家用机器人设计开题报告.docx
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家用机器人设计开题报告
大连大学
本科毕业论文（设计）开题报告
论文题目：
基于博创创新平台的家用清洁机器人设计
学院：
机械工程学院
专业、班级：
机械设计制造及自动化机英092班
学生姓名：
卫斌乐
指导教师（职称）：
李洋流
2013年3月20日填
一、选题依据
1．论文（设计）题目：
基于博创创新平台的家用清洁机器人设计
2．研究领域：
单片机及传感器系统设计
3．论文（设计）工作的理论意义和应用价值
当代科学技术发展的特点之一就是机械技术，电子技术和信息技术的结合，机器人就是这种结合的产物之一。
现代机器人都是由机械发展而来。
与传统的机器的区别在于，机器人有计算机控制系统，因而有一定的智能，人类可以编制动作程序，使它们完成各种不同的动作。
随着计算机技术和智能技术的发展，极大地促进了机器人研究水平的提高。
现在机器人已成为一个庞大的家族，科学家们为了满足不同用途和不同环境下作业的需要，把机器人设计成不同的结构和外形，以便让他们在特殊条件下出色地完成任务。
机器人成了人类最忠实可靠的朋友，在生产建设和科研工作中发挥着越来越大的作用。
家庭清洁机器人不但能够代替人乏味的体力劳动，还有其他人们所不具备的优点，可以24小时甚至更长时间连续重复运转，还可以承受各种恶劣环境。
因此，家庭清洁机器人是人体局部功能的延长和发展。
21世纪是敏捷制造的时代，家庭清洁机器必将在敏捷制造系统中应用广泛。
4．目前研究的概况和发展趋势
随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。
就目前来看，总的来说现代机器人有以下几个发展趋势：
1）提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；
2）开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；
3）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。
并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。
二、论文（设计）研究的内容
1.重点解决的问题
（1）清洁机器人路径规划问题；
（2）Northstar软件进行程序流程图的建立；
（3）AVR单片机的组成、工作原理及其端口的应用。
2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）
（1）距离传感器捕捉到信号的处理；
（2）单片机外围电路设计及端口应用；
（3）清洁机器人到达房间边界问题的处理。
3.本论文（设计）预期取得的成果
（1）用博创平台组装出家用清洁机器人的实体，并编写相关控制程序；
（2）绘制单片机外围电路原理图；
（3）用户计算机软件完成机器人的仿真。
三、论文（设计）工作安排
1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）
研究方法是利用创意之星模块化机器人套件，在搭建一个家用清洁机器人的基础上，先根据实际情况进行各个舵机的ID和属性，再通过Northstar软件进行前进、转向步态编程，并将这些独立的方程块组合完成程序流程图的建立，最后对程序进行编译并下载到控制器中，根据距离传感器采集的数据进行相应的前进或转向，并完成房间的清洁工作，这里主要研究机器人的运动，对机器人如何清洁杂物不做详细研究。
2.论文（设计）进度计划
第1-2周：
查阅相关文献，收集资料，了解设计内容
第3-4周：
撰写开题报告
第5-6周：
完成系统总体方案设计，距离传感器布置方案设计；
第7-10周：
完成家用清洁机器人的实体设计；
第11-13周：
编写控制程序并调试完成；
第14周：
撰写论文，完成外文文献翻译；
第15周：
完善毕业设计各项内容，准备答辩
四、需要阅读的参考文献
[1]周远清，张再兴等.智能机器人系统[M].北京：
清华大学出版社，1989．
[2]蔡自兴．机器人原理及其应用[M]．长沙：
中南工业大学出版社，2000．
[3]熊有伦，唐立新，丁汉，刘恩沧编机器人技术基础[M].武汉：
华中科技大学出版社，1996．
[4]宋伟刚编著.机器人学——运动学、动力学与控制[M].北京：
科学出版社,2007
[5]吕恬生，刘文焕.机器人趣谈[M].四川：
科学技术出版社,1999．
[6]王耀南著.机器人智能控制工程[M].北京：
科学出版社,2004．
[7]罗均,谢少荣,翟宇毅,王琦等.特种机器人[M].北京:
化学工业出版社,2006.7.
[8]周兴华.AVR单片机C语言高级程序设计[M].北京:
中国电力出版社,2008.3.
