一種基于Arduino單片機系統的智能清潔機器人

□曹 雪 楊思航 張天睿

一、國內外研究現狀

清潔機器人作為智能機械門類下的一種，其對于民眾生活的高附加性與強便利性，讓它一直處于各國機器人研究的前沿位置。早在2002年，美國機器人公司iRobot就推出了真正意義上的第一個清潔機器人，實現了從0到1的跨越，此后的機器人研究也大多參照該類模式進行創新。而在國內，我國的機器人事業起步較晚，直到2006年才由上海交通大學領頭開發出國內第一款擁有自主知識產權的可吸附式爬壁機器人，掀開了我國清潔機器人研究的帷幕。

經過十多年的發展，清潔機器人的研究已經小有規模。目前在國內推廣面較大的為科沃斯地寶(DEEBOT)機器人。科沃斯使用遙控器對機器人進行遠程操作，支持預約定時的智能化功能，可以對房間進行每日的固定清潔。同時在動力方面，它使用渦輪增壓作為機器人的動力核心，通過渦輪增壓電機來產生增吸力，將灰塵從進風口吸入到渦輪增壓塵盒中，極大地減少了清潔過程中的能量損失。同時，當科沃斯機器人工作時，進灰口的滾刷能保持每分鐘4,000轉的高速旋轉，在內部產生一個云狀的渦輪增壓，以此將灰塵集中收納起來。不僅如此，在滾刷的周圍是一圈渦輪保壓幕墻，可以持續地保持滾刷產生的渦輪壓力，從而產生持久穩定的清潔能力，保證了機器人的整體工作性能。

遺憾的是，以科沃斯牌為主的清潔機器人只能支持地面清潔功能，面對墻壁、窗戶等豎直方向上的清潔，市場上的主流機器人類型難以為繼。而那些小眾的、可以清洗窗戶外側的清潔機器人，又因為其價格過高而得不到好的發展，現有的機器人研究需要一個新的方向去進行突破。

在這樣特殊的時代背景下，本文希望去研究出一種新型智能的家用清潔機器人，以此來促進我國機器人行業的發展。本產品以Arduino單片機系統作為控制核心、以交互式小型電機作為動力中心，完成機器人動力控制模塊的構建。在此基礎上，借鑒傳統清潔機器人外形骨架、小型無人機的飛行四旋翼、清潔組件等其余配件，完成整改機器人系統的整體架構，最終設計出既可以滿足地面清潔，又能實現墻壁清潔的智能家用機器人，填充國內機器人領域的空白。

二、設計目標與方案實現

(一)設計目標。本文的設計目的是為了實現智能的地面墻壁清潔一體化，使居家清潔機器人更簡便，更快捷，更智能。因此，該機器人的主要功能有：一是全屋清潔；二是可自主越障；三是智能控制。

(二)實現方案。本文研究的新型智能的家用清潔機器人主要包括機身設計和控制設計，機身由底盤，四旋翼和清潔部分共同組成；控制部分主要由芯片，交互式電機和Arduino單片機系統構成；采用紅外測距傳感器來進行機器避障，利用攝像頭的相機模式，通過識別典型建筑的顯著特征，來完成計算機圖像處理功能和技術的提升，以及視覺系統信號探測范圍目標信息完整等特點，用視覺傳感器來完成對機器人的障礙識別和導航。最后通過演化算法途徑，對機器人的初始條件和終究條件進行研討分析，形成機器人的專家系統和人工智能網絡，這樣的調控不僅保障了機器人的智能靈敏性，還具有較強的故障診斷能力，令智能清潔機器人的功能更加完善，更加智能、便捷化，解放雙手，提升生活質量。

三、機械結構和控制系統設計

(一)機械機構設計。機械結構設計包括底盤設計、電機選取、機身外殼設計、旋翼設計和清潔設計。通過分析，本文選取伺服電機，清潔選取可更換的清潔毛巾和毛刷。下面簡述底盤和旋翼的設計。

