楊靈敏
(柳州工學(xué)院,廣西 柳州 545516)
智能掃地機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域比較熱門(mén)且應(yīng)用較為廣泛的一個(gè)研究方向。掃地機(jī)器人體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的許多關(guān)鍵技術(shù),比如環(huán)境感知和路徑規(guī)劃、自動(dòng)尋找充電座進(jìn)行充電等,智能掃地掃機(jī)器人大大降低了人們掃地的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率,新的機(jī)器人更是適用于大眾家庭、圖書(shū)館、酒店、寫(xiě)字樓等多種環(huán)境[1-3]。隨著生活節(jié)奏的加快,掃地機(jī)器人有著廣闊的市場(chǎng)前景。但隨著新冠疫情的影響,大家更加關(guān)注家里的衛(wèi)生情況。而掃地機(jī)器人通常并不具備衛(wèi)生情況的檢測(cè)功能,由于尺寸限制也無(wú)法進(jìn)入床底、柜底等小窄縫位置。而這些位置的衛(wèi)生情況通常非常糟糕,因此,需要能夠進(jìn)入窄縫的衛(wèi)生檢測(cè)和清掃機(jī)器人來(lái)完成這些特殊任務(wù)。
一般的掃地機(jī)器人主要功能是掃地,但一些功能較完善的智能掃地機(jī)器人還能進(jìn)行清掃、吸塵、擦地、濕拖等工作[4-5]。掃地機(jī)器人通常包控制系統(tǒng)、傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源模塊、吸塵部件等[6-7]。掃地機(jī)器人驅(qū)動(dòng)部分一般由兩臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)配以萬(wàn)向輪,傳感器通常會(huì)有接近開(kāi)關(guān)、紅外及超聲波距離傳感器,甚至有一些機(jī)器人加上了V-SLAM 視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)[8]。清掃系統(tǒng)在掃地機(jī)器人底部安裝有吸塵和清掃機(jī)構(gòu)。但由于要滿足日常衛(wèi)生清掃工作,要清掃的任務(wù)較大,其結(jié)構(gòu)尺寸較大。
本設(shè)計(jì)的窄縫衛(wèi)生檢測(cè)和清掃機(jī)器人參考掃地機(jī)器人的部分主要功能,并經(jīng)行扁平化設(shè)計(jì),壓縮機(jī)器人的厚度,增加衛(wèi)生檢測(cè)功能模塊,對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì),創(chuàng)新設(shè)計(jì)了Y 形垃圾推移裝置。扁平化的機(jī)器人厚度不超過(guò)10 mm,能順利進(jìn)行一些窄縫進(jìn)行衛(wèi)生檢測(cè)工作。通過(guò)衛(wèi)生檢測(cè)裝置的攝像頭能拍攝窄縫內(nèi)的環(huán)境圖像,且左右攝像頭同時(shí)工作,經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)處理形成基于機(jī)器雙目視覺(jué)影像。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入較深的窄縫內(nèi)部進(jìn)行衛(wèi)生監(jiān)測(cè)時(shí),照明燈可以提供照明;紅外探測(cè)傳感器可以對(duì)窄縫內(nèi)是否存小蟲(chóng)子、蟑螂、老鼠、螞蟻等生命體進(jìn)行探測(cè)。在驅(qū)動(dòng)裝置的帶動(dòng)下獨(dú)立進(jìn)入窄縫內(nèi)對(duì)衛(wèi)生情況進(jìn)行很好檢測(cè)并可通過(guò)手機(jī)發(fā)送相關(guān)的衛(wèi)生情況報(bào)告[9-10],以便讓用戶了解室內(nèi)甚至窄縫內(nèi)的衛(wèi)生情況。
