扫地机器人的发展现状和趋势研究

孙晓雪++赵玉山

摘 要：智能化家居是大势所趋，扫地机器人也逐步走进普通家庭。对现有扫地机器人机械结构、单片机控制技术以及传感器技术的分析，研究改进新型扫地机器人，使得其操作更加简单，更加智能化具有重大的意义。本文通过总结扫地机器人的结构特点以及国内外的发展现状，提出对扫地机器人的智能化发展的展望。

关键词：扫地机器人 智能化 单片机 传感器

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（a）-0238-02

随着现代科学技术的发展，服务类机器人逐渐出现在市场，为人们的智能化生活提供了便利。扫地机器人作为一款智能家居，具备一定的人工智能化，能够自主进行清扫工作，为人们解放了双手，提高了工作效率[1]。同时扫地机器人作为一项重要智能化技术正在迅速变革，从简单的扫地、除灰等功能正在逐步扩展，增加除菌、自动充电、自动规划路线等更多智能化操作[2]。因此设计一种合理的扫地机器人具有重大研究意义。通过改进扫地机器人的机械结构以及使用合理的控制技术，对扫地机器人的优化改进具有巨大的提高。本文通过对扫地机器人的结构特点以及单片机的控制技术分析，总结现有市场上流行的扫地机器人和国内外对扫地机器人的研究现状及发展趋势[3]。

1 扫地机器人的国内外研究现状

2002年，家电公司伊莱克斯推出的三叶虫智能扫地机器人，颠覆了人们对扫地的概念。三叶虫扫地机器人作为世界第一款量产的智能扫地机器人，外形采用圆饼形设计，塑料外壳。在单片机的控制下，底部的车轮能够进行转动，从而控制扫地机器人的主要运动。采用了仿生技术，按照蝙蝠的超声波技术，使得扫地机器人能够迅速的察觉障碍并且绕开。从2003年开始，iRobot公司和Proscenic公司推出了一系列的产品，主要技术集中在真空吸尘以及碰撞式运动[4]。2004年重庆大学智能科学技术研究所与宁波波郎电器有限公司合作开发的室内清洁机器人，能够沿墙壁行走清扫地面。2007年至今，越来越多的公司推出了一系列的产品，功能也随之越来越丰富。国产智能扫地机器人方面，有苏州怡凯电器的科沃斯、益节等公司生产的机器人功能丰富，包括非接触式、超声波式、红外线技术、无线遥控等技术。国产品牌的扫地机器人如浦桑尼克蓝天S、科沃斯DT85G等比较受欢迎。小米公司生产的米家扫地机器人具有地图生成、路径规划、自动回充、断点续扫等先进技术。

目前扫地机器人有几大关键技术支撑，扫地机器人完成扫地任务分为几个步骤，即定位、构图、规划、清扫[5]。现在的扫地机器人不仅能够适应复杂的家庭环境，在清洁效果上也是有巨大的提高。首先是传感器技术，扫地机器人能够在自身传感器的测控下，进行距离的前进以及移动由此可以独自完成清扫任务；室内定位功能，主流的定位系统则是RPS激光定位系统，能够实时定位变化坐标；路径规划技术，扫地机器人根据环境的变化信息，按照自身优化算法，进行合理的路径规划引导；吸尘技术则是通过机械装置进行真空吸尘，形成巨大气流旋涡，进行除尘动作。

2 扫地机器人的结构特点

市场中流行的扫地机器人主要组成部分包括计算机处理器、传感器、電源及供电系统、吸尘器、电动与动力传动机构、操作电位器等几部分。市面上销售的清洁机器人按照底部清扫结构分类，分为有滚刷三段式清扫机构、无滚刷双重清扫机构。在清扫机顶部安装有三个超声波距离传感器；在扫地机器人底部前方安装有6个接近开关，将接近开关与传感器相连接，构成扫地机器人的距离测绘系统；清扫机安装有两台直流电机；底部安装有吸尘器机构。工作过程一般是由位于右侧的边刷进行清扫附近的脏物，胶质滚刷则负责卷起体积较大的垃圾吸进垃圾盒，毛质滚刷则将细小灰尘反向送入到垃圾盒中。自动清扫机器人可以实现自动完成室内空旷以及角落灰尘的清扫工作。现流行的扫地机器人主要功能有自动清扫、定时清扫、智能定位、自动化充电等其他智能化功能。实现了无线终端的控制，可以通过遥控器或者是手机，电脑进行控制。并且扫地机器人装有感应探头，遇到障碍之后能够自动改变方向。内部具有杀菌灯管，可以在清扫过程中有效的杀灭螨虫、细菌、病毒等。但是目前的扫地机器人还处于研发阶段，噪音、吸尘、转动等问题还需优化改进、

