掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)

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1、掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)報(bào)告 ，、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(diǎn)清掃、 預(yù)約清掃等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全方位立體清掃； 2、 智能導(dǎo)航系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)對(duì)房間地形的重構(gòu)，自動(dòng)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(cè)； 4、 創(chuàng)新功能：灰塵量識(shí)別，實(shí)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(cè)與提醒； 5、 其他基礎(chǔ)功能：自動(dòng)返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測(cè)。 二、機(jī)械及系統(tǒng)設(shè)計(jì) 掃地機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)如圖1所示。 清掃機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，吸塵機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)所在。由于機(jī) 器人運(yùn)動(dòng)部件多，運(yùn)

2、動(dòng)狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。因此，增加機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，提高機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性尤為重要。 為此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意在滿足強(qiáng) 度和剛度的前提下，盡量減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，并注意運(yùn)動(dòng)部件對(duì)轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心裝 配。 (1) 行走驅(qū)動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)電機(jī) 該部分主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動(dòng)。 為了保證小車良好的直線性，可 采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右兩輪的方式，且在車體的后端裝有一個(gè)不銹鋼萬向滾珠，這 樣可以使小車獲取較好的機(jī)動(dòng)性和靈活性及靈活性。 前輪驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)兩

3、個(gè)清掃刷，使左面清掃刷順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右面逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣 就可以在清掃灰塵時(shí)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(jì)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(chǔ)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(shí)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 二、功能簡(jiǎn)介 1、 清掃模式： 清掃模

4、式包括隨機(jī)清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點(diǎn)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(diǎn)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(shí)間自動(dòng)清掃， 可以預(yù)約一次和一周內(nèi)任意預(yù)約 清掃時(shí)間，可以放心上班和出差，也可以自動(dòng)打掃。 2、 智能導(dǎo)航系統(tǒng) 掃地機(jī)器人的智能導(dǎo)航實(shí)質(zhì)就是路徑自動(dòng)規(guī)劃。掃地機(jī)器人路徑自動(dòng)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

5、 制簡(jiǎn)單，不需要很多的硬件，軟件編程也簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但其缺點(diǎn)是移動(dòng)機(jī)器 人運(yùn)行軌跡重復(fù)性較大，且運(yùn)行軌跡不能較快地、充分地覆蓋整個(gè)區(qū)域，這種路 徑規(guī)劃只考慮完成任務(wù)，沒有考慮到時(shí)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(jì)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(shí)，可通過超聲波測(cè)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(yùn)動(dòng)到靠近墻邊的某一點(diǎn)。 機(jī)器 入就可從墻邊的某一點(diǎn)開始，按順時(shí)針方向繞墻運(yùn)動(dòng)一周，先對(duì)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

6、右端，以此來作為它清擋路徑的起始點(diǎn)， 也即絕對(duì)坐標(biāo)的原點(diǎn)。先假設(shè)室內(nèi)只 有一個(gè)孤立的障礙物，以房屋左下角 0點(diǎn)為起始點(diǎn)。開始清掃時(shí)，從 0點(diǎn)勢(shì)始 沿丫軸正方向清掃，遇到墻壁時(shí)向右原地旋轉(zhuǎn)90°,向X軸正方向移動(dòng)一個(gè)車身 后再向右旋轉(zhuǎn)90°，沿丫軸負(fù)方向清掃，以此往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，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(yùn)動(dòng)到障礙物的最左邊點(diǎn)時(shí)， 根據(jù)步 進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)和驅(qū)動(dòng)輪光柵的脈沖數(shù)計(jì)算出最左邊點(diǎn)的坐標(biāo)。 然后根據(jù)超聲波 測(cè)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(gè)車身的距離， 再原地旋轉(zhuǎn)到丫軸負(fù)方向，沿丫軸負(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

7、障礙物邊緣清掃時(shí)超聲波傳感器突然收不到信號(hào)即到達(dá)了障礙物 的最右端點(diǎn)，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(hào)為 止，然后沿障礙物的上邊沿行進(jìn)到障礙物的最左端點(diǎn)，再沿 丫軸方向進(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(dòng) 避開障礙物。清掃路徑自動(dòng)規(guī)劃示意圖如圖 3所示。 圖3清掃路徑自動(dòng)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(shí)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(gè)超聲波測(cè)距傳感器， 用來檢測(cè)掃地機(jī)器人行進(jìn)路線上是否有障礙物。超聲波測(cè)距

