作品名稱：桌面清道夫——桌面智能清潔機器人
學校名稱：西安思源學院
參賽隊伍：桌面清道夫
隊伍編號：203387
參賽學生：孫俊炳 趙玉明 王詩婷
指導老師：張瑜
投票日期：2024年10月08日 00:00->2024年12月05日 15:00
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隨著科技的進步和生活節奏的加快，人們對家庭清潔的需求越來越高，同時期望以更便捷的方式實現清潔。桌面智能清潔機器人作為智能清潔設備的一種，旨在提高小范圍清潔效率，特別是在清潔辦公桌、廚房臺面、課桌等狹小且難以清潔的表面。研究桌面智能清潔機器人的目的和意義主要體現在以下幾個方面：
（1）提高清潔效率
桌面智能清潔機器人通過自動化操作，可以在短時間內完成桌面的清潔工作，大大提高了清潔效率，節省了人力和時間。對于忙碌的現代人來說，這種可以代勞的家務清潔機器人具有極大的吸引力。
（2）減輕勞動強度
傳統的桌面清潔往往需要人們彎腰擦拭，這種重復性且費力的動作對腰背部的負擔較大。桌面智能清潔機器人能夠代替人工進行這類清潔工作，減輕人們的勞動強度，對維護人體健康有著積極的意義。
（3）促進科技發展
桌面智能清潔機器人的研發和普及，不僅推動了智能家電領域的發展，還為傳感器技術、人工智能、小型機械設計等相關領域的技術創新提供了平臺，有助于整個科技產業鏈的提升。
（4）環保意識的提升
通過使用桌面智能清潔機器人，可以減少傳統清潔過程中所使用的清潔劑和用水量，從長遠來看，有利于資源的節約和環境的保護，符合當下社會提倡的可持續發展理念。
綜上所述，桌面智能清潔機器人的研究具有重要的實際應用價值和社會意義，它不僅能夠提高生活質量，還能推動相關技術的進步，并對環境保護產生積極作用。隨著科技的不斷發展和用戶需求的多樣化，桌面智能清潔機器人有望成為家庭清潔的得力助手。
本項目通過分析桌面垃圾特點，提出一臺基于多傳感器融合的桌面智能清潔機器人，其主要結構包括STC89C52單片機、吸塵風扇和擦桌海綿，搭載紅外傳感器和電動機驅動模塊，在電路設計和避障算法上進行創新改進，采用輪式運動，同時可以任意切換清掃模式，具備智能高效、靈活敏捷、節能環保等特點，可清掃多種不同類型的桌面垃圾，擦拭桌面污漬，該機器人的設計和研發將會大大提高桌面清潔效率和質量。
結構說明：
整體結構設計：1.紅外避障傳感器 2.穩壓芯片 3.電源開關 4.電源接口 5.電機驅動模塊 6.電機接線端 7.風扇接口 8.電機接線端 9.功能切換鍵，加減調速鍵 10.復位按鍵 11.模式指示燈 12.擦桌海綿 13.吸塵風扇
功能與使用說明：
桌面清潔機器人是一款高性能的智能清潔機器人，其主要功能是清理辦公桌、廚房臺面、課桌等狹小且難以清潔的表面。該設備采用STC89C52單片機作為中央微型硬件處理器，能夠實現信號的接受、處理和發送，對紅外避障模塊和防跌落模塊所采集的桌面路況信息進行處理。通過將處理后的信號傳輸到智能避障系統處理器，能夠對其信號進行進一步的處理，發出新的指令到電機驅動模塊，驅使機器人進行相關動作，最終實現機器人執行的穩定性和對桌面的高效清潔。桌面智能清潔機器人具有風扇吸塵、海綿擦桌、智能避障、往返清掃、沿邊清掃、任意清掃，智能避障等功能，具有防跌落、防纏繞、躲避桌面物品、快捷便攜等特點，該機器人的設計和研發將會大大提高桌面清潔效率和質量。
設計原理：
本項目是基于多傳感器融合的一臺智能清掃桌面的輪式桌面智能清潔機器人，以STC89C52單片機微型硬件作為核心控制模塊，對傳感器傳輸模塊和電動機驅動模塊進行自動控制，以STC89C52單片機最小系統作為基礎，以紅外傳感器代替人工視覺監控，此防跌落模塊作為輔助系統，以電機驅動控制的旋轉海綿代替人工擦桌，此清掃及擦桌模塊作為輔助系統，使用清掃路徑規劃，通過多傳感器數據融合算法、避障路徑規劃算法實現桌面清潔機器人的智能避障。
