基于流體力學(xué)原理的掃地機(jī)器人自動倒垃圾系統(tǒng)

謝文皓，成思杰，謝蕤宇

（上海高仙機(jī)器人深圳研發(fā)部，廣東 深圳 518000）

0 引言

掃地機(jī)器人自動倒垃圾系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中具有重要意義。隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，自動化設(shè)備的需求逐漸增加。掃地機(jī)器人[1]作為智能家居的一部分，已經(jīng)在家庭和工作環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的掃地機(jī)器人需要人工定期清空塵盒。塞滿垃圾的塵盒容易把手弄臟，也難以一次性倒干凈，塵盒中的海帕積攢的毛發(fā)、灰塵也不易清理，容易堵塞掃地機(jī)風(fēng)道，使掃地機(jī)無法持續(xù)性正常使用。如圖1 所示，常規(guī)掃地機(jī)器人會搭配一個集塵基站[2]來實現(xiàn)掃地機(jī)自動清理垃圾，掃地機(jī)啟動以后，就回到集塵基站并自動對接，將塵盒中的垃圾自動吸入集塵基站，實現(xiàn)自動清理垃圾的問題。然而，圖1 產(chǎn)品的系統(tǒng)仍然存在一些局限性。首先，掃地機(jī)塵盒中的垃圾無法徹底清理干凈，仍需要手動清理，甚至需要定期水洗才能清理頑固垃圾。其次，若垃圾中存在毛發(fā)等，排出時，極易纏繞和堵塞風(fēng)道?；诖?，以滿足用戶的需求，本研究是對自動倒垃圾系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并提高其性能和可持續(xù)性。主要研究目標(biāo)是應(yīng)用流休力學(xué)原理開發(fā)一種高效且智能的掃地機(jī)器人自動倒垃圾系統(tǒng)，提高自動倒垃圾系統(tǒng)的性能，提高掃地機(jī)器人自動處理效率的問題，以提高用戶的使用便捷性。

圖1 常規(guī)掃地機(jī)器人自動倒垃圾系統(tǒng)原理圖

1 流體力學(xué)原理在自動倒垃圾系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 伯努利原理與應(yīng)用

伯努利原理[3]是由瑞士科學(xué)家丹尼爾·伯努利于18 世紀(jì)提出。伯努利原理是流體力學(xué)中的基本原理，它描述了在不可壓縮流體中沿流線的速度和壓力之間的關(guān)系。它基于一個基本概念，即在不可壓縮流體[4]中，當(dāng)速度增加時，壓力降低，反之亦然。這個原理可以表達(dá)為：

其中，P代表壓力，ρ代表密度，v代表流體的速度，g代表重力加速度，h代表流體的高度。由于在一個流體風(fēng)道中c值是恒定的，對于高度變化不大的掃地機(jī)風(fēng)道的流體來說，ρ、g、h都是近似不變的，流體速度v增加會導(dǎo)致流體壓力p降低，從而產(chǎn)生壓力差推動垃圾運動。

依據(jù)伯努利原理，倒垃圾是否干凈，關(guān)鍵在于出塵口附近風(fēng)速v出是否足夠大，出塵口的氣壓P出是否足夠小。當(dāng)（P-P出）*S截>fmax時，就能推動灰塵進(jìn)入出塵口，進(jìn)入到基站內(nèi)，如圖2 所示。其中，P代表灰塵顆粒其他方向的氣壓；P出為出塵口的氣壓；S截為灰塵顆粒截面積；fmax為灰塵顆粒的最大靜摩擦力。所以，出塵口附近的風(fēng)速越大，倒垃圾就會越干凈。

圖2 出塵口附近氣壓減小后可以推動灰塵移動

1.2 旋風(fēng)吹塵技術(shù)的原理與應(yīng)用

自動倒垃圾系統(tǒng)中的旋風(fēng)吹塵技術(shù)是一項關(guān)鍵的創(chuàng)新，它利用流體力學(xué)原理實現(xiàn)了高效的垃圾清理和倒垃圾過程。這項技術(shù)的基本原理是在塵盒側(cè)面增加一個小側(cè)門，在倒垃圾時形成一個旋風(fēng)，將塵盒內(nèi)的垃圾卷起并排放到集塵基站中。如圖3 所示，各部位具體使用原理如下：

圖3 旋風(fēng)吹塵塵盒原理圖

集塵基站啟動后，基站的風(fēng)機(jī)會向外界排風(fēng)，將基站的塵桶、掃地機(jī)的塵盒空氣排出，形成負(fù)壓。小側(cè)門打開形成旋風(fēng)，塵盒內(nèi)氣壓小于外界大氣壓P，所以塵盒的小側(cè)門就會由于壓力差打開，外界空氣通過小側(cè)門高速進(jìn)入塵盒，導(dǎo)致塵盒底部的空氣流速急劇增加，高速氣流沖擊圓形塵盒壁后形成旋風(fēng)。

