葉日鴻，周梓達(dá)，趙凌翔，汪朋飛

（深圳大學(xué)機電與控制工程學(xué)院，廣東深圳 518060）

0 引言

樓梯作為日常生活中常見的設(shè)施之一，廣泛存在于各種住宅區(qū)及辦公區(qū)。僅在我國，高于250 m 的摩天大樓數(shù)量就已經(jīng)超過800 座［1］，高層建筑、超高建筑等的數(shù)量更是難以統(tǒng)計。對于高層建筑的樓梯清潔，目前主要依靠人工作業(yè)，不能滿足人民群眾日益提升的生活環(huán)境質(zhì)量要求，而樓梯攀爬清潔機器人可以克服人工勞動強度大、清潔率低等缺點，提升清潔效率，降低清潔成本［2］。

當(dāng)前樓梯清潔領(lǐng)域尚未有成熟的商業(yè)產(chǎn)品，國內(nèi)外學(xué)者基于不同樓梯攀爬形式（比如輪式、履帶式、腿式、翻滾式等）進行了樓梯清潔機器人的研究。其中，履帶攀爬清潔［3-5］的形式雖然保留了履帶式爬樓梯結(jié)構(gòu)臺階尺寸適應(yīng)性強、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，但也同時存在清潔結(jié)構(gòu)單一，清潔效果較差等弊端。張磊等［8］提出的旋轉(zhuǎn)腿攀爬清潔式、Muhammad 等［9-10］提出的三箱體升降攀爬清潔等形式均能通過簡易的結(jié)構(gòu)及較小體積完成樓梯清潔，但也僅能通過負(fù)壓吸塵實現(xiàn)灰塵的簡易清潔，無法清除深層污漬。其他如L 型支腳攀爬清潔式［11-12］、行星輪清潔式［2］等，由于存在結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、清潔效率低、潔凈度低等缺點而未廣泛應(yīng)用。

本文提出一款清潔效率高、清潔程度高的樓梯清潔機器人的設(shè)計方案。該機器人通過采用爬樓梯效率較高的升降式結(jié)構(gòu)作為基本載體，配合多重清潔結(jié)構(gòu)的搭載設(shè)計，在攀爬及移動的過程中實現(xiàn)高效率高潔凈度的樓梯清潔作業(yè)，具備較好的市場應(yīng)用前景和推廣價值。

1 機器人整體方案設(shè)計

機器人執(zhí)行樓梯清潔任務(wù)主要分為