自動(dòng)化吸塵機(jī)器人功能拓展與設(shè)計(jì)

王文燦　何慶　朱德生

摘 要：在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研制了一種在微處理器控制下的清潔機(jī)器人。該系統(tǒng)性價(jià)比高，功能新穎，包括對(duì)紙質(zhì)垃圾卡死現(xiàn)象的處理、增設(shè)甲醛檢測(cè)模塊以及垃圾自動(dòng)清理的功能等，可實(shí)現(xiàn)多功能自主吸塵機(jī)器人自動(dòng)行走及對(duì)家居環(huán)境的清潔功能。

關(guān)鍵詞：清潔機(jī)器人；自動(dòng)化；微控制

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-7394（2016）04-0040-03

全自動(dòng)吸塵器將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器半自動(dòng)或全自動(dòng)的對(duì)室內(nèi)地面的打掃清潔任務(wù)，替代傳統(tǒng)人工繁重的清潔工作，近年來，已受到國內(nèi)外的研究重視。作為一個(gè)特殊移動(dòng)式智能機(jī)器人的應(yīng)用，從技術(shù)層面上講，智能化自主式吸塵器體現(xiàn)了移動(dòng)式機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。從市場(chǎng)前景角度講，自主吸塵器將大大降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率，適用于家庭和公共場(chǎng)館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰(zhàn)性，其市場(chǎng)前景也是十分廣闊的。

1 吸塵機(jī)器人工作原理

自動(dòng)化吸塵機(jī)器人利用的工作原理是超聲波測(cè)距，吸塵器在向前進(jìn)方向發(fā)射超聲波脈沖同時(shí)，接收觸碰到物體后的返回聲波脈沖，從而讓吸塵機(jī)器人對(duì)前方物體等進(jìn)行判斷；通過實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲發(fā)射和接收的選用控制，在以單片機(jī)為核心的控制器下，處理返回脈沖信號(hào)的基礎(chǔ)上加以判斷，從而選定相應(yīng)的控制方案，通過驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)行走轉(zhuǎn)向等功能；在減少人對(duì)吸塵器行走的影響上，通過機(jī)器的紅外線熱釋電傳感器對(duì)人的活動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，分析。在以上功能同時(shí)工作，吸塵器行走的同時(shí)，在由其內(nèi)部自身攜帶的小型吸塵部件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所經(jīng)過的地面進(jìn)行吸塵清潔。當(dāng)吸塵器電力不足時(shí)，它會(huì)自動(dòng)尋找充電插頭上發(fā)射的紅外線信號(hào)，找到充電部件后，其尾部的變壓器裝置靠近插頭實(shí)現(xiàn)充電，當(dāng)電池充滿后該裝置會(huì)自動(dòng)返回原作業(yè)區(qū)域。

2 機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新

2.1 存在的問題

（1）“卡死”現(xiàn)象。在一般家用的吸塵器的功能中存在不足之處是：吸塵器可吸范圍很大；只能吸入一些灰塵和小的紙屑，如遇到遺留在地上餐巾紙時(shí)，會(huì)出現(xiàn)紙屑卡在入口處使機(jī)器無法正常工作，或易形成卡死，必須人工手動(dòng)才能清除其故障，如圖1所示。

（2）無甲醛檢測(cè)裝置。對(duì)于家裝使用材料中散發(fā)出的有害元素，如甲醛會(huì)給人們的生活帶來了極大的威害，同時(shí)不同濃度的甲醛對(duì)人體的危害是不同的，甲醛為毒性物質(zhì)，在我國有毒化學(xué)品優(yōu)先控制名單上高居第二位，而一般的清掃吸塵器裝置對(duì)此沒有檢測(cè)功能。

（3）自動(dòng)化程度不高。對(duì)于清掃后吸塵器機(jī)內(nèi)裝入的垃圾無法自動(dòng)排出，需要人工清除，如遇到家中無人的時(shí)候，吸塵器內(nèi)的垃圾過滿，未能及時(shí)清除，將導(dǎo)致散熱不順溫度升高，可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。

