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        桌面清潔機(jī)器人的慧魚模型設(shè)計與實現(xiàn)

        2019-08-06 13:50:24張改萍賀辛亥白錦旗賀小茸徐紀(jì)寬侯武成
        中國現(xiàn)代教育裝備 2019年13期
        關(guān)鍵詞:污漬雜物桌面

        張改萍 賀辛亥 白錦旗 賀小茸 徐紀(jì)寬 侯武成

        1.西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 陜西西安 710048

        2.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院 陜西西安 710048

        通過調(diào)研,目前市場在售的清潔機(jī)器人主要用于地面清潔和窗戶清潔,如掃地機(jī)器人、拖地機(jī)器人、擦窗機(jī)器人等,對于桌面雜物清潔主要是針對粉塵狀或細(xì)碎狀雜物,采用吸塵器將雜物吸入,達(dá)到清潔效果。本課題針對常見桌面雜物如塑料袋、衛(wèi)生紙、果殼果皮等塊狀雜物以及液體污漬設(shè)計一款桌面清潔機(jī)器人,實現(xiàn)桌面多種雜物的綜合清潔。

        慧魚創(chuàng)意組合模型(Fischertechnik Model)是技術(shù)含量高的工程技術(shù)類拼裝模型,包含機(jī)械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、氣動構(gòu)件、傳感器、控制器及軟件等,廣泛用于教學(xué)改革[1,2]及工程研究中,提高學(xué)生的創(chuàng)新意識及解決工程問題的能力[3]?;诨埕~模型設(shè)計拼搭機(jī)器人,模擬各種場合應(yīng)用,已受到了廣泛的關(guān)注,例如智能清潔機(jī)器人[4]、室內(nèi)高爾夫撿球機(jī)器人[5]、節(jié)能焊接機(jī)器人[6]、小型偵查機(jī)器人[7]、水果包裝機(jī)[8]等;此外對于樓道清潔機(jī)器人[9]及城市高空攀爬機(jī)器人[10]也有了初步探索發(fā)展。本課題以慧魚創(chuàng)意組合模型為平臺,利用標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)件,輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器及軟件,設(shè)計一款桌面雜物清潔機(jī)器人,為大型食堂、公共餐飲區(qū)、家庭等場所的桌面清潔自動化裝備提供一種工業(yè)模型。

        1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        桌面清潔機(jī)器人主要在桌面完成工作,存在墜落風(fēng)險,因此,設(shè)計超聲波傳感檢測,運行前檢測安全風(fēng)險,判斷工作區(qū)域安全之后,機(jī)器人開始清潔工作,依次按照大雜物、小雜物、液體污漬的清潔順序完成桌面區(qū)域的清潔工作。

        桌面清潔機(jī)器人實物模型如圖1所示,主要由大雜物清潔模塊、小雜物清潔模塊、液體污漬清潔模塊、防墜落及路徑規(guī)劃模塊等四大模塊組成,核心部件有驅(qū)動電機(jī)、機(jī)械臂、清潔刷、清潔液噴灑管、海綿刷體、垃圾收集盒、控制板、傳感器等,實現(xiàn)桌面多種類型垃圾的清潔工作。

        圖1 實物模型

        1.1 行走機(jī)構(gòu)

        桌面清潔機(jī)器人采用三輪設(shè)計,其尾部安裝有兩個步進(jìn)電機(jī),經(jīng)齒輪傳動驅(qū)動兩輪同步轉(zhuǎn)動或差速轉(zhuǎn)動,配合機(jī)器人前部的萬向輪,靈活完成轉(zhuǎn)向,便于雜物的聚集入籠,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 行走機(jī)構(gòu)

        1.2 大雜物清潔模塊

        因桌面雜物大小及性能不一,為防止大雜物、易纏繞物(如飲料盒、塑料袋等)纏繞到入籠刷上影響正常清潔工作,因此,特設(shè)計大雜物清潔模塊。大雜物由機(jī)器人前部的超聲波傳感器檢測識別,雜物高度超過30 mm,且距離雜物70 mm時,傳感器即識別出大雜物信號,清潔機(jī)器人停止前進(jìn),機(jī)械臂啟動,通過機(jī)械臂的抓取機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成清潔工作,具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 大雜物清潔模塊

