掃地機(jī)器人室外清潔能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

白　琨，劉　娟，韓　松，侯明月

（合肥學(xué)院　機(jī)械工程系，安徽　合肥　230022）

掃地機(jī)器人室外清潔能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

白琨，劉娟，韓松，侯明月

（合肥學(xué)院機(jī)械工程系，安徽合肥230022）

本文針對(duì)室外陽光房房頂?shù)那鍧嶋y題，采用實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)室內(nèi)掃地機(jī)器人的室外清潔能力進(jìn)行了測(cè)試、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了三大項(xiàng)七個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別從實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)分析等五個(gè)方面對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了闡述；通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了室內(nèi)清潔機(jī)器人向室外清潔改進(jìn)的方向，為陽光房房頂清潔裝置的設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù).

掃地機(jī)器人；室外清潔；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1　引言

掃地機(jī)器人又叫懶人掃地機(jī)，是一種能對(duì)地面進(jìn)行自動(dòng)吸塵的智能家用電器.目前，掃地機(jī)器外型主要以圓形為主，依靠內(nèi)置的程序，通過直線型、沿邊型、螺旋型、交叉型等方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)打掃.掃地機(jī)器人作為智能家居新概念的領(lǐng)跑者，將為機(jī)器人最終走進(jìn)千家萬戶，注入前進(jìn)的動(dòng)力.

但是，當(dāng)前市場上出售的掃地機(jī)器人多用于室內(nèi)地面清潔，而針對(duì)室外陽光房房頂清潔的機(jī)器人并不多見.相較于室內(nèi)地面的清潔，室外陽光房房頂?shù)那鍧嵐ぷ鞲鼮閺?fù)雜困難，必須考慮清潔裝置的安放和安全兩大基本問題.眾所周知，現(xiàn)代小區(qū)住房的陽光房頂多采用封閉式結(jié)構(gòu)，當(dāng)房頂出現(xiàn)灰塵后，只能通過自然雨水的沖洗，或是借用樓上住戶的陽臺(tái)由上而下對(duì)房頂進(jìn)行清洗.前者顯然不能沖干凈，后者無論是用水或是與鄰居溝通都極為不便.因此，本文擬通過實(shí)驗(yàn)的方法，利用現(xiàn)有的室內(nèi)掃地機(jī)器人，模擬陽光房房頂，進(jìn)行清潔測(cè)試，力圖找出室內(nèi)掃地機(jī)器人清潔陽光房房頂時(shí)的弊端，針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、結(jié)果進(jìn)行分析，為陽光房房頂清潔裝置的設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

2　實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用科沃斯TCR03系列智能掃地機(jī)一臺(tái)，108× 140m2玻璃板一塊.如圖1所示.

圖1　科沃斯TCR03系列智能掃地機(jī)

（2）實(shí)驗(yàn)環(huán)境

普通實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)，模擬陽光房房頂環(huán)境.

3　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通常陽光房房頂為了具有排水功能，通常都設(shè)計(jì)成傾斜平面結(jié)構(gòu)，這有別于室內(nèi)地面的水平平面結(jié)構(gòu).因此需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行爬坡能力測(cè)試，這是掃地機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)清掃的首要條件.清潔對(duì)象處于室外，被清潔物有樹葉、較大顆粒等物質(zhì)，針對(duì)不同的被清掃物需要進(jìn)行掃塵能力測(cè)試，這是機(jī)器人實(shí)驗(yàn)現(xiàn)清潔功能的必要條件.此外，現(xiàn)代小區(qū)的戶型主要以高層為主，室外高空作業(yè)的安全性不容忽視，必須針對(duì)這一特點(diǎn)進(jìn)行機(jī)器人的高空作業(yè)能力測(cè)試.基于上述問題，本文設(shè)計(jì)了三種實(shí)驗(yàn).

3.1機(jī)器人的爬坡能力測(cè)試

實(shí)驗(yàn)一：玻璃板上無水情況下的測(cè)試

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模涸跓o水情況下，測(cè)量產(chǎn)品最大的爬坡速度和最大爬坡角度.如圖2所示.

