盡管流行科幻節(jié)目中的許多可視化小工具已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，例如移動通信、無人駕駛車輛和克隆，但如今的家庭和辦公室中卻奇怪地缺少機(jī)器人助手。毫無疑問，許多房主會抓住機(jī)會將重復(fù)的雜務(wù)交給愿意的機(jī)器人。

　　可以提出很多家用機(jī)器人的應(yīng)用，但市場就緒的產(chǎn)品遲遲沒有出現(xiàn)。造成這種情況的原因可能是沒有充分定義客戶要求，或者沒有達(dá)到可負(fù)擔(dān)性和功能之間可接受的平衡。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，作為小型、低成本的計(jì)算機(jī)板，例如 CircuitCo Beagle Board或者 Arduino 板已經(jīng)被廣泛使用，世界各地的機(jī)器人制造商社區(qū)能夠吸引更多有智慧的人，從而創(chuàng)造條件來生產(chǎn)合適的平臺，在消費(fèi)市場上具有商業(yè)意義。

　　事實(shí)上，第一批家用自主機(jī)器人已經(jīng)問世：價(jià)格不菲。現(xiàn)在可以將諸如吸塵地板和割草之類的雜務(wù)交給能夠在整個(gè)房間或草坪上導(dǎo)航以清潔或割草整個(gè)區(qū)域的機(jī)器?，F(xiàn)在可以以 200 美元左右的價(jià)格購買小型機(jī)器人吸塵器，而機(jī)器人割草機(jī)是市場上較新的產(chǎn)品，價(jià)格約為 1200 美元或更低。

　　愛好機(jī)器人展示了前進(jìn)的道路

　　用于愛好建設(shè)者的機(jī)器人套件是市售的，例如 Parallax ActivityBot，并且使機(jī)器人能夠完成諸如吸塵或割草之類的家務(wù)所需的引導(dǎo)技術(shù)得到了很好的開發(fā)和理解。這些在機(jī)器人設(shè)計(jì)競賽中得到了磨練，例如自 1991 年開始舉辦的年度名古屋國際微型機(jī)器人迷宮競賽 （MAZE）。

　　ActivityBot 是一個(gè)基本的教育機(jī)器人，搭載各種技術(shù)，包括電力電子、處理和傳感。

　　沿著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)，無論是右手規(guī)則還是左手規(guī)則，都將保證成功。右手法則總是優(yōu)先考慮右轉(zhuǎn)而不是直行或左轉(zhuǎn)。如果沒有右轉(zhuǎn)選項(xiàng)，右手法則將始終直行而不是左轉(zhuǎn)。相反，左手規(guī)則更喜歡左轉(zhuǎn)或直行而不是右轉(zhuǎn)。

　　機(jī)器人可以使用紅外傳感器陣列檢測要遵循的線路，這些傳感器將紅外（或可見光）照射到地板上并監(jiān)控反射。紅外反射光學(xué)傳感器，例如Vishay TCND5000可能用過了。將傳感器串聯(lián)布置在機(jī)器人的底盤上，可以通過使用簡單的邏輯來準(zhǔn)確檢測左、右或死點(diǎn)位置，例如假設(shè)從白色地板反射的光產(chǎn)生高傳感器輸出，而從暗線導(dǎo)致低輸出。當(dāng)輸出發(fā)生變化時(shí)，可以檢測到線迷宮中的 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路。假設(shè)底盤有獨(dú)立驅(qū)動的輪子，左側(cè)和右側(cè)電機(jī)的相對速度可以根據(jù)檢測到的模式進(jìn)行調(diào)整，

　　盡管迷宮競賽有助于加速機(jī)器人運(yùn)動控制的發(fā)展，但簡單的路線跟蹤并不適合真空吸塵器或割草機(jī)等商業(yè)設(shè)備。需要不同的位置感應(yīng)策略。

　　從挑戰(zhàn)到家務(wù)

　　一個(gè)完善的機(jī)器人真空吸塵器系列使用光學(xué)中斷來檢測事件，例如到達(dá)墻壁或臺階頂部，或檢測設(shè)備何時(shí)被拾起，因此應(yīng)該關(guān)閉。光學(xué)傳感器安裝在機(jī)器前緣的傳感器條中。這些傳感器可以包含分立的發(fā)射器和檢測器，也可以是集成類型，例如Omron EE-SX-3070微型光電傳感器，包括發(fā)射器和光電探測器元件，內(nèi)置放大器和溫度補(bǔ)償。傳感器條有一個(gè)模制保險(xiǎn)杠，該保險(xiǎn)杠包含一個(gè)光束阻擋器，當(dāng)保險(xiǎn)杠與墻壁接觸時(shí)偏轉(zhuǎn)時(shí)，該光束阻擋器在發(fā)射器和檢測器之間移動以中斷光束。就 EE-SX-3070 而言，當(dāng)光電探測器變暗時(shí)，其輸出為 ON。作為替代部件，EE-SX-4070 在檢測器點(diǎn)亮?xí)r提供 ON 輸出。機(jī)器人控制器可以使用產(chǎn)生的信號作為已經(jīng)到達(dá)房間邊緣的指示，并且可以指示從動輪改變方向。

