家用多功能移动加湿机器人加湿模式模拟试验研究

崔方圆，张解语，高志强，苏金虎

（1.河南工学院 机械工程学院，河南 新乡 453003；2.河南省机电装备数字化设计与制造工程技术研究中心，河南新乡 453003）

0 引言

我国《“十四五”机器人产业发展规划》提出，到2025年我国将成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地。随着机器人产业的不断扩大和兴起，服务类机器人应运而生，并在医疗健康、家庭服务、教育娱乐等诸多领域得到了广泛应用[1]。《中国制造2025》文件中也明确提出，服务类机器人是机器人产业未来发展的一个重要方向，具有较大的市场潜在需求[2-3]。家用服务类机器人是服务类机器人的一个重要发展方向[4]。家用扫地机器人、智能家用加湿器、消毒机器人等作为家用服务类机器人的重要组成部分。然而，这些家用服务机器人目前在家庭中都是各自专用的设备，独立工作、功能单一、使用效率较低，大大降低了人们对家用服务类机器人产品的体验感。

本文拟采用模块化设计理念，完成一种家用多功能移动加湿机器人的设计。该设计集成了加湿机器人、消毒机器人和扫地机器人的关键功能，能够同时实现清洁、消毒杀菌和加湿等功能，以便更好地提升消费者对家用服务类机器人的体验。本文的研究有利于智能家居领域的发展以及让不同领域的专用功能机器人进行多样化融合，具有重要的研究价值和广阔的市场应用前景，对未来智能家用服务机器人产品的设计具有重要的借鉴意义。

1 加湿机器人国内外研究概况

1.1 加湿机器人国内研究概况

加湿机器人在中国已经有相当长的历史，随着纺织业、印刷业、烟草业、电子业等行业的发展和人们生活水平的日益提升，加湿技术不断飞速发展，技术不断革新。在超声雾化加湿技术方面，为了控制加湿效果，胡银伟等[5]通过对多源智能超声雾化加湿器的设计，提出了利用多个超声雾化振子形成行列矩阵，通过湿度传感器收集的数据，经过微处理单元的模糊智能调控，分析每个振子的具体工作状态，确保精确控制空气湿度。刘清龙等[6]通过对家用加湿器适用面积计算及测试方法探讨，开创性地通过试验推论得出了一个家用加湿器的加湿量与适用面积的对应关系。该关系的提出有利于在设计加湿设备的时候，针对不同的使用空间范围，预设加湿功率，有很大的技术参考性。朱宇轩等[7]通过对家用可移动智能加湿器的研究，创新性地提出了一种基于单片机系统控制的两轮可移动加湿小车，克服了传统加湿器不能移动的缺点，同时该设计可以让以后家用加湿器在湿度控制精度方面有较高的提升。

1.2 加湿机器人国外研究概况

国外加湿技术也有很多研究方案，Sakid等[8]提出一种基于微控制器的系统来解决低湿度问题，具体是利用无线传感器和微控制单元连接，当湿度低于设定阈值时候，加湿器主动工作来解决家庭中湿度过低的问题，该研究解决了加湿器在反馈时的一个关键处理步骤，让家庭湿度控制更加精确。

在工业加湿技术中，Hafizm等[9]提出了一种新型的多级阶梯泡柱加湿器，该设备系统主要应用于海水淡化系统设备的加湿，根据多级温湿度控制具体加湿的一个功率，保证设备精确控制湿度，多级控制在湿度控制方面确实有较突出的优势。

1.3 国内外家用加湿机器人现状分析及发展前景

通过综合分析国内外发展现状可以看出，对于加湿机器人的问题研究，国内外学者主要是追求环境湿度的稳定加湿。现有研究方法中，实现稳定加湿主要取决于环境湿度以及加湿机器人的加湿功率。目前，对于家用移动加湿机器人的研究较少。传统意义上的家用电器将逐步被智能家电设备所取代。21世纪是科技发展的时代，多功能可拓展服务类机器人[10]，正逐步成为物联网的重要组成部分和信息承载主体。因此，未来家用机器人的发展趋势应该是同时具备小巧、设备互联、多功能、智能等科技新特点[11-12]。

