毕业论文基于单片机的清扫机器人设计

毕业设计  (论文 ) 题     目     基于单片机的清扫机器人设计     学     院          机电工程学 院               专业班级                         学生姓名                             指导教师                             成     绩                                   2016年      06 月       10日   1 摘     要  智能家庭 清扫机器人 结合了 传感器、移动机器人 技术等多个 领域的关 键技术，实现室 内环境 （地面）的 半自动或 全自动 清洁，替代了传统的人工清洁工作，具有十分广阔的市场前景。本文首先综述了家庭清扫机器人的国内外研究现状，在综合比 较了国内外多种典型产品的基础上，提出适合中低端用户使用的家庭清扫机器人整体设计方案。  智能家庭清扫机器人系统由清扫机器人和充电站组成。清扫机器人是实现智能清扫的主体部分，本文介绍了清扫机器人的组成部分，并完成了其结构设计与硬件电路的实现。考虑到存储、接口资源及可靠 性能等，主控器选择了 司的 片机，所构成的单片机应用系统功能强、性价比高，完全满足控制功能的要求。然后，详细说明了红外传感器，尘仓检测，碰撞检测，里程计，贴边行走检测以及吸尘电机、  毛刷电机、主动轮驱动电机等控制原理。在软件设计方面，通过分析底层与路径规划算法的衔接，实现了机器人直行 正算法、里程计返回值的坐标变换及计算等算法，为路径覆盖算法提供依据。并实现了红外、碰撞传感器检测等子程序。   最后，将机器人的全部功能整合进行联合调试。完成  线校正和里 程计误差修正后，加入路径覆盖算法进行房间内的全区域覆盖和地图创建的调试。实验结果表明，该系统性能稳定、可靠，覆盖率高，可随时参与人为控制，安全性高，达到了智能家庭清扫机器人的设计要求。  关键词 ： 清扫机器人；智能控制；单片机系统；路径规划   2 as It or It an on on on a of to be by is is of is to of s as CU of to of of as as is as a ID of s of in of of in its of  3 目      录  摘     要 . 1 . 2 第  1 章     绪    论 . 5 课题背景  . 5 国内外研究现状综述  . 5  国外研究现状 . 5  国内研究现状 . 10 清扫机器人存在的问题分析 . 11  课题研究的目的与意义  . 11  本章小结  . 12 第  2 章     清扫机器人的总体设计方案 . 13 设计目标  . 13 清扫机器人的组成部分  . 13 清扫机器人的设计方案  . 14  主控系统 . 14  驱 动电机部分 . 15  传感器系统 . 15  红外遥控部分 . 16  电源部分 . 17  充电站部分 . 17 本章小结  . 17 第  3 章     清扫机器人的结构与硬件设计 . 18 清扫机器人的总体设计  . 18 清扫机器人的结构设计  . 18 外形设计 . 18 行走机构设计 . 19 清扫机构设计 . 19 吸尘机构设计 . 21 尘仓机构设计 . 21 主控系统  . 22 执行电机控制  . 25 轮子电机驱动原理 . 25 吸尘与毛刷电机的驱动 . 26  4 传感器部分  . 27 测速装置模块 . 27 碰撞检测 . 27 尘仓红外发射和接收电路 . 28 红外遥控模块  . 29 电源模块  . 30 充电站设计  . 31 本章小结  . 32 第  4 章    清扫机器人的主体设计 . 33 机选择 . 33 蜗轮蜗杆的选择 . 34 清扫机构的电机的选择 . 36 家庭清洁机器人电池的选用 . 37 清扫机构中蜗杆上轴承的寿命的计算 . 38 扫机构中涡轮轴的校核 . 39 第  5 章    清扫机器人的软件设计 . 41 件结构框图  . 41 正算法设计  . 41 法的设计思想  . 42 电机速度控制方法 . 43 标计算原理  . 