掃地機器人系統設計（CAD裝配圖+PDF電路圖+說明書）

喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 摘 要 隨著生活水平的提高，掃地機器人逐步進入普通家庭，掃地機器人具有主動躲避障礙物、自動吸塵、自動返回充電燈諸多智能功能，可幫助人們清掃家庭垃圾，給人們提供便利。本文設計的掃地機器人采用機電一體化的設計思想對機械結構和控制系統進行設計，機械設計主要完成了整機外型的選定，及清掃機構的設計，其中清掃機構主要采用蝸輪蝸桿帶動軸轉動的方式實現清掃功能?？刂葡到y才用了STM32F407VET6單片機作為控制系統的核心，主要完成了驅動電機和清掃電機的控制，設計了由八個紅外傳感組成的檢測系統，主要進行邊緣檢測和碰壁檢測，并且采用了數碼管顯示模塊與單片機連接實現對清掃時間的顯示，整體控制簡單，使用方便。此掃地機器人的機械結構實現了給定的設計參數要求，控制形態也滿足了設計要求。 關鍵詞：掃地機器人；單片機控制；機械結構 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 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 掃地機器人現狀 1 1.1.1 掃地機器人發展現狀 1 1.1.2 掃地機器人相關扶持政策 2 1.1.3 現階段掃地機器人的關鍵技術 4 1.2 掃地機器人發展趨勢 5 1.2.1 掃地機器人技術發展趨勢 5 1.2.2 掃地機器人未來市場分析 6 1.3 課題要達到的設計目的 8 第2章 方案設計及可行性論證 9 2.1 掃地機器人清掃機構方案設計 9 2.1.1 方案1 9 2.1.2 方案2 9 2.1.3 方案3 10 2.2 掃地機器人清掃機構方案可行性論證 10 2.2.1 方案1評價 10 2.2.2 方案2評價 10 2.2.3 方案3評價 10 2.3 掃地機器人測距系統方案設計 11 2.3.1 方案1 11 2.3.2 方案2 11 2.3.3 方案3 12 2.4 掃地機器人偵測系統方案可行性論證 12 2.4.1 方案1評價 12 2.4.2 方案2評價 12 2.4.3 方案3評價 13 2.5 方案確定 13 第3章 設計計算 14 3.1 電機選擇 14 3.1.1 設計參數 14 3.1.2 驅動電機選擇 14 3.1.3 清掃電機選擇 15 3.2 蝸輪蝸桿選擇 16 3.2.1 材料選擇 16 3.2.2 蝸輪蝸桿齒數選擇 16 3.2.3 蝸輪蝸桿校核 18 3.2.4 蝸輪蝸桿幾何尺寸 21 3.3 軸的校核 22 3.4 環境保護和可持續發展方面的思考 24 3.4.1 掃地機器人對于環境保護的意義 24 3.4.2 掃地機器人有利于可持續發展 24 第4章 控制系統設計 25 4.1 單片機選擇 25 4.2 單片機最小系統 25 4.3 電源管理 25 4.4 電機驅動模塊 28 4.5 紅外避障模塊與紅外防跌落模塊 28 4.6 鍵盤輸入模塊 30 4.7 數碼管顯示模塊 31 第5章 產品使用與維護 32 5.1 產品使用說明 32 5.2 產品維護保養 33 結 論 34 參考文獻 35 致 謝 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 緒論 1.1 掃地機器人現狀 1.1.1 掃地機器人發展現狀 自動掃地機器人，是一種智能掃地、吸塵工具，是一種配備了微電腦系統的電動保潔設備，它能能夠按照人們的設置清潔房間的某一特定部分或全部。自動掃地機器人最早出現于美國，隨后發展的歐美，風靡港澳臺，90年代中期進入大陸。國內自動掃地機主要幾種品牌：iRobot(美國)、凱馳(德國)、QQ(臺灣)、三葉蟲(瑞典)、保時潔(國產)、美嘉樂(國產)、微朗(國產)等。 隨著科學技術的進步和社會發展，特別是受生活節奏的加快和工作壓力的增大影響，人們希望更多地從繁瑣的家庭日常清潔事務中解脫出來。這無疑是清潔機器人進入家庭的市場訴求。 掃地機器人作為清潔機器人的一種，其針對的目標用戶是所有家庭，其需求痛點恰恰是為了使人們從日常地板清潔工作中解放出來，它迎合了市場痛點的需求。最早的掃地機器人來源于伊萊克斯、戴森等領銜的吸塵器行業。 2002年伊萊克斯在原有高質量吸塵器的基礎上，開發了“三葉蟲”掃地機器人——全世界第一款全自動掃地機器人。