CN108294692B - 一种智能家用清扫机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能家用清扫机器人，属于智能机器人领域；由左边刷机构1、右边刷机构7、滚刷机构2、底盘3、行走机构4、万向轮6、吸尘机构5和控制***组成。控制***包含主控***、执行电机***、传感器***、液晶显示***、电源***和路径覆盖算法；通过控制***控制实现机器人参数设置，机器人自我检测等功能，路径覆盖算法采用犁耕式清扫算法，大大提高了清扫机器人的清扫速度和清扫效率。与现有的家用清扫机器人相比，本发明设计的清扫机器人的机械结构更简单、更容易实现。

Description

一种智能家用清扫机器人
技术领域
本发明涉及智能机器人领域，具体涉及一种智能家用清扫机器人。
背景技术
随着科学技术的不断进步，智能机器人技术迅猛发展，其中服务型机器人逐渐成为科学家的研究对象。服务机器人中发展最快的是清扫机器人，清扫机器人融合了机械学、电子学、控制技术、计算机技术等多个学科，将机器人的移动技术和吸尘器的吸尘技术结合在一起，属于多学科交叉的产物。家用清扫机器人的出现主要有三大原因：一是劳动力成本的上升；二是人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动，如清洁、家务、照顾病人等；三是人口的老龄化和社会福利制度的完善也为某些服务机器人提供了广泛的市场应用前景。家用清扫机器人的研发实现了家居的智能化，并且有利于其他相关技术的发展。
虽然清扫机器人已经走进市场，但是清扫机器人的价格和很多核心技术仍然制约着清扫机器人的普及。因此，需要研制出清扫速度快、清扫效率高的智能清扫机器人。
发明内容
本发明的目的在于针对现有清扫机器人存在的问题，设计一种结构简单、价格低廉、清扫速度快和清扫效率高的智能清扫机器人。
本发明的目的是这样实现的：
一种智能家用清扫机器人，其特征在于，包括左边刷机构1、右边刷机构7、滚刷机构2、底盘3、行走机构4、万向轮6、吸尘机构5和控制***；左边刷机构1、右边刷机构7；其中、万向轮6安装在底盘3中轴线最前方，左边刷机构1与右边刷机构7对称安装在万向轮6后，滚刷机构2安装在左边刷机构1与右边刷机构7之后；行走机构4对称安装在滚刷机构2之后；吸尘机构5安装在行走机构4之后，吸尘通道通过底盘轴心通向滚刷机构2。
所述的边刷机构为旋转机构，包括边刷电机101、六角联轴器102、紧定螺钉103、内六角螺钉104和边刷105；所述边刷为扇形发散毛状，其底座轮廓为圆形中间为内六角形凹槽，中心为螺栓安装通孔，通过内六角螺钉104将边刷105安装到六角联轴器102上，然后通过紧定螺钉103将边刷105安装到边刷电机101的安装轴上。
所述滚刷机构2为旋转机构，包括滚刷电机201、电机支架202、联轴器203、紧定螺钉204、轴承205、滚刷主轴206、滚刷207和轴承座208；其特征在于，所述的电机支架202用螺钉固定在底盘3上，滚刷电机201与电机支架202之间通过螺钉连接，电机支架202与滚刷主轴206之间通过联轴器203连接，滚刷电机轴和滚刷主轴与联轴器203之间用紧定螺钉204定位，滚刷主轴通过轴承205架在轴承座208上，滚刷主轴与滚刷207之间为过盈配合。
所述行走机构4包含左行走机构41、右行走机构42，其中左行走机构41、右行走机构42对称安装在底盘3中轴线两侧；所述驱动轮机构包括驱动轮401、紧定螺钉402、驱动轮电机403、电机支架404、螺钉405、螺栓406和基座407；其中驱动轮电机403与电机支架404之间通过螺钉405连接，电机支架通过螺栓406与基座407固定，驱动轮401与驱动轮电机之间通过紧定螺钉402连接。
