家用机器人的应用挑战

尽管在科普小说节目中可视化的许多小工具已经成为现实，例如移动通信，无人驾驶车辆和克隆，但今天的家庭和办公室周围几乎没有机器人助手。当然，许多房主都会抓住机会将重复的家务劳动卸载到一个自愿的自动机上。可以建议大量的家用机器人应用，但市场准备的产品出现缓慢。造成这种情况的原因可能是客户要求尚未得到充分界定，或者尚未实现可负担性和功能性之间的可接受平衡。随着处理能力的价格持续下降，这种情况开始发生变化。此外，随着小型低成本电脑板如CircuitCo Beagle Board或Arduino电路板的广泛应用，全世界的机器人制造商社区都能够吸引更多的肥沃思想，从而创造出可以产生合适的条件。在消费者市场中具有商业意义的平台。

事实上，家用的第一台自动机器人已经到了：付出了代价。诸如吸尘地板和割草等家务现在可以交给能够在整个房间或草坪中导航以清洁或切割整个区域的机器。小型机器人真空吸尘器现在可以以200美元左右的价格购买，而机器人割草机是市场上新推出的，价格在1200美元左右或以下。

Hobby Robots展示未来之路

用于业余爱好者的机器人套件已经上市例如Parallax ActivityBot（图1），以及使机器人进行诸如吸尘或割草等家务所需的引导技术得到了很好的发展和理解。这些已经在机器人设计竞赛中得到磨练，例如自1991年以来一直在运行的年度名古屋国际微机器人迷宫大赛（MAZE）。

图1：ActivityBot是一个基本的教育机器人板载各种技术，包括电力电子，加工和传感跟随线迷宫的算法可以基于两个简单规则之一。对于基本迷宫，假设没有循环，右手规则或左手规则将保证成功。右手规则始终优先于向前直行或向左转。如果没有右转选项，右手规则将始终直行而不是向左转。相反，左手规则更倾向于左转或直行而不是向右转。

机器人可以使用红外传感器阵列检测线路，红外传感器将红外线（或可见光）照射到地板和监视器上反思。可以使用诸如Vishay TCND5000的红外反射光学传感器。将传感器内联布置在机器人的底盘上可以通过使用简单的逻辑准确检测左，右或死点位置，例如通过假设从白色地板反射的光产生高传感器输出而从较少的光反射来自暗线导致低输出。当输出改变时，可以检测线迷宫中的T形接头，以便所有传感器同时指示看到黑色。类似地，如果左侧传感器指示黑色而右侧指示白色，则可以检测到左转或右转，反之亦然。所有检测到白色的传感器都表示死角。假设底盘具有独立驱动的车轮，可以根据检测到的模式调整左侧和右侧电机的相对速度，使机器人沿所需方向移动：前进，左，右或掉头虽然迷宫比赛有助于加速机器人运动控制的发展，但简单的线路跟踪并不适用于商用设备，如吸尘器或割草机。需要采用不同的位置感应策略。

从挑战到家务

一系列成熟的机器人真空吸尘器使用光学中断来检测事件，例如到达墙壁或一段台阶的顶部，或者检测设备何时被拾取，因此应关闭。光学传感器安装在机器前缘的传感器条中。这些传感器可以包括分立的发射器和检测器，或者可以是集成类型，例如Omron EE-SX-3070光敏微传感器，其包括具有内置放大器和温度补偿的发射器和光电检测器元件。传感器杆具有模制的保险杠，其包括光束阻挡器，其在发射器和检测器之间移动以在保险杠与墙壁接触时偏转时中断光束。就EE-SX-3070而言，当光电探测器较暗时，其输出为ON。另一个部件是EE-SX-4070在探测器点亮时提供ON输出。机器人控制器可以使用结果信号作为房间边缘到达的指示，并且可以指示从动轮改变方向。

