青岛黄海学院
毕业设计（论文）开题报告
题目名称 基于PLC的家用清扫机器人控制系统设计 学 院 机电工程学院 专 业 机械设计制造及自动化 学生姓名 袁树林 学 号 1201111017 指导教师 朱青青 职 称 讲师
2015年12月28日
本科毕业设计（论文）开题报告
一、选题依据（包括：国内外目前对该论题的研究现状、水平及发展趋势简述；论文选题及论题的理论意义、现实意义及应用价值；将在哪些方面有所进展或突破及可能达到的水平等。） 1、课题研究的背景及意义 清洁机器人是服务机器人的一种，所谓机器人是自动执行作业的机械装置。它既可以听从人类指挥，也可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作。世界各国尤其是西方发达国家都在致力于研发和广泛应用机器人。 目前，清洁机器人的普及度相当高。随着科学技术的发展与社会的进步，人们越来越希望从繁琐的日常生活中腾出时间来，因此，一款性价比足够高的清洁机器人就显得尤其重要。 20世纪90年代，美国推出了清洁机器人 RoboScrub，这一款机器人配备有激光导航系统，采用的是超声波来进行测距和避障，用光码条实现定位。2002年9月清洁机器人“Roomba”在美国正式面市，它重约2kg，直径为30英寸，具有极高的自主能力，可以在房间的任何角落进行游走，灵巧地完成清洁工作。Roomba的动作虽说有点迟缓，但它却具有更高的稳定性和安全性。由于能够在完成清洁工作后自动切断电源，所以可以在外出期间让Roomba在家进行拖地。 2002年10月1日，日本东芝公司与瑞典的拉克斯电子公司共同研发的清洁机器人 “特里洛巴伊特”上市销售，“特里洛巴伊特”主要是由拖地机械部件和超声波传感器所构成的，在工作时可避开室内摆放的所有家具用品。同时，最为出众的部分是只要清洁机器人被带领完成一次清洁工作后，它便可以按行走过的拖地线路进行自动拖地。 日本日立公司于2003年5月29日宣布，成功研发出了家用清洁机器人，它具有在房间自由行走并打扫卫生的自律行走机器人。它的行走速度最快为40cm/s，它受遥控器以及机身按钮进行操作。它的主要特点是：在机身下设计了一个最大限度为5cm的可动吸尘孔，以便能够将房间角落打扫干净。该机器人采用了螺旋式行走方式，从房间外围开始进行清扫，以便使工作更有效率。该公司还计划在清洁机器人机身上安装CCD相机，以便远程监控。 在国内，第一台具有自主知识产权的家用清洁机器人于2006年1月16日诞生，它是由浙江大学流体传动及控制国家重点实验是研制成功的。浙江大学提出了由超声发射电路在单片机时序和多路选择电路的控制下，发射出固定频率的超声波，其超声频率由超声脉冲电路所决定，经过反射后，被机器人所接受处理，作出相应的直走、左转或右转的动作，为了使用方便及安全，制作方简化了电源电路，减小了功耗，并着重了人性化和智能化的设计。 2、论文的理论意义和应用价值 本文将以当前热门的家用清洁机器人为研究对象，将电子技术与信息技术相结合，利用PLC控制机器人，使其完成他的工作。随着计算机技术的发展和人工智能的进步，大大促进了机器人的发展，研发人员根据用途与工作环境的不同，将机器人设计成不同的结构与外观，以便能够在不同的条件下出色的完成任务，由此可以看出，机器人在生产建设与科研工作中发挥着至关重要的作用。 家庭清洁机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有效地融合起来，实现了室内环境（地面）的半自动或全自动清洁，替代人们完成传统繁重的人工清洁工作，近年来已受到国内外研究人员的高度重视。作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术方面上来说，家庭清洁机器人比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性。从市场前景角度讲，家庭清洁机器人将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于家庭和公共场馆的室内清洁。因此，开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性，又具有广阔的市场前景。 融合现代传感器以及机器人领域的关键技术，本课题旨在开发一款价格便宜，全区域覆盖，能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家庭清洁机器人。使它可以替代传统的家庭人工拖地方式，使家庭生活电气化、智能化，使科技更好地为人类服务。 3、课题研究进展或突破及可能达到的水平的方面 随着现代生产技术的提高，机器人设计生产能力将得到进一步的加强，因此，当前家庭清洁机器人应当发展的方面有： 1）提高运动速度及精度，减小机身的重量即占用空间，使家庭清洁机器人的机身功能部件实现标准化以及模块化，即可以将机器人的各个功能部件进行拆分进行更换，甚至可以组装成具有不同功能机器人。 2）想法设法解决杂物收集后应该如何处理的问题，随着杂物收集得越多，反而会为家庭清洁机器人增重负担，从而增大它的工作功耗。 