隨后iRobot公司先后生產了7代家務機器人Roomba，成為了這一領域的代表產品系列。 圖1-1 我國掃地機器人發展現狀與產業發展趨勢 2010年左右，國內的掃地機器人品牌紛紛涌現，并逐步實現產業化。目前，國內市場已擁有幾十家掃地機器人品牌，如科沃斯、iRobot、?，斕?、地貝、Xrobot、海爾、美的、Prosenic、飛利浦和三星等。但是，本土成立且具備核心研發能力的掃地機器人企業占比并不高。 圖1-2 國內掃地機器人市場競爭狀況 近幾年，掃地機器人正在以驚人的速度普及，市場發展十分迅猛。前期發展階段，掃地機器人主要以改進掃地效能為主?，F階段，掃地機器人在保證提供較優良的清潔效果后，勢必轉向多傳感器融合、導航、路徑規劃等智能化核心技術的發展方向上。 1.1.2掃地機器人相關扶持政策 為引導我國機器人產業有序健康發展，國家發改委發起成立了國家機器人檢測與評定中心（簡稱“國評中心”）。據了解，國評中心是由政府部門和科研院所共同設立的集機器人產品（部件）認證、檢測、校準、標準化，技術咨詢為一體的第三方服務機構[1]。國評中心在指導委員會指導下開展建設工作，指導委員會成員由國家發改委、工信部、國標委、認監委、中國機械工業聯合會、中國機器人產業聯盟、行業專家等組成。國評中心總部設在上海，廣州，重慶、沈陽設立了分中心，北京、蕪湖設立了公共服務平臺，覆蓋了全國機器人產能、需求最集中的地區。國評中心的目標任務是，搭建機器人產業的公共服務平臺，提高機器人產業標準化工作建設和產品質量，推動國內機器人產業的技術快速、健康、有序發展[2]。 在政策上，為促進我國機器人產業發展，中央相關部委相繼出臺了一些扶持政策?？萍疾?017年8月1日正式發布《“智能機器人”重點專項2017年度項目專項申報指南》（下稱《指南》），明確圍繞智能機器人基礎前沿技術、新一代機器人、關鍵共性技術、工業機器人、服務機器人、特種機器人6個方向，按照基礎前沿技術類、共性技術類、關鍵技術與裝備類和示范應用類四個層次，啟動42個項目，擬安排經費總概算約6億元[3]。《指南》的發布，有利于我國機器人技術實現突破，形成具有國際競爭力的行業龍頭企業，助力《中國制造2025》規劃的落地。 國家相關部門不斷加大對機器人產業的扶持力度。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》中，明確將智能服務機器人技術作為重要發展方向之一，要求以服務機器人和危險作業機器人應用需求為重點，研究設計方法、制造工藝、智能控制和應用系統集成等共性基礎技術[4]。國家“863”計劃先進制造技術領域發布的《機器人行業白皮書》也指出，國內機器人在高端領域尚缺少競爭力，近期需要在關鍵零部件、機器人本體和系統集成3個方面取得突破[5]。 國家發改委、工信部和財政部2016年共同制定的《機器人產業發展規劃(2016-2020年)》明確，到2020年，我國實現工業機器人密度(每萬名工人使用工業機器人數量)達到150以上。“目前，我國機器人密度是70。在機器人的幫助下，未來我國制造智能化要實現生產效率更高、資源消耗更少、單價成本更低、產品品質更好、消費個性需求更能滿足、市場響應速度更快的目標[5]。” 科技部2017年8月1日正式發布《“智能機器人”重點專項2017年度項目專項申報指南》（下稱《指南》），明確圍繞智能機器人基礎前沿技術、新一代機器人、關鍵共性技術、工業機器人、服務機器人、特種機器人6個方向，按照基礎前沿技術類、共性技術類、關鍵技術與裝備類和示范應用類四個層次，啟動42個項目，擬安排經費總概算約6億元?！吨改稀返陌l布，有利于我國機器人技術實現突破，形成具有國際競爭力的行業龍頭企業，助力《中國制造2025》規劃的落地[6]。 2016年出臺的《中國制造2025》計劃明確了我國未來十年機器人產業的發展重點方向。由此可見，近年來，國家對機器人產業的扶持力度空前，給我國機器人生產企業帶來了明顯的利好[7]。 1.1.3現階段掃地機器人的關鍵技術 用戶直觀可見的掃地機器人基本功能為清掃、吸塵、拖地等，因此相關企業在清掃毛刷的材料、結構形式、旋轉速度/方式，以及吸塵原理、吸塵機構形式、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術方面不斷優化。