家用擦玻璃清洁机器人结构设计毕业设计说明书

毕业设计说明书
系(专业)：机械设计制造及其自动化
题目：家用擦玻璃清洁机器人结构设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

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3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

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5.装订顺序
1）设计（论文）
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3）其它
毕业设计中文摘要
毕业设计（论文）外文摘要
目录
第一章引言 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 国内外擦玻璃机器人的研究概况 (1)
1.3 本课题的主要工作 (3)
第二章家用擦玻璃清洁机器人总体方案设计 (3)
2.1 家用擦玻璃清洁机器人的设计原则 (4)
2.2 家用擦玻璃清洁机器人的总体方案的确定 (4)
2.2.1 家用擦玻璃清洁机器人的总体方案 (4)
2.2.2 总体方案的对比与选择 (12)
第三章家用擦玻璃清洁机器人详细结构设计 (14)
3.1 关键部件的选型 (14)
3.1.1 电机的选型 (14)
3.1.2 微动开关的选型 (15)
3.1.3 电池的选择 (15)
3.1.4 磁铁的选择 (16)
3.2 微动开关缓冲机构的设计 (16)
3.3 磁铁升降机构的设计 (17)
3.3.1 磁铁升降机构的ANSYS分析 (18)
第四章家用擦玻璃清洁机器人控制系统设计 (21)
4.1 单片机控制系统电路的设计 (21)
4.1.1 单片机系统元器件的选型 (21)
4.1.2 单片机系统的硬件电路及I/O口分配 (25)
4.2 单片机系统编程框图 (25)
第五章家用擦玻璃清洁机器人样机研制与调试 (27)
5.1控制电路板的设计与调试 (27)
5.1.1 PCB设计 (27)
5.1.2 电路板的调试 (28)
5.2 家用擦玻璃清洁机器人样机的制作 (31)
5.3 家用擦玻璃清洁机器人样机的测试 (31)
第六章总结与展望 (33)
参考文献 (34)
致谢 (35)
附录 (37)
1 引言
1.1 课题背景
智能家居近两年发展火热，作为其重要组成部分的智能服务机器人也不甘示弱，伴随着计算机和自动化技术的迅速发展,人们对机器人的智能性的要求也越来越高，同时智能服务机器人产业近年来也陆续被写入国家发展战略。

2006年,发展智能服务机器人被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》; 2012年,我国出台《智能制造科技发展“十二五”专项规划》和《服务机器人科技发展“十二五”专项规划》，足见我国对机器人行业发展的重视。

在智能机器人如火如荼得发展过程中，目前具有一定的智能性的清洁机器人也成为研究热点之一,智能清洁机器人系统的研究在发达国家受到广泛的关注,许多高科技应用领域,以及实际生产实践中的特殊应用环境的强烈需求更成为它不断发展的强劲动力。

近年来,都市中的高层建筑越来越多,目前对高层建筑的玻璃窗的清洗工作主要还是由清洗工人搭乘吊篮完成的,传统的人工清洗方式既危险,效率又低且成本高，但如果自己清洗的话不仅有危险而且费时费力，况且现在更多的人们希望从繁琐的日常事务中解放出来，因此迫切需要一种设备协助甚至替代人来完成玻璃的清洗工作。

1.2 国内外擦玻璃机器人的研究概况
众所周知，日本是机器人发展较为发达的国家，其对智能机器人的研究实力雄厚，值得我们学习，下图的多用途壁面机器人是一个日本开发的清洁机器人的范例：该机器人自重100kg，同时可载150kg负重，小车的车轮上具有磁性设计，采用磁吸附方式吸附在墙壁上，可直接越过坑洼不平的墙面以及其他墙上的不明障碍物，多用于桥墩底部、玻璃幕墙等检测和修复作业。

上图的双车体机器人也是由日本人研制，其采用负压吸盘吸附，在运行过程中吸盘与壁面之间产生有滑动密封效果，强大的大气压能够保证小车不会从墙壁上滑落，由四个高摩擦系数的轮子贴合在墙壁面上，在吸盘保持负压的过程中，机器人通过控制轮子的正反转控制机器人的行走方向，轮子的差速保证了机器人的转弯功能的实现，且由于四个轮子均为独立控制，所以该机器人控制起来显得格外灵活。

