家用清洁机器人的设计

家用请洁机器人的结构设计与实现作 者 姓 名 专 业 指导教师姓名 专业技术职务 讲师 山东轻工业学院2007届专科生毕业设计（论文）目 录摘 要 3第一章 前言 31.1 题目要求 41.2 国内外相关产品研究 51.2.1 国外产品研究状况 51.2.2 国内产品研究状况 71.2.3 自主充电技术发展现状 81.3 研究的目的和意义 81.4 设计的重点和难点 9第二章 家庭清洁机器人的关键技术 92.1 传感技术102.2 路径规划技术102.3 吸尘技术102.4 电源技术 11 第三章 清洁机器人的机械设计3.1 机械结构组成和工作原理113.1.1 机械结构组成 113.1.2 工作原理 113.2 清洁机器人总体设计143.2.1 机器人外形设计 143.2.2 机器人的行走机构设计143.2.3 清扫机构的设计 153.2.4 吸尘机构设计 173.2.5 垃圾收集处理机构设计18 第四章 总结也展望4.1 发展趋势 204.1.1 高度智能化 214.1.2 功能扩展 214.1.3 低成本化 224.2 展望 22 致谢 23摘 要近年来，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。随着社会的发展需要，服务机器人已经渗透了我们的生活、工作和经济方面，并且起到了很大的作用。服务机器人的研究和发展对我们的经济发展有很多的影响。这片文章主要通过阐述清洁机器人在服务行业的重要性，对机器人在各国发展状况的一些综述，让读者了解将来机器人发展对社会发展的重要性，文章还写了本人对我国机器人现状的一些调查和理解看法，在机器人发展中存在的一些影响因素，还有对机器人使用领域的一些展望。关键词：机器人：清洁机器人：运动原理：清洁方式ABSTRACTIn recent years, along with the computer technology and the rapid development of artificial intelligence, intelligent robot technology gradually become modern robot research hotspot. Among them, service robot, opened a new field of application of robots. Service robots appeared three main reasons: one is rising labor costs, Second is the human to escape the boring physical labor, such as cleaning, housework and patient care, etc. The population is aged 3 and social welfare system for certain service robots also provides a broad application prospect in the market. Service robots in industrial robots is one of the main features of service robot is a suitable way, environment and the specific tasks of the robot system, the process of large space activities in unstructured environment, has the high mobility, so most of the mobile robot is service robots.With the development of society, we service robots have infiltrated the life, work and economic aspects, and play a very significant role. Service robot research and development of our economic development has a lot of influence. This article mainly elaborated through cleaning robot in the importance of service industry in the world, robot is reviewed the development