毕业设计（论文）-智能扫地机器人及PLC控制系统的设计

摘要如今，在日常生活中，形形色色的自动化清扫机器人愈发普及，它们承担着与居民生活紧密相关的清洁服务，显著地增进和提升了居民们的生活品质。伴随现代社会的快速进步，人们的生活水准有了显著提升，一台多功能的扫地机器人可能会成为你最理想的家居助手！这款扫地机器人主要被用于工业环境、仓储空间、办公区以及其他宽敞的室内环境，负责清理各种小体积的废弃物，例如细碎的碎片、纸屑和木屑等。本次设计主要介绍了工业扫地机人的研究背景及意义，国内外的研究现状，然后工业扫地机器人的整体结构进行设计计算，完成PLC控制系统的设计。关键词：工业扫地机器人；运动原理；结构设计AbstractNowadays,indailylife,avarietyofautomatedcleaningrobotsareincreasinglypopular,andtheybearcleaningservicescloselyrelatedtoresidents'lives,significantlyenhancingandimprovingthequalityoflifeofresidents.Withtherapidprogressofmodernsociety,people'slivingstandardshavebeensignificantlyimproved,amulti-functionalsweepingrobotmaybecomeyourmostidealhomeassistant!Thissweepingrobotismainlyusedinindustrialenvironments,storageSpaces,officeareasandotherspaciousindoorenvironments,responsibleforcleaningupavarietyofsmallvolumesofwaste,suchasfinedebris,paperandwoodchips.Thisdesignmainlyintroducestheresearchbackgroundandsignificanceoftheindustrialsweeper,theresearchstatusathomeandabroad,andthentheoverallstructureoftheindustrialsweepingrobotisdesignedandcalculatedtocompletethedesignofthePLCcontrolsystem.Keywords:industrialsweepingrobot;Motionprinciple;Structuraldesign目录摘要 1Abstract 2第一章绪论 31.1选题背景及意义 31.2国内外研究现状 3第二章整体结构的设计 52.1扫地机器人的工作原理 52.2控制系统的原理 52.3扫地机器人的结构组成 62.3.1行走轮机构 62.3.2清洁系统 6第三章机械结构的设计计算 83.1蓄电池的选择 83.2行走机构电动机的选择 93.3轴的设计计算校核 103.3.1确定轴的最小直径 103.3.2轴的结构设计 113.4毛刷电机的选择 123.5滚刷电机的选型 143.6车轮轴的强度校核 143.6.1轴的弯矩图 143.6.2按照弯扭合成应力校核轴的强度 16第四章控制系统的设计 174.1PLC型号的选型 174.2控制流程的设计 174.3电气元件的选型 174.3.1PLC选型 174.3.2光电传感器的选型 184.3.3指示灯的选型 184.3.4本次系统设计的主要硬件清单 194.4控制程序的编制 194.4.1绘制控制流程图 194.4.2配置I/O表 204.4.3梯形图编写 21第五章总结 25参考文献 26致谢 27第一章绪论1.1选题背景及意义随着人工智能、物联网、传感器技术和自动化控制技术的飞速发展，服务机器人行业迎来了前所未有的发展机遇。