【正文】 焊盤上，正極懸空。 （ 2） 電源測(cè)試 A) 首先測(cè)量 J1的兩個(gè)焊盤有沒(méi)有短路，用二極管檔或者電阻檔測(cè)量。 單片機(jī) 系統(tǒng)的硬件電路及 I/O 口 分配 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 25 圖 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理圖 上圖 為我所 設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制系統(tǒng)的原理圖， 其關(guān)鍵 引腳表如下所示 OUT4 OUT2 OUT1 OUT3 表 電機(jī)驅(qū)動(dòng)引腳 ROW1 ROW2 COL1 COL2 COL3 COL4 表 矩陣鍵盤引腳 SCL SDA 表 MPU6050引腳 單片機(jī) 系統(tǒng)編程 框圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 26 啟動(dòng) ， 頭部豎直 向 上， V 左側(cè) =V 右側(cè) ， 正轉(zhuǎn) 是否收到頭部前測(cè) 微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào) 驅(qū)動(dòng) 行走單元 直線 運(yùn)動(dòng) 否 是 控制單元 控制驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)行走單元 轉(zhuǎn)動(dòng) ，V 左側(cè) =V 右側(cè) ， 反轉(zhuǎn) 延時(shí)信號(hào) 檢測(cè) 保持轉(zhuǎn)動(dòng) 延時(shí) 未到 延時(shí) 時(shí)間到 控制單元控制驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)行走單元停止 , 然后驅(qū)動(dòng) 行走單元轉(zhuǎn)動(dòng) V 左側(cè) =0, V 右側(cè) 0 , 延時(shí)信號(hào)檢測(cè) 保持轉(zhuǎn)動(dòng) 延時(shí)未到 延時(shí)時(shí)間到 控制單元 控制驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)行走單元 轉(zhuǎn)動(dòng) ， V 左側(cè) =V 右側(cè) ， 正轉(zhuǎn) 是否收到頭部前測(cè)微動(dòng)開(kāi) 關(guān)信號(hào) 控制單元控制驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)行走單元轉(zhuǎn)動(dòng) ，V 左側(cè) =V 右側(cè) ， 反轉(zhuǎn) 是否收到尾部后測(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào) 是 陀螺儀檢測(cè) 信號(hào) 否 陀螺儀檢測(cè) 信號(hào) 否 是 步驟100 步驟200 反饋 控制 ， 行走單元 反饋控制，行走單元 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 27 第五章 家用擦玻璃清潔機(jī)器人 樣機(jī) 研制 與 調(diào)試 電路板的設(shè)計(jì)與調(diào)試 結(jié)合 小車的機(jī)械部分 所 留出來(lái)的空間， 本課題 作者設(shè)計(jì)并加工 的 控制板 如下圖 所示 圖 控制板 實(shí)物圖 PCB 設(shè)計(jì) 圖 PCB設(shè)計(jì)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(gè) 元器件河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 28 在 板子 上盡量有序得畫出來(lái)，然后 把已 經(jīng) 擁有所有元器件 的 板子上的元件 再 進(jìn)行 更加合理地排列，然后 點(diǎn)擊 Auto Route/All 開(kāi)始 自動(dòng) 布線 ， 待 布線完畢之后 再 進(jìn)行手工調(diào)整 ， 到此 PCB板 大致繪制完成。 2021176。 （ 4） 陀螺儀 模塊 本課題中 使用的陀螺儀 型號(hào) 為 MPU6050，該模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的 IIC 通信協(xié)議，其 供電電源為 3— 5V，內(nèi)部整合了 3 軸陀螺儀、 3 軸加速器最大 的加速度測(cè)量范圍為 177。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖所示，好像是電源電壓在時(shí)間內(nèi)被接上，又在 — 時(shí)間內(nèi)被斬?cái)?