44  充电站导航对接程序  . 45 控程序的设计  . 46 章小结  . 46 第  6 章       总    结 . 49   发展趋势  . 49 高度智能化需求 . 49 功能扩展 . 49 低成本化 . 49 发展  . 49 参考文献 . 51 致谢 . 52  5 第  1 章     绪    论  课题背景  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：一是劳动力成本的上升；二是人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动，如清洁、家务、照顾病人等；三是人口的老龄和社会福利制度的完善也为某些服务机器人提供了广泛的市场应用前景。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。  自动进行房间地面清洁的自主吸尘式家庭服务机器人，集机械学、电子技  术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。 自主吸尘机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于  20 世纪  80 年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。吸尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。  国内外研究现状综述   国外研究现状  对于机器人大家可能不会太陌生，工业机器人在很多领域都得到了比较广泛的应用，但是对于家庭机器人我们所了解的却相当的少，而日本，欧美等国家的研究则比较领先，有的都已经投入市场，在实际中投入使用。   世界上第一台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有光电传感器和芯片控制，当遇到障碍时，会随机改变一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物。内置了四种清洁程序，保证在遇到不同污渍的地面时，可以调整其清洁程序；通过传感器对于地板污渍的判断，选择合适的应用程序。内置光敏传感器，确保在遇到楼梯与台阶时，能够自动避让，不会掉落。扁平的设计使其能够清洁床，沙发，茶几等家具的下部位置。其相应的充电站有红外发射、工作时间设定、工作模式选择、充电、垃圾处理五个功能。充电站一直发射红外定位和导航信 号来指引机器人回到充电站完成充电和 6 垃圾处理的任务；同时能够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的操作。  如图 1 图 1能机器人 日本，东日本铁路公司、 器公司和 业有限公司联合研制了车站地面清扫机器人，机器人可沿墙壁从任何一个位置自动启动，利用不断旋转的刷子将废弃物扫人自带容器中。该机器人可采用  “磁导引方式”、“示教方式”或  “墙面复制方式”控制。东日本路公司、富士工业有限公司 R 东方设施管理有限公司联合研制了车站地面擦洗机器人，该 机器人工作时一面将清洗液喷洒到地面上，一面用旋转刷不停地擦洗地面，并将脏水吸人所带的容器中。机器人中的感知系统采用光纤陀螺和超声波传感器，自动清洗系统有两种，一种是“面积设定模式”，即将待清洗的面积分为若干个单位面积，按照其存储器中的单位面积识别其行使路线，机器人还可利用其传感器识别和躲避障碍物；另一种叫“路径地图模式”，机器人按照内装的路径地图行使，机器人可存幅地图，并可利用 卡作为外存，在该模式下，机器人不会避障，仅适用于需要反复擦洗的指定地段。  东日本铁路公司和东芝公司联合研制的用于座椅布局简单的 列车内部地面清洗的机器人，其体积小、重量轻、易于出人车厢及在车厢之间运动，感知系统采用超声波距离传感器和光学、接触式的接近传感器；机器人采用推算定位法，利用编码器中的数据，保持自己的位置和路径，若探测到错误位置，机器人会通过距离传感器自动修正；高级的列车地面清洗包括扫除垃圾、喷洒清洗液、擦洗、回收污水、用清水冲洗和给地面打蜡六个步骤。