        清潔時,電機(jī)驅(qū)動蝸桿帶動連桿實現(xiàn)機(jī)械爪的合攏張開,夾取大雜物,接著由氣缸推動機(jī)械臂,然后轉(zhuǎn)向電機(jī)啟動,通過蝸桿與機(jī)械臂底部的蝸輪嚙合,機(jī)械臂順時針轉(zhuǎn)動至垃圾盒上方,機(jī)械爪松開,將垃圾放入垃圾盒中,完成一次大雜物的收集,之后機(jī)械臂復(fù)位,機(jī)器人繼續(xù)行走。

        1.3 小雜物清潔模塊

        小雜物(如果殼果皮、紙屑等小型塊狀雜物等)清潔模塊主要由雜物聚集和雜物入籠兩個機(jī)構(gòu)組成。未檢測到大雜物或當(dāng)大雜物清潔之后,機(jī)器人前部的氣缸推動兩側(cè)雜物聚集刷向下運動,之后,聚集刷向中間旋轉(zhuǎn),將雜物清掃至底部中間,配合兩側(cè)喇叭狀擋板將垃圾聚集,之后電機(jī)通過鏈傳動帶動入籠刷旋轉(zhuǎn),配合底部入籠鏟將聚集的雜物掃入底部垃圾盒,完成小雜物的清潔,具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 小雜物清潔模塊

        1.4 液體污漬清潔模塊

        針對桌面油漬、奶漬、飲料等液體污漬,在塊體雜物清潔之后,設(shè)計液體污漬清潔模塊(如圖5所示)。此模塊主要由清潔液噴灑和污漬清潔兩部分組成。清潔液噴灑部分由清潔液容納盒、水泵、清潔液噴灑管等組成,清潔液容納盒放置于機(jī)器人的尾部,清潔液經(jīng)水泵抽取、加壓,最后從清潔液噴管上均勻噴灑到桌面,同時污漬清潔部分的海綿刷體經(jīng)鏈傳動旋轉(zhuǎn)滾動,反復(fù)擦拭,清潔桌面,并帶走多余清潔液。

        圖5 液體污漬清潔模塊

        1.5 防墜落及路徑規(guī)劃模塊

        清潔過程中,機(jī)器人通過步進(jìn)電機(jī),保證清潔路徑的準(zhǔn)確性。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)桌面邊緣時,機(jī)器人自動向桌面內(nèi)側(cè)避讓,同時配合機(jī)器人尾部的傳感器,控制機(jī)器人在避讓邊緣轉(zhuǎn)向后,其運動方向仍保持與桌面平行或垂直。轉(zhuǎn)向過程中控制兩個步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的圈數(shù),實現(xiàn)機(jī)器人應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度,當(dāng)再次到達(dá)桌面邊緣時完成一次U型路徑的清潔任務(wù),其整體路徑規(guī)劃如圖6所示,往復(fù)運動直至將整個桌面清潔干凈。

        圖6 路徑規(guī)劃圖

        2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

        2.1 主程序

        基于慧魚模型,利用ROBO Pro軟件進(jìn)行程序設(shè)計,實現(xiàn)快速、高效、安全、可靠的清潔過程,設(shè)計過程所選用元件名稱及功能詳見表1,主程序圖如圖7所示。

        表1 元件名稱及相應(yīng)功能

        圖7 主程序流程圖

        2.2 清潔子程序

        步進(jìn)電機(jī)M1,M2啟動,I1,I5傳感器檢測所處位置是否安全,若不安全,機(jī)器人初步調(diào)整方向到達(dá)安全位置,并調(diào)整路徑方向,開始執(zhí)行清潔子程序“QL”。

        在I2傳感器未識別到大雜物情況下,機(jī)器人執(zhí)行小雜物清潔程序和液體污漬清潔程序。首先M1(EM1)電機(jī)帶動聚集刷將垃圾聚集到機(jī)器人底部,M2(EM1)電機(jī)帶動入籠刷配合入籠鏟將雜物掃入底部垃圾盒內(nèi),同時液體污漬清潔模塊將機(jī)器人經(jīng)過的區(qū)域擦拭干凈,清潔(QL)子程序流程圖如圖8所示。