类似的光学传感器或微动开关可用于检测机器何时具有当机器从地板上抬起时，当轮子下降到其外壳中时，通过激活来拾取。

对于楼梯检测，通过测量光学反射来感测地板的接近度。诸如Vishay TCND5000反射光学传感器的传感器是合适的。 TCND5000是一款6 mm x 4.3 mm表面贴装器件，其中包含一个红外发射器，安装在光电探测器旁边，不包括可见光。它可以检测到2 mm到25 mm范围内的接近度。

在机器人真空应用中，这种类型的传感器以朝下的方向安装在机器边缘的传感器条中，并发出信号表示当反射信号突然变弱或不再检测到时，已到达楼梯使用红外或超声波距离测量可以实现更复杂的非接触式墙壁感测。基于红外的距离测量传感器（如Sharp GP2Y0A51SK0F）会产生与反射到内置探测器上的红外信号强度成比例的模拟电压。该传感器能够测量2厘米至15厘米的距离，通过使用三角测量法计算距离，最大限度地降低了检测表面的反射率对测量精度的影响。红外发射器，探测器和信号处理电路都集成在27.0 mm×10.8 mm×12.0 mm封装内（图2）。该传感器提供快速启动，在5.0 ms内产生其首次稳定的输出测量。对应于15 cm的电压与对应2 cm的电压之间的典型输出差异为1.65 V.

图2：Sharp GP2Y0A51SK0F集成了生成模拟所需的电路输出电压与测量的距离成正比。在其他适用于机器人引导的非接触式传感技术中，已经提出了使用超声波传感的距离测量。诸如Parallax PING）））28015超声波距离传感器的接近感测模块发射超声波“啁啾”并产生输出脉冲，该脉冲在接收到回波时终止。该脉冲的持续时间表示到最近的反射表面的距离（图3）。在机箱的前部，后部和侧面放置多个超声波感应模块，使机器人能够检测到相对于障碍物的位置，而不会有损坏设备或家居装饰品或家具的风险。

图3：使用超声波传感模块进行距离测量

正如迷宫解决机器人“学习”它所遵循的迷宫一样，机器人吸尘器能够绘制出需要清洁的地面空间。通过映射，机器人能够返回其对接站，例如当集尘器上的传感器发出必须清空的信号时，或者当电池充电状态传感器指示需要再充电时。当准备好恢复操作时，机器人可以返回其最后的工作位置以继续。

让我们去外面

机器人割草机必须应对不同的操作条件。通常无法使用方便的墙壁或其他反射表面来指示工作区域的限制。相反，电线被埋在或围绕草坪的周边。驱动电路在边界线上传输信号，该信号可以是RF或音频音调，并且安装在割草机上的诸如无线电接收器，麦克风或电感传感器的传感器可以检测该单元何时到达周边。割草机通常在金属围栏区域内随机移动，以切割比预先选定的切割长度更长的草。安全切断对于此类应用至关重要，包括用于避免碰撞的接近传感器和用于检测装置何时被拾取或可能意外倒置的传感器。更复杂的割草机还可能包括温度和雨水传感器，使割草机能够在天气条件不适合割草时自动检测。

市场起飞？

随着消费者应用开始出现价格实惠的机器人，下一个前沿发展可能是机载机器人。 Parallax公司除了提供半导体和元件系列外，还提供教育套件，市场上有许多飞行机器人套件，并正在推广无人机系统（UAS）教育计划。这旨在增加多学科的专业知识，如软件设计，电机控制，电子设计，包括GPS和加速度计和陀螺仪的使用，以及负责任的飞行等更广泛的问题。潜在的应用可能包括紧急服务的救援援助，或玩具，新颖的园林照明或航空摄影等消费应用。

步行，说话的机器人个人助理可能仍然是科幻幻想，或昂贵的研究项目的主题，有一段时间了。然而，家用机器人的时代已经开始，通过高性能处理器和成熟，可靠且价格合理的传感器等技术实现。