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1、家用請潔機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn) 作 者 姓 名 專 業(yè) 指導(dǎo)教師姓名 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 講師 山東輕工業(yè)學院2007屆?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文） 目 錄 摘 要 ……………………………………………………………3 第一章 前言 ………………………………………………

2、3 1.1 題目要求 ……………………………………………………4 1.2 國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究 ……………………………………………5 1.2.1 國外產(chǎn)品研究狀況 ………………………………………………5 1.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 ……………………………………………7 1.2.3 自主充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 ……………………………………8 1.3 研究的目的和意義 …………………………………8 1.4 設(shè)計的重點和難點 ……………………………………………9 第二章 家庭清潔機器人的關(guān)鍵技術(shù) ……………9 2

3、.1 傳感技術(shù)…………………………………………………………10 2.2 路徑規(guī)劃技術(shù)……………………………………………………10 2.3 吸塵技術(shù)…………………………………………………………10 2.4 電源技術(shù) ………………………………………………………11 第三章 清潔機器人的機械設(shè)計 3.1 機械結(jié)構(gòu)組成和工作原理………………………………………11 3.1.1 機械結(jié)構(gòu)組成 ………………………………………………11 3.1.2 工作原理 ………………………………………………11 3.2 清潔機器人總體設(shè)計…………………………………………

4、…14 3.2.1 機器人外形設(shè)計 ………………………………………………14 3.2.2 機器人的行走機構(gòu)設(shè)計……………………………………………14 3.2.3 清掃機構(gòu)的設(shè)計 ………………………………………………15 3.2.4 吸塵機構(gòu)設(shè)計 ………………………………………………17 3.2.5 垃圾收集處理機構(gòu)設(shè)計…………………………………………18 第四章 總結(jié)也展望 4.1 發(fā)展趨勢 ………………………………………………20 4.1.1 高度智能化 ………………………………………………21 4.1.2

5、 功能擴展 ………………………………………………21 4.1.3 低成本化 ………………………………………………22 4.2 展望 ………………………………………………22 致謝 ……………………………………………23 摘 要 近年來，隨著計算機技術(shù)與人工智能科學的飛速發(fā)展，智能機器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機器人研究領(lǐng)域的熱點。其中，服務(wù)機器人開辟了機器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。服務(wù)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

6、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)機器人提供了廣泛的市場應(yīng)用前景。服務(wù)機器人區(qū)別于工業(yè)機器人的一個主要特征就是服務(wù)機器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)過程的機器人系統(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)機器人大多數(shù)是移動機器人。 隨著社會的發(fā)展需要，服務(wù)機器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟方面，并且起到了很大的作用。服務(wù)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。這片文章主要通過闡述清潔機器人在服務(wù)行業(yè)的重要性，對機器人在各國發(fā)展狀況的一些綜述，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

7、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(lǐng)域的一些展望。 關(guān)鍵詞：機器人：清潔機器人：運動原理：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 hotspot. Among them, service robot

8、, opened 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, etc. The population is aged 3 and social welfare system for certain service rob

9、ots also provides a broad application prospect in the market. Service 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 mo

10、bility, so most 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 role. Service robot research and development of our economic development has a lot of influence. This article m

11、ainly elaborated through 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 an

12、d understanding in robot in some influencing factors, and to use the domain of robot. Key words：Robots: cleaning robot: sports principle: clean way 第一章 前言 1.1題目要求 近年來，隨著計算機技術(shù)與人工智能科學的飛速發(fā)展，智能機器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機器人研究領(lǐng)域的熱點。其中，服務(wù)機器人開辟了機器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。服務(wù)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

13、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)機器人提供了廣泛的市場應(yīng)用前景。服務(wù)機器人區(qū)別于工業(yè)機器人的一個主要特征就是服務(wù)機器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)過程的機器人系統(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(wù)機器人，集機械學、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、機器人技術(shù)、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

