生活電器
掃地機器人方案開發(fā)
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新型的設(shè)備不斷涌現(xiàn)處理，掃地機器人也得以出現(xiàn)。最初，智能掃地機器人在歐美國家得到大范圍的應(yīng)用。近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，智能掃地機器人在我國的使用范圍也在不斷擴大。所謂智能掃地機器人，又可以稱為自動打掃機、智能吸塵器、機器人吸塵器等，這也是當(dāng)前智能家居電器的重要組成部分。它主要應(yīng)用人工智能，自動在房間內(nèi)進行地板清理工作。智能掃地機器人多采用刷掃和真空的形式，先將地面的雜物通過機器的吸力，納入到垃圾收納盒之內(nèi)，從而進行地面的清理工作。
一、掃地機器人的功能與種類
智能掃地機器人的機身是一種無線的機器，這種機器為圓盤形。利用自身所帶的蓄電池，智能掃地機器人可以利用遙控器或者控制面板進行操控。用戶在使用之前，就可以預(yù)約打掃。智能掃地機器人的前段設(shè)有感應(yīng)器，能夠?qū)η胺降恼系K物進行迅速準確的檢測。智能掃地機器人的線路已經(jīng)被廠家設(shè)定好，遇到障礙物可以自行拐彎，并有規(guī)劃地開展室內(nèi)清掃工作。
就目前來說，智能掃地機器人主要有如下幾種類型：①單吸口式的掃地機器人。這種掃地機器人能夠有效地應(yīng)對地面的浮灰，但是對于那些靜電吸附的灰塵來說，清掃效果不佳。②中刷對夾式的掃地機器人。這種機器人能夠有效地清除大顆粒物，對毛毯的清除效果也較好，但是對于地面微塵的處理效果不理想。這種機器人的清掃多是通過膠刷和毛刷進行清掃。③升降V刷清掃系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠更好地貼合地面，從而將靜電吸附的灰塵很好地收集起來。當(dāng)然，性能越好，價格越高。
二、智能掃地機器人方案的技術(shù)原理
家用智能掃地機器人之所以能夠如此方便的工作，其工作原理如下：智能機器人采用紅外線傳感原理進行方向控制，當(dāng)然部分低端的機器人也采用超聲波仿生技術(shù)。相比來說，紅外線傳感的技術(shù)成本較低，但是這種技術(shù)的應(yīng)用對環(huán)境的要求較高。也就是說，這種技術(shù)在那些淺色物體上的反饋不夠靈活。長期使用過程中，機器人的紅外線也會對屋內(nèi)家具造成一定的影響，家具可能會掉漆等。而超聲波仿生技術(shù)也不具有這些問題，該種技術(shù)的靈敏度相對較高，能夠有效地偵查方位，但是該種技術(shù)的應(yīng)用成本較高，也導(dǎo)致掃地機器人的價格較高，難以在市面大范圍流通。
從總體上來說，智能掃地機器人是采用微電腦進行系統(tǒng)控制的。掃地機器人的底部有三個清掃刷，主要通過區(qū)域的滾動進行屋內(nèi)清潔。一般來說，掃地機器人的機身相對小巧，因此它可以靈活通過各個地區(qū)，包括床下、沙發(fā)底下等難以清潔的地區(qū)。掃地機器人還具有智能避開障礙的功能。一旦發(fā)生碰撞，掃地機器人就可以產(chǎn)生記憶，從而形成室內(nèi)地圖區(qū)域。下次清掃過程中，掃地機器人就可以按照上次的地圖記憶，防止再次碰撞。
新形勢下，智能掃地機器人已經(jīng)走入普通家庭。智能化的掃地機器人不僅能夠?qū)崿F(xiàn)語音控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)遠程紅外線操控，給用戶更為人性化的清掃體驗。
三、掃地機器人方案的設(shè)計思路
