樂高掃地機(jī)器人的設(shè)計

曾賢江 張海浪 張娟利 宋艷 袁雪

摘 要：隨著機(jī)器人科學(xué)技術(shù)的成熟，樂高EV3作為前沿的教育型玩具領(lǐng)域，越來越多地被大眾所喜愛，其簡單易學(xué)的編程技術(shù)，使人們很容易設(shè)計一款屬于自己的機(jī)器人。本文介紹了一款能掃地的樂高機(jī)器人的拼裝和程序設(shè)計，給想了解樂高機(jī)器人設(shè)計的人群提供一個簡單明確的方案，給機(jī)器人的普及打下一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：掃地機(jī)器人;樂高EV3;傳感器;程序設(shè)計

Abstract：With the maturity of robot science and technology，LEGO EV3，as a cutting-edge educational toy field，is becoming more and more popular with the public.Its simple and easy-to-learn programming technology makes it easy for people to design a robot of their own.This paper introduces the assembly and program design of a Lego robot that can sweep the floor，providing a simple and clear plan for people who want to know about the design of Lego robot，and laying a certain foundation for the popularization of robots.

Keywords：sweeping robot;Lego ev3;The sensor;programming

隨著社會與科技的發(fā)展，機(jī)器人的研究越來越深入，機(jī)器人也被引入了機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械行業(yè)將實(shí)現(xiàn)自動化與智能化。特別是樂高機(jī)器人作為一項(xiàng)簡單易學(xué)的機(jī)器人設(shè)計工具，可以幫助我們比較簡單地了解到機(jī)器人設(shè)計的樂趣，并能擁有一款屬于自己的機(jī)器人，因而機(jī)器人在社會生活中的應(yīng)用越來越廣泛。

符蓉的基于圖形化編程的樂高WeDo機(jī)器人設(shè)計與應(yīng)用研究，介紹了樂高WeDo機(jī)器人產(chǎn)生的背景，說明了樂高機(jī)器人的軟件設(shè)計內(nèi)容，討論了樂高WeDo機(jī)器人的綜合應(yīng)用研究，并指出了課程獨(dú)特的教育教學(xué)優(yōu)勢和特點(diǎn)。付曦東就如何利用樂高NXT機(jī)器人創(chuàng)建自動控制水溫實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)步驟、軟件運(yùn)行等進(jìn)行了介紹。劉寶瑞提出在經(jīng)過拼裝的實(shí)踐，有能力引導(dǎo)和教育學(xué)生對于樂高的學(xué)習(xí)，降低機(jī)械設(shè)計與機(jī)器人學(xué)習(xí)難度，而“STEAM”教育理念的不斷深化，使機(jī)器人教育也逐步進(jìn)入課堂，我國的教育事業(yè)應(yīng)需要與時俱進(jìn)，對知識的學(xué)習(xí)不僅局限于對理論的學(xué)習(xí)，也需要對實(shí)踐的不斷探索。劉克毅將機(jī)械設(shè)計原理、機(jī)械傳動原理與機(jī)器人相結(jié)合，將會實(shí)現(xiàn)理論知識的直觀化，激勵對機(jī)械行業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的動力。

本文利用樂高45544套裝和45560配件設(shè)計一款簡單易操作的樂高掃地機(jī)器人，給沒有了解樂高機(jī)器人設(shè)計的人群提供一個簡單明確的方案，讓樂高走入大眾視野，也給機(jī)器人的普及打下一定的基礎(chǔ)。

1 掃地機(jī)器人的設(shè)計原理

樂高掃地機(jī)器人的設(shè)計原理為：使用不同大型電機(jī)帶動機(jī)器人移動履帶和傳送履帶：移動履帶為掃地機(jī)器人的移動提供動力，通過大型電機(jī)不同的功率實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向、移動和停留等狀態(tài);傳送履帶運(yùn)動時通過其上加裝的毛刷對垃圾進(jìn)行打掃進(jìn)而推動到了收集倉中，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)生的清潔。使用紅外傳感器監(jiān)測機(jī)器人的前方道路，若前方有物件、墻壁等障礙物則命令機(jī)器人改變行動路線，當(dāng)某一地區(qū)的垃圾比較多時掃地機(jī)器人將停止移動只運(yùn)行移動履帶，從而對這區(qū)域進(jìn)行深度打掃。待打掃完畢后再次啟動移動履帶進(jìn)行移動并循環(huán)上述工作過程，當(dāng)所有需要打掃的區(qū)域均打掃完畢后，掃地機(jī)器人停止運(yùn)行。

2 掃地機(jī)器人的拼裝

樂高掃地機(jī)器人由EV3控制器、底盤、移動履帶、傳送履帶、收集倉和傳感器六部分組成。掃地機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。EV3控制器安裝在底盤上，它是整個機(jī)器人的大腦，所有的命令都由此發(fā)出。底盤由許多零件拼接形成，主要負(fù)責(zé)整個機(jī)器人的承重和連接。移動履帶由四個履帶齒輪和兩條履帶構(gòu)成，使用兩個大型電機(jī)分別驅(qū)動，此裝置可以使機(jī)器人進(jìn)行直線運(yùn)動、指定角度轉(zhuǎn)向和停止等。傳送履帶由一個大型電機(jī)驅(qū)動，履帶上安有毛刷，毛刷負(fù)責(zé)對垃圾的收集，使機(jī)器人能夠?qū)M(jìn)行清理。收集倉由兩個零件拼接組成，它主要負(fù)責(zé)把傳送履帶收集的垃圾存放在掃地機(jī)器人內(nèi)部，從而減少地面垃圾。紅外傳感器安裝在掃地機(jī)器人的前端，當(dāng)掃地機(jī)器人距離墻壁等障礙物一定距離時，提醒EV3控制器對機(jī)器人發(fā)出轉(zhuǎn)向或停止指令。

