掃地機(jī)器人設(shè)計.docx

掃地機(jī)器人設(shè)計報告一、功能綜述1、清掃模式：隨機(jī)清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預(yù)約清掃等相結(jié)合，實現(xiàn)全方位立體清掃；2、智能導(dǎo)航系統(tǒng)：實現(xiàn)對房間地形的重構(gòu)，自動規(guī)劃清掃路線；3、智能安全監(jiān)控：防撞，防跌落，防纏繞，電池電量監(jiān)測；4、創(chuàng)新功能：灰塵量識別，實現(xiàn)床底清掃，手機(jī)遙控模式，尖端氣流濾塵技術(shù)，室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與提醒；5、其他基礎(chǔ)功能：自動返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測。二、機(jī)械及系統(tǒng)設(shè)計掃地機(jī)器人機(jī)械設(shè)計如圖1所示。圖1 掃地機(jī)器人機(jī)械設(shè)計圖清掃機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，吸塵機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計的重點，也是難點所在。由于機(jī)器人運動部件多，運動狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動。因此，增加機(jī)器人運動平穩(wěn)性，提高機(jī)器人動力學(xué)特性尤為重要。為此，在設(shè)計時應(yīng)注意在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量減小運動部件的質(zhì)量，并注意運動部件對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心裝配。(1)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。為了保證小車良好的直線性，可采用雙電機(jī)驅(qū)動左右兩輪的方式，且在車體的后端裝有一個不銹鋼萬向滾珠，這樣可以使小車獲取較好的機(jī)動性和靈活性及靈活性。前輪驅(qū)動的好處是：轉(zhuǎn)向性能得到改善。前輪是轉(zhuǎn)向輪，使得轉(zhuǎn)向時的行駛方向容易控制，不容易出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)向安全性也得到提高。(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；清掃刷設(shè)計成可更換型的，可選擇棉質(zhì)紡織品或尼龍等化纖材料的，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。(3)吸塵機(jī)構(gòu)旨在強(qiáng)大的吸力、將灰塵吸入灰塵儲存箱中；這里我們采用尖端氣流濾塵技術(shù)，全方位，多層次將灰塵一網(wǎng)打盡。(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出殘留在地面上的細(xì)小灰塵，同時也能夠擦除地面上的頑固污漬，從而保證清潔工作的質(zhì)量。掃地機(jī)器人功能框圖如圖2所示。圖2 掃地機(jī)器人功能框圖三、功能簡介1、清掃模式：清掃模式包括隨機(jī)清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預(yù)約清掃等。隨機(jī)清掃是指根據(jù)地面狀況在其他幾種清掃模式之中進(jìn)行切換；螺旋式清掃是指繞圈清掃的模式；交叉清掃是指在不同的區(qū)域之間交叉穿梭來清掃，也可以稱為Z字形清掃；沿邊清掃是沿著房間的邊界進(jìn)行清掃；定點清掃是指在指定的位置小范圍內(nèi)清掃；預(yù)約清掃是指每天在指定的時間自動清掃，可以預(yù)約一次和一周內(nèi)任意預(yù)約清掃時間，可以放心上班和出差，也可以自動打掃。