1、毕业设计（论文）课题名称 基于 Webots 软件扫地机器人的研究与设计 学 院 电气工程学院 专 业 自动化 班 级 学 号 摘要i姓 名 指导老师 二一七年五月摘要ii摘 要扫地机器人在人们的日常生活中发挥着重要作用，在许多人的家里，经常有个小巧灵活的身影，穿梭在各个房间里，它经过的地面都被打扫的干干净净。扫地机器人是凭借着一定人工智能自动完成室内地板清洁工作的智能家电用电器，目前主流的扫地机器人主要是通过机内高速运转的电动机在主机内形成一个类真空环境，利用由此产生的高速气流将垃圾吸入集尘盒，从而完成清洁工作。仿真技术在机器人的设计研究中有着不可忽视的作用，它可以改善机器人的机构质量和对机
2、器人的运动性能进行分析。在仿真软件上对机器人进行研究有以下优点：研究成本低、研发周期短，方便修正，可以监控机器人运行中的各种参数和运动状态。本设计在Webots 仿真平台上对扫地机器人进行设计。设计的扫地机器人应能能实现以下技术指标：能够实现灰尘识别，实现多种清扫模式，具有防跌落、防撞、自动返回充电等功能，能够进行电量低、尘盒满等信息提示。设计的过程如下：首先为机器人搭建一个环境，模拟一个房间，内有各种家具；然后构造机器人的身体，身体是扁平的圆柱体，移动机构是三轮式，有可实现防碰撞和防跌落等功能的传感器，接着给器件设置参数，最后给机器人创建一个控制器作为机器人的控制系统。最后，本设计完成之后，
3、经过仿真运行，基本能实现扫地功能，并且不会碰上障碍物和跌落。同时分析了设计的机器人的不足之处，以及在未来的研究中该扫地机器人还可以继续改进的地方和可能增加的功能。关键词：扫地机器人 仿真技术 Webots ABSTRACTiiResearch and Design of Sweeping Robot Based on Webots SoftwareABSTRACT Sweeping robots play an important role in peoples daily lives. In many peoples homes, there is often a small, flexib
4、le figure that travels through the rooms and is swept through the ground. Swept robotic robot is by virtue of a certain artificial intelligence to automatically complete the indoor floor cleaning smart home appliances, the current mainstream of the sweeping robot is mainly through the machine runnin
5、g high-speed motor in the host to form a vacuum-like environment, the use of the resulting high-speed air The garbage is sucked into the dust box, thus completing the cleaning work.Simulation technology can not be neglected in the design of robot design. It can improve the quality of the robot and a
6、nalyze the motion performance of the robot. The research on the robot in the simulation software has the following advantages: low research cost, short research and development cycle, easy to correct, can monitor the robot running a variety of parameters and movement state.This design is designed on
7、 the Web site simulation platform for sweeping robots. The design of the sweeping robot should be able to achieve the following technical indicators: to achieve dust recognition, to achieve a variety of cleaning mode, with anti-drop, anti-collision, automatic return charging and other functions, to