14、服務(wù)機器人行業(yè)的發(fā)展，也促進了移動機器人技術(shù)、圖像和語音識別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展本次設(shè)計的題目<<家庭清潔機器人>>就是在這種背景下提出的,其具體設(shè)計要求如下： 設(shè)計家庭清潔機器人的工作內(nèi)容和要求： 運行機構(gòu)形式：輪式 最高行進速度 ： 0.5 m/s 轉(zhuǎn)彎半徑：0 高度：<100mm 寬度：<400mm 清潔方式：吸塵、刷掃 一次充電連續(xù)工作時間 ： 0.5 小時 警示方式：

15、 LED閃光 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(guān)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(wù)機器人行業(yè)的發(fā)展，也促進了移動機器人技術(shù)、圖像和語音識別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)結(jié)合國內(nèi)外的文獻將清掃機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 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(lǐng)域都得到了比較廣泛的應(yīng)用，但是對于家庭機器人我們所了解的卻相當?shù)纳?，而日?/p>

16、，歐美等國阿 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)航信號來指引機器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務(wù)；同時能夠

17、根據(jù)用戶設(shè)定的信息來控制機器人完成相應(yīng)的操作。 如圖1-1所示。 圖1-1 智能機器人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器人，機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實驗室和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(zhuǎn)刷不停地擦洗地面，并將臟水吸人所帶的容器中。機器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自

18、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)裝的路徑地圖行使，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(fù)擦洗的指定地段。 2003年11月，三星公司推出一款代號為VC-RP30W的機器人吸塵器，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(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強

19、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 圖1-6 三星機器人VC- RP30W 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(shè)置以外，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(dǎo)航信號。 1.2.2 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

20、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些成果，對清潔機器人相關(guān)技術(shù)如機器感知、機器人導(dǎo)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(qū)動等技術(shù)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(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。 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：采用全方位移動技術(shù)，使機器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開放式機器人鉸制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)硬件可擴展，軟件可移植、可繼承，使機器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實時避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)

21、境；遙控操作和自主運動兩種運行方式；吸塵機構(gòu)可實現(xiàn)吸塵腔路的自動轉(zhuǎn)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(shè)計成功國內(nèi)第一個具有初步智能的自主吸塵機器人。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

22、機器視覺和全局 圖1-7 國內(nèi)公司生產(chǎn)的機器人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入的地方。KV8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 自主充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 在20世紀40年代末，Grey Walter開發(fā)第一個自主充電的移動機器人名為：“Tortoises

23、”，這種機器人具有在神經(jīng)學研究中向著光線走的行為。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。通過光線束的引導(dǎo)，機器人來到櫥前通過接觸從而進行自主充電。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?qū)﹄姵睾统潆娖鬟M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(dǎo)游機器人。通過使用導(dǎo)航系統(tǒng)，該機器人能夠利用地圖自主導(dǎo)航繞越實驗室的環(huán)境到達充電站，通過充電站上一些特殊的裝置的作用，實現(xiàn)自主充電。 最近，位于美

24、國的卡內(nèi)基梅隆大學的機器人研究中心也開發(fā)出了一種叫做Sage的導(dǎo)游機器人，它是從卡內(nèi)基梅隆歷史博物館所使用的導(dǎo)游機器人Nomad XR4000改進而來。機器人Sage通過其所攜帶的CCD攝像頭對標識環(huán)境的三維路標等進行識別和處理，從而自主地尋找充電站實現(xiàn)自動充電。路標被直接放于充電站的插座的正上方，通過它的引導(dǎo)，實現(xiàn)機器人可靠地?？吭陬A(yù)設(shè)的充電位置處，從而實現(xiàn)充電，在插座和插孔中間沒有別的東西。在174天的操作運行中，這個機器人成功地實現(xiàn)135天無故障地運轉(zhuǎn)。與此同時，大約每九天就偶爾會要人為地進行一些精度校正。 1.3 研究的目的和意義 吸塵機器人將移動機器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機地融

25、合起來，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(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)了移動機器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有較強的代表性。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

