室内自动扫地清洁机器人结构的设计【智能扫地机器人】

室内智能扫地机器人的设计摘要在科技高速发展、物质生活水平不断提高的 21 世纪，人们不仅仅对自己的要求在提高，在对物质生活的要求上也不同以往。本文是关于市场上的扫地机器人的调查，利用调查结果分析确定模型及制作实物模型的过程分析，主要通过市场调查的网络查询法、观察法及其他方法，针对市场上现有的扫地机器人从功能、类别、造型、使用情况、工作原理、结构、产品的设计要求、限制条件、特点等方面进行调查分析。确定出扫地机器人的具体结构、尺寸、外观造型及三维模型的制作。 本产品以简单、实用 、多功能的设计理念展开设计，对其多方面的影响因素进行分析，使产品成为更加功能化和实用化。关键词：扫地机器人；功能原理；实物模型 ；solidworksAbstractIn the rapid development of science and technology, the material life level enhances unceasingly in the 21st century, people in improving to own request, not just on the requirement of material life is also different. This article is about the robot sweeps the floor on the market investigation, the results of the survey analysis is used to determine the model with the physical mock-ups and process analysis, mainly through the market survey network query method, observation method and other methods, in view of the existing on the market of the robot from the function, category, modelling, usage, working principle, structure, the design of the product requirements, constraints and characteristics were investigated. Determine the specific of the sweeping robot structure, size, style and the production of the 3 d model. This product in a simple, practical, multi-function design, the design idea of the various influencing factors were analyzed, and make products more functional and practical.Key words: sweeping robot; Function principle; Physical model; solidworks目录摘要 .IAbstract.II第一章 绪论 .11.1 室内自动扫地机器人的研究背景 .11.2 室内制动扫地机器人国内外研究现状 .11.2.1 室内扫地机器人国内研究现状 .11.2.2 室内扫地机器人国外研究现状 .31.3 本课题研究的目的与意义 .9第二章 室内自动扫地机器人介绍 .102.1 家用室内扫地机器人的关键技术 .102.2 室内扫地机器人的结构介绍 .122.3 室内扫地机器人的工作原理 .152.4 室内扫地机器人功能介绍 .16第三章 室内扫地机器人总体设计 .193.1 室内扫地机器人的外形设计 .193.2 室内自动扫地机器人的三维设计 .213.2.1 solidworks 简介 .213.2.2 室内扫地机器人的三维设计 .25第四章 展望与总结 .26致谢 .28参考文献 .290第一章 绪论1.1 室内自动扫地机器人的研究背景近年来，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。1.2 室内制动扫地机器人国内外研究现状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 室内扫地机器人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1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 1-1 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。21.2.2 室内扫地机器人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。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。如图所示。图 1-2 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3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 9min，相当于人打扫同样大房间所需时间的 1-1.5 倍，可清扫房间地板的 9293；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4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 10cm 的距离，而在探测到热源时，将会同热源至少保持 50cm 的距离。