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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中文題目:清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中心(函授站):江陰專業(yè):機(jī)械設(shè)計(jì)及自動化姓名:夏成學(xué)號:CS051410248指導(dǎo)教師:孫菊南京航空航天大學(xué)2022年2月目錄中文摘要IABSTRACTIITOC o 1-5 h z第一章緒論1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 第一節(jié)研究的目的和意義1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第二節(jié)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 第三節(jié)家庭清掃機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)1第四節(jié)論文主要完成
2、工作2第二章總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3第一節(jié)整體結(jié)構(gòu)布局3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 第二節(jié)驅(qū)動部分4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 第三節(jié)吸塵部分6 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 第四節(jié)電源部分6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 第五節(jié)路徑規(guī)劃算法6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第六節(jié)仿真結(jié)果8 HYPERLINK l bookmar
3、k32 o Current Document 第三章硬件控制部分設(shè)計(jì)9 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 第一節(jié)AT89系列單片機(jī)簡介9 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 第二節(jié)外圍電路9結(jié)論11 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 致謝12 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 參考文獻(xiàn)13題目:清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中文摘要摘要:清掃機(jī)器人屬于服務(wù)機(jī)器人的一種,世界各國尤其是西方發(fā)達(dá)國家都在致力于研究開
4、發(fā)和廣泛使用服務(wù)機(jī)器人。如果清掃機(jī)器人的性價(jià)比足夠高,那么清掃機(jī)器人的市場將會被看好。本文介紹了清潔機(jī)器人在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況,側(cè)重研究了清潔機(jī)器人的避障控制系統(tǒng)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際條件,設(shè)計(jì)了機(jī)器人樣機(jī)。其主要工作內(nèi)容包括:小車機(jī)械本體設(shè)計(jì)、控制理論的介紹、AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路及檢測電路設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和機(jī)器人避障性能測試試驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的機(jī)器人樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自主避碰的功能,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞:清潔機(jī)器人避障AT89C51單片機(jī)AbstractCleaningrobotisonepartoftheservingrobot.Servingrobotisbeing
5、researchedanddevelopedinthecountriesallovertheworld,andwhichisbeingusedwidelyinthewestdevelopedcountries.Iftherateofqualityandpriceofthecleaningrobotishighlyenough,themarketofthecleaningrobotwouldbeprospered.Thepaperstudiestheapplicationsanddevelopmentsofcleaningrobotathomeandabroad,andresearchesthe
6、controlsystemofthecleaningrobotavoidingaobstaclemainly.Themodelisdesignedundertheactualconditionofthelab.Themainworkofthepaperisasfollows.Themechanicaldesignofcleaningrobot,thetheoryofthecontrolsystem,thedesignofcontrolsystemofhardwarecircuitandsoftwarebasedonAT89C51SCM,thedesignofinspectivecircuita
7、ndtheexperimentofperformanceofthecleaningrobotavoidingaobstacle.Theresultoftheexperimentshowsthattherobotdesignedhasthefunctionsofavoidingaobstacle,soitfillsthedemandofthetask.KEYWORD:cleaningrobotavoidaobstacleAT89C51SCM.緒論第一章第一節(jié)研究的目的和意義清掃機(jī)器人將移動機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融合起來,實(shí)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,
8、近年來已受到國內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動機(jī)器人的一個(gè)特殊應(yīng)用,從技術(shù)方面講,智能化清掃機(jī)器人比較具體地體現(xiàn)了移動機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),具有較強(qiáng)的代表性。從市場前景角度講,清掃機(jī)器人將大大降低勞動強(qiáng)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(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù),本課題旨在開發(fā)一部價(jià)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(jī)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,使科技更好地為人類服務(wù)。第二節(jié)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)由前面的設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)器人的工作內(nèi)容和要