26、科技更好地為人類服務(wù)。 1.4 設(shè)計的重點和難點 由前面的設(shè)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(shè)計和布置好清掃機構(gòu)，行走機構(gòu)，吸塵機構(gòu)和儲存垃圾機構(gòu)是本次設(shè)計的重點，機器人中的關(guān)鍵部分清掃機構(gòu)的設(shè)計也是本次設(shè)計中的難點所在。因為還要求所設(shè)計的機器人具有避障功能，所以其外形設(shè)計也應(yīng)該仔細考慮。清掃后的垃圾如何處理，以及如何布置吸塵設(shè)備也是本次設(shè)計中需要仔細考慮的問題。 第二章 家庭清潔機器人的關(guān)鍵技術(shù) 家庭清潔機器人的關(guān)鍵技術(shù)吸塵機器人系統(tǒng)通常由四個部分組成:移動機構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動機構(gòu)是吸塵機器人的主體,決定了吸塵器的運動空間,

27、一般采用輪式機構(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攝像機等。隨著近年來計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動機器人技術(shù)的迅速發(fā)展,吸塵機器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅實的基礎(chǔ)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(fù)雜非結(jié)構(gòu)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,主要依靠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

28、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(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。 2.1 傳感技術(shù) 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,還要感知機器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動態(tài)信息,使得吸塵機器人相應(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、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

29、得到機器人的姿態(tài)角、運動方向和轉(zhuǎn)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、接觸和接近傳感器。視覺傳感器采用CCD攝像機進行機器人的視覺導(dǎo)航與定位、目標識別和地圖構(gòu)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(gòu)造等。紅外線傳感器大多采用紅外接近開關(guān)來探測機器人工作環(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。 2.2 路徑規(guī)劃技術(shù) 吸塵機器人的路徑規(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)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)劃研究開

30、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(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

31、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。 2.3 吸塵技術(shù) 真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風扇在機體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強大的氣流,將塵埃和臟物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

32、公司最近推出的DC06型智能吸塵器中就采用了這種技術(shù)。 2.4 電源技術(shù) 移動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。移動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(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。但實際上沒有一種電池可同時具備上述優(yōu)點,這就要求設(shè)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。 第三章 清潔機器人的機械設(shè)計 3.1 機械結(jié)構(gòu)組成和工作原理 本課題要研制一臺結(jié)

33、構(gòu)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(wù)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(qū)動輪和一個隨動輪。它們是吸塵電機、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(jié)構(gòu)組成 本清潔機器人的結(jié)構(gòu)如圖3-2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。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(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

34、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(gòu)。用電機帶動兩個清掃刷，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口處，為吸塵機構(gòu)的工作做準備； (3) 吸塵機構(gòu)。制造強大的吸力，將灰塵吸入灰塵存儲箱中； 圖3-2 組成結(jié)構(gòu)圖 (4) 擦地機構(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 地面上的細小灰塵，保證清潔工作的質(zhì)量。 移動機構(gòu)是其它部件的載體，機器人移動機構(gòu)按結(jié)構(gòu)分有輪式、履帶式和步行式等。輪式和履帶式機器人適合條件較好的地面，而步行機器人則適合于條件較差的路面

35、。本課題研制的自主清潔機器人工作在環(huán)境較好的室內(nèi)，所以采用輪式移動機構(gòu)較為適合。 輪式移動機器人一般有三輪、四輪和六輪，移動機器人若采用三輪結(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，清潔機器人的重量不是很大，工作條件是室內(nèi)，也不惡劣，三點確定一個平面，三輪理論上也是穩(wěn)定的。但是對負載有一定的限制，對三輪移動機器人來說，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)

36、向電機通過減速器和機械連桿機構(gòu)控制鉸軸，從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。 (2) 差速轉(zhuǎn)向式:在機器人的左、右輪上分別裝上兩個獨立的驅(qū)動電機，通過控制左右輪的速度比實現(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]到本課題清潔機器人將來作為服務(wù)型機器人使用，在控制方式上應(yīng)達到一個較高層次，所以采用差動轉(zhuǎn)向式比較好，并且其運動和轉(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。 按照上述的移動結(jié)構(gòu)，清潔機器人采用兩直流電動機獨立驅(qū)動左右兩

