家居清洁机器人设计

第1章绪论 1 第1.1节 课题设计背景 1 第1.2节 国内外相关产品研究 2 1.2.1 国外产品研究状况 2 1.2.2 国内产品研究状况 9 第1.3节研究的目的和意义 11 第1.4节设计难点 11 第2章 家居清洁机器人的结构设计 12 第2.1节机械结构组成和工作原理 12 2.1.1机械结构组成 12 第2.2节家居清洁机器人总体设计 14 2.2.1机器人外形设计 14 2.2.2机器人的行走机构设计 15 2.2.3清扫机构的设计 15 2.2.4吸尘机构设计 18 2.2.5垃圾收集处理机构设计 19 第3章硬件部分设计 22 第3.1节 驱动电机选择 22 第3.2节清扫机构的电机的选择 23 第3.3节蜗轮蜗杆的选择 24 第3.4节清扫机构中蜗杆上轴承的寿命的计算 28 第3.5节 清扫机构中蜗轮轴的校核 30 第4章 控制部分工作原理 33 第4.1节系统硬件设计 34 4.1.1控制器的选择和应用 34 4.1.2复位电路 35 4.1.3时钟电路 36 第4.2节传感器模块 37 4.2.1碰撞传感器 37 4.2.2尘仓红外发射和接受电路 38 4.2.3光电编码器 39 4.2.4驱动模块设计 40 4.2.5光电耦合器 42 第5章展望 43 总结 45 参考文献 47 附录 49 英文原文 51 中文译文 64 致谢 74 第1章绪论 第1.1节 课题设计背景 近年来，随着计算机技术与人工智能科学的飞速发展，智能机器人 技术逐渐成为现代机器人研究领域的热点。其中，服务机器人开辟了机 器人应用的新领域。服务机器人的出现主要有三大原因：一是劳动力成 本的上升；二是人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动，如清洁、家务、照顾 病人等；三是人口的老龄和社会福利制度的完善也为某些服务机器人提 供了广泛的市场应用前景。服务机器人区别于工业机器人的一个主要特 征就是服务机器人是一种适用于具体的方式、环境及任务过程的机器人 系统，其活动空间大，具有在非结构环境下的移动性，因此服务机器人 大多数是移动机器人。 自动进行房间地面清洁的自主吸尘式家庭服务机器人，集机械学、 电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智 能等诸多学科为一体。自主吸尘机器人作为智能移动机器人实用化发展 的先行者，其研究始于20世纪80年代，到目前为止，已经产生了一些 概念样机和产品。吸尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发 展，也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的 发展本次设计的题目〈〈家居清洁机器人 >> 就是在这种背景下提出的，其 具体设计要求如下： 运行机构形式：轮式 最高行走速度：0. 5 m/s 高度：< 100mm 宽度：<400mm 清洁方式：吸尘、刷扫 第1.2节国内外相关产品研究 地面清洁机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究 始于20世纪80年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。 吸尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动 机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。现结合国内 外的文献将清扫机器人及其自动充电技术的发展现状阐述如下。 1.2.1国外产品研究状况 对于机器人大家可能不会太陌生，工业机器人在很多领域都得到了 比较广泛的应用，但是对于家庭机器人我们所了解的却相当的少，而日 本，欧美等国家的研究则比较领先，有的都已经投入市场，在实际中投 入使用。 RC3000是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的清 洁机器人，如图1-1所示，它有光电传感器和芯片控制，当遇到障碍时, 会随机改变一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物。