小型清扫机器人执行机构的设计

摘要

执行机构是扫地机器人的核心部件之一，直接关系到扫地机器人的清扫性能和效率。

其设计目的是为了实现扫地机器人的自主清扫功能，包括根据地面状态和清扫区域的大小

等信息，智能地规划清扫路彳争并完成清扫仟务。同时，执行机构还需要具备良好的稳定性、

耐用性和可靠性，以确保扫地机器人能够在不同的环境中稳定运行，并且具有较长的使用

寿命。扫地机器人作为服务机器人研究领域的热点，具有代表性，并且在市场前景上有广

泛的应用。传统的人工清扫方式己经无法满足需求。因此，研发出高效、智能、自主清扫

的扫地机器人，不仅可以提高清洁效率和质量，还可以减轻人工清扫的劳动强度，为人们

的生活带来更多的便利和舒适。基于此，本文将对小型清扫机器人执行机构进行设计。首

先，阐述了扫地机器人的背景、意义、现状：其次，从设计要求与设计方案等两个方面，

对小型清扫机器人的整体结构设计进行了说明；最后在此基础上，从清扫机器人的移动执

行机构、吸尘机构、盘刷机构、清扫和拖地机构，以及污水回收循环机构等方面对小型清

扫机器人执行机构进行设计。本次设计定位精度较高，结构简单，性价比高的优点，满足

指标要求。

关键词：清扫；机器人；执行机构

I

ABSTRACT

Theactuatorisoneofthecorecomponentsofthesweepingrobot,whichisdirectlyrelated

tothecleaningperformanceandefficiencyofthesweepingrobot.Itisdesignedtorealizethe

autonomouscleaningfunctionofthesweepingrobot,includingintelligentlyplanningthe

cleaningpathandcompletingthecleaningtaskaccordingtothestateofthegroundandthesize

ofthecleaningarea.Atthesametime,theactuatoralsoneedstohavegoodstability,durability

andreliabilitytoensurethatthesweepingrobotcanoperatestablyindifferentenvironmentsand

hasalongservicelife.Asahotspotinthefieldofservicerobotresearch,sweepingrobotis

representativeandwidelyusedinthemarketprospect.Withthedevelopmentofsocietyandthe

improvementofpeople'slivingstandards,therequirementsforcleanlinessandsanitationarc

higherandhigher,andthetraditionalmanualcleaninghasbeenunabletomeettheneeds.

Therefore,thedevelopmentofefficient,intelligent,selt-cleaningsweepingrobot,notonlycan

improvethecleaningefficiencyandquality,butalsocanreducethelaborintensityofmanual

cleaning,fbrpeople'slifetobringmoreconvenienceandcomfbrt.Basedonthis,thispaperwill

designasmallcleaningrobotactuator.Firstly,theresearchbackground,researchsignificance

andresearchstatusathomeandabroadareexpounded.Secondly,fromtwoaspectsofdesign

requirementsanddesignschemes,theoverallstructuredesignofthesmallcleaningrobotis

explained.Finally,onthisbasis,fromthecleaningrobotmobileactuator,vacuumingmechanism,

diskbrushmechanism,cleaningandmoppingmechanism,aswellassewagerecycling

mechanismandotheraspectsofthesmallcleaningrobotactuatordesign.Thedesignhasthe

advantagesofhighpositioningaccuracy,simplestructureandhighsexualintercourseratio,

whichcanmeettherequirementsofindicators.

