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真空吸尘器机器人的研制
- 介绍
一个非常值得注意的家庭家务是地板清洁，这通常被认为是不愉快，困难，尴尬和无聊的[1]。在大多数情况下，清洁工是被雇来做这项工作的，而不是由家庭居民来做的。这种反复进行的工作所带来的不适需要开发一种真空吸尘器，可以帮助人类完成这样的任务[2]。真空吸尘器是一种机电设备，通常用于清洁地板、家具、地毯和地毯。设备内部的电动马达转动风扇，产生部分真空，并使外部空气冲入真空空间[4]。这将迫使喷嘴附近的任何灰尘进入机器内部的袋子或附着在外部。目前的真空吸尘器虽然效率很高，但体积相当笨重，因此需要大量的人力才能正常工作。早期已知的清洁工是爱荷华州的丹尼尔·赫斯（1860年）和芝加哥的艾夫斯·w·麦加菲（1868年）的[5–7]。前者使用风管产生吸力，用旋转刷子收集灰尘，后者使用手动曲柄风扇驱动的皮带，这使得操作起来很尴尬。在20世纪90年代末和21世纪初，根据工作效率更高设计目标，机器人真空吸尘器适用于办公室、酒店、医院和家庭[9–17]。然而，大多数便宜的清洁剂需要一个更好的清洁模式算法来高效运行，而智能的清洁剂则相当昂贵，因此超出了大多数家庭的覆盖范围。本文在设计机器人真空吸尘器时，仔细考虑了这些挑战。目前的机器人真空吸尘器是由电脑废料、超声波传感器和一个Arduino巨型2560微控制器制造出来的，这使得它相对便宜。它使用图形算法导航房间，它的清洗机制通过并排放置的两个旋转清扫器来增强。在设计清扫机的设计中，仔细考虑了它的圆盘形状。
- 机器人零部件的考虑与设计
真空吸尘器包含车轮，清洁，电气和控制系统，所有的工作和谐，以实现高效的清洁。在设计这些系统时；对审美观、整体重量和电气连接性给予了适当的关注。总平面图（图1）为清扫机电机、轴向轮、伺服控制电机等的位置。
2.1.车轮系统
为了正确地分配车轮系统上的载荷，我们考虑了机器人的近似重量。在实践中，一个良好的设计将载荷更多地集中在轴向轮上，而很少集中在前轮[18]上，因为后者是为导航而设计的。机器人的概念设计是，其车轮系统不对称(图2a)，这意味着车轮在结构上不均匀分布。两个轴向车轮，由直流电机驱动，只允许在平行方向上运动，并产生移动清洁器所需的扭矩。单前轮，由伺服控制，引导机器人主动和迅速地切换方向的轮子。它的设计是为了促进机器人的反向和向前移动。车轮系统被精心地和系统地布置，以确保低重心和清洁剂的准确运动。根据机器人的形状仔细地放置车轮（图2b）。对于三轮机器人，采用三角测量法定位车轮（图2c）。给定一个直径为D的机器人，扇区OAB为：
扇形OAB=90divide;360times;pi;times;Dsup2;divide;4
从图2(c)，D=4times;Tpd
扇形OAB=90divide;360times;pi;times;16times;Tpdsup2;divide;4
Tdp是轮胎位置轴到机器人中心的距离，枢轴P（车轮的位置）是从机器人中心水平和垂直方向的Tpd。按照这个程序来确定第二个轮子的位置。然而，前轮的位置是通过P为中心的点画一个共同的圆来确定的，然后线BO延伸到Q点处的圆，成为前轮的轴线(图2a)。
2.2.清洁系统
该机器人配备了两个旋转清扫马达，每个马达都配备有两个刷子，将污垢旋转到真空半径。圆盘形状设计的挑战之一是，笔刷倾向于重叠并最终缠结。然而，在目前的设计中，清扫器电机被放置在车轮的中间位置，从而防止了刷子的重叠（图1）。仔细考虑清扫系统的布局表明，机器人实际上清扫的区域大于其有效的清洁区域。
2.3.电气系统和电池
电气系统设计紧凑，大部分部件安装在吸入电机上。这将系统与身体隔离开来，从而防止在机器人撞击固体表面时由于振动造成的损坏。此外，紧凑的电气系统有助于平衡负荷，以防止摆动。采用可充电锂离子聚合物电池是因为其重量轻、电化学电位高、能量密度好（是标准镍镉的两倍）[19]。电气连接的完整布局如图3所示。继电器、超声波传感器、吸入电机、清扫器等，通过它们各自的引脚连接到阿迪诺巨型控制器。LM7805电压调压器IC从输入电压范围7-35V和额定电压提供5V调节电源。继电器1、继电器2和继电器3作为外部能源和Arduino、吸入电机和电机屏蔽电池之间的转换。当POLE1、POLE2、POLE3分别与NO1、NO2、NO3接触时，表示外部电源正在使用，所有电池正在充电。但当POLE1、POLE2和POLE3分别与NC1、NC2和NC3接触时，表示正在使用电池。
