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1、 北京建筑工程学院毕业设计（论文） 小型清扫机器人的移动系统设计与清扫系统的设计说明书 目录第一章 绪论21.1 清扫机器人的出现背景21.2 清扫机器人的发展历史与现状2第二章 清扫机器人移动系统62.1 清扫机器人的要求62.2 系统方案比较与论证72.3最终方案10第三章机械传动的设计103.1 电动机的选择103.2 减速器的参数设计123.3 轴的设计计算与校核21第四章 清扫装置的设置274.1 清扫装置的基本原理274.2清扫装置的基本结构284.3 清扫装置的配置29第五章 总结与期望295.1 全文总结295.2 论文创新之处295.3 存在的不足与展望30谢辞31参考文献3
2、2附录：33第一章 绪论1.1 清扫机器人的出现背景 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：一是劳动力成本上升；二是人类想要摆脱枯燥乏味的体力劳动，如清洁，家务，照顾病人等；三是人口的老龄化和社会福利制度的完善也为某些服务机器人提供了钢钒的市场应用前景。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。1.2 清扫机器人的发展历史与现
3、状 清扫机器人的发展是建立在移动机器人的基础之上的，一个好的清扫机器人就必须有一个好的移动基础。因此，每次移动机器人的飞跃，随之而来的就是清扫机器人的更新换代。1.2.1 国外的清扫机器人的发展与现状 德国Kaercher公司生产的RC3000是世界上第一胎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。它只有50cm长，能够自动清扫地面，自动返回充电站充电，可以在主人外出时独立完成家庭清洁的任务，其扁平的设计使其能够清洁床，沙发，茶几等家具的下部位置，如图1-2所示；它的移动是随机的，当遇到障碍时，随机改变一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物；它内置四种清洁程序，根据清洁
4、面积的大小，可以选择合适的程序；内置光敏传感器，在遇到楼梯与台阶时，能够自动避让，不会跌落。 图1-1 RC3000 图1-2 RC30002001年11月著名的家电厂商伊莱克斯在英国推出了吸尘器“三叶虫”，如图1-3所示。它的高度为13mm，直径为35mm，能够自由穿梭清扫，自动设计最佳行走路线；它使用超声波探测器，可以敏捷迅速地觉察出障碍物并绕开；“三叶虫”可分三个档位进行工作：正常，快速和点清理；吸尘器充满垃圾时还会发出灯光警告；为了限制“三叶虫”的活动范围，用户需要在楼梯间或其它没有天然障碍物的地方，贴上特制的可粘式磁带。“三叶虫”是由可充电电池驱动的，每次充电后可以运行60min左右
5、，电量不足时能自动返回充电卡座充电。 图1-3 伊莱克斯“三叶虫”2003年11月，三星公司推出一款三星代号为VC-RP30W的机器人吸尘器，如图1-4所示，主要针对家庭市场。VC-RP30W主要依靠3D地图技术来进行定位，并能灵巧地躲避障碍物，能够快速，高翔地对房间每个角落进行吸尘； 当遇到障碍物或者死角情况，VC-RP30W能轻易地分析出垃圾与其他日常生活用品，同时允许用户定义工作时间及清扫区域；用户还可以通过计算机看安装在机器人前部摄像头内的信息，对其进行远程遥控；整个机器人的电池能维持50min的连续工作，当电量即将耗尽时自动回到充电座补充能源，非常地智能化。 图1-4 三星VC-RP
6、30W 1.2.2 国内清扫机器人的发展和现状 1999年初，浙江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人，与苏 州TEK公司合作研发，到2003年系统在自主能力和工作效率上都有了显著提高，它工作之前，首先进行环境学习，利用超声波测距，与墙保持一定的行走距离，在清洁角落的同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时间；然后，利用随机与局部遍历规划相结合的算法产生高效的清洁路径；在清扫结束后，自动回到充电座补充动力；系统在的实际家庭环境中，工作10min可以达到90%以上的覆盖率。如图1-5 图1-5 苏州 TEK深圳市银星智能电器有限公司设
7、计研发的KV8保洁机器人（如图1-6）的一些布置如下 1、KV8保洁机器人路径规划原理KV8保洁机器人通过电脑芯片控制机器人的左右轮转速，实现圆弧形清洁路线。当圆弧的半径拓展到7.5m的时候，芯片程序会控制机器人离开当前路线，在7.5m远处再次执行圆弧清洁路线。大量的圆弧对地面实行无缝覆盖，从而达到全面清洁地面的目的。2、KV8保洁机器人自动充电原理 KV8保洁机器人在机器人电量快要耗完时，机器人顶部的红外线发射头发射出无电信号，当充电基座上的两个红外线接收头接收到此信号时，机器人便与充电基座取得了 联系 。通过两个红外线接收头对机器人的引导，使其慢慢靠拢，最终实现对接。 3、KV8保洁机器人
