扫地机器人系统设计（CAD装配图+PDF电路图+说明书）

喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 摘 要 随着生活水平的提高，扫地机器人逐步进入普通家庭，扫地机器人具有主动躲避障碍物、自动吸尘、自动返回充电灯诸多智能功能，可帮助人们清扫家庭垃圾，给人们提供便利。本文设计的扫地机器人采用机电一体化的设计思想对机械结构和控制系统进行设计，机械设计主要完成了整机外型的选定，及清扫机构的设计，其中清扫机构主要采用蜗轮蜗杆带动轴转动的方式实现清扫功能。控制系统才用了STM32F407VET6单片机作为控制系统的核心，主要完成了驱动电机和清扫电机的控制，设计了由八个红外传感组成的检测系统，主要进行边缘检测和碰壁检测，并且采用了数码管显示模块与单片机连接实现对清扫时间的显示，整体控制简单，使用方便。此扫地机器人的机械结构实现了给定的设计参数要求，控制形态也满足了设计要求。 关键词：扫地机器人；单片机控制；机械结构 I Abstract With the improvement of living standards, sweeping robots gradually enter ordinary families. Sweeping robots have many intelligent functions such as actively avoiding obstacles, automatically vacuuming, and automatically returning charge lights, which can help people clean up household waste and provide convenience to people. The sweeping robot designed in this paper adopts the design idea of mechatronics to design the mechanical structure and control system. The mechanical design mainly completes the selection of the overall appearance and the design of the sweeping mechanism. The sweeping mechanism mainly uses the worm shaft to drive the shaft to rotate. The way to achieve the cleaning function. The control system uses the STM32F407VET6 microcontroller as the core of the control system. It mainly completes the control of the drive motor and the sweeping motor. A detection system consisting of eight infrared sensors is designed to perform edge detection and wall collision detection, and a digital tube is used. The display module is connected with the single chip to realize the cleaning time display, the overall control is simple, and the use is convenient. The mechanical structure of the cleaning robot achieves a given design parameter requirement, and the control form also meets the design requirements. Key words: Sweeping Robot; SCM Control;Mechanical Structure II 目 录 摘 要 I Abstract II 第1章 绪论 1 1.1 扫地机器人现状 1 1.1.1 扫地机器人发展现状 1 1.1.2 扫地机器人相关扶持政策 2 1.1.3 现阶段扫地机器人的关键技术 4 1.2 扫地机器人发展趋势 5 1.2.1 扫地机器人技术发展趋势 5 1.2.2 扫地机器人未来市场分析 6 1.3 课题要达到的设计目的 8 第2章 方案设计及可行性论证 9 2.1 扫地机器人清扫机构方案设计 9 2.1.1 方案1 9 2.1.2 方案2 9 2.1.3 方案3 10 2.2 扫地机器人清扫机构方案可行性论证 10 2.2.1 方案1评价 10 2.2.2 方案2评价 10 2.2.3 方案3评价 10 2.3 扫地机器人测距系统方案设计 11 2.3.1 方案1 11 2.3.2 方案2 11 2.3.3 方案3 12 2.4 扫地机器人侦测系统方案可行性论证 12 2.4.1 方案1评价 