基于Arduino的自动拖地机器人结构设计.docx

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基于Arduino的自动拖地机器人结构设计

基于Arduino的自动拖地机器人

—结构设计

基于Arduino的自动拖地机器人

—结构设计

摘要

本设计主要是针对当前市场上的扫地机器人或者扫拖一体的机器人中存在的不足加以改进，扫地方面的运用已经较为成熟，本文主要是从拖地功能方面的改进进行论述。

清扫机器人当前的现状是大多数是以扫地为主，以拖地为辅助功能的。

在扫地方面工作原理是利用电动机的高速运转，在主机内部形成真空环境，并通过高速运行产生的气流将灰尘等垃圾吸入到布袋机中。

但是在拖地功能上并非没有此功能，就是该功能上存在诸多的不足之处。

因此针对拖地机器人中抹布拖地时渗水过多、抹布更换麻烦等这些问题，由此对拖地机器人进行结构性的侧重改进。

总体结构上，外部将抹布擦地改进为履带式行进拖地，内部将设计挤压结构、往复机构、过滤结构、清扫装置、垃圾收集箱等，能让拖地机器人具有更换抹布简易、自动清洗抹布、自动挤压抹布水分、过滤脏水以及垃圾收集等功能，从而来达到改善拖地效果以及提高拖地效率的目的。

关键词：

结构设计；拖地机器人；自动过滤；自动挤压；履带式行进；

Arduino-basedautomaticmoppingrobot

-structuraldesign

Abstract

Thisdesignismainlytoimprovetheshortcomingsofthecurrentsweepingrobotsorrobotsintegratedwithsweepinganddragging.Theapplicationofsweepingisrelativelymature.Thisarticlemainlydiscussestheimprovementofthemoppingfunction.Thecurrentstatusisthatmostofthecleaningrobotsarebasedonsweeping,andmoppingthefloorasanauxiliaryfunction.Theworkingprincipleofsweepingisbasicallythehigh-speedoperationofthemotor,soastoformavacuumonthehost,andusetheairflowgeneratedbythehigh-speedoperationtosuckdustanddirtintothebagmakingmachine.However,themoppingfunctionisnotwithoutthisfunction,buttherearemanyshortcomingsinthisfunction.

Therefore,inviewofsuchproblemsasexcessivewaterseepageandtroubleinreplacingtheragwhentheragisbeingdraggedinthedragrobot,structuralemphasisisputonthemoppingrobot.Overallstructure,theexternalwiperisimprovedtoacrawler-typetravelingmopping,theinternalwillbedesignedsqueezestructure,reciprocatingmechanism,filterstructure,cleaningdevice,garbagecollectionbox,etc,sothatthemoppingrobotcaneasilyreplacetheragandcleanThefunctionsofrags,automaticsqueezingofragmoisture,filteringofdirtywater,andgarbagecollection,etc,areusedtoimprovethemoppingeffectandtheefficiencyofmopping.

Keywords:

Structuraldesign;Floormoppingrobot;Automaticfiltration;Automaticextrusion;Crawlertravel;

