1、作 者：學 號：學 院：機械工程學院系 （專業）：機械設計制造及其自動化題 目：家用擦玻璃清潔機器人結構設計指導者：講師（姓名 ）（專業技術職務）評閱者：（姓名 ）（專業技術職務）2015 年 5 月 31 日 畢業設計中文摘要家用擦玻璃清潔機器人結構設計摘要：隨著時代的進步，科技的發展，智能家居越來越流行，與此同時，智能機器人也如火如荼地發展起來，人們越來越注重智能化，自動化。同時，人們住的樓層也越來越高，擦玻璃變成了很難辦的事情，本人自主研發設計了一款全自動民用擦玻璃小車，該小車啟動之后，小車能夠同時對玻璃里外側進行全自動擦拭。本文首先闡述了本課題的背景以及國內外發展概況，接著描述了擦玻璃

2、機器人的整體方案的確定以及詳細機械結構的設計，然后闡述了本課題控制系統的設計，最后介紹了機器人實體樣機的調試。本課題主要完成的工作：（ 1）設計加工擦玻璃機器人的機械結構并進行實體裝配。（ 2）基于STC12單片機，設計PCB板，加工并焊接零件，然后編程燒寫，上機調試。關鍵詞：機器人 全自動實體裝配單片機 PCB畢業設計(論文)外文摘要Title Structure design of household cleaning robot forcleaning glassAbstractAlong with the progress of the times, the development o

3、f science and technology, the home automation is more and more popular, meanwhile, the intelligent robot is also in full swing, people pay more and more attention to intelligent automation.At the samet ime, the floors which people live in are also getting higher and higher, wiping the glass becomes

4、a troublesome thing, I design a fully automatic civil car to wipe glass in my research and development, when the car is started, it can wipe the glass outside and inside automatically at the same time.The background and foreign development situation are described in this paper at first, after repres

5、enting the determination of the overall scheme of glass cleaning robot and detailed mechanical structure design, then the design of control system of the subject is elaborated on, at last, the debugging of the prototype robot entity is introduced in this paper.The main work of this thesis:designing

6、and processing the mechanical structure of glass robot and assemble the entity.based on STC12m icrocontroller,designing PCBb oard, processing andwelding parts, and then programming and debugging the machine.Keywords：robot automatic entity assembly MCU PCB TOC o 1-5 h z 第一章 引言1,課題背景,1國內外擦玻璃機器人的研究概況,1

7、本課題的主要工作,3第二章 家用擦玻璃清潔機器人總體方案設計,3家用擦玻璃清潔機器人的設計原則,4家用擦玻璃清潔機器人的總體方案的確定,4家用擦玻璃清潔機器人的總體方案,4總體方案的對比與選擇,12第三章 家用擦玻璃清潔機器人詳細結構設計,14關鍵部件的選型,14電機的選型,14微動開關的選型,15電池的選擇,15磁鐵的選擇,16微動開關緩沖機構的設計,16磁鐵升降機構的設計,17磁鐵升降機構的ANSYS分析,18第四章 家用擦玻璃清潔機器人控制系統設計,21單片機控制系統電路的設計,21單片機系統元器件的選型,21單片機系統的硬件電路及I/O 口分配 ,25單片機系統編程框圖,25第五章 家

8、用擦玻璃清潔機器人樣機研制與調試,27控制電路板的設計與調試,2727PCB 設計 , TOC o 1-5 h z 電路板的調試,28家用擦玻璃清潔機器人樣機的制作,31家用擦玻璃清潔機器人樣機的測試,31第六章 總結與展望,33 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 參考文獻34, HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 致謝35,附錄 ,37 引言課題背景智能家居近兩年發展火熱，作為其重要組成部分的智能服務機器人也不甘示弱，伴隨著計算機和自動化技術的迅速發展, 人們對機器人的智能性的要求也越來越高，同

9、時智能服務機器人產業近年來也陸續被寫入國家發展戰略。2006 年 , 發展智能服務機器人被列入國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020 年 ) ; 2012 年 , 我國出臺智能制造科技發展“十二五”專項規劃和服務機器人科技發展“十二五”專項規劃 ，足見我國對機器人行業發展的重視。在智能機器人如火如荼得發展過程中，目前具有一定的智能性的清潔機器人也成為研究熱點之一, 智能清潔機器人系統的研究在發達國家受到廣泛的關注, 許多高科技應用領域, 以及實際生產實踐中的特殊應用環境的強烈需求更成為它不斷發展的強勁動力。近年來 , 都市中的高層建筑越來越多, 目前對高層建筑的玻璃窗的清洗工作主

10、要還是由清洗工人搭乘吊籃完成的, 傳統的人工清洗方式既危險, 效率又低且成本高，但如果自己清洗的話不僅有危險而且費時費力，況且現在更多的人們希望從繁瑣的日常事務中解放出來，因此迫切需要一種設備協助甚至替代人來完成玻璃的清洗工作。國內外擦玻璃機器人的研究概況眾所周知，日本是機器人發展較為發達的國家，其對智能機器人的研究實力雄厚，值得我們學習，下圖的多用途壁面機器人是一個日本開發的清潔機器人的范例：該機器人自重100kg， 同時可載150kg 負重， 小車的車輪上具有磁性設計，采用磁吸附方式吸附在墻壁上，可直接越過坑洼不平的墻面以及其他墻上的不明障礙物，多用于橋墩底部、玻璃幕墻等檢測和修復作業。1

