扫地机器人室外清洁能力测试实验设计与分析

白　琨，刘　娟，韩　松，侯明月

（合肥学院　机械工程系，安徽　合肥　230022）

扫地机器人室外清洁能力测试实验设计与分析

白琨，刘娟，韩松，侯明月

（合肥学院机械工程系，安徽合肥230022）

本文针对室外阳光房房顶的清洁难题，采用实验的方法，对室内扫地机器人的室外清洁能力进行了测试、实验数据处理、结果分析.实验设计了三大项七个实验，分别从实验目的、实验原理、实验步骤、实验现象、实验分析等五个方面对各个实验进行了阐述；通过实验结果确定了室内清洁机器人向室外清洁改进的方向，为阳光房房顶清洁装置的设计提供了实验依据.

扫地机器人；室外清洁；实验设计

1　引言

扫地机器人又叫懒人扫地机，是一种能对地面进行自动吸尘的智能家用电器.目前，扫地机器外型主要以圆形为主，依靠内置的程序，通过直线型、沿边型、螺旋型、交叉型等方式进行运动打扫.扫地机器人作为智能家居新概念的领跑者，将为机器人最终走进千家万户，注入前进的动力.

但是，当前市场上出售的扫地机器人多用于室内地面清洁，而针对室外阳光房房顶清洁的机器人并不多见.相较于室内地面的清洁，室外阳光房房顶的清洁工作更为复杂困难，必须考虑清洁装置的安放和安全两大基本问题.众所周知，现代小区住房的阳光房顶多采用封闭式结构，当房顶出现灰尘后，只能通过自然雨水的冲洗，或是借用楼上住户的阳台由上而下对房顶进行清洗.前者显然不能冲干净，后者无论是用水或是与邻居沟通都极为不便.因此，本文拟通过实验的方法，利用现有的室内扫地机器人，模拟阳光房房顶，进行清洁测试，力图找出室内扫地机器人清洁阳光房房顶时的弊端，针对实验数据、结果进行分析，为阳光房房顶清洁装置的设计提供实验依据.

2　实验准备

（1）实验设备

本实验采用科沃斯TCR03系列智能扫地机一台，108× 140m2玻璃板一块.如图1所示.

图1　科沃斯TCR03系列智能扫地机

（2）实验环境

普通实验室室内，模拟阳光房房顶环境.

3　实验设计

通常阳光房房顶为了具有排水功能，通常都设计成倾斜平面结构，这有别于室内地面的水平平面结构.因此需要对机器人进行爬坡能力测试，这是扫地机器人能否实现清扫的首要条件.清洁对象处于室外，被清洁物有树叶、较大颗粒等物质，针对不同的被清扫物需要进行扫尘能力测试，这是机器人实验现清洁功能的必要条件.此外，现代小区的户型主要以高层为主，室外高空作业的安全性不容忽视，必须针对这一特点进行机器人的高空作业能力测试.基于上述问题，本文设计了三种实验.

3.1机器人的爬坡能力测试

实验一：玻璃板上无水情况下的测试

实验目的：在无水情况下，测量产品最大的爬坡速度和最大爬坡角度.如图2所示.

图2　爬坡能力测试

实验原理：在无水情况下，玻璃板表面光滑，摩擦相对较小（可忽略），产品上行和下行受玻璃倾斜角度、自身重力和其他自身因素的影响.

实验步骤：

（1）将玻璃平放在水平面上，擦干表面的污渍，保持玻璃表面干净平滑；

（2）将玻璃板一头抬起，玻璃板边缘抬起高度分别为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm；

（3）将扫地机器人平方在玻璃板底端，保证机器人能够平行玻璃板两侧直上和直下时启动机器人；

（4）待机器人两后轮离开玻璃板下边缘时开始计时，直上后至机器人上边缘接触玻璃板上边缘时结束计时，并记录，下行时相似.

实验现象：一般情况下机器人都以直线上、下行，但有时它会提前感应以至于机器人自身前边缘到达不了玻璃板上边缘就调转方向，有时由于机器人启动之前没有放正，它将沿直线到达玻璃板的左右边缘，然后后退再上行，路线不规律.

表1　玻璃板上无水情况下测试数据

图3　角度-速度图（无水）

实验数据处理：实验数据见表1所示，角度-速度图如图3所示.