同時，為了實現更好的清潔效果、更良好的用戶體驗，掃地機器人在人工智能相關領域涉及到如下幾項關鍵技術。 1.多傳感器信息融合技術 多傳感器信息融合是指綜合來自多個傳感器的感知數據，以便產生更可靠、更準確或更全面的機器人狀態信息，如在掃地機器人中融合激光雷達、超聲傳感器、紅外傳感器、里程計的信息等。多傳感器信息融合處理的基本原理類似于人類大腦處理信息的過程，能夠通過對多種傳感器反饋信息的合理分析與使用，得以降低各種單一傳感器在空間和時間局限性方面的影響，并且通過冗余信息的解析，更加完善和更加精確地反映出檢測對象的特性，消除信息的不確定性，得到對觀測環境具備較高可行性的一致性結果。 2.室內導航和定位技術 　　掃地機器人需要自主移動，無論是局部實時避障，還是全局規劃，都需要較精確地確定機器人或障礙物的當前狀態及位置，以完成導航、避障及路徑規劃等任務。一般地，機器人通過航位推算方法、信標定位方法以及混合定位方法，實現室內移動機器人的導航和定位。 　　航位推算方法是最為常用的一種方法，通過機器人自身的里程計、陀螺儀、加速度計等內部傳感器，實時解算機器人自身的速度、姿態信息。以出發點為絕對零點，則可以漸進累加地推算出機器人當前所在的位置和姿態。此種方法隨著工作時間的增加，積分運算誤差和定時系統時差引起的誤差將會逐漸累積，因此不適于長時間的精確定位。 　　掃地機器人在室內地板上的運動可視為在二維平面內的運動，如果室內允許布置信標（如充電樁或其他滿足信標條件的標志物），則可以通過傳感器，檢測機器人與信標之間的相對距離與位姿，實現掃地機器人的室內導航與定位。信標定位的優點是可實現實時檢測，沒有累積誤差，精度穩定性好，且可通過多信標冗余覆蓋的方式，彼此互為位置校準或當某個信標故障時，機器人仍可成功定位?；旌隙ㄎ环椒ㄈ诤虾轿煌扑惴椒ㄅc信標定位方法各自優勢[8]。 3.掃地機器人路徑規劃算法 　　掃地機器人在工作過程中，需要盡量做到清掃面積全覆蓋且行走路徑不重疊，這就需要依據某個或某些優化準則進行最優路徑規劃，在其工作空間中找到一條從起始狀態到目標狀態，可以避開障礙物的最優路徑。 　　根據對環境信息的把握程度，我們可以把路徑規劃分為，基于已知地圖的全局路徑規劃和基于傳感器信息的局部路徑規劃。其中，以獲取障礙物信息是靜態還是動態的角度看，全局路徑規劃屬于靜態規劃（離線規劃），局部路徑規劃屬于動態規劃（在線規劃）。 　　全局路徑規劃需要建立工作空間的詳細地圖，根據地圖包含的環境信息進行路徑規劃；局部路徑規劃則根據傳感器實時采集的周邊環境信息，確定所在地圖的位置及其局部的障礙物分布情況，從而可以選出從當前結點到鄰近子目標結點的最優路徑。 　　常用路徑規劃算法主要有人工勢場法、Dijkstra算法、Floyed算法、SPFA算法(Bellman_Ford改進算法)、A算法、D算法、DWA算法、圖論最短算法、遺傳算法、元胞自動機算法、免疫算法、禁忌搜索算法、模擬退火算法、人工神經網絡算法、蟻群算法、粒子群算法等。 1.2掃地機器人發展趨勢 1.2.1掃地機器人技術發展趨勢 　　1.高性價比、高性能傳感器的融合應用 　　目前，掃地機器人多采用紅外傳感器、接觸式傳感器、超聲波傳感器等，少部分高端機型使用了線掃描激光雷達傳感器。對于智能化的掃地機器人室內定位和復雜路徑規劃的需求而言，傳感器提供的信息尚顯不足。 　　將來，視覺傳感器（深度攝像頭、仿生視覺、結構光傳感器）、低成本高性能激光雷達傳感器、軟體防碰撞接觸式傳感器等高性能、新型傳感器的應用，將給掃地機器人決策提供更豐富的參考信息。同時，在算法層面，需要深挖多傳感器信息融合處理算法，在紛繁復雜的傳感器反饋信息中，提取有效信息，并根據優化策略規則制定決策[9]。 　　2.家用功能的模塊化集成，實現智能掃地機器人多任務功能 在實現掃地機器人基本的掃地、吸塵、拖地等功能的基礎上，模塊化集成，如空氣凈化、加濕、溝通交流、室內玩具、兒童寫字板等功能模塊，實現智能化掃地機器人的一專多用。掃地機器人本體可以平臺化，即實現室內智能移動平臺的功能，具備基本的避障、路徑規劃、軟硬件交互接口等功能，而其他功能均以模塊化的形式進行加載，給用戶更多的自主選擇余地，實現細分市場的拓展。 　　3.智能程度提升、智能算法拓展應用 　　借助語音識別技術和圖像處理技術的逐步發展，如聲源定位和聲紋識別技術研究的深入、人臉識別技術的成熟、物品識別技術性能的提高，我們可更有效地提高掃地機器人對家庭環境的融入程度，提升掃地機器人與家庭成員的智能交互能力。 　　