庭院智能小型掃地機(jī)設(shè)計(jì)

朱哲慧 畢靈珊 岳淑雯 曾浩懌 李浩蔚

摘 要：本論文采用人機(jī)工程學(xué)及功能合理化的相關(guān)理論，研究了庭院小型智能掃地機(jī)設(shè)計(jì)過程中對(duì)于機(jī)器結(jié)構(gòu)設(shè)施的設(shè)計(jì)以及對(duì)于硬件軟件功能的改良與規(guī)劃。研究結(jié)果表明庭院掃地機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，功能設(shè)計(jì)以及智能化領(lǐng)域均具有較大的提升空間。以庭院小型智能掃地機(jī)設(shè)計(jì)的具體案例進(jìn)行解釋說明。

關(guān)鍵詞：掃地機(jī)智能化；家用掃地機(jī)器人；庭院掃地機(jī)器人；功能合理化；改良設(shè)計(jì)

近些年來，掃地機(jī)經(jīng)歷了從研發(fā)到上市到走入千家萬戶的尋常百姓家中的過程。其功能也趨于完善和具體，觸控功能，自動(dòng)充電，聲波導(dǎo)航，灰塵定點(diǎn)偵測(cè)等等。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與人類生活的結(jié)合越來越緊密，智能化的風(fēng)潮正盛，旨在提高人的生活質(zhì)量，使人類生活更加舒適便捷。越來越多人開始追求生活品質(zhì)的提升和精神層次的滿足。本文旨在研究庭院式掃地機(jī)的設(shè)計(jì)原理，分析相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)比分析庭院式掃地機(jī)與家用掃地機(jī)的差異性：體積，行走能力，收集與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)等等，并結(jié)合具體設(shè)計(jì)案例進(jìn)行分析。

1.智能掃地機(jī)現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)原理

人類工作性質(zhì)和工作節(jié)奏的轉(zhuǎn)變，使得操作相對(duì)簡(jiǎn)單的掃地機(jī)器人的應(yīng)用越發(fā)普及，逐漸成為常用的家用電器之一。就其硬件設(shè)施配置而言，智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)清掃作用的設(shè)備主要為底部配置的3個(gè)左右的小型清掃刷，與吸塵滾刷相配合進(jìn)行清潔工作，能夠兼顧大面積區(qū)域及傳統(tǒng)清掃工具難以清潔的死角地區(qū)，如家具底部，地毯周圍等等。其軟件的發(fā)展也日趨完善與全面，更加凸顯智能化的應(yīng)用。紅外傳感，自動(dòng)回充，智能避障等功能相繼開發(fā)應(yīng)用，與掃機(jī)機(jī)器人的工作完美結(jié)合，提高工作效率和工作質(zhì)量。

目前采用紅外傳感原理進(jìn)行路線規(guī)劃的掃地機(jī)器人較多，少部分采用超聲波仿生技術(shù)進(jìn)行控制。紅外線傳感原理簡(jiǎn)單，成本低廉，但尚有一定的局限性：其對(duì)于掃地機(jī)器人所處的環(huán)境有較高的要求，故雖然檢測(cè)系統(tǒng)有意調(diào)整，但一些碰撞難以避免。而相對(duì)而言超聲波仿生技術(shù)可靠性更強(qiáng)，靈敏度更高，但相應(yīng)的存在價(jià)格偏高的問題。對(duì)于其自動(dòng)回充功能，在人為操控模式或機(jī)器本身的控制面板的操控下，能夠使得機(jī)器歸位，完成充電，后進(jìn)入待機(jī)模式。其智能避障的功能依托于地圖規(guī)劃，在掃地機(jī)器人產(chǎn)生碰撞后形成記憶，劃分出相應(yīng)的地圖區(qū)域，使得其在日后的清掃過程中避過該區(qū)域或獲得緩沖。部分品牌掃地機(jī)所設(shè)置的“燈塔”，“虛擬墻”即是出于此種原理，是的掃地機(jī)器人得以有效防跌落，防側(cè)翻。

2 庭院式掃地機(jī)與家用掃地機(jī)