内置了四 种清洁程序，保证在遇到不同污渍的地面时，可以调整其清洁程序；通 过传感器对于地板污渍的判断，选择合适的应用程序。内置光敏传感器, 确保在遇到楼梯与台阶时，能够自动避让，不会掉落。扁平的设计使其 能够清洁床，沙发，茶几等家具的下部位置。其相应的充电站有红外发 射、工作时间设定、工作模式选择、充电、垃圾处理五个功能。充电站 一直发射红外定位和导航信号来指引机器人回到充电站完成充电和垃 圾处理的任务；同时能够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的 操作。如图1T所示。 图1-1智能机器人RC3000 在日本，东日本铁路公司、Shink电器公司和Howa工业有限公司 联合研制了车站地面清扫机器人，机器人可沿墙壁从任何一个位置自动 启动，利用不断旋转的刷子将废弃物扫人自带容器中。该机器人可采用 “磁导引方式”、“示教方式”或“墙面复制方式”控制。东日本路公 司、富士工业有限公司Subaru实验室和JR东方设施管理有限公司联合 研制了车站地面擦洗机器人，该机器人工作时一面将清洗液喷洒到地面 上，一面用旋转刷不停地擦洗地面，并将脏水吸人所带的容器中。机器 人中的感知系统采用光纤陀螺和超声波传感器，自动清洗系统有两种， 一种是“面积设定模式”，即将待清洗的面积分为若干个单位面积，按 照其存储器中的单位面积识别其行使路线，机器人还可利用其传感器识 别和躲避障碍物；另一种叫“路径地图模式”，机器人按照内装的路径 地图行使，机器人可存9幅地图，并可利用I C卡作为外存，在该模式 下，机器人不会避障，仅适用于需要反复擦洗的指定地段。 东日本铁路公司和东芝公司联合研制的用于座椅布局简单的列车 内部地面清洗的机器人，其体积小、重量轻、易于出人车厢及在车厢之 间运动，感知系统采用超声波距离传感器和光学、接触式的接近传感器; 机器人采用推算定位法，利用编码器中的数据，保持自己的位置和路径, 若探测到错误位置，机器人会通过距离传感器自动修正；高级的列车地 面清洗包括扫除垃圾、喷洒清洗液、擦洗、回收污水、用清水冲洗和给 地面打蜡六个步骤。日本静甲株式会社的清水工厂开发出一种自动清扫 机器人，可用于各种工厂的清扫工作，机器人采用光纤陀螺控制机器人 的方向，采用编码器和超声波传感器测距，采用光学探测器探测障碍物, 机器人的四周装有橡胶垫，橡胶垫内部装有触觉传感器，一旦机器人与 人接触，触觉传感器信号会使机器人停下来以保证人的安全。松下和日 立公司也研制出了可清扫砖地木质地板和地毯地面的清洁机器人，该机 器人采用蓄电池作为动力源，可自动去充电站充电，能够自主避障和路 径规划。 松下电器产业公司在2002年上半年推出了家庭用清洁机器人的试 制机。该机器人可以根据房间的形状、地板状况、垃圾量进行自动清扫， 还配备有避开墙壁、炉子等热源以及障碍的安全功能；该机器人配备有 50个传感器可一边自动行走一边进行清扫，工作时首先沿房间四周走 一圈，记忆房间形状，然后在避开障碍物的同时开始纵横来回移动，清 洁工作完成后会自动停止。该机器人清扫一般的日本式房间约需要 9min,相当于人打扫同样大房间所需时间的1-1. 5倍，可清扫房间地板 的92%—93%；机器人利用光及超声波的测距传感器及感压传感器来 避开障碍物，机器人的内置回转传感器用来控制行走姿势以保持既定的 行进方向，但在地毯上行走时如果不采取措施则会受到“地毯花纹” 影响而弯曲前进，因此该公司在机器人中安装了方向舵传感器，可以检 测出由于地毯花纹影响而产生的行进方向偏差，因此即使在铺有地毯的 地板上也能够直线前进，机器人体内还安装有防止从台阶等高处滚下的 落差传感器、感知暖炉等热源的热传感器、检测自身所受外力大小的重 量传感器及防滑传感器、检测添加动力的负载传感器，机器人同普通的 障碍物最少保持10cm的距离，而在探测到热源时，将会同热源至少保 持50cm的距离。 20世纪90年代，美国就推出了地面清洁机器人RoboScrub,该机 器人配有激光导航系统，采用超声波测距和避障，用光码条实现定位。 