楼梯清洁机器人的设计

 摘要:楼梯的清洁对于清洁机器人来说是一项较为复杂的任务,现有的楼梯清洁机器人虽可实现基本的爬楼与清洁任务,但存在清洁范围有限、效率低等问题。针对这一现状,设计了一款新型楼梯清洁机器人。通过深入比较、分析各种楼梯攀爬机构的特点,基于轮式和腿足式机器人的优点,设计了一种用行星轮来攀爬楼梯的清洁机器人。此外,本研究的另2个创新是:基于该爬楼越障设备研制了一种可以应用于该机器人的重心调节体系,提升了机器人的可靠性;经过电磁离合器让机器人在不同工作条件完成了2驱和4驱间的随意切换,减少了机器人的耗能,提升了机器人躲避障碍的水平。本课题设计的楼梯清洁机器人采用伸缩臂带动清洁电刷,可以自动上下楼梯,快速的完成楼梯清扫任务。

关键词:楼梯清洁机器人结构控制系统清洁机构

引言

近年来,随着机器人产业快速发展,智能技术已渗透到人们的生活中,智能社区、家居已逐渐转变成大家梦想中的生活模式。现代化城市发展的步伐逐渐推进,城市中的高楼逐渐崛起,人口总量逐渐提升和其卫生问题也随之出现。城市高层建筑不断增加,高楼大厦已经成为城市发展的重要象征。无论是日常生活中还是发生意外时,楼梯作为生命安全通道都发挥着重要的作用。日常的清洁是必不可少的,我们处在一个智能化时代,智能机器人的发展必将节省许多劳动力。

 1楼梯清洁机器人的目的与意义

  1.1设计目的

由于高层建筑楼梯台阶众多,楼梯的清洁任务繁重,使用人工清洁的效率低﹑劳动强度大。大范围的广场、室内都能够选取现在十分火热的圆盘形扫地机器人,小范围的楼梯以及异形平面就出现了无法清洁的问题。和平面进行比较,楼梯的清洁难度更加复杂,现在依旧不存在成熟的机器人能够代替人力对楼梯进行清扫。因此设计一种用于楼梯的清洁机器人必将具有非常好的前景。

 1.2设计意义

社会的进步让更多的简单人力劳动被智能化的机器人所替代,并且逐渐自动化。人工清洁楼梯时劳动强度大,效率低。清洁机器人能够稳定降低工作的劳动水平,节省了人力并且提高了清扫速度,机器人就是运用人工智能来完成楼道的清扫任务,替代楼道内清扫工人的劳动。

1.3国内外研究进展

经过查阅和分析相关文献,现在市场中一般是面向家庭的清扫机器人,可以智能化实现对地面等的清洁任务,通常包含防碰撞感应等体系,能够经过WiFi完成远程控制,技术较为成熟。和平面的清洁进行比较,楼梯的清洁更加繁琐,现在市场中还不存在较为完善的同类水平,仅研制了一些位于研究初期的产品。

樊红卫研制了一款箱体式的清扫机器人,可以完成楼梯的升降爬行和原地转向工作[1]。

姜雪梅研制了一种基于双臂进行控制的清洁机器人,选取丝杠完成了楼梯的升降,把轮子和舵机融合完成了无半径拐弯,完成了纵向前进和横向移动的运行模式的自由切换[2]。

日本软银企业的Whiz机器人,选取了激光测距仪等的协调搭配,运用了干式真空吸尘器的运行理论,融合了自动驾驶、智能清扫科技,完成了自主规划路线、躲避障碍物以及智能清扫地面的功能。

德国Karcher公司的KIRA B50轮式移动机器人,搭配了GPS定位以及信息传输的功能,能够进行分析数据并向使用人员传递信息通知。当清扫完成后,KIRA会自动回到对接站清洁水箱、再次添水,并进行充电。

其他国家的清洁机器人的起步非常早,机器人配置以及运用的场景也非常成熟,除了以往的地面清扫机器人外,还包括水中、不平坦区域等更加复杂环境的清扫机器人,机器人智能识别、自动化、终端机械架构等都存在更加深层次和前沿的分析。