該新型智能的家用清潔機器人底盤由主動輪和調節支架組成。調節支架的一端連接清潔物品，另一端連接從動輪。從靈活性上來說，一輪為主，一輪為輔的輪式結構構成的機器人底盤具有較高的優勢，可以在最短時間內做好自動定位、自動識別障礙物避障以及最優路線規劃，在各類障礙物之間穿梭自如。

借助于驅動電機，使得機器人在越障模式和清掃模式之間轉換自如。驅動裝置驅動調節支架，改變主動輪與底盤的相對位置，從而實現機器人機身的整體抬升。在家用清潔機器人上搭載自主研發的雷達及定位導航系統，配備全景攝像頭、聲波探測、防跌落以及紅外線等類型的傳感器，即可保證機器人的安全平穩運行，防止機器人出現碰撞，不穩的現象。

當切換不同模式時，為完美地保證清潔能力和越障能力。當處于清掃模式時，從動輪將收納在底盤中，清掃裝置接地，則使得清掃裝置能夠承受清潔機器人底盤結構的部分重力以壓緊于地面，保證了清掃的效果。

當處于越障模式時，底盤本體由主動輪和從動輪共同支撐高于地面，可以進行自如行走，此時，清掃裝置會收納在底盤中，則使得底盤本體在主動輪和從動輪驅動下，能夠越過電線、臺階等小型障礙，防止干擾越障或造成雜物飛濺，避免進行多次重復清掃及卡死的情況發生，保證底盤本體的順利行走。面對較大障礙物時，由于無法借用輪子的力量越障時，主從動輪將收納在底盤中，借助四旋翼進行飛行越障。

本項目的清潔機器人采用了四旋翼的螺旋槳飛行器，其中四個螺旋槳的連接方式為無鉸式，呈十字型交叉結構，彎曲載荷較大，每個旋翼均安裝在一個電機轉子上，通過控制電機的轉動狀態控制每個旋翼的轉速，來提供不同的升力以實現各種姿態，滿足不同情況下的飛行需求。漿葉在揮舞方向和擺振方向上相對于槳轂是固定的，其運動表現表現為漿葉根部的彎曲變形，而螺旋槳可以根據相對位置情況分為兩組，其中不同組別的旋轉方向不同，可以通過更改螺旋槳的速度來實現機器人上浮、下沉、懸空等多項功能措施，非常適合機器人在靜態或準靜態下進行工作；同時，由于流線型設計翼片均勻且對稱分布，旋翼翼片傾角可調，促使旋翼可在檢測到較大障礙物時，采用飛行越障，提高清潔效率。機器人垂直升降時，四個螺旋槳同時加速旋轉，上升升力增加，下降時，螺旋槳同時降低速度旋轉即可。

本項目機器人的清潔裝置由吸盤、灰盒和清潔毛巾構成。吸盤吸附灰塵和雜物完成后，將垃圾儲存在主機內部的灰盒中，在灰盒前部添加可伸縮式爪盤，爪盤下部以卡扣形式卡住棉布或其他適合地面清潔的工具，對地面、家具觸地間隙、樓梯、凹槽等衛生死角進行擦拭清潔。

(二)控制系統設計。該款清潔智能機器人的控制系統采用Arduino單片機芯片作為控制核心，完成嵌入式控制系統的選用設計。該類芯片包含了國際先進的ARM處理器，可以同時支持處理16位和32位的指令，運用范圍廣泛。同時，它的指令執行速度比較快，底層控制系統接受傳感器采集到的信號后，利用RS232通信串口將采集到的數據傳送到上層控制器，接收到上位機發送的命令后，控制其電機來驅動電路，每個電機均與電機驅動部件、中央控制單元相連接，通過中央控制單元提供的控制信號來調節旋翼轉速大小;IMU慣性測量單元為中央控制單元提供姿態解算的數據，機身上的檢測模塊為機器人提供了解自身位姿情況最直接的數據，完成控制系統的精準控制，為四旋翼式清潔機器人在復雜環境下的自主飛行提供了保障。