2、智能導(dǎo)航系統(tǒng)掃地機(jī)器人的智能導(dǎo)航實質(zhì)就是路徑自動規(guī)劃。掃地機(jī)器人路徑自動規(guī)劃有兩種方法：隨機(jī)式全區(qū)域覆蓋和規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋。隨機(jī)式全區(qū)域覆蓋方法控制簡單，不需要很多的硬件，軟件編程也簡單，易于實現(xiàn)。但其缺點是移動機(jī)器人運行軌跡重復(fù)性較大，且運行軌跡不能較快地、充分地覆蓋整個區(qū)域，這種路徑規(guī)劃只考慮完成任務(wù)，沒有考慮到時間消耗和能量消耗情況，因此選擇規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋方法。此設(shè)計中選擇往返式路徑規(guī)劃方法。往返式路徑規(guī)劃清掃路徑的規(guī)則為當(dāng)掃地機(jī)器人置于室內(nèi)時，可通過超聲波測距傳感器的信息來判斷它放置于墻邊還是房屋中間。在房屋中間，則先設(shè)為它沿某一方向運動到靠近墻邊的某一點。機(jī)器入就可從墻邊的某一點開始，按順時針方向繞墻運動一周，先對室內(nèi)墻邊地面進(jìn)行一次預(yù)清掃。掃地機(jī)器人在繞完一圈后再向左或向右行走到墻壁的最左端或者最右端，以此來作為它清擋路徑的起始點，也即絕對坐標(biāo)的原點。先假設(shè)室內(nèi)只有一個孤立的障礙物，以房屋左下角O點為起始點。開始清掃時，從O點勢始沿Y軸正方向清掃，遇到墻壁時向右原地旋轉(zhuǎn)90o，向X軸正方向移動一個車身后再向右旋轉(zhuǎn)90o，沿Y軸負(fù)方向清掃，以此往復(fù)運動。當(dāng)遇到障礙物時，則按下面的方法進(jìn)行規(guī)劃和避障：當(dāng)清潔機(jī)器人運動到障礙物的最左邊點時，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)和驅(qū)動輪光柵的脈沖數(shù)計算出最左邊點的坐標(biāo)。然后根據(jù)超聲波測距傳感器收到的信息沿著障礙物邊緣行進(jìn)相當(dāng)于X軸方向一個車身的距離，再原地旋轉(zhuǎn)到Y(jié)軸負(fù)方向，沿Y軸負(fù)方向繼續(xù)清掃，這樣一直往返清掃，當(dāng)掃地機(jī)器人在沿障礙物邊緣清掃時超聲波傳感器突然收不到信號即到達(dá)了障礙物的最右端點，掃地機(jī)器人將原地一直向左旋轉(zhuǎn)直到超聲波傳感器再次收到信號為止，然后沿障礙物的上邊沿行進(jìn)到障礙物的最左端點，再沿Y軸方向進(jìn)行往返清掃，行進(jìn)路徑和障礙物下邊沿的行進(jìn)路徑類似。這樣就可以在清掃過程中自動避開障礙物。清掃路徑自動規(guī)劃示意圖如圖3所示。圖3 清掃路徑自動規(guī)劃示意圖3、智能安全監(jiān)控3.1防撞掃地機(jī)器人在工作過程中難免遇到各種障礙物，如果不及時躲避障礙物，將影響掃地機(jī)器人正常工作。因此在掃地機(jī)器人內(nèi)部安裝三個超聲波測距傳感器，用來檢測掃地機(jī)器人行進(jìn)路線上是否有障礙物。超聲波測距傳感器安裝位置如圖4所示。圖4 防撞傳感器分布超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面處，會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，從而達(dá)到測量距離的作用。避障功能的實現(xiàn)正是利用了這一超聲波測距的原理。超聲波傳感器測距原理如圖5所示。圖5超聲波傳感器測距原理超聲波傳感器接收到反射信號，檢測出前方有障礙物時，向控制器發(fā)出信號，控制器控制掃地機(jī)器人轉(zhuǎn)向，躲避障礙物，根據(jù)信號的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小。