窄縫衛(wèi)生檢測(cè)及清掃機(jī)器人主要包括機(jī)器人本體、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)、衛(wèi)生檢測(cè)裝置、灰塵細(xì)屑清掃裝置等。機(jī)器人本體為高度小于10 mm 的扁平狀。該機(jī)器人有1 套基于雙目攝像機(jī)成像技術(shù)的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)裝置,分別安裝在檢測(cè)支架的左右兩側(cè)的安裝平臺(tái)內(nèi),且衛(wèi)生檢測(cè)裝置距離安裝平臺(tái)的邊緣有一定距離,機(jī)器人前端還設(shè)計(jì)有垃圾推移裝置,該垃圾推移裝置包括Y 型推移骨架、垃圾推鏟,推移骨架安裝的檢測(cè)支架的內(nèi)側(cè)成Y 型張開(kāi)形狀,垃圾推鏟位于檢測(cè)支架及Y 型推移骨架前端底部且刀口向前。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到推力過(guò)大時(shí),說(shuō)明此時(shí)的垃圾質(zhì)量過(guò)重或推到固定樁或釘子,則放棄推移任務(wù),有效保護(hù)了機(jī)器人,其性能比較可靠。這樣的設(shè)計(jì)可以對(duì)較大的垃圾進(jìn)行推移處理而不是收集進(jìn)機(jī)器人內(nèi)部較小的收集盒,完成了大小類(lèi)垃圾的分類(lèi)處理。窄縫衛(wèi)生檢測(cè)及清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2 所示。
圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖(去掉部分上蓋)
圖2 機(jī)器人底部試圖(去掉部分底蓋)
機(jī)器人的衛(wèi)生檢測(cè)裝置包括攝像頭、照明燈、紅外探測(cè)傳感器,攝像頭與控制系統(tǒng)的輸入輸出端連接,紅外探測(cè)傳感器與控制系統(tǒng)的輸入端連接,照明燈與控制系統(tǒng)的輸出端連接。衛(wèi)生檢測(cè)裝置的攝像頭能拍攝窄縫內(nèi)的環(huán)境圖像,且左右攝像頭同時(shí)工作,經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)處理形成基于機(jī)器雙目視覺(jué)影像。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入較深的窄縫內(nèi)部進(jìn)行衛(wèi)生監(jiān)測(cè)時(shí),照明燈可以提供照明,紅外探測(cè)傳感器可以對(duì)窄縫內(nèi)是否存小蟲(chóng)子、蟑螂、老鼠、螞蟻等生命體進(jìn)行探測(cè)。因此,機(jī)器人能在驅(qū)動(dòng)裝置的帶動(dòng)下獨(dú)立進(jìn)入窄縫內(nèi)對(duì)衛(wèi)生情況進(jìn)行很好檢測(cè)。即使對(duì)于極窄的窄縫,機(jī)器人無(wú)法進(jìn)入可以通過(guò)拍照方式獲得窄縫內(nèi)的衛(wèi)生情況,因此,可以對(duì)幾乎所有窄縫的衛(wèi)生情況都能進(jìn)行檢測(cè)。
窄縫衛(wèi)生檢測(cè)及清掃機(jī)器人本體設(shè)有上蓋、下部前蓋、下部后蓋、鋰電池散熱孔、側(cè)蓋等。上蓋安裝在機(jī)器人本體的頂部,用于將控制系統(tǒng)芯片和充電鋰電池進(jìn)行有效保護(hù);下部前蓋安裝在機(jī)器人本體的底部前端,用于對(duì)前輪驅(qū)動(dòng)雙軸電機(jī)進(jìn)行保護(hù)并對(duì)灰塵細(xì)屑收集盒進(jìn)行支撐;下部后蓋安裝在機(jī)器人本體的底部后端,用于對(duì)后輪驅(qū)動(dòng)雙軸電機(jī)進(jìn)行保護(hù);鋰電池散熱孔設(shè)于充電鋰電池正對(duì)的側(cè)壁上;充電接口設(shè)置在充電鋰電池附近側(cè)壁上;側(cè)蓋設(shè)置于灰塵細(xì)屑收集盒正對(duì)側(cè)壁上,且側(cè)蓋與鋰電池散熱孔、充電接口不在同一側(cè)面,以避免灰塵細(xì)屑對(duì)充電鋰電池及充電接口的影響。
