多功能室内清洁机器人

吕江浩 陈荣

摘要：随着经济社会的发展， 人们的生活愈加丰富多彩，需要更多的时间参与各项社会活动 ;而老龄化结构的加速，又使得人们不得不投入大量时间在冗余的家务活动，看护活动中. 特别是，2019年开始爆发的全球新冠肺炎疫情， 使得医务人员需要不眠不休地持久作战， 也引发了包括清洁行业的各行各业的劳动力资源严重紧缺. 因此， 加速推进智能化产品的开发研究进程， 具有重大的积极意义;而室内清洁机器人作为智能家居的子类， 能为人类切实分担具体的清洁工作，将人们从繁琐的耗时的家务劳动，清洁活动中解放出来， 具备现实意义。

关键词：多功能;清洁机器人

一、绪论

机器人是集电子技术，自动化控制，机械制造等学科为一体的复杂学科，作为二十世纪最伟大的发明之一，在近几十年发生了突飞猛进的变化， 伴随人工智能的第三次大浪潮， 机器人技术愈发炙手可热，并且进入了社会各个重要领域，其中包括医疗领域的手术机器人， 军事领域的排爆机器人， 安防领域的巡逻机器人， 服务领域的迎宾机器人， 工业领域的巡检机器人和机械手臂等等.目前对机器人的研究越来越呈现出系统化，专业化，更多的电子学，信息学，生物学的先进技术应用于机器人领域， 机器人进入千家万户指日可待。

本文提出了一款多功能室内清洁机器人，除具备核心的清洁功能外，还具有温度检测，烟雾检测，智能喷水等功能，使得清洁机器人在室内一边开展清扫工作，一边可以监测室内的环境情况，若遇到高温或烟雾等异常情况， 自动喷洒水并发出警报. 如此一来， 该清洁机器人在完成室内清洁的同时， 还可以承担环境监测的任务。

二、清洁机器人的工作原理和特点

清洁机器人机身多以圆盘型为主， 主要以微控制器为控制核心， 具备行走机构， 清扫机构. 采用电机驱动轮子，实现灵活地行走;利用多传感器感知环境，通过碰撞传感器等实现清扫过程的障碍物感知， 从而躲避障碍物;通过边刷，滚刷的旋转，吸尘口的配合工作， 实现清扫吸尘一体的双重作用。

其清扫路径，主要包括”Z”字形路径，随机路路径，”回”字型清扫路径，自主规划路径等.前三种清扫路径设计简单， 要么沿着墙边清扫， 要么随机清扫， 同时可利用红外或者超声波避障传感器检测环境中障碍物， 如若遇到障碍物时机器人以一定的规则或随机换向， 该三种清扫路径的优势是设计上易于实现， 成本偏低， 而劣势是智能化程度偏低， 容易出现重复清扫或某些区域未清扫的情况;而第四种路清洁路径--自主规划路， 机器人可先對环境进行地图构建， 掌握环境情况， 自主计算出一条高覆盖率的清洁路径， 该方式的优势是智能化程度较高， 人工干预小， 劣势是对控制器， 传感器， 和算法有较高要求， 因而成本也偏高。

三、底板结构

机械结构是清洁机器人的重要组成部分， 本文设计的清洁机器人的底板结构如下图， 整体为2个驱动轮配合一个万向轮的可移动装置，采用了双电机驱动左右两轮的运动驱动方式，并通过左右两轮的差速实现机器人的转向;主要的清洁模块为：吸尘口，旋转边刷，滚刷，吸风口;底板主要的传感器为：红外感应探头，主要用于障碍物检测.其在室内可以反复行走时，配合清扫路线，辅以边刷，中央主刷旋转，左边清扫刷顺时针转动，右边清扫刷逆时针转动， 可将灰尘较为集中地卷入到吸尘口， 从而可基本实现室内的清扫工作。

四、功能结构

本文设计的清洁机器人，总体结构图为：

核心控制单元，主要通过控制直流电机， 驱动控制清洁机器人的清洁结构（包括边刷，滚刷等）和行走机构（包括驱动轮和万向轮）;LCD显示模块主要展示机器人对环境的检测数值，包括时实的温度，烟雾浓度等;状态指示模块主要是LED灯和蜂鸣器，用于展示电源接通状态， 异常状态等情况;传感器模块主要包括红外传感器， 超声波传感器等，用于清洁机器人在清扫时检测障碍物。

五、多功能模块

其多功能模块，主要是基于单片机和多传感器实现的proteus绘制的主要原理如下：

核心处理器采用了AT89C51，一款高性能、低电压8位微处理器;采用的是DS18B20温度传感器， 连接到单片机的P3.4引脚， 其是一款常用的体积小数字温度传感器，且具备硬件开销低，精度高的特点， 抗干扰能力也较强; 烟雾传感器采用的是CQQ0型烟雾报警器，连接到单片机的P1口;LCD显示采用液晶模块 LM016L，连接到单片机的P0口.而喷水装置通过继电器来控制。

主要功能为，AT89C51上电后，开始循环检测环境温度和环境烟雾浓度， 并将温度和烟雾浓度的结果显示到液晶屏上，方便用户查看. 若温度/烟雾浓度超过一定阈值，则推测环境发生异常，此时启动喷水装置对环境进行降温，同时利用蜂鸣器发出警报。

AT89C51 具备：256字节片内数据存储器， 4k 字节Flash 闪速存储器， 两个16位定时/计数器，32 个I/O 口线，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

六、工作流程

（1） 按下清洁机器人电源开关， 启动清扫工作;

（2） 多功能清洁机器人清扫装置， 行动装置启动， 开始在地面上行走， 并且毛刷和吸尘口开始清扫吸收垃圾;

（3） 传感器模块开始不断检测外界信息， 若需到障碍物， 机器人转向避开障碍物;

（4） 温度传感器和烟雾传感器的信息， 实时显示到液晶屏上;

（5） 若温度传感器或烟雾传感器信息超过一定阈值，则启动喷水装置和蜂鸣器报警;

（6） 完成清洁工作后， 关闭电源开关;

七、结语

本文提出的多功能室内清洁机器人， 便携轻巧， 使用方便， 不仅具备扫吸一体的清洁功能， 而且在清扫过程中可以实时监测室内环境情况（包括温度，烟雾浓度等）， 若发现异常情况， 则主动启动喷水装置或发出警报蜂鸣， 可守护室内每个角落的清洁和安全。

参考文献：

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[4]扫地机器人的发展现状及展望[J]. 赵航，刘玉梅，卜春光，李艳杰，刘博.  信息与电脑（理论版）. 2016（12）

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作者简介：

吕江浩（1994-），男，汉族，山西省晋中市介休市，大学本科，深圳市香蕉智能科技有限公司，助理工程师，嵌入式智能化研究。