自动智能扫地机器人设计

1、. -. . 可修编.1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2021年3月5日起到 2021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清扫，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

2、行转弯。通过本次设计将所学机械知识与电气知识进展结合，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、各局部的实现方式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根底上，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构造图。 2. 根据总体方案对各局部进展设计，画出各局部的构造图及零件图。 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进展仿真调

3、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构造示意图第7-9周各局部的机械构造图第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周辩论准备及预辩论学生签名：指导教师：教研室主任：. -.1自动扫地机器人设计摘要随着科技和社会

4、的不断进步和开展，机器人的应用从工业领域逐步扩展到了其他领域。尤其是效劳机器人，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局部。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构造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

5、动和带轮配合的传动方案，控制局部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，在相关机械构造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Design of Automatic Sweeping RobotABSTRACTWith the continuous progress and development of technology and society, the application of robots has e*panded from in

6、dustry to other fields. In particular, service robots have penetrated our lives, work and economic aspects, and have played a great role. The sweeper robot is the most close to the human robot, it can replace people to plete the cleaning of the family ground, most likely to enter thousands of famili

7、es to bee part of the family life. It involves mechanical, electronic and puter related knowledge. It integrates mobile robot technology and cleaning technology into one. The research and Realization of automatic sweeping robot technology is aimed at changing peoples life through technology. It has

8、bee the most challenging research topic in the field of household appliances. This paper mainly introduces the mechanical structure design and control system design of the automatic sweeping robot. The whole shape uses round cake, the motion mechanism adopts three wheels, and the rear wheel of the f

9、ront wheel is driven by two motors respectively. The cleaning mechanism adopts the transmission scheme of the worm drive and the belt wheel, and the control part adopts the switch circuit. Starting brush motor,The drive motor is controlled by the L298 motor drive module.using infrared sensor and pho

10、toelectric sensor to transmit the signal to AT89C51 single chip microputer to plete the automatic obstacle avoidance and fall prevention function of the robot. It can effectively plete the cleaning work under the coordination of the related mechanical structure.Keyword:Sweeping robot,Intelligentizat

11、ion, Sensor, Singlechip, Dodge obstacles. -.1目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc516058696摘要 PAGEREF _Toc516058696 h IHYPERLINK l _Toc516058697ABSTRACT PAGEREF _Toc516058697 h IHYPERLINK l _Toc5160586981 前言 PAGEREF _Toc516058698 h 1HYPERLINK l _Toc5160586991.1 设计要求 PAGEREF _Toc516058699 h 1HYPERLINK

12、l _Toc5160587001.2 课题国外的研究现状 PAGEREF _Toc516058700 h 1HYPERLINK l _Toc5160587011.2.1 课题国外研究现状 PAGEREF _Toc516058701 h 1HYPERLINK l _Toc5160587021.2.2 课题国研究现状 PAGEREF _Toc516058702 h 1HYPERLINK l _Toc5160587031.3 设计的目的和意义 PAGEREF _Toc516058703 h 1HYPERLINK l _Toc5160587041.4 设计的重点难点 PAGEREF _Toc51605

13、8704 h 1HYPERLINK l _Toc5160587051.5 本章小结 PAGEREF _Toc516058705 h 1HYPERLINK l _Toc5160587062 机器人的机械构造设计 PAGEREF _Toc516058706 h 1HYPERLINK l _Toc5160587072.1 机械构造组成 PAGEREF _Toc516058707 h 1HYPERLINK l _Toc5160587082.2 机械构造设计选择 PAGEREF _Toc516058708 h 1HYPERLINK l _Toc5160587092.2.1 机器人外形设计 PAGEREF

14、 _Toc516058709 h 1HYPERLINK l _Toc5160587102.2.2 机器人运动机构选择 PAGEREF _Toc516058710 h 1HYPERLINK l _Toc5160587112.2.3 清扫机构的设计 PAGEREF _Toc516058711 h 1HYPERLINK l _Toc5160587122.3 本章小结 PAGEREF _Toc516058712 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587133 机械局部设计计算 PAGEREF _Toc516058713 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc

15、5160587143.1 驱动电机的选择 PAGEREF _Toc516058714 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587153.2 清扫机构电机的选择 PAGEREF _Toc516058715 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587163.3 蜗轮蜗杆的设计计算 PAGEREF _Toc516058716 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587173.4 各个轴的设计计算 PAGEREF _Toc516058717 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587183.4.1