Keywords:cleaning;Robot;Executivemechanism

II

目录

第1章引言...........................................................1

1.1研究背景.......................................................1

1.2研究意义......................................................1

1.3国内外研究现状................................................1

1.3.1国外研究现状............................................1

1.3.2国内研究现状...........................................3

第2章小型清扫机器人整体结构设计....................................4

2.1设计要求......................................................4

2.2设计方案......................................................4

第3章小型清扫机器人执行机构设计....................................6

3.1移动机构......................................................6

3.2吸尘机构......................................................8

3.3盘刷机构......................................................9

3.4清扫和拖地机构...............................................11

3.5污水回收循环机构.............................................14

第4章结论..........................................................17

参考文献.............................................................18

致谢.............................................错误！未定义书签。

III

TrilobiteO开始工作时，首先沿着墙将地板周围的灰尘和异物吸干净，在研究室内情况

下，统计打扫全室所用的时间，在清扫过程中主要以随机规划方式，利用超声波传感器检

测障碍物，当检测出障碍物后自动躲避，重选路径清扫。供电不到位后TrilobiteO将自动返

回充电座进行自充。如果清扫工作尚未完成，则在充电完毕后继续归位工作。TrilobiteO的

应用可为用户减少75%地面清扫负担⑶。

图1.2是日本松下电器公司开发的一种机器人，它能自动地给住宅真空吸尘。机器人

前后有一个类似眼睛的小灯，可以发射50种传感信号（包括超声波，红外线）网。能使机

器人自动掉头，然后撞墙或者滑下楼梯。吸尘机器人一次充电能运行55min。作品中，是

先在室内转圈，算出其尺寸，再在室内做水平和垂直移动。聪明的机器人很受观众欢迎，

但是唯一遗憾的就是吸尘机器人不能清理墙壁边缘的尘土，因为它被设计成机器人停在墙

体和其他宽度大于L2英寸障碍物的前面6英寸。

图1-2松下的机器人

三星推出的家用清扫机器人代号为VC-RP30W,如图1.3所示，主要面向家用市场叫

达到了在主人外出的情况下，机器人能够自动清扫的目的。VC-RP30W功能自然不只如此,

其实用户除可自行设定外，也可通过电脑观看装在机器人正面的摄像头来远程遥控。整台

机器人电池可保持其持续运行50min,当电池在快要用完时又会自动返回充电座进行补能,

十分智能化⑶。

图1.3VCRP30W

2

1.3.2国内研究现状

我国在清扫机器人方面的研究起步比较晚，多数由部分高校或者科研院率先做出理论

研究并制作出原理工程机C

我国第一台能独立完成清扫任务的产品，是由朱世强教授及他的科研团队研制的机器

人，经实验表明，5.5mx3.5m真实环境下10分钟内覆盖率可达90%以上”

