掃地機(jī)器人直線除塵自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)分析①

袁致煥 鄔學(xué)謙 熊開勝

(1.蘇州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院 江蘇蘇州 215000；2.蘇州萬特銳儀器有限公司 江蘇蘇州 215000)

1 掃地機(jī)器人性能測(cè)試技術(shù)分類

掃地機(jī)器人性能測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34454-2017《家用干式清潔機(jī)器人 性能測(cè)試方法》等同采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62929：2014 Cleaning robots for household use-Dry cleaning: Methods of measuring performance，其中對(duì)于掃地機(jī)器人除塵能力的測(cè)試方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述，主要包括矩形框除塵和直線除塵這兩種方法。矩形框除塵測(cè)試用于提供機(jī)器人以自主運(yùn)行方式在無障礙的空曠區(qū)域工作和移動(dòng)時(shí)的除塵能力的指示性數(shù)據(jù)，可用于不同產(chǎn)品之間進(jìn)行比較。直線除塵測(cè)試用于評(píng)價(jià)機(jī)器人在排除自主移動(dòng)的影響時(shí)的除塵能力，測(cè)試結(jié)果可以在機(jī)器人之間直接對(duì)比。矩形框除塵是比較傳統(tǒng)的測(cè)試方法，在掃地機(jī)器人的舊標(biāo)準(zhǔn)QB/T 4833-2015《家用和類似用途清潔機(jī)器人》中使用的就是該方法，該方法規(guī)定：如果機(jī)器人在15min內(nèi)停止自主清潔工作，則測(cè)試結(jié)束，記錄工作時(shí)間；如果機(jī)器人在15min后仍然工作，應(yīng)停止機(jī)器人移動(dòng)，記錄工作時(shí)間為15min。這樣就帶來一個(gè)問題，除塵量和工作時(shí)間將作為兩個(gè)參數(shù)反映掃地機(jī)器人的除塵能力，從而無法對(duì)兩臺(tái)不同運(yùn)行模式的掃地機(jī)器人進(jìn)行除塵能力上的直觀比較。根據(jù)IEC內(nèi)部會(huì)議討論結(jié)果，這種方法將在下一版的IEC標(biāo)準(zhǔn)中去除，直線除塵將成為唯一反映掃地機(jī)器人除塵能力的測(cè)試方法。

2 掃地機(jī)器人直線除塵自動(dòng)化測(cè)試內(nèi)容及解決方法

2.1 使測(cè)試灰塵按標(biāo)準(zhǔn)要求均勻分布，通過滾輪壓入地毯

標(biāo)準(zhǔn)中要求布灰區(qū)域的寬度根據(jù)掃地機(jī)器人的吸塵口寬度而定，因而撒灰槽應(yīng)該設(shè)計(jì)成可以調(diào)節(jié)寬度，撒灰槽行走距離可以自動(dòng)控制，標(biāo)準(zhǔn)中要求的硬地板測(cè)試灰塵分布為50g/m2，地毯測(cè)試灰塵分布為125g/m2。至于如何將灰塵在硬地板和地毯上均勻分布，擬采用的方法一是灰槽底部安置一根帶有多孔的滾軸，滾軸按照一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)灰就可以均勻分布在地毯上。擬采用的方法二是用細(xì)毛滾刷代替多孔滾軸，在滾軸下面增加一個(gè)類似梳子的結(jié)構(gòu)，便于超細(xì)顆粒分離脫落。當(dāng)灰槽的灰完全漏撒完畢，標(biāo)準(zhǔn)壓軌進(jìn)行10個(gè)來回輥壓。

2.2 輔助掃地機(jī)器人勻速直線運(yùn)動(dòng)并測(cè)速

機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)試驗(yàn)假設(shè)的理想狀態(tài)。事實(shí)上影響機(jī)器人直線行走有很多因素，如清潔運(yùn)行邏輯、電子齒輪失步、萬向輪以及主動(dòng)輪不圓等因素，就算掃地機(jī)器人設(shè)置為直線行走的測(cè)試模式，也很難真的做到直線行走。擬解決兩個(gè)問題，確保機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)且準(zhǔn)確地行駛在布灰區(qū)域以及其運(yùn)動(dòng)速度（速度快慢會(huì)影響除塵效率）測(cè)試。直線行走的解決方法：目前來說大部分掃地機(jī)器人都具備直線行走測(cè)試模式，在機(jī)上按鍵、遙控器或APP的協(xié)助下進(jìn)行測(cè)試，與此同時(shí)增加一個(gè)可調(diào)節(jié)的輔助滑軌及定位裝置，從而使掃地機(jī)器人能沿軌跡進(jìn)行直線行走。速度測(cè)試的解決方法：機(jī)器人一般行走速度為0.1～0.3m/s，需要準(zhǔn)確到0.05mm,才不至于對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。方法一是測(cè)量運(yùn)動(dòng)區(qū)間總時(shí)間，計(jì)算平均速度，方法二是視覺跟蹤軌跡計(jì)算平均速度。前者比后者測(cè)量準(zhǔn)確，但后者可以記錄試驗(yàn)過程中可能碰到的卡滯、局部停止現(xiàn)象。

