清扫机器人的结构设计.

题目 清扫机器人结构设计

院（系）：专业： 姓名： 学号： 指导教师：°年

月曰

摘要

清扫机器人属于服务机器人的一种，世界各国尤其是西方发达国家都在致力于研

究开发和广泛使用服务机器人。如果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衽国内外发展现状和应用情况，侧重研究了清洁机器 人的 避障控制系统。结合实验室实际条件，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、控制理论的介绍、

AT89C51单片机控制系统硬件电路

及检测电路设计、控制系统软件设计和机器人避障性能测试试验。通过实验表明所设 计的机器人样机能够实现自主避碰的功能，达到设计要求。

尖键词:清洁机器人避障AT89C51单片机

Abstract

Cleaning 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」f the rate of quality and price of thecleaning robot is highly enough ,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 work 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 performanee of the cleaning robot avoiding a obstacle.

The result of the experiment shows that the robot designed has the functionsof avoidi ng a obstacle, so it fills the dema nd of the task.

KEY WORD: cleaning robot avoid a obstacle AT89C51 SCM.

目录

第一章绪论....................................... 1

第一节研究的目的和意义 .............................. 1 第二节设计的重点和难点 ................................ 1 第三节家庭清扫机器人的尖键技术 ............................ 1 第四节论文主要完成工作 ................................ 2 第二章总体结构设计.................................... 3

第一节整体结构布局 .................................. 3 第二节驱动部分 ................................... 4 第三节吸尘部分 ................................... 6 第四节电源部分 ................................... 6 第五节路径规划算法 .................................. 6 第六节仿真结果 ................................... 8 第三章硬件控制部分设计................................... 9

第一节AT89系列单片机简介 ............................ 第二节外围电路 ................................... 9 结论......................................... 11 致谢......................................... 12 参考文献 ....................................... 13

9 第一章绪论

第一节 研究的目的和意义

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 国内外的研究人员重视。作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术方面讲，智 能化清扫机器人比较具体地体现了移动机器人的多项尖键技术，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，开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑 战性， 又具有广阔的市场前景。

融合现代传感器以及机器人领域的尖键技术，本课题旨在开发一部价格便宜， 全区域覆盖，能够充分满足家庭需求且方便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 人类服务。

第二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，以及如何用软件控制实现其避障功能。

第三节家庭清扫机器人的尖键技术

家庭清洁机器人的尖键技术吸尘机器人系统通常由四个部分组成

：移动机

构、感知系统、控制系统和吸尘系统。移动机构是吸尘机器人的主体，决定了吸尘 器的运动空间，一般采用轮式机构。感知系统一般采用超声波测距仪、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 移动机器人技术的迅速发展，清扫机器人控制系统的研究和开发已具备了坚实的基 础和良好的发展前景。清扫机器人的控制与工作环境往往是不确定的或多变的，因 此必须兼顾安全可靠，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 器人发展影响较大的尖键技术是：传感技术、智能控制技术、路径 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，必须对机器人位置、姿态、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 顺序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结构设计，驱动电机选择，传感器的选 择，控制算法的研究，硬件电路设计和软件编程及试验。 一. 机械结构部分

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. 避障系统控制方案

包括机器人障碍检测系统、定位系统的确定和控制算法的选择

三. 控制系统硬件部分

包括AT89C51单片机控制系统硬件电路设计、电机驱动电路设计和传感器检 测硬件电路设计

四. 控制系统软件部分

包括AT89C51单片机控制系统系统软件设计

第二章总体结构设计

第一节整体结构布局

整个机器人的结构由车体，吸尘装置，传感部分,控制部分组成。

传感部分包括车身两侧的光电传感器和前面的碰板和光电开尖组成的接触

式传感器。机器人前轮为随动轮，后轮采用差动式驱动，光电编码器装在前随动轮 上,与随动轮同轴。当发生碰撞时，碰板带动光开尖移动产生信号变化。光电传感 器对车体侧面进行探测，判断左右转弯是否可行。如结构简图2所示：