，所以稱“斬波”。 圖 電路圖 圖 原理圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 24 PWM 調(diào)速 的 本質(zhì) 便是 通過(guò) 斬波實(shí)現(xiàn) 改變 輸出 有效電壓 的方式來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速率， 如上圖所示 S 表示開(kāi)關(guān)， VD 表示續(xù)流二極管。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(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生的熱量，以免燒壞芯片。 （ 2） 紅外模塊 紅外模塊 用于實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的無(wú)線控制， 本課題中 采用 HX1838 模塊 ， 該模塊 具有 寬電壓適應(yīng)、高靈敏度、低功耗、優(yōu)良的抗干擾特性，而且該模塊應(yīng)用廣泛， 多用于 家用電器、空調(diào)、玩具等紅外遙控接收。 以下 為 該機(jī)構(gòu) 在各個(gè)方向的位 移圖： 圖 X方向位移圖 圖 Y方向位移圖 圖 Z軸方向位移圖 圖 整體位移圖 圖 第三主應(yīng)力圖 圖 整體應(yīng)力圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 21 第四章 家用擦玻璃清潔機(jī)器人 控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī) 控制系統(tǒng) 電路 的設(shè)計(jì) 單片機(jī) 系統(tǒng)元器件的 選型 （ 1） CPU 的 選擇 在 本 課題中 ， 主控 CPU 需要 實(shí)時(shí)監(jiān)控 2X4 的 矩陣鍵盤，且需要 具有 兩路 硬件 PWM調(diào)速 功能 ， 然后還要連接外部紅外模塊以及陀螺儀 MPU6050 模塊 ，還要通過(guò) L298M 芯片 去驅(qū)動(dòng)兩路 直流 減速電機(jī)等等 ， 考慮到這些功能均需要很協(xié)調(diào)的實(shí)現(xiàn)，所以 本人 選用 1T的 基于 51內(nèi)核 的 8位 單片機(jī) STC12C5A60S2， 如圖 所示 。 磁鐵升降 機(jī)構(gòu)的 設(shè)計(jì) 圖 升降機(jī)構(gòu) 細(xì)節(jié)圖 磁 鐵 升降機(jī)構(gòu)是小車很重要的一個(gè) 構(gòu)件 ，通過(guò)旋轉(zhuǎn) 旋鈕 ， 螺桿 被擰入旋鈕中，在河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 18 外殼的支撐下 以及 導(dǎo)向桿的導(dǎo)向作用下，升降架 豎直升起，進(jìn)而 調(diào)節(jié) 反面 小車的磁鐵到 玻璃的距離 來(lái) 調(diào)節(jié)兩個(gè)小車間的吸引 力 ，從而保證機(jī)器人能夠 承擔(dān) 不同厚度的玻璃的 擦拭工作 。 微動(dòng) 開(kāi)關(guān) 緩沖 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 圖 緩沖 機(jī)構(gòu)正面圖 圖 緩沖機(jī)構(gòu) 反面圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 17 圖 緩沖 機(jī)構(gòu)正面細(xì)節(jié)圖 圖 緩沖 機(jī)構(gòu) 反 面細(xì)節(jié)圖 微動(dòng) 開(kāi)關(guān) 緩沖 機(jī)構(gòu) 如 上圖所示 ，四只 扭簧 相互 配合起到了 將 擋板控制在 恰當(dāng) 的平衡位置的作用 ，同時(shí) ，當(dāng)小車走到玻璃的 盡頭 ，擋板將微動(dòng)開(kāi)關(guān) 2壓下 ，為了 避免小車一直執(zhí)行微動(dòng)開(kāi)關(guān) 2 觸動(dòng) 下的程序 ，當(dāng) 小車離開(kāi)窗戶邊緣后，在 扭簧 2 的共同作用下，擋板被彈開(kāi) 回 到初始位置 ； 同理扭簧 4也是 這樣工作的 。 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 16 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(cè) ， 所以 選擇 永 磁鐵的 規(guī)格 很重要，如果 磁鐵的吸引力 過(guò)大 ，會(huì)導(dǎo)致電機(jī) 支座 甚至電機(jī)的損壞 ，但 如果其吸引力過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致 小車 車輪與玻璃 間 摩擦力太小，從而引起小車 的 打滑現(xiàn)象，甚至滑 離玻璃 ， 經(jīng)過(guò)一番實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證，我選擇的 磁鐵 規(guī)格為： 材質(zhì)： 釹鐵硼稀土永磁 ， 電鍍涂層 :鍍鎳 ， 性能 :N535， 最大耐溫 :80176。 