同時，我們應研究并設計各種智能人機接口，如多語種語音、自然語言理解、圖像、手寫字識別等，以更好地適應不同用戶和不同的應用任務，提高人與機器人交互的和諧性，實現人機交互的簡單化、多樣化、智能化、人性化。智能掃地機器人作為現階段銷量最大的家用服務機器人，未來將能夠對語言進行自我學習，并在社會化環境中向他人學習，把這種語言能力轉化為自主學習和處理問題的能力。未來，機器人將掌握更多的自主性能力，實現智能掃地機器人功能定位的本質性革新與發展[10]。 　　4.掃地機器人網絡節點化 　　目前，部分智能掃地機器人已通過網絡連接實現了遠程控制功能，一些掃地機器人還安裝了監控攝像頭，實現了遠程安防監控的功能。掃地機器人體積小、可移動等特點成為其作為網絡終端節點的獨特優勢，可延展遠程安防、智能家居、視頻/語音通訊終端、健康助理、陪伴聊天等多種網絡節點化功能。 1.2.2掃地機器人未來市場分析 從20世紀60年代初期世界上第一臺真正使用的機器人誕生以來，機器人開始被廣泛應用。機器人的發展就像上世紀80年代的個人電腦、上世紀90年代中期的手機一樣，正處于產業真正起飛的前夕，機器人從一開始的工業領域慢慢轉入生活領域，其中掃地機器人就是機器人服務類型轉變的代表性產品，由于它能減少日常屋子打掃時間，深受生活節奏快的城市歡迎。 2010年左右，國內的掃地機器人品牌紛紛涌現，并逐步實現產業化。目前，國內市場已擁有幾十家掃地機器人品牌，如科沃斯、iRobot、?，斕?、地貝、Xrobot、海爾、美的、Prosenic、飛利浦和三星等。但是，本土成立且具備核心研發能力的掃地機器人企業占比并不高。 我國掃地機器人起步較晚，中國的掃地機器人市場剛剛萌芽起步，目前處于行業快速成長階段。隨著掃地機器人功能更完善，智能化程度更高，掃地機器人受到的關注度逐年上升，從起初的10.8萬臺的行業產量到去年，翻了近20倍。根據國家統計局發布的信息表明，到2017年年底，掃地機器人的行業產量已經達到了225萬臺，平均增長率已經超過60%，而預計今年，掃地機器人的零售規模有可能突破75億元[11]。 2014年全球家務機器人銷售額達到12億美元，同比增長24%。預計2015到2018年期間，銷售額可以累計達到122億美元。2014年全球家務機器人銷量達到330萬，比2013年274萬增長了20.4%。預計2015年到2018年期間，家務機器人的銷量將會爆發性增長，累計銷量達到2590萬。同時，根據GFK數據，2015年中國掃地機器人市場零售規模在50億元人民幣左右，這一數字在 2017年將達到75億元人民幣，2018年則將增長至120億元人民幣。掃地機器人市場空間巨大。結合這兩個知名專業機構的統計預測數據，可以看出，未來掃地機器人市場空間將呈大幅度增長態勢，同時中國市場也將成為掃地機器人放量的主戰[12]。 圖1-3 全球及中國掃地機器人市場空間預測（億美元） 我國掃地機器人起步較晚，隨著掃地機器人功能更完善，智能化程度更高，預計未來中國沿海發達地區掃地機器人滲透率水平會達到美國掃地機器人目前的滲透率水平。在政策利好的環境下，隨著人們的生活質量的提高，我國掃地機器人將成為機器人產業的一片藍海。 掃地機器人市場處在不斷發展壯大的時期。為不斷提升用戶體驗和擬合實際功能的需求，掃地機器人會不斷進化和提升，將在融合型傳感系統、功能定位、智能化程度、網絡服務，以及多機協作和自我學習等方面不斷發展，實現掃地機器人真正意義的智能化，使掃地機器人發展成為人們的家用高科技伙伴。 圖1-4 我國掃地機器人滲透率橫縱向對比 1.3課題要達到的設計目的 機器人是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。機器人的是工業機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性。機器人作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。 機器人是在機械化，自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。