日本静甲株式会社的清水工厂开发出一种自动清扫机器人，可用于各种工厂的清扫工作，机器人采用光纤陀螺控制机器人的方向，采用编码器和超声波传感器测距，采用光学探测器探测障碍物，机器人 的四周装有橡胶垫，橡胶垫内部装有触觉传感器，一旦机器人与人接触，触觉传感器信号会使机器人停下来以保证人的安全。松下和日立公司也研制出了可清扫砖地木质地板和地毯地面的清洁机器人，该机器人采用蓄电池作为动力源，可自动去充电站充电，能够自主避障和路径规划。  松下电器产业公司在 2002 年上半年推出了家庭用清洁机器人的试制机。该 7 机器人可以根据房间的形状、地板状况、垃圾量进行自动清扫，还配备有避开墙壁、炉子等热源以及障碍的安全功能；该机器人配备有 50 个传感器可一边自动行走一边进行清扫，工作时首先沿房间四周走一圈，记忆房 间形状，然后在避开障碍物的同时开始纵横来回移动，清洁工作完成后会自动停止。该机器人清扫一般的日本式房间约需要 9当于人打扫同样大房间所需时间的 ，可清扫房间地板的 92 93 ；机器人利用光及超声波的测距传感器及感压传感器来避开障碍物，机器人的内置回转传感器用来控制行走姿势以保持既定的行进方向，但在地毯上行走时如果不采取措施则会受到  “地毯花纹”影响而弯曲前进，因此该公司在机器人中安装了方向舵传感器，可以检测出由于地毯花纹影响而产生的行进方向偏差，因此即使在铺有地毯的地板上也能够直线前进， 机器人体内还安装有防止从台阶等高处滚下的落差传感器、感知暖炉等热源的热传感器、检测自身所受外力大小的重量传感器及防滑传感器、检测添加动力的负载传感器，机器人同普通的障碍物最少保持 10距离，而在探测到热源时，将会同热源至少保持 50距离。  20世纪 90年代，美国就推出了地面清洁机器人  机器人配有激光导航系统，采用超声波测距和避障，用光码条实现定位。 2002 年 月清洁机器人 美国面市，它重约 ，直径为 30 英寸，具有高度自主能力，可以游走于房间各家具缝隙间，灵巧 地完成清扫工作，据说这是将用于军事的“躲避地雷的移动技术”应用到了吸尘器上。 动作有点儿迟缓，但它却能稳定、安全地完成任务。由于能够在完成任务后自动切断电源，所以可以在外出期间让 家进行清扫。如图 1 图 1能清洁机器人 002年 10月日 ，瑞典的拉克斯电子公司与日本东芝公司共同开发的清洁机器人  “特里洛巴伊特”上市销售，“特里洛巴伊特”主要由清扫机器和超声波传感器构成，在工作时可避开室内摆放的各种家具用品。只要家庭主妇领着它搞过一次清扫后，它便可以按 行走过的清扫线路进行自动清扫。这种机器人是充电式的，每一次充电可连续工作 小时。  瑞典家电制造商伊莱克斯 （ 研制生产的清洁机器人小“三叶虫”高 13 ，直径 35 ，表面光滑，呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测 8 到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一旦微处理器识别出这些障碍物，它可重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被清扫。在楼梯的台阶等一些没有天然障碍物的地方，只要有一条磁铁，小“三叶虫”便不会跨越。小“三叶虫”开始启动后，体内的搜索雷达会探测出距离最近的墙壁，先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽。这样它便能探测出整个房间的格局，计算出清扫整个房间所需的时间。只要一接近一件障碍物，它便会重新设定行进路线，不会漏掉每一个角落。电线或地毯的边缘不会被认作是  图 1叶虫   障碍物。小“三叶虫”的吸刷装置中装有一只专利设计滑轮，可以越过电线或地毯边缘，不被绊住。电源不足时，小“三叶虫”会自动回到充电卡座自行充电。如果此时房间还没有清扫完毕，小“三叶虫”还有记忆功能，充好电后自己回到原处继续吸尘，如图 1国、法国和澳大利亚也都推出过清洁 机器人产品。  英国 司最近推出一种型号为  智能吸尘器。这是世界首次开发研制的全自动 “ 吸尘机器人 ” 。这种机器人具有一定的人工智能 ,只需轻按开关它就会为你解除每天打扫房间的烦恼。