掃地機(jī)器人簡(jiǎn)介

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1、《機(jī)電產(chǎn)品課程設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)掃地機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)小組成員：蔚白鴿周志浩自動(dòng)清掃機(jī)器人是當(dāng)今服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)熱門(mén)的研究方向。從理論和技術(shù)上講，自動(dòng)清掃機(jī)器人比較具體地體現(xiàn)了移動(dòng)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(chǎng)前景角度講，自動(dòng)清掃機(jī)器人將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于賓館、酒店、圖書(shū)館、辦公場(chǎng)所和大眾家庭。因此開(kāi)發(fā)自動(dòng)清掃機(jī)器人既具有科研上的挑戰(zhàn)性又具有廣闊的市場(chǎng)前景。家用智能清掃機(jī)，包括計(jì)算機(jī)、傳感器、電機(jī)與動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源、吸塵器、電源開(kāi)關(guān)、操作電位計(jì)等，在清掃機(jī)的頂部共設(shè)有三個(gè)超聲波

2、距離傳感器；清掃機(jī)底部前方邊沿安裝有5個(gè)接近開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān)與超聲波距離傳感器一起，構(gòu)成清掃機(jī)測(cè)距系統(tǒng)；清掃機(jī)裝有兩臺(tái)直流電機(jī)；在清掃機(jī)的底部安裝有吸塵器機(jī)構(gòu)。自動(dòng)清掃機(jī)器人的功能是自動(dòng)完成房間空曠地面尤其是家居空曠地面的清掃除塵任務(wù)，打掃前，要把房間里的物體緊靠四周墻壁，騰出空曠地面。清掃機(jī)完成的主要功能：能自動(dòng)走遍所以可進(jìn)入的房間，可以自動(dòng)清掃吸塵，可在遙控和手控狀態(tài)下清掃吸塵。本文所介紹的自動(dòng)清掃機(jī)器人的總體布局方案如圖1所示，前后兩輪為萬(wàn)向輪，左右兩輪為驅(qū)動(dòng)輪。驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)采用兩輪獨(dú)立且各由兩臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向方

3、式，通過(guò)控制左右兩輪的速度差來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向?？紤]到機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用的實(shí)用性，本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的可方便替換的模塊，當(dāng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，只需簡(jiǎn)單步驟就可以對(duì)驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行替換。同時(shí)為了機(jī)器人能夠靈活的運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)輪選用萬(wàn)向輪。下圖為自動(dòng)清掃機(jī)的三維立體圖：7《機(jī)電產(chǎn)品課程設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)自動(dòng)清掃機(jī)器人車(chē)箱體采用框架式結(jié)構(gòu)。從下至上分隔成三個(gè)空間：第一層裝配各運(yùn)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；第二層為垃圾存儲(chǔ)空間；第三層裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)、接線(xiàn)板、7《機(jī)電產(chǎn)品課程設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)電源電池、開(kāi)關(guān)等。自動(dòng)清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件主

4、要是以單片機(jī)AT89C51作為核心，輔助其外圍電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、傳感器檢測(cè)電路以及紅外遙控電路等，各模塊在單片機(jī)的控制下，相互協(xié)調(diào)工作，保證自動(dòng)清掃機(jī)器人各種功能的實(shí)現(xiàn)。該控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。傳感器在清掃機(jī)器人上的布置如圖下所示，圖中紅色的圓點(diǎn)代表六個(gè)紅外傳感器的位置。下圖為清掃機(jī)的硬件系統(tǒng)：步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化設(shè)備中。步進(jìn)電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處在于它是一種可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工作中傳遞轉(zhuǎn)矩的同時(shí)還可以控制角位移或速度。本研究中采用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，通過(guò)通電