與家用掃地機(jī)器人相比，庭院式掃地機(jī)器人體積相對(duì)較大，且多為手推式或乘坐式，其轉(zhuǎn)向方式及行進(jìn)方式的控制較為困難，有待改進(jìn)，機(jī)器智能化有待提高。

于手推式庭院掃地機(jī)而言，其清掃毛刷在機(jī)身前后均有分布，可根據(jù)地面以及垃圾情況，隨時(shí)進(jìn)行高度調(diào)整，使之達(dá)到最低的無功損耗和最佳的清掃效果。除此之外，其扶手可進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，適應(yīng)使用人不同高度的要求，并允許折疊，節(jié)省空間，便于儲(chǔ)存。垃圾箱裝卸方便、封閉嚴(yán)密，并可承裝酸、堿、鹽、油垢等腐蝕性垃圾。主要部件采用工程塑料制造，抗腐蝕、耐老化、不變形，轉(zhuǎn)動(dòng)部位選用封閉式精密軸承，使整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、工作省力。清掃效率是傳統(tǒng)人工掃帚的4-6倍，適用面積為500-3000㎡，特別適合清掃街道、小區(qū)、公園、庭院、學(xué)校、車間、庫(kù)房以及大型活動(dòng)場(chǎng)館等不宜使用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)型清掃設(shè)備的場(chǎng)所。于乘坐式庭院掃地機(jī)而言，其結(jié)構(gòu)功能偏向于工業(yè)電動(dòng)掃地機(jī)。通常采用蓄電池為動(dòng)力，在小型車輛底盤上加裝風(fēng)機(jī)、電機(jī)，下面安裝邊刷、滾刷掃吸結(jié)合，以達(dá)到清掃目的。由于其工程性和專業(yè)性，使得其工作效率較高，每小時(shí)可以清掃8000平米左右，在同樣的作業(yè)面積上大大縮短了工作時(shí)間，相當(dāng)于12-15個(gè)工人的工效。但相比之下其價(jià)格偏高，功能較為復(fù)雜，更多的應(yīng)用于工廠車間等清掃技術(shù)性要求相對(duì)較高且清掃內(nèi)容物針對(duì)性強(qiáng)的場(chǎng)所，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，且體積偏大，不易操作，與普通的小面積家庭清掃有一定區(qū)別。

綜上所述，本論文旨在以創(chuàng)新型智能庭院掃地機(jī)的設(shè)計(jì)為例，對(duì)智能技術(shù)與庭院掃地機(jī)的結(jié)合應(yīng)用進(jìn)行探討。

3 用戶定位

在調(diào)研過程中所接觸到的家庭式智能掃地機(jī)器人的比例占大多數(shù)，根據(jù)研究目標(biāo)對(duì)用戶進(jìn)行調(diào)研。通過線上問卷發(fā)放及實(shí)地訪談了解用戶特征信息。在問卷調(diào)查中，問卷擬定針對(duì)用戶日常清掃所使用的工具，使用體驗(yàn)，垃圾種類，清掃面積以及對(duì)掃地機(jī)的熟悉程度，接受度等方面的問題進(jìn)行提問。

綜合網(wǎng)上問卷發(fā)放及實(shí)地訪談的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，18-25歲年齡階段的目標(biāo)群體對(duì)于掃地機(jī)的接受程度最高，達(dá)到86.2%，并且在46-55歲年齡段的用戶群體出于身體素質(zhì)和思想的開放程度，對(duì)智能家用掃地機(jī)有較多的使用體驗(yàn)，故也具有較高的接受度。但由于受訪者中該年齡層的用戶所占的比例較小，使得數(shù)據(jù)具有一定的偶然性。綜合分析，將智能掃地機(jī)的主體用戶定義為18-30歲年齡階段的上班族，其出于生活工作節(jié)奏和個(gè)人時(shí)間的考慮，對(duì)于掃地機(jī)的需求較大，且出于年齡和心理因素，該層次的用戶對(duì)于智能化的接受程度也較高，在后期對(duì)于掃地機(jī)的智能化開發(fā)及功能設(shè)定中能夠提供比較好的參照。