且其他国家机器人的应用以及人工成本已基本实现持平甚至小于人工成本的情况,市场需要已发展到了一定水平。我国的清扫机器人在低速智能驾驶科技慢慢发展成熟后,也逐渐研制出了户外的清扫机器人、自动驾驶环卫车等商业产品,能够单独地实现扫地、除尘等许多的任务,不过在自动导航路线规划、地图构建等方面还具备一定的问题,一般都位于正在研发的时期,而批量制造,还未进入到集采时期,机器人费用要与人工劳动相等甚至更小还必须发展一段时期,因此市场还必须逐渐地发展。

 1.4设计内容

本楼梯清洁机器人设计的驱动控制系统通过电机、舵机等单一化的电控设备完成了机器人的简单运行,经过电磁离合器完成了机器人在平面以及楼梯地能够由2驱和4驱自动切换运行,从而完成楼梯爬升动作。机器人的清洁机构用的吸尘方式是真空吸尘,即高速运动的扇叶在内部地真空区域创造了强大的气流,通过细小的滤网把杂物等吸纳在收纳盒中,将过滤完成的气体排出。

 2设计方案

  2.1设计原理

依照GBJ101-87要求:楼梯踏步高度是140毫米≤a≤210毫米,宽度是220毫米≤b≤320毫米,最好选取220、240、260、280、300、320毫米的尺寸,踏步高以及宽的关系方程是:2a+b≤600(a代表踏步高,b代表踏步宽),机器人需要依据我国规定的楼梯大小进行生产,并能够平稳地上下楼梯。利用两侧装有吸扫机构的小型伸缩手臂,来对楼梯进行清扫,将灰尘与垃圾清扫到机器人底部的灰尘盒中。

 2.2设计要求

楼梯清洁研发的关键问题是:机器人在楼梯运行的过程中的越障水平、重心稳定性等,设计机器人的整体标准是在此前提下,怎样让机器人架构简单,轻量化,操作方便,控制安全。根据本课题所研究的楼梯攀爬机构整体分析对比和典型的楼梯攀爬设备的优劣,如表2.1。

表2.1典型移动机构的性能比较

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经过和爬楼梯设备的整体比较分析,思考机器人的运行条件、性能和研制标准,并思考我国的基础国情以及正常运行以及研发条件的限制,决定研制一种架构简易,费用低廉,可以在室内外进行平稳运行,并可以稳定攀爬楼梯的机器人。本研究设计的机器人机械架构相关标准如下:

(1)依照不一样的运行环境,可以完成平坦区域以及楼梯自由运行的功能,在相关的国家标准楼梯中的(除了旋转攀爬外)快速完成清洁任务;

(2)机器人在攀爬的阶段中的可靠性直接关乎到机器人的工作安全,所以,机器人在运行阶段中尽可能要保证可靠性,即需要其位置和姿态可以进行实时的调整;

(3)机器人的行走系统:采用三角行星轮结构,提高了机器人克服障碍性能,让机器人产生更高的稳定性、安全性;

(4)全方位体系:经过前进驱动转向完成机器人可以全方位运行的功能;

(5)驱动控制体系:经过电机等简易的电控设备完成了机器人的运行,经过电磁离合器完成机器人在平面以及楼梯能够2驱和4驱的自由切换运行;

(6)最大化减小重量(科学规划材料、降低不必要的浪费等)。

 2.3机器人结构设计

本机器人的架构设计的具体目标是:经过架构设计降低机器人的尺寸、体重以及耗能;经过对机械传动以及驱动体系的研究提升机器人的躲避障碍的水平;经过对其重心调整体系的研究以及设计,提升机器人的可靠性以及攀爬楼梯的水平。本研究机器人的具体架构包含3部分,具体包含主车架,轮组机和重心调节机构。

  2.4机器人结构尺寸设计

依照中国《建筑楼梯模数协调标准》要求:踏步高度是140毫米≤a≤210毫米;宽度是220毫米≤b≤320毫米,最好选取220、240、260、280、300、320毫米的尺寸,踏步高以及宽的关系方程:2a+b≤600,其架构尺寸必须和我国标准规定的楼梯尺寸相符合[3]。