37、輪的差動方式，控制簡單、精確、易于實現(xiàn)，可以方便地實現(xiàn)吸塵機器人的前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退，以及調(diào)頭等功能，清潔機器人能夠在任意半徑下，以任意速度實現(xiàn) 轉(zhuǎn)彎，甚至可以實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑(即繞軸中點原地旋轉(zhuǎn))。 圖3-3 移動機構(gòu)示意圖 3.1.2 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，保證了機器人能夠順利的進行清掃。具體的工作原理如下清潔機器人的中心是清潔機器人的CPU，它對其它各個功能模塊進行控制。信息采集模塊負責采集周圍環(huán)境以及機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

38、器人的控制信息，然后把信息傳給CPU進行處理。當接收到需要機器人進行清掃工作的信號時，CPU可以通過控制行走機構(gòu)和清潔機構(gòu)讓機器人進行工作。在機器人工作的過程中還可以通過LCD顯示模塊和狀態(tài)指示模塊對機器人的狀態(tài)進行時實的顯示。 3.2 清潔機器人總體設(shè)計 3.2.1 機器人外形設(shè)計 根據(jù)家庭清潔機器人的設(shè)計要求，本次設(shè)計的機器人應(yīng)該包括清掃機構(gòu)、行走機構(gòu)、吸塵機構(gòu)、垃圾收集處理機構(gòu)，其中清掃機構(gòu)的設(shè)計尤為重要。通過在網(wǎng)上搜索一些相關(guān)資料以及在圖書館查閱的資料，初步把機器人的外形設(shè)計為長寬均為400mm高為100mm的長方體，但是后來發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的結(jié)構(gòu)的不合理之處，周邊有棱角的機器人在躲

39、避障礙物是很不便，非常容易碰到障礙物，而圓形物體則比較容易避開障礙物。因而最終把機器人的外形設(shè)計為圓盤形，其外部輪廓大體如圖3-5所示 圖3-5 機器人外形圖 3.2.2 機器人的行走機構(gòu)設(shè)計 為實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎半徑為0，在機器人的行走機構(gòu)中采用兩輪驅(qū)動，兩個驅(qū)動輪對稱分布在清掃機構(gòu)的后方，兩個輪子和刷子支撐機體工作和運動，這樣設(shè)計既節(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。在機器人轉(zhuǎn)彎時，通過控制行走機構(gòu)的兩個電機的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，進而控制兩個輪子，通過輪子的前后差速運動實現(xiàn)機體的轉(zhuǎn)彎半徑為0。 3.2.3 清掃機構(gòu)的設(shè)計 在清掃機構(gòu)的設(shè)計中想

40、到了四種方案： (1) 電機帶動斜齒輪1，斜齒輪1帶動斜齒輪2，斜齒輪2帶動斜齒輪3，斜齒輪上的軸連接滾刷，進而實現(xiàn)清掃； 圖3-6 清掃機構(gòu)一 (2) 電機帶動錐齒輪1，錐齒輪1帶動錐齒輪2，由錐齒輪2上的軸連接滾刷，進而實現(xiàn)清掃； 圖3-7 清掃機構(gòu)二 (3) 電機帶動蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個蝸輪的軸上分別接刷子，從而實現(xiàn)清掃； 圖3-8 清掃機構(gòu)三 (4) 電機帶動蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個蝸輪分別接皮帶輪，皮帶輪上的軸接刷子，從而實現(xiàn)清掃。 圖3-9 清掃機構(gòu)四 以上四種方案通過對比以及由設(shè)計的要求所限制，最終選擇方案四為清掃機構(gòu)。其正面結(jié)構(gòu)如