　　類似的光學(xué)傳感器或微型開關(guān)可用于檢測機(jī)器何時(shí)被拾起，當(dāng)機(jī)器從地板上抬起時(shí)車輪在其外殼中下降時(shí)激活。

　　對于樓梯檢測，通過測量光學(xué)反射來感應(yīng)地板的接近度。Vishay TCND5000 反射式光學(xué)傳感器等傳感器是合適的。TCND5000 是一款 6 mm x 4.3 mm 的表面貼裝器件，在不包括可見光的封裝中，在光電探測器旁邊安裝了一個(gè)紅外發(fā)射器。它可以檢測2毫米至25毫米范圍內(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，當(dāng)反射信號突然變?nèi)趸虿辉贆z測到時(shí)，發(fā)出已到達(dá)樓梯的信號。

　　使用紅外線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應(yīng)?；诩t外線的測距傳感器，例如Sharp GP2Y0A51SK0F產(chǎn)生與反射到內(nèi)置探測器上的紅外信號強(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，通過使用三角測量方法計(jì)算距離，最大限度地減少檢測表面的反射率對測量精度的影響。紅外發(fā)射器、檢測器和信號處理電路都集成在 27.0 mm × 10.8 mm × 12.0 mm 封裝內(nèi)（圖 ）。該傳感器提供快速啟動，在 5.0 ms 內(nèi)產(chǎn)生第一個(gè)穩(wěn)定的輸出測量。對應(yīng)于 15 cm 的電壓和對應(yīng)于 2 cm 的電壓之間的典型輸出差異為 1.65 V。

　　圖 ：Sharp GP2Y0A51SK0F 集成了生成與測量距離成比例的模擬輸出電壓所需的電路。

　　在適用于機(jī)器人引導(dǎo)的其他非接觸式傳感技術(shù)中，已經(jīng)提出了使用超聲波傳感的距離測量。接近感應(yīng)模塊，例如Parallax PING）））? 28015超聲波距離傳感器發(fā)出超聲波“啁啾”并產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖，當(dāng)接收到回波時(shí)終止。該脈沖的持續(xù)時(shí)間表示到最近反射面的距離（圖 ）。在外殼的前部、后部和側(cè)面放置多個(gè)超聲波傳感模塊，使機(jī)器人能夠檢測其相對于障礙物的位置，而不會損壞設(shè)備或家居裝飾品或家具。

　　圖 ：使用超聲波傳感模塊進(jìn)行距離測量。

　　正如迷宮機(jī)器人“學(xué)習(xí)”它所跟隨的迷宮一樣，機(jī)器人真空吸塵器能夠繪制出它們需要清潔的地面空間。通過映射，機(jī)器人能夠返回其擴(kuò)展塢，例如，當(dāng)集塵器上的傳感器發(fā)出信號表明它必須清空時(shí)，或者當(dāng)電池充電狀態(tài)傳感器表明需要充電時(shí)。當(dāng)準(zhǔn)備好恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人可以返回其最后的工作位置以繼續(xù)。

　　讓我們到外面去

　　機(jī)器人割草機(jī)必須應(yīng)對一組不同的操作條件。通常沒有方便的墻壁或其他反射面來指示工作區(qū)域的界限。取而代之的是，一根電線被埋在或釘在草坪的周圍。驅(qū)動電路在邊界線上傳輸信號，該信號可以是射頻或音頻信號，安裝在割草機(jī)上的無線電接收器、麥克風(fēng)或感應(yīng)傳感器等傳感器可以檢測設(shè)備何時(shí)到達(dá)邊界。割草機(jī)通常會在鐵絲網(wǎng)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)移動，以切割比預(yù)先選擇的切割長度更長的任何草。安全切斷在此類應(yīng)用中至關(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)被拾起或可能意外倒置的傳感器。

　　市場起飛？

　　隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的機(jī)器人開始出現(xiàn)在消費(fèi)者應(yīng)用中，下一個(gè)發(fā)展前沿可能是機(jī)載機(jī)器人。Parallax Inc. 除了提供半導(dǎo)體和組件系列外，還提供教育套件，在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。這旨在培養(yǎng)多個(gè)學(xué)科的專業(yè)知識，例如軟件設(shè)計(jì)、電機(jī)控制、包括 GPS 在內(nèi)的電子設(shè)計(jì)以及加速度計(jì)和陀螺儀的使用，以及更廣泛的問題，例如負(fù)責(zé)任的飛行。潛在的應(yīng)用可能包括緊急服務(wù)的救援援助，或玩具、新型花園照明或航空攝影等消費(fèi)者應(yīng)用。

　　會走路、會說話的機(jī)器人個(gè)人助理在一段時(shí)間內(nèi)可能仍然是科幻幻想或昂貴研究項(xiàng)目的主題。然而，在成熟、可靠且價(jià)格合理的高性能處理器和傳感器等技術(shù)的支持下，家用機(jī)器人的時(shí)代已經(jīng)開始。