掃地機器人的發展現狀和趨勢研究

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。對現有掃地機器人機械結構、單片機控制技術以及傳感器技術的分析，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。本文通過總結掃地機器人的結構特點以及國內外的發展現狀，提出對掃地機器人的智能化發展的展望。

關鍵詞：掃地機器人 智能化 單片機 傳感器

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

隨著現代科學技術的發展，服務類機器人逐漸出現在市場，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、自動規劃路線等更多智能化操作[2]。因此設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構以及使用合理的控制技術，對掃地機器人的優化改進具有巨大的提高。本文通過對掃地機器人的結構特點以及單片機的控制技術分析，總結現有市場上流行的掃地機器人和國內外對掃地機器人的研究現狀及發展趨勢[3]。

1 掃地機器人的國內外研究現狀

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的智能掃地機器人，外形采用圓餅形設計，塑料外殼。在單片機的控制下，底部的車輪能夠進行轉動，從而控制掃地機器人的主要運動。采用了仿生技術，按照蝙蝠的超聲波技術，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品，主要技術集中在真空吸塵以及碰撞式運動[4]。2004年重慶大學智能科學技術研究所與寧波波郎電器有限公司合作開發的室內清潔機器人，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品，功能也隨之越來越豐富。國產智能掃地機器人方面，有蘇州怡凱電器的科沃斯、益節等公司生產的機器人功能豐富，包括非接觸式、超聲波式、紅外線技術、無線遙控等技術。國產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。小米公司生產的米家掃地機器人具有地圖生成、路徑規劃、自動回充、斷點續掃等先進技術。

目前掃地機器人有幾大關鍵技術支撐，掃地機器人完成掃地任務分為幾個步驟，即定位、構圖、規劃、清掃[5]。現在的掃地機器人不僅能夠適應復雜的家庭環境，在清潔效果上也是有巨大的提高。首先是傳感器技術，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；室內定位功能，主流的定位系統則是RPS激光定位系統，能夠實時定位變化坐標；路徑規劃技術，掃地機器人根據環境的變化信息，按照自身優化算法，進行合理的路徑規劃引導；吸塵技術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 掃地機器人的結構特點

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、吸塵器、電動與動力傳動機構、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構分類，分為有滾刷三段式清掃機構、無滾刷雙重清掃機構。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，將接近開關與傳感器相連接，構成掃地機器人的距離測繪系統；清掃機安裝有兩臺直流電機；底部安裝有吸塵器機構。工作過程一般是由位于右側的邊刷進行清掃附近的臟物，膠質滾刷則負責卷起體積較大的垃圾吸進垃圾盒，毛質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自動完成室內空曠以及角落灰塵的清掃工作。現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探頭，遇到障礙之后能夠自動改變方向。內部具有殺菌燈管，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階段，噪音、吸塵、轉動等問題還需優化改進、

3 掃地機器人的機械結構設計

掃地機器人的主要機械結構有清掃機構、行走機構、吸塵機構。由于機器人運動部件多。運動狀態經常改變，必然產生沖擊和振動。因此，增加機器人運動的平穩性，提高機器人動力學具有重要的意義。行走驅動部分有驅動電機控制，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口處，為吸塵機構做準備。吸塵機構采用尖端真空吸氣形成氣流旋渦從而吸收塵土。擦地機構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；智能導航系統，實質是路徑自動規劃，其中包括隨機式全區域覆蓋和規劃式全區域覆蓋，設計過程則是由單片機控制下進行路線的規劃；智能安全監控系統，則是在掃地機器人內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

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速，用pwm技術來動態控制電動機的轉動方向以及轉速。利用單片機編程技術實現清掃機行進、執行清掃任務、繞障、精確的停止控制以及檢測數據的存儲、顯示。傳感器系統是掃地機器人的感覺系統，負責采集環境障礙和自身狀態的信息[7]。將這些傳感器合理的布置在掃地機器人周邊位置，通過相應的信號處理電路與微處理器系統實現數據的通訊，控制系統根據獲得的傳感器系統信息做出動作，實現智能化自主操作。驅動系統使用直流電動機，通過脈寬調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]。復位電路使用看門狗電路，有些單片機系統還要求在掉電瞬間能夠將重要數據保存，因此可以使用看門狗電路組成的系統。自動充電系統是利用充電來實現的，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 結語

本文闡述了掃地機器人的結構特點、以及主要功能、對傳感器技術的應用實現了智能化的操作。通過總結掃地機器人的國內外發展現狀以及研究，發現現有的掃地機器人具有更加智能化、自主化的特點，并且隨著科學技術的發展也能夠進一步的智能化發展。分析掃地機器人的機械設計、單片機控制技術、傳感器技術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

[1] 梁文莉.競爭激烈的掃地機器人市場[J].機器人技術與應用，2015（2）：21-23.

[2] 柴劍.智能掃地機器人技術的研究與實現[D].西安電子科技大學，2014.

[3] 洪云波.多功能清潔機器人研究[D].蘇州大學，2015.

[4] 趙航，劉玉梅，卜春光，等.掃地機器人的發展現狀及展望[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的設計與實現[D].東北師范大學，2016.

[6] 程麗霞.智能掃地機器人系統設計[J].機械工業標準化與質量，2016（9）：27-29.

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

[8] 方海婷.嵌入式清潔機器人系統設計與實現[D].南京理工大學，2009.endprint