室內(nèi)智能掃地機器人的設計【SW3D】,SW3D,室內(nèi),智能,掃地,機器人,設計 室內(nèi)智能掃地機器人的設計 摘要 在科技高速發(fā)展、物質(zhì)生活水平不斷提高的21世紀，人們不僅僅對自己的要求在提高，在對物質(zhì)生活的要求上也不同以往。本文是關于市場上的掃地機器人的調(diào)查，利用調(diào)查結果分析確定模型及制作實物模型的過程分析，主要通過市場調(diào)查的網(wǎng)絡查詢法、觀察法及其他方法，針對市場上現(xiàn)有的掃地機器人從功能、類別、造型、使用情況、工作原理、結構、產(chǎn)品的設計要求、限制條件、特點等方面進行調(diào)查分析。確定出掃地機器人的具體結構、尺寸、外觀造型及三維模型的制作。 本產(chǎn)品以簡單、實用 、多功能的設計理念展開設計，對其多方面的影響因素進行分析，使產(chǎn)品成為更加功能化和實用化。 關鍵詞：掃地機器人；功能原理；實物模型 ；solidworks 29 Abstract In 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 目錄 摘要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1 室內(nèi)自動掃地機器人的研究背景 1 1.2 室內(nèi)制動掃地機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2.1 室內(nèi)掃地機器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1 1.2.2 室內(nèi)掃地機器人國外研究現(xiàn)狀 3 1.3 本課題研究的目的與意義 9 第二章 室內(nèi)自動掃地機器人介紹 10 2.1 家用室內(nèi)掃地機器人的關鍵技術 10 2.2 室內(nèi)掃地機器人的結構介紹 12 2.3 室內(nèi)掃地機器人的工作原理 15 2.4 室內(nèi)掃地機器人功能介紹 16 第三章 室內(nèi)掃地機器人總體設計 19 3.1 室內(nèi)掃地機器人的外形設計 19 3.2 室內(nèi)自動掃地機器人的三維設計 21 3.2.1 solidworks簡介 21 3.2.2 室內(nèi)掃地機器人的三維設計 25 第四章 展望與總結 26 致謝 28 參考文獻 29 第一章 緒論 1.1 室內(nèi)自動掃地機器人的研究背景 近年來，隨著計算機技術與人工智能科學的飛速發(fā)展，智能機器人技術逐漸成為現(xiàn)代機器人研究領域的熱點。其中，服務機器人開辟了機器人應用的新領域。服務機器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一是勞動力成本的上升；二是人類想擺脫枯燥乏味的體力勞動，如清潔、家務、照顧病人等；三是人口的老齡和社會福利制度的完善也為某些服務機器人提供了廣泛的市場應用前景。服務機器人區(qū)別于工業(yè)機器人的一個主要特征就是服務機器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務過程的機器人系統(tǒng)，其活動空間大，具有在非結構環(huán)境下的移動性，因此服務機器人大多數(shù)是移動機器人。 自動進行房間地面清潔的自主吸塵式家庭服務機器人，集機械學、電子技術、傳感器技術、計算機技術、控制技術、機器人技術、人工智能等諸多學科為一體。自主吸塵機器人作為智能移動機器人實用化發(fā)展的先行者，其研究始于20世紀80年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機和產(chǎn)品。 1.2 室內(nèi)制動掃地機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 地面清潔機器人作為智能移動機器人實用化發(fā)展的先行者，其研究始于20世紀80年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機和產(chǎn)品。吸塵機器人的發(fā)展，帶動了家庭服務機器人行業(yè)的發(fā)展，也促進了移動機器人技術、圖像和語音識別、傳感器等相關技術的發(fā)展。現(xiàn)結合國內(nèi)外的文獻將清掃機器人及其自動充電技術的發(fā)展現(xiàn)狀闡述如下。 1.2.1 室內(nèi)掃地機器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀 在國內(nèi)的一些大學，如哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學、上海交通大學等單位也對清潔機器人進行了大量的研究并取得了一些成果，對清潔機器人相關技術如機器感知、機器人導航和定位與路徑規(guī)劃、機器人控制、電源與電源管理、動力驅(qū)動等技術的研究則更多，這些都為清潔機器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎和技術基礎。 哈爾濱工業(yè)大學于90年代開始致力于這方面的研究，與香港中文大學合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動清掃機器人。該機器人具有如下特點：采用全方位移動技術，使機器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務；采用開放式機器人鉸制結構，實現(xiàn)硬件可擴展，軟件可移植、可繼承，使機器人作為服務載體具有更好的功能適應性；在擁擠環(huán)境下的實時避障功能，能更好地適應不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運動兩種運行方式；吸塵機構可實現(xiàn)吸塵腔路的自動轉換，提高了吸塵效率。 