圖2　爬坡能力測(cè)試

實(shí)驗(yàn)原理：在無水情況下，玻璃板表面光滑，摩擦相對(duì)較小（可忽略），產(chǎn)品上行和下行受玻璃傾斜角度、自身重力和其他自身因素的影響.

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）將玻璃平放在水平面上，擦干表面的污漬，保持玻璃表面干凈平滑；

（2）將玻璃板一頭抬起，玻璃板邊緣抬起高度分別為5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm；

（3）將掃地機(jī)器人平方在玻璃板底端，保證機(jī)器人能夠平行玻璃板兩側(cè)直上和直下時(shí)啟動(dòng)機(jī)器人；

（4）待機(jī)器人兩后輪離開玻璃板下邊緣時(shí)開始計(jì)時(shí)，直上后至機(jī)器人上邊緣接觸玻璃板上邊緣時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)，并記錄，下行時(shí)相似.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：一般情況下機(jī)器人都以直線上、下行，但有時(shí)它會(huì)提前感應(yīng)以至于機(jī)器人自身前邊緣到達(dá)不了玻璃板上邊緣就調(diào)轉(zhuǎn)方向，有時(shí)由于機(jī)器人啟動(dòng)之前沒有放正，它將沿直線到達(dá)玻璃板的左右邊緣，然后后退再上行，路線不規(guī)律.

表1　玻璃板上無水情況下測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3　角度-速度圖（無水）

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1所示，角度-速度圖如圖3所示.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

（1）機(jī)器人爬坡速度最大0.34m/s，最大爬坡角度18度.上行時(shí)，隨著傾斜角度的增加，機(jī)器人速度逐漸減小，且速度減小較平穩(wěn)；下行時(shí)，隨著傾斜角度的增加，機(jī)器人下行速度加快；

（2）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑不規(guī)律.

實(shí)驗(yàn)二：玻璃板上有水情況下的測(cè)試

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模涸谟兴闆r下，測(cè)量產(chǎn)品最大的爬坡速度和最大爬坡角度.

實(shí)驗(yàn)原理：在有水情況下，玻璃板表面光滑，摩擦相對(duì)較?。ǖ豢珊雎裕a(chǎn)品上行和下行受玻璃傾斜角度、自身重力和其他自身因素的影響.

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）將玻璃平放在水平面上，擦干表面的污漬，保持玻璃表面干凈平滑；

（2）將玻璃板一頭抬起，玻璃板邊緣抬起高度分別為5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm；

（3）將掃地機(jī)器人平方在玻璃板底端，保證機(jī)器人能夠平行玻璃板兩側(cè)直上和直下時(shí)啟動(dòng)機(jī)器人；

（4）待機(jī)器人兩后輪離開玻璃板下邊緣時(shí)開始計(jì)時(shí)，直上后至機(jī)器人上邊緣接觸玻璃板上邊緣時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)，并記錄，下行時(shí)相似.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：與實(shí)驗(yàn)一情況一樣，但是當(dāng)傾斜高度調(diào)整到22厘米（即11.5°）以上時(shí)，機(jī)器人上下行時(shí)都有打滑現(xiàn)象，無法測(cè)量出時(shí)間.

實(shí)驗(yàn)處理：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2所示，角度-速度圖如圖4所示.

表2　玻璃板上有水情況下測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4　角度-速度圖（有水）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

（1）機(jī)器人爬坡速度最大0.3m/s，最大爬坡角度11.5度.上行時(shí)，隨著傾斜角度的增加，機(jī)器人速度逐漸減小，且速度減小較平穩(wěn)；下行時(shí)，隨著傾斜角度的增加，機(jī)器人下行速度加快；

（2）速度變化不規(guī)律，偏差較大，由于在調(diào)整這一角度之前又撒了一次水，且撒水量比第一次撒的多，摩擦力大大減小.

實(shí)驗(yàn)三：機(jī)器人在傾斜角度為15度的玻璃板上的運(yùn)行測(cè)試

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈾C(jī)器人在一般陽光房傾斜角度下的行走能力.

