摘要：智能家庭扫地机器人因为其对家庭成员在繁重的家务劳动中解放起到了积极的意义，所以在目前成为相当受人瞩目的一个产品。目前，现有的智能扫地机器人在工作过程中，表现出对清扫区域打扫不全面、对障碍物无法准确进行躲避和对部分颗粒无法清扫的问题，这一系列的问题通过相关的技术手段和全新的设计方案可以得到一定程度上解决。
关键词：智能机器人；设计原理；超声波放声技术
前言：
在现代社会中，传统的家用电器已经步入智能化，同时全新的家电产品也在走进普通家庭。智能扫地机器人能够在一定程度上分担家庭成员的家务工作，但在实际的应用中发现，智能家庭扫地机器人在多个方面还可以进行优化，诸如对其涉及原理的分析和改进，对机器人新材料的应用，可以避免机器人与室内障碍物的碰撞和提高其工作效率。
一：智能家庭扫地机器人的现状和原理
（1）智能扫地机器人的现有问题分析
智能扫地机器人由于其可清扫的范围包括床下、柜子下等狭小空间是人力所无法达到的卫生死角，所以现有的智能扫地机器人虽然仍存在不足，但因其减轻了人力负担的客观事实存在，在近几年的时间中仍然得到了长足的发展与改进。智能家庭扫地机器人的主要功能是清扫地面的灰尘和垃圾，在清扫过程中，利用导航定位系统进行路径的自动规划，达到对地面自动清洁的目的。智能扫地机器人的主要采用红外传感技术和超声波仿生技术来进行具体的障碍物识别控制，然而在实际的使用过程中，两种技术均存在一定的缺陷，红外感应技术的成本较低，但其对机器人的应用环境要求较高，机器人无法回避透明及深色物体，易造成碰撞。超声波仿生技术的探测灵敏度和对方向的探测上虽然优于红外线感应技术，但其技术成本高，导致难以广泛地推广和应用。在机器人的设计上，目前主流的外观设计均采用扁圆型，微电脑和新技术的应用使机器人机身小巧，可针对各种场景进行应用。现今的智能扫地机器人都具有清洁区域规划的功能。红外线传感技术的应用，让机器人在执行清扫任务时，可通过发射红外射线来对环境进行探测，红外射线在碰触到深色物体表面时，会被反射回机器人。利用这样的原理，机器人的控制中枢可以对地形产生相应的记忆，同时又能实现自动转弯。这样的技术原理使得机器人的清扫路径变得有序，不过同样也造成了该类机器人对环境要求颇高的困境，因为在家庭中机器人需要遇到的障碍物体颜色深浅是有差异的，某些物体的颜色深浅差异甚至是巨大的。同时在家庭生活中，障碍物多且杂，部分物体形状不规则，造成射线无法准确回射，也使得机器人在一方面无法全面规划清扫区域，不能实现均匀的清扫效果，也容易与家庭中的物品发生碰撞。
（2）对部分物体容易造成破坏，清扫力度不足
扫地机器人实现对障碍物进行规避的方式有完全规避和缓冲碰撞两种。大部分红外线感应技术原理的扫地机器人在遇到障碍物时无法达到完全不接触、不碰撞的规避效果，同时又有红外线感应技术的缺陷，该种机器人只能限于对规则的实心障碍物进行规避，对不规则的柱体无法达到识别效果，碰撞过程中也会对物体表面产生一定的破坏。当然，如果扫地机器人使用的是超声波仿生技术，可以进行完全的识别，也能在不接触物体表面的前提下进行规避，不过由于技术成本的原因，这种技术并为在扫地机器人身上得到广泛应用。另外，智能扫地机器人的清扫方式是使用清扫刷，通过吸尘器和内部动力，对清洁区域以移动滚刷的方式在清扫的同时吸取这一过程中清扫出的灰尘，但清扫机器人本身的设计追求小巧，因而制约了其吸尘口和滚刷的大小，导致部分颗粒较大的待清洁物无法被清除。如果要解决这一系列问题，除了在技术上要求创新之外，同时也要对机器人的整体设计进行改进。
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（3）智能扫地机器人的定位原理
智能扫地机器人的定位是以已知的环境信息和地图信息为依据，利用机器人的内部传感器返回资料，实现对姿势、方向等的估算和调节。按照机器人所采用的具体传感器进行分类，其定位技术可分为利用陀螺仪和加速度计等实现定位的惯导法；根据机器人的位移增量，利用传感器推算位置的测距法；以及利用GPS、地图模型等定位绝对定位法。