图2.1清扫机器人结构示意图

考虑到机构和控制的复杂性，本清扫机器人采用圆形车体， 点是运动灵活，控制简单,不会发生卡死的现象。

圆形车体的最大优

，用于检测运动前

车体前端是一个碰板系统由一套机械装置和光电开尖组成 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，只接受控制系统的控制信号和反馈给控制系统运动信息。中间镂空的部 分是清扫系统，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判断。前轮的支撑部分是一个垂直方向可 滑动杆，中间有弹簧做缓冲（运动的时候也有减震的作用）。

本机器人没有采用阵列式碰撞传感器。而是独立设计了一块碰板和光电开尖 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 连杆和车体较接在一起，连杆和碰板连接的部分可以沿碰板外径方向滑动，而和车体 连接的部分可以旋转，碰板二端和光电开尖相连，当碰撞引发碰板移动后，通过光电 开尖的变化把信号反馈给控制系统。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个光电开尖的组合状态给出,如果2个光电开尖的初 始状态是0。如 表1所示。

表2.1碰撞检测对照表

左光电开尖 右光电开尖 0 0 未碰撞 0 1 右刖 1 0 左刖 1 1 正前 障碍物何胃 整个清扫系统通过后方的圆孔和车体相钱接，可以作很小幅度的摆动，这样的 设计将使机器人对地面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 尘部分，每部分各有1个电机提供动力，清扫部分在前端，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。

第二节驱动部分

驱动部分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。前轮不再采用传统的双轮结构，而采用了应 用非常广泛的平面轴承，这既减小了结构复度，又提高了转弯的灵活性

齿轮

驱动

动轮

=]

步进电机

图2.2驱动结构

通过改变作用于步进电机的脉冲信号的频率，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相同或不同脉冲信号时，通过差速方式，可以 方便的实现 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 度可通过改变单 片机的程序来调节。

根据所需的驱动力矩和其它结构要求，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;

表 2.2 57BYG250E-SAFRML-0152 步进电机参数

相数 步距角（°） 静态相电流（A） 相电阻（0）

2 0.9/1.8 1.5 1.0 5.3 1.5 相电感（Mh 保持转矩（Nn） 定位转矩（Nn） 空载启动频率（半步方式）（KHZ 重量（Kg）

0.06 3 1.5 330 转动惯量（gc n?） 第三节吸尘部分

吸尘部分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。

第四节电源部分

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脫线方式，而 是采用随身携带的蓄电池，这样不但可实现无人控制，而且工作时比较灵活。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：①面覆盖的过程，机器人走直线， 相当于一个”迂回推进”的过程；②从当前点到目标点的寻径过程，从定位的准确 性考虑，路径段也为直线。开始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，沿轡由方向进行第二次清扫。这样既保证了清洁质 量，又在很大程度上避免了 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采用更为烦杂的算法，通过2次数据融合就可以得 到较为精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，碰到障碍物后，机器人的转向90。并且侧移20cm,在转 向90。，这个动作由控制系统做好保存，直接调用，记为microl。（在前进过程 中，发生碰撞时，机器人的转向所采

取的方向，取值可以为”左”或者”右”，由碰 撞次数的奇偶性决定。

前可行的方法就是一通过建立被控制对象的模糊模型来实现模糊控制器。所谓建 立被控制对象的模糊模型就是用“如果一一那么”的形式来描述被控对象的动态特 性。一条“如果一那么”表达式就是一条控制规则，因此被控制对象的模型是由多条 控制规则组成的，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，模糊规则设定如下：

规则1：如果机器人前方为阶梯（沿X轴方向遍历），那么它应该左转一前行一再 左 转；（把此类型障碍物当作墙来处理）

规则2:如果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 它应该原地转弯180度；（记为左转为不可行）规则3:如果机器人悬空，那么它应 该执行电源尖操作 规则4:如果机器人前方为阶梯（沿丫轴方向遍历），那么它应该从右转一前行一再右 转；（把此类型障碍物当作墙来处理）

规则5:如果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 它应该原地转弯180度；（记为右转为不可行）