12 2.4.2 方案2评价 12 2.4.3 方案3评价 13 2.5 方案确定 13 第3章 设计计算 14 3.1 电机选择 14 3.1.1 设计参数 14 3.1.2 驱动电机选择 14 3.1.3 清扫电机选择 15 3.2 蜗轮蜗杆选择 16 3.2.1 材料选择 16 3.2.2 蜗轮蜗杆齿数选择 16 3.2.3 蜗轮蜗杆校核 18 3.2.4 蜗轮蜗杆几何尺寸 21 3.3 轴的校核 22 3.4 环境保护和可持续发展方面的思考 24 3.4.1 扫地机器人对于环境保护的意义 24 3.4.2 扫地机器人有利于可持续发展 24 第4章 控制系统设计 25 4.1 单片机选择 25 4.2 单片机最小系统 25 4.3 电源管理 25 4.4 电机驱动模块 28 4.5 红外避障模块与红外防跌落模块 28 4.6 键盘输入模块 30 4.7 数码管显示模块 31 第5章 产品使用与维护 32 5.1 产品使用说明 32 5.2 产品维护保养 33 结 论 34 参考文献 35 致 谢 37 CONTENTS Abstract(in Chinese) I Abstract(in English) II Chapter Ⅰ Introduction 1 1.1 sweeping Robot Status 1 1.1.1 Sweeping Robot Development Status 1 1.1.2 Cleaning Robot Related Support Policy 2 1.1.3 The Key Technology of Sweeping Robots at This Stage 4 1.2 Sweeping Robot Development Trend 5 1.2.1 Sweeping Robot Technology Development Trend 5 1.2.2 Sweeping Robot Future Market Analysis 6 1.3 The Purpose of The Project to Achieve 8 Chapter Ⅱ Scheme Design and Feasibility Demonstration 9 2.1 Sweeping Robot Cleaning Mechanism Plan Design 9 2.1.1 Plan 1 9 2.1.2 Plan 2 9 2.1.3 Plan 3 10 2.2 Sweeping robot cleaning mechanism plan feasibility demonstration 10 2.2.1 Plan 1 Evaluation 10 2.2.2 Plan 2 Evaluation 10 2.2.3 Plan 3 Evaluation 10 2.3 Scrubbing Robot Ranging System Design 11 2.3.1 Plan 1 11 2.3.2 Plan 2 11 2.3.3 Plan 3 12 2.4 Sweeping Robot Detection System Project Feasibility Demonstration 12 2.4.1 Plan 1 Evaluation 12 2.4.2 Plan 2 Evaluation 12 2.4.3 Plan 3 Evaluation 13 2.5 Plan Determination 13 Chapter Ⅲ Design Calculations 14 3.1 Motor Calculation 14 3.1.1 Drive Motor Calculations 14 3.1.2 Sweep Motor Calculation 15 3.2 Turbine worm selection 16 3.2.1 Material Selection 16 3.2.2 Worm Gear Number Selection 16 3.2.3 Worm And Worm Check 18 3.2.4 Worm Gear Geometry 21 3.3 Checking the Axis 22 3.4 Considerations on Environmental Protection 24 3.4.1 The Significance of Environmental Protection 24 3.4.2 Conducive to Sustainable Development 24 Chapter Ⅳ Control System Design 25 4.1 Microcontroller Selection 25 4.2 Microcontroller Minimum System 25 4.3 Power Management 25 4.4 Motor Drive Module 28 4.5 Infrared Obstacle Avoidance Module 28 4.6 Keyboard Input Module 30 4.7 Digital Tube Display Module 31 Chapter Ⅴ Product Use and Maintenance 32 5.1 Product Instructions 32 5.2 Product Maintenance 33 Conclusion 34 References 35 Acknowledgements 37 VI 第1章 绪论 1.1 扫地机器人现状 1.1.1 扫地机器人发展现状 自动扫地机器人，是一种智能扫地、吸尘工具，是一种配备了微电脑系统的电动保洁设备，它能能够按照人们的设置清洁房间的某一特定部分或全部。