20 世纪 90 年代，美国就推出了地面清洁机器人 RoboScrub，该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Roomba” 在美国面市，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。 Roomba 的动作有点儿迟缓，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 Roomba 在家进行清扫。如图所示。图 1-3 智能清洁机器人 Roomba2002 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（EIectoIux ）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5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 1-4 三叶虫障碍物。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，如图所示。英国、法国和澳大利亚也都推出过清洁机器人产品。英国 Dyson 公司最近推出一种型号为 DC06 的智能吸尘器。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 1-4 所示,吸尘机器人形状呈 50 厘米长的模型汽车状,重 9.2 公斤左右,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,如下图所示。6图 1-4 智能机器人 DC06澳大利亚的 Floor Botics 公司最近也研制出可自动行驶并打扫房间的 V4 型机器人,如图所示。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, ARNA 导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，如图所示。7图 1-5 V4 智能吸尘机器人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。81.3 本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。9第二章 室内自动扫地机器人介绍2.1 家用室内扫地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。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。102、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。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。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11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。2.2 室内扫地机器人的结构介绍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 2-1 所示。图 2-1 机器人整体外观本清洁机器人的结构如图所示。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；12图 2-2 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13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 2-3 移动机构示意图2.3 室内扫地机器人的工作原理本系统的功能模块关系如图所示。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14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。机器人工作的流程如下:(l) 首先可以通过键盘或者遥控器启动清洁机器人，让它开始清扫工作。(2) 机器人一旦开始工作，便控制清扫机构进行清扫、吸尘机构开始吸尘、擦地机构开始擦地。(3) 机器人开始工作，传感探测模块就开始不断地采集外部信息，送到CPU 进行分析和决策产生机器人行走的路径。(4) 当路径规划需要机器人实现转向的时候。CPU 就分别改变左右轮的速度，通过差速来实现转向。(5) 工作期间机器人可以通过 LCD 显示一些相关信息 (比如工作模式、工作计时或温度)。(6) 遥控器除了可以控制清洁机器人的启停，还可以对机器人进行定时，让机器人在一定时间后开始工作或者工作一定时间后停止工作。图 2-4 功能模块关系示意图15该机器人利用安装的各类传感器来获取室内环境以及自身的基本信息，如障碍物的位置、自身走过的距离等;然后根据获得的信息，选定相应的控制策略 ;通过以单片机为核心的控制系统进行障碍物判断、避障策略选择和运动行走实施。机器人面板上有控制其开始/停止工作的按键。同时也可以通过遥控来控制，遥控还可以用来对机器人进行定时，LCD 实时的显示定时的倒记时和当前的温度值。2.4 室内扫地机器人功能介绍扫地机器人是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能。