浙江大學于1999年初在浙江大學機械電子研究所開始進行智能吸塵機器人的研究，兩年后設計成功國內(nèi)第一個具有初步智能的自主吸塵機器人。這種智能吸塵機器人工作時，首先進行環(huán)境學習：利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時間；之后，利用隨機和局部遍歷規(guī)劃相結合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結束以后，自行回到充電座補充電力。吸塵機器人在5.5×3.5m2的實際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達到90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗還沒有進行。目前，系統(tǒng)正在引入機器視覺和全局 圖1-1 國內(nèi)公司生產(chǎn)的機器人KV8 定位功能，力圖在多房間環(huán)境下，提高自定位能力、智能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。如圖1-7所示。KV8保潔機器人是今年在市場以低價位賣得比較火的一款產(chǎn)品，也是國內(nèi)首個產(chǎn)品化清掃機器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂場所，以及其它一些人員不便進入的地方。KV8能夠通過自身的碰撞傳感器來實現(xiàn)隨機的清掃和碰撞處理，需要人工對其電池進行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動時伴有音樂聲。 1.2.2 室內(nèi)掃地機器人國外研究現(xiàn)狀 對于機器人大家可能不會太陌生，工業(yè)機器人在很多領域都得到了比較廣泛的應用，但是對于家庭機器人我們所了解的卻相當?shù)纳?，而日本，歐美等國家的研究則比較領先，有的都已經(jīng)投入市場，在實際中投入使用。 RC3000是世界上第一臺能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機器人，如圖1-1所示，它有光電傳感器和芯片控制，當遇到障礙時，會隨機改變一個角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物。內(nèi)置了四種清潔程序，保證在遇到不同污漬的地面時，可以調(diào)整其清潔程序；通過傳感器對于地板污漬的判斷，選擇合適的應用程序。內(nèi)置光敏傳感器，確保在遇到樓梯與臺階時，能夠自動避讓，不會掉落。扁平的設計使其能夠清潔床，沙發(fā)，茶幾等家具的下部位置。其相應的充電站有紅外發(fā)射、工作時間設定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個功能。充電站一直發(fā)射紅外定位和導航信號來指引機器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務；同時能夠根據(jù)用戶設定的信息來控制機器人完成相應的操作。 如圖所示。 圖1-2 智能機器人RC3000 在日本，東日本鐵路公司、Shink電器公司和Howa工業(yè)有限公司聯(lián)合研制了車站地面清掃機器人，機器人可沿墻壁從任何一個位置自動啟動，利用不斷旋轉的刷子將廢棄物掃人自帶容器中。該機器人可采用 “磁導引方式”、“示教方式”或 “墻面復制方式”控制。東日本路公司、富士工業(yè)有限公司Subaru實驗室和JR東方設施管理有限公司聯(lián)合研制了車站地面擦洗機器人，該機器人工作時一面將清洗液噴灑到地面上，一面用旋轉刷不停地擦洗地面，并將臟水吸人所帶的容器中。機器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自動清洗系統(tǒng)有兩種，一種是“面積設定模式”，即將待清洗的面積分為若干個單位面積，按照其存儲器中的單位面積識別其行使路線，機器人還可利用其傳感器識別和躲避障礙物；另一種叫“路徑地圖模式”，機器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行使，機器人可存９幅地圖，并可利用ＩＣ卡作為外存，在該模式下，機器人不會避障，僅適用于需要反復擦洗的指定地段。 東日本鐵路公司和東芝公司聯(lián)合研制的用于座椅布局簡單的列車內(nèi)部地面清洗的機器人，其體積小、重量輕、易于出人車廂及在車廂之間運動，感知系統(tǒng)采用超聲波距離傳感器和光學、接觸式的接近傳感器；機器人采用推算定位法，利用編碼器中的數(shù)據(jù)，保持自己的位置和路徑，若探測到錯誤位置，機器人會通過距離傳感器自動修正；高級的列車地面清洗包括掃除垃圾、噴灑清洗液、擦洗、回收污水、用清水沖洗和給地面打蠟六個步驟。日本靜甲株式會社的清水工廠開發(fā)出一種自動清掃機器人，可用于各種工廠的清掃工作，機器人采用光纖陀螺控制機器人的方向，采用編碼器和超聲波傳感器測距，采用光學探測器探測障礙物，機器人的四周裝有橡膠墊，橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺傳感器，一旦機器人與人接觸，觸覺傳感器信號會使機器人停下來以保證人的安全。松下和日立公司也研制出了可清掃磚地木質(zhì)地板和地毯地面的清潔機器人，該機器人采用蓄電池作為動力源，可自動去充電站充電，能夠自主避障和路徑規(guī)劃。 松下電器產(chǎn)業(yè)公司在2002年上半年推出了家庭用清潔機器人的試制機。該機器人可以根據(jù)房間的形狀、地板狀況、垃圾量進行自動清掃，還配備有避開墻壁、爐子等熱源以及障礙的安全功能；該機器人配備有50個傳感器可一邊自動行走一邊進行清掃，工作時首先沿房間四周走一圈，記憶房間形狀，然后在避開障礙物的同時開始縱橫來回移動，清潔工作完成后會自動停止。