国内第一个产品化的清扫机器人是由深圳某家公司生产的KV8保洁机器人，如图1.4

所示⑺。

图1.4KV8清扫机器人

哈尔滨工业大学于2007年也成功研制出清扫机器人，该机器人可以实现无人状态下

自动执行清扫作业，并对清扫智能算法进行了深入地研究，可以用极小重复率执行清扫作

业网。

3

第2章小型清扫机器人整体结构设计

2.1设计要求

现有清扫机器人在结构上有一个显着特点是：功能部分与机械平台固定连接，不可拆

装⑼。此种设计之显著优点在于其结构简单、设计容易，然亦存功能单一之缺点。若需要

实现各种清洁功能则需要采用多个不同型号的清扫机器人才能完成，从而增加硬件成本及

放置空间，与生活中的高环保主题不符〔⑼。为解决现有清扫机器人的构造问题，本文设计

了一种小型清扫机器人，该机器人可以完成各种清洁任务。另外，清扫机器人要有翻越一

定坡度、清洁多种材料地面的功能。

2.2设计方案

本文所设计的清扫机器人整体结构图如图2.1所示。把功能部分与机器人的中心位置

相分离并设计成功能模块c这样，清扫机器人就能与多个功能模块相连，实现各种清洁功

能（如拖地、扫地等）。该设计方法使清扫机器人具备了将多个功能模块联系起来的功能,

避免了平台重复制造的问题，在今后研究中，应对模块进行监测、空气净化模块和其他部

分功能模块也会相继设计完成，以此丰富清扫机器人功能。

图2.1多功能清扫机器人整体结构图

设计移动平台结构时，重点考虑：形状、高度、底盘面积等由于方形结构物体有

不容易被困在狭小空间内的特点，而现有清扫机器人的外形结构几乎全部是方形，因此这

4

种清扫机器人还被设计成了方形［⑵。清扫机器人需作业于例如床底、沙发底这样的低矮环

境下，高度有限。对于它的底盘面积来说，若设计得太大，导致机器人身材太笨重而影响

清洁效果，而设计得太小则会影响功能模块尺寸，从而降低清洁效率因此对外壳尺寸

做出以下设计。

将小型清扫机器人的高设计为Ucm底盘距离地面高度为1cm,底盘边长为40cm,两

驱动轮相距36cm,将其布置与底盘的轴线上。

木文按照设计要求设计了清扫机器人移动平台的主要架构，将清扫机器人供电装置安

装到移动平台中，并通过通电接口为功能模块提供电能。功能模块接入移动平台后，二者

通电接口亦刚好对接，移动平台上主控制板用于控制直流电通断。通电接口还可以实现数

据传输，进而实现清扫机器人各功能模块的监控。通过在移动平台的底板设置若干组红外

传感器方便机器人对路面状况进行实时监控，避免清扫机器人出现掉落等现象。

5

第3章小型清扫机器人执行机构设计

3.1移动机构

现有扫地机器人的运动类型分为轮式、履带式、腿式三种1⑶。本课题设计以扫地地面

环境为主线，选择了一种结构简单、操作简便、移动灵活的轮移动机构。鉴于机器人作业

空间复杂，且地面易产生障碍物等特点，在满足楼板限压条件下，整体工程对于机器人抵

达指定地点的精确性与灵活性提出了更高需求“习。因此，采用了前定向轮和后万向轮相结

合的行走方式。本文设计涓扫机器人是以家庭地面环境为主，因此使用三轮轮式运动机构。

图3・1中的左、右轮是驱动轮，前端轮是从动轮。在家庭工作环境中，存在狭小的工作空

间。为了保障机器人拥有快速运动和转向的功能，因此采用了差速驱动结构。实际家庭地

面环境还存在较为复杂的面积，清扫机器人作业目标是清扫一切可清扫场所。而家庭地面

也并非都是平地，经常会有如地毯、电线等的障碍或小台阶。

建立理论力学模型，将刚接触台阶瞬间的驱动轮设为研究对象，再对其进行受力分析,

如图3.2所示，将车轮视为刚体，旦空气阻力不计，地面不发生打滑。

根据公式：

式(3.1)

其中，将相关参数带入式3.1,可得出：

式(3.2)

由公式3.2可知，h和r的差越小，FN就越大。如果卜和「相同时，FN则无穷大。也

就意味着车轮无法越过障碍物台阶。因此车轮的半径r必须大于障碍物高度h。日常生活

中的障碍物一般不会超过一厘米，综合考虑后，采用宜径100mm的驱动轮。如图3.2所示。

6

图3.2车轮机构模型

除驱动轮外，小型清扫机器人还应有一个负责支撑作用的万向轮，且保证万向轮可随

着机身的转向而跟随旋转,为保证转向灵活，采用上下两个轴承形式的万向轮。万向轮上

方有连接板，通过螺钉与机器人底座连接，通过竖直连接轴与车轮架相连。其结构图如图

3.3所示。

图3.3万向轮结构示意图

直流电机具有调速区域大,速度便于调节，启动、停止转矩大、容易驱动，稳定性能

好等特点，因此选用直流电机。电机如图3.4所示；直流电机的具体参数如表3-1所示。

速度计算公式见式(3.3)

7

图3.4直流电机

表3-1减速电机参数

额定电压3V6V7.2V9V

空载电流W80MAW100MAWUOMAW120UA

空载电流4600±10%9800±10%11000±10%14800±10%

负载电流50MA60MA80MAW200MA

负载转速80转/分180转/分220转/分290转/分

扭矩0.4kg.cm0.8kg.cm1.Okg.cm1.2kg.cm

电机转速公式如式3.3所示：

式(3.3)