8、防跌落原理 KV8保洁机器人在机器人底部前段，安装了4对红外线感应头，每一对感应头包含一个发射头和一个接收头。红外线发射头发射的红外经地面发射后，被对应的接收头所接收。如果机器人底部距离地面的高度超过5mm，电脑芯片便会控制机器人，使其后退并调整行走方向，从而避免从高空跌落。 4、KV8保洁机器人虚拟墙工作原理KV8保洁机器人虚拟墙在开启之后会在左右各0.5m，向前3.5米处发射红外线，KV8机器人机身上的21个红外感应头在接触到由虚拟墙发射出来的红外线后，就不会继续前进，进入到该区域内打扫。 图1-6 KV8 经过20多年的发展，我国清扫机器人的研究取得了长足的进步，在单体平台和总体技术水平
9、与性能上，已接近或部分超越国际水平，然而与西方发达国家相比，无论是研究规模、投资强度、技术水平还是成果应用程度与效益等方面，都存在明显的差距，因此还有更多的工做需要去做。第二章 清扫机器人移动系统对清扫机器人机械系统的研究涉及机器人的运动学、动力学问题。控制系统的输入量也需要从对机器人运动学、动力学建模分析得到的数学模型计算得出;传感测量系统也是建立在一定结构的机械系统之上。因此，尽管轮式移动机器人发展到今天，机器人机械系统发展已经比较成熟，但针对具体的应用，研究人员的新型结构的开发从未停止。2.1 清扫机器人的要求2.1.1 基本要求（1）需要自带电源，小巧轻便，操作简单，自主性好，实用性强
10、（2）工作环境主要为普通家庭环境，也可以用于机场候机大厅，展览馆，图书馆等公共场所。环境的共同特征为有限的封闭空间，平整的地板以及走动的人员，因此可以归结为负责多变，结构化得动态环境。所以环境适应性是对此类机器人的基本要求。（3）任务主要是清扫地面和地毯，工作的对象是地面的灰尘，纸屑以及其他一些小尺寸物体，而大尺寸物体不作为吸尘机器人的处理对象。考虑到安全因素，吸尘机器人必须对人及家庭物品等不构成任何危害，同时吸尘机器人还必须具备自我保护的能力。（1）设计传动与转动过程中的机械零件 （2）熟悉单片机技术在机器人中的应用 （3）熟练掌握CAD2.1.2 机器人的基本参数（1）路况为平整、坚硬地面
11、，车速不低于0.3m/s（2）车体尺寸不大于LWH=500500500mm（3）车体离地间隙不低于40mm（4）转向系统应灵活可靠（5）相互运动部分应设润滑及密封装置2.2 系统方案比较与论证根据题目要求，本系统主要由控制器系统、电源系统、寻迹传感器系统、电动机、清扫系统及驱动系统等构成。方框图如图2-1 电源系统主控系统键盘显示子系统遥控子系统里程计浮动，过流和边缘检测地面光敏检测传感器系统吸尘子系统行走驱动子系统毛刷电机吸尘电机返回充电站路径规划算法路径覆盖算法碰撞检测尘仓红外检测右轮电机左轮电机执行电机部分传感器部分职能软件部分输入输出部分 图2-1 清扫机器人各部分组成方框图2.2.1
12、 车身设计方案1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不扉。因此我们放弃了此方案。 方案2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，制定了左右两轮分别驱动，前后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电
13、机进行驱动，前后装两个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。 在安装时并不把两个万向轮装在一个平面上。当小车前进时，左右两驱动轮与前万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现前后两轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。对于车架材料的选择，经过比较选择了铝合金。用铝合金做的车架比塑料车架更加牢固，比铁制小车更轻便，美观。综上考虑，我们选择了方案2.2.2.2 电源系统由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。方案1
14、：采用24V蓄电池为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便。因此我们放弃了此方案。方案2：采用2节12V可充电式锂电池串联共24V给直流电机供电，经过7805的电压变换后为单片机，传感器和舵机供电。经过实验验证，当电池为直流电机供电时，单片机、传感器的工作电压不够，性能不稳定。因此我们放弃了此方案。方案3：采用2节12V可充电式锂电池为直流电机供电，用2节锂电池经过7805的电压变换为单片机和传感器供电。再用2节锂电池经另一套7805电压变换电路为舵机供电。采用此种供电方式后，单片机和传感器工作稳定，舵机直流电机工作互不影响，且电池的体积较小，能够满足系统的要求。综上考虑，选择了方案3。2.2.3 电机本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本题要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合
