1、自动清扫机器人的设计自动清扫机器人的设计 答辩学生：答辩学生：课题意义课题意义 第一点第一点 全球人口锐减全球人口锐减、老龄化程度加剧老龄化程度加剧、劳动力成本逐步上升；劳动力成本逐步上升；第二点第二点 社会节奏加快社会节奏加快，人类思想摆脱无趣重复的体力劳动；人类思想摆脱无趣重复的体力劳动；第三点第三点 提高劳动效率提高劳动效率、降低劳动强度降低劳动强度。研究内容研究内容 1 1.自动清扫机器人的自动清扫机器人的工作原理和流程；工作原理和流程；2 2.自动清扫机器人的自动清扫机器人的整机方案；整机方案；3 3.自动清扫机器人的自动清扫机器人的机械系统设计；机械系统设计；4 4.自动清扫机器人
2、的自动清扫机器人的控制系统设计；控制系统设计；工作原理工作原理 驱动工作原理：电机驱动工作原理：电机带动齿轮传动进而控带动齿轮传动进而控制动力轮运动制动力轮运动，实现实现机器人的移动机器人的移动。清扫工作原理：机器人侧清扫工作原理：机器人侧前方安装两个边刷前方安装两个边刷，旋转旋转的边刷将垃圾清理至滚动的边刷将垃圾清理至滚动主刷的工作范围内主刷的工作范围内，主刷主刷通过齿轮传动高速旋转通过齿轮传动高速旋转，带动空气高速运动带动空气高速运动，进而进而将垃圾扫入垃圾箱内部将垃圾扫入垃圾箱内部。工作原理 工作流程工作流程 第一点第一点 通过键盘或者遥控器启动机器人通过键盘或者遥控器启动机器人，开始清
3、扫工作；开始清扫工作；第二点第二点 机器人工作时机器人工作时，清扫系统开始清扫工作清扫系统开始清扫工作，吸尘系统开始吸扫；吸尘系统开始吸扫；第三点第三点 控制系统传感模块采集外部信息控制系统传感模块采集外部信息，处理器分析和决策行走路处理器分析和决策行走路线线，行走方向控制动力轮差速调节行走方向控制动力轮差速调节。整机方案设计整机方案设计 整机设计 1 1.整机采用成本低廉且经整机采用成本低廉且经久耐用的塑料作为材料久耐用的塑料作为材料，并进行喷漆喷塑处理；并进行喷漆喷塑处理；2 2.为了避免与障碍物产生为了避免与障碍物产生棱角碰撞棱角碰撞，机器人外形设机器人外形设计则考虑为圆盘形计则考虑为圆
4、盘形。整机方案设计整机方案设计 机器人：机械系统机器人：机械系统 、控制系统控制系统、电源系统三大部分电源系统三大部分。机械系统机械系统 清扫系统 机器人侧前方安装两机器人侧前方安装两个边刷个边刷，旋转的边刷将垃旋转的边刷将垃圾清理至滚动主刷的工作圾清理至滚动主刷的工作范围内范围内，主刷在电机驱动主刷在电机驱动下高速旋转下高速旋转，带动空气高带动空气高速运动速运动，进而把垃圾扫入进而把垃圾扫入垃圾箱中垃圾箱中。机械系统机械系统 清扫系统 1 1.电机带动斜齿轮电机带动斜齿轮1 1，斜齿轮斜齿轮1 1带动斜齿轮带动斜齿轮2 2，斜斜齿轮齿轮2 2带动斜齿轮带动斜齿轮3 3，斜齿斜齿轮轮2 2上的
5、轴连接滚刷上的轴连接滚刷，实现实现垃圾清扫垃圾清扫。2 2.电机带动锥齿轮电机带动锥齿轮1 1，锥齿轮锥齿轮1 1带动锥齿轮带动锥齿轮2 2，锥锥齿轮齿轮2 2带动锥齿轮带动锥齿轮3 3，锥齿锥齿轮轮2 2上的轴连接滚刷上的轴连接滚刷，实现实现垃圾清扫垃圾清扫。机械系统机械系统 清扫系统 3 3.电机带动蜗杆电机带动蜗杆，蜗杆蜗杆两端连接涡轮两端连接涡轮，两个涡轮两个涡轮的轴上分别连接刷子的轴上分别连接刷子，从从而实现清扫而实现清扫。4 4.电机带动蜗杆电机带动蜗杆，蜗杆蜗杆两端连接涡轮两端连接涡轮，两个涡轮两个涡轮分别接皮带轮分别接皮带轮，皮带轮上皮带轮上的轴连接刷子的轴连接刷子，从而实现从
