iRobotRoomba掃地機器人的設計【5張圖紙】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 成都理工大學畢業(yè)論文（設計） iRobot Roomba掃地機器人的設計 作者姓名：專業(yè)班級：指導教師： 摘 要 清掃機器人有四項關鍵技術，包括：傳感技術、路徑規(guī)劃技術、吸塵技術和電源技術，這四項技術對清掃機器人的發(fā)展起著至關重要的作用。本文主要介紹了目前國內(nèi)外清掃機器人的研究現(xiàn)狀以及機器人的結(jié)構(gòu)設計和程序設計?？傮w來說，機器人的研究已經(jīng)很深入了但還是存在不足。清掃機器人結(jié)構(gòu)主要包括行走結(jié)構(gòu)、清掃結(jié)構(gòu)、吸塵結(jié)構(gòu)和擦地結(jié)構(gòu)。清掃機器人的程序設計主要包括單片機系統(tǒng)控制程序、驅(qū)動電機控制程序。 關鍵詞：清潔機器人 智能控制 運動原理 結(jié)構(gòu)設計 The design of the iRobot Roomba robot sweeps the floor Abstract Cleaning robot has four key technologies, including: sensor technology, path planning, vacuuming technology and power technology. The four technology?plays a vital role in the development of?cleaning robot. This paper mainly introduces the cleaning robot at home and abroad research status and structure design and program design of the robot. Overall, the robot has been researched deeply. But there is still insufficient. Cleaning robot structure mainly includes walking structure, structure, structure and vacuum cleaning brush structure. Cleaning robot design program including the MCU system control program, motor control program. Key words: cleaning robot intelligent control motion principle structural design 目錄 摘 要 I Abstract I 目錄 II 第1章 前言 3 1.1.研究現(xiàn)狀 2 1.1.1國外研究現(xiàn)狀 2 1.1.2國內(nèi)現(xiàn)狀 4 1.2研究的目的和意義 5 1.3設計的重點和難點 5 第2章 機器人的結(jié)構(gòu)設計 6 2.1機器人的結(jié)構(gòu)組成和工作原理 6 2.1.1機器人的結(jié)構(gòu)組成 6 2.1.2工作原理 8 2.2iRobot Roomba的總體設計 9 2.2.2 iRobot Roomba機器人本體硬件結(jié)構(gòu) 10 2.2.3清潔機器人充電站硬件結(jié)構(gòu)設計 12 第3章 具體計算 14 3.1電機選擇 14 3.2蝸輪蝸桿的選擇 15 3.3清掃機構(gòu)的電機的選擇 18 3.4關于蝸桿上軸承壽命的計算 18 3.5 清掃機構(gòu)中渦輪軸的校核 20 第4章 清潔機器人軟件程序設計 22 4.1單片機系統(tǒng)控制程序 22 4.1.1時鐘與設置程序 22 4.1.2已經(jīng)顯示程序 23 4.2驅(qū)動電機控制程序 24 4.2.1電機正反轉(zhuǎn)控制 24 4.2.2電機轉(zhuǎn)速控制 24 4.2.3電機反饋控制 25 4.3避障處理 26 4.3.1未知環(huán)境探測 26 4.3.2實現(xiàn)避障的方法 27 4．4路徑規(guī)劃 29 4.4.1 iRobot Roomba機器人的路徑規(guī)劃方法：柵格法 29 4.4.2 iRobot Roomba機器人的路徑算法：往復式算法 29 4.4.3往復式性能分析 30 第5章 自主充電技術研究 31 5.1自主充電技術概述 31 5.2自動充電具體設計 31 5.2.1自動充電總體方案 31 5.2.2電池電壓監(jiān)控 32 5.2.3紅外發(fā)射電路 33 5.2.4紅外接收電路 33 5.3充電電源檢測 33 5.4自動充電系統(tǒng)軟件設計 34 結(jié)論 35 感謝 36 參考文獻 36 II 第1章 前言 在最近這幾年，人工智能技術、傳感器技術和移動機器人技術都得到了飛速發(fā)展和提高，這些技術和清潔機器人息息相關，這些技術得到了提升也就意味著會有更加完善的清潔機器人誕生，這同樣意味著清潔機器人的未來更加值得我們期待。隨著我們對清潔機器人研究的不斷加深，已經(jīng)有不少種類的清潔機器人進入了我們的日常生活。當我們工作一整天之后，拖著疲憊的身體回到家中卻看到地上滿是垃圾，這會讓我們感到更加的疲累，不過只要家里有了清潔機器人，這種情況就不會發(fā)生。當我們外出工作的時候，機器人就可以把家里打掃的干干凈凈，當我們回到家里的時候就會有一種傷心悅目的感覺，全身的疲憊都會一掃而空。本次的論文就是關于irobot roomba機器人的設計。 1.1.