家用智能清潔機(jī)器人機(jī)械部分設(shè)計【吸塵器】

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家用智能清潔機(jī)器人-機(jī)械部分設(shè)計 第一章 緒論 1.1 服務(wù)機(jī)器人概述 自第一臺工業(yè)機(jī)器人問世以來，機(jī)器人有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展。機(jī)器人在工業(yè)、 國防和科學(xué)技術(shù)中日益廣泛的應(yīng)用，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，也有力地推 動了有關(guān)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。服務(wù)機(jī)器人是一個新的機(jī)器人研究領(lǐng)域。作為 正在發(fā)展新研究領(lǐng)域，服務(wù)機(jī)器人有許多不同的定義，但它的最基本特征是提供 服務(wù)。和工業(yè)機(jī)器人一樣，服務(wù)機(jī)器人基本上包括機(jī)器人的所有基本特性。它往 往和人結(jié)合于同一工作環(huán)境中，這隱含著許多工業(yè)機(jī)器人沒有的特性，如安全問 題、人機(jī)交互性、在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的高度自治等。目前服務(wù)機(jī)器人成功應(yīng)用的 領(lǐng)域有雕刻，消防，清洗，醫(yī)療，焊接等等。從長期來看，服務(wù)機(jī)器人的英勇數(shù) 量將會超過工業(yè)機(jī)器人。 1．1．1服務(wù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)問題 機(jī)械系統(tǒng)是服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)中的一個重要組成部分，是完成抓取對象實(shí)現(xiàn)所 需運(yùn)動的機(jī)械部分。它與一般地機(jī)械系統(tǒng)相比，除要求較高的定位精度之外，還 應(yīng)具有良好的動態(tài)相應(yīng)特性。服務(wù)機(jī)器人可以是靜止或移動的平臺。靜止平臺式 服務(wù)機(jī)器人通常具有手臂結(jié)構(gòu)它們能用于加油、飛機(jī)清洗和輔助殘疾人。這種手 臂結(jié)構(gòu)的服務(wù)機(jī)器人也許會有各種工業(yè)機(jī)器人的基本特點(diǎn)，也可能會有移動輪但 它們不用于操縱機(jī)器人。通常的服務(wù)機(jī)器人是可移動的，最典型的移動機(jī)器人是 輪式結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也可能有其它方式移方式如步行爬行和飛行等，但它們僅僅用于 不適合輪式機(jī)器人的環(huán)境中。 1．1．2服務(wù)機(jī)器人的適用環(huán)境 工業(yè)機(jī)器人所處的環(huán)境為制造環(huán)境，即所謂的“結(jié)構(gòu)化”環(huán)境，其環(huán)境信息 往往處于非制造環(huán)境，即所謂的“非結(jié)構(gòu)化”環(huán)境，其環(huán)境 信息往往是多義的、不完全的或不準(zhǔn)確的。服務(wù)機(jī)器人通常在非結(jié)構(gòu)化和比較復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)行也就是指辦公室、公共大樓、超市和家庭等。人和機(jī)器人通常共 處在同一環(huán)境中并且環(huán)境會出現(xiàn)預(yù)料之外的改變，如家具位置的隨意擺放、人的 隨意走動等因而服務(wù)機(jī)器人必須能自我管理和處理環(huán)境中的一切。機(jī)器人設(shè)計人 員必須能安全地假設(shè)許多環(huán)境模型來彌補(bǔ)現(xiàn)存環(huán)境感知技術(shù)的缺點(diǎn)。 服務(wù)機(jī)器人的最普通的任務(wù)是減輕人類的重復(fù)或危險的勞動．如象運(yùn)輸、救 援、檢查、探險等。服務(wù)機(jī)器人運(yùn)用于運(yùn)輸，如發(fā)送郵件、實(shí)驗(yàn)品和藥品：運(yùn)用 于救援，如機(jī)器人能實(shí)施問題點(diǎn)的勘察，發(fā)現(xiàn)入侵者和火災(zāi)報警：運(yùn)用于檢查，如 橋梁裂縫檢查，核反應(yīng)堆射線檢測和化學(xué)泄漏檢測。這種類型機(jī)器人需考慮它的 機(jī)械移動裝置、能量存儲、導(dǎo)航和避障。服務(wù)機(jī)器人在完成某項(xiàng)任務(wù)，它必須裝 備執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)等，設(shè)計人員必須考慮機(jī)器人怎樣探測和操縱目標(biāo)，怎樣 執(zhí)行和控制系統(tǒng)的交互，需多少能量才能完成任務(wù)等，因而機(jī)器人很容易變得復(fù) 雜，這是這類機(jī)器人快速發(fā)展的主要原因。 一個特別適宜服務(wù)機(jī)器人完成的工作是清潔任務(wù)，主要包括室內(nèi)地面的吸 塵、公共建筑物內(nèi)的清掃和大建筑物外墻的清洗。智能吸塵器需較大的功率考慮 到它能在床和椅子下移動它形狀不能太大，合理的路徑規(guī)劃避障和能耗是智能吸 塵器的主要技術(shù)問題。 1．1．3服務(wù)機(jī)器人的技術(shù)問題 服務(wù)機(jī)器人需完成各種不同的服務(wù)工作，如何完成特定的任務(wù)往往是服務(wù)機(jī) 器人的核心技術(shù)，也是決定服務(wù)機(jī)器人市場競爭力的關(guān)鍵。如割草機(jī)器人的核心 技術(shù)是如何低能耗割草，地面清洗機(jī)器人的核心技術(shù)可能是發(fā)展新清洗技術(shù)，使 機(jī)器人不必攜帶巨大的水箱。服務(wù)機(jī)器人作為機(jī)器人技術(shù)的一個分支，所有服務(wù) 機(jī)器人或多或少要涉及以下的人工智能技術(shù)： ●環(huán)境感知技術(shù) ●環(huán)境傳感器和信號處理方法 ●控制系統(tǒng)基于模型基于行為等 ●交互和合作的控制結(jié)構(gòu) ●復(fù)雜任務(wù)的實(shí)時規(guī)劃 ●仿真技術(shù)和環(huán)境 ●人機(jī)交互 1．1．4服務(wù)機(jī)器人的可靠性和安全性 服務(wù)機(jī)器人作為機(jī)器人新的應(yīng)用領(lǐng)域，其使用目的是為了改善人們的生活質(zhì) 量，服務(wù)對象大多是沒有使用經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識的人們，而且大多數(shù)服務(wù)機(jī)器人工 作在與人共處的環(huán)境中，直接或間接作用于人，如何處理好人與機(jī)器人的相互關(guān) 系顯得尤為重要。同時，服務(wù)機(jī)器人是一個復(fù)雜的機(jī)械一機(jī)電一電子系統(tǒng)，硬件 上由許多不同的普通元件組成，軟件上也不可能十全十美，向傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備一 樣，不可避免的會給人們帶來危險，這是用戶所不希望的。因此可以說服務(wù)機(jī)器 人實(shí)用化和商品化的關(guān)鍵之～在于它的可靠性和安全性 1．1．5 服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用 目前，服務(wù)機(jī)器人越來越受到企業(yè)和商業(yè)界的重視，這主要是其所具有的廣 大市場和巨大利潤所致。服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)主要由兩個原因：一是勞動力成本的 上升：另一個是人們想擺脫令人煩惱枯燥的工作，如清潔、家務(wù)勞動、照料病人 和建筑施工等等。另外，福利事業(yè)，特別是老年人人數(shù)比例的上升也為服務(wù)機(jī)器 人創(chuàng)造了一個廣闊的市場。目前在歐美、日本等西方發(fā)達(dá)國家，服務(wù)機(jī)器人己廣 泛應(yīng)用于五大領(lǐng)域(醫(yī)療福利服務(wù)、商場超市服務(wù)、餐廳旅館服務(wù)、維修清潔服 務(wù)和家庭服務(wù))。 1. 1. 6 家用智能清掃機(jī)器人 目前，在一些發(fā)達(dá)國家，對辦公室、車站、機(jī)場、工廠等場合的清掃已經(jīng)采用清潔機(jī)器人.隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會的發(fā)展，人們希望從繁瑣的日常工作解脫出來，使清潔機(jī)器人進(jìn)入家庭已成為可能.如果清潔機(jī)器人有足夠高的性價比，清潔機(jī)器人將會有較好的市場前景.