第一章 引 言
扫地机器人，又称自动打扫机、智能吸尘、机器人吸尘器等，是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作，一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能.因为其简单操作的功能及便利性，现今已慢慢普及，成为上班族或是现代家庭的常用家电用品.视觉识别系统是运用系统的、统一的视觉符号系统。视觉系统主要是为了监测和观察周围的环境以及物体位置的确定，在路径规划的计算中，算法软件会自动规避障碍物所在位置的路径，寻找扫地路径最为优化的路线[1]。通过视觉识别系统能够提高扫地机器人的识别能力，因此被广泛用于与扫地机器人。
但是一般的扫地机器人体积较大，对于死角及沙发间隙狭小的空间清扫较为困难，而体积较小的机器人，清扫效率较低，且清理一端时间后容易达到集尘满载状态，为此提供一种可分离扫地机器人。
扫地机器人的市场需求在逐年增长，到2017年我国的智能扫地机器人的销量已经突破300万台，其中扫拖一体机器人的销量则只占其中很小的份额[2]。2019年扫地机器人前三大品牌市场集中度达到72.5%。其中科沃斯是中国扫地机器人的龙头企业，2019年科沃斯扫地机器人市场占有率达到49.4%;其次是米家扫地机器人，市场占有率为12.0%;排在第三位的是石头扫地机器人，市场占有率为11.1%。扫地机器人，又称自动打扫机、智能吸尘、机器人吸尘器等，是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。扫地机器人是典型的“明天产品”，之所以称明天产品，是因为它既不是传统的高刚需产品，也不是风靡一时的科技玩物，它具有“明天属性”，使用者一旦使用就再也离不开了。由于技术等各方面的问题，扫地机器人并非刚需产品，目前渗透率较低。未来随着扫地机器人技术的突破，扫地机器人市场仍然具有较大的提升空间，特别是在沙发底下，床底下等狭窄区域里打扫困难。扫地机器人基本功能的不断优化实现了更好是清洁效果和用户体验。
冯书鹏[3]为了解决扫地机器人难以跨越障碍的问题，给机器人设计了触发式辅助驱动轮，在机器人越障时提供额外的驱动力，使其具有高度自适应性，并对越障角度进行无死角覆盖。
王星宇等[4]通过功能模块化的设计,搭载智能化软件算法控制水箱及水泵实现自动洗拖布,引入LDS激光导航实现快速定位建图,建立TOF感知模型实现无接触式的避障和回充,从而设计出具有吸尘、拖地、烘干等多种清洁功能的机器人,解决了市面上大多数移动机器人功能单一、清扫效率低下等问题。
袁茂鸿等[5]基于超声波传感器对扫地机器人避障技术的运用进行研究，运用多组超声波传感器进行周围环境数据的收集，以确定障碍物的位置并改善测量的精度，达到准确避障。对超声波传感器内部电路进行设计，以提高扫地机器人避障技术的智能性和稳定性，对多组的传感器进行避障策略设计。
宁凯等[6]为了提高扫地机器人的自主性和智能化程度，为扫地机器人配备视觉传感器，使其获得视觉感知能力，通过研究有效的垃圾检测分类模型与算法，实现对垃圾的定位与识别，引导扫地机器人对垃圾进行自动识别与按类处理，提高工作的目的性和效率，避免盲动和减少能耗。
张悦湘[1]概述了智能扫地机器人及其４项关键技术的发展历程，并根据国内外扫地机器人的研究现状和存在的技术问题，提出了相应的改进措施。
智能扫地机器人的应用优势明显，有效地解决了用户的清扫负担。但是，就目前来说，智能扫地机器人的应用过程中也存在一定的问题。
（1）智能扫地机器人的清扫区域还不够全面。目前的智能扫地机器人都已经设定具有特定区域的清扫功能。这也就是前文所说的红外线传感器技术，这种技术的应用成本较低，但是技术应用过程中缺陷明显。机器人的使用过程中，其特定的发散口就会发出射线，
移动过程中， 射线碰到一些深色的物体，就会反馈到系统内部的微电脑。之后，机器人的记忆面板上就会形成一定的记忆，并选择转弯，对其他区域清扫。但是，就实际家庭生活来说，很多物体的摆放可能会显得较为杂乱，而家具的颜色也是深浅不一，加之室内物体形状不一，红外射线难以科学合理的反射回来。这样一来，机器人的清扫区域可能被划归开来，部分区域就难以被清扫。
（2）智能机器人对不规则和柱形物体会产生一定的破坏作用。在实际清扫过程中，智能扫地机器人碰到障碍物就会自动进行回避。回避工作可以分为完全规避和缓冲规避两部分。智能扫地机器人如果利用超声波仿生技术，
就可以有效地规避各种障碍。但是，前文论述中提到，超声波仿生技术的应用成本不高，总体应用范围不够广泛。因此，目前家庭使用的大部分扫地机器人应用的是红外线技术， 这种技术只限于各种实心不规则的障碍物；对于那些非实心的物体，如各种不规则物体，系统的识别相对困难。因此，扫地机器人的工作过程中很容易会碰到桌角，造成一定的破坏。
（3）智能扫地机器人对各种大颗粒的物质清扫力度不够。智能扫地机器人的吸附能力相对较强， 能够将各种普通的灰尘有效地清洁起来。但是，机器人有一定的限制，吸尘口径相对偏小，
而且扫地机器人的滚刷的毛也是螺旋状的。这样一来，一些大颗粒的物质就难以吸入，会影响清扫的清洁度
本课题研究一种可分离扫地机器人，该机器人包括机器人机体（母机和子机）、机盖、驱动轮、分离器、远红外摄像头、超声波测距传感器、真空吸尘口、扫地螺旋、充电口和触感躲避传感器。所述母机与子机之间进行无线通讯，利用分离器实现二者分离；通过远红外摄像头捕捉垃圾所在位置，并利用真空吸尘口和扫地螺旋实现清扫功能；通过超声波测距传感器检测家具与地面的间距，判断是否需要子母机分离清扫；利用触感躲避传感器躲避障碍物。其中，子机的体积小于所述母机的体积。在母机无法进入的清扫空间时,可以选择子机脱离母机的机身进行清扫作业,以完成母机无法完成的清扫任务。基于本申请的扫地机器人可以适用于狭小空间的清扫,解决一些死角及沙发等家具清扫难的问题。
本课题主要研究并设计了一种基于空间视觉识别系统的双层可分离扫地机器人，其创新点有：
(1)机体由母体和子体组成，子体与母体可实现分离，解决了上述提出的死角及沙发间隙狭小的空间清扫困难的问题。
(2) 采用远红外摄像头和超声波测距传感器，可提高扫地机器人定位垃圾的精确度，达到更加准确清扫垃圾的目的。
第二章 研究方法和产品设计
（1）文献查阅法：通过查阅，搜集相关资料深入了解对视觉识别系统、远红外摄像头的应用，超声波测距传感器和扫地机器人的研究现状。
（2）问卷调查法：通过发放问卷了解目前扫地机器人存在的问题以及人们希望机器人具有哪些功能，方便后续对机器人的功能进行设计与研究。
（3）实验法：通过对设计产品进行实验，
基于空间视觉识别系统的双层可分离扫地机器人，通过机器人母机、机器人子机、分离器、挂钩和监控装置的设置，机器人子机和机器人母机通过分离器实现卡接和分离，在机器人母机无法进入的清扫空间时，可以选择机器人子机脱离机器人母机进行清扫作业，从而完成母机无法完成的清扫任务，解决了死角及沙发等夹具清扫困难的问题，通过远红外摄像头捕捉垃圾所在位置,并利用真空吸尘口和扫地螺旋实现清扫功能，通过超声波测距传感器检测家具与地面的间距，判断是否需要子母机分离清扫，利用触感躲避传感器躲避障碍物，从而降低撞击对机器人造成的损坏。
先设计子机，子机包含避障功能，扫地螺旋，摄像头，主机部分。再设计母机，母机包含分离装置，扫描器，扫地螺旋，避障功能，扫地轮。具体工作原理：母机扫描器识别空间信息，分析信息，母机与子机分离，子机清理灰尘，扫完后与母机分离，继续清理其他灰尘。机器芯片分为传导器、电线插口、CPU、信息处理器。扫地机器人设计如图2-1所示。
1-机器人机体、101-机器人母机、102-机器人子机、2-挂钩、3-分离器基座、4-电动推杆、5-调节座、6-推杆、7-卡接架、8-充电口、9-触感躲避传感器、10-驱动轮、11-集尘风机、12-真空吸尘口、13-集尘盒、14-扫地螺旋、15-远红外摄像头、16-超声波测距传感器。
图2-1 扫地机器人设计
第三章 实验与结果
测量家具底面距底面的距离，结果如表3-1所示。
表3-1 实验结果
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家具名称
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距底面距离（单位：cm）
