扫地机器人设计—开题报告—毕业设计—河北科技大学

毕业设计开题报告
题目：扫地机器人行走结构设计
学生姓名：学号：
专业：机械设计制造及自动化
指导教师：
年月日
1 文献综述
1.1 研究背景及目的
近年来，随着计算机技术和人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术逐渐成为现代机器人研究领域的热点。

随着长期的发展，服务型机器人开辟了机器人应用的新领域，机器人技术越来越接近成熟，服务型机器人也受到了世界各国研究人员的重视。

扫地机器人又称懒人扫地机，集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体，它是把移动机器人相关技术和吸尘器技术结合起来，通过微电脑系统控制，按照人们的意愿完成清扫房间的部分或全部工作的一种移动机器人，它可以代替传统繁重的人工清洁工作，也可以清扫人们不能达到的部分。

随着科学技术的发展与社会的进步，扫地机器人将融入人们的生活，像汽车一样即将称为人们生活必须品，所以扫地机器人的开发和研究不仅有科研上的挑战，在国内又有广阔的市场前景。

本次毕业设计准备设计一部能够满足大部分家庭需求而且方便的自动扫地机器人。

它可以代替家庭人工清扫，比国内普通的吸尘器小巧轻便，清洁效率高，更加省时省力，可以帮助人们减轻生活压力，让科技更好的服务于人们。

1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
世界上最先出现的扫地机器人是由瑞典的家电巨头伊莱克斯1996年制造的“三叶虫”扫地机器人[1]，“三叶虫”扫地机器人虽然功能上没有那么齐全，但是有现在智能扫地机器人的很多元素。

它采用无电线装置，利用超音波声呐系统来控制扫地机器人在地面上的运行方向，会自动避开室内的各种障碍物，因此不会碰撞到地板上或地毯上的任何物品。

采用三种设定模式，可以根据不同的清洁要求，设定清扫速度。

图1 “三叶虫”扫地机器人
随后，机器人巨头Irobot 公司设计制造自动扫地机器人Roomba，不断的升级优化，Roomba成为扫地机器人领域的代表产品。

该公司最新推出的扫地机器人Roomba980采用Adapt2.0视觉实时定位建模技术，在清扫房间的同时能够绘制房间内的地图，并且精准避开障碍物。

Roomba980能够精准检测到自己在房间内的具体位置，一方面可以提高清
洁效率，通过自己的位置信息合理进行路径规划以避免重复清扫，另一方面当电量不足或完成清洁任务是，能够准确地找到充电座的位置[2]。

‘
图2 Roomba980扫地机器人
美国的Neato开发的Neato XV-21,是世界上第一个采用智能激光制导系统的商用扫地机器人。

机器人的“眼睛”是其顶端的激光雷达,通过对房间的激光扫描,生成房间内部3D数字地图,并能并能不断根据家具位置变化来更新地图。

有了精准的定位和数字地图,采用“S”形路径规划方式,能够无任何碰撞地清洁地面,一次覆盖率达到90%以上,即使是在很难到达的边角区域以其独特的“D”形结构也能轻松清扫[2]。

图3 Neato XV-21扫地机器人
1.2.2 国内研究现状
国产服务机器人方面，小米公司扫地机器人[3]，苏州科沃斯[4]、苏州地贝等产品水平已经与Roomba扫地机器人相近，其产品包含了机器人定位、机器人感应、驱动、路径规划等关键技术，而且还有许多其它国产自动扫地机技术较差，是市场低端产品，勉强混进国内低端产品市场，一方面，这是因为国内的机器人技术起步比国外晚很多，另一方面，由于大部分地区消费水平限制使得自动扫地机在中国的市场接受度还不高[5]。

图4 小米扫地机器人
科沃斯扫地机器人是卖的比较火的一款产品，科沃斯在家庭扫地机器人行业站领先
地位，因为每销售三台扫地机器人就有两台是科沃斯的。

科沃斯地宝时最常用的扫地机
器人，它适用于家庭、办公区、及娱乐场所以及其它一些人员不便进入的地方，它是一
个集自动清扫和智能一体的地面清扫机器人，整个清扫过程不需要人的插手，还有定点
清扫、自动清扫、延边清扫、精扫四种工作形式可选。

科沃斯扫地机器人利用蜗轮系统
提高清扫的动力，从而使机器人打扫房间质量有保障，具有防撞防跌落的功能，及自主
充电功能。

现已面世的有5系、6系、7系、以及9系等多种产品，地宝可以工作在如
地板、瓷砖、地砖、短毛地毯等任何硬质地面[6] 。

图5 科沃斯扫地机器人
1.3 扫地机器人的组成结构
1.3.1 整体布局
机器人的结构主要由感知机构、移动机构、吸尘机构以及车体组成, 机器人的前轮
采用差动式驱动, 后轮采用随动轮。