        圖8 清潔(QL)子程序流程圖

        2.3 大雜物清潔子程序

        當(dāng)I2傳感器識別到大雜物時,機(jī)器人停止運動,開始執(zhí)行大雜物清潔子程序“grip”。

        檢測到大雜物后,機(jī)械臂放下,M4抓手電機(jī)正向轉(zhuǎn)動,抓手合攏夾取大雜物,03(EM1)氣泵啟動推動氣缸使機(jī)械臂抬起,M3電機(jī)啟動,機(jī)械臂開始順時針轉(zhuǎn)動,到達(dá)垃圾盒上方位置后機(jī)械臂放下,M4抓手電機(jī)反向轉(zhuǎn)動,爪子張開,將垃圾放入垃圾盒,然后機(jī)械臂復(fù)位,機(jī)器人繼續(xù)按既定路徑清潔桌面,大雜物清潔子程序流程圖如圖9所示。

        圖9 大雜物清潔子程序流程圖

        2.4 防墜落及路徑規(guī)劃程序

        防墜落及路徑規(guī)劃主要由I1,I5,I6,I7四個傳感器配合完成,分別安裝于機(jī)器人的四角。I1,I5安裝在前部;I6,I7安裝在尾部;I1,I7安裝在機(jī)器人的左側(cè);I5,I6安裝在機(jī)器人的右側(cè)。當(dāng)機(jī)器人左側(cè)靠近桌面邊緣時,I1傳感器防墜落,I1,I7配合實現(xiàn)軌跡調(diào)整;當(dāng)機(jī)器人右側(cè)靠近桌面邊緣時,I5傳感器防墜落,I5,I6配合實現(xiàn)軌跡調(diào)整。

        機(jī)器人每次經(jīng)過桌面邊緣時,首先執(zhí)行防墜落程序,初步調(diào)整方向,但整體路徑的準(zhǔn)確性不能保證,故而在防墜落程序之后立即執(zhí)行軌跡調(diào)整程序。

        以機(jī)器人右轉(zhuǎn)向即機(jī)器人左側(cè)靠近桌面邊緣時為例。軌跡調(diào)整程序主要由兩個傳感器協(xié)同完成,傳感器一前一后安裝在機(jī)器人的一側(cè),且距離桌面有一定高度,防墜落傳感器I1適當(dāng)往外伸出(提前檢測是否到達(dá)桌面邊緣),傳感器I7也需適當(dāng)伸出,與I1傳感器在一條直線上。只要防墜落傳感器I1超出桌面范圍,測量數(shù)據(jù)即刻突變?yōu)檫h(yuǎn)大于設(shè)定的閾值10(根據(jù)傳感器安裝的位置,初設(shè)傳感器距離桌面的高度閾值為10),機(jī)器人便會向偏桌面內(nèi)側(cè),即右轉(zhuǎn)向。

        右轉(zhuǎn)向后,如果軌跡不正確,傳感器I7會超出桌面,測量數(shù)據(jù)就會遠(yuǎn)大于設(shè)定的閾值10。如果I1>10,機(jī)器人右轉(zhuǎn)向防墜落的同時調(diào)整軌跡;如果I7>10,機(jī)器人左轉(zhuǎn)向調(diào)整軌跡;如果I7≤10,機(jī)器人路徑調(diào)整完成,繼續(xù)按既定路徑清潔雜物。左轉(zhuǎn)向軌跡調(diào)整與右轉(zhuǎn)向軌跡調(diào)整程序原理相同。右轉(zhuǎn)向避落軌跡調(diào)整流程圖如圖10所示,原理圖如圖11所示。

        圖10 軌跡調(diào)整流程圖

        圖11 軌跡調(diào)整原理圖

        3 結(jié)語

        基于慧魚模型,本文設(shè)計的清潔機(jī)器人順利完成對桌面各種類型雜物的清潔過程的模擬,自動化程度較高,功能較完善,可用于實驗教學(xué)和企業(yè)示范展示,其設(shè)計方案和理念對實際工業(yè)桌面清潔機(jī)器人的設(shè)計制造具有一定的借鑒指導(dǎo)意義。

        此外,通過此款慧魚模型清潔機(jī)器人的設(shè)計,學(xué)生完成了從理論到實踐的跨越,將二者緊密結(jié)合,同時也培養(yǎng)了學(xué)生自主創(chuàng)新意識和解決問題的工程能力。

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