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矮柜
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5.2
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沙发
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11.8
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储物柜
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5.2
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滚轮车
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7.2
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柜子
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2.8
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储物箱
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11.2
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扫地机器人设计两种结构：一体式和分离式（母机和子机），将两种结构分别进行清扫，发现一体扫地机器人式清扫大块区域比较干净，会发生一定的碰障，而分离式扫地机器人在碰到狭窄区域时，母机会与子机分离，子机去清扫灰尘，所以不会发生碰障，清扫干净。因此，选择分离式（母机和子机）扫地机器人。
将扫地机器人母机设计3种尺寸分别进行实验，分析清扫效果。结果如表3-2所示。因此，选择高度为8cm的扫地机器人。
表3-2 母机高度
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扫地机器人高度（单位：cm）
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效果
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6
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可清扫70%的地面灰尘
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7
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可清扫85%的地面灰尘
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8
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可更方便清扫大面积区域垃圾，动力大，清扫95%的灰尘
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将扫地机器人设计3种尺寸分别进行实验，分析清扫效果。结果如表3-3所示。因此，选择高度为3cm的扫地机器人。
表3-3 母机高度
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自己高度（单位：cm）
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效果
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3
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可清扫95%家具底面的灰尘
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4
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可清扫90%家具底面的灰尘
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5
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可清扫70%家具底面的灰尘
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将扫地机器人设计3种形状分别进行实验，分析清扫效果。结果如表3-4所示。因此，选择形状为椭圆体的扫地机器人。
表3-4机器形状
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机器形状
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效果
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长方体
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清扫区域比较干净
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圆柱体
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直角区域清扫不干净
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椭圆体
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能有效清洁大面积区域，且清扫比其他两种形状更干净
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将扫地机器人设计2种形状分别进行实验，分析耗电情况。结果如表3-5所示。因此，选择形状为圆饼状的扫地机器人。
表3-5电池形状
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电池形状
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效果
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长方体
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体积较大，耗电量较大
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圆饼状
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体积较小，适宜装在机器人里
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3.7扫地机器人材质
将扫地机器人设计3种材质分别进行实验，分析使用情况。结果如表3-6所示。因此，选择材质为铁的扫地机器人。
表3-6扫地机器人材质
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材质
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效果
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铁
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不易破损，方便清扫，重要适宜
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钢