11、.1 多用途壁面機器人1.2 雙車體機器人上圖的雙車體機器人也是由日本人研制，其采用負壓吸盤吸附，在運行過程中吸盤與壁面之間產生有滑動密封效果，強大的大氣壓能夠保證小車不會從墻壁上滑落，由四個高摩擦系數的輪子貼合在墻壁面上，在吸盤保持負壓的過程中，機器人通過控制輪子的正反轉控制機器人的行走方向，輪子的差速保證了機器人的轉彎功能的實現，且由于四個輪子均為獨立控制，所以該機器人控制起來顯得格外靈活。不僅國外有類似的清潔機器人，國內雖然起步較晚，但也已經有了相對成熟的東西，圖 1.3 為北京航空航天大學機器人研究所研制的用于清洗國家大劇院玻璃幕墻的樣機，圖上所示為該機器人工作在國家大劇院的場景，其由

12、攀爬機構、俯仰調節機構、移動機構和清洗機構等部分構成，總長約 3m, 高 0.5m， 寬 1m, 整個機身主體由鋁型材搭建而成，不僅強度高而且相對重量也輕了許多，其在工作過程中把安裝在建筑物上的滑動導桿作為中介，成功避免了機器人對建筑物的直接抓取所可能帶來的損傷以及其他不安全因素。1.3 北航清潔機器人通過對上述文獻的分析，無論是國外的多用途壁面機器人還是國內的清洗機器人，在體積及重量上都相對較大，多用途壁面機器人本身就重達100kg， 顯然這個重量是普通家庭玻璃難以承受的，而北航機器人研究所所研發的清潔機器人樣機高度竟然達到了 2.9 米 , 這對于比較寬闊的玻璃幕墻來說, 清洗起來確實方便

13、、迅速，但是對于一些普通的家庭玻璃窗來說, 這明顯是不合適的。本課題的主要工作本設計擬在設計一款機器人，該機器人能夠實現全自動擦拭家庭玻璃的功能，而且需確保擦拭無死角且擦拭干凈。具體工作如下：1）進行機器人機械結構設計，繪制機器人的三維圖，并在三維圖的基礎上導出其二維圖，然后進行ansys 分析工作，以確保機械結構的合理性。2）聯系廠家進行機械部件的加工，并將各個部件進行實體裝配。3）設計PCB板子并聯系廠家加工以作為控制機器人的硬件。4）基于單片機控制系統進行C語言編程，以完成整個機器人的擦拭功能。5）將機器人在玻璃上進行上機調試，完善程序，確保機器人能夠將玻璃擦拭干凈。2 家用擦玻璃清潔機

14、器人總體方案設計家用擦玻璃清潔機器人的設計原則家庭用擦玻璃機器人在國內還比較少，國外雖然做的相對成熟但產品一般比較昂貴，并不能實現普及到國內的大部分家庭中愿景，因此，我們要設計一款具有自主知識產權的成品低廉的擦玻璃機器人，與此同時，本課題的設計過程中也要保證如下原則：1）該機器人能夠實現擦拭各種厚度的玻璃的工作，而且各個部件具有較好的互 換性，以便維修。2）各零件應便于裝配，便于加工。3）機器人應操控簡單，可以實現無線控制。4）機器人真正實現智能化，能夠全自動地將自己的擦拭任務完成。家用擦玻璃清潔機器人的總體方案的確定在經過無數的文獻查閱以及自己的思考工作之后，我已經對擦玻璃機器人有了進一步的

15、認識，經過對文獻的整合以及自己的創新，我最終確定了以下幾套相對可行的方案。家用擦玻璃清潔機器人的總體方案總體方案一：2.1 仿人形擦玻璃機器人如上圖所示，將擦玻璃機器人做成完全仿人型的自動化機器，機器人的手上安裝 2.3 機器人上肢結構簡圖 有擦拭玻璃的抹布以及刷子等，通過對機器人的示教編程，機器人能夠記住各個關節的角度，以及擦玻璃的運行模式，就能夠達到全自動擦拭的目的。機器人底部由四個輪子支撐，其中包括兩個具有驅動能力的動力輪和兩個萬向輪，這樣能夠在運用最少的驅動的前提下，確保機器人具有前往各個方向運行的能力，與此同時機器人的各個輪子均具有升降功能，即能夠確保機器人在相對不平的地板上能夠自由

