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

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。

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。

前扫地机器人顶部

图6 防跌落传感器分布

扫地机器人顶部

图7 扫地机器人遇台阶示意图

防线缠绕：

扫地机器人工作过程中，可能会遇到细线缠绕清扫刷的情况，使清扫刷无法正常旋转，从而造成扫地机器人不能正常工作。为了解决此问题，可以在扫地机器人中安装接近传感器，利用接近传感器测量电动机的转速，以此来判断清扫刷工作是否正常。当细线缠绕清扫刷时，致使清扫刷停止旋转，从而导致电动机停止转动，此时传感器测得电动机转速为零，控制器接收此信号后向扫地机器人发送控制信号，切断电动机电流，同时发出求救信号。同时设计扫地机器人在发出求救信号3分钟后自动关闭扫地机器人电源功能，防止家中无人的情况。扫地机器人防止线缠绕流程示意图如图8所示。

图8 防线缠绕流程示意图

电池电量监控：

移动电源在吸尘机器人中的地位十分重要,可以说它是吸尘机器人的生命源。移动电源需同时为移动机构提供动力，为控制电路提供稳定的电压，为吸尘操作模块及传感观测模块提供能源等。在这一领域,一般采用化学电池作为移动电源,如铅酸电池、NiCd等。理想的电源在放电过程中应该能够具备：①保持恒定的电压；②内阻小以便快速放电；③可充电；④成本低等特点。

为了实现对扫地机器人电池电量的安全监控，可以在扫地机器人内部安装库仑计，用来检测扫地机器人电池电量变化。库仑计是在电池的正极和负极串连一个电流检查电阻，当有电流流经电阻时就会产生一个监控取样电压，通过检测这个监控取样电压计算流过电池的电流，就可以精确跟踪电池电量变化。库仑计测量原理如图9所示。

图9 库仑计测量原理

另外通过温度传感器测量电池温度，与库仑计测得的电池电压相互配合，可以极大减少电池老化等因素对测量结果的影响。

4、创新功能

灰尘量智能识别

扫地机器人需要根据某处灰尘量多少自动安排清扫时间，为实现这个功能，在扫地机器人吸尘口上方安装灰尘传感器。灰尘传感器安装位置如图10所示。

扫地机器人顶部

图10 灰尘传感器安装示意图

灰尘传感器利用可变间距电容传感器实现。当吸入灰尘越多时，灰尘撞击电容传感器下极板越剧烈，使灰尘传感器极板振动越剧烈，输出信号越强。扫地机器人控制器根据灰尘传感器信号的强度进行判断，发出相应控制信号，使扫地机器人根据某处灰尘多少自行决定清扫时间长短。

床底智能清扫

一般来说，床底、柜子底等地方相对较脏，因此这些地方需要重点清扫，以保证清洁度。为实现此功能，在扫地机器人正面安装8个光敏传感器。光敏传感器安装位置如图11所示。

扫地机器人在床底或柜子底开始工作后，光敏传感器接收的光强较弱。当扫地机器人运行离开床底或柜子底时，光敏传感器接收到的光强发生变化，向控制

前

前

扫地机器人顶部

图11 光敏传感器分布

器发送信号，控制器发出控制信号，使扫地机器人转向，重新回到暗处，继续进行清扫。扫地机器人在床底或柜子底清扫路径的规划可以参考智能导航系统中路

径规划的方法。

手机遥控模式

在扫地机器人内部安装蓝牙等模块，与手机实现通讯，利用相应软件，通过手机实现对扫地机器人的手动控制。

尖端气流滤尘技术

气流滤尘器是一个全封闭系统，既无外部气体吸入，也无机内气体排出，其原理是利用附壁效应去形成低压涡流气体，最后将沉渣截留于吸尘器内的涡流腔内。

室内空气质量监测与提醒

为了监测室内温度、湿度和空气质量等，在扫地机器人内安置温度、湿度和监测空气质量的传感器。当传感器接收到这些环境信息时，经过放大、滤波、转换变成数字信号，扫地机器人控制器对这些信息进行处理。同时设计当室内的空气质量出现异常时，如甲烷超标，煤气泄漏等发生时，扫地机器人能够完成检测并实现及时报警功能。

5、其他基础功能

自动返回并充电：

自动返回并充电对扫地机是非常重要的，因为扫地机器人自带的充电电池电量有限，不一定能保证完成清扫工作，这就需要扫地机器人能自动对接充电。扫地机器人利用红外信号来确定充电基座位置，并自行运动到充电基座，完成自动充电。

当扫地机器人检测到电池电量小于规定值时，扫地机器人上的红外发射装置在控制器的控制下发射一个传播距离较远并且覆盖角度较窄的红外信号，用于搜寻充电基座的位置，同时扫地机器人向充电基座发送信号；充电基座接收到扫地机器人发射的信号后，基座上的红外发射装置发射一个传播距离近且覆盖角度窄的红外信号，用于在机器人到达充电站附近与充电站进行对接时使用。

在搜寻充电基座位置时，扫地机器人先缓慢地原地旋转。在扫地机器人旋转

过程中，当充电基座接收到扫地机器人发射的红外信号时，充电基座向扫地机器人发送信号，扫地机器人接收到信号后停止旋转，并按照此方向行进。扫地机器人行进到充电基座附近时，利用充电基座发出的红外信号精确地与充电基座进行对接，完成自动对接充电。扫地机器人自动寻找充电基座位置原理示意图如图12所示。

图12 自动寻找充电基座原理示意图

灰尘盒安装检查

在扫地机器人开始工作之前，首先要保证收集灰尘的灰尘盒已经安装到位，否则进行报警。为实现该功能，在扫地机器人灰尘盒卡槽内安装压力传感器，通过压力传感器来检查灰尘盒是否安装到位，压力传感器安装示意图如图13所示。

扫地机器人顶部

图13 压力传感器安装示意图

压力传感器利用了电阻应变片元件，电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

当灰尘盒装入指定位置时，盒与压力传感器接触，压力传感器受到压力，发送信号给控制器，说明盒已安装；反之灰尘盒未装入指定位置时，压力传感器无信号输出，控制器无法收到信号，发出警告。

灰尘盒容量探测

为了监视扫地机器人灰尘盒中灰尘是否装满，在灰尘盒两侧安装变介质型电

容传感器。电容传感器安装示意图如图14所示。

扫地机器人顶部

图14 电容传感器安装示意图

当灰尘盒中灰尘高度到达电容传感器高度时，电容传感器中的介质发生改变，由于灰尘的介电常数与空气的介电常数不同，从而引起传感器电容变化，传感器将信号传给控制器，控制器控制扫地机器人发出报警信号，知道灰尘盒被清空。