6、而实现清扫清扫。机械系统机械系统 清扫系统电机 轮子驱动电机即为无刷直流电机轮子驱动电机即为无刷直流电机，其工作电压是其工作电压是1010-1515V V，最大工最大工作电流作电流0 0.8484A A，正常工作电流正常工作电流0 0.4 4A A，有专门的换向控制引脚有专门的换向控制引脚，高低电平高低电平控制正反转控制正反转。该电机可以由该电机可以由PWMPWM信号直接驱动信号直接驱动，电机用电机用PWMPWM控制技术所控制技术所谓谓 PWMPWM 控制技术控制技术，就是通过控制半导体开关器件的导通与关断就是通过控制半导体开关器件的导通与关断，把直把直流电压变成电压脉冲序列并通过控制电压脉冲
7、宽度或周期以达到变压流电压变成电压脉冲序列并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的的目的。机械系统机械系统 吸尘系统 风扇的旋转带动垃圾储藏风扇的旋转带动垃圾储藏室内的空气流动室内的空气流动，又通过储藏又通过储藏室内的管腔将刷子清扫引起的室内的管腔将刷子清扫引起的尘土吸附进来尘土吸附进来，带尘土的空气带尘土的空气通过防尘罩将尘土挡到垃圾储通过防尘罩将尘土挡到垃圾储物室内物室内，较干净的空气则通过较干净的空气则通过吸尘室上壁腔的圆孔排带大气吸尘室上壁腔的圆孔排带大气中去中去，从而实现吸尘的目的从而实现吸尘的目的。机械系统机械系统 吸尘系统 吸尘系统的设计中将风扇吸尘系统的设计中将风扇固定在垃
8、圾储藏室上壁固定在垃圾储藏室上壁，在风在风扇上罩一个薄壁腔扇上罩一个薄壁腔。在薄壁腔在薄壁腔上方开一个圆孔上方开一个圆孔，以便于空气以便于空气的排出的排出。在垃圾储藏室上壁开在垃圾储藏室上壁开两个小长方孔两个小长方孔，在方孔下加上在方孔下加上一个隔尘罩一个隔尘罩。机械系统机械系统 移动系统 清洁机器人重量不是很大清洁机器人重量不是很大，室内室内工作工作，三点确定一个平面三点确定一个平面，三轮结三轮结构稳定构稳定，重心低重心低，载荷稳定且中心载荷稳定且中心位置不发生变化位置不发生变化，则采用三轮结构则采用三轮结构满足要求满足要求。机器人的行走机构采用两轮驱动机器人的行走机构采用两轮驱动，对称分布
9、在清扫机构的后方对称分布在清扫机构的后方，两个两个轮子和刷子支撑机体轮子和刷子支撑机体，既节省材料既节省材料，又可以使刷子和地面全面的接触又可以使刷子和地面全面的接触，从而清扫从而清扫。在机器人转弯时在机器人转弯时，通过通过控制行走机构的两个电机的转速及控制行走机构的两个电机的转速及旋转方向旋转方向，进而控制两个轮子进而控制两个轮子，通通过轮子的前后差速运动实现机体的过轮子的前后差速运动实现机体的转弯半径为转弯半径为0 0。机械系统机械系统 移动系统 三轮结构转向装置通常有两种：三轮结构转向装置通常有两种：（1 1）铰轴转向式：转向轮装在铰轴转向式：转向轮装在转向铰轴上转向铰轴上，转自电机通过