如图 1示 ,吸尘机器人形状呈 50厘米长的模型汽车状 ,重 配置了 70多个传感器 ,可随时将发现的情况告诉由 3 台内置电脑组成的 "大脑 "。 "大脑 "每秒可发出 16 条命令来指挥吸尘器的工作。充电后一按开关 ,机器人会在瞬间通过所搭载的三台小型计算机和 70个传感器计算出自己所在位置、房间大小及脏乱程度、家具的配置等。 要是小孩或狗等外来物体接近吸尘器 ,它就会自动停止工作。接近楼梯口时 ,吸尘器会自动采取保护措施 ,以防止滚到楼下。使用时 ,只要打开电源、选好速度、按下 "走 "键 ,吸尘器就会自动工作 ,其它程序都由它自己独立完成。不过该产品目前价格太高 (4000美元左右一台 ),要真正推向市场还有相当的难度 ,如图 1示。   9 图 1能机器人 大利亚的 司最近也研制出可自动行驶并打扫房间的 如图 1示。这种全自动吸尘器表面光滑 ,体积很小 ,呈圆形 ,内置搜索雷达 ,可以搜索各种房间里 的每一处 ,不会碰撞家具或其它障碍物。微处理小电脑使它具备在拐至屋角处能探测方向、选择前进路线的能力。只要一放在地面上 ,全自动吸尘器便可自动开始工作。其搜索雷达会探测出距离最近的墙壁 ,先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽 ;然后再不规则地来回于房间的其它位置 ,并且能在接近障碍物之前迅速转向。该吸尘机器人由于在主机的周围 360 度配备了障碍物传感器 ,因此可以在检测墙壁及障碍物的同时打扫地面。当打扫完可以行驶的场所后 ,机器人就自动关闭电源。在经过 4 个小时充电后可以连续工作 1 个小时以上 ,通过更换配件还可以打扫地毯等。如 果打扫没有障碍物的地面时 ,1个小时可以打扫 360 平方米。不管房间的外形及面积的大小 , 航算法引导机器人在任何房间的所有无遮掩区域四处运动来进行清洁工作。因为机器人导航沿房间的周围 ,所以它要创建自己的空间参考图 ,机器人不需要任何编程 "教它应该去哪里 ” 。该机器人操作简单 ,仅有三个按钮 :开始 ,结束以及暂停。人们只要简单地将它放置在需要清扫的区域或房间中 (这个机器人吸尘器很轻 ,一只手就可以容易拿起它 ),按下开始按钮即可 ，如图 1 图 12003 年 11 月，三星公司推出一 款代号为 机器人吸尘器，如图1要依靠 3能灵巧地躲避障碍物，能够快速、高效地对房间每个角落进行吸尘。当遇到障碍物或者死角等情况， 10 自动转向继续工作。其强大的智能判断系统使得 轻易地分辨出垃圾与其他日常生活用品，机器人也允许用户定义它的工作时间及清  图 1三星机器人 区域等，从而实现主人不在家时机器人也能进行自动清扫。事实上，用户除了可以对它本身进行设置以外，还能通过计算机查看安装 在机器人前部的摄像头进行远程遥控。整个器人的电池能维持它连续工作 50 分钟，而一旦电池处于即将耗尽的状态时它自动回到充电座补充能源，非常地智能化。它回充电站使用的是已经生成的 3不是像    国内研究现状  在国内的一些大学，如哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单位也对清洁机器人进行了大量的研究并取得了一些成果，对清洁机器人相关技术如机器感知、机器人导航和定位与路径规划、机器人控制、电源与电源管理、动力驱动等技术的研究则更多，这些都为清洁机器人的研 究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。  哈尔滨工业大学于 90年代开始致力于这方面的研究，与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人。该机器人具有如下特点：采用全方位移动技术，使机器人可执行对狭窄区域等死区的清扫任务；采用开放式机器人铰制结构，实现硬件可扩展，软件可移植、可继承，使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性；在拥挤环境下的实时避障功能，能更好地适应不断变化的清扫工作环境；遥控操作和自主运动两种运行方式；吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换，提高了吸尘效率。  