16、地運行；然后往上看是機器人的中干，其腰部由具有三個自由度的旋轉桿構成，其機構簡圖如圖2.2 所示正如圖 2.2 中表達的那樣，機器人的腰部底端具有一個豎直的旋轉副，再往上具有兩個水平的旋轉副，到此該空間開鏈機構給機器人的末端執行機構- 擦拭手爪，提供的自由度為3。圖 2.3 所示機構見圖為機器人的上半部分，其中支架的旋轉副代表機器人的肩關節，然后以下關節依次代表機器人的肘關節和腕關節，不難看出，該部分機構給機器人末端執行構件提供的自由度為3， 而整個機器人的機構為空間開鏈機構，所以綜上所述可以得出，機器人的自由度為6，可以實現各種所需要的空間動作。總體方案二：采用永磁式的雙面吸附小車貼在玻璃兩

17、側的運動來實現擦玻璃的功能。小車分為兩個部分：包括主動小車和從動小車，其分別位于玻璃的內側和外側，通過相互間強磁鐵的吸附來保證小車貼在玻璃上不會滑落，巧妙的編程給了小車靈魂，通過主動一側帶動從動一側在玻璃上按照程序中編寫的路徑行走，并在移動過程中通過兩面小車底盤的擦拭裝置將玻璃擦拭干凈。2.4 正面小車整體效果圖圖 2.5 正面小車內部圖圖 2.4 圖 2.5 為正面小車三維圖，其中小車總長260mm，總寬228mm。如圖 2.5 所示，該圖為正面小車的內部結構圖，其中四塊強磁鐵吸附在鐵質的升降架子上，而架子則通過螺桿與升降旋鈕相連接，升降旋鈕的底部與外殼上部相接觸，因此，當旋動旋鈕，在外殼的

18、支撐作用下，升降架便能帶動磁鐵完成升降動作；在反面小車上，也存在四塊磁鐵，該四塊磁鐵與正面的磁鐵均為N S 極相對，產生強大的吸引力，通過升降機構的調節，能夠很方便得調整正反面磁鐵之間的距離，從而達到手動調節兩面小車間的吸引力的目的以適應擦拭不同厚度玻璃時的情況。小車的動力來源于分布在小車兩側的直流減速電機，兩個小車的輪胎緊緊壓在玻璃上，通過對電機正反轉的調節完成小車在玻璃上前進以及倒退的動作，同時通過兩輪的差速調節完成小車的轉彎動作。圖 2.6磁鐵的旁邊是小車的微動開關緩沖機構，如圖2.6 所示，當小車在運行中一端頂到窗戶邊框時，緩沖架向小車內部移動，并觸動微動開關，此時被觸動的微動開關觸發

19、小車的其他動作，當小車的這一端離開窗戶邊框時，在彈簧的作用下，緩沖架恢復到初始狀態，微動開關撥片也隨著彈開了，能夠避免該微動開關一直觸動小車去做相同的動作所造成的死機。2.7 反面小車的整體效果圖圖 2.8 反面小車內部圖圖 2.7 圖 2.8 為反面小車的圖，其中小車總長229mm，總寬200mm。該面小車為隨動面，即完全靠正面小車的吸引力作為動力在玻璃上完成整套擦拭動作。總體方案三：與方案二相類似，依舊采用雙面小車吸附在玻璃上的方式來擦拭玻璃，但是本人在方案二的基礎上對小車做了進一步結構優化，整體的機械結構變得更加緊湊，沒有產生任何多余的浪費的空間。2.9 正面小車整體效果圖圖 2.10

20、正面小車內部圖190mm。2.9、 2.10 為正面小車圖，其中小車總長178mm，總寬2.11 反面小車整體效果圖圖 2.12 反面小車內部效果圖圖 2.11 、 2.12 為反面小車圖，其中小車總長160mm，總寬172mm。在本方案中，磁鐵升降機構置于反面，且微動開關的安裝結構相比上一方案更加緊湊，從總體來看，無論長度，寬度還是高度的尺寸都比上一方案小巧了好多，使用起來更加便捷。2.2.2 總體方案的對比與選擇綜合分析以上三種方案，雖然方案一在表面上看著更加直接，更加可信，其實它存在著天生的弊端：首先，方案一設計制作工序繁瑣，工程龐大，編程復雜，雖然做的是一個仿人型的機器人，但完成的功能

21、則只有擦玻璃而已，實則是大材小用，也可以說并不是針對要完成的擦玻璃功能的專一化設計，所以并不能為人所采用；而且，方案一的機器人還有另一個致命的缺點，那就是它雖然能很好的擦拭屋內一面的玻璃，但是對窗外一面的玻璃則全然束手無策。而對方案二來說它有自己的優點，那就是相比方案一來說它已經做了實質性改變：將擦玻璃的動作轉化為小車的來回運動，雖然擦玻璃工作的順序看似很復雜無章，但其實還是有規律可循，只要適當的歸納總結便能歸結出合適的運動路徑，換言之，通過恰當的編程來控制小車在玻璃上行走的路徑，車到之處，玻璃變得干干凈凈，這樣不僅能起到自動擦玻璃的效果，而且能夠同時擦拭雙面的玻璃，節約了擦玻璃的時間，而且也