根據(jù)伯努利原理，當(dāng)流體速度增加時，壓力降低。因此，塵盒底部的旋風(fēng)是塵盒內(nèi)壓力最低的區(qū)域，而其它區(qū)域氣壓較高，這就產(chǎn)生了一個壓力差，將塵盒內(nèi)的垃圾吸入了旋風(fēng)之中。特別是塵盒死角中的頑固垃圾和可能存在的堵塞物質(zhì)，如毛發(fā)，都能卷起。之后，垃圾將排放到集塵基站，卷起的垃圾隨著旋風(fēng)的運動被送到塵盒的出塵口附近。由于出塵口截面積小，風(fēng)速高，氣壓低，垃圾被低氣壓吸出后進(jìn)入對接好的集塵基站，最后完成了垃圾的倒出和清理過程。

這個過程高效而迅速，自動清理垃圾的頻率僅需每天一次，垃圾排出更干凈徹底。該系統(tǒng)也更好的解決毛發(fā)等特殊垃圾難以排出的問題，有效避免了垃圾堆積和堵塞。

2 自動倒垃圾系統(tǒng)的設(shè)計及實驗測試

2.1 基站密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

在自動倒垃圾系統(tǒng)中，掃地機(jī)需要將塵盒內(nèi)的垃圾倒入集塵基站，因此應(yīng)提高出風(fēng)口附近風(fēng)速，確保風(fēng)道密封良好，以防止垃圾被空氣逆流或泄漏出來。密封設(shè)計的關(guān)鍵在于掃地機(jī)與基站的對接部分。為了實現(xiàn)密封，我們在掃地機(jī)的出塵口和集塵基站的對接口6 上安裝密封套3。密封套3 設(shè)計成薄壁梯形，由硅膠材料制成，以提供足夠的彈力，能夠在掃地機(jī)對接稍有偏移時也能形成有效的密封，防止空氣和垃圾外泄。此外，我們還在基站上設(shè)計了掃地機(jī)前輪導(dǎo)向槽4 和后輪導(dǎo)向槽1，以確保掃地機(jī)在駛上基站平臺5 后，通過對輪子的導(dǎo)向限位，對接時能夠準(zhǔn)確對準(zhǔn)基站對接口6。為防止掃地機(jī)駛上基站平臺5 時，前輪壓壞密封套3，在密封套中部設(shè)計了防壓塊2，具體設(shè)計如圖4 所示。

圖4 基站密封套和輪子導(dǎo)向槽的設(shè)計

2.2 掃地機(jī)旋風(fēng)吹塵塵盒設(shè)計

2.2.1 塵盒小側(cè)門的設(shè)計

塵盒小側(cè)門的形狀、小大、位置都影響著塵盒內(nèi)旋風(fēng)的風(fēng)速，決定了垃圾是否能倒干凈。根據(jù)流體力學(xué)原理，小側(cè)門的截面積大小直接影響著風(fēng)速。因此，測試過程中需要仔細(xì)考慮小側(cè)門的形狀和截面積，并通過三維CAD 設(shè)計[5]進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和手板驗證。實驗表明，小側(cè)門開啟后的形狀應(yīng)該是一種能夠加速氣流的近似喇叭形，外側(cè)大，內(nèi)側(cè)小。這種形狀有助于減小流體的阻力，從而提高風(fēng)速，倒垃圾最干凈。小側(cè)門的位置應(yīng)該設(shè)計在塵盒的側(cè)面偏底部，以確保氣流能夠順利進(jìn)入后，沿著塵盒底部內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)。一方面能減小能量損失，另一方面也能讓氣流沖擊到塵盒底部的所有死角，將死角頑固垃圾都卷起。改良后的掃地機(jī)如圖5 所示。

圖5 集塵基站改良密封后的掃地機(jī)

2.2.2 塵盒內(nèi)壁的設(shè)計

塵盒內(nèi)壁的設(shè)計對于小旋風(fēng)的形成有著一定的重要性，要提高小旋風(fēng)的風(fēng)速，加強(qiáng)小旋風(fēng)卷起垃圾的效率。首先，塵盒內(nèi)壁應(yīng)該設(shè)計成光滑的近似圓柱形，使得側(cè)門進(jìn)入的高速氣流能在內(nèi)壁的導(dǎo)向下形成旋風(fēng)。同時避免旋風(fēng)路徑上出現(xiàn)尖角、死角，以減小氣流嘯叫聲，防止垃圾纏繞堆積。