所述的吸尘机构5包括风机端盖501、风机电机502、紧定螺钉503、风机叶片504、滤尘网505、内六角螺钉506和储尘箱507；其中风机端盖501与储尘箱507之间配有滤尘网505，并通过内六角螺钉506连接，风机电机502与风机叶片504之间通过紧定螺钉503连接。
所述控制***包含主控***、执行电机***、传感器***、液晶显示***、电源***和路径覆盖算法，所述的一种智能家用清扫机器人，其特征在于：所述的主控制器选用STM32单片机，执行电机***包括边刷电机、滚刷电机和驱动轮电机，传感器***包括避障传感器、尘仓满检测传感器和温湿度检测传感器，路径覆盖算法采用犁耕式清扫算法；其方法实现如下：
步骤一：开机进行初红外避障，电压检测模块等初始化，然后开始检测清扫机器人的电池电压；如果电池电压低则执行步骤十四，否则执行步骤二；
步骤二：进入功能选择模式，如果按下按键1，执行步骤三；如果按下按键2，则执行步骤四；如果按下按键3，则执行步骤五；
步骤三：设定机器人当前显示时间；然后回到步骤二；
步骤四：清扫机器人执行红外避障检测、尘仓满检测、悬空检测、沿边检测子程序；如果在执行过程中检测电压过低，则执行步骤十四；
步骤五：尘仓满检测，对进行红外传感器的初始化，然后设定报警阈值；然后传感器进行尘满检测，经过单片机的处理得到一个数值，此数值与设定的报警阈值进行对比，如果超值则进行报警，如果计算得到的数值没有超过设定的阈值，则执行步骤六；
步骤六：关闭边刷、滚刷、吸尘电机，启动驱动轮电机；执行直线校正程序，然后进入延边学习算法；如果没有按下停止键则继续检测，执行完毕检测程序后返回步骤二；如果按下停止键，则同样返回步骤二；
步骤七：打开红外避障检测、尘仓满检测、悬空检测和返回充电站子程序中断，如果电压过低则执行步骤十四，否则执行步骤八
步骤八：执行路径覆盖算法，清扫机器人从室内的某一点开始，先直线行驶，同时检测电池电压，如果电池电压过低，则执行步骤十四；如果电压正常，继续直行，直至前方传感器检测到障碍，则执行步骤九；
步骤九：如果清扫机器人避障传感器检测到右侧有障碍，那么执行步骤十，如果清扫机器人避障传感器没有检测到右侧有障碍，那么执行步骤十二；
步骤十：清扫机器人左转90°，直行距离L，再左转90°，清扫机器人直行，检测机器人右方有无障碍物，如果有则执行步骤九，如果没有则判断机器人前方是否有障碍；当前方检测到有障碍，清扫机器人右转90°，然后直行距离L，再继续右转90°，清扫机器人继续直行；
步骤十一：检测是否按下停止键，如果按下停止键，则关闭所有电机的电源并返回步骤四，如果没有则执行步骤十；
步骤十二：清扫机器人先右转90°，直行距离L，再继续右转90°，清扫机器人直线行走，检测机器人右方有无障碍物，如果有则执行步骤九，否则直到前方检测到有障碍，清扫机器人左转90°，然后直行距离L，再左转90°，清扫机器人继续直行；
步骤十三：检测是否按下停止键，如果按下停止键，则关闭所有电机的电源并返回步骤二，如果没有则执行步骤十二；
步骤十四：进入导航对接程序，关闭所有工作电机的程序；
步骤十五：关闭电源并结束。
家用清扫机器人的控制***包括主控***、执行电机***、传感器***、液晶显示***、电源***和路径覆盖算法。主控制器选用STM32单片机，该芯片具有丰富的引脚资源，运算速度快，执行效率高。执行电机***包括边刷电机、滚刷电机和驱动轮电机。传感器***包括避障传感器、尘仓满检测传感器和温湿度检测传感器等。路径覆盖算法采用犁耕式清扫算法，该算法简单，容易实现。
本发明专利优势在于：
本发明提供的一种智能家用清扫机器人主要解决了传统清扫机器人清扫速度慢、清扫效率低的问题，结构更简单，控制更灵活，适应性更强。
附图说明
图1总体结构图；
图2边刷机构安装图；
图3滚刷结构安装图；
图4驱动轮机构安装图；
图5吸尘机构安装图；
图6控制***结构图；
图7主程序流程图；
图8横向清扫算法示意图；
图9纵向清扫算法示意图；
图10清扫算法程序流程图；
图11尘仓满检测程序流程图；