不仅国外有类似的清洁机器人，国内虽然起步较晚，但也已经有了相对成熟的东西，图1.3为北京航空航天大学机器人研究所研制的用于清洗国家大剧院玻璃幕墙的样机，图上所示为该机器人工作在国家大剧院的场景，其由攀爬机构、俯仰调节机构、移动机构和清洗机构等部分构成，总长约3m, 高0.5m ，宽1m, 整个机身主体由铝型材搭建而成，不仅强度高而且相对重量也轻了许多，其在工作过程中把安装在建筑物上的滑动导杆作为中介，成功避免了机器人对建筑物的直接抓取所可能带来的损伤以及其他不安全因素。

图1.1 多用途壁面机器人
图1.2 双车体机器人
图1.3北航清洁机器人
通过对上述文献的分析，无论是国外的多用途壁面机器人还是国内的清洗机器人，在体积及重量上都相对较大，多用途壁面机器人本身就重达100kg，显然这个重量是普通家庭玻璃难以承受的，而北航机器人研究所所研发的清洁机器人样机高度竟然达到了2.9米,这对于比较宽阔的玻璃幕墙来说,清洗起来确实方便、迅速，但是对于一些普通的家庭玻璃窗来说,这明显是不合适的。

1.3 本课题的主要工作
本设计拟在设计一款机器人，该机器人能够实现全自动擦拭家庭玻璃的功能，而且需确保擦拭无死角且擦拭干净。

具体工作如下：
（1）进行机器人机械结构设计，绘制机器人的三维图，并在三维图的基础上导出其二维图，然后进行ansys分析工作，以确保机械结构的合理性。

（2）联系厂家进行机械部件的加工，并将各个部件进行实体装配。

（3）设计PCB板子并联系厂家加工以作为控制机器人的硬件。

（4）基于单片机控制系统进行C语言编程，以完成整个机器人的擦拭功能。

（5）将机器人在玻璃上进行上机调试，完善程序，确保机器人能够将玻璃擦拭干净。

2 家用擦玻璃清洁机器人总体方案设计
2.1 家用擦玻璃清洁机器人的设计原则
家庭用擦玻璃机器人在国内还比较少，国外虽然做的相对成熟但产品一般比较昂贵，并不能实现普及到国内的大部分家庭中愿景，因此，我们要设计一款具有自主知识产权的成品低廉的擦玻璃机器人，与此同时，本课题的设计过程中也要保证如下原则：
（1）该机器人能够实现擦拭各种厚度的玻璃的工作，而且各个部件具有较好的互换性，以便维修。

（2）各零件应便于装配，便于加工。

（3）机器人应操控简单，可以实现无线控制。

（4）机器人真正实现智能化，能够全自动地将自己的擦拭任务完成。

2.2 家用擦玻璃清洁机器人的总体方案的确定
在经过无数的文献查阅以及自己的思考工作之后，我已经对擦玻璃机器人有了进一步的认识，经过对文献的整合以及自己的创新，我最终确定了以下几套相对可行的方案。

2.2.1 家用擦玻璃清洁机器人的总体方案
总体方案一：
图2.1 仿人形擦玻璃机器人
如上图所示，将擦玻璃机器人做成完全仿人型的自动化机器，机器人的手上安装
有擦拭玻璃的抹布以及刷子等，通过对机器人的示教编程，机器人能够记住各个关节的角度，以及擦玻璃的运行模式，就能够达到全自动擦拭的目的。

机器人底部由四个轮子支撑，其中包括两个具有驱动能力的动力轮和两个万向轮，这样能够在运用最少的驱动的前提下，确保机器人具有前往各个方向运行的能力，与此同时机器人的各个轮子均具有升降功能，即能够确保机器人在相对不平的地板上能够自由地运行；然后往上看是机器人的中干，其腰部由具有三个自由度的旋转杆构成，其机构简图如图2.2所示
正如图2.2中表达的那样，机器人的腰部底端具有一个竖直的旋转副，再往上具有两个水平的旋转副，到此该空间开链机构给机器人的末端执行机构-擦拭手爪，提供的自由度为3。