22、解決了城市居民窗外一側玻璃難擦的困擾，同時相比方案一極大地節約了成本，使其量產成為可能。依據以上的論述，我們決定采用雙面吸附小車擦玻璃的方式來實現功能，那對比方案二和方案三，很明顯方案三中的小車，體積更小，結構更加緊湊，小車也更加輕便，更能夠讓現在生活空間不大的城市居民所接受，圖2.13 為小車吸附在玻璃上的效果圖。2.13 玻璃吸附效果圖圖 2.14 小車工作流程圖如圖 2.14 所示，小車的工作步驟為：將雙面小車置于玻璃上，令其頭部大致朝上。調節磁鐵升降機構，以確保磁鐵的吸引力能夠保證小車在玻璃上平穩運行。打開電源開關，按下紅外線遙控器的開始按鈕。小車在程序的驅動下，自己運行，首先完成步驟

23、一：小車向上行駛，當碰到上邊框后停止，然后經過一段延時，小車后退一個車身，然后通過車輪差速，右輪轉動而左輪不轉，小車成功實現轉彎當小車水平后停止。小車完成步驟二：在步驟一的基礎上小車前行，當碰到窗戶左邊框后小車停止，然后小車倒退直行，在陀螺儀的驅動下保證平穩直至碰到右邊邊框停止，然后小車利用差速原理向下轉動，然后將車頭調正后再向左直行，如此往復，直至小車的邊框碰 到窗戶的下邊框時停止，至此整塊玻璃的正反面已被小車擦拭干凈。第三章家用擦玻璃清潔機器人詳細結構設計關鍵部件的選型電機的選型根據該小車的工作方式，可以計算得出，該小車所需的動力扭矩為：根據以上計算的數據，在下表選擇電機扭矩為8.8NM，

24、 即兩個電機扭矩之和為17.6NM，遠大于所需要的扭矩，因此選用該電機滿足使用要求。3.1 電機參數表微動開關的選型圖 3.2 微動開關實物圖KW10-Z1P開關體長度12.8 毫米， 寬度 5.8 毫米， 高 6.5 毫米； 不銹鋼壓片長13.5毫米，寬3.75 毫米，厚0.28 毫米；腳長3.5 毫米，寬0.85 毫米，厚0.56 毫米；耐壓125V1A；安裝孔2 毫米大，孔中心距6.5 毫米。該微動開關只需接出兩根線，其中一根GND一根常開線，當不銹鋼壓片沒有被壓下時，兩根線相當于斷路，當壓片被壓下時，兩根線接通，觸發小車動作。電池的選擇圖 3.3 電池參數圖小車的電機為12V直流減速電

25、機，所以綜合考慮之下電池的選擇參數如上所示。磁鐵的選擇兩面小車均依靠磁鐵的吸引力吸附在玻璃兩側，所以選擇永磁鐵的規格很重要，如果磁鐵的吸引力過大，會導致電機支座甚至電機的損壞，但如果其吸引力過小又會導致小車車輪與玻璃間摩擦力太小，從而引起小車的打滑現象，甚至滑離玻璃，經過一番實驗驗證，我選擇的磁鐵規格為：材質：釹鐵硼稀土永磁，電鍍涂層: 鍍鎳，性能 :N535，最大耐溫:80，形狀規格:40X30X10MM，正反面小車分別各裝有四塊該永磁鐵，由于釹鐵硼稀土材料做的磁鐵磁力很大，所以在小車中磁鐵全都被封裝了起來以防止發生意外。微動開關緩沖機構的設計3.4 緩沖機構正面圖3.5 緩沖機構反面圖3.

26、6 緩沖機構正面細節圖3.7 緩沖機構反面細節圖微動開關緩沖機構如上圖所示，四只扭簧相互配合起到了將擋板控制在恰當的平衡位置的作用，同時，當小車走到玻璃的盡頭，擋板將微動開關1、 2 壓下，為了避免小車一直執行微動開關1、 2 觸動下的程序，當小車離開窗戶邊緣后，在扭簧1、 2 的共同作用下，擋板被彈開回到初始位置；同理扭簧3、 4 也是這樣工作的。該機構設置了卡槽，正是這一對卡槽對擋板起到了限位作用，當小車撞到窗戶邊 界時，有了卡槽的保護，能夠防止微動開關不會被擋板撞壞，同時，擋板上端的卡槽 和下端的伸出端配合起來起到了限制擋板上下躥動的作用。磁鐵升降機構的設計圖 3.8 升降機構細節圖磁鐵

27、升降機構是小車很重要的一個構件，通過旋轉旋鈕，螺桿被擰入旋鈕中，在外殼的支撐下以及導向桿的導向作用下，升降架豎直升起，進而調節反面小車的磁鐵 到玻璃的距離來調節兩個小車間的吸引力，從而保證機器人能夠承擔不同厚度的玻璃 的擦拭工作。3.9 升降支架圖磁鐵升降機構的ANSYS分析圖 3.10 ANSYS 參數設置圖將磁鐵升降機構的三維文件導入到ANSYS中并對模型參數進行設置如上圖所示，該零件為3D打印件， 其材料為玻璃纖維參數為：抗拉強度 ( Tensile Strength ) ： 44Mpa；彈性模量(Elastic Modulus ) ： 3500 7800Mpa(取其為5000Mpa)