of some future robots, let the reader know the importance of the development of social development, the article also wrote himself in the situation of robot, investigation and understanding in robot in some influencing factors, and to use the domain of robot.Key words：Robots: cleaning robot: sports principle: clean way第一章 前言1.1题目要求近年来，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本次设计的题目就是在这种背景下提出的,其具体设计要求如下： 设计家庭清洁机器人的工作内容和要求：运行机构形式：轮式 最高行进速度 ： 0.5 m/s 转弯半径：0 高度：100mm 宽度：400mm 清洁方式：吸尘、刷扫一次充电连续工作时间 ： 0.5 小时 警示方式： LED闪光 具有自动路径规划、避障功能 具有自动充电装置。1.2 国内外相关产品研究地面清洁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。现结合国内外的文献将清扫机器人及其自动充电技术的发展现状阐述如下。1.2.1 国外产品研究状况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，欧美等国阿RC3000是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1-1所示，它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1-1所示。图1-1 智能机器人RC3000在日本，东日本铁路公司、Shink电器公司和Howa工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Subaru实验室和JR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。 2003年11月，三星公司推出一款代号为VC-RP30W的机器人吸尘器，如图1-6所示。VC-RP30W主要依靠3D地图技术来进行定位，并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，VC-RP30W会自动转向继续工作。其强大的智能判断系统使得VC- RP30W能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1-6 三星机器人VC- RP30W扫区域等，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3D地图，而不是像RC3000那样使用红外的导航信号。1.2.2 国内产品研究状况在国内的一些大学，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，自行回到充电座补充电力。吸尘机器人在5.53.5m2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图1-7 国内公司生产的机器人KV8定位功能，力图在多房间环境下，提高自定位能力、智能决策能力以及回归充电效率，最终提高清扫效率。如图1-7所示。KV8保洁机器人是今年在市场以低价位卖得比较火的一款产品，也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。KV8能够通过自身的碰撞传感器来实现随机的清扫和碰撞处理，需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。1.2.3 自主充电技术发展现状在20世纪40年代末，Grey Walter开发第一个自主充电的移动机器人名为：“Tortoises”，这种机器人具有在神经学研究中向着光线走的行为。Walter还发明了一个可以充电的小橱，橱中有能够发射光束的装置和充电器，并把它当作充电站。通过光线束的引导，机器人来到橱前通过接触从而进行自主充电。这个系统有如下的特征：(1)机器人的感知行为：感光；(2)充电站能够发出机器人可以感知的光束；(3)能够对电池和充电器进行具有一定准确性地对接。1998年，Tsukuba大学成功开发出了一款可以自动充电的名为Yamabico-Liv的导游机器人。