2.4.控制系统：传感器和微控制器
传感器可以帮助机器人感知外部环境，做出决策并采取相应的行动。所开发的机器人使用了四个超声波传感器(HC-SRO4模型)，这些传感器内置了声纳，设计用于确定与目标[20]的距离。这种类型的传感器提供了优秀的非接触范围检测（2-400厘米）和高精度。它的操作不受阳光或黑色材料的影响，尽管像布这样的声学软材料很难被检测到。它带有超声波收发机和接收机模块。
微控制器通常包含处理器核心、内存和可编程的输入/输出外设。它们被用于自动控制的产品和设备中，如汽车发动机控制系统、遥控器、办公机器、电器和其他嵌入式系统。在这项工作中，我们使用了Arduino微控制器，因为它使用了单一的板式电脑，使其在专业市场上流行起来。Arduino是开源的，拥有相对便宜的硬件。虽然Arduino微控制器根据使用的复杂性有不同的功能，但Arduinomega被用于这项工作，因为它允许我们使用更多的引脚和更多的内存来保留代码。Arduino巨型板是一个基于ATmega2560的微控制器板。它有54个数字输入/输出引脚(其中14个可用作PWM输出)，16个模拟输入，4个UARTs（硬件串口），一个16MHz晶体振荡器，一个USB连接，一个电源插孔，一个ICSP报头和一个复位按钮。单控制器可以通过USB线、交直流适配器或电池将其连接到电脑上即可供电。Arduino微控制器有IDE，其中存储了编写的程序代码（参见我们附录中的代码）。这允许与其他软件或硬件设备进行交互。微控制器通过通常是自动安装的驱动程序连接到计算机上。
2.5.机器人导航
虽然大多数吸尘器机器人导航系统是随机实现的，以避免常见的障碍，但我们的设备中的导航系统被系统地绘制成一个简单的程序，即使在家里有不断变化的障碍，如商店。机器人不只是记住这个程序，而是更新周围的环境，并根据程序做出决定。该协议是为了速度和效率而建立的。当机器人被放置在房间的中心时，这一点在它的决定中得到了明显的体现，在这种情况下，所有的清洁过程都会停止，直到机器人能够自己导航到起始位置。
图4为开发机器人导航流程图。一旦机器人打开，它就会检查环境并决定最佳移动方向。这是通过检查左传感器或右传感器到最近的障碍物之间的距离来完成的，并且距离较高的一侧被分配给目的地。在这之后，机器人会检查它是否被放置在房间的角落附近。使用背部传感器，估计到障碍物/拐角的距离。然后机器人向后移动，直到距离低于安全距离，安全距离，选择为15厘米。阿杜诺电机罩上的电机驾驶员有施加发动机制动的能力。制动器通过电机两端短路，由销16（通道A）和销15（通道B）控制（图3）。
在这些预操作程序完成后，清扫器、鼓风机和车轮电机被打开。然后，机器人沿着一条直线移动，直到它感知到一个由安全距离所指示的障碍。此后，机器人将其传感器切换到导航侧，导航侧在每次转弯后不断变化，因为面向目的地的一侧交替地从左向右移动，反之亦然。当到达目的地的距离最终接近安全距离时，这表示机器人已经到达了房间的另一个角落或被卡住了。在任何一种情况下，所有的电机都被关闭，以节省电力。但是，它每15秒重新初始化一次，看看障碍是否被消除或环境已经改变。
- 结果和讨论
本节将讨论所开发的机器人的概述和性能评估。
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- 一个完整的机器人的概述
该机器人的设计需要考虑其紧凑性、效率和智能性。圆盘形状几何形状的选择(图5a)使其处于可用的概念设计的最前沿。与圆盘的形状；我们能够将电动轮的数量限制在两个牵引后轮和一个伺服前轮(图5b)。同时，清扫器被分析地放置在最最佳的位置，这增加了机器人的清洁面积，而不增加机器人的整体尺寸(图5b)。当与冷却风扇完全集成时，垃圾箱同时作为污垢库和旋风装置（图5b和d）。这表明，垃圾箱实际上是一个容器，里面有部分真空设置，吮吸和保留污垢，而不可能溢出污垢。需要强调的是，垃圾箱与被吸走污物的地板不断接触。
在电气设计的考虑中，每一对锂离子聚合物电池都独立地满足了Arduino和电机屏蔽，因为它们的功耗率不同。当电机屏蔽驱动机器人上的所有电机时，阿迪伊诺板作为大脑，接收来自超声波传感器的脉冲并控制电机屏蔽。另外，一个额外的12V电池驱动吸盘风扇，使整个电池驱动机器人为28.8V。