28、；泊松比為0.25，然后設置其受力參數，四塊磁鐵的吸引力大約為60N， 即每塊磁鐵對于升降機構的壓力為 15N，可得出其壓強為經過計算機的計算，結果如下：然后對物件進行網格劃分，其結果如圖所示：3.11 ANSYS網格劃分圖3.12 第一主應力圖3.13 第二主應力圖3.14 第三主應力圖3.15 整體應力圖由以上分析可知，該機構所受的最大應力為，比該材料的許用應力小很多，因此從這個角度看，該設計滿足應力的限制要求。3.16 X 方向位移圖3.17 Y 方向位移圖3.19 整體位移圖3.18 Z 軸方向位移圖第四章 家用擦玻璃清潔機器人控制系統設計單片機控制系統電路的設計單片機系統元器件的選型

29、CPU的選擇在本課題中，主控CPU需要實時監控2X4 的矩陣鍵盤，且需要具有兩路硬件PWMMPU6050模塊，還要通過L298M芯1T的基于 51 內核的 8 位單片機STC12C5A60S，如圖 24.1 所示。4.1 單片機管腳圖圖 4.2 單片機內部結構框圖該芯片的工作電壓為3.5-5.5V ， 工作頻率范圍：0 35MH，z相當于普通8051 的 0 420MH，片上集成z1280字節RAM，有K的 Flash 程序存儲器，有兩個定時器T0、 T1，擁有獨立的波特率發生器，有兩路UART串口，有兩路硬件PWM發生器，該種封裝擁有40-pin 的 I/O 口，復位后為：準雙向口/弱上拉（

30、普通8051 傳統 I/O 口）可設置成四種模式：準雙向口/ 弱上拉，強推挽/ 強上拉，僅為輸入/ 高阻，開漏每個I/O 口驅動能力均可達到20mA， 但整個芯片最大不要超過120mA， 擁有內置EEPO，M內部集成MAX810專用復位電路，內置看門狗，具有外部中斷I/O 口 7 路 , 傳統的下降沿中斷或低電平觸發中斷。（ 2）紅外模塊紅外模塊用于實現對小車的無線控制，本課題中采用HX1838模塊，該模塊具有寬電壓適應、高靈敏度、低功耗、優良的抗干擾特性，而且該模塊應用廣泛，多用于家用電器、空調、玩具等紅外遙控接收。3）電機驅動模塊4.3 HX1838 芯片引腳圖4.4 L298M 芯片引腳

31、圖本課題中采用了L298-M電機驅動模塊其運用全新原裝L298芯片設計，雙H 橋能夠驅動 2 路直流或者1 路步進電機，峰值驅動電流能達4A。在L298M芯片底部布置有大面積的金屬散熱片，用以快速散失掉驅動芯片產生的熱量，以免燒壞芯片。L298M的使用方法：如果IN1 輸入高電平，OUT1將輸出高電平，如果IN1 輸入低OUT1將輸出低電平，同理IN2、 IN3 、 IN4 的編程方法與之類似。4.5 斬波電路圖4.6 斬波原理圖PWM調速的本質便是通過斬波實現改變輸出有效電壓的方式來調節電機的速率， 如上圖所示S 表示開關，VD 表示續流二極管。當S 閉合時，直流電源電壓加到電動機上；當S

32、斷開時，直流電源與電機斷開，電動機電樞電流經VD 續流，因此兩端電壓接近于零。如此反復，電樞端電壓波形如圖所示，好像是電源電壓在時間內被接上，又在 時間內被斬斷，所以稱“斬波”。運用該模塊再融合進STC12芯片的硬件PWM輸出，用PWM調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，進而實現對直流減速電機的無級調速。（ 4）陀螺儀模塊本課題中使用的陀螺儀型號為MPU605，0該模塊采用標準的IIC 通信協議，其供電電源為3 5V，內部整合了3 軸陀螺儀、3 軸加速器最大的加速度測量范圍為16g，陀螺儀測量范圍最大為2000 / 秒， 本人

33、利用該模塊反饋Z軸的加速度值去找到模塊與水平方向的夾角，從而在小車一開始向上運行的過程中由該值判斷小車的姿態并通過 PWM硬件調節兩邊電機的旋轉速率進行差速調速，令小車靈活地不斷地為自己調平，實現豎直向上的運動，同樣運用X 軸的加速度器反饋回來的值去控制小車在后來階段水平運行的過程中的姿態調整，真正地實現小車姿態的閉環控制。單片機系統的硬件電路及I/O 口分配圖 4.7 單片機控制系統原理圖上圖為我所設計單片機控制系統的原理圖，其關鍵引腳表如下所示P1.0P1.1P1.2P1.3OUT4OUT2OUT1OUT3表 4.1 電機驅動引腳P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7ROW1RO