图2.2 机器人中干结构简图
图 2.3 机器人上肢结构简图
图2.3所示机构见图为机器人的上半部分，其中支架的旋转副代表机器人的肩关节，然后以下关节依次代表机器人的肘关节和腕关节，不难看出，该部分机构给机器人末端执行构件提供的自由度为3，而整个机器人的机构为空间开链机构，所以综上所述可以得出，机器人的自由度为6，可以实现各种所需要的空间动作。

总体方案二：
采用永磁式的双面吸附小车贴在玻璃两侧的运动来实现擦玻璃的功能。

小车分为两个部分：包括主动小车和从动小车，其分别位于玻璃的内侧和外侧，通过相互间强磁铁的吸附来保证小车贴在玻璃上不会滑落，巧妙的编程给了小车灵魂，通过主动一侧带动从动一侧在玻璃上按照程序中编写的路径行走，并在移动过程中通过两面小车底盘的擦拭装置将玻璃擦拭干净。

图2.4 正面小车整体效果图
图2.5 正面小车内部图
图2.4图2.5为正面小车三维图，其中小车总长260mm，总宽228mm。

如图2.5所示，该图为正面小车的内部结构图，其中四块强磁铁吸附在铁质的升降架子上，而架子则通过螺杆与升降旋钮相连接，升降旋钮的底部与外壳上部相接触，因此，当旋动旋钮，在外壳的支撑作用下，升降架便能带动磁铁完成升降动作；在反面小车上，也存在四块磁铁，该四块磁铁与正面的磁铁均为N S极相对，产生强大的吸引力，通过升降机构的调节，能够很方便得调整正反面磁铁之间的距离，从而达到手动调节两面小车间的吸引力的目的以适应擦拭不同厚度玻璃时的情况。

小车的动力来源于分布在小车两侧的直流减速电机，两个小车的轮胎紧紧压在玻璃上，通过对电机正反转的调节完成小车在玻璃上前进以及倒退的动作，同时通过两轮的差速调节完成小车的转弯动作。

图2.6
磁铁的旁边是小车的微动开关缓冲机构，如图2.6所示，当小车在运行中一端顶到窗户边框时，缓冲架向小车内部移动，并触动微动开关，此时被触动的微动开关触发小车的其他动作，当小车的这一端离开窗户边框时，在弹簧的作用下，缓冲架恢复到初始状态，微动开关拨片也随着弹开了，能够避免该微动开关一直触动小车去做相同的动作所造成的死机。

图2.7 反面小车的整体效果图
图2.8 反面小车内部图
图2.7图2.8为反面小车的图，其中小车总长229mm，总宽200mm。

该面小车为随动面，即完全靠正面小车的吸引力作为动力在玻璃上完成整套擦拭动作。

总体方案三：
与方案二相类似，依旧采用双面小车吸附在玻璃上的方式来擦拭玻璃，但是本人在方案二的基础上对小车做了进一步结构优化，整体的机械结构变得更加紧凑，没有产生任何多余的浪费的空间。

图2.9 正面小车整体效果图
图2.10 正面小车内部图
图2.9、2.10为正面小车图，其中小车总长178mm，总宽190mm。

图2.11 反面小车整体效果图
图2.12反面小车内部效果图
图2.11、2.12为反面小车图，其中小车总长160mm，总宽172mm。

在本方案中，磁铁升降机构置于反面，且微动开关的安装结构相比上一方案更加
紧凑，从总体来看，无论长度，宽度还是高度的尺寸都比上一方案小巧了好多，使用起来更加便捷。

2.2.2 总体方案的对比与选择
综合分析以上三种方案，虽然方案一在表面上看着更加直接，更加可信，其实它存在着天生的弊端：首先，方案一设计制作工序繁琐，工程庞大，编程复杂，虽然做的是一个仿人型的机器人，但完成的功能则只有擦玻璃而已，实则是大材小用，也可以说并不是针对要完成的擦玻璃功能的专一化设计，所以并不能为人所采用；而且，方案一的机器人还有另一个致命的缺点，那就是它虽然能很好的擦拭屋内一面的玻璃，但是对窗外一面的玻璃则全然束手无策。

