清扫机器人的结构设计..docx

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1、毕业设计论文题目院系：清扫机器人构造设计专 业：姓 名： 学 号：指导教师：年 月曰摘要清扫机器人属于效劳机器人的一种， 世界各国尤其是西方兴旺国家都在致力 于争论开发和广泛使用效劳机器人。 假设清扫机器人的性价比足够高， 那么清扫 机器人的市场将会被看好。本文介绍了清洁机器人在国内外进呈现状和应用状况， 侧重争论了清洁机器 人的避障掌握系统。 结合试验室实际条件， 设计了机器人样机。 其主要工作内容 包括： 小车机械本体设计、掌握理论的介绍、 AT89C51 单片机掌握系统硬件电路及检测电路设计、掌握系统软件设计和机器人避障性能测试试验。 通过试验说明所设计的机器人样机能够实现自主避碰的功能

2、，到达设计要求。关键词 ： 清洁机器人 避障 AT89C51 单片机AbstractCleaning robot is one part of the serving robot.Serving robot is beingresearched and developed in the countries all over the world,and which is beingused widely in the west developed countries.If the rate of quality and price of thecleaning robot is highly e

3、nough ,the market of the cleaning robot would beprospered. The paper studies the applications and developments of cleaning robot athome and abroad, and researchesthe control system of the cleaning robot avoidinga obstacle mainly.The model is designed under the actual condition of the lab. The main w

4、ork of the paper is as follows. The mechanical design of cleaning robot,thetheory of the control system, the design of control system of hardware circuit andsoftware based on AT89C51 SCM, the design of inspective circuit and theexperiment of performance of the cleaning robot avoiding a obstacle.The

5、result of the experiment shows that the robot designed has the functionsof avoiding a obstacle, so it fills the demand of the task.KEY WORD: cleaning robot avoid a obstacle AT89C51 SCM.名目第一章 绪论1第一节 争论的目的和意义1其次节 设计的重点和难点1第三节 家庭清扫机器人的关键技术1第四节 论文主要完成工作2其次章 总体构造设计3第一节 整体构造布局3其次节 驱动局部4第三节 吸尘局部6第四节 电源局部6第

6、五节 路径规划算法6第六节 仿真结果8第三章 硬件掌握局部设计9第一节 AT89 系列单片机简介9其次节 外围电路9结论 .11致谢 .12参考文献13第一章 绪论第一节 争论的目的和意义清扫机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来， 实现室内环境地面 的半自动或全自动清洁， 替代传统繁重的人工清洁工作， 近年来已受到国内外的争论人员重视。作为智能移动机器人的一个特别应用，从技术方面讲， 智能化清扫机器人比较具体地表达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，清扫机器人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

7、尘器既具有科研上的挑 战性， 又具有宽阔的市场前景。融合现代传感器以及机器人领域的关键技术，本课题旨在开发一部价格便 宜， 全区域掩盖， 能够充分满足家庭需求且便利适用的智能家庭清扫机器人。 使 它可以替代传统的家庭人工清扫方式， 使家庭生活电气化、 智能化， 使科技更好 地为人类效劳。其次节 设计的重点和难点由前面的设计家庭清洁机器人的工作内容和要求， 在宽 400 高 100 的体积下如何设计和布置好清扫机构，行走机构，吸尘机构和储存垃圾机构。 路径方式的选择，以及如何用软件掌握实现其避障功能。第三节 家庭清扫机器人的关键技术家庭清洁机器人的关键技术吸尘机器人系统通常由四个局部组成 : 移

8、动机构、感知系统、掌握系统和吸尘系统。移动机构是吸尘机器人的主体 , 打算了吸 尘器的运动空间 , 一般承受轮式机构。感知系统一般承受超声波测距仪、接触和 接近传感器、红外线传感器等。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快速进展 , 清扫机器人掌握系统的争论和开发已具备了 坚实的基1础和良好的进展前景。 清扫机器人的掌握与工作环境往往是不确定的或 多变的, 因此必需兼顾安全牢靠性、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。目展较 快、对清扫机器人进展影响较大的关键技术是 : 传感技术、智能掌握技术、路径

9、 规划技术、吸尘技术、电源技术等。传感技术为了让吸尘机器人正常工作 , 必需对机器人位置、姿势、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 , 使得吸尘机器人相应 的工作挨次和操作内容能自然地适应工作环境的变化。第四节 论文主要完成工作课题主要完成的工作包括清洁机器人构造设计， 驱动电机选择， 传感器的选择，掌握算法的争论，硬件电路设计和软件编程及试验。一. 机械构造局部包括机器人构成方案选择、机器人本体机构设计和驱动电机的选择二. 避障系统掌握方案包括机器人障碍检测系统、定位系统确实定和掌握算法的选择三. 掌握系统硬件局部包括 AT89C51 单片机掌握系统硬