二：智能家庭扫地机器人的整体设计
智能扫扫地机器人的设计目标是使其在没有其他外部因素干扰的情况下，独自完成室内清扫工作。需要明确的是，智能扫地机器人在设计时，必须集成自带电源、小巧轻便、自主性清扫的能力，同时其使用环境主要为普通家庭居家环境等有限、平整的封闭空间内。智能扫地机器主要的工作对象是包括灰尘、纸屑等在内的小尺寸物体。另外，智能扫地机器人的设计还必须遵循不对家庭内部的人员和物品造成任何危害的原则展开。
电机是机器人工作的主要结构，机器人的行走、吸尘、毛刷等部分都需要由电机驱动。细分直行走结构上，机器人的行走结构中包裹一个从动轮和两个驱动轮，行走结构通常选用无刷直流电机进行控制。无刷直流电机的优点在于其功率大，同时电机体积较小，非常适合小型化设计的智能家庭扫地机器人进行使用。同时，由于无刷直流电机相比于传统直流电机，在性能上有着巨大的提升，使用寿命也远远超过了传统直流电机。在机器人的吸尘器内部，可采用直流电机，优化调速和换向的问题，简化控制方法。在机器人的设计中，传感器是智能扫地机器人的重要设备，其在整个系统中的地位也较重，所以在这个方面需要根据机器人的实际应用需求进行选择。扫地机器人的传感器与机器人的工作质量息息相关，能否正确无误地工作很大程度上取决于扫地机器人的传感器，同时由于家庭的实际需要，机器人的传感器必须能够长期稳定地支撑起机器人的工作。根据机器人的实际工作环境，度机器人的传感器进行选择，可以让机器人在清扫过程中有效地规避障碍物，保证家庭内物品的完整无损，也能延长机器人的使用寿命。电源是扫地机器人能够正常工作的基础，目前，锂电池是市场上应用较广泛的电池。在扫地机器人设计中，应用的电池需要电压稳定、可充电、能量密度高的电池，包括镍镉电池、铅酸电池、银锌电池等选项，上述电池选项具有其优缺点，如铅酸电视虽然应用广，同时具有电压高、价格低的特点，但其能量密度较低，银锌电池虽然功率较大，能量密度较高，但其使用寿命上较短。扫地机器人由于其工作性质属于高重复性、高耗时的工作，同时也需要让人们从传统的清扫工作中解放出去，所以在实际的设计中，根据具体的应用场景和环境进行电池的选择，能让智能扫地机器人充分地发挥自身有点。而锂电池由于其能量密度高、重量轻、绿色环保的特点，是相较于其他电池类型，更加合适的选择。
三：扫地机器人的使用材料分析
家庭扫地机器人在实际使用中，对于碰撞是难以避免的。虽然在设计过程中可通过对红外线感应传感器和超声波仿生技术进行选择，但由于相关技术和实际使用情况的限制，扫地去机器人在使用过程中仍然无法避免与室内物品发生碰撞。在机器人的设计过程中，以软性半包的塑胶外壳来减缓撞可以达到保护机器人和室内物品的效果。在机器人的软性外壳设计中，采用轻薄且成本较低的材料，同时为机器人传感器的红外线或超声波射出处留出空隙，可以保证机器人在受到保护的情况下正常地进行工作。针对机器人对某些需要清洁的颗粒难以清洁的问题，设计时选用大口径清扫滚刷和大口径吸尘口，配合高功率的直流无刷电机，在工作过程中，可以有效地解决难以清除部分颗粒的问题。
结语：
针对智能家庭扫地机器人，从原理的分析到设计的优化，可以让其在对室内的清扫工作中提高效率，使其为家庭更好地进行服务。智能扫地机器人目前面临的问题主要有其定位的不准确、工作区域划分的不均匀、以及清扫不彻底等问题，相信在未来智能机器人在解决这些问题的基础上会变得更加智能，为普通人的生活提供更多便利。
参考文献：
[1]周盛荣.智能家庭清扫机器人的研究[D].哈尔滨工业大学，2006.
[2] 薛慧心.智能家庭扫地机器人设计原理研究与分析[J].信息技术，2014（11）：196-198.
论文作者:靳军
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/3
标签：机器人论文; 智能论文; 家庭论文; 技术论文; 工作论文; 障碍物论文; 传感器论文; 《基层建设》2018年第34期论文;