工业领域作为机器人应用的重要场景之一，对高效、精准的自动化清洁解决方案的需求日益增长[1]。在全球范围内，尤其是发达国家和地区，劳动力成本持续上升，同时面临劳动力短缺的问题。工业环境中，传统的清洁工作既费时又费力，引入智能扫地机器人可以有效降低劳动成本，解决人力资源不足的问题。[2]。现代工业生产追求高效率与精细化管理，工业扫地机器人能够24小时不间断工作，提高清洁效率，确保生产环境的整洁，对于维持良好的生产环境和提升产品质量具有重要意义。同时，它们能够适应各种复杂和特殊环境，如重工业区的油污、粉尘或危险化学品残留的清洁[3]。工业扫地机器人在设计上往往更加注重节能减排和环保材料的使用，符合企业可持续发展的战略目标，有助于构建绿色生产环境。消费者对扫地机器人的需求日益多样化，除了基本的清洁能力外，用户更加关注产品的智能化水平、续航能力、噪音控制以及设计美学。用户的反馈和需求直接驱动着产品的迭代升级和市场策略的调整[4]。研究工业扫地机器人涉及机器人导航、路径规划、障碍物识别与避让、高效清洁技术等多个技术领域，对推动相关技术发展具有重要意义[5]。通过提高清洁效率和降低长期运营成本，工业扫地机器人的应用能为企业带来直接的经济效益，同时也为清洁服务行业开拓新的业务模式。减轻工人负担，改善工作环境，提升职业健康安全，同时促进劳动力向更高技能岗位转移，对社会发展具有正面影响。高效清洁能力有助于维持良好的工业环境，减少灰尘和其他污染物的积累，间接促进环境保护和可持续发展。[6]。综上所述，工业扫地机器人的研究不仅具有重要的技术价值和经济价值，同时也是响应时代发展需求，推动工业智能化、绿色化的重要举措。1.2国内外研究现状中国在扫地机器人领域取得了显著进展，尤其是在导航与避障技术、智能识别与处理系统、以及续航能力方面[7]。许多国内企业致力于开发更先进的传感器融合技术（如激光雷达、视觉传感器与惯性导航系统结合），以实现更精准的路径规划和高效的清洁能力。据中研网数据显示，尽管2023年上半年中国扫地机器人市场规模略有下降（同比下降0.6%至63.6亿元），但整体上行业依然保持增长态势。市场竞争激烈，多家本土企业如科沃斯、石头科技等，不断推出新产品，增强产品差异化竞争力，满足不同工业场景的需求[8]。内企业在扫地机器人的技术研发上不断取得突破，包括更先进的导航与定位技术（如激光雷达导航、视觉导航）、AI算法优化（提高清扫路径规划的效率和智能化水平）、以及更智能的家居互联功能，使扫地机器人能更好地融入智能家居生态系统。随着消费者对智能家居产品接受度的提高和生活品质追求的增强，扫地机器人市场需求持续增长。特别是年轻一代消费者，更加倾向于使用智能化设备来简化家务劳动，这为扫地机器人市场提供了广阔的发展空间。内已经形成了较为完善的扫地机器人产业链，从上游的原材料、核心零部件（如电机、传感器、芯片）供应，到中游的机器人制造及软件开发，再到下游的线上线下销售渠道，各个环节都有较强的企业参与，促进了整个行业的快速发展。市场竞争激烈，以中国品牌石头科技为代表的企业，在全球市场展现出强劲的增长态势，通过技术创新和品牌建设，不断拓展市场份额。石头科技一季度盈利近4亿元，显示出中国企业在扫地机器人领域的国际竞争力。中国政府的“十四五”规划中对包括服务机器人在内的高技术产业给予了明确的支持，鼓励技术创新和产业升级，为工业扫地机器人的发展提供了良好的政策环境[9]。