自动智能扫地机器人设计.docx

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自动智能扫地机器人设计

毕业设计（论文）任务书

机电工程学院机械电子工程专业144班级学生：

题目：

自动扫地机器人设计

毕业设计（论文）从2018年3月5日起到2018年6月11日

课题的意义及培养目标：

自动扫地机器人，是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间完成地板清理工作。

一般采用刷扫方式，将地面杂物扫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、吸尘的机器人，也统一归为扫地机器人。

清扫机器的机身为无线机器，以圆盘型为主。

使用充电电池运作，操作方式以遥控器、或是机器上的操作面板。

一般能设定时间预约打扫，前方有设置感应器，可侦测障碍物，如碰到墙壁或其他障碍物，会自行转弯。

通过本次设计将所学机械知识与电气知识进行结合，设计出满足要求的机电一体化的自动扫地机器人。

设计（论文）所需收集的原始数据与资料：

1、扫地机器人的构成

2、扫地机器人的工作原理、工作过程

3、各部分的实现方式

4、清扫区域的设置

5、模拟仿真的实现方法

课题的主要任务（需附有技术指标分析）：

1.在充分理解课题任务的基础上，设计自动扫地机器人的总体方案，画出扫地机器人的总体机械结构图。

2.根据总体方案对各部分进行设计，画出各部分的结构图及零件图。

3.根据功能要求设置检测控制系统，合理的选择元器件，画出控制原理图、接线图。

4.用Keil编写避障及防跌落控制程序。

5.用Proteus进行仿真调试，控制系统全部功能需要在软件上调试通过，软件可直观的方式表现出清扫机器人的工作过程。

6.撰写1.5万～2万字毕业设计说明书。

设计（论文）进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：

周次

设计（论文）任务及要求

第1周

熟悉、理解毕业设计题目，查找、借阅各种参考资料

第2、3周

毕业实习收资，继续搜集与设计课题有关的素材，整理书写实习报告

第4-6周

扫地机器人的总体结构示意图

第7-9周

各部分的机械结构图

第10-11周

检测控制系统设计，画出控制原理图、接线图

第12-13周

编写控制程序并调试

第14周

整理书写毕业设计说明书

第15周

答辩准备及预答辩

学生签名：

指导教师：

教研室主任：

自动扫地机器人设计

摘要

随着科技和社会的不断进步和发展，机器人的应用从工业领域逐步扩展到了其他领域。

尤其是服务机器人，已经渗透了我们的生活、工作和经济各方面，并且起到了很大的作用。

扫地机器人是目前最贴近人类的机器人，它能够代替人完成家庭地面的清理，最有可能进入千家万户成为家庭生活的一部分。

它涉及到机械、电子和计算机等相关知识，是将移动机器人技术和清洁技术融为一体，自动扫地机器人技术的研究与实现旨在于，通过科技改变人们的口常生活。

它已经成为目前家用电器领域最具挑战性的热门研发课题。

本文主要介绍了自动扫地机器人的机械结构设计和控制系统设计，整体外形采用圆饼状，运动机构采用三轮机构，前轮万向轮后轮采用两个电机分别驱动，清扫机构采用蜗杆传动和带轮配合的传动方案，控制部分采用开关电路启动毛刷电机，采用L298电机驱动模块控制驱动电机，用红外传感器和光电传感器将信号传给AT89C51单片机完成了机器人的自动避障和防跌落功能，在相关机械结构的配合下能够有效地完成清扫工作。