通过使用导航系统，该机器人能够利用地图自主导航绕越实验室的环境到达充电站，通过充电站上一些特殊的装置的作用，实现自主充电。最近，位于美国的卡内基梅隆大学的机器人研究中心也开发出了一种叫做Sage的导游机器人，它是从卡内基梅隆历史博物馆所使用的导游机器人Nomad XR4000改进而来。机器人Sage通过其所携带的CCD摄像头对标识环境的三维路标等进行识别和处理，从而自主地寻找充电站实现自动充电。路标被直接放于充电站的插座的正上方，通过它的引导，实现机器人可靠地停靠在预设的充电位置处，从而实现充电，在插座和插孔中间没有别的东西。在174天的操作运行中，这个机器人成功地实现135天无故障地运转。与此同时，大约每九天就偶尔会要人为地进行一些精度校正。1.3 研究的目的和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。1.4 设计的重点和难点由前面的设计家庭清洁机器人的工作内容和要求，在宽400高100的体积下如何设计和布置好清扫机构，行走机构，吸尘机构和储存垃圾机构是本次设计的重点，机器人中的关键部分清扫机构的设计也是本次设计中的难点所在。因为还要求所设计的机器人具有避障功能，所以其外形设计也应该仔细考虑。清扫后的垃圾如何处理，以及如何布置吸尘设备也是本次设计中需要仔细考虑的问题。第二章 家庭清洁机器人的关键技术家庭清洁机器人的关键技术吸尘机器人系统通常由四个部分组成:移动机构、感知系统、控制系统和吸尘系统。移动机构是吸尘机器人的主体,决定了吸尘器的运动空间,一般采用轮式机构。感知系统一般采用超声波测距仪、接触和接近觉传感器、红外线传感器和CCD摄像机等。随着近年来计算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅速发展,吸尘机器人控制系统的研究和开发已具备了坚实的基础和良好的发展前景。吸尘机器人的控制与工作环境往往是不确定的或多变的,因此必须兼顾安全可靠性、抗干扰性以及清洁度。用传感器探测环境、分析信号,以及通过适当的建模方法来理解环境,具有特别重要的意义。近年来对智能机器人的研究表明,对于工作在复杂非结构环境中的自主式移动机器人,要进一步提高其自动化程度,主要依靠模式识别及障碍物识别、实时数据传输及适当人工智能方法,还需要进一步开发全局模型,从而为机器人获取全局信息。目前发展较快、对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是:传感技术、智能控制技术、路径规划技术、吸尘技术、电源技术等。2.1 传感技术为了让吸尘机器人正常工作,必须对机器人位置、姿态、速度和系统内部状态进行监控,还要感知机器人所处工作环境的静态和动态信息,使得吸尘机器人相应的工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化。通常采用的传感器分为内部传感器和外部传感器。其中内部传感器有:编码器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘等。其中编码器用于确定当前机器人的位置,线加速度计获取线加速度信息,进而得到线加速度和位置信息;陀螺仪测量移动机器人的角度、角速度、角加速度以得到机器人的姿态角、运动方向和转动时运动方向的改变等绝对航向信息。外部传感器有:视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器。视觉传感器采用CCD摄像机进行机器人的视觉导航与定位、目标识别和地图构造等;超声波传感器测量机器人工作环境中障碍物的距离信息和地图构造等。红外线传感器大多采用红外接近开关来探测机器人工作环境中的障碍物以避免碰撞。接触和接近觉传感器多用于避碰规划。2.2 路径规划技术吸尘机器人的路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息,按照某种优化指标,在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径,并且实现所需清扫区域的合理完全路径覆盖。机器人路径规划研究开始于20世纪70年代,目前对这一问题研究仍旧十分活跃。其主要研究内容按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境、动态已知环境和动态不确定环境,按机器人获取环境信息的方式不同可以分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。对运动规划问题,目前有具体的解析算法。