窄縫衛(wèi)生檢測及清掃機(jī)器人研究與設(shè)計(jì)

楊靈敏

（柳州工學(xué)院，廣西 柳州 545516）

0 引言

智能掃地機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域比較熱門且應(yīng)用較為廣泛的一個研究方向。掃地機(jī)器人體現(xiàn)了移動機(jī)器人的許多關(guān)鍵技術(shù)，比如環(huán)境感知和路徑規(guī)劃、自動尋找充電座進(jìn)行充電等，智能掃地掃機(jī)器人大大降低了人們掃地的勞動強(qiáng)度、提高勞動效率，新的機(jī)器人更是適用于大眾家庭、圖書館、酒店、寫字樓等多種環(huán)境[1-3]。隨著生活節(jié)奏的加快，掃地機(jī)器人有著廣闊的市場前景。但隨著新冠疫情的影響，大家更加關(guān)注家里的衛(wèi)生情況。而掃地機(jī)器人通常并不具備衛(wèi)生情況的檢測功能，由于尺寸限制也無法進(jìn)入床底、柜底等小窄縫位置。而這些位置的衛(wèi)生情況通常非常糟糕，因此，需要能夠進(jìn)入窄縫的衛(wèi)生檢測和清掃機(jī)器人來完成這些特殊任務(wù)。

一般的掃地機(jī)器人主要功能是掃地，但一些功能較完善的智能掃地機(jī)器人還能進(jìn)行清掃、吸塵、擦地、濕拖等工作[4-5]。掃地機(jī)器人通常包控制系統(tǒng)、傳感器、驅(qū)動電機(jī)與動力傳動機(jī)構(gòu)、電源模塊、吸塵部件等[6-7]。掃地機(jī)器人驅(qū)動部分一般由兩臺直流電機(jī)驅(qū)動配以萬向輪，傳感器通常會有接近開關(guān)、紅外及超聲波距離傳感器，甚至有一些機(jī)器人加上了V-SLAM 視覺導(dǎo)航系統(tǒng)[8]。清掃系統(tǒng)在掃地機(jī)器人底部安裝有吸塵和清掃機(jī)構(gòu)。但由于要滿足日常衛(wèi)生清掃工作，要清掃的任務(wù)較大，其結(jié)構(gòu)尺寸較大。

本設(shè)計(jì)的窄縫衛(wèi)生檢測和清掃機(jī)器人參考掃地機(jī)器人的部分主要功能，并經(jīng)行扁平化設(shè)計(jì)，壓縮機(jī)器人的厚度，增加衛(wèi)生檢測功能模塊，對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了Y 形垃圾推移裝置。扁平化的機(jī)器人厚度不超過10 mm，能順利進(jìn)行一些窄縫進(jìn)行衛(wèi)生檢測工作。通過衛(wèi)生檢測裝置的攝像頭能拍攝窄縫內(nèi)的環(huán)境圖像，且左右攝像頭同時工作，經(jīng)過控制系統(tǒng)處理形成基于機(jī)器雙目視覺影像。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入較深的窄縫內(nèi)部進(jìn)行衛(wèi)生監(jiān)測時，照明燈可以提供照明；紅外探測傳感器可以對窄縫內(nèi)是否存小蟲子、蟑螂、老鼠、螞蟻等生命體進(jìn)行探測。在驅(qū)動裝置的帶動下獨(dú)立進(jìn)入窄縫內(nèi)對衛(wèi)生情況進(jìn)行很好檢測并可通過手機(jī)發(fā)送相關(guān)的衛(wèi)生情況報(bào)告[9-10]，以便讓用戶了解室內(nèi)甚至窄縫內(nèi)的衛(wèi)生情況。

1 機(jī)器人主要機(jī)功能構(gòu)設(shè)計(jì)

