人工智能在家居生活中的應用

【摘要】在社會科技的發展下，人工智能已經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處不在。經過高中物理和高中化學的課程學習，我逐漸了解到所學知識對人工智能實現的重要影響，結合家居生活中人工智能掃地機器人的設計、發展，我應用已學的物理、化學知識對 人工智能在家居生活中的應用提出自己的一點想法。

【關鍵詞】人工智能；家居生活；應用；智能掃地機器人；智能家庭網絡控制系統

物理化學是關于研究物質的化學行為原理、方法學科，具體涵蓋從宏觀到微觀的化學過程機理和物理原理。在科學技術的發展下，人們未來的生活中會出現更多的機器人，在家居生活領域也不例外。家居生活領域出現的機器人是家用型和娛樂型機器人。在機器人的作用下，實用型、便捷型將會成為智能化住宅建筑的主流。文章基于物理化學知識從學科角度，以智能掃地機器人方案設計為例具體分析物理化學對未來智能家居生活的影響。

一、智能掃地機器人的總體方案

智能掃地機器人是智能住宅網絡化自動控制系統的一個內容。智能住宅網絡化自動控制系統是自動化控制系統，在信息技術和物理技術的深化結合下將會朝著網絡化控制的方向發展。市場上的智能掃地機器人是一種科學技術支持下的自動清掃智能家用電器，應用的是高中電機工作原理。機器人通過電動機旋轉產生高速氣流，將灰塵、雜物吸入集塵盒。機器人防滑輪皮采用凸凹材質制成。機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。機器人前端裝有感應器，通過發射、接收超聲波或紅外線來偵測障礙物。某智能家用掃地機器人具體如圖一所示。在電器的剩余電量減為電池容量30%的時候，機器人會根據智能定位APP控制系統主動尋找充電器進行充電。某掃地機器人的參數信息如下：掃地機器人的額定工作電壓是12v，額定功率是30w，電池容量是2500m/AH。機器人吸塵電機的吸入功率是衡量機器人的重要參數信息，能夠對機器人吸塵電機吸塵功率、真空度、風量間的對應關系具體如表一所示。掃地機器人的真空度是指主機內部起亞和外界的氣壓差，風量是指單位時間內通過吸塵電機排除的空氣體積，吸塵電機吸入的功率和輸入的功率比值是效率。結合運動和力的計算原理，如果智能機器人在1min內沿直線勻速清掃的距離為18m，因為機器人沿直線勻速清掃，它在運動中所受阻力為F=f=105。105N，機器人在清掃地面時運動的速度V=s/t=18m/60s=0.3m/s。過程中機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。

智能掃地機器人的系統結構包括移動行走機構、清掃機構、控制系統、傳感器探測系統、電源等。智能掃地機器人能夠完成全面的清掃工作，同時在傳感器系統的配置下還具有主動避開障礙的功能，在完成任務之后能夠回到起始的位置上。

二、智能掃地機器人機械結構設計

智能掃地機器人的主要機械結構是移動行走機構和清掃機構。在考慮智能掃地機器人行走時候需要承載的壓力，在操作的時候需要盡可能減少機器人的整體質量。為此，智能掃地機器人的外殼化學材料選擇要盡可能選擇輕便的材料，同時材料的機械強度要達到一定的要求。結合所學物理化學知識，選擇的材料可以是有機玻璃，也可以是合成材料。有機玻璃的密度是1.18kg/dm3.有機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勢。合成材料ABS材料密度是1.02x103kg/m3，是一種強度高、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。常見的樂高積木就是ABS制品。合成材料ABS這種化學材料經過加工之后具有良好的穩定性，且加工之后的材料表面光澤度很好。未來智能家居中的掃地機器人外形是扁平圓柱外形。這樣的外形設計能夠保證掃地機器人在操作的時候實現全面清掃，比如床底、茶幾底部、較高沙發的下面等，節省了人為二次清掃的時間。

在未來掃地機器人的邊緣外形設計還需要額外添加帶有彈性的橡膠，橡膠的應用能夠在掃地機器人在發生碰撞的時候起到重要的保護作用。底部的清掃機構和行走機構要對稱分布在兩邊，在最前方的方向輪上，機器人工作行走過程中起到的是支撐前進的作用。貼地的清掃刷在兩邊旋轉清掃行走路徑中出現的各種垃圾。清掃刷的后方式集沉盒，集沉盒能夠收集之前清掃刷旋轉清掃來的垃圾。掃地機器人底部主要結構主視示意圖具體如圖二所示。掃地機器人在機械傳動中常用的傳動方式是齒輪轉動、帶轉動、渦輪蝸桿轉動。

三、智能掃地機器人控制系統設計

為了保證家用智能掃地機器人在實際工作中遇到障礙物能夠實現零轉彎、半徑轉彎等操作。家用智能掃地機器人的兩個主要輪采用了坦克式的轉向方式，也就是差速轉向。在這個過程中，主要是應用電編碼器來完成對轉向角的控制。智能家用掃地機器人在使用的時候會根據使用需求及時變化掃地機器人的位置。家具數量增減也會對智能掃地機器人位置產生影響。智能家用掃地機器人的傳感器控制和檢測應用的都是單片機。紅外傳感器能夠感應機器人應用時候周圍的障礙物，超聲波傳感器能夠探測掃地機器人和周圍的實際距離，從而保證家用掃地機器人的安全應用操作。智能掃地機器人控制系統各個構件之間是相互配合完成工作的，各個部件之間存在密切的關聯。比如科沃斯機器人推出的最新規劃類掃地機器人地寶9系DR95智能掃地機器人。DR95智能掃地機器人在清掃之前繪制完整家庭“地圖”。具體是應用全局規劃技術，搭載LDS雷達測距系統和SLAM算法，在清掃前首先會對所清掃的區域進行巡航掃描，使用LDS進行激光雷達探測繪制出一張“地圖”，會對全屋的環境進行自行探測

DR95智能掃地機器人控制系統流程操作具體如圖三所示。

結束語

綜上所述，隨著科技的快速發展，市場上的智能產品層出不窮，特別在智能家居這方面，更是數不勝數。本人結合所學的物理、化學知識通過應用簡單的智能掃地機器人機械結構設計、超聲波傳感器和紅外傳感器避障功能，能夠加強對所學電機理論的感知，充分將所學的知識應用到實際生活中，在真正意義上做到學以致用。

參考文獻：

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