5、方式的不同使自動(dòng)清掃機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)達(dá)到前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。自動(dòng)清掃機(jī)器人的吸塵器則采用直流電機(jī)（H橋式電路）驅(qū)動(dòng)。7《機(jī)電產(chǎn)品課程設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)下圖為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：采用以AT89C51單片機(jī)為核心的紅外接收電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。紅外遙控器發(fā)射不同的碼值來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速減速以及啟動(dòng)停止。單片機(jī)通過(guò)對(duì)紅外信號(hào)的解碼來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的變速。紅外發(fā)射器原理圖如下所示：設(shè)計(jì)行走功能模塊程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用了圖3所示的行走方案。程序設(shè)計(jì)時(shí)要考慮:吸塵器在外圈行走時(shí),為了避免接近開(kāi)關(guān)中斷對(duì)程序運(yùn)行的干

6、擾,應(yīng)對(duì)接近開(kāi)關(guān)的中斷處理程序做相應(yīng)處理。由于吸塵器兩動(dòng)力輪的中心與車(chē)體中心不重合,故采用以7《機(jī)電產(chǎn)品課程設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一輪為中心的旋轉(zhuǎn)方式并通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)彎標(biāo)志位(1或0)來(lái)判斷轉(zhuǎn)向。在墻角轉(zhuǎn)彎時(shí)處，根據(jù)吸塵器外形的幾何尺寸計(jì)算吸塵器遇墻停止后,后退再轉(zhuǎn)彎的時(shí)間。吸塵器內(nèi)圈行走時(shí)的轉(zhuǎn)彎依靠轉(zhuǎn)彎設(shè)定值實(shí)現(xiàn)。當(dāng)超聲波傳感器1的值小于等于設(shè)定值時(shí),吸塵器轉(zhuǎn)彎?？紤]到超聲波傳感器的最小量程為0.5m,第一圈內(nèi)圈行走的轉(zhuǎn)彎設(shè)定值設(shè)定為50cm,以后每圈的轉(zhuǎn)彎設(shè)定值遞增30cm。吸塵器單向行駛至轉(zhuǎn)彎結(jié)束的過(guò)程稱(chēng)為一次單向清掃過(guò)程。

7、若某次單向行駛結(jié)束后檢測(cè)到超聲波傳感器1的值小于轉(zhuǎn)彎設(shè)定值,則吸塵器原地再次轉(zhuǎn)彎,然后前進(jìn)至墻停止,整個(gè)房間清掃完畢。設(shè)計(jì)躲避障礙物功能模塊程序設(shè)計(jì)避障總規(guī)則:利用超聲波實(shí)測(cè)值與已測(cè)得的房間長(zhǎng)(寬)值的比較,判斷某次單向清掃途中是否有障礙物。若有障礙物:行走時(shí)若為左轉(zhuǎn),采用左避讓規(guī)則;行走時(shí)若為右轉(zhuǎn),采用右避讓規(guī)則。障礙物避開(kāi)后按行走規(guī)則繼續(xù)行進(jìn);若無(wú)障礙物:按行走規(guī)則繼續(xù)行進(jìn),在轉(zhuǎn)彎前應(yīng)判斷是否有足夠的空間供機(jī)器人吸塵器轉(zhuǎn)彎。若吸塵器可以轉(zhuǎn)彎,則轉(zhuǎn)彎,本次單向清掃完畢;若吸塵器不能轉(zhuǎn)彎,說(shuō)明下次單向清掃起始點(diǎn)處有障礙物

8、,后退,避開(kāi)障礙物后再轉(zhuǎn)彎,前進(jìn)至通過(guò)障礙物邊線(xiàn)后,本次單向清掃完畢。避障功能是在行走功能基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的,分為內(nèi)圈避障程序設(shè)計(jì)和外圈程序設(shè)計(jì)。清掃完畢的判斷方案:用外圈行走結(jié)束后清掃區(qū)域的精確長(zhǎng)、寬值與內(nèi)圈行走軌跡寬度30cm相除,商即為長(zhǎng)、寬方向上各自所需的單向清掃次數(shù),有余數(shù)則說(shuō)明還有一塊寬度小于30cm的矩形區(qū)域