1绪论

1.1拖地机器人的研究背景及意义

1.1.1拖地机器人的研究背景

如今随着市场经济和科研技术的不断发展，我们不仅仅局限于在工业市场上去研究机器人，越来越多的机器人出现在了我们的生活之中。

在20世纪，人们想到了用机器代替烦人的室内清洁工作，并制造诸如吸尘器之类的家庭服务工具。

早初的吸尘器工作时会产生很大的噪音，而且清洁地也不是很彻底，也无法实现自动清扫。

所以，如何实现清洁机器人的自动化以及高效率地工作就成为只要的研究方向。

另一方面，随着时代的进步，人们的思想方面也发生了很大程度上的改变。

在以前，家里的清洁工作一般都是由女性来负责的，这些工作都需要一定的时间去完成，要负责这些工作自然无法去完成别的事情。

而现在，大部分的女性都需要去工作，同时丈夫也需要赚钱养家糊口，这就造成了家里的清洁工作没有人打扫。

这也是现如今大部分家庭的主要矛盾。

而要解决这样的矛盾，能够自动扫地、拖地的机器人就成为了关键。

近些年来，机器人行业的发展，越来越受到各国政府的重视，美国、德国、日本等一些发达国家都将机器人技术纳入到国家发展战略中去，为将来的科技革命做好一定的准备。

在这种背景下，人们越来越迫切能顾自动完成家庭清洁工作的机器人，各类研究生产公司纷纷将目光投向于家庭清洁机器人这块大蛋糕。

《家电家居行业2020Q1业绩前瞻：

压力下亦有亮点，关注企业能力分化》根据数据显示，2020Q1以来，受益于疫情宅家时间增长，家庭清洁需求增加，扫地机线上需求明显回暖，2020年2、3月线上零售额均同比增长20%+。

科沃斯、小米、石头依然分列线上份额前三，但新锐品牌云鲸凭借差异化的拖地机器人产品一跃升至第四位[1]。

从中可以看出拖地机器人有着巨大的市场潜力，将会有越来越多的著名的电子技术公司开发出各种家庭服务机器人，以将其越来越快地推向市场。

家庭服务机器人技术变得更加成熟和高效，使人们的生活更加便捷。

1.1.2研究拖地机器人的意义

在当下，拖地机器人有着巨大市场和消费前景。

目前，虽然市场上存在不少的智能扫地以及拖地机器人，但是它们在拖地方面存在着一定的缺点。

例如，某品牌的拖地机器人内部储存的水渗流过多，导致拖地的抹布水分过多，从而影响到拖地的效果，使得拖过地后地板水分过多，易打滑。

并且拖地的抹布在脏的地方再拖一次就变会变得更脏，没有经过清洗就反复地抹地，会使得地板越拖越脏，导致拖地效果十分不佳。

另一方面，许多拖地神器，虽然能比较好的完成拖地任务，但是需要人工经常换洗抹布，从而影响拖地的效率。

所以，是否有两全其美的解决方案呢，既兼顾拖地机器人的优点又有拖地神器的优点。

针对拖地机器人目前存在的缺陷，我们提出了解决渗水过多以及抹布清洗，更换等问等的解决方案，与此同时具有节水、省时、省力等方面的优势，经过综合考虑，我们需要设计出这样一款拖地机器人，来解决上述问题。

伴随着社会发展趋势，人们的生活节奏在加快，工作压力也在不断扩大。

许多人期望平时摆脱家庭的繁琐清洁工作。

随着宏观调控的调节下，人们生活水平不断提高，经济也快速发展着。

渐渐年轻人成为了消费的主要动力。

由此看来，家庭机器人具有巨大的发展潜力[2]。

在借鉴现有的技术基础之上，保证节约用水和擦地的质量、效率的前提下，设计一款稳定的自动拖地机器人，才能把年轻人以及家庭主妇从繁忙的家务劳动中解放出来。

1.2拖地机器人的发展现状和趋势

1.2.1国内外拖地机器人的发展现状

世界上服务机器人的市场水平仍处于起步阶段，但由于劳动力短缺和老龄化严重的影响，使得科技发展的趋势越来越迅速。

未来几年，全球服务机器人市场预计将保持14％以上的复合增长率，并具有非常高的增长潜力。

美国是世界上最先拥有机器人技术的国家。

作为发源地，美国的机器人技术在世界上一直处于领头羊位置，他的技术十分全面，非常先进，而且在各个环境下都能适用。

在军事上的应用、医学治疗中的服务、家庭服务机器人等行业中都具有绝对的优势，占据了世界服务机器人市场约60%的份额。

日本是使用机器人最多的国家之一，并且机器人技术已被纳入国家战略发展布局上，在机器人产品的研究领域投入大量的资金和人才，积极推动机器人产业的发展，这就使得日本的机器人技术比较先进，数量储备大。

在2006年时，韩国政府就认识到当前全球机器人市场的中心是从机器人制造向服务机器人转变。

基于这样超前的眼光，韩国开始积极开发机器人技术，并将机器人技术列入国家发展战略布局中的十大“发动机”产业之一，开始所谓的“机器人强国”战略布局，促进自己国家的工业迅速发展。