研究現(xiàn)狀 1904年第一臺掃地機在英國問世，從那個時候開始，掃地機進入了人們的生活當中。隨著時間的流逝直到現(xiàn)在，掃地機得到了長足的發(fā)展。在人們的日常生活中，掃地機發(fā)揮的作用也越來越大。接下來，介紹幾種比較經(jīng)典的清潔機器人。 1.1.1國外研究現(xiàn)狀 德國 Kaercher 公司生產(chǎn)的RC3000是世界上第一臺能夠自主完成家庭地面打掃工作的清潔機器人[1]，如圖1-1 所示，這款機器人的內(nèi)部裝有芯片控制系統(tǒng)以及光電傳感器，一旦機器人在清掃過程中檢測到雜物的存在，它就可以隨機的改變行進的方向，繼續(xù)進行打掃，一直到打掃工作徹底完成。當電源電壓不足時，它會自主地返回充電站進行充電。在這款機器人的內(nèi)部一共設置了四種清潔程序，機器人會根據(jù)環(huán)境的不同來選擇最合適的程序進行打掃。在機器人的內(nèi)部裝有光敏傳感器，當機器人打掃到距離樓梯或者臺階的邊緣很近的時候，傳感器就可以檢測到樓梯和臺階的存在，然后機器人就會自動遠離，這就避免了機器人可能發(fā)生的跌落以及因跌落造成的損傷。機器人本身的扁平結(jié)構(gòu)，極大地方便了機器人的清掃，一些我們平常不容易打掃的地方，對機器人而言，卻可以很輕松地完成，如圖1-2. 圖 1-1 RC3000 和充電站 圖 1-2 RC3000 清掃工作圖 “三葉蟲”誕生于英國，這是一款問世較早但功能強大的吸塵器，如圖1-3所示。它內(nèi)部裝有超聲波探測器，可以迅捷地探測到障礙物的存在并繞開能夠自由穿梭清掃，同時可以自主的設計出最優(yōu)行走路線；這款機器人能夠分三個檔位來工作：正常、快速和點清理；當機器人的垃圾盒被垃圾充滿之后，機器人就會發(fā)出警報；如果用戶有些地方不需 “三葉蟲”打掃，只要貼上特制的磁帶就能夠限制機器人的打掃范圍?！叭~蟲”的電源是可充電的，電量充滿之后機器人大概可以持續(xù)工作1個小時。 圖1-3 伊萊克斯的“三葉蟲” 2002年9月清潔機器人“Roomba”在美國面世，它的重量大約是2千克，直徑30英寸[2]。這款機器人擁有高度的自主工作能力，它體積較小，因此能夠輕松地把房間內(nèi)各個角落的垃圾打掃干凈。當 “Roomba”進行打掃的時候，動作不會太快但是打掃的效果卻很好，在主人外出之前，可以設定機器人進行自主工作，當打掃完成之后，機器人就會自主切斷電源，進入待機狀態(tài)，如圖1-4所示： 圖1-4 美國“Roomba”清掃機器人 1.1.2國內(nèi)現(xiàn)狀 1999 年初，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)第一個具有初步智能的自主吸塵機器人，與蘇州TEK 公司 合作研發(fā)，到2003 年系統(tǒng)在自主能力和工作效率上都有了顯著提高[1]。機器人工作之前，需要先進行環(huán)境探測，從而決定清掃時間；然后，計算出效率高的清潔路徑；在打掃完成之后，機器人就會自動返回充電站充電。不過因為系統(tǒng)在進行升級，所以并沒有產(chǎn)品進入市場。之后國內(nèi)推出了機器人KV8，這款機器人防跌落，可以自主清掃，同時價格便宜。但是這款機器人沒有充電站，只能靠人工進行充電。 國內(nèi)眾多品牌清潔機器人中，科沃斯機器人是比較出名的。市場上平均賣出3臺清掃機器人，當中有2臺就是科沃斯的?？莆炙骨鍧崣C器人利用渦輪增壓系統(tǒng)提高機器人的清掃動力，從而使得機器人打掃房間的質(zhì)量得到保障。這款機器人能夠自主選擇最佳清潔模式；具有防碰撞，防跌落的設計；預約定時，自動充電，讓智慧清潔有始有終。 圖1-5 科沃斯掃地機器人 1.2研究的目的和意義 如今社會的發(fā)展越來越迅速，生活節(jié)奏也越來越快，人們身上的壓力也越來越大，所以很少有人會在工作一天后還愿意打掃自己的房間。這就使得清潔機器人有了廣大的市場。但是現(xiàn)在市場上存在的機器人質(zhì)量好的一般價格也比較昂貴，希望通過這次設計，可以降低機器人的生產(chǎn)成本，使得機器人能夠進入更多人的生活當中。 1.3設計的重點和難點 本文主要是對irobot roomba 的結(jié)構(gòu)進行設計和材料的計算。關于清潔機器人清掃機構(gòu)的設計是本次設計當中的重點，本文需要介紹機器人的各種功能以及實現(xiàn)該功能的原理。 第2章 機器人的結(jié)構(gòu)設計 2.1機器人的結(jié)構(gòu)組成和工作原理 清潔機器人整體上由2大部分組成，分別是控制系統(tǒng)和機械部分。機器人的整體外觀如圖2-1，它的機械部分包括2個驅(qū)動輪、1個萬向輪、塑料底盤以及外殼。毛刷、電機、電池和控制系統(tǒng)只有安裝在這些部件上面才能發(fā)揮功用。 圖2-1 掃地機器人 2.1.1機器人的結(jié)構(gòu)組成 （1）行走驅(qū)動輪及驅(qū)動電機。這部分作為機器人的移動機構(gòu)（如圖2-2），功能就是讓機器人在平面上可以自由的行走。機器人的底面有3個紅外探測器，當機器人打掃接近樓梯或臺階時，這3個紅外探測器就可以檢測出來，從而防止機器人掉下去。當機器人進行清掃的時候，有可能會碰到桌角或者其他障礙物，這就使得機器人需要避障，而在清掃機器人的的前面和側(cè)面都有紅外開關，這就避免了機器人產(chǎn)生碰撞磨損。 圖2-2 移動機構(gòu) （2）清掃機構(gòu)。當機器人進行打掃的時候，首先電機啟動，然后帶動滾刷轉(zhuǎn)動，這時右面的滾刷做逆時針轉(zhuǎn)動，左面的滾刷做順時針轉(zhuǎn)動，在這兩個清掃刷的共同作用下，垃圾和灰塵都被集中到吸塵器的吸風口。 （3）吸塵機構(gòu)。