該機器人清掃一般的日本式房間約需要9min，相當于人打掃同樣大房間所需時間的1-1.5倍，可清掃房間地板的92％－93％；機器人利用光及超聲波的測距傳感器及感壓傳感器來避開障礙物，機器人的內(nèi)置回轉傳感器用來控制行走姿勢以保持既定的行進方向，但在地毯上行走時如果不采取措施則會受到 “地毯花紋”影響而彎曲前進，因此該公司在機器人中安裝了方向舵?zhèn)鞲衅鳎梢詸z測出由于地毯花紋影響而產(chǎn)生的行進方向偏差，因此即使在鋪有地毯的地板上也能夠直線前進，機器人體內(nèi)還安裝有防止從臺階等高處滾下的落差傳感器、感知暖爐等熱源的熱傳感器、檢測自身所受外力大小的重量傳感器及防滑傳感器、檢測添加動力的負載傳感器，機器人同普通的障礙物最少保持10cm的距離，而在探測到熱源時，將會同熱源至少保持50cm的距離。 20世紀90年代，美國就推出了地面清潔機器人 RoboScrub，該機器人配有激光導航系統(tǒng)，采用超聲波測距和避障，用光碼條實現(xiàn)定位。2002年９月清潔機器人＂Roomba”在美國面市，它重約２ｋｇ，直徑為30英寸，具有高度自主能力，可以游走于房間各家具縫隙間，靈巧地完成清掃工作，據(jù)說這是將用于軍事的“躲避地雷的移動技術”應用到了吸塵器上。Roomba的動作有點兒遲緩，但它卻能穩(wěn)定、安全地完成任務。由于能夠在完成任務后自動切斷電源，所以可以在外出期間讓Roomba在家進行清掃。如圖所示。 圖1-3 智能清潔機器人Roomba 2002年10月１日，瑞典的拉克斯電子公司與日本東芝公司共同開發(fā)的清潔機器人 “特里洛巴伊特”上市銷售，“特里洛巴伊特”主要由清掃機器和超聲波傳感器構成，在工作時可避開室內(nèi)擺放的各種家具用品。只要家庭主婦領著它搞過一次清掃后，它便可以按行走過的清掃線路進行自動清掃。這種機器人是充電式的，每一次充電可連續(xù)工作 １小時。 瑞典家電制造商伊萊克斯（EIectoIux）研制生產(chǎn)的清潔機器人小“三葉蟲”高13ｍｍ，直徑35ｍｍ，表面光滑，呈圓形，內(nèi)置搜索雷達，可以迅速地探測到并避開桌腿、玻璃器皿、寵物或任何其它障礙物。一旦微處理器識別出這些障礙物，它可重新選擇路線，并對整個房間做出重新判斷與計算，以保證房間的各個角落都被清掃。在樓梯的臺階等一些沒有天然障礙物的地方，只要有一條磁鐵，小“三葉蟲”便不會跨越。小“三葉蟲”開始啟動后，體內(nèi)的搜索雷達會探測出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡。這樣它便能探測出整個房間的格局，計算出清掃整個房間所需的時間。只要一接近一件障礙物，它便會重新設定行進路線，不會漏掉每一個角落。電線或地毯的邊緣不會被認作是 圖1-4 三葉蟲 障礙物。小 “三葉蟲”的吸刷裝置中裝有一只專利設計滑輪，可以越過電線或地毯邊緣，不被絆住。電源不足時，小“三葉蟲”會自動回到充電卡座自行充電。如果此時房間還沒有清掃完畢，小“三葉蟲”還有記憶功能，充好電后自己回到原處繼續(xù)吸塵，如圖所示。英國、法國和澳大利亞也都推出過清潔機器人產(chǎn)品。 英國Dyson公司最近推出一種型號為DC06的智能吸塵器。這是世界首次開發(fā)研制的全自動“吸塵機器人”。這種機器人具有一定的人工智能,只需輕按開關它就會為你解除每天打掃房間的煩惱。如圖1-4所示,吸塵機器人形狀呈50厘米長的模型汽車狀,重9.2公斤左右,配置了70多個傳感器,可隨時將發(fā)現(xiàn)的情況告訴由3臺內(nèi)置電腦組成的"大腦"。"大腦"每秒可發(fā)出16條命令來指揮吸塵器的工作。充電后一按開關,機器人會在瞬間通過所搭載的三臺小型計算機和70個傳感器計算出自己所在位置、房間大小及臟亂程度、家具的配置等。要是小孩或狗等外來物體接近吸塵器,它就會自動停止工作。接近樓梯口時,吸塵器會自動采取保護措施,以防止?jié)L到樓下。使用時,只要打開電源、選好速度、按下"走"鍵,吸塵器就會自動工作,其它程序都由它自己獨立完成。不過該產(chǎn)品目前價格太高(4000美元左右一臺),要真正推向市場還有相當?shù)碾y度,如下圖所示。 圖1-4 智能機器人DC06 澳大利亞的Floor Botics公司最近也研制出可自動行駛并打掃房間的V4型機器人,如圖所示。這種全自動吸塵器表面光滑,體積很小,呈圓形,內(nèi)置搜索雷達,可以搜索各種房間里的每一處,不會碰撞家具或其它障礙物。微處理小電腦使它具備在拐至屋角處能探測方向、選擇前進路線的能力。只要一放在地面上,全自動吸塵器便可自動開始工作。其搜索雷達會探測出距離最近的墻壁,先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡;然后再不規(guī)則地來回于房間的其它位置,并且能在接近障礙物之前迅速轉向。該吸塵機器人由于在主機的周圍360度配備了障礙物傳感器,因此可以在檢測墻壁及障礙物的同時打掃地面。當打掃完可以行駛的場所后,機器人就自動關閉電源。在經(jīng)過4個小時充電后可以連續(xù)工作1個小時以上,通過更換配件還可以打掃地毯等。如果打掃沒有障礙物的地面時,1個小時可以打掃360平方米。不管房間的外形及面積的大小, ARNA導航算法引導機器人在任何房間的所有無遮掩區(qū)域四處運動來進行清潔工作。因為機器人導航沿房間的周圍,所以它要創(chuàng)建自己的空間參考圖,機器人不需要任何編程"教它應該去哪里”。該機器人操作簡單,僅有三個按鈕:開始,結束以及暫停。人們只要簡單地將它放置在需要清掃的區(qū)域或房間中(這個機器人吸塵器很輕,一只手就可以容易拿起它),按下開始按鈕即可，如圖所示。 圖1-5 V4智能吸塵機器人 2003年11月，三星公司推出一款代號為VC-RP30W的機器人吸塵器，如圖1-6所示。VC-RP30W主要依靠3D地圖技術來進行定位，并能靈巧地躲避障礙物，能夠快速、高效地對房間每個角落進行吸塵。當遇到障礙物或者死角等情況，VC-RP30W會自動轉向繼續(xù)工作。