小型家用掃地機(jī)器人硬件研究

李澤佳

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活水平有了很大提高，各種智能家居設(shè)備逐漸走進(jìn)人們的日常生活之中，其中作為服務(wù)機(jī)器人的掃地機(jī)器人在近幾年被越來越多的消費(fèi)者青睞。掃地機(jī)器人是一種移動機(jī)器人，通過在室內(nèi)導(dǎo)航完成自主清掃任務(wù)，不僅減輕了人們的家務(wù)勞動壓力，而且相比于人工清潔其清掃效率和清潔度都大大提升，是科技改變生活最好的案例之一。掃地機(jī)器人涉及機(jī)械、電氣、控制、計算機(jī)、感知等多種技術(shù)，而復(fù)雜的硬件是其完成任務(wù)的基礎(chǔ)。文章從就一種典型的掃地機(jī)器人進(jìn)行了各種硬件設(shè)備研究，對后續(xù)開發(fā)功能更加強(qiáng)大的產(chǎn)品有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞 掃地機(jī)器人；硬件；傳感器

中圖分類號 TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）211-0110-03

早在20世紀(jì)八九十年代開始，一些歐美工程師就開始研究各種各樣的服務(wù)型機(jī)器人，試圖解放人們的雙手，創(chuàng)造舒適和便捷的家居生活環(huán)境。國際機(jī)器人協(xié)會對服務(wù)型機(jī)器人的概念進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)范：除了生產(chǎn)活動外，有益于人類生活、服務(wù)于人類的自主或自主工作機(jī)器人，服務(wù)型性機(jī)器人種類眾多，其中又以掃地機(jī)器人最為典型。掃地機(jī)器人是一個復(fù)雜的技術(shù)對象，包含機(jī)械、電氣、控制、計算機(jī)、感知等眾多科學(xué)門類，隨著消費(fèi)者對掃地機(jī)器人的熱情持續(xù)增長，此學(xué)科也成為了國內(nèi)外機(jī)器人學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。

掃地機(jī)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(jī)器人本體和充電裝置兩個硬件部分。機(jī)器人在進(jìn)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(shí)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(jī)器人提供能源。根據(jù)以上分析，掃地機(jī)器人需要的主要硬件設(shè)備有電源、充電設(shè)備、電機(jī)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感設(shè)備等。

1 掃地機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)

1.1 電源

任何機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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，以下列舉幾種應(yīng)用廣泛的電池，如表1所示。

在移動機(jī)器人的電池選型中，既要考慮機(jī)器人實(shí)際的工作模式和特點(diǎn)，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(diǎn)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(jī)身小巧的掃地機(jī)器人來說浪費(fèi)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(dá)到600Wh/kg。第二是其額定電壓高，單節(jié)鋰離子電池可以達(dá)到3.8V左右的電壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)器人多設(shè)備同時運(yùn)行情況下的電源供應(yīng)。第三是溫度適應(yīng)能力很強(qiáng)，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(jī)、筆記本電腦、平板電腦等。所以，綜合鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)，掃地機(jī)器人應(yīng)該選擇此類電池作為電源?？紤]到掃地機(jī)器人的實(shí)際工作內(nèi)容和時長，使用6節(jié)1.2V 3 000mAh的鋰離子電池。

1.2 充電設(shè)備

充電設(shè)備在掃地機(jī)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?yàn)槌潆娫O(shè)備位置固定，掃地機(jī)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(jī)器人充電基地也采用的是220V AC的電壓電流標(biāo)準(zhǔn)，充電設(shè)備從普通墻插中獲取電能即可，簡單方便。掃地機(jī)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)備的轉(zhuǎn)化過程如圖1所示。

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(jìn)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(jī)器人達(dá)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(diǎn)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(jī)器人可以自行返回固定的充電基地，充電基地檢測到機(jī)器人后便可通過感應(yīng)的方式對其進(jìn)行充電，充電完成后機(jī)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(diǎn)。綜上所述，為了搭建更為智能和便捷化的掃地機(jī)器人系統(tǒng)，充分實(shí)現(xiàn)其自主運(yùn)行的特點(diǎn)，最佳選擇是無線充電模式。

1.3 驅(qū)動電機(jī)

掃地機(jī)器人之所以能在室內(nèi)自由行走，機(jī)械能是來自電機(jī)對電能的轉(zhuǎn)化，電機(jī)是控制系統(tǒng)的直接輸出設(shè)備，輸出軸直接與機(jī)器人的運(yùn)動傳動設(shè)備連接，電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能帶動機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，機(jī)器人還可完成一系列人為操作的運(yùn)動。在電機(jī)的選擇方面，交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但其控制精度低，很難做到掃地機(jī)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(jī)可以克服自傳的缺點(diǎn)，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(jī)器人使用；步進(jìn)電機(jī)可以完成精確移動，但是其轉(zhuǎn)矩小、負(fù)載低，所以大多數(shù)用在儀表上；無刷直流電機(jī)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(yùn)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(jìn)一步提升。結(jié)合掃地機(jī)器人對于電機(jī)體積和家庭中安靜環(huán)境等要求，電機(jī)的最佳選擇為無刷直流永磁同步電機(jī)。

1.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

上文中指出，電機(jī)的輸出軸直接帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是掃地機(jī)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(jī)器人來說，可以選擇的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有腿足式、履帶式和輪式三種。腿足式機(jī)器人模仿蜘蛛的行走方式，現(xiàn)在還處于試驗(yàn)階段，且行走速度很慢，不適合于家庭使用；履帶式機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)。

1.5 傳感器

掃地機(jī)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(jī)器人的各種感知器官，類似于人類的五官。掃地機(jī)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(jī)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(jī)器人測量位移和角度的裝置，加速度計測量機(jī)器人的加速度，陀螺儀測量角加速度，通過二次積分得到機(jī)器人的位移和角位移，結(jié)合航跡推算法便可對機(jī)器人做到精準(zhǔn)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，其測距原理很簡單，利用公式：

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(dá)到時間和光照強(qiáng)度達(dá)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(jī)構(gòu)，以便機(jī)器人及時避障。

除了上述傳感器之外，還有激光測距儀、雷達(dá)測距儀、里程計、視覺傳感器、溫度/濕度傳感器等重要傳感器。

2 結(jié)論

隨著居民可支配收入的持續(xù)提高，家用掃地機(jī)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(jī)器人，試圖共同分享這一巨大的市場。掃地機(jī)器人的硬件選擇和設(shè)計極為關(guān)鍵，直接影響到機(jī)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(jī)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。

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