家用機(jī)器人的應(yīng)用挑戰(zhàn)

盡管在科普小說節(jié)目中可視化的許多小工具已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，例如移動(dòng)通信，無人駕駛車輛和克隆，但今天的家庭和辦公室周圍幾乎沒有機(jī)器人助手。當(dāng)然，許多房主都會(huì)抓住機(jī)會(huì)將重復(fù)的家務(wù)勞動(dòng)卸載到一個(gè)自愿的自動(dòng)機(jī)上?？梢越ㄗh大量的家用機(jī)器人應(yīng)用，但市場準(zhǔn)備的產(chǎn)品出現(xiàn)緩慢。造成這種情況的原因可能是客戶要求尚未得到充分界定，或者尚未實(shí)現(xiàn)可負(fù)擔(dān)性和功能性之間的可接受平衡。隨著處理能力的價(jià)格持續(xù)下降，這種情況開始發(fā)生變化。此外，隨著小型低成本電腦板如CircuitCo Beagle Board或Arduino電路板的廣泛應(yīng)用，全世界的機(jī)器人制造商社區(qū)都能夠吸引更多的肥沃思想，從而創(chuàng)造出可以產(chǎn)生合適的條件。在消費(fèi)者市場中具有商業(yè)意義的平臺(tái)。

事實(shí)上，家用的第一臺(tái)自動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)到了：付出了代價(jià)。諸如吸塵地板和割草等家務(wù)現(xiàn)在可以交給能夠在整個(gè)房間或草坪中導(dǎo)航以清潔或切割整個(gè)區(qū)域的機(jī)器。小型機(jī)器人真空吸塵器現(xiàn)在可以以200美元左右的價(jià)格購買，而機(jī)器人割草機(jī)是市場上新推出的，價(jià)格在1200美元左右或以下。

Hobby Robots展示未來之路

用于業(yè)余愛好者的機(jī)器人套件已經(jīng)上市例如Parallax ActivityBot（圖1），以及使機(jī)器人進(jìn)行諸如吸塵或割草等家務(wù)所需的引導(dǎo)技術(shù)得到了很好的發(fā)展和理解。這些已經(jīng)在機(jī)器人設(shè)計(jì)競賽中得到磨練，例如自1991年以來一直在運(yùn)行的年度名古屋國際微機(jī)器人迷宮大賽（MAZE）。

圖1：ActivityBot是一個(gè)基本的教育機(jī)器人板載各種技術(shù)，包括電力電子，加工和傳感跟隨線迷宮的算法可以基于兩個(gè)簡單規(guī)則之一。對于基本迷宮，假設(shè)沒有循環(huán)，右手規(guī)則或左手規(guī)則將保證成功。右手規(guī)則始終優(yōu)先于向前直行或向左轉(zhuǎn)。如果沒有右轉(zhuǎn)選項(xiàng)，右手規(guī)則將始終直行而不是向左轉(zhuǎn)。相反，左手規(guī)則更傾向于左轉(zhuǎn)或直行而不是向右轉(zhuǎn)。

機(jī)器人可以使用紅外傳感器陣列檢測線路，紅外傳感器將紅外線（或可見光）照射到地板和監(jiān)視器上反思?？梢允褂弥T如Vishay TCND5000的紅外反射光學(xué)傳感器。將傳感器內(nèi)聯(lián)布置在機(jī)器人的底盤上可以通過使用簡單的邏輯準(zhǔn)確檢測左，右或死點(diǎn)位置，例如通過假設(shè)從白色地板反射的光產(chǎn)生高傳感器輸出而從較少的光反射來自暗線導(dǎo)致低輸出。當(dāng)輸出改變時(shí)，可以檢測線迷宮中的T形接頭，以便所有傳感器同時(shí)指示看到黑色。類似地，如果左側(cè)傳感器指示黑色而右側(cè)指示白色，則可以檢測到左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，反之亦然。所有檢測到白色的傳感器都表示死角。假設(shè)底盤具有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的車輪，可以根據(jù)檢測到的模式調(diào)整左側(cè)和右側(cè)電機(jī)的相對速度，使機(jī)器人沿所需方向移動(dòng)：前進(jìn)，左，右或掉頭雖然迷宮比賽有助于加速機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展，但簡單的線路跟蹤并不適用于商用設(shè)備，如吸塵器或割草機(jī)。需要采用不同的位置感應(yīng)策略。

從挑戰(zhàn)到家務(wù)

一系列成熟的機(jī)器人真空吸塵器使用光學(xué)中斷來檢測事件，例如到達(dá)墻壁或一段臺(tái)階的頂部，或者檢測設(shè)備何時(shí)被拾取，因此應(yīng)關(guān)閉。光學(xué)傳感器安裝在機(jī)器前緣的傳感器條中。這些傳感器可以包括分立的發(fā)射器和檢測器，或者可以是集成類型，例如Omron EE-SX-3070光敏微傳感器，其包括具有內(nèi)置放大器和溫度補(bǔ)償?shù)陌l(fā)射器和光電檢測器元件。傳感器桿具有模制的保險(xiǎn)杠，其包括光束阻擋器，其在發(fā)射器和檢測器之間移動(dòng)以在保險(xiǎn)杠與墻壁接觸時(shí)偏轉(zhuǎn)時(shí)中斷光束。就EE-SX-3070而言，當(dāng)光電探測器較暗時(shí)，其輸出為ON。另一個(gè)部件是EE-SX-4070在探測器點(diǎn)亮?xí)r提供ON輸出。機(jī)器人控制器可以使用結(jié)果信號(hào)作為房間邊緣到達(dá)的指示，并且可以指示從動(dòng)輪改變方向。