图12温湿度检测程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更详细的描述：
本发明的目的是这样实现的：本发明提供的智能家用清扫机器人的机械结构主要由左边刷机构1、右边刷机构7、滚刷机构2、底盘3、行走机构4、万向轮6、吸尘机构5和控制***组成；
边刷机构为旋转机构，包括边刷电机101、六角联轴器102、紧定螺钉103、内六角螺钉104和边刷105。
滚刷机构为旋转机构，包括滚刷电机201、电机支架202、联轴器203、紧定螺钉204、轴承205、滚刷主轴206、滚刷207和轴承座208。
所述行走机构4包含左行走机构41、右行走机构42，前轮为万向轮，通过控制左右两轮的速度可以实现清扫机器人的直线行走和左右转弯。驱动轮机构包括驱动轮401、紧定螺钉402、驱动轮电机403、电机支架404、螺钉405、螺栓406和基座407。
吸尘机构包括风机端盖501、风机电机502、紧定螺钉503、风机叶片504、滤尘网505、内六角螺钉506和储尘箱507。
家用清扫机器人的控制***包括主控***、执行电机***、传感器***、液晶显示***、电源***和路径覆盖算法。主控制器选用STM32单片机，该芯片具有丰富的引脚资源，运算速度快，执行效率高。执行电机***包括边刷电机、滚刷电机和驱动轮电机。传感器***包括避障传感器、尘仓满检测传感器和温湿度检测传感器等。路径覆盖算法采用犁耕式清扫算法，该算法简单，容易实现。
如图1所示，边刷机构1、滚刷机构2、行走机构4和吸尘机构5由螺栓固定在底盘3上。
如图2所示，边刷电机101通过六角联轴器102与边刷105相连，边刷电机与六角联轴器之间通过紧定螺钉103定位，六角联轴器与边刷之间通过内六角螺钉104固定。边刷电机转动，带动边刷转动，从而实现清扫机器人左右两侧的清扫动作。
如图3所示，滚刷机构为旋转机构，电机支架202用螺钉固定在底盘上，滚刷电机201与电机支架之间通过螺钉连接，滚刷电机与滚刷主轴206之间通过联轴器203连接，滚刷电机轴和滚刷主轴与联轴器之间用紧定螺钉204定位，滚刷主轴通过轴承205架在轴承座208上，滚刷主轴与滚刷207之间为过盈配合。滚刷电机转动，带动滚刷转动，从而实现清扫机器人正下方的清扫动作。
如图4所示，驱动轮电机403与电机支架404之间通过螺钉405连接，电机支架通过螺栓406与基座407固定，驱动轮401与驱动轮电机之间通过紧定螺钉402连接。通过控制驱动轮电机的转速可以控制清扫机器人的直线行走和左右转弯。
如图5所示，风机端盖501与储尘箱507之间配有滤尘网505，并通过四个内六角螺钉506连接，风机电机502与风机叶片504之间通过紧定螺钉503连接。风机电机转动，产生气流，将灰尘垃圾吸进来，由于滤尘网的存在，灰尘垃圾被阻挡在储尘箱内，从而达到吸尘的目的。
如图6所示，主控***主要用来处理各种传感器采集的信号和对电机进行控制，执行电机***包括驱动轮电机、边刷电机和吸尘电机等，传感器***主要用来采集周围环境信息实现避障等功能，传感器***中最重要的是红外避障传感器，通过处理清扫机器人前后左右四个方向的红外传感器采集到的信号值，可以判断出障碍物的位置。液晶显示***主要是为了更好地进行人机交互，液晶显示屏可以显示各个传感器的参数值和清扫机器人的工作状态，同时人们也可以通过液晶屏进行修改参数和设置速度等操作，电源***为清扫机器人的各个模块提供动力。
如图7所示，清扫机器人首先进行的是初始化，然后开始检测清扫机器人的电池电压，如果电池电压过低，那么清扫机器人关闭电源，并停止所有电机的工作。如果清扫机器人的电池电压保持在正常的范围内，那么进入功能选择模式。如果按下按键1，那么可以修改清扫机器人的一些基本参数；如果按下按键2，那么清扫机器人执行沿边学习算法，在此过程中，清扫机器人执行红外避障检测、尘仓满检测、悬空检测、沿边检测等子程序，不执行路径覆盖算法；如果按下按键3，那么清扫机器人执行路径覆盖算法，进行犁式清扫，此过程清扫机器人执行红外避障检测、尘仓满检测、悬空检测和返回充电站子程序。当检测到停止键被按下之后，清扫机器人停止工作，没有检测到停止键按下，清扫机器人继续工作。
