隨著人們生活水平的日益提高，我國(guó)人口的老齡化也越來(lái)越明顯，吸塵機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人的一種，能夠代替人進(jìn)行清掃房間、車間、墻壁等一些簡(jiǎn)單勞動(dòng)。使服務(wù)機(jī)器人有了廣闊的市場(chǎng)，已成為一些企業(yè)和科研院所研究的焦點(diǎn)。

　　摘要：設(shè)計(jì)一款具有自主吸塵功能并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的小型家用吸塵機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)半自動(dòng)或者全自動(dòng)的清潔工作，從一定程度上代替人們做繁雜的家務(wù)。在硬件選型上，以ARMCortex??M3處理器為核心，設(shè)計(jì)了專門的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，通過(guò)光電編碼反饋電路實(shí)現(xiàn)行走模塊的閉環(huán)控制。主要對(duì)傳感器模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)合理布置傳感器，采用多種傳感器融合，使超聲波和紅外光電傳感器協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)近距離障礙物的精確檢測(cè)，提高了對(duì)障礙物的準(zhǔn)確識(shí)別，能夠?qū)崿F(xiàn)自主避障吸塵。

　　關(guān)鍵詞：吸塵機(jī)器人,硬件策略,ARM處理器,超聲傳感器,紅外測(cè)障傳感器

　　目前市場(chǎng)上的吸塵機(jī)器人雖然也具有智能性，但大多由于結(jié)構(gòu)不盡合理、通用性差、集成度高而導(dǎo)致成本高，不利于普及。在研究總結(jié)市場(chǎng)上相對(duì)成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，基于ARMCortex??M3處理器設(shè)計(jì)一款具備自我導(dǎo)航功能的室內(nèi)吸塵機(jī)器人。外形緊湊、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小，并且成本低，操作方便，還具有可擴(kuò)展接口，用戶能夠根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其功能做進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

　　1吸塵機(jī)器人總體構(gòu)成

　　利用ARMCortex??M3處理器設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于室內(nèi)的移動(dòng)清潔機(jī)器人，主要任務(wù)是能夠自主清掃房間，因此應(yīng)該具備以下功能：

　�。�1）能正確判斷機(jī)器人所處的房間和在房間中所處的方位；

　�。�2）能正確檢測(cè)出房間內(nèi)的墻壁、家具等障礙物；

　　（3）在游歷完所有房間完成清掃任務(wù)后能自主回到出發(fā)點(diǎn)，關(guān)機(jī)。

　　為了防止機(jī)器人在工作時(shí)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且能自由進(jìn)入一些家具比如沙發(fā)、桌子等的底下，吸塵機(jī)器人不能太高，外形采用半圓柱形。底盤由四個(gè)輪子共同支撐，其中左右兩側(cè)為驅(qū)動(dòng)輪，分別由兩個(gè)微型直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，前后兩個(gè)萬(wàn)向輪起到支撐和導(dǎo)向的作用。采用碰撞、紅外傳感器、超聲波等組成多傳感器系統(tǒng)。在機(jī)器人的上方裝有紅外接收傳感器，底盤邊緣均勻分布裝有接近傳感器，用來(lái)檢測(cè)障礙物；在機(jī)器人的前方裝有碰撞傳感器；前方和左右裝有超聲波測(cè)距傳感器，用來(lái)檢測(cè)周圍環(huán)境。

　　2硬件主體設(shè)計(jì)

　　硬件系統(tǒng)主要由ARMCortex??M3處理器、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊、無(wú)線遙控發(fā)射模塊組成。

　　2.1ARMCortex??M3處理

　　機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)傳感器和編碼器等反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行清掃路徑規(guī)劃，控制清掃、吸塵機(jī)構(gòu)，完成各種控制動(dòng)作。設(shè)計(jì)合適的人機(jī)接口，在LCD上顯示機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)行時(shí)間。因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)包括傳感器模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，紅外遙控接收模塊、LED指示燈和液晶顯示模塊。采用ARMCortex??M3處理器作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，主要是低成本、小管腳數(shù)和低功耗，并且具有極高的運(yùn)算能力和極強(qiáng)的中斷響應(yīng)能力，工作電流僅為50mA。

　　2.2電機(jī)模塊

　　2.3傳感器模塊

　　主要包括3部分：用于測(cè)量和感知障礙物的超聲模塊、紅外和碰撞傳感器，用于狀態(tài)檢測(cè)的傳感器（檢測(cè)電池電量、塵桶、電機(jī)堵轉(zhuǎn)懸空）。傳感器模塊使機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境做出正確判斷，為順利完成任務(wù)提供智能決策。

　�。�1）超聲波測(cè)距傳感器模塊

　　室內(nèi)吸塵機(jī)器人由于工作環(huán)境的原因，必須具備檢測(cè)各種大小、高低、顏色的障礙物，超聲波是一種非接觸式的檢測(cè)技術(shù)，在空氣中傳播不受光線、煙霧、電磁場(chǎng)等外界因素的干擾，與紅外傳感器相比，超聲傳感器感應(yīng)距離更遠(yuǎn)，可靠性高，且成本低。因此，使用高精度的超聲波測(cè)距系統(tǒng)可以有效地完成障礙物的檢測(cè)[1]。

　�。�2）紅外和碰撞傳感器模塊

　　接收頭如果接收到38kHz的紅外脈沖就會(huì)返回輸出低電平，否則就會(huì)輸出高電平。通過(guò)對(duì)I/O口的檢測(cè)，便可以判斷物體的有無(wú)。這樣一共可以檢測(cè)14個(gè)方向，覆蓋360°范圍。機(jī)器人對(duì)前后的近距離障礙物都能檢測(cè)，前進(jìn)后退都能工作，這種由2個(gè)紅外接收管組成測(cè)障傳感器有效距離接近2m，并且還能夠在球非常近的范圍內(nèi)（10cm內(nèi)）讀取障礙物距離結(jié)果（沒(méi)有溢出）[4]。

　　在機(jī)器人的左前、左后、右前、右后4個(gè)方位安裝四個(gè)碰撞開(kāi)關(guān)（常開(kāi)），通過(guò)采集模擬口上電壓值的變化，判斷出其中的一個(gè)或幾個(gè)碰撞開(kāi)關(guān)閉合，從而檢測(cè)出哪個(gè)方向有碰撞發(fā)生。

　　2.4人機(jī)交互模塊

　�。�1）液晶顯示和鍵盤輸入：兩者配合使用可以設(shè)置機(jī)器人各種參數(shù)，如自主啟動(dòng)、設(shè)置工作時(shí)間等。

　　3結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)這樣的硬件設(shè)計(jì)，清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)，既能滿足良好的實(shí)用性，還降低了成本，工作穩(wěn)定可靠。機(jī)器人傳感器模塊能精確定位障礙物，通過(guò)軟件策略能實(shí)現(xiàn)良好的避障。對(duì)將來(lái)家用服務(wù)機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)有著重要現(xiàn)實(shí)意義。

　　參考文獻(xiàn)

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