10、减速器转自电机通过减速器和机械连杆机构控制铰轴从而控制和机械连杆机构控制铰轴从而控制转向轮的转向转向轮的转向。（2 2）同步转向式：在机器人的同步转向式：在机器人的左右轮上分别装有两个驱动电机左右轮上分别装有两个驱动电机，控制左右轮的速度比实现车体的转控制左右轮的速度比实现车体的转向向。清扫机器人在控制方式上所以清扫机器人在控制方式上所以采用差动轮转向式合理采用差动轮转向式合理，运动转向运动转向的精度高的精度高，该清扫机器人采用三轮该清扫机器人采用三轮同步转向式结构同步转向式结构。控制系统控制系统 总体流程图 初始化并开中断开始收到前进命令？启动各电路模块启动驱动系统前进遇到障碍？启动清扫和避
11、障系统结束NYNY (1 1)启动清扫机电源启动清扫机电源，使各模块使各模块持续供电持续供电。(2 2)启动各电路模块启动各电路模块，启动液晶启动液晶显示系统显示系统，以便显示清扫机行进速以便显示清扫机行进速度及运行时间度及运行时间。(3 3)当接收到前进指令时当接收到前进指令时，启动启动驱动系统驱动系统。(4 4)当遇到障碍时启动清扫系统当遇到障碍时启动清扫系统及避障系统及避障系统，此过程是整个清扫系此过程是整个清扫系统的关键统的关键，此过程包括清扫命令接此过程包括清扫命令接收判断及是否遇到障碍物判断收判断及是否遇到障碍物判断。控制系统控制系统 驱动流程图 1 1.设置寄存器设置寄存器、配置
12、配置GPIOGPIO、定时器定时器、A/DA/D转换器和外部中断转换器和外部中断、启动启动A/DA/D转换转换。2 2.检测检测GPIOGPIO有没有启动信号有没有启动信号,检测到检测到启动信号后启动信号后,从另一个从另一个GPIOGPIO发出控制信发出控制信号给直流电机加电号给直流电机加电。3 3.从从A/DA/D转换器里读取电流信号数据转换器里读取电流信号数据,再通过求平均值得到电机的电流值再通过求平均值得到电机的电流值;对对输出脉冲信号的数据进行输出脉冲信号的数据进行FFTFFT变换变换,求出求出基波的频率基波的频率，再根据电机的具体型号乘再根据电机的具体型号乘以一个系数得到电机的转速以
13、一个系数得到电机的转速。4 4.把测试电流和转速送给液晶显示系把测试电流和转速送给液晶显示系统显示清扫机行进速度统显示清扫机行进速度。5 5.启动总线传输启动总线传输，把测试结果传输到把测试结果传输到单片机单片机,以对数据进行保存和分析以对数据进行保存和分析。初始化有自动信号？直流电机上电数据送至单片机数据处理数据采集结束NY控制系统控制系统 清扫流程图 (1 1)红外发光管发射红外光红外发光管发射红外光，光波在遇到光波在遇到障碍物后反射障碍物后反射，被红外接收管接收被红外接收管接收，产生对应产生对应电流电流，放大后输出模拟电压放大后输出模拟电压，转换后输入单片转换后输入单片机机。(2 2)接
14、触传感器接触传感器，判断其是否是清扫判断其是否是清扫。若若可清扫则单片机向清扫电机发出清扫指令可清扫则单片机向清扫电机发出清扫指令，执执行清扫命令行清扫命令，若不可清扫若不可清扫，判断其为墙角类障判断其为墙角类障碍碍，此时累加器累加判断为墙角的次数此时累加器累加判断为墙角的次数。(3 3)判断墙角累加次数的奇偶判断墙角累加次数的奇偶，若为奇数若为奇数则通过控制电机调速模块来控制左右轮速度则通过控制电机调速模块来控制左右轮速度，控制清扫机行进方向控制清扫机行进方向，使其左后转行进使其左后转行进。若判若判断为偶数断为偶数，则使其右后转行进则使其右后转行进。遇到障碍物？是垃圾？清扫累加遇到墙角次数遇墙角数为奇数？右后传前进左后转前进NYNNYY敬请各位老师批评指正敬请各位老师批评指正 TAHNK YOU FOR WATCHING