2.2 解決方案

（1）增加一組內(nèi)置滾動(dòng)刀頭。對(duì)一般的吸塵器，傳統(tǒng)的滾刷無法吸取面積較大的垃圾，一味地增大電機(jī)的功率來提高吸塵機(jī)器人的吸力只會(huì)讓紙張卡在垃圾入口更難整理，造成吸塵口完全卡死，使吸塵機(jī)器人完全喪失其工作的能力。對(duì)此，在滾刷后面設(shè)置一組小刀片，如圖2所示，在滾刷吸入到大的紙張時(shí)候，觸發(fā)到滾刀的開關(guān)按鈕，滾刀開始工作，紙質(zhì)垃圾進(jìn)入到滾刀組時(shí)，紙張被切成碎片，落入到入口處，進(jìn)入垃圾槽內(nèi)。

（2）增加甲醛模組。 該甲醛模組是將成熟的電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)與精良的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)制造出通用型氣體模組。它利用電化學(xué)原理對(duì)空氣中存在的甲醛進(jìn)行探測(cè)，具有良好的選擇性，穩(wěn)定性。在該裝置設(shè)計(jì)中新增內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償；同時(shí)，具有數(shù)字輸出與模擬電壓輸出，方便使用。

（3）增加垃圾清理裝置。增加一個(gè)對(duì)內(nèi)部垃圾飽和度進(jìn)行檢測(cè)的傳感系統(tǒng)，配合與吸塵機(jī)器人相搭配的垃圾箱式的無線充電系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)機(jī)內(nèi)垃圾容量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，機(jī)器人將自動(dòng)返回垃圾箱處，與垃圾箱相結(jié)合，垃圾箱內(nèi)的機(jī)械手將自動(dòng)為吸塵機(jī)器人更換空的垃圾收集袋，與此同時(shí)，也可為機(jī)器人進(jìn)行充電。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

多功能自主吸塵器作為一種家用電器，要想得到家庭用戶的認(rèn)可和購買，必須具有良好的性價(jià)比。

多功能自主吸塵器的殼體主要材料是工程塑料，它具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)量等特點(diǎn)，多功能吸塵器的殼體用注塑成型，可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，所以其殼體部分經(jīng)濟(jì)適用。

多功能自主吸塵器的動(dòng)力部分主要由電機(jī)構(gòu)成，以步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，可以使吸塵機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更為精確的小范圍位移，當(dāng)然它的價(jià)格也會(huì)比一般的直流電機(jī)略高一些，但考慮到其優(yōu)越的綜合性能，步進(jìn)電機(jī)是作為動(dòng)力源最合適的，而多功能吸塵器的風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)則又采用的是鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)速很高，所以此電機(jī)廣泛的應(yīng)用在小型吸塵器中，并且其價(jià)格便宜，僅僅為幾十元左右，購進(jìn)方便。

電路控制部分是吸塵器的關(guān)鍵，由工作穩(wěn)定的單片機(jī)、高精度的電子羅盤、以及多種傳感器構(gòu)成，以高性能低成本為特性的單片機(jī)，被廣泛應(yīng)用于家電控制領(lǐng)域中；吸塵器的“導(dǎo)向儀”——電子羅盤，是一種利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的一種高精度低價(jià)位的導(dǎo)向工具，體積小巧，具有在電路板上安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，也廣泛應(yīng)用在機(jī)器人等領(lǐng)域；傳感器就如同是吸塵器的眼睛和鼻子，它們多是常用元器件的組合體，這幾個(gè)方面綜合在一起，可以大大降低多功能自主吸塵機(jī)器人的制造成本。

4 結(jié)語

綜上所述，多功能自主吸塵機(jī)器人由于其優(yōu)越的功能，良好的性價(jià)比，可以大規(guī)模生產(chǎn)制造，將有廣闊的市場(chǎng)前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 夏明娜，高玉芝.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.

[2] 彭杰剛.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2012.

[3] 鮑丙豪，周燕，徐楨英，等.傳感器手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[4] 宋廣生.室內(nèi)環(huán)境甲醛污染防控知識(shí)問答[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

責(zé)任編輯 祁秀春