劉振鵬 劉陸軍 鐘 力 趙文哲 / 上海電機(jī)學(xué)院

家用樓梯全方位移動清潔機(jī)器人的研究

劉振鵬 劉陸軍 鐘 力 趙文哲 / 上海電機(jī)學(xué)院

針對家庭復(fù)式樓梯的清潔問題，研制了一款輕便、小巧且能夠在樓梯上全方位移動的自動清理機(jī)器人，對該機(jī)器人的設(shè)計、應(yīng)用中的問題進(jìn)行了研究。

家庭復(fù)式樓梯；清掃機(jī)器人；爬梯機(jī)構(gòu)

近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。其中家庭服務(wù)機(jī)器人開辟了應(yīng)用的新領(lǐng)域，帶動了家庭機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動行走機(jī)器人技術(shù)、傳感器技術(shù)和控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。目前用于室內(nèi)清潔的機(jī)器人只能實(shí)現(xiàn)地板的清掃，以及在這個功能基礎(chǔ)上的智能化，而專門為家庭復(fù)式樓梯清理而設(shè)計的機(jī)器人很少涉及。為此設(shè)計了一款輕便、小巧，且能夠在樓梯上實(shí)現(xiàn)全方位移動的自動清潔機(jī)器人。該機(jī)器人將攀爬技術(shù)、全方位移動技術(shù)和清潔吸塵技術(shù)巧妙的融合起來，實(shí)現(xiàn)了家庭復(fù)式樓梯的攀爬和全方位清潔，可替代傳統(tǒng)的人工清潔樓梯的工作。該機(jī)器人主要包含升降、移動、避障、清掃等機(jī)構(gòu)，應(yīng)用后將降低了人們的勞動強(qiáng)度、提高了工作效率，應(yīng)用前景廣闊。

1.清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

家用樓梯全方位移動清潔機(jī)器人主要有升降部分、伸縮部分、清掃部分以及控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.家用樓梯全方位移動清潔機(jī)器人的主要機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1 舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計

舉升部分選用叉形機(jī)構(gòu)，使用步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動驅(qū)動上平臺升降，升降部分實(shí)現(xiàn)清潔小車在各層樓梯上的攀爬，如圖2所示。升降機(jī)構(gòu)外形更矮，采用硬度高，質(zhì)量輕的合金，降低舉升機(jī)構(gòu)的自重，承載能力大和通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)作為動力源。舉升機(jī)構(gòu)的兩個支撐臂處采用齒輪嚙合，使整個機(jī)構(gòu)更加穩(wěn)定。清掃頭靠懸掛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)懸掛且與舉升機(jī)構(gòu)和滑塊系統(tǒng)連接，其中滑塊與絲杠配合并由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)滑塊帶動清掃頭水平的移動。

圖2 升降結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 移動機(jī)構(gòu)設(shè)計

平臺移動機(jī)構(gòu)通過四個小型直流電機(jī)驅(qū)動四個麥克納姆輪實(shí)現(xiàn)在樓梯平面上全方位的移動，保證清掃無死角。移動機(jī)構(gòu)如圖3所示。這種全方位移動方式是基于一個有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個機(jī)輪法相力上面。依靠各自機(jī)輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個合力矢量從而保證了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動，而不改變機(jī)輪自身的方向。機(jī)器人設(shè)精細(xì)防撞防摔感應(yīng)，利用傳感器檢測樓梯的高度與及寬度，當(dāng)小車接近墻壁或者鏤空的階梯時能夠自動識別并避開，保證小車的安全工作，還避免了樓梯及墻壁的劃痕損壞。

圖3 移動與清掃機(jī)構(gòu)俯視圖

2.3 清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計

清掃機(jī)構(gòu)利用在移動平臺安裝的電機(jī)驅(qū)動的清掃頭實(shí)現(xiàn)在樓梯面上任意方向的運(yùn)動，并將垃圾掃到機(jī)器底部的儲塵室，如圖3所示。為使清潔更加安全有效，在車身前后還各設(shè)置兩個掃刷，十字形的吸塵口使垃圾被有效的吸入。垃圾收集機(jī)構(gòu)利用負(fù)壓的原理，將掃入小車底部的垃圾收集到小車內(nèi)部的收集箱，收集箱內(nèi)設(shè)有濾網(wǎng)和濾塵網(wǎng)，分別用來過濾大顆粒垃圾和灰塵，最后經(jīng)過凈化的空氣由小車后部的排氣口排出。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括電機(jī)的驅(qū)動與控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)。電機(jī)的控制采用基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)。基于傳感器技術(shù)的識別裝置主要利用超聲波傳感器和紅外傳感器。利用傳感器實(shí)現(xiàn)了躲避5厘米以上落差、防止機(jī)身跌落的功能，以及推斷行走距離的功能。

3.家用樓梯全方位移動清潔機(jī)器人的工作過程

在進(jìn)行攀爬樓梯任務(wù)時，由于要將機(jī)器推送到正確樓梯高度，因此本裝置通過傳感器Ⅶ感應(yīng)樓梯的高度，然后控制電機(jī)I1啟動，通過舉升機(jī)構(gòu)Ⅰ將機(jī)器推送到達(dá)正確高度。同時為了防止移動滑塊Ⅲ將清潔小車推送置于臺階上的過程中，因小車的前移使得重心偏移導(dǎo)致機(jī)械裝置傾斜得問題，該裝置用距離傳感器檢測，當(dāng)機(jī)器前部與樓梯壁在一定距離以內(nèi)時，小車停止移并啟動電機(jī)帶動滑塊移動，將清潔小車準(zhǔn)確的推送置于臺階上。

圖4 清潔車爬樓示意圖

通過四個直流編碼電機(jī)Ⅳ提供動力，進(jìn)行行走，利用四個電機(jī)驅(qū)動的麥克納姆輪Ⅷ，可以通過調(diào)節(jié)電機(jī)Ⅳ轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)小車在樓梯平面上做任意方向的運(yùn)動，并且實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑的移動。通過車身上四個方向的傳感器與驅(qū)動電機(jī)的連接，避開樓梯懸崖，使得機(jī)器可在樓梯上自由行走而不會掉落。通過掃刷1以適當(dāng)?shù)乃俣刃D(zhuǎn)，將垃圾掃至機(jī)器底部。將吸塵口2設(shè)計成十字形，可使吸力更集中，并且吸收面積更大，使垃圾灰塵經(jīng)過吸塵口更容易被吸走；集塵風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1.25萬轉(zhuǎn)/分鐘，可發(fā)揮強(qiáng)大吸力；垃圾雜物通過濾網(wǎng)滯留在垃圾收集箱內(nèi)，空氣經(jīng)過濾塵網(wǎng)凈化后，由機(jī)體尾部排出，有效的過濾各種垃圾，避免二次污染。

[1]陳以國.環(huán)衛(wèi)清潔機(jī)械裝備行業(yè)市場分析[J].環(huán)境衛(wèi)生工程,2012,1.

[2]韓珩,張波.關(guān)于AT89C51的智能清潔機(jī)器人設(shè)計[J].甘肅科技2008,5.

[3]徐德,鄒偉著.室內(nèi)移動式服務(wù)機(jī)器人的感知、定位與控制[M].北京：科技出版社,2008.

劉振鵬:男，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè)本科生。

劉陸軍:男，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)本科生。

鐘力:女，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院副教授。

趙文哲:男，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè)本科生。

上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動計劃項(xiàng)目A1-5701-16-011-03-28。