关键词：

扫地机器人，智能化，传感器，单片机，避障

DesignofAutomaticSweepingRobot

ABSTRACT

Withthecontinuousprogressanddevelopmentoftechnologyandsociety,theapplicationofrobotshasexpandedfromindustrytootherfields.Inparticular,servicerobotshavepenetratedourlives,workandeconomicaspects,andhaveplayedagreatrole.Thesweeperrobotisthemostclosetothehumanrobot,itcanreplacepeopletopletethecleaningofthefamilyground,mostlikelytoenterthousandsoffamiliestobeepartofthefamilylife.Itinvolvesmechanical,electronicandputerrelatedknowledge.Itintegratesmobilerobottechnologyandcleaningtechnologyintoone.TheresearchandRealizationofautomaticsweepingrobottechnologyisaimedatchangingpeople'slifethroughtechnology.Ithasbeethemostchallengingresearchtopicinthefieldofhouseholdappliances.Thispapermainlyintroducesthemechanicalstructuredesignandcontrolsystemdesignoftheautomaticsweepingrobot.Thewholeshapeusesroundcake,themotionmechanismadoptsthreewheels,andtherearwheelofthefrontwheelisdrivenbytwomotorsrespectively.Thecleaningmechanismadoptsthetransmissionschemeofthewormdriveandthebeltwheel,andthecontrolpartadoptstheswitchcircuit.Startingbrushmotor,ThedrivemotoriscontrolledbytheL298motordrivemodule.usinginfraredsensorandphotoelectricsensortotransmitthesignaltoAT89C51singlechipmicroputertopletetheautomaticobstacleavoidanceandfallpreventionfunctionoftherobot.Itcaneffectivelypletethecleaningworkunderthecoordinationoftherelatedmechanicalstructure.

Keyword:

Sweepingrobot,Intelligentization,Sensor,Singlechip,Dodgeobstacles

需要全套资料加QQ1270699904

微信zxis19950628

1前言

1.1设计要求

自动扫地机器人，它属于智能家用电器，能够依靠人工智能，通过设置就能自动的在所规定的区域完成清扫工作。

一般都采用毛刷扫地和吸尘方式，把地面杂物用毛刷聚集然后吸入机体的垃圾储存盒，就能完成地面清扫的功能。

一般来说，把能够完成清扫及吸尘的机器人，都统一称为扫地机器人。

扫地机器人的机身全都是无线机器，整体几乎都是圆盘型。

使用充电电池用于机体运作，操作方式不仅可以用遥控器，又可以是机器人上的操作面板。

一般都能设定时间来预约打扫，自行返回充电。

机体前方有传感器，可探测障碍物，如感应到墙壁或别的障碍物，就会自行转弯。

通过本次毕业设计将所学机械知识和电气知识巧妙结合，设计出满足要求的机电一体化自动扫地机器人。

1.2课题国外的研究现状

自动扫地机器人作为智能移动机器人对其的研究开始于20世纪，到现在为止迅速发展的现代科学技术，使服务型机器人渐渐出现在大众市场，为人们的智能化和科技化生活提供了许多便利。

扫地机器人已经成为了一款必不可缺的智能家居，具有一定化的人工智能，能够不依靠人自己进行扫地工作，从而解放了人们的双手，提高了人们的工作效率。

扫地机器人的快速发展带动了家庭服务行业机器人的快速发展，还促进了机器人技术中图像及语音识别、传感器等有关技术的发展。

因此设计一个合理扫地机器人具有很大研究意义。

通过改造扫地机器人的部分机械结构及怎样使用合理的控制系统，将对扫地机器人的性能改进具有很大的提高。

现把自动扫地机器人的国外研究的现状分析如下：

1.2.1课题国外研究现状

世界上最先出现的扫地机器人是由瑞典的家电巨头伊莱克斯1996年制造的，它被叫做“三叶虫”扫地机器人，“三叶虫”有现在智能扫地机器人的很多元素，只是功能没有那没齐全。

外观设计上，它采用圆饼形设计，塑料外壳，高度只有13cm，直径35cm，它可以钻到桌子和床底下等人们难以清扫的狭小空间清理；在导航上，三叶虫”扫地机器人是通过超声波探测躲避障碍、定位及规划路径；避障上，第一代“三叶虫”扫地机器人功能不够完善不能很好躲避障碍物，虽然第二代机器人安装了了红外传感器，但是还是没有下视探头，所以只能在水平方向上躲避障碍物，在需要通过在有楼梯尽头和门口出贴上磁条作为虚拟墙防止机器人跌落。

