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摘要：智能扫地机器人作为一种新的科技已经越来越多地走向大众家庭生活，这一新型产品的出现极大地节省了我们人力，解放了我们的双手，因此，市场需求度也越来越高。但与此同时，人们对其性能的要求也越来越高，提升其使用功能已经成为当下智能扫地机器人研发的重点。本文在对智能扫地机器人研究分析的基础上，从整体上对智能扫地机器人进行了结构可靠性设计，此外，还对驱动、吸尘、电源等其他功能模块进行了设计说明，最后对智能扫地机器人的应用未来进行了展望。
关键词：扫地机器人；结构设计；功能设计
引言
扫地机器人的主要作用是为人们的日常生活服务，随着人们生活水平的提高，也随着智能家电对人们生活的影响，我们对智能机器的依赖度也越来越高。尤其是当下，它已经是我们生活中不能缺少的一部分。智能扫地机器人有着非常广阔的市场前景，因为它的使用，不会像人类一样受到时间和空间的限制，不管是在家庭还是大型的公共场所，智能扫地机器人都非常的适用，这极大地节省了我们的人力。在此基础上，我们研究者应该致力于开发出更高端的智能扫地机器人，比如智能吸尘器等产品将会有更大的市场需求。本文，通过大量的调查研究，结合当下的社会现状，探究了智能扫地机器人的总体设计，为其今后的应用和研发打下良好的基础，希望能为今后的研究者提供一定的借鉴。
1 智能扫地机器人总体结构设计
智能扫地机器人在总体设计上有着一定的难度，它并不是一种简单的装置，其结构和性能也是相对复杂的。目前人们使用比较普遍的移动机器人在运动机构上有足式、轮式、履带式三种较为常见的。其中足式的智能机器尝尝适用于地面不够平整的空间，在设计上比较复杂，操作上也有相对的难度。履带式的智能机器就有着一定的优越性，对于地面的障碍物能够很好地进行跨越，这种运动机器人我们在野外考察和户外运动时使用的比较多。而与之相对的是轮式的移动机器人，使用这种机器对地面环境的要求是比较高的，但其在使用操作方面也是最为简单的，多用于家庭内部和比较平整的公共场所，在性能上所达到的效果也相对较好。轮式移动机器人在现实使用中较为常见的是两轮、三轮、四轮和六轮机器人，其中在结构和稳定性方面反映最好的是三轮机器人，其在市场应用上也比较受欢迎。本文所涉及的智能扫地机器人主要针对家庭、办公室等室内地面环境，所以采用三轮的轮式运动机构。图1所示为智能扫地机器人结构设计示意图。
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图1 智能机器人整体结构示意图
在整体结构上，智能扫地机器人可以分为四个部分，分别是车体、传感部分、控制部分和吸尘装置。这种三轮智能扫地机器人在外形上是由一个前轮和两个后轮来构制，其中前轮可以随意扭转。而后轮主要是通过差动式驱动来前行。其中，在前轮上还需要配置光电编码器，随着前轮同轴转动，一旦前方发现障碍区或者阻挡物，碰板就会促使开关移动，从而会引起信号的强度变化。此外，光电传感器还有一个功能，就是探测车体两侧的环境，判断是否可以向左右进行转弯掉头。这一智能扫地机器人在结构上也相对复杂，外形上多采用圆形，便于其灵活转动，也能够最大空间地转向各个领域或者闭塞的小空间，而不会发生较多牵绊。
该智能扫地机器人的车体前端是一个碰板系统，它是由一套机械装置和光电开关组成，主要功能是判断前方是否有障碍物。而两个后轮是可以独立前行驱动的，每个轮子都有电机、光电传感器，在结构设计上他们分别是一个独立的结构。机器中间镂空的部分是清扫系统，这一部分主要是由一个清扫装置和一个吸尘装置来组成。在车体的两边还分别有光电传感器，其主要功能是判断转弯的可行性。在车体的前轮上往往还有一个支撑杆，可以垂直滑动，中间有弹簧，主要可以起到一个缓冲的作用，在机器运动时可以帮助减震，减少噪声。
这种三轮智能扫地机器人是由一块碰板和光电开关组成，弧形的碰板由两个连杆和车体铰接在一起，连杆和碰板连接的部分可以沿碰板外径方向滑动，而和车体连接的部分可以旋转，碰板二端和光电开关相连，当碰撞引发碰板移动后，通过光电开关的变化把信号反馈给控制系统。碰板可以把障碍物的位置分为3类：正前方，前方，右前方。通过2个光电开关的组合状态给出，如果2个光电开关的初始状态是0。如表1所示。
表1 检测对照单
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2 驱动部分
智能扫地机器人的驱动部分也是非常复杂的，它是由两个四相步进电机和相应的驱动机构合成。在运行时通过步进电机促使两驱动轮——后轮。而前轮不同于过往的双轮结构，单轮结构主要是采取较为流行的平面轴承，从外观上更加简洁，也更加灵活。
通过改变作用于步进电机的脉冲信号的频率， 可以对步进电机实现较高精度的调速。同时在对两电机分别施相同或不同脉冲信号时， 通过差速方式， 可以方便的实现吸尘器前进、左转、右转、后退、调头等功能。这一设计的最大优点是吸尘器能够在任意半径下， 以任意速度实现转弯， 甚至当两后轮相互反向运动时， 实现零转弯半径即绕轴中点原地施转动。同时转弯的速度可通过改变单片机的程序来调节。
3 其他部分
3.1 吸尘部分
吸尘部分是智能扫地机器人的重要组成部分，在设计上往往封闭在机体内，这样更便于尘土的密封和清扫。在结构上通常有四部分组成，分别是气泵，吸室，吸道和吸嘴。
3.2 电源部分
智能扫地机器人的电源一般在机体内部，即该机器通常是随身携带充电装置，也就是机器在工作室不是采取离线方式，因为它工作时往往不需要人工控制，是一种自由活动的载体，这样的充电方式也可以随用随充，不受时间和空间的限制。目前，使用比较普遍的家用机器人一次充电可以工作6到10个小时。
4 总结
本文在综合分析当前智能扫地机器人研究现状的基础上，对智能扫地机器人进行了可靠性结构设计，为智能扫地机器人的普及应用打下基础。目前室内地面清洁机器人作为新兴行业，存在许多技术问题，需要我们去研究。将来，室内地面清洁工作有望完全交给清洁机器人，让机器人技术更好的造福人类。
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作者简介：姓名：李质波，1982年8月，男，汉，四川遂宁人，本科，中级工程师，研究方向：消费类电子产品结构设计。
论文作者:李质波
论文发表刊物:《科技研究》2019年2期
论文发表时间:2019/5/13
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