□曹 雪 楊思航 張?zhí)祛?/p>

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

清潔機(jī)器人作為智能機(jī)械門類下的一種，其對于民眾生活的高附加性與強(qiáng)便利性，讓它一直處于各國機(jī)器人研究的前沿位置。早在2002年，美國機(jī)器人公司iRobot就推出了真正意義上的第一個(gè)清潔機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了從0到1的跨越，此后的機(jī)器人研究也大多參照該類模式進(jìn)行創(chuàng)新。而在國內(nèi)，我國的機(jī)器人事業(yè)起步較晚，直到2006年才由上海交通大學(xué)領(lǐng)頭開發(fā)出國內(nèi)第一款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的可吸附式爬壁機(jī)器人，掀開了我國清潔機(jī)器人研究的帷幕。

經(jīng)過十多年的發(fā)展，清潔機(jī)器人的研究已經(jīng)小有規(guī)模。目前在國內(nèi)推廣面較大的為科沃斯地寶(DEEBOT)機(jī)器人。科沃斯使用遙控器對機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，支持預(yù)約定時(shí)的智能化功能，可以對房間進(jìn)行每日的固定清潔。同時(shí)在動力方面，它使用渦輪增壓作為機(jī)器人的動力核心，通過渦輪增壓電機(jī)來產(chǎn)生增吸力，將灰塵從進(jìn)風(fēng)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(shí)，當(dāng)科沃斯機(jī)器人工作時(shí)，進(jìn)灰口的滾刷能保持每分鐘4,000轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)，在內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)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(xù)地保持滾刷產(chǎn)生的渦輪壓力，從而產(chǎn)生持久穩(wěn)定的清潔能力，保證了機(jī)器人的整體工作性能。

遺憾的是，以科沃斯牌為主的清潔機(jī)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(jī)器人類型難以為繼。而那些小眾的、可以清洗窗戶外側(cè)的清潔機(jī)器人，又因?yàn)槠鋬r(jià)格過高而得不到好的發(fā)展，現(xiàn)有的機(jī)器人研究需要一個(gè)新的方向去進(jìn)行突破。

在這樣特殊的時(shí)代背景下，本文希望去研究出一種新型智能的家用清潔機(jī)器人，以此來促進(jìn)我國機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。本產(chǎn)品以Arduino單片機(jī)系統(tǒng)作為控制核心、以交互式小型電機(jī)作為動力中心，完成機(jī)器人動力控制模塊的構(gòu)建。在此基礎(chǔ)上，借鑒傳統(tǒng)清潔機(jī)器人外形骨架、小型無人機(jī)的飛行四旋翼、清潔組件等其余配件，完成整改機(jī)器人系統(tǒng)的整體架構(gòu)，最終設(shè)計(jì)出既可以滿足地面清潔，又能實(shí)現(xiàn)墻壁清潔的智能家用機(jī)器人，填充國內(nèi)機(jī)器人領(lǐng)域的空白。

二、設(shè)計(jì)目標(biāo)與方案實(shí)現(xiàn)

(一)設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文的設(shè)計(jì)目的是為了實(shí)現(xiàn)智能的地面墻壁清潔一體化，使居家清潔機(jī)器人更簡便，更快捷，更智能。因此，該機(jī)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(shí)現(xiàn)方案。本文研究的新型智能的家用清潔機(jī)器人主要包括機(jī)身設(shè)計(jì)和控制設(shè)計(jì)，機(jī)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(jī)和Arduino單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成；采用紅外測距傳感器來進(jìn)行機(jī)器避障，利用攝像頭的相機(jī)模式，通過識別典型建筑的顯著特征，來完成計(jì)算機(jī)圖像處理功能和技術(shù)的提升，以及視覺系統(tǒng)信號探測范圍目標(biāo)信息完整等特點(diǎn)，用視覺傳感器來完成對機(jī)器人的障礙識別和導(dǎo)航。最后通過演化算法途徑，對機(jī)器人的初始條件和終究條件進(jìn)行研討分析，形成機(jī)器人的專家系統(tǒng)和人工智能網(wǎng)絡(luò)，這樣的調(diào)控不僅保障了機(jī)器人的智能靈敏性，還具有較強(qiáng)的故障診斷能力，令智能清潔機(jī)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(zhì)量。