“三叶虫”扫地机器人充电后可以工作近60min，它分三个挡位进行工作：

正常、快速及点清理，当机器人的存尘盒充满垃圾时就会发出灯光警告。

一直到2001年“三叶虫”清扫机器人才实现大批量生产，各种性能也得到了优化反应速度有所提高，“三叶虫”的出现颠覆了人们对扫地的概念，但是当时非常稀有，所以“三叶虫”价格非常昂贵。

图1-1“三叶虫”扫地机器人

随后，iRobot公司设计制造自动扫地机器人Roomba，不断的升级优化，Roomba成为扫地机器人领域的代表产品。

最值得提出来的是iRobot公司的Roomba780智能扫

地机器人2012年则作为Roomba系列机器人产品的最高级旗舰型号，以一流的创意赢得了评委的一致认可，夺得“红点设计荣誉提名奖”（ReddotdesignhonorarynominationAward），机器人用光学和声学两个系统来探测垃圾，就像人的听觉及视觉感官系统清

图1-2Roomba780自动扫地机器人

扫地面各种粗细垃圾。

可以吸取小于0.3μm的细小颗粒，能吸除家中最常见的粉尘和杂质粒子等微小的颗粒。

机体前端装有软性防撞带，用来防止机器人在运动过程中对家中物品的碰撞，保证墙壁、家具及其它用品不被碰撞，机体装有六个防跌落感应器，通过传感器感应周围高度，防止机体跌落。

Roomba系列的扫地机器人早从2002年开始不断发展，经历十几年的优化改进，Roomba系列扫地机器人成为最智能的家用机器人，不管是第一代还是Roomba500以及目前最智能的Roomba980都具有很好自主能力，可以穿梭于房间中各家具缝隙间，快速完成清扫工作，据传言这是把用在军事的“躲避地雷技术”用到了机器人上。

所以Roomba系列当之无愧是自动扫地机器人领域的代表产品。

国Ottoro扫地机器人，可以说是“扫地机中的战斗机”，相当特殊，在机体充电桩上配有一个激光投影仪器，激光在房间天花板不同地方投影出不同图案用作定位。

机器人的正前方有两个摄像头用来观察正前方的情况，当遇到障碍物时自动绕过障碍物进行清扫。

Ottoro没有用常用的毛刷扫和吸取结合方案，它装配了一个强力的真空吸尘器。

Roomba780需要30分钟打扫的区域，Ottoro只要十多分钟。

Ottoro机器人的实现在软件及硬件上都有很高的要求，所以价格相对非常昂贵，一台Ottoro的价格一般情况可以买10个Roomba,因此Ottoro还是极少数人使用。

1.2.2课题国研究现状

在国一些大学对扫地机器人进行了许多的研究并且取得了不少成果，对扫地机器人一些技术比如机器人定位、驱动、路径规划、机器人感应等技术的研究更深更多，都为扫地机器人的研究发展鉴定技术基础。

工业大学目前一直致力于扫地机器人这方面的研究，与中文大学联合，开发出了一种全方自主位移动扫地机器人。

大学于1999年开始进行智能扫地机器人的研究，经过两年努力成功设计国第一个能够初步自主扫地的机器人。

国产服务机器人方面，小米公司扫地机器人、科沃斯、地贝地贝等产品水平已经与Roomba扫地机器人相近，其产品包含了机器人定位、机器人感应、驱动、路径规划等关键技术。