掃地機器人按照完成的任務(wù)內(nèi)容可以分清掃和充電兩個工作部分，所以根據(jù)硬件設(shè)計思路，其應(yīng)該具有附帶清潔設(shè)備的移動機器人本體和充電裝置兩個硬件部分。機器人在進行室內(nèi)清掃任務(wù)之前，需要通過傳感器判斷室內(nèi)環(huán)境的大致狀況自動規(guī)劃路徑，在清掃過程中需要實時監(jiān)測障礙物和清掃范圍，當(dāng)電量低于設(shè)定值時需要自行返回充電裝置附近，并自動接收充電，而充電設(shè)備與家庭220V電源相連，為掃地機器人提供能源。根據(jù)以上分析，掃地機器人需要的主要硬件設(shè)備有電源、充電設(shè)備、電機、機械結(jié)構(gòu)、傳感設(shè)備等。掃地機器人的硬件設(shè)計方案如下。
1、電源設(shè)計
任何機器人的任何作業(yè)都需要源源不斷的供給能源，而電源系統(tǒng)就是為掃地機器人工作的能量來源，是其它一切組成硬件正常工作的基本保障。掃地機器人的移動工作模式?jīng)Q定了其電源系統(tǒng)基本都采用可充電電池供電，電池的容量大小和清掃時間和功率成正相關(guān)，而掃地機器人的頻繁工作模式也對電池的充放電次數(shù)和使用壽命有很高的要求。選擇合適的電池需要綜合考慮重量、體積、容量、充放電電流大小、使用環(huán)境等因素。
在移動機器人的電池選型中，既要考慮機器人實際的工作模式和特點，又要兼顧成本和壽命等客觀條件，鎳氫電池成本低，電池輔助電路簡單，對于環(huán)境的污染較低，但是缺點是容易產(chǎn)生記憶效應(yīng)；同樣的問題在鋰電池中也存在；鉛酸電池體積太大，對于機身小巧的掃地機器人來說浪費了太大的體積空間，顯然不合時宜。鋰離子電池相比于其他種類的電池來說具有特定的優(yōu)勢。第一是能量密度高，鉛酸電池這種高比能量電池只有100Wh/kg左右，但一般的鋰離子電池則可以達到600Wh/kg。第二是其額定電壓高，單節(jié)鋰離子電池可以達到3.8V左右的電壓，遠遠超過鎳氫電池的2V，通過搭建鋰離子電池組，完全可以滿足掃地機器人多設(shè)備同時運行情況下的電源供應(yīng)。第三是溫度適應(yīng)能力很強，在-20℃到60℃之間均可正常工作，而普通家庭室內(nèi)溫度在0℃到40℃之間，完全符合要求；第四是鋰離子電池不含重金屬和有害物質(zhì)，在使用、報廢和回收過程中都不會帶來過大的危害。但是鋰離子電池存在自身的問題，例如化學(xué)性質(zhì)活潑、容易爆炸等，使用時需要格外注意。鋰離子電池在移動電子設(shè)備中應(yīng)用廣泛，例如手機、筆記本電腦、平板電腦等。所以，綜合鋰離子電池的優(yōu)點，掃地機器人應(yīng)該選擇此類電池作為電源?？紤]到掃地機器人的實際工作內(nèi)容和時長，使用6節(jié)1.2V 3 000mAh的鋰離子電池。
2、掃地機充電設(shè)備
充電設(shè)備在掃地機器人的系統(tǒng)中也稱作充電基地，和電動汽車充電樁類似，因為充電設(shè)備位置固定，掃地機器人需要循環(huán)往復(fù)來回充電而得名。和家庭中的大多數(shù)家用電器類似，掃地機器人充電基地也采用的是220V AC的電壓電流標(biāo)準，充電設(shè)備從普通墻插中獲取電能即可，簡單方便。掃地機器人電池充電所需的電流為低壓直流電，所以在中間必須經(jīng)過降壓、整流、濾波等過程。