从上式中可得，n和电压、电流相关，此外可以被控制的量只有U和I,那么便可以

利用改变U和I的大小进行调速。事实上，可以调整电压的值来调整I的值，通常使用PWM

产生电压波形进行速度调整。采用单片机I/O模拟P'州脉冲信号对电机实现转速控制。脉

冲占空比将决定电机的平均功率，因此实现了电机转速值的控制。

通过市场数据采集和已有产品的分析，本设计的电机采用小型小车专用减速电机，额

定电压为9V,额定电流为18mA,额定转速为300转/分钟，减速比48:1,可以带动1.2kg的

负载。

3.2吸尘机构

吸尘机构由风扇和垃圾储臧室组成。风扇固定在垃圾储臧室的上壁面。垃圾储藏室的

上壁面上开有两个长的小方孔，方孔下加装隔尘罩「⑺。吸尘机构利用风扇转动将空气排除

产生负压，利用压力差将刷子扫动产生的灰尘进行吸附，等待灰尘的气流经过防尘罩阻挡

灰尘进入垃圾储室内，更洁净的空气再经吸尘室上部壁腔内的圆孔排出大气，达到吸尘目

的。

由于清扫机器人使工作在室内，在保证具有足够风力的同时，还必须保证机器人有较

8

低的噪音。综上，本设计采用的涡轮离心风机工作电压为12V,额定电流为1.2A,噪音为

50dB-A,尺寸为120*120*32mm。涡轮离心风机如图3.5所示。

图3.5涡轮离心风机

边刷电机的作用时使边刷转动，然后将地面的杂物清扫到吸风口处；边刷用量很轻，

不必较大的驱动力，所以使用一个小功率的电机。当电压为3V时，最大转速为80转/分

钟；当电压为5V时，电机最大转速为150转/分钟。

吸尘电机与毛刷电机均为直流电机，仅电机功率不同，故所需驱动电流不同。由于场

效应管的集成过程简单，并且有耗电少，工作电源电压范围广的特点，因此得到了越来越

多的使用。MOS管是一个压控元件，电流和电压的关系用(3.4)公式来表示。

式(3.4)

式中一一漏极电流

----开启电压

一一栅极和源极间的输入电压

——时的。

3.3盘刷机构

在确保清扫效率的前提下，该设计采取了滚刷与边刷相结合的方式进行清扫。滚刷放

置在工厂多功能扫地机器人机箱中心，其主要工作就是在机箱下靠近风机吸口处收集垃圾。

所述边刷设置于扫地机器人机箱前的两侧并负责将三地机器人前的垃圾聚拢并让垃圾得

到流速并抛入滚刷的作业范围内。因此滚刷选择直接影响垃圾清扫结果，而边刷选择则决

定扫地机器人清扫宽度。根据实际需求，选用滚刷作业长度为400mm、边刷作业半径为

200mmo

下图3.5中，杆件AD长度为，杆件AD到盘刷支撑座回转中心轴的距离为，杆件AB

长度为，杆件CD长度为，盘刷中轴线到杆BC长度为，盘刷底面直径为d,四杆机构较接

9

点B到盘刷底面距离为，杆CD与水平面的夹角为，盘刷倾斜角度为，盘刷机构固定车架

到轴线间距为，盘刷支撑座外伸长度为，外伸角度为。

图3.6盘刷机构总体参数简图

机器人的实际清扫宽度B为：

式(3.5)

倾斜角度用来保证盘刷合理的抛射方向，避免产生扬尘效应及降低刷丝的磨损，可由

如下式子给出：

式(3.6)