選用超聲波測距傳感器，實現(xiàn)非接觸式測量，避免與家具等物品發(fā)生碰撞，從而避免損壞相應(yīng)物品。3.2防跌落為了防止掃地機(jī)器人遇到臺階時跌落，在掃地機(jī)器人背面安裝3個防跌落傳感器。防跌落傳感器安裝位置如圖6所示。防跌落傳感器利用超聲波進(jìn)行測距。當(dāng)掃地機(jī)器人行進(jìn)至臺階邊緣時，防跌落傳感器利用超聲波測得掃地機(jī)器人與地面之間的距離超過限定值，向控制器發(fā)送信號，控制器控制掃地機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向，改變掃地機(jī)器人行進(jìn)方向，從而實現(xiàn)防止跌落的目的。掃地機(jī)器人防止跌落示意圖如圖7所示。圖6 防跌落傳感器分布圖7 掃地機(jī)器人遇臺階示意圖3.3防線纏繞：掃地機(jī)器人工作過程中，可能會遇到細(xì)線纏繞清掃刷的情況，使清掃刷無法正常旋轉(zhuǎn)，從而造成掃地機(jī)器人不能正常工作。為了解決此問題，可以在掃地機(jī)器人中安裝接近傳感器，利用接近傳感器測量電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此來判斷清掃刷工作是否正常。當(dāng)細(xì)線纏繞清掃刷時，致使清掃刷停止旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，此時傳感器測得電動機(jī)轉(zhuǎn)速為零，控制器接收此信號后向掃地機(jī)器人發(fā)送控制信號，切斷電動機(jī)電流，同時發(fā)出求救信號。同時設(shè)計掃地機(jī)器人在發(fā)出求救信號3分鐘后自動關(guān)閉掃地機(jī)器人電源功能，防止家中無人的情況。掃地機(jī)器人防止線纏繞流程示意圖如圖8所示。圖8 防線纏繞流程示意圖3.4電池電量監(jiān)控： 移動電源在吸塵機(jī)器人中的地位十分重要,可以說它是吸塵機(jī)器人的生命源。移動電源需同時為移動機(jī)構(gòu)提供動力，為控制電路提供穩(wěn)定的電壓，為吸塵操作模塊及傳感觀測模塊提供能源等。在這一領(lǐng)域,一般采用化學(xué)電池作為移動電源,如鉛酸電池、NiCd等。理想的電源在放電過程中應(yīng)該能夠具備：保持恒定的電壓；內(nèi)阻小以便快速放電；可充電；成本低等特點。為了實現(xiàn)對掃地機(jī)器人電池電量的安全監(jiān)控，可以在掃地機(jī)器人內(nèi)部安裝庫侖計，用來檢測掃地機(jī)器人電池電量變化。庫侖計是在電池的正極和負(fù)極串連一個電流檢查電阻，當(dāng)有電流流經(jīng)電阻時就會產(chǎn)生一個監(jiān)控取樣電壓，通過檢測這個監(jiān)控取樣電壓計算流過電池的電流，就可以精確跟蹤電池電量變化。庫侖計測量原理如圖9所示。圖9 庫侖計測量原理另外通過溫度傳感器測量電池溫度，與庫侖計測得的電池電壓相互配合，可以極大減少電池老化等因素對測量結(jié)果的影響。4、創(chuàng)新功能4.1灰塵量智能識別掃地機(jī)器人需要根據(jù)某處灰塵量多少自動安排清掃時間，為實現(xiàn)這個功能，在掃地機(jī)器人吸塵口上方安裝灰塵傳感器?；覊m傳感器安裝位置如圖10所示。圖10 灰塵傳感器安裝示意圖灰塵傳感器利用可變間距電容傳感器實現(xiàn)。當(dāng)吸入灰塵越多時，灰塵撞擊電容傳感器下極板越劇烈，使灰塵傳感器極板振動越劇烈，輸出信號越強(qiáng)。掃地機(jī)器人控制器根據(jù)灰塵傳感器信號的強(qiáng)度進(jìn)行判斷，發(fā)出相應(yīng)控制信號，使掃地機(jī)器人根據(jù)某處灰塵多少自行決定清掃時間長短。4.2床底智能清掃一般來說，床底、柜子底等地方相對較臟，因此這些地方需要重點清掃，以保證清潔度。為實現(xiàn)此功能，在掃地機(jī)器人正面安裝8個光敏傳感器。光敏傳感器安裝位置如圖11所示。