3 實驗

3.1 出塵口風(fēng)速與倒垃圾效果實驗

為了研究出塵口風(fēng)速與倒垃圾效果的關(guān)系，使用一款配有旋風(fēng)吹塵塵盒的掃地機(jī)，分別匹配兩種不同的集塵基站依次測試。設(shè)定1#基站是原型，2#基站在1#基站的基礎(chǔ)上，提高了掃地機(jī)出塵口的風(fēng)速。

首先，將掃地機(jī)塵盒內(nèi)放入20 g 垃圾，讓掃地機(jī)與1#基站對接，測試了1#基站的吸收垃圾的效果，并記錄，使用下述關(guān)系可反映集塵基站回收率來衡量倒垃圾的效果。

然后，使用風(fēng)速儀對掃地機(jī)出塵口附近的風(fēng)速進(jìn)行了測試，記錄風(fēng)速值。

最后，換成2#基站來對接掃地機(jī)，重復(fù)以上測試，最終結(jié)果見表1。

表1 不同出塵口風(fēng)速的倒垃圾效果對比

通過測試發(fā)現(xiàn)，2#基站風(fēng)速更大，集塵基站回收率高，倒垃圾效果更好。當(dāng)風(fēng)速增加時，較高的風(fēng)速能夠更有效地推動垃圾。風(fēng)速繼續(xù)增加至側(cè)門開啟后，能形成旋風(fēng)，將塵盒死角的垃圾全部卷起，送到倒塵口，進(jìn)入基站。

3.2 基站密封結(jié)構(gòu)倒垃圾效果實驗

為了進(jìn)一步增加出塵口風(fēng)速，減少在倒垃圾過程中空氣泄漏，我們要對基站對接口進(jìn)行了密封，增加了密封套，設(shè)計了相關(guān)實驗研究。本次測試重點加強(qiáng)了掃地機(jī)出塵口與集塵基站的對接口的密封設(shè)計。1#基站對接口為原型機(jī)，不使用密封套，2#基站對接口使用硅膠密封套。2 種基站均使用同款風(fēng)機(jī)排風(fēng)，其它的結(jié)構(gòu)均一致。測試時，使用同一個掃地機(jī)，依次對接2 款基站進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表2。

表2 增加硅膠套密封前后的倒垃圾效果對比

實驗結(jié)果表明，使用同款風(fēng)機(jī)，采用硅膠密封套的2#基站的密封性能更好，風(fēng)量明顯更大，2#基站出塵口風(fēng)速為32 m/s，也高于1#基站16 m/s。依據(jù)之前的實驗結(jié)果，出塵口風(fēng)速越高，倒垃圾效果越好。所以，硅膠密封套的2#基站倒垃圾效果好于1#基站。

3.3 旋風(fēng)吹塵塵盒倒垃圾效果實驗

為了進(jìn)一步驗證旋風(fēng)吹塵塵盒對倒垃圾效果的提升，分別使用普通塵盒和旋風(fēng)吹塵塵盒進(jìn)行自動倒垃圾實驗。本次測試使用掃地機(jī)分別安裝普通塵盒和旋風(fēng)吹塵塵盒，塵盒內(nèi)放入20 g 的毛發(fā)、貓糧、黃豆，讓掃地機(jī)對接集塵基站，使用基站最大檔位，自動倒垃圾30 s 后，查看塵盒內(nèi)垃圾是否倒干凈，記錄集塵基站回收率，結(jié)果見表3。

表3 換用旋風(fēng)吹塵塵盒后的倒垃圾效果對比

如圖6 所示，測試2 使用旋風(fēng)吹塵塵盒回收率為92%，遠(yuǎn)高于普通塵盒。說明旋風(fēng)吹塵技術(shù)能加速塵盒內(nèi)風(fēng)速，形成小旋風(fēng)，能將塵盒內(nèi)的垃圾倒干凈。

圖6 旋風(fēng)吹塵塵盒放入毛發(fā)、貓糧、黃豆

4 結(jié)語

經(jīng)過各項測試研究了流體力學(xué)原理在自動倒垃圾系統(tǒng)中的應(yīng)用，用實驗證明了風(fēng)速越大氣壓越小，能加速垃圾移動。通過加強(qiáng)基站密封，增加出塵口風(fēng)速，能夠更好地推動垃圾進(jìn)入出塵口和基站。同時，還應(yīng)用了旋風(fēng)吹塵技術(shù)，通過產(chǎn)生旋風(fēng)將塵盒四周死角的垃圾卷起，進(jìn)一步提高了頑固垃圾清理的效率，為自動倒垃圾系統(tǒng)的性能提供了創(chuàng)新的解決方案。