欧美及日本等国家在工业扫地机器人的研究中，持续引领一些关键技术的发展，如自主学习算法、深度强化学习在路径规划中的应用，以及更高级的人工智能集成，使机器人能更好地适应复杂多变的工业环境，甚至实现预测性维护[10]。国外的一些知名品牌，如iRobot、Neato等，侧重于开发高性能、高可靠性的工业级扫地机器人，针对高端市场，强调产品的智能化程度、耐用性和定制化服务，满足特定行业和客户的特定需求[11]。国际上对工业扫地机器人的标准化工作也在推进，旨在建立统一的性能评估体系和安全规范，促进全球市场的互联互通和产品的互操作性[12]。综上，无论是国内还是国外，工业扫地机器人的研究都聚焦于提升智能化水平、增强适应性和工作效率，同时在市场拓展、技术创新、以及政策引导等方面不断推进，形成了一个充满活力且竞争激烈的行业生态[13]。1.3本次研究的主要内容本文主要是对工业扫地机器人的的结构进行设计和PLC控制程序进行设计。关于工业扫地机器人清洁机构的设计是本次设计当中的重点，本文需要介绍扫地机器人的的各种功能以及实现该功能的原理，对机器人的电机进行计算选型，对机器人的行走轴进行设计计算和校核，验证是否满足要求，然后在对控制系统进行具体的设计，对电器元件进行选型设计，编制PLC控制程序，完成梯形图的编制，完成毕业设计的图纸绘制及说明书的撰写。第二章整体结构的设计2.1扫地机器人的工作原理工业扫地机器人主要由两个核心模块构建而成，包括控制模块与机械结构。如图2-1所示，其机械架构涵盖两轮动力驱动、一个万向滚轮、塑料质地的底板以及外围护壳。只有当刷子、电动机、蓄电池及控制模块被正确地装配到这些建构上，它们才能有效地协同工作。图2-1工业扫地机器人结构图2.2控制系统的原理本次设计控制系统主要由按钮开关、传感器、工作指示、行走电机、清扫机构，PLC控制器等部分组成。当扫地机器人开始工作时，上电后，首先对个输出单元置位，然后通过对模式的选择确定执行的部分，本次设计有单扫地、单吸尘和混合模式的选择[14]。在启动程序后，行走电机动作并执行相应模式的吸尘单元或者是清扫电机动作，实现智能扫地机器人的动作执行，当扫地机器人遇到家居用品或者进入死角后，传感器检测并发出信号，长时间接通后确定扫地机器人在某处卡死，随即执行行走电机反转的操作，在反转一定时间后避开障碍物。其中在扫地机器人的结构中，装有转动的从动轮，在受力时可以自动改变方向，更加有利于智能扫地机器人的避障功能。2.3扫地机器人的结构组成2.3.1行走轮机构动力传动轮作为工业清扫机器人的底盘移动部件（参见图2-2），其主要功能是确保该机器人能够在地面上灵活移动并顺畅地改变方向，本次设计的扫地机器人采用两个电机进行驱动，后轮分别安装一个电机，电机转速相同时可以实现机器人的直线前进，若转速不相同时，即可实现机器人的转弯。图2-2扫地机器人驱动机构2.3.2清洁系统清洁机构：开启工业级地面清扫机的清理作业时，其进程是：电动机先激活发动，接着推动扫刷轴旋转，其间右侧扫刷向逆时针方向打转，而左侧扫刷则顺时针转动。在这双扫刷相互配合下，灰尘与碎屑被有效地汇聚至吸尘器的吸入口。吸尘机构。吸尘器中的风扇快速转动造就了强劲的抽吸效果，将杂物与尘土拽入储尘箱里。擦地机构。在前两个阶段的打扫过后，大量的垃圾已经被清理掉，然而，仍有些微尘残留未被清除。接着，工业级扫地机器人底部的擦拭轮开始作用，通过其三层次的设计确保了清扫工作的高效性与品质。拖地机构：当细小的灰尘被清理完之后，机器人底部设置有一水槽和抹布，通过机器人的前进来带动抹布对地面更细致的清洁，整体如图2-3结构所示：1-清洁机构2-擦地机构3-吸尘机构4-拖地机构图2-3清洁机构第三章机械结构的设计计算3.1蓄电池的选择前市场上扫地机器人主要使用两种类型的电池：锂电池和铅酸电池。