3 扫地机器人的机械结构设计

扫地机器人的主要机械结构有清扫机构、行走机构、吸尘机构。由于机器人运动部件多。运动状态经常改变，必然产生冲击和振动。因此，增加机器人运动的平稳性，提高机器人动力学具有重要的意义。行走驱动部分有驱动电机控制，为保证小车良好的直线行驶性，可采用双电机驱动左右轮的方式，可以使小车获取较好的机动性以及灵活性。清扫机构则是由电机带动两个清扫刷，使得清扫的灰尘可以集中到吸风口处，为吸尘机构做准备。吸尘机构采用尖端真空吸气形成气流旋涡从而吸收尘土。擦地机构可以在扫地机器人底部壳体安装清洁布来擦除地面上的细小灰尘。

扫地机器人具有多功能，清扫模式则可以进行随机清扫、定点清扫、沿边清扫等；智能导航系统，实质是路径自动规划，其中包括随机式全区域覆盖和规划式全区域覆盖，设计过程则是由单片机控制下进行路线的规划；智能安全监控系统，则是在扫地机器人内部安装三个超声波测距传感器，用来检测扫地机器人行进路线是否有障碍物；防跌落同样是利用测距传感器进行测量[6]。

4 扫地机器人的单片机控制技术

用红外传感器、光电传感器、距离传感器完成自动避障。使用光电编码器检测电机的转速，用pwm技术来动态控制电动机的转动方向以及转速。利用单片机编程技术实现清扫机行进、执行清扫任务、绕障、精确的停止控制以及检测数据的存储、显示。传感器系统是扫地机器人的感觉系统，负责采集环境障碍和自身状态的信息[7]。将这些传感器合理的布置在扫地机器人周边位置，通过相应的信号处理电路与微处理器系统实现数据的通讯，控制系统根据获得的传感器系统信息做出动作，实现智能化自主操作。驱动系统使用直流电动机，通过脉宽调制记住控制电动机电枢的电压，把直流电压变成电压脉冲序列并通过控制电压脉冲宽度或周期来达到变压的目的[8]。复位电路使用看门狗电路，有些单片机系统还要求在掉电瞬间能够将重要数据保存，因此可以使用看门狗电路组成的系统。自动充电系统是利用充电来实现的，对接充电过程使用了红外信号，使得扫地机器人能够自主找充电桩进行充电行动。

5 结语

本文阐述了扫地机器人的结构特点、以及主要功能、对传感器技术的应用实现了智能化的操作。通过总结扫地机器人的国内外发展现状以及研究，发现现有的扫地机器人具有更加智能化、自主化的特点，并且随着科学技术的发展也能够进一步的智能化发展。分析扫地机器人的机械设计、单片机控制技术、传感器技术为进一步提高扫地机器人的智能化提供了详细的资料。

参考文献

[1] 梁文莉.竞争激烈的扫地机器人市场[J].机器人技术与应用，2015（2）：21-23.

[2] 柴剑.智能扫地机器人技术的研究与实现[D].西安电子科技大学，2014.

[3] 洪云波.多功能清洁机器人研究[D].苏州大学，2015.

[4] 赵航，刘玉梅，卜春光，等.扫地机器人的发展现状及展望[J].信息与电脑：理版，2016（12）：167-168.

[5] 杜忠惠.清洁机器人的运动控制与超声定位系统的设计与实现[D].东北师范大学，2016.

[6] 程丽霞.智能扫地机器人系统设计[J].机械工业标准化与质量，2016（9）：27-29.

[7] 张建龙.清洁机器人避障控制及路径规划[D].武汉科技大学，2015.

[8] 方海婷.嵌入式清洁机器人系统设计与实现[D].南京理工大学，2009.endprint