自动扫地机器人最早出现于美国，随后发展的欧美，风靡港澳台，90年代中期进入大陆。国内自动扫地机主要几种品牌：iRobot(美国)、凯驰(德国)、QQ(台湾)、三叶虫(瑞典)、保时洁(国产)、美嘉乐(国产)、微朗(国产)等。 随着科学技术的进步和社会发展，特别是受生活节奏的加快和工作压力的增大影响，人们希望更多地从繁琐的家庭日常清洁事务中解脱出来。这无疑是清洁机器人进入家庭的市场诉求。 扫地机器人作为清洁机器人的一种，其针对的目标用户是所有家庭，其需求痛点恰恰是为了使人们从日常地板清洁工作中解放出来，它迎合了市场痛点的需求。最早的扫地机器人来源于伊莱克斯、戴森等领衔的吸尘器行业。 2002年伊莱克斯在原有高质量吸尘器的基础上，开发了“三叶虫”扫地机器人——全世界第一款全自动扫地机器人。随后iRobot公司先后生产了7代家务机器人Roomba，成为了这一领域的代表产品系列。 图1-1 我国扫地机器人发展现状与产业发展趋势 2010年左右，国内的扫地机器人品牌纷纷涌现，并逐步实现产业化。目前，国内市场已拥有几十家扫地机器人品牌，如科沃斯、iRobot、福玛特、地贝、Xrobot、海尔、美的、Prosenic、飞利浦和三星等。但是，本土成立且具备核心研发能力的扫地机器人企业占比并不高。 图1-2 国内扫地机器人市场竞争状况 近几年，扫地机器人正在以惊人的速度普及，市场发展十分迅猛。前期发展阶段，扫地机器人主要以改进扫地效能为主。现阶段，扫地机器人在保证提供较优良的清洁效果后，势必转向多传感器融合、导航、路径规划等智能化核心技术的发展方向上。 1.1.2扫地机器人相关扶持政策 为引导我国机器人产业有序健康发展，国家发改委发起成立了国家机器人检测与评定中心（简称“国评中心”）。据了解，国评中心是由政府部门和科研院所共同设立的集机器人产品（部件）认证、检测、校准、标准化，技术咨询为一体的第三方服务机构[1]。国评中心在指导委员会指导下开展建设工作，指导委员会成员由国家发改委、工信部、国标委、认监委、中国机械工业联合会、中国机器人产业联盟、行业专家等组成。国评中心总部设在上海，广州，重庆、沈阳设立了分中心，北京、芜湖设立了公共服务平台，覆盖了全国机器人产能、需求最集中的地区。国评中心的目标任务是，搭建机器人产业的公共服务平台，提高机器人产业标准化工作建设和产品质量，推动国内机器人产业的技术快速、健康、有序发展[2]。 在政策上，为促进我国机器人产业发展，中央相关部委相继出台了一些扶持政策。科技部2017年8月1日正式发布《“智能机器人”重点专项2017年度项目专项申报指南》（下称《指南》），明确围绕智能机器人基础前沿技术、新一代机器人、关键共性技术、工业机器人、服务机器人、特种机器人6个方向，按照基础前沿技术类、共性技术类、关键技术与装备类和示范应用类四个层次，启动42个项目，拟安排经费总概算约6亿元[3]。《指南》的发布，有利于我国机器人技术实现突破，形成具有国际竞争力的行业龙头企业，助力《中国制造2025》规划的落地。 国家相关部门不断加大对机器人产业的扶持力度。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中，明确将智能服务机器人技术作为重要发展方向之一，要求以服务机器人和危险作业机器人应用需求为重点，研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术[4]。国家“863”计划先进制造技术领域发布的《机器人行业白皮书》也指出，国内机器人在高端领域尚缺少竞争力，近期需要在关键零部件、机器人本体和系统集成3个方面取得突破[5]。 国家发改委、工信部和财政部2016年共同制定的《机器人产业发展规划(2016-2020年)》明确，到2020年，我国实现工业机器人密度(每万名工人使用工业机器人数量)达到150以上。“目前，我国机器人密度是70。在机器人的帮助下，未来我国制造智能化要实现生产效率更高、资源消耗更少、单价成本更低、产品品质更好、消费个性需求更能满足、市场响应速度更快的目标[5]。” 科技部2017年8月1日正式发布《“智能机器人”重点专项2017年度项目专项申报指南》（下称《指南》），明确围绕智能机器人基础前沿技术、新一代机器人、关键共性技术、工业机器人、服务机器人、特种机器人6个方向，按照基础前沿技术类、共性技术类、关键技术与装备类和示范应用类四个层次，启动42个项目，拟安排经费总概算约6亿元。《指南》的发布，有利于我国机器人技术实现突破，形成具有国际竞争力的行业龙头企业，助力《中国制造2025》规划的落地[6]。 2016年出台的《中国制造2025》计划明确了我国未来十年机器人产业的发展重点方向。由此可见，近年来，国家对机器人产业的扶持力度空前，给我国机器人生产企业带来了明显的利好[7]。 