家用小型扫地机器人行走机构设计与运动控制

引言：

随着智能家居需求增长，家用小型扫地机器人成为家庭清洁的重要设备。行走机构决定机器人的机动性与场景适配性，运动控制影响清扫效率与用户体验，而当前产品存在地面越障能力弱、路径重复率高、避障不精准等问题。因此，研究行走机构设计与运动控制优化，对提升家用扫地机器人性能、满足家庭多样化清洁需求具有重要现实意义。

一、家用小型扫地机器人行走机构的设计需求与方案选择

1.1 行走机构的核心设计需求

家用场景对扫地机器人行走机构提出三方面需求：一是机动性，需适应家庭复杂环境（如家具底部、墙角、门槛），最小转弯半径不超过机身半径，越障高度不低于 15mm（应对常见门槛、地毯边缘）；二是稳定性，机身重量需均匀分布，避免清扫过程中倾斜或侧翻，同时行走时噪音需控制在 60 分贝以下（符合家庭静音需求）；三是承载性，需兼容清扫模块（如滚刷、吸尘装置）与控制模块重量，单个轮组承载能力不低于机器人总重量的 1/3，确保长期使用无结构变形。

1.2 行走机构的方案对比与选择

当前主流行走机构方案包括轮式、履带式、足式，结合家用场景需求对比分析：履带式机构虽越障能力强，但机身高度高（难以进入家具底部）、噪音大，不符合家用小型化与静音需求；足式机构结构复杂、能耗高，且行走速度慢，不适用于大面积家庭清洁；轮式机构具有结构简单、速度快、噪音低的优势，通过优化轮组布局可提升机动性，更适配家用场景。最终选择“双驱动轮+万向从动轮”的轮式方案，双驱动轮负责动力输出与转向，万向从动轮辅助平衡，兼顾机动性与稳定性。

二、家用小型扫地机器人行走机构的具体设计

2.1 轮组布局与结构参数设计

轮组采用“对称双驱+前置万向轮”布局：双驱动轮对称分布于机身中部两侧，间距与机身宽度比为 0.6（确保转向灵活），驱动轮直径设计为 60mm( （平衡越障能力与机身高度，机身高度控制在 80mm以下，可进入多数家具底部）；万向从动轮采用球头式结构，安装于机身前端中轴线处，直径 40mm，可实现 360°无死角转向，避免转弯时卡顿。同时，驱动轮表面包裹聚氨酯橡胶材质，硬度为 60 ShoreA，既提升地面摩擦力（防止打滑），又减少行走时对地板的磨损与噪音。

2.2 驱动系统设计

驱动系统采用“直流减速电机+行星齿轮减速器”组合：单个驱动电机额定功率 15W，额定转速3000rpm ，通过行星齿轮减速器将转速降至 150rpm ，扭矩提升至 2N⋅m （满足机器人在地毯等阻力较大地面的行走需求）；电机配备霍尔编码器，分辨率为 1000 线/转，可实时采集电机转速与转动角度，为运动控制提供精准位置反馈。此外，驱动系统设置过流保护模块，当电机负载超过 3N•m 时自动断电，避免电机烧毁，提升机构使用寿命。

2.3 减震与防护结构设计

为提升复杂地面适应性，行走机构增设减震与防护结构：驱动轮轴与机身连接处采用弹簧减震组件，减震行程 5mm ，可缓冲地面颠簸（如地砖接缝、小石子），避免机身震动影响清扫模块工作；机身底部边缘安装柔性硅胶防撞条，厚度 5mm，当行走机构靠近家具时，防撞条先接触障碍物，减少碰撞冲击力，同时触发后续避障动作；万向轮底部设置防尘盖，防止灰尘进入轮轴影响转动灵活性，适配家庭多灰尘环境使用。

三、家用小型扫地机器人的运动控制策略

3.1 运动控制的核心目标与硬件支撑

运动控制以“路径精准规划、高效避障、低重复清扫”为核心目标，硬件上采用“STM32 单片机+传感器融合模块”架构：STM32 单片机作为主控芯片，负责接收传感器数据、解析控制指令并驱动电机；传感器模块包括红外传感器（检测近距离障碍物，探测距离 0⋅10cm ）、超声波传感器（检测中远距离障碍物，探测距离 0.3-3m ）、陀螺仪（采集机器人姿态数据，判断是否倾斜）、里程计（结合电机编码器计算行走距离与位置），多传感器协同实现环境感知与位置定位。

3.2 基础运动控制算法设计

基础运动包括直线行走、转弯、定点旋转，算法设计如下：直线行走时，通过电机编码器实时对比双驱动轮转速，当转速差超过 5%0%+ ，单片机输出调整信号，控制电机转速趋于一致，确保行走偏差不超过 5cm/l0m ；转弯采用“差速转向”算法，左转时降低左侧驱动轮转速、提升右侧驱动轮转速，右转反之，转弯半径通过转速差调节，最小转弯半径控制在机身半径（约 15cm）以内；定点旋转时，双驱动轮以相同转速反向转动，旋转角速度设定为 60^∘/s ，确保旋转过程平稳，避免机身偏移。

3.3 路径规划与避障控制策略

结合家庭清洁需求，采用“分区清扫+动态避障”策略：路径规划上，通过陀螺仪与里程计构建简易地图，将家庭区域划分为多个矩形子区域，机器人按“弓字形”路径清扫每个子区域，减少路径重复率（重复率控制在 10% 以下）；避障控制上，当红外传感器检测到近距离障碍物（如家具腿）时，机器人立即减速并微调方向（转向 15°-30°），绕过障碍物后回到原路径；当超声波传感器检测到中远距离障碍物（如墙壁）时，提前减速，控制与障碍物间距保持 5-10cm ，避免碰撞的同时确保边缘区域清扫到位。此外，当陀螺仪检测到机身倾斜角度超过 10^∘ °时，立即停止行走并发出报警信号，防止机器人侧翻。

结论：

家用小型扫地机器人的行走机构设计与运动控制需紧密适配家庭场景需求，“双驱+万向轮”的轮式机构通过优化布局与结构参数，可兼顾机动性、稳定性与静音需求；基于传感器融合的运动控制策略，能实现精准路径规划与高效避障，提升清洁效率与用户体验。当前设计仍可在地面适应性（如应对长毛地毯）、路径规划精度（如构建更精准家庭地图）上进一步优化，未来需结合人工智能技术，实现更智能的运动控制，推动家用扫地机器人向“更高效、更智能、更适配家庭场景”方向发展。

参考文献：

[1] 苏健. 扫地机器人硬件与软件设计[J]. 科技风,2021(2):5-6.

[2]陈敏生. 扫地机器人电机自动测试装置[J]. 自动化与信息工程,2020,41(3):27-31.