樂高掃地機器人的設計

曾賢江 張海浪 張娟利 宋艷 袁雪

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

關鍵詞：掃地機器人;樂高EV3;傳感器;程序設計

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展，機器人的研究越來越深入，機器人也被引入了機械行業中，機械行業將實現自動化與智能化。特別是樂高機器人作為一項簡單易學的機器人設計工具，可以幫助我們比較簡單地了解到機器人設計的樂趣，并能擁有一款屬于自己的機器人，因而機器人在社會生活中的應用越來越廣泛。

符蓉的基于圖形化編程的樂高WeDo機器人設計與應用研究，介紹了樂高WeDo機器人產生的背景，說明了樂高機器人的軟件設計內容，討論了樂高WeDo機器人的綜合應用研究，并指出了課程獨特的教育教學優勢和特點。付曦東就如何利用樂高NXT機器人創建自動控制水溫實驗平臺的實驗目標、實驗步驟、軟件運行等進行了介紹。劉寶瑞提出在經過拼裝的實踐，有能力引導和教育學生對于樂高的學習，降低機械設計與機器人學習難度，而“STEAM”教育理念的不斷深化，使機器人教育也逐步進入課堂，我國的教育事業應需要與時俱進，對知識的學習不僅局限于對理論的學習，也需要對實踐的不斷探索。劉克毅將機械設計原理、機械傳動原理與機器人相結合，將會實現理論知識的直觀化，激勵對機械行業的學習興趣，提高學生學習的動力。

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

1 掃地機器人的設計原理

樂高掃地機器人的設計原理為：使用不同大型電機帶動機器人移動履帶和傳送履帶：移動履帶為掃地機器人的移動提供動力，通過大型電機不同的功率實現機器人的轉向、移動和停留等狀態;傳送履帶運動時通過其上加裝的毛刷對垃圾進行打掃進而推動到了收集倉中，實現衛生的清潔。使用紅外傳感器監測機器人的前方道路，若前方有物件、墻壁等障礙物則命令機器人改變行動路線，當某一地區的垃圾比較多時掃地機器人將停止移動只運行移動履帶，從而對這區域進行深度打掃。待打掃完畢后再次啟動移動履帶進行移動并循環上述工作過程，當所有需要打掃的區域均打掃完畢后，掃地機器人停止運行。

2 掃地機器人的拼裝

樂高掃地機器人由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。掃地機器人結構圖如圖1所示。EV3控制器安裝在底盤上，它是整個機器人的大腦，所有的命令都由此發出。底盤由許多零件拼接形成，主要負責整個機器人的承重和連接。移動履帶由四個履帶齒輪和兩條履帶構成，使用兩個大型電機分別驅動，此裝置可以使機器人進行直線運動、指定角度轉向和停止等。傳送履帶由一個大型電機驅動，履帶上安有毛刷，毛刷負責對垃圾的收集，使機器人能夠對垃圾進行清理。收集倉由兩個零件拼接組成，它主要負責把傳送履帶收集的垃圾存放在掃地機器人內部，從而減少地面垃圾。紅外傳感器安裝在掃地機器人的前端，當掃地機器人距離墻壁等障礙物一定距離時，提醒EV3控制器對機器人發出轉向或停止指令。

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、數據操作模塊和高級模塊。

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

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

（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的顏色，然后通過程序對機器人進行控制，也可以判別感光度，如環境光強度和反射光線強度，通過感光度來判斷和測量機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，可以據此調整觸動傳感器的觸發。

（4）數據操作模塊包括變量、常量、矩陣的定義、讀寫模塊和數據運算模塊。

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

4 掃地機器人的程序設計

樂高掃地機器人程序設計軟件是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數據線就可以將程序加載到EV3控制器，通過此進行各種命令的輸出。

機器人的總體程序如圖2所示。整個程序使用了兩個循環：

（1）第一個循環中，與EV3控制器D接口連接的一個大型電機以75的功率驅動傳送履帶不斷運動，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以75的功率驅動底盤的齒輪，齒輪又帶動底盤的兩根履帶旋轉，從而完成機器人的移動，此時的移動設置為直行;隨后加裝有一個紅外傳感器用來判斷是繼續第一個循環還是進行下一步動作：設置紅外傳感器的檢測距離為50mm，當紅外傳感器檢測到50mm內沒有障礙物的時候則繼續第一個循環，即機器人連續直行前進并打掃沿途的垃圾，當紅外傳感器檢測到50mm內有障礙物時則終止第一個循環，從而進入下一個動作，因為機器人直行遇到障礙物不能再直行，設置為向右轉向40度，移動5秒后轉向結束，這時的輸送履帶處于停止狀態。

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

5 展望

機器人技術正在高速發展，雖然現在技術還不是很成熟，但在不久的將來機器人將走進社會和生活的各個領域。樂高機器人的出現不僅為人們提供了一個簡單易學的平臺，還為機器人的發展打下一定的基礎，使得機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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[7]李昆.樂高“顏色分類”機器人設計[D].興義民族師范學院，2021.

基金項目：2020年貴州省大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號（S202010666032），興義民族師范學院大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號（2020xjyb024）

作者簡介：曾賢江（1998— ），貴州畢節人，本科在讀，興義民族師范學院，汽車服務工程專業。

*通訊作者：張娟利（1974— ），陜西岐山人，碩士，教授，研究方向為農業機械化工程。