掃地機(jī)器人在床底或柜子底開始工作后，光敏傳感器接收的光強(qiáng)較弱。當(dāng)掃地機(jī)器人運行離開床底或柜子底時，光敏傳感器接收到的光強(qiáng)發(fā)生變化，向控制圖11 光敏傳感器分布器發(fā)送信號，控制器發(fā)出控制信號，使掃地機(jī)器人轉(zhuǎn)向，重新回到暗處，繼續(xù)進(jìn)行清掃。掃地機(jī)器人在床底或柜子底清掃路徑的規(guī)劃可以參考智能導(dǎo)航系統(tǒng)中路徑規(guī)劃的方法。4.3手機(jī)遙控模式在掃地機(jī)器人內(nèi)部安裝藍(lán)牙等模塊，與手機(jī)實現(xiàn)通訊，利用相應(yīng)軟件，通過手機(jī)實現(xiàn)對掃地機(jī)器人的手動控制。4.4尖端氣流濾塵技術(shù)氣流濾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)氣體排出，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)。4.5室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與提醒為了監(jiān)測室內(nèi)溫度、濕度和空氣質(zhì)量等，在掃地機(jī)器人內(nèi)安置溫度、濕度和監(jiān)測空氣質(zhì)量的傳感器。當(dāng)傳感器接收到這些環(huán)境信息時，經(jīng)過放大、濾波、轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，掃地機(jī)器人控制器對這些信息進(jìn)行處理。同時設(shè)計當(dāng)室內(nèi)的空氣質(zhì)量出現(xiàn)異常時，如甲烷超標(biāo)，煤氣泄漏等發(fā)生時，掃地機(jī)器人能夠完成檢測并實現(xiàn)及時報警功能。5、其他基礎(chǔ)功能5.1自動返回并充電：自動返回并充電對掃地機(jī)是非常重要的，因為掃地機(jī)器人自帶的充電電池電量有限，不一定能保證完成清掃工作，這就需要掃地機(jī)器人能自動對接充電。掃地機(jī)器人利用紅外信號來確定充電基座位置，并自行運動到充電基座，完成自動充電。當(dāng)掃地機(jī)器人檢測到電池電量小于規(guī)定值時，掃地機(jī)器人上的紅外發(fā)射裝置在控制器的控制下發(fā)射一個傳播距離較遠(yuǎn)并且覆蓋角度較窄的紅外信號，用于搜尋充電基座的位置，同時掃地機(jī)器人向充電基座發(fā)送信號；充電基座接收到掃地機(jī)器人發(fā)射的信號后，基座上的紅外發(fā)射裝置發(fā)射一個傳播距離近且覆蓋角度窄的紅外信號，用于在機(jī)器人到達(dá)充電站附近與充電站進(jìn)行對接時使用。在搜尋充電基座位置時，掃地機(jī)器人先緩慢地原地旋轉(zhuǎn)。在掃地機(jī)器人旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)充電基座接收到掃地機(jī)器人發(fā)射的紅外信號時，充電基座向掃地機(jī)器人發(fā)送信號，掃地機(jī)器人接收到信號后停止旋轉(zhuǎn)，并按照此方向行進(jìn)。掃地機(jī)器人行進(jìn)到充電基座附近時，利用充電基座發(fā)出的紅外信號精確地與充電基座進(jìn)行對接，完成自動對接充電。掃地機(jī)器人自動尋找充電基座位置原理示意圖如圖12所示。圖12 自動尋找充電基座原理示意圖5.2灰塵盒安裝檢查在掃地機(jī)器人開始工作之前，首先要保證收集灰塵的灰塵盒已經(jīng)安裝到位，否則進(jìn)行報警。為實現(xiàn)該功能，在掃地機(jī)器人灰塵盒卡槽內(nèi)安裝壓力傳感器， 通過壓力傳感器來檢查灰塵盒是否安裝到位，壓力傳感器安裝示意圖如圖13所示。圖13 壓力傳感器安裝示意圖壓力傳感器利用了電阻應(yīng)變片元件，電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。當(dāng)灰塵盒裝入指定位置時，盒與壓力傳感器接觸，壓力傳感器