機械設計專題製作計劃書機器人吸塵器國立中興大學機械工程學系三年級洪名杰張諺廷郭明穎 1

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2 目錄一前言二設計構想三可行性分析四工作進度安排五人力配置六預估經費七結論八參考文獻 2

一. 前言機械是帶給人方便, 現代人忙碌, 清掃家裡環境的時間相對的少, 如果能將吸塵器結合自動化的機械, 清潔環境對現代人來說一定方便許多相關產品 : 來思比科技 - 美國 irobot 機器人吸塵器 Roomba 是由美國麻省理工學院 (MIT) 的媒體實驗室研發育成, 再經由同在麻省理工 irobot 公司製造它的前身是一台聰明的機器人, 曾於 911 事件爆發後,

3 一. 前言機械是帶給人方便, 現代人忙碌, 清掃家裡環境的時間相對的少, 如果能將吸塵器結合自動化的機械, 清潔環境對現代人來說一定方便許多相關產品 : 來思比科技 - 美國 irobot 機器人吸塵器 Roomba 是由美國麻省理工學院 (MIT) 的媒體實驗室研發育成, 再經由同在麻省理工 irobot 公司製造它的前身是一台聰明的機器人, 曾於 911 事件爆發後, 前往阿富汗協助偵測敵人, 並於 9 月份全球矚目的挖掘金字塔事件中, 擔任重要的開發工作 Roomba 的體積輕巧, 體重 2.5 公斤身寬 34 公分高 9 公分, 能像吸塵器一樣自動清理地板, 並鑽到沙發及床底下清掃, 碰到牆壁障礙物或懸空的樓梯口, 都能輕巧彈開, 不傷害家俱 Roomba 最大的特色就是能在使用者不在家或是享受生活的時候工作, 生命本就不應該浪費在打掃的工作上圖 ( 一 ) 3

4 二設計構想機器人吸塵器分成 4 個部分 :1. 動力,2. 清潔,3. 防撞裝置, 4. 紅外線偵測 1. 動力部分 : 底部有三個輪子, 分別一前二後, 前方的小輪子用於導向功能, 後方的二個輪子用於動力驅動後輪前輪圖 ( 二 ) 4

全向輪 : 沿 y 軸方向移動 :V1 = -V2 V3 = 0 沿 x 軸方向移動 :V1 = V2 = 1 2 V3 原地旋轉三輪速度 :V1 = -V2 V3 = 0 雖然可以原地旋轉, 但是在牆角可能會因為機身與牆壁兩邊同時接觸, 卡在角落, 並且沿 y 軸方向移動,x 軸方向的施力會因為角度的設計抵銷損失能量, 不是我們希望發生的影響參考資料 http://140.

5 全向輪 : 沿 y 軸方向移動 :V1 = -V2 V3 = 0 沿 x 軸方向移動 :V1 = V2 = 1 2 V3 原地旋轉三輪速度 :V1 = -V2 V3 = 0 雖然可以原地旋轉, 但是在牆角可能會因為機身與牆壁兩邊同時接觸, 卡在角落, 並且沿 y 軸方向移動,x 軸方向的施力會因為角度的設計抵銷損失能量, 不是我們希望發生的影響參考資料 A8%E5%A0%B4%E6%A9%9F%E5%99%A8%E4%BA%BA%E4%B9%8B%E5%85%A8%E5%90%91%E8%BC%AA%E8%A1%8C%E8%B 5%B0%E5%B9%B3%E5%8F%B0%E7%B5%84%E8%A3%9D%E8%88%87%E6%B8%AC%E8%A9%A6.aspx?ArchID=916 5

6 動力馬達 : a. 基本計算輪胎 - 地板選用 Rubber Concrete(Dry) 摩擦係數 = 0.6 ~0.85 資料來源 : 假設 : 成品重量 3.5kg 取摩擦係數 0.7 車輪 r = 4cm 重力 9.81m/sec 機器人速度 V = 20cm/sec 加速度 a = 20cm/sec 重量 :3.5 * 9.81 = 34.3 N 摩擦阻力 :34.5 * 0.7 = 27.6N F = m a => F = 3.5*0.2 = 0.7 需要的總力 Ft = = 28.3 N 需要轉矩 T = 28.3*4*10^(-2) = N*m 有兩個輪子所以一邊需要力矩 = N*m 計算輪子轉速 V( 機器人速度 ) = w( 輪胎轉速 )*r( 輪胎半徑 ) 20cm/sec = w * 4 cm 計算 P( 馬達功率 ) = w ( 馬達轉速 )*T( 馬達轉矩 ) P = w * T 6