該清潔智能機器人依靠插針的方式將陀螺儀傳感器和電路板連接，包括紅外防撞傳感器、陀螺儀和電池電量檢測電路等部分。機器人通過陀螺儀傳感器實現空間定位，將數據信號以坐標方式傳給控制系統；同時借助紅外防撞傳感器探測周圍環境，如果在周圍沒有探測到障礙物，則傳感器的輸出位高電平；如果監測到機器人的周圍存在障礙物，則防撞傳感器中的紅外接收管會接收到障礙物反饋回來的信號，進而輸出為低電平，以此來完成電路設計對控制系統的幫助影響。

(三)設計優勢。該設計結合陸空兩方面，采用輪式和四旋翼相結合的方式，越障能力強，在保證輪轂與地面良好接觸的同時，旋翼轉動以保證良好的平穩性，面對不同障礙物的大小，研究人員將采取不同的越障方式，解決了傳統清潔機器人在地面機動性差、視野觀察存在局限性、傳感器對于復雜路面感應程度低等問題，結合小型無人機等飛行器的優勢，提高了機器人安全通過各種復雜路面的能力，滿足不同條件的地面墻壁清潔問題，且操作更加便捷，靈活性更高。

四、發展前景

伴隨著現代科學技術的發展，服務型清潔機器人逐漸走進人們的視野，憑借著其智能性與便捷性開擴出了一片獨屬于清潔機器人的服務市場。人們在購買清潔機器人時，往往會從性價比最高的角度出發，去考慮清潔能力、適用范圍、智能化程度等方面是否可以滿足自己的需求，通過在市場中不斷地比較來挑選出最符合自己預期的產品。

對于現有的清潔機器人市場來說，清潔能力是極難拉開差距的一個方面，因為現有清潔機器人的清潔能力均取決于清潔組件，例如刷頭每秒的轉數大小等，這些基礎配件各家差距都極其微小，幾乎可以忽略不計。而對于家用清潔機器人來說，工作時面臨的清潔問題并不會非常復雜，現階段的清潔能力已經完全足夠，沒有必要再花費高昂的代價去進行清潔能力的提升。

但在適用范圍上，不同的機器人類型就出現了非常明顯的差異。上文中所提到的科沃斯牌機器人，其主要的適用范圍就是地面清潔，整個機器人的設計構思都是圍繞著這樣的功能目的去進行的，和其類似的還有吸附式機器人。這些機器人都有一個特點，那就是適用范圍非常單一，在地面清潔和墻壁清潔中只能選取其中一類，這樣就為用戶的使用增加了不必要的負擔。倘若可以將兩種功能結合為一種，那就可以迅速填充現有的這塊市場空白，取得不菲的先發優勢。

不僅如此，在清潔機器人的智能化領域，市面上的大部分產品都是采用遙控器遠程控制的方法來間接實現智能化。該類方法存在著一個較大的弊端，那就是當用戶在外突然需要對家庭進行清潔時，沒有一個實時有效的方式去控制自己的清潔機器人，智能化的水平仍需要進一步提高。本產品則是以Arduino系統作為控制框架，在整個家庭中搭建出完善的物聯網控制平臺，讓用戶可以通過手機APP等電子產品遠程控制自己的清潔機器人，極大地提高了機器人的智能化水平。

綜上所述，本產品在清潔能力方面與市場上現有的產品持平，但在適用范圍、智能化水平上均有著較大的優勢，可以很好地觸碰到用戶們在家用清潔領域的使用痛點，具有其他同類產品無可比擬的優勢，推動了清潔機器人的智能化全方位發展，讓我國的清潔機器人領域得到一次新的突破。