機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置安裝于機(jī)器人本體的底部,該驅(qū)動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)前輪、前輪驅(qū)動(dòng)雙軸電機(jī)、驅(qū)動(dòng)后輪、后輪驅(qū)動(dòng)雙軸電機(jī)、充電鋰電池。前輪驅(qū)動(dòng)雙軸電機(jī)的輸入端與控制系統(tǒng)的輸出端連接,前輪驅(qū)動(dòng)雙軸電機(jī)輸出端與驅(qū)動(dòng)前輪連接,后輪驅(qū)動(dòng)雙軸電機(jī)的輸入端與控制系統(tǒng)的輸出端連接,后輪驅(qū)動(dòng)雙軸電機(jī)輸出端與驅(qū)動(dòng)后輪連接;充電鋰電池的輸入端與設(shè)置于機(jī)器人本體上的充電接口連接,充電鋰電池的輸出端分別與前輪驅(qū)動(dòng)雙軸電機(jī)、后輪驅(qū)動(dòng)雙軸電機(jī)、控制系統(tǒng)連接。
控制系統(tǒng)包括控制芯片、信號(hào)發(fā)射接收天線、超聲波測(cè)距傳感器、窄縫高度碰撞傳感器、前進(jìn)碰撞傳感器、后退距離傳感器。窄縫高度碰撞傳感器以力觸發(fā),用于防止機(jī)器人進(jìn)入卡死的細(xì)縫。前進(jìn)碰撞傳感器以力觸發(fā),用于當(dāng)碰到障礙物時(shí)停止并回退,后退距離傳感器以超聲波方式探測(cè),用于防止機(jī)器人回退碰到障礙物。信號(hào)發(fā)射接收天線與控制芯片雙向通信,控制芯片通過(guò)該信號(hào)發(fā)射接收天線與用戶的手機(jī)端相應(yīng)的APP 連接。機(jī)器人交互系統(tǒng)的顯示屏、微型音響,顯示屏位于機(jī)器人本體前端的背部,主要用于顯示機(jī)器人狀態(tài)信息,微型音響設(shè)置于顯示屏旁邊,主要提示機(jī)器人狀態(tài)信息及報(bào)警信息。窄縫高度碰撞傳感器、前進(jìn)碰撞傳感器、推移力傳感器、后退距離傳感器的輸出端與控制芯片的輸入端連接。
機(jī)器人的拖地裝置包括灰塵細(xì)屑清掃機(jī)構(gòu)和拖地機(jī)構(gòu),灰塵細(xì)屑清掃機(jī)構(gòu)有兩套,分別對(duì)稱安裝在機(jī)器人本體前部的檢測(cè)支架下部。尾部拖地機(jī)構(gòu)包括多段均勻分布的拖地滾筒抹布。 在機(jī)器人本體的底部還設(shè)置有灰塵細(xì)屑收集導(dǎo)向通道、灰塵細(xì)屑吸入口、灰塵細(xì)屑入盒通道、灰塵細(xì)屑收集盒,灰塵細(xì)屑收集導(dǎo)向通道與灰塵細(xì)屑清掃機(jī)構(gòu)連接,且灰塵細(xì)屑收集導(dǎo)向通道、灰塵細(xì)屑吸入口、灰塵細(xì)屑入盒通道、灰塵細(xì)屑收集盒依次連通在一起。
在機(jī)器人中,避障功能的實(shí)現(xiàn)利用了超聲波測(cè)距的原理,它的傳感器部分由一個(gè)發(fā)射探頭和一個(gè)接收探頭組成,超聲波以一定頻率(一般為40 kHz)的聲波在同種介質(zhì)中以恒定速率傳播,而在碰到障礙物時(shí),會(huì)產(chǎn)生反射,通過(guò)這一特性,根據(jù)測(cè)量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔以及聲波的速度,就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離。具體的計(jì)算公式如下:
其中:L為障礙物與吸塵器之間的距離;v為聲波在空氣中傳播的速度;t為發(fā)射到接收經(jīng)歷的時(shí)間。
為了防止掃地機(jī)器人遇到臺(tái)階時(shí)跌落,在機(jī)器人底部安裝防跌落傳感器。防跌落傳感器也是利用超聲波進(jìn)行測(cè)距。當(dāng)掃地機(jī)器人行進(jìn)至臺(tái)階邊緣時(shí),防跌落傳感器利用超聲波測(cè)得掃地機(jī)器人與地面之間的距離,當(dāng)超過(guò)限定值時(shí),向控制器發(fā)送信號(hào),控制器控制掃地機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向,改變掃地機(jī)器人前進(jìn)方向,從而實(shí)現(xiàn)防止跌落的目的。