充電設(shè)備如果不經(jīng)過合理的電壓轉(zhuǎn)換而直接對電池進行充電，很有可能對電池造成不可逆的損害，甚至導(dǎo)致燃燒和爆炸等危險的發(fā)生。此過程也可由符合規(guī)范的電源適配器代替。在充電形式上，目前分為有線充電和無線充電兩種主要形式。有線充電類似于普通電子設(shè)備充電，當(dāng)掃地機器人達到充電警戒線時，會自動發(fā)出預(yù)警，使用者發(fā)現(xiàn)后及時通過線纜將其連接到充電設(shè)備上即可。有線充電的好處是設(shè)備相對簡單，成本低，對電池的壽命影響小，缺點是操作復(fù)雜。無線充電是近幾年才開始流行的充電模式，掃地機器人可以自行返回固定的充電基地，充電基地檢測到機器人后便可通過感應(yīng)的方式對其進行充電，充電完成后機器人自行離開充電基地繼續(xù)工作。與有線充電相比，無線充電更加便捷和智能化，但是其也存在充電效率低、電池壽命衰減快的特點。綜上所述，為了搭建更為智能和便捷化的掃地機器人系統(tǒng)，充分實現(xiàn)其自主運行的特點，最佳選擇是無線充電模式。
3、驅(qū)動電機
掃地機器人之所以能在室內(nèi)自由行走，機械能是來自電機對電能的轉(zhuǎn)化，電機是控制系統(tǒng)的直接輸出設(shè)備，輸出軸直接與機器人的運動傳動設(shè)備連接，電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械能帶動機器人執(zhí)行機構(gòu)運動，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，機器人還可完成一系列人為操作的運動。在電機的選擇方面，交流電機結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但其控制精度低，很難做到掃地機器人的高精度低轉(zhuǎn)速工況，且有在一定情況下會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)向的弊端；普通直流電機可以克服自傳的缺點，穩(wěn)定度有很好的保障，但是存在電刷摩擦的問題，不適合長壽命的掃地機器人使用；步進電機可以完成精確移動，但是其轉(zhuǎn)矩小、負載低，所以大多數(shù)用在儀表上；無刷直流電機體積和質(zhì)量小，擁有良好的調(diào)速范圍、線性度、壽命和維修更換成本，并且運行過程中噪聲小，不存在電刷的弊端，添加永磁體后，其性能得到進一步提升。結(jié)合掃地機器人對于電機體積和家庭中安靜環(huán)境等要求，電機的最佳選擇為無刷直流永磁同步電機。
4、掃地機器人的執(zhí)行機構(gòu)
前面指出，電機的輸出軸直接帶動執(zhí)行機構(gòu)完成動作，執(zhí)行機構(gòu)是掃地機器人與外部產(chǎn)生力的作用的裝置，是決定整個系統(tǒng)的精度、靈活度和穩(wěn)定性的關(guān)鍵部分。對于掃地機器人來說，可以選擇的執(zhí)行機構(gòu)有腿足式、履帶式和輪式三種。腿足式機器人模仿蜘蛛的行走方式，現(xiàn)在還處于試驗階段，且行走速度很慢，不適合于家庭使用；履帶式機器人較為成熟，但是大多應(yīng)用于泥地、沙地等坑洼不平的地面，行駛速度也較慢?？紤]到室內(nèi)工作的平整路面環(huán)境，簡單的輪式驅(qū)動裝置最為合適，這種執(zhí)行機構(gòu)采用若干輪盤組成，控制方式簡單，且能量利用率高，轉(zhuǎn)彎半徑小，反應(yīng)速度快。車輪的數(shù)量和種類也會影響機器人的行駛模式，結(jié)合活動范圍和行駛速度的要求，4輪模式最適合室內(nèi)清潔工作，同時也利于后期軌跡規(guī)劃的便捷實現(xiàn)。
5、傳感器
掃地機器人在室內(nèi)工作時離不開各種各樣的傳感器，傳感器相當(dāng)于機器人的各種感知器官，類似于人類的五官。掃地機器人在工作中需要判斷自身位置，測量距離、速度、加速、位姿等，檢測自身周圍的障礙物，有時還需獲取環(huán)境溫度、濕度等信息，以下傳感器是掃地機器人所必須的。
1）加速度計和陀螺儀。加速度計和陀螺儀是機器人測量位移和角度的裝置，加速度計測量機器人的加速度，陀螺儀測量角加速度，通過二次積分得到機器人的位移和角位移，結(jié)合航跡推算法便可對機器人做到精準定位。