实验结果分析：

（1）机器人爬坡速度最大0.34m/s，最大爬坡角度18度.上行时，随着倾斜角度的增加，机器人速度逐渐减小，且速度减小较平稳；下行时，随着倾斜角度的增加，机器人下行速度加快；

（2）机器人运动路径不规律.

实验二：玻璃板上有水情况下的测试

实验目的：在有水情况下，测量产品最大的爬坡速度和最大爬坡角度.

实验原理：在有水情况下，玻璃板表面光滑，摩擦相对较小（但不可忽略），产品上行和下行受玻璃倾斜角度、自身重力和其他自身因素的影响.

实验步骤：

（1）将玻璃平放在水平面上，擦干表面的污渍，保持玻璃表面干净平滑；

（2）将玻璃板一头抬起，玻璃板边缘抬起高度分别为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm；

（3）将扫地机器人平方在玻璃板底端，保证机器人能够平行玻璃板两侧直上和直下时启动机器人；

（4）待机器人两后轮离开玻璃板下边缘时开始计时，直上后至机器人上边缘接触玻璃板上边缘时结束计时，并记录，下行时相似.

实验现象：与实验一情况一样，但是当倾斜高度调整到22厘米（即11.5°）以上时，机器人上下行时都有打滑现象，无法测量出时间.

实验处理：实验数据见表2所示，角度-速度图如图4所示.

表2　玻璃板上有水情况下测试数据

图4　角度-速度图（有水）

实验结果分析：

（1）机器人爬坡速度最大0.3m/s，最大爬坡角度11.5度.上行时，随着倾斜角度的增加，机器人速度逐渐减小，且速度减小较平稳；下行时，随着倾斜角度的增加，机器人下行速度加快；

（2）速度变化不规律，偏差较大，由于在调整这一角度之前又撒了一次水，且撒水量比第一次撒的多，摩擦力大大减小.

实验三：机器人在倾斜角度为15度的玻璃板上的运行测试

实验目的：了解机器人在一般阳光房倾斜角度下的行走能力.

实验原理：在同一斜度的玻璃板上，机器人沿玻璃板行走主要靠自身因素的影响.

实验步骤：

（1）将玻璃板一侧固定着地，另一侧抬起到一定高度；

（2）将机器人调整好，两轮平行于玻璃板两侧放好，保证机器人可以从玻璃板的一头到另一头运行；

（3）观察实验现象

实验现象：在机器人没有启动之前，可以平稳的摆放，但启动之后，机器人并不能沿直线行走，反而是按抛物线的形式快速运行到玻璃板的下侧并能感应，且再次以更小的抛物线感应到玻璃板下侧，直至最终运行到地面上；通过减小玻璃板倾斜角度改变机器人的行走路线，发现它仍然以相似的路线行走，只是到达地面上是时间加长了，只有玻璃板两侧倾斜角度为1°-2°时机器人才能沿直线行走到另一端.

实验结果分析：机器人并不具备斜着行走的能力，倘若非要其在这样的情况下运行，危险系数将会有所增加.

3.2机器人的扫尘能力测试

实验四：机器人扫树叶的能力

实验目的：测量机器人在树叶比较多的情况下的清扫能力

实验原理：机器人具备清扫和吸尘能力对于树叶也可以吸起

实验步骤：

（1）将树叶捏碎均匀地撒在平放的玻璃板上，将机器人平放在玻璃板的一端，以保证机器人可以沿直线运行到玻璃板的另一端；

（2）按照实验一的方法调整玻璃板的倾斜度；

（3）观察实验现象.

实验现象：在只有碎小叶片的情况下，机器人基本可以将树叶吸干净，但由于机器人在运作过程中会掀起一阵阵风，将碎小叶片吹向远方，要多次循环清扫才能吸净；在只有稍大型叶片的情况下，由于叶片穿不过机器人底部，会被机器人推着向前聚拢，等聚拢到一定厚度和高度是，机器人会自动感应其为一障碍物并退而转向被轮子碾压成碎小的叶片，仍然会被吸收；在大小型叶片混合的情况下，则为前两种情况的结合，只不过聚拢得更快一点，也会导致细小叶片清扫不干净；对于前三种情况，也分别对玻璃板的高度进行调整，具体情况差别不大.