7 2. 清潔部分 : 圖 ( 三 ) 參考市面已有的產品 irobot 公司的機器人吸塵器, 我們決定用馬達帶動兩個刷子搭配吸塵器, 刷子將灰塵毛髮及紙屑掃入集塵匣, 配合吸塵器有漏掉的部分也能清潔乾淨 7

8 清潔功能側面示意圖 : 集塵匣分成上下兩層, 上層收集主要的灰塵毛髮來自刷子, 下層收集吸塵器吸起剩餘的灰塵沒有被刷子清除的, 分成兩個部分, 因為考慮到成本問題, 吸塵器馬達功率高沒有辦法選用價錢太高, 多了刷子部分刷除大部份的灰塵, 可以降低吸塵器需要的吸力, 因此可以選用價格適當的馬達毛刷 : 8

3. 防撞裝置 : 防撞機制 : 吸塵器機器人行進間, 會遭遇到牆壁或其他障礙物碰撞, 為了降低碰撞的影響, 而採用的緩衝裝置為彈簧片若將彈簧片裝在外圍, 當碰撞發生時, 反作用力作用在彈簧上, 以此減緩吸塵器整體所受到的衝擊防撞原理 : 彈簧係利用伸縮的原理, 以作為承載及減震的作用當彈簧受到壓縮時,

9 3. 防撞裝置 : 防撞機制 : 吸塵器機器人行進間, 會遭遇到牆壁或其他障礙物碰撞, 為了降低碰撞的影響, 而採用的緩衝裝置為彈簧片若將彈簧片裝在外圍, 當碰撞發生時, 反作用力作用在彈簧上, 以此減緩吸塵器整體所受到的衝擊防撞原理 : 彈簧係利用伸縮的原理, 以作為承載及減震的作用當彈簧受到壓縮時, 彈簧間無摩擦力產生, 因此吸收震動及緩和衝擊力 V 型彈簧 : 碰擊後啟動方式 : 當吸塵器碰撞道障礙物, 外部的緩衝元件 ( 彈簧片 ) 受到壓縮進而觸碰到開關, 此開關為控制動力源馬達, 與連接一步進馬達的裝置, 步進馬達與 position sensor, 當開關按下時, 動力源的直流馬達反轉 ( 吸塵器往後 ), 在一旁的 9

10 步進馬達啟動, 由於步進馬達的轉速比較慢, 轉到特定角度時,sensor 將訊息傳回晶片, 動力源馬達由反轉改為正轉, 步進馬達亦停止轉動, 吸塵器正常運作, 在下次碰撞重覆這樣的過程, 即為我們設計的防撞機制 4. 紅外線偵測 : 居家環境也會有高低落差, 我們希望利用紅外線偵測高低落差, 防止機器人掉落, 這樣才能達到在家清潔時也無須有人在家裡留心機器人的一舉一動, 還有考慮到沒電時候, 能夠利用紅外線自動偵測充電位置, 才不會發生沒電就停在原地需要人力來移動至充電位置 10

11 三可行性分析 : 吸塵器 : 尺寸 : 120x120x38mm 電壓 : DC12V 電流 : 0.35A 轉速 : 2200rpm 噪音 : 36db 風量 : 89CFM 接頭 : 小 3pin 特徵 : M 系列中速風扇, 特色 : 日本製, 可測轉速庫存 : 正常備考 : 5V 可啟動 (950rpm) 電腦風扇數據計算 : 在下方裝置毛刷, 來幫助清除灰塵, 有利吸塵器吸塵吸塵器吸力計算 : 11

12 空氣流速 = Q/A 風量 Q = 86.5 CFM = m^3 = m^3/sec 風速 V = m/sec 假設截面積都相同, 利用白努力定律 ΔP = N/m^2 A = 144 cm^2 F =ΔP*A = N = 1.4 * 10^-3 kg = 1.4 g 結論 : 需採用更大轉速的馬達, 並且進行更多實驗數據, 確定小功率下的馬達是否可實行吸塵器任務, 風扇也需要實際去找電腦風扇實驗 : 實驗風扇數據 :DC12V 0.15A 直徑 7.5CM, 接上長 15CM 的圓管, 模擬吸塵器效果 12

13 示意圖 : 實驗結果 : 相當順利的接紙屑吸起, 且離地面高度大於預設機器人吸塵器, 風扇瓦數也小, 結果顯示吸塵器在成本不高情況下是可以達成的紅外線感測與發射器應的可行性 : 使用 Arduino 板子若再配合撰寫一些自動控制的程式, 就能利用 Arduino 做出各式各樣的自動控制應用, 例如利用溫度感測器控制風扇的運轉使用可變電阻控制燈光的明暗控制馬達的轉速利用紅外線遙控家電 / 利用伺服機 (Servo) 控制機械手臂或機器人, 以及製作自走車飛行器等等 13

