家用清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉慧梅　陳艷

摘要：本文清潔機(jī)器人的優(yōu)勢，提出適用于中低端工薪人群使用的家用清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)。首先首先對家用清潔機(jī)器人進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，包括路徑算法路徑規(guī)劃、避障系統(tǒng)等。然后對清潔機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)、清掃機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：清潔機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；清潔方式

1 引言

目前社會發(fā)展的速度日益增加，人們的生活節(jié)奏也隨之加快。清潔機(jī)器人結(jié)合移動機(jī)器人技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對家庭室內(nèi)環(huán)境的全自動或是半自動打掃清潔，代替了傳統(tǒng)的人工清掃，在目前的社會發(fā)展中具有很高的發(fā)展前景。清潔機(jī)器人比起人工的主要優(yōu)勢在于：省時省力，整個清潔過程不需要人為控制，減輕人為操作負(fù)擔(dān)；噪音小，在打掃房間的過程中讓人們享受安靜的環(huán)境；可以凈化空氣，吸附空氣中的PM2.5，清掃效率極高；輕便小巧，輕松打掃普通吸塵器清理不到的死角。

2 清潔機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

在家庭清潔機(jī)器人的領(lǐng)域中，清潔機(jī)器人往往由四個部分組成：電源模塊、控制系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)。整體設(shè)計(jì)方案如圖2.1所示。

2.1 電源模塊的選擇

本文所設(shè)計(jì)的清潔機(jī)器人是智能自動工作的類型，選用可以循環(huán)往復(fù)使用的充電電池，利用轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為能夠穩(wěn)定提供給其他系統(tǒng)使用的電壓。在工作時實(shí)現(xiàn)了無人操控，可以連續(xù)工作數(shù)個小時。

2.2 路徑規(guī)劃的選擇。路徑規(guī)劃，簡而言之就是清潔機(jī)器人根據(jù)傳感器所搜集到的工作環(huán)境的信息，按照某種算法來規(guī)劃出無障礙路線的清潔工作路徑?？偟膩碚f可以概括為兩種類型：（1）全局規(guī)劃路徑，即對周圍的環(huán)境完全了解；（2）周圍工作環(huán)境完全未知或者是部分已知。目前環(huán)境建模的主要方法有可視圖法、自由空間法等[1]。

2.3 避障系統(tǒng)的選擇。為了讓清潔機(jī)器人能夠正常工作，且不對家具和機(jī)器人自身造成損傷，選擇紅外線傳感器，它是以紅外線作為介質(zhì)來測量判斷障礙物，消除了外界光線的干擾，提高了靈敏度，在制作方面也比較簡單[2]。

2.4 驅(qū)動電機(jī)的選擇。該清潔機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī)主要有三個板塊，分別是移動電機(jī)驅(qū)動、毛刷電機(jī)驅(qū)動和吸塵電機(jī)驅(qū)動。其中，移動電機(jī)驅(qū)動主要是控制清潔機(jī)器人的行走輪，從而帶動運(yùn)動。毛刷電機(jī)驅(qū)動和吸塵電機(jī)驅(qū)動則是主要負(fù)責(zé)清潔方面的工作。

3 清潔機(jī)器人的工作原理

清潔機(jī)器人的工作原理是：CPU是清潔機(jī)器人的控制中心，也是機(jī)器人的大腦，對其他模塊實(shí)現(xiàn)控制。紅外避障傳感器和光電傳感器則是用來搜集周圍工作環(huán)境的信息，然后把搜集到的信息上傳給CPU處理。當(dāng)接收到信息時，CPU就可以控制移動機(jī)構(gòu)和清潔機(jī)構(gòu)使機(jī)器人開始清掃工作。

工作流程如下：

（1）通過遙控器或者直接手動按鈕啟動機(jī)器人，LED顯示屏顯示工作狀態(tài)。（2）傳感器搜集外部信息傳達(dá)給CPU，CPU開始規(guī)劃機(jī)器人的清掃路徑。（3）需要機(jī)器人轉(zhuǎn)向時，CPU就會改變左右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。（4）完成清掃工作，遙控器或者手動按鈕停止機(jī)器人。