該 微動(dòng)開(kāi)關(guān)只需 接出 兩根線，其中一根 GND 一根 常開(kāi)線， 當(dāng) 不銹鋼壓片沒(méi)有被壓下 時(shí) ， 兩根線 相當(dāng)于 斷路 ， 當(dāng) 壓片被壓下時(shí)， 兩根線 接通，觸發(fā)小車動(dòng)作。 第三章 家用擦玻璃清潔機(jī)器人 詳細(xì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 關(guān)鍵 部件的選型 電機(jī) 的 選型 根據(jù) 該小車 的工作方式，可以計(jì)算得出， 該小車 所需的動(dòng)力扭矩為： 根據(jù)以上 計(jì)算的數(shù)據(jù)，在下表 選擇 電機(jī)扭矩為 ，即兩個(gè)電機(jī)扭矩 之 和為 ，遠(yuǎn)大于所需要的扭矩， 因此 選用該 電機(jī)滿足 使用要求。 步驟 1 步驟 2 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 14 ④ 小車 在程序的驅(qū)動(dòng)下，自己運(yùn)行， 首先 完成步驟一：小車向上行駛，當(dāng)碰到 上邊框 后停止，然后經(jīng)過(guò)一 段 延時(shí)，小車 后 退一個(gè)車身 ，然后通過(guò) 車輪差速， 右輪 轉(zhuǎn)動(dòng)而 左輪不轉(zhuǎn)，小車成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎 當(dāng)小車 水平后停止 。 ② 調(diào)節(jié) 磁鐵升降機(jī)構(gòu)，以 確保 磁鐵的吸引力能夠保證小車在玻璃上平穩(wěn)運(yùn)行 。 依據(jù) 以上的論述，我們決定采用雙面 吸附 小車擦玻璃的方式 來(lái) 實(shí)現(xiàn)功能，那對(duì)比方案二和方案三，很明顯方案三中的小車，體積 更小，結(jié)構(gòu)更加緊湊，小車也更加輕便， 更能夠 讓現(xiàn)在生活空間不 大 的 城市居民 所接受， 圖 為小車吸附在玻璃上的效果圖。 總體 方案的對(duì)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(shí)它存在著天生的弊端 ： 首先，方案一 設(shè)計(jì)制作工序 繁瑣， 工程 龐大， 編程 復(fù)雜， 雖然 做的是一個(gè)仿人型的機(jī)器人， 但完成 的功能 則 只有擦玻璃而已 ，實(shí)則 是 大材小用 ，也可以說(shuō) 并不是 針對(duì)要完成的 擦玻璃 功能的專一化設(shè)計(jì)，所以并不能為人所采用；而且，方案一的機(jī)器人還有 另 一個(gè)致命的缺點(diǎn) ， 那就是 它 雖然能很好的 擦拭 屋內(nèi)一面的玻璃，但是 對(duì)窗外一面的玻璃則 全然 束手無(wú)策 。 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 11 圖 反面 小車整體效果圖 圖 反面小車 內(nèi)部效果圖 圖 、 為反面小車圖，其中小車總長(zhǎng) 160mm，總寬 172mm。 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(lái)擦拭玻璃 ， 但是本人在方案二的基礎(chǔ)上 對(duì) 小車做了進(jìn)一步結(jié)構(gòu) 優(yōu)化，整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，沒(méi)有產(chǎn)生 任何多余的 浪費(fèi) 的空間 。 圖 反面 小車的 整體 效果圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 9 圖 反面小車 內(nèi)部圖 圖 為反面小車的圖，其中小車總長(zhǎng) 229mm，總寬 200mm。 小車 的動(dòng)力來(lái)源于分布在小車兩側(cè)的 直流 減速電機(jī)， 兩個(gè) 小車 的輪胎 緊緊壓在玻璃上 ， 通過(guò)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)完成小車 在玻璃上 前進(jìn) 以及 倒退的 動(dòng)作， 同時(shí)通過(guò)兩輪的差速調(diào)節(jié)完成小車的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。 圖 正面 小車整體效果圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 7 圖 正面 小車內(nèi)部圖 圖 為正面小車三維圖，其中小車總長(zhǎng) 260mm，總寬 228mm。 