實(shí)驗(yàn)原理：在同一斜度的玻璃板上，機(jī)器人沿玻璃板行走主要靠自身因素的影響.

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）將玻璃板一側(cè)固定著地，另一側(cè)抬起到一定高度；

（2）將機(jī)器人調(diào)整好，兩輪平行于玻璃板兩側(cè)放好，保證機(jī)器人可以從玻璃板的一頭到另一頭運(yùn)行；

（3）觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在機(jī)器人沒有啟動(dòng)之前，可以平穩(wěn)的擺放，但啟動(dòng)之后，機(jī)器人并不能沿直線行走，反而是按拋物線的形式快速運(yùn)行到玻璃板的下側(cè)并能感應(yīng)，且再次以更小的拋物線感應(yīng)到玻璃板下側(cè)，直至最終運(yùn)行到地面上；通過減小玻璃板傾斜角度改變機(jī)器人的行走路線，發(fā)現(xiàn)它仍然以相似的路線行走，只是到達(dá)地面上是時(shí)間加長了，只有玻璃板兩側(cè)傾斜角度為1°-2°時(shí)機(jī)器人才能沿直線行走到另一端.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：機(jī)器人并不具備斜著行走的能力，倘若非要其在這樣的情況下運(yùn)行，危險(xiǎn)系數(shù)將會(huì)有所增加.

3.2機(jī)器人的掃塵能力測(cè)試

實(shí)驗(yàn)四：機(jī)器人掃樹葉的能力

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)量機(jī)器人在樹葉比較多的情況下的清掃能力

實(shí)驗(yàn)原理：機(jī)器人具備清掃和吸塵能力對(duì)于樹葉也可以吸起

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）將樹葉捏碎均勻地撒在平放的玻璃板上，將機(jī)器人平放在玻璃板的一端，以保證機(jī)器人可以沿直線運(yùn)行到玻璃板的另一端；

（2）按照實(shí)驗(yàn)一的方法調(diào)整玻璃板的傾斜度；

（3）觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在只有碎小葉片的情況下，機(jī)器人基本可以將樹葉吸干凈，但由于機(jī)器人在運(yùn)作過程中會(huì)掀起一陣陣風(fēng)，將碎小葉片吹向遠(yuǎn)方，要多次循環(huán)清掃才能吸凈；在只有稍大型葉片的情況下，由于葉片穿不過機(jī)器人底部，會(huì)被機(jī)器人推著向前聚攏，等聚攏到一定厚度和高度是，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)感應(yīng)其為一障礙物并退而轉(zhuǎn)向被輪子碾壓成碎小的葉片，仍然會(huì)被吸收；在大小型葉片混合的情況下，則為前兩種情況的結(jié)合，只不過聚攏得更快一點(diǎn)，也會(huì)導(dǎo)致細(xì)小葉片清掃不干凈；對(duì)于前三種情況，也分別對(duì)玻璃板的高度進(jìn)行調(diào)整，具體情況差別不大.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：樹葉雖小而輕，但對(duì)機(jī)器人行走時(shí)的摩擦影響不大，樹葉之所以會(huì)被聚集，不僅僅是不能穿過機(jī)器人底部，還有機(jī)器人不具有將樹葉打碎再吸入的機(jī)構(gòu).

實(shí)驗(yàn)五：機(jī)器人清掃灰塵的能力測(cè)試

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)量機(jī)器人對(duì)灰塵的清掃能力

實(shí)驗(yàn)原理：灰塵會(huì)影響機(jī)器人在玻璃板上的行走速度，進(jìn)而影響它的清掃能力及清掃程度

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）將細(xì)小灰塵均勻撒在玻璃板表面；

（2）將機(jī)器人平放在玻璃板底端，以保證其可直線運(yùn)行到玻璃板的另一端；

（3）觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：由于灰塵較細(xì)且輕，很容易被機(jī)器人運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)力吹走，要想清掃干凈，需多次循環(huán)清掃，且機(jī)器人行走路線不規(guī)律，清掃不徹底.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由于灰塵是由人為撒在玻璃板上，機(jī)器人易于吸收，但如果灰塵是黏在玻璃板表面（猶如先在玻璃板上撒上一層薄灰，后撒上一層霧水），吸塵結(jié)果并不理想.