式中，表示产生一定大小的倾斜角度所需的四杆机构调节量，实际应用中，可以通过

调节螺栓改变杆件CD的长度来保证合理的倾斜角度。

根据上述尺寸间的关系，结合盘刷机构的设计与构造需要满足的功能要求，确定盘刷

系统的具体参数如表3・2所示，其中(单位为度，其他单位均为亳米)。

表3-2盘刷系统的尺寸参数

1004204206022010040011547645020

(1)滚刷线速度计算公式：线速度V=7rDn

其中，V为盘刷毛的线速度，D为盘刷轮的直径，n为盘刷轮的转速。

由于滚刷作业长度为400mm,因此假设盘刷轮的直径为100mm,则可以按照以下步

骤计算滚刷的线速度：

盘刷轮的转速需要根据实际需求进行确定。假设盘刷轮的转速为300rpm,则滚刷的线

速度为：V=7iDn=nx10x300/60=157.1cm/s

(2)滚刷毛的长度计算公式：L=Nnd

其中，L为盘刷毛的长度，N为盘刷毛的根数，d为盘刷毛的直径。

由于滚刷的作业长度为180mm,因此可以按照以下步骤计算滚刷毛的根数和长度：

假设盘刷毛的直径为0.5mm,则可以计算出盘刷毛的根数：N=LAd=180/兀X0.5R14根

根据滚刷毛的长度和盘刷毛的根数可以计算出滚刷毛的直径，公式为d=L/N7T,代入

数据可得：

d=180/(318x71)=0.000567m-0.567mm

因此，滚刷毛的直径约为0.567mm。

根据滚刷毛的直径利作业要求可以计算出滚刷的线速度，公式为v=7rdn/60.其中n为

滚刷毛的转速。假设滚刷毛的转速为300rpm,则可以计算出滚刷的线速度：

v=Ttdn/60=nx0.567x300/60=355.3cm/s

因此，根据以上公式和数据，可以得出滚刷的线速度为355.3cm/s,长度为180mm,

根数为318根。

3.4清扫和拖地机构

滚刷和边刷是清扫机器人清扫的主要手段，且柞对磨损较大，所以为了节约使用成本

和增加工作寿命，需要在机器人不工作时将边刷和滚刷收起，而在工作时再自动放下。因

此给边刷和滚刷分别设计了支架，两支架通过推杆和底盘相连，再由电机控制推杆收缩，

从而达到刷盘和边刷升起和放下功能的实现，如图3.7所示。

图3.7清扫结构

目前市面上常见的拖地机构分两种，拖布型和海绵刷，如图3.8所不。一体式拖布虽

然有更大的工作范围，但清洁能力远不如海绵刷，而海绵刷也具备价格低的优势。因此在

拖地机构材质上选择海绵刷。

11

图3.8常见拖地机构对比图

海绵刷子的位置在扫地机器人的底部，与地面接触。在实际的拖地过程中，多功能扫

地机器人的拖地效果会受到多方面的影响。为达到最佳的拖地效果，及将地面清洗干净并

无污水残留，无水迹。所以，对海绵刷子拖地过程建模分析，如图3.9所示。

该拖地模型，为达到良好的清洗效果需要考虑两方面的问题，其一是地面上的污水能

否被海绵全部吸收，其二是海绵吸收污水之后，是否会存在渗水问题。因此对拖地过程进

一步分析，研究对象为海绵刷子的任一截面，工作过程中，如图3.10所示为其状态变化规

律。

12

图3.10拖地周期

在一个拖地周期中，状态I为刮板挤压海绵时海绵刷的状态；状态H为海绵的原状，

从状态I到状态n的过程中，海绵上水量不发生变化，因此不会发生渗水或污水吸收不尽

的现象；而状态HI为海绵刷与地面接触受到压缩的状态，因此此时海绵上的污水有可能

会因为挤压而发生渗漏；海绵迅速吸收污水即为状态IH到状态IV的过程，此过程中，若

存在较多污水，可能会有污水吸收不尽的情况，至此海绵刷子完成一个拖地周期。

为防止渗水发生的问题，则必须使R-d<R-h,因此可得出d与h关系为：

式(3.7)

针对状态III到状态IV的过程中存在污水残留的可能，需计算海绵空占比。

式(3.8)

当受挤压时，海绵单位体积挤出水的体积为=1-P,如果海绵被挤压或者膨胀倍，海绵

的占空比变为，则吸水比率为：

式(3.9)

由式(3.8)可知，海绵体积为V,被挤压倍之后，那该海绵最大的吸水量可达到。

又由图3・5可知，R,r,d和h这四个参数之间的几何关系为：

式(3.10)

若恰好污水不泄漏，则此时海绵的储水量达到最大值，此时对应的储水率为

式(3.11)

地板挤压并释放海绵的体积为W3式(3.12)

根据基点法将•v转化为海绵刷子的角速度，则该段海绵中的储水量为

式(3.13)

在状态IV时，海绵吸水达到饱和的储水率为，此时该段海绵中的储水量为

式(3.14)

由式(3.12)、(3.13)可知，t时间内海绵最大储水量为

式(3.15)

水泵的流量为Q，泵在在t时间内喷出的水的体积为

式(3.16)