41、下圖所示 圖3-10 清掃傳動機構(gòu) 因為所設(shè)計的機器人它的體積有限制，在直徑為四百，高為一百的圓內(nèi)要放置有清掃機構(gòu)、行走機構(gòu)、吸塵機構(gòu)、垃圾收集處理機構(gòu)，同時還得留下放電池、控制中心、觀察中心的地方，而方案一雖然易于安裝，傳動平穩(wěn)，但是斜齒輪所占的面積非常大，如果選用它，則會占用大量的空間，使其它幾個單元有些部分將放置不下，從而超出所要設(shè)計的尺寸，因而否定了這種方案；方案二中，錐齒輪傳動不如斜齒輪平穩(wěn)，同時錐齒輪一所占的體積也比較大，而清掃機構(gòu)又是本次設(shè)計中最重要的部分，因而選用錐齒輪的弊端也很大，所以經(jīng)過計算及各個機構(gòu)總體布局的綜合考慮，舍棄了方案二；方案三中通過電機帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)，再

42、有蝸桿帶動其兩端的蝸輪，由蝸輪上的軸帶動固定在其上的刷子旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了清掃的目的。為了使機器人的外壁在靠近墻邊時刷子能夠掃到墻壁的邊緣，同時使它在清掃過程中沒有工作盲區(qū)，開始設(shè)計時用兩個直徑都為200mm的刷子，這樣的話，蝸輪和蝸桿的中心距就必須為100mm,而在這種中心距的情況下，蝸輪蝸桿的尺寸都比較大，雖然能夠放置下，但是蝸輪蝸桿這個裝置就顯得比較笨重，所占的重量很大，這就加重了機器的人的總重量，因而這種方案也不是很合理；最后在方案三的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了方案四。方案四中通過兩邊加皮帶輪這個結(jié)構(gòu)縮小了蝸輪蝸桿的中心距，從而減小了機器的總重量，同時還有利于其它機構(gòu)的安裝。因而選擇方案四為本次設(shè)計的

43、清掃機構(gòu)。 3.2.4 吸塵機構(gòu)設(shè)計 圖3-11 吸塵器 在吸塵機構(gòu)的設(shè)計中將風扇固定在垃圾儲藏室上壁，在風扇上罩一個薄壁腔。在薄壁腔上方開一個圓孔，以便于空氣的排出。在垃圾儲藏室上壁開兩個小長方孔，在方孔下加上一個隔塵罩。（其大體圖形如圖3-11所示）通過風扇的旋轉(zhuǎn)帶動垃圾儲藏室內(nèi)的空氣流動，又通過儲藏室內(nèi)的管腔將刷子清掃引起的塵土吸附進來，帶塵土的空氣通過防塵罩將塵土擋到垃圾儲物室內(nèi)，較干凈的空氣則通過吸塵室上壁腔的圓孔排帶大氣中去。從而實現(xiàn)吸塵的目的。 3.2.5 垃圾收集處理機構(gòu)設(shè)計 在對垃圾收集處理機構(gòu)進行設(shè)計時，開始想用如圖下所示的結(jié)構(gòu)作為垃圾收集擋板。

44、 圖3-12 吸塵器原理 通過電機帶動和電機相連的小齒輪，小齒輪通過帶動和其配對的大齒輪帶動軸2 圖3-13 垃圾箱局部 旋轉(zhuǎn)，從而使軸2另一端上固定的大齒輪帶動和其相連的小齒輪旋轉(zhuǎn)，進而使垃圾收集擋板作揚起動作，將垃圾倒入其后面的垃圾儲藏室。垃圾收集擋板的揚起放下動作通過控制電機的正反轉(zhuǎn)來控制。但是此種結(jié)構(gòu)所占的空間比較大， 圖3-14 上下支撐體零件圖 圖3-15 機器人本體 所示設(shè)計的家庭清潔機器人空間有限，不允許用這種結(jié)構(gòu)，因為如果采用此種結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致其它一些機構(gòu)無法放置，因而此種方案不可行。后來將垃圾收集和儲倉的機構(gòu)設(shè)置如圖3-13所示。垃圾儲藏室安放在機體