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重量过重，不易破损，不方便携带
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塑料
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容易破损，质量中等
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将扫地机器人设计3种功能分别进行实验，分析功能使用情况。结果如表3-7所示。因此，选择3种功能相结合的扫地机器人。
表3-7扫地机器人功能
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功能
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效果
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扫地
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只可清扫灰尘，地面不是很干净
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拖地
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可清扫灰尘与泥土的地面基本干净
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避障
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可更安全的保护扫地机器人
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扫地+拖地
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可综合优点，清扫更干净
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扫地+避障
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包含基本扫地机器人的功能，清扫相对干净
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拖地+避障
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既可清扫干净，又可保护机体
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扫地+拖地+避障
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清扫干净，保护机体
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3.9母机集尘盒实验
将母机集尘盒设计4种尺寸分别进行实验，分析功能使用情况。结果如表3-8所示。因此，母机集尘盒选择15cm*4cm。
表3-8母机集尘盒尺寸
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尺寸（单位：cm）
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效果
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15*4
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适合母机大小，可收集较多灰尘
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12*4
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相对中等大小，可收集大部分灰尘
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12*2
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相对较小，但能收集一定的灰尘
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15*2
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收集灰尘较多
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将子机集尘盒设计3种尺寸分别进行实验，分析功能使用情况。结果如表3-9所示。因此，子机集尘盒选择9cm*3cm。
表3-9子机集尘盒尺寸
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尺寸（单位：cm）
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效果
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7*2
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大小偏小，也能收集一定灰尘
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7*4
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大小中等，能收集大部分灰尘
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9*3
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收集灰尘较多，适宜子机大小
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本扫地机器人形状为椭圆形，结构为母机+子机，母机尺寸为36cm*8cm，子机尺寸为19cm*5cm，内部电池形状为圆饼形，材质选用铁，功能包含扫地、拖地、消毒杀菌、避障，母机集尘盒尺寸为15cm*4cm，子机集尘盒尺寸为9cm*3cm，所有数据拼在一起，制作出一个实用的双层可分离扫地机器人。扫地机器人可清扫灰尘更干净，方便，在遇到狭窄区域时，子机与母机分离，达到清扫干净的作用，拥有3种功能，且集尘盒尺寸刚好适合，能收集更多灰尘。
第四章 总结与展望
本文设计了一个子母机可分离的扫地机器人，在遇到狭小空间时子机会脱离母机进入并实现清扫，相比于其他扫地机器人可更方便地清扫家里的卫生。此机器人可通过视觉识别，更好地发现垃圾，红外线摄像头识别可实现避障功能，超声波测距传感器可精确测量家具底边与地面的高度，然后把数据传输到CPU里，CPU对数据进行分析，判断子机与母机是否需要分离。
（1）开发更纤薄的扫地机器人，使其可以清扫更多狭窄的区域。
（2）使扫地机器人具备更多功能，例如：杀菌消毒。
参考文献
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158-160.
[2]袁佳炜,张新景,覃傲,谷芳.家庭扫地机器人市场需求及发展趋势分析[J].科技资讯,2019,17(19):73-75.
[3]冯书鹏,王明娣.扫地机器人自适应越障机构的设计及其应用研究[J].机械传动,2018,42(11):173-175+179.
[4]王星宇,孙京诰.自清洁扫拖烘扫地机器人的设计与实现[J].现代信息科技,2021,5(17):155-157+161.
[5]袁茂鸿,王姝,林心如.基于超声波传感器的扫地机器人避障技术研究[J].南方农机,2021,52(10):100-101.
[6]宁凯,张东波,印峰,肖慧辉.基于视觉感知的智能扫地机器人的垃圾检测与分类[J].中国图象图形学报,2019,24(08):1358-1368.v