而还有许多其他国产自动扫地机在技术较差，是市场低端产品，勉强混进国低端产品市场。

一方面，这是因为国的机器人技术起步比国外晚很多；另一方面由于大部分地区消费水平限制使得自动扫地机在中国的市场接受度还不高。

图1-3科沃斯地宝朵朵

科沃斯扫地机器人是卖得比较火的一款产品，科沃斯在家庭扫地机器人行业占领先地位，因为每销售三台扫地机器人就有两台是科沃斯的。

科沃斯地宝是最常用的扫地机

器人。

它适用于家庭、办公区及娱乐场所，以及其它一些人员不便进入的地方。

它是一个集自动清扫和智能一体的地面清扫机器人，整个清扫过程不需人的插手，还有定点清扫、自动清扫、沿边、精扫四种工作形式可选，彻底替代人们的双手。

科沃斯扫地机器人利用涡轮系统来提高清扫的动力，从而是机器人打扫房间质量有保障，具有防撞和防跌落的功能，及自主充电功能。

现已面市的有5系、6系、7系、以及9系等多种产品。

地宝可以工作在如地板、瓷砖、地砖、短毛地毯等任何硬地面。

1.3设计的目的和意义

扫地机器人是把移动机器人相关技术和吸尘器技术结合起来，是一种自动扫地并吸尘的工具，机体装配了微电脑系统，按照人们的意愿完成清扫房间部分或者全部，代替传统繁重的人工清洁工作以及可以清扫人们不能到达的部分。

长期的发展，工业机器人技术已经接近成熟，服务机器人也受到世界各国的研究人员重视。

应用最为广泛的就是家庭清洁机器人，人类也已经迈入了机器人时代的大门，所以服务机器人将融入人们的生活，像汽车一样即将成为人们生活必需品。

所以，自动扫地机器人开发和研究不仅有科研上的挑战，在国又有广阔的市场前景。

自动扫地机器人比普通吸尘器有点主要在，省力省时以及清洁过程一般不需要人们的干预，比噪音吸尘器小很多，清洁效率高，小巧轻便无死角，总之扫地机器人各方面都优于普通的吸尘器。

现在社会发展迅速，生活节奏快，人们压力越来越大，服务机器人可以帮助然们减轻压力，它就是结合传感器和机器人领域的技术，本次毕业设计准备设计一部能够满足大部分家庭家庭需求而且方便的自动扫地机器人。

让它可以代替家庭人工清扫，使家庭的生活智能化，让科技更好地服务于人们。

1.4设计的重点难点

由于扫地机器人体积不能过大，所以怎么设计和装配好行走机构、扫地机构、吸尘机构及储存垃圾机构在这小型机器人中非常重要，也并不容易。

机器人中清扫机构设计是本次设计关键部分也是毕业设计中的难点。

其外形设计也要考虑清扫后如何垃圾储存、如何处理以及如何布置吸尘装置也是本次毕业设计中要详细考虑的问题。

避障功能和防跌落功能是机器人很重要功能是本次设计主要设计的也是一个难点。

1.5本章小结

本章主要阐述了我所选课题研究背景、目的及意义，介绍了扫地机器人国外的发展状况，明确了本次设计研究的容，并对本次设计难点进行了总结，也对文章的结构作简要的说明。

2机器人的机械结构设计

2.1机械结构组成

图2-1扫地机器人大体组成

自动扫地机器，顾名思义就是自动行走扫地，因此自动扫地机器人的机械部分主要包括轮子、底盘、外壳、毛刷传动系统等机器人大体结构如图2-1所示。

2.2机械结构设计选择

2.2.1机器人外形设计

根据扫地机器人的设计需求，本次设计需要设计出扫地机器人的各个机构。

考虑实用性，通过在网上以及淘宝京东各大购物查看机器人的外形尺寸，大部分扫地机器人尺寸都以圆盘形，因为圆盘形控制相对简单，而且不易于房间东西发生碰撞，所以本次设计采用圆盘型结构，大多数机器人直径在350mm左右，高度一般都在90～100mm，我考虑到本次设计不宜过大，机体必须轻巧，不至于太大过于笨重，高度不宜过大，从而使机器人能够进入一般低矮环境进行清扫。