45、的最后邊，其前端用銷釘連接一個可以繞著銷釘旋轉(zhuǎn)的垃圾收集擋板，擋板用厚度為1mm的鋼板制成，表面光滑，旋轉(zhuǎn)的刷子可以將垃圾直接通過垃圾收集擋板掃到垃圾儲物室里，在儲物室末端，做一個和儲物室相匹配的拉門，其上端用螺釘從外壁擰入掛住在里邊，當準備倒垃圾時，將螺釘擰下來，抽出拉門，傾斜機體即可倒出垃圾。 因為清掃部分是家庭清潔機器人的最重要的部分，整個機體的大半質(zhì)量都集中在這一部分。為了減輕機器的質(zhì)量，使其在使用時更方便一些，將這一部分單獨設(shè)計一個固定件固定在機體上，這樣既滿足工作要求又減輕了機體的質(zhì)量。清掃機構(gòu)的固定件如圖3-14所示。 最終設(shè)計家庭清潔機器人大體布局如圖3-15所示。

46、 第四章 總結(jié)也展望 4.1 發(fā)展趨勢 雖然自主吸塵機器人的研究已經(jīng)取得了很大進步,進入了實用階段,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。 4.1.1 高度智能化 現(xiàn)在的自主吸塵機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),融合多種傳感器進行定位和環(huán)境建模,實現(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

47、考慮系統(tǒng)的處理速度、存儲空間的限制。 4.1.2 功能擴展 自主吸塵機器人是一個可移動的智能平臺,在吸塵功能之外可以進行功能擴展,比如進行家電控制、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)布了兩款這樣的機器人. 4.1.3 低成本化 智能機器人是一個復(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步的成果,降低成本是個必由之路. 4.2 展望 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。吸塵機器人作

48、為服務(wù)機器人領(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,吸塵機器人將具有誘人的市場前景,有關(guān)資料也預(yù)測吸塵機器人是未來幾年需求量最大的服務(wù)機器人。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,未來仍有相當大的成長空間。盡管目前國內(nèi)外在吸塵機器人研究開發(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,價格過高是嚴重影響吸塵機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)專用運動控制和數(shù)字處

49、理芯片以及微型傳感器。其次,應(yīng)該看到藍牙技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景,通過采用藍牙技術(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)將吸塵機器人的成本控制在千元左右。 (2)未來的吸塵機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器人運動規(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動規(guī)劃與 控制器,使吸塵機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)進行改進。根據(jù)環(huán)境的臟潔程度,采用模糊邏輯等技術(shù)設(shè)計

50、合理的吸塵時間以及相協(xié)調(diào)的機器人運動速度,確保滿意的吸塵效果。 (4)電源技術(shù)是吸塵機器人的核心之一,除了有效地提高機器人運動和吸塵速度以延長電池的實際吸塵時間外,還尚需優(yōu)化自動充電方案,保證機器人能及時進行充電,自動完成對指定環(huán)境的吸塵任務(wù)。隨著吸塵機器人關(guān)鍵技術(shù)和性能價格比的不斷提高或改進,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器人產(chǎn)品,進而使吸塵機器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進千家萬戶,為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來可觀的市場和經(jīng)濟效益。 參考文獻 [1] 機械設(shè)計手冊編委會．機械設(shè)計手冊［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2004 [2] 聶毓琴 孟廣偉

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52、設(shè)計［M］.天津：天津大學出版社，2003 [10] 鄒青．機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo)教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社， 2004 [11] 譚浩強編.C程序設(shè)計［M］.北京：清華大學出版社，1999 致 謝 本論文是在導(dǎo)師XX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)建的學術(shù)思想是本論文得以開展和順利完成的重要動因，閆老師嚴謹?shù)膶W風、一絲不茍的治學態(tài)度和對科學孜孜不倦的執(zhí)著追求時刻啟迪著我，他誨人不倦、刻苦奉獻的精神以及和平易近人的工作永遠激勵著我。 另外，我還要感謝山東輕工業(yè)學院的XX朋友XX同學XXX同學，他們在我攻讀學士學位期間給予了大量建議和幫助。 我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業(yè)的最大動力。 還要感謝對論文進行評審，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，也向所有在我攻讀學位及撰寫論文期間給予我?guī)椭睦蠋?、同學、親人和朋友們表示衷心的感謝。祝山東輕工業(yè)學院事業(yè)輝煌，蒸蒸日上！ 23