人工智能在家居生活中的應(yīng)用

【摘要】在社會(huì)科技的發(fā)展下，人工智能已經(jīng)在不斷改變著我們的生活，我們從未像今天這樣感到人工智能無(wú)處不在。經(jīng)過(guò)高中物理和高中化學(xué)的課程學(xué)習(xí)，我逐漸了解到所學(xué)知識(shí)對(duì)人工智能實(shí)現(xiàn)的重要影響，結(jié)合家居生活中人工智能掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)、發(fā)展，我應(yīng)用已學(xué)的物理、化學(xué)知識(shí)對(duì) 人工智能在家居生活中的應(yīng)用提出自己的一點(diǎn)想法。

【關(guān)鍵詞】人工智能；家居生活；應(yīng)用；智能掃地機(jī)器人；智能家庭網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

物理化學(xué)是關(guān)于研究物質(zhì)的化學(xué)行為原理、方法學(xué)科，具體涵蓋從宏觀到微觀的化學(xué)過(guò)程機(jī)理和物理原理。在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展下，人們未來(lái)的生活中會(huì)出現(xiàn)更多的機(jī)器人，在家居生活領(lǐng)域也不例外。家居生活領(lǐng)域出現(xiàn)的機(jī)器人是家用型和娛樂(lè)型機(jī)器人。在機(jī)器人的作用下，實(shí)用型、便捷型將會(huì)成為智能化住宅建筑的主流。文章基于物理化學(xué)知識(shí)從學(xué)科角度，以智能掃地機(jī)器人方案設(shè)計(jì)為例具體分析物理化學(xué)對(duì)未來(lái)智能家居生活的影響。

一、智能掃地機(jī)器人的總體方案

智能掃地機(jī)器人是智能住宅網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)內(nèi)容。智能住宅網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)控制系統(tǒng)是自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在信息技術(shù)和物理技術(shù)的深化結(jié)合下將會(huì)朝著網(wǎng)絡(luò)化控制的方向發(fā)展。市場(chǎng)上的智能掃地機(jī)器人是一種科學(xué)技術(shù)支持下的自動(dòng)清掃智能家用電器，應(yīng)用的是高中電機(jī)工作原理。機(jī)器人通過(guò)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高速氣流，將灰塵、雜物吸入集塵盒。機(jī)器人防滑輪皮采用凸凹材質(zhì)制成。機(jī)器人底部安裝有塑料刷，用于清掃吸附在地板上的灰塵及輕小物體。機(jī)器人前端裝有感應(yīng)器，通過(guò)發(fā)射、接收超聲波或紅外線來(lái)偵測(cè)障礙物。某智能家用掃地機(jī)器人具體如圖一所示。在電器的剩余電量減為電池容量30%的時(shí)候，機(jī)器人會(huì)根據(jù)智能定位APP控制系統(tǒng)主動(dòng)尋找充電器進(jìn)行充電。某掃地機(jī)器人的參數(shù)信息如下：掃地機(jī)器人的額定工作電壓是12v，額定功率是30w，電池容量是2500m/AH。機(jī)器人吸塵電機(jī)的吸入功率是衡量機(jī)器人的重要參數(shù)信息，能夠?qū)C(jī)器人吸塵電機(jī)吸塵功率、真空度、風(fēng)量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系具體如表一所示。掃地機(jī)器人的真空度是指主機(jī)內(nèi)部起亞和外界的氣壓差，風(fēng)量是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)吸塵電機(jī)排除的空氣體積，吸塵電機(jī)吸入的功率和輸入的功率比值是效率。結(jié)合運(yùn)動(dòng)和力的計(jì)算原理，如果智能機(jī)器人在1min內(nèi)沿直線勻速清掃的距離為18m，因?yàn)闄C(jī)器人沿直線勻速清掃，它在運(yùn)動(dòng)中所受阻力為F=f=105。105N，機(jī)器人在清掃地面時(shí)運(yùn)動(dòng)的速度V=s/t=18m/60s=0.3m/s。過(guò)程中機(jī)器的水平推力所做的功及功率分別是W=Fs=105N×18m=1890J和W/t=1890J/60s=31.5W。

智能掃地機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括移動(dòng)行走機(jī)構(gòu)、清掃機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、傳感器探測(cè)系統(tǒng)、電源等。智能掃地機(jī)器人能夠完成全面的清掃工作，同時(shí)在傳感器系統(tǒng)的配置下還具有主動(dòng)避開(kāi)障礙的功能，在完成任務(wù)之后能夠回到起始的位置上。