室內(nèi)地面清潔機(jī)器人將移動機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境半自主或自主清潔，是一種環(huán)保、健康、智能型的服務(wù)機(jī)器人，具有良好的應(yīng)用前景和廣泛的市場需求.盡管目前國內(nèi)在清潔機(jī)器人方面的研究已取得一定的成果，但與國外相比國內(nèi)依然處在初步發(fā)展階段。 家用清掃機(jī)器人是當(dāng)今服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域一個熱門研究方向。雖然已經(jīng)有很多樣機(jī)和產(chǎn)品產(chǎn)生，但它們?nèi)杂泻芏嗟膯栴}需要解決：如動態(tài)環(huán)境中的適應(yīng)性，它的覆蓋率和覆蓋效率極其成本等。吸塵器自主地在房間內(nèi)吸塵而不需主人太多的干預(yù)是一件非常有挑戰(zhàn)性的工作，它設(shè)計了當(dāng)前多項(xiàng)人工智能技術(shù)，從理論和技術(shù)上講，全自主智能清潔機(jī)器人比較具體的體現(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，智能清潔機(jī)器人將大大降低勞動強(qiáng)度，提高勞動效率。 在國外，早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)敬愛是智能清掃機(jī)器人的研發(fā)工作。如今，智能清掃機(jī)器人在智能 性和工作效率上和當(dāng)初有了飛躍的提高。在中國，智能清掃機(jī)器人還是比較新興的產(chǎn)業(yè)。但隨著國內(nèi)市場對智能清掃機(jī)器人的需求日益增大，智能清掃機(jī)器人已經(jīng)在國內(nèi)快速發(fā)展，已有多家廠商開始研制適應(yīng)市場需求的智能清掃機(jī)器人 1.2 國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究 地面清潔機(jī)器人作為智能移動機(jī)器人實(shí)用化發(fā)展的先行者，其研究始于20世紀(jì)80年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品。吸塵機(jī)器人的發(fā)展，帶動了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動機(jī)器人技術(shù)、圖像和語音識別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)結(jié)合國內(nèi)外的文獻(xiàn)將清掃機(jī)器人及其自動充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀闡述如下。 1.2.1 國外產(chǎn)品研究狀況 RC3000是世界上第一臺能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機(jī)器人，如圖1-1所示，它有光電傳感器和芯片控制，當(dāng)遇到障礙時，會隨機(jī)改變一個角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物。內(nèi)置了四種清潔程序，保證在遇到不同污漬的地面時，可以調(diào)整其清潔程序；通過傳感器對于地板污漬的判斷，選擇合適的應(yīng)用程序。內(nèi)置光敏傳感器，確保在遇到樓梯與臺階時，能夠自動避讓，不會掉落。扁平的設(shè)計使其能夠清潔床，沙發(fā)，茶幾等家具的下部位置。其相應(yīng)的充電站有紅外發(fā)射、工作時間設(shè)定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導(dǎo)航信號來指引機(jī)器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務(wù)；同時能夠根據(jù)用戶設(shè)定的信息來控制機(jī)器人完成相應(yīng)的操作。 在日本，東日本鐵路公司、Shink電器公司和Howa工業(yè)有限公司聯(lián)合研制了車站地面清掃機(jī)器人，機(jī)器人可沿墻壁從任何一個位置自動啟動，利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子將廢棄物掃人自帶容器中。該機(jī)器人可采用 “磁導(dǎo)引方式”、“示教方式”或 “墻面復(fù)制方式”控制。東日本路公司、富士工業(yè)有限公司Subaru實(shí)驗(yàn)室和JR東方設(shè)施管理有限公司聯(lián)合研制了車站地面擦洗機(jī)器人，該機(jī)器人工作時一面將清洗液噴灑到地面上，一面用旋轉(zhuǎn)刷不停地擦洗地面，并將臟水吸人所帶的容器中。機(jī)器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自動清洗系統(tǒng)有兩種，一種是“面積設(shè)定模式”，即將待清洗的面積分為若干個單位面積，按照其存儲器中的單位面積識別其行使路線，機(jī)器人還可利用其傳感器識別和躲避障礙物；另一種叫“路徑地圖模式”，機(jī)器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行使，機(jī)器人可存９幅地圖，并可利用ＩＣ卡作為外存，在該模式下，機(jī)器人不會避障，僅適用于需要反復(fù)擦洗的指定地段。 東日本鐵路公司和東芝公司聯(lián)合研制的用于座椅布局簡單的列車內(nèi)部地面清洗的機(jī)器人，其體積小、重量輕、易于出人車廂及在車廂之間運(yùn)動，感知系統(tǒng)采用超聲波距離傳感器和光學(xué)、接觸式的接近傳感器；機(jī)器人采用推算定位法，利用編碼器中的數(shù)據(jù)，保持自己的位置和路徑，若探測到錯誤位置，機(jī)器人會通過距離傳感器自動修正；高級的列車地面清洗包括掃除垃圾、噴灑清洗液、擦洗、回收污水、用清水沖洗和給地面打蠟六個步驟。日本靜甲株式會社的清水工廠開發(fā)出一種自動清掃機(jī)器人，可用于各種工廠的清掃工作，機(jī)器人采用光纖陀螺控制機(jī)器人的方向，采用編碼器和超聲波傳感器測距，采用光學(xué)探測器探測障礙物，機(jī)器人的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺傳感器，一旦機(jī)器人與人接觸，觸覺傳感器信號會使機(jī)器人停下來以保證人的安全。松下和日立公司也研制出了可清掃磚地木質(zhì)地板和地毯地面的清潔機(jī)器人，該機(jī)器人采用蓄電池作為動力源，可自動去充電站充電，能夠自主避障和路徑規(guī)劃。 松下電器產(chǎn)業(yè)公司在2002年上半年推出了家庭用清潔機(jī)器人的試制機(jī)。該機(jī)器人可以根據(jù)房間的形狀、地板狀況、垃圾量進(jìn)行自動清掃，還配備有避開墻壁、爐子等熱源以及障礙的安全功能；該機(jī)器人配備有50個傳感器可一邊自動行走一邊進(jìn)行清掃，工作時首先沿房間四周走一圈，記憶房間形狀，然后在避開障礙物的同時開始縱橫來回移動，清潔工作完成后會自動停止。該機(jī)器人清掃一般的日本式房間約需要9min，相當(dāng)于人打掃同樣大房間所需時間的1-1.5倍，可清掃房間地板的92％－93％；機(jī)器人利用光及超聲波的測距傳感器及感壓傳感器來避開障礙物，機(jī)器人的內(nèi)置回轉(zhuǎn)傳感器用來控制行走姿勢以保持既定的行進(jìn)方向，但在地毯上行走時如果不采取措施則會受到 “地毯花紋”影響而彎曲前進(jìn)，因此該公司在機(jī)器人中安裝了方向舵?zhèn)鞲衅?，可以檢測出由于地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進(jìn)方向偏差，因此即使在鋪有地毯的地板上也能夠直線前進(jìn)，機(jī)器人體內(nèi)還安裝有防止從臺階等高處滾下的落差傳感器、感知暖爐等熱源的熱傳感器、檢測自身所受外力大小的重量傳感器及防滑傳感器、檢測添加動力的負(fù)載傳感器，機(jī)器人同普通的障礙物最少保持10cm的距離，而在探測到熱源時，將會同熱源至少保持50cm的距離 在日本本土，自動吸塵器市場競爭異常激烈，繼東芝之后，夏普也于2012年5月8日布了新一代智能吸塵器COCOROBO RX-V100和RX-V80。雖說名為吸塵器，但CoCoRoRo卻是一臺能夠進(jìn)行簡單人機(jī)交流的機(jī)器人。 　　夏普CoCoRoRo圓盤狀的外形保證了它能夠在地板上能夠出入各種縫隙，機(jī)身頂部的LED燈能夠顯示不同的顏色變換“心情”，或者根據(jù)遙控操作做出回應(yīng)。在上面的演示視頻中，這臺吸塵器甚至能夠聽懂使用者的簡單日語，并且能夠根據(jù)語音命令做出相應(yīng)的動作。例如，你對著機(jī)器人大吼一聲：“把房間打掃一下！”，機(jī)器人一般情況下會回復(fù)：“遵命，主人！”，然后它便開始賣力的工作。但如果機(jī)器人心情好，它也會嬌羞的回答：“我知道了……主人[害羞]”。 　　