2）超聲波傳感器。超聲波傳感器是一類應(yīng)用廣泛的傳感器，主要用于檢測障礙物和測距等。位于前端的超聲發(fā)射頭可以發(fā)送和接收超聲波。
3）紅外接近傳感器。從字面意思理解，此類傳感器接近障礙物時產(chǎn)生特定的信號，發(fā)射的紅外信號遇到障礙物被反彈回來后，如果此時達到時間和光照強度達到了提前設(shè)定的要求，則判斷前方遇到障礙物，這一信息被發(fā)送到控制機構(gòu)，以便機器人及時避障。
除了上述傳感器之外，還有激光測距儀、雷達測距儀、里程計、視覺傳感器、溫度/濕度傳感器等重要傳感器。
綜上可知，隨著居民可支配收入的持續(xù)提高，家用掃地機器人已經(jīng)成為了大多數(shù)家庭已經(jīng)購買或考慮購買的重要智能家用電器，眾多家電企業(yè)也著重于開發(fā)自主的掃地機器人，試圖共同分享這一巨大的市場。掃地機器人的硬件選擇和設(shè)計極為關(guān)鍵，直接影響到機器人的工作模式和效果，合理的設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)可以提高機器人的清掃性能，探索更為輕量化、高效、節(jié)能、高壽命的硬件系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向。
四、掃地機器人方案需要解決的問題
雖然智能掃地機器人的應(yīng)用優(yōu)勢明顯，有效地解決了用戶的清掃負擔(dān)。但是，就目前來說，智能掃地機器人的應(yīng)用過程中也存在一定的問題。
（1）智能掃地機器人的清掃區(qū)域還不夠全面。目前的智能掃地機器人都已經(jīng)設(shè)定具有特定區(qū)域的清掃功能。這也就是前文所說的紅外線傳感器技術(shù)，這種技術(shù)的應(yīng)用成本較低，但是技術(shù)應(yīng)用過程中缺陷明顯。機器人的使用過程中，其特定的發(fā)散口就會發(fā)出射線，移動過程中，射線碰到一些深色的物體，就會反饋到系統(tǒng)內(nèi)部的微電腦。之后，機器人的記憶面板上就會形成一定的記憶，并選擇轉(zhuǎn)彎，對其他區(qū)域清掃。但是，就實際家庭生活來說，很多物體的擺放可能會顯得較為雜亂，而家具的顏色也是深淺不一，加之室內(nèi)物體形狀不一，紅外射線難以科學(xué)合理的反射回來。這樣一來，機器人的清掃區(qū)域可能被劃歸開來，部分區(qū)域就難以被清掃。
（2）智能機器人對不規(guī)則和柱形物體會產(chǎn)生一定的破壞作用。在實際清掃過程中，智能掃地機器人碰到障礙物就會自動進行回避。回避工作可以分為完全規(guī)避和緩沖規(guī)避兩部分。智能掃地機器人如果利用超聲波仿生技術(shù)，就可以有效地規(guī)避各種障礙。但是，前文論述中提到，超聲波仿生技術(shù)的應(yīng)用成本不高，總體應(yīng)用范圍不夠廣泛。因此，目前家庭使用的大部分掃地機器人應(yīng)用的是紅外線技術(shù)，這種技術(shù)只限于各種實心不規(guī)則的障礙物；對于那些非實心的物體，如各種不規(guī)則物體，系統(tǒng)的識別相對困難。因此，掃地機器人的工作過程中很容易會碰到桌角，造成一定的破壞。
（3）智能掃地機器人對各種大顆粒的物質(zhì)清掃力度不夠。智能掃地機器人的吸附能力相對較強，能夠?qū)⒏鞣N普通的灰塵有效地清潔起來。但是，機器人有一定的限制，吸塵口徑相對偏小，而且掃地機器人的滾刷的毛也是螺旋狀的。這樣一來，一些大顆粒的物質(zhì)就難以吸入，會影響清掃的清潔度。
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