16、蜗杆轴构造设计计算 PAGEREF _Toc516058718 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587193.4.2 蜗杆轴构造设计计算 PAGEREF _Toc516058719 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587203.4.3 清扫轴构造设计计算 PAGEREF _Toc516058720 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587213.5 轴的强度校核 PAGEREF _Toc516058721 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587223.6 本章小结 PAGERE

17、F _Toc516058722 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587234 机器人的控制系统设计 PAGEREF _Toc516058723 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587244.1 单片机简介 PAGEREF _Toc516058724 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587254.2 单片机的选择及I/O口设计 PAGEREF _Toc516058725 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587264.2.1 AT89C51单片机简介 PAGEREF _Toc51

18、6058726 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587274.2.2 I/O口定义 PAGEREF _Toc516058727 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587284.3 控制电路的设计 PAGEREF _Toc516058728 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587294.3.1 复位及晶振电路设计 PAGEREF _Toc516058729 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587304.3.2 驱动轮控制电路设计 PAGEREF _Toc516058730 h 错

19、误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc516058731毛刷电机驱动控制电路设计 PAGEREF _Toc516058731 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587324.3.4 避障控制电路设计 PAGEREF _Toc516058732 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587334.3.5 防跌落控制电路设计 PAGEREF _Toc516058733 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587344.4 本章小结 PAGEREF _Toc516058734 h 错误！未定义书签。HYPERLI

20、NK l _Toc5160587355 系统程序的设计及仿真 PAGEREF _Toc516058735 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587365.1 C语言与汇编语言比较 PAGEREF _Toc516058736 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587375.2 控制程序设计 PAGEREF _Toc516058737 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587385.2.1 避障程序设计 PAGEREF _Toc516058738 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587

21、395.2.1 防跌落程序设计 PAGEREF _Toc516058739 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587405.3 Proteus模拟仿真 PAGEREF _Toc516058740 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587415.3.1 Proteus简介 PAGEREF _Toc516058741 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587425.3.2 仿真调试 PAGEREF _Toc516058742 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587435.4本章小结 P

22、AGEREF _Toc516058743 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587446 总结与展望 PAGEREF _Toc516058744 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587456.1 总结 PAGEREF _Toc516058745 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc5160587466.2 展望 PAGEREF _Toc516058746 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc516058747致 PAGEREF _Toc516058747 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l

23、_Toc516058748参考文献 PAGEREF _Toc516058748 h 错误！未定义书签。HYPERLINK l _Toc516058749附录 PAGEREF _Toc516058749 h 错误！未定义书签。. -.1需要全套资料加QQ1270699904微信z*is199506281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

24、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清扫，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场于20世纪，到现在为止迅速开展的现代科学技术，使效劳型机器人渐渐出现在群众市场，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展扫

25、地工作，从而解放了人们的双手，提高了人们的工作效率。扫地机器人的快速开展带动了家庭效劳行业机器人的快速开展，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开展。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局部机械构造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：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

26、，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，它分三个挡位进展工作：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响速度有所提高，“三叶虫的出现颠覆了人们对扫地的概念，

27、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2021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Red dot design honorary nomination Award，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 SEQ 图 * ARABIC 1-2 Roomba780自动扫地机器人扫地面

28、各种粗细垃圾。可以吸取小于0.3m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年开场不断开展，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

29、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展清扫。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分钟清扫的区域，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。课题国研究现状在国一些

30、大学对扫地机器人进展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方机器人定位、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开展鉴定技术根底。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年开场进展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。国产效劳机器人方面，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

31、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；另一方面由于大局部地区消费水平限制使得自动扫地机在中国的市场承受度还不高。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，从而是机器人清扫房间质量有保障，

32、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局部或者全部，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局部。长期的开展，工业机器人技术已经接近成熟，效劳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，所以效劳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

33、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。现在社会开展迅速，生活节奏快，人们压力越来越大，效劳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局部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，让科技更好地效劳于人们。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

34、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局部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开展状况，明确了本次设计研究的容，并对本次设计难点进展了总结，也对文章的构造作简要的说明。2机器人的机械构造设计2.1机械构造组成图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局部主要包括轮子、底盘、外

35、壳、毛刷传动系统等机器人大体构造如图2-1所示。2.2机械构造设计选择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，大局部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构造，大多数机器人直径在350mm左右，高度一般都在90100mm，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展清扫。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。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，还有不常用的比方：步进式、蠕动式、混合式、蛇形式只适用于特殊