34、W2COL1COL2COL3COL4表 4.2 矩陣鍵盤引腳P2.0P2.1SCLSDA表 4.3 MPU6050 引腳4.3 單片機系統編程框圖驟100延時時間到驟200是 家用擦玻璃清潔機器人樣機研制與調試控制電路板的設計與調試結合小車的機械部分所留出來的空間，本課題作者設計并加工的控制板如下圖所圖 5.1 控制板實物圖PCB 設計圖 5.2 PCB 設計圖上圖即為本課題中所繪制的PCB板子，首先要用altium designer 將各個元器件在板子上盡量有序得畫出來，然后把已經擁有所有元器件的板子上的元件再進行更加合理地排列，然后點擊Auto Route/All 開始自動布線，待布線完畢

35、之后再進行手工調整，到此PCB板大致繪制完成。電路板的調試為防止剛剛焊接完成的板子運行起來發生電路危險，還需要進行一系列的硬件測 試：（ 1）測試條件圖 5.3 電源模塊PCB圖將 K1 的兩個焊盤短。（ 2）電源測試首先測量J1 的兩個焊盤有沒有短路，用二極管檔或者電阻檔測量。若短路，停止一切測試，檢查原因。將 12V電源的負極焊接在J1 的 GND焊盤上，正極懸空。將萬用表撥到直流20A檔，并將表筆插入對應位置。將萬用表的紅色表筆接在電源的正極上，黑色表筆快速（大約0.5S）連接在電路板J1 的 +12V焊盤上。觀察萬用表的電流，若電流大于500mA， 請停止一切測試，檢查問題。若電流小于

36、500mA，繼續測試。若 C）中的電流正常（小于500mA） ，將萬用表撥到直流電壓20V檔，先測試U1 的輸入即U1-pin1 腳的電壓是否是12V， 然后測試5V測試點的電壓是否為5V， 若為5V則繼續測試；否則檢查U1 是否為L7805CV并且查看L7805CV的 datasheet 看其引腳定義是否和PCB上的一致。測試 U9-pin2 腳的電壓是否為3.3V，若為3.3V 則繼續下面的測試；否則檢查U9是否為AMS1117-3.3并且查看其datasheet ，看其引腳定義是否和PCB上的一致。 TOC o 1-5 h z 圖 5.4 電源模塊PCB細化圖1圖 5.5 電源模塊PCB

37、細化圖23)單片機最小系統測試測試 U2-pin40 腳的電壓是否為5V。測試U2-pin9 腳的電壓是為為5V。通過USB轉 TTL模塊給單片機下載程序，看是否能正常下載。觀察C)中下載的程序是否正常工作(這個程序一般為LED閃爍測試)4)紅外接收傳感器測試測量 U8-pin3 是否為5V。移植紅外遙控測試程序，檢測紅外接收頭是否工作正常。圖 5.6 紅外線PCB圖5)電機驅動測試測量 U4-pin6 腳是否為12V。測量 U4-pin8、 U4-pin12 、 U4-pin14 三個引腳的電壓是否為5V。C) 將兩個電機接上，并編寫程序測試該驅動是否正常工作。MPU6050測試 TOC o

38、 1-5 h z 測量 U5-pin13 腳的電壓是否為3.3V。測量 U10-pin2、 U10-pin8 的電壓是否為3.3V。測量 U10-pin15 的電壓是否為5V。編寫程序讀取MPU6000的數據，然后觀察數據是否正常。圖 5.7 MPU6000 PCB圖7)其他測試將 8 路微動開關焊接到對應位置上。測量 U3-pin5、 U6-pin5 、 U7-pin5 腳是否為5V。移植按鍵測試程序，觀察這8 個開關是否可實現共用一個中斷。5.8 微動開關PCB圖5.2 家用擦玻璃清潔機器人樣機的制作通過以上一系列的工作，擦玻璃機器人的設計工作已經宣告完畢，由于零件要求重量輕且需有一定的強

39、度，故3D打印成了最合適的加工方式，其中電機座和磁鐵升降架所用的材料為玻璃纖維，而其它件均采用光敏樹脂的材料打成，再經過實體裝配后，實物圖如下圖所示：5.9 實體樣機展示圖5.3 家用擦玻璃清潔機器人樣機的測試5.10 機器人運行狀態15.11 機器人運行狀態25.12 機器人運行狀態3以上幾圖為機器人的上機運行情況，機器人行走較為平穩，且各個環節均運行正 常，陀螺儀確實起到了實時調速的作用，保證了小車始終保持水平姿態的運行，小車 最終也是按照程序里面規劃的路徑將整塊玻璃走完，整個過程實現了全自動化，且擦 拭效果良好。第六章 總結與展望本課題自主設計了一款適用于家庭擦玻璃的機器人，該機器人可以

40、在玻璃上全自動運行并同時將玻璃擦拭干凈。本課題作者首先閱讀了大量文獻，發現了國內外清潔機器人存在的一系列弊端，但也發現了其可取之處，經過取長補短以及自己的思考之后得到了自己的方案，然后根據方案做出了實體樣機，歸納總結整個過程，本課題的主要工作有以下幾點：（ 1）完成了擦玻璃機器人的整體的機械結構設計，并進行了加工制作及裝配。（ 2）完成了整個機器的程序編制并將其燒寫在單片機中，并令小車行走順暢。（ 3）利用陀螺儀反饋回小車的位姿并實時對其進行閉環控制。（ 4）利用差速原理實現了小車在玻璃上的轉彎，并運行良好。樣機的運行結果表明，以上的努力都得到了應有的回報，但是在此基礎上，本人認為，有待進一步