[9]王敏，金波斯科，黄心汉.基于传感器和模糊规则的机器人在动态障碍环境中的智能运动控制[J].控制理论与应用，2000（6）：
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[10]杨进.应用AVR开发智能移动机器人的控制系统[J].MICROCOMPUTERAPPLICATIONS,2010,26（6）:
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文献综述
家庭智能清洁机器人，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。
我们对于机器人可能不会太陌生，工业机器人在很多领域都得到了比较广泛的应用，但是对于家庭智能清洁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，家庭智能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，如今技术相对成熟，产品投入市场的较多，下面是一些实例。
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，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。
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。
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。
清洁机器人具有如下的特点：
自带电源,小巧轻便,操作简单,自主性强,具有很强的实用性；
工作环境主要为普通家庭环境,要求有较好的环境适应性；
任务是清扫地面,工作的对象是地面的灰尘、纸屑以及其他一些小尺寸物体,而大尺寸物体不作为清洁机器人的处理对象.考虑到安全因素,清洁机器人必须对人及家庭物品等不构成任何危害,同时清洁机器人还必须具备自我保护的能力。
。
家庭清洁机器人的关键技术
（1）传感技术
为了让清洁机器人正常工作,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,使得清洁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。
（2）路径规划技术
清洁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。
（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。
（4）电源技术
移动电源在清洁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清洁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清洁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。
清洁机器人一般采用多种类型的传感器，以实现更好的控制。
清洁机器人的多传感器信息融合的思想就是:
构建多传感器系统，充分利用多个传感器资源，通过对这些传感器及其检测信息的合理支配和使用，把多个传感器的冗余或互补信息依据某种准则来组合，以获得障碍物信息的一致性解释或描述。
进行融合的基本目标是通过数据组合，推导出更多的降碍物信息，利用多个传感器共同或联合操作的优势，提高传感器系统的有效性，使该信息系统由此获得比其它的各组成部分的单传感器更优越的性能，清洁机器人上利用多传感器信息融合有以下4个方面的优点:
1.提高系统的可靠性。
当一个或多个传感器出现故障，或者某个传感器测最值有很大噪声时，经过信息融合，仍可以使清洁机器人获得正确的环境信息。
2.提高处理速度。
多传感器信息融合系统使用并行系统算法，可以提高传感器的处理速度，增强清洁机器人的传感系统的反应能力。
3.提高完整描述环境的能力。
多传感器协调使用可以使吸尘机器人获取环境或物体的各种特征信息.通过融合可得到多特征、高层次的描述，即得到任何一种单一传感器很难获取或无法获取的信息。
4.降低清洁机器人信息获取成本。
使用大量低成本传感器而不是少量高成本传感器，通过信息融合同样能获取高质量的信息、降低系统成本。
目前，对机器人技术的发展有最重要影响的国家是日本和美国。
美国在机器人技术的综合性水平上仍处于领先地位，日本生产的机器人数量和种类则居世界首位。
我国发展机器人技术起步于20世纪70年代末。
目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。
但是我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离。
总体来说，我国仍是一个机器人设备的消费市场，行业市场处于发展壮大中。
这次设计的核心控制部件采用AVR单片机。
接下来详细说明：
AVR单片机吸取了PIC及8051等单片机的优点，同时在内部结构上还作了一些重大改进，其主要的优点如下：
程序存储器为价格低廉、可擦写1万次以上、指令长度单元为16位（字）的FlashROM（即程序存储器宽度为16位，按8位字节计算时应乘2）。
而数据存贮器为8位。
因此AVR还是属于8位单片机。
采用CMOS技术和RISC架构，实现高速（50ns）、低功耗（μA）、具有SLEEP（休眠）功能。
AVR的一条指令执行速度可达50ns（20MHz），而耗电则在1uA～2.5mA间。
AVR采用Harvard结构，以及一级流水线的预取指令功能，即对程序的读取和数据的操作使用不同的数据总线，因此，当执行某一指令时，下一指令被预先从程序存储器中取出，这使得指令可以在每一个时钟周期内被执行。
高度保密。
可多次烧写的Flash且具有多重密码保护锁定（LOCK）功能，因此可低价快速完成产品商品化，且可多次更改程序（产品升级），方便了系统调试，而且不必浪费IC或电路板，大大提高了产品质量及竞争力。
工业级产品。
具有大电流10～20mA（输出电流）或40mA（吸电流）的特点，可直接驱动LED、SSR或继电器。
有看门狗定时器（WDT）安全保护，可防止程序走飞，提高产品的抗干扰能力。
超功能精简指令。
具有32个通用工作寄存器（相当于8051中的32个累加器），克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象。
片内含有128-4K字节SRAM，可灵活使用指令运算，适合使用功能很强的C语言编程，易学、易写、易移植。
程序写入器件时，可以使用并行方式写入（用编程器写入），也可使用串行在线下载（ISP）、在应用下载（IAP）方法下载写入。
也就是说不必将单片机芯片从系统板上拆下拿到万用编程器上烧录，而可直接在电路板上进行程序的修改、烧录等操作，方便产品升级，尤其是对于使用SMD表贴封装器件，更利于产品微型化。
通用数字I/O口的输入输出特性与PIC的HI/LOW输出及三态高阻抗HI-Z输入类同，同时可设定类同与8051结构内部有上拉电阻的输入端功能，便于作为各种应用特性所需（多功能I/O口），AVR的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口的输入/输出的真实情况。
单片机内集成有模拟比较器，可组成廉价的A/D转换器。
像8051一样，有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断，而不是像PIC一样所有中断都在同一向量地址，需要以程序判别后才可响应，这会浪费且失去控制时机的最隹机会。
同PIC一样，带有可设置的启动复位延时计数器。
AVR单片机内部有电源上电启动计数器，当系统RESET复位上电后，利用内部的RC看门狗定时器，可延迟MCU正式开始读取指令执行程序的时间。
这种延时启动的特性，可使MCU在系统电源、外部电路达到稳定后再正式开始执行程序，提高了系统工作的可靠性，同时也可节省外加的复位延时电路。
具有多种不同方式的休眠省电功能和低功耗的工作方式。
目前基于AVR单片机的智能传感器系统的应用越来越广泛，已经渗入人们生活的各个领域，近年来单片机的最新发展趋势是：
1.微型单片化：
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。
甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。
此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。
现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
2.主流与多品种共存：
现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机，所以C8051为核心的单片机占据了市场的主要份额，而Microchip公司的PIC精简指令集（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。
此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。
在一定的时期内，这种情形将得以延续，单片机的发展将是依存互补，相辅相成，共同发展的道路。
清洁机器人有着广阔的应用前景，技术也相对成熟，但是我们国家的产品发展相对滞后。
随着科技的进一步发展，成本也会不断降低，将会越来越多出现在我们的家庭中。
审核意见
指导教师评阅意见（对选题情况、研究内容、工作安排、文献综述等方面进行评阅）
签字：
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教研室主任意见
签字：
年月日
学院教学指导委员会意见
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年月日
公章：
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