基于机构和控制的复杂性, 机器人使用圆形状结构, 圆形状结构的最大优势就是控制起来简单, 运动起来不易和障碍物发生碰撞。

车体前端
两侧采用两个光电传感器, 这样就有四种组合方式, 也就是有四种状态, 这样就可以
识别一切障碍物, 不会有盲点[7]。

1.3.2 移动机构
移动系统是由两个伺服电机以及相应的驱动组成, 两个伺服电机分别带动两个后轮, 而后轮则采用随动轮, 这样就带动吸尘系统前行。

后轮采用随动轮, 而不是双轮, 这样做可以很好的加强了小车转弯的灵活性。

通过改变控制系统输出的PWM占空比, 可
对两个伺服电机实现较高精度的调速。

对两个伺服电机输出相同频率不同占空比, 电机
的转速则不同, 通过这样差速方式, 实现吸尘器的前进, 后退, 左转弯, 右转弯等功能。

这样便可是使扫地机器人随意转弯.同时转弯的速度可以通过单片机的程序进行调
节[8]。

1.3.3 感知机构
感知机构由分布在机器人两侧的光电传感器组成。

其采用光电元件作为检测元件, 一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成, 光电传感器对机器人的位置进行探测, 判断左右转弯是否可行。

1.3.4 控制系统
采用Atmel公司的ATmega16单片机最小系统, AVR单片机功能强大, 能够使得I/O 口资源灵活, 是一种处理能力极强的微控制器, 同时提供许多控制系统的选择方案[10]。

1.3.5 吸尘系统
吸尘系统采用小型吸尘器, 主要由吸道, 吸嘴, 气泵和吸室组成。

1.4 扫地机器人的特点
1.自带电源，小巧轻便，操作简单方便，实用性强。

2.工作环境为有限的封闭空间、平整的地板、瓷砖等硬质地面。

3.任务是清扫地面或地毯，吸收地面的灰尘、纸屑及其它一些小尺寸物体。

4.扫地机器人具有一定的自我保护功能[9]。

1.5 设计的重点难点
由于扫地机器人体积不能过大，所以怎么设计和装配好行走机构、扫地机构、吸尘机构及储存垃圾机构在这小型机器人中非常重要，也不容易。

扫地机器人中清扫机构设计[10]是本次设计关键部分也是毕业设计中的重点难点，其外形设计也要考虑清扫后如何来将储存、如何处理以及如何布置吸尘装置也是本次毕业设计重要详细考虑的问题，避障功能[11]和防跌落功能时机器人很重要的功能，也是本次主要涉及的一个难点[12]。

1.6 结语
本章主要阐述了我所选的课题研究背景及目的，介绍了扫地机器人国内外的发展状况，明确了本次设计研究的主题，并对本次设计的重点难点进行了总结。

1.7 参考文献
[1]“三叶虫”吸尘器亮相中国国际家电展[J].家用电器,2004(06):78.
[2]赵航,刘玉梅,卜春光,李艳杰,刘博.扫地机器人的发展现状及展望[J].信息与电脑(理论版),2016(12):167-168.
[3]小米发布米家扫地机器人[J].机器人技术与应用,2016(05):11.
[4]高华.科沃斯全新扫地机器人DJ3 独具“慧眼”让清扫更全面[J].计算机与网络,2018,44(05):25.
[5]傅一元.扫地机器人:它们正在发展,它们正在壮大[J].电器,2017(10):32-34.
[6]崔瑾娟.移动机器人路径规划技术现状与展望[J].安阳师范学院学报,2013(02):54-56.
[7]孔德平.基于AVR单片机的智能扫地机器人的设计[J].科技创新与应
用,2017(16):81.
[8]唐益协,周亮,魏泽宇,吴智辉,董清.多功能扫地机器人的设计及制作[J].科技
风,2018(19):12.
[9]王继超. 基于ARM的家用清洁机器人软件设计与研究[D].浙江工业大学,2011.
[10]万军,张郭,杨代强.基于STM32的智能扫地机器人避障系统设计的研究[J].中国高新区,2017(13):22.
[11]程丽霞.智能扫地机器人系统设计[J].机械工业标准化与质量,2016(09):27-29. 程,2005(03):198-202.
[12]Li Fangyun. Design and Simulation of Intelligent Controller of Cleaning Robot[A]. Institute of Management Science and Industrial Engineering.Proceedings of 2018 6th International Conference on Machinery,Materials and Computing Technology(ICMMCT 2018)[C].Institute of Management Science and Industrial Engineering:计算机科学与电子技术国际学会(Computer Science and Electronic Technology International Society),2018:5. [13]Mi-mi Wang. The Design of Intelligent Cleaning Robot[A]. Research Institute of Management Science and Industrial Engineering.Proceedings of 2017 2nd International Conference on Machinery,Electronics and Control Simulation(MECS 2017)[C].Research Institute of Management Science and Industrial Engineering:计算机科学与电子技术国际学会(Computer Science and Electronic Technology International Society),2017:5.
[14]Mao Limin. The Cleaning Coverage Test System of Sweeping Robot[A]. International Information and Engineering Association.Proceedings of 2018 3rd International Conference on Mechatronics and Information Technology(ICMIT 2018)[C].International Information and Engineering Association:计算机科学与电子技术国际学会(Computer Science and Electronic Technology International Society),2018:8.
2 本课题要研究或解决的问题及拟采用的研究手段
2.1 预计达到的目标
本毕业设计目标是拟设计一种轮式的小型车辆平台，具备路径规划、障碍物探测及躲避等基本功能，要求完成一台扫地机器人行走机构的机械和控制系统总体设计，并对其运动系统进行详细设计，使设计的扫地机器人具备基本的运动及清扫功能。

