智能擦窗爬壁机器人的设计与实现

摘要

近年来，我国社会迅猛发展、人口激增，城市居民住宅也随之向高处发展，民居窗户的清洁工作也变得愈加繁重，而且具有一定危险性。于此同时，家庭服务机器人产业快速发展，机器人已经逐渐进入日常家庭。本文针对家庭用户设计了一种智能擦窗爬壁机器人，并且在设计过程中创新提出了一种简易无源负压吸附结构，有效的改善了传统真空负压吸附方式功耗高、噪声大的缺点。本文的主要内容及研究成果如下： 首先，提出了机器人的总体设计方案，通过比对各种不同的移动方式、吸附方式和清洗方式的优缺点，最终确认了多吸盘真空负压吸附、履带式移动、底盘前后贴装清洗布清洁的整体机械方案;为了改善传统真空负压吸附方式功耗高、噪声大的缺点，创新设计了一种新型的简易无源负压吸附结构；针对所设计的整体机械结构建立了运动学模型并加以分析，在分析结果的基础上设计了自动清洁和遥控清洁两种全覆盖清洁方案。 其次，对机器人硬件控制系统的主控芯片、吸盘电机、履带电机、远程通讯方式进行了选型分析，确认了以飞思卡尔K10单片机作为主控芯片、直流电机控制吸盘动作、步进电机控制履带动作、Wi-Fi模式作为远程通讯方式的硬件系统方案，并且设计了相关硬件电路；在Visual Studio2010的开发环境下，以 C#作为主要编程语言，结合底层硬件控制系统，编写了上位机远程控制软件。上位机通过Wi-Fi与擦窗机器人进行通讯，能够远程控制机器人的运动。 最后，制作了实验样机，设计了稳定性实验和功耗比对实验。实验结果不仅验证了机器人整体设计方案的可行性和简易无源负压吸附结构功耗低、噪声小的创新性优势，还显示直径100mm、厚度4.8mm的增强橡胶（嵌入加固纤维的丁晴橡胶）吸盘是简易无源负压吸附机构的最优质吸盘。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要研究内容

第二章 智能擦窗爬壁机器人总体方案研究

2.1 机器人总体方案设计

2.2 机器人吸附方式的选型分析

2.3 机器人移动方式的选型分析

2.4 新型的简易无源负压吸附机构

2.5 机器人整体机械结构

2.6 清洗机构设计

2.7 本章小结

第三章 擦窗机器人全覆盖清洁方案设计

3.1 全覆盖清洁总体方案设计

3.2 全覆盖清洁路径规划

3.3 机器人运动学模型分析

3.4 自动清洁方案设计

3.5 遥控清洁方案设计

3.6 本章小结

第四章 智能擦窗爬壁机器人控制系统设计

4.1 控制系统总体方案设计

4.2 主控制器硬件模块化选型分析

4.3 主控制器硬件电路设计

4.4 基于C#语言的机器人远程控制设计

4.5 本章小结

第五章 样机实验

5.1 实验样机

5.2 机器人匀速行驶的稳定性分析

5.3 机器人匀速行驶的稳定性实验

5.4 功耗比对实验

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