擦玻璃機器人的設計

林醒 張昊 尹康 楊洋 嚴建強

緒論

機械工業是國民的裝備部，是為國民經濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產業。不論是傳統產業，還是新興產業，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業所提供裝備的性能、質量和成本，對國民經濟各部門技術進步和經濟效益有很大的和直接的影響。機械工業的規模和技術水平是衡量國家經濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發展機械工業作為發展本國經濟的戰略重點之一。

研究、設計和發展新的機械產品，不斷改進現有機械產品和生產新一代機械產品，以適應當前和將來的需要。機械產品的生產，包括：生產設施的規劃和實現;生產計劃的制訂和生產調度;編制和貫徹制造工藝;設計和制造工具、模具;確定勞動定額和材料定額;組織加工、裝配、試車和包裝發運;對產品質量進行有效的控制。機械制造企業的經營和管理。機械一般是由許多各有獨特的成形、加工過程的精密零件組裝而成的復雜的制品。生產批量有單件和小批，也有中批、大批，直至大量生產。銷售對象遍及全部產業和個人、家庭。而且銷售量在社會經濟狀況的影響下，可能出現很大的波動。因此，機械制造企業的管理和經營特別復雜，企業的生產管理、規劃和經營等的研究也多是肇始于機械工業。

1 應用機器人的意義

隨著科學技術的發展，機器人也越來越多的地被應用。在機械工業中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應用的實理。其他部門，如輕工業、建筑業、國防工業等工作中也均有所應用。

在機械工業中，應用機器人的意義可以概括如下：

一、以提高生產過程中的自動化程度

二、以改善勞動條件，避免人身事故

三、可以減輕人力，并便于有節奏的生產

2 本課題研究的內容

本論文主要研究運用SolidWorks對擦玻璃機器人進行設計。在設計過程中，了解擦玻璃機器人的結構特征和三維軟件的使用要領。

本文的設計目標是設計一種擦玻璃機器人，該機器人能夠實現隨機清掃，交叉清掃，床底清掃，防撞等等多種功能，其研究內容包括：

（1）功能分析與方案設計;

（2）結構設計與三維造型;

（3）控制系統設計。

3擦玻璃機器人總體方案結構的設計

3.1 擦玻璃機器人的總體方案

本次設計的擦玻璃機器人采取的方案是：在機器人的兩側各布置一組毛刷，成對稱分布，通過電動機通過傘齒輪傳動控制動力輪轉動來實現機器人的移動動作。根據控制方法的不同，機器人的轉速或者方向也有所不同。整機采用成本低廉且經久耐用的塑料作為材料，經過噴漆噴塑處理后在外觀上面得到了一定的保證。其具體方案布局圖如下：

3.2 擦玻璃機器人的工作原理

本次設計的擦玻璃機器人的工作原理為：通過電動機通過傘齒輪傳動控制動力輪轉動來實現機器人的移動動作，根據控制方法的不同，機器人的轉速或者方向也有所不同。1、清掃模式：隨機清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預約清掃等相結合，實現全方位立體清掃;

2、智能導航系統：實現對房間地形的重構，自動規劃清掃路線;

3、智能安全監控：防撞，防跌落，防纏繞，電池電量監測;

4、創新功能：灰塵量識別，實現床底清掃，手機遙控模式，尖端氣流濾塵

技術，室內空氣質量監測與提醒;

5、其他基礎功能：自動返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測

4 機械系統設計

4.1擦玻璃機器人的功能概述

本次設計的擦玻璃機器人，主要具有如下功能：

1、清掃模式：隨機清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預約清掃等相結合，實現全方位立體清掃;

2、智能導航系統：實現對房間地形的重構，自動規劃清掃路線; 3、智能安全監控：防撞，防跌落，防纏繞，電池電量監測;

4、創新功能：灰塵量識別，實現床底清掃，手機遙控模式，尖端氣流濾塵技術，室內空氣質量監測與提醒;

5、其他基礎功能：自動返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測。

4.1.1 擦玻璃機器人的清掃模式

清掃模式包括隨機清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預約清掃等。 隨機清掃是指根據地面狀況在其他幾種清掃模式之中進行切換;螺旋式清掃是指繞圈清掃的模式; 交叉清掃是指在不同的區域之間交叉穿梭來清掃，也可以稱為Z字形清掃; 沿邊清掃是沿著房間的邊界進行清掃; 定點清掃是指在指定的位置小范圍內清掃; 預約清掃是指每天在指定的時間自動清掃，可以預約一次和一周內任意預約清掃時間，可以放心上班和出差，也可以自動打掃。

4.1.2 智能導航系統

擦玻璃機器人的智能導航實質就是路徑自動規劃。擦玻璃機器人路徑自動規劃有兩種方法：：隨機式全區域覆蓋和規劃式全區域覆蓋。隨機式全區域覆蓋方法控制簡單，不需要很多的硬件，軟件編程也簡單，易于實現。但其缺點是移動機器人運行軌跡重復性較大，且運行軌跡不能較快地、充分地覆蓋整個區域，這種路徑規劃只考慮完成任務，沒有考慮到時間消耗和能量消耗情況，因此選擇規劃式全區域覆蓋方法。此設計中選擇往返式路徑規劃方法。往返式路徑規劃清掃路徑的規則為當擦玻璃機器人置于室內時，可通過超聲波測距傳感器的信息來判斷它放置于墻邊還是房屋中間。在房屋中間，則先設為它沿某一方向運動到靠近墻邊的某一點。機器入就可從墻邊的某一點開始，按順時針方向繞墻運動一周，先對室內墻邊地面進行一次預清掃。擦玻璃機器人在繞完一圈后再向左或向右行走到墻壁的最左端或者最右端，以此來作為它清擋路徑的起始點，也即絕對坐標的原點。

4.2擦玻璃機器人的智能控制系統

擦玻璃機器人在工作過程中難免遇到各種障礙物，如果不及時躲避障礙物，將影響擦玻璃機器人正常工作。因此在擦玻璃機器人內部安裝三個超聲波測距傳感器，用來檢測擦玻璃機器人行進路線上是否有障礙物。

超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質的界面處，會產生反射現象。利用這一特性，就可以根據測量發射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用。避障功能的實現正是利用了這一超聲波測距的原理。

結? 論

在這段時間學習中，使我們充分把握的設計方法和步驟，不僅復習所學的知識，而且還獲得新的經驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設計，會遇到不清楚的作業，老師和學生都能給予及時的指導，本文所設計的是擦玻璃機器人的設計，讓我系統地了解到了所學知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學問不易，需要不斷鉆研，不斷進取才可要做的好。

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