锂电池因具有无记忆效应、电压稳定、体积小、容量大和较长使用寿命等特点，成为大多数高端扫地机器人的首选。而铅酸电池虽然具备快速充放电和良好的低温性能，但相比锂电池，其能量密度较低，重量较大，且寿命相对较短。选择知名品牌的电池，如那些由正规大型电池制造商生产的电池，能够确保更好的稳定性和安全性。避免选择无品牌或小厂生产的电池，因为它们可能存在使用寿命短、稳定性差等问题。1铅酸动力电池铅酸动力电池的成本相对较低，是所有可充电电池中性价比最高的之一，这使得它在很多经济敏感型应用中受到青睐。铅酸电池技术已经非常成熟，生产和维护体系完善，易于获取维修服务和替换零件。铅酸电池可以承受高功率放电，适用于需要瞬间大电流输出的场合，如汽车启动。铅酸电池可以在较宽的温度范围内工作，从-40°C到60°C，尤其在低温环境下性能优于某些类型的电池。相较于锂离子电池等新型电池，铅酸电池的能量密度较低，意味着在相同体积或重量下存储的电能较少，限制了其在高续航需求应用中的使用[15]。2锂离子动力电池锂离子电池的能量密度远高于传统铅酸电池和镍镉电池，通常体积能量密度可达450Wh/dm³，质量能量密度可达150Wh/kg或更高，这使得锂离子电池能够在更小更轻的体积内存储更多电能。单个锂离子电池的标准工作电压约为3.6V，是镍镉电池和镍氢电池的约3倍，这减少了电池组中串联电池的数量，简化了系统设计。锂离子电池在适当的使用条件下，可循环充放电次数多，一般可达数百乃至上千次，有利于降低长期运营成本。扫地机器人所使用的蓄电池要求在使用过程中能够完全放电，不排放有害气体，不污染环境。由此针对此设计选用锂离子动力电池，电池名称为磷酸铁锂电池[16]。24V10Ah磷酸铁锂电池组的有关技术规格为下表3-1所示：表3-1磷酸铁锂电池组技术规格项目规格标称容量10Ah标称电压24V电池内阻≤120mΩ最大充电电流6A最大充电电压29.2±0.05最大放电电流20A放电终止电压20V使用寿命1000次工作温度-20~45℃外形尺寸100×83×335(mm)重量3.8kg价格550元3.2行走机构电动机的选择鉴于扫地装置转向时受控，所以选择用于其驱动系统的电动机得能够调节，故最终决定采用步进电机。动力轮与地面之间的接触摩擦是产生引擎轴承扭矩的根本原因，而这扭矩值受轮胎在接触地表时的滚动阻力系数与车体总质量的联合影响。滚动阻力系数μ经确定为5mm。该车的总重量是由以下几部分构成：水盒、步进驱动电机、支架结构、电源模块、万向轮、动力轴、驱动引擎以及壳体的总和。如果步进电机的重量是2千克，那么整车的总重即为这些部分的质量总和。m=10.78+1.8+8该扫地机器人的移动速度定为v=2.3m/s，遵循v=ωr的计算法则，我们能够计算出车轮的旋转角速度。ω=vr=2.3进而求得转速为n=ω2π=18.4×602×π则摩擦转矩为M=μm=0.005×40=2N·m鉴于其他能量损耗的情况，假设机械效能转换效率η设定为0.9，因此所需的驱动电动机功率计算基于此。P=Mωη=2×18.40.9经过仔细挑选，常州康达通用电气有限公司生产的86型高精度行星齿轮步进电动机[16]被认定为最匹配选择，详细的使用环境可参照以下所示表格。表3-2步进电机工作环境表项目规范温升80℃max环境温度-20℃-+50℃绝缘强度100Ωmin，500VDC介电强度500VAC1分钟回转间隙≤25acrmin主要技术参数为表3-3步进电机工作参数表电机型号步距角/°相电流/A保持力矩/kg·cm引线数/条电机重量/kg85-H250B991.846543.5因此减速比为5。3.3轴的设计计算校核据悉，该步进电动机的保持扭矩数值达到6.5Nm。