但由于解析算法牵涉到复杂的椭圆积分问题,实现起来依然具有相当的难度。根据机器人对环境信息知道的程度不同,可以分为两种类型:环境信息完全知道的全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知,通过传感器在线地对机器人的工作环境进行探测,以获取障碍物的位置、形状和尺寸等信息的局部路径规划。全局路径规划包括环境建模和路径搜索策略两个子问题。其中环境建模的主要方法有:可视图法(V-Graph)、自由空间法 (Free Space Approach)和栅格法(Grids)等。2.3 吸尘技术真空吸尘器是由高速旋转的风扇在机体内形成真空从而产生强大的气流,将尘埃和脏物通过吸口吸入机体内的滤尘袋内。吸尘系统包括滤尘器、集尘袋、排气管以及其他一些附件。其吸尘能力取决于风机转速的大小。最近,澳大利亚Jetfan公司又开发出采用新原理的气流滤尘器。这个吸尘器是一个全封闭系统,既无外部气体吸入,也无机内气体排除,所以就无需滤尘器、集尘袋、排气管等附件。其原理是利用附壁效应去形成低压涡流气体,最后将沉渣截留于吸尘器内的涡流腔内。在英国Dyson公司最近推出的DC06型智能吸尘器中就采用了这种技术。2.4 电源技术 移动电源在吸尘机器人中的地位十分重要,可以说是它的生命源。移动电源需要同时满足吸尘机器人的多种能源需要,如为移动机构提供动力,为控制电路提供稳定的电压和为吸尘操作模块提供能源等。在这一领域,一般采用化学电池作为移动电源。理想的电源应该能够在放电过程中保持恒定的电压、内阻小以便快速放电、可充电以及成本低等。但实际上没有一种电池可同时具备上述优点,这就要求设计人员选择一种合适的电池,尽可能增加吸尘机器人的不间断工作时间。第三章 清洁机器人的机械设计3.1 机械结构组成和工作原理本课题要研制一台结构小巧、灵活，控制简单、易于实现，初步完成自主移动、自动避障和路径规划任务的清洁机器人。整个清洁机器人由机械部分和控制系统两大部分组成。机械部分包括高强度塑料底盘、外壳、两个驱动轮和一个随动轮。它们是吸尘电机、清洁刷、电池以及控制系统的载体。机器人整体外观如图3-1所示。图3-1 机器人整体外观3.1.1 机械结构组成本清洁机器人的结构如图3-2所示。主要包括以下几部分:(1) 个行走驱动轮及驱动电机。该部分主要保证机器人能够在平面内移动。壳体前端和侧面装有红外开关，作为碰撞检测传感器。底面的3个红外开关作为台阶检测传感器，防止跌落。驱动轮上装有光电编码盘，可以对轮速进行检测和控制，实现定位和路径规划。同时还扩展了超声波传感器，用于精确定位的需要;(2) 清扫机构。用电机带动两个清扫刷，使左面清扫刷顺时针转动，右面逆时针转动，这样就可以在清扫灰尘时将灰尘集中于吸风口处，为吸尘机构的工作做准备；(3) 吸尘机构。制造强大的吸力，将灰尘吸入灰尘存储箱中；图3-2 组成结构图 (4) 擦地机构。在清扫、吸尘之后，利用安装在壳体下面的清洁布擦除残留在 地面上的细小灰尘，保证清洁工作的质量。移动机构是其它部件的载体，机器人移动机构按结构分有轮式、履带式和步行式等。轮式和履带式机器人适合条件较好的地面，而步行机器人则适合于条件较差的路面。本课题研制的自主清洁机器人工作在环境较好的室内，所以采用轮式移动机构较为适合。轮式移动机器人一般有三轮、四轮和六轮，移动机器人若采用三轮结构则比较简单，能够满足一般的需求，应用也比较广泛;四轮的稳定性好，承载能力较大，但结构较复杂;六轮与四轮类似，只不过有更大的承载能力和稳定性。在本课题中，清洁机器人的重量不是很大，工作条件是室内，也不恶劣，三点确定一个平面，三轮理论上也是稳定的。但是对负载有一定的限制，对三轮移动机器人来说，重心都比较低，载荷稳定且中心位置基本不发生变化，所以采用三轮结构就能满足要求。三轮转向装置的结构通常有两种方式:(1) 铰轴转向式:转向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆机构控制铰轴，从而控制转向轮的转向。(2) 差速转向式:在机器人的左、右轮上分别装上两个独立的驱动电机，通过控制左右轮的速度比实现车体的转向。在这种情况下，非驱动轮应为自由轮。移动机器人若采用铰轴转向式控制简单，但精度不是太高;差动转向式控制复杂，但精度较高。考虑到本课题清洁机器人将来作为服务型机器人使用，在控制方式上应达到一个较高层次，所以采用差动转向式比较好，并且其运动和转向的精度也高一些，以便为以后的避障和轨迹规划打下一个良好的基础。因此本系统的移动机构采用的是三轮差速转向式的，如图3-3所示。按照上述的移动结构，清洁机器人采用两直流电动机独立驱动左右两轮的差动方式，控制简单、精确、易于实现，可以方便地实现吸尘机器人的前进、左转、右转、后退，以及调头等功能，清洁机器人能够在任意半径下，以任意速度实现 转弯，甚至可以实现零转弯半径(即绕轴中点原地旋转)。