CoCoRoRo內(nèi)置紅外傳感器和攝像頭，我們可以通過智能手機(jī)遙控操作吸塵器，攝像頭拍攝到的畫面會實(shí)時顯示在手機(jī)屏幕上。此外，CoCoRoRo吸塵器還會對手機(jī)的重力感應(yīng)操作做出相應(yīng)反饋。由于采用了超聲波傳感器，CoCoRoRo在清潔地板時不會碰到家居和寵物。 圖1-1 智能吸塵器COCOROBO 2002年10月１日，瑞典的拉克斯電子公司與日本東芝公司共同開發(fā)的清潔機(jī)器人 “特里洛巴伊特”上市銷售，“特里洛巴伊特”主要由清掃機(jī)器和超聲波傳感器構(gòu)成，在工作時可避開室內(nèi)擺放的各種家具用品。只要家庭主婦領(lǐng)著它搞過一次清掃后，它便可以按行走過的清掃線路進(jìn)行自動清掃。這種機(jī)器人是充電式的，每一次充電可連續(xù)工作 １小時。 瑞典家電制造商伊萊克斯（EIectoIux）研制生產(chǎn)的清潔機(jī)器人小“三葉蟲”高13ｍｍ，直徑35ｍｍ，表面光滑，呈圓形，內(nèi)置搜索雷達(dá)，可以迅速地探測到并避開桌腿、玻璃器皿、寵物或任何其它障礙物。一旦微處理器識別出這些障礙物，它可重新選擇路線，并對整個房間做出重新判斷與計算，以保證房間的各個角落都被清掃。在樓梯的臺階等一些沒有天然障礙物的地方，只要有一條磁鐵，小“三葉蟲”便不會跨越。小“三葉蟲”開始啟動后，體內(nèi)的搜索雷達(dá)會探測出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡。這樣它便能探測出整個房間的格局，計算出清掃整個房間所需的時間。只要一接近一件障礙物，它便會重新設(shè)定行進(jìn)路線，不會漏掉每一個角落。電線或地毯的邊緣不會被認(rèn)作是 圖1-2 三葉蟲 障礙物。小 “三葉蟲”的吸刷裝置中裝有一只專利設(shè)計滑輪，可以越過電線或地毯邊緣，不被絆住。電源不足時，小“三葉蟲”會自動回到充電卡座自行充電。如果此時房間還沒有清掃完畢，小“三葉蟲”還有記憶功能，充好電后自己回到原處繼續(xù)吸塵。 2003年11月，三星公司推出一款代號為VC-RP30W的機(jī)器人吸塵器。VC-RP30W主要依靠3D地圖技術(shù)來進(jìn)行定位，并能靈巧地躲避障礙物，能夠快速、高效地對房間每個角落進(jìn)行吸塵。當(dāng)遇到障礙物或者死角等情況，VC-RP30W會自動轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作。其強(qiáng)大的智能判斷系統(tǒng)使得VC- RP30W能輕易地分辨出垃圾與其他日常生活用品，機(jī)器人也允許用戶定義它的工作時間及清掃區(qū)域等，從而實(shí)現(xiàn)主人不在家時機(jī)器人也能進(jìn)行自動清掃。事實(shí)上，用戶除了可以對它本身進(jìn)行設(shè)置以外，還能通過計算機(jī)查看安裝在機(jī)器人前部的攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。整個器人的電池能維持它連續(xù)工作50分鐘，而一旦電池處于即將耗盡的狀態(tài)時它自動回到充電座補(bǔ)充能源，非常地智能化。它回充電站使用的是已經(jīng)生成的3D地圖，而不是像RC3000那樣使用紅外的導(dǎo)航信號。 1.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 在國內(nèi)的一些大學(xué)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也對清潔機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究并取得了一些成果，對清潔機(jī)器人相關(guān)技術(shù)如機(jī)器感知、機(jī)器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機(jī)器人控制、電源與電源管理、動力驅(qū)動等技術(shù)的研究則更多，這些都為清潔機(jī)器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)于90年代開始致力于這方面的研究，與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動清掃機(jī)器人。該機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：采用全方位移動技術(shù)，使機(jī)器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開放式機(jī)器人鉸制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬件可擴(kuò)展，軟件可移植、可繼承，使機(jī)器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實(shí)時避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運(yùn)動兩種運(yùn)行方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)吸塵腔路的自動轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。 浙江大學(xué)于1999年初在浙江大學(xué)機(jī)械電子研究所開始進(jìn)行智能吸塵機(jī)器人的研究，兩年后設(shè)計成功國內(nèi)第一個具有初步智能的自主吸塵機(jī)器人。這種智能吸塵機(jī)器人工作時，首先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)：利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時間；之后，利用隨機(jī)和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結(jié)束以后，自行回到充電座補(bǔ)充電力。吸塵機(jī)器人在5.5×3.5m2的實(shí)際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達(dá)到90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗(yàn)還沒有進(jìn)行。目前，系統(tǒng)正在引入機(jī)器視覺和全局定位功能，力圖在多房間環(huán)境下，提高自定位能力、智能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。如圖1-4所示。KV8保潔機(jī)器人是今年在市場以低價位賣得比較火的一款產(chǎn)品，也是國內(nèi)首個產(chǎn)品化清掃機(jī)器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂場所，以及其它一些人員不便進(jìn)入的地方。KV8能夠通過自身的碰撞傳感器來實(shí)現(xiàn)隨機(jī)的清掃和碰撞處理，需要人工對其電池進(jìn)行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動時伴有音樂聲。 圖1-3國內(nèi)公司生產(chǎn)的機(jī)器人KV8 1.2.3 自主充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 在20世紀(jì)40年代末，Grey Walter開發(fā)第一個自主充電的移動機(jī)器人名為：“Tortoises”，這種機(jī)器人具有在神經(jīng)學(xué)研究中向著光線走的行為。Walter還發(fā)明了一個可以充電的小櫥，櫥中有能夠發(fā)射光束的裝置和充電器，并把它當(dāng)作充電站。通過光線束的引導(dǎo)，機(jī)器人來到櫥前通過接觸從而進(jìn)行自主充電。這個系統(tǒng)有如下的特征： (1)機(jī)器人的感知行為：感光； (2)充電站能夠發(fā)出機(jī)器人可以感知的光束； (3)能夠?qū)﹄姵睾统潆娖鬟M(jìn)行具有一定準(zhǔn)確性地對接。 1998年，Tsukuba大學(xué)成功開發(fā)出了一款可以自動充電的名為Yamabico-Liv的導(dǎo)游機(jī)器人。通過使用導(dǎo)航系統(tǒng)，該機(jī)器人能夠利用地圖自主導(dǎo)航繞越實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境到達(dá)充電站，通過充電站上一些特殊的裝置的作用，實(shí)現(xiàn)自主充電。 最近，位于美國的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人研究中心也開發(fā)出了一種叫做Sage的導(dǎo)游機(jī)器人，它是從卡內(nèi)基梅隆歷史博物館所使用的導(dǎo)游機(jī)器人Nomad XR4000改進(jìn)而來。