小型家用掃地機器人硬件研究

李澤佳

摘 要 隨著科學技術的不斷進步和社會經濟的不斷發展，人們的生活水平有了很大提高，各種智能家居設備逐漸走進人們的日常生活之中，其中作為服務機器人的掃地機器人在近幾年被越來越多的消費者青睞。掃地機器人是一種移動機器人，通過在室內導航完成自主清掃任務，不僅減輕了人們的家務勞動壓力，而且相比于人工清潔其清掃效率和清潔度都大大提升，是科技改變生活最好的案例之一。掃地機器人涉及機械、電氣、控制、計算機、感知等多種技術，而復雜的硬件是其完成任務的基礎。文章從就一種典型的掃地機器人進行了各種硬件設備研究，對后續開發功能更加強大的產品有一定借鑒意義。

關鍵詞 掃地機器人；硬件；傳感器

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）211-0110-03

早在20世紀八九十年代開始，一些歐美工程師就開始研究各種各樣的服務型機器人，試圖解放人們的雙手，創造舒適和便捷的家居生活環境。國際機器人協會對服務型機器人的概念進行了嚴格規范：除了生產活動外，有益于人類生活、服務于人類的自主或自主工作機器人，服務型性機器人種類眾多，其中又以掃地機器人最為典型。掃地機器人是一個復雜的技術對象，包含機械、電氣、控制、計算機、感知等眾多科學門類，隨著消費者對掃地機器人的熱情持續增長，此學科也成為了國內外機器人學者關注的熱點。

掃地機器人按照完成的任務內容可以分清掃和充電兩個工作部分，所以根據硬件設計思路，其應該具有附帶清潔設備的移動機器人本體和充電裝置兩個硬件部分。機器人在進行室內清掃任務之前，需要通過傳感器判斷室內環境的大致狀況自動規劃路徑，在清掃過程中需要實時監測障礙物和清掃范圍，當電量低于設定值時需要自行返回充電裝置附近，并自動接收充電，而充電設備與家庭220V電源相連，為掃地機器人提供能源。根據以上分析，掃地機器人需要的主要硬件設備有電源、充電設備、電機、機械結構、傳感設備等。

1 掃地機器人硬件結構

1.1 電源

任何機器人的任何作業都需要源源不斷的供給能源，而電源系統就是為掃地機器人工作的能量來源，是其它一切組成硬件正常工作的基本保障。掃地機器人的移動工作模式決定了其電源系統基本都采用可充電電池供電，電池的容量大小和清掃時間和功率成正相關，而掃地機器人的頻繁工作模式也對電池的充放電次數和使用壽命有很高的要求。選擇合適的電池需要綜合考慮重量、體積、容量、充放電電流大小、使用環境等因素，以下列舉幾種應用廣泛的電池，如表1所示。

在移動機器人的電池選型中，既要考慮機器人實際的工作模式和特點，又要兼顧成本和壽命等客觀條件，鎳氫電池成本低，電池輔助電路簡單，對于環境的污染較低，但是缺點是容易產生記憶效應；同樣的問題在鋰電池中也存在；鉛酸電池體積太大，對于機身小巧的掃地機器人來說浪費了太大的體積空間，顯然不合時宜。鋰離子電池相比于其他種類的電池來說具有特定的優勢。第一是能量密度高，鉛酸電池這種高比能量電池只有100Wh/kg左右，但一般的鋰離子電池則可以達到600Wh/kg。第二是其額定電壓高，單節鋰離子電池可以達到3.8V左右的電壓，遠遠超過鎳氫電池的2V，通過搭建鋰離子電池組，完全可以滿足掃地機器人多設備同時運行情況下的電源供應。第三是溫度適應能力很強，在-20℃到60℃之間均可正常工作，而普通家庭室內溫度在0℃到40℃之間，完全符合要求；第四是鋰離子電池不含重金屬和有害物質，在使用、報廢和回收過程中都不會帶來過大的危害。但是鋰離子電池存在自身的問題，例如化學性質活潑、容易爆炸等，使用時需要格外注意。鋰離子電池在移動電子設備中應用廣泛，例如手機、筆記本電腦、平板電腦等。所以，綜合鋰離子電池的優點，掃地機器人應該選擇此類電池作為電源。考慮到掃地機器人的實際工作內容和時長，使用6節1.2V 3 000mAh的鋰離子電池。

1.2 充電設備

充電設備在掃地機器人的系統中也稱作充電基地，和電動汽車充電樁類似，因為充電設備位置固定，掃地機器人需要循環往復來回充電而得名。和家庭中的大多數家用電器類似，掃地機器人充電基地也采用的是220V AC的電壓電流標準，充電設備從普通墻插中獲取電能即可，簡單方便。掃地機器人電池充電所需的電流為低壓直流電，所以在中間必須經過降壓、整流、濾波等過程。充電設備的轉化過程如圖1所示。