1.1.3现阶段扫地机器人的关键技术 用户直观可见的扫地机器人基本功能为清扫、吸尘、拖地等，因此相关企业在清扫毛刷的材料、结构形式、旋转速度/方式，以及吸尘原理、吸尘机构形式、拖布材料、拖布布置方式、供水量、供水方式等基本功能原理和技术方面不断优化。同时，为了实现更好的清洁效果、更良好的用户体验，扫地机器人在人工智能相关领域涉及到如下几项关键技术。 1.多传感器信息融合技术 多传感器信息融合是指综合来自多个传感器的感知数据，以便产生更可靠、更准确或更全面的机器人状态信息，如在扫地机器人中融合激光雷达、超声传感器、红外传感器、里程计的信息等。多传感器信息融合处理的基本原理类似于人类大脑处理信息的过程，能够通过对多种传感器反馈信息的合理分析与使用，得以降低各种单一传感器在空间和时间局限性方面的影响，并且通过冗余信息的解析，更加完善和更加精确地反映出检测对象的特性，消除信息的不确定性，得到对观测环境具备较高可行性的一致性结果。 2.室内导航和定位技术 　　扫地机器人需要自主移动，无论是局部实时避障，还是全局规划，都需要较精确地确定机器人或障碍物的当前状态及位置，以完成导航、避障及路径规划等任务。一般地，机器人通过航位推算方法、信标定位方法以及混合定位方法，实现室内移动机器人的导航和定位。 　　航位推算方法是最为常用的一种方法，通过机器人自身的里程计、陀螺仪、加速度计等内部传感器，实时解算机器人自身的速度、姿态信息。以出发点为绝对零点，则可以渐进累加地推算出机器人当前所在的位置和姿态。此种方法随着工作时间的增加，积分运算误差和定时系统时差引起的误差将会逐渐累积，因此不适于长时间的精确定位。 　　扫地机器人在室内地板上的运动可视为在二维平面内的运动，如果室内允许布置信标（如充电桩或其他满足信标条件的标志物），则可以通过传感器，检测机器人与信标之间的相对距离与位姿，实现扫地机器人的室内导航与定位。信标定位的优点是可实现实时检测，没有累积误差，精度稳定性好，且可通过多信标冗余覆盖的方式，彼此互为位置校准或当某个信标故障时，机器人仍可成功定位。混合定位方法融合航位推算方法与信标定位方法各自优势[8]。 3.扫地机器人路径规划算法 　　扫地机器人在工作过程中，需要尽量做到清扫面积全覆盖且行走路径不重叠，这就需要依据某个或某些优化准则进行最优路径规划，在其工作空间中找到一条从起始状态到目标状态，可以避开障碍物的最优路径。 　　根据对环境信息的把握程度，我们可以把路径规划分为，基于已知地图的全局路径规划和基于传感器信息的局部路径规划。其中，以获取障碍物信息是静态还是动态的角度看，全局路径规划属于静态规划（离线规划），局部路径规划属于动态规划（在线规划）。 　　全局路径规划需要建立工作空间的详细地图，根据地图包含的环境信息进行路径规划；局部路径规划则根据传感器实时采集的周边环境信息，确定所在地图的位置及其局部的障碍物分布情况，从而可以选出从当前结点到邻近子目标结点的最优路径。 　　常用路径规划算法主要有人工势场法、Dijkstra算法、Floyed算法、SPFA算法(Bellman_Ford改进算法)、A算法、D算法、DWA算法、图论最短算法、遗传算法、元胞自动机算法、免疫算法、禁忌搜索算法、模拟退火算法、人工神经网络算法、蚁群算法、粒子群算法等。 1.2扫地机器人发展趋势 1.2.1扫地机器人技术发展趋势 　　1.高性价比、高性能传感器的融合应用 　　目前，扫地机器人多采用红外传感器、接触式传感器、超声波传感器等，少部分高端机型使用了线扫描激光雷达传感器。对于智能化的扫地机器人室内定位和复杂路径规划的需求而言，传感器提供的信息尚显不足。 　　将来，视觉传感器（深度摄像头、仿生视觉、结构光传感器）、低成本高性能激光雷达传感器、软体防碰撞接触式传感器等高性能、新型传感器的应用，将给扫地机器人决策提供更丰富的参考信息。同时，在算法层面，需要深挖多传感器信息融合处理算法，在纷繁复杂的传感器反馈信息中，提取有效信息，并根据优化策略规则制定决策[9]。 　　2.家用功能的模块化集成，实现智能扫地机器人多任务功能 在实现扫地机器人基本的扫地、吸尘、拖地等功能的基础上，模块化集成，如空气净化、加湿、沟通交流、室内玩具、儿童写字板等功能模块，实现智能化扫地机器人的一专多用。扫地机器人本体可以平台化，即实现室内智能移动平台的功能，具备基本的避障、路径规划、软硬件交互接口等功能，而其他功能均以模块化的形式进行加载，给用户更多的自主选择余地，实现细分市场的拓展。 　　3.智能程度提升、智能算法拓展应用 　　借助语音识别技术和图像处理技术的逐步发展，如声源定位和声纹识别技术研究的深入、人脸识别技术的成熟、物品识别技术性能的提高，我们可更有效地提高扫地机器人对家庭环境的融入程度，提升扫地机器人与家庭成员的智能交互能力。 　　同时，我们应研究并设计各种智能人机接口，如多语种语音、自然语言理解、图像、手写字识别等，以更好地适应不同用户和不同的应用任务，提高人与机器人交互的和谐性，实现人机交互的简单化、多样化、智能化、人性化。智能扫地机器人作为现阶段销量最大的家用服务机器人，未来将能够对语言进行自我学习，并在社会化环境中向他人学习，把这种语言能力转化为自主学习和处理问题的能力。未来，机器人将掌握更多的自主性能力，实现智能扫地机器人功能定位的本质性革新与发展[10]。 　　4.扫地机器人网络节点化 　　目前，部分智能扫地机器人已通过网络连接实现了远程控制功能，一些扫地机器人还安装了监控摄像头，实现了远程安防监控的功能。