因此虽说机器人技术在韩国工业发展中起步比较晚，但是其发展十分迅速，有望在未来的几十年内追赶上美国、日本等机器人技术发达的国家。

德国的家庭服务机器人开发最为成功，他在科学领域中的先进地位使其拥有先进的科学技术，在工业制造中的技术极其精密等等这样有力的条件，有力地保障了他们机器人的研发，使其成为机器人技术开发领域的全球领导者。

2010年，我国开始有关扫地机器人的研究，从它的智能化发展阶段来看可分为两个阶段。

其一是将智能手机与扫地机器人相联系的实现过程，其二是通过各类传感器接收与观测环境信息的过程。

实现扫地机器人全自动化，不仅能一站式自主导航定位又能达到高效清扫的目的。

在清洁类机器人的产品中，导航系统在其传感技术中发挥着重要的作用，这便使得扫地机器人工作起来更加智能。

导航系统现在已经应用在了一些中高端的器械设备上，相信在不久的将来，导航系统能让扫地机器人往人工智能的方向发展[3]。

扫地机器人虽然有着各种各样的优点，但在我国家庭中扫地机器人的拥有率并不高。

扫地机器人在沿海地区拥有率仅为4％-5％，在内陆地区仅为0.6％。

但在美国，扫地机器人有用率达16%。

清洁机器人的补充和替代是洗衣机和吸尘器，但这也可以说明，我国在清洁类智能产品上，还有巨大的发展空间。

如果说清扫机器人拥有率极低，那么拖地机器人的可以说是一张白纸。

若是能打入拖地机器人市场中也是一大片光明的发展前景。

清洁机器人产品的功能在未来将继续发展和完善，下一个技术发展趋势是融合传感器系统，使智能化程度提高，改进网络服务的功能，发展多机协作和自学功能。

1.2.2拖地机器人的发展趋势

目前，家庭辅助机器人在我们的生活中每年以10％以上的速度增长，使人们摆脱繁琐的家庭劳动。

并且随着计算机和工业发展的浪潮，各种家庭服务机器人（例如扫地机器人）将层出不穷。

不论是在国内还是国外，在研究机器人方面都有很大的进展，但提及拖地机器人还应在下面几个方面去发展[4]：

（1）降低成本。

如今拖地机器人售卖价格较低，但是用户体验效果差，出现抹布拖地时渗水过多、抹布更换麻烦、越拖越脏等问题，而高端的机器人集中了大量的的先进设备和技术，虽然清洁效率高、清洁效果好，但是价格昂贵，不利于拖地机器人的普遍推广。

（2）功能多样化。

现在人们能在商场或网上买到的大多数是扫地机器人，这个在大城市许多家庭中是较为普遍的；其次就是拖地机器人，这在市面上见到的还比较少，许多人还不敢去买它，因为普遍率还比较低，人们不愿意花几百甚至上千块去尝试。

那就更不用说拥有这两种功能的清洁机器人了。

如果将这两种机器人结合在一起，就可以提升清洁机器人的使用价值，让机器人技术的发展更上一层楼。

（3）提高电池容量。

镍氢电池是如今拖地机器人所普遍使用的，但花费在充电的时间上多和其较短的使用寿命。

当清洁面积较大时，虽然能够自动返回充电，但是超长的充电时间会让它有比较大的使用局限性。

增大电池的体积是目前延长拖地机器人工作时间比较好的方式，同时开发新型材料的电池也是不可少的，这样不仅能够节省拖地机器人的内部空间、减轻总体重量,还为更长的续航能力准备了条件。

1.3本设计的主要内容及目标

根据目前的市场同类产品调查情况表明，大多数是以扫地机器人的形式外加抹布擦地功能，其作用功能最多也就是在扫地的同时进行擦拭干净地板功能，并未能够达到很明显的水洗干净地板的效果。

针对该情况，本文主要是对设计一款功能性的拖地机器人，能够基本完成拖地、拧干抹布、清洗抹布，过滤脏水，收集垃圾等功能。

拖地机器人设计设想为将擦地改进为履带形式擦地，并且可自动过滤脏水以及杂物，同时可以把抹布挤压水分干至箱体外部进行擦净，然后再传入箱体自动洗净滤干，如此一次次反复工作使用。