3.3.1确定轴的最小直径依据《新编软件版机械设计手册》，求解轴的最小直径采用的计算方程为dmin=35T[式中，T——轴传递的额定转矩，N·mm；[τ]——轴的许用剪应力。以45号钢为轴心制造材质，并实施了调质热处理，在参考《机械设计》教材的第15章表3的指示下，确立了其扭转抗力τT值为35MPa，于是dmin=35T[3.3.2轴的结构设计初步确定后车轮轴的结构如图3-8所示。=6\*ROMANVI=5\*ROMAN=6\*ROMANVI=5\*ROMANV=4\*ROMANIV=3\*ROMANIII=2\*ROMANII=1\*ROMANI图3-1后车轮轴结构示意图依据车轮规格，规划出I-IV型号的直径与长度尺寸。轮毂的开孔直径定为24mm，从而确定了轮毂对于轴的垂直定位应为24mm。轮毂在轴线方向上使用右侧螺帽固定，在圆周方向则通过平键来进行定位。针对该轮毂的特定尺寸，我们选择了长为84mm的轴段。参照《现代机械设计手册-连接件与紧固件》中的表2-37，选用了GB/T41-2000标准下的C级M24六角螺母，该螺母的最大厚度为22.3mm。因此，我们选择了长度为23mm的轴段，最终得到轮毂对轴的总垂直定位长度为107mm。LI-II=23mm，鉴于轮毂左边的定位情况，第三至第四部分制造了一轴肩，此部分的直径差dIII-IV为30mm，长度差LIII-IV为5mm。。（2）联轴器的选取依据步进电动机轴芯的规格，翻阅《机械工程设计参考书-轴和连结部件设计》中的表3-14，初步筛选了型号为GY1的凸轮联轴节，该型号的轴孔直径为14mm，名义扭矩达到25000N·m。进一步查阅《机械工程设计》的表14-1，并考虑到扭矩波动不大，故此确定扭矩系数为1.3，于是计算出联轴器的设计扭矩值。Tca=计算转矩小于公称转矩，因此符合条件。（3）设计=4\*ROMANIV-=5\*ROMANV段并选择轴承座参照实际操作经验，我设定内径与外径之差为25mm，进一步确定适配该参数的轴承座，其应有的轴承孔直径为25mm。。（4）轴上零件的周向定位轮毂连接轴的径向位置固定采用了键连结构，按照《现代机械设计手册》第3-4表，依据直径等级dII-III的推荐进行选择，我们为轮毂与轴联结确定了一种键的尺寸，其尺寸为宽度8mm、高度7mm、长度36mm，且预设的键道长度为40mm。轮毂与轴的配合关系设计为间隙配合，选择的公差级别为H7g6。而转轴和联轴器连接部位的键规格被定型为宽度5mm、高度5mm、长度22mm，键道长度设计为25mm，在此处的联结方式是属于过渡配合，其具体公差级别为H7k6。至于轴承支座与转轴的联结，则也使用了过渡配合手段，相应公差级别定为H7m6。（5）确定轴上倒角尺寸参照《机械设计》手册中的表15-2，选择最左列的倒角尺寸为0.8×45度，另一个为1×45度的倒角。3.4毛刷电机的选择1、电动机类型和结构形式各种电机按照类型和建造方式呈现多元化，依据各异的分类准则便会出现不一的分类方式。在流动设备里，与电池配合使用较为频繁的电机包括了直流电机以及步进电机。直流电动机具有以下优点：（1）直流电机可以实现平滑、精确的无级调速，调速范围广，从零速到高速都能有效控制，适合需要精细速度控制的应用，例如在电梯、起重机和一些精密机械设备中；（2）直流电机的起动、制动和反转过程简单且迅速，能快速响应控制信号，易于实现自动化控制。；（3）特别是使用永磁材料作为励磁源的直流电机，由于没有励磁损耗，相比交流感应电动机，效率更高，节能效果明显；（4）直流电机可以在较小的体积和重量下提供较大的功率输出，有利于设备的小型化和轻量化设计。。直流电动机的缺点：结构比较复杂，电流通常较大，需要齿轮减速器进行减速，维护工作量大。