家用多功能移動加濕機器人加濕模式模擬試驗研究

崔方圓，張解語，高志強，蘇金虎

（1.河南工學院 機械工程學院，河南 新鄉 453003；2.河南省機電裝備數字化設計與制造工程技術研究中心，河南新鄉 453003）

0 引言

我國《“十四五”機器人產業發展規劃》提出，到2025年我國將成為全球機器人技術創新策源地、高端制造集聚地和集成應用新高地。隨著機器人產業的不斷擴大和興起，服務類機器人應運而生，并在醫療健康、家庭服務、教育娛樂等諸多領域得到了廣泛應用[1]。《中國制造2025》文件中也明確提出，服務類機器人是機器人產業未來發展的一個重要方向，具有較大的市場潛在需求[2-3]。家用服務類機器人是服務類機器人的一個重要發展方向[4]。家用掃地機器人、智能家用加濕器、消毒機器人等作為家用服務類機器人的重要組成部分。然而，這些家用服務機器人目前在家庭中都是各自專用的設備，獨立工作、功能單一、使用效率較低，大大降低了人們對家用服務類機器人產品的體驗感。

本文擬采用模塊化設計理念，完成一種家用多功能移動加濕機器人的設計。該設計集成了加濕機器人、消毒機器人和掃地機器人的關鍵功能，能夠同時實現清潔、消毒殺菌和加濕等功能，以便更好地提升消費者對家用服務類機器人的體驗。本文的研究有利于智能家居領域的發展以及讓不同領域的專用功能機器人進行多樣化融合，具有重要的研究價值和廣闊的市場應用前景，對未來智能家用服務機器人產品的設計具有重要的借鑒意義。

1 加濕機器人國內外研究概況

1.1 加濕機器人國內研究概況

加濕機器人在中國已經有相當長的歷史，隨著紡織業、印刷業、煙草業、電子業等行業的發展和人們生活水平的日益提升，加濕技術不斷飛速發展，技術不斷革新。在超聲霧化加濕技術方面，為了控制加濕效果，胡銀偉等[5]通過對多源智能超聲霧化加濕器的設計，提出了利用多個超聲霧化振子形成行列矩陣，通過濕度傳感器收集的數據，經過微處理單元的模糊智能調控，分析每個振子的具體工作狀態，確保精確控制空氣濕度。劉清龍等[6]通過對家用加濕器適用面積計算及測試方法探討，開創性地通過試驗推論得出了一個家用加濕器的加濕量與適用面積的對應關系。該關系的提出有利于在設計加濕設備的時候，針對不同的使用空間范圍，預設加濕功率，有很大的技術參考性。朱宇軒等[7]通過對家用可移動智能加濕器的研究，創新性地提出了一種基于單片機系統控制的兩輪可移動加濕小車，克服了傳統加濕器不能移動的缺點，同時該設計可以讓以后家用加濕器在濕度控制精度方面有較高的提升。

1.2 加濕機器人國外研究概況

國外加濕技術也有很多研究方案，Sakid等[8]提出一種基于微控制器的系統來解決低濕度問題，具體是利用無線傳感器和微控制單元連接，當濕度低于設定閾值時候，加濕器主動工作來解決家庭中濕度過低的問題，該研究解決了加濕器在反饋時的一個關鍵處理步驟，讓家庭濕度控制更加精確。

在工業加濕技術中，Hafizm等[9]提出了一種新型的多級階梯泡柱加濕器，該設備系統主要應用于海水淡化系統設備的加濕，根據多級溫濕度控制具體加濕的一個功率，保證設備精確控制濕度，多級控制在濕度控制方面確實有較突出的優勢。

1.3 國內外家用加濕機器人現狀分析及發展前景

通過綜合分析國內外發展現狀可以看出，對于加濕機器人的問題研究，國內外學者主要是追求環境濕度的穩定加濕。現有研究方法中，實現穩定加濕主要取決于環境濕度以及加濕機器人的加濕功率。目前，對于家用移動加濕機器人的研究較少。傳統意義上的家用電器將逐步被智能家電設備所取代。21世紀是科技發展的時代，多功能可拓展服務類機器人[10]，正逐步成為物聯網的重要組成部分和信息承載主體。因此，未來家用機器人的發展趨勢應該是同時具備小巧、設備互聯、多功能、智能等科技新特點[11-12]。