3.3機(jī)器人高空作業(yè)能力測(cè)試

實(shí)驗(yàn)六：高空平面作業(yè)能力測(cè)試

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈾C(jī)器人在高空平面上是否能穩(wěn)定工作.

實(shí)驗(yàn)原理：在高空平面玻璃板上，機(jī)器人排除地面干擾（影響機(jī)器人感應(yīng)系統(tǒng)）的情況下，測(cè)量機(jī)器人的作業(yè)能力.

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）兩人將玻璃板抬高到多種同一高度上，保持穩(wěn)定；

（2）另一人將機(jī)器人放在玻璃板的任一方位上，讓其自由行走；

（3）觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在任意高度上的平面玻璃板上，機(jī)器人不受到干擾，自由行走，且如在地面上行走一般穩(wěn)定，對(duì)于玻璃板邊緣的感應(yīng)會(huì)有所提前，不至于后續(xù)動(dòng)作無法完成.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：此次試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，不能排除外部自然因素的影響，且玻璃板離地面不超過190cm，并不能完全排除地面對(duì)機(jī)器人感應(yīng)系統(tǒng)的干擾.

實(shí)驗(yàn)七：高空斜面上作業(yè)能力測(cè)試

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈾C(jī)器人在高空斜面上是否能穩(wěn)定工作.

實(shí)驗(yàn)原理：沿斜面，機(jī)器人兩后輪以克服摩擦力向上行走；平行于斜面，機(jī)器人不易克服摩擦力穩(wěn)定行走.

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）兩人將玻璃板抬高不同高度，保證玻璃板有一定斜度；

（2）另一人將機(jī)器人放在玻璃板的任意方位；

（3）觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：經(jīng)多次不同高度不同斜度的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人行走方式基本相同，只是在平行于斜面行走時(shí)是以拋物線的形式行走，待兩后輪不再平行于玻璃板兩端邊緣時(shí)，機(jī)器人行走自然且穩(wěn)定，但斜度過大仍有打滑現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：在任意高度上的斜面玻璃板上，機(jī)器人不受到干擾，自由行走，但沒有在平面玻璃板上那般穩(wěn)定，對(duì)于玻璃板邊緣的感應(yīng)會(huì)有所提前，不至于后續(xù)動(dòng)作無法完成.此次試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，不能排除外部自然因素的影響，且玻璃板離地面不超過190cm，傾斜角也不超過20°，并不能完全排除地面對(duì)機(jī)器人感應(yīng)系統(tǒng)的干擾.

4　實(shí)驗(yàn)總結(jié)

本文模擬陽光房房頂實(shí)際情況，基于科沃斯TCR03系列智能掃地機(jī)，進(jìn)行了三大項(xiàng)七個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了分析.上述實(shí)驗(yàn)均在室內(nèi)進(jìn)行，沒有考慮風(fēng)力等室外自然因素干擾對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響.一般情況下，用戶會(huì)選擇在天氣較好的情況下進(jìn)行清掃工作，因此，本文實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果對(duì)掃地機(jī)器人的改進(jìn)仍具實(shí)際意義.通過實(shí)驗(yàn)可以清楚的看到考慮和改進(jìn)的方向，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）提高機(jī)器人平行于斜面行走的能力；

（2）可在機(jī)器人裝置前安裝一搗碎機(jī)構(gòu)，有利于大型樹葉的清掃；

（3）防滑機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；

（4）加強(qiáng)感應(yīng)系統(tǒng)的感應(yīng)能力.

〔1〕柴劍.智能掃地機(jī)器人技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.西安電子科技大學(xué)，2014.

〔2〕李泉溪.掃地機(jī)器人車輪打滑檢測(cè)與修正研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2015（12）.

〔3〕敬謙.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新與探索［J］.隴東學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（1）.

〔4〕畢勤圣，李紀(jì)剛.工程力學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2008.7.

TP242.6

A

1673-260X（2016）10-0013-03

2016-06-21

安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201511059099）資助