扫地机器人体积小、可移动等特点成为其作为网络终端节点的独特优势，可延展远程安防、智能家居、视频/语音通讯终端、健康助理、陪伴聊天等多种网络节点化功能。 1.2.2扫地机器人未来市场分析 从20世纪60年代初期世界上第一台真正使用的机器人诞生以来，机器人开始被广泛应用。机器人的发展就像上世纪80年代的个人电脑、上世纪90年代中期的手机一样，正处于产业真正起飞的前夕，机器人从一开始的工业领域慢慢转入生活领域，其中扫地机器人就是机器人服务类型转变的代表性产品，由于它能减少日常屋子打扫时间，深受生活节奏快的城市欢迎。 2010年左右，国内的扫地机器人品牌纷纷涌现，并逐步实现产业化。目前，国内市场已拥有几十家扫地机器人品牌，如科沃斯、iRobot、福玛特、地贝、Xrobot、海尔、美的、Prosenic、飞利浦和三星等。但是，本土成立且具备核心研发能力的扫地机器人企业占比并不高。 我国扫地机器人起步较晚，中国的扫地机器人市场刚刚萌芽起步，目前处于行业快速成长阶段。随着扫地机器人功能更完善，智能化程度更高，扫地机器人受到的关注度逐年上升，从起初的10.8万台的行业产量到去年，翻了近20倍。根据国家统计局发布的信息表明，到2017年年底，扫地机器人的行业产量已经达到了225万台，平均增长率已经超过60%，而预计今年，扫地机器人的零售规模有可能突破75亿元[11]。 2014年全球家务机器人销售额达到12亿美元，同比增长24%。预计2015到2018年期间，销售额可以累计达到122亿美元。2014年全球家务机器人销量达到330万，比2013年274万增长了20.4%。预计2015年到2018年期间，家务机器人的销量将会爆发性增长，累计销量达到2590万。同时，根据GFK数据，2015年中国扫地机器人市场零售规模在50亿元人民币左右，这一数字在 2017年将达到75亿元人民币，2018年则将增长至120亿元人民币。扫地机器人市场空间巨大。结合这两个知名专业机构的统计预测数据，可以看出，未来扫地机器人市场空间将呈大幅度增长态势，同时中国市场也将成为扫地机器人放量的主战[12]。 图1-3 全球及中国扫地机器人市场空间预测（亿美元） 我国扫地机器人起步较晚，随着扫地机器人功能更完善，智能化程度更高，预计未来中国沿海发达地区扫地机器人渗透率水平会达到美国扫地机器人目前的渗透率水平。在政策利好的环境下，随着人们的生活质量的提高，我国扫地机器人将成为机器人产业的一片蓝海。 扫地机器人市场处在不断发展壮大的时期。为不断提升用户体验和拟合实际功能的需求，扫地机器人会不断进化和提升，将在融合型传感系统、功能定位、智能化程度、网络服务，以及多机协作和自我学习等方面不断发展，实现扫地机器人真正意义的智能化，使扫地机器人发展成为人们的家用高科技伙伴。 图1-4 我国扫地机器人渗透率横纵向对比 1.3课题要达到的设计目的 机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。机器人的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机器人作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机器人是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机器人被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机器人的发展，使得机器人能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机器人虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机器人已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用[13]。 机器人技术涉及到力学、机械学、电气气技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机器人是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多自由度，可用来搬运物体以及可以在各个不同环境中工作。 通过此次家用扫地机器人的设计，能对扫地机器人的清扫结构和系统控制的进行创新设计，可以简单进行家庭清扫。 第2章 方案设计及可行性论证 2.1扫地机器人清扫机构方案设计 2.1.1 方案1 电机带动斜齿轮1，斜齿轮1带动斜齿轮2，斜齿轮2带动斜齿轮3，斜齿轮3上的轴带动滚刷，进而实现清扫工作，如图2-1斜齿轮清扫机构所示。 图2-1 斜齿轮清扫机构 2.1.2方案2 电机带动蜗杆，蜗杆两端接蜗轮，两个蜗轮分别接皮带轮，皮带轮上的轴连接刷子，从而实现清扫工作，如图2-2蜗轮蜗杆皮带轮清扫机构。 图2-2 蜗轮蜗杆皮带轮清扫机构 2.1.3方案3 电机带动蜗杆，蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮连接轴，轴连接刷子转动，从而实现清扫工作，如图2-3蜗轮蜗杆清扫机构 图2-3 蜗轮蜗杆清扫机构 2.2扫地机器人清扫机构方案可行性论证 2.2.1 方案1评价 方案一虽然易于安装，斜齿轮传动平稳，但是所需面积过大，其他部分将放置不下，超出所要设计的尺寸，斜齿轮制造比较麻烦，制造工艺复杂，成本高，因而否定了方案一。 