图3-3 移动机构示意图3.1.2 工作原理本系统的功能模块关系如图3-4所示。清洁机器人由多个功能模块共同组成，这几个模块共同工作、相互协调、相互作用，保证了机器人能够顺利的进行清扫。具体的工作原理如下清洁机器人的中心是清洁机器人的CPU，它对其它各个功能模块进行控制。信息采集模块负责采集周围环境以及机器人本身的各种信息。键盘模块和红外遥控接收模块可以接收人们对机器人的控制信息，然后把信息传给CPU进行处理。当接收到需要机器人进行清扫工作的信号时，CPU可以通过控制行走机构和清洁机构让机器人进行工作。在机器人工作的过程中还可以通过LCD显示模块和状态指示模块对机器人的状态进行时实的显示。3.2 清洁机器人总体设计3.2.1 机器人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400mm高为100mm的长方体，但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3-5所示图3-5 机器人外形图3.2.2 机器人的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。3.2.3 清扫机构的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3-6 清扫机构一 (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3-7 清扫机构二 (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3-8 清扫机构三 (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。图3-9 清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3-10 清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200mm的刷子，这样的话，蜗轮和蜗杆的中心距就必须为100mm,而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。3.2.4 吸尘机构设计图3-11 吸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3-11所示）通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。3.2.5 垃圾收集处理机构设计 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3-12 吸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图3-13 垃圾箱局部旋转，从而使轴2另一端上固定的大齿轮带动和其相连的小齿轮旋转，进而使垃圾收集挡板作扬起动作，将垃圾倒入其后面的垃圾储藏室。垃圾收集挡板的扬起放下动作通过控制电机的正反转来控制。但是此种结构所占的空间比较大，图3-14 上下支撑体零件图图3-15 机器人本体所示设计的家庭清洁机器人空间有限，不允许用这种结构，因为如果采用此种结构，将导致其它一些机构无法放置，因而此种方案不可行。后来将垃圾收集和储仓的机构设置如图3-13所示。垃圾储藏室安放在机体的最后边，其前端用销钉连接一个可以绕着销钉旋转的垃圾收集挡板，挡板用厚度为1mm的钢板制成，表面光滑，旋转的刷子可以将垃圾直接通过垃圾收集挡板扫到垃圾储物室里，在储物室末端，做一个和储物室相匹配的拉门，其上端用螺钉从外壁拧入挂住在里边，当准备倒垃圾时，将螺钉拧下来，抽出拉门，倾斜机体即可倒出垃圾。因为清扫部分是家庭清洁机器人的最重要的部分，整个机体的大半质量都集中在这一部分。为了减轻机器的质量，使其在使用时更方便一些，将这一部分单独设计一个固定件固定在机体上，这样既满足工作要求又减轻了机体的质量。清扫机构的固定件如图3-14所示。最终设计家庭清洁机器人大体布局如图3-15所示。第四章 总结也展望4.1 发展趋势虽然自主吸尘机器人的研究已经取得了很大进步,进入了实用阶段,但是自主能力、工作效率方面还不理想,需要在技术上解决传感器技术、定位和环境建模技术.在此基础上,自主吸尘机器人可以向着高度智能化、多功能集成、低成本的方向发展。4.1.1 高度智能化现在的自主吸尘机器人在行为上还处于“低级生物”的阶段,环境感知能力有限,对路径的规划只是随机的方式或者是基于局部环境信息的规划方式.