),使用了大量的傳感器和一個或者多個高性能的微處理器,因此成本較高.但是為了讓普通人都可以享受科技進(jìn)步的成果,降低成本是個必由之路.
盡管目前價廉物美的吸塵器給人們的清潔工作帶來了一定的便利,但過大的噪音依然讓大多數(shù)使用者望而卻步。吸塵機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域中的一個新產(chǎn)品,將使人們能在無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)成本兼顧到日用電器批量大、價格低的特點(diǎn),吸塵機(jī)器人將具有誘人的市場前景,有關(guān)資料也預(yù)測吸塵機(jī)器人是未來幾年需求量最大的服務(wù)機(jī)器人。特別是日用清潔電器不論是在市場上或者是在產(chǎn)品的創(chuàng)新上,絕對是所有小家電產(chǎn)品中最活躍的,未來仍有相當(dāng)大的成長空間。盡管目前國內(nèi)外在吸塵機(jī)器人研究開發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過高和許多關(guān)鍵技術(shù)問題尚急待解決或提高,主要有以下幾個方面:
(1)目前,價格過高是嚴(yán)重影響吸塵機(jī)器人打入家電市場的主要因素,因此為了大幅度降低其成本,我們必須開發(fā)專用運(yùn)動控制和數(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,通過采用藍(lán)牙技術(shù)將過高的數(shù)字處理器成本轉(zhuǎn)移到用戶的個人電腦上,則有望在短期內(nèi)將吸塵機(jī)器人的成本控制在千元左右。
(2)未來的吸塵機(jī)器人將向智能化和自主式發(fā)展,因此我們必須結(jié)合現(xiàn)有的基于自適應(yīng)控制、模糊邏輯、遺傳算法等的移動機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃和控制技術(shù),研究開發(fā)出對環(huán)境變化具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性、對環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運(yùn)動規(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,還需要對現(xiàn)有的吸塵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。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)合理的吸塵時間以及相協(xié)調(diào)的機(jī)器人運(yùn)動速度,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)動和吸塵速度以延長電池的實(shí)際吸塵時間外,還尚需優(yōu)化自動充電方案,保證機(jī)器人能及時進(jìn)行充電,自動完成對指定環(huán)境的吸塵任務(wù)。隨著吸塵機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)和性能價格比的不斷提高或改進(jìn),相信根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件,未來幾年內(nèi)就會推出價格適中的全自動吸塵機(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)千家萬戶,為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來可觀的市場和經(jīng)濟(jì)效益。
致謝
本論文是在老師的悉心指導(dǎo)和關(guān)懷下完成的。無論是在選題、課題的研究還是在論文的撰寫方面，無不傾注著導(dǎo)師的心血。導(dǎo)師淵博的知識、精湛的學(xué)術(shù)造詣為本論文的研究指明了方向，導(dǎo)師敏銳的洞察力、富有創(chuàng)建的學(xué)術(shù)思想是本論文得以開展和順利完成的重要動因，張老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)、一絲不茍的治學(xué)態(tài)度和對科學(xué)孜孜不倦的執(zhí)著追求時刻啟迪著我，她誨人不倦、刻苦奉獻(xiàn)的精神以及和平易近人的工作永遠(yuǎn)激勵著我。
我還要特別感謝我的父母和其他親友，感謝他們給予我無私的理解與莫大的關(guān)懷，他們對我的支持是我順利完成學(xué)業(yè)的最大動力。
還要感謝對論文進(jìn)行評審，并提出寶貴意見的各位專家。
最后再次向我的導(dǎo)師衷心的感謝和崇高的敬意，也向所有在我撰寫論文期間給予我?guī)椭睦蠋煛⑼瑢W(xué)、親人和朋友們表示衷心的感謝。
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