自动化吸尘机器人功能拓展与设计

王文灿　何庆　朱德生

摘 要：在现有产品的基础上，进行创新设計，研制了一种在微处理器控制下的清洁机器人。该系统性价比高，功能新颖，包括对纸质垃圾卡死现象的处理、增设甲醛检测模块以及垃圾自动清理的功能等，可实现多功能自主吸尘机器人自动行走及对家居环境的清洁功能。

关键词：清洁机器人；自动化；微控制

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2016）04-0040-03

全自动吸尘器将移动机器人技术和吸尘器技术有机地结合起来，从而实现机器半自动或全自动的对室内地面的打扫清洁任务，替代传统人工繁重的清洁工作，近年来，已受到国内外的研究重视。作为一个特殊移动式智能机器人的应用，从技术层面上讲，智能化自主式吸尘器体现了移动式机器人的多项关键技术，具有较强的代表性。从市场前景角度讲，自主吸尘器将大大降低作业人员的劳动强度、提高工作效率，适用于家庭和公共场馆的室内清洁。因此，开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性，其市场前景也是十分广阔的。

1 吸尘机器人工作原理

自动化吸尘机器人利用的工作原理是超声波测距，吸尘器在向前进方向发射超声波脉冲同时，接收触碰到物体后的返回声波脉冲，从而让吸尘机器人对前方物体等进行判断；通过实现对超声发射和接收的选用控制，在以单片机为核心的控制器下，处理返回脉冲信号的基础上加以判断，从而选定相应的控制方案，通过驱动器带动步进电机，实现行走转向等功能；在减少人对吸尘器行走的影响上，通过机器的红外线热释电传感器对人的活动进行检测，分析。在以上功能同时工作，吸尘器行走的同时，在由其内部自身携带的小型吸尘部件，从而实现对所经过的地面进行吸尘清洁。当吸尘器电力不足时，它会自动寻找充电插头上发射的红外线信号，找到充电部件后，其尾部的变压器装置靠近插头实现充电，当电池充满后该装置会自动返回原作业区域。

2 机械系统创新

2.1 存在的问题

（1）“卡死”现象。在一般家用的吸尘器的功能中存在不足之处是：吸尘器可吸范围很大；只能吸入一些灰尘和小的纸屑，如遇到遗留在地上餐巾纸时，会出现纸屑卡在入口处使机器无法正常工作，或易形成卡死，必须人工手动才能清除其故障，如图1所示。

（2）无甲醛检测装置。对于家装使用材料中散发出的有害元素，如甲醛会给人们的生活带来了极大的威害，同时不同浓度的甲醛对人体的危害是不同的，甲醛为毒性物质，在我国有毒化学品优先控制名单上高居第二位，而一般的清扫吸尘器装置对此没有检测功能。

（3）自动化程度不高。对于清扫后吸尘器机内装入的垃圾无法自动排出，需要人工清除，如遇到家中无人的时候，吸尘器内的垃圾过满，未能及时清除，将导致散热不顺温度升高，可能会导致火灾的发生。

2.2 解决方案

（1）增加一组内置滚动刀头。对一般的吸尘器，传统的滚刷无法吸取面积较大的垃圾，一味地增大电机的功率来提高吸尘机器人的吸力只会让纸张卡在垃圾入口更难整理，造成吸尘口完全卡死，使吸尘机器人完全丧失其工作的能力。对此，在滚刷后面设置一组小刀片，如图2所示，在滚刷吸入到大的纸张时候，触发到滚刀的开关按钮，滚刀开始工作，纸质垃圾进入到滚刀组时，纸张被切成碎片，落入到入口处，进入垃圾槽内。

（2）增加甲醛模组。 该甲醛模组是将成熟的电化学检测技术与精良的电路设计进行组合，设计制造出通用型气体模组。它利用电化学原理对空气中存在的甲醛进行探测，具有良好的选择性，稳定性。在该装置设计中新增内置温度传感器，可进行温度补偿；同时，具有数字输出与模拟电压输出，方便使用。

（3）增加垃圾清理装置。增加一个对内部垃圾饱和度进行检测的传感系统，配合与吸尘机器人相搭配的垃圾箱式的无线充电系统，当检测机内垃圾容量达到设定值时，机器人将自动返回垃圾箱处，与垃圾箱相结合，垃圾箱内的机械手将自动为吸尘机器人更换空的垃圾收集袋，与此同时，也可为机器人进行充电。

3 经济性分析

多功能自主吸尘器作为一种家用电器，要想得到家庭用户的认可和购买，必须具有良好的性价比。

多功能自主吸尘器的壳体主要材料是工程塑料，它具有高强度、轻质量等特点，多功能吸尘器的壳体用注塑成型，可以进行大规模生产，所以其壳体部分经济适用。

多功能自主吸尘器的动力部分主要由电机构成，以步进电机作为动力源，可以使吸尘机器人实现更为精确的小范围位移，当然它的价格也会比一般的直流电机略高一些，但考虑到其优越的综合性能，步进电机是作为动力源最合适的，而多功能吸尘器的风机电动机则又采用的是铁氧体永磁直流电动机，它的转速很高，所以此电机广泛的应用在小型吸尘器中，并且其价格便宜，仅仅为几十元左右，购进方便。

电路控制部分是吸尘器的关键，由工作稳定的单片机、高精度的电子罗盘、以及多种传感器构成，以高性能低成本为特性的单片机，被广泛应用于家电控制领域中；吸尘器的“导向仪”——电子罗盘，是一种利用电磁感应原理设计的一种高精度低价位的导向工具，体积小巧，具有在电路板上安装简便等优点，也广泛应用在机器人等领域；传感器就如同是吸尘器的眼睛和鼻子，它们多是常用元器件的组合体，这几个方面综合在一起，可以大大降低多功能自主吸尘机器人的制造成本。

4 结语

综上所述，多功能自主吸尘机器人由于其优越的功能，良好的性价比，可以大规模生产制造，将有广阔的市场前景和良好的经济效益。

参考文献：

[1] 夏明娜，高玉芝.单片机系统设计及应用[M].北京：北京理工大学出版社，2011.

[2] 彭杰刚.传感器原理及应用[M].北京：电子工业出版社， 2012.

[3] 鲍丙豪，周燕，徐桢英，等.传感器手册[M].北京：化学工业出版社，2008.

[4] 宋广生.室内环境甲醛污染防控知识问答[M].北京：中国标准出版社，2012.

责任编辑 祁秀春