其強大的智能判斷系統(tǒng)使得VC- RP30W能輕易地分辨出垃圾與其他日常生活用品，機器人也允許用戶定義它的工作時間及清 圖1-6 三星機器人VC- RP30W 掃區(qū)域等，從而實現(xiàn)主人不在家時機器人也能進行自動清掃。事實上，用戶除了可以對它本身進行設置以外，還能通過計算機查看安裝在機器人前部的攝像頭進行遠程遙控。整個器人的電池能維持它連續(xù)工作50分鐘，而一旦電池處于即將耗盡的狀態(tài)時它自動回到充電座補充能源，非常地智能化。它回充電站使用的是已經(jīng)生成的3D地圖，而不是像RC3000那樣使用紅外的導航信號。 1.3 本課題研究的目的與意義 吸塵機器人將移動機器人技術和吸塵器技術有機地融合起來，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動或全自動清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作，近年來已受到國內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動機器人的一個特殊應用，從技術方面講，智能化自主式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動機器人的多項關鍵技術，具有較強的代表性。從市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動強度、提高勞動效率，適用于家庭和公共場館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場前景。 融合現(xiàn)代傳感器以及機器人領域的關鍵技術，本課題旨在開發(fā)一部價格便宜，全區(qū)域覆蓋，能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家庭清掃機器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式，使家庭生活電氣化、智能化，使科技更好地為人類服務。 第二章 室內(nèi)自動掃地機器人介紹 2.1 家用室內(nèi)掃地機器人的關鍵技術 家庭清潔機器人的關鍵技術吸塵機器人系統(tǒng)通常由四個部分組成:移動機構、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動機構是吸塵機器人的主體,決定了吸塵器的運動空間,一般采用輪式機構。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、接觸和接近覺傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機等。隨著近年來計算機技術、人工智能技術、傳感技術以及移動機器人技術的迅速發(fā)展,吸塵機器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅實的基礎和良好的發(fā)展前景。吸塵機器人的控制與工作環(huán)境往往是不確定的或多變的,因此必須兼顧安全可靠性、抗干擾性以及清潔度。用傳感器探測環(huán)境、分析信號,以及通過適當?shù)慕７椒▉砝斫猸h(huán)境,具有特別重要的意義。近年來對智能機器人的研究表明,對于工作在復雜非結構環(huán)境中的自主式移動機器人,要進一步提高其自動化程度,主要依靠模式識別及障礙物識別、實時數(shù)據(jù)傳輸及適當人工智能方法,還需要進一步開發(fā)全局模型,從而為機器人獲取全局信息。目前發(fā)展較快、對吸塵機器人發(fā)展影響較大的關鍵技術是:傳感技術、智能控制技術、路徑規(guī)劃技術、吸塵技術、電源技術等。 1、傳感技術 為了讓吸塵機器人正常工作,必須對機器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進行監(jiān)控,還要感知機器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動態(tài)信息,使得吸塵機器人相應的工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應工作環(huán)境的變化。 通常采用的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。其中內(nèi)部傳感器有:編碼器、線加速度計、陀螺儀、磁羅盤等。其中編碼器用于確定當前機器人的位置,線加速度計獲取線加速度信息,進而得到線加速度和位置信息;陀螺儀測量移動機器人的角度、角速度、角加速度以得到機器人的姿態(tài)角、運動方向和轉動時運動方向的改變等絕對航向信息。外部傳感器有:視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器。視覺傳感器采用CCD攝像機進行機器人的視覺導航與定位、目標識別和地圖構造等;超聲波傳感器測量機器人工作環(huán)境中障礙物的距離信息和地圖構造等。紅外線傳感器大多采用紅外接近開關來探測機器人工作環(huán)境中的障礙物以避免碰撞。接觸和接近覺傳感器多用于避碰規(guī)劃。 2、路徑規(guī)劃技術 吸塵機器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)機器人所感知到的工作環(huán)境信息,按照某種優(yōu)化指標,在起始點和目標點規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑,并且實現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。機器人路徑規(guī)劃研究開始于20世紀70年代,目前對這一問題研究仍舊十分活躍。