在現代生產過程中，機器人被廣泛的運用于自動生產線中，機械人的研制和生產已成為高技術鄰域內，迅速發展起來的一門新興的技術，它更加促進了機器人的發展，使得機器人能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機器人雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機器人已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用[13]。 機器人技術涉及到力學、機械學、電氣氣技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。機器人是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多自由度，可用來搬運物體以及可以在各個不同環境中工作。 通過此次家用掃地機器人的設計，能對掃地機器人的清掃結構和系統控制的進行創新設計，可以簡單進行家庭清掃。 第2章 方案設計及可行性論證 2.1掃地機器人清掃機構方案設計 2.1.1 方案1 電機帶動斜齒輪1，斜齒輪1帶動斜齒輪2，斜齒輪2帶動斜齒輪3，斜齒輪3上的軸帶動滾刷，進而實現清掃工作，如圖2-1斜齒輪清掃機構所示。 圖2-1 斜齒輪清掃機構 2.1.2方案2 電機帶動蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個蝸輪分別接皮帶輪，皮帶輪上的軸連接刷子，從而實現清掃工作，如圖2-2蝸輪蝸桿皮帶輪清掃機構。 圖2-2 蝸輪蝸桿皮帶輪清掃機構 2.1.3方案3 電機帶動蝸桿，蝸桿帶動蝸輪轉動，蝸輪連接軸，軸連接刷子轉動，從而實現清掃工作，如圖2-3蝸輪蝸桿清掃機構 圖2-3 蝸輪蝸桿清掃機構 2.2掃地機器人清掃機構方案可行性論證 2.2.1 方案1評價 方案一雖然易于安裝，斜齒輪傳動平穩，但是所需面積過大，其他部分將放置不下，超出所要設計的尺寸，斜齒輪制造比較麻煩，制造工藝復雜，成本高，因而否定了方案一。 2.2.2方案2評價 方案二中帶傳動傳動傳動平穩、緩沖吸振、結構簡單、成本低、使用維護方便、 有良好的撓性和彈性、過載打滑。但是傳動比比不準確、帶壽命低、軸上載荷較大、傳動裝置外部尺寸大、效率低，所以否定方案二。 2.2.3方案3評價 方案三采用了蝸輪蝸桿傳動，它能平穩的傳動，噪聲也非常的小。這主要是用蝸桿和蝸輪齒的嚙合是連續的，并且嚙合的齒對數還相對的較多，所以傳動比較平穩，噪聲也比較低，非常適合家用掃地機器人。 綜上三種方案，為了能有更加穩定的傳動和較低的噪聲，我選擇第三種方案作為本次設計的傳動方案。 2.3掃地機器人測距系統方案設計 2.3.1 方案1 通過激光測距傳感器對房間進行掃描，快速獲取距離信息，當激光投射到障礙物上時，會形成光斑，同時圖像傳感器會根據光斑的像素序號來計算到激光測距傳感器的中心距離。結合掃地機器人自身的算法，構建房間地圖，并實時定位清掃。 圖2-4 激光測距模塊 2.3.2方案2 通過超聲波偵測對前方進行檢測，當超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時，從而實時定位清掃。 圖2-5 超聲波測距模塊 2.3.3方案3 通過紅外測距傳感器具有一對紅外信號發射與接收二極管，利用的紅外測距傳感器LDM301發射出一束紅外光，在照射到物體后形成一個反射的過程，反射到傳感器后接收信號，然后利用CCD圖像處理接收發射與接收的時間差的數據，從而實時定位清掃。 圖2-6 紅外測距模塊 2.4掃地機器人偵測系統方案可行性論證 2.4.1 方案1評價 激光測距的優點是精確，因為而激光測距傳感器是極小的一束激光發射出去再回來，所以只要光束能通過的，幾乎無干擾。但是長期在室內使用激光對人體有一定影響，而且激光模塊制作成本較高，需要時刻保證光學系統的干凈，故因為成本高，對人體有一定影響，不選擇第1種方案。 2.4.2方案2評價 超聲波測距傳感器容易報錯，主要原因在于超聲波測距傳感器是聲波發射，具有聲波的扇形發射特性，所以當聲波經過之處障礙物較多時，反射回來的聲波較多，干擾較多，易報錯。由于在室內清掃時，有很多不同介質的障礙物，干擾較多，而故不選擇第2種方案。 2.4.3方案3評價 因為掃地機器人更多是在室內工作，所以室內光線不強，因此紅外傳感測距在室內能更好發揮它的作用，而且制作成本低，相對安全，測量精度高，能給系統足夠的反饋時間。 