4 案例分析

論文結(jié)合具體掃地機(jī)的設(shè)計(jì)案例，對(duì)于庭院掃地機(jī)的外觀及功能進(jìn)行考量，使其與智能化相融合，提供更加簡(jiǎn)易清晰的使用方式。

1）設(shè)計(jì)理念

經(jīng)過一些列對(duì)于人機(jī)工程結(jié)構(gòu)的推敲，對(duì)交互信息架構(gòu)的規(guī)劃和外觀的演變，在原有的掃地機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)劣勢(shì)分析，針對(duì)其中部分功能進(jìn)行改進(jìn)。在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)對(duì)其功能的合理性進(jìn)行考慮，在設(shè)計(jì)過程中，旨在還原庭院掃地機(jī)的基礎(chǔ)功能及附加功能，對(duì)其冗雜的結(jié)構(gòu)和外觀進(jìn)行調(diào)整規(guī)劃，使得空間利用更加合理，使得功能得到最大限度的合理化。

2）具體方案

在庭院掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)其功能進(jìn)行整合。保留其必須的行走，轉(zhuǎn)向，收集等基本功能以及相應(yīng)的人機(jī)配合尺寸，并且基于功能出發(fā)對(duì)于其實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行再設(shè)計(jì)，力求最大限度的合理。在設(shè)計(jì)過程中對(duì)其進(jìn)行改良，為其增加收集物處理的功能，通過將收集物攪碎處理，為其節(jié)省空間。最后的內(nèi)容物可通過遙控或按鈕操作使機(jī)器打開后蓋取出，操作簡(jiǎn)單便捷。

3）交互設(shè)計(jì)

以功能為基礎(chǔ)對(duì)機(jī)器的手機(jī)APP交互信息架構(gòu)進(jìn)行梳理主要分為信息錄入，消息提示，預(yù)約清掃，流程操控，清掃地圖，回沖模式等。

用戶自行根據(jù)機(jī)器人類型進(jìn)行掃葉機(jī)器人的綁定操作，手機(jī)APP與掃葉機(jī)器人相連接，機(jī)器人通過工作環(huán)境中的在Wi-fi接受訊息，執(zhí)行由用戶通過APP發(fā)布的清掃指令。與掃地機(jī)器人成功連接后，可在側(cè)邊欄中查看自身信息，以及設(shè)置相應(yīng)的模式，接收信息提示等等。在APP界面中劃分出相應(yīng)的工作區(qū)塊：預(yù)約清掃，遠(yuǎn)程操控等，對(duì)掃地機(jī)器人的工作行程及工作路線作出規(guī)劃，并且設(shè)置回沖模式，使機(jī)器人在低電量狀態(tài)下自行完成回沖。在預(yù)約清掃的模塊中可以根據(jù)自身需要對(duì)清掃力度進(jìn)行安靜，正常及強(qiáng)力三個(gè)模塊的調(diào)節(jié)，并且可以查看預(yù)計(jì)的清掃時(shí)長(zhǎng)，任務(wù)進(jìn)度等重要指標(biāo)。運(yùn)用折線圖的方式清晰直觀的記錄機(jī)器清掃時(shí)間的差異，以周為單位記錄其清掃面積，次數(shù)，耗電量等信息，合理運(yùn)用圖表，使用戶簡(jiǎn)單明了的了解到機(jī)器的工作情況。

5 結(jié)論及展望

目前，家用式智能掃地機(jī)器人的發(fā)展日趨完善。庭院式在智能化及功能合理化的方向仍有待開發(fā)，其體積，清掃方式，收集處理功能以及性價(jià)比方面都有較大的提升空間。掃地機(jī)器人的出現(xiàn)為人類的清潔方式帶來了巨大的革新，在不久的將來隨著在不同行業(yè)及領(lǐng)域的清潔機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用，將促進(jìn)清潔產(chǎn)業(yè)的多元化，帶動(dòng)清潔產(chǎn)業(yè)整體向前發(fā)展。