機(jī)器人利用雙目攝像頭拍攝圖片,采集環(huán)境的地面圖像然后給控制系統(tǒng)做相應(yīng)的圖像處理,通過(guò)處理可以獲得地面的細(xì)屑或灰塵等的光潔度信息。雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)是機(jī)器視覺(jué)的關(guān)鍵技術(shù)之一,雙目立體視覺(jué)融合兩個(gè)攝像頭獲得的圖像并觀察它們之間的差別,可以獲得明顯的深度感,建立特征間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,把同一空間物理點(diǎn)和不同圖像中的映像點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來(lái),這個(gè)差別,稱作視差(Disparity)圖像。 雙目立體視覺(jué)測(cè)量方法具有效率高、精度合適、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
機(jī)器人利用紅外傳感器探測(cè)蟑螂、小昆蟲(chóng)等生物活體。紅外傳感器能夠感應(yīng)到目標(biāo)輻射物紅外線,并根據(jù)紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量,紅外傳感器包括紅外線發(fā)射器、接收器和信號(hào)處理器。信號(hào)處理器的信號(hào)輸出端經(jīng)紅外線發(fā)射電路與紅外線發(fā)射器連接??刹捎梦⑿蛦纹瑱C(jī)作為信號(hào)處理器產(chǎn)生編碼信號(hào),驅(qū)動(dòng)紅外線發(fā)射器發(fā)出帶有編碼信號(hào)的紅外線信號(hào),并實(shí)時(shí)檢測(cè)經(jīng)過(guò)放大電路處理后的反射信號(hào),其編碼信號(hào)能夠保證多個(gè)相同型號(hào)的傳感器同時(shí)同地工作而不相互干擾。而且工作頻率一致、可靠性高、功耗小。
機(jī)器人在工作的過(guò)程中要檢測(cè)集灰盒中的灰塵是否裝滿,在集灰盒兩側(cè)安裝變介質(zhì)型電容傳感器。當(dāng)灰塵盒中灰塵高度到達(dá)電容傳感器高度時(shí),電容傳感器中的介質(zhì)發(fā)生改變,由于灰塵的介電常數(shù)與空氣的介電常數(shù)不同,從而引起傳感器電容變化,傳感器將信號(hào)傳給控制系統(tǒng),系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào),提醒主人應(yīng)該清理灰塵盒了。
因?yàn)樽隽吮馄交O(shè)計(jì),機(jī)器人所帶電池容量并不大,所以就需要在電量低時(shí)自動(dòng)返回充電基座進(jìn)行充電再返回原位置繼續(xù)工作。當(dāng)電量低于限定值時(shí),控制器會(huì)向紅外線發(fā)射器發(fā)送信號(hào),紅外線發(fā)射器向四周發(fā)射紅外線。充電基座安裝有紅外線傳感器,感受到來(lái)自機(jī)器人發(fā)射來(lái)的紅外線后,會(huì)向掃地機(jī)器人發(fā)射紅外線。機(jī)器人內(nèi)部的紅外線傳感器接收到后會(huì)向控制器發(fā)送信號(hào),控制器就會(huì)控制機(jī)器人按照接受到紅外線的方向找到充電基座,并自動(dòng)返回進(jìn)行充電。
探討窄縫衛(wèi)生檢測(cè)及清掃機(jī)器人的主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并對(duì)主要的功能模塊的傳感器進(jìn)行了介紹。機(jī)器人采用特殊的Y 型布局,并進(jìn)行扁平化結(jié)構(gòu),使得機(jī)器人能完成一般的掃地機(jī)器人根據(jù)規(guī)劃好的路徑對(duì)地面進(jìn)行常規(guī)的細(xì)屑打掃功能,還可以完成屋子里床底、柜底等窄縫位置的衛(wèi)生檢測(cè)及清掃。機(jī)器人的Y 型垃圾推移裝置能將瓶蓋、玩具零部件等垃圾推移出窄縫到指定收集點(diǎn)。機(jī)器人能讓用戶更加全面的了解家里的衛(wèi)生情況,有比較廣闊的應(yīng)用前景。