8、傳感器安裝位置如圖 4所示。 X 掃地機(jī)器人頂部 右 左 傳感器感應(yīng)窗 超聲波測(cè)距傳感器 掃地機(jī)器人頂部 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(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)測(cè) 量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔， 從而達(dá)到測(cè)量距離的作用。避障功能的實(shí)現(xiàn) 正是利用了這一超聲波測(cè)距的原理。超聲波傳感器測(cè)距原理如圖 5所示。 」 L Echo Time Pulse 圖5超聲波傳感器測(cè)距原理 超聲波傳感器接收到反射信號(hào)，檢測(cè)出前方有障礙物時(shí)，向控制器發(fā)出信號(hào)， 控制器控制掃地機(jī)器人轉(zhuǎn)向，

9、躲避障礙物，根據(jù)信號(hào)的幅值大小，也可以初步確 定障礙物的大小。選用超聲波測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)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(tái)階時(shí)跌落，在掃地機(jī)器人背面安裝3個(gè)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(cè)距。 當(dāng)掃地機(jī)器人行進(jìn)至臺(tái)階邊緣時(shí)，防跌 落傳感器利用超聲波測(cè)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(hào)，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(shí)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。 刖 ■ / □ 掃地機(jī)

10、器人頂部 防跌落傳感器 掃地機(jī)器人底部 前 防跌落傳感器 圖6防跌落傳感器分布 掃地機(jī)器人頂部 "防跌落傳感器 |_ 圖7掃地機(jī)器人遇臺(tái)階示意圖 3.3防線纏繞： 掃地機(jī)器人工作過程中，可能會(huì)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(cè)量電動(dòng)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(shí)，致使清掃刷停止旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)停 止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)傳感器測(cè)得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零，控制器接收此信號(hào)后向掃地機(jī)器人發(fā) 送控制信號(hào)，切斷電動(dòng)

11、機(jī)電流，同時(shí)發(fā)出求救信號(hào)。同時(shí)設(shè)計(jì)掃地機(jī)器人在發(fā)出 求救信號(hào)3分鐘后自動(dòng)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(dòng)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(dòng)電源需同時(shí)為移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)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(cè)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(dòng)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：①保持恒定的 電壓；②內(nèi)阻小以便快速放電；③可充電；④成本低等特點(diǎn)。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)掃地機(jī)器人電池電

12、量的安全監(jiān)控， 可以在掃地機(jī)器人內(nèi)部安裝庫 侖計(jì)，用來檢測(cè)掃地機(jī)器人電池電量變化。 庫侖計(jì)是在電池的正極和負(fù)極串連一 個(gè)電流檢查電阻，當(dāng)有電流流經(jīng)電阻時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)監(jiān)控取樣電壓， 通過檢測(cè)這 個(gè)監(jiān)控取樣電壓計(jì)算流過電池的電流， 就可以精確跟蹤電池電量變化。庫侖計(jì)測(cè) 量原理如圖9所示。 圖9庫侖計(jì)測(cè)量原理 另外通過溫度傳感器測(cè)量電池溫度， 與庫侖計(jì)測(cè)得的電池電壓相互配合， 可 以極大減少電池老化等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 4、創(chuàng)新功能 4.1灰塵量智能識(shí)別 掃地機(jī)器人需要根據(jù)某處灰塵量多少自動(dòng)安排清掃時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能， 在掃地機(jī)器人吸塵口上方安裝灰塵傳感器。灰塵傳感器安裝位置

13、如圖 10所示。 掃地機(jī)器人頂部 T .. 灰塵傳感器 掃地機(jī)器人 吸塵口 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(shí)現(xiàn)。 當(dāng)吸入灰塵越多時(shí)，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(dòng)越劇烈，輸出信號(hào)越強(qiáng)。掃地機(jī) 器人控制器根據(jù)灰塵傳感器信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行判斷， 發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)，使掃地機(jī) 器人根據(jù)某處灰塵多少自行決定清掃時(shí)間長(zhǎng)短。 4.2床底智能清掃 一般來說，床底、柜子底等地方相對(duì)較臟，因此這些地方需要重點(diǎn)清掃，以 保證清潔度。為實(shí)現(xiàn)此功能，在掃地機(jī)器人正面安裝8個(gè)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