如图8和图9所示，犁耕式清扫算法分为横向式犁耕清扫算法和纵向式犁耕清扫算法，清扫机器人根据不同的环境采取某种清扫算法，或者这两种算法的组合。
如图10所示，清扫算法可以分解成几个核心步骤：
1.清扫机器人从室内的某一点开始，先直线行驶，同时检测电池电压，如果电池电压过低，那么关闭电源。如果电压正常，继续直行，直至前方传感器检测到障碍，清扫机器人停止，判断下一步路线；
2.如果清扫机器人避障传感器检测到右侧有障碍，那么执行3，如果清扫机器人避障传感器没有检测到右侧有障碍，那么执行5；
3.清扫机器人左转90°，直行距离L，再左转90°，清扫机器人直行，直到前方检测到有障碍，清扫机器人右转90°，然后直行距离L，再继续右转90°，清扫机器人继续直行，并且判断前方是否有障碍；
4.如果前方检测到障碍，那么执行步骤3，如果没有前方没有检测到障碍，那么清扫机器人不断继续检测前方是否出现障碍；
5.清扫机器人先右转90°，直行距离L，再继续右转90°，清扫机器人直线行走，直到前方检测到有障碍，清扫机器人左转90°，然后直行距离L，再左转90°，清扫机器人继续直行，并且判断前方是否有障碍；
6.如果前方检测到障碍，那么执行步骤5，如果没有前方没有检测到障碍，那么清扫机器人不断继续检测前方是否出现障碍。
如图11所示，尘仓满检测程序首先进行红外传感器的初始化，然后设定报警阈值，此报警阈值为储尘箱内灰尘满的阈值，用作报警。然后传感器进行检测，经过单片机的计算处理得到一个数值，此数值与设定的报警阈值进行对比，如果超值就通知用户注意除尘，如果计算得到的数值超过没有设定的阈值，那么传感器继续检测，重复上述步骤。
如图12所示，温湿度检测首先进行的是传感器的初始化，通过DHT11的初始化可以判断传感器是否存在。如果程序初始化失败，那么说明温湿度传感器不正常工作，关闭电源，此程序结束。如果程序初始化成功，那么开始采集，采集后温湿度数据由单片机的I/O口传入，经单片机计算处理后并显示出来，延时100ms后继续采集。
本发明的清扫机器人能够根据室内环境实现自动避障、自主清扫，其机构简单、价格低廉、易于实现，具有广阔的发展前景。

Claims (1)

1.一种智能家用清扫机器人，其特征在于，包括左边刷机构(1)、右边刷机构(7)、滚刷机构(2)、底盘(3)、行走机构(4)、万向轮(6)、吸尘机构(5)和控制***；其中、万向轮(6)安装在底盘(3)中轴线最前方，左边刷机构(1)与右边刷机构(7)对称安装在万向轮(6)后，滚刷机构(2)安装在左边刷机构(1)与右边刷机构(7)之后；行走机构(4)对称安装在滚刷机构(2)之后；吸尘机构(5)安装在行走机构(4)之后，吸尘通道通过底盘轴心通向滚刷机构(2)；
所述的边刷机构为旋转机构，包括边刷电机(101)、六角联轴器(102)、紧定螺钉(103)、内六角螺钉(104)和边刷(105)；所述边刷为扇形发散毛状，其底座轮廓为圆形中间为内六角形凹槽，中心为螺栓安装通孔，通过内六角螺钉(104)将边刷(105)安装到六角联轴器(102)上，然后通过紧定螺钉(103)将边刷(105)安装到边刷电机(101)的安装轴上；
所述滚刷机构(2)为旋转机构，包括滚刷电机(201)、电机支架(202)、联轴器(203)、紧定螺钉(204)、轴承(205)、滚刷主轴(206)、滚刷(207)和轴承座(208)；其特征在于，所述的电机支架(202)用螺钉固定在底盘(3)上，滚刷电机(201)与电机支架(202)之间通过螺钉连接，电机支架(202)与滚刷主轴(206)之间通过联轴器(203)连接，滚刷电机轴和滚刷主轴与联轴器(203)之间用紧定螺钉(204)定位，滚刷主轴通过轴承(205)架在轴承座(208)上，滚刷主轴与滚刷(207)之间为过盈配合；