2 移動加濕機器人加濕模塊設計

移動加濕機器人作為一個系統的產品，涉及的專業知識和學科較多。本設計主要偏向于主體結構的設計、優化及創新思想的提出。針對較成熟的掃地機器人產品、加濕器進行外觀結構重新設計及優化，對于關鍵結構可采用沿用已有產品的機構的辦法實現，力求能做出接近實際產品的模型。以市面上較成熟的產品為基礎，可以極大減少設計成本且能彌補因某些專業知識的缺失而造成的設計短板。

2.1 加濕模塊的殼體結構設計

加濕模塊主要是由殼體結構組成，主要包括下殼體、中殼體和上殼體。下殼體主要是作為整個加濕器的支撐，所設計的加濕模塊殼體如圖1所示。

圖1 加濕模塊殼體

2.2 風機的選型

超聲波加濕裝置運行，在水面會形成水霧。因此加濕模塊需要小風機進行鼓風，將水霧從容器帶出。技術參數如表1所示。

表1 加濕模塊風機技術的主要參數

2.3 連接模塊快介紹

加濕機器人整機是由清潔模塊和加濕模塊兩部分組成。兩個模塊之間的連接靠圖2（a）所示的清潔模塊的凸形結構和圖2（b）所示的加濕模塊底部的凹形結構進行定位和配合。

圖2 清潔模塊的凸形結構及加濕模塊底部的凹形結構

3 加濕模式模擬試驗分析

伴隨著人們生活水平的提高，加濕技術慢慢步入家庭。現代醫療氣象研究表明，在夏季室溫25 ℃時，相對濕度范圍為40%～50%比較舒適；在冬季室溫為20 ℃時，相對濕度控制在50%～70%比較舒適。健康的濕度有利于人體抑制病菌的滋生和傳播，提高自身免疫力。本研究主要是對固定加濕模式和移動加濕模式對房間濕度改善的能力進行模擬試驗分析。

試驗區域為學生宿舍3.6 m×6 m長方形區域，區域中包含對稱的床位衣柜等布置。試驗分別設置5個溫濕度檢測點，點位間隔1 m，檢測儀器為小米溫濕度計2代，參數如表2所示，加濕試驗時間為3 h。

表2 小米溫濕度計2代主要技術參數

3.1 固定加濕模式模擬試驗

3.1.1 試驗條件

固定加濕模式試驗條件，房間初始溫度為25.6 ℃，相對濕度為40%。加濕器放置高度距離地面1 m。加濕器調至最大加濕模式，加濕噴嘴方向朝向開闊一側。進行3 h加濕。加濕結束時，分別對每個點位高度1.5 m位置進行1min測量，并記錄數據。房間具體測試點位如圖3所示。

圖3 固定式加濕試驗區域圖

3.1.2 數據處理及結果分析

根據試驗記錄數據，繪制以距離為橫坐標，濕度和溫度為縱坐標的折線圖，試驗數據折線如圖4所示。

圖4 固定式加濕模式距離與溫濕度關系

根據折線圖的結果分析，初始環境相對濕度為40%，固定式加濕模式的加濕效果與距離有關系，與距離成線性關系。距離加濕器越遠，加濕效果遞減。

3.2 移動加濕模式模擬試驗

3.2.1 試驗條件

移動式加濕模式試驗條件，房間初始溫度為25.5 ℃，相對濕度為40%。為了模擬移動加濕條件，分別置于5個測試點進行每個點位10 min加濕，然后順序移動到下一點位。根據固定式加濕的試驗結構分析，1 m間隔的短距離加濕對試驗結果影響較小，該方法一定程度上可替代移動加濕。進行3 h加濕，加濕結束時，分別對每個點位高度1.5 m 位置進行1 min測量，并記錄數據。房間具體測試點位如圖5所示。

圖5 移動式加濕模式試驗區域

3.2.2 數據處理及結果分析

根據試驗記錄數據，繪制以距離為橫坐標，縱坐標為濕度和溫度的折線圖，試驗數據折線如圖6所示。

圖6 移動加濕的房間的溫度與濕度關系圖

4 結論

為完成一種家用多功能移動加濕機器人的設計，采用模塊化設計理念，通過對移動機器人的清潔模塊結構設計模擬試驗，對不同加濕模式的加濕效果進行對比和分析。試驗結果分析表明，在相同面積的區域，選擇不同加濕模式都能達到人體健康濕度，而且移動式加濕模式對室內濕度的均衡效果更顯著。對較成熟的掃地機器人產品、加濕器進行外觀結構重新設計及優化，力求優化產品模型。所提出的基于模塊化可重構思想的家用智能電器設計理念，雖然還存在一定的設計局限性，希望后期有所改進，為未來智能家用服務機器人產品的設計提供重要的借鑒。