10、件电路设计、电机驱动电路设计和传感 器检测硬件电路设计四. 掌握系统软件局部包括 AT89C51 单片机掌握系统系统软件设计其次章总体构造设计第一节整体构造布局整个机器人的构造由车体，吸尘装置,传感局部,掌握局部组成。传感局部包括车身两侧的光电传感器和前面的碰板和光电开关组成的接触式传感器。机器人前轮为随动轮，后轮承受差动式驱动，光电编码器装在前随动轮上,与随动轮同轴。当发生碰撞时，碰板带动光开关移动产生信号变化。 光电传感器对车体侧面进展探测，推断左右转弯是否可行。如构造简图 2 所示：碰板光电传感器检测悬空的光电传感器随动轮吸尘入口两反向旋转的边刷两独立驱动轮图 2.1清扫机器人构造示意图

11、考虑到机构和掌握的简单性，本清扫机器人承受圆形车体，圆形车体的最大 优点是运动敏捷，掌握简洁,不会发生卡死的现象。车体前端是一个碰板系统由一套机械装置和光电开关组成,用于检测运动前3方的障碍物。左右二个后轮独立驱动，每个轮子都有电机、光电传感器，各自是一 个独立的系统，只承受掌握系统的掌握信号和反响给掌握系统运动信息。中间镂 空的局部是清扫系统，包括二个电机驱动的一个清扫装置和一个吸尘装置。车体 左右二侧装有二个光电传感器，用于对小车转弯可行性推断。前轮的支撑局部是 一个垂直方向可滑动杆，中间有弹簧做缓冲运动的时候也有减震的作用。本机器人没有承受阵列式碰撞传感器。而是独立设计了一块碰板和光电开

12、关组成，它可以检测到车体前方的一切障碍物，不存在任何盲点。弧形的碰板通过 2 个连杆和车体铰接在一起，连杆和碰板连接的局部可以沿碰板外径方向滑动，而 和车体连接的局部可以旋转，碰板二端和光电开关相连，当碰撞引发碰板移动后， 通过光电开关的变化把信号反响给掌握系统。 碰板可以把障碍物的位置分为 3 类: 正前方,前方, 右前方。通过 2 个光电开关的组合状态给出，假设 2 个光电开关的初 始状态是 0。如表 1 所示。左光电开关右光电开关障碍物位置00未碰撞01右前10左前11正前表 2.1碰撞检测比照表整个清扫系统通过前方的圆孔和车体相铰接 ，可以作很小幅度的摇摆，这样 的设计将使机器人对地面

13、的适应性有很大提高，整个清扫系统又可以分为清扫部 分和吸尘局部，每局部各有 1 个电机供给动力，清扫局部在前端，由电机带动 2 个旋 转方向不同的滚刷转动，从而把纸片等大块垃圾清扫进后面的灰尘箱。后面的吸 尘系统类似一个吸尘器，橡胶制成的吸尘端口与地面相接。这样双选择性的清扫 比一般地单一清扫方式效果要好的多。其次节驱动局部驱动局部是由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成的。 步进电机带动 两驱动轮，后轮， 从而推动吸尘器运动。前轮不再承受传统的双轮构造 ，而采 用了应用格外广泛的平面轴承，这既减小了构造复度，又提高了转弯的敏捷性4图 2.2 驱动构造通过转变作用于步进电机的脉冲信号的频率，

14、可以对步进电机实现较高精 度的调速。同时在对两电机分别施一样或不同脉冲信号时，通过差速方式，可以 便利的实现吸尘器前进、左转、右转、后退、调头等功能。这一设计的最大优点 是吸尘器能够在任意半径下，以任意速度实现转弯，甚至当两后轮相互反向运 动时， 同时转弯的速度可通过转变单片机的程序来调整。依据所需的驱动力矩和其它构造要求，驱动电机选用北京四通集团公司的57BYG250E-SAFRML-01 型 2 两相混合式步进电动机。其参数如表 2.2 所示；相数步距角 静态相电流A相电阻0相电感Mh20.9/1.81.51.05.3表 2.2 57BYG250E-SAFRML-0152 步进电机参数保持