浙江大学于 1999 年初在浙江 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。这种智能吸尘机器人工作时，首先进行环境学习：利用超声波传感器测距，与墙保持一定距离行走，在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时间；之后，利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清扫路径；清扫结束以后， 11 自行回到充电座补充电力。吸尘机器人在  的实际家庭环境中，工作10分钟可以达到 90%以上的覆盖率。更大房间的清扫试验还没有进行。目前，系统正在引入机器视觉和全局 定位功能，力图在 多房间环境下，提高自定位能力、  图 1内公司生产的机器人 能决策能力以及回归充电效率，最终提高清扫效率。如图 1 是国内首个产品化清扫机器人。它广泛用于家庭、办公和娱乐场所，以及其它一些人员不便进入的地方。要人工对其电池进行充电，有三种工作模式可以选择，在启动时伴有音乐声。  清扫机器人存在的问题分析  通过对市场上几种典型产品进行比较：中低档产品不具备路 径规划功能，随机清扫效率很低；国内产品不具备自动返回充电的功能；高档产品使用摄像头等高端传感器，不利于产品的广泛普及。  本课题研究的智能清扫机器人定位为中低档产品，可以实现以下功能：  (1)具有路径覆盖算法，实现高覆盖率，低重复地清扫；  (2)能够有效避障及检测台阶，卡住时会提醒用户，实现自我保护功能；  (3)自主性高，电池续航能力强。电量低能够自动返回充电；  (4)具有良好的人机交互功能，可由用户控制清扫路径。   课题研究的目的与意义  吸尘机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来，实现室 内环境（地面）的半自动或全自动清洁，替代传统繁重的人工清洁工作，近年来已受到 12 国内外的研究人员重视。作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术方面讲，智能化自主式吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性。从市场前景角度讲，自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于家庭和公共场馆的室内清洁。因此，开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性，又具有广阔的市场前景。  融合现代传感器以及机器人领域的关键技术，本课题旨在开发一部价格便宜，全区域覆盖，能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家庭清扫 机器人。使它可以替代传统的家庭人工清扫方式，使家庭生活电气化、智能化，使科技更好地为人类服务。   本章小结  智能家庭清扫机器人包括两个部分：机器人和充电站。本课题主要研究机器人部分，包括功能分析，方案设计，硬件实现以及底层软件设计。机器人按照功能主要分为 5部分：主控器、传感器、执行电机、输入输出和电源部分。其中，传感器包括红外传感器，尘仓检测，碰撞检测，里程计，贴边行走检测等；执行电机包括吸尘电机、毛刷电机和主动轮驱动电机（也称行走电机）；输入输出部分包括红外遥控。  本文完成的主要工作如下：  (1)分析系统功能需求，确定设计目标。  (2)综合考虑各种功能需求设计总体方案。  (3)设计整体硬件电路和部分模块的结构：包括硬件电路设计，芯片选择和可行性论证，并详细分析了部分单元电路的工作原理。   13 第  2 章     清扫机器人的总体设计方案  设计目标  智能家庭清扫机器人的总体设计目标是研究一个能够在无人干预情况下自  主完成室内清扫工作，也可以人为控制其状态的机器人系统。  