近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能科學(xué)的飛速發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。其中，服務(wù)機(jī)器人開(kāi)辟了機(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。

隨著人們生活水平的提高，健康、舒適的家居環(huán)境越來(lái)越被更多的人所關(guān)注。買(mǎi)房、裝修成為人們茶余飯后談?wù)摰臒狳c(diǎn)話題，但裝修后又臟又累的衛(wèi)生清掃工作，成為困擾家庭主婦的又一大難題。對(duì)不少家庭而言，清潔機(jī)器人已成為清潔家庭的必備小家電。

自動(dòng)進(jìn)行房間地面清潔的自動(dòng)掃地機(jī)器人，集機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體。自動(dòng)掃地作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化發(fā)展的先行者。

掃地機(jī)器人，又稱自動(dòng)打掃機(jī)、智能吸塵、機(jī)器人吸塵器等，是智能家用電器的一種，能憑借一定的人工智能，自動(dòng)在房間內(nèi)完成地板清理工作。一般采用刷掃和真空方式，將地面雜物先吸納進(jìn)入自身的垃圾收納盒，從而完成地面清理的功能。本設(shè)計(jì)掃地機(jī)器人采用刷掃吸塵方式，機(jī)身為無(wú)線機(jī)器，以圓盤(pán)型為主，使用充電電池運(yùn)作，操作方式使用遙控器、或是按機(jī)器上的操作面板相應(yīng)按鈕。本次設(shè)計(jì)的掃地機(jī)器人可設(shè)定時(shí)間預(yù)約打掃，自行充電。前方設(shè)置超聲破測(cè)距傳感器，可偵測(cè)障礙物，如碰到墻壁或其他障礙物，會(huì)自行轉(zhuǎn)彎，從室內(nèi)邊沿開(kāi)始走矩形路線，有規(guī)劃清掃地區(qū)。

掃地機(jī)器人的工作原理及特點(diǎn)

掃地機(jī)器人由微電腦控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航并對(duì)地面進(jìn)行清掃和吸塵，通過(guò)碰撞頭實(shí)現(xiàn)對(duì)前方障礙物的躲避和繞過(guò)可以使所到角落得到清潔，同時(shí)兩個(gè)超大邊掃輪的設(shè)計(jì)，可使角落和地面掃的更徹底，更干凈，兩個(gè)清掃輪的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，更使得垃圾不會(huì)從機(jī)體底部溜掉，清潔更完善，同時(shí)清掃吸塵一體的雙重作用，使掃起來(lái)的塵土更有規(guī)律和順暢的進(jìn)入垃圾收集盒內(nèi)，并且通過(guò)在前輪和清掃輪動(dòng)力箱內(nèi)上安裝光電傳感器，可以使該機(jī)器人擁有自動(dòng)防機(jī)體卡死和掃輪卡死的功能，當(dāng)被卡住使其自動(dòng)后退或關(guān)機(jī)，并在碰撞頭上裝有紅外反射探測(cè)器，可自動(dòng)判斷前方是否懸崖，并自動(dòng)繞開(kāi)。

特點(diǎn)：

1、掃地省時(shí)、省力、提高工作效率、能源利用率：整個(gè)清潔過(guò)程不需要人控制，減輕人的操作負(fù)擔(dān)，人們可以利用節(jié)省的時(shí)間做其他有意義的事。

2、低噪音：小于50分貝，清潔房間的過(guò)程免受噪音之苦。

3、凈化空氣：內(nèi)置活性碳、吸附空氣中有害物質(zhì)。

4、輕便小巧：輕松打掃普通吸塵器清理不到的死角。

掃地機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

掃地機(jī)器人系統(tǒng)通常由四個(gè)部分組成：移動(dòng)機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。

移動(dòng)機(jī)構(gòu)是掃地機(jī)器人的主體，決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間，一般采用輪式機(jī)構(gòu)。

感知系統(tǒng)一般采用超聲波測(cè)距儀、接觸和接近覺(jué)傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機(jī)等。

隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，掃地機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)已具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。掃地機(jī)器人的控制與工作環(huán)境往往是不確定的或多變的，因此必須兼顧安全可靠性、抗干擾性以及清潔度。用傳感器探測(cè)環(huán)境、分析信號(hào)，以及通過(guò)適當(dāng)?shù)慕７椒▉?lái)理解環(huán)境，具有特別重要的意義。近年來(lái)對(duì)智能機(jī)器人的研究表明，對(duì)于工作在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的自主式移動(dòng)機(jī)器人，要進(jìn)一步提高其自動(dòng)化程度，主要依靠模式識(shí)別及障礙物識(shí)別、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸及適當(dāng)人工智能方法，還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)全局模型，從而為機(jī)器人獲取全局信息。

目前發(fā)展較快、對(duì)掃地機(jī)器人發(fā)展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是:傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、掃地技術(shù)、電源技術(shù)等。

掃地機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

掃地機(jī)器人主要包括以下幾部分：

1、個(gè)行走驅(qū)動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該部分主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動(dòng)。殼體前端和側(cè)面裝有紅外開(kāi)關(guān)，作為碰撞檢測(cè)傳感器。底面的3個(gè)紅外開(kāi)關(guān)作為臺(tái)階檢測(cè)傳感器，防止跌落。驅(qū)動(dòng)輪上裝有光電編碼盤(pán)，可以對(duì)輪速進(jìn)行檢測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。同時(shí)還擴(kuò)展了超聲波傳感器，用于精確定位的需要；

2、清掃機(jī)構(gòu)。用電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)清掃刷，使左面清掃刷順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右面逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就可以在清掃灰塵時(shí)將灰塵集中于吸風(fēng)口處，為掃地機(jī)構(gòu)的工作做準(zhǔn)備；

3、掃地機(jī)構(gòu)。制造強(qiáng)大的吸力，將灰塵吸入灰塵存儲(chǔ)箱中；

4、擦地機(jī)構(gòu)。在清掃、掃地之后，利用安裝在殼體下面的清潔布擦除殘留在 地面上的細(xì)小灰塵，保證清潔工作的質(zhì)量。

掃地機(jī)器人的工作流程

1、首先可以通過(guò)鍵盤(pán)或者遙控器啟動(dòng)清潔機(jī)器人，讓它開(kāi)始清掃工作。

2、機(jī)器人一旦開(kāi)始工作，便控制清掃機(jī)構(gòu)進(jìn)行清掃、掃地機(jī)構(gòu)開(kāi)始掃地、擦地機(jī)構(gòu)開(kāi)始擦地。

3、機(jī)器人開(kāi)始工作，傳感探測(cè)模塊就開(kāi)始不斷地采集外部信息，送到CPU進(jìn)行分析和決策產(chǎn)生機(jī)器人行走的路徑。

4、當(dāng)路徑規(guī)劃需要機(jī)器人實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的時(shí)候。CPU就分別改變左右輪的速度，通過(guò)差速來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

5、工作期間機(jī)器人可以通過(guò)LCD顯示一些相關(guān)信息(比如工作模式、工作計(jì)時(shí)或溫度)。

6、遙控器除了可以控制清潔機(jī)器人的啟停，還可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定時(shí)，讓機(jī)器人在一定時(shí)間后開(kāi)始工作或者工作一定時(shí)間后停止工作。

機(jī)器人利用安裝的各類(lèi)傳感器來(lái)獲取室內(nèi)環(huán)境以及自身的基本信息，如障礙物的位置、自身走過(guò)的距離等;然后根據(jù)獲得的信息，選定相應(yīng)的控制策略;通過(guò)以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)進(jìn)行障礙物判斷、避障策略選擇和運(yùn)動(dòng)行走實(shí)施。機(jī)器人面板上有控制其開(kāi)始/停止工作的按鍵。同時(shí)也可以通過(guò)遙控來(lái)控制，遙控還可以用來(lái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定時(shí)，LCD實(shí)時(shí)的顯示定時(shí)的倒記時(shí)和當(dāng)前的溫度值。

掃地機(jī)器人傳感器系統(tǒng)