其主要研究內(nèi)容按機器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結構化環(huán)境、動態(tài)已知環(huán)境和動態(tài)不確定環(huán)境,按機器人獲取環(huán)境信息的方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。 對運動規(guī)劃問題,目前有具體的解析算法。但由于解析算法牽涉到復雜的橢圓積分問題,實現(xiàn)起來依然具有相當?shù)碾y度。根據(jù)機器人對環(huán)境信息知道的程度不同,可以分為兩種類型:環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知,通過傳感器在線地對機器人的工作環(huán)境進行探測,以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息的局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個子問題。其中環(huán)境建模的主要方法有:可視圖法(V-Graph)、自由空間法 (Free Space Approach)和柵格法(Grids)等。 3、吸塵技術 真空吸塵器是由高速旋轉的風扇在機體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強大的氣流,將塵埃和臟物通過吸口吸入機體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。吸塵系統(tǒng)包括濾塵器、集塵袋、排氣管以及其他一些附件。其吸塵能力取決于風機轉速的大小。最近,澳大利亞Jetfan公司又開發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個吸塵器是一個全封閉系統(tǒng),既無外部氣體吸入,也無機內(nèi)氣體排除,所以就無需濾塵器、集塵袋、排氣管等附件。其原理是利用附壁效應去形成低壓渦流氣體,最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi)的渦流腔內(nèi)。在英國Dyson公司最近推出的DC06型智能吸塵器中就采用了這種技術。 4、電源技術 移動電源在吸塵機器人中的地位十分重要,可以說是它的生命源。移動電源需要同時滿足吸塵機器人的多種能源需要,如為移動機構提供動力,為控制電路提供穩(wěn)定的電壓和為吸塵操作模塊提供能源等。在這一領域,一般采用化學電池作為移動電源。理想的電源應該能夠在放電過程中保持恒定的電壓、內(nèi)阻小以便快速放電、可充電以及成本低等。但實際上沒有一種電池可同時具備上述優(yōu)點,這就要求設計人員選擇一種合適的電池,盡可能增加吸塵機器人的不間斷工作時間。 2.2 室內(nèi)掃地機器人的結構介紹 本課題要研制一臺結構小巧、靈活，控制簡單、易于實現(xiàn)，初步完成自主移動、自動避障和路徑規(guī)劃任務的清潔機器人。整個清潔機器人由機械部分和控制系統(tǒng)兩大部分組成。機械部分包括高強度塑料底盤、外殼、兩個驅(qū)動輪和一個隨動輪。它們是吸塵電機、清潔刷、電池以及控制系統(tǒng)的載體。機器人整體外觀如圖2-1所示。 圖2-1 機器人整體外觀 本清潔機器人的結構如圖所示。主要包括以下幾部分: (1) 個行走驅(qū)動輪及驅(qū)動電機。該部分主要保證機器人能夠在平面內(nèi)移動。殼體前端和側面裝有紅外開關，作為碰撞檢測傳感器。底面的3個紅外開關作為臺階檢測傳感器，防止跌落。驅(qū)動輪上裝有光電編碼盤，可以對輪速進行檢測和控制，實現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。同時還擴展了超聲波傳感器，用于精確定位的需要; (2) 清掃機構。用電機帶動兩個清掃刷，使左面清掃刷順時針轉動，右面逆時針轉動，這樣就可以在清掃灰塵時將灰塵集中于吸風口處，為吸塵機構的工作做準備； (3) 吸塵機構。制造強大的吸力，將灰塵吸入灰塵存儲箱中； 圖2-2 組成結構圖 (4) 擦地機構。在清掃、吸塵之后，利用安裝在殼體下面的清潔布擦除殘留在 地面上的細小灰塵，保證清潔工作的質(zhì)量。 移動機構是其它部件的載體，機器人移動機構按結構分有輪式、履帶式和步行式等。輪式和履帶式機器人適合條件較好的地面，而步行機器人則適合于條件較差的路面。本課題研制的自主清潔機器人工作在環(huán)境較好的室內(nèi)，所以采用輪式移動機構較為適合。 輪式移動機器人一般有三輪、四輪和六輪，移動機器人若采用三輪結構則比較簡單，能夠滿足一般的需求，應用也比較廣泛;四輪的穩(wěn)定性好，承載能力較大，但結構較復雜;六輪與四輪類似，只不過有更大的承載能力和穩(wěn)定性。在本課題中，清潔機器人的重量不是很大，工作條件是室內(nèi)，也不惡劣，三點確定一個平面，三輪理論上也是穩(wěn)定的。但是對負載有一定的限制，對三輪移動機器人來說，重心都比較低，載荷穩(wěn)定且中心位置基本不發(fā)生變化，所以采用三輪結構就能滿足要求。 三輪轉向裝置的結構通常有兩種方式: (1) 鉸軸轉向式:轉向輪裝在轉向鉸軸上，轉向電機通過減速器和機械連桿機構控制鉸軸，從而控制轉向輪的轉向。 (2) 差速轉向式:在機器人的左、右輪上分別裝上兩個獨立的驅(qū)動電機，通過控制左右輪的速度比實現(xiàn)車體的轉向。在這種情況下，非驅(qū)動輪應為自由輪。移動機器人若采用鉸軸轉向式控制簡單，但精度不是太高;差動轉向式控制復雜，但精度較高。考慮到本課題清潔機器人將來作為服務型機器人使用，在控制方式上應達到一個較高層次，所以采用差動轉向式比較好，并且其運動和轉向的精度也高一些，以便為以后的避障和軌跡規(guī)劃打下一個良好的基礎。因此本系統(tǒng)的移動機構采用的是三輪差速轉向式的，如圖所示。 按照上述的移動結構，清潔機器人采用兩直流電動機獨立驅(qū)動左右兩輪的差動方式，控制簡單、精確、易于實現(xiàn)，可以方便地實現(xiàn)吸塵機器人的前進、左轉、右轉、后退，以及調(diào)頭等功能，清潔機器人能夠在任意半徑下，以任意速度實現(xiàn) 轉彎，甚至可以實現(xiàn)零轉彎半徑(即繞軸中點原地旋轉)。 