一种基于Arduino单片机系统的智能清洁机器人

□曹 雪 杨思航 张天睿

一、国内外研究现状

清洁机器人作为智能机械门类下的一种，其对于民众生活的高附加性与强便利性，让它一直处于各国机器人研究的前沿位置。早在2002年，美国机器人公司iRobot就推出了真正意义上的第一个清洁机器人，实现了从0到1的跨越，此后的机器人研究也大多参照该类模式进行创新。而在国内，我国的机器人事业起步较晚，直到2006年才由上海交通大学领头开发出国内第一款拥有自主知识产权的可吸附式爬壁机器人，掀开了我国清洁机器人研究的帷幕。

经过十多年的发展，清洁机器人的研究已经小有规模。目前在国内推广面较大的为科沃斯地宝(DEEBOT)机器人。科沃斯使用遥控器对机器人进行远程操作，支持预约定时的智能化功能，可以对房间进行每日的固定清洁。同时在动力方面，它使用涡轮增压作为机器人的动力核心，通过涡轮增压电机来产生增吸力，将灰尘从进风口吸入到涡轮增压尘盒中，极大地减少了清洁过程中的能量损失。同时，当科沃斯机器人工作时，进灰口的滚刷能保持每分钟4,000转的高速旋转，在内部产生一个云状的涡轮增压，以此将灰尘集中收纳起来。不仅如此，在滚刷的周围是一圈涡轮保压幕墙，可以持续地保持滚刷产生的涡轮压力，从而产生持久稳定的清洁能力，保证了机器人的整体工作性能。

遗憾的是，以科沃斯牌为主的清洁机器人只能支持地面清洁功能，面对墙壁、窗户等竖直方向上的清洁，市场上的主流机器人类型难以为继。而那些小众的、可以清洗窗户外侧的清洁机器人，又因为其价格过高而得不到好的发展，现有的机器人研究需要一个新的方向去进行突破。

在这样特殊的时代背景下，本文希望去研究出一种新型智能的家用清洁机器人，以此来促进我国机器人行业的发展。本产品以Arduino单片机系统作为控制核心、以交互式小型电机作为动力中心，完成机器人动力控制模块的构建。在此基础上，借鉴传统清洁机器人外形骨架、小型无人机的飞行四旋翼、清洁组件等其余配件，完成整改机器人系统的整体架构，最终设计出既可以满足地面清洁，又能实现墙壁清洁的智能家用机器人，填充国内机器人领域的空白。

二、设计目标与方案实现

(一)设计目标。本文的设计目的是为了实现智能的地面墙壁清洁一体化，使居家清洁机器人更简便，更快捷，更智能。因此，该机器人的主要功能有：一是全屋清洁；二是可自主越障；三是智能控制。

(二)实现方案。本文研究的新型智能的家用清洁机器人主要包括机身设计和控制设计，机身由底盘，四旋翼和清洁部分共同组成；控制部分主要由芯片，交互式电机和Arduino单片机系统构成；采用红外测距传感器来进行机器避障，利用摄像头的相机模式，通过识别典型建筑的显著特征，来完成计算机图像处理功能和技术的提升，以及视觉系统信号探测范围目标信息完整等特点，用视觉传感器来完成对机器人的障碍识别和导航。最后通过演化算法途径，对机器人的初始条件和终究条件进行研讨分析，形成机器人的专家系统和人工智能网络，这样的调控不仅保障了机器人的智能灵敏性，还具有较强的故障诊断能力，令智能清洁机器人的功能更加完善，更加智能、便捷化，解放双手，提升生活质量。

三、机械结构和控制系统设计

(一)机械机构设计。机械结构设计包括底盘设计、电机选取、机身外壳设计、旋翼设计和清洁设计。通过分析，本文选取伺服电机，清洁选取可更换的清洁毛巾和毛刷。下面简述底盘和旋翼的设计。

该新型智能的家用清洁机器人底盘由主动轮和调节支架组成。调节支架的一端连接清洁物品，另一端连接从动轮。从灵活性上来说，一轮为主，一轮为辅的轮式结构构成的机器人底盘具有较高的优势，可以在最短时间内做好自动定位、自动识别障碍物避障以及最优路线规划，在各类障碍物之间穿梭自如。

借助于驱动电机，使得机器人在越障模式和清扫模式之间转换自如。驱动装置驱动调节支架，改变主动轮与底盘的相对位置，从而实现机器人机身的整体抬升。在家用清洁机器人上搭载自主研发的雷达及定位导航系统，配备全景摄像头、声波探测、防跌落以及红外线等类型的传感器，即可保证机器人的安全平稳运行，防止机器人出现碰撞，不稳的现象。

当切换不同模式时，为完美地保证清洁能力和越障能力。当处于清扫模式时，从动轮将收纳在底盘中，清扫装置接地，则使得清扫装置能够承受清洁机器人底盘结构的部分重力以压紧于地面，保证了清扫的效果。

当处于越障模式时，底盘本体由主动轮和从动轮共同支撑高于地面，可以进行自如行走，此时，清扫装置会收纳在底盘中，则使得底盘本体在主动轮和从动轮驱动下，能够越过电线、台阶等小型障碍，防止干扰越障或造成杂物飞溅，避免进行多次重复清扫及卡死的情况发生，保证底盘本体的顺利行走。面对较大障碍物时，由于无法借用轮子的力量越障时，主从动轮将收纳在底盘中，借助四旋翼进行飞行越障。

