ST-科沃斯自动扫地机器人拆解评测报告

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mars4zhu 发布时间：2014-9-20 19:53

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在2014年10月的ST研讨会上，最后的抽奖环节有幸抽中一个ST贴牌的科沃斯自动扫地机器人，高兴之余，也为这个机器人的自动化与智能化程度感到一些吃惊。虽然接触不到内部的设计原理和系统结构，但是从使用几次的经验来看，这个机器人内部集成了很多灵巧聪明的智能算法，而且隐约可见在精致的外壳下的各个传感器。
为了深入这个机器人的体内，了解内部构造与原理，将其拆解并逐一分析推测

ST-科沃斯自动扫地机器人
拆解评测报告

文档编号( O$ i. R' G3 n1 Z) A$ L	TR-0001-A0 0 c' }! H! T* s! }( z
关键字% n6 ?7 Y2 o1 w	ST，科沃斯，自动扫地机器人，传感器、智能家居、自动避障/ i1 ?: V D' Y6 H1 r
摘要 1 y" ?# P; U1 b2 Y9 ]! K' @1 R9 O	本文记述了对科沃斯自动扫地机器人的使用、拆解、评测，详细描述了该款机器人的传感器、动作执行电机、设计原理等方面的内容。 & q5 J! a( \| P4 V

Marszhu

目  录

1 概述 1
2 使用经验 1
2.1. 智能扫地路线规划 1
2.2. 围绕障碍物清扫 2
2.3. 扫地刷缠绕摆脱 2
2.4. 防止掉坑 2
2.5. 不走回头路 2
3 拆解分析 2
3.1. 拆卸电池与外壳 2
3.2. 机身 4
3.3. 主控制板与MCU 4
3.4. 红外遥控 6
3.5. 接近/距离传感器 7
3.6. 碰撞检测轻触开关 8
3.7. 悬空检测地面距离传感器 9
4 结论 10

插图索引

图 11   ST-科沃斯地面清洁机器人CR120实物图 1
图 11    CR120底部背面图 3
图 11    CR120拆分后的底板正面图 4
图 11    CR120的吸尘风机 4
图 11    CR120主控制板 5
图 11    CR120的主控MCU 6
图 11    CR120的红外接收器及其反射部件 6
图 11    CR120的红外接收反射部件的实拍反射图 7
图 11    CR120的接近/距离传感器 8
图 11    CR120的碰撞检测轻触开关 8
图 11    CR120的轻触开关安装位置（红色椭圆处） 9
图 11    CR120的悬空检测地面距离传感器（左前、右前） 9
图 11    CR120的悬空检测地面距离传感器（左、右） 10

表格索引

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1 概述

科沃斯地面清洁机器人，型号CR120，由苏州科沃斯机器人有限公司出品。官方网址http://www.ecovacs.com.cn/deebot/，淘宝旗舰店网址为：
https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a230r.1.14.1.iIOox4&id=16882811500&ad_id=&am_id=&cm_id=140105335569ed55e27b&pm_id=
其演示视频为https://v.youku.com/v_show/id_XNDQzNzc1NjYw.html
https://www.stmcu.org.cn/file:///C:UsersJamesChuAppDataLocalTempksohtmlwpsD49.tmp.png
图 11  ST-科沃斯地面清洁机器人CR120实物图
2 使用经验

根据使用体会，科沃斯地面清洁机器人有一下特点和智慧：
2.1. 智能扫地路线规划

遥控器具有选择扫地路线规划的功能，可选择的路线有渐开线（没听过渐开线？回去补补数学吧，大概在高中数学的解析几何-极坐标那几个章节里面）、之字线往返等。
实际测试使用中，在没有太多障碍物的情况下，机器人确实是按照规划的路线来运动，而且在有障碍的时候，机器人也尽量不按照原路返回，而是往新的方向运动，从而使得扫地面积最大化，提高了扫地速度和效率。
2.2. 围绕障碍物清扫

在使用中，如果碰到一个障碍物，则机器人会围绕着障碍物，主要是逆时针方向，进行清扫。传说中的“转角遇到爱”啊。
2.3. 扫地刷缠绕摆脱

有时候在扫地过程中，扫地刷缠住了电线、布条、丝线等东西，造成扫地扫不动，这时候机器人会慢慢转向，同时倒退，尽量摆脱这些缠绕，当然，很多情况下缠绕的太厉害摆脱不了，这时候机器人会发出报警声和闪红灯，提醒主人帮助他解脱。
2.4. 防止掉坑

在测试中，机器人走向台阶，冒出一点头之后，机器人立刻停止，并反向运动回来，避免“掉坑”。
2.5. 不走回头路

在往前扫地的时候，往往遇到墙壁、桌椅脚、家具等障碍物，或者台阶等悬空摔落的情况，这时候机器人就要往回走，掉头大概150°，而不是180读，不走回头路。
3 拆解分析