機(jī)器人Sage通過其所攜帶的CCD攝像頭對標(biāo)識環(huán)境的三維路標(biāo)等進(jìn)行識別和處理，從而自主地尋找充電站實(shí)現(xiàn)自動充電。路標(biāo)被直接放于充電站的插座的正上方，通過它的引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可靠地?？吭陬A(yù)設(shè)的充電位置處，從而實(shí)現(xiàn)充電，在插座和插孔中間沒有別的東西。在174天的操作運(yùn)行中，這個機(jī)器人成功地實(shí)現(xiàn)135天無故障地運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時，大約每九天就偶爾會要人為地進(jìn)行一些精度校正。 1.3 研究的目的和意義 吸塵機(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，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)器人的一個特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自主式吸塵器比較具體地體現(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，自主吸塵器將大大降低勞動強(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)。 第二章 家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 全自主吸塵器通?？捎?個主要部分組成：控制器部分、行走驅(qū)動部分、傳 感器部分、吸塵部分和電源部分。行走驅(qū)動部分是吸塵機(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)。傳感器部分一般采用超聲波測距儀、接觸 和接近傳感器、視覺傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機(jī)等。這種吸塵器實(shí)際上融合了移動機(jī)器人和吸塵器技術(shù)，故稱為智能吸塵器或吸塵機(jī)器人。隨著近年 來計算機(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，吸塵 機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)己具備了堅實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。目前發(fā)展 較快、對吸塵機(jī)器人發(fā)展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是：傳感器技術(shù)、環(huán)境建模、定位、 路徑規(guī)劃技術(shù)。 2.1 傳感技術(shù) 傳感器是機(jī)器人的感覺器官，負(fù)責(zé)采集外界環(huán)境和自身狀態(tài)的信息。根據(jù)采 集信息的種類可以分為內(nèi)傳感器和外傳感器。內(nèi)傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)自身狀態(tài)的 信息，包括編碼器、陀螺儀、電子羅盤等。外傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)外部信息，包 括CCD視覺傳感器、激光雷達(dá)、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感 器。超聲波、紅外和接觸傳感器，具有價格低廉、工作可靠、速度快的優(yōu)點(diǎn)，廣 泛應(yīng)用于機(jī)器人的局部無碰撞導(dǎo)航。激光雷達(dá)是應(yīng)用較為廣泛的一種全局信息獲 取手段，可以進(jìn)行定位和環(huán)境建模，但是所提供的信息不全面，并且價格較高， 限制了其應(yīng)用范圍。而CCD器件可以提供類似人類的視覺信息，隨著技術(shù)的發(fā) 展，其價格越來越低，在車牌識別、人臉識別、無人監(jiān)控、遙感圖像等領(lǐng)域得到 越來越廣泛的應(yīng)用。但是圖象處理的數(shù)據(jù)量大，算法復(fù)雜，特征提取和深度信息 回復(fù)困難，所以在機(jī)器人視覺方面的應(yīng)用還是有限的。隨著集成電路的發(fā)展和計 算機(jī)視覺的深入研究，CCD視覺傳感器必將成為機(jī)器人環(huán)境感知的主要來源， 同時促使機(jī)器人智能產(chǎn)生飛躍。 2.2 路徑規(guī)劃技術(shù) 吸塵機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息,按照某種優(yōu)化指標(biāo),在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑,并且實(shí)現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。機(jī)器人路徑規(guī)劃研究開始于20世紀(jì)70年代,目前對這一問題研究仍舊十分活躍。其主要研究內(nèi)容按機(jī)器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動態(tài)已知環(huán)境和動態(tài)不確定環(huán)境,按機(jī)器人獲取環(huán)境信息的方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。 對運(yùn)動規(guī)劃問題,目前有具體的解析算法。但由于解析算法牽涉到復(fù)雜的橢圓積分問題,實(shí)現(xiàn)起來依然具有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)機(jī)器人對環(huán)境信息知道的程度不同,可以分為兩種類型:環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知,通過傳感器在線地對機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測,以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息的局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個子問題。其中環(huán)境建模的主要方法有:可視圖法(V-Graph)、自由空間法 (Free Space Approach)和柵格法(Grids)等。 2.3 吸塵技術(shù) 真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇在機(jī)體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流,將塵埃和臟物通過吸口吸入機(jī)體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。吸塵系統(tǒng)包括濾塵器、集塵袋、排氣管以及其他一些附件。其吸塵能力取決于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。最近,澳大利亞Jetfan公司又開發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個吸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)氣體排除,所以就無需濾塵器、集塵袋、排氣管等附件。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)。在英國Dyson公司最近推出的DC06型智能吸塵器中就采用了這種技術(shù)。 吸塵技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)按功能分為五個部分： 1、動力部分：吸塵器電機(jī)和調(diào)速器。調(diào)速器分手控、機(jī)控。 電機(jī)：有銅線電機(jī)和鋁線電機(jī)之分。銅線電機(jī)有耐高溫、壽命長、單次操作時間長等優(yōu)點(diǎn)，但價格較鋁線比較高；鋁線電機(jī)有著價格低廉的特點(diǎn)，但是耐溫性較差、熔點(diǎn)低、壽命不及銅線長。?? 　　2．過濾系統(tǒng)：塵袋、前過濾片、后過濾片。按過濾材料不同又分：紙質(zhì)、布質(zhì)、SMS、海帕（HEPA高效過濾材料）。 3．功能性部分：收放線機(jī)構(gòu)、塵滿指示、按鈕或滑動開關(guān)。 　　4．保護(hù)措施：無塵袋保護(hù)、真空度過高保護(hù)、抗干擾保護(hù)（軟啟動）、過熱保護(hù)、防靜電保護(hù)。 吸塵原理：吸塵器的風(fēng)機(jī)葉輪在電動機(jī)高速驅(qū)動下，將葉輪中的空氣高速排出風(fēng)機(jī)，同時使吸塵部分內(nèi)空氣不斷地補(bǔ)充進(jìn)風(fēng)機(jī)。