实验结果分析：树叶虽小而轻，但对机器人行走时的摩擦影响不大，树叶之所以会被聚集，不仅仅是不能穿过机器人底部，还有机器人不具有将树叶打碎再吸入的机构.

实验五：机器人清扫灰尘的能力测试

实验目的：测量机器人对灰尘的清扫能力

实验原理：灰尘会影响机器人在玻璃板上的行走速度，进而影响它的清扫能力及清扫程度

实验步骤：

（1）将细小灰尘均匀撒在玻璃板表面；

（2）将机器人平放在玻璃板底端，以保证其可直线运行到玻璃板的另一端；

（3）观察实验现象：

实验现象：由于灰尘较细且轻，很容易被机器人运行时产生的风力吹走，要想清扫干净，需多次循环清扫，且机器人行走路线不规律，清扫不彻底.

实验结果分析：由于灰尘是由人为撒在玻璃板上，机器人易于吸收，但如果灰尘是黏在玻璃板表面（犹如先在玻璃板上撒上一层薄灰，后撒上一层雾水），吸尘结果并不理想.

3.3机器人高空作业能力测试

实验六：高空平面作业能力测试

实验目的：了解机器人在高空平面上是否能稳定工作.

实验原理：在高空平面玻璃板上，机器人排除地面干扰（影响机器人感应系统）的情况下，测量机器人的作业能力.

实验步骤：

（1）两人将玻璃板抬高到多种同一高度上，保持稳定；

（2）另一人将机器人放在玻璃板的任一方位上，让其自由行走；

（3）观察实验现象.

实验现象：在任意高度上的平面玻璃板上，机器人不受到干扰，自由行走，且如在地面上行走一般稳定，对于玻璃板边缘的感应会有所提前，不至于后续动作无法完成.

实验结果分析：此次试验在室内进行，不能排除外部自然因素的影响，且玻璃板离地面不超过190cm，并不能完全排除地面对机器人感应系统的干扰.

实验七：高空斜面上作业能力测试

实验目的：了解机器人在高空斜面上是否能稳定工作.

实验原理：沿斜面，机器人两后轮以克服摩擦力向上行走；平行于斜面，机器人不易克服摩擦力稳定行走.

实验步骤：

（1）两人将玻璃板抬高不同高度，保证玻璃板有一定斜度；

（2）另一人将机器人放在玻璃板的任意方位；

（3）观察实验现象.

实验现象：经多次不同高度不同斜度的实验，发现机器人行走方式基本相同，只是在平行于斜面行走时是以抛物线的形式行走，待两后轮不再平行于玻璃板两端边缘时，机器人行走自然且稳定，但斜度过大仍有打滑现象.

实验结果分析：在任意高度上的斜面玻璃板上，机器人不受到干扰，自由行走，但没有在平面玻璃板上那般稳定，对于玻璃板边缘的感应会有所提前，不至于后续动作无法完成.此次试验在室内进行，不能排除外部自然因素的影响，且玻璃板离地面不超过190cm，倾斜角也不超过20°，并不能完全排除地面对机器人感应系统的干扰.

4　实验总结

本文模拟阳光房房顶实际情况，基于科沃斯TCR03系列智能扫地机，进行了三大项七个实验的设计、操作，对实验数据进行了处理，对实验现象进行了分析.上述实验均在室内进行，没有考虑风力等室外自然因素干扰对实验数据的影响.一般情况下，用户会选择在天气较好的情况下进行清扫工作，因此，本文实验所得结果对扫地机器人的改进仍具实际意义.通过实验可以清楚的看到考虑和改进的方向，主要有以下几点：

（1）提高机器人平行于斜面行走的能力；

（2）可在机器人装置前安装一捣碎机构，有利于大型树叶的清扫；

（3）防滑机构的设计；

（4）加强感应系统的感应能力.

〔1〕柴剑.智能扫地机器人技术的研究与实现［D］.西安电子科技大学，2014.

〔2〕李泉溪.扫地机器人车轮打滑检测与修正研究［J］.制造业自动化，2015（12）.

〔3〕敬谦.机械设计实验教学的创新与探索［J］.陇东学院学报，2015（1）.

〔4〕毕勤圣，李纪刚.工程力学［M］.北京：北京大学出版社，2008.7.

TP242.6

A

1673-260X（2016）10-0013-03

2016-06-21

安徽省大学生创新创业训练计划项目（201511059099）资助