劉建宏，王其偲，王旭

（1.電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都 611731；2.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

隨著人們生活水平的提高，對室外環(huán)境的要求增高，傳統(tǒng)的人工清掃方式必然會被智能機(jī)器人的普及應(yīng)用代替。就目前而言，室內(nèi)家用掃地機(jī)器人的應(yīng)用日趨廣泛。而對于室外智能掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)和應(yīng)用相對偏少。從現(xiàn)有的研究成果來看，室外掃地機(jī)器人的主要技術(shù)包括是采用激光雷達(dá)、超聲波以及高精度GPS等進(jìn)行導(dǎo)航和避開障礙。同時(shí)，近年來在高校和智能制造企業(yè)的室外掃地機(jī)器人研究中，也取得了一些的成果。例如，文獻(xiàn)[1]開發(fā)了室外掃地機(jī)器移動(dòng)平臺；文獻(xiàn)[2]開展了掃地機(jī)器人室外在清潔能力測試的工作，從角落清掃、避障以及翻越樓梯等方面均取得了良好的效果。從上述二者的研究情況來看，室外掃地機(jī)器人的運(yùn)行主要是需要解決大型障礙物的避障和翻越樓梯的問題。因此，在本課題關(guān)于室外掃地機(jī)器人的研究中，擬采取文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)論，即利用電視攝像管和超聲波技術(shù)來迅速避開大型障礙物，同時(shí)，利用履帶和車輪的交替工作實(shí)現(xiàn)翻越樓梯。

1 室外掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)思路

1.1 超聲波和電視自動(dòng)識別技術(shù)的確定

目前，掃地機(jī)器人以室內(nèi)小型掃地機(jī)器人為主。機(jī)器人在運(yùn)行中的方位探測是采用超聲波和紅外線相結(jié)合的形式，該方式能達(dá)到自動(dòng)檢測房間布局、自動(dòng)規(guī)劃路徑、記憶路線以及語言功能等。對于室外而言，由于存在布局不規(guī)則性、工作場所和路徑的不確定性等問題。故超聲波和紅外線相結(jié)合的形式不能滿足室外掃地機(jī)器人的環(huán)境布局檢測、路徑規(guī)劃等性能。而解決這些問題的關(guān)鍵，在于精確的圖像識別，故將傳統(tǒng)掃地機(jī)器人的超聲波形式與電視攝像管技術(shù)相結(jié)合，能夠有效解決上述問題，因此，本文擬才選擇超聲波和電視自動(dòng)識別技術(shù)相結(jié)合的模式。

1.2 電視自動(dòng)識別技術(shù)原理

在掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，電視自動(dòng)識別系統(tǒng)的功能是來追蹤目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的大小、位置以及機(jī)器人本體與目標(biāo)之間的路徑判斷。該系統(tǒng)的主要部件為電視攝像機(jī)。電視攝像機(jī)則由光學(xué)系統(tǒng)、電視攝像管及其掃描電路、誤差信號形成電路和攝像機(jī)跟蹤伺服系統(tǒng)等組成。

電視攝像機(jī)對前方及背景所成的光影像是利用電子束進(jìn)行逐行掃描而形成電信號。電視攝像機(jī)對目標(biāo)的跟蹤和雷達(dá)對目標(biāo)的識別很類似，是利用跟蹤波門來實(shí)現(xiàn)識別的。圖1(a)為攝像管的光電元件上顯示電子束掃描的情況，十字線中央是前方的影像，小方框?yàn)椴ㄩT的位置。當(dāng)電子束進(jìn)行逐行掃描時(shí)，在每行起始點(diǎn)有一個(gè)同步脈沖。當(dāng)背景比較干凈，電子束在一行掃描過程中未遇到大型物體影像時(shí)，將不輸出信號，掃地機(jī)器人將沿著既定方向繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)遭遇物體時(shí)就會輸出電信號，經(jīng)過目標(biāo)影像區(qū)的幾行掃描后，綜合的目標(biāo)信號相對同步脈沖如圖1(b)所示。目標(biāo)信號相對同步脈沖的位置反映了目標(biāo)影像在光電元件上的左右位置。產(chǎn)生的電信號將驅(qū)使掃地機(jī)器人做出偏轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)避讓。這實(shí)現(xiàn)了將前方的圖像以電子束掃描的形式讓機(jī)器人做出有效識別。