三、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括底盤設(shè)計(jì)、電機(jī)選取、機(jī)身外殼設(shè)計(jì)、旋翼設(shè)計(jì)和清潔設(shè)計(jì)。通過分析，本文選取伺服電機(jī)，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(shè)計(jì)。

該新型智能的家用清潔機(jī)器人底盤由主動輪和調(diào)節(jié)支架組成。調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)構(gòu)成的機(jī)器人底盤具有較高的優(yōu)勢，可以在最短時(shí)間內(nèi)做好自動定位、自動識別障礙物避障以及最優(yōu)路線規(guī)劃，在各類障礙物之間穿梭自如。

借助于驅(qū)動電機(jī)，使得機(jī)器人在越障模式和清掃模式之間轉(zhuǎn)換自如。驅(qū)動裝置驅(qū)動調(diào)節(jié)支架，改變主動輪與底盤的相對位置，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)身的整體抬升。在家用清潔機(jī)器人上搭載自主研發(fā)的雷達(dá)及定位導(dǎo)航系統(tǒng)，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(jī)器人的安全平穩(wěn)運(yùn)行，防止機(jī)器人出現(xiàn)碰撞，不穩(wěn)的現(xiàn)象。

當(dāng)切換不同模式時(shí)，為完美地保證清潔能力和越障能力。當(dāng)處于清掃模式時(shí)，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(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)的部分重力以壓緊于地面，保證了清掃的效果。

當(dāng)處于越障模式時(shí)，底盤本體由主動輪和從動輪共同支撐高于地面，可以進(jìn)行自如行走，此時(shí)，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(qū)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(jìn)行多次重復(fù)清掃及卡死的情況發(fā)生，保證底盤本體的順利行走。面對較大障礙物時(shí)，由于無法借用輪子的力量越障時(shí)，主從動輪將收納在底盤中，借助四旋翼進(jìn)行飛行越障。

本項(xiàng)目的清潔機(jī)器人采用了四旋翼的螺旋槳飛行器，其中四個(gè)螺旋槳的連接方式為無鉸式，呈十字型交叉結(jié)構(gòu)，彎曲載荷較大，每個(gè)旋翼均安裝在一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子上，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動狀態(tài)控制每個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，來提供不同的升力以實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)，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(yùn)動表現(xiàn)表現(xiàn)為漿葉根部的彎曲變形，而螺旋槳可以根據(jù)相對位置情況分為兩組，其中不同組別的旋轉(zhuǎn)方向不同，可以通過更改螺旋槳的速度來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上浮、下沉、懸空等多項(xiàng)功能措施，非常適合機(jī)器人在靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)下進(jìn)行工作；同時(shí)，由于流線型設(shè)計(jì)翼片均勻且對稱分布，旋翼翼片傾角可調(diào)，促使旋翼可在檢測到較大障礙物時(shí)，采用飛行越障，提高清潔效率。機(jī)器人垂直升降時(shí)，四個(gè)螺旋槳同時(shí)加速旋轉(zhuǎn)，上升升力增加，下降時(shí)，螺旋槳同時(shí)降低速度旋轉(zhuǎn)即可。

本項(xiàng)目機(jī)器人的清潔裝置由吸盤、灰盒和清潔毛巾構(gòu)成。吸盤吸附灰塵和雜物完成后，將垃圾儲存在主機(jī)內(nèi)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(wèi)生死角進(jìn)行擦拭清潔。

(二)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該款清潔智能機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用Arduino單片機(jī)芯片作為控制核心，完成嵌入式控制系統(tǒng)的選用設(shè)計(jì)。該類芯片包含了國際先進(jìn)的ARM處理器，可以同時(shí)支持處理16位和32位的指令，運(yùn)用范圍廣泛。同時(shí)，它的指令執(zhí)行速度比較快，底層控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳送到上層控制器，接收到上位機(jī)發(fā)送的命令后，控制其電機(jī)來驅(qū)動電路，每個(gè)電機(jī)均與電機(jī)驅(qū)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(diào)節(jié)旋翼轉(zhuǎn)速大小;IMU慣性測量單元為中央控制單元提供姿態(tài)解算的數(shù)據(jù)，機(jī)身上的檢測模塊為機(jī)器人提供了解自身位姿情況最直接的數(shù)據(jù)，完成控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，為四旋翼式清潔機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的自主飛行提供了保障。