设计过程大体为：

根据所学的知识及对拖地机器人的研究，先在纸上把大体的样子画出来，然后用Solidworks绘图软件及查找相关的书籍和论文一步一步设计出从动轮、从动轮轴、顶板以及清洗装置、过滤电机、过滤板、行走轮子、旋转电机、圆形毛刷、主动轮、主动轮电机、主动轮配件以及主体箱等主要结构零件，然后就是把每个结构组合在一起，接着完成整体装配，最后进行运动仿真。

仿真没有问题后，根据其他组员提供的硬件模块大小，先用纸做一个大概的模型，然后确定主体大小，接着确定各个零件大小，最后查阅资料，选择合适的材料制作，组装完成后，检查抹布是否能正常顺畅的滚动，轮子能否正常行进，毛刷能够转动。

没有问题后，装上硬件输入程序进行调试。

本设计要完成的目标：

（1）学习机械设计原理及机器人机构设计方法，打下一定基础

（2）根据所学内容完成拖地机器人零件设计

（3）进行装配及运动仿真

（4）实物尺寸的确定，制作实物

（5）实物的组装与检测

1.4本章小结

本章主要论述拖地机器人的背景及意义、国内外的发展现状和发展趋势，对其分析得出本设计进行的必要性，然后论述了本设计的主要内容，讲述了本设计中结构设计的主要过程和所要完成的目标。

2自动拖地机器人的总体方案设计

2.1设计概述

根据目前的市场同类产品调查情况表明，大多数是以扫地机器人的形式外加抹布擦地功能，如图2.1所示，其作用功能最多也就是在扫地的同时进行擦拭干净地板功能，并未能够达到很明显的水洗干净地板的效果。

针对拖动机器人中抹布拖地时渗水过多、抹布更换麻烦等这些问题，由此对拖地机器人进行结构性的侧重改进。

总体结构上，外部将抹布擦地改进为履带式行进拖地，内部将设计挤压结构、往复机构、过滤结构、清扫装置、垃圾收集箱等，能让拖地机器人具有更换抹布简易、自动清洗抹布、自动挤压抹布水分、过滤脏水以及垃圾收集等功能，从而来达到改善拖地效果以及提高拖地效率的目的。

图2.1目前大多数扫地兼拖地机器人底盘示意图

2.2设计要求

既然市面上已经存在了一些种类的拖地机器人，结合各类机器人存在的一定功能上的缺陷，设计出一款拖机器人，要让其具有更换抹布简易、自动清洗抹布、自动挤压抹布水分、过滤脏水以及垃圾收集等功能。