为确保海绵能够全部吸收水泵喷出来的水，贝力取hR/3,得

13

综上可知，拖地功能模块的参数设计应遵循以下约束条件

在设计拖地机构的参数时，需要考虑拖布的尺寸、材质和压力等因素。下囱是拖地机

构参数计算的相关公式和数据：

(1)拖布的面积计算公式：S=LxW

其中，S为拖布的面积，L为拖布的长度，W为拖布的宽度。

(2)拖布的重量计算公式：m=pSV

其中，m为拖布的重量，p为拖布材料的密度，S为拖布的面积，V为拖布的厚度。

(3)水泵的流量计算公式：Q=AV

其中，Q为水泵的流量，A为水泵的出口截面积，V为水的流速。

(4)水泵的功率计算公式：P=pQgh/r|

根据上述公式和数据，可以进行如下拖地机构参数计算：

拖布的材料为海绵刷，密度为L2g/cm3,长度为400mm,宽度为200mm,厚度为2mm,

则可以计算出拖布的面积和重量:S=400x200=80000mm2=0.08m2；V=0.002m；

m=l.2x0.08x0.002=0.000192kgo

假设水泵的出口截面积为2cm2,水的密度为lOOOkg/irP,水的流速为0.5m/s,则可以

计算出水泵的流量和功率:Q=2xl0-4x0.5=lxI0-4m3/s；P=1000x1x10-4X9.8X0.l/0.7^14.03Wo

因此，根据以上公式和数据，可以得出拖布的面积为0.081峭，重量为0.000192kg,水

泵的流量为lxi()-4m3/s,功率为14.03W。在实际设计中，还需要根据清洁要求和机港入的

整体尺寸等因素进行合理的调整。

3.5污水回收循环机构

本设计的污水回收循环机构回收方法为真空吸水。风机叶轮由驱动电机带动，当叶轮

旋转速度达到每分钟20000转以上时，受离心力的影响，气流流向叶轮的边缘位置，而在

中央产生负压，在压力差的作用下污水随气流吸入。污水回收具体流程：车身前进的过程

中，由刮条将着污水聚集，水箱内的空气由风机高速转动带出，进而形成真空，刮条集聚

的水会因负压而被吸到水箱内。

考虑到要在清扫机器人有限的空间内达到高转速，应采用永磁直流电动机作为驱动原

件。结合实际情况后，选拦使用淄博鑫康电机有限公司生产的ZYT系列直流电机，型号如

表3-3所示。

表3-3ZYT系类直流电机数据表

转矩功率电压最大电流最大转速差

型号转速(r/min)附注

(N*m)(W)(V)(A)(r/min)

55ZYT0163.7300040241.5200

55ZYT0263.7300040271.3200

55ZYT0363.7300040480.7200

55ZYT0463.73000401100.34200

14

55ZYT0555.7600050242.5300

55ZYT0655.7600050272.2300

55ZYT0755.7600050481.3300

55ZYT01型号的电机即可满足转速需求，且电压较低，满足机器人电池的可用范围。

为实现污水的循环再利用，将储水箱设计的更大，工作时，水箱中的水可由出水泵抽

出并通过刷版流到地面。污水则通过回收机构回收，再经过过滤装置的过滤，避免进入水

箱而导致堵塞。滤出的水也会被吸出从而实现循环使用。所以在工作时不需要频繁的向水

箱里加水，只需要定时水并对过滤装置进行清洁或更换即可。

整个小型清扫机器人的结构简图如图3.11及图3.12所示。

图3.11清扫机器人底面

图3.12清扫机器人侧面

3.6车轮支撑机构

15

小型清扫机器人的执行机构设计中，车轮支撑机构设计是一个重要的环节。车轮支撑

机构通常由车轮轴、车轮轴承座等部件组成，用于支撑机器人的行驶和转向。

该轴承在工作状态下径向力和轴向力同时承受，因此选择使用角接触球轴承，选用型

号为7207Co

工:

k—3

图3.13车轮轴承座

16

第4章结论

小型清扫机器人是一种服务型机器人，人类生活中必不可少的组成部分。它可以以较

低的成本来替人类完成清理工作，从而节省劳动时间成本。小型清扫机器人涵盖了非常多

的主要科学问题，是近年来国内外学者关注的焦点之一，与此同时，清洁机器人技术这一

新兴技术也被国内外各大智能机器人厂商进行了大量而深入的研究。为此，本课题综合国

内外相关研究和小型清扫机器人作业需求进行执行机构设计，基础执行机构增加污水回收

循坏系统可以实现清