15、转矩Nn定位转矩Nn空载启动频率半步方式KHZ 重量Kg转动惯量gc m2 1.50.0631.5330第三节吸尘局部吸尘局部是由封闭在壳体中的小型吸尘器完成的。 包括气泵，吸室，吸道和 吸嘴。在吸尘器爬行的过程中，通过底盘上开的吸嘴将扫过的地面上的灰尘吸入 吸室。第四节电源局部由于智能吸尘器是以自主方式工作的，因而所用的电源不是一般脱线方式， 而是承受随身携带的蓄电池，这样不但可实现无人掌握，而且工作时比较敏捷。 一次充电可以连续工作几个小时。第五节路径规划算法在本算法中，机器人的路径大体分为两类：面掩盖的过程，机器人走直线， 相当于一个”迂回推动”的过程；从当前点到目标点的寻径过程，从定位

16、的准 确性考虑,路径段也为直线。开头的时候机器人选择房间的一个角落2 座墙壁的 交接点，便于机器人定位作为初始点，坐标为0, 0,即机器人上的 p 点坐标为0, 0本文中的坐标都是指 P 点坐标, 沿一侧墙的方向建立 冷由,第一次清扫沿 X 轴的方向，完成后，返回原点，沿轡由方向进展其次次清扫。这样既保证了清洁质量 ， 又在很大程度上避开了 1 次清扫所带来的死角问题。而且由于 2 个方向的互补性 , 并不需要为了遍历的完整性而承受更为烦杂的算法 , 通过 2 次数据融合就可以得到较为准确的环境信息机器人的路径为迂回前进的路径段 , 每个路径段的间隔为 机器人清洁机构的清扫直径 , 遇到障碍物

17、后 , 机器人的转向 90并且侧移20cm , 在转向 90，这个动作由掌握系统做好保存, 直接调用 , 记为 micro1 。 在前进过 程12中, 发生碰撞时 , 机器人的转向所实行的方向 , 取值可以为”左”或者”右” , 由碰撞次数的奇偶性打算。前可行的方法就是通过建立被掌握对象的模糊模型来实现模糊掌握器。 所谓建立被掌握对象的模糊模型就是用“假设一一那么”的形式来描述 被控对象的动态特性。一条“假设那么”表达式就是一条掌握规章，因此被控 制对象的模型是由多条掌握规章组成的， 这样通过该模型就可以从输入推理得出 输出。具体到本课题，模糊规章设定如下 :规章 1:假设机器人前方为阶梯沿

18、X 轴方向遍历，那么它应当左转一前行一再 左转； 把此类型障碍物当作墙来处理 规章 2:假设机器人前方有障碍物沿 X 轴方向遍历，同时左侧也有障碍物，那 么它应当原地转弯 180 度；记为左转为不行行 规章 3: 假设机器人悬空，那么它应当执行电源关操作规章 4:假设机器人前方为阶梯沿丫轴方向遍历，那么它应当从右转一前行一 再右转； 把此类型障碍物当作墙来处理 规章 5: 假设机器人前方有障碍物沿 丫轴方向遍历，同时右侧也有障碍物，那 么它应当原地转弯 180 度；记为右转为不行行规章 6: 假设机器人右前方没有障碍物，那么它应当直线前行；规章 7:假设机器人沿 X 轴方向遍历完成，那么执行沿

19、 丫轴方向的遍历；完成与 否的判定依据是否有连续两次转弯不行行规章 8: 假设机器人完成了沿 X 轴和 丫轴方向的遍历，那么小车执行回充电插座充电第六节 仿真结果由于只是表达路径规划的算法 , 为了描述清楚及简便 ,承受矩形环境边缘 ,障 碍物也选用边缘规章的矩形 ,U 型等, 而实际上由于承受碰撞作为边缘触发条件。 经过机器人路径的规划设计对机器人的路径以到达清扫能到达的角落， 不留清扫 盲区。第三章硬件掌握局部设计在实际应用中，机器人车体下部需安装吸尘或清扫等关心机构，故掌握 系统安装在小车底板的上面。掌握系统硬件主要包括统及其外围电路、电机驱动电路和传感器检测电路。AT89C51 单片机

20、掌握系第一节 AT89 系列单片机简介机器人的掌握系统承受的是 AT89C5 仲片机。AT89 系列单片机是ATME 公司的系列产品。其主要特点如下：1.与 MCS-51”产品兼容2.1000 次重复编程/擦写3.具有 2. 7V 低电压型号表3.1 AT89系列单片机的性能参数功能参数AT89C51AT89C5289C105189C2051闪速式存储器字节4K8K1K2K内存字节12825664128工作频率MHZ24242424输入/输出线3232151516 位定时器/数器2312中断源5835串行口1101其次节外围电路电源AT89C51 单片机正常工作时，其 40 脚Vcc接+SV