由吸塵器內(nèi)的風扇高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強大的吸力，把垃圾和灰塵吸入垃圾盒中。 （4）擦地機構(gòu)。前面兩部分完成之后，大部分垃圾都掃干凈了，但是還有一些細小的灰塵沒有掃到，這時候，裝在機器人下面的清潔布開始擦地，通過3重結(jié)構(gòu)保障打掃的高質(zhì)量。 圖2-3 機器人的組成機構(gòu) 移動機構(gòu)，清潔機器人的整個機體都在移動結(jié)構(gòu)上面。我們課題的研究是室內(nèi)清掃，所以選用的輪式結(jié)構(gòu)。 本次選用輪式結(jié)構(gòu)的機器人，輪式結(jié)構(gòu)機器人輪系通常情況下分為三輪、四輪和六輪等。在這次的設計當中，因為機器人的整個機體并不是很大，只要三個輪子就可以讓機器人完成移動。 采用三輪機構(gòu)，而三輪機構(gòu)清潔機器人想要實現(xiàn)轉(zhuǎn)向一般情況下只有通過差速轉(zhuǎn)向和鉸軸轉(zhuǎn)向這兩種方式。而iRobot Roomba就是采用差速轉(zhuǎn)向式來實現(xiàn)機體的轉(zhuǎn)向。機器人的機體上一共有3個輪胎，在機體前端的輪胎是萬向輪，機體中間的兩個輪子都是驅(qū)動輪，當機器人要進行轉(zhuǎn)向的時候，驅(qū)動輪上的驅(qū)動電機開始運行，這就使得兩個驅(qū)動輪產(chǎn)生不同的加速度，從而產(chǎn)生不同的速度，然后整個機器人就完成轉(zhuǎn)向。 2.1.2工作原理 清潔機器人想要完成它的打掃工作，如果它自身什么都沒有那就是不可能實現(xiàn)的，因此在機器人機體上面安裝了很多個工作模塊，在這些模塊的共同作用下，機器人才能夠?qū)崿F(xiàn)打掃。CPU是整個機器人的核心，紅外遙控接收模塊和鍵盤模塊主要用于接收主人的指令，然后把指令傳給CPU，CPU接收到指令后經(jīng)過處理，返給機器人開始工作。信息采集模塊用于采集機器人的本身信息和周圍環(huán)境的信息。 機器人工作流程如下： （1） 開始用遙控器或者鍵盤把機器人打開，使機器人進入工作狀態(tài)。 （2） 機器人開始打掃之后，傳感探測模塊不斷地收集外界的信息并把收集的信息傳遞給CPU，CPU接收到之后，對這些信息進行分析、處理最終規(guī)劃出一條效率最高、同時能夠完全覆蓋清掃區(qū)的路徑。 （3） 機器人按照路徑規(guī)劃開始進行打掃，當需要轉(zhuǎn)向時，CPU就會通過驅(qū)動輪上的獨立電機改變兩輪的速度比實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向。 （4） 機器人在工作的時候，LCD顯示屏會顯示一些它本身的工作信息。 （5） 遙控器主要用來控制機器人，不僅能夠控制機器人的啟動和停止，除此之外，還可以給機器人進行定時，讓機器人在特定的時間段進行工作。 iRobot Roomba通過裝在機體上的各種傳感器協(xié)同工作來得到機器人工作的環(huán)境信息，例如，房間的長度以及寬度，還有房間內(nèi)影響機器人打掃的物體的位置。傳感器把所得到的信息傳遞給CPU，CPU經(jīng)過分析、處理后規(guī)劃處一條高效率、高打掃質(zhì)量的路徑。 2.2iRobot Roomba的總體設計 iRobot Roomba結(jié)構(gòu)如圖（2-4），系統(tǒng)是通過充電基站和機器人自身兩大部分構(gòu)成。機器人本身需要完成的是進行地面的打掃，而且機器人還有定時工作的功能，可以在特定的時間段進行工作；可以自主的躲避障礙物；自主的打掃地面；當檢測到樓梯時，自動離開，避免出現(xiàn)碟碰自；機器人還可以在電源不足時主動尋找充電站充電等功能；基站的主要功能就是給機器人充電和發(fā)射召回信號。機器人通過這兩部分實現(xiàn)自主工作。 圖2-4 結(jié)構(gòu)總圖 機器人采用輪式差速轉(zhuǎn)向行走機構(gòu)，如圖（2-5），機器人中間的兩個輪子每個上面都有兩個獨立的驅(qū)動電機來控制輪的速度，通過改變左右輪的速度比來改變機器人的行進方向[9]，而安裝在機器人前方的輪子則是自由輪。清潔機器人就是通過這種方式實現(xiàn)自己的移動。 圖2-5 輪式差速轉(zhuǎn)向行走機構(gòu) 2.2.2 iRobot Roomba機器人本體硬件結(jié)構(gòu) iRobot Roomba機器人硬件結(jié)構(gòu)由控制器（單片機）、電機驅(qū)動器、傳感器、轉(zhuǎn)態(tài)設置按鈕、電源模塊和狀態(tài)顯示器等幾部分構(gòu)成，這些模塊由單片機統(tǒng)一進行管理，共同工作，從而保證機器人的功能實現(xiàn)。其關系圖如(2-6): 圖2-6 清潔機器人的硬件控制系統(tǒng)機構(gòu)圖 各模塊的主要組成與功能如下： （1） 控制器（單片機）主要由單片機STC89C52RC組成，它的主要功能是實現(xiàn)各個模塊和和控制程序的對接，并實現(xiàn)對整個機器人的控制。 （2） 電機驅(qū)動器：主要由驅(qū)動電機驅(qū)動器、毛刷電機驅(qū)動器和吸塵電機驅(qū)動器組成，其中驅(qū)動電機驅(qū)動左右輪從而帶動機器人的運動，毛刷電機和吸塵電機負載清潔除塵工作，如圖（2-7）。 圖2-7 驅(qū)動電機 （3） 傳感器：主要有紅外避障傳感器、紅外防跌落傳感器等組成，這些傳感器的功能各不相同，但是卻能夠?qū)崿F(xiàn)功能互補，從而保證機器人工作的順利進行，它們主要是用來檢測機器人當前工作的環(huán)境信息以及機器人當前的狀態(tài)，最終把這些信息傳遞到CPU。 （4） 狀態(tài)設置按鈕：對機器人的開始工作、停止工作或者其他的轉(zhuǎn)態(tài)進行設置。 （5） 工作狀態(tài)顯示器：用來表示機器人工作時的溫度、位置等。 （6） 電源模塊：機器人不同的模塊需要的電壓不同，而電源模塊可以把電源的電壓轉(zhuǎn)換成不同的電壓讓其他模塊應用。 2.2.3清潔機器人充電站硬件結(jié)構(gòu)設計 iRobot Roomba充電站的系統(tǒng)示意圖如圖（2-8）。機器人采用可充電電池供電。沖電基站上面存在著金屬插板，清潔機器人的后端有金屬充電電極，當金屬片和充電電極接觸上后就可以開始沖電。在機器人的機身上面裝著兩個紅外調(diào)頻接收器，每個接收器都能夠接收到90度范圍內(nèi)的紅外信號。假設清潔機器人尋找充電基站的時候沿著順時針的方向向前走，裝在機器人機體上的調(diào)頻紅外傳感器就能夠檢測到信號，之后機器人就會順時針旋轉(zhuǎn)90°，接著位于機器人后面的傳感器就會檢測到信號，并且靠向充電站，一直到和充電站的充電端子接觸成功。因為機器人在行走中出現(xiàn)錯誤，所以向充電站前進的時候有一個自主適應的過程。 圖2-8 充電站硬件系統(tǒng)組成示意圖 充電站硬件結(jié)構(gòu)由充電器模塊、充電站控制器、調(diào)頻紅外線發(fā)射器3個部分組成。 （1） 充電器模塊：機器人充電站一般直接提供的電源都是220V的交流電，但是220V的交流電并不能被機器人直接使用，供電模塊就是用來把220V的交流電轉(zhuǎn)換成可以被整個系統(tǒng)的使用5V直流電和電池充電用的24V直流電。 （2） 充電站控制器：當充電站的充電端子和機器人的電池對接充電的時候，調(diào)頻紅外發(fā)射器就會被關閉，這樣不僅可以節(jié)約電量，同時也能夠延長傳感器器的使用壽命。 （3） 調(diào)頻紅外發(fā)射器：主要用來發(fā)射調(diào)頻紅外波，紅外波的頻率大約為1KHz,當機器人接收到紅外波時，會根據(jù)紅外波來調(diào)整自己的方位，向充電站靠近，并最終與充電站對接進行充電。 第3章 具體計算 3.1電機選擇 (1) 機器人的重量大致為5kg,g取 9.8N／kg，則機器人的所受重力 （3-1） 每個輪子所承受的載荷為 （3-2） (2)采用輪胎在室內(nèi)環(huán)境行走，取滑動摩擦系數(shù)μ=0.1，滾動摩擦系數(shù)δ=1，則: 滑動摩擦阻力 （3-3） 滾動摩擦阻力 （3-4） 根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)設計，需要機器人的底盤最少要比地面高10毫米，因此在本次設計當中選擇直徑D為96毫米的輪子，那么輪子的半徑R=1／2D=48mm，輪子所受到的阻力矩為： （3-5） (1) 電機需要功率，式中： 由 （3-6） 取，則=3.83W，電機所需的輸出功率=,其中 （3-7） 則電機所需的輸出的功率 == =4.45W。 （3-8） (3) 確定電機。機器人的移動結(jié)構(gòu)使用差速轉(zhuǎn)向式，為了實現(xiàn)差速運轉(zhuǎn)就需要有調(diào)遣功能的電機，結(jié)合式子（3-8）中得出來的電機所需要的輸出功率，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)上搜尋到的關于電機的信息，最后決定使用YCJT系列的電機。根據(jù)上面的計算可以知道機器人運行需要電機的輸出功率是4.45W，再結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)上查閱得到的關于電機的資料，最后確定使用YCJT-6-1的電機。這臺電機的輸出功率是6W，大于我們所需的功率，滿足需要；這臺電機的速度在每分鐘900轉(zhuǎn)到1500轉(zhuǎn)之間可調(diào)，當我們調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速為每分鐘1200轉(zhuǎn)時，電機的轉(zhuǎn)矩是5N.m。同樣滿足我們對轉(zhuǎn)矩的要求，綜上所述，最終選定這個型號的電機。 3.2蝸輪蝸桿的選擇 (1)選擇蝸桿傳動類型 根據(jù)GB /T10085-1988的推薦，采用漸開線蝸桿(ZI) (2)選擇材料 渦輪和蝸桿對機器人的清掃至關重要，機器人的清掃機構(gòu)需要渦輪和蝸桿才能進行打掃工作，因此對渦輪和蝸桿的要求也比較高，所以蝸桿的螺旋齒面必須進行淬火處理，硬度45～50HRC。渦輪的材料選用鑄錫磷青銅，金屬模鑄造。 (3)根據(jù)齒面接觸疲勞強度進行設計 1、確定載荷系數(shù)K 選定齒輪的傳動比i=14，參考蝸輪蝸桿參數(shù)表取Z1=2，則Z2=28。 由于工作載荷基本上不會發(fā)生改變，所以在選取載荷分布不均勻系數(shù)的時候可以把的值選為1，然后查找資料得到：=1，由于電機的轉(zhuǎn)速并不快，產(chǎn)生的沖擊力度并不會太強，所以選定動載荷系數(shù) =1. 1；則 載荷系數(shù)； （3-9） 2、計算作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩T2： T2=9550*106*P /n 當=2時，的值在0.7到0.9之間，取 =0.8，代入式中得： （3-10） 3、確定彈性影響因素 Ze 由于選用的齒輪材料是鑄錫磷青銅，蝸桿選用的是鋼鑄造的，這兩者相互配合，通過查《機械設計》得： Ze =160。 4、確定接觸系數(shù) 假定蝸桿的分度圓直徑d1和傳動中心距a的比值d1/a=0.35，由資料當中查得數(shù)據(jù)，得到Zp是2.9。 5、確定應力循環(huán)次數(shù) 應力循環(huán)次數(shù) （3-11） 查《機械設計》得：=230MPa -=90MPa （3-12） 6、計算中心距 （3-13） 選a=40mm，由于i=14，通過查表選定模數(shù)m=2mm，最終確定d1的值是22.4mm。