一般来说，将完成清扫、吸尘、擦地工作的机器人，也统一归为扫地机器人。伊莱克斯 2001 年首推出实用的商品化的自动吸尘系统 Trilobite，美国的irobot 公司凭借其长期在军用机器人方面的积累，于 2002 年推出 roomba。后来其他公司也陆续推出了各自的产品。其最核心的技术，是感知四周的环境，然后规划行走的路径，有效地遍历各个区域，完成各个区域的打扫。目前最先进的有 irobot 公司的 iAdapt 技术为核心的 roomba 系列、neatorobotics 公司的 RPS 技术为核心的 neato xv 系列（含德国 vr 系列） ，Evolution Robotics 公司（已于 2012 年 9 月被 irobot 公司收购）的 north star 技术为核心的 mint 系列擦地机。目前（2012 年 10 月）能够实用的扫地机器人有：irobot 公司的 roomba 5系列、7 系列，mint 系列，scooba 系列；neato 公司的 xv 系列；Proscenic 公司的 902 和 Pro nono。扫地机器人的发展方向，将是更加高级的人工智能带来的更高的清扫效果、更高的清扫效率、更大的清扫面积。目前基本功能：自动清扫、自动回充、定时清扫、智能防跌落。部分机型新增杀菌抹地功能。目前基本功能：自动清扫、自动回充、定时清扫、智能防跌落。部分机型新增杀菌抹地功能。16图 2-4 智能防跌落紫外灯杀菌功能：对于床底、沙发下以及其他角落会有很多细菌和小昆虫，如果可以杀菌，会提高家庭的环境质量，但是有人在家时不适宜打开紫外灯，因其对人有伤害。图 2-5 UV 杀菌灯自动充电功能：由于电池电量有限，所以需要充电才能持续工作，但是现在市面上的产品能够自动充电的产品非常少，而且非常贵，采用的方式是配备充电的一套东西，一般采用接触式充电方法，而不是无线充电方式。17图 2-6 智能自动回充可以实现无线终端控制，它可以用遥控器，或者手机、电脑进行控制，遥控控制范围远，无阻隔，无辐射。扫地机器人装有感应探头，遇到障碍物相触碰后能够改变方向，而且配有橡胶，防止撞击，起到缓冲保护的作用。扫地机器人内部设有杀菌灯管，能够有效杀灭螨虫、细菌和病毒等病菌配有虚拟墙，能够阻隔不需要清扫的区域。由于现在的扫地机器人还处在研发初期，很多智能学习与工作方面的能力还有待提高，在满足人们更多需求的能力上，也有很大的拓展空间。扫地机器人的噪音问题也有待解决。由于其工作的特点是吸尘，不可避免的会有风声，还有电机的转动，特别是较差的电机转动的声音比较大，也是要提高的。对家具多的地方、墙角小东西就无能为力了，有时还只会在一个地点打转，打扫不彻底；部分不能自动充电的产品持续工作能力差；产品噪音较大；无法自动扫描，比如某一个地方有一滩墨水，那么机器人扫过后，会污染很多其他地方，只能针对简单需要吸尘的地面。18第三章 室内扫地机器人总体设计3.1 室内扫地机器人的外形设计目前室内智能化扫地机器人的外形主要有以下几种:1、外形一：图 3-1 扫地机器人外形一特点：外形模仿动物，传感器放置于机器前端。该外形活泼，吸引眼球。2、外形二：图 3-2 扫地机器人外形二19特点：圆角矩形外观、有科技感。外观时尚、搭配和谐。3、外形三：图 3-3 扫地机器人外形三特点：圆形外观，操作方便、直观。在扫地过程中方便转向。4、外形四：图 3-4 扫地机器人外形四特点：采用椭圆形外观，平板上安放遥控器、操作方便。5、外形五：20图 3-5 扫地机器人外形五特点：圆形外观时尚简约。操作方便、拿去方便，集灰盒清洗方便。综合考虑上述情况选取外形方案五为本次毕业设计基础。3.2 室内自动扫地机器人的三维设计3.2.1 solidworks 简介SolidWorks 公 司 成 立 于 1993 年 ， 由 PTC 公 司 的 技 术 副 总 裁 与 CV 公 司 的副 总 裁 发 起 ， 总 部 位 于 马 萨 诸 塞 州 的 康 克 尔 郡 （ Concord,Massachusetts）内 ， 当 初 所 赋 予 的 任 务 是 希 望 在 每 一 个 工 程 师 的 桌 面 上 提 供 一 套 具 有 生 产 力的 实 体 模 型 设 计 系 统 。 从 1995 年 推 出 第 一 套 SolidWorks 三 维 机 械 设 计 软件 至 今 ， 它 已 经 拥 有 位 于 全 球 的 办 事 处 ， 并 经 由 300 家 经 销 商 在 全 球 140个 国 家 进 行 销 售 与 分 销 该 产 品 。 SolidWorks 软 件 是 世 界 上 第 一 个 基 于Windows 开 发 的 三 维 CAD 系 统 ， 由 于 技 术 创 新 符 合 CAD 技 术 的 发 展 潮 流和 趋 势 ， SolidWorks 公 司 于 两 年 间 成 为 CAD/CAM 产 业 中 获 利 最 高 的 公 司 。良 好 的 财 务 状 况 和 用 户 支 持 使 得 SolidWorks 每 年 都 有 数 十 乃 至 数 百 项 的 技术 创 新 ， 公 司 也 获 得 了 很 多 荣 誉 。 该 系 统 在 1995-1999 年 获 得 全 球 微 机 平台 CAD 系 统 评 比 第 一 名 ； 从 1995 年 至 今 ， 已 经 累 计 获 得 十 七 项 国 际 大 奖 ，其 中 仅 从 1999 年 起 ， 美 国 权 威 的 CAD 专 业 杂 志 CADENCE 连 续 4 年 授 予SolidWorks 最 佳 编 辑 奖 ， 以 表 彰 SolidWorks 的 创 新 、 活 力 和 简 明 。 至 此 ，SolidWorks 所 遵 循 的 易 用 、 稳 定 和 创 新 三 大 原 则 得 到 了 全 面 的 落 实 和 证 明 ，21使 用 它 ， 设 计 师 大 大 缩 短 了 设 计 时 间 ， 产 品 快 速 、 高 效 地 投 向 了 市 场 。 