14、后， 光敏傳感器接收的光強(qiáng)較弱。當(dāng)掃 地機(jī)器人運(yùn)行離開床底或柜子底時(shí), 光敏傳感器接收到的光強(qiáng)發(fā)生變化，向控制 掃地機(jī)器人頂部 光敏傳感器 掃地機(jī)器人頂部 光敏傳感器 占占 圖11光敏傳感器分布 器發(fā)送信號(hào)，控制器發(fā)出控制信號(hào)，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(shí)現(xiàn)通訊，利用相應(yīng)軟件，通過 手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)掃地機(jī)器人的手動(dòng)控制。 4.4尖端氣流濾塵技術(shù) 氣流濾塵器是一個(gè)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

15、 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(cè)與提醒 為了監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)，經(jīng)過放大、濾波、轉(zhuǎn) 換變成數(shù)字信號(hào)，掃地機(jī)器人控制器對(duì)這些信息進(jìn)行處理。 同時(shí)設(shè)計(jì)當(dāng)室內(nèi)的空 氣質(zhì)量出現(xiàn)異常時(shí)，如甲烷超標(biāo)，煤氣泄漏等發(fā)生時(shí)，掃地機(jī)器人能夠完成檢測(cè) 并實(shí)現(xiàn)及時(shí)報(bào)警功能。 5、其他基礎(chǔ)功能 5.1自動(dòng)返回并充電： 自動(dòng)返回并充電對(duì)掃地機(jī)是非常重要的，因?yàn)閽叩貦C(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(dòng)對(duì)

16、接充電。 掃 地機(jī)器人利用紅外信號(hào)來確定充電基座位置， 并自行運(yùn)動(dòng)到充電基座，完成自動(dòng) 充電。 當(dāng)掃地機(jī)器人檢測(cè)到電池電量小于規(guī)定值時(shí)， 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(gè)傳播距離較遠(yuǎn)并且覆蓋角度較窄的紅外信號(hào)， 用于搜 尋充電基座的位置，同時(shí)掃地機(jī)器人向充電基座發(fā)送信號(hào)； 充電基座接收到掃地 機(jī)器人發(fā)射的信號(hào)后，基座上的紅外發(fā)射裝置發(fā)射一個(gè)傳播距離近且覆蓋角度窄 的紅外信號(hào)，用于在機(jī)器人到達(dá)充電站附近與充電站進(jìn)行對(duì)接時(shí)使用。 在搜尋充電基座位置時(shí)，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(hào)時(shí)，充電基座向掃地機(jī)器人發(fā)送

17、信號(hào)，掃地機(jī)器人接收到信號(hào)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(shí)，利用充電基座發(fā)出的紅外信號(hào)精確地與充電基座進(jìn)行 對(duì)接，完成自動(dòng)對(duì)接充電。掃地機(jī)器人自動(dòng)尋找充電基座位置原理示意圖如圖 12所示。 圖12自動(dòng)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(bào)警。為實(shí)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。 掃地機(jī)器人頂部 掃地機(jī)器人 1 1 壓力傳感器 灰塵盒 卡槽 圖13

18、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(cè)件上的應(yīng)變變 化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，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(shí)，盒與壓力傳感器接觸，壓力傳感器受到壓力，發(fā) 送信號(hào)給控制器，說明盒已安裝；反之灰塵盒未裝入指定位置時(shí)，壓力傳感器無 信號(hào)輸出，控制器無法收到信號(hào)，發(fā)出警告。 5.3灰塵盒容量探測(cè) 為了監(jiān)視掃地機(jī)器人灰塵盒中灰塵是否裝滿，在灰塵盒兩側(cè)安裝變介質(zhì)型電 容傳感器。電容傳感器安裝示意圖如圖 14所示。 掃地機(jī)器人頂部 掃地機(jī)器人 電容傳感器 - 灰塵盒 - 圖14電容傳感器安裝示意圖 當(dāng)灰塵盒中灰塵高度到達(dá)電容傳感器高度時(shí)， 電容傳感器中的介質(zhì)發(fā)生改變， 由于灰塵的介電常數(shù)與空氣的介電常數(shù)不同， 從而引起傳感器電容變化，傳感器 將信號(hào)傳給控制器，控制器控制掃地機(jī)器人發(fā)出報(bào)警信號(hào)，知道灰塵盒被清空。