4 清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的清潔機(jī)器人（如圖2、圖3所示）主要的特點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)上要小巧靈活，控制上要盡量簡單，易于操作，能夠完成自動避障。整個機(jī)器人由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和控制部分兩個大的部分組成。

4.1 清潔機(jī)器人的組成

4.1.1 行走機(jī)構(gòu)及其避障系統(tǒng)。該部分主要是保證清潔機(jī)器人能夠在平面正常地移動。機(jī)器人殼體前端和側(cè)面裝有紅外開關(guān)和光電傳感器，用來保證機(jī)器人在工作的過程中實(shí)現(xiàn)自我避障。整個機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)包括兩個驅(qū)動輪和一個隨動輪。驅(qū)動輪上裝有光電編碼器，用來實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，以至精確地實(shí)現(xiàn)清掃工作。

4.1.2 清掃機(jī)構(gòu)。該清潔機(jī)器人共配備有兩個用電機(jī)—渦輪—蝸桿帶動的清掃刷，左右的清潔刷進(jìn)行順時針和逆時針轉(zhuǎn)動。這樣的轉(zhuǎn)動方式可以使清掃過程中的灰塵集中在吸風(fēng)口，為吸塵工作做好了提前的準(zhǔn)備。

4.1.3 吸塵機(jī)構(gòu)。吸塵機(jī)構(gòu)顧名思義就是講灰塵吸入儲存箱中，擁有強(qiáng)大的吸力。在吸塵機(jī)構(gòu)的中，風(fēng)扇位于垃圾儲存箱的上方，罩上一個吸塵的薄壁腔，在薄壁腔的上方開一個小圓孔。同時在垃圾儲存箱的上方罩上一個吸塵罩，在吸塵罩兩邊開兩個小孔。其工作原理是，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動帶動儲存箱內(nèi)空氣的流動，從而將清潔刷吸附進(jìn)來的灰塵吸附在吸塵罩上，其余的空氣通過小孔排出，達(dá)到吸塵的目的。

4.2清潔機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)

4.2.1行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。清潔機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)成為直徑400mm高度100mm的圓形機(jī)器人，這樣設(shè)計(jì)更有利于機(jī)器人躲避障礙物，轉(zhuǎn)向也很方便?？紤]到機(jī)器人能夠更加便利地轉(zhuǎn)向以及完全的清掃，把機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為兩個驅(qū)動輪加上兩個清潔刷為支撐體，一個隨動輪作為轉(zhuǎn)向的輔助，這樣一來也能夠更有利于清掃，電機(jī)也更加容易控制機(jī)器人的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速[3]。

4.2.3吸塵和垃圾處理機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。吸塵機(jī)構(gòu)的主要作用是用來凈化空氣吸收灰塵，通過清潔刷將灰塵帶入垃圾儲存器然后凈化空氣，將凈化之后的空氣再排出機(jī)體。工作時，由兩個清潔刷的不同方向的清掃旋轉(zhuǎn)，讓灰塵和小部分垃圾清掃到吸塵口部分，然后通過強(qiáng)大的吸力將垃圾吸入儲存器當(dāng)中，如果要倒垃圾的話，就直接將垃圾儲存器取出倒垃圾即可。

5 結(jié)論

本文致力設(shè)計(jì)出貼合人們?nèi)粘Ｉ畹那鍧崣C(jī)器人，首先對清潔機(jī)器人進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，說明機(jī)器人的工作原理，闡述機(jī)器人的組成，并對機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。隨著科技的不斷發(fā)展，人類對于人工智能這方面的研究一定會越來越深入。在不遠(yuǎn)的將來，它們一定會為人類提供更多的便利，融入到人們的日常生活之中。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱常琳，馬浩全，郭光輝.一種移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃與路徑跟蹤控制[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào).2003（01）

[2]袁曾任，高明.在動態(tài)環(huán)境中移動機(jī)器人導(dǎo)航和避碰的一種新方法[J].機(jī)器人. 2000（02）

[3]李金山等.清潔機(jī)器人概述[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，2005.15-45