這個時候d1/a=0.56，由資料查得Zp=2.4＜2.9，滿足我們設計的要求，因此計算結(jié)果正確，數(shù)據(jù)能夠使用。 查表選取m=2mm，d1=22.4mm， Z1=2q=11.20，Z2=29，分度圓導程角r=10°07′29″。中心距ａ=40 mm，d2 =mz2=58； a=40.20mm，這并不是滿足要求的推薦中心距，但是如果選擇了中心距，渦輪就會改變位置。本設計不采用變位，取a=40.20。 (2) 驗算初設參數(shù) 滑動速度 （3-14） 在范圍之內(nèi)，所選材料合適。 蝸桿的傳動效率在0.95和0.96之間， 因為是1.8m/s，查表得 =2°， ， （3-15） 傳動效率=（0.95~0.96）*0.85=0.81~0.82，與初選 =0.7不符，初效率應適當降低。 （5）驗算齒根的剛度和彎曲疲勞強度 （3-16） 蝸輪當量齒數(shù)=/ =29.44，查得齒形系數(shù)=2.65； 則可求的： （3-17） 帶入式中 =27.85Mpa< 成立。彎曲強度滿足要求。 （6）蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)以及幾何尺寸 1、蝸桿 軸向齒距Pa=6.28mm 直徑系數(shù)q=11.20 齒頂圓直徑da126.4mm 齒根圓直徑df1=16.4mm 分度圓導程角r=10.12?° 齒寬b=26mm 基圓直徑d=22.4mm 模數(shù)m=2，頭數(shù)z=2 齒根高 hf=2.4mm，齒頂高ha=2mm。 2、渦輪 渦輪齒數(shù)z2=28 渦輪分度圓直徑 （3-19） 渦輪喉圓直徑 （3-20） 渦輪齒根圓直徑 （3-21） 渦輪咽喉母圓半徑 （3-22） 渦輪齒寬b2=0.7da1=18.48mm，取18mm。 為了避免損傷到齒寬b2，因此蝸輪齒頂圓直徑de2的大小要在58毫米和60毫米之間，最終選擇取de2=58mm。 在蝸桿工作的時候，電機的能量在傳遞到渦輪的過程當中，會有很多的能量無法傳遞過去，而這部分無法傳遞的能量就會以熱能的形式表現(xiàn)出來。在此次機器人的設計當中，蝸桿工作時產(chǎn)生的熱量會直接散發(fā)到機器的內(nèi)部，當機器人進行吸塵操作的時候當中就會把這些熱量清除出去。 3.3清掃機構(gòu)的電機的選擇 經(jīng)過計算和資料的查閱，只要清掃刷的轉(zhuǎn)速達到或者超過3r/s，就能夠把灰塵或者其它臟東西打掃到垃圾盒里面，讓機器人完成清掃工作，同時加上皮帶輪的傳動比是1:1，因此為了完成打掃，渦輪的轉(zhuǎn)速就需要在每分鐘180轉(zhuǎn)到210轉(zhuǎn)之間，再結(jié)合之前得到的蝸輪蝸桿的關系，可以計算得出蝸桿的轉(zhuǎn)速要在每分鐘2600轉(zhuǎn)和3000轉(zhuǎn)之間，故此選則型號是55SZ01的電機，它的轉(zhuǎn)速是每分鐘3000轉(zhuǎn)，功率是12W，這個型號電動機的體積不大，同時又可以保證機器人的工作進行，因此這個電機可以滿足清掃機構(gòu)的需求。 3.4關于蝸桿上軸承壽命的計算 （1）計算軸承壽命的基本公式為： （3-23） 其中：P-當量動載荷（N）； -壽命指數(shù)，滾子軸承 =10/3，球軸承=3，； n-軸承轉(zhuǎn)速r/min； C-基本額定動載荷（N），能夠通過機械設計手冊進行查找。 經(jīng)查表得C=2.75*103 （2）計算角接觸軸承的當量動載荷 基本公式為P=FP (XFR+YFA) （3-24） 其中：X-徑向載荷系數(shù)，其值見機械設計P321表13-5； Y-軸向載荷系數(shù)，其值見機械設計P321表13-5 Fr-軸承所承受的徑向載荷； Fa-軸承所承受的軸向載荷； FP -載荷系數(shù)，查表13-6（機械設計P321） 待求量為Fr、Fa值，計算軸承所受的徑向載荷Fr 軸向受力如圖3-2所示。 圖3-2 軸承受力圖 經(jīng)計算解 得Fr=0.081N，F(xiàn)a=0.015N 根據(jù)已經(jīng)知道的條件能夠得出，在渦輪兩側(cè)的軸承無論是距離、大小、形狀等都是完成相同的。所以 （3-25） 同時由于軸承自身的重量也要由它自己承擔，所以每個軸承大概還會受到0.1N的作用力， 所以 （3-26） 派生軸向力 （3-27） 又因為 （3-28） 所以軸承1壓緊，軸承2放松 所以 Fa1> Fa2，所以只需要校核軸承1即可 因為 選取X=1，Y=0，fp=1.0 所以 （3-29） 所以 （3-30） 所以符合要求。 3.5 清掃機構(gòu)中渦輪軸的校核 軸上能使產(chǎn)生彎矩的力有Fr，F(xiàn)t Fr=0.081N Ft=0.015N 這兩個力所在的平面互相垂直，L是69毫米，D是12毫米，如圖3-3， 圖3-3 受力示意分析圖 做彎矩圖如3-4所示 圖3-4 彎矩圖 （3-31） （3-32） 合成彎矩 （3-33） （3-34） 在之前的設計當中，軸的制造材料確定了用45鋼，把鋼經(jīng)過加工之后，查表查得<[]=60N.mm，所以滿足對軸的需求，可以使用。 第4章 清潔機器人軟件程序設計 4.1單片機系統(tǒng)控制程序 4.1.1時鐘與設置程序 iRobot Roomba當中關于的時鐘操作可以使它完成定時工作。它用自身單片機的定時器來實現(xiàn)。STC89C52有3個定時器，其中T0用作定時。把T0設置成工作方式1，把12MHz的晶振用作單片機系統(tǒng)，這種情況下最大定時是66636uS,也就是0.06S，則賦初值為0X15A0，即TH1=0x15,TL1=0xA0。