8、low power, dust box full information tips. The design process is as follows: first for the robot to build an environment, simulate a room, there are a variety of furniture; and then construct the robots body, the body is a flat cylinder, mobile body is three-wheeled, can achieve anti-collision and a
9、nti- And then set the parameters to the device, and finally to the robot to create a controller as a robot control system.Finally, after the completion of this design, after the simulation run, the basic ability to achieve sweeping function, and will not run into obstacles and fall. At the same time
10、, it analyzes the shortcomings of the design of the robot, and in the future study of the sweeping robot can continue to improve the local and may increase the function.KEYWORDS: Sweeping robot；Simulation Technology；Webots目录iii目 录摘 要 .iABSTRAT.ii第 1 章 绪论 .11.1 研究背景和意义 .11.2 国内外研究概况 .11.3 本课题研究内容和结构
11、.5第 2 章 扫地机器人相关理论 .62.1 引言 .62.2 扫地机器人的工作原理 .62.3 扫地机器人的特点 .72.4 扫地机器人的结构系统 .72.5 扫地机器人关键技术 .82.6 本章小结 .9第 3 章 3D 机器人总体设计方案 .103.1 引言 .103.2 扫地机器人的外形设计 .103.3 扫地机器人的移动机构设计 .113.4 扫地机器人的传感器设计 .133.5 路径规划方法 .143.6 扫地机器人的控制程序设计 .143.7 本章小结 .18第 4 章 机器人建模实现方法 .19目录iii4.1 引言 .194.2 Webots 仿真软件介绍 .194.3 环
12、境建模 .204.4 机器人建模 .224.5 控制器的实现 .244.6 本章小结 .25第 5 章 仿真结果分析 .265.1 引言 .265.2 仿真结果分析 .265.3 本章小结 .29第 6 章 总结与展望 .306.1 总结 .306.2 未来研究展望 .30参考文献 .31附录 .32致谢 .33第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 研究背景和意义随着社会的的发展，社会老龄化越来越严重，而科学技术在计算机、微电子、信息处理及智能控制等方面的快速发展，使机器人技术向着智能化和多样化发展，并且逐步深入和细化，研究范围也越来越广阔，越来越多的机器人研究从工业机器人转向移动服务型机
13、器人，服务型机器人则在一定程度上解决了社会老龄化而劳动力缺失的问题。机器人技术的发展是一个国家科学技术水平的重要体现。机器人技术是综合了计算机、控制理论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集成了多学科的发展成果，代表着高技术的发展前沿。服务型机器人是一种能够半自主或全自主去执行各种服务性活动的的机器人，它出现的时间相比其他许多年长的机器人要短一些，是机器人家族里面年轻的一员。按照服务型机器人的应用范围，可以将其分成专业领域机器人和个人家庭服务机器人两类。服务型机器人虽然不能参与生产活动，但是可以从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。其中，具有清
14、洁功能的服务型机器人称为扫地机器人。扫地机器人，是一种配备了微电脑系统、可以智能扫地和吸尘的电动保洁设备，人们可以通过一定的设置使它只清洁房间的某一小部分或着全部区域。扫地机器人与普通的吸尘器相比，它有着省时、省力的优点，它不需要人的控制就可以自主完成整个清洁过程，大大地减轻了人们的操作负担；扫地机器人的噪音很小，清洁房间的过程中主人不会受到噪音的影响；它里面放置了活性炭，可以吸附空气中的有害物质，净化空气；轻便小巧：轻松打扫普通吸尘器清理不到的死角。总之，智能扫地机器人有着许许多多的优点，还有操作简单、使用方便、清洁效果明显等特点。扫地机器人在各种服务机器人中有着广泛的应用前景。社会的发展使
15、得如今人们的生活节奏变得非常快，人们身上的压力也变得越来越大，一天的工作下来，人们疲惫不已，所以很少有人愿意在一天的忙碌后继续打扫自己的房间，而扫地机器人可以自主的完成清洁工作，使得人们在工作结束后回到家里免于家务劳动从而得到更多的休息时间，这就使得扫地机器人有了广大的市场。但是现在市场上质量比较好的扫地机器人的价格比较昂贵，所以针对扫地机器人的研究仍然很重要。第 1 章 绪论21.2 国内外研究概况自从第一台扫地机器在英国问世，扫地机器人开始逐步进入人们的日常生活当中。随着时间的流逝和科学技术的发展，扫地机器人技术也越来越成熟，扫地机器人得到了很好的发展，现在的扫地机器人更加的轻薄、灵活、智