任何機(jī)器人都離不開(kāi)傳感器，機(jī)器人要具備智能行為必須不斷感知外界環(huán)境，從而做出相應(yīng)的決策行為。

超聲波傳感器

超聲波是一種一定頻率范圍的聲波它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面處，會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象利用這一特性，就可以根據(jù)測(cè)量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測(cè)量距離的作用其具體的計(jì)算公式如下：

s＝v×t／2

注：s：為障礙物與吸塵器之間的距離；

t：為發(fā)射到接收經(jīng)歷的時(shí)間；

v：為聲波在空氣中傳播的速度

在掃地機(jī)器人中，避障功能的實(shí)現(xiàn)正是利用了這一超聲波測(cè)距的原理它的傳感器部分由三對(duì)（每對(duì)包括一個(gè)發(fā)射探頭和一個(gè)接收探頭）共六個(gè)超聲波傳感頭組成

由單獨(dú)的振蕩電路產(chǎn)生頻率固定為40kHz，幅值為5V的超聲波信號(hào)在控制器送來(lái)的路選信號(hào)的作用下，40kHz的振蕩信號(hào)被加在超聲發(fā)射探頭的兩端，從而產(chǎn)生超聲信號(hào)向外發(fā)射；該信號(hào)遇到障礙物時(shí)，產(chǎn)生反射波，當(dāng)這一反射波被接收器接收后，根據(jù)前述測(cè)距的原理，就可以精確地判斷障礙物的遠(yuǎn)近；同時(shí)，根據(jù)信號(hào)的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小。

超聲波傳感器采用直接反射式的檢測(cè)模式。位于傳感器前面的被檢測(cè)物通過(guò)將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測(cè)到被測(cè)物，經(jīng)單片機(jī)系統(tǒng)處理判斷前方物體的大小、遠(yuǎn)近及大體屬性。

紅外測(cè)距傳感器

紅外測(cè)距傳感器利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測(cè)。紅外測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)紅外的檢測(cè)方向遇到障礙物時(shí)，紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過(guò)處理之后，即可利用紅外線的返回信號(hào)來(lái)識(shí)別周?chē)h(huán)境的變化。

接觸式傳感器

接觸式厚度傳感器，通常采用電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、電位器式位移傳感器、霍耳式位移傳感器等（見(jiàn)位移傳感器）進(jìn)行接觸式厚度測(cè)量。為了連續(xù)測(cè)量移動(dòng)著的物體的厚度，常在位移傳感器的可動(dòng)端頭上安裝滾動(dòng)觸頭，以減少磨損。接觸式厚度傳感器可測(cè)量物體高度，空間大小。全能清潔機(jī)器人可利用這一點(diǎn)探測(cè)障礙物的高度，進(jìn)一步做出判斷發(fā)揮它的功能.

紅外光電傳感器

把渾濁度傳感器的外殼固定在被測(cè)箱體內(nèi)，采用一定波長(zhǎng)的紅外發(fā)光二極管作為檢測(cè)光源，穿透被測(cè)溶液，檢測(cè)其透射光強(qiáng)來(lái)檢測(cè)溶液渾濁度的程度。紅外發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光穿透被測(cè)溶液的介質(zhì)，被接收端的光電三極管接受，產(chǎn)生光電流。由于溶液含有的介質(zhì)、灰塵的顆粒大小、密度不同，光電三極管的光電流近似為線性變化。經(jīng)濾波后輸出，即得到與渾濁度相關(guān)的檢測(cè)信號(hào)。

防碰撞傳感器

因各種因素的影響，掃地機(jī)器人難免會(huì)有撞上障礙物的可能。為了處理這種情況，我們利用光電開(kāi)關(guān)傳感器來(lái)感應(yīng)車(chē)體受到的碰撞，及碰撞的大概位置，以使掃地機(jī)器人做出相應(yīng)的決策。

在掃地機(jī)器人的前端設(shè)計(jì)了約180°的碰撞板，在碰撞板左右兩側(cè)各裝有一個(gè)光電開(kāi)關(guān)。光電開(kāi)關(guān)由一對(duì)紅外發(fā)射對(duì)管組成。