2.2 扫地机器人的组成结构
智能扫地扫地机器人一般由机器人和基站两部分组成，机器人主要负责清扫地面，同时具有遥控功能，自动避障，自动返回基站充电等功能。

扫地机器人由五部分组成：主控制系统部分，驱动电机部分，传感器部分，清扫部分和电源部分。

电源部分：提供机器所需要的动力系统，是至关重要的一部分；
主控制系统部分：相当于人的大脑，起到连接对肢体的支配；
驱动电机部分：相当于人的肢体，被控制起到协调作业；
传感器部分：相当于人的五官，起到对外界的感知作用；
清扫部分：在智能吸尘器里面嵌入真空吸尘器，吸取杂尘。

图6 扫地机器人结构框图
2.3 扫地机器人的工作原理
扫地机器人的机身为自动化技术的可移动装置，与有集尘盒的真空吸尘装置，配合机身设定控制路径，在室内反复行走，如：沿边清扫、集中清扫、随机清扫、直线清扫等路径打扫，并辅以边刷、中央主刷旋转、抹布等方式，加强打扫效果，以完成拟人化家居清洁效果。

2.4 拟采用的研究手段和解决途径
2.4.1主要设计指标
机身圆盘直径350mm，高度100mm。

底盘需要和地面有一定的距离便于毛刷清扫，此距离不宜过大也不宜过小，过大可能清扫不彻底，过小毛刷旋转被阻碍，因此，规定底盘与地面80mm。

设计轮子大小过程中，轮子直径不能大于80mm。

机械部分采用双电机控制两个轮子，驱动轮放在车身中心，与前方一个万向轮形成支撑作用，保证车子可以360°原地旋转，保证车子自由运动。

控制部分拟采用单片机控制，包括控制驱动电机、传感器及控制程序。

2.4.2扫地机器人总体结构的设计方案
扫地机器人的总体布局方案如图7所示，总体结构主要由机身、电源部分、移动部分、清扫部分以及传感器部分组成。

机身，整机采用成本低廉且经久耐用的塑料作为材料，经过喷漆喷塑处理后在外观上面得到了一定的保证。

电源部分：选用可充电的镍氢电池，它相比传统的镍镉电池，具有电容量高、放电深度大、耐过充和过度放电、充电时间短等优点。

电池安装在机器人的两侧中部，由于容量大的电池，重量也大，会影响机器人的行走速度，继而消耗更多的电能，因此不能单一追求电池的电能而忽略重量的适度，否则将严重影响机器人的工作效率。

移动部分，采用轮式移动机构，成本低，运动平稳，完全可以满足运动要求。

清扫部分，毛刷采用尼龙边刷，材质坚固耐用，辅助清理死角。

传感器部分，通过多种传感器感知外界环境，其中包括：行进路线传感器、防跌落传感器等等。

避障功能是扫地机器人必备的功能，由于室内环境复杂，在无人看管的情况下，机器人需要自动识别障碍物并绕开行走。

图7 扫地机器人总体结构图
图8 驱动轮装配图图9 机身结构图图10 毛刷结构图
2.4.3关键结构（移动部分）的分析
本设计采用三轮结构，前轮为万向轮起支撑和伴随转向的功能，左右两侧为驱动轮，在机器人绕墙行走的过程中，主要通过直行、左转右转3个基本动作完成区域遍历。

机器人通过两个后轮的速度差来实现机器人的转向，当机器人需要左转时，中央处理单元通过指令使机器人左轮减速、右轮加速。

图8 移动部分简图
2.5 结语
本章介绍了扫地机器人的总体设计目标，并按照功能将结构分为5个部分，结合其总体框图分别阐述了每个部分需要实现的功能、选择的器件、以及初步实现方法，为机器人的硬件和软件设计提供了相关的依据。