綜上所述，綜合考慮此次設計的使用場景，從傳感的穩定性及制造成本上考慮，對于環境及人的影響較小，故選擇第3種測距方案。 2.4方案確定 綜合以上對于本次設計的機械部分中的清掃結構及控制部分的測距系統進行方案論證，最后確定清掃機構中采用蝸輪蝸桿傳動的方案，而測距系統則采用紅外傳感測距。 圖2-7 圓形結構 另外對于掃地機器人的外觀，由于發現機器的周邊有棱角在躲避障礙物時不是很方便，容易刮蹭，所以選定圓形結構為最優外形結構，外觀小巧，行動靈活，占地面積小，工作時全方位無死角打掃房間，較方形外觀來說，更合理，更適用，所以最終排除方形，選定圓形結構。 第3章 設計和計算 3.1電機選擇 3.11設計參數 整機重量 不超過10kg 車體地盤 高于地面10mm 清掃刷子轉速 3r/s 3.1.1驅動電機計算 初步估計整機的重量為10kg，取g=9.8，則,由于該機器有三個輪子支撐，故分配在每個輪子上的載荷 滾動摩擦阻力矩 滑動摩擦阻力 由前面的總體布局安排，車體底盤應至少高于地面10mm，取輪子直徑， 輪子行走過程中所受的阻力矩 工作機要求的效率公式 （3-1） 式中 ； 。 初步估計掃地機器人最高行進速度 電機所需的輸出功率 （3-2） 式中 ——軸承傳動效率，??； ——齒輪傳動效率，?。? 考慮到機器人在轉彎的時候，要求其轉彎半徑為零，這樣就會要求兩個與電機相連的輪子在轉彎的時候必須差速運轉，從而才能實現轉彎半徑為零。而要實現差速運轉，則要求電機具有調速功能，再由電機輸出功率，查到了深圳市昊冉機電設備有限公司生產的130系列的電機滿足設計中所需要的電機要求，因為運轉本機器時電機需要輸出的功率為3.22W，由深圳市昊冉機電設備有限公司網站上給的產品的技術指標和安裝型號中選型號為130TT，輸出功率為15W，速度可調范圍為，因為其在滿足要求的情況下尺寸比我所查到的電機的尺寸都小，所以選用它為驅動機構的電機。電機參數如表3-1。 表3-1 電機參數 型號 電壓 頻率 空載系數 負載系數 轉速 電流 轉速 電流 V W RPM A RPM A 130TT 6 15 1100 1.0 17 2.0 3.1.2清掃電機計算 因清掃機構中刷子的轉速達到即可實現清掃，，所以蝸輪的轉速轉速為即可,D=35mm，故 因而選電機型號為55SZ02，轉速為，功率為12W，其尺寸較小，又能滿足工作需要，所以選用它來做為清掃機構的動力輸入部分。電機具體參數如表3-2。 表3-2 電機參數 型號 轉矩 轉速 功率 電壓 電流不大于 W 電樞 激磁 電樞 激磁 55SZ02 65 3000 20.0 24 24 1.55 0.430 3.2 蝸輪蝸桿選擇 3.2.1 材料選擇 蝸桿材料，表面淬火，硬度 蝸輪齒圈材料，金屬模鑄造。 3.2.2 蝸輪蝸桿齒數選擇 傳動比 由參考文獻[1]表3-3查得齒數 故 表3-3 各種傳動比時推薦的、值 1. 確定許用應力 由參考文獻[1]表3-4查得 由參考文獻[1] 圖16.5-4壽命系數查得 2. 接觸強度設計 按接觸強度計算公式 （3-3） 載荷系數取 由參考文獻[1]表3-4查得 蝸輪軸的轉矩 （式中暫?。? 表3-4 蝸輪材料及時的許用應力 時的許用彎曲應力 蝸輪材料 鑄造方法 使用的滑動速度 力學性能 蝸桿齒面硬度 一側受載 兩側受載 沙模 金屬模 表3-5 彈性系數 蝸桿材料 蝸輪材料 鑄錫青銅 鑄鋁青銅 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 鋼 155 156 162 181.4 將上述諸值代入公式3-3 由參考文獻[1]表3-6查得，接近于的是，相應的，。 表3-6 蝸桿傳動的m與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 由參考文獻[1]表3-7查得，按，，，其 ，，， 蝸輪分度圓直徑 導程角 表3-7 普通圓柱蝸桿傳動的基本參數及其匹配 3.2.3 蝸輪蝸桿校核 1. 蝸輪的圓周速度并校核效率 實際傳動比 蝸輪的圓周速度 滑動速度 傳動效率 （3-4） 式中 ——蝸桿傳動的嚙合效率； ——考慮攪油損耗的效率，一般； ——軸承效率，。 嚙合效率 由參考文獻[1]表3-6查得 將上述諸值代入公式3-4 2. 校核蝸輪齒面的接觸強度 齒面接觸強度驗算公式 （3-5） 由表3-3查得 由參考文獻[1]表3-7查得 取 ， 蝸輪傳遞的實際轉矩 由參考文獻[1]圖16.5-3滑動速度影響系數查得，當時 將上訴諸值代入公式3-5 滿足要求。 