家用清潔機器人結構設計

劉慧梅　陳艷

摘要：本文清潔機器人的優勢，提出適用于中低端工薪人群使用的家用清潔機器人的設計。首先首先對家用清潔機器人進行總體設計，包括路徑算法路徑規劃、避障系統等。然后對清潔機器人的行走機構、清掃機構、吸塵機構進行結構設計。

關鍵詞：清潔機器人；結構設計；清潔方式

1 引言

目前社會發展的速度日益增加，人們的生活節奏也隨之加快。清潔機器人結合移動機器人技術、傳感器技術等多個領域的關鍵技術，實現對家庭室內環境的全自動或是半自動打掃清潔，代替了傳統的人工清掃，在目前的社會發展中具有很高的發展前景。清潔機器人比起人工的主要優勢在于：省時省力，整個清潔過程不需要人為控制，減輕人為操作負擔；噪音小，在打掃房間的過程中讓人們享受安靜的環境；可以凈化空氣，吸附空氣中的PM2.5，清掃效率極高；輕便小巧，輕松打掃普通吸塵器清理不到的死角。

2 清潔機器人的總體設計

在家庭清潔機器人的領域中，清潔機器人往往由四個部分組成：電源模塊、控制系統、避障系統、驅動電機。整體設計方案如圖2.1所示。

2.1 電源模塊的選擇

本文所設計的清潔機器人是智能自動工作的類型，選用可以循環往復使用的充電電池，利用轉換電路將其轉換為能夠穩定提供給其他系統使用的電壓。在工作時實現了無人操控，可以連續工作數個小時。

2.2 路徑規劃的選擇。路徑規劃，簡而言之就是清潔機器人根據傳感器所搜集到的工作環境的信息，按照某種算法來規劃出無障礙路線的清潔工作路徑。總的來說可以概括為兩種類型：（1）全局規劃路徑，即對周圍的環境完全了解；（2）周圍工作環境完全未知或者是部分已知。目前環境建模的主要方法有可視圖法、自由空間法等[1]。

2.3 避障系統的選擇。為了讓清潔機器人能夠正常工作，且不對家具和機器人自身造成損傷，選擇紅外線傳感器，它是以紅外線作為介質來測量判斷障礙物，消除了外界光線的干擾，提高了靈敏度，在制作方面也比較簡單[2]。

2.4 驅動電機的選擇。該清潔機器人的驅動電機主要有三個板塊，分別是移動電機驅動、毛刷電機驅動和吸塵電機驅動。其中，移動電機驅動主要是控制清潔機器人的行走輪，從而帶動運動。毛刷電機驅動和吸塵電機驅動則是主要負責清潔方面的工作。

3 清潔機器人的工作原理

清潔機器人的工作原理是：CPU是清潔機器人的控制中心，也是機器人的大腦，對其他模塊實現控制。紅外避障傳感器和光電傳感器則是用來搜集周圍工作環境的信息，然后把搜集到的信息上傳給CPU處理。當接收到信息時，CPU就可以控制移動機構和清潔機構使機器人開始清掃工作。

工作流程如下：

（1）通過遙控器或者直接手動按鈕啟動機器人，LED顯示屏顯示工作狀態。（2）傳感器搜集外部信息傳達給CPU，CPU開始規劃機器人的清掃路徑。（3）需要機器人轉向時，CPU就會改變左右驅動輪的轉速來實現轉向。（4）完成清掃工作，遙控器或者手動按鈕停止機器人。

4 清潔機器人的結構設計

本文設計的清潔機器人（如圖2、圖3所示）主要的特點有：結構上要小巧靈活，控制上要盡量簡單，易于操作，能夠完成自動避障。整個機器人由機械結構部分和控制部分兩個大的部分組成。

4.1 清潔機器人的組成

4.1.1 行走機構及其避障系統。該部分主要是保證清潔機器人能夠在平面正常地移動。機器人殼體前端和側面裝有紅外開關和光電傳感器，用來保證機器人在工作的過程中實現自我避障。整個機器人的行走機構包括兩個驅動輪和一個隨動輪。驅動輪上裝有光電編碼器，用來實現路徑規劃，以至精確地實現清掃工作。

4.1.2 清掃機構。該清潔機器人共配備有兩個用電機—渦輪—蝸桿帶動的清掃刷，左右的清潔刷進行順時針和逆時針轉動。這樣的轉動方式可以使清掃過程中的灰塵集中在吸風口，為吸塵工作做好了提前的準備。

4.1.3 吸塵機構。吸塵機構顧名思義就是講灰塵吸入儲存箱中，擁有強大的吸力。在吸塵機構的中，風扇位于垃圾儲存箱的上方，罩上一個吸塵的薄壁腔，在薄壁腔的上方開一個小圓孔。同時在垃圾儲存箱的上方罩上一個吸塵罩，在吸塵罩兩邊開兩個小孔。其工作原理是，風扇轉動帶動儲存箱內空氣的流動，從而將清潔刷吸附進來的灰塵吸附在吸塵罩上，其余的空氣通過小孔排出，達到吸塵的目的。

4.2清潔機器人的主要結構

4.2.1行走機構的設計。清潔機器人的外形設計成為直徑400mm高度100mm的圓形機器人，這樣設計更有利于機器人躲避障礙物，轉向也很方便。考慮到機器人能夠更加便利地轉向以及完全的清掃，把機器人的行走機構設計為兩個驅動輪加上兩個清潔刷為支撐體，一個隨動輪作為轉向的輔助，這樣一來也能夠更有利于清掃，電機也更加容易控制機器人的驅動輪轉速[3]。

4.2.3吸塵和垃圾處理機構的設計。吸塵機構的主要作用是用來凈化空氣吸收灰塵，通過清潔刷將灰塵帶入垃圾儲存器然后凈化空氣，將凈化之后的空氣再排出機體。工作時，由兩個清潔刷的不同方向的清掃旋轉，讓灰塵和小部分垃圾清掃到吸塵口部分，然后通過強大的吸力將垃圾吸入儲存器當中，如果要倒垃圾的話，就直接將垃圾儲存器取出倒垃圾即可。

5 結論

本文致力設計出貼合人們日常生活的清潔機器人，首先對清潔機器人進行總體設計，說明機器人的工作原理，闡述機器人的組成，并對機器人的主要結構進行具體設計。隨著科技的不斷發展，人類對于人工智能這方面的研究一定會越來越深入。在不遠的將來，它們一定會為人類提供更多的便利，融入到人們的日常生活之中。

參考文獻：

[1]朱常琳，馬浩全，郭光輝.一種移動機器人的路徑規劃與路徑跟蹤控制[J].蘭州鐵道學院學報.2003（01）

[2]袁曾任，高明.在動態環境中移動機器人導航和避碰的一種新方法[J].機器人. 2000（02）

[3]李金山等.清潔機器人概述[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學機電學院，2005.15-45