窄縫衛(wèi)生檢測及清掃機(jī)器人主要包括機(jī)器人本體、驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)、衛(wèi)生檢測裝置、灰塵細(xì)屑清掃裝置等。機(jī)器人本體為高度小于10 mm 的扁平狀。該機(jī)器人有1 套基于雙目攝像機(jī)成像技術(shù)的機(jī)器視覺檢測裝置，分別安裝在檢測支架的左右兩側(cè)的安裝平臺內(nèi)，且衛(wèi)生檢測裝置距離安裝平臺的邊緣有一定距離，機(jī)器人前端還設(shè)計(jì)有垃圾推移裝置，該垃圾推移裝置包括Y 型推移骨架、垃圾推鏟，推移骨架安裝的檢測支架的內(nèi)側(cè)成Y 型張開形狀，垃圾推鏟位于檢測支架及Y 型推移骨架前端底部且刀口向前。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到推力過大時，說明此時的垃圾質(zhì)量過重或推到固定樁或釘子，則放棄推移任務(wù)，有效保護(hù)了機(jī)器人，其性能比較可靠。這樣的設(shè)計(jì)可以對較大的垃圾進(jìn)行推移處理而不是收集進(jìn)機(jī)器人內(nèi)部較小的收集盒，完成了大小類垃圾的分類處理。窄縫衛(wèi)生檢測及清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2 所示。

圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖（去掉部分上蓋）

圖2 機(jī)器人底部試圖（去掉部分底蓋）

機(jī)器人的衛(wèi)生檢測裝置包括攝像頭、照明燈、紅外探測傳感器，攝像頭與控制系統(tǒng)的輸入輸出端連接，紅外探測傳感器與控制系統(tǒng)的輸入端連接，照明燈與控制系統(tǒng)的輸出端連接。衛(wèi)生檢測裝置的攝像頭能拍攝窄縫內(nèi)的環(huán)境圖像，且左右攝像頭同時工作，經(jīng)過控制系統(tǒng)處理形成基于機(jī)器雙目視覺影像。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入較深的窄縫內(nèi)部進(jìn)行衛(wèi)生監(jiān)測時，照明燈可以提供照明，紅外探測傳感器可以對窄縫內(nèi)是否存小蟲子、蟑螂、老鼠、螞蟻等生命體進(jìn)行探測。因此，機(jī)器人能在驅(qū)動裝置的帶動下獨(dú)立進(jìn)入窄縫內(nèi)對衛(wèi)生情況進(jìn)行很好檢測。即使對于極窄的窄縫，機(jī)器人無法進(jìn)入可以通過拍照方式獲得窄縫內(nèi)的衛(wèi)生情況，因此，可以對幾乎所有窄縫的衛(wèi)生情況都能進(jìn)行檢測。

窄縫衛(wèi)生檢測及清掃機(jī)器人本體設(shè)有上蓋、下部前蓋、下部后蓋、鋰電池散熱孔、側(cè)蓋等。上蓋安裝在機(jī)器人本體的頂部，用于將控制系統(tǒng)芯片和充電鋰電池進(jìn)行有效保護(hù)；下部前蓋安裝在機(jī)器人本體的底部前端，用于對前輪驅(qū)動雙軸電機(jī)進(jìn)行保護(hù)并對灰塵細(xì)屑收集盒進(jìn)行支撐；下部后蓋安裝在機(jī)器人本體的底部后端，用于對后輪驅(qū)動雙軸電機(jī)進(jìn)行保護(hù)；鋰電池散熱孔設(shè)于充電鋰電池正對的側(cè)壁上；充電接口設(shè)置在充電鋰電池附近側(cè)壁上；側(cè)蓋設(shè)置于灰塵細(xì)屑收集盒正對側(cè)壁上，且側(cè)蓋與鋰電池散熱孔、充電接口不在同一側(cè)面，以避免灰塵細(xì)屑對充電鋰電池及充電接口的影響。

