树莓派项目构想-扫地机器人

前言

本文是创新创业的结课报告，结课报告的题目要求如下：

• 通过课程学习、课下查阅网络与图文资料，了解和掌握树莓派的功能、扩展性与应用领域（树莓派的典型和非典型应用）
• 深入分析某一个具体行业或工作的工作特点，找到痛点难点，并分析树莓派的适用性（树莓派的什么特点使其适合用于解决这一问题）
• 基于树莓派的功能，讨论如何通过增加相应的软硬件（传感器、软件模块、算法库……等），满足所关注的问题
• 以“开发产品原型并吸引风投”为目标，完成一份创业项目计划书

注：不要求完成实际作品，而是强调基于技术的创意、运用工具和所学知识解决实际问题的能力、分析评价项目商业价值的能力

项目简介

随着时代的发展，扫地机器人已走进千家万户，服务于人们的日常生活。然而，与该技术自动化的核心思想相背离，目前的扫地机器人在启动、交互和垃圾倾倒等方面还存在着不少的缺陷。同时，作为一个家庭生活的助手，扫地机器人的工作潜力也远远未开发出来。因此，我们设计了一款自动化程度更高的机器人，将内部的单片机替换为功能和接口更丰富的树莓派，集成智能语音助手，优化交互形式，同时设计了一种机械结构，利用树莓派控制它自动倾倒垃圾，改进了扫地机器人的内部和表面结构，增加了其承重能力，从而使扫地机器人更加的全能与实用。

项目背景与意义

自2013年以来，全球扫地机器人市场规模呈逐年增长态势，截止2018年底全球扫地机器人市场规模为23亿美元，而2019年预计将突破30亿美元。从市场占比看，目前美洲、亚洲和欧洲各占三分之一，美国和中国是全球最大的市场。于此同时，国内的市场竞争也极为激烈，扫地机器人品牌达数百家，科沃斯、小米、IRobot是其中的龙头企业，尤其是科沃斯，市场占比近半。

政策方面，国家发改委、工信部和财政部2016年共同制定的《机器人产业发展规划(2016-2020年)》明确支持机器人行业尤其是扫地机器人所在的服务机器人领域快速发展，在政策的引领下，该领域前景广阔。

然而，目前国内市场的主流扫地机器人倾向于在算法和软件方面进行优化，专注于核心的清扫功能和对地面环境的适应能力，未对作为机器人核心思想的自动化做进一步的改进，比如，机器人清扫完毕后仍需要人工处理垃圾，没有实现自动倾倒垃圾的功能；另外，从网络评论来看，扫地机器人在某种程度上已经成为人们的精神慰藉，也偏受家中宠物的喜爱，因此，增加机器人的交互能力和承重能力势在必行。而解决了这三方面痛点的机器人，必将成为市场新的宠儿，促进该领域技术的进一步革新。

另外，我们将机器人起名为大白，目的是希望它能够像《超能陆战队》中的大白一样，成为人们生活的好助手，以及精神的慰藉者。

项目总体技术组成

1. 系统设计

扫地机器人的核心结构如图1所示，市面上的机器人一般使用普通的单片机作为控制核心，为了更多的功能和扩展，我们将其替换为树莓派。

大白的核心功能同市面上大部分扫地机器人相似，另外添加了我们独有的三个功能，如下表所示。

基本功能	独有功能
自动返回充电	智能语音交互
避障功能，感应障碍，自主脱困	自动倾倒垃圾
多种地形适应，包括木板、瓷砖、地毯等	承重结构设计
下视感应，安全防跌
打扫路径和功能优化，清扫更干净

另外，我们为机器人挑选了极为漂亮的外壳，如图2所示，它可以进一步吸引消费者的青睐。

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我们不对基本功能做过多描述，只是令树莓派代替了单片机的作用。下面分模块介绍独有的三种功能设计。

2. 自动倾倒垃圾功能

扫地机器人自动倾倒垃圾的功能通过传感器、树莓派、尘盒和相关的机械结构来完成。概念图如图3所示，集成微型称重传感器的尘盒同一根金属杆连接，传感器的数据传回树莓派做处理，树莓派通过控制金属杆的伸缩和转动来倾倒垃圾。

接下来我们描述整个运行过程。通过估计尘盒所能容纳的垃圾重量，我们会事先在树莓派的程序逻辑中设定重量上限，当尘盒中垃圾超过该上限时，机器人启动倾倒垃圾流程，前往垃圾箱的路线可由用户预先自定义设定，机器人到达垃圾箱后，树莓派控制金属杆伸缩将尘盒弹出，然后转动金属杆将尘盒中的垃圾倒入垃圾箱内，最后将尘盒转动复位，收回机器人体内，继续清扫或其它工作。另外，除垃圾重量超过界限会触发倒垃圾操作外，每次清扫完整个家都会进行一次倒垃圾的操作。

3. 智能语音交互功能

从“萌蠢”等词我们可以判断出人们已经对扫地机器人倾注了一定的情感，为了强化这一方面的能力，我们决定将智能语音助手与机器人的中枢—树莓派相结合，使其成为人们的精神伴侣，同时，也可以用来控制扫地机器人的工作，免去复杂的APP操作。

硬件层面，我们添加麦克风和扬声器作为语音的输入输出设备。软件层面，我们通过调用科大讯飞的API对录入的语音做识别，然后调用图灵机器人API获得问题答案，再通过科大讯飞的语音合成服务将语音输出，完成整个循环。除此之外，我们还针对扫地机器人的工作指令关键词做特别优化，当识别到这些关键词时，自动调用相关逻辑，实现语音控制机器人完成各种工作的功能。另外，由于整体的工作流程依赖于对各API的调用，所以工作过程需要保持联网，我们通过设置树莓派的WIFI模块使其始终保持和家里无线网络的连接。

4. 承重功能

自扫地机器人面世以来，家中以猫和狗为代表的宠物与机器人的斗争就从未停止，不仅仅宠物们极其喜欢站在扫地机器人上面，如图4所示，我们自身也会觉得扫地机器人的外形很合适宠物站在上面。然而目前市场上的扫地机器人设计并没有考虑这一点，其承重能力往往不足以支持宠物的存在，而我们往往在日常生活中对宠物们这样的做法又无可奈何，因此，增加扫地机器人的承重能力刻不容缓。

通过调查得知，幼猫体重一般为70至900克，成年猫则平均为2.5-5.5千克，小型宠物犬和成年猫体重相似。而根据我们找到的资料，如小米的石头扫地机器人承重为2.3千克左右，所以，我们只需要通过一定的结构设计，就能增加足够宠物体重的承重。主要通过内部空隙填充三角形结构，表面做成翻折状来实现，就如同我们将纸不断的折叠来承重一样

市场分析

该扫地机器人针对的消费人群主要是：

1）懒癌患者，希望将倒垃圾工作一起自动化的用户；

2）家养宠物人士，能有效防止扫地机器人被宠物破坏；

3）独居人士，做家务的同时完成语音助手的职能，通过聊天来给予客户精神慰藉。

风险分析

风险在于树莓派的使用相对于普通单片机来讲，增加了一定的成本，而不论是语音助手、倒垃圾的机械结构还是承重结构都是极易仿制的东西，况且，这些思路都处于初级阶段，改进空间很大。以目前排名前三的扫地机器人厂家的市场占有量，如果在前期我们无法夺取一定的市场，将会面临艰难的竞争。