充電設備如果不經過合理的電壓轉換而直接對電池進行充電，很有可能對電池造成不可逆的損害，甚至導致燃燒和爆炸等危險的發生。此過程也可由符合規范的電源適配器代替。在充電形式上，目前分為有線充電和無線充電兩種主要形式。有線充電類似于普通電子設備充電，當掃地機器人達到充電警戒線時，會自動發出預警，使用者發現后及時通過線纜將其連接到充電設備上即可。有線充電的好處是設備相對簡單，成本低，對電池的壽命影響小，缺點是操作復雜。無線充電是近幾年才開始流行的充電模式，掃地機器人可以自行返回固定的充電基地，充電基地檢測到機器人后便可通過感應的方式對其進行充電，充電完成后機器人自行離開充電基地繼續工作。與有線充電相比，無線充電更加便捷和智能化，但是其也存在充電效率低、電池壽命衰減快的特點。綜上所述，為了搭建更為智能和便捷化的掃地機器人系統，充分實現其自主運行的特點，最佳選擇是無線充電模式。

1.3 驅動電機

掃地機器人之所以能在室內自由行走，機械能是來自電機對電能的轉化，電機是控制系統的直接輸出設備，輸出軸直接與機器人的運動傳動設備連接，電機旋轉產生的機械能帶動機器人執行機構運動，通過調節轉速，機器人還可完成一系列人為操作的運動。在電機的選擇方面，交流電機結構簡單、價格便宜，但其控制精度低，很難做到掃地機器人的高精度低轉速工況，且有在一定情況下會產生自轉向的弊端；普通直流電機可以克服自傳的缺點，穩定度有很好的保障，但是存在電刷摩擦的問題，不適合長壽命的掃地機器人使用；步進電機可以完成精確移動，但是其轉矩小、負載低，所以大多數用在儀表上；無刷直流電機體積和質量小，擁有良好的調速范圍、線性度、壽命和維修更換成本，并且運行過程中噪聲小，不存在電刷的弊端，添加永磁體后，其性能得到進一步提升。結合掃地機器人對于電機體積和家庭中安靜環境等要求，電機的最佳選擇為無刷直流永磁同步電機。

1.4 執行機構

上文中指出，電機的輸出軸直接帶動執行機構完成動作，執行機構是掃地機器人與外部產生力的作用的裝置，是決定整個系統的精度、靈活度和穩定性的關鍵部分。對于掃地機器人來說，可以選擇的執行機構有腿足式、履帶式和輪式三種。腿足式機器人模仿蜘蛛的行走方式，現在還處于試驗階段，且行走速度很慢，不適合于家庭使用；履帶式機器人較為成熟，但是大多應用于泥地、沙地等坑洼不平的地面，行駛速度也較慢。考慮到室內工作的平整路面環境，簡單的輪式驅動裝置最為合適，這種執行機構采用若干輪盤組成，控制方式簡單，且能量利用率高，轉彎半徑小，反應速度快。車輪的數量和種類也會影響機器人的行駛模式，結合活動范圍和行駛速度的要求，4輪模式最適合室內清潔工作，同時也利于后期軌跡規劃的便捷實現。

1.5 傳感器

掃地機器人在室內工作時離不開各種各樣的傳感器，傳感器相當于機器人的各種感知器官，類似于人類的五官。掃地機器人在工作中需要判斷自身位置，測量距離、速度、加速、位姿等，檢測自身周圍的障礙物，有時還需獲取環境溫度、濕度等信息，以下傳感器是掃地機器人所必須的。

1）加速度計和陀螺儀。加速度計和陀螺儀是機器人測量位移和角度的裝置，加速度計測量機器人的加速度，陀螺儀測量角加速度，通過二次積分得到機器人的位移和角位移，結合航跡推算法便可對機器人做到精準定位。

2）超聲波傳感器。超聲波傳感器是一類應用廣泛的傳感器，主要用于檢測障礙物和測距等。位于前端的超聲發射頭可以發送和接收超聲波，其測距原理很簡單，利用公式：

3）紅外接近傳感器。從字面意思理解，此類傳感器接近障礙物時產生特定的信號，發射的紅外信號遇到障礙物被反彈回來后，如果此時達到時間和光照強度達到了提前設定的要求，則判斷前方遇到障礙物，這一信息被發送到控制機構，以便機器人及時避障。

除了上述傳感器之外，還有激光測距儀、雷達測距儀、里程計、視覺傳感器、溫度/濕度傳感器等重要傳感器。

2 結論

隨著居民可支配收入的持續提高，家用掃地機器人已經成為了大多數家庭已經購買或考慮購買的重要智能家用電器，眾多家電企業也著重于開發自主的掃地機器人，試圖共同分享這一巨大的市場。掃地機器人的硬件選擇和設計極為關鍵，直接影響到機器人的工作模式和效果，合理的設計硬件結構可以提高機器人的清掃性能，探索更為輕量化、高效、節能、高壽命的硬件系統是未來的發展方向。

參考文獻

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