底盘框架是由硬板纸，因为其灵活性和可用性。Arduino微控制器板安装在底盘上，并放置在前轮，允许其他交互的组件访问(图。3和5c)。四个超声波传感器间隔90，鼓风机产生真空，吸入污垢（图5c和d）。两个清扫器顺时针和逆时针旋转，将污垢收集到吸尘区域。在将所有组件组装在框架上并上传编程代码后，对机器人进行测试，发现机器人能有效地吸尘，有效地避免障碍物。
该机器人宽12厘米，高9厘米，便于操作。它的重量约1.5公斤，这是由于轻电池，纸板垃圾箱和小型鼓风机。表1总结了真空吸尘器的主要部件的其他物理尺寸。垃圾箱的最大容积为0.14L，与其他先进的真空吸尘器相比，体积相当小。这种限制是由于鼓风机的直径较小。如果需要，清洁剂可以适当地放大。
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- 对机器人的性能进行评估
在实验室和办公室环境中，基于导航效率、扫描能力/效率和功耗对所开发的机器人的性能进行了评估。在光滑的地板上测试清洁性能，地板上散布大米、油炸木薯谷物、面粉（普通家庭食品）和沙子的混合物（图6a）。从房间的一端到另一堵墙的两条通道或遇到障碍时，机器人吮吸它们。地板在一分钟内有效清洁，无障碍物（图6b）。对于那些有障碍物的人来说，这需要更长的时间，因为机器人必须导航它们。在办公室里进行了更多的测试和实验室空间，也得到了类似的结果。虽然机器人能有效地导航这些区域，但偶尔会观察到由于微小的障碍而出现的故障。需要注意的是，该机器人是为了保持非常接近地面，以实现更多的吸力和检测小障碍。任何无法检测到的障碍物都必须高于1.5厘米，这基本上不会对机器人的导航构成威胁。
垃圾箱也很有效，因为吸走的泥土被保留下来没有溢出。垃圾箱是非常容易接近的，使清空污垢和重新定位垃圾箱很容易。关于功耗，表2显示了机器人中组件的分解以及绘制的最大电流。总电流为1102mA。对于容量为2200毫安时的电池，我们计算出清洁器在充电前可以有效清洁2小时。这是可能的，因为大多数耗电组件（清扫器，吸电机）关闭在机器人只是初始化，卡住或闲置。有了这种能力，该设备将被部署为办公室和家庭使用，从而使清洁成为一个完全自主的任务。
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- 挑战和建议
清洁能力受到垃圾箱体积的限制。这可以按比例扩大规模。此外，更大的叶轮与叶片和外壳之间的间隙更大，因为这将影响垃圾箱的定位和回收。电机屏蔽由两个L293DIC驱动；这些部件在运行中可能会变得越来越热，因此加入散热器或更传统的冷却系统将是有益的。目前还需要更多的传感器来实现大规模的国内能力，例如，楼梯时的悬崖传感器。最后，需要建立一个对接站，机器人可以在电池耗尽后给自己充电，以实现完全自动化。
- 结论
设计、制造和测试了一个真空吸尘器机器人。它有一个盘状，通过一个可伸缩的垃圾桶吸污垢，上面安装一个冷却风扇。吸风机有助于产生真空，吸引灰尘到垃圾箱。该机器人使用一个前脚轮轮和两个后轮导航，并使用超声波传感器检测障碍物。采用28.8V直流电池组供电，内置式电池充满电后可连续工作2小时。
- N.Mitchel，《懒惰人的快乐家庭指南：给（真的）讨厌清洁的人的小贴士》，2016.1.9[在线]。可用性：
- C.Appliance，《如何选择最好的真空吸尘器》，2016.2.23[在线]。可用性：http://learn.compactappliance.com/真空吸尘器指南/[2016年6月22日通过]。
- V.Kapila，《机器人学导论》，2012。engineering.nyu.edu/mechatronics/smart/pdf/Intro2Robotics.pdf。
- N. Eidmohammadi,湿干机器人吸尘器概念开发过程，产品和生产开发系查尔默斯理工大学哥德堡，2014
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R.Neato，“Neato机器人公司”，Neato
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