步进电动机的优点有：步进电机能够精确控制转动角度，通过调整脉冲数量和频率，可以实现精准的位置和速度控制，由于步进电机的运动与输入脉冲直接相关，通常可以在开环控制系统中工作，降低了系统的复杂性和成本。步进电动机的缺点：无论负载大小，步进电机都可能消耗较多的电能。在较高转速下，步进电机的输出扭矩会显著下降，在高负载或高速情况下，步进电机的实际精度可能不如低速或轻载时，满载精度可能较低。清洁机器人主要在室内场合运行，对操作系统的复杂性要求不高，稳定性需求较为关键，因此采用了直流电机，并且是带有齿轮减速功能的直流电机。2、直流齿轮减速电动机的选择直流齿轮减速电机直流减速电机是一种将直流电能转换为机械能，并通过集成的减速装置显著降低输出转速、提高输出扭矩的电动机。它是基于普通直流电机设计的，额外配备了一个减速器（通常是齿轮减速器），从而适应那些需要大扭矩、低转速的应用场景。直流电机部分：可以是永磁直流电机或电刷直流电机。永磁电机利用永久磁铁产生磁场，而电刷电机则通过电刷和换向器来实现电流方向的切换以产生旋转磁场。减速器通常采用行星齿轮、圆柱齿轮或其他齿轮组结构，通过齿轮传动的原理，将输入端（直流电机）的高速旋转转换为输出端的低速旋转，同时增加力矩输出。减速比（即输入转速与输出转速之比）可以根据应用需求进行调整。对于挑选标准型直流电机的通行标准，亦即考量电压、尺寸、重量及转速，同样可以适用于挑选齿轮降速型直流电机。对于需求大扭矩的使用环境，一般偏好采用装备金属齿轮和金属减速箱的行星齿轮降速机。而塑料齿轮因其重量极轻，较为适配于扭矩较小、对反应速度有高要求的情境使用。在此方案中，我们选择了配备金属齿轮的降速电机。3、电机功率的计算电动机功率选得合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响，首先，明确负载是连续工作还是间歇工作，以及负载的类型（恒定负载、变动负载、周期性负载等）。连续稳定的负载对电机的要求与瞬时或波动较大的负载不同。根据被拖动机械的功率和工作扭矩需求来选择电机。这通常可以从设备的铭牌上获取，或者通过计算得出。如果负载的起动扭矩较大，应选择能提供足够起动转矩的电机。。采用尼龙材质进行清洁机的清洗部分制作。其设计中圆形刷子承受力大约F=55N，且旋转速度达n=80转每分钟。而滚筒式清洗器的承载力则约为F=70N，转速降至n=50转每分钟。圆盘毛刷转矩N·m所需功率P===60W由于清洁机工作速度为80r/min为较低转速故选用24V100W直流齿轮减速电机，其输出转速为750r/min。3.5滚刷电机的选型通过深度调研资料与精准算数结果显示，只要工业用清扫机器人的旋刷转速持续高于每秒3圈，就足够把灰尘及其他杂质扫进收尘箱中。进一步说明，考虑到传动装置内的皮带轮传动比恒定1:1，因此旋刷的涡轮需要维持每分钟180到210转的速度。根据之前分析的转速标准，旋刷每分钟应旋转2600至3000次，由此选择了型号55SZ01的电机，其转速能够达到每分钟3000转，且输出功率为12W，大小适中。这型电机不但能让扫地机器人高效完成清洁工作，并且完美契合旋刷机构的性能需求。3.6车轮轴的强度校核3.6.1轴的弯矩图在最初阶段，依据轴部的构造特点，我们需要勾勒出该轴的草图用于计算分析；通过参考资料得知一个深槽球轴承型号为61801，其a值为2.5mm，据此我们推断出轴承作用下的简支梁轴的实际支撑间隔为L等于342.7mm。为了完成对轴负载情况的量化分析，我们进一步据此计算图纸绘制出了反映轴受力状况的弯曲力矩和扭转力矩分布图，具体可见图3-7。GGBAEDCBAEDC扭矩TFNH2扭矩TFFMMMMTTTT图图3-2轴的载荷分析图通过分析弯矩与扭矩分布图，我们识别出截面C作为关键受力断面，进而在表3-4中记录了该截面承受的弯矩与扭矩数值。