掃地機器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢研究

孫曉雪++趙玉山

摘 要：智能化家居是大勢所趨，掃地機器人也逐步走進普通家庭。對現(xiàn)有掃地機器人機械結(jié)構(gòu)、單片機控制技術(shù)以及傳感器技術(shù)的分析，研究改進新型掃地機器人，使得其操作更加簡單，更加智能化具有重大的意義。本文通過總結(jié)掃地機器人的結(jié)構(gòu)特點以及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，提出對掃地機器人的智能化發(fā)展的展望。

關(guān)鍵詞：掃地機器人 智能化 單片機 傳感器

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（a）-0238-02

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，服務(wù)類機器人逐漸出現(xiàn)在市場，為人們的智能化生活提供了便利。掃地機器人作為一款智能家居，具備一定的人工智能化，能夠自主進行清掃工作，為人們解放了雙手，提高了工作效率[1]。同時掃地機器人作為一項重要智能化技術(shù)正在迅速變革，從簡單的掃地、除灰等功能正在逐步擴展，增加除菌、自動充電、自動規(guī)劃路線等更多智能化操作[2]。因此設(shè)計一種合理的掃地機器人具有重大研究意義。通過改進掃地機器人的機械結(jié)構(gòu)以及使用合理的控制技術(shù)，對掃地機器人的優(yōu)化改進具有巨大的提高。本文通過對掃地機器人的結(jié)構(gòu)特點以及單片機的控制技術(shù)分析，總結(jié)現(xiàn)有市場上流行的掃地機器人和國內(nèi)外對掃地機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[3]。

1 掃地機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2002年，家電公司伊萊克斯推出的三葉蟲智能掃地機器人，顛覆了人們對掃地的概念。三葉蟲掃地機器人作為世界第一款量產(chǎn)的智能掃地機器人，外形采用圓餅形設(shè)計，塑料外殼。在單片機的控制下，底部的車輪能夠進行轉(zhuǎn)動，從而控制掃地機器人的主要運動。采用了仿生技術(shù)，按照蝙蝠的超聲波技術(shù)，使得掃地機器人能夠迅速的察覺障礙并且繞開。從2003年開始，iRobot公司和Proscenic公司推出了一系列的產(chǎn)品，主要技術(shù)集中在真空吸塵以及碰撞式運動[4]。2004年重慶大學(xué)智能科學(xué)技術(shù)研究所與寧波波郎電器有限公司合作開發(fā)的室內(nèi)清潔機器人，能夠沿墻壁行走清掃地面。2007年至今，越來越多的公司推出了一系列的產(chǎn)品，功能也隨之越來越豐富。國產(chǎn)智能掃地機器人方面，有蘇州怡凱電器的科沃斯、益節(jié)等公司生產(chǎn)的機器人功能豐富，包括非接觸式、超聲波式、紅外線技術(shù)、無線遙控等技術(shù)。國產(chǎn)品牌的掃地機器人如浦桑尼克藍天S、科沃斯DT85G等比較受歡迎。小米公司生產(chǎn)的米家掃地機器人具有地圖生成、路徑規(guī)劃、自動回充、斷點續(xù)掃等先進技術(shù)。

目前掃地機器人有幾大關(guān)鍵技術(shù)支撐，掃地機器人完成掃地任務(wù)分為幾個步驟，即定位、構(gòu)圖、規(guī)劃、清掃[5]。現(xiàn)在的掃地機器人不僅能夠適應(yīng)復(fù)雜的家庭環(huán)境，在清潔效果上也是有巨大的提高。首先是傳感器技術(shù)，掃地機器人能夠在自身傳感器的測控下，進行距離的前進以及移動由此可以獨自完成清掃任務(wù)；室內(nèi)定位功能，主流的定位系統(tǒng)則是RPS激光定位系統(tǒng)，能夠?qū)崟r定位變化坐標(biāo)；路徑規(guī)劃技術(shù)，掃地機器人根據(jù)環(huán)境的變化信息，按照自身優(yōu)化算法，進行合理的路徑規(guī)劃引導(dǎo)；吸塵技術(shù)則是通過機械裝置進行真空吸塵，形成巨大氣流旋渦，進行除塵動作。

