多功能室內清潔機器人

呂江浩?陳榮

摘要：隨著經濟社會的發展， 人們的生活愈加豐富多彩，需要更多的時間參與各項社會活動 ;而老齡化結構的加速，又使得人們不得不投入大量時間在冗余的家務活動，看護活動中. 特別是，2019年開始爆發的全球新冠肺炎疫情， 使得醫務人員需要不眠不休地持久作戰， 也引發了包括清潔行業的各行各業的勞動力資源嚴重緊缺. 因此， 加速推進智能化產品的開發研究進程， 具有重大的積極意義;而室內清潔機器人作為智能家居的子類， 能為人類切實分擔具體的清潔工作，將人們從繁瑣的耗時的家務勞動，清潔活動中解放出來， 具備現實意義。

關鍵詞：多功能;清潔機器人

一、緒論

機器人是集電子技術，自動化控制，機械制造等學科為一體的復雜學科，作為二十世紀最偉大的發明之一，在近幾十年發生了突飛猛進的變化， 伴隨人工智能的第三次大浪潮， 機器人技術愈發炙手可熱，并且進入了社會各個重要領域，其中包括醫療領域的手術機器人， 軍事領域的排爆機器人， 安防領域的巡邏機器人， 服務領域的迎賓機器人， 工業領域的巡檢機器人和機械手臂等等.目前對機器人的研究越來越呈現出系統化，專業化，更多的電子學，信息學，生物學的先進技術應用于機器人領域， 機器人進入千家萬戶指日可待。

本文提出了一款多功能室內清潔機器人，除具備核心的清潔功能外，還具有溫度檢測，煙霧檢測，智能噴水等功能，使得清潔機器人在室內一邊開展清掃工作，一邊可以監測室內的環境情況，若遇到高溫或煙霧等異常情況， 自動噴灑水并發出警報. 如此一來， 該清潔機器人在完成室內清潔的同時， 還可以承擔環境監測的任務。

二、清潔機器人的工作原理和特點

清潔機器人機身多以圓盤型為主， 主要以微控制器為控制核心， 具備行走機構， 清掃機構. 采用電機驅動輪子，實現靈活地行走;利用多傳感器感知環境，通過碰撞傳感器等實現清掃過程的障礙物感知， 從而躲避障礙物;通過邊刷，滾刷的旋轉，吸塵口的配合工作， 實現清掃吸塵一體的雙重作用。

其清掃路徑，主要包括”Z”字形路徑，隨機路路徑，”回”字型清掃路徑，自主規劃路徑等.前三種清掃路徑設計簡單， 要么沿著墻邊清掃， 要么隨機清掃， 同時可利用紅外或者超聲波避障傳感器檢測環境中障礙物， 如若遇到障礙物時機器人以一定的規則或隨機換向， 該三種清掃路徑的優勢是設計上易于實現， 成本偏低， 而劣勢是智能化程度偏低， 容易出現重復清掃或某些區域未清掃的情況;而第四種路清潔路徑--自主規劃路， 機器人可先對環境進行地圖構建， 掌握環境情況， 自主計算出一條高覆蓋率的清潔路徑， 該方式的優勢是智能化程度較高， 人工干預小， 劣勢是對控制器， 傳感器， 和算法有較高要求， 因而成本也偏高。

三、底板結構

機械結構是清潔機器人的重要組成部分， 本文設計的清潔機器人的底板結構如下圖， 整體為2個驅動輪配合一個萬向輪的可移動裝置，采用了雙電機驅動左右兩輪的運動驅動方式，并通過左右兩輪的差速實現機器人的轉向;主要的清潔模塊為：吸塵口，旋轉邊刷，滾刷，吸風口;底板主要的傳感器為：紅外感應探頭，主要用于障礙物檢測.其在室內可以反復行走時，配合清掃路線，輔以邊刷，中央主刷旋轉，左邊清掃刷順時針轉動，右邊清掃刷逆時針轉動， 可將灰塵較為集中地卷入到吸塵口， 從而可基本實現室內的清掃工作。

四、功能結構

本文設計的清潔機器人，總體結構圖為：

核心控制單元，主要通過控制直流電機， 驅動控制清潔機器人的清潔結構（包括邊刷，滾刷等）和行走機構（包括驅動輪和萬向輪）;LCD顯示模塊主要展示機器人對環境的檢測數值，包括時實的溫度，煙霧濃度等;狀態指示模塊主要是LED燈和蜂鳴器，用于展示電源接通狀態， 異常狀態等情況;傳感器模塊主要包括紅外傳感器， 超聲波傳感器等，用于清潔機器人在清掃時檢測障礙物。

五、多功能模塊

其多功能模塊，主要是基于單片機和多傳感器實現的proteus繪制的主要原理如下：

核心處理器采用了AT89C51，一款高性能、低電壓8位微處理器;采用的是DS18B20溫度傳感器， 連接到單片機的P3.4引腳， 其是一款常用的體積小數字溫度傳感器，且具備硬件開銷低，精度高的特點， 抗干擾能力也較強; 煙霧傳感器采用的是CQQ0型煙霧報警器，連接到單片機的P1口;LCD顯示采用液晶模塊 LM016L，連接到單片機的P0口.而噴水裝置通過繼電器來控制。

主要功能為，AT89C51上電后，開始循環檢測環境溫度和環境煙霧濃度， 并將溫度和煙霧濃度的結果顯示到液晶屏上，方便用戶查看. 若溫度/煙霧濃度超過一定閾值，則推測環境發生異常，此時啟動噴水裝置對環境進行降溫，同時利用蜂鳴器發出警報。

AT89C51 具備：256字節片內數據存儲器， 4k 字節Flash 閃速存儲器， 兩個16位定時/計數器，32 個I/O 口線，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。

六、工作流程

（1） 按下清潔機器人電源開關， 啟動清掃工作;

（2） 多功能清潔機器人清掃裝置， 行動裝置啟動， 開始在地面上行走， 并且毛刷和吸塵口開始清掃吸收垃圾;

（3） 傳感器模塊開始不斷檢測外界信息， 若需到障礙物， 機器人轉向避開障礙物;

（4） 溫度傳感器和煙霧傳感器的信息， 實時顯示到液晶屏上;

（5） 若溫度傳感器或煙霧傳感器信息超過一定閾值，則啟動噴水裝置和蜂鳴器報警;

（6） 完成清潔工作后， 關閉電源開關;

七、結語

本文提出的多功能室內清潔機器人， 便攜輕巧， 使用方便， 不僅具備掃吸一體的清潔功能， 而且在清掃過程中可以實時監測室內環境情況（包括溫度，煙霧濃度等）， 若發現異常情況， 則主動啟動噴水裝置或發出警報蜂鳴， 可守護室內每個角落的清潔和安全。

參考文獻：

[1]“智能家居”項目化學習的理論與實踐[J]. 姜琦琦，胡爽.? 遼寧教育. 2019（24）

[2]基于STM32的掃地機器人控制系統設計[D]. 汪騰.南昌大學 2019

[3]移動機器人的定位與地圖構建研究[D]. 高超.內蒙古科技大學 2014

[4]掃地機器人的發展現狀及展望[J]. 趙航，劉玉梅，卜春光，李艷杰，劉博.? 信息與電腦（理論版）. 2016（12）

[5]以抗疫為契機，加快廣州醫療機器人產業發展[J]. 蔣麗.? 機器人產業. 2020（05）.

作者簡介：

呂江浩（1994-），男，漢族，山西省晉中市介休市，大學本科，深圳市香蕉智能科技有限公司，助理工程師，嵌入式智能化研究。