9、求,在寬400高100的體積下如何設(shè)計(jì)和布置好清掃機(jī)構(gòu),行走機(jī)構(gòu),吸塵機(jī)構(gòu)和儲存垃圾機(jī)構(gòu)。路徑方式的選擇,以及如何用軟件控制實(shí)現(xiàn)其避障功能。第三節(jié)家庭清掃機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)吸塵機(jī)器人系統(tǒng)通常由四個(gè)部分組成:移動機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動機(jī)構(gòu)是吸塵機(jī)器人的主體,決定了吸塵器的運(yùn)動空間,一般采用輪式機(jī)構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、接觸和接近傳感器、紅外線傳感器等。隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展,清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。清掃機(jī)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
10、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(dāng)?shù)慕7椒▉砝斫猸h(huán)境,具有特別重要的意義。目前展較快、對清掃機(jī)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。傳感技術(shù)為了讓吸塵機(jī)器人正常工作,必須對機(jī)器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,還要感知機(jī)器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動態(tài)信息,使得吸塵機(jī)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。第四節(jié)論文主要完成工作課題主要完成的工作包括清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),驅(qū)動電機(jī)選擇,傳感器的選擇,控制算法的研究,硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程及試驗(yàn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括機(jī)器人構(gòu)成方案選擇、機(jī)
11、器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動電機(jī)的選擇避障系統(tǒng)控制方案包括機(jī)器人障礙檢測系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的確定和控制算法的選擇控制系統(tǒng)硬件部分包括AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)和傳感器檢測硬件電路設(shè)計(jì)四控制系統(tǒng)軟件部分包括AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第二章總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一節(jié)整體結(jié)構(gòu)布局整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)由車體,吸塵裝置,傳感部分,控制部分組成。傳感部分包括車身兩側(cè)的光電傳感器和前面的碰板和光電開關(guān)組成的接觸式傳感器。機(jī)器人前輪為隨動輪,后輪采用差動式驅(qū)動,光電編碼器裝在前隨動輪上,與隨動輪同軸。當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí),碰板帶動光開關(guān)移動產(chǎn)生信號變化。光電傳感器對車體側(cè)面進(jìn)行探測,判斷左右轉(zhuǎn)
12、彎是否可行。如結(jié)構(gòu)簡圖2所示:圖2.1清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖考慮到機(jī)構(gòu)和控制的復(fù)雜性,本清掃機(jī)器人采用圓形車體,圓形車體的最大優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動靈活,控制簡單,不會發(fā)生卡死的現(xiàn)象。車體前端是一個(gè)碰板系統(tǒng)由一套機(jī)械裝置和光電開關(guān)組成,用于檢測運(yùn)動前方的障礙物。左右二個(gè)后輪獨(dú)立驅(qū)動,每個(gè)輪子都有電機(jī)、光電傳感器,各自是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),只接受控制系統(tǒng)的控制信號和反饋給控制系統(tǒng)運(yùn)動信息。中間鏤空的部分是清掃系統(tǒng),包括二個(gè)電機(jī)驅(qū)動的一個(gè)清掃裝置和一個(gè)吸塵裝置。車體左右二側(cè)裝有二個(gè)光電傳感器,用于對小車轉(zhuǎn)彎可行性判斷。前輪的支撐部分是一個(gè)垂直方向可滑動桿,中間有彈簧做緩沖(運(yùn)動的時(shí)候也有減震的作用)。本機(jī)器人沒有采
13、用陣列式碰撞傳感器。而是獨(dú)立設(shè)計(jì)了一塊碰板和光電開關(guān)組成,它可以檢測到車體前方的一切障礙物,不存在任何盲點(diǎn)?;⌒蔚呐霭逋ㄟ^2個(gè)連桿和車體鉸接在一起,連桿和碰板連接的部分可以沿碰板外徑方向滑動,而和車體連接的部分可以旋轉(zhuǎn),碰板二端和光電開關(guān)相連,當(dāng)碰撞引發(fā)碰板移動后,通過光電開關(guān)的變化把信號反饋給控制系統(tǒng)。碰板可以把障礙物的位置分為3類:正前方,前方,右前方。通過2個(gè)光電開關(guān)的組合狀態(tài)給出,如果2個(gè)光電開關(guān)的初始狀態(tài)是0。如表1所示。表2.1碰撞檢測對照表左光電開關(guān)001A右光電開關(guān)010坦制1揺密1障礙物位置未碰撞右前左a正前整個(gè)清掃系統(tǒng)通過后方的圓孔和車體相鉸接,可以作很小幅度的擺動,這樣的
14、設(shè)計(jì)將使機(jī)器人對地面的適應(yīng)性有很大提高,整個(gè)清掃系統(tǒng)又可以分為清掃部分和吸塵部分,每部分各有1個(gè)電機(jī)提供動力,清掃部分在前端,由電機(jī)帶動2個(gè)旋轉(zhuǎn)方向不同的滾刷轉(zhuǎn)動,從而把紙片等大塊垃圾清掃進(jìn)后面的灰塵箱。后面的吸塵系統(tǒng)類似一個(gè)吸塵器,橡膠制成的吸塵端口與地面相接。這樣雙選擇性的清掃比一般地單一清掃方式效果要好的多。第二節(jié)驅(qū)動部分驅(qū)動部分是由兩個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成的。步進(jìn)電機(jī)帶動兩驅(qū)動輪,后輪,從而推動吸塵器運(yùn)動。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結(jié)構(gòu),而采用了應(yīng)用非常廣泛的平面軸承,這既減小了結(jié)構(gòu)復(fù)度,又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性圖2.2驅(qū)動結(jié)構(gòu)通過改變作用于步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號的頻率,可以對步進(jìn)電
15、機(jī)實(shí)現(xiàn)較高精度的調(diào)速。同時(shí)在對兩電機(jī)分別施相同或不同脈沖信號時(shí),通過差速方式,可以方便的實(shí)現(xiàn)吸塵器前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭等功能。這一設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是吸塵器能夠在任意半徑下,以任意速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎,甚至當(dāng)兩后輪相互反向運(yùn)動時(shí),實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑繞軸中點(diǎn)原地施轉(zhuǎn)動。同時(shí)轉(zhuǎn)彎的速度可通過改變單片機(jī)的程序來調(diào)節(jié)。根據(jù)所需的驅(qū)動力矩和其它結(jié)構(gòu)要求,驅(qū)動電機(jī)選用北京四通集團(tuán)公司的57BYG250E-SAFRML-0152型兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)。其參數(shù)如表2.2所示;-U2.257BYG250E-EAFRML-0152步進(jìn)電機(jī)參數(shù)相數(shù)2步距角)0.9/1.S靜態(tài)相電流1,0相電阻S)1.0相電感CM11)3.