41、研究的工作還有很多，歸納如下：1） 擦玻璃機器人屬于智能家居范疇，需要更好的人機界面才能滿足人們的需求。2）由于電機的原因，小車運行起來噪聲較大，需要設計添加防噪裝置。3）陀螺儀的程序還不夠完美，需要進一步加上卡爾曼濾波算法，使小車閉環控制更加精確。4）由于小車是上帶有強磁，所以為了避免在使用過程中造成意外，需要添加隔磁裝置。參考文獻王巍 , 張厚祥 等 . 曲面幕墻清潔機 器人 攀爬技術J. 北京 航空航天大學學報 ,2008， 34（ 1） ： 1719唐伯雁 . 自攀爬幕墻清洗機器人機械結構的設計與研究D ，北京：北京工業大學，2005： 114王碩 . 智能家居中玻璃窗自動清洗裝置的研

42、制D ，大連：大連工業大學，2012：15錢志源 , 付莊等 . 玻璃幕墻清洗機器人壁面適應能力分析J. 上海交通大學學報，2006 , 40（ 7） ： 11581159王巍， 唐伯雁 . 倒錐面高層玻璃幕墻清洗機器人設計J. 北京航空航天大學學報，2006 , 32（ 6） ： 738739陳沛富 . 高樓玻璃幕墻清洗機器人設計研究D ，重慶：重慶大學，2006： 38 TOC o 1-5 h z 胡啟寶 . 多吸盤式玻璃幕墻清洗機器人本體設計D ，上海：上海交通大學，2007：1725邵浩 , 趙言正等. 用于玻璃幕墻清洗作業的爬壁機器人系統J. 制造業自動化,2000 , 22（ 2）

43、 ： 67老楊 .51 單片機工程師是怎樣練成的M. 北京：電子工業出版社，2012程國鋼 , 陳躍琴等.51 單片機典型模塊開發查詢手冊M. 北京：電子工業出版社，2012J.Kuffner,Jr.,S.Kagmi, K. Nishiweki, M. Inaboa, and H. Inolue, Dynamically-Stable Motion Planning for Robots, Autonomous Robots, vol.12, pp. 105-118, 2002.Lee,C.S.G.,Robot Arm kingmatics,Dymaies,and Control.Comput

44、er,Vol. 15,PP.62-80,1982高金蓮 . 工程圖學 M. 北京：機械工業出版社，2008何貢 . 互換性與測量技術（第二版）M. 北京：中國計量出版社，2005Daniel.E.Whitney,State Space Task of Remote Manipulation Models, IEEE Trans,Vol.14,pp617-623,No.6,1969胡仁喜 , 王慶五等.ANSYS8 .2 機械設計高級應用實例M. 北京： 機械工業出版社，2005王碩 , 陶學恒等. 智能家居中玻璃窗自動清洗裝置的研制J. 機械設計，2011 ,28（ 12） ： 2123致謝時

45、間轉瞬即逝，不知不覺已經到了畢設最后的日子，我的畢設差不多也該畫上句號了，我要感謝的人有很多，首先我要感謝我的畢設老師-張建華老師，正是張老師給了我這次畢設做實物的機會，老師給了我一個很大的舞臺，讓我在上面盡情演繹，有多少才華就施展多少才華，當然在畢設路中，也是困難重重，道路坎坷，總會遇到這樣那樣的問題，正是張老師對我的幫助以及在背后不斷的鼓勵才令我有了一直向前進的勇氣與力量，張老師嚴謹的治學態度對我影響頗為深刻，同時老師在生活中的細心，大氣又令我慨嘆，我要以張老師為標桿，在以后的學術生涯中立志要成為張老師那樣的學者。我的畢設是一個邊學習邊應用的過程，在這個過程中，正是由于得到了無數同學們的幫

46、助才促成我畢設的結束，在此，我首先要感謝我的同學兼我的單片機老師：陳翔同學，他的單片機控制技術學的頗為強悍，但他對我一絲不茍的幫助更加令我慨嘆，是他讓我知道了什么是串口，什么是IIC 等等，每次無論他多忙，都會不厭其煩地給我解答單片機的問題，他是我真正亦師亦友的伙伴；另外我要感謝我的師兄：郝建龍和曹建峰，在我的畢設制作過程中，他們的付出也很多，他們與我一起熬夜，在三維繪圖方面郝建龍師兄也給了我很多指導，促使我的快速進步；我還要感謝我的學長：孫存磊，每次單片機編程方面遇到問題，孫學長總能給我最有效的解決辦法，孫學長也是真正的單片機大神，同時孫存磊學長還教會了我學習單片機的方法，正所謂授之以魚不如