本课题设计的清扫机器人具有自主清扫，自动返回充电，避障，防跌落，  卡住报警，过流检测，尘仓满仓 检测等功能；同时，为使机器人高效、可靠地  完成作业，在其内部嵌入路径覆盖算法，使它脱离随机清扫的模式，能够记忆  已走过的路径和遇到的障碍物位置，以使机器人不遗漏地进行全区域清扫和不  重复遇到同一个障碍物，实现了高覆盖率，低重复率的清扫过程；为使机器人  在电量过低情况下能够主动充电，通过自动寻找和对接算法程序实现自动对接；  用户可以通过红外遥控器控制机器人的行走路径，也可以遥控其返回充电站停  止工作。  清扫机器人的组成部分  智能家庭清扫机器人系统由机器人和基站两部分组成。机器人主要负责清扫地面，同时 具有遥控控制，自动避障，检测台阶和楼梯，自动返回基站充电，定时工作，过流检测等功能；基站主要负责与机器人的红外通讯，可发射召回信号，实现对机器人的充电对接。  机器人由 5部分组成：主控制系统部分、执行电机部分、传感器部分、输入输出部分和电源部分。结构框图如图 2控系统使用单片机控制，包括对输入输出器件的操作，对执行电机的控制，以及对传感器的响应等，同时内部嵌入智能软件，包括路径覆盖算法和返回充电站路径规划程序；执行电机部分是吸尘机器人的主要构成部分，包括行走驱动子系统和吸尘子系统，它决定了吸尘器的运 动轨迹和清扫效率。行走结构采用的是轮式结构，双轮电机通过齿轮箱驱动左右双轮，轮子电机、吸尘电机和毛刷电机使用的都是无刷直流电机；传感器部分即检测子系统，主要为了保障机器人能够安全地工作，包括霍尔元件、 外传感器等；输入输出部分包括遥控子系统，能够较好地实现人机交互的功能；电源部分为机器人工作提供电能，保证机器人能够独立有效的工作。   14 图 2家庭清扫机器人的机构框图  清扫机器人的设计方案   主控系统  控制系统在智 能家庭清扫机器人系统中占有重要地位，是机器人的核心部分，它决定控制性能的优劣，直接关系到机器人使用的方便程度和清扫效率。根据机器人需要实现的诸多功能，主控器既要方便地控制各个子系统，又要运行路径覆盖算法程序。因而主控器需要有多个中断源，多个 I/个 时程序存储容量大，存储内容掉电不丢失，为方便机器人进行功能升级，还要留有可扩展的串行通讯口。  由于 司的单片机性能可靠，在移动机器人和汽车领域都有广泛的应用，因此选用了 位 控制 器，其存储空间大，可以满足算法的实现要求；使用 压供电，在 40功率消耗不到 1且该微控制器具有多种省电模式可以选用。除此之外，  具有多种功能端口，可为外围的传感器件提供各种控制功能，而且便于编程。  传感器部分  执行电机部分  电源系统  主控系统  遥控子系统  键盘显示子系统  路径覆盖算法  返回充电站路径规划算法  智能软件部分  输入输出部分  吸尘子系统  行走驱动子系统  传感器系统  尘仓红外检测  碰撞检测  里程计  左轮电机  右轮电机  吸尘电机  毛刷电机   15 主控器内部嵌有智能软件算法：覆盖算法和返回充电站路径规划算法。覆盖算法是在清扫过程中，按一定的路径规划进行清扫，并且可以记忆并标记已走过的路径和遇到的障碍物位置，下次只清扫未标记的区域，实现全区域的路径覆盖；返回充电站路径规划是在机器人未收到充电站发出的导 航信号时，根据已记录的地图信息中充电站的位置，按照一定的算法向充电站靠近，直到收到导航信号后，进入导航对接程序实现自动对接。   驱动电机部分  机器人的工作电机分为行走、吸尘和毛刷电机。机器人行走结构中前面有一个从动转向轮，两侧各有一个驱动轮，由无刷直流电机进行控制。清扫结构主要使用真空吸尘器和由电机带动的旋转毛刷。  永磁无刷电动机具有效率高，功率大，体积小，控制精度高等明显特点，在机器人领域有着广泛的应用。无刷直流电机具有良好的调速性能，由于它采用电子换向，脉宽调制脉冲调速，在进一步提高直流 电机性能的同时，又克服了直电机传统机械换向带来的一系列问题，从而大大延长了电机的使用寿命。直流无刷电机控制电路在实现上主要有控制电路微处理器、数字信号处理器和专用集成电路等 3种方式。使用单片机或 测频、换相、控制调节等均由软件实现，本课题选用单片机软件编程的方法控制无刷直流电机。  吸尘器内的风机和带动毛刷的电机都使用直流电机，由于不需要调速、换向，因此控制方法比较简单。   传感器系统  传感器是机器人环境感知的主要来源，是机器人智能化的一部分，在整个系统中占有重要 的地位。机器人技术融合了多种传感器技术，包括红外传感器，接触和接近传感器，编码器，超声波传感器等。   