2 掃地機器人的結(jié)構(gòu)特點

市場中流行的掃地機器人主要組成部分包括計算機處理器、傳感器、電源及供電系統(tǒng)、吸塵器、電動與動力傳動機構(gòu)、操作電位器等幾部分。市面上銷售的清潔機器人按照底部清掃結(jié)構(gòu)分類，分為有滾刷三段式清掃機構(gòu)、無滾刷雙重清掃機構(gòu)。在清掃機頂部安裝有三個超聲波距離傳感器；在掃地機器人底部前方安裝有6個接近開關(guān)，將接近開關(guān)與傳感器相連接，構(gòu)成掃地機器人的距離測繪系統(tǒng)；清掃機安裝有兩臺直流電機；底部安裝有吸塵器機構(gòu)。工作過程一般是由位于右側(cè)的邊刷進行清掃附近的臟物，膠質(zhì)滾刷則負責(zé)卷起體積較大的垃圾吸進垃圾盒，毛質(zhì)滾刷則將細小灰塵反向送入到垃圾盒中。自動清掃機器人可以實現(xiàn)自動完成室內(nèi)空曠以及角落灰塵的清掃工作?，F(xiàn)流行的掃地機器人主要功能有自動清掃、定時清掃、智能定位、自動化充電等其他智能化功能。實現(xiàn)了無線終端的控制，可以通過遙控器或者是手機，電腦進行控制。并且掃地機器人裝有感應(yīng)探頭，遇到障礙之后能夠自動改變方向。內(nèi)部具有殺菌燈管，可以在清掃過程中有效的殺滅螨蟲、細菌、病毒等。但是目前的掃地機器人還處于研發(fā)階段，噪音、吸塵、轉(zhuǎn)動等問題還需優(yōu)化改進、

3 掃地機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

掃地機器人的主要機械結(jié)構(gòu)有清掃機構(gòu)、行走機構(gòu)、吸塵機構(gòu)。由于機器人運動部件多。運動狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動。因此，增加機器人運動的平穩(wěn)性，提高機器人動力學(xué)具有重要的意義。行走驅(qū)動部分有驅(qū)動電機控制，為保證小車良好的直線行駛性，可采用雙電機驅(qū)動左右輪的方式，可以使小車獲取較好的機動性以及靈活性。清掃機構(gòu)則是由電機帶動兩個清掃刷，使得清掃的灰塵可以集中到吸風(fēng)口處，為吸塵機構(gòu)做準(zhǔn)備。吸塵機構(gòu)采用尖端真空吸氣形成氣流旋渦從而吸收塵土。擦地機構(gòu)可以在掃地機器人底部殼體安裝清潔布來擦除地面上的細小灰塵。

掃地機器人具有多功能，清掃模式則可以進行隨機清掃、定點清掃、沿邊清掃等；智能導(dǎo)航系統(tǒng)，實質(zhì)是路徑自動規(guī)劃，其中包括隨機式全區(qū)域覆蓋和規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋，設(shè)計過程則是由單片機控制下進行路線的規(guī)劃；智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，則是在掃地機器人內(nèi)部安裝三個超聲波測距傳感器，用來檢測掃地機器人行進路線是否有障礙物；防跌落同樣是利用測距傳感器進行測量[6]。

4 掃地機器人的單片機控制技術(shù)

用紅外傳感器、光電傳感器、距離傳感器完成自動避障。使用光電編碼器檢測電機的轉(zhuǎn)速，用pwm技術(shù)來動態(tài)控制電動機的轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)速。利用單片機編程技術(shù)實現(xiàn)清掃機行進、執(zhí)行清掃任務(wù)、繞障、精確的停止控制以及檢測數(shù)據(jù)的存儲、顯示。傳感器系統(tǒng)是掃地機器人的感覺系統(tǒng)，負責(zé)采集環(huán)境障礙和自身狀態(tài)的信息[7]。將這些傳感器合理的布置在掃地機器人周邊位置，通過相應(yīng)的信號處理電路與微處理器系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊，控制系統(tǒng)根據(jù)獲得的傳感器系統(tǒng)信息做出動作，實現(xiàn)智能化自主操作。驅(qū)動系統(tǒng)使用直流電動機，通過脈寬調(diào)制記住控制電動機電樞的電壓，把直流電壓變成電壓脈沖序列并通過控制電壓脈沖寬度或周期來達到變壓的目的[8]。復(fù)位電路使用看門狗電路，有些單片機系統(tǒng)還要求在掉電瞬間能夠?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)保存，因此可以使用看門狗電路組成的系統(tǒng)。自動充電系統(tǒng)是利用充電來實現(xiàn)的，對接充電過程使用了紅外信號，使得掃地機器人能夠自主找充電樁進行充電行動。

5 結(jié)語

本文闡述了掃地機器人的結(jié)構(gòu)特點、以及主要功能、對傳感器技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了智能化的操作。通過總結(jié)掃地機器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的掃地機器人具有更加智能化、自主化的特點，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也能夠進一步的智能化發(fā)展。分析掃地機器人的機械設(shè)計、單片機控制技術(shù)、傳感器技術(shù)為進一步提高掃地機器人的智能化提供了詳細的資料。

參考文獻

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[3] 洪云波.多功能清潔機器人研究[D].蘇州大學(xué)，2015.

[4] 趙航，劉玉梅，卜春光，等.掃地機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].信息與電腦：理版，2016（12）：167-168.

[5] 杜忠惠.清潔機器人的運動控制與超聲定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].東北師范大學(xué)，2016.

[6] 程麗霞.智能掃地機器人系統(tǒng)設(shè)計[J].機械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2016（9）：27-29.

[7] 張建龍.清潔機器人避障控制及路徑規(guī)劃[D].武漢科技大學(xué)，2015.

[8] 方海婷.嵌入式清潔機器人系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京理工大學(xué)，2009.endprint