設置出來三個時刻改變的數(shù)值ti,分鐘和小時,在機器人的定時工作和停止的程序當中，ti依次增加，直到達到1000次的時候，計為一分鐘，如圖4-1， 圖4-1 系統(tǒng)即使程序流程圖 圖4-2 設置程序流程圖 通過4個鍵位以及LCD顯示，人們就能夠輕易的設置機器人，讓機器人按照人們的意愿工作。4個按鍵分別定義為ADD、DEC、 SET和OX鍵。其中SET鍵是設置鍵，第一次按下之后，你就可以對機器人進行設置，當設置完成之后，在按一次，就能夠?qū)C器人的下個狀態(tài)進行設置，每次按下SET鍵，就會改變一次設置內(nèi)容，直到設置全部完成后，在按一次就會退出設置項。ADD用于增減內(nèi)容的數(shù)據(jù)，而DCE則用來減小內(nèi)容數(shù)據(jù)。OK是確定鍵，當完成數(shù)據(jù)的增減之后，按下OK鍵，進行確定。機器人的設置程序流程圖如圖4-2. 4.1.2已經(jīng)顯示程序 1602液晶模塊對于機器人來說很重要，它的主要用途就是顯示機器人的狀態(tài)。 MPU發(fā)出數(shù)據(jù)和指令，控制器接收到之后控制整個模塊工作，模塊由指令寄存和譯碼機構(gòu)、DDRAM、CGRAM、CGROM等字符存儲區(qū)域以及MPU和列驅(qū)動器的I\O接口、地址計算器等部分組成。 圖4-3 1602讀操作時序 圖4-4 1602寫操作時序 圖4-5 液晶顯示程序流程圖 4.2驅(qū)動電機控制程序 4.2.1電機正反轉(zhuǎn)控制 在iRobot Roomba左輪和右輪上都裝有兩個直流電機，來實現(xiàn)它的差速移動。 兩個直流電機的驅(qū)動機構(gòu)都是采用L298N芯片，該芯片的邏輯功能如表4-1所示，它利用I\O輸出高低電組合來實現(xiàn)兩電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。 表4-1 L298N的邏輯功能 4.2.2電機轉(zhuǎn)速控制 電機的轉(zhuǎn)速通過PWM方式控制。脈沖寬度調(diào)制是把輸出信號的基本周期固定，通過調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來控制輸出功率[11]。電機的旋轉(zhuǎn)速度和加在電機兩端的電壓有一定的關系，施加在電機上的電壓越大，那么電機的旋轉(zhuǎn)速度也就越快。由于施加在電機的電壓和占空比成正比，因此占空比的數(shù)值越大，施加在電機的兩端電壓也就越強，這樣的話電機的旋轉(zhuǎn)速度也就越快。 選擇定時器產(chǎn)生PWM波。89C52有三個定時器，T0，T1和T2，T0用于系統(tǒng)計時，可以利用T1和T2分別產(chǎn)生兩組PMW波。但是我們只需要使用一個定時器就可以形成多組PWM波。原理設定一個周期時間為T，將時間分為10份，（圖4-6所示），每一小段的時間都是t, t為定時器的定時時間。在程序中，首先給PWM1和PWM2賦與電平，而賦予它們的電平是由需要的占空比決定的，如PWM1為30%、PWM2為50%時，PWM1在三個定時中斷后變成低電平，而PWM2則依舊是高電平，這種情況會一直持續(xù)到5個定時全部中斷后轉(zhuǎn)變成低電平，取10個定時中斷為一個周期，這樣循環(huán)就產(chǎn)生了兩個占空比不同的PWM波。我們利用這個原理就可以形成多組PWM波。 圖4-6 兩種PWM波產(chǎn)生程序流程圖 4.2.3電機反饋控制 iRobot Roomba采用差速式結(jié)構(gòu)移動，它有兩個驅(qū)動輪，在每個驅(qū)動輪的上面都裝有齒輪軸，霍爾傳感器就被安裝在磁鋼片上面的一個地方，用它來測驗電機的轉(zhuǎn)速。 我們可以利用計數(shù)器來測定脈沖的數(shù)目，單片機有3個計數(shù)器，其中T1和T2都有用途，但是T1和T2能夠被重復的使用，設置T1和T2的任務互不影響，通過設置，T1就可以用來計量左輪霍爾傳感器的脈沖數(shù)目，T2用來計量右輪霍爾傳感器的脈沖數(shù)目。 4.3避障處理 4.3.1未知環(huán)境探測 清潔機器人被置于一個特殊的環(huán)境下，關于環(huán)境的信息一點都沒有。這就需要避障系統(tǒng)首先要求機器人對環(huán)境先進行探測。紅外傳感器具備一些預瞻能力，而碰撞傳感器的性能比較可靠。紅外傳感器能夠在最短的時間內(nèi)探測到遠處的雜物，碰撞傳感器能夠探測到距離機器人較近的信息，把這兩種傳感器探測到的信息，依據(jù)一定的算法，可以得出較為真實的環(huán)境情況。 傳感器布局如圖4-7，機器人四周各有一個反射式紅外傳感器，前方有兩個碰撞傳感器，底盤有三個紅外傳感器，用于臺階檢測。圖中機器人需要進行探測的區(qū)域是紅線包圍的區(qū)域，但是機器人實際上能夠探測到的地方卻是藍色虛線所包圍的區(qū)域，紅線包圍的區(qū)域和藍線包圍的區(qū)域并不完全重合，這就意味著機器人的探測并不完全，存在無法探測到的區(qū)域，這部分區(qū)域大部分分布于左后側(cè)和右后側(cè)。清潔機器人在正常工作的時候，只有在遇到桌角或臺階時才會后退一小段。因此這幾塊盲區(qū)的存在對于機器人的清掃幾乎不存在影響。 圖4-7 傳感器探測區(qū)域和盲區(qū) 4.3.2實現(xiàn)避障的方法 在室內(nèi)打掃時，因為房間內(nèi)存放大量的家具、電器等，這就使得機器人的打掃環(huán)境十分復雜，而且有人們還會時不時的會走動，在這種情況下，機器人要想順利的完成清掃就要做到躲避避障礙物。 圖4-8 避障策略圖 關于躲避障礙物的措施最常用的有勢場法和柵格法等。iRobot Roomba機器人用的是基于多傳感器的反應式實時避障策略，這種策略擁有反應速度快、可以同步進行、效率高的特點，十分適用于在不知道環(huán)境信息的地方避障。 