47、授之以漁，多謝學長！還有張瑞寧，瑞寧的焊接板子的技術著實令我驚訝，在小的不能再小的金屬片上，瑞寧總能用他靈巧的手將焊錫點上，是他教會了我這項技術。最后，我要感謝的是我的母校-河北工業大學，我四年前踏入河工大的那一刻，我內心帶著些許的悲涼，因為我需要去適應它的大草原，適應草原上的羊群以及羊群旁邊的兩只牧羊犬，適應東區食堂前的臭水溝，適應我最初的宿舍東一A211，適應學校的空曠與僅有的幾棟不太起眼的建筑。 。 。需要適應的太多，但是從現在看來，我完全不用去適應，那才是最美的，最無瑕疵的，理由很簡單，因為這樣才是我的母校-河北工業大學；還有我還要感謝在河工大工作的教授我們知識的老師們，是他們用辛勤的

48、汗水讓我們學會了最專業的知識以及做人的道理，謝謝你們！希望河工大越來越漂亮，越來越擔當，越來越輝煌！家庭擦玻璃機器人C語言程序設計#include STC12C5A.h#include #include /Keil library#include /Keil library#define uchar unsigned char#define uint unsigned int sbit IN1 = P12; /L298N輸入控制端定義sbit IN2 = P11;sbit ROW1 = P02;sbit ROW2 = P03;sbit COL1 = P04;sbit COL2 = P05;sb

49、it COL3 = P06;sbit COL4 = P07;/sbit IRIN = P32;/sbit SCL=P20;sbit SDA=P21;/L298N 輸入控制端定義矩陣鍵盤定義紅外接收頭數據線/IIC 時鐘引腳定義/IIC 數據引腳定義unsigned int Cnt,i,a,b,c,panduan,biaozhi0,biaozhi1,biaozhi2,biaozhi3,biaozhi4;unsigned char d,IRCOM7;/*/ 定義MPU6050內部地址/*#define SMPLRT_DIV0 x19define CONFIG0 x1Adefine GYRO_CON

50、FIG0 x1Bdefine ACCEL_CONFIG0 x1C自檢， 2G， 5Hz)define ACCEL_XOUT_H0 x3Bdefine ACCEL_XOUT_L0 x3Cdefine ACCEL_YOUT_H0 x3Ddefine ACCEL_YOUT_L0 x3E/ 陀螺儀采樣率，典型值：0 x07(125Hz)/ 低通濾波頻率，典型值：0 x06(5Hz)/ 陀螺儀自檢及測量范圍，典型值： 0 x18( 不自檢，/ 加速計自檢、測量范圍及高通濾波頻率，典型值：2000deg/s)0 x01( 不#define ACCEL_ZOUT_H0 x3F#define ACCEL_ZO

51、UT_L0 x40#define TEMP_OUT_H0 x41#define TEMP_OUT_L0 x42#define GYRO_XOUT_H0 x43#define GYRO_XOUT_L0 x44#define GYRO_YOUT_H0 x45#define GYRO_YOUT_L0 x46#define GYRO_ZOUT_H0 x47#define GYRO_ZOUT_L0 x48#define PWR_MGMT_10 x6B#define WHO_AM_I#define SlaveAddress0 xD0/*/ 電源管理，典型值：0 x00（ 正常啟用）0 x75 /IIC 地

52、址寄存器（默認數值0 x68，只讀）/IIC 寫入時的地址字節數據，+1為讀取/ 函數聲明/*void delay(unsigned int k);/ 延時void Kalman_Filter(float Accel,float Gyro);void lcd_printf(uchar *s,int temp_data);/MPU6050 操作函數/ 初 始 化void InitMPU6050();MPU6050void Delay5us();void I2C_Start();void I2C_Stop();void I2C_SendACK(bit ack);bit I2C_RecvACK();

53、void I2C_SendByte(uchar dat);uchar I2C_RecvByte();void I2C_ReadPage();void I2C_WritePage();void display_ACCEL_x();void display_ACCEL_y();void display_ACCEL_z();/ 讀取 I2C 數據/ 向 I2C 寫入數據uchar Single_ReadI2C(uchar REG_Address);void Single_WriteI2C(uchar REG_Address,uchar REG_data);/ 延時/* void delay2(uns

54、igned int k)unsigned int i,j;for(i=0;ik;i+)for(j=0;j121;j+);/*/ 延時 5 微秒 (STC90C52RC12M)/ 不同的工作環境, 需要調整此函數/ 當改用 1T 的MCU時, 請調整此延時函數/*void Delay5us()int p=0;for(p=0;p10;p+)_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_no

55、p_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();void dianjizhengzhuan()IN1=0;IN2=0;CCAP0H=0X88;CCAP0L=0X88;CCAP1H=0X88;CCAP1L=0X88;void dianjifanzhuan()IN1=1;IN2=1;CCAP0H=0X88;CCAP0L=0X88;CCAP1H=0X88;CCAP1L=0X88;void dianjifanzhuan1()IN1=1;IN2=1;CCAP0H=0X66;CCAP0L=0X66;CCAP1H=0X66;CCAP1L=0X66;void dianjitingzhi()IN1=1