小型家用扫地机器人硬件研究

李泽佳

摘 要 随着科学技术的不断进步和社会经济的不断发展，人们的生活水平有了很大提高，各种智能家居设备逐渐走进人们的日常生活之中，其中作为服务机器人的扫地机器人在近几年被越来越多的消费者青睐。扫地机器人是一种移动机器人，通过在室内导航完成自主清扫任务，不仅减轻了人们的家务劳动压力，而且相比于人工清洁其清扫效率和清洁度都大大提升，是科技改变生活最好的案例之一。扫地机器人涉及机械、电气、控制、计算机、感知等多种技术，而复杂的硬件是其完成任务的基础。文章从就一种典型的扫地机器人进行了各种硬件设备研究，对后续开发功能更加强大的产品有一定借鉴意义。

关键词 扫地机器人；硬件；传感器

中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）211-0110-03

早在20世纪八九十年代开始，一些欧美工程师就开始研究各种各样的服务型机器人，试图解放人们的双手，创造舒适和便捷的家居生活环境。国际机器人协会对服务型机器人的概念进行了严格规范：除了生产活动外，有益于人类生活、服务于人类的自主或自主工作机器人，服务型性机器人种类众多，其中又以扫地机器人最为典型。扫地机器人是一个复杂的技术对象，包含机械、电气、控制、计算机、感知等众多科学门类，随着消费者对扫地机器人的热情持续增长，此学科也成为了国内外机器人学者关注的热点。

扫地机器人按照完成的任务内容可以分清扫和充电两个工作部分，所以根据硬件设计思路，其应该具有附带清洁设备的移动机器人本体和充电装置两个硬件部分。机器人在进行室内清扫任务之前，需要通过传感器判断室内环境的大致状况自动规划路径，在清扫过程中需要实时监测障碍物和清扫范围，当电量低于设定值时需要自行返回充电装置附近，并自动接收充电，而充电设备与家庭220V电源相连，为扫地机器人提供能源。根据以上分析，扫地机器人需要的主要硬件设备有电源、充电设备、电机、机械结构、传感设备等。

1 扫地机器人硬件结构

1.1 电源

任何机器人的任何作业都需要源源不断的供给能源，而电源系统就是为扫地机器人工作的能量来源，是其它一切组成硬件正常工作的基本保障。扫地机器人的移动工作模式决定了其电源系统基本都采用可充电电池供电，电池的容量大小和清扫时间和功率成正相关，而扫地机器人的频繁工作模式也对电池的充放电次数和使用寿命有很高的要求。选择合适的电池需要综合考虑重量、体积、容量、充放电电流大小、使用环境等因素，以下列举几种应用广泛的电池，如表1所示。

在移动机器人的电池选型中，既要考虑机器人实际的工作模式和特点，又要兼顾成本和寿命等客观条件，镍氢电池成本低，电池辅助电路简单，对于环境的污染较低，但是缺点是容易产生记忆效应；同样的问题在锂电池中也存在；铅酸电池体积太大，对于机身小巧的扫地机器人来说浪费了太大的体积空间，显然不合时宜。锂离子电池相比于其他种类的电池来说具有特定的优势。第一是能量密度高，铅酸电池这种高比能量电池只有100Wh/kg左右，但一般的锂离子电池则可以达到600Wh/kg。第二是其额定电压高，单节锂离子电池可以达到3.8V左右的电压，远远超过镍氢电池的2V，通过搭建锂离子电池组，完全可以满足扫地机器人多设备同时运行情况下的电源供应。第三是温度适应能力很强，在-20℃到60℃之间均可正常工作，而普通家庭室内温度在0℃到40℃之间，完全符合要求；第四是锂离子电池不含重金属和有害物质，在使用、报废和回收过程中都不会带来过大的危害。但是锂离子电池存在自身的问题，例如化学性质活泼、容易爆炸等，使用时需要格外注意。锂离子电池在移动电子设备中应用广泛，例如手机、笔记本电脑、平板电脑等。所以，综合锂离子电池的优点，扫地机器人应该选择此类电池作为电源。考虑到扫地机器人的实际工作内容和时长，使用6节1.2V 3 000mAh的锂离子电池。

1.2 充电设备

充电设备在扫地机器人的系统中也称作充电基地，和电动汽车充电桩类似，因为充电设备位置固定，扫地机器人需要循环往复来回充电而得名。和家庭中的大多数家用电器类似，扫地机器人充电基地也采用的是220V AC的电压电流标准，充电设备从普通墙插中获取电能即可，简单方便。扫地机器人电池充电所需的電流为低压直流电，所以在中间必须经过降压、整流、滤波等过程。充电设备的转化过程如图1所示。