由 于 SolidWorks 出 色 的 技 术 和 市 场 表 现 ， 不 仅 成 为 CAD 行 业 的 一 颗耀 眼 的 明 星 ， 也 成 为 华 尔 街 青 睐 的 对 象 。 终 于 在 1997 年 由 法 国 达 索 公 司 以三 亿 一 千 万 美 元 的 高 额 市 值 将 SolidWorks 全 资 并 购 。 公 司 原 来 的 风 险 投 资商 和 股 东 ， 以 一 千 三 百 万 美 元 的 风 险 投 资 ， 获 得 了 高 额 的 回 报 ， 创 造 了CAD 行 业 的 世 界 纪 录 。 并 购 后 的 SolidWorks 以 原 来 的 品 牌 和 管 理 技 术 队 伍继 续 独 立 运 作 ， 成 为 CAD 行 业 一 家 高 素 质 的 专 业 化 公 司 ， SolidWorks 三维 机 械 设 计 软 件 也 成 为 达 索 企 业 中 最 具 竞 争 力 的 CAD 产 品 。 由 于 使 用 了 Windows OLE 技 术 、 直 观 式 设 计 技 术 、 先 进 的 parasolid内 核 （ 由 剑 桥 提 供 ） 以 及 良 好 的 与 第 三 方 软 件 的 集 成 技 术 ， SolidWorks 成为 全 球 装 机 量 最 大 、 最 好 用 的 软 件 。 资 料 显 示 ， 目 前 全 球 发 放 的SolidWorks 软 件 使 用 许 可 约 28 万 ， 涉 及 航 空 航 天 、 机 车 、 食 品 、 机 械 、 国防 、 交 通 、 模 具 、 电 子 通 讯 、 医 疗 器 械 、 娱 乐 工 业 、 日 用 品 /消 费 品 、 离 散制 造 等 分 布 于 全 球 100 多 个 国 家 的 约 3 万 1 千 家 企 业 。 在 教 育 市 场 上 ， 每年 来 自 全 球 4， 300 所 教 育 机 构 的 近 145， 000 名 学 生 通 过 SolidWorks 的 培训 课 程 。 据 世 界 上 著 名 的 人 才 网 站 检 索 ， 与 其 它 3D CAD 系 统 相 比 ， 与SolidWorks 相 关 的 招 聘 广 告 比 其 它 软 件 的 总 合 还 要 多 ， 这 比 较 客 观 地 说 明 了越 来 越 多 的 工 程 师 使 用 SolidWorks， 越 来 越 多 的 企 业 雇 佣 SolidWorks 人 才 。据 统 计 ， 全 世 界 用 户 每 年 使 用 SolidWorks 的 时 间 已 达 5500 万 小 时 。 在 美 国 ， 包 括 麻 省 理 工 学 院 （ MIT） 、 斯 坦 福 大 学 等 在 内 的 著 名 大 学 已经 把 SolidWorks 列 为 制 造 专 业 的 必 修 课 ， 国 内 的 一 些 大 学 （ 教 育 机 构 ） 如清 华 大 学 、 北 京 航 空 航 天 大 学 、 北 京 理 工 大 学 、 上 海 教 育 局 等 也 在 应 用SolidWorks 进 行 教 学 。 相 信 在 未 来 的 58 年 内 ， SolidWorks 将 会 成 为 与 当今 AutoCAD 一 样 ， 成 为 3D 普 及 型 主 流 软 件 乃 至 于 CAD 的 行 业 标 准 。 Solidworks 软 件 功 能 强 大 ， 组 件 繁 多 。 Solidworks 功 能 强 大 、 易 学 易用 和 技 术 创 新 是 SolidWorks 的 三 大 特 点 ， 使 得 SolidWorks 成 为 领 先 的 、主 流 的 三 维 CAD 解 决 方 案 。 SolidWorks 能 够 提 供 不 同 的 设 计 方 案 、 减 少 设计 过 程 中 的 错 误 以 及 提 高 产 品 质 量 。 SolidWorks 不 仅 提 供 如 此 强 大 的 功 能 ，22同 时 对 每 个 工 程 师 和 设 计 者 来 说 ， 操 作 简 单 方 便 、 易 学 易 用 。 其 基 本 操 作 界面 如 下 ：图 3-6 solidworks 操作界面233.2.2 室内扫地机器人的三维设计图 3-7 室内扫地机器人主视图图 3-8 室内扫地机器人底部图2425第四章 展望与总结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。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.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.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.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26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。27致谢本论文是在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，张老师严谨的学风、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，她诲人不倦、刻苦奉献的精神以及和平易近人的工作永远激励着我。我还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。28参考文献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，198