感器的选择依据   选择机器人传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点，对机器人感觉系统的要求是选择机器人传感器的基本依据。机器人对传感器的一般要求是：  (1)精度高，重复性好。机器人传感器的精度直接影响机器人的工作质量。  用于检测和控制机器人运动的传感器是控制机器人定位精度的基础。机器 16 人能否准确无误地正常工作，很大程度上取决于传感器的测量精度。  (2)稳定性好、可靠性高。机器人传 感器的稳定性和可靠性是保证机器人能  够长期稳定可靠地工作的必要条件。  (3)抗干扰能力强。机器人的工作环境是不定和未知的，在运行中可能会有  来自外在的干扰存在。  感器的选择   避障功能是智能家庭清扫机器人必备的功能，由于室内环境复杂，在无人看管的情况下，机器人需要自动识别障碍物并绕开行走。目前同类产品中主要使用了两种方式：非接触式避障和接触式避障。其中，应用较多的是非接触避障，主要原理是利用超声波测距。但是这种方法的缺点是波束较宽，其分辨力受到严重的限制，不能有效地确保机器人的安全。本课题 选用接触式避障，即先碰撞后避障，使用霍尔开关对磁场变化的检测判断是否发生碰撞。  尘仓红外检测实现了尘仓满仓自动提醒用户除尘的功能。它是由红外发射和接收管组成的，对管安装在尘仓的上部。根据灰尘密度的不同，红外光透过的强度不同，接收管的输出电压也不同。这个变化是模拟量，需要通过实验确定满仓电压值，避免尘仓未满或者过满所造成的误操作。为了检测机器人在前进速度和转角上的变化，在两个主动轮上安装了光电编码式传感器，简称里程计。它可以检测机器人的行走距离和速度，同时根据左右轮速差计算出机器人偏转的角度。选用了非接触式光 电码盘，为提高系统分辨率，将码盘安装在机器人行走电机的电机轴上，即高速端的转子。  过流检测是电子类产品必要的功能之一，用来防止工作发生异常烧坏电路板造成损失。使用 料做成的电流保护元件，在电子电器、玩具、汽车、电机保护等方面都有广泛的应用，被称为自复式保险丝。这种材料的电阻率随温度升高而增加，同时温度降低后可以自动恢复，可以检测系统运行时的过流现象。一般连接在电源的入口处，能够有效地保护电路安全。  边缘检测传感器也是一个机械开关，开关的触发端设计成一个滑轮结构，在机器人的两侧各装有一个，用于保证机器人 可以始终贴着墙的边缘走。   红外遥控部分  智能家庭清扫机器人在创建地图的清扫过程中，可以由用户控制其行走路径，同时在清扫完毕时能够通过遥控召回其返回充电站结束清扫。机器人上方装有四个红外接收芯片，角度覆盖范围接近  360，接收来自遥控器和充电站的信号。红外发送端和接收端使用统一的编码格式，各种格式对应的功能可以自行定 17 义，可实现前进、后退、加速、减速、充电站召回等多种功能。   电源部分  电源部分选用可充电的镍氢电池，它相比传统的镍镉电池，具有电容量高、放电深度大、耐过充和过度放电 、充电时间短等明显的优点。最重要的是镍氢电池不再使用有毒的重金属作为材料，可以消除对环境的污染。镍氢电池的温度特性较差，有效范围为  0 45。但室内的环境温度比较稳定且可以保证在一个范围内，因此选用镍氢充电电池可以充分发挥它的优点。  电池安装在机器人的两侧中部，由于容量大的电池，重量也大，会影响机器人的行走速度，继而消耗更多的电能。因此不能单一追求电池的电能而忽视重量的适度，否则将严重影响机器人的工作效率。当机器人工作到电量过低时，可以通过单片机内部的 出触发信号使机器人自动返回充 电站充电。   充电站部分  充电站主要负责与机器人的红外通信发射召回信号，引导机器人自动返回充电站进行充电。机器人在电量充足时对充电站发出的信号不做响应，当检测到自身电量不足时机器人通过充电站发射的红外召回信号及相应算法自动返回充电站充电。  本章小结  本章介绍了智能家庭清扫机器人的总体设计目标，并按功能将结构分为  6个部分，结合其总体框图分别阐述了每个部分需要实现的功能、选择的器件以及初步的实现方法，为机器人的硬件和软件设计提供了相关的依据。   18 第  3 章     清 扫机器人的结构与硬件设计  清扫机器人的总体设计  整个硬件系统由主控系统、执行电机控制、传感器、输入输出模块和电源部分组成。