家用服务机器人设计总体方案

2 总体方案设计
总的来说，按照设计功能，本作品主要分两大部分组成：机械部分和控制部分。

其中机械部分包括运动机构、清扫和吸尘系统，控制部分包括感知系统和控制系统。

如何合理的选用各个系统的组成，如何有机的结合各个系统以保证功能的实现，是我们面对的主要问题。

2.1 机械部分的设计
2.1.1 运动机构
运动机构是家用服务机器人的主体，决定了机器人的工作空间，一般采用轮式机构，但为了使机器人在运动过程中更加平稳这里采用四轮机构，便于实现制定的运动。

由于本作品主要清扫大面积房屋同样也适用于教室，故行走速度适中，总体高度不宜过高。

其运动方案如图2—1所示：
图2-1 传动设计方案
其减速方案如图2—2所示：
如图2-2 减速装置设计方案
2.1.1.1 直流电动机的选用
本设计采用双直流电动机提供机器人前进与专项的动力。

经过分析，我们决定采用HC01-120型直流电动机。

该电机性能稳定，可在电压为1.5V—6V的较大变化范围内可靠工作，便于设计调节控制。

并且其价格低廉、容易购买、通用性好。

HC01-120型直流电动机如图2-3所示：
电机转子
电机定子
图2-3 HC01-120型直流电动机
HC01-120型直流电动机参数如表2-1所示：
表2-1 HC01-120型直流电动机参数
2.1.1.2 减速装置类型的选用
由于直流电动机转速较高（n=11500r/min），而本作品中希望得到的运动速度较低，因此需要选用传动比较大的减速装置。

减速装置主要结构可选择方案有：链轮多级减速。

带轮多级减速、涡轮蜗杆单级减速、齿轮轮系多级减速。

由于链轮多级减速、带轮多级减速多用于较远距离专递动力，并且传动比不恒定、传递中会产生冲击振动，因此不符合本设计要求。

如果采用涡轮蜗杆单机减速，虽然其结构相对简单，传动比最高可达1000左右，但是要实现较大的传动比，则会造成涡轮蜗杆的直径较大，从而使减速装置整体尺寸较大，因此涡轮蜗杆单级减速也不符合设计要求。

选用齿轮轮系多级减速，由于所需传递扭矩较小，齿轮可以采用工程塑料注塑成型来制造即可满足要求。

同时不仅可以实现精确的传动比，又能有效减小减速器的体积。

所以选择齿轮轮系多级减速装置更为合适。

齿轮轮系多级减速传动原理如图2-2所示。

经过在网上参数的查询和电子产品市场中的查找，最终选用HC01-120型直流电机减速装置。

其总体参数如表2-2所示：
表2-2 HC01-120型直流电机减速装置总体参数
2.1.1.3 车轮的选取与布置
轮式移动机器人一般有三轮、四轮和六轮，移动机器人若采用三轮结构则比较简单，能够满足一般的需求，应用也比较广泛；四轮的稳定性好承载能力较大，但结构复杂；六轮与四轮类似，只是有更大的承载能力和稳定性。

在本作品中，需要有一定的承载能力活动范围大，要求能够平稳、稳定的工作，所以采用四轮
结构。

车轮位置示意图如图2-4所示：
右轮由右轮电机驱动左轮由左轮电机驱动
图2-4 车轮位置示意图
2.1.2 吸尘机构
本作品吸尘系统采用真空吸尘原理，真空吸尘原理是由高速旋转的涡流风扇在机体内形成真空从而产生强大的气流，将尘埃和赃物通过吸口吸入机体内的滤尘袋内。

吸尘系统包括吸口、集尘盒以及其他一些附件。

其吸尘能力取决于风机转速的大小。

本作品的吸口独特设计，能够安装不同形式的吸嘴，以满足不同场合的需求。

吸尘装置建模示意图如图2-5所示：
本作品涡流扇叶有高速旋转的电动机带动，旋转过程中，气体沿扇叶周围排除，在扇叶前部将形成低压涡流，而且使气体子啊吸嘴处形成漩涡，有利于吸收
灰尘。

涡流扇叶建模示意图如图2-6所示：
集尘盒涡流扇叶吸尘直流电机吸尘器吸尘管道
图2-5吸尘装置模拟示意图
图2-6涡流扇叶建模示意图
2.2 控制部分的设计与方案论证
本章节中介绍的是家用服务机器人整体控制的设计思路，方案的选择，以及最终确定系统方框图。

根据题目的要求，家用清洁机器人控制系统主题设计方案如下：家用清洁机器人系统以单片机为核心控制器件，通过对前向通道传感器信号的采集、处理，来实现后向通道驱动前进和转向电机进行壁障、清洁动作以及显示，蜂鸣报警，转向指示灯相关信息的处理。

其示意图如图2-7所示：
图2-7 系统主体设计方案示意图
2.3 系统硬件电路设计方案
图2-8 家用清洁机器人硬件设计方案图
系统硬件电路的设计采用了模块化的设计方法，系统硬件电路由超声波测距模块、单片机最小系统模块、数码距离显示模块、电源模块蜂鸣器报警模块、直流电动机驱动模块、功能键模块以及led 转向指示灯模块（此模块附属于直流
电动机驱动模块）八部分组成，各模块即可组合联调也可以单独使用。

如图2-8所示为家用清洁机器人硬件设计方框图。

2.4 系统软件设计方案
该方案的编程思路是确定主程序，之后根据各硬件电路功能来设计程序模块，最后在将各模块嵌入主程序中。

这样编程结构简单，由于子程序模块与硬件电路一一对应，所以调试起来十分方便。

设计软件方框图如图2-10所示。

图2-10 家用服务机器人软件设计方框图。