所述行走机构(4)包含左行走机构(41)、右行走机构(42)，其中左行走机构(41)、右行走机构(42)对称安装在底盘(3)中轴线两侧；驱动轮机构包括驱动轮(401)、紧定螺钉(402)、驱动轮电机(403)、电机支架(404)、螺钉(405)、螺栓(406)和基座(407)；其中驱动轮电机(403)与电机支架(404)之间通过螺钉(405)连接，电机支架通过螺栓(406)与基座(407)固定，驱动轮(401)与驱动轮电机之间通过紧定螺钉(402)连接；
所述的吸尘机构(5)包括风机端盖(501)、风机电机(502)、紧定螺钉(503)、风机叶片(504)、滤尘网(505)、内六角螺钉(506)和储尘箱(507)；其中风机端盖(501)与储尘箱(507)之间配有滤尘网(505)，并通过内六角螺钉(506)连接，风机电机(502)与风机叶片(504)之间通过紧定螺钉(503)连接；
所述控制***包括主控***、执行电机***、传感器***、液晶显示***、电源***和路径覆盖算法，所述主控***选用STM32单片机，执行电机***包括边刷电机、滚刷电机和驱动轮电机，传感器***包括避障传感器、尘仓满检测传感器和温湿度检测传感器，路径覆盖算法采用犁耕式清扫算法；其方法实现如下：
步骤一：开机进行初红外避障，电压检测模块初始化，然后开始检测清扫机器人的电池电压；如果电池电压低则执行步骤十四，否则执行步骤二；
步骤二：进入功能选择模式，如果按下按键1，执行步骤三；如果按下按键2，则执行步骤四；如果按下按键3，则执行步骤五；
步骤三：设定机器人当前显示时间；然后回到步骤二；
步骤四：清扫机器人执行红外避障检测、尘仓满检测、悬空检测、沿边检测子程序；如果在执行过程中检测电压过低，则执行步骤十四；
步骤五：尘仓满检测，对进行红外传感器的初始化，然后设定报警阈值；然后传感器进行尘满检测，经过单片机的处理得到一个数值，此数值与设定的报警阈值进行对比，如果超值则进行报警，如果计算得到的数值没有超过设定的阈值，则执行步骤六；
步骤六：关闭边刷、滚刷、吸尘电机，启动驱动轮电机；执行直线校正程序，然后进入延边学习算法；如果没有按下停止键则继续检测，执行完毕检测程序后返回步骤二；如果按下停止键，则同样返回步骤二；
步骤七：打开红外避障检测、尘仓满检测、悬空检测和返回充电站子程序中断，如果电压过低则执行步骤十四，否则执行步骤八；
步骤八：执行路径覆盖算法，清扫机器人从室内的某一点开始，先直线行驶，同时检测电池电压，如果电池电压过低，则执行步骤十四；如果电压正常，继续直行，直至前方传感器检测到障碍，则执行步骤九；
步骤九：如果清扫机器人避障传感器检测到右侧有障碍，那么执行步骤十，如果清扫机器人避障传感器没有检测到右侧有障碍，那么执行步骤十二；
步骤十：清扫机器人左转90°，直行距离L，再左转90°，清扫机器人直行，检测机器人右方有无障碍物，如果有则执行步骤九，如果没有则判断机器人前方是否有障碍；当前方检测到有障碍，清扫机器人右转90°，然后直行距离L，再继续右转90°，清扫机器人继续直行；
步骤十一：检测是否按下停止键，如果按下停止键，则关闭所有电机的电源并返回步骤四，如果没有则执行步骤十；
步骤十二：清扫机器人先右转90°，直行距离L，再继续右转90°，清扫机器人直线行走，检测机器人右方有无障碍物，如果有则执行步骤九，否则直到前方检测到有障碍，清扫机器人左转90°，然后直行距离L，再左转90°，清扫机器人继续直行；
步骤十三：检测是否按下停止键，如果按下停止键，则关闭所有电机的电源并返回步骤二，如果没有则执行步骤十二；
步骤十四：进入导航对接程序，关闭所有工作电机的程序；
步骤十五：关闭电源并结束。
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