實時避障如圖4-8，首先傳感器搜集周圍的環(huán)境信息，一旦檢測到有障礙物的存在，機器人就會減速前進，當發(fā)生碰撞時就停止并后退一小段距離，然后通過左右側(cè)紅外傳感器檢測兩邊環(huán)境，優(yōu)先右轉(zhuǎn)，如果不行就左轉(zhuǎn)，再不行就后退，當后退的路被障礙物擋到時，就延時一段時間之后再檢測周圍環(huán)境，當延長時間超過一段時間（如6分鐘）后，仍然不行，機器人就認為遇到特殊情況，然后啟動警報。當位于底盤的紅外傳感器檢測到樓梯的時候，就啟動中斷程序，選擇向后撤離，防止跌落，產(chǎn)生碰撞損傷。 4．4路徑規(guī)劃 4.4.1 iRobot Roomba機器人的路徑規(guī)劃方法：柵格法 設定以方形區(qū)域代表機器人的幾何形狀。把機器人看成一個點，網(wǎng)格來表示工作空間，把機器人工作的空間分成大小相同的網(wǎng)格。這個方法方便了路徑規(guī)劃的實現(xiàn)，而且也可以表示不規(guī)則障礙物，但是沒有一種方法是十全十美的，這種方法同樣也存在著缺點，表示效率不高。柵格劃分大了，分辨率就會下降；柵格劃分小了，環(huán)境的儲存量就太大。 4.4.2 iRobot Roomba機器人的路徑算法：往復式算法 往復式算法，同樣也被稱為犁式算法。讓機器人首先沿著墻壁行走一圈，建立完成地圖之后，開始往返式的清掃。往返式行走能夠分為下面的幾部分運動步驟，[9] （1） 機器人由房間的某個角落開始，首先沿著墻面運動，直到和墻壁發(fā)生碰撞； （2） 機器人旋轉(zhuǎn)180°，并且偏移與吸塵口寬度相同的距離； （3） 重復步驟1； （4） 位于機器人側(cè)面的傳感器能夠檢測出是否有障礙物的存在，假使在機器人將要偏移的方向檢測到了障礙物的存在，而且檢測到雜物的距離比較小，那么機器人就會終止往復式覆蓋程序的執(zhí)行然后執(zhí)行其他程序； （5） 機器人按照和前次相反的方向旋轉(zhuǎn)180°，同時也會偏移一定的寬度； （6） 重復上述步驟。 在長方形的沒有障礙物的房間里面，往復式可以輕易的實現(xiàn)房間的打掃，經(jīng)過往復運動，清潔機器人大致可以完成房屋內(nèi)的打掃，但是如果房屋存在障礙物的時候，那么障礙物的另一邊就不能被打掃到，這就需要用其他的方法繼續(xù)進行打掃。 4.4.3往復式性能分析 圖4-9 往復方式 （4-1） （4-2） （4-3） （4-4） 第5章 自主充電技術研究 5.1自主充電技術概述 自主對接充電就是讓清潔機器人在自身電量不足以繼續(xù)工作的時候可以的自主切換到充電模式，這樣就避免了機器人因為電壓不足而無法工作的情況的發(fā)生。一旦機器人感到自身電量不夠充足的時候，它就會自動停止正在進行的打掃任務去找充電站。當電源達到額定電壓之后就會繼續(xù)之前的打掃工作。通常情況下，即使機器人是在電源充滿的時候開始打掃工作，也不足以第一次就實現(xiàn)對面積較大的房屋的清掃，所以自主充電技術對清潔機器人而言十分重要。 目前，移動機器人的能源都來自于可充電電池組，但是電池組的能源不能維持太長時間，當電能耗盡的時候，智能人工充電，當充電完成之后，再由人工脫離電路，繼續(xù)工作。這雖然操作簡單，但是會造成人力浪費，而且機器人不能實現(xiàn)完全的自主、智能，（如圖5-1A）。 圖5-1 機器人的任務環(huán) 如果機器人要實現(xiàn)真正的自主工作，就要完成5-1 B的循環(huán)，一旦開始任務之后，機器人可以自主充電，直到完成任務。 5.2自動充電具體設計 5.2.1自動充電總體方案 當機器人內(nèi)部的電壓低于一定值的時候，它就會自動尋找充電站進行充電。機器人一直前行，直到碰到墻壁并沿著墻壁按順時針方向行進，直到返回充電站。在機器人的貼邊一側(cè)和后部各裝有一個紅外接收器，如圖5-2A所示，一旦它接收到充電站發(fā)出的紅外信號，就會順時針旋轉(zhuǎn)90°，如圖5-2B所示，而且順著紅外光路向充電站的方向行進，當它到達充電站后就會檢查充電線是否和插座完成對接。 圖5-2 自主充電對接技術 5.2.2電池電壓監(jiān)控 機器人采用鎳氫充電池充電，放電曲線如圖5-3，機器人能正常工作40分鐘，選取圖中的2C放電曲線，那么每一節(jié)的電池正常工作時的電壓在1.05伏特和1.40伏特之間,則12節(jié)電池串聯(lián)后，電壓范圍為12.5V-17.5V。由于電池電壓高于CPU電壓，因此首先將充電電池電壓通過比較器處理，然后送A/D處理，可以隨時的進行查詢和控制。 圖5-3 鎳氫電池放電曲線 5.2.3紅外發(fā)射電路 紅外發(fā)射電路的作用是對機器人進行引導，它發(fā)出特定頻率的紅外信號讓機器人接收到，然后機器人根據(jù)收到的信號進行活動。 圖5-4 紅外發(fā)射電路 紅外發(fā)射電路如圖5-4所示。 5.2.4紅外接收電路 紅外接收電路主要靠鎖相環(huán)譯碼芯片LM567的相互配合來實現(xiàn)。LM567在電路中起選擇頻率的作用，電路如圖5-5. 圖5-5 紅外接收電路 5.3充電電源檢測 在機器人向充電站移動的過程當中，紅外傳感器不止要檢測信號，同時還需要準確的判斷機器人的充電電極是否已經(jīng)和充電端子接觸上。使用圖5-6所示分壓電路，調(diào)節(jié)RP1至輸出電平稍小于5V。單片機通過檢測J41的高低，就可以知道是否對接上。 圖5-6 電源檢測電路 5.4自動充電系統(tǒng)軟件設計 機器人的自動充電程序如圖5-7. 