16、能、清洁效率更高，拥有的功能也越来越多。在人们的日常生活中，扫地机器人可以发挥的作用越来越大。1.2.1 国外研究概况早在 20 世纪 80 年代 SANYO 公司就正式开始进行自主吸尘机器人的研发工作。但由于自主吸尘机器人的研究才刚刚开始，研究出来的自主吸尘机器人的自主能力还不够高，清扫的效率也比较低，在这些方面都还有待提高。2001 年初，英国 Dyson（戴森）公司推出了 DC06 智能吸尘器，其装备的感应器非常多，这就是世界首次研发出来的全自动“吸尘机器人” 。图 1-1 DC06 智能吸尘器著名的“三叶虫”也是诞生于英国，这是一款问世较早但功能强大的吸尘器。 “三叶虫”内部装有超声波
17、探测器，可以探测出障碍物如桌腿墙壁等的位置，能够绕开障碍物在房间里自由行走；还可以探测出房间的尺寸，从而自主的计算出最佳的行走路线。其工作档位一共有三个：正常、快速和点清理，当尘盒装满时机器人还会发出警告。这款机器人还有个特殊的功能，可以利用特制的磁带来限制机器人的清扫范围，如想让机器人只清扫客房第 1 章 绪论3时，就在客房门口放上特制磁带，扫地机器人就不会走出客房而只对客房内部进行清扫。“三叶虫”高度只有 13 厘米，因此可以方便的清扫到如沙发底或者床底等不易清扫的区域。图 1-2 伊莱克斯的“三叶虫”美国 iRobot 是全球家用机器人领航者与开拓者。从 2002 年至今，Roomba
18、一共有 8 代产品。最早的是 2002 年 9 月推出的清洁机器人“Roomba” ，它拥有高度的自主能力，打扫的时候动作不会太快但是效果很好。最新的型号是 2015 年底发布的 900 系列，暂时未引入中国市场。iRobot 主打三段式清扫系统，即“扫卷吸” 。这也是现在其他品牌争相模仿的。而现在他们放弃了传统的主刷，改为无刷防尘吸取器配以真空气流增强系统和高效真空吸尘马达，达到了真空吸尘的新高度。每一款 Roomba 都能完成自动清扫、自动回充，部分型号还拥有更高级功能如：（1）定时清扫功能（2）遥控器与指挥功能（3）虚拟墙与区分功能（4）虚拟墙灯塔与挨个房间清扫功能。图 1-3 美国“R
19、oomba”清扫机器人德国 TOMEFON(斐纳)环境公司始建于 1976 年，是德国智能扫地机器人行业领导品牌。斐纳是行业内第一家应用仿生学超声波侦测技术的智能扫地机器人品牌。斐纳 TOMEFON-TF-S450 这款智能扫地机器人采用双重红外防碰撞设计，一共有 18 组红外传感器，能有效防止发生碰撞事件，避免撞坏家具和机器，这是它最大特色。它的第二个优点是它的清洁第 1 章 绪论4系统是浮动式升降式的，由滚刷和双边刷组成，这使得机器清洁的时候更贴近地面，因此地面清洁能力非常强大。而现在最新的 TOMEFON-TF-S880 主打的是弓形拖扫功能。图 1-4 德国“TOMEFON-TF-S4
20、50”扫地机器人1.2.2 国内研究概况现在国内也有着相关的研究开发工作，一些知名的大学也对扫地机器人进行了大量的研究工作，研究得比较成熟主要是扫地机器人的相关技术如机器人的定位和导航与路径规划、机器人控制系统、机器人的传感器、机器人电源系统等方面有着较多的研究，尤其是移动机器人的路径规划和运动控制方面，获得了一定的研究成果，为未来对扫地机器人进行更深入的研发打下了技术基础。哈尔滨工业大学在 20 世纪 90 年代开始致力于这方面的研究工作，它与香港中文大学合作，一起研发出全方位移动地面清扫机器人，并且与海尔公司协议，由海尔公司将这种全方位移动地面清扫机器人制作成产品。这种机器人具有两种运行方
21、式，分别是遥控操作方式和自主操作方式，并且能进行智能化的电源管理，将电源有效分配给系统的不同组件，可以延长机器人的运行时间，提高移动机构地移动动力资源的利用率。采用全方位的移动技术，使用万向轮让机器人能向任意方向移动，由此可以去到清洁死区完成清洁工作。其吸尘机构可实现吸尘腔路的自主转换，提高了吸尘效率。该机器人采用了开放式的机器人铰链机构，可以实现硬件可扩展、软件可移植和继承的功能，使机器人作为服务载体具有更强的功能适应性。1999 年初，浙江大学也开始了智能吸尘机器人的研究工作。浙江大学机械电子研究所与苏州 TEK 公司合作，两年后设计成功研发出了国内第一个具有初步智能的吸尘机器人，到 20
22、03 年机器人系统在自主能力和工作效率上有了显著的提高。这个机器人在开始清洁任务之前，先进行环境学习，利用超声波测距，从而获得清扫范围的尺寸信息，决定清扫时间，然后，利用随机加局部遍历规划的策略产生高效的扫地路径，清扫结束后，自行回到充电座，补充能量。目前系统还在升级中，致力于引入机器人视觉和全局定位功能，提高清洁效率，所以现在还没有进入生产。国内众多扫地机器人品牌中，科沃斯是比较有名的。科沃斯主营地宝、窗宝、沁宝、魔镜等机器人吸尘器产品。其中地宝是通过整个涡轮增压系统来保证清洁效果的：涡轮增压电机产生涡轮增压吸力，将灰尘从进风口吸入到涡轮增压尘盒（尘盒的前部进风，后部出风直接连到涡轮增压电机，中间没有损失） ，而当地宝工作的时候，进灰口的滚刷每分钟