3）增设空气净化功能，在PM2.5严重超标的情况下，能够吸附空气中的固体颗粒并对空气进行加湿或祛湿功能显得尤为重要。 4）研发更多种类的传感器以及检测元器件，利用传感器获得工作对象周围的环境位置信息，以便对运动方式实现自动控制，做到真正的解放双手。 5）尽可能的减小家庭清洁机器人的工作噪音，以便实现家庭清洁机器人的人工智能化。 6）解决家庭清洁机器人的续航问题，尽可能的寻找到更好的能量来源。 二、研究内容 1．学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术） （1)重点解决的问题 ①清洁机器人路径规划问题； ②进行程序流程图的建立； ③单片机的组成、工作原理及其端口的应用。 （2）拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路） ①距离传感器捕捉到信号的处理； ②单片机外围电路设计及端口应用； ③清洁机器人到达房间边界问题的处理。 ④能够走遍房间的大部分空间，可以检测出电池的电量并且能够自主返回充电，同时要具有人性化的接口，便于操作和控制。 3.本论文（设计）预期取得的成果 ①绘制单片机外围电路原理图； ②按控制要求，以三菱PLC为控制核心，给出该控制系统详细的软、硬件设计方法； ③利用PROTUES软件进行仿真。 2．拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 （1）研究方法 研究方法是利用创意之星模块化机器人套件，在搭建一个家用清洁机器人的基础上，先根据实际情况进行各个舵机的ID和属性，再通过Northstar软件进行前进、转向步态编程，并将这些独立的方程块组合完成程序流程图的建立，最后对程序进行编译并下载到控制器中，根据距离传感器采集的数据进行相应的前进或转向，并完成房间的清洁工作，这里主要研究机器人的运动，对机器人如何清洁杂物不做详细研究。 （2）技术路线、实施方案 ①利用三维建模软件对家庭清洁机器人进行三维建模。 ②规划清洁机器人的运行路径，并利用PROTUES进行仿真。 ③设计清洁机器人内部清洁杂物结构，并仿真。 （3）可行性分析 能熟练的应用Proe三维建模软件对清洁机器人建模；根据PLC编程相关知识对清洁机器人的路径进行规划，以及对避让障碍物问题进行分析，并且能利用PROTUES软件对各构件进行仿真。 三、研究计划及进度安排： 起止时间 2015年12月14日-2015年12月28日 主要内容 查阅文献资料，文献综述开题报告。 预期目标 两周时间内，在查阅文献、现场考察、广泛调研后，独立完成开题报告确定课题。 2016年12月29日-2016年1月19日 完成PLC对清扫机器人的运动控制。 确定设计方案并画出系统框图。 2016年1月20日-2016年2月2日 学习掌握三菱PLC的基本编程。 给出硬件设计框图。 2016年2月3日-2016年4月6日 编写出了该控制系统的程序。 初步完成毕业设计相关内容，并进行中期检查。 2016年4月7日-2016年4月21日 完善程序、利PROTUES软件，整理仿真结果和论文文档。 完成论文初稿的书写。 2016年4月22日-2016年5月6日 修改论文，继续完善，准备答辩。 完成论文、顺利通过答辩。 四、主要参考文献： [1]董爱华.可编程控制器原理及应用（第二版）[M].北京：中国电力出版社,2014.12. [2]张鹤鸣.可编程控制器原理及应用教程[M].北京:北京大学出版社, 2011. [3]罗伟，陶艳.PLC与电气控制[M].北京：中国电力出版社,2012. [4]陈苏波等.三菱PLC快速入门与实例提高[M].北京:人民邮电出版社,2008. [5]廖常初.FX系列PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2013. [6]赵淼，赵群飞，杨汝清等.基于PLC的防爆机器人控制系统设计[J].机械，2004,31（01）：37-39. [7]周大威，高学山，王炎等.全方位移动清扫机器人控制技术的研究[J].高技术通讯，2010,10（06）：65-67. [8]Ren Sheng-le. Development of PLC-based Tension Control System[J]. Chinese Journal of Aeronautics20，2007：266-271. [9]宋章军，陈恳，杨向东. 基于红外测距传感器信息的通风管道清扫机器人控制算法研究[J]，制造业自动化，2006,28(05)：44-47. [10]邓韶斌，栾迪. 基于ARM单片机的清扫机器人控制系统设计[J]，佳木斯大学学报：自然科学版，2009,27(05)：657-660. [11]符秀辉，韦建辉，欧阳淑丽. 一类家用机器人的研究[C]，全国信息获取与处理学术会议，2012. [12]张利霞，杨志成，张景胜等. 高层建筑外墙清扫机器人控制系统设计[J]，现代制造工程，2015(03)：39-43. 指导教师意见 指导教师签字： 年 月 日 开题报告评审小组意见 评审小组负责人签字： 年 月 日
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