在设计过程中要注重如下几个方面：

（1）抹布可以一边拖地，一边清洗过滤。

（2）拧干抹布的同时不阻碍抹布循环运动，并提供动力让抹布循环运动。

（3）过滤脏水的方式，考虑是否过滤比较干净。

（4）清扫抹布上的刷子如何能有效地清洁垃圾而又不损坏抹布表面。

（5）辅助转动轮在帮助整个机器人左右转动的情况下不阻碍抹布行进，不减少抹布拖地的有效面积。

2.3拖地机器人行走方式的选择

机器人之所以能够行进，与它的行走机构是分不开的。

一个设计好的行走机构能让机器人的性能提升好几倍。

机器人行走的方式多种多样，常见的有履带式、轮式、足式等，而他们其中又能两两组合起来，使得机器人行走更加方便[5]。

接下来介绍3种机器人行走的方式：

（1）轮式。

一般的机器人用轮式作为行走机构行进时，会采用3个轮子、4个轮子或者更多。

3个车轮的优点是所有的车轮都会着地，不会产生空转现象，控制稳定。

但当重心经常偏移时，相比3个轮子而言，4个车轮更加稳定。

当机器人采用4个轮行走时，若是其中一个轮子的中心调整不当，会使得4个轮子在行走时不能同时着陆，这样会让机器人在行走时左右前后晃动，控制困难，不能正常行走。

当机器人用4个轮子驱动行走时，它的直线行驶能力比较强，驱动能力足够大，但是它的制作成本高，而且它所需要的硬件控制要更为复杂。

因此选用四轮驱动时，为了防止机器人行走前后左右晃动以及打滑，就需要更加精密的结构设计，

图2.3.1四轮驱动

四轮驱动还有一种方式，那就是前面的两个轮子转向，后面的两个轮子驱动。

这样子的行走机构，要想前轮能够转向，得需要电缸、涡轮蜗杆等机构的配合使用才能够实现。

后面的轮子想要驱动，加一个电机和差速减速器就行了。

这样子的行走方式制作成本比较低，而且控制简单，但是缺点就是在转弯的时候，半径比较大，控制的力度不好掌握，使用时就不那么的灵活。

图2.3.2前轮驱动+后轮驱动

万向轮作为轮子中一种特殊的轮，在机器人行走机构中加入它，会使得机器人在平地中行走变得平稳，但是它有一种缺点就是不能越过一定高度的障碍物。

万向轮的用处很多，它常常用来控制转向，缺点就是在静止状态下会产生很大的阻力。

想要控制转向还有一种办法就是调节左右轮的速度差，根据重心、转弯半径等设计要求，把万向轮和另外一个轮子安装在机器人上。

这样子的行走机构设计简单，算法简单，控制也就比较容易，并且可以提高机器人的灵活性[6]。

图2.3.3两轮驱动+万向轮

（2）履带式。

这种行走机构一般具有两个主动轮，分别由两个直流减速电机控制，当两个减速电机的转速相同时，机器人直行；当两个减速电机有速度差时，机器人可转向。

但是这种机构的缺点是比较复杂，运动惯性大，减振的能力差。

因为履带支撑的面积大，接触地面时挤压地面的压力小，因此它的越野能力比较强，机动性能较好，在爬坡能力、越过障碍物等方面都比轮式行走机构强。

同时履带式机器人还具有重心低、行驶平稳、控制简单的优点。

它的缺点就是在前进、后退时，易打滑；转向的时候左右两边的履带具有速度差，这样产生的转弯阻力就会比较大，造成转向困难。

（3）履带与轮子组合式。

当机器人运用履带与轮子组合而成的行走机构时，他不仅具有轮式的特点，在平地上行走，驱动力大；还具有履带式的特点，重心低能够攀爬坡度小的楼梯，越过障碍物。

但是它的缺点在于履带与轮子的组合，需要用到的面积比较大，这就造成机器人的底盘面积大，重量大。

表2.3行走方式的比较

优点

缺点

轮式

前轮转向+后轮驱动

成本低、控制简单

转弯半径较大，使用相对不灵活

两轮驱动+万向轮

灵活性较强、且算法易控制

对设计中心、转弯半径的要求大

四轮驱动

直线行走能力较强、驱动力较大

成本过高，电机控制较复杂

履带式

适合在各类复杂地面运动

速度较低，运动噪声较大

履带与轮子组合

重心低、行进平稳、翻越障碍

底盘面积较大

因此，本设计采用履带式加轮子的组合方式行进。

但又区别于这种行进方式，是对这种行进方式的改变。

首先是拖地时的抹布将替代作为行进的履带，然后是箱体两侧加上辅助轮，以方便拖地机器人转向。

这样做的好处就是抹布不仅可以拖地，还能作为行走，减少了结构上设计；虽然增大了行进时与地面的摩擦面积，影响了行进的速度，但是拖地机器人恰恰不需要的是速度，它需要缓慢地行进拖地，而且与地面的摩擦阻力还间接地帮助拖地机器人运动；抹布为布料，与地面接触时还有水减弱噪音，所以运动噪声较大的问题也解决了。

所以，这种行进方式的改变适用于本设计。

2.4清洗装置中动力的选择

在主体箱中，水放入到箱体里。

若没有一个动力的驱动，里面的水将不会循环流动。

这样子的话，抹布的清洗只能靠刷子，会清洗不干净。

这是一方面，另一方面，若水不流动，掉落在水中的垃圾碎屑会逐渐无规律的聚集在内部箱体底部，无法收集，一段时间不打开箱体清洗，垃圾多了会加重整个机器人的重量，使得行进困难，无法拖地。