21、电源，20 脚VSS 接地。AJMP LOOP1DLY MOV R4 ，#M通过转变 M,M1 的值调整转速DLY1：MOVA ， #M1LOOP2: DECAJNZLOOP2DJNZR4 ， DLY1RET左轮掌握程序：ZLKZ: PUSH A；保护现场MOVA ， R0MOVP1.3 ，A；输出掌握脉冲ACALLDLY ；调用延时程序INCR0 ；掌握字存储地址增 1MOVORL JZ TPLA ， #00HA ， R0 ；是完毕标志转移MOVA，R0SUBBA，#06HMOVR0，ALOOP： DJNZ1POPRETR3A，LOOP；步数不为 0 ，转移TPL：；恢复掌握字首址AJMPL

22、OOP1DLY：DLY1：MOVR4， #M;通过转变 M,M1 的值调整转速MOVA，#M1LOOP2: DECAJNZLOOP2DJNZR4 ，DLY1RET结论虽然清扫机器人的争论已经取得了很大进步 ,进入了有用阶段 , 但是自主能力、工作效率方面还不抱负 , 需要在技术上解决传感器技术、定位和环境建模技 术. 在此根底上 ,自主吸尘机器人可以向着高度智能化、 多功能集成、低本钱的方 向进展。清扫机器人作为效劳机器人领域中的一个产品 , 将使人们能在无人看 守状况下轻松地完成室内环境的吸尘等清洁工作。因此 , 只要生产本钱兼顾到日 用电器批量大、价格低的特点 , 清扫机器人将具有迷人的市

23、场前景 , 有关资料也 推测清扫机器人是将来几年需求量最大的效劳机器人。 特别是日用清洁电器不管 是在市场上或者是在产品的创上 , 确定是全部小家电产品中最活泼的 , 将来仍 有相当大的成长空间。致谢随着毕业设计的完成， 我的大学生涯很快就要划上句号。 接近毕业， 更多的是眷恋与不舍，三年，一段不短的时间，让我从青涩走向成熟。 回忆这一程求学路，给我帮助的人太多太多，在此学业马上完成之际对他们献上我真诚的谢意。饮其流时思其源， 成吾学时念吾师。 值此论文完成之际， 谨向我敬重的论文指导教师唐教师及辅导员包教师致以真诚的谢意和崇高的敬意。 论文期间， 教师 们不顾教务的繁忙， 设身处地的为我们找

24、资料， 查文献， 解决我们遇到的很多问题，力争让我们的论文做到完善。 “授人以鱼， 不如授之以渔” 您教会我们的更重要的是学习的方法。 您还教会我们待人接物和为人处世的道理： 您的勤奋， 让我明白天道酬勤要坚持始终； 您的博学，让我知道学海无涯仍需努力； 您的朴实， 让我明白和蔼的价值。生活中，您还教我们如何真诚做人、做事不拖沓。 教师平 易近人的人格魅力， 严谨进取的治学精神和乐观向上的生活态度， 将是我今后生 活工作中的指路航标。桃李不言，下自成蹊；师恩深厚，不敢言报。唯有今后以 百倍热忱工作、学习，力争有所建树，以报师恩于万一。临别之际，真诚的祝各 位教师：身体安康，生活顺心！最终向评审

25、论文及参与本人论文辩论的各位教师献上真诚的谢意！ 您们辛苦了！参考文献1. 著作类：1. 白井良明.王棣棠译.机器人工程 .科学出版社， 2023。2. 杨可祯，程光蕴 .机械设计根底 第三版 高等教育出版社， 1998。3. 刘宝廷，程树康等 . 步进电动机及其驱动掌握系统 . 哈尔滨工业大学出版社，1997。4. 张立勋，王立权，杨勇 . 机械电子学 . 哈尔滨工程大学出版社， 1999。5. 李建忠编著 . 单片机原理及应用 . 西安电子科技大学出版社， 2023。6. 季维发，过润秋，严武升.机电一体化技术 . 哈尔滨工程大学出版社， 1999。7. 蔡自兴 ,徐光. 人工智能及其应用 . 北京: 清华大学出版社 ,1996 。8. 李鸿主编 . 单片机原理及应用 , 湖南：湖南大学出版社， 2023 。13