而对方案二来说它有自己的优点，那就是相比方案一来说它已经做了实质性改变：将擦玻璃的动作转化为小车的来回运动，虽然擦玻璃工作的顺序看似很复杂无章，但其实还是有规律可循，只要适当的归纳总结便能归结出合适的运动路径，换言之，通过恰当的编程来控制小车在玻璃上行走的路径，车到之处，玻璃变得干干净净，这样不仅能起到自动擦玻璃的效果，而且能够同时擦拭双面的玻璃，节约了擦玻璃的时间，而且也解决了城市居民窗外一侧玻璃难擦的困扰，同时相比方案一极大地节约了成本，使其量产成为可能。

依据以上的论述，我们决定采用双面吸附小车擦玻璃的方式来实现功能，那对比方案二和方案三，很明显方案三中的小车，体积更小，结构更加紧凑，小车也更加轻便，更能够让现在生活空间不大的城市居民所接受，图2.13为小车吸附在玻璃上的效果图。

图2.13 玻璃吸附效果图
图2.14 小车工作流程图
如图2.14所示，小车的工作步骤为：
①将双面小车置于玻璃上，令其头部大致朝上。

②调节磁铁升降机构，以确保磁铁的吸引力能够保证小车在玻璃上平稳运行。

③打开电源开关，按下红外线遥控器的开始按钮。

④小车在程序的驱动下，自己运行，首先完成步骤一：小车向上行驶，当碰到上边框后停止，然后经过一段延时，小车后退一个车身，然后通过车轮差速，右轮转动而左轮不转，小车成功实现转弯当小车水平后停止。

⑤小车完成步骤二：在步骤一的基础上小车前行，当碰到窗户左边框后小车停止，然后小车倒退直行，在陀螺仪的驱动下保证平稳直至碰到右边边框停止，然后小车利用差速原理向下转动，然后将车头调正后再向左直行，如此往复，直至小车的边框碰到窗户的下边框时停止，至此整块玻璃的正反面已被小车擦拭干净。

第三章家用擦玻璃清洁机器人详细结构设计
3.1 关键部件的选型
3.1.1 电机的选型
根据该小车的工作方式，可以计算得出，该小车所需的动力扭矩为：
根据以上计算的数据，在下表选择电机扭矩为8.8NM，即两个电机扭矩之和为17.6NM，远大于所需要的扭矩，因此选用该电机满足使用要求。

图3.1 电机参数表
3.1.2 微动开关的选型
图3.2 微动开关实物图
KW10-Z1P开关体长度12.8毫米，宽度5.8毫米，高6.5毫米；不锈钢压片长13.5毫米，宽3.75毫米，厚0.28毫米；脚长3.5毫米，宽0.85毫米，厚0.56毫米；耐压125V1A；安装孔2毫米大，孔中心距6.5毫米。

该微动开关只需接出两根线，其中一根GND一根常开线，当不锈钢压片没有被压下时，两根线相当于断路，当压片被压下时，两根线接通，触发小车动作。

3.1.3 电池的选择
图3.3 电池参数图
小车的电机为12V直流减速电机，所以综合考虑之下电池的选择参数如上所示。

3.1.4 磁铁的选择
两面小车均依靠磁铁的吸引力吸附在玻璃两侧，所以选择永磁铁的规格很重要，如果磁铁的吸引力过大，会导致电机支座甚至电机的损坏，但如果其吸引力过小又会导致小车车轮与玻璃间摩擦力太小，从而引起小车的打滑现象，甚至滑离玻璃，经过一番实验验证，我选择的磁铁规格为：材质：钕铁硼稀土永磁，电镀涂层:镀镍，性能:N535，最大耐温:80°，形状规格:40X30X10MM，正反面小车分别各装有四块该永磁铁，由于钕铁硼稀土材料做的磁铁磁力很大，所以在小车中磁铁全都被封装了起来以防止发生意外。

3.2 微动开关缓冲机构的设计
图3.4 缓冲机构正面图
图3.5 缓冲机构反面图
图3.6 缓冲机构正面细节图图3.7 缓冲机构反面细节图
微动开关缓冲机构如上图所示，四只扭簧相互配合起到了将挡板控制在恰当的平衡位置的作用，同时，当小车走到玻璃的尽头，挡板将微动开关1、2压下，为了避免小车一直执行微动开关1、2触动下的程序，当小车离开窗户边缘后，在扭簧1、2的共同作用下，挡板被弹开回到初始位置；同理扭簧3、4也是这样工作的。