這樣不妨與外界形成較高的壓差。吸嘴的塵埃、臟物隨空氣被吸入吸塵部分，并經(jīng)過漏器過漏，將塵埃、臟物收集與塵筒內(nèi)。 2.4 電源技術(shù) 移動電源在吸塵機(jī)器人中的地位十分重要,可以說是它的生命源。移動電源需要同時滿足吸塵機(jī)器人的多種能源需要,如為移動機(jī)構(gòu)提供動力,為控制電路提供穩(wěn)定的電壓和為吸塵操作模塊提供能源等。在這一領(lǐng)域,一般采用化學(xué)電池作為移動電源。理想的電源應(yīng)該能夠在放電過程中保持恒定的電壓、內(nèi)阻小以便快速放電、可充電以及成本低等。但實(shí)際上沒有一種電池可同時具備上述優(yōu)點(diǎn),這就要求設(shè)計人員選擇一種合適的電池,盡可能增加吸塵機(jī)器人的不間斷工作時間。 移動電源目前主流的類型有五種： 　　類型一，帶照明功能的移動電源，內(nèi)置節(jié)能超強(qiáng)LED照明燈，非常省電。如果單純用于LED照明上，根據(jù)內(nèi)置電池容量大小可以使用3小時到30小時甚至更加，這個取決于移動電源的電池容量。 類型二，只帶充電功能的移動電源，這種充電器不帶任何什么其他擴(kuò)展功能。優(yōu)點(diǎn)是這類型充電器容量大，非常適合做專業(yè)外置電源。) 　　類型三，帶太陽能板的移動電源，在使用過程中可以通過太陽光充電從而達(dá)到補(bǔ)足電量的目的。這類移動電源以前主要應(yīng)用在特種部隊和特殊行業(yè)上。民用上隨著太陽能板轉(zhuǎn)化率的逐步提高，現(xiàn)在也逐步流行起來。 類型四，使用靈活的柔性單片集成電路pv薄膜太陽能面板，將)太陽能儲存在蓄電池中，也可以直接將太陽能轉(zhuǎn)化的電能傳輸給電子設(shè)備。在光線不好的條件下，也能將能源捕獲效率最大化，可彎曲、防水等優(yōu)點(diǎn)，相比其他太陽能產(chǎn)品，更加地靈活輕便。 　　類型五，以最新技術(shù)及最安全的鋰聚合物電芯生產(chǎn)出的最高質(zhì)量安全品質(zhì)的移動電源,將電量儲存在蓄電池電芯中,更高更快的將電量傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備.隨時實(shí)現(xiàn)可隨充隨用,邊打邊充.方便快捷,安全保護(hù)的優(yōu)點(diǎn),相比其他移動電源產(chǎn)品,安全性做到了最高. 　　不同種類移動電源核心部件，簡要的來說有兩部分，一是存儲電量的介質(zhì)，而是把其他能量轉(zhuǎn)化成電量的介質(zhì)。所以電芯的好壞可以作為衡量移動電源品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。 2.5 環(huán)境建模 環(huán)境建模是移動機(jī)器人一個基礎(chǔ)而重要的課題。環(huán)境建模是在傳感器信息的 基礎(chǔ)上，對工作環(huán)境進(jìn)行二維或者三維重建。自主吸塵機(jī)器人的工作環(huán)境為三維 環(huán)境，但是它總是約束在地面并且高度有限，因此可以強(qiáng)環(huán)境地圖簡化為二維模 型。地圖的形式主要由三種：幾何信息表示法，拓?fù)鋱D表示法和結(jié)合幾何信息和 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)合方法。幾何法可以精確描述環(huán)境，但是隨著分辨率的提高和環(huán)境 面積的增大，數(shù)據(jù)量迅速增大，很難滿足實(shí)時性的要求；拓?fù)涞貓D具有抽象性的 特點(diǎn)，所以對環(huán)境變化和傳感器噪聲不敏感，并且存儲小，但是分辨率較低，所以目前研究者重點(diǎn)放在結(jié)合幾何信息和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)合方法上。 2.6 自主移動系統(tǒng) 自主移動清潔機(jī)器人是自主移動機(jī)器人的一種。其最主要的特征是自主移 動性，具有一個移動平臺，能夠在結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的，已知的或未知的環(huán)境 中自主移動。這涉及到傳感器技術(shù)、環(huán)境信息分析、環(huán)境建模、通訊、運(yùn)動控 制以及高級人工智能等多種復(fù)雜技術(shù)的綜合集成。輪式、履帶式移動機(jī)構(gòu)在移 動機(jī)器人中應(yīng)用較多。輪式移動機(jī)構(gòu)動作平穩(wěn)，自動操縱簡單，在無人工廠中， 用來搬運(yùn)零部件或做其他工作，應(yīng)用最廣泛。輪式移動機(jī)構(gòu)最適合平地行走， 但如果不是特殊結(jié)構(gòu)就不能跨越高度，不能爬樓梯。普通的輪式移動機(jī)構(gòu)一般 有3個輪、4個輪或6個輪它們或使用驅(qū)動輪和自位輪，或使用驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向 機(jī)構(gòu)。履帶式移動機(jī)構(gòu)可以在凹凸的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度 不太高的臺階，但由于沒有自位輪，沒有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，靠左右兩個履帶的速度差 來轉(zhuǎn)彎，在橫向和前進(jìn)方向會產(chǎn)生滑動。轉(zhuǎn)彎阻力大，不能準(zhǔn)確地確定回轉(zhuǎn)半 徑。常見的輪式機(jī)構(gòu)有三輪結(jié)構(gòu)或四輪結(jié)構(gòu)：三輪移動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)最簡單，控制 最方便，三點(diǎn)確定一個平面。三輪支撐在理論上是穩(wěn)定的，但這種裝置很容易 在施加到角落的力作用下翻倒，對負(fù)載有一定限制。然而對采用三輪移動機(jī)構(gòu) 的機(jī)器人來說，重心都比較低，載荷穩(wěn)定且中心位置基本不發(fā)生變化，所以三 輪移動機(jī)構(gòu)應(yīng)用很廣泛。本論文中清潔機(jī)器人采用三輪移動機(jī)構(gòu)。 第三章 清潔機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計 3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理 3．1.1模塊化設(shè)計 模塊化設(shè)計是一種著重解決產(chǎn)品品種、規(guī)格、與設(shè)計制造的周期、成本之間 矛盾的現(xiàn)代化設(shè)計方法，是在對一定范圍內(nèi)的產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ) 上，劃分并設(shè)計出一系列功能獨(dú)立、結(jié)構(gòu)獨(dú)立的基本單元一模塊，并使模塊系列 化、標(biāo)準(zhǔn)化，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品或系統(tǒng)，以滿足不同需 求的設(shè)計方法。模塊化設(shè)計在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上具有明顯的優(yōu)勢，經(jīng)理論分析和實(shí) 踐證明，其意義主要體現(xiàn)在下述借個方面： 1可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計和制造周期，從而大大地縮短供貨期限。 2有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代以及新產(chǎn)品的開發(fā)，增加對市場的快速應(yīng)變能力。 3有利于提高質(zhì)量，降低成本，增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭能力。 4便于維修 服務(wù)機(jī)器人具有環(huán)境多義性和高智能化的特點(diǎn)，設(shè)計周期和制造成本成為急 需解決的難題。模塊化概念的引入為推動服務(wù)機(jī)器人實(shí)用化進(jìn)程提供了新的思 路，選擇適當(dāng)?shù)哪K機(jī)器人拓?fù)潢P(guān)系和標(biāo)準(zhǔn)模塊，迅速組成模塊機(jī)器人是縮短機(jī) 器人設(shè)計周期和降低成本的有效途徑。 目前模塊設(shè)計主要存在3個方面問題 l合理劃分模塊。模塊劃分的合理，則模塊的適應(yīng)力強(qiáng)，組合性好。要做到這 一點(diǎn)，除進(jìn)行功能分析之外還應(yīng)很好的解決模塊之間的聯(lián)系問題，這種聯(lián)系既要 滿足安裝、定位的要求，又要滿足力流和運(yùn)動傳遞方面的需求。 2模塊的管理。模塊化設(shè)計的產(chǎn)品不同常規(guī)產(chǎn)品，而是按照模塊為單元進(jìn)行管 理。