機(jī)器人驅(qū)動裝置安裝于機(jī)器人本體的底部，該驅(qū)動裝置包括驅(qū)動前輪、前輪驅(qū)動雙軸電機(jī)、驅(qū)動后輪、后輪驅(qū)動雙軸電機(jī)、充電鋰電池。前輪驅(qū)動雙軸電機(jī)的輸入端與控制系統(tǒng)的輸出端連接，前輪驅(qū)動雙軸電機(jī)輸出端與驅(qū)動前輪連接，后輪驅(qū)動雙軸電機(jī)的輸入端與控制系統(tǒng)的輸出端連接，后輪驅(qū)動雙軸電機(jī)輸出端與驅(qū)動后輪連接；充電鋰電池的輸入端與設(shè)置于機(jī)器人本體上的充電接口連接，充電鋰電池的輸出端分別與前輪驅(qū)動雙軸電機(jī)、后輪驅(qū)動雙軸電機(jī)、控制系統(tǒng)連接。

控制系統(tǒng)包括控制芯片、信號發(fā)射接收天線、超聲波測距傳感器、窄縫高度碰撞傳感器、前進(jìn)碰撞傳感器、后退距離傳感器。窄縫高度碰撞傳感器以力觸發(fā)，用于防止機(jī)器人進(jìn)入卡死的細(xì)縫。前進(jìn)碰撞傳感器以力觸發(fā)，用于當(dāng)碰到障礙物時停止并回退，后退距離傳感器以超聲波方式探測，用于防止機(jī)器人回退碰到障礙物。信號發(fā)射接收天線與控制芯片雙向通信，控制芯片通過該信號發(fā)射接收天線與用戶的手機(jī)端相應(yīng)的APP 連接。機(jī)器人交互系統(tǒng)的顯示屏、微型音響，顯示屏位于機(jī)器人本體前端的背部，主要用于顯示機(jī)器人狀態(tài)信息，微型音響設(shè)置于顯示屏旁邊，主要提示機(jī)器人狀態(tài)信息及報(bào)警信息。窄縫高度碰撞傳感器、前進(jìn)碰撞傳感器、推移力傳感器、后退距離傳感器的輸出端與控制芯片的輸入端連接。

機(jī)器人的拖地裝置包括灰塵細(xì)屑清掃機(jī)構(gòu)和拖地機(jī)構(gòu)，灰塵細(xì)屑清掃機(jī)構(gòu)有兩套，分別對稱安裝在機(jī)器人本體前部的檢測支架下部。尾部拖地機(jī)構(gòu)包括多段均勻分布的拖地滾筒抹布。 在機(jī)器人本體的底部還設(shè)置有灰塵細(xì)屑收集導(dǎo)向通道、灰塵細(xì)屑吸入口、灰塵細(xì)屑入盒通道、灰塵細(xì)屑收集盒，灰塵細(xì)屑收集導(dǎo)向通道與灰塵細(xì)屑清掃機(jī)構(gòu)連接，且灰塵細(xì)屑收集導(dǎo)向通道、灰塵細(xì)屑吸入口、灰塵細(xì)屑入盒通道、灰塵細(xì)屑收集盒依次連通在一起。

2 機(jī)器人部分傳感器及模塊

2.1 超聲波傳感器

在機(jī)器人中，避障功能的實(shí)現(xiàn)利用了超聲波測距的原理，它的傳感器部分由一個發(fā)射探頭和一個接收探頭組成，超聲波以一定頻率（一般為40 kHz）的聲波在同種介質(zhì)中以恒定速率傳播，而在碰到障礙物時，會產(chǎn)生反射，通過這一特性，根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔以及聲波的速度，就可以實(shí)現(xiàn)測量距離。具體的計(jì)算公式如下：

其中：L為障礙物與吸塵器之間的距離；v為聲波在空氣中傳播的速度；t為發(fā)射到接收經(jīng)歷的時間。

為了防止掃地機(jī)器人遇到臺階時跌落，在機(jī)器人底部安裝防跌落傳感器。防跌落傳感器也是利用超聲波進(jìn)行測距。當(dāng)掃地機(jī)器人行進(jìn)至臺階邊緣時，防跌落傳感器利用超聲波測得掃地機(jī)器人與地面之間的距離，當(dāng)超過限定值時，向控制器發(fā)送信號，控制器控制掃地機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向，改變掃地機(jī)器人前進(jìn)方向，從而實(shí)現(xiàn)防止跌落的目的。