表3-4弯矩、扭矩计算值载荷数值支反力FF弯矩MM=1033.24N·mm扭矩TT=283.78N·mm3.6.2按照弯扭合成应力校核轴的强度审核潜在风险区域C的承压能力，依据《机械设计》中第15-5条公式及表格所提供的信息，考虑到轴仅进行单方向的旋转作用，并且其扭转的剪切应力呈现脉冲式周期性变化，对此应选取α值为0.6。依照表15-4所述，关键风险部位为设有键槽的区域。W=πd3轴的计算应力为σca=M2+选用的轴采用45号钢材质，并进行了调质，根据《机械设计》手册第15-1表查询到抗拉强度σ-1为60MPa，考虑到σca小于[σ-1]，因此可以认定其使用是安全的。第四章控制系统的设计4.1PLC型号的选型方案一：STM32单片机STM32单片机采用不同版本的ARMCortex-M内核，如M0、M0+、M3、M4、M7等，分别对应不同级别的性能和能效。这些内核提供单周期乘法、硬件除法、DSP（数字信号处理）指令集以及浮点单元（FPU）（在某些高端型号中），以满足不同应用对计算能力的需求。最高工作频率可达几百兆赫兹，确保了高效的实时数据处理能力。方案二：8051单片机8051单片机是一款经典的8位微控制器，最初由Intel公司在1980年代初推出，属于其MCS-51系列的一部分。尽管Intel后来停止了对这一系列的直接开发，但因其结构简单、易于学习、稳定可靠且成本效益高，8051架构被广泛授权给其他半导体厂商，如Atmel、SiliconLabs、NXP（原Philips半导体）等，这些厂商在其基础上衍生出众多兼容产品，使得8051成为嵌入式系统领域中极具影响力的标准平台之一。方案三:西门子PLC西门子S7-200SMART是一款由西门子公司专为中国市场量身定制的高性价比小型可编程逻辑控制器（PLC）。作为S7-200系列的升级产品，S7-200SMART继承了S7-200系列的易用性和可靠性，并结合最新的技术和设计特点，进一步提升了性能、扩展能力和集成度，旨在满足中小型自动化项目对成本效益、灵活性和智能化的需求。针对本次设计的综合情况下来看，考虑到控制效果及精度等众多因素，本次设计选择西门子PLCS7-200smart系列的PLC。4.2控制流程的设计这一设计包含了按钮开关、传感器、工作指示、行走电机、清扫机构和PLC控制器等元素。扫地机器人启动时首先上电，激活个别输出单元，然后通过选择模式确定工作方式，包括单扫地、单吸尘和混合模式。启动程序后，激活行走电机并执行吸尘单元或清扫电机的相应模式，以实现智能扫地机器人的动作。当机器人遇到家居用品或陷入死角时，传感器将发出信号。若长时间接收信号，则确认机器人卡在某处，随即启动行走电机反转，一定时间后解除障碍。扫地机器人结构含可旋转的从动轮，受力时能自动转向，有助于提升智能扫地机器人的避障性能。4.3电气元件的选型4.3.1光电传感器的选型光电开关是一种利用光的各种特性来检测物体的存在和不存在以及表面状态变化的传感器。在环境中使用比较好，无尘，无尘污染，用于非接触测量，不影响测量对象，在工业生产过程中得到广泛应用。本地点采取了扩散型光电感应设备。此装置融合了发光体及接受装置，能够依靠被侦测物体对来自发射部分的强光进行反射，将光线导入接收端。随后此光电感应设备便会触发信号转换。在物体表层具有高度亮泽或反光性时，扩散型光电感应技术通常是优先考虑的选择。。该系统使用的是mht15-n2317。其外观图下图所示：图4-1光电开关外观图4.3.2指示灯的选型电子设备与电力系统中，信号灯承担着显示电源状态、控制信号、告警信号、作业状态和各类其他信息的角色。