圖1 電視攝像機(jī)的跟蹤原理示意圖

掃地機(jī)器人上的電視攝像機(jī)的攝像管要求靈敏度高、構(gòu)造簡單、尺寸小。目前，一般采用光電導(dǎo)型攝像管。且機(jī)器人上的光學(xué)系統(tǒng)一般要求能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)焦距。在障礙物較遠(yuǎn)時(shí)，要求焦距大；在障礙物較近時(shí)，希望焦距變小。因?yàn)楫?dāng)障礙物較遠(yuǎn)而焦距小，前方障礙物通過光學(xué)系統(tǒng)在攝像管的靶面上成的像很小，當(dāng)攝像機(jī)的電子束作掃描時(shí)可能會漏掉檢測。

但是，圖像沒有距離感，當(dāng)前面出現(xiàn)障礙物，何時(shí)選擇避開，應(yīng)該考慮進(jìn)去。所以，結(jié)合現(xiàn)存已知超聲波回聲定位原理。主要是進(jìn)行仿生，通過機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的超聲波發(fā)射出去，利用折回的聲音定向。這樣圖像就能更全面，能夠感知物體的距離和大小，然后，做出有效的避讓。

1.3 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的掃地機(jī)器人，只能在開闊的場所工作，而角落仍然需要人工處理。為了解決這個(gè)問題以實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人完全自動(dòng)化，拖把處增添了如圖2所示交替運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)。當(dāng)超聲波檢測出有一層障礙物時(shí)，結(jié)合探測系統(tǒng)掃描得到的信號，將其作用到電機(jī)，使圓柱偏轉(zhuǎn)180°。其中，拖把只能進(jìn)行前向平移，縱向由于機(jī)械結(jié)構(gòu)鎖死，拖把前向平移到一定的位置，推動(dòng)連接結(jié)構(gòu)中的推桿，考慮到拖把移動(dòng)距離遠(yuǎn)大于吸塵器的上升距離，所以連接結(jié)構(gòu)采用不密封結(jié)構(gòu)，并且連接結(jié)構(gòu)的長度應(yīng)大于拖把移動(dòng)距離。使拖把推桿直接作用到與吸塵器連接到一起如圖2的液壓機(jī)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)力的傳遞，通過兩缸首尾串聯(lián)，兩液壓缸具有兩個(gè)相同的有效面積A，所以兩桿同步運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)豎直液壓缸推桿向上運(yùn)動(dòng)，使吸塵器向上運(yùn)動(dòng)，防止拖把向前運(yùn)動(dòng)撞上吸塵器。完成拖地清掃工作后，電機(jī)再次旋轉(zhuǎn)180°回到之前位置，兩液壓缸往返回到初始狀態(tài)，與之相連接的拖把和吸塵器隨著回到最初位置，以實(shí)現(xiàn)對角落的清掃。

圖2 交替運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 掃地機(jī)器人的工作方式設(shè)計(jì)

2.1 履帶與車輪交替的工作方式

室外掃地機(jī)器人在戶外工作時(shí)，必須考慮兩方面情況。一是電視攝像機(jī)掃描出前方無障礙物，而實(shí)踐是存在下坡的情形，如果機(jī)器人判定前面沒有障礙而采取直行，勢必會造成機(jī)器人底部和樓梯面直接相撞引起損壞；二是電視攝像機(jī)掃描出前方為大型物體，而結(jié)合超聲波系統(tǒng)的檢測，系統(tǒng)判定為層數(shù)（>1）障礙物時(shí)，該如何實(shí)現(xiàn)爬樓上坡。為了解決前者的問題，考慮將履帶作為輔助爬樓工具，可以達(dá)到下樓時(shí)的平穩(wěn)行進(jìn)，這使得整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和耐用性都有了保障。而針對爬樓的問題，采用履帶與車輪交替工作的方式。用履帶攀爬樓梯，實(shí)現(xiàn)履帶與車輪之間的交替工作。