圖2-3 移動機構示意圖 2.3 室內(nèi)掃地機器人的工作原理 本系統(tǒng)的功能模塊關系如圖所示。清潔機器人由多個功能模塊共同組成，這幾個模塊共同工作、相互協(xié)調(diào)、相互作用，保證了機器人能夠順利的進行清掃。具體的工作原理如下清潔機器人的中心是清潔機器人的CPU，它對其它各個功能模塊進行控制。信息采集模塊負責采集周圍環(huán)境以及機器人本身的各種信息。鍵盤模塊和紅外遙控接收模塊可以接收人們對機器人的控制信息，然后把信息傳給CPU進行處理。當接收到需要機器人進行清掃工作的信號時，CPU可以通過控制行走機構和清潔機構讓機器人進行工作。在機器人工作的過程中還可以通過LCD顯示模塊和狀態(tài)指示模塊對機器人的狀態(tài)進行時實的顯示。 機器人工作的流程如下: (l) 首先可以通過鍵盤或者遙控器啟動清潔機器人，讓它開始清掃工作。 (2) 機器人一旦開始工作，便控制清掃機構進行清掃、吸塵機構開始吸塵、擦地機構開始擦地。 (3) 機器人開始工作，傳感探測模塊就開始不斷地采集外部信息，送到CPU進行分析和決策產(chǎn)生機器人行走的路徑。 (4) 當路徑規(guī)劃需要機器人實現(xiàn)轉向的時候。CPU就分別改變左右輪的速度，通過差速來實現(xiàn)轉向。 (5) 工作期間機器人可以通過LCD顯示一些相關信息(比如工作模式、工作計時或溫度)。 (6) 遙控器除了可以控制清潔機器人的啟停，還可以對機器人進行定時，讓機器人在一定時間后開始工作或者工作一定時間后停止工作。 圖2-4 功能模塊關系示意圖 該機器人利用安裝的各類傳感器來獲取室內(nèi)環(huán)境以及自身的基本信息，如障礙物的位置、自身走過的距離等;然后根據(jù)獲得的信息，選定相應的控制策略;通過以單片機為核心的控制系統(tǒng)進行障礙物判斷、避障策略選擇和運動行走實施。機器人面板上有控制其開始/停止工作的按鍵。同時也可以通過遙控來控制，遙控還可以用來對機器人進行定時，LCD實時的顯示定時的倒記時和當前的溫度值。 2.4 室內(nèi)掃地機器人功能介紹 掃地機器人是智能家用電器的一種，能憑借一定的人工智能，自動在房間內(nèi)完成地板清理工作。一般采用刷掃和真空方式，將地面雜物先吸納進入自身的垃圾收納盒，從而完成地面清理的功能。一般來說，將完成清掃、吸塵、擦地工作的機器人，也統(tǒng)一歸為掃地機器人。 伊萊克斯2001年首推出實用的商品化的自動吸塵系統(tǒng)Trilobite，美國的irobot公司憑借其長期在軍用機器人方面的積累，于2002年推出roomba。后來其他公司也陸續(xù)推出了各自的產(chǎn)品。 其最核心的技術，是感知四周的環(huán)境，然后規(guī)劃行走的路徑，有效地遍歷各個區(qū)域，完成各個區(qū)域的打掃。目前最先進的有irobot公司的iAdapt技術為核心的roomba系列、neatorobotics公司的RPS技術為核心的neato xv系列（含德國vr系列），Evolution Robotics公司（已于2012年9月被irobot公司收購）的north star技術為核心的mint系列擦地機。 目前（2012年10月）能夠?qū)嵱玫膾叩貦C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。掃地機器人的發(fā)展方向，將是更加高級的人工智能帶來的更高的清掃效果、更高的清掃效率、更大的清掃面積。 目前基本功能：自動清掃、自動回充、定時清掃、智能防跌落。部分機型新增殺菌抹地功能。 目前基本功能：自動清掃、自動回充、定時清掃、智能防跌落。部分機型新增殺菌抹地功能。 圖2-4智能防跌落 紫外燈殺菌功能：對于床底、沙發(fā)下以及其他角落會有很多細菌和小昆蟲，如果可以殺菌，會提高家庭的環(huán)境質(zhì)量，但是有人在家時不適宜打開紫外燈，因其對人有傷害。 圖2-5 UV殺菌燈 自動充電功能：由于電池電量有限，所以需要充電才能持續(xù)工作，但是現(xiàn)在市面上的產(chǎn)品能夠自動充電的產(chǎn)品非常少，而且非常貴，采用的方式是配備充電的一套東西，一般采用接觸式充電方法，而不是無線充電方式。 圖2-6 智能自動回充 可以實現(xiàn)無線終端控制，它可以用遙控器，或者手機、電腦進行控制，遙控控制范圍遠，無阻隔，無輻射。掃地機器人裝有感應探頭，遇到障礙物相觸碰后能夠改變方向，而且配有橡膠，防止撞擊，起到緩沖保護的作用。掃地機器人內(nèi)部設有殺菌燈管，能夠有效殺滅螨蟲、細菌和病毒等病菌配有虛擬墻，能夠阻隔不需要清掃的區(qū)域。 由于現(xiàn)在的掃地機器人還處在研發(fā)初期，很多智能學習與工作方面的能力還有待提高，在滿足人們更多需求的能力上，也有很大的拓展空間。掃地機器人的噪音問題也有待解決。由于其工作的特點是吸塵，不可避免的會有風聲，還有電機的轉動，特別是較差的電機轉動的聲音比較大，也是要提高的。對家具多的地方、墻角小東西就無能為力了，有時還只會在一個地點打轉，打掃不徹底；部分不能自動充電的產(chǎn)品持續(xù)工作能力差；產(chǎn)品噪音較大；無法自動掃描，比如某一個地方有一灘墨水，那么機器人掃過后，會污染很多其他地方，只能針對簡單需要吸塵的地面。 第三章 室內(nèi)掃地機器人總體設計 3.1 室內(nèi)掃地機器人的外形設計 目前室內(nèi)智能化掃地機器人的外形主要有以下幾種: 1、外形一： 圖3-1 掃地機器人外形一 特點：外形模仿動物，傳感器放置于機器前端。該外形活潑，吸引眼球。 2、外形二： 圖3-2 掃地機器人外形二 特點：圓角矩形外觀、有科技感。外觀時尚、搭配和諧。 3、外形三： 圖3-3 掃地機器人外形三 特點：圓形外觀，操作方便、直觀。在掃地過程中方便轉向。 4、外形四： 圖3-4掃地機器人外形四 特點：采用橢圓形外觀，平板上安放遙控器、操作方便。 