3 樂高圖形化編程介紹

樂高圖形化編程工具分為五大模塊，分別為動作模塊、流程模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)操作模塊和高級模塊。

（1）動作模塊包括中型電機(jī)、大型電機(jī)、移動轉(zhuǎn)向模塊、移動槽、顯示、聲音、程序狀態(tài)燈。中型電機(jī)是一個小概率的電動機(jī)，以驅(qū)動小功率的部件，大型電機(jī)與中型電機(jī)相比擁有更大的功率能驅(qū)動動力要求更高的部件。移動轉(zhuǎn)向模塊和移動槽作用類似，它們都可以通過程序控制機(jī)器人地移動和轉(zhuǎn)向等動作，顯示、聲音、程序狀態(tài)燈則相互配合負(fù)責(zé)指示作用。

（2）流程模塊包括等待、循環(huán)、切換、循環(huán)中斷4個小模塊。其中循環(huán)和切換模塊可以通過條件控制機(jī)器人所要運(yùn)行的流程，在其中可以插入傳感器、計時器等程序用來控制機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài);等待和循環(huán)中斷模塊控制程序的運(yùn)行與否。

（3）傳感器模塊主要包括顏色傳感器、紅外傳感器、觸動傳感器。顏色傳感器顧名思義，就是可以識別一些基礎(chǔ)的顏色，然后通過程序?qū)C(jī)器人進(jìn)行控制，也可以判別感光度，如環(huán)境光強(qiáng)度和反射光線強(qiáng)度，通過感光度來判斷和測量機(jī)器人與障礙物之間的距離。觸動傳感器則分為按壓、碰撞和松開三個識別狀態(tài)，可以據(jù)此調(diào)整觸動傳感器的觸發(fā)。

（4）數(shù)據(jù)操作模塊包括變量、常量、矩陣的定義、讀寫模塊和數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊。

（5）高級模塊包括文件讀寫、信息傳遞、藍(lán)牙連接等外接設(shè)備。樂高EV3控制器為各個模塊提供多個數(shù)據(jù)接口，用戶可以通過接口和參數(shù)的配合控制機(jī)器人完成不同的功能。

4 掃地機(jī)器人的程序設(shè)計

樂高掃地機(jī)器人程序設(shè)計軟件是Lego Mindstorms EV3 Home Edition，使用的是圖形界面編程，通過圖形編程界面完成所需程序，通過USB數(shù)據(jù)線就可以將程序加載到EV3控制器，通過此進(jìn)行各種命令的輸出。

機(jī)器人的總體程序如圖2所示。整個程序使用了兩個循環(huán)：

（1）第一個循環(huán)中，與EV3控制器D接口連接的一個大型電機(jī)以75的功率驅(qū)動傳送履帶不斷運(yùn)動，通過毛刷打掃地面垃圾并輸送垃圾到收集倉;與EV3控制器B、C接口連接的另兩個大型電機(jī)以75的功率驅(qū)動底盤的齒輪，齒輪又帶動底盤的兩根履帶旋轉(zhuǎn)，從而完成機(jī)器人的移動，此時的移動設(shè)置為直行;隨后加裝有一個紅外傳感器用來判斷是繼續(xù)第一個循環(huán)還是進(jìn)行下一步動作：設(shè)置紅外傳感器的檢測距離為50mm，當(dāng)紅外傳感器檢測到50mm內(nèi)沒有障礙物的時候則繼續(xù)第一個循環(huán)，即機(jī)器人連續(xù)直行前進(jìn)并打掃沿途的垃圾，當(dāng)紅外傳感器檢測到50mm內(nèi)有障礙物時則終止第一個循環(huán)，從而進(jìn)入下一個動作，因?yàn)闄C(jī)器人直行遇到障礙物不能再直行，設(shè)置為向右轉(zhuǎn)向40度，移動5秒后轉(zhuǎn)向結(jié)束，這時的輸送履帶處于停止?fàn)顟B(tài)。

（2）隨即進(jìn)入第二個循環(huán)，這個循環(huán)適合于某處垃圾特別多時，對此區(qū)域進(jìn)行深度打掃，機(jī)器人的移動履帶停止運(yùn)動，傳送履帶不斷運(yùn)動，通過毛刷打掃此處的垃圾并輸送到收集倉，這個循環(huán)進(jìn)行5秒然后結(jié)束，并進(jìn)入下一個動作，傳送履帶停止工作，垃圾收集完畢，移動履帶工作，機(jī)器人直行5秒后整個打掃結(jié)束。如果此時還需要打掃其他區(qū)域，則再一次啟動機(jī)器人，重復(fù)上述過程，直到完成所有需要打掃的區(qū)域。

5 展望

機(jī)器人技術(shù)正在高速發(fā)展，雖然現(xiàn)在技術(shù)還不是很成熟，但在不久的將來機(jī)器人將走進(jìn)社會和生活的各個領(lǐng)域。樂高機(jī)器人的出現(xiàn)不僅為人們提供了一個簡單易學(xué)的平臺，還為機(jī)器人的發(fā)展打下一定的基礎(chǔ)，使得機(jī)器人將在我們的生活中越來越常見，對人們的工作生活越來越有幫助。

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基金項(xiàng)目：2020年貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號（S202010666032），興義民族師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號（2020xjyb024）

作者簡介：曾賢江（1998— ），貴州畢節(jié)人，本科在讀，興義民族師范學(xué)院，汽車服務(wù)工程專業(yè)。

*通訊作者：張娟利（1974— ），陜西岐山人，碩士，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。