本项目的清洁机器人采用了四旋翼的螺旋桨飞行器，其中四个螺旋桨的连接方式为无铰式，呈十字型交叉结构，弯曲载荷较大，每个旋翼均安装在一个电机转子上，通过控制电机的转动状态控制每个旋翼的转速，来提供不同的升力以实现各种姿态，满足不同情况下的飞行需求。浆叶在挥舞方向和摆振方向上相对于桨毂是固定的，其运动表现表现为浆叶根部的弯曲变形，而螺旋桨可以根据相对位置情况分为两组，其中不同组别的旋转方向不同，可以通过更改螺旋桨的速度来实现机器人上浮、下沉、悬空等多项功能措施，非常适合机器人在静态或准静态下进行工作；同时，由于流线型设计翼片均匀且对称分布，旋翼翼片倾角可调，促使旋翼可在检测到较大障碍物时，采用飞行越障，提高清洁效率。机器人垂直升降时，四个螺旋桨同时加速旋转，上升升力增加，下降时，螺旋桨同时降低速度旋转即可。

本项目机器人的清洁装置由吸盘、灰盒和清洁毛巾构成。吸盘吸附灰尘和杂物完成后，将垃圾储存在主机内部的灰盒中，在灰盒前部添加可伸缩式爪盘，爪盘下部以卡扣形式卡住棉布或其他适合地面清洁的工具，对地面、家具触地间隙、楼梯、凹槽等卫生死角进行擦拭清洁。

(二)控制系统设计。该款清洁智能机器人的控制系统采用Arduino单片机芯片作为控制核心，完成嵌入式控制系统的选用设计。该类芯片包含了国际先进的ARM处理器，可以同时支持处理16位和32位的指令，运用范围广泛。同时，它的指令执行速度比较快，底层控制系统接受传感器采集到的信号后，利用RS232通信串口将采集到的数据传送到上层控制器，接收到上位机发送的命令后，控制其电机来驱动电路，每个电机均与电机驱动部件、中央控制单元相连接，通过中央控制单元提供的控制信号来调节旋翼转速大小;IMU惯性测量单元为中央控制单元提供姿态解算的数据，机身上的检测模块为机器人提供了解自身位姿情况最直接的数据，完成控制系统的精准控制，为四旋翼式清洁机器人在复杂环境下的自主飞行提供了保障。

该清洁智能机器人依靠插针的方式将陀螺仪传感器和电路板连接，包括红外防撞传感器、陀螺仪和电池电量检测电路等部分。机器人通过陀螺仪传感器实现空间定位，将数据信号以坐标方式传给控制系统；同时借助红外防撞传感器探测周围环境，如果在周围没有探测到障碍物，则传感器的输出位高电平；如果监测到机器人的周围存在障碍物，则防撞传感器中的红外接收管会接收到障碍物反馈回来的信号，进而输出为低电平，以此来完成电路设计对控制系统的帮助影响。

(三)设计优势。该设计结合陆空两方面，采用轮式和四旋翼相结合的方式，越障能力强，在保证轮毂与地面良好接触的同时，旋翼转动以保证良好的平稳性，面对不同障碍物的大小，研究人员将采取不同的越障方式，解决了传统清洁机器人在地面机动性差、视野观察存在局限性、传感器对于复杂路面感应程度低等问题，结合小型无人机等飞行器的优势，提高了机器人安全通过各种复杂路面的能力，满足不同条件的地面墙壁清洁问题，且操作更加便捷，灵活性更高。

四、发展前景

伴随着现代科学技术的发展，服务型清洁机器人逐渐走进人们的视野，凭借着其智能性与便捷性开扩出了一片独属于清洁机器人的服务市场。人们在购买清洁机器人时，往往会从性价比最高的角度出发，去考虑清洁能力、适用范围、智能化程度等方面是否可以满足自己的需求，通过在市场中不断地比较来挑选出最符合自己预期的产品。

对于现有的清洁机器人市场来说，清洁能力是极难拉开差距的一个方面，因为现有清洁机器人的清洁能力均取决于清洁组件，例如刷头每秒的转数大小等，这些基础配件各家差距都极其微小，几乎可以忽略不计。而对于家用清洁机器人来说，工作时面临的清洁问题并不会非常复杂，现阶段的清洁能力已经完全足够，没有必要再花费高昂的代价去进行清洁能力的提升。

但在适用范围上，不同的机器人类型就出现了非常明显的差异。上文中所提到的科沃斯牌机器人，其主要的适用范围就是地面清洁，整个机器人的设计构思都是围绕着这样的功能目的去进行的，和其类似的还有吸附式机器人。这些机器人都有一个特点，那就是适用范围非常单一，在地面清洁和墙壁清洁中只能选取其中一类，这样就为用户的使用增加了不必要的负担。倘若可以将两种功能结合为一种，那就可以迅速填充现有的这块市场空白，取得不菲的先发优势。

不仅如此，在清洁机器人的智能化领域，市面上的大部分产品都是采用遥控器远程控制的方法来间接实现智能化。该类方法存在着一个较大的弊端，那就是当用户在外突然需要对家庭进行清洁时，没有一个实时有效的方式去控制自己的清洁机器人，智能化的水平仍需要进一步提高。本产品则是以Arduino系统作为控制框架，在整个家庭中搭建出完善的物联网控制平台，让用户可以通过手机APP等电子产品远程控制自己的清洁机器人，极大地提高了机器人的智能化水平。

综上所述，本产品在清洁能力方面与市场上现有的产品持平，但在适用范围、智能化水平上均有着较大的优势，可以很好地触碰到用户们在家用清洁领域的使用痛点，具有其他同类产品无可比拟的优势，推动了清洁机器人的智能化全方位发展，让我国的清洁机器人领域得到一次新的突破。