3. 蝸輪齒根彎曲強度校核 齒根彎曲強度驗算公式 (3-6) 由參考文獻[1]機械設計圖8.13蝸輪的齒形系數查得 將上述諸值代入公式3-6 表3-8 蝸桿傳動的當量摩擦角 蝸輪材料 錫青銅 無錫青銅 灰鑄鐵 鋼蝸輪齒面硬度 其他情況 其他情況 滑動速度 表3-9 使用系數 原動機 工作特點 平穩 中等沖擊 嚴重沖擊 電動機、汽輪機 多缸內燃機 單缸內燃機 3.2.4 蝸輪蝸桿幾何尺寸 已知：，，，， 具體尺寸見表3-10蝸輪蝸桿參數。 表3-10 蝸輪蝸桿參數 名稱 代號 公式及結果 中心距 蝸桿頭數 蝸輪齒數 齒形角 模數 蝸輪變位系數 蝸桿軸向齒距 蝸桿分度圓直徑 蝸桿齒頂圓直徑 蝸桿齒根圓直徑 蝸桿齒寬 蝸輪分度圓直徑 蝸輪頂圓直徑 蝸輪齒寬 蝸輪齒頂圓弧半徑 蝸輪齒根圓弧半徑 蝸桿軸向齒厚 續表 蝸輪分度圓齒厚 蝸桿齒厚測量高度 蝸桿齒根高 蝸輪齒根高 蝸輪齒根圓直徑 蝸輪齒高 頂隙 ，一般頂隙系數 3.3軸的校核 3.3.1 校核軸強度 1. 軸的受力情況 水平面受力 垂直面受力 水平面彎矩 垂直面彎矩 合成彎矩 因單向回轉，視扭矩為脈動循環，則截面處的當量彎矩 彎矩圖、當量彎矩圖如圖3-1軸的受力所示。 圖3-1 軸的受力 2. 按當量彎矩校核軸的強度 由上圖可見最高點處的兩彎矩最大，故對此校核。 強度公式 （3-7） 將上述諸值代入公式3-7 由參考文獻[1]表3-11查得45鋼 故清掃機中軸的強度足夠。 表3-11 軸的許用彎曲應力 材料 碳素鋼 400 40 500 45 600 55 700 65 合金鋼 800 75 900 80 1000 90 鑄鋼 400 30 500 40 3.4環境保護和可持續發展方面的思考 3.4.1掃地機器人對于環境保護的意義 隨著人們對生活品質的逐漸重視，環保問題也成為了人們心中最關注的問題之一。掃地機越來越多的用于環保工作中，傳統的清潔模式主要是人工，而人工清潔模式已經不能夠滿足人們對環境的要求。首先是在清潔過程中，一般都是用掃把直接清掃，不但清潔不徹底，而且會對人體造成巨大的威脅，尤其是清潔人員，而后續也有二次揚塵帶來的不便和威脅，揚塵也會飄落到公共設施、建筑物和綠化上，而掃地機器人能很好的解決這些環保的問題。 3.4.2掃地機器人有利于可持續發展 2008年新的勞動法出臺以后，人工成本逐年上升，而且清潔工作人員出現普遍的老齡化問題。所以降低人工成本，增加公司新鮮血液也成為了環衛公司急需解決的一個問題。使用掃地機成為了他們解決這個問題的辦法，掃地機操作方便，非常符合我國的可持續發展戰略，所以說掃地機器人代替人工廣泛應用于環保工作中不僅是順應了時代的發展，也是順應人們需求的改變。 第4章 控制系統設計 4.1 單片機選擇 掃地機器人需要檢測前進方向的四個障礙物有無，以及前進方向是否為臺階似的邊緣以防止跌落。所以至少需要八路數字輸入。因為在功能設定上使用了矩陣鍵盤，需要4+4個I/O來實現按鍵狀態的掃描檢測，在數碼管顯示方面因為采用了動態掃描的顯示方式，數碼管的段顯示需要8個數字輸出來實現，因為一用了4個數碼管，所以數碼管的位選擇顯示需要四個數字輸出。電機驅動部分，為了實現調速，使用了PWM的調速方法，每個電機需要兩路需要兩路PWM信號，所以需要控制器帶至少6路的PWM輸出的功能。 綜合以上設計考慮，選擇了輸入輸出引腳多達72個，17個定時器且每個定時器有4路輸出，內置程序容量高達512KB，RAM高達192KB的STM32F407VET6單片機，作為本系統的控制器。 4.2 單片機最小系統 單片機最小系統電路如圖4-1所示。STM32F407VET6供電電壓為3.3V，系統工作晶振為8M，可以通過內部PLL電路倍頻到168MHz，復位電路使用一個電阻一個電容以及一個開關組成，可以實現上電復位和手動復位，系統一上電時由于電容兩端電壓不會突變的特性，單片機的復位引腳處于低電平狀態，單片機復位，電容通過電阻進行充電，電容兩端電壓恢復，復位引腳變為高電平，單片機正常工作。 4.3 電源管理 對于任何系統而言，電源在提供足夠的電壓的同時，必須安全性高、穩定性好、散熱快、帶負載能力達到系統需求。 在本系統中STM32F407VET6單片機的供電電壓為3.3V， 避障和紅外檢測傳感器，數碼管顯示電路的供電電壓均為5V，同時三個直流減速電機需要12V驅動電壓。 