2002年9月清洁机器人"Roomba”在美国面市，它重约2kg,直径 为30英寸，具有高度自主能力，可以游走于房间各家具缝隙间，灵巧 地完成清扫工作，据说这是将用于军事的“躲避地雷的移动技术”应用 到了吸尘器上。Roomba的动作有点儿迟缓，但它却能稳定、安全地完 成任务。由于能够在完成任务后自动切断电源，所以可以在外出期间让 Roomba在家进行清扫。如图1-2所示。 图1~2智能清洁机器人Roomba 2002年10月1日，瑞典的拉克斯电子公司与日本东芝公司共同开 发的清洁机器人“特里洛巴伊特”上市销售，“特里洛巴伊特”主要由 清扫机器和超声波传感器构成，在工作时可避开室内摆放的各种家具用 品。只要家庭主妇领着它搞过一次清扫后，它便可以按行走过的清扫线 路进行自动清扫。这种机器人是充电式的，每一次充电可连续工作1 小时。 瑞典家电制造商伊莱克斯(Electolux)研制生产的清洁机器人小 “三叶虫”高13mm,直径35mm,表面光滑，呈圆形，内置搜索雷达， 可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一 旦微处理器识别出这些障碍物，它可重新选择路线，并对整个房间做出 重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被清扫。在楼梯的台阶等一 些没有天然障碍物的地方，只要有一条磁铁，小“三叶虫”便不会跨越。 小“三叶虫”开始启动后，体内的搜索雷达会探测出距离最近的墙壁， 先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽。这样它便能探测出整个房间 的格局，计算出清扫整个房间所需的时间。只要一接近一件障碍物，它 便会重新设定行进路线，不会漏掉每一个角落。电线或地毯的边缘不会 被认作是 图1-3三叶虫 障碍物。小“三叶虫”的吸刷装置中装有一只专利设计滑轮，可 以越过电线或地毯边缘，不被绊住。电源不足时，小“三叶虫”会自动 回到充电卡座自行充电。如果此时房间还没有清扫完毕，小“三叶虫” 还有记忆功能，充好电后自己回到原处继续吸尘，如图1-3所示。英国、 法国和澳大利亚也都推出过清洁机器人产品。 英国Dyson公司最近推出一种型号为DC06的智能吸尘器。这是世 界首次开发研制的全自动“吸尘机器人”。这种机器人具有一定的人工 智能，只需轻按开关它就会为你解除每天打扫房间的烦恼。如图1-4所 示，吸尘机器人形状呈50厘米长的模型汽车状，重9. 2公斤左右,配置了 70多个传感器,可随时将发现的情况告诉由3台内置电脑组成的''大脑 "大脑”每秒可发出16条命令来指挥吸尘器的工作。充电后一按开关, 机器人会在瞬间通过所搭载的三台小型计算机和70个传感器计算出自 己所在位置、房间大小及脏乱程度、家具的配置等。要是小孩或狗等外 来物体接近吸尘器,它就会自动停止工作。接近楼梯口时,吸尘器会自动 采取保护措施，以防止滚到楼下。使用时，只要打开电源、选好速度、按 下''走"键,吸尘器就会自动工作，其它程序都由它自己独立完成。不过该 产品目前价格太高（4000美元左右一台），要真正推向市场还有相当的难 度，如图1-4所示。 图1-4智能机器人DC06 澳大利亚的Floor Botics公司最近也研制出可自动行驶并打扫房 间的V4型机器人，如图1-5所示。这种全自动吸尘器表面光滑，体积很 小，呈圆形，内置搜索雷达，可以搜索各种房间里的每一处，不会碰撞家 具或其它障碍物。微处理小电脑使它具备在拐至屋角处能探测方向、选 择前进路线的能力。只要一放在地面上，全自动吸尘器便可自动开始工 作。其搜索雷达会探测出距离最近的墙壁,先顺着墙壁把地板四周的灰 尘及异物吸尽；然后再不规则地来回于房间的其它位置，并且能在接近 障碍物之前迅速转向。该吸尘机器人由于在主机的周围360度配备了障 碍物传感器，因此可以在检测墙壁及障碍物的同时打扫地面。当打扫完 可以行驶的场所后，机器人就自动关闭电源。在经过4个小时充电后可 以连续工作1个小时以上,通过更换配件还可以打扫地毯等。如果打扫 没有障碍物的地面时，1个小时可以打扫360平方米。不管房间的外形 及面积的大小，ARNA导航算法引