最不好的方面就是垃圾持续待在水中不过滤，会使得水越来越脏，这样拖地的效果就变得差了，无法达到我们设计的要求。

因此，我们要选择一个动力来驱动水的流动，使水按照一定方向流动，不仅能清洗抹布，而且能带到水中的垃圾碎屑向过滤装置和垃圾收集装置运动，完成水的清洁及垃圾的收集。

看到了我们平时喝茶时用来取水的装置，我想到了抽水泵。

抽水泵一般具有两个口，一个为抽水口，另外一个为排（出）水口。

在抽水泵工作时抽水口处长时间内形成真空或者负压，与外面的大气压作用下形成压力差，在这种作用力下，抽水泵将气体或者水从抽水口吸入到泵体中，然后从排水口排出，而排水口处形成微正压环境。

抽水泵具有体积小巧、产生的噪音低、不用维护，成本低、可以连续24小时运转等优点。

正是基于这样的特点，在本设计在清洗装置动力的选择中采用的是12V的电茶炉通用水泵。

图2.4.1抽水泵侧视图图2.4.2抽水泵正视图

2.5拖地机器人总体方案设计

本设计采用履带式行进的方式进行拖地，如图2.5所示。

抹布首尾相连，形成一个闭环，外面包裹着主体箱的前后及底部，底部与地面摩擦的部分不仅能拖地而且促使其向前运动；抹布进入内部后首先与主体箱内的水接触进行第一次清洗，接着会被两个刷子清洗在抹布上不易掉落的垃圾碎屑，在被刷子清洗的同时也受着水的冲洗，这样完成了二次清洗，接着抹布受主动轮挤压抽的动力作用上升，在上升过程中受重力影响会掉落一部分水，这样减轻了上升所需的力，而挤压抽就不用那么高的动力来驱动；最后，抹布通过挤压抽清除抹布中的大量水分，减少抹布与地面接触时残余过多的水分。

当拖地机器人工作时，抹布履带会带动整个机器人运动前进，履带式抹布可以实现与地面最大接触面积从而达到最大的擦洗效果。

使用这种办法，该拖地机器人的最大特点是能够拥有极大有效面积地拖地，同时抹布会自动在箱体内部进行冲洗以及滤干。

与地面接触的部分拖地，另一些部分在主体箱箱内清洗，这样拖地的效率极其高。

从另外一方面讲，会比较节约水资源，整个箱体内部使用不到1L的水就可以反复不断清洗过滤使用。

但拖完一定区域时，及时更换水箱内的水即可。

从清洁效果来看，也是比普通的扫地机器人更好，拖地的效果更佳。

图2.5履带式拖地机器人抹布运动方向示意图

2.6本章小结

本章节在开头直接对拖地机器人的设计进行了概述，接着罗列了本文要设计的要求。

随后，对拖地机器人的行进方式进行选择和对比，挑选出能够符合本设计要求的履带加轮子的行进方式。

选择了12V的电茶炉通用水泵作为清洗装置的动力驱动。

最后对自动拖地机器人进行一个总体方案的概述，以及总体方案思路和示意图。

3对自动拖地机器人的零件设计

3.1三维建模零件

整个拖地机器人需要的零件有从动轮、从动轮轴、顶板以及清洗装置、过滤电机、过滤板、行走轮子、旋转电机、圆形毛刷、主动轮、主动轮电机、主动轮配件以及主体箱等。

如表3.1所示为拖地机器人的零件明细。

表3.1拖地机器人的零件明细

名称

数量

名称

数量

挤压装置

主动轮

1

清洗装置

圆形毛刷

2

主动轮配件

1

旋转电机

2

主动轮电机

1

过滤装置

过滤电机

1

从动轮

1

过滤板

2

从动轮轴

1

主体

主体箱

1

行走装置

辅助轮

2

顶板

1

3.2挤压装置

挤压装置是拖地机器人整体的核心部分，是作为自动拖地机器人行走的动力驱动装置。

挤压装置主