自動化吸塵機器人功能拓展與設計

王文燦　何慶　朱德生

摘 要：在現有產品的基礎上，進行創新設計，研制了一種在微處理器控制下的清潔機器人。該系統性價比高，功能新穎，包括對紙質垃圾卡死現象的處理、增設甲醛檢測模塊以及垃圾自動清理的功能等，可實現多功能自主吸塵機器人自動行走及對家居環境的清潔功能。

關鍵詞：清潔機器人；自動化；微控制

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2016）04-0040-03

全自動吸塵器將移動機器人技術和吸塵器技術有機地結合起來，從而實現機器半自動或全自動的對室內地面的打掃清潔任務，替代傳統人工繁重的清潔工作，近年來，已受到國內外的研究重視。作為一個特殊移動式智能機器人的應用，從技術層面上講，智能化自主式吸塵器體現了移動式機器人的多項關鍵技術，具有較強的代表性。從市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低作業人員的勞動強度、提高工作效率，適用于家庭和公共場館的室內清潔。因此，開發自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰性，其市場前景也是十分廣闊的。

1 吸塵機器人工作原理

自動化吸塵機器人利用的工作原理是超聲波測距，吸塵器在向前進方向發射超聲波脈沖同時，接收觸碰到物體后的返回聲波脈沖，從而讓吸塵機器人對前方物體等進行判斷；通過實現對超聲發射和接收的選用控制，在以單片機為核心的控制器下，處理返回脈沖信號的基礎上加以判斷，從而選定相應的控制方案，通過驅動器帶動步進電機，實現行走轉向等功能；在減少人對吸塵器行走的影響上，通過機器的紅外線熱釋電傳感器對人的活動進行檢測，分析。在以上功能同時工作，吸塵器行走的同時，在由其內部自身攜帶的小型吸塵部件，從而實現對所經過的地面進行吸塵清潔。當吸塵器電力不足時，它會自動尋找充電插頭上發射的紅外線信號，找到充電部件后，其尾部的變壓器裝置靠近插頭實現充電，當電池充滿后該裝置會自動返回原作業區域。

2 機械系統創新

2.1 存在的問題

（1）“卡死”現象。在一般家用的吸塵器的功能中存在不足之處是：吸塵器可吸范圍很大；只能吸入一些灰塵和小的紙屑，如遇到遺留在地上餐巾紙時，會出現紙屑卡在入口處使機器無法正常工作，或易形成卡死，必須人工手動才能清除其故障，如圖1所示。

（2）無甲醛檢測裝置。對于家裝使用材料中散發出的有害元素，如甲醛會給人們的生活帶來了極大的威害，同時不同濃度的甲醛對人體的危害是不同的，甲醛為毒性物質，在我國有毒化學品優先控制名單上高居第二位，而一般的清掃吸塵器裝置對此沒有檢測功能。

（3）自動化程度不高。對于清掃后吸塵器機內裝入的垃圾無法自動排出，需要人工清除，如遇到家中無人的時候，吸塵器內的垃圾過滿，未能及時清除，將導致散熱不順溫度升高，可能會導致火災的發生。

2.2 解決方案

（1）增加一組內置滾動刀頭。對一般的吸塵器，傳統的滾刷無法吸取面積較大的垃圾，一味地增大電機的功率來提高吸塵機器人的吸力只會讓紙張卡在垃圾入口更難整理，造成吸塵口完全卡死，使吸塵機器人完全喪失其工作的能力。對此，在滾刷后面設置一組小刀片，如圖2所示，在滾刷吸入到大的紙張時候，觸發到滾刀的開關按鈕，滾刀開始工作，紙質垃圾進入到滾刀組時，紙張被切成碎片，落入到入口處，進入垃圾槽內。

（2）增加甲醛模組。 該甲醛模組是將成熟的電化學檢測技術與精良的電路設計進行組合，設計制造出通用型氣體模組。它利用電化學原理對空氣中存在的甲醛進行探測，具有良好的選擇性，穩定性。在該裝置設計中新增內置溫度傳感器，可進行溫度補償；同時，具有數字輸出與模擬電壓輸出，方便使用。

（3）增加垃圾清理裝置。增加一個對內部垃圾飽和度進行檢測的傳感系統，配合與吸塵機器人相搭配的垃圾箱式的無線充電系統，當檢測機內垃圾容量達到設定值時，機器人將自動返回垃圾箱處，與垃圾箱相結合，垃圾箱內的機械手將自動為吸塵機器人更換空的垃圾收集袋，與此同時，也可為機器人進行充電。

3 經濟性分析

多功能自主吸塵器作為一種家用電器，要想得到家庭用戶的認可和購買，必須具有良好的性價比。

多功能自主吸塵器的殼體主要材料是工程塑料，它具有高強度、輕質量等特點，多功能吸塵器的殼體用注塑成型，可以進行大規模生產，所以其殼體部分經濟適用。

多功能自主吸塵器的動力部分主要由電機構成，以步進電機作為動力源，可以使吸塵機器人實現更為精確的小范圍位移，當然它的價格也會比一般的直流電機略高一些，但考慮到其優越的綜合性能，步進電機是作為動力源最合適的，而多功能吸塵器的風機電動機則又采用的是鐵氧體永磁直流電動機，它的轉速很高，所以此電機廣泛的應用在小型吸塵器中，并且其價格便宜，僅僅為幾十元左右，購進方便。

電路控制部分是吸塵器的關鍵，由工作穩定的單片機、高精度的電子羅盤、以及多種傳感器構成，以高性能低成本為特性的單片機，被廣泛應用于家電控制領域中；吸塵器的“導向儀”——電子羅盤，是一種利用電磁感應原理設計的一種高精度低價位的導向工具，體積小巧，具有在電路板上安裝簡便等優點，也廣泛應用在機器人等領域；傳感器就如同是吸塵器的眼睛和鼻子，它們多是常用元器件的組合體，這幾個方面綜合在一起，可以大大降低多功能自主吸塵機器人的制造成本。

4 結語

綜上所述，多功能自主吸塵機器人由于其優越的功能，良好的性價比，可以大規模生產制造，將有廣闊的市場前景和良好的經濟效益。

參考文獻：

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責任編輯 祁秀春