如何自製掃地機器人—兩種組裝方法

在現今快節奏的生活中，保持居家清潔並非易事。現代科技可以助您一臂之力。掃地機器人問世超過15年。它們通常形狀像一個大圓盤，會按照預設的模式或隨機移動（直到碰到障礙物）在房間裡清掃灰塵和碎屑。我們在此提供兩份逐步指南，教您如何自製一台掃地機器人。

組裝材料

所以，要組裝一台掃地機器人，你需要了解它的各個零件，我們一步一步來。它需要能夠自主地在房間裡移動，因此需要馬達——根據最終設計，馬達數量從兩到四個不等——以及能夠切換旋轉方向和速度的功能，這意味著你需要一塊馬達控制板。如果你使用的是直流電機，則需要一個帶有四個晶體管（H橋）的電路板。

自製掃地機器人必須能夠偵測與牆壁和家具的碰撞。這就需要在「保險桿」上安裝障礙物感測器和限位開關。此外，還需要掃地機器人本身作為工作部件。它必須設計成可以使用低壓直流電源（例如12V）運作。

除了吸塵器之外，你還需要一個旋轉刷頭，它可以清潔表面、提起地毯絨毛並掃除碎屑。這需要一到兩個額外的馬達。

一個能夠控制這一切的系統。最簡單的選擇是Arduino開發板。任何開發板都能勝任這項任務；Nano或Pro mini開發板的尺寸正合適。

方案一：用紙板製作的機器人吸塵器

機器人的底座由厚紙板製成。最好用膠水分幾層黏合，並確保纖維方向垂直。其技術組件需要以下零件：

1. 任何Arduino開發板。
2. 麵包板或簡易麵包板，原則上可以不用，直接把所有元件焊接起來就行了。
3. 2 個超音波測距感測器（測距儀）。
4. 吸塵器渦輪。
5. 電腦裡的小型馬達或散熱器。
6. 帶變速箱和車輪的馬達。
7. 發動機控制器。
8. 電路連接用導線。
9. 電池和充電控制器。

機器人需要三顆鋰電池供電，每顆電池電壓為 3.7V。需要一個控制器來為它們充電，例如照片中的那種：

為了控制機器人的驅動電機，使用基於L298微晶片的模組非常方便。這是一個H橋電路，你可以用單一元件自行搭建，但購買現成的電路板更可靠。它允許你設定掃地機器人的速度並改變其方向。

為了調節轉速，需對 ENA 或 ENB 接腳施加 PWM 訊號；為了設定旋轉方向，需向 IN1 和 IN2（一個馬達）或 IN3 和 IN4（另一個馬達）施加相反的訊號。如果 IN1 為邏輯 1，IN2 為邏輯 0，則馬達沿一個方向旋轉。要改變旋轉方向，只需交換 IN1 和 IN2 的邏輯 0 即可。此電路應使用 Arduino 開發板，並參考下列電路圖進行組裝（可使用任意引腳，只需在電路圖中指定即可）。

接下來，你需要用紙板做一個底座，然後把輪子固定在上面。成品應該是這樣：

這是從底部看到的景象。兩個驅動輪，一個帶角度的變速箱和一個萬向輪：

現在你需要組裝將要安裝在底座上的電路。底座直徑應約為30厘米，以便容納電子元件和吸塵器主機本身。

你可以不用測距儀，而是使用安裝在保險桿上的系統，該系統連接到限位開關。當車輛與障礙物發生碰撞時，控制系統會發出改變方向的訊號。

你也可以自己做接觸式緩衝器。你需要一條細而硬的導線，例如雙絞線。具體做法是：用錫箔紙在緩衝器內側製作一個接觸墊，並將導線固定好，如下圖所示。當掃地機器人撞到家具或牆壁時，它們就會接觸。調整導線到錫箔紙的距離，以達到所需的靈敏度並防止誤報。將5V電壓施加到錫箔紙上，導線連接到Arduino的輸入端，並透過一個數千歐姆的電阻上拉至負極。

該設備由電池供電；可使用諸如L7805之類的線性穩壓器為控制系統供電。降壓轉換器（例如LM2596）適用於調節馬達轉速。

最困難的部分是設計和組裝吸塵器。以下是草圖：

我們拆下原有的風扇葉片，然後將吸塵器的渦輪機安裝到它的轉子上。務必將渦輪機精確地固定在中心位置，否則會造成不平衡和振動。

這是渦輪機背面連接到冷卻轉子後的樣子。可以用熱熔膠或強力膠固定。

這就是全部內容，一步一步教你如何用廢棄材料組裝一台掃地機器人。它的運作原理如下：掃地機器人向前移動，直到遇到障礙物。碰撞（或接近，如果你使用的是超音波測距儀）後，它會停止，後退一段預設距離，隨機轉彎，然後繼續前進。

方案二：一種類似工廠的機器人

我們向您展示一個更簡單的掃地機器人專案。組裝完成後，它的樣子如下：

導航系統由六個紅外線障礙物感測器組成。如果所有感測器均未被觸發，則使用兩個接觸式感測器（限位開關）。馬達控制系統使用相同的驅動器和 L298N 微晶片。組裝系統需要以下零件：

1. 最初使用的是 Arduino Pro-mini 開發板。
2. 用於對這款 Arduino 開發板進行編程的 USB-TTL 轉接器。如果您使用的是 Arduino Nano，則無需此轉接器，因為它支援透過 USB 進行程式設計。
3. L298N馬達驅動器。
4. 帶變速箱的車輪馬達。
5. 6個紅外線感測器。
6. 渦輪機馬達（如果可能，功率更大）。
7. 吸塵器渦輪葉輪。
8. 有刷馬達可以是任何東西。
9. 2個碰撞感測器。

請依照以下方案組裝所有零件：

組裝掃地機器人的電源電路，你需要：

1. 4顆鋰電池，18650型即可。
2. 2 個 DC/DC 轉換器（升壓和降壓）。
3. 用於兩顆電池進行充放電的控制器（可在網路上搜尋「2S鋰離子電池控制器」）。此電路採用兩節並聯電池串聯的方式，輸出電壓大於7.4V。並聯電路用於提高電池容量和延長電池壽命。

這是機器人的電源電路圖：

此外，您還需要塑膠（PVC）或其他材料來製作機器人身體；如果您有條件，可以用 3D 列印機列印出來。

這個DIY專案需要韌體。這裡有一個我們從網路上找到的隨機清潔演算法範例。點此下載程式： 機器人吸塵器的韌體。

本文介紹了兩種可以自行複製和製作的機器人吸塵器設計。您可以用 30 到 100 美元打造一台自動房間清潔器。其中最昂貴的部件是電池、馬達和 Arduino 開發板。如果您已經成功製作了自製機器人吸塵器，或者想出了不同的設計方案，請在評論區分享您的作品。我們歡迎大家暢所欲言！

最後，我們推薦觀看以下視頻，其中清晰地展示了更多在家自製掃地機器人的方法：