充分利用現(xiàn)有模塊，進(jìn)行合理組合，并使能迅速有效的組成滿足需要的產(chǎn)品 3解決好造型與冗余結(jié)構(gòu)冗余的問題。模塊用于不同規(guī)格的產(chǎn)品，常會有尺寸 上的不協(xié)調(diào)問題，所以在進(jìn)行模塊化設(shè)計時必須同時注意其造型。 全自主智能吸塵器應(yīng)包括吸塵器車體、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、行走驅(qū)動系統(tǒng)、 吸塵系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等組成。其中控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理單元、運(yùn)動控制單元等：驅(qū)動系統(tǒng)包括移動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動電機(jī)和減速裝置等。每個模塊系統(tǒng)的在緊密相連的 同時保持很大的獨(dú)立性，不僅便于設(shè)計，安裝，調(diào)試，而且各個部分都能實(shí)現(xiàn)自 己特有的功能。 3．1.2車體設(shè)計 不僅機(jī)器人各個系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計思想，車體本身的機(jī)械設(shè)計也采用了 模塊化設(shè)計思想。整個機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以分為：2個后輪驅(qū)動系統(tǒng)，前輪系統(tǒng)，吸塵系統(tǒng)。系統(tǒng)模塊都是單自由度和車體基板相連接。機(jī)器人本體良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計是其他各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)。由于移動機(jī)器人所采用的機(jī)械傳動方式，加工制作等所產(chǎn)生的固有誤差，勢必對移動機(jī)器人的控制帶來影響，增加控制難度，所以在機(jī)器人本體設(shè)計上，要充分考慮這些因素，盡量減小系統(tǒng)的固有誤差，為實(shí)現(xiàn)更精確的控制創(chuàng)造條件。移動機(jī)器人的機(jī)械傳動盡可能選用一些傳動平穩(wěn)、可靠、簡單實(shí)用的傳動方式。車體的形狀，傳感器的種類、數(shù)量和位置，軟件所采取的算法，這三者必須作為一個整體綜合加以考慮才易于使智能吸塵器達(dá)到良好的效果。車體形狀的選擇應(yīng)該比較優(yōu)化和適當(dāng)簡化，這樣智能吸塵器不僅便于移動和工作，也便于傳感器的安裝和提高傳感器的利用效果，最后對軟件的編寫也是有利的，比如使程序結(jié)構(gòu)更合理，更簡潔，易于閱讀，執(zhí)行速度更快，可靠性提高吸塵器外形將影響它的覆蓋區(qū)域。好的外形不僅能降低移動機(jī)器人的算法復(fù)雜程度，而且能減少區(qū)域邊角的死區(qū)，還能降低能耗提高行走精確度。吸塵器外形主要有矩形、圓形?？紤]到機(jī)構(gòu)和控制的復(fù)雜性本文吸塵器采用圓形本體，圓形車體的最大優(yōu)點(diǎn)就是運(yùn)動靈活，控制簡單，不會發(fā)生卡死的現(xiàn)象。本文的吸塵器原形樣機(jī)的車體采用鋁合金板經(jīng)機(jī)械加工而成。車體前端是由一套機(jī)械裝置和光電開關(guān)組成，用于檢測運(yùn)動方向上的障礙物。左右二個后輪獨(dú)立驅(qū)動，每個輪子都有電機(jī)、碼盤、光電傳感器，各自是一個獨(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。中間部分是吸塵系統(tǒng)，包括一個電機(jī)驅(qū)動的吸塵裝置。 圖 3-13．1.3車輪系統(tǒng) 行走機(jī)構(gòu)、車輪的個數(shù)、車輪的平面布置、驅(qū)動輪和從動輪的個數(shù)及分配對 車體的靈活性、準(zhǔn)確定位和導(dǎo)航都有著非常關(guān)鍵的影響。行走機(jī)構(gòu)的決定應(yīng)以盡 量減少滑動，控制策略不過分復(fù)雜，制作相對容易為原則。常見的行走機(jī)構(gòu)有三 輪結(jié)構(gòu)或四輪結(jié)構(gòu)：三輪結(jié)構(gòu)簡單、靈活，穩(wěn)定性稍差；四輪結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。一 些結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些驅(qū)動方式有三種：前輪轉(zhuǎn)向前輪驅(qū)動，前輪轉(zhuǎn)向后輪差速驅(qū)動， 兩后輪獨(dú)立驅(qū)動。前輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動方式移動靈活、控制精度高，后輪獨(dú)立驅(qū)動方式驅(qū)動機(jī)構(gòu)簡單、控制精度稍差。綜合利弊，本文采用在室內(nèi)移動機(jī)器人中應(yīng)用廣 泛的三輪結(jié)構(gòu)，兩后輪獨(dú)立驅(qū)動方式前輪為隨動輪靠兩后輪之間的速度差來控制 小車的運(yùn)動方向。前面的萬向輪為隨動輪，無導(dǎo)向作用輪子的材料采用鋁合金加 橡皮護(hù)套，既可以避免橡皮輪因壓癟變形導(dǎo)致誤差，又可以避免金屬輪因摩擦阻 力小導(dǎo)致滑動，兩后輪分別由一臺直流電機(jī)經(jīng)一對蝸輪蝸桿變速后驅(qū)動。 按照上述的移動結(jié)構(gòu)，清潔機(jī)器人采用兩直流電動機(jī)獨(dú)立驅(qū)動左右兩輪的差動方式，控制簡單、精確、易于實(shí)現(xiàn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)吸塵機(jī)器人的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退，以及調(diào)頭等功能，清潔機(jī)器人能夠在任意半徑下，以任意速度實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)彎，甚至可以實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑(即繞軸中點(diǎn)原地旋轉(zhuǎn))。 圖3-2 萬向輪 3.1.4工作原理 清潔機(jī)器人由多個功能模塊共同組成，這幾個模塊共同工作、相互協(xié)調(diào)、相互作用，保證了機(jī)器人能夠順利的進(jìn)行清掃。具體的工作原理如下清潔機(jī)器人的中心是清潔機(jī)器人的CPU，它對其它各個功能模塊進(jìn)行控制。信息采集模塊負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境以及機(jī)器人本身的各種信息。鍵盤模塊和紅外遙控接收模塊可以接收人們對機(jī)器人的控制信息，然后把信息傳給CPU進(jìn)行處理。當(dāng)接收到需要機(jī)器人進(jìn)行清掃工作的信號時，CPU可以通過控制行走機(jī)構(gòu)和清潔機(jī)構(gòu)讓機(jī)器人進(jìn)行工作。在機(jī)器人工作的過程中還可以通過LCD顯示模塊和狀態(tài)指示模塊對機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行時實(shí)的顯示。 機(jī)器人工作的流程如下: (l) 首先可以通過鍵盤或者遙控器啟動清潔機(jī)器人，讓它開始清掃工作。 (2) 機(jī)器人一旦開始工作，便控制吸塵機(jī)構(gòu)開始吸塵。 (3) 機(jī)器人開始工作，傳感探測模塊就開始不斷地采集外部信息，送到CPU進(jìn)行分析和決策產(chǎn)生機(jī)器人行走的路徑。 (4) 當(dāng)路徑規(guī)劃需要機(jī)器人實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的時候。CPU就分別改變左右輪的速度，通過差速來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 (5) 工作期間機(jī)器人可以通過LCD顯示一些相關(guān)信息(比如工作模式、工作計時或溫度)。 (6) 遙控器除了可以控制清潔機(jī)器人的啟停，還可以對機(jī)器人進(jìn)行定時，讓機(jī)器人在一定時間后開始工作或者工作一定時間后停止工作。 3.2 清潔機(jī)器人總體設(shè)計 3.2.1 機(jī)器人外形設(shè)計 根據(jù)家庭清潔機(jī)器人的設(shè)計要求，本次設(shè)計的機(jī)器人應(yīng)該包括清掃機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)、垃圾收集處理機(jī)構(gòu)，其中清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計尤為重要。