王文燦　何慶　朱德生

摘 要：在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，進行創(chuàng)新設(shè)計，研制了一種在微處理器控制下的清潔機器人。該系統(tǒng)性價比高，功能新穎，包括對紙質(zhì)垃圾卡死現(xiàn)象的處理、增設(shè)甲醛檢測模塊以及垃圾自動清理的功能等，可實現(xiàn)多功能自主吸塵機器人自動行走及對家居環(huán)境的清潔功能。

關(guān)鍵詞：清潔機器人；自動化；微控制

中圖分類號：TP23 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-7394（2016）04-0040-03

全自動吸塵器將移動機器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機地結(jié)合起來，從而實現(xiàn)機器半自動或全自動的對室內(nèi)地面的打掃清潔任務(wù)，替代傳統(tǒng)人工繁重的清潔工作，近年來，已受到國內(nèi)外的研究重視。作為一個特殊移動式智能機器人的應(yīng)用，從技術(shù)層面上講，智能化自主式吸塵器體現(xiàn)了移動式機器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有較強的代表性。從市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低作業(yè)人員的勞動強度、提高工作效率，適用于家庭和公共場館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰(zhàn)性，其市場前景也是十分廣闊的。

1 吸塵機器人工作原理

自動化吸塵機器人利用的工作原理是超聲波測距，吸塵器在向前進方向發(fā)射超聲波脈沖同時，接收觸碰到物體后的返回聲波脈沖，從而讓吸塵機器人對前方物體等進行判斷；通過實現(xiàn)對超聲發(fā)射和接收的選用控制，在以單片機為核心的控制器下，處理返回脈沖信號的基礎(chǔ)上加以判斷，從而選定相應(yīng)的控制方案，通過驅(qū)動器帶動步進電機，實現(xiàn)行走轉(zhuǎn)向等功能；在減少人對吸塵器行走的影響上，通過機器的紅外線熱釋電傳感器對人的活動進行檢測，分析。在以上功能同時工作，吸塵器行走的同時，在由其內(nèi)部自身攜帶的小型吸塵部件，從而實現(xiàn)對所經(jīng)過的地面進行吸塵清潔。當(dāng)吸塵器電力不足時，它會自動尋找充電插頭上發(fā)射的紅外線信號，找到充電部件后，其尾部的變壓器裝置靠近插頭實現(xiàn)充電，當(dāng)電池充滿后該裝置會自動返回原作業(yè)區(qū)域。

2 機械系統(tǒng)創(chuàng)新

2.1 存在的問題

（1）“卡死”現(xiàn)象。在一般家用的吸塵器的功能中存在不足之處是：吸塵器可吸范圍很大；只能吸入一些灰塵和小的紙屑，如遇到遺留在地上餐巾紙時，會出現(xiàn)紙屑卡在入口處使機器無法正常工作，或易形成卡死，必須人工手動才能清除其故障，如圖1所示。

（2）無甲醛檢測裝置。對于家裝使用材料中散發(fā)出的有害元素，如甲醛會給人們的生活帶來了極大的威害，同時不同濃度的甲醛對人體的危害是不同的，甲醛為毒性物質(zhì)，在我國有毒化學(xué)品優(yōu)先控制名單上高居第二位，而一般的清掃吸塵器裝置對此沒有檢測功能。

（3）自動化程度不高。對于清掃后吸塵器機內(nèi)裝入的垃圾無法自動排出，需要人工清除，如遇到家中無人的時候，吸塵器內(nèi)的垃圾過滿，未能及時清除，將導(dǎo)致散熱不順溫度升高，可能會導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。

2.2 解決方案

（1）增加一組內(nèi)置滾動刀頭。對一般的吸塵器，傳統(tǒng)的滾刷無法吸取面積較大的垃圾，一味地增大電機的功率來提高吸塵機器人的吸力只會讓紙張卡在垃圾入口更難整理，造成吸塵口完全卡死，使吸塵機器人完全喪失其工作的能力。對此，在滾刷后面設(shè)置一組小刀片，如圖2所示，在滾刷吸入到大的紙張時候，觸發(fā)到滾刀的開關(guān)按鈕，滾刀開始工作，紙質(zhì)垃圾進入到滾刀組時，紙張被切成碎片，落入到入口處，進入垃圾槽內(nèi)。

（2）增加甲醛模組。 該甲醛模組是將成熟的電化學(xué)檢測技術(shù)與精良的電路設(shè)計進行組合，設(shè)計制造出通用型氣體模組。它利用電化學(xué)原理對空氣中存在的甲醛進行探測，具有良好的選擇性，穩(wěn)定性。在該裝置設(shè)計中新增內(nèi)置溫度傳感器，可進行溫度補償；同時，具有數(shù)字輸出與模擬電壓輸出，方便使用。

（3）增加垃圾清理裝置。增加一個對內(nèi)部垃圾飽和度進行檢測的傳感系統(tǒng)，配合與吸塵機器人相搭配的垃圾箱式的無線充電系統(tǒng)，當(dāng)檢測機內(nèi)垃圾容量達到設(shè)定值時，機器人將自動返回垃圾箱處，與垃圾箱相結(jié)合，垃圾箱內(nèi)的機械手將自動為吸塵機器人更換空的垃圾收集袋，與此同時，也可為機器人進行充電。

3 經(jīng)濟性分析

多功能自主吸塵器作為一種家用電器，要想得到家庭用戶的認可和購買，必須具有良好的性價比。

多功能自主吸塵器的殼體主要材料是工程塑料，它具有高強度、輕質(zhì)量等特點，多功能吸塵器的殼體用注塑成型，可以進行大規(guī)模生產(chǎn)，所以其殼體部分經(jīng)濟適用。

多功能自主吸塵器的動力部分主要由電機構(gòu)成，以步進電機作為動力源，可以使吸塵機器人實現(xiàn)更為精確的小范圍位移，當(dāng)然它的價格也會比一般的直流電機略高一些，但考慮到其優(yōu)越的綜合性能，步進電機是作為動力源最合適的，而多功能吸塵器的風(fēng)機電動機則又采用的是鐵氧體永磁直流電動機，它的轉(zhuǎn)速很高，所以此電機廣泛的應(yīng)用在小型吸塵器中，并且其價格便宜，僅僅為幾十元左右，購進方便。

電路控制部分是吸塵器的關(guān)鍵，由工作穩(wěn)定的單片機、高精度的電子羅盤、以及多種傳感器構(gòu)成，以高性能低成本為特性的單片機，被廣泛應(yīng)用于家電控制領(lǐng)域中；吸塵器的“導(dǎo)向儀”——電子羅盤，是一種利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計的一種高精度低價位的導(dǎo)向工具，體積小巧，具有在電路板上安裝簡便等優(yōu)點，也廣泛應(yīng)用在機器人等領(lǐng)域；傳感器就如同是吸塵器的眼睛和鼻子，它們多是常用元器件的組合體，這幾個方面綜合在一起，可以大大降低多功能自主吸塵機器人的制造成本。

4 結(jié)語

綜上所述，多功能自主吸塵機器人由于其優(yōu)越的功能，良好的性價比，可以大規(guī)模生產(chǎn)制造，將有廣闊的市場前景和良好的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1] 夏明娜，高玉芝.單片機系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.

[2] 彭杰剛.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2012.

[3] 鮑丙豪，周燕，徐楨英，等.傳感器手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[4] 宋廣生.室內(nèi)環(huán)境甲醛污染防控知識問答[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

責(zé)任編輯 祁秀春