2.2.2方案2评价 方案二中带传动传动传动平稳、缓冲吸振、结构简单、成本低、使用维护方便、 有良好的挠性和弹性、过载打滑。但是传动比比不准确、带寿命低、轴上载荷较大、传动装置外部尺寸大、效率低，所以否定方案二。 2.2.3方案3评价 方案三采用了蜗轮蜗杆传动，它能平稳的传动，噪声也非常的小。这主要是用蜗杆和蜗轮齿的啮合是连续的，并且啮合的齿对数还相对的较多，所以传动比较平稳，噪声也比较低，非常适合家用扫地机器人。 综上三种方案，为了能有更加稳定的传动和较低的噪声，我选择第三种方案作为本次设计的传动方案。 2.3扫地机器人测距系统方案设计 2.3.1 方案1 通过激光测距传感器对房间进行扫描，快速获取距离信息，当激光投射到障碍物上时，会形成光斑，同时图像传感器会根据光斑的像素序号来计算到激光测距传感器的中心距离。结合扫地机器人自身的算法，构建房间地图，并实时定位清扫。 图2-4 激光测距模块 2.3.2方案2 通过超声波侦测对前方进行检测，当超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，从而实时定位清扫。 图2-5 超声波测距模块 2.3.3方案3 通过红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用的红外测距传感器LDM301发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用CCD图像处理接收发射与接收的时间差的数据，从而实时定位清扫。 图2-6 红外测距模块 2.4扫地机器人侦测系统方案可行性论证 2.4.1 方案1评价 激光测距的优点是精确，因为而激光测距传感器是极小的一束激光发射出去再回来，所以只要光束能通过的，几乎无干扰。但是长期在室内使用激光对人体有一定影响，而且激光模块制作成本较高，需要时刻保证光学系统的干净，故因为成本高，对人体有一定影响，不选择第1种方案。 2.4.2方案2评价 超声波测距传感器容易报错，主要原因在于超声波测距传感器是声波发射，具有声波的扇形发射特性，所以当声波经过之处障碍物较多时，反射回来的声波较多，干扰较多，易报错。由于在室内清扫时，有很多不同介质的障碍物，干扰较多，而故不选择第2种方案。 2.4.3方案3评价 因为扫地机器人更多是在室内工作，所以室内光线不强，因此红外传感测距在室内能更好发挥它的作用，而且制作成本低，相对安全，测量精度高，能给系统足够的反馈时间。 综上所述，综合考虑此次设计的使用场景，从传感的稳定性及制造成本上考虑，对于环境及人的影响较小，故选择第3种测距方案。 2.4方案确定 综合以上对于本次设计的机械部分中的清扫结构及控制部分的测距系统进行方案论证，最后确定清扫机构中采用蜗轮蜗杆传动的方案，而测距系统则采用红外传感测距。 图2-7 圆形结构 另外对于扫地机器人的外观，由于发现机器的周边有棱角在躲避障碍物时不是很方便，容易刮蹭，所以选定圆形结构为最优外形结构，外观小巧，行动灵活，占地面积小，工作时全方位无死角打扫房间，较方形外观来说，更合理，更适用，所以最终排除方形，选定圆形结构。 第3章 设计和计算 3.1电机选择 3.11设计参数 整机重量 不超过10kg 车体地盘 高于地面10mm 清扫刷子转速 3r/s 3.1.1驱动电机计算 初步估计整机的重量为10kg，取g=9.8，则,由于该机器有三个轮子支撑，故分配在每个轮子上的载荷 滚动摩擦阻力矩 滑动摩擦阻力 由前面的总体布局安排，车体底盘应至少高于地面10mm，取轮子直径， 轮子行走过程中所受的阻力矩 工作机要求的效率公式 （3-1） 式中 ； 。 初步估计扫地机器人最高行进速度 电机所需的输出功率 （3-2） 式中 ——轴承传动效率，取； ——齿轮传动效率，取； 考虑到机器人在转弯的时候，要求其转弯半径为零，这样就会要求两个与电机相连的轮子在转弯的时候必须差速运转，从而才能实现转弯半径为零。而要实现差速运转，则要求电机具有调速功能，再由电机输出功率，查到了深圳市昊冉机电设备有限公司生产的130系列的电机满足设计中所需要的电机要求，因为运转本机器时电机需要输出的功率为3.22W，由深圳市昊冉机电设备有限公司网站上给的产品的技术指标和安装型号中选型号为130TT，输出功率为15W，速度可调范围为，因为其在满足要求的情况下尺寸比我所查到的电机的尺寸都小，所以选用它为驱动机构的电机。电机参数如表3-1。 表3-1 电机参数 型号 电压 频率 空载系数 负载系数 转速 电流 转速 电流 V W RPM A RPM A 130TT 6 15 1100 1.0 17 2.0 3.1.2清扫电机计算 因清扫机构中刷子的转速达到即可实现清扫，，所以蜗轮的转速转速为即可,D=35mm，故 因而选电机型号为55SZ02，转速为，功率为12W，其尺寸较小，又能满足工作需要，所以选用它来做为清扫机构的动力输入部分。电机具体参数如表3-2。 表3-2 电机参数 型号 转矩 转速 功率 电压 电流不大于 W 电枢 激磁 电枢 激磁 55SZ02 65 3000 20.0 24 24 1.55 0.430 3.2 蜗轮蜗杆选择 3.2.1 材料选择 蜗杆材料，表面淬火，硬度 蜗轮齿圈材料，金属模铸造。 