5、外形五： 圖3-5 掃地機器人外形五 特點：圓形外觀時尚簡約。操作方便、拿去方便，集灰盒清洗方便。 綜合考慮上述情況選取外形方案五為本次畢業(yè)設計基礎。 3.2 室內(nèi)自動掃地機器人的三維設計 3.2.1 solidworks簡介 SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技術副總裁與CV公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸塞州的康克爾郡（Concord,Massachusetts）內(nèi)，當初所賦予的任務是希望在每一個工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實體模型設計系統(tǒng)。從1995年推出第一套SolidWorks三維機械設計軟件至今，它已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由300家經(jīng)銷商在全球140個國家進行銷售與分銷該產(chǎn)品。SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術創(chuàng)新符合CAD技術的發(fā)展潮流和趨勢，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財務狀況和用戶支持使得SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項的技術創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽。該系統(tǒng)在1995-1999年獲得全球微機平臺CAD系統(tǒng)評比第一名；從1995年至今，已經(jīng)累計獲得十七項國際大獎，其中僅從1999年起，美國權威的CAD專業(yè)雜志CADENCE連續(xù)4年授予SolidWorks最佳編輯獎，以表彰SolidWorks的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，SolidWorks所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實和證明，使用它，設計師大大縮短了設計時間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。 　　由于SolidWorks出色的技術和市場表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在1997年由法國達索公司以三億一千萬美元的高額市值將SolidWorks全資并購。公司原來的風險投資商和股東，以一千三百萬美元的風險投資，獲得了高額的回報，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀錄。并購后的SolidWorks以原來的品牌和管理技術隊伍繼續(xù)獨立運作，成為CAD行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司，SolidWorks三維機械設計軟件也成為達索企業(yè)中最具競爭力的CAD產(chǎn)品。 　　由于使用了Windows OLE技術、直觀式設計技術、先進的parasolid內(nèi)核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術，SolidWorks成為全球裝機量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的SolidWorks軟件使用許可約28萬，涉及航空航天、機車、食品、機械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費品、離散制造等分布于全球100多個國家的約3萬1千家企業(yè)。在教育市場上，每年來自全球4，300所教育機構的近145，000名學生通過SolidWorks的培訓課程。 　　據(jù)世界上著名的人才網(wǎng)站檢索，與其它3D CAD系統(tǒng)相比，與SolidWorks相關的招聘廣告比其它軟件的總合還要多，這比較客觀地說明了越來越多的工程師使用SolidWorks，越來越多的企業(yè)雇傭SolidWorks人才。據(jù)統(tǒng)計，全世界用戶每年使用SolidWorks的時間已達5500萬小時。 　　在美國，包括麻省理工學院（MIT）、斯坦福大學等在內(nèi)的著名大學已經(jīng)把SolidWorks列為制造專業(yè)的必修課，國內(nèi)的一些大學（教育機構）如清華大學、北京航空航天大學、北京理工大學、上海教育局等也在應用SolidWorks進行教學。相信在未來的5~8年內(nèi)，SolidWorks將會成為與當今AutoCAD一樣，成為3D普及型主流軟件乃至于CAD的行業(yè)標準。 Solidworks軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks 功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點，使得SolidWorks 成為領先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。其基本操作界面如下： 圖3-6 solidworks操作界面 3.2.2 室內(nèi)掃地機器人的三維設計 圖3-7 室內(nèi)掃地機器人主視圖 圖3-8 室內(nèi)掃地機器人底部圖 第四章 展望與總結 雖然自主吸塵機器人的研究已經(jīng)取得了很大進步,進入了實用階段,但是自主能力、工作效率方面還不理想,需要在技術上解決傳感器技術、定位和環(huán)境建模技術.