掃除機はいくらかかりますか？掃除ロボットの原理とハードウェア構成の詳細な説明

時代の発展とともに、掃除ロボットは多くの家庭にとって必需品となりました。

掃除ロボットは、ベッドの下を掃除したり、さまざまな衛生上の死角を掃除したり、飼い主と交流したり、ペットのおもちゃとして使用したりすることもできます。つまり、掃除ロボットは誰もが使いたくなる「スマート家電」になっています。

家庭における掃除ロボットの普及率：

2015年から2019年までの掃除ロボットの販売量 | Aowei Luopanのデータ

掃除ロボットの台頭は2015年に爆発的に増加し始めてからそれほど経っていません。2019年までに、中国市場における掃除ロボットの販売台数は年間約450万台に達しました。

掃除ロボットは都会の若い家庭にとても人気のある製品です。さらに重要なのは、掃除ロボットが本当に家事をこなせるということです。掃除ロボットの家庭普及率は米国が最も高く、 2018年には16%に達した。中国における掃除ロボットの普及率は若干低い。

2018 年の清掃ロボットの普及率 | GFK のデータ

中国における掃除ロボットの普及率はまだ5％未満だ。米国における掃除ロボットの人気から判断すると、中国にはまだまだ大きな成長の余地がある。

では、数千元もする掃除ロボットはいくらかかるのでしょうか?

掃除ロボットのコスト構造を理解するには、まず掃除ロボットの動作原理と掃除ロボットのハードウェア構成を理解する必要があります。

掃除ロボットの仕組み

掃除ロボットの主な動作原理

掃除ロボットなので、このロボットと人間を比較してみます。

1. 目と耳を持つ掃除ロボットはどのようにして部屋の様子を知るのでしょうか?部屋のキャビネット、靴、ベッド、椅子、人はどこにいますか?彼はこれらが何であるか知っていたのでしょうか?

掃除ロボットの目：主に距離の測定と物体の識別に使用されるLiDAR。

LiDARの2つの主要機能 | 写真は無人車両のレーザーナビゲーション

掃除ロボットにカメラが搭載されているのをよく見かけます。現在、 SLAM+ビジョンナビゲーション方式は、Tesla、Baidu Appolloなどの無人運転システムなどの無人運転技術で主に使用されています。これは主に、CPU アルゴリズムと電力消費量の増加によるものです。

現在、掃除ロボットのカメラの主な機能は物体を識別することではなく、「所有者」と通信し、顔認識を含む情報を取得することです。物体を識別する主な方法は、依然としてレーザーナビゲーションセンサーです。

レーザーナビゲーションセンサーは主に、反射物体の輪郭を構築し、その輪郭を物体のおおよその実際の製品と比較するために使用されます。

掃除ロボットの耳は実はマイクです。これは私たちがよく使うSIRI、Xiaodu、Tmall Genieと同じ原理です。 CPU チップにマイク + 音声インテリジェントアルゴリズムが搭載されているため、掃除ロボットは流暢に会話できます。

一部の掃除ロボットは超音波測距センサーを使用して距離を測定します。これも掃除機の耳に属し、主に障害物回避に使用されます。

レーザーセンサーと超音波センサーの位置

側面に超音波センサー

掃除ロボットのレーザーセンサーも人間の目と同様に最も高い位置にあります。これは、掃除ロボット全体の中で最も高価な部分です。誤って損傷しないでください。交換には多額の費用がかかります。（具体的な価格については後ほど詳しくお話しします）

2. 掃除ロボットのコアプロセッサである脳+小脳：3つのコアプロセッサ

コアプロセッサ

市販されている一般的な掃除ロボットはすべて、ARM アーキテクチャのプロセッサチップを使用しています。これはコンピュータのCPU（X86アーキテクチャ）と同じ機能を持っています。組み込みアルゴリズムと人間とコンピュータの相互作用アーキテクチャはすべてここで実行されます。

1. メイン制御チップは主に上位アプリケーションに使用されます。オペレーティングシステム、音声、視覚、UI インターフェイスのインタラクションはすべて、Xiaomi 掃除ロボットで使用されている Allwinner ARM Cortel-A7 アーキテクチャクアッドコアプロセッサなどのメイン制御チップによって管理されます。