通過在網(wǎng)上搜索一些相關(guān)資料以及在圖書館查閱的資料，初步把機(jī)器人的外形設(shè)計為長寬均為400mm高為200mm的長方體，但是后來發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的結(jié)構(gòu)的不合理之處，周邊有棱角的機(jī)器人在躲避障礙物是很不便，非常容易碰到障礙物，而圓形物體則比較容易避開障礙物。因而最終把機(jī)器人的外形設(shè)計為圓盤形，其外部輪廓大體如圖所示 圖3-3 小車外形 3.2.2 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計 為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑為0，在機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)中采用兩輪驅(qū)動，兩個驅(qū)動輪對稱分布在清掃機(jī)構(gòu)的后方，兩個輪子和刷子支撐機(jī)體工作和運(yùn)動，這樣設(shè)計既節(jié)省材料，又可以使刷子和地面全面的接觸，從而利于更徹底的清掃。在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時，通過控制行走機(jī)構(gòu)的兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而控制兩個輪子，通過輪子的前后差速運(yùn)動實(shí)現(xiàn)機(jī)體的轉(zhuǎn)彎半徑為0。 圖3-3 3.2.3 吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計 因?yàn)樗O(shè)計的機(jī)器人它的體積有限制，在直徑為三百五十，高為一百七十的圓內(nèi)要放置有行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)，同時還得留下放電池、控制中心、觀察中心的地方。故將吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)置如下圖所示 圖3-5 吸塵模塊 其中包括濾塵袋、吸塵風(fēng)葉、吸塵電機(jī)、電機(jī)箍以及支撐板。吸塵盒、支撐板和電機(jī)箍的材料均為工程塑料。這樣就保證了吸塵機(jī)構(gòu)體積小，質(zhì)量輕。 第四章 具體計算 4.1 電機(jī)選擇 (1) 初步估計機(jī)器的總重量為9千克，g取9.8N/kg，則G=9*9.8=88.2N 則分配到每個輪子上的載荷位F=1/3G=1/3*88.2=29.4N 按橡膠在優(yōu)質(zhì)路面上行走，取，， 則：滾動摩擦阻力 滑動摩擦阻力=F=22.1*0.1=2.94N 由前面的總體設(shè)計中機(jī)器的各個機(jī)構(gòu)的布局安排，車體底盤應(yīng)至少高于地面10mm,取輪子直徑D為80mm，則R=1/2D=40mm,則輪子行走過程中所受的阻力矩： （2）工作機(jī)要求的功率 式中： 由 取則：，電機(jī)所需的輸出的功率 ,其中 則電機(jī)所需的輸出的功率==3.97W （3）確定電機(jī) 考慮到機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時要求其轉(zhuǎn)彎半徑為零，這樣就要求兩個和電機(jī)相連的輪子在轉(zhuǎn)彎時必須差速運(yùn)轉(zhuǎn)從而才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零。而要實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)轉(zhuǎn)則要求電機(jī)具有調(diào)速功能，再由（2）中所算得電機(jī)輸出功率，從而通過在網(wǎng)上搜索查到了寧波市北倉深港交流調(diào)速電機(jī)廠生產(chǎn)的YCJT系列電機(jī)滿足設(shè)計中所需要的電機(jī)要求 ，因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)本機(jī)器時電機(jī)需要輸出的功率為3.97W，由寧波市北倉深港交流調(diào)速電機(jī)廠網(wǎng)站上給的產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和安裝型號中選型號為YCJT-6-1，輸出功率為6W，速度可調(diào)范圍為90~1350r/min，1200 r/min時轉(zhuǎn)距為5 N.cm，啟動轉(zhuǎn)距為3.5N.cm的電機(jī)，因?yàn)槠湓跐M足要求的情況下尺寸比我所查到的電機(jī)的尺寸都小，所以選用它為驅(qū)動機(jī)構(gòu)的電機(jī)。 圖4-1 驅(qū)動電機(jī) 4.2 蝸輪蝸桿的選擇 （1）因?yàn)楸敬卧O(shè)計所用的蝸桿和蝸輪是傳動機(jī)構(gòu)功率的輸入部分，是機(jī)器人結(jié)構(gòu)中最重要的部分，所以選蝸桿軸材料為40Cr，表面淬火，硬度45～50HRC,蝸輪齒圈材料為ZcuSn10Pb1,金屬模鑄造。 確定許用應(yīng)力： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N60nL=60*206*12000=1.48 查《機(jī)械設(shè)計》得：=230MPa =90MPa =.=194MPa；MPa （2）選擇z、z 根據(jù)傳動比I=7.25，參考蝸輪蝸桿參數(shù)表，取z=4,則z=29； （3）.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計 先查《機(jī)械設(shè)計》確定計算公式所需參數(shù)：； 取 因載荷平穩(wěn)，通過跑合可以改善偏載程度，取 則載荷系數(shù) ； ① 當(dāng)z=4時，=0.7～0.75，取=0.7；代入①式中得： N.mm 查《機(jī)械設(shè)計》得：； 將這些數(shù)據(jù)代入接觸強(qiáng)度計算公式，求得： ； 按接觸強(qiáng)度要求，，查表選取 m=2mm ,d=18mm,z=4, q=11.20,z=29,。中心距，； （4）驗(yàn)算初設(shè)參數(shù) 蝸輪圓周速度v=0.63m/s 原估計，選值，相符。 滑動速度，在范圍內(nèi)，所選材料合適。 蝸桿傳動效率 根據(jù)，查表得， 0.83，傳動效率，與初選不符，傳動效率應(yīng)適當(dāng)降低。 （5）.驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和剛度 =58.4 MPa 蝸輪當(dāng)量齒數(shù) ， 查得齒形系數(shù) ； 則可求得：=0.917 代入①式中 =27.85MPa 成立，彎曲強(qiáng)度滿足要求。 （6）.蝸桿、蝸輪幾何尺寸計算 蝸桿齒頂圓直徑 =22.5mm （） 蝸桿齒根圓直徑 =19mm （=0.2） 蝸輪喉圓直徑 （） 蝸輪齒根圓直徑 36.8mm 由于蝸桿傳動效率低所以工作時產(chǎn)生的熱量相對較大。對閉式蝸桿傳動，摩擦所產(chǎn)生的熱量將通過箱體散發(fā)到周圍空氣中去。本設(shè)計中蝸桿傳動產(chǎn)生的熱量直接散發(fā)到集體內(nèi)，通過吸塵時產(chǎn)生的風(fēng)力將熱量排帶機(jī)體外。 因?yàn)槲仐U傳動的效率主要取決于嚙合效率，而蝸桿分度圓導(dǎo)程角對嚙合效率其主要影響，導(dǎo)程角大于30度以后嚙合效率增加不顯著且蝸桿加工也較困難，所以本設(shè)計中蝸桿導(dǎo)程角小于30度，同時減小了中心距進(jìn)而減小了蝸桿的直徑，從而提高了嚙合效率，因而進(jìn)一步提高了蝸桿的傳動效率。 4.3 吸塵機(jī)構(gòu)的電機(jī)的選擇 因?yàn)槲鼔m機(jī)構(gòu)中風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn)速度需要足夠高才可以實(shí)現(xiàn)吸塵目的，并可以把垃圾吸到濾塵袋中，因而選電機(jī)型號為55SZ01,轉(zhuǎn)速為3000r/min,功率為12W，其尺寸較小，又能滿足工作需要，所以選用它來做為吸塵機(jī)構(gòu)的動力輸入部分。 4.4 家庭清潔機(jī)器人電池的選用 工作環(huán)境對清潔機(jī)器人的能源提出了特殊要求，目前清潔機(jī)器人基本上都采用電池作為能源，電池有一次電池、二次電池和燃料電池。作為機(jī)器人能源的一次電池要求能量密度高、自放電少、可靠性高，一次電池有錳干電池、堿性錳電池、鉀電池、汞電池、氧化銀電池等。干電池應(yīng)用范圍廣，使用溫度越汞電池、氧化銀電池等。干電池應(yīng)用范圍廣，使用溫度越高，電壓、容量都同時增大，但有可能造成自放電和產(chǎn)生氣體，使用溫度可達(dá) ５０℃－６０℃，在 ０℃以下容量急劇減少。堿性錳電池適合于大電流放電，放電容量很大，尺寸與干電池相同，具有互換性。