該清潔智能機(jī)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(jī)器人通過陀螺儀傳感器實(shí)現(xiàn)空間定位，將數(shù)據(jù)信號以坐標(biāo)方式傳給控制系統(tǒng)；同時(shí)借助紅外防撞傳感器探測周圍環(huán)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(jiān)測到機(jī)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(jìn)而輸出為低電平，以此來完成電路設(shè)計(jì)對控制系統(tǒng)的幫助影響。

(三)設(shè)計(jì)優(yōu)勢。該設(shè)計(jì)結(jié)合陸空兩方面，采用輪式和四旋翼相結(jié)合的方式，越障能力強(qiáng)，在保證輪轂與地面良好接觸的同時(shí)，旋翼轉(zhuǎn)動以保證良好的平穩(wěn)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(tǒng)清潔機(jī)器人在地面機(jī)動性差、視野觀察存在局限性、傳感器對于復(fù)雜路面感應(yīng)程度低等問題，結(jié)合小型無人機(jī)等飛行器的優(yōu)勢，提高了機(jī)器人安全通過各種復(fù)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(fā)展前景

伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，服務(wù)型清潔機(jī)器人逐漸走進(jìn)人們的視野，憑借著其智能性與便捷性開擴(kuò)出了一片獨(dú)屬于清潔機(jī)器人的服務(wù)市場。人們在購買清潔機(jī)器人時(shí)，往往會從性價(jià)比最高的角度出發(fā)，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(yù)期的產(chǎn)品。

對于現(xiàn)有的清潔機(jī)器人市場來說，清潔能力是極難拉開差距的一個(gè)方面，因?yàn)楝F(xiàn)有清潔機(jī)器人的清潔能力均取決于清潔組件，例如刷頭每秒的轉(zhuǎn)數(shù)大小等，這些基礎(chǔ)配件各家差距都極其微小，幾乎可以忽略不計(jì)。而對于家用清潔機(jī)器人來說，工作時(shí)面臨的清潔問題并不會非常復(fù)雜，現(xiàn)階段的清潔能力已經(jīng)完全足夠，沒有必要再花費(fèi)高昂的代價(jià)去進(jìn)行清潔能力的提升。

但在適用范圍上，不同的機(jī)器人類型就出現(xiàn)了非常明顯的差異。上文中所提到的科沃斯牌機(jī)器人，其主要的適用范圍就是地面清潔，整個(gè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)構(gòu)思都是圍繞著這樣的功能目的去進(jìn)行的，和其類似的還有吸附式機(jī)器人。這些機(jī)器人都有一個(gè)特點(diǎn)，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(fù)擔(dān)。倘若可以將兩種功能結(jié)合為一種，那就可以迅速填充現(xiàn)有的這塊市場空白，取得不菲的先發(fā)優(yōu)勢。

不僅如此，在清潔機(jī)器人的智能化領(lǐng)域，市面上的大部分產(chǎn)品都是采用遙控器遠(yuǎn)程控制的方法來間接實(shí)現(xiàn)智能化。該類方法存在著一個(gè)較大的弊端，那就是當(dāng)用戶在外突然需要對家庭進(jìn)行清潔時(shí)，沒有一個(gè)實(shí)時(shí)有效的方式去控制自己的清潔機(jī)器人，智能化的水平仍需要進(jìn)一步提高。本產(chǎn)品則是以Arduino系統(tǒng)作為控制框架，在整個(gè)家庭中搭建出完善的物聯(lián)網(wǎng)控制平臺，讓用戶可以通過手機(jī)APP等電子產(chǎn)品遠(yuǎn)程控制自己的清潔機(jī)器人，極大地提高了機(jī)器人的智能化水平。

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