扫地机器人设计

扫地机器人设计报告

一、功能综述

1、清扫模式：随机清扫、螺旋式清扫、交叉清扫、沿边清扫、定点清扫、预约清扫等相结合，实现全方位立体清扫；

2、智能导航系统：实现对房间地形的重构，自动规划清扫路线；

3、智能安全监控：防撞，防跌落，防缠绕，电池电量监测；

4、创新功能：灰尘量识别，实现床底清扫，手机遥控模式，尖端气流滤尘技术，室内空气质量监测与提醒；

5、其他基础功能：自动返回并充电，灰尘盒安装检查，灰尘盒容量探测。

二、机械及系统设计

扫地机器人机械设计如图1所示。

前

图1 扫地机器人机械设计图

清扫机构，行走机构，吸尘机构是本次设计的重点，也是难点所在。由于机器人运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动。因此，增加机器人运动平稳性，提高机器人动力学特性尤为重要。为此，在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下，尽量减小运动部件的质量，并注意运动部件对转轴的质心装配。

(1)行走驱动轮及驱动电机

该部分主要保证机器人能够在平面内移动。为了保证小车良好的直线性，可采用双电机驱动左右两轮的方式，且在车体的后端装有一个不锈钢万向滚珠，这样可以使小车获取较好的机动性和灵活性及灵活性。前轮驱动的好处是：转向性能得到改善。前轮是转向轮，使得转向时的行驶方向容易控制，不容易出现过度转向的现象，转向安全性也得到提高。

(2)清扫机构

用电机带动两个清扫刷，使左面清扫刷顺时针转动，右面逆时针转动，这样就可以在清扫灰尘时将灰尘集中于吸风口处，为吸尘机构的工作做准备；清扫刷设计成可更换型的，可选择棉质纺织品或尼龙等化纤材料的，以适应不同的工作

环境。

(3)吸尘机构

旨在强大的吸力、将灰尘吸入灰尘储存箱中；这里我们采用尖端气流滤尘技术，全方位，多层次将灰尘一网打尽。

(4)擦地机构

在清扫、吸尘之后，利用安装在壳体下面的清洁布擦出残留在地面上的细小灰尘，同时也能够擦除地面上的顽固污渍，从而保证清洁工作的质量。

扫地机器人功能框图如图2所示。

图2 扫地机器人功能框图

三、功能简介

1、清扫模式：

清扫模式包括随机清扫、螺旋式清扫、交叉清扫、沿边清扫、定点清扫、预约清扫等。

随机清扫是指根据地面状况在其他几种清扫模式之中进行切换；

螺旋式清扫是指绕圈清扫的模式；

交叉清扫是指在不同的区域之间交叉穿梭来清扫，也可以称为Z字形清扫；

沿边清扫是沿着房间的边界进行清扫；

定点清扫是指在指定的位置小范围内清扫；

预约清扫是指每天在指定的时间自动清扫，可以预约一次和一周内任意预约清扫时间，可以放心上班和出差，也可以自动打扫。

2、智能导航系统

扫地机器人的智能导航实质就是路径自动规划。扫地机器人路径自动规划有两种方法：：随机式全区域覆盖和规划式全区域覆盖。随机式全区域覆盖方法控制简单，不需要很多的硬件，软件编程也简单，易于实现。但其缺点是移动机器人运行轨迹重复性较大，且运行轨迹不能较快地、充分地覆盖整个区域，这种路

径规划只考虑完成任务，没有考虑到时间消耗和能量消耗情况，因此选择规划式全区域覆盖方法。

此设计中选择往返式路径规划方法。往返式路径规划清扫路径的规则为当扫地机器人置于室内时，可通过超声波测距传感器的信息来判断它放置于墙边还是房屋中间。在房屋中间，则先设为它沿某一方向运动到靠近墙边的某一点。机器入就可从墙边的某一点开始，按顺时针方向绕墙运动一周，先对室内墙边地面进行一次预清扫。扫地机器人在绕完一圈后再向左或向右行走到墙壁的最左端或者最右端，以此来作为它清挡路径的起始点，也即绝对坐标的原点。先假设室内只有一个孤立的障碍物，以房屋左下角O点为起始点。开始清扫时，从O点势始沿Y轴正方向清扫，遇到墙壁时向右原地旋转90o，向X轴正方向移动一个车身后再向右旋转90o，沿Y轴负方向清扫，以此往复运动。当遇到障碍物时，则按下面的方法进行规划和避障：当清洁机器人运动到障碍物的最左边点时，根据步进电机的脉冲数和驱动轮光栅的脉冲数计算出最左边点的坐标。然后根据超声波测距传感器收到的信息沿着障碍物边缘行进相当于X轴方向一个车身的距离，再原地旋转到Y轴负方向，沿Y轴负方向继续清扫，这样一直往返清扫，当扫地机器人在沿障碍物边缘清扫时超声波传感器突然收不到信号即到达了障碍物的最右端点，扫地机器人将原地一直向左旋转直到超声波传感器再次收到信号为止，然后沿障碍物的上边沿行进到障碍物的最左端点，再沿Y轴方向进行往返清扫，行进路径和障碍物下边沿的行进路径类似。这样就可以在清扫过程中自动避开障碍物。清扫路径自动规划示意图如图3所示。

图3 清扫路径自动规划示意图

3、智能安全监控

3.1防撞

扫地机器人在工作过程中难免遇到各种障碍物，如果不及时躲避障碍物，将影响扫地机器人正常工作。因此在扫地机器人内部安装三个超声波测距传感器，

用来检测扫地机器人行进路线上是否有障碍物。超声波测距传感器安装位置如图4所示。

左

右

右扫地机器人顶部左

图4 防撞传感器分布

超声波是一种一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面处，会产生反射现象。利用这一特性，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。避障功能的实现正是利用了这一超声波测距的原理。超声波传感器测距原理如图5所示。

图5超声波传感器测距原理

超声波传感器接收到反射信号，检测出前方有障碍物时，

向控制器发出信号，控制器控制扫地机器人转向，躲避障碍物，根据信号的幅值大小，也可以初步确定障碍物的大小。选用超声波测距传感器，实现非接触式测量，避免与家具等物品发生碰撞，从而避免损坏相应物品。

3.2防跌落

为了防止扫地机器人遇到台阶时跌落，在扫地机器人背面安装3个防跌落传感器。防跌落传感器安装位置如图6所示。

防跌落传感器利用超声波进行测距。当扫地机器人行进至台阶边缘时，防跌落传感器利用超声波测得扫地机器人与地面之间的距离超过限定值，向控制器发送信号，控制器控制扫地机器人进行转向，改变扫地机器人行进方向，从而实现防止跌落的目的。扫地机器人防止跌落示意图如图7所示。