為了實(shí)現(xiàn)這一功用，我們采用一種齒輪和齒條配合工作的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，齒輪的運(yùn)動(dòng)可以分為正行程和反行程：正行程為齒輪順時(shí)針正轉(zhuǎn)360°，然后逆時(shí)針反轉(zhuǎn)360°，如此往復(fù)，就可以完成正反程的周期性運(yùn)動(dòng)。齒輪的正行程和反行程都會讓位處左右兩端，固定在滑道上的齒條以相反的方向直線運(yùn)動(dòng)。

該傳動(dòng)裝置所用到的模數(shù)m1=1.25，齒數(shù)z1=50，其分布圓直徑d1=m1·z1=62.5mm。為了保證齒輪和齒條可以正確嚙合。根據(jù)漸開線齒輪正確嚙合的條件：模數(shù)m1=m2=m和壓力角a1=a2=a（這里可以把齒條看作分度圓半徑無窮大的漸開線直齒輪），所以齒條的模數(shù)m2=1.25。

履帶、車輪和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置排布如圖4所示。當(dāng)掃地機(jī)器人內(nèi)部電視識別系統(tǒng)判定存在樓梯類障礙物時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將運(yùn)作并正轉(zhuǎn)360°，放下履帶并往上提起車輪。而當(dāng)履帶爬完樓梯后前方再無障礙物，機(jī)器人內(nèi)部探測到電機(jī)反轉(zhuǎn)360°，收回履帶并放下車輪，使掃地機(jī)器人回到正常工作狀態(tài)，掃地機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。

圖3 齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配圖

圖4 履帶、車輪和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的排布簡圖

2.2 掃地機(jī)器人的強(qiáng)度校核

為了檢驗(yàn)整個(gè)室外掃地機(jī)器人結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以期完成預(yù)想的功用，筆者著重對齒輪齒條傳動(dòng)裝置進(jìn)行相應(yīng)的有限元分析。

整個(gè)齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固結(jié)在掃地機(jī)器人內(nèi)，電機(jī)輸出軸與齒輪直接連接，以3N/mm2的扭矩帶動(dòng)直齒輪，直齒輪繼而帶動(dòng)左右兩端的齒條，齒條能且只能沿著滑動(dòng)平移。這樣有關(guān)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的載荷條件就確定了。計(jì)算及仿真在ANSYS Workbench平臺上進(jìn)行。

如圖5等效應(yīng)力云圖所示，最大壓應(yīng)力大小σH=2MPa＜＜[σH]，[σH]為許用接觸應(yīng)力。滿足輪齒接觸疲勞強(qiáng)度校核條件，發(fā)生在輪齒接觸點(diǎn)處。滿足輪齒接觸疲勞強(qiáng)度校核。再校核齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的變形情況如圖6所示，不難發(fā)現(xiàn)，直齒輪的變形隨著齒輪半徑的增大，由內(nèi)到外，其變形量也隨之增大，且最大變形發(fā)生于直齒輪外圈（齒根圓到齒頂圓）處，其變形量δ=0.0003mm。

從應(yīng)力云圖中我們發(fā)現(xiàn)，齒條的非嚙合處，滑道及框架處的應(yīng)力大小σH=7.55×10-14MPa≈0，變形量δ=0?？梢娫O(shè)計(jì)的齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)符合結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性和實(shí)用性。

圖5 等效應(yīng)力圖

除了對傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪和齒條進(jìn)行接觸應(yīng)力的強(qiáng)度校核，還要分析在電機(jī)輸出軸3N/m的帶動(dòng)下，連接輸出軸和圓齒輪間的B型鍵的擠壓強(qiáng)度校核。因?yàn)殡姍C(jī)輸出軸的直徑d=30mm，故選擇公稱直徑為8×7的B型鍵，這里8為鍵寬b，而6為鍵高h(yuǎn)。取鍵長L為10mm。軟件分析得到電機(jī)輸出軸和連接鍵的等效應(yīng)力分布如圖7?？梢娮畲髷D壓應(yīng)力σp=0.4889MPa＜＜[σp]，式中σp及[σp]為鍵連接中的擠壓應(yīng)力及其許用值。經(jīng)過有限元計(jì)算校核得出，鍵連接的采用也是極其合乎使用標(biāo)準(zhǔn)的。