该机构设置了卡槽，正是这一对卡槽对挡板起到了限位作用，当小车撞到窗户边界时，有了卡槽的保护，能够防止微动开关不会被挡板撞坏，同时，挡板上端的卡槽和下端的伸出端配合起来起到了限制挡板上下蹿动的作用。

3.3 磁铁升降机构的设计
图3.8 升降机构细节图
磁铁升降机构是小车很重要的一个构件，通过旋转旋钮，螺杆被拧入旋钮中，在
外壳的支撑下以及导向杆的导向作用下，升降架竖直升起，进而调节反面小车的磁铁到玻璃的距离来调节两个小车间的吸引力，从而保证机器人能够承担不同厚度的玻璃的擦拭工作。

图3.9 升降支架图
3.3.1 磁铁升降机构的ANSYS分析
图3.10 ANSYS参数设置图
将磁铁升降机构的三维文件导入到ANSYS中并对模型参数进行设置如上图所示，该零件为3D打印件，其材料为玻璃纤维参数为：抗拉强度（Tensile Strength）：44Mpa；弹性模量（Elastic Modulus）：3500 ~ 7800Mpa（取其为5000Mpa）；泊松比为0.25，
然后设置其受力参数，四块磁铁的吸引力大约为60N，即每块磁铁对于升降机构的压力为15N，可得出其压强为
然后对物件进行网格划分，其结果如图所示：
图3.11ANSYS网格划分图
经过计算机的计算，结果如下：
图3.12第一主应力图图3.13第二主应力图
由以上分析可知，该机构所受的最大应力为，比该材料的许用应力小很多，因此从这个角度看，该设计满足应力的限制要求。

以下为该机构在各个方向的位移图：
图3.16 X方向位移图图3.17 Y方向位移图
图3.18 Z轴方向位移图图3.19 整体位移图
图3.14 第三主应力图图3.15 整体应力图
第四章家用擦玻璃清洁机器人控制系统设计
4.1 单片机控制系统电路的设计
4.1.1 单片机系统元器件的选型
（1）CPU的选择
在本课题中，主控CPU需要实时监控2X4的矩阵键盘，且需要具有两路硬件PWM 调速功能，然后还要连接外部红外模块以及陀螺仪MPU6050模块，还要通过L298M芯片去驱动两路直流减速电机等等，考虑到这些功能均需要很协调的实现，所以本人选用1T的基于51内核的8位单片机STC12C5A60S2，如图4.1所示。

图4.1 单片机管脚图
图4.2 单片机内部结构框图
该芯片的工作电压为3.5-5.5V，工作频率范围：0～35MHz，相当于普通8051的 0～420MHz，片上集成1280字节 RAM，有K的Flash程序存储器，有两个定时器T0、T1，拥有独立的波特率发生器，有两路UART串口，有两路硬件PWM发生器，该种封装拥有40-pin的I/O口，复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA，拥有内置EEPOM，内部集成MAX810专用复位电路，内置看门狗，具有外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断。

（2）红外模块
红外模块用于实现对小车的无线控制，本课题中采用HX1838模块，该模块具有宽电压适应、高灵敏度、低功耗、优良的抗干扰特性，而且该模块应用广泛，多用于家
用电器、空调、玩具等红外遥控接收。

图4.3 HX1838芯片引脚图
（3）电机驱动模块
图4.4 L298M芯片引脚图
本课题中采用了L298-M电机驱动模块其运用全新原装L298芯片设计，双H 桥能够驱动2路直流或者1路步进电机，峰值驱动电流能达 4A。

在L298M芯片底部布置有大面积的金属散热片，用以快速散失掉驱动芯片产生的热量，以免烧坏芯片。

L298M的使用方法：如果 IN1输入高电平，OUT1将输出高电平，如果IN1输入低电平，OUT1将输出低电平，同理IN2、 IN3、 IN4的编程方法与之类似。

图4.5斩波电路图图4.6斩波原理图。