图2.1机器人爬楼示意图

2681675bb11299ac6de70f6cb77ecabe  依照标准创建物理模型,如图2.1,依照上述要求,经简单运算能够发现:bmin=220mm,amin=l40mm,amax=l90mm,134.4mm≤R≤184.4mm,有关系式:

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取b=bmim,a=amin,R=Rmax,得到l=736mm,依照我国标准的建筑楼梯设计,经系统分析,取机器人长度是736毫米,宽度是560毫米。

3机器人的结构设计

  3.1机器人的传动机构设计

楼梯清洁机器人的驱动系统,依靠驱动电机供应动力,通过减速器变速完成引领传动轴运行,在攀爬台阶的过程中,经控制体系开启离合器,通过减速器调节速度后串联电磁离合器,引领T形轴运行,促进三角行星轮翻滚运行,进而完成机器人在平面以及台阶中由2驱和4驱任意切换稳定运行。其驱动传动架构如图3-1,传动体系设计的特征:经过控制体系管控电磁离合器让机器人完成2驱和4驱任意切换是本研究的创新点之一。本研究选取的牙嵌式电磁离合器存在体积小、重量轻等特征,一般应用在低速行使的情况下,当电磁离合器在位于分离条件下,能够完成离合器两边运行单元相对主体随意转动,当机器人攀爬楼梯时,经过控制体系让电磁离合器位于结合状态,依靠电机管控轮辐的转动,运用电磁离合器的此类特点提升了提升了机器人的地形适应水平以及攀爬台阶需要的功能。

图3-1机器人机械结构图

2bf04820840fe24652ca403f7b0438f9  3.2机器人转向机构的设计

清洁机器人转向架构在研究时需要机器人在拐弯过程中,所有轮子需要绕瞬时转向中心转动,不断会导致轮子磨损严重,并减少机器人的可靠性,可以确保非常高的机动性,存在灵活迅速的运行水平,且操控便捷稳定。并且,要让机器人转向轮有尽可能高的转角,并必须依据前外轮轮子的轨迹进行运算,其最低转弯半径可以达到轴距的2至2.5倍。现在,广泛运用在许多行业的液压式动力转向机构存在油液压力高,整体简易,灵敏性高和油液的阻尼作用可降低路面冲击等优势。并且,还包括齿轮齿条式等的转向器,其具体经过提升转向盘传导至传动机构的力并且修改力的传导方向来完成转向。

本研究思考到机器人的整体要求、功能特点、操控的简便稳定性等相关标准,液压式方案以及转向器方案都不符合该机器人,所以,决定选取直接驱动的办法完成机器人拐弯。制定了下列两类方案:选取单独的伺服电机直接驱使轮子和运用操控舵机驱动梯形转向结构来完成转向操作。前者是经过左右轮子的速度差来完成转向操作,不过此类方式就需要让后轮选取万向轮,思考到机器人后轮选取三角行星轮更有助于机器人攀爬楼梯,让机器人的稳定性更好,因此此类方案不适合应用在此机器人中;后者是运用转向理论,去掉了复杂的转向设备,直接运用控制舵机驱动梯形连杆结构让机器人完成转向,此类方案选取舵机进行转向,架构十分灵活,便于操控,存在较高的适用性。转向机构如图3-2。

图3-2机器人转向机构

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现在市场中红外测距传感设备类型非常多,我们选取应用较为普遍的日本夏普(Sharp)企业制造的GP2Y0A02YK0F型传感设备。

Sharp GP2Y0A02YK0F属于长度检测传感设备单元,它由PSD(位置敏感探测器),红外发光二极管和信号处理线路所构成。其选取三角测量法,让输出电压和探测长度成反比。

GP2Y0A02YK0F红外测距传感器配置:

(1)检测射程:10~150厘米

(2)最高允许角度:>40度

(3)电压:4.5至5.5伏

(4)平均耗能:35毫安

(5)峰值耗能:200毫安左右

(6)更新频率/周期:25赫兹/40毫秒

(7)传输噪声:<200毫伏

(8)检测长度和模拟电压关系:2.7V至0.4V信号对应10至150厘米,模拟电压和检测长度呈现出反比非线性关系。

 3.4机器人的清洁结构设计

市面上家用机器人普遍采用路径规划S型走位的清洁方法,这种方法只适用于大而平整的地面,如果此方法应用到日常的楼梯清洁工作上会使机器人的工作行程太长。本课题采用伸缩臂带动电刷清洁的方式,大大减小了机器人的行程,省时省电。本研究的清扫结构挑选了旋转式,设置在机器人的前面两边,通过前伸缩臂以及升降结构进行连接。伸缩臂的末端装有螺旋式清扫机构,当楼梯清洁机器人到达指定清洁位置时,伸缩臂开始动作,经过扭簧结构让吸扫结构接触所有楼梯面运行,吸尘口配置在2个尘刷间,经2个尘刷向内运行,把角落内的尘土吸引到吸尘口,能够对吸尘滤芯清洁或是更换。考虑到机器人车身下是清洁的盲区,所以在清洁机器人的车身下也安装两个清洁电刷,可以直接将灰尘扫到尘盒当中。伸缩臂往复完成一个行程清洁动作结束,楼梯清洁机器人开始前往下一节台阶。伸缩臂设计图如图3-4所示。

1末节臂2二节臂3伸缩油缸

图3-4伸缩臂

95ad3f1c6e352ba5a209b139d19c1e6f  4结构设计与选型

  4.1行星轮结构尺寸设计

行星轮结构是此类机器人运行结构的主体之一,科学明确星轮的架构大小是设计行星轮的重点;台阶的高低是决定星轮的重要因素,在此类机器人攀爬、躲避障碍的阶段中,星轮需要可以稳定地支承在台阶上,星轮太大会致使星轮和台阶前沿进行接触,也会致使机器人太大,星轮尺寸过小则致使机器人在平面运行时的适应水平较差[4][5]。

中国《建筑楼梯模数协调标准》内明确指出:楼梯踏步高度140毫米≤a≤210毫米;宽度是220毫米≤b≤320毫米,高和宽的关系必须使2a+b≤600毫米(a代表踏步高,b代表踏步宽)。机器人行星轮需要在最低宽度220毫米的台阶上可以稳定地支承,并可以绕轮轴转动,星轮能够完成自转。依照这个要求,取星轮直径d≤220毫米,经查找相关资料决定行星轮传动轴大小是210毫米,经研究上述因素明确其直径也是210毫米。并且,依照上述条件能够发现:当宽度bmin=220毫米情况下,踏步高度最低值amin=140毫米,高度最高值amax=190毫米。

经过试验检测分析能够发现,当踏步高度最低的情况下,机器人攀爬台阶的困难程度最高,因此对行星轮半径稳定性的检测以及明确的星轮间中心距的高低,都在宽度是220毫米,踏步高为140毫米的台阶上开展检测和研究。机构爬楼梯状态,如图4-1,在此之中,R是臂长,r,2t是臂宽,l是中心距,x是中心和楼梯边缘的长度。依照图4-1研究可得出下列关系方程:

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图4-1行星轮爬越楼梯示意图

 4.2电机的选型

驱动电机属于驱动结构的重点,在一定水平上电机决定了驱动设备应用的稳定性、安全性。整个体系是以蓄电池当作动力源,能够进行挑选的电机包括步进电机、直流电机等[6][7]。

(1)步进电机:此类电机的特征是惯性非常小、转矩非常大、反应频率非常高,并能够迅速启动和制动;不要求反馈就能够对速度以及距离开展精准的调控,而且控制体系较为简易,不过步进电机具备运行速度较低、耗能非常高等问题,且当运行速度非常低时振动非常大,对整个设备的可靠性存在影响。