为了一探内部的情况，将扫地机器人逐步拆解，并分析推测各个部件的组成、原理和功能。
3.1. 拆卸电池与外壳

将底板电池壳螺丝拧开，然后抽出电源线接头（常见的电源插拔件），将电池取出。底板背面的扫地刷、吸尘入口、驱动轮等一一可见。
然后逐步拧开底板的各个螺丝钉，取出后慢慢抬起底板壳，这时有两根导线连接底板和机身，也是采用常见的插拔件连接，断开这些链接后，即可分离机身和底板。
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图 31   CR120底部背面图
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图 32   CR120拆分后的底板正面图
从上图可见，底板上具有主控制板、驱动轮机器点击、电源插孔、开关等部件，以及各个传感器、电机的导线。
3.2. 机身

机身包括吸尘风机、垃圾盒。
吸尘风机采用直流电机带动离心式风轮转动，从而将灰尘吸入内部的垃圾盒，而风通过垃圾盒的双层过滤网吹出，形成完整高效的风路。电机采用的是简单的开/关控制设计。
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图 33   CR120的吸尘风机
垃圾盒内部采用双过滤网，保证灰尘不会从吸尘风机的出风口飘出。
3.3. 主控制板与MCU

主控制板为双层PCB，一面焊接元件。PCB上中央为MCU，四周布满了各种接线端子，包括传感器输入、遥控输入、LED输出、电机控制输出、电源与开关、电池接口等。并具备了多颗大容值的电容、电机驱动芯片等，同时左下角可见一个蜂鸣器。用于提示。
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图 34   CR120主控制板
主控制板采用意法半导体公司（ST）的STM32F103VBT6作为主控MCU，该芯片为72MHz、128KB-Flash、100pin的Cortex-M3芯片，PCB元件整齐，右边推测应该是JTAG/SWD的10pin接口，但是相比科沃斯已经将这颗MCU锁定，不可能从JTAG读出内部的固件程序。
从PCB上可见，该芯片的几乎所有pin引脚已经全部使用，由此可见该机器人具有的外部器件之多！
这也是ST选取该产品作为其研讨会赠品的原因，利用自己芯片做出的产品，永远是最好的广告。
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图 35   CR120的主控MCU
3.4. 红外遥控

红外遥控接收器位于机器人最前端的凸起部分，这个凸起部分设计的特别精妙，具有一个180°立体角反射功能，能够将从任何方向发射的红外线反射到内部的红外接收头部分。仔细看下图右边的透明亚克力的反射弧线。
https://www.stmcu.org.cn/file:///C:UsersJamesChuAppDataLocalTempksohtmlwpsE77.tmp.png  https://www.stmcu.org.cn/file:///C:UsersJamesChuAppDataLocalTempksohtmlwpsE98.tmp.png
图 36   CR120的红外接收器及其反射部件
红外接收一般具有一定的方向性，也就是说必须是红外发射器正对着红外接收器，这样才能保证遥控型号的最高信噪比，不会出现接收不到控制信号造成控制失灵的情况。由于扫地机器人是运动的，因此要将红外遥控器与红外接收器对准是一个要求比较高的动作。
而加入一个接收反射部件，则改进满足了这一个功能要求，从接收器方向往里看，可以看到四周的景象，说明反射部件将四周的光线全部反射到了红外接收器，因此可以全方位控制
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图 37   CR120的红外接收反射部件的实拍反射图
3.5. 接近/距离传感器

机器人的提前避开障碍物，依赖于前方四个方向安装的接近/距离传感器，这种传感器在手机上也用，就是那个打电话贴近耳朵时自动关闭屏幕的那个传感器。科沃斯机器人在左、右、左前、右前四个方向上都安装了，实现了更精确地测定外部障碍方位的功能，从而控制实现围绕障碍物清扫的功能。
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图 38   CR120的接近/距离传感器
3.6. 碰撞检测轻触开关

由于接近传感器之间依然存在检测盲区，对一些小的障碍物，比如桌椅腿，就会由于检测不到而碰撞，这时候机器人的用于检测碰撞的轻触开关就发挥了作用，及时的闭合提醒MCU控制机器人往回走。
轻触开关在外部碰撞检测保护壳的里面，保护壳活动安装，可以识别出是左/右碰撞方向，从而决定机器人的转向。
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图 39   CR120的碰撞检测轻触开关

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图 310   CR120的轻触开关安装位置（红色椭圆处）
3.7. 悬空检测地面距离传感器

为了防止机器人在阶梯、悬空等地方依然前进最终掉坑里的命运，设计在前面四个方位（左、右、左前、右前）安装了用于悬空检测的地面距离传感器。
只有当四个传感器都检测到离地面距离在设计范围内，就认为前面没有悬空，可以前进。否则只要有一个传感器检测到距离超过设定范围，说明有一个方位悬空了，提醒MCU“遇到了坑，不能往前走了，会掉坑里的”。这是MCU控制机器人转向，避开掉入坑里的命运。
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图 311   CR120的悬空检测地面距离传感器（左前、右前）

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图 312   CR120的悬空检测地面距离传感器（左、右）
4 结论

科沃斯的地面清洁机器人CR120，采用了众多的传感器、电机执行部件、红外遥控，精巧的工业设计、智能先进的控制算法，集以上优点于一体，形成了真正智能的扫地机器人，确实是智能增强家居、提高生活质量的利器。

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