2 移动加湿机器人加湿模块设计

移动加湿机器人作为一个系统的产品，涉及的专业知识和学科较多。本设计主要偏向于主体结构的设计、优化及创新思想的提出。针对较成熟的扫地机器人产品、加湿器进行外观结构重新设计及优化，对于关键结构可采用沿用已有产品的机构的办法实现，力求能做出接近实际产品的模型。以市面上较成熟的产品为基础，可以极大减少设计成本且能弥补因某些专业知识的缺失而造成的设计短板。

2.1 加湿模块的壳体结构设计

加湿模块主要是由壳体结构组成，主要包括下壳体、中壳体和上壳体。下壳体主要是作为整个加湿器的支撑，所设计的加湿模块壳体如图1所示。

图1 加湿模块壳体

2.2 风机的选型

超声波加湿装置运行，在水面会形成水雾。因此加湿模块需要小风机进行鼓风，将水雾从容器带出。技术参数如表1所示。

表1 加湿模块风机技术的主要参数

2.3 连接模块快介绍

加湿机器人整机是由清洁模块和加湿模块两部分组成。两个模块之间的连接靠图2（a）所示的清洁模块的凸形结构和图2（b）所示的加湿模块底部的凹形结构进行定位和配合。

图2 清洁模块的凸形结构及加湿模块底部的凹形结构

3 加湿模式模拟试验分析

伴随着人们生活水平的提高，加湿技术慢慢步入家庭。现代医疗气象研究表明，在夏季室温25 ℃时，相对湿度范围为40%～50%比较舒适；在冬季室温为20 ℃时，相对湿度控制在50%～70%比较舒适。健康的湿度有利于人体抑制病菌的滋生和传播，提高自身免疫力。本研究主要是对固定加湿模式和移动加湿模式对房间湿度改善的能力进行模拟试验分析。

试验区域为学生宿舍3.6 m×6 m长方形区域，区域中包含对称的床位衣柜等布置。试验分别设置5个温湿度检测点，点位间隔1 m，检测仪器为小米温湿度计2代，参数如表2所示，加湿试验时间为3 h。

表2 小米温湿度计2代主要技术参数

3.1 固定加湿模式模拟试验

3.1.1 试验条件

固定加湿模式试验条件，房间初始温度为25.6 ℃，相对湿度为40%。加湿器放置高度距离地面1 m。加湿器调至最大加湿模式，加湿喷嘴方向朝向开阔一侧。进行3 h加湿。加湿结束时，分别对每个点位高度1.5 m位置进行1min测量，并记录数据。房间具体测试点位如图3所示。

图3 固定式加湿试验区域图

3.1.2 数据处理及结果分析

根据试验记录数据，绘制以距离为横坐标，湿度和温度为纵坐标的折线图，试验数据折线如图4所示。

图4 固定式加湿模式距离与温湿度关系

根据折线图的结果分析，初始环境相对湿度为40%，固定式加湿模式的加湿效果与距离有关系，与距离成线性关系。距离加湿器越远，加湿效果递减。

3.2 移动加湿模式模拟试验

3.2.1 试验条件

移动式加湿模式试验条件，房间初始温度为25.5 ℃，相对湿度为40%。为了模拟移动加湿条件，分别置于5个测试点进行每个点位10 min加湿，然后顺序移动到下一点位。根据固定式加湿的试验结构分析，1 m间隔的短距离加湿对试验结果影响较小，该方法一定程度上可替代移动加湿。进行3 h加湿，加湿结束时，分别对每个点位高度1.5 m 位置进行1 min测量，并记录数据。房间具体测试点位如图5所示。

图5 移动式加湿模式试验区域

3.2.2 数据处理及结果分析

根据试验记录数据，绘制以距离为横坐标，纵坐标为湿度和温度的折线图，试验数据折线如图6所示。

图6 移动加湿的房间的温度与湿度关系图

4 结论

为完成一种家用多功能移动加湿机器人的设计，采用模块化设计理念，通过对移动机器人的清洁模块结构设计模拟试验，对不同加湿模式的加湿效果进行对比和分析。试验结果分析表明，在相同面积的区域，选择不同加湿模式都能达到人体健康湿度，而且移动式加湿模式对室内湿度的均衡效果更显著。对较成熟的扫地机器人产品、加湿器进行外观结构重新设计及优化，力求优化产品模型。所提出的基于模块化可重构思想的家用智能电器设计理念，虽然还存在一定的设计局限性，希望后期有所改进，为未来智能家用服务机器人产品的设计提供重要的借鉴。