14 硬體規格 : 微控制器工作電壓 ATmega328 5V 輸入電壓 ( 建議 ) 7-12V 輸入電壓 ( 限制 ) 6-20V 數位 I/O Pins 14 支 ( 其中有 6 支腳位可提供 PWM 輸出 ) 類入 Input Pins 6 支 14

15 I/O pin 直流電流 3.3V pin 直流電流 Flash 記憶體 SRAM EEPROM 時脈 40mA 50mA 32KB, 其中 0.5KB 拿去給 bootloader 使用 2KB 1KB 16MHz 接收器材料 : 1. 麵包板 x 1 2. Arduino 主板 x khz 紅外線接收器 ( 如 TSOP2438,TSOP4438, PNA4602, FM-8038TM2-5DN) x 1 4. 單心線 x N 接線照下表把紅外線接收器跟 Arduino 連接起來 : 15

16 紅外線接收器接腳 Arduino 接腳 GND (-) 接到 GND Vcc (+ 或 V+) 接到 +5V 電源 Vout ( 或 OUT) 接到 pin 2 你可以接到其它 Digital pin, 但程式要配合修改底下這支程式 (Example1.1.pde) 示範如何用 IRrecv 物件接收紅外線訊號 : 01 /* 02 * IRRemote 紅外線遙控教學 03 * 範例 1.1: 接收紅外線 04 */ 05 #include <IRremote.h> // 引用 IRRemote 函式庫 06 16

17 07 const int irreceiverpin = 2; // 紅外線接收器 OUTPUT 訊號接在 pin IRrecv irrecv(irreceiverpin); // 定義 IRrecv 物件來接收紅外線訊號 10 decode_results results; // 解碼結果將放在 decode_results 結構的 result 變數裏 void setup() 13 { 14 Serial.begin(9600); // 開啟 Serial port, 通訊速率為 9600 bps 15 irrecv.enableirin(); // 啟動紅外線解碼 16 } void loop() 19 { 20 if (irrecv.decode(&results)) { // 解碼成功, 收到一組紅外線訊號 21 // 印到 Serial port 22 Serial.print("irCode: "); 23 Serial.print(results.value, HEX); // 紅外線編碼 24 Serial.print(", bits: "); 25 Serial.println(results.bits); // 紅外線編碼位元數 26 irrecv.resume(); // 繼續收下一組紅外線訊號 27 } 28 } 在收到紅外線訊號的時候, 程式會順便把收到的紅外線編碼以及編碼長度 ( 位元數 ) 列印到 Serial Port 上, 所以在跑程式的時候就可以用 Serial Monitor 來觀察解碼結果如何用 IRrecv 物件接收紅外線訊號要接收紅外線訊號, 有四個步驟要做 : 1) 引用 IRRemote 函式庫 : 1 #include <IRremote.h> 2) 建立一個 IRrecv 的物件以及一個用來存放解碼結果的 decode_results 結構的變數 : 1 const int irreceiverpin = 2; // 紅外線接收器 OUTPUT 訊號接在 pin IRrecv irrecv(irreceiverpin); // 定義 IRrecv 物件來接收紅外線訊號 4 decode_results results; // 解碼結果將放在 decode_results 結構的 result 變數裏 3) 呼叫 enableirin() 啟動紅外線解碼 : 17

18 1 irrecv.enableirin(); // 啟動紅外線解碼 4) 這時候 IRrecv 物件會在背景收紅外線訊號接著, 就可以在 loop() 函式裏用 decode() 函式持續的檢查, 看看有沒有解碼成功 : 1 irrecv.decode(&results) 假如有成功解碼,decode() 函式會回傳 true, 並且把解碼結果放在 result 變數裏在解到一個紅外線編碼後, 記得要呼叫 resume() 函式, 這樣才能繼續收下一組訊號 VISHAY - TSOP PHOTODIODE, IR RECEIVER, 38KHZ 單價 : NT$62.80 發射器材料 : 麵包板 x 1 Arduino 主板 x 1 發射波長為 940nm 的紅外線發射器 x 1 按鈕 (pushbutton) x 1 10k 歐姆電阻 x 歐姆電阻 x 1 單心線 x N 接線 18

把紅外線發射器 (IR LED) 接到 pin 3, 長腳 ( 陽極 ) 串接一顆 100 ohm 電阻接到 pin 3, 短腳 ( 陰極 ) 接到 GND 按鈕的一支腳接到 +5V, 另一支腳接到 pin 4 同時接一個 10K 電阻連到 GND 底下這支程式 (Example2.1.pde) 示範如何用 IRsend 物件發射紅外線訊號 : 01 /* 02 * IRRemote 紅外線遙控教學 03 * 範例 2.