所以初定扫地机器人的外形尺寸圆盘直径350mm，高100mm，底盘需要和地面有一定的距离便于毛刷清扫，此距离不宜过大也不宜过小，过小毛刷旋转被阻碍，过大可能清扫不彻底，现定底盘与地面10mm，设计轮子大小过程中，轮子直径不能大于100mm（机器人高度）。

2.2.2机器人运动机构选择

智能运动的机构主要有以下几种：

车轮式、履带式、腿足式这三种移动机构最为常用，还有不常用的比如：

步进式、蠕动式、混合式、蛇形式只适用于特殊的场合这里不一一介绍。

车轮式：

车轮式主要可以行驶在相对平坦，不太复杂环境地面上，车轮式比较平稳，它按照轮子的数量可分为：

单、双轮、三轮、四轮。

履带式：

履带式机构其实就是轮式结构的延伸，履带改善了轮子在一些环境不能运作的情况，履带的作用就相当于一直在给轮子进行铺路，它适合在没有加工的自然路面行走，滚动阻力较小，履带式适合在松软的泥沙场地行走，而且履带式不容易打滑，爬坡和越过沟槽等都比轮式方便，但是重量大，惯性大减震效果不佳，零件易损坏等缺点，目前广泛运用于大型操作机上。

腿足式：

机动性好，可以说是一种仿生技术，他有很好的适应能力应对各种地面环境，运动可以做到相当平稳，他有许多性能轮式和履带式是无法达到的，腿足式机构和轮式一样，但是比较常见的是像2、4、6等偶数足，但是制造复杂，重量大成本高。

根据以上比较，家庭环境我们选择轮式移动机构，成本不高，运动平稳，它可以满足我们的运动要求，因此选择轮式移动机构，根据我们的运动要求，必须平稳，因此单双轮肯定不符合要求，根据我们需要的结构看，机体前方两边各有一个毛刷，所以机体前方只能装一个轮子，三轮结构具有稳定型，所以我们选择三轮结构。

图2-2三轮移动机构

图2-2a是两后轮分别独立驱动机构，后轮是两个轮子，分别用两个电机进行驱动，前轮是万向轮，主要起支撑作用，此机构组成简单；图2-2b是前轮驱动和转向机构，前轮驱动和操舵合并，机构比较复杂；图2-2c是后轮差动前轮转向机构，前轮操舵，后轮采用差动齿轮来驱动的。

通过比较还是选择机构简单的后两轮独立驱动三轮机构。

为了确定轮子的大小，我们需要建立模型，每个家庭都可能有门槛之类的小型台阶，这种台阶为了安全考虑一般不会设计的很高，一般情况下不会超过10mm当机器人轮系需要翻越台阶时，我们可以对轮子受力分析如图2-3所示，我们需要忽略轮子打滑、轮子形变及空气阻力等情况，翻越是临界情况所以地面对轮子无支持力。

图2-3轮子翻越受力图

图中h——台阶高度≤10mm；

R——轮子半径；

T——驱动力扭矩；

m——扫地机器人质量；

Fs——地面对驱动轮的摩擦力；

F——台阶对驱动轮的支持力。

根据静力学公式

（2-1）

将图2-3中参数代入式（2-1）中得

（2-2）

根据式（2-2）可得，当小型台阶的高度h逐渐变大时，支持力F就不断增大，当轮子的半径r和h相等时，支持力F将趋近于无穷，因此轮子在无穷大的支持力下就不能越过小台阶，因此，轮子的半径必须大于房间小型障碍物的高度，为了安全考虑这些障碍物高度≤10mm，根据大体考虑，扫地机器人驱动轮直径选择80mm，万向轮直径选择30mm。

2.2.3清扫机构的设计

（1）清扫机构结构选择

清扫机构本次毕业设计一共考虑了四种形式，包含圆柱齿轮、锥齿轮、蜗轮蜗杆、皮带轮等机构。

1）方案一：

全部采用斜齿圆柱齿轮，通过电机带动齿轮1，齿轮1带动齿轮2，齿轮、需要的加好友预览全部说明书