3.2.2 蜗轮蜗杆齿数选择 传动比 由参考文献[1]表3-3查得齿数 故 表3-3 各种传动比时推荐的、值 1. 确定许用应力 由参考文献[1]表3-4查得 由参考文献[1] 图16.5-4寿命系数查得 2. 接触强度设计 按接触强度计算公式 （3-3） 载荷系数取 由参考文献[1]表3-4查得 蜗轮轴的转矩 （式中暂取） 表3-4 蜗轮材料及时的许用应力 时的许用弯曲应力 蜗轮材料 铸造方法 使用的滑动速度 力学性能 蜗杆齿面硬度 一侧受载 两侧受载 沙模 金属模 表3-5 弹性系数 蜗杆材料 蜗轮材料 铸锡青铜 铸铝青铜 灰铸铁 球墨铸铁 钢 155 156 162 181.4 将上述诸值代入公式3-3 由参考文献[1]表3-6查得，接近于的是，相应的，。 表3-6 蜗杆传动的m与d1的匹配 1 1.25 1.6 2 18 20 22.4 20 28 （18） 22.4 （28） 33.5 18 31.3 35 51.2 71.7 72 89.6 112 142 由参考文献[1]表3-7查得，按，，，其 ，，， 蜗轮分度圆直径 导程角 表3-7 普通圆柱蜗杆传动的基本参数及其匹配 3.2.3 蜗轮蜗杆校核 1. 蜗轮的圆周速度并校核效率 实际传动比 蜗轮的圆周速度 滑动速度 传动效率 （3-4） 式中 ——蜗杆传动的啮合效率； ——考虑搅油损耗的效率，一般； ——轴承效率，。 啮合效率 由参考文献[1]表3-6查得 将上述诸值代入公式3-4 2. 校核蜗轮齿面的接触强度 齿面接触强度验算公式 （3-5） 由表3-3查得 由参考文献[1]表3-7查得 取 ， 蜗轮传递的实际转矩 由参考文献[1]图16.5-3滑动速度影响系数查得，当时 将上诉诸值代入公式3-5 满足要求。 3. 蜗轮齿根弯曲强度校核 齿根弯曲强度验算公式 (3-6) 由参考文献[1]机械设计图8.13蜗轮的齿形系数查得 将上述诸值代入公式3-6 表3-8 蜗杆传动的当量摩擦角 蜗轮材料 锡青铜 无锡青铜 灰铸铁 钢蜗轮齿面硬度 其他情况 其他情况 滑动速度 表3-9 使用系数 原动机 工作特点 平稳 中等冲击 严重冲击 电动机、汽轮机 多缸内燃机 单缸内燃机 3.2.4 蜗轮蜗杆几何尺寸 已知：，，，， 具体尺寸见表3-10蜗轮蜗杆参数。 表3-10 蜗轮蜗杆参数 名称 代号 公式及结果 中心距 蜗杆头数 蜗轮齿数 齿形角 模数 蜗轮变位系数 蜗杆轴向齿距 蜗杆分度圆直径 蜗杆齿顶圆直径 蜗杆齿根圆直径 蜗杆齿宽 蜗轮分度圆直径 蜗轮顶圆直径 蜗轮齿宽 蜗轮齿顶圆弧半径 蜗轮齿根圆弧半径 蜗杆轴向齿厚 续表 蜗轮分度圆齿厚 蜗杆齿厚测量高度 蜗杆齿根高 蜗轮齿根高 蜗轮齿根圆直径 蜗轮齿高 顶隙 ，一般顶隙系数 3.3轴的校核 3.3.1 校核轴强度 1. 轴的受力情况 水平面受力 垂直面受力 水平面弯矩 垂直面弯矩 合成弯矩 因单向回转，视扭矩为脉动循环，则截面处的当量弯矩 弯矩图、当量弯矩图如图3-1轴的受力所示。 图3-1 轴的受力 2. 按当量弯矩校核轴的强度 由上图可见最高点处的两弯矩最大，故对此校核。 强度公式 （3-7） 将上述诸值代入公式3-7 由参考文献[1]表3-11查得45钢 故清扫机中轴的强度足够。 表3-11 轴的许用弯曲应力 材料 碳素钢 400 40 500 45 600 55 700 65 合金钢 800 75 900 80 1000 90 铸钢 400 30 500 40 3.4环境保护和可持续发展方面的思考 3.4.1扫地机器人对于环境保护的意义 随着人们对生活品质的逐渐重视，环保问题也成为了人们心中最关注的问题之一。扫地机越来越多的用于环保工作中，传统的清洁模式主要是人工，而人工清洁模式已经不能够满足人们对环境的要求。首先是在清洁过程中，一般都是用扫把直接清扫，不但清洁不彻底，而且会对人体造成巨大的威胁，尤其是清洁人员，而后续也有二次扬尘带来的不便和威胁，扬尘也会飄落到公共设施、建筑物和绿化上，而扫地机器人能很好的解决这些环保的问题。 3.4.2扫地机器人有利于可持续发展 2008年新的劳动法出台以后，人工成本逐年上升，而且清洁工作人员出现普遍的老龄化问题。所以降低人工成本，增加公司新鲜血液也成为了环卫公司急需解决的一个问题。使用扫地机成为了他们解决这个问题的办法，扫地机操作方便，非常符合我国的可持续发展战略，所以说扫地机器人代替人工广泛应用于环保工作中不仅是顺应了时代的发展，也是顺应人们需求的改变。 第4章 控制系统设计 4.1 单片机选择 扫地机器人需要检测前进方向的四个障碍物有无，以及前进方向是否为台阶似的边缘以防止跌落。所以至少需要八路数字输入。因为在功能设定上使用了矩阵键盘，需要4+4个I/O来实现按键状态的扫描检测，在数码管显示方面因为采用了动态扫描的显示方式，数码管的段显示需要8个数字输出来实现，因为一用了4个数码管，所以数码管的位选择显示需要四个数字输出。电机驱动部分，为了实现调速，使用了PWM的调速方法，每个电机需要两路需要两路PWM信号，所以需要控制器带至少6路的PWM输出的功能。 综合以上设计考虑，选择了输入输出引脚多达72个，17个定时器且每个定时器有4路输出，内置程序容量高达512KB，RAM高达192KB的STM32F407VET6单片机，作为本系统的控制器。 