充电设备如果不经过合理的电压转换而直接对电池进行充电，很有可能对电池造成不可逆的损害，甚至导致燃烧和爆炸等危险的发生。此过程也可由符合规范的电源适配器代替。在充电形式上，目前分为有线充电和无线充电两种主要形式。有线充电类似于普通电子设备充电，当扫地机器人达到充电警戒线时，会自动发出预警，使用者发现后及时通过线缆将其连接到充电设备上即可。有线充电的好处是设备相对简单，成本低，对电池的寿命影响小，缺点是操作复杂。无线充电是近几年才开始流行的充电模式，扫地机器人可以自行返回固定的充电基地，充电基地检测到机器人后便可通过感应的方式对其进行充电，充电完成后机器人自行离开充电基地继续工作。与有线充电相比，无线充电更加便捷和智能化，但是其也存在充电效率低、电池寿命衰减快的特点。综上所述，为了搭建更为智能和便捷化的扫地机器人系统，充分实现其自主运行的特点，最佳选择是无线充电模式。

1.3 驱动电机

扫地机器人之所以能在室内自由行走，机械能是来自电机对电能的转化，电机是控制系统的直接输出设备，输出轴直接与机器人的运动传动设备连接，电机旋转产生的机械能带动机器人执行机构运动，通过调节转速，机器人还可完成一系列人为操作的运动。在电机的选择方面，交流电机结构简单、价格便宜，但其控制精度低，很难做到扫地机器人的高精度低转速工况，且有在一定情况下会产生自转向的弊端；普通直流电机可以克服自传的缺点，稳定度有很好的保障，但是存在电刷摩擦的问题，不适合长寿命的扫地机器人使用；步进电机可以完成精确移动，但是其转矩小、负载低，所以大多数用在仪表上；无刷直流电机体积和质量小，拥有良好的调速范围、线性度、寿命和维修更换成本，并且运行过程中噪声小，不存在电刷的弊端，添加永磁体后，其性能得到进一步提升。结合扫地机器人对于电机体积和家庭中安静环境等要求，电机的最佳选择为无刷直流永磁同步电机。

1.4 执行机构

上文中指出，电机的输出轴直接带动执行机构完成动作，执行机构是扫地机器人与外部产生力的作用的装置，是决定整个系统的精度、灵活度和稳定性的关键部分。对于扫地机器人来说，可以选择的执行机构有腿足式、履带式和轮式三种。腿足式机器人模仿蜘蛛的行走方式，现在还处于试验阶段，且行走速度很慢，不适合于家庭使用；履带式机器人较为成熟，但是大多应用于泥地、沙地等坑洼不平的地面，行驶速度也较慢。考虑到室内工作的平整路面环境，简单的轮式驱动装置最为合适，这种执行机构采用若干轮盘组成，控制方式简单，且能量利用率高，转弯半径小，反应速度快。车轮的数量和种类也会影响机器人的行驶模式，结合活动范围和行驶速度的要求，4轮模式最适合室内清洁工作，同时也利于后期轨迹规划的便捷实现。

1.5 传感器

扫地机器人在室内工作时离不开各种各样的传感器，传感器相当于机器人的各种感知器官，类似于人类的五官。扫地机器人在工作中需要判断自身位置，测量距离、速度、加速、位姿等，检测自身周围的障碍物，有时还需获取环境温度、湿度等信息，以下传感器是扫地机器人所必须的。

1）加速度计和陀螺仪。加速度计和陀螺仪是机器人测量位移和角度的装置，加速度计测量机器人的加速度，陀螺仪测量角加速度，通过二次积分得到机器人的位移和角位移，结合航迹推算法便可对机器人做到精准定位。

2）超声波传感器。超声波传感器是一类应用广泛的传感器，主要用于检测障碍物和测距等。位于前端的超声发射头可以发送和接收超声波，其测距原理很简单，利用公式：

3）紅外接近传感器。从字面意思理解，此类传感器接近障碍物时产生特定的信号，发射的红外信号遇到障碍物被反弹回来后，如果此时达到时间和光照强度达到了提前设定的要求，则判断前方遇到障碍物，这一信息被发送到控制机构，以便机器人及时避障。

除了上述传感器之外，还有激光测距仪、雷达测距仪、里程计、视觉传感器、温度/湿度传感器等重要传感器。

2 结论

随着居民可支配收入的持续提高，家用扫地机器人已经成为了大多数家庭已经购买或考虑购买的重要智能家用电器，众多家电企业也着重于开发自主的扫地机器人，试图共同分享这一巨大的市场。扫地机器人的硬件选择和设计极为关键，直接影响到机器人的工作模式和效果，合理的设计硬件结构可以提高机器人的清扫性能，探索更为轻量化、高效、节能、高寿命的硬件系统是未来的发展方向。

参考文献

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