類似的光學(xué)傳感器或微動(dòng)開關(guān)可用于檢測機(jī)器何時(shí)具有當(dāng)機(jī)器從地板上抬起時(shí)，當(dāng)輪子下降到其外殼中時(shí)，通過激活來拾取。

對于樓梯檢測，通過測量光學(xué)反射來感測地板的接近度。諸如Vishay TCND5000反射光學(xué)傳感器的傳感器是合適的。 TCND5000是一款6 mm x 4.3 mm表面貼裝器件，其中包含一個(gè)紅外發(fā)射器，安裝在光電探測器旁邊，不包括可見光。它可以檢測到2 mm到25 mm范圍內(nèi)的接近度。

在機(jī)器人真空應(yīng)用中，這種類型的傳感器以朝下的方向安裝在機(jī)器邊緣的傳感器條中，并發(fā)出信號(hào)表示當(dāng)反射信號(hào)突然變?nèi)趸虿辉贆z測到時(shí)，已到達(dá)樓梯使用紅外或超聲波距離測量可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的非接觸式墻壁感測?；诩t外的距離測量傳感器（如Sharp GP2Y0A51SK0F）會(huì)產(chǎn)生與反射到內(nèi)置探測器上的紅外信號(hào)強(qiáng)度成比例的模擬電壓。該傳感器能夠測量2厘米至15厘米的距離，通過使用三角測量法計(jì)算距離，最大限度地降低了檢測表面的反射率對測量精度的影響。紅外發(fā)射器，探測器和信號(hào)處理電路都集成在27.0 mm×10.8 mm×12.0 mm封裝內(nèi)（圖2）。該傳感器提供快速啟動(dòng)，在5.0 ms內(nèi)產(chǎn)生其首次穩(wěn)定的輸出測量。對應(yīng)于15 cm的電壓與對應(yīng)2 cm的電壓之間的典型輸出差異為1.65 V.

圖2：Sharp GP2Y0A51SK0F集成了生成模擬所需的電路輸出電壓與測量的距離成正比。在其他適用于機(jī)器人引導(dǎo)的非接觸式傳感技術(shù)中，已經(jīng)提出了使用超聲波傳感的距離測量。諸如Parallax PING）））28015超聲波距離傳感器的接近感測模塊發(fā)射超聲波“啁啾”并產(chǎn)生輸出脈沖，該脈沖在接收到回波時(shí)終止。該脈沖的持續(xù)時(shí)間表示到最近的反射表面的距離（圖3）。在機(jī)箱的前部，后部和側(cè)面放置多個(gè)超聲波感應(yīng)模塊，使機(jī)器人能夠檢測到相對于障礙物的位置，而不會(huì)有損壞設(shè)備或家居裝飾品或家具的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3：使用超聲波傳感模塊進(jìn)行距離測量

正如迷宮解決機(jī)器人“學(xué)習(xí)”它所遵循的迷宮一樣，機(jī)器人吸塵器能夠繪制出需要清潔的地面空間。通過映射，機(jī)器人能夠返回其對接站，例如當(dāng)集塵器上的傳感器發(fā)出必須清空的信號(hào)時(shí)，或者當(dāng)電池充電狀態(tài)傳感器指示需要再充電時(shí)。當(dāng)準(zhǔn)備好恢復(fù)操作時(shí)，機(jī)器人可以返回其最后的工作位置以繼續(xù)。

讓我們?nèi)ネ饷?/p>

機(jī)器人割草機(jī)必須應(yīng)對不同的操作條件。通常無法使用方便的墻壁或其他反射表面來指示工作區(qū)域的限制。相反，電線被埋在或圍繞草坪的周邊。驅(qū)動(dòng)電路在邊界線上傳輸信號(hào)，該信號(hào)可以是RF或音頻音調(diào)，并且安裝在割草機(jī)上的諸如無線電接收器，麥克風(fēng)或電感傳感器的傳感器可以檢測該單元何時(shí)到達(dá)周邊。割草機(jī)通常在金屬圍欄區(qū)域內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)，以切割比預(yù)先選定的切割長度更長的草。安全切斷對于此類應(yīng)用至關(guān)重要，包括用于避免碰撞的接近傳感器和用于檢測裝置何時(shí)被拾取或可能意外倒置的傳感器。更復(fù)雜的割草機(jī)還可能包括溫度和雨水傳感器，使割草機(jī)能夠在天氣條件不適合割草時(shí)自動(dòng)檢測。

市場起飛？

隨著消費(fèi)者應(yīng)用開始出現(xiàn)價(jià)格實(shí)惠的機(jī)器人，下一個(gè)前沿發(fā)展可能是機(jī)載機(jī)器人。 Parallax公司除了提供半導(dǎo)體和元件系列外，還提供教育套件，市場上有許多飛行機(jī)器人套件，并正在推廣無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）教育計(jì)劃。這旨在增加多學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，如軟件設(shè)計(jì)，電機(jī)控制，電子設(shè)計(jì)，包括GPS和加速度計(jì)和陀螺儀的使用，以及負(fù)責(zé)任的飛行等更廣泛的問題。潛在的應(yīng)用可能包括緊急服務(wù)的救援援助，或玩具，新穎的園林照明或航空攝影等消費(fèi)應(yīng)用。

步行，說話的機(jī)器人個(gè)人助理可能仍然是科幻幻想，或昂貴的研究項(xiàng)目的主題，有一段時(shí)間了。然而，家用機(jī)器人的時(shí)代已經(jīng)開始，通過高性能處理器和成熟，可靠且價(jià)格合理的傳感器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。