在复杂环境和多房间的环境下,这种工作方式的效率会锐减.因此,建立CCD视觉系统,融合多种传感器进行定位和环境建模,实现全局路径规划,将是一个重要的研究方向.同时,算法必须考虑系统的处理速度、存储空间的限制。4.1.2 功能扩展自主吸尘机器人是一个可移动的智能平台,在吸尘功能之外可以进行功能扩展,比如进行家电控制、房间环境监测(防止火灾、电器故障、盗窃等).这方面的市场需求已经被Tmsuk和三洋公司抓住,并在2002年发布了两款这样的机器人.4.1.3 低成本化智能机器人是一个复杂的系统,使用了大量的传感器和一个或者多个高性能的微处理器,因此成本较高.但是为了让普通人都可以享受科技进步的成果,降低成本是个必由之路.4.2 展望尽管目前价廉物美的吸尘器给人们的清洁工作带来了一定的便利,但过大的噪音依然让大多数使用者望而却步。吸尘机器人作为服务机器人领域中的一个新产品,将使人们能在无人看守情况下轻松地完成室内环境的吸尘等清洁工作。因此,只要生产成本兼顾到日用电器批量大、价格低的特点,吸尘机器人将具有诱人的市场前景,有关资料也预测吸尘机器人是未来几年需求量最大的服务机器人。特别是日用清洁电器不论是在市场上或者是在产品的创新上,绝对是所有小家电产品中最活跃的,未来仍有相当大的成长空间。尽管目前国内外在吸尘机器人研究开发方面已取得一定的成果,但成本过高和许多关键技术问题尚急待解决或提高,主要有以下几个方面: (1)目前,价格过高是严重影响吸尘机器人打入家电市场的主要因素,因此为了大幅度降低其成本,我们必须开发专用运动控制和数字处理芯片以及微型传感器。其次,应该看到蓝牙技术在家电行业的应用前景,通过采用蓝牙技术将过高的数字处理器成本转移到用户的个人电脑上,则有望在短期内将吸尘机器人的成本控制在千元左右。(2)未来的吸尘机器人将向智能化和自主式发展,因此我们必须结合现有的基于自适应控制、模糊逻辑、遗传算法等的移动机器人运动规划和控制技术,研究开发出对环境变化具有良好的自适应性和鲁棒性、对环境障碍物具有安全可靠的防碰撞功能的智能运动规划与控制器,使吸尘机器人完成与人工操作质量相同甚至更好的吸尘工作。 (3)为了有效地提高清洁的质量,还需要对现有的吸尘技术进行改进。根据环境的脏洁程度,采用模糊逻辑等技术设计合理的吸尘时间以及相协调的机器人运动速度,确保满意的吸尘效果。(4)电源技术是吸尘机器人的核心之一,除了有效地提高机器人运动和吸尘速度以延长电池的实际吸尘时间外,还尚需优化自动充电方案,保证机器人能及时进行充电,自动完成对指定环境的吸尘任务。随着吸尘机器人关键技术和性能价格比的不断提高或改进,相信根据现有的软硬件条件,未来几年内就会推出价格适中的全自动吸尘机器人产品,进而使吸尘机器人能像普通家电产品一样走进千家万户,为这一高新技术产品带来可观的市场和经济效益。参考文献1 机械设计手册编委会机械设计手册M北京：机械工业出版社，20042 聂毓琴 孟广伟主编材料力学M北京：机械工业出版社，20043 于骏一、邹青编.机械制造技术基础M.北京：机械工业出版社，20044 谭庆昌、赵洪志、曾平编.机械设计M.长春：吉林科学技术出版社，20005 侯洪生编.机械工程图学M.北京：科学出版社，20016 岑军健主编.新编非标准设备设计手册M.北京：国防工业出版社，19997 寇尊权主编.机械设计课程设计M.长春：吉林科学技术出版社，19998 杜祥瑛编著工业机器人及其应用M.北京，机械工业出版社，19869 张得泉、陈思夫、林彬编.机械制造装备及其设计M.天津：天津大学出版社，200310 邹青机械制造技术基础课程设计指导教程M.北京：机械工业出版社， 200411 谭浩强编.C程序设计M.北京：清华大学出版社，1999致 谢本论文是在导师XX老师的悉心指导和关怀下完成的。无论是在选题、课题的研究还是在论文的撰写方面，无不倾注着导师的心血。导师渊博的知识、精湛的学术造诣为本论文的研究指明了方向，导师敏锐的洞察力、富有创建的学术思想是本论文得以开展和顺利完成的重要动因，闫老师严谨的学风、一丝不苟的治学态度和对科学孜孜不倦的执著追求时刻启迪着我，他诲人不倦、刻苦奉献的精神以及和平易近人的工作永远激励着我。另外，我还要感谢山东轻工业学院的XX朋友XX同学XXX同学，他们在我攻读学士学位期间给予了大量建议和帮助。我要特别感谢我的父母和其他亲友，感谢他们给予我无私的理解与莫大的关怀，他们对我的支持是我顺利完成学业的最大动力。还要感谢对论文进行评审，并提出宝贵意见的各位专家。最后再次向我的导师衷心的感谢和崇高的敬意，也向所有在我攻读学位及撰写论文期间给予我帮助的老师、同学、亲人和朋友们表示衷心的感谢。祝山东轻工业学院事业辉煌，蒸蒸日上！23