2. マイクロコントローラは主に経路計画に使用されます。 SLAM ナビゲーションアルゴリズムを実行して、部屋の仮想 3 次元空間マップを構築します。

3. デジタル信号プロセッサ。これは主に、制御チップが経路を計画し、ステアリングホイール（掃除機が前進したり回転したりするためのホイール）、掃除用ブラシモーター、掃除機モーターなどの実行モーターに指示を送って、これらのモーターを動作させるためのものです。

掃除ロボットの回路基板上の構造部品とコアコンポーネント | Xiaomi 掃除ロボット

掃除ロボットの頭脳は、主に経路計画、障害物回避、人間とコンピュータの相互作用に使用されます。たとえば、人間が掃除範囲を設定し、音声で掃除ロボットに掃除を指示すると、プロセッサが処理してアクチュエータに指示を送信する必要があります。

小脳は実行層に最も近い制御領域です。たとえば、上で述べたように、最後の 2 つのプロセッサ、デジタル信号プロセッサとマイクロコントローラは、実行層 (モーター) を制御し、外部情報をフィードバックするプロセッサです。

Xiaomi、TCL、その他の掃除ロボットはすべて、経路計画用の制御チップとしてSTMicroelectronicsのM3マイクロコントローラチップを使用しています。

経路計画チップ

3. アクチュエータ：モーター（ブラシレスモーターまたはブラシレスモーター）

掃除ロボット用のアクチュエーターには、歩行サーボ、掃除モーター、掃除機モーターの 3 種類があります。掃除したゴミは収納エリアに吸い込まれ、掃除ロボットの作業工程となります。

ロボット掃除機の掃き掃除位置

これら 3 つの部分、つまり歩行モーターとスイープモーターのアクチュエーターには、一般的に、低速で高出力のブラシ付きモーターが使用されます。掃除機のモーターには、一般的に高速で小型のブラシレス DC モーターが使用されています。ブラシレスモーターは、高速回転時に 1500pa を超える吸引力を生成できます。

ブラシ付きまたはブラシレスモーター

多くの友人が、掃除ロボットのブラシ付きモーターとブラシレスモーターの違いは何なのか疑問に思っています。

知識ポイントを挿入します:
コストの観点から見ると、ブラシレスモーターは 20,000 rpm から 120,000 rpm まで回転できます (これは、インターネットで有名なダイソンのヘアドライヤーの最高速度です)。ブラシレスモーターで高速化を実現するためのコストは、ブラシを使用する場合よりもはるかに低くなります。
ブラシ付きモーターは超高速を実現しようとすると整流子の摩耗が激しくなるため、一般に超高精度機器では高速ブラシ付きモーターが使用されます。業界には超高速ブラシモーターを生産できる技術は多くありません。
市場で一般的な小型ブラシレスモーターは、回転速度が比較的低く、通常は 10,000 rpm 程度で、非常に安価です。 1 つあたりの価格はわずか数ドル、あるいは 1 ドル未満です。
掃除ロボットが強力な吸引力を実現したい場合、ブラシレス DC モーターの使用は非常に適した選択です。
そして、中空カップモーターの巻線機技術の特許保護が切れた2010年以降、中国の深センと東莞には小型ブラシレスDCモーターの製造業者が数千社存在しました。そのためブラシレスモーターの価格も下がりました。
興味があれば、 MAXONまたはFaulhaber Motors について調べてみてください。これらは、火星探査車用のブラシレスモーターを製造しているブランドです。（この内容は掃除ロボットとはあまり関係がないので、詳細は省きます）

したがって、掃除ロボットを購入する際には、ブラシ付きモーターとブラシレスモーターについてあまり心配する必要はありません。

掃き掃除と掃除機の構造

原則として、掃除ロボットの中核となるのは、レーザーナビゲーション + 経路計画 + 掃除と掃除機をかける機能です。

そのため、業界を席巻しているロボットメーカーのコア技術は、基本的にレーザーナビゲーションと経路計画に重点を置いており、音声対話などの人間化された設計が追加されることになります。

掃除ロボット全体のハードウェア構造は、1枚の図にまとめることができます。

主なコンポーネント

掃除ロボットのハードウェア構成 | Xiaomi コミュニティからの画像

すべてのコンポーネントについて話した後、多くの人が各コンポーネントの重要性の順序を頭の中で把握しているかもしれません。