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掃地機器人方案開發設計


隨著技術的不斷發展,各種新型的設備不斷涌現處理,掃地機器人也得以出現。最初,智能掃地機器人在歐美國家得到大范圍的應用。近年來,隨著經濟的發展,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,這也是當前智能家居電器的重要組成部分。它主要應用人工智能,自動在房間內進行地板清理工作。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,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,就可以預約打掃。智能掃地機器人的前段設有感應器,能夠對前方的障礙物進行迅速準確的檢測。智能掃地機器人的線路已經被廠家設定好,遇到障礙物可以自行拐彎,并有規劃地開展室內清掃工作。

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,這種系統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。當然,性能越好,價格越高。

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二、智能掃地機器人方案的技術原理

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,當然部分低端的機器人也采用超聲波仿生技術。相比來說,紅外線傳感的技術成本較低,但是這種技術的應用對環境的要求較高。也就是說,這種技術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。而超聲波仿生技術也不具有這些問題,該種技術的靈敏度相對較高,能夠有效地偵查方位,但是該種技術的應用成本較高,也導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控制的。掃地機器人的底部有三個清掃刷,主要通過區域的滾動進行屋內清潔。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,包括床下、沙發底下等難以清潔的地區。掃地機器人還具有智能避開障礙的功能。一旦發生碰撞,掃地機器人就可以產生記憶,從而形成室內地圖區域。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走入普通家庭。智能化的掃地機器人不僅能夠實現語音控制,還能夠實現遠程紅外線操控,給用戶更為人性化的清掃體驗。

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三、掃地機器人方案的設計思路

掃地機器人按照完成的任務內容可以分清掃和充電兩個工作部分,所以根據硬件設計思路,其應該具有附帶清潔設備的移動機器人本體和充電裝置兩個硬件部分。機器人在進行室內清掃任務之前,需要通過傳感器判斷室內環境的大致狀況自動規劃路徑,在清掃過程中需要實時監測障礙物和清掃范圍,當電量低于設定值時需要自行返回充電裝置附近,并自動接收充電,而充電設備與家庭220V電源相連,為掃地機器人提供能源。根據以上分析,掃地機器人需要的主要硬件設備有電源、充電設備、電機、機械結構、傳感設備等。掃地機器人的硬件設計方案如下。

1、電源設計

任何機器人的任何作業都需要源源不斷的供給能源,而電源系統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決定了其電源系統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,而掃地機器人的頻繁工作模式也對電池的充放電次數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,對于環境的污染較低,但是缺點是容易產生記憶效應;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備同時運行情況下的電源供應。第三是溫度適應能力很強,在-20℃到60℃之間均可正常工作,而普通家庭室內溫度在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,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,例如化學性質活潑、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備中應用廣泛,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點,掃地機器人應該選擇此類電池作為電源。考慮到掃地機器人的實際工作內容和時長,使用6節1.2V 3 000mAh的鋰離子電池。

2、掃地機充電設備

充電設備在掃地機器人的系統中也稱作充電基地,和電動汽車充電樁類似,因為充電設備位置固定,掃地機器人需要循環往復來回充電而得名。和家庭中的大多數家用電器類似,掃地機器人充電基地也采用的是220V AC的電壓電流標準,充電設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,所以在中間必須經過降壓、整流、濾波等過程。

充電設備如果不經過合理的電壓轉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,甚至導致燃燒和爆炸等危險的發生。此過程也可由符合規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備充電,當掃地機器人達到充電警戒線時,會自動發出預警,使用者發現后及時通過線纜將其連接到充電設備上即可。有線充電的好處是設備相對簡單,成本低,對電池的壽命影響小,缺點是操作復雜。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,充分實現其自主運行的特點,最佳選擇是無線充電模式。

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3、驅動電機

掃地機器人之所以能在室內自由行走,機械能是來自電機對電能的轉化,電機是控制系統的直接輸出設備,輸出軸直接與機器人的運動傳動設備連接,電機旋轉產生的機械能帶動機器人執行機構運動,通過調節轉速,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,交流電機結構簡單、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速工況,且有在一定情況下會產生自轉向的弊端;普通直流電機可以克服自傳的缺點,穩定度有很好的保障,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,但是其轉矩小、負載低,所以大多數用在儀表上;無刷直流電機體積和質量小,擁有良好的調速范圍、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。結合掃地機器人對于電機體積和家庭中安靜環境等要求,電機的最佳選擇為無刷直流永磁同步電機。

4、掃地機器人的執行機構

前面指出,電機的輸出軸直接帶動執行機構完成動作,執行機構是掃地機器人與外部產生力的作用的裝置,是決定整個系統的精度、靈活度和穩定性的關鍵部分。對于掃地機器人來說,可以選擇的執行機構有腿足式、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,但是大多應用于泥地、沙地等坑洼不平的地面,行駛速度也較慢。考慮到室內工作的平整路面環境,簡單的輪式驅動裝置最為合適,這種執行機構采用若干輪盤組成,控制方式簡單,且能量利用率高,轉彎半徑小,反應速度快。車輪的數量和種類也會影響機器人的行駛模式,結合活動范圍和行駛速度的要求,4輪模式最適合室內清潔工作,同時也利于后期軌跡規劃的便捷實現。

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5、傳感器

掃地機器人在室內工作時離不開各種各樣的傳感器,傳感器相當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。位于前端的超聲發射頭可以發送和接收超聲波。

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生特定的信號,發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定的要求,則判斷前方遇到障礙物,這一信息被發送到控制機構,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提高,家用掃地機器人已經成為了大多數家庭已經購買或考慮購買的重要智能家用電器,眾多家電企業也著重于開發自主的掃地機器人,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計極為關鍵,直接影響到機器人的工作模式和效果,合理的設計硬件結構可以提高機器人的清掃性能,探索更為輕量化、高效、節能、高壽命的硬件系統是未來的發展方向。

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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用優勢明顯,有效地解決了用戶的清掃負擔。但是,就目前來說,智能掃地機器人的應用過程中也存在一定的問題。

(1)智能掃地機器人的清掃區域還不夠全面。目前的智能掃地機器人都已經設定具有特定區域的清掃功能。這也就是前文所說的紅外線傳感器技術,這種技術的應用成本較低,但是技術應用過程中缺陷明顯。機器人的使用過程中,其特定的發散口就會發出射線,移動過程中,射線碰到一些深色的物體,就會反饋到系統內部的微電腦。之后,機器人的記憶面板上就會形成一定的記憶,并選擇轉彎,對其他區域清掃。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,加之室內物體形狀不一,紅外射線難以科學合理的反射回來。這樣一來,機器人的清掃區域可能被劃歸開來,部分區域就難以被清掃。

(2)智能機器人對不規則和柱形物體會產生一定的破壞作用。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避和緩沖規避兩部分。智能掃地機器人如果利用超聲波仿生技術,就可以有效地規避各種障礙。但是,前文論述中提到,超聲波仿生技術的應用成本不高,總體應用范圍不夠廣泛。因此,目前家庭使用的大部分掃地機器人應用的是紅外線技術,這種技術只限于各種實心不規則的障礙物;對于那些非實心的物體,如各種不規則物體,系統的識別相對困難。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清掃力度不夠。智能掃地機器人的吸附能力相對較強,能夠將各種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,一些大顆粒的物質就難以吸入,會影響清掃的清潔度。

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