2 自动拖地机器人的总体方案设计
2.1 设计概述
根据目前的市场同类产品调查情况表明，大多数是以扫地机器人的形式外加抹布擦地功能，如图2.1所示，其作用功能最多也就是在扫地的同时进行擦拭干净地板功能，并未能够达到很明显的水洗干净地板的效果。
针对拖动机器人中抹布拖地时渗水过多、抹布更换麻烦等这些问题，由此对拖地机器人进行结构性的侧重改进。总体结构上，外部将抹布擦地改进为履带式行进拖地，内部将设计挤压结构、往复机构、过滤结构、清扫装置、垃圾收集箱等，能让拖地机器人具有更换抹布简易、自动清洗抹布、自动挤压抹布水分、过滤脏水以及垃圾收集等功能，从而来达到改善拖地效果以及提高拖地效率的目的。
图2.1 目前大多数扫地兼拖地机器人底盘示意图
2.3 拖地机器人行走方式的选择
机器人之所以能够行进，与它的行走机构是分不开的。一个设计好的行走机构能让机器人的性能提升好几倍。机器人行走的方式多种多样，常见的有履带式、轮式、足式等，而他们其中又能两两组合起来，使得机器人行走更加方便[5]。接下来介绍3种机器人行走的方式：
（1）轮式。一般的机器人用轮式作为行走机构行进时，会采用3个轮子、4个轮子或者更多。3个车轮的优点是所有的车轮都会着地，不会产生空转现象，控制稳定。但当重心经常偏移时，相比3个轮子而言，4个车轮更加稳定。当机器人采用4个轮行走时，若是其中一个轮子的中心调整不当，会使得4个轮子在行走时不能同时着陆，这样会让机器人在行走时左右前后晃动，控制困难，不能正常行走。当机器人用4个轮子驱动行走时，它的直线行驶能力比较强，驱动能力足够大，但是它的制作成本高，而且它所需要的硬件控制要更为复杂。因此选用四轮驱动时，为了防止机器人行走前后左右晃动以及打滑，就需要更加精密的结构设计，
图2.3.1 四轮驱动
四轮驱动还有一种方式，那就是前面的两个轮子转向，后面的两个轮子驱动。这样子的行走机构，要想前轮能够转向，得需要电缸、涡轮蜗杆等机构的配合使用才能够实现。后面的轮子想要驱动，加一个电机和差速减速器就行了。这样子的行走方式制作成本比较低，而且控制简单，但是缺点就是在转弯的时候，半径比较大，控制的力度不好掌握，使用时就不那么的灵活。
图2.3.2 前轮驱动+后轮驱动
3 主体
拖地机器人的主体由主体箱和顶板组成。
3.5.1主体箱
整个整体的箱体呈方形，如图3.5.1所示。箱体底部留有电池以及集成电路槽位，专门用于放置电源电池以及集成电路板。整个中心控制系统设计位于机器人底部，优点是一来方便拆卸以及维修，二来也是使之与箱体内部的水分隔开来，不会因为进水而导致机器电路模块损坏。如图左边留有挤压抹布电机槽位，在这个位置上加装两个电机并带动主动轮，对在箱体里面的抹布提供动力进行挤压水分，水分由于挤压后收到重力回流到箱体里面。如此可以避免履带式抹布由于渗水过多导致拖地效果极差，使得地板到处湿漉漉的样子。如图中流水过滤器槽位，它呈倒三角状，顶角与抽水泵的出水口相连，当水从出水口流出时，因为有倒三角的槽位阻拦，而不会随意地喷洒，有效的控制水流流向箱体。
图3.2 主体箱
3.6 辅助轮
拖地机器人的驱动前进的轮子设计如图3.4所示。轮子细节没有画出，轮子表面会相对粗糙，主要是增大于履带式抹布之间的摩擦力，方便带动整个机器人前进旋转。在刚开始是没有要设计辅助轮的，认为只要有抹布作为履带驱动前进就行了。后来发现，抹布在没有辅助轮时，拖地机器人整个底部部分与地面接触，抹布承载着整个称重的箱体，而且与地面的摩擦阻力又大，需要非常大功率的电机才能驱动抹布前进拖地。另一方面，抹布在转向时受到外力影响，难以转向，即使成功转向，抹布也有可能变形，而无法继续前进拖地。基于以上两点，才设计出整个拖地机器人要加上辅助轮。辅助轮的安装位置也有讲究，考虑到挤压抽，过滤电机重量的影响，若把辅助轮放在前面，则整个箱体会向前拱，这样的话受重力影响，水就无法很好地从前往后循环，从而影响过滤。若放在中间，拖地机器人在移动时可能会前后摇摆，从而影响到拖地的效果。放在中间偏后的位置会好点，这样抹布与地面接触的部分只有前面部分，受到的阻力减小，转弯时受到的外力也随之减小，这样更加方便转向。辅助轮的具体位置还要根据实际情况而定，要根据加入的水、挤压轴、过滤电机、电路板、电池的重量来综合考虑，经过试验来最终确定辅助轮的具体位置。
图3.4 辅助轮
4 自动拖地机器人的整体结构
4.1 整体结构
