地面清洁机器人结构及控制系统设计

摘要

地面清洁机器人是服务机器人领域的研究热点之一。目前，已有很多地面清洁机器人样机和产品问世，但这些清洁机器入主要是用于处理地面灰尘，难以除去地面上存在污渍与印迹。特别是在一些公共区域的瓷砖地面，包括车站、地铁站与广场等场合，容易在雨水与大量行人通过的时候，在地面残留一些污渍与印迹，非常必要针对性开发具有擦洗地面污渍与印迹功能的地面清洁机器人。 要开发具有擦洗地面功能的地面清洁机器人，需要解决供水、清洁地面与回收污水的难题，具有一定的挑战性。本论文中，设计并制作了一种具有擦洗地面功能的地面清洁机器人，对相关的关键技术进行了研究与分析。 首先，在对地面清洁机器人的国内外现状进行分析总结的基础上，确定了所要开发的地面清洁机器人的功能需求，提出了机器人的总体设计方案。 在此基础上，对地面清洁机器人机械结构进行设计，完成了机器人移动机构、本体结构、清扫机构、污水回收机构的三维设计。从实现机器人功能出发，制作了相应的控制电路，并搭建了机器人控制硬件系统，实现了机器人本体的前进、后退以及转向、清洗刷旋转以及污水回收的驱动与控制功能。 进一步，从机器人实现地面清洁的要求出发，对机器人在运行过程中的避障方法进行了研究，设计了基于红外避障传感器与碰撞传感器的避障功能模块。综合所开发的地面清洁机器人的硬件与软件进行联调，实现了机器人的清扫、污水回收、避障等基本功能;采用用栅格法完成清洁区域的环境建模，对新型地面清洁器人运动路径进行规划与仿真;对不同路径下地面清洁机器人清扫过程中的覆盖率、重复率进行了分析和比较，通过仿真对所给出的路径规划方法进行了验证。 然后，对地面清洁机器人的自主充电技术进行了分析，设计了一套用于此地面清洁机器人的自主充电系统。通过对机器人电量实时监控，并在其电量降低到设定值时具备自主充电功能。 最后，对所作的研究工作进行了总结与展望，明确了后续进一步研究的方向。

目录

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摘要

图表目录

1绪论

1．1地面清洁机器人研究的背景与意义

1．2地面清洁机器人研究现状

1．2．1国外地面清洁机器人研究现状

1．2．2国内地面清洁机器人研究现状

1．3新型地面清洁机器人及其关键技术

1．4论文的主要内容

2地面清洁机器人总体设计

2．1地面清洁机器人的组成

2．2主要技术参数及器件选型

2．2．1电机选型

2．2．2风机与水泵选型

2．2．3电池选型

2．3总体控制方案

2．4本章小结

3新型地面清洁机器人设计

3．1地面清洁机器人结构设计

3．1．1移动机构设计

3．1．2机器人壳体设计

3．1．3清扫机构设计

3．1．4污水回收循环机构设计

3．1．5污水吸水口流场分析

3．2地面清洁机器人控制系统设计

3．2．1控制系统设计

3．2．2左右轮电机驱动

3．2．3刷盘电机、水泵和风机控制电路设计

3．2．4机载电源模块电路设计

3．3本章小结

4地面清洁机器人避障与路径规划研究

4．1避障传感器的选择

4．1．1红外传感器

4．1．2碰撞传感器

4．1．3编码盘

4．2避障传感器布置与避障策略

4．3避障功能的软件设计与实现

4．4机器人避障功能调试与功能验证

4．5地面清洁机器人的路径规划

4．5．1室内环境建模

4．5．2路径规划与仿真

4．5．3路径规划仿真结果与分析

4．6本章小结

5地面清洁机器人自主充电系统设计

5．1自主充电技术的发展

5．2自主充电系统设计

5．2．1自主充电需要的条件

5．2．2电量监测系统设计

5．2．3无线充电设计

5．2．4寻找充电站系统设计

5．2．5自主对接功能实现

5．3本章小结

6总结与展望

6．1主要工作和完成情况

6．2设计创新点

6．3迸一步发展的方向

致谢

参考文献

附录