传感器包括红外传感器、碰撞检测模块、沿边行走检测模块和低电压检测模块，另外还有记录机器人行走路径信息的里程计；执行电机控制包括主动轮驱动电机调速控制，毛刷和吸尘电机驱动模块；输入输出模块包括红外遥控。以下详细讨论每个功能模块的设计思想和硬件电路的实现。  清扫机器人的结构设计  外形设计       根据家庭清洁机器人的设计要求，本次设计的机器人应该包括清扫机 构、行走机构、吸尘机构、垃圾收集处理机构，其中清扫机构的设计尤为重要。通过在网上搜索一些相关资料以及在图书馆查阅的资料，初步把机器人的外形设计为长宽均为 40000是后来发现所设计的结构的不合理之处，周边有棱角的机器人在躲避障碍物是很不便，非常容易碰到障碍物，而圆形物体则比较容易避开障碍物。因而最终把机器人的外形设计为圆盘形，其外部轮廓大体如图所示：   19 行走机构设计      为实现机器人的转弯半径为 0，在机器人的行走机构中采用两轮驱动，两个驱动轮对称分布在清 扫机构的后方，两个轮子和刷子支撑机体工作和运动，这样设计既节省材料，又可以使刷子和地面全面的接触，从而利于更彻底的清扫。在机器人转弯时，通过控制行走机构的两个电机的转速及旋转方向，进而控制两个轮子，通过轮子的前后差速运动实现机体的转弯半径 为 0。  清扫机构设计       在清扫机构的设计中想到了四种方案：  (1) 电机带动斜齿轮 1，斜齿轮 1 带动斜齿轮 2，斜齿轮 2 带动斜齿轮 3，斜齿轮上的轴连接滚刷，进而实现清扫；  图 3扫机构一  (2) 电机带动锥齿轮 1，锥齿轮 1带动锥齿轮 2，由锥齿轮 2上的轴连接滚刷，进而实现清扫；  图 3扫机构二  (3) 电机带动蜗杆，蜗杆两端接蜗轮，两个蜗轮的轴上分别接刷子，从而实现清扫；  图 3扫机构三  (4) 电机带动蜗杆，蜗杆两端接蜗轮，两个蜗轮分别接皮带轮，皮带轮上的轴接刷子，从而实现清扫。   20 图 3扫机构四  以上四种方案通过对比以及由设计的要求所限制，最终选择方案四为清扫机构。其正面结构如下图所示  图 3扫传动机构  因为所设计的机器人它的体积有限制，在直径为四百，高为一百的圆内要放置有清扫机构、行走机构、吸尘机构、 垃圾收集处理机构，同时还得留下放电池、控制中心、观察中心的地方，而方案一虽然易于安装，传动平稳，但是斜齿轮所占的面积非常大，如果选用它，则会占用大量的空间，使其它几个单元有些部分将放置不下，从而超出所要设计的尺寸，因而否定了这种方案；方案二中，锥齿轮传动不如斜齿轮平稳，同时锥齿轮一所占的体积也比较大，而清扫机构又是本次设计中最重要的部分，因而选用锥齿轮的弊端也很大，所以经过计算及各个机构总体布局的综合考虑，舍弃了方案二；方案三中通过电机带动蜗杆旋转，再有蜗杆带动其两端的蜗轮，由蜗轮上的轴带动固定在其上的刷子 旋转，从而实现了清扫的目的。为了使机器人的外壁在靠近墙边时刷子能够扫到墙壁的边缘，同时使它在清扫过程中没有工作盲区，开始设计时用两个直径都为 200刷子，这样的话，蜗轮和蜗杆的中心距就必须为 100在这种中心距的情况下，蜗轮蜗杆的尺寸都比较大，虽然能够放置下，但是蜗轮蜗杆这个装置就显得比较笨重，所占的重量很大，这就加重了机器的人的总重量，因而这种方案也不是很合理；最后在方案三的基础上产生了方案四。方案四中通过两边加皮带轮这个结构缩小了蜗轮蜗杆的中心距，从而减小了机器的总重量，同时还有利于其它机构的 安装。因而选择方案四为本次设计的清扫机构。   21 吸尘机构设计     图 3尘器  在吸尘机构的设计中将风扇固定在垃圾储藏室上壁，在风扇上罩一个薄壁腔。在薄壁腔上方开一个圆孔，以便于空气的排出。在垃圾储藏室上壁开两个小长方孔，在方孔下加上一个隔尘罩。（其大体图形如图 3过风扇的旋转带动垃圾储藏室内的空气流动，又通过储藏室内的管腔将刷子清扫引起的尘土吸附进来，带尘土的空气通过防尘罩将尘土挡到垃圾储物室内，较干净的空气则通过吸尘室上壁腔的圆孔排带大气中去。从而实现吸尘的目的。  尘仓机构设计  在对垃圾收集处理机构进行设计时，开始想用如图下所示的结构作为垃圾收集挡板。  图 3尘器原理  通过电机带动和电机相连的小齿轮，小齿轮通过带动和其配对的大齿轮带动轴 2 旋转，从而使轴 2另一端上固定的