(2)直流电机:直流电机在启动、暂停以及速度调节等角度的优势十分显著,而且存在反应速度快等的优势,在低速运行时稳定性非常好,可以实现设备在爬楼越障过程中低速稳定性的标准,转矩大、过载水平高,能够实现机器人爬坡、攀爬楼梯等的性能标准,不过传统的直流电机都选取了换相器以及电刷等负责换相,这样就能够造成无线电扰乱以及使用年限短等问题。

(3)无刷直流电机:和传统的直流电机进行比较,此类电机经过选取电子换相线路设备,不但具备直流电机的优势,且存在无噪声、稳定性高等优点。依照机器人的整体特征以及传动设备的性能,因此对速度的标准并不严格。所以决定选取无刷直流电机当作驱动电机,依照机器人设计标准以及工作环境要求能够获得下列参数:

攀爬机器人在平面上的运行速度v=10r/min;

传动比n=1:11.18;

台阶的最高倾角是a=37°;

重心一般在距离前桥的1/4位置。

整体分析,依照相关参数运算可得:

电机的输出轴的速度是;机器人攀爬楼梯台阶时。

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依照上述的运算结果,最后决定选取具备较长扭矩的三拓减速电机三拓60GAFM,电机参数如4.1。

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 4.3电磁离合器的选型

此类机器人的离合器的功能和现实生活内车体中的离合器存在区别,该机器人选取了单片机操控电机的速度,不存在类似于换挡时应用离合器的流程。此类机器人的一大创新就是精巧的运用了电磁离合器的优势,将其放置在后桥驱动轴的中间区域,接合以及分离2根后轴,进而实现2驱调节为4驱的特殊架构。依照该机器人的载荷、体积等内容,确定选取牙嵌式离合器,相关的尺寸等如表4.2[8]。

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电磁离合器的装配图如图4-3,是依靠电磁离合器、弹簧卡圈等元件所构成的。该结构的创新是,精巧地运用了弹箦的伸缩效果,如果电磁离合器不连接电源,弹簧把电磁离合器的吸盘端恢复到原位,让其两边完全切断,让其不因摩擦而致使后轮转动。弹簧卡圈存在螺栓锁紧,打开螺栓能够自由调整弹簧的长度,进而实现调整弹簧恢复力高低的目标。当攀爬机器人在平面上运行的情况下,离合器断电,致使后桥驱动轴1以及轴2的划分,这种情况下前轮运行,由于该机器人后轮属于行星轮,其中的铰链可以稳定的让后轮被拖动;如果传感设备测定到楼梯时,前轮进行运行,如果后轮测定到楼梯时,电磁离合器进行吸合,这种情况下轴1以及轴2进行接合传动,调整为4轮驱动,让后轮驱动力提升,攀爬水平提升。

图4-3电磁离合器连接图

906633559ec69a0ddf76adb642a85af8  4.4舵机的选型

本研究决定选取SR811型舵机,其技术参数如表4.3。

表4.3舵机的相关参数

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依照设计标准机器人的最高载荷是三十Kg,所以决定选取扭矩等于30N.cm的舵机,其架构如图4-4。舵机具体是由外壳、线路板与位置测定设备等所组成,其运行理论是依靠接收机传输讯号给舵机,通过线路板上的IC评判运动的方向,再驱使无核心马达进行工作,经过降速齿轮把动力传导给摆臂,并且依靠位置测定设备传输讯号,评判有没有到达指定的区域,测定设备其实就属于可变电阻,当舵机运行时电阻值也会不断变化,经过测定电阻值便能够了解到舵机运行的角度[9][10][11]。

图4-4舵机示意图

d03c1f67212b99775516b30d7299f01a  4.5清洁电刷选型

依照中国《建筑楼梯模数协调标准》要求:楼梯踏步高度是140毫米≤a≤210毫米;楼梯踏步宽度是220毫米≤b≤320毫米。因此清洁机构选取了2个半径是75毫米的刷盘,在减速电机的驱使下和平面进行摩擦,左面的刷盘进行顺时针工作,右面的刷盘进行逆时针工作。

目前的清洁机器人,在机构上一般选取三条式,清洁的范围不大,对地面的清扫水平补足,几乎无法去掉地面中的顽固油渍,只能起到扫灰的作用。针对这种情况,我对现有的刷盘进行了改善,采用圆形的“板刷”机构,这种清扫机构接触面大,摩擦力大。能实现较大力度的清洁。