在此基礎上,自主吸塵機器人可以向著高度智能化、多功能集成、低成本的方向發(fā)展。 現(xiàn)在的自主吸塵機器人在行為上還處于“低級生物”的階段,環(huán)境感知能力有限,對路徑的規(guī)劃只是隨機的方式或者是基于局部環(huán)境信息的規(guī)劃方式.在復雜環(huán)境和多房間的環(huán)境下,這種工作方式的效率會銳減.因此,建立CCD視覺系統(tǒng),融合多種傳感器進行定位和環(huán)境建模,實現(xiàn)全局路徑規(guī)劃,將是一個重要的研究方向.同時,算法必須考慮系統(tǒng)的處理速度、存儲空間的限制. 自主吸塵機器人是一個可移動的智能平臺,在吸塵功能之外可以進行功能擴展,比如進行家電控制、房間環(huán)境監(jiān)測(防止火災、電器故障、盜竊等).這方面的市場需求已經(jīng)被Tmsuk和三洋公司抓住,并在2002年發(fā)布了兩款這樣的機器人. 智能機器人是一個復雜的系統(tǒng),使用了大量的傳感器和一個或者多個高性能的微處理器,因此成本較高.但是為了讓普通人都可以享受科技進步的成果,降低成本是個必由之路. 盡管目前價廉物美的吸塵器給人們的清潔工作帶來了一定的便利,但過大的噪音依然讓大多數(shù)使用者望而卻步。吸塵機器人作為服務機器人領域中的一個新產(chǎn)品,將使人們能在無人看守情況下輕松地完成室內(nèi)環(huán)境的吸塵等清潔工作。因此,只要生產(chǎn)成本兼顧到日用電器批量大、價格低的特點,吸塵機器人將具有誘人的市場前景,有關資料也預測吸塵機器人是未來幾年需求量最大的服務機器人。特別是日用清潔電器不論是在市場上或者是在產(chǎn)品的創(chuàng)新上,絕對是所有小家電產(chǎn)品中最活躍的,未來仍有相當大的成長空間。盡管目前國內(nèi)外在吸塵機器人研究開發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過高和許多關鍵技術問題尚急待解決或提高,主要有以下幾個方面: (1)目前,價格過高是嚴重影響吸塵機器人打入家電市場的主要因素,因此為了大幅度降低其成本,我們必須開發(fā)專用運動控制和數(shù)字處理芯片以及微型傳感器。其次,應該看到藍牙技術在家電行業(yè)的應用前景,通過采用藍牙技術將過高的數(shù)字處理器成本轉移到用戶的個人電腦上,則有望在短期內(nèi)將吸塵機器人的成本控制在千元左右。 (2)未來的吸塵機器人將向智能化和自主式發(fā)展,因此我們必須結合現(xiàn)有的基于自適應控制、模糊邏輯、遺傳算法等的移動機器人運動規(guī)劃和控制技術,研究開發(fā)出對環(huán)境變化具有良好的自適應性和魯棒性、對環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運動規(guī)劃與 控制器,使吸塵機器人完成與人工操作質(zhì)量相同甚至更好的吸塵工作。 (3)為了有效地提高清潔的質(zhì)量,還需要對現(xiàn)有的吸塵技術進行改進。根據(jù)環(huán)境的臟潔程度,采用模糊邏輯等技術設計合理的吸塵時間以及相協(xié)調(diào)的機器人運動速度,確保滿意的吸塵效果。 (4)電源技術是吸塵機器人的核心之一,除了有效地提高機器人運動和吸塵速度以延長電池的實際吸塵時間外,還尚需優(yōu)化自動充電方案,保證機器人能及時進行充電,自動完成對指定環(huán)境的吸塵任務。隨著吸塵機器人關鍵技術和性能價格比的不斷提高或改進,相信根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件,未來幾年內(nèi)就會推出價格適中的全自動吸塵機器人產(chǎn)品,進而使吸塵機器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進千家萬戶,為這一高新技術產(chǎn)品帶來可觀的市場和經(jīng)濟效益。 致謝 本論文是在老師的悉心指導和關懷下完成的。無論是在選題、課題的研究還是在論文的撰寫方面，無不傾注著導師的心血。導師淵博的知識、精湛的學術造詣為本論文的研究指明了方向，導師敏銳的洞察力、富有創(chuàng)建的學術思想是本論文得以開展和順利完成的重要動因，張老師嚴謹?shù)膶W風、一絲不茍的治學態(tài)度和對科學孜孜不倦的執(zhí)著追求時刻啟迪著我，她誨人不倦、刻苦奉獻的精神以及和平易近人的工作永遠激勵著我。 我還要特別感謝我的父母和其他親友，感謝他們給予我無私的理解與莫大的關懷，他們對我的支持是我順利完成學業(yè)的最大動力。 還要感謝對論文進行評審，并提出寶貴意見的各位專家。 最后再次向我的導師衷心的感謝和崇高的敬意，也向所有在我撰寫論文期間給予我?guī)椭睦蠋?、同學、親人和朋友們表示衷心的感謝。 參考文獻 [1] 機械設計手冊編委會．機械設計手冊［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2004 [2] 聶毓琴 孟廣偉主編．材料力學［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2004 [3] 于駿一、鄒青編.機械制造技術基礎［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004 [4] 譚慶昌、趙洪志、曾平編.機械設計［M］.長春：吉林科學技術出版社，2000 [5] 侯洪生編.機械工程圖學［M］.北京：科學出版社，2001 [6] 岑軍健主編.新編非標準設備設計手冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999 [7] 寇尊權主編.機械設計課程設計［M］.長春：吉林科學技術出版社，1999 [8] 杜祥瑛編著．工業(yè)機器人及其應用［M］.北京，機械工業(yè)出版社，1986 [9] 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