2.2 雙目攝像機(jī)及紅外探測傳感器

機(jī)器人利用雙目攝像頭拍攝圖片，采集環(huán)境的地面圖像然后給控制系統(tǒng)做相應(yīng)的圖像處理，通過處理可以獲得地面的細(xì)屑或灰塵等的光潔度信息。雙目立體視覺系統(tǒng)是機(jī)器視覺的關(guān)鍵技術(shù)之一，雙目立體視覺融合兩個攝像頭獲得的圖像并觀察它們之間的差別，可以獲得明顯的深度感，建立特征間的對應(yīng)關(guān)系，把同一空間物理點(diǎn)和不同圖像中的映像點(diǎn)對應(yīng)起來，這個差別，稱作視差（Disparity）圖像。 雙目立體視覺測量方法具有效率高、精度合適、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

機(jī)器人利用紅外傳感器探測蟑螂、小昆蟲等生物活體。紅外傳感器能夠感應(yīng)到目標(biāo)輻射物紅外線，并根據(jù)紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量，紅外傳感器包括紅外線發(fā)射器、接收器和信號處理器。信號處理器的信號輸出端經(jīng)紅外線發(fā)射電路與紅外線發(fā)射器連接?？刹捎梦⑿蛦纹瑱C(jī)作為信號處理器產(chǎn)生編碼信號，驅(qū)動紅外線發(fā)射器發(fā)出帶有編碼信號的紅外線信號，并實(shí)時檢測經(jīng)過放大電路處理后的反射信號，其編碼信號能夠保證多個相同型號的傳感器同時同地工作而不相互干擾。而且工作頻率一致、可靠性高、功耗小。

2.3 灰塵盒防滿傳感器

機(jī)器人在工作的過程中要檢測集灰盒中的灰塵是否裝滿，在集灰盒兩側(cè)安裝變介質(zhì)型電容傳感器。當(dāng)灰塵盒中灰塵高度到達(dá)電容傳感器高度時，電容傳感器中的介質(zhì)發(fā)生改變，由于灰塵的介電常數(shù)與空氣的介電常數(shù)不同，從而引起傳感器電容變化，傳感器將信號傳給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號，提醒主人應(yīng)該清理灰塵盒了。

2.4 低電量自動返回充電功能

因?yàn)樽隽吮馄交O(shè)計(jì)，機(jī)器人所帶電池容量并不大，所以就需要在電量低時自動返回充電基座進(jìn)行充電再返回原位置繼續(xù)工作。當(dāng)電量低于限定值時，控制器會向紅外線發(fā)射器發(fā)送信號，紅外線發(fā)射器向四周發(fā)射紅外線。充電基座安裝有紅外線傳感器，感受到來自機(jī)器人發(fā)射來的紅外線后，會向掃地機(jī)器人發(fā)射紅外線。機(jī)器人內(nèi)部的紅外線傳感器接收到后會向控制器發(fā)送信號，控制器就會控制機(jī)器人按照接受到紅外線的方向找到充電基座，并自動返回進(jìn)行充電。

3 結(jié)論

探討窄縫衛(wèi)生檢測及清掃機(jī)器人的主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并對主要的功能模塊的傳感器進(jìn)行了介紹。機(jī)器人采用特殊的Y 型布局，并進(jìn)行扁平化結(jié)構(gòu)，使得機(jī)器人能完成一般的掃地機(jī)器人根據(jù)規(guī)劃好的路徑對地面進(jìn)行常規(guī)的細(xì)屑打掃功能，還可以完成屋子里床底、柜底等窄縫位置的衛(wèi)生檢測及清掃。機(jī)器人的Y 型垃圾推移裝置能將瓶蓋、玩具零部件等垃圾推移出窄縫到指定收集點(diǎn)。機(jī)器人能讓用戶更加全面的了解家里的衛(wèi)生情況，有比較廣闊的應(yīng)用前景。