机械电子学作业 - 图文

机械电子学课程作业

专 业： 机械制造及其自动化 课程名称： 机械电子学 学 号：

姓 名：

完成时间： 2015年1月23日

类别 标准分数 实得分数 平时 成绩 作业 成绩 总分 100 授课教师 签字 清扫机器人的设计方案

1.引言

随着社会的进步和发展，人们的物质和精神生活质量的提高，迫切需要从繁重的清洁够工作解脱出来。由此诞生了一种家用服务型吸尘机器人,它将移动机器人技术和吸尘技术有机地融合起来，实现家庭、宾馆、写字楼等室内环境的半自动或全自动清洁。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。

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[1]。

本文选择卫博士TRV-11NB88扫地机器人，介绍清扫机器人的机械部分机构，主要对路径规划和自主充电对接进行具体分析。

2.清扫机器人的关键技术

清扫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题，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猛发展，吸尘机器人控制系统研究和开发已具备了件事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拄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，近年来对只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，主要依赖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]。 2.1 定位技术

定位是根据已知的环境地图信息，结合机器人内部传感器的返回信息，对机 器人在任意时刻的位姿的估计。根据机器人定位所采用的传感器的不同，可以将

[3][4]

机器人定位技术分为绝对定位和相对定位。相对定位主要有惯导法和测距法两种。惯导法是利用陀螺仪及加速度计等传感器，根据测量值的积分计算出位置的偏移量，而测距法是利用编码器等传感器，根据采样时间内位移的增量推算出位置。绝对定位是指利用传感器得到机器人的绝对位置信息，包括电子罗盘定位，GPS 定位，路标导航定位，地图模型匹配等[5]。不同的定位方法都有各自的优点以及不足，在具体的定位过程中可以综合不同的定位方法。 2.1 传感技术

为了让清扫机器人正常工作，必须对机器人位置、姿态、速度和系统内部状 态进行监控，还要感知机器人所出工作环境的静态和动感信息，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、接触很接近传感器。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及避免碰撞。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分为 静态结构化环境、动态已知环境动态不确定环境，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给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，可分为为两种类型：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 spaccApproach)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自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的转速大小。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利亚涡流气体，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型智能吸尘器就采用的了这种技 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。

3.总体方案设计

3.1 设计目标

本课题介绍了家用清扫机器人的总体设计方案，具有自主清扫、自动返回充电功能，自动路径规划壁障功能，定时预约功能。要求运行机构形式为轮式，转弯半径为0mm，高度不超过100mm，高度不超过400mm，一次充电连续工作时为0.5小时，营示方式为LED闪光。 3.2 机械机构设计 3.2.1 机械本体设计

家用清扫机器人，包括控制器、传感器、电机与动力传动机构、电源、吸尘器、电源开关等，在清扫机的顶部设有超声波距离传感器；清扫机底部前方边沿安装有接近开关，接近开关与超声波距离传感器一起，构成清扫机测距系统；清扫机装有直流电机；在清扫机的底部安装有吸尘器机构。

本文所研究的家用清扫机器人的总体布局方案如图所示，后两轮为驱动轮，前轮为转向轮。考虑到机器人实际应用的实用性，本驱动系统设计成一个独立的可方便替换的模块，当机器人驱动系统发生故障时，只需简单步骤就可以对驱动部分进行替换。同时为了机器人能够灵活的运动，从动轮选用万向轮。如图3.1所示。

图3.1 清扫机器人的三维立体图

电机通过电机支架固定在底板上，主动轮与电机通过联轴器连接。风机布置在底板的上方，风机与集尘盒之间放置过滤网，将垃圾留在集尘盒内部，吸嘴与集尘盒之间通过转接头相连，通过吸嘴、集尘盒、风机构成清扫机器人的内部腔道。

3.2.2 清扫模块设计

清扫模块是清扫机器人的最终执行机构，对清扫机器人清扫效果有很重要的 影响。根据清扫方式的不同，清扫机器人的清扫方式可以分为有吸扫式和纯扫式 两种。

吸扫式是依靠清扫机器人内部的风机高速旋转，使机器人内部的气体被排出，吸口处的空气补充进来，机器人内部形成瞬时真空，在此作用下将吸嘴处的垃圾吸入集尘盒中。清扫机器人清扫能力取决于吸嘴处风速的大小，相关资料表明，吸口处的风速在 40~60m/s 之间，清扫的效果好。垃圾从吸嘴处吸入机器人