總體方案二： 采用永磁式的雙面吸附小車貼在玻璃兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)擦玻璃的功能。 機(jī)器人底部由 四個(gè) 輪子支撐，其中包括兩個(gè)具有驅(qū)動(dòng)能力的動(dòng)力輪 和 兩個(gè)萬(wàn)向輪，這樣 能夠 在 運(yùn)用最少的驅(qū)動(dòng)的前提下，確保機(jī)器人具有 前往 各個(gè) 方向 運(yùn)行的能力，與此同時(shí)機(jī)器人的各個(gè)輪子 均 具有 升降 功能，即能夠確保機(jī)器人在 相對(duì) 不平的地板上能夠自由地運(yùn)行 ； 然后 往上 看是機(jī)器人的 中 干，其 腰部 由具有三個(gè)自由度的 旋轉(zhuǎn)桿 構(gòu)成 ，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 正如圖 中 表達(dá)的 那樣 ，機(jī)器人的腰部底端 具有 一個(gè) 豎直 的旋轉(zhuǎn)副， 再往上 具有 兩個(gè) 水平的旋轉(zhuǎn)副， 到此 該空間開(kāi)鏈機(jī)構(gòu) 給機(jī)器人的 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu) 擦拭 手爪，提供的 自由度 為 3。 家用擦玻璃清潔機(jī)器人 的總體 方案的確定 在經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù) 的文獻(xiàn)查閱以及自己的思考工作 之后，我已經(jīng)對(duì)擦玻璃機(jī)器人有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的整合以及自己的創(chuàng)新， 我最終確定了 以下幾套 相對(duì) 可行 的方案 。 （ 3） 機(jī)器人應(yīng) 操控簡(jiǎn)單，可以 實(shí)現(xiàn) 無(wú)線控制。 2 家用擦玻璃清潔機(jī)器人 總體 方案設(shè)計(jì) 圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 4 家用擦玻璃清潔機(jī)器人 的 設(shè)計(jì)原則 家庭 用 擦玻璃機(jī)器人 在國(guó)內(nèi)還比較少，國(guó)外雖然做的相對(duì)成熟但產(chǎn)品 一般比較 昂貴 ， 并不能實(shí)現(xiàn)普及到國(guó)內(nèi)的大部分家庭中 愿景 ， 因此 ，我們要設(shè)計(jì)一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成品低廉的擦玻璃機(jī)器人， 與此同時(shí) ，本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中也要保證如下原則 ： （ 1） 該 機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)擦拭 各種 厚度的玻璃的工作， 而且 各個(gè) 部件具有 較好的互換性，以便 維修 。 （ 4） 基于單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行 C語(yǔ)言 編程 ， 以完成 整個(gè) 機(jī)器人的擦拭功能。 （ 2） 聯(lián)系 廠家 進(jìn)行 機(jī)械部件的加工 ， 并 將 各個(gè)部件 進(jìn)行實(shí)體 裝配。 本課題 的主要工作 本設(shè)計(jì) 擬在設(shè)計(jì) 一款 機(jī)器人，該機(jī)器人能夠 實(shí)現(xiàn)全 自動(dòng)擦拭 家庭玻璃的 功能， 而且需確保 擦拭無(wú)死角 且 擦拭干凈 。 不僅 國(guó)外有類似的清潔機(jī)器人， 國(guó)內(nèi) 雖然起步較晚，但也已經(jīng)有了相對(duì)成熟的 東西 ，圖 為 北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所研制的用于清洗國(guó)家大劇院玻璃幕墻 的樣機(jī)，圖上 所示為該機(jī)器人工作在 國(guó)家大劇院的 場(chǎng)景， 其 由 攀爬機(jī)構(gòu) 、 俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和清洗機(jī)構(gòu)等 部分構(gòu)成，總長(zhǎng) 約 3m, 高 ，寬 1m, 整個(gè) 機(jī)身主體由鋁型材搭建而成， 不僅 強(qiáng)度高而且相對(duì)重量也 輕 了許多 ，其 在工作 過(guò)程中把 安裝在建筑 物上的滑動(dòng)導(dǎo)桿作為中介， 成功避免了 機(jī)器人對(duì)建筑物 的 直接 抓取 所可能帶來(lái)的損傷以及其他不安全 因素 。 國(guó)