二、智能掃地機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能掃地機(jī)器人的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)是移動(dòng)行走機(jī)構(gòu)和清掃機(jī)構(gòu)。在考慮智能掃地機(jī)器人行走時(shí)候需要承載的壓力，在操作的時(shí)候需要盡可能減少機(jī)器人的整體質(zhì)量。為此，智能掃地機(jī)器人的外殼化學(xué)材料選擇要盡可能選擇輕便的材料，同時(shí)材料的機(jī)械強(qiáng)度要達(dá)到一定的要求。結(jié)合所學(xué)物理化學(xué)知識(shí)，選擇的材料可以是有機(jī)玻璃，也可以是合成材料。有機(jī)玻璃的密度是1.18kg/dm3.有機(jī)玻璃的重量是一般普通玻璃的一半左右，且具有加工難度低的優(yōu)勢(shì)。合成材料ABS材料密度是1.02x103kg/m3，是一種強(qiáng)度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料。被用于家電外殼、玩具等日常用品。常見(jiàn)的樂(lè)高積木就是ABS制品。合成材料ABS這種化學(xué)材料經(jīng)過(guò)加工之后具有良好的穩(wěn)定性，且加工之后的材料表面光澤度很好。未來(lái)智能家居中的掃地機(jī)器人外形是扁平圓柱外形。這樣的外形設(shè)計(jì)能夠保證掃地機(jī)器人在操作的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)全面清掃，比如床底、茶幾底部、較高沙發(fā)的下面等，節(jié)省了人為二次清掃的時(shí)間。

在未來(lái)掃地機(jī)器人的邊緣外形設(shè)計(jì)還需要額外添加帶有彈性的橡膠，橡膠的應(yīng)用能夠在掃地機(jī)器人在發(fā)生碰撞的時(shí)候起到重要的保護(hù)作用。底部的清掃機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)要對(duì)稱(chēng)分布在兩邊，在最前方的方向輪上，機(jī)器人工作行走過(guò)程中起到的是支撐前進(jìn)的作用。貼地的清掃刷在兩邊旋轉(zhuǎn)清掃行走路徑中出現(xiàn)的各種垃圾。清掃刷的后方式集沉盒，集沉盒能夠收集之前清掃刷旋轉(zhuǎn)清掃來(lái)的垃圾。掃地機(jī)器人底部主要結(jié)構(gòu)主視示意圖具體如圖二所示。掃地機(jī)器人在機(jī)械傳動(dòng)中常用的傳動(dòng)方式是齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)、帶轉(zhuǎn)動(dòng)、渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)。

三、智能掃地機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證家用智能掃地機(jī)器人在實(shí)際工作中遇到障礙物能夠?qū)崿F(xiàn)零轉(zhuǎn)彎、半徑轉(zhuǎn)彎等操作。家用智能掃地機(jī)器人的兩個(gè)主要輪采用了坦克式的轉(zhuǎn)向方式，也就是差速轉(zhuǎn)向。在這個(gè)過(guò)程中，主要是應(yīng)用電編碼器來(lái)完成對(duì)轉(zhuǎn)向角的控制。智能家用掃地機(jī)器人在使用的時(shí)候會(huì)根據(jù)使用需求及時(shí)變化掃地機(jī)器人的位置。家具數(shù)量增減也會(huì)對(duì)智能掃地機(jī)器人位置產(chǎn)生影響。智能家用掃地機(jī)器人的傳感器控制和檢測(cè)應(yīng)用的都是單片機(jī)。紅外傳感器能夠感應(yīng)機(jī)器人應(yīng)用時(shí)候周?chē)恼系K物，超聲波傳感器能夠探測(cè)掃地機(jī)器人和周?chē)膶?shí)際距離，從而保證家用掃地機(jī)器人的安全應(yīng)用操作。智能掃地機(jī)器人控制系統(tǒng)各個(gè)構(gòu)件之間是相互配合完成工作的，各個(gè)部件之間存在密切的關(guān)聯(lián)。比如科沃斯機(jī)器人推出的最新規(guī)劃類(lèi)掃地機(jī)器人地寶9系DR95智能掃地機(jī)器人。DR95智能掃地機(jī)器人在清掃之前繪制完整家庭“地圖”。具體是應(yīng)用全局規(guī)劃技術(shù)，搭載LDS雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)和SLAM算法，在清掃前首先會(huì)對(duì)所清掃的區(qū)域進(jìn)行巡航掃描，使用LDS進(jìn)行激光雷達(dá)探測(cè)繪制出一張“地圖”，會(huì)對(duì)全屋的環(huán)境進(jìn)行自行探測(cè)

DR95智能掃地機(jī)器人控制系統(tǒng)流程操作具體如圖三所示。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著科技的快速發(fā)展，市場(chǎng)上的智能產(chǎn)品層出不窮，特別在智能家居這方面，更是數(shù)不勝數(shù)。本人結(jié)合所學(xué)的物理、化學(xué)知識(shí)通過(guò)應(yīng)用簡(jiǎn)單的智能掃地機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、超聲波傳感器和紅外傳感器避障功能，能夠加強(qiáng)對(duì)所學(xué)電機(jī)理論的感知，充分將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際生活中，在真正意義上做到學(xué)以致用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉亦恒. 多種傳感器融合技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2016，（24）：134.