乐高扫地机器人的设计

曾贤江 张海浪 张娟利 宋艳 袁雪

摘 要：随着机器人科学技术的成熟，乐高EV3作为前沿的教育型玩具领域，越来越多地被大众所喜爱，其简单易学的编程技术，使人们很容易设计一款属于自己的机器人。本文介绍了一款能扫地的乐高机器人的拼装和程序设计，给想了解乐高机器人设計的人群提供一个简单明确的方案，给机器人的普及打下一定的基础。

关键词：扫地机器人;乐高EV3;传感器;程序设计

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

随着社会与科技的发展，机器人的研究越来越深入，机器人也被引入了机械行业中，机械行业将实现自动化与智能化。特别是乐高机器人作为一项简单易学的机器人设计工具，可以帮助我们比较简单地了解到机器人设计的乐趣，并能拥有一款属于自己的机器人，因而机器人在社会生活中的应用越来越广泛。

符蓉的基于图形化编程的乐高WeDo机器人设计与应用研究，介绍了乐高WeDo机器人产生的背景，说明了乐高机器人的软件设计内容，讨论了乐高WeDo机器人的综合应用研究，并指出了课程独特的教育教学优势和特点。付曦东就如何利用乐高NXT机器人创建自动控制水温实验平台的实验目标、实验步骤、软件运行等进行了介绍。刘宝瑞提出在经过拼装的实践，有能力引导和教育学生对于乐高的学习，降低机械设计与机器人学习难度，而“STEAM”教育理念的不断深化，使机器人教育也逐步进入课堂，我国的教育事业应需要与时俱进，对知识的学习不仅局限于对理论的学习，也需要对实践的不断探索。刘克毅将机械设计原理、机械传动原理与机器人相结合，将会实现理论知识的直观化，激励对机械行业的学习兴趣，提高学生学习的动力。

本文利用乐高45544套装和45560配件设计一款简单易操作的乐高扫地机器人，给没有了解乐高机器人设计的人群提供一个简单明确的方案，让乐高走入大众视野，也给机器人的普及打下一定的基础。

1 扫地机器人的设计原理

乐高扫地机器人的设计原理为：使用不同大型电机带动机器人移动履带和传送履带：移动履带为扫地机器人的移动提供动力，通过大型电机不同的功率实现机器人的转向、移动和停留等状态;传送履带运动时通过其上加装的毛刷对垃圾进行打扫进而推动到了收集仓中，实现卫生的清洁。使用红外传感器监测机器人的前方道路，若前方有物件、墙壁等障碍物则命令机器人改变行动路线，当某一地区的垃圾比较多时扫地机器人将停止移动只运行移动履带，从而对这区域进行深度打扫。待打扫完毕后再次启动移动履带进行移动并循环上述工作过程，当所有需要打扫的区域均打扫完毕后，扫地机器人停止运行。

2 扫地机器人的拼装

乐高扫地机器人由EV3控制器、底盘、移动履带、传送履带、收集仓和传感器六部分组成。扫地机器人结构图如图1所示。EV3控制器安装在底盘上，它是整个机器人的大脑，所有的命令都由此发出。底盘由许多零件拼接形成，主要负责整个机器人的承重和连接。移动履带由四个履带齿轮和两条履带构成，使用两个大型电机分别驱动，此装置可以使机器人进行直线运动、指定角度转向和停止等。传送履带由一个大型电机驱动，履带上安有毛刷，毛刷负责对垃圾的收集，使机器人能够对垃圾进行清理。收集仓由两个零件拼接组成，它主要负责把传送履带收集的垃圾存放在扫地机器人内部，从而减少地面垃圾。红外传感器安装在扫地机器人的前端，当扫地机器人距离墙壁等障碍物一定距离时，提醒EV3控制器对机器人发出转向或停止指令。

3 乐高图形化编程介绍

乐高图形化编程工具分为五大模块，分别为动作模块、流程模块、传感器模块、数据操作模块和高级模块。

（1）动作模块包括中型电机、大型电机、移动转向模块、移动槽、显示、声音、程序状态灯。中型电机是一个小概率的电动机，以驱动小功率的部件，大型电机与中型电机相比拥有更大的功率能驱动动力要求更高的部件。移动转向模块和移动槽作用类似，它们都可以通过程序控制机器人地移动和转向等动作，显示、声音、程序状态灯则相互配合负责指示作用。