16、3保持轉(zhuǎn)矩L5定位轉(zhuǎn)矩(Nm)0.06空載啟動頻率半步方成)CKHz)3重量(Kg)1.5轉(zhuǎn)動慣崑(gcITf)330第三節(jié)吸塵部分吸塵部分是由封閉在殼體中的小型吸塵器完成的。包括氣泵,吸室,吸道和吸嘴。在吸塵器爬行的過程中,通過底盤上開的吸嘴將掃過的地面上的灰塵吸入吸室。第四節(jié)電源部分由于智能吸塵器是以自主方式工作的,因而所用的電源不是一般脫線方式,而是采用隨身攜帶的蓄電池,這樣不但可實(shí)現(xiàn)無人控制,而且工作時(shí)比較靈活。一次充電可以連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)。第五節(jié)路徑規(guī)劃算法在本算法中,機(jī)器人的路徑大體分為兩類:面覆蓋的過程,機(jī)器人走直線,相當(dāng)于一個(gè)”迂回推進(jìn)”的過程;從當(dāng)前點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的尋徑過程,從定
17、位的準(zhǔn)確性考慮,路徑段也為直線。開始的時(shí)候機(jī)器人選擇房間的一個(gè)角落(2座墻壁的交接點(diǎn),便于機(jī)器人定位)作為初始點(diǎn),坐標(biāo)為(0,0),即機(jī)器人上的p點(diǎn)坐標(biāo)為(0,0)(本文中的坐標(biāo)都是指p點(diǎn)坐標(biāo)),沿一側(cè)墻的方向建立X軸,第一次清掃沿X軸的方向,完成后,返回原點(diǎn),沿Y軸方向進(jìn)行第二次清掃。這樣既保證了清潔質(zhì)量,又在很大程度上避免了1次清掃所帶來的死角問題。而且由于2個(gè)方向的互補(bǔ)性,并不需要為了遍歷的完整性而采用更為煩雜的算法,通過2次數(shù)據(jù)融合就可以得到較為精確的環(huán)境信息機(jī)器人的路徑為迂回前進(jìn)的路徑段,每個(gè)路徑段的間隔為機(jī)器人清潔機(jī)構(gòu)的清掃直徑,碰到障礙物后,機(jī)器人的轉(zhuǎn)向90并且側(cè)移20cm,在轉(zhuǎn)
18、向90,這個(gè)動作由控制系統(tǒng)做好保存,直接調(diào)用,記為microl。(在前進(jìn)過程中,發(fā)生碰撞時(shí),機(jī)器人的轉(zhuǎn)向所采取的方向,取值可以為”左”或者”右”,由碰撞次數(shù)的奇偶性決定。前可行的方法就是通過建立被控制對象的模糊模型來實(shí)現(xiàn)模糊控制器。所謂建立被控制對象的模糊模型就是用“如果一一那么”的形式來描述被控對象的動態(tài)特性。一條“如果那么”表達(dá)式就是一條控制規(guī)則,因此被控制對象的模型是由多條控制規(guī)則組成的,這樣通過該模型就可以從輸入推理得出輸出。具體到本課題,模糊規(guī)則設(shè)定如下:規(guī)則1:如果機(jī)器人前方為階梯(沿X軸方向遍歷),那么它應(yīng)該左轉(zhuǎn)一前行一再左轉(zhuǎn);(把此類型障礙物當(dāng)作墻來處理)規(guī)則2:如果機(jī)器人前方
19、有障礙物(沿X軸方向遍歷),同時(shí)左側(cè)也有障礙物,那么它應(yīng)該原地轉(zhuǎn)彎180度;(記為左轉(zhuǎn)為不可行)規(guī)則3:如果機(jī)器人懸空,那么它應(yīng)該執(zhí)行電源關(guān)操作規(guī)則4:如果機(jī)器人前方為階梯(沿Y軸方向遍歷),那么它應(yīng)該從右轉(zhuǎn)一前行一再右轉(zhuǎn);(把此類型障礙物當(dāng)作墻來處理)規(guī)則5:如果機(jī)器人前方有障礙物(沿Y軸方向遍歷),同時(shí)右側(cè)也有障礙物,那么它應(yīng)該原地轉(zhuǎn)彎180度;(記為右轉(zhuǎn)為不可行)規(guī)則6:如果機(jī)器人右前方?jīng)]有障礙物,那么它應(yīng)該直線前行;規(guī)則7:如果機(jī)器人沿X軸方向遍歷完成,那么執(zhí)行沿Y軸方向的遍歷;(完成與否的判定根據(jù)是否有連續(xù)兩次轉(zhuǎn)彎不可行)規(guī)則8:如果機(jī)器人完成了沿X軸和Y軸方向的遍歷,那么小車執(zhí)行回