2.3 測(cè)試過程自動(dòng)化閉環(huán)控制并生成報(bào)告

除塵能力測(cè)試中，撒灰，壓灰，測(cè)速，稱重等過程都至關(guān)重要，標(biāo)準(zhǔn)都有著明確的要求，因而自動(dòng)化閉環(huán)控制可以避免復(fù)雜操作流程的錯(cuò)亂及人為操作帶來的不確定度，撒灰時(shí)控制撒灰區(qū)域的寬度及長(zhǎng)度，壓灰時(shí)需要控制壓灰的速度及力度，測(cè)速時(shí)控制好傳感器的間距，稱重時(shí)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入至軟件中，最后通過編寫好的運(yùn)算方式運(yùn)算出硬地板直線除塵能力，地毯直線除塵能力，運(yùn)行速度等參數(shù)。

3 完善研制掃地機(jī)器人直線除塵自動(dòng)化測(cè)試裝置

3.1 研制使測(cè)試灰塵均勻分布及壓入地毯的裝置

該任務(wù)的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)灰塵的均勻分布及壓入地毯。研究?jī)?nèi)容包括研究如何精準(zhǔn)地確定布灰區(qū)域，包括通過絲桿調(diào)節(jié)撒灰槽內(nèi)的擋板來確定布灰區(qū)域的寬度，通過伺服電機(jī)調(diào)節(jié)撒灰槽行走的區(qū)間來確定布灰區(qū)域的長(zhǎng)度；研究如何控制標(biāo)準(zhǔn)灰在撒灰槽中流出速度；研究如何控制標(biāo)準(zhǔn)壓軌的力度和速度來進(jìn)行壓灰。考核指標(biāo)：硬灰塵能夠均勻分布并壓入地毯內(nèi)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的分布密度；壓灰滾輪能對(duì)地毯施加標(biāo)準(zhǔn)要求的恒定壓力，壓灰滾輪速度達(dá)到0.5±0.02 m/s。

3.2 研制輔助掃地機(jī)器人勻速直線運(yùn)動(dòng)并測(cè)速的裝置

該任務(wù)的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)輔助機(jī)器人的勻速直線運(yùn)動(dòng)并測(cè)速。研究?jī)?nèi)容包括研究如何通過增加可調(diào)節(jié)輔助滑軌及定位裝置的方式，使掃地機(jī)器人能夠直線運(yùn)行；研究如何通過增加跟蹤相機(jī)或者光電傳感器的方式，對(duì)掃地機(jī)器人的平均速度進(jìn)行測(cè)試。考核指標(biāo)：掃地機(jī)器人能夠沿軌跡直線行走，測(cè)速采樣率達(dá)到30Hz以上。

3.3 研制實(shí)時(shí)導(dǎo)入稱重?cái)?shù)據(jù)并計(jì)算結(jié)果的軟件

該任務(wù)的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)掃地機(jī)器人的自動(dòng)稱重，通過軟件計(jì)算出除塵能力的數(shù)值。研究?jī)?nèi)容包括如何將稱重?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)導(dǎo)入軟件，避免人為操作帶來的偏差；研究如何將原始數(shù)據(jù)通過預(yù)設(shè)的公式進(jìn)行運(yùn)算，得出測(cè)試結(jié)果。考核指標(biāo)：將各稱重物放于天平后，能夠?qū)崟r(shí)導(dǎo)入稱重?cái)?shù)據(jù)至測(cè)試軟件，最后能夠自動(dòng)計(jì)算出正確的除塵能力數(shù)值。

4 結(jié)語

（1）研制使測(cè)試灰塵均勻分布及壓入地毯的裝置，在灰槽底部安置一根帶有多孔的滾軸，滾軸按照一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)振動(dòng)撒灰槽，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)灰就可以均勻分布在地毯上。為了讓不同類型的標(biāo)準(zhǔn)灰塵都能很好地通過，亦可采用細(xì)毛滾刷代替多孔滾軸的方式。

（2）加入自動(dòng)升降壓灰輪，并通過伺服電機(jī)控制滾輪在一定的速度和力度下進(jìn)行前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將灰塵完全壓入地毯中。

（3）通過絲桿調(diào)節(jié)撒灰槽內(nèi)的擋板來確定布灰區(qū)域的寬度。通過伺服電機(jī)調(diào)節(jié)撒灰槽行走的區(qū)間來確定布灰區(qū)域的長(zhǎng)度。

（4）采用導(dǎo)軌滑塊搭配定位桿的方式，輔助掃地機(jī)器人在規(guī)定區(qū)域內(nèi)做精準(zhǔn)直線運(yùn)動(dòng)，并通過光電傳感器測(cè)量平均速度。

（5）通過軟件及控制器，實(shí)現(xiàn)撒灰，壓灰，測(cè)速，稱重等過程自動(dòng)化閉環(huán)控制，并自動(dòng)生成報(bào)告。