銼電池電動勢高、能量密度高、工作溫度范圍大、自放電少，正逐步走向?qū)嵱没?，是一種非常好的機(jī)器人能源。二次電池又叫蓄電池，有鉛酸電池、銀鋅電池、鎳鎬電池和鎳鋅電池等。鉛酸電池是一種比較好的機(jī)器人能源，電壓高、壽命長、可高比率放電、價格低、結(jié)構(gòu)簡單可靠、工藝成熟，但能量密度低。銀鋅電池是現(xiàn)有二次電池中輸出功率最大、能量最高的電池，自放電速度慢，機(jī)械強(qiáng)度高，可短期超負(fù)荷放電，放電電壓平穩(wěn)，但價格貴、充電時間長、壽命短、充電次數(shù)少。鎳鎬電池和鎳鋅電池電壓低、價格貴，應(yīng)用較少。 燃料電池有堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體電解質(zhì)燃料電池等，燃料電池體積小、重量輕、壽命長、效率高、無污染，是一種非常好的清潔機(jī)器人用電源，但總的來說，目前還處于研究開發(fā)階段。 由以上對各種電池的分析，同時考慮到本次設(shè)計的要求，選用鉛酸電池比較合理，因?yàn)殂U酸電池是一種比較好的機(jī)器人能源，電壓高、壽命長、可高比率放電、價格低、結(jié)構(gòu)簡單可靠、工藝成熟，可降低制造家庭清潔機(jī)器人的總成本，因而本次設(shè)計選用兩組鉛酸電池作為機(jī)器人的能量來源，其安裝位置入家庭清潔機(jī)器人的裝配圖中所示。 4.5清掃機(jī)構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計算 （1）計算軸承壽命的基本公式為： h 其中：P- 當(dāng)量動載荷(N); - 壽命指數(shù)，球軸承=3，滾子軸承=10/3； n- 軸承轉(zhuǎn)速r/min; C- 基本額定動載荷（N），可由軸承樣本或有關(guān)機(jī)械設(shè)計手冊中查到。 經(jīng)查表的C =2.75*10 （2）計算角接觸軸承的當(dāng)量動載荷 基本公式為P= 其中：X - 徑向載荷系數(shù)，其值見機(jī)械設(shè)計P281 表12-12； Y - 軸向載荷系數(shù)，其值見機(jī)械設(shè)計P281 表12-12； R –軸承所承受徑向載荷； A - 軸承所承受軸向載荷； f- 載荷系數(shù)，考慮機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況對軸承載荷的影響，查表12-12（機(jī)械設(shè)計P281） 待求量為R ,A值 計算軸承所受的徑向載荷R。 經(jīng)計算解 得Fr=0.081N Fa=0.015 N 有已知條件可知，軸承是關(guān)于蝸輪對稱的，所以左右的距離相等。 所以R1=R2=Fr1/2=0.0405N 又因?yàn)檩S的質(zhì)量作用在軸承上，每個軸承大約承受0.1N 所以R1=R2=0.1405N 派生軸向力S1=S2=R/2Y=0.0468N 又因?yàn)镾2+Fa=0.0468+.015=0.0618N>0.0468N 所以軸承1壓緊，軸承2放松 所以A1=0.0618N,A2=0.0468N A1>A2,所以只需要校核軸承1即可 因?yàn)锳/R=0.0618/0.1405e 選取X=1,Y=0,fp=1.0 所以 P= =1.0*(1*0.1405+0*A)=0.1405 所以==1.08*10h 所以符合要求。 4.6 清掃機(jī)構(gòu)中蝸輪軸的校核 軸上能使產(chǎn)生彎距的力有 =0.081N =0.015N 兩個力在互相垂直的兩個平面上，L=30mm，D=12mm 如下兩個視圖 (a 圖4-2 受力示意圖 做彎距圖如4-3所示。 圖4-4 彎矩圖 由于前面已經(jīng)選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表 ，故符合強(qiáng)度要求。 第五章 總結(jié)也展望 5.1 發(fā)展趨勢 雖然自主吸塵機(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。 5.1.1 高度智能化 現(xiàn)在的自主吸塵機(jī)器人在行為上還處于“低級生物”的階段,環(huán)境感知能力有限,對路徑的規(guī)劃只是隨機(jī)的方式或者是基于局部環(huán)境信息的規(guī)劃方式.在復(fù)雜環(huán)境和多房間的環(huán)境下,這種工作方式的效率會銳減.因此,建立CCD視覺系統(tǒng),融合多種傳感器進(jìn)行定位和環(huán)境建模,實(shí)現(xiàn)全局路徑規(guī)劃,將是一個重要的研究方向.同時,算法必須考慮系統(tǒng)的處理速度、存儲空間的限制. 5.1.2 功能擴(kuò)展 自主吸塵機(jī)器人是一個可移動的智能平臺,在吸塵功能之外可以進(jìn)行功能擴(kuò)展,比如進(jìn)行家電控制、房間環(huán)境監(jiān)測(防止火災(zāi)、電器故障、盜竊等).這方面的市場需求已經(jīng)被Tmsuk和三洋公司抓住,并在2002年發(fā)布了兩款這樣的機(jī)器人. 5.1.3 低成本化 智能機(jī)器人是一個復(fù)雜的系統(tǒng),使用了大量的傳感器和一個或者多個高性能的微處理器,因此成本較高.但是為了讓普通人都可以享受科技進(jìn)步的成果,降低成本是個必由之路. 5.2 展望 盡管目前價廉物美的吸塵器給人們的清潔工作帶來了一定的便利,但過大的噪音依然讓大多數(shù)使用者望而卻步。吸塵機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域中的一個新產(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、價格低的特點(diǎn),吸塵機(jī)器人將具有誘人的市場前景,有關(guān)資料也預(yù)測吸塵機(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。盡管目前國內(nèi)外在吸塵機(jī)器人研究開發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過高和許多關(guān)鍵技術(shù)問題尚急待解決或提高,主要有以下幾個方面: (1)目前,價格過高是嚴(yán)重影響吸塵機(jī)器人打入家電市場的主要因素,因此為了大幅度降低其成本,我們必須開發(fā)專用運(yùn)動控制和數(shù)字處理芯片以及微型傳感器。其次,應(yīng)該看到藍(lán)牙技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景,通過采用藍(lán)牙技術(shù)將過高的數(shù)字處理器成本轉(zhuǎn)移到用戶的個人電腦上,則有望在短期內(nèi)將吸塵機(jī)器人的成本控制在千元左右。 (2)未來的吸塵機(jī)器人將向智能化和自主式發(fā)展,因此我們必須結(jié)合現(xiàn)有的基于自適應(yīng)控制、模糊邏輯、遺傳算法等的移動機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃和控制技術(shù),研究開發(fā)出對環(huán)境變化具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性、對環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運(yùn)動規(guī)劃與 控制器,使吸塵機(jī)器人完成與人工操作質(zhì)量相同甚至更好的吸塵工作。 (3)為了有效地提高清潔的質(zhì)量,還需要對現(xiàn)有的吸塵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)環(huán)境的臟潔程度,采用模糊邏輯等技術(shù)設(shè)計合理的吸塵時間以及相協(xié)調(diào)的機(jī)器人運(yùn)動速度,確保滿意的吸塵效果。 (4)電源技術(shù)是吸塵機(jī)器人的核心之一,除了有效地提高機(jī)器人運(yùn)動和吸塵速度以延長電池的實(shí)際吸塵時間外,還尚需優(yōu)化自動充電方案,保證機(jī)器人能及時進(jìn)行充電,自動完成對指定環(huán)境的吸塵任務(wù)。隨著吸塵機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)和性能價格比的不斷提高或改進(jìn),相信根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件,未來幾年內(nèi)就會推出價格適中的全自動吸塵機(jī)器人產(chǎn)品,進(jìn)而使吸塵機(jī)器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進(jìn)千家萬戶,為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來可觀的市場和經(jīng)濟(jì)效益。 參考文獻(xiàn) [1] 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