圖5-7 自動充電程序框圖 清潔機器人工作時，每隔一段時間就會對電池電壓進行一次檢測，當檢測到機器人的電壓低于12.5V時，就停止清掃工作朝著一個方向一直前進，直到碰到障礙物后就右轉(zhuǎn)90°，并通過左側(cè)的紅外傳感器與其保持一定距離，并繼續(xù)前進，碰到障礙物后一直選擇右轉(zhuǎn)90°，經(jīng)過幾個循環(huán)后，在行進過程中，一直檢測到充電站發(fā)出的紅外信號，如果位于機器人左面的接收器接收到了這個充電站發(fā)射的信號，那么它就不會繼續(xù)前進，在原地順時針旋轉(zhuǎn)90°。這時安裝在機器人后端的紅外接收器再檢測是否有紅外信號，若沒有則小幅度原地左右旋轉(zhuǎn)，直到檢測到了來自充電站的紅外信號，然后機器人就后退，當檢測到充電站后，就停下來進行充電。一段時間之后，當機器人的電量充滿就停止充電，并離開充電站，等候下回工作的到來。 結(jié)論 雖然現(xiàn)在我國對智能清潔機器人的研究已經(jīng)有了很大的進步，但是機器人的自主化、智能化依然不夠完善。目前市場上的智能清潔機器人種類繁多，但是一些質(zhì)量好，工作效率高的價格也比較昂貴，一般的家庭都不會選擇。而那些價格低的又存在很多的問題。這就需要降低機器人的生產(chǎn)成本，使得清掃機器人能夠進入更多的人的生活中。根據(jù)市場調(diào)查，清掃機器人市場具有很廣闊的前景，這就需要改進機器人的生產(chǎn)技術，降低生產(chǎn)成本。另外，機器人還有一些其他問題需要解決，同時，關于機器人的技術也需要提高。 （1）機器人進行打掃工作時，會有很大的噪音產(chǎn)生，這會嚴重影響人們的日常工作、生活；所以我們還需要繼續(xù)研究解決這個問題。 （2）我們還需要對如今的清掃技術進一步完善，使得機器人打掃完成之后不會遺漏任何灰塵和垃圾。如今機器人在探索方面還存在著盲區(qū)，這就使得我們要不斷的完善傳感器。 （3）如今的掃地機器人基本上都可以實現(xiàn)自主充電，但是機器人的電源并不是最理想的，這需要我們進一步提高電池的質(zhì)量，制造出理想的電源。 感謝 本次課題的設計很大程度上是因為老師的悉心指導完成的。從確定論文的題目到論文的完成一共歷時6個月，在這6個月當中，老師嚴格要求我們，定時給出任務，這對論文的完成十分重要。每當撰寫論文出現(xiàn)問題時，老師都能夠及時的給出引導，給出方向，老師淵博的知識和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L時刻啟迪著我。我十分感謝老師在本次課題中提供的幫助，同時更加感謝老師在課題完成過程中的嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L。 參考文獻 [1] 周盛榮. 智能家庭清掃機器人的研究 [D] [碩士學位論文]哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學 [2] 譚定忠,王啟明,李金山，李林. 清潔機器人研究發(fā)展現(xiàn)狀[J].機械工程師，2004,6 [3] 胡躍明,丁維忠,吳忻忠. 吸塵機器人的研究現(xiàn)狀與展望[M],計算機自動測量與控制,2002 [4] 劉志雄，李浙昆. 室內(nèi)移動機器人自動充電技術[J].機械與電子,2007（3）：51~54 [5] 郭戈,胡征峰. 移動機器人導航與定位技術[J].微計算機信息,2003，19(8):10~11 [6] 王志文,郭戈, 移動機器人導航技術現(xiàn)狀與展望[J].機器人,2003,25（5）：470~474 [7] 楊傳華,楊萍,周美艷. 自學習移動機器人在位置環(huán)境中的路徑規(guī)劃[J].機械設計,2006,23,(2):16~19 [8] 譚定忠,王啟明,孔凡凱. 自主移動清潔機器人運動學性能研究[J]. 機械工程師,2004，(10):55~56 [9] 楊華棟. 基于單片機家用機器人的自主移動控制系統(tǒng)研究 [D]：[碩士學位論文].沈陽：沈陽理工大學,2006 [10] 陳培雯. 智能家庭清掃機器人充電站的研究[D] [碩士學位論文]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2006 [11] 張拓. 基于AT89S52單片機的智能循跡機器人的設計[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2006 [12] Yong- Joo, Watanabe-Y. Development of small robot for home floor cleaning[C]. SICE 2002. Proceedings of the 41st SICE Annual Conferenee,5-7Aug. 2002,5(5): 3222~3223 [13] Calderon, C.A.A, Huosheng Hu. Imitation towards service robotics[C]. IEEE Proc. Intemational Conference on IROS, Oct.2004,4(4):3726~3731 [14] 梁喜鳳. 室內(nèi)地面清潔機器人路徑規(guī)劃[J].中國計量學院學報,2006，17(1)64~68 [15] 王磊, 楊杰.全自主清掃機器人的運動分析與路徑規(guī)劃[J].機電一體化，2007，（2）：70~73 [16]邢敏,蒙梅. JP-cleaner型清潔機器人控制系統(tǒng)設計[J].機械與電子，2006，（10）:55~57 [17] ULRICH I,MONDADA F,NICOUD J D. Autonomous vacuum cleaner[J]. Robotics and Autonomous Systems, 1997(19):233~245 35