19 把紅外線發射器 (IR LED) 接到 pin 3, 長腳 ( 陽極 ) 串接一顆 100 ohm 電阻接到 pin 3, 短腳 ( 陰極 ) 接到 GND 按鈕的一支腳接到 +5V, 另一支腳接到 pin 4 同時接一個 10K 電阻連到 GND 底下這支程式 (Example2.1.pde) 示範如何用 IRsend 物件發射紅外線訊號 : 01 /* 02 * IRRemote 紅外線遙控教學 03 * 範例 2.1: 發射紅外線訊號 04 * 注意! 紅外線發射器 (IR LED) 必須接到 pin 3, 不能接其它腳位 05 */ 06 #include <IRremote.h> // 引用 IRRemote 函式庫 const int buttonpin = 4; // 按鍵 (pushbutton) 接在 pin 4 09 int buttonstate = 0; // 按鍵狀態 IRsend irsend; // 定義 IRsend 物件來發射紅外線訊號 void setup() 19

20 14 { 15 pinmode(buttonpin, INPUT); // 把 buttonpin 設置成 INPUT 16 } void loop() 19 { 20 // 讀取按鍵狀態 21 buttonstate = digitalread(buttonpin); // 檢查按鍵是否被按下 (pressed) 24 // 有的話,buttonState 會是 HIGH 25 if (buttonstate == HIGH) { 26 // 發射紅外線訊號 27 irsend.sendnec(0x4fb48b7, 32); // 我電視 Power 鈕的紅外線編碼, 記得換成你的紅外線編碼 28 } 29 } 在按下按鈕的時候, 程式就會發射一個 NEC 協定 (NEC IR Protocol) 的紅外線訊號, 紅外線編碼為 0x4FB48B7, 資料長度為 32 位元 0x4FB48B7 是我電視遙控器 Power 鈕的紅外線編碼, 有關如何取得遙控器的紅外線資料, 請見 1.5 兩個取得遙控器紅外線資料的方法一文如何用 IRsend 發射紅外線訊號要發射紅外線訊號, 只要三個步驟 : 1) 引用 IRRemote 函式庫 : 1 #include <IRremote.h> 2) 建立一個 IRsend 的物件 : 1 IRsend irsend; // 定義 IRsend 物件來發射紅外線訊號 3) 呼叫對應紅外線協定的 send() 函式並傳入紅外線編碼與資料長度, 就可以送出一個紅外線訊號 : 1 irsend.sendnec(0x4fb48b7, 32); // 我電視 Power 鈕的紅外線編碼, 記得換成你的紅外線編碼 IRRemote 函式庫支援 NEC, Sony SIRC, Philips RC5, Philips RC6, DISH, Sharp 這些紅外線協定, 所以 IRsend 有下這幾個 send() 函式可用 : sendnec(data, nbits) sendsony(data, nbits) sendrc5(data, nbits) sendrc6(data, nbits) senddish(data, nbits) sendsharp(data, nbits), 及 sendraw(buf[], len, hz) - 進階的函式, 可指定頻率傳送指定的波形 (waveform) 配合 Arduino 的軟體 20

21 用 c++ 語言撰寫需要材料 : 紅外線接受器紅外線發射器共需要六對結論 :arduino 的功能性極大, 幾乎可控制自動吸塵機器所有的東西, 而且價格便宜 21

22 四工作進度安排 3/7 3/14 3/21 3/28 4/4 4/11 4/18 4/25 5/2 5/9 5/16 5/23 5/30 6/6 6/13 6/20 6/27 選定題目 --- 研究討論收集資料設計構想輪子選用動力馬達前輪馬達馬達齒輪清潔毛刷碰撞感應器防震元件紅外線資料晶片程式電路板 --- 碰撞程式五人力配置 22

23 六預估經費名稱圖示網路估價實際估價規格重量數量 23

24 八參考文獻王宗德 (2005) 國立成功大學工程科學系碩士班碩士論文居家清潔器路境規劃與實現

Microsoft Word - Delta Controller ASCII_RTU_TC

Microsoft Word - Delta Controller ASCII_RTU_TC Delta Controller ASCII/RTU ( 適用台達變頻器伺服驅動器 PLC 溫度控制器 ) 人機預設值通訊速率 :9600, 7, None, 2 (ASCII); 9600, 8, None, 2 (RTU) 控制器站號 :1 控制區 / 狀態區 :None/None 控制器接線的說明 Delta Servo a. RS-232(DOP-A/AE/AS, DOP-B 系列適用 )

機械設計專題製作計劃書 機器人吸塵器 國立中興大學機械工程學系三年級 洪名杰 張諺廷 郭明穎 1

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