家用清洁机器人结构设计

刘慧梅　陈艳

摘要：本文清洁机器人的优势，提出适用于中低端工薪人群使用的家用清洁机器人的设计。首先首先对家用清洁机器人进行总体设计，包括路径算法路径规划、避障系统等。然后对清洁机器人的行走机构、清扫机构、吸尘机构进行结构设计。

关键词：清洁机器人；结构设计；清洁方式

1 引言

目前社会发展的速度日益增加，人们的生活节奏也随之加快。清洁机器人结合移动机器人技术、传感器技术等多个领域的关键技术，实现对家庭室内环境的全自动或是半自动打扫清洁，代替了传统的人工清扫，在目前的社会发展中具有很高的发展前景。清洁机器人比起人工的主要优势在于：省时省力，整个清洁过程不需要人为控制，减轻人为操作负担；噪音小，在打扫房间的过程中让人们享受安静的环境；可以净化空气，吸附空气中的PM2.5，清扫效率极高；轻便小巧，轻松打扫普通吸尘器清理不到的死角。

2 清洁机器人的总体设计

在家庭清洁机器人的领域中，清洁机器人往往由四个部分组成：电源模块、控制系统、避障系统、驱动电机。整体设计方案如图2.1所示。

2.1 电源模块的选择

本文所设计的清洁机器人是智能自动工作的类型，选用可以循环往复使用的充电电池，利用转换电路将其转换为能够稳定提供给其他系统使用的电压。在工作时实现了无人操控，可以连续工作数个小时。

2.2 路径规划的选择。路径规划，简而言之就是清洁机器人根据传感器所搜集到的工作环境的信息，按照某种算法来规划出无障碍路线的清洁工作路径。总的来说可以概括为两种类型：（1）全局规划路径，即对周围的环境完全了解；（2）周围工作环境完全未知或者是部分已知。目前环境建模的主要方法有可视图法、自由空间法等[1]。

2.3 避障系统的选择。为了让清洁机器人能够正常工作，且不对家具和机器人自身造成损伤，选择红外线传感器，它是以红外线作为介质来测量判断障碍物，消除了外界光线的干扰，提高了灵敏度，在制作方面也比较简单[2]。

2.4 驱动电机的选择。该清洁机器人的驱动电机主要有三个板块，分别是移动电机驱动、毛刷电机驱动和吸尘电机驱动。其中，移动电机驱动主要是控制清洁机器人的行走轮，从而带动运动。毛刷电机驱动和吸尘电机驱动则是主要负责清洁方面的工作。

3 清洁机器人的工作原理

清洁机器人的工作原理是：CPU是清洁机器人的控制中心，也是机器人的大脑，对其他模块实现控制。红外避障传感器和光电传感器则是用来搜集周围工作环境的信息，然后把搜集到的信息上传给CPU处理。当接收到信息时，CPU就可以控制移动机构和清洁机构使机器人开始清扫工作。

工作流程如下：

（1）通过遥控器或者直接手动按钮启动机器人，LED显示屏显示工作状态。（2）传感器搜集外部信息传达给CPU，CPU开始规划机器人的清扫路径。（3）需要机器人转向时，CPU就会改变左右驱动轮的转速来实现转向。（4）完成清扫工作，遥控器或者手动按钮停止机器人。

4 清洁机器人的结构设计

本文设计的清洁機器人（如图2、图3所示）主要的特点有：结构上要小巧灵活，控制上要尽量简单，易于操作，能够完成自动避障。整个机器人由机械结构部分和控制部分两个大的部分组成。

4.1 清洁机器人的组成

4.1.1 行走机构及其避障系统。该部分主要是保证清洁机器人能够在平面正常地移动。机器人壳体前端和侧面装有红外开关和光电传感器，用来保证机器人在工作的过程中实现自我避障。整个机器人的行走机构包括两个驱动轮和一个随动轮。驱动轮上装有光电编码器，用来实现路径规划，以至精确地实现清扫工作。

4.1.2 清扫机构。该清洁机器人共配备有两个用电机—涡轮—蜗杆带动的清扫刷，左右的清洁刷进行顺时针和逆时针转动。这样的转动方式可以使清扫过程中的灰尘集中在吸风口，为吸尘工作做好了提前的准备。

4.1.3 吸尘机构。吸尘机构顾名思义就是讲灰尘吸入储存箱中，拥有强大的吸力。在吸尘机构的中，风扇位于垃圾储存箱的上方，罩上一个吸尘的薄壁腔，在薄壁腔的上方开一个小圆孔。同时在垃圾储存箱的上方罩上一个吸尘罩，在吸尘罩两边开两个小孔。其工作原理是，风扇转动带动储存箱内空气的流动，从而将清洁刷吸附进来的灰尘吸附在吸尘罩上，其余的空气通过小孔排出，达到吸尘的目的。

4.2清洁机器人的主要结构

4.2.1行走机构的设计。清洁机器人的外形设计成为直径400mm高度100mm的圆形机器人，这样设计更有利于机器人躲避障碍物，转向也很方便。考虑到机器人能够更加便利地转向以及完全的清扫，把机器人的行走机构设计为两个驱动轮加上两个清洁刷为支撑体，一个随动轮作为转向的辅助，这样一来也能够更有利于清扫，电机也更加容易控制机器人的驱动轮转速[3]。

4.2.3吸尘和垃圾处理机构的设计。吸尘机构的主要作用是用来净化空气吸收灰尘，通过清洁刷将灰尘带入垃圾储存器然后净化空气，将净化之后的空气再排出机体。工作时，由两个清洁刷的不同方向的清扫旋转，让灰尘和小部分垃圾清扫到吸尘口部分，然后通过强大的吸力将垃圾吸入储存器当中，如果要倒垃圾的话，就直接将垃圾储存器取出倒垃圾即可。

5 结论

本文致力设计出贴合人们日常生活的清洁机器人，首先对清洁机器人进行总体设计，说明机器人的工作原理，阐述机器人的组成，并对机器人的主要结构进行具体设计。随着科技的不断发展，人类对于人工智能这方面的研究一定会越来越深入。在不远的将来，它们一定会为人类提供更多的便利，融入到人们的日常生活之中。

参考文献：

[1]朱常琳，马浩全，郭光辉.一种移动机器人的路径规划与路径跟踪控制[J].兰州铁道学院学报.2003（01）

[2]袁曾任，高明.在动态环境中移动机器人导航和避碰的一种新方法[J].机器人. 2000（02）

[3]李金山等.清洁机器人概述[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学机电学院，2005.15-45