4.2 单片机最小系统 单片机最小系统电路如图4-1所示。STM32F407VET6供电电压为3.3V，系统工作晶振为8M，可以通过内部PLL电路倍频到168MHz，复位电路使用一个电阻一个电容以及一个开关组成，可以实现上电复位和手动复位，系统一上电时由于电容两端电压不会突变的特性，单片机的复位引脚处于低电平状态，单片机复位，电容通过电阻进行充电，电容两端电压恢复，复位引脚变为高电平，单片机正常工作。 4.3 电源管理 对于任何系统而言，电源在提供足够的电压的同时，必须安全性高、稳定性好、散热快、带负载能力达到系统需求。 在本系统中STM32F407VET6单片机的供电电压为3.3V， 避障和红外检测传感器，数码管显示电路的供电电压均为5V，同时三个直流减速电机需要12V驱动电压。 图4-1 单片机最小系统 1.电池充电电路 电池充电电路如图4-2所示，系统的能量完全由一块可充电锂电池提供，标称电压为12V，充电使用了一块HM4063B的锂电池充电管理芯片 图4-2电池充电电路 2.5V电源电路 5V稳压电路如图4-3 所示，5V电源部分通过LM7805芯片来实现。TO-220封装形式的LM7805芯片为传统的线性稳压器，可提供稳定的5V输出电压，同时输出电流也可达到1.5A，但要求输入电压比输出电压高2V至3V，本系统的电池电压最低为8.4V，满足LM7805的输入要求。LM7805芯片基本可以满足设计要求，但同样须加装散热片。另外，为使电源输出的纹波足够小，在芯片的输出管脚放置470uF和0.1uF滤波电容；为减小输入端受到的干扰，输入管脚放置470uF和0.1uF的滤波电容。 图4-3 5V稳压电路 3.3V电源电路 3.3V稳压电路如图4-4所示，3.3V电源部分通过AMS-1117-3.3芯片来实现。SOT-23封装形式的AMS-1117-3.3芯片为低压差线性稳压器，可将输入最低4.5V的电压稳压到稳定的3.3V输出电压，只要求输入电压比输出电压高1.3V至1.5V，这样该电路的输入接+5V即可，可减小稳压器功耗，提高能源利用效率。同时输出电流也可达到800mA。本系统中STM32F407VET6单片机需要的3.3V电压需要该电源电路提供。AMS-1117-3.3芯片基本可以满足设计要求。另外，为使电源输出的纹波足够小，在芯片的输出管脚放置470uF和0.1uF滤波电容；为减小输入端受到的干扰，输入管脚放置470uF和0.1uF的滤波电容。 图4-4 3V稳压电路 4.4 电机驱动模块 电机电路如图4-5所示，电机驱动选择了L9110，L9110是一块H桥驱动芯片，输入电压为2.5V-12V，连续输出电流可达0.8A，设计使用了130TT电机，空载电压小于180mA，所以选用的驱动芯片可以满足要求。 表4-1 L9110逻辑功能 IA IB OA OB 电机转向 H L H L 正转 L H L H 反转 L L L L 停止 H H L L 停止 图4-5电机驱动电路 4.5 红外避障模块与红外防跌落模块 红外线避障传感器制作成本低、体积小、功耗低、使用方便、稳定性高、可靠性好，另外该传感器集发射电路与接收电路于一身，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调后输出，避免了可见光的干扰，有极好的抗干扰能力[10]。扫地机器人选择了型号为E3F-5DN1的红外接近开关作为避障和边缘检测的传感器，红外避障传感器的实物如图4-6所示。 图4-6 红外避障传感器实物图 红外避障传感器的主要性能参数如下： (1) 工作电压：DC5V (2) 驱动电流：最大100mA (3) 感应距离：3~80cm (4) 工作温度：-25~70 (5) 工作电流：10~15mA 红外避障传感器连接如图4-7所示。红线接5V电压，绿线接地，黄线为输出，外加一个4.7的上拉电阻与+5V相连后接STM32F407VET6的I/O口，正常状态输出高电平，检测到障碍物时输出低电平。在该传感器的发射电路中，传感器上电后，调制器控制发光二级管周期性的导通与关闭，发射头持续发射中心频率为38KHz的红外线。当传感器前方有障碍时，红外线会发生反射。障碍物颜色不同可反射距离也不同，白色障碍物反光效果最好，可测量距离最大；黑色障碍物反光效果差，可测距离最小。经反射后，红外光波被接收头接收，接收电路中NPN光敏三极管在有光照射时导通，否则截止。光敏三极管周期性导通，输出周期性电信号。该电信号先经放大器放大，然后经限幅器将脉冲幅度限制在一定范围内，再经滤波处理后，被解调器解调。时序电路判断接收光的频率是否吻合捕获频率38KHz（即发射光的频率），吻合就输出低电平，不吻合就认定接收的红外线为干扰，输出高电平。传感器的检测距离与流入发射端中的发光二极管的电流大小有关，调节电位器使该电流增大，可增大避障检测距离[11]。 在本系统中，四个红外避障传感器实现避障功能。同时，为防止机器人从高处跌落，四个红外线避障传感器被安放在机器人底盘前端外面，发射接收头垂直地面向下，当传感器输出高电平时，表示地面出现落差。 图4-7 红外避障传感器连接图 4.6 键盘输入模块 键盘输入模块连接如图4-8所示，为了实现设定小车定时打扫的功能，使用了4x4的矩阵