圖6 齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的變形

圖7 電機(jī)輸出軸和連接鍵的等效應(yīng)力圖

3 傳感器及太陽能充電裝置

由于其他雨雪天氣下工況復(fù)雜，室外掃地機(jī)器人的工作狀態(tài)是在晴天。再加上出于環(huán)保和開發(fā)新能源的考慮，除了普通的充電方式外，本機(jī)器人最大的特點(diǎn)就在于它的頂部安裝上太陽能發(fā)電板，這樣就能在室外機(jī)器人掃地工作的同時(shí)，還能進(jìn)行太陽能充電。

如何判斷外界的天氣狀況，這就需要在太陽能發(fā)電板的中央嵌入雨量傳感器。雨量傳感器將雨量轉(zhuǎn)化為電信號，根據(jù)電信號的大小是否超過既定閾值來判斷是否停機(jī)工作。雨量測量系統(tǒng)的組成及控制流圖如圖8所示，由此可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測雨滴的有無及雨量的大小，判斷出不同的下雨模式。

圖8 雨量測量系統(tǒng)的組成

4 陀螺儀和萬向輪

陀螺儀具有定軸性和進(jìn)動(dòng)性兩個(gè)基本特性，由一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子安裝在萬向支架上組成。轉(zhuǎn)子通過軸和軸承支承在內(nèi)環(huán)上，轉(zhuǎn)子可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。支架上裝有傳感器，用于測量角位移。根據(jù)動(dòng)量矩定理，當(dāng)一個(gè)物體旋轉(zhuǎn)軸指向的方向在不受外力矩作用時(shí)得出，即角動(dòng)量矢量將不會發(fā)生改變，自由陀螺保持自身對稱軸在慣性參考系中方位不變，進(jìn)而可以用來穩(wěn)定和維持機(jī)器人行進(jìn)方向。陀螺儀工作狀態(tài)下受力，將快速旋轉(zhuǎn)，每分鐘甚至可以達(dá)到幾十萬轉(zhuǎn)，并能保持長時(shí)間運(yùn)作，讀取軸所指方向后將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。陀螺儀裝置普遍可以用來傳感和維持方向，已被廣泛運(yùn)用在航天航空航海。設(shè)計(jì)的戶外掃地機(jī)器人運(yùn)用陀螺儀導(dǎo)航技術(shù)，讓掃地路線更有目的性，在感應(yīng)方向、速度及坡度的變化的同時(shí)，靈敏迅速地做出調(diào)整，提高掃地機(jī)器人的工作效率。

為了能讓掃地機(jī)器人在工作時(shí)，避免在進(jìn)入狹小區(qū)域時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)困難，面對行人或者障礙物無法快速躲避。為解決上述問題，經(jīng)思考后決定采用萬向輪驅(qū)動(dòng)。萬向輪能實(shí)現(xiàn)在水平360°旋轉(zhuǎn)，采用一個(gè)活動(dòng)萬向輪和兩個(gè)固定輪，如圖9成等腰三角布置。結(jié)合萬向輪和陀螺儀來綜合控制掃地機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)。

圖9 車輪與履帶底面分布結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

在現(xiàn)已存在的家用機(jī)器人基礎(chǔ)上。鑒于電視自動(dòng)尋的系統(tǒng)里的電視攝像管功用，輔以超聲波回聲定位作為室外掃地機(jī)器人的探測定位系統(tǒng)，可以做到有效地避開行人和障礙物。同時(shí)，在針對很多細(xì)節(jié)方面做了具創(chuàng)造性的改進(jìn)。如何打掃角落處垃圾，選擇了交替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)；又如怎樣讓機(jī)器人在室外爬樓，采用了車輪和履帶的交替行駛。該設(shè)計(jì)是跨學(xué)科跨專業(yè)的大膽創(chuàng)新、打破常規(guī)之作，相信在將來能夠大有所為。