图4-5清洁电刷

61f321ce28789d88efe3a197f4c8dddb  4.6尘盒的选型

本课题尘盒的选型采用50L的超大尘盒,50L超大容量满足所需大面积一次搞定,无需中途更换清洗尘盒,在传统设计上本课题为它加上了过滤器与过滤棉,高密度过滤系统多重过滤,有效解决灰尘溢出问题,清扫不扬尘,拒绝二次污染。

5楼梯清洁机器人的控制系统

  5.1机器人的动作设计

机器人控制架构图设计如图5-1,当给其连接电源后,红外测距体系运行,并且行进电机开始运行,机器人开始工作迈向楼梯,经过机器人的红外测距传感设备来操控机器人,经过身前端下面的传感设备分析机器人有没有到达首个台阶。当机器人到达首个台阶后电机运行,当清洁刷触碰到平面后,伸缩臂伸长同时电刷开始旋转,以实现机器人对楼梯的清洁。之后清扫刷抬起并且向前工作,让机器人的重心向前动,行星轮转动,让机器人提高了一个台阶,之后重复以上的流程。

图5-1机器人控制框图

9e115a6aaf18dc79f57deb7a9a3c819e  当机器人运行到楼道拐弯的位置时,能够经过其中的传感设备发现,此时机器人正在慢慢地运行,清洁刷来回进行工作,实现对拐弯位置的清洁,并经过红外测距传感设备评判机器人有没有在墙脚位置,到达后拐弯,并再次清洁。当机器人实现对拐弯位置的清洁后,机器人再次进行之前的操作实现对台阶的清洁[12][13][14]。

 5.2主程序流程设计

主程序流程图见图5-2[15][16]。

974b4c40080ddcbb259072fee50fb41b  图5-2主程序流程图

 6结论

对于目前楼梯清洁机器人在灵活性、工作稳定性等角度具备的问题,依照中国《建筑楼梯模数协调标准》,研制出了架构简易、费用低廉、高适应水平、工作可靠性良好等特征,而且适合中国楼梯架构尺寸要求且爬梯相对优良的行星轮楼梯清洁机器人。该机器人能够在平面或者是达到楼梯规范的楼梯台阶稳定运行,可以经过电磁离合器完成平坦地面以及攀爬楼梯时2驱和4驱的随意切换,而且能够经过重心调节架构对其重心依照车体倾角进行相应的微调。

本机器人在清洁结构设计上采用了伸缩臂带动清洁电刷的设计,当机器人到达需要清洁的台阶时,通过电控装置控制伸缩臂的伸缩,同时清洁电刷开始转动,并由伸缩臂端部的红外传感器控制伸缩臂的伸长量,能够适应绝大多数的楼梯清洁。

 7参考文献

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致谢

时光荏苒,岁月如梭!!!转眼间,四年的本科学习生涯即将结束,同时也意味着自己在学校的生活到此画上了句号,回顾自己近二十载漫漫求学之路,记忆里充满的全是老师的悉心指导和同学们的快乐相伴,在此我要向他们表达最诚挚的感谢。几经彷徨求索,我的学士学位论文终于得以完成!饮其流时思其源,成吾学时念吾师,在此论文完成之际,谨向我最敬爱的老师我的导师送上我最真心的谢意和真诚的祝福。老师对学问的严谨态度、对知识的掌握和应用知识的能力,分析问题、解决问题的思路和方法以及宽以待人的处事态度使我受益匪浅。

深深地感谢我的父母,含辛茹苦养育、栽培我二十多年,在我求学生涯中,是他们无私地给予我物质和精神上最大的支持与鼓励,使我得以顺利完成学业。

衷心感谢在百忙之中抽出宝贵时间审阅本论文的老师,感谢答辩委员会的各位老师对我的论文提出的宝贵建议。

最后,对所有关心我的、支持我的人表示衷心的感谢和真诚的祝福!

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价格 ¥9.90 发布时间 2023年10月27日
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