规则6:如果机器人右前方没有障碍物，那么它应该直线前行；

规则7:如果机器人沿X轴方向遍历完成，那么执行沿丫轴方向的遍历；（完成与否 的判定根据是否有连续两次转弯不可行）

规则8:如果机器人完成了沿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，为了描述清晰及简便，采用矩形环境边缘，障碍 物也选用边缘规则的矩形,U型等,而实际上由于采用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达到清扫能到达的角落，不留清扫盲区。

第三章硬件控制部分设计

在实际应用中，机器人车体下部需安装吸尘或清扫等辅助机构，故控制系统安 装在小车底板的上面。控制系统硬件主要包括

统及其外围电路、电机驱动电路和传感器检测电路。

AT89C51单片机控制系

第一节AT89系列单片机简介

机器人的控制系统采用的是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-51M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 闪速式存储器（字节） 内存（字节） 工作频率（MHZ 输入/输出线 AT89C51 4K 128 24 32 2 5 1 AT89C52 8K 256 24 32 3 8 1 89C1051 1K 64 24 15 1 3 0 89C2051 2K 128 24 15 2 5 1 16位定时器/数器 中断源 串行口

第二节外围电路

电源

AT89C51单片机正常工作时，其40脚（Vcc）接+SV电源，20脚（VSS接 地。

AJMP L00P1

DLYMOVR4，#M

通过改变M,M1的值调整转速

DLY1 : MOV A 、 #M1 LOOP2: DEC A

JNZ

LOOP2

DJNZ R4 ， DLY1

RET

左轮控制程序：

ZLKZ: PUSH A

MOV A 、 @R0 MOV P1.3，A ACALL INC

；保护现场

；输出控制脉冲

DLY ；调用延时程序 RO ；控制字存储地址增1

MOV A ， #00H

ORL A，@R0 :是结束标志转移

JZ TPL

LOOP: DJNZ R3 ，LOOP 1

POP A

；步数不为o，转移

RET

TPL : MOV

A 、RO

;恢复控制字首址

SUBB

A ，#06H

MOV

AJMP DLY

■

MOV ■

DLY1

MOV ■

♦

LOOP2 ::DEC

RO ，A

LOOP1 R4 ， #M A ，#M1

;

通过改变M,M1的值调整转速

A

JNZ

LOOP2

DJNZ R4 ， DLY1

RET

结论

虽然清扫机器人的研究已经取得了很大进步，进入了实用阶段，但是自主能

力、工作效率方面还不理想，需要在技术上解决传感器技术、定位和环境建模技术. 在此基础上，自主吸尘机器人可以向着高度智能化、多功能集成、低成本的方向发 展。清扫机器人作为服务机器人领域中的一个新产品，将使人们能在无人看守情况 下轻松地完成室内环境的吸尘等清洁工作。因此，只要生产成本兼顾到日用电器批 量大、价格低的特点，清扫机器人将具有诱人的市场前景，有矣资料也预测清扫机 器人是未来几年需求量最大的服务机器人。特别是日用清洁电器不论 是在市场上或 者是在产品的创新上，绝对是所有小家电产品中最活跃的，未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。临近毕业，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。回顾这一程求学 路，给我帮助的人太多太多，在此学业即将完成之际对他们献上我诚挚的谢意。

饮其流时思其源，成吾学时念吾师。值此论文完成之际，谨向我尊敬的论文 指导老师唐老师及辅导员包老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。论文期间，老师们 不顾教务的繁忙，设身处地的为我们找资料，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美。“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， 让我明白善良的价值。生活中，您还教我们如何真诚做人、做事不拖沓。老师平易 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。唯有今后以百倍热情 工作、学习，力争有所建树，以报师恩于万一。临别之际，真诚的祝各位老师：身体 健康，生活顺心！

最后向评审论文及参加本人论文答辩的各位老师献上诚挚的谢意！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，2001。

[2] ・杨可祯，程光蕴•机械设计基础（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控制系统•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，2002。 [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。

⑹•李鸿主编•单片机原理及应用，湖南：湖南大学出版社，2004。

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