20、充電插座充電。第六節(jié)仿真結(jié)果由于只是表達(dá)路徑規(guī)劃的算法,為了描述清晰及簡便,采用矩形環(huán)境邊緣,障礙物也選用邊緣規(guī)則的矩形,U型等,而實(shí)際上由于采用碰撞作為邊緣觸發(fā)條件。經(jīng)過機(jī)器人路徑的規(guī)劃設(shè)計(jì)對機(jī)器人的路徑以達(dá)到清掃能到達(dá)的角落,不留清掃盲區(qū)。第三章硬件控制部分設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中,機(jī)器人車體下部需安裝吸塵或清掃等輔助機(jī)構(gòu),故控制系統(tǒng)安裝在小車底板的上面。控制系統(tǒng)硬件主要包括AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)及其外圍電路、電機(jī)驅(qū)動電路和傳感器檢測電路。第一節(jié)AT89系列單片機(jī)簡介機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用的是AT89C51單片機(jī)。AT89系列單片機(jī)是ATMEL公司的系列產(chǎn)品。其主要特點(diǎn)如下:1.與MCS-51
21、”產(chǎn)品兼容2.1000次重復(fù)編程/擦寫3具有2.7V低電壓型號表11AT89系列單H機(jī)的性能參數(shù)功能鑒數(shù)AT89C51AT89C5289C105189C2051閃速式存儲器字齒)4KSK1K2K內(nèi)存字節(jié))1282566412824242424輸入./輸岀線32321515呢位定時(shí)器/數(shù)器2312中斷源5835串彳|110第二節(jié)外圍電路電源AT89C51單片機(jī)正常工作時(shí),其40腳(Vcc)接+SV電源,20腳(VSS接地。AJMPLOOP1DLY:MOVR4,#M通過改變M,M1的值調(diào)整轉(zhuǎn)速DLY1:MOVA,#M1L00P2:DECAJNZLOOP2DJNZR4,DLY1RET二、左輪控制程序
22、:ZLKZ:PUSHA;保護(hù)現(xiàn)場MOVA,R0輸出控制脈沖MOVACALLP1.3,A;DLY;調(diào)用延時(shí)程序INCR0控制字存儲地址增1MOVA,#00HORLA,R0;是結(jié)束標(biāo)志轉(zhuǎn)移JZTPLLOOP1:DJNZR3,LOOP;步數(shù)不為0,轉(zhuǎn)移POPAZLKZ:PUSHA;保護(hù)現(xiàn)場MOVA,R0MOVP1.3,A輸出控制脈沖ACALLDLY;調(diào)用延時(shí)程序INCR0控制字存儲地址增1MOVA,#00HORLA,R0;是結(jié)束標(biāo)志轉(zhuǎn)移JZTPLLOOP1:DJNZR3,LOOP;步數(shù)不為0,轉(zhuǎn)移POPARETTPL:MOVA,R0;恢復(fù)控制字首址SUBBA,#06HMOVR0,AAJMPLOOP1
23、DLY:MOVR4,#M通過改變M,M1的值調(diào)整轉(zhuǎn)速DLY1:MOVA,#M1LOOP2:DECAJNZLOOP2DJNZR4,DLY1RET結(jié)論雖然清掃機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)步,進(jìn)入了實(shí)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(jī)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。清掃機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)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(jià)格低的特點(diǎn),清掃機(jī)器人將具有誘人的市場前景,有關(guān)資料也預(yù)測清掃機(jī)器人是未來幾年需求量最大的服務(wù)機(jī)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(dāng)大的成長空間。致謝隨著畢業(yè)設(shè)計(jì)
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