该图为拖地机器人设计的整体效果图，如图4.1所示，为了更加方便清楚了解拖地机器人内部结构就不放置履带式抹布以及顶板盖子。清洗机构是由两个圆形刷子组成，当履带式抹布送进箱体时便会对抹布表面进行刷洗至干净。挤压机构由带滚轴的电机组成，当抹布在箱体内部完成清洗之后，送至挤压机构开始工作，电动机带动滚轴转动，使抹布快速挤干，避免渗水过多，使得整条履带抹布遇上赃物之后更加脏。
图4.1 整体效果图
4.2 侧视拖地机器人
该图为拖地机器人的侧视图，如图4.2所示。这里把过滤板往上抬了，方便观察，原本是与主体箱低接触。该拖地机器人设计有水过滤层，圆形毛刷把脏乱杂物扫落在两边，水流会把这些垃圾杂物带到杂物容纳处，通过过滤挡板把东西都挡住在底下，从而实现过滤杂物的功能。
图4.2 侧视图
4.3 俯视拖地机器人
该图为拖地机器人的俯视图，如图4.3所示。双滚轴挤压结构位于机器人前方输出，双刷子结构位于后面，如此可以实现先清洗后挤压的步骤。两边设计有四个螺丝孔，可以使顶板与主体箱紧密结合在一起。顶板设计只遮住了从动轮，未盖住主动轮，这样方便抹布从两轮之间穿出，到达外面，与地面接触。
图4.3 俯视图
4.4 正视拖地机器人
该图为拖地机器人的正视图，如图4.4所示。轮子作用为协助前进及转向功能，通过差速的方法可以实现机器人的左右拐弯以及原地旋转功能。右边上方为挤压装置的动力所在，里面有电机驱动主动轮转动，中间下方为抽水泵，上面为出水口，下面为抽水口，中间为挡板，挡住两口之间的水流流动，从而不影响水的过滤。水流流向下方时，从后往前经过过滤板，从左右过滤板的两个槽中流入抽水口，然后从出水口流出，从前往后流，形成一个循环。
图4.4 正视图
5 运动仿真
5.1 SOLIDWORKS运动仿真介绍
在1995年SOLIDWORKS成功研发了第一代产品，从一开始简单的三维CAD软件，到现在一系列品牌的软件产品。自从它投入到市场后，就一直被人们所关注，用过它的人一致都说好。现在许多科技公司的工程师在进行产品开发时，都会先用它进行三维零件设计，然后进行装配。装配完，要展示给别人看原理时，就遇到难题了，总不能拿个截图就跟人讲吧，能理解的人还好，不能理解的人就是在听天书了，这时候就需要动画运动仿真了，在虚拟的环境中模拟出产品的运动并制作成动画，这样能让别人更加直观，方便去了解这个产品。SOLIDWORKS中的SOLIDWORKS VISUALIZATION和SOLISWORKS COMPOSER作为独立的应用程序，都可以完成运动仿真动画的制作。在这里我是使用SOLIDWORKS【运动算例】下制作的运动仿真动画[7]。下面是简单介绍一下运动算例制作的六个步骤：
（1）一开始将时间轴放到起始侦的位置，然后把视图调整到你所需要的位置，再在“视向及相机视图”对应的起始侦位置点击右键，点选“替换键码”。
（2）将时间轴放到第n秒的侦位置，然后拖动零件，使其转动到相应位置，再在时间轴上该零件相应位置右键，点选“放置键码” 。
（3）这一步非常关键，拖动一下时间轴，把第n秒侦的位置拖到起始侦的位置，再拖回到第n秒侦位置。这样做的目的是将第n秒侦的视图与起始侦的视图连贯成一整个动画的过程。
（4）重复（2）、（3）步骤，不断的加入新的视图并将它们连成动画。
（5）点击计算算例。
（6）再次播放动画，然后保存动画。
5.2 自动拖地机器人运动仿真
要完成自动拖地机器人的运动仿真，我将它分为两个部分，一是对直线行走的仿真，二是对其避障的仿真。首先要进行直线行走的仿真，得先建立一个它可以走平台，在此平台上在进行仿真。
图5.2.1 直线行走的地板 图5.2.2 避障的墙
接着是把拖地机器人与地板和墙组合起来，调整合适的角度，点击界面下方的运动算例。
图5.2.3 机体在地板上 图5.2.4 机体在墙边
接着设置相机位置，这里选择了三视图方向；插入旋转马达，设置旋转方向，运动时间。
图5.2.5 给辅助轮加旋转马达
6 实物制作
因为待在家里没有合适的工具和材料，只能上网购买材料，制作简单的模型出来。实物开始制作最先考虑是整体箱体部分，然后是内部的部分。主体箱原本是打算3D打印的，在询问过淘宝商家后，要么不是因为尺寸大无法打印就是打印成本过高，从而放弃了3D打印。接着打算是让工厂用钢材加工，但后来考虑，拿回外壳还需要手工加工，那么无合适的工具使用就成了难题。综合考量下来，决定用木板手工制作。其余材料网上买，不能买手工制作代替。
图6.1.6 组装后拖地机器人
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