圖4-1 單片機最小系統 1.電池充電電路 電池充電電路如圖4-2所示，系統的能量完全由一塊可充電鋰電池提供，標稱電壓為12V，充電使用了一塊HM4063B的鋰電池充電管理芯片 圖4-2電池充電電路 2.5V電源電路 5V穩壓電路如圖4-3 所示，5V電源部分通過LM7805芯片來實現。TO-220封裝形式的LM7805芯片為傳統的線性穩壓器，可提供穩定的5V輸出電壓，同時輸出電流也可達到1.5A，但要求輸入電壓比輸出電壓高2V至3V，本系統的電池電壓最低為8.4V，滿足LM7805的輸入要求。LM7805芯片基本可以滿足設計要求，但同樣須加裝散熱片。另外，為使電源輸出的紋波足夠小，在芯片的輸出管腳放置470uF和0.1uF濾波電容；為減小輸入端受到的干擾，輸入管腳放置470uF和0.1uF的濾波電容。 圖4-3 5V穩壓電路 3.3V電源電路 3.3V穩壓電路如圖4-4所示，3.3V電源部分通過AMS-1117-3.3芯片來實現。SOT-23封裝形式的AMS-1117-3.3芯片為低壓差線性穩壓器，可將輸入最低4.5V的電壓穩壓到穩定的3.3V輸出電壓，只要求輸入電壓比輸出電壓高1.3V至1.5V，這樣該電路的輸入接+5V即可，可減小穩壓器功耗，提高能源利用效率。同時輸出電流也可達到800mA。本系統中STM32F407VET6單片機需要的3.3V電壓需要該電源電路提供。AMS-1117-3.3芯片基本可以滿足設計要求。另外，為使電源輸出的紋波足夠小，在芯片的輸出管腳放置470uF和0.1uF濾波電容；為減小輸入端受到的干擾，輸入管腳放置470uF和0.1uF的濾波電容。 圖4-4 3V穩壓電路 4.4 電機驅動模塊 電機電路如圖4-5所示，電機驅動選擇了L9110，L9110是一塊H橋驅動芯片，輸入電壓為2.5V-12V，連續輸出電流可達0.8A，設計使用了130TT電機，空載電壓小于180mA，所以選用的驅動芯片可以滿足要求。 表4-1 L9110邏輯功能 IA IB OA OB 電機轉向 H L H L 正轉 L H L H 反轉 L L L L 停止 H H L L 停止 圖4-5電機驅動電路 4.5 紅外避障模塊與紅外防跌落模塊 紅外線避障傳感器制作成本低、體積小、功耗低、使用方便、穩定性高、可靠性好，另外該傳感器集發射電路與接收電路于一身，發射光經過調制后發出，接收頭對反射光進行解調后輸出，避免了可見光的干擾，有極好的抗干擾能力[10]。掃地機器人選擇了型號為E3F-5DN1的紅外接近開關作為避障和邊緣檢測的傳感器，紅外避障傳感器的實物如圖4-6所示。 圖4-6 紅外避障傳感器實物圖 紅外避障傳感器的主要性能參數如下： (1) 工作電壓：DC5V (2) 驅動電流：最大100mA (3) 感應距離：3~80cm (4) 工作溫度：-25~70 (5) 工作電流：10~15mA 紅外避障傳感器連接如圖4-7所示。紅線接5V電壓，綠線接地，黃線為輸出，外加一個4.7的上拉電阻與+5V相連后接STM32F407VET6的I/O口，正常狀態輸出高電平，檢測到障礙物時輸出低電平。在該傳感器的發射電路中，傳感器上電后，調制器控制發光二級管周期性的導通與關閉，發射頭持續發射中心頻率為38KHz的紅外線。當傳感器前方有障礙時，紅外線會發生反射。障礙物顏色不同可反射距離也不同，白色障礙物反光效果最好，可測量距離最大；黑色障礙物反光效果差，可測距離最小。經反射后，紅外光波被接收頭接收，接收電路中NPN光敏三極管在有光照射時導通，否則截止。光敏三極管周期性導通，輸出周期性電信號。該電信號先經放大器放大，然后經限幅器將脈沖幅度限制在一定范圍內，再經濾波處理后，被解調器解調。時序電路判斷接收光的頻率是否吻合捕獲頻率38KHz（即發射光的頻率），吻合就輸出低電平，不吻合就認定接收的紅外線為干擾，輸出高電平。傳感器的檢測距離與流入發射端中的發光二極管的電流大小有關，調節電位器使該電流增大，可增大避障檢測距離[11]。 在本系統中，四個紅外避障傳感器實現避障功能。同時，為防止機器人從高處跌落，四個紅外線避障傳感器被安放在機器人底盤前端外面，發射接收頭垂直地面向下，當傳感器輸出高電平時，表示地面出現落差。 圖4-7 紅外避障傳感器連接圖 4.6 鍵盤輸入模塊 鍵盤輸入模塊連接如圖4-8所示，為了實現設定小車定時打掃的功能，使用了4x4的矩陣