（2）流程模块包括等待、循环、切换、循环中断4个小模块。其中循环和切换模块可以通过条件控制机器人所要运行的流程，在其中可以插入传感器、计时器等程序用来控制机器人的运行状态;等待和循环中断模块控制程序的运行与否。

（3）传感器模块主要包括颜色传感器、红外传感器、触动传感器。颜色传感器顾名思义，就是可以识别一些基础的颜色，然后通过程序对机器人进行控制，也可以判别感光度，如环境光强度和反射光线强度，通过感光度来判断和测量机器人与障碍物之间的距离。触动传感器则分为按压、碰撞和松开三个识别状态，可以据此调整触动传感器的触发。

（4）数据操作模块包括变量、常量、矩阵的定义、读写模块和数据运算模块。

（5）高级模块包括文件读写、信息传递、蓝牙连接等外接设备。乐高EV3控制器为各个模块提供多个数据接口，用户可以通过接口和参数的配合控制机器人完成不同的功能。

4 扫地机器人的程序设计

乐高扫地机器人程序设计软件是Lego Mindstorms EV3 Home Edition，使用的是图形界面编程，通过图形编程界面完成所需程序，通过USB数据线就可以将程序加载到EV3控制器，通过此进行各种命令的输出。

机器人的总体程序如图2所示。整个程序使用了两个循环：

（1）第一个循环中，与EV3控制器D接口连接的一个大型电机以75的功率驱动传送履带不断运动，通过毛刷打扫地面垃圾并输送垃圾到收集仓;与EV3控制器B、C接口连接的另两个大型电机以75的功率驱动底盘的齿轮，齿轮又带动底盘的两根履带旋转，从而完成机器人的移动，此时的移动设置为直行;随后加装有一个红外传感器用来判断是继续第一个循环还是进行下一步动作：设置红外传感器的检测距离为50mm，当红外传感器检测到50mm内没有障碍物的时候则继续第一个循环，即机器人连续直行前进并打扫沿途的垃圾，当红外传感器检测到50mm内有障碍物时则终止第一个循环，从而进入下一个动作，因为机器人直行遇到障碍物不能再直行，设置为向右转向40度，移动5秒后转向结束，这时的输送履带处于停止状态。

（2）随即进入第二个循环，这个循环适合于某处垃圾特别多时，对此区域进行深度打扫，机器人的移动履带停止运动，传送履带不断运动，通过毛刷打扫此处的垃圾并输送到收集仓，这个循环进行5秒然后结束，并进入下一个动作，传送履带停止工作，垃圾收集完毕，移动履带工作，机器人直行5秒后整个打扫结束。如果此时还需要打扫其他区域，则再一次启动机器人，重复上述过程，直到完成所有需要打扫的区域。

5 展望

机器人技术正在高速发展，虽然现在技术还不是很成熟，但在不久的将来机器人将走进社会和生活的各个领域。乐高机器人的出现不仅为人们提供了一个简单易学的平台，还为机器人的发展打下一定的基础，使得机器人将在我们的生活中越来越常见，对人们的工作生活越来越有帮助。

参考文献：

[1]符蓉，王向丰.基于图形化编程的乐高WeDo机器人设计与应用研究[J].时代教育，2015（16）：223-224.

[2]付曦东，龙庄，鲁瑛.利用乐高NXT机器人创建自动控制水温实验平台[J].科技与创新，2016（23）：127-128.

[3]郭宋，何雷.机械设计制造及其自动化的应用优势及发展趋势[J].写真地理，2021（2）：346.

[4]刘宝瑞.基于项目式学习的小学机器人课程设计与应用研究[D].陕西师范大学，2019.

[5]刘克毅，余斌，王梦，等.基于机械原理的新型机器人教具的设计与研究[J].机电信息，2019（18）：110-112.

[6]王萍叶.乐高仓储运输机器人设计[J].电脑迷，2017（28）：38.

[7]李昆.乐高“颜色分类”机器人设计[D].兴义民族师范学院，2021.

基金项目：2020年貴州省大学生创新创业训练计划项目，项目编号（S202010666032），兴义民族师范学院大学生创新创业训练计划项目，项目编号（2020xjyb024）

作者简介：曾贤江（1998— ），贵州毕节人，本科在读，兴义民族师范学院，汽车服务工程专业。

*通讯作者：张娟利（1974— ），陕西岐山人，硕士，教授，研究方向为农业机械化工程。