国内广泛使用的几种型号包括LA19、AD30、XDJ1等系列，而在这个设计中所选用的是型号为LA05-11D的信号灯，它适用于额定电压220V或更低电压的环境。图4-2指示灯的外观图4.3.3本次系统设计的主要硬件清单表4-1主要电气设备清单名称型号规格PLCS7-200224光电传感器mht15-n2317按钮开关LA09-11D/2094,DC24V指示灯LA05-11D4.4控制程序的编制4.4.1绘制控制流程图在程序的软件设计中，流程图的绘制十分重要，它能简明扼要的表示出程序控制的主要步骤以及顺序，可以使程序编写时更加调理有效，所以绘制控制流程图十分有必要，本设计的控制流程图如下所示.图4-3控制流程图4.4.2配置I/O表在对扫地机器人控制系统进行思考后，计算输入输出点的数量并分配选择，对其输入输出点留有一定的设计余量，为了以后对程序进行升级或者功能改进。对此我们对I、O点进行分配，并绘制表格如下：输入信号输出信号启动按钮I0.0运行指示灯Q0.0停止按钮I0.1吸尘指示灯Q0.1吸尘模式I0.2扫地指示灯Q0.2扫地模式I0.3吸尘电机继电器Q0.3混合模式I0.4扫地电机继电器Q0.4光电传感器1I0.5行走电机正转继电器Q0.5光电传感器2I0.6行走电机反转继电器Q0.6光电传感器3I0.7返回充电Q0.7光电传感器4I1.0中间继电器M障碍物计时T37充电计时T38表4-2I/O分配表4.4.3梯形图编写图4-4工作前模式复位图4-5启动和模式选择图4-6模式切换选择图4-6吸尘器启动和扫地轮启动图4-7行走电机正反转图4-8障碍物和返回计时第五章总结即使我国对于工业用地面清扫机器人的研制取得显著成就，这类设备在自我管理和智能化方面尚有待提升。市面上尽管工业用扫地机器人品种丰富，高品质且高效率的机器价格通常较为高昂，普通家庭较少选购。而低价位产品往往伴随着众多问题。因此，削减工业地面清洁机器人的制造费用，扩大其在日常生活中的应用范围成为必要。市场研究指出，工业用扫地机器人的销售潜力巨大，这推动了生产技术的改良与成本的压缩。除此之外，工业扫地机器人在其他领域也面临着一些挑战，其技术水平同样亟待提升。（1）当使用工业用地面清洁机械人执行清洁任务时，其产生的响声较大，足以对人们的常规生产与生活造成不小的干扰；因此，我们必须持续探索以克服此一难题。（二）现阶段，清扫技术须进一步提升，以确保工业用扫地机器人清扫过后能够彻底清除所有尘埃与废弃物。考虑到当前工业扫地机器人在侦测领域存在不足，持续优化传感技术成为我们的必要任务。目前，工业用扫地机器人普遍配备了自动回充功能，尽管如此，其电能供给系统仍未达到最优状态，亟待我们通过提升电池性能来打造出更加完美的能源解决方案。参考文献[1]赵航,刘玉梅,卜春光,等.扫地机器人的发展现状及展望[J].信息与电脑.2022,(12)[2]刘晓初.用户模型在目标导向型交互设计中的研究[J].艺术科技.2023,(5).[3]罗晓云,谢庆森.基于目标导向设计理论减轻产品认知负荷的探究[J].设计.2021,(16).[4]惠文权,李明,陈颖.目标导向设计方法在制动产品开发中的应用[J].汽车工程师.2024,(2).[5]杨先英,李伟湛.多目标导向的机床设备产品设计方法[J].组合机床与自动化加工技术.2023,(5).[6]JIANGBo.ThetendencyofsimpledesignofintelligentHomeAppliances[J].Design,2022,(5).64-65.[7]ZHANGShuang.ApplicationofInteractionDesigninIntelligentHomeAppliances[J].ElectronicTechnologyandSoft