項目的總體設計框圖如下所示：
圖 1 桌面智能清潔機器人的總體結構設計框圖
設計方案：
硬件與軟件技術要求
（1）基于單片機的防跌落模塊
該機器人采用了先進的防跌落技術，利用紅外傳感器能夠實時監測準確識別桌面懸空路段，具有較高的穩定性和可靠性。
（2）按鍵模塊
左邊第一個按鍵為掃桌模塊的開啟與關閉功能切換，第二個按鍵是功能的模式切換：分別為任意清掃模式、往返清掃模式、沿邊清掃模式、停止模式。
（3）桌面吸塵模塊
桌面智能清潔機器人的底部配備了電機驅動的風扇，能夠有效地將桌面上的灰塵吹走。
（4）擦桌模塊
桌面智能清潔機器人的底部裝有一個圓形海綿，電機驅動海綿旋轉完成擦桌，在海綿中還可添加有效清潔劑，保證海綿的濕度的同時，針對桌面的特殊污漬完成掃擦。
（5）往返清掃功能
桌面智能清潔機器人以S型方式進行扭進清程。
（6）任意清掃功能
桌面智能清潔機器人檢測到前方障礙物時，機器人后退，然后右拐，實現任意清掃功能。
（7）沿邊清掃功能
該功能能夠使桌面智能清潔機器人在清掃過程中緊貼桌面邊緣或墻角，調整行進路線，避免灰塵和雜物的滯留。
（8）基于單片機的紅外避障模塊
桌面智能清潔機器人通過實時檢測周圍環境、判斷障礙物位置以及控制機器人避障動作等步驟，實現了智能導航和避免碰撞到桌面物品的功能。
（9）PWM機器人調速功能
PWM調速功能是一種高效、精確的電機調速方法，通過對電機轉速的精準控制，確保避障的準確性，滿足對不同桌面情況對轉速的精確要求。調速功能可以減少能量損耗，提高機器人的清潔效率，不僅可以實現節能效果，也可以延長電機壽命。
（10）基于多傳感器的避障算法研究
在決策算法中,基于融合后的數據和路徑規劃結果,做出實時的避障決策。這些決策包括調整桌面智能機器人的速度、方向和避讓動作等,以避免與障礙物碰撞。決策算法需要考慮到桌面智能清潔機器人和桌面環境的動態變化，通過實時的決策,桌面智能清潔機器人可以快速響應桌面環境變化,保持工作時穩定性和高效性。
避障過程流程圖如圖2所示。將桌面清潔機器人放入作業環境中，紅外傳感器檢測前方是否有障礙物，當檢測到前方有障礙物后，觸發避障程序控制機器人右轉，根據當時黑白線的情況機器人自行選擇轉90°還是180°。選擇的原理是根據循跡模塊的中間一路是否檢測到黑線為準，當中間一路90°檢測到黑線時機器人就轉90°當中間一路180°檢測到黑線時機器人轉180°。
圖 2 桌面智能清潔機器人避障過程流程圖
綜上，該桌面智能清潔機器人利用紅外傳感器監測識別桌面懸空路段，提高機器人的穩定性和可靠性；通過電機驅動控制的風扇將桌面上的灰塵吹走，實現有效吸塵；利用旋轉海綿將桌面上的灰塵和污漬擦拭干凈，完成濕擦功能；通過對電機轉速的精準控制，完成滿足對不同桌面情況對轉速的精確要求，提高機器人的清潔效率和節能效果；往返清掃功能、任意清掃功能和沿邊清掃功能預計根據不同的清掃需求進行選擇；紅外避障模塊和基于多傳感器的避障算法研究實現智能導航和避免碰撞到桌面物品的功能。多模塊協同工作，預期達到高效、智能、穩定的桌面清潔功能。
通過對日常常見的書桌及餐桌桌面進行分析，桌面環境及垃圾類型如下表：
分析垃圾，得出垃圾的大小數據，有助于設計出既高效又適用于多樣化桌面環境的智能清潔機器人。
產品特色：
桌面智能清潔機器人是一臺集成了防跌落技術、紅外避障功能、任意切換清掃模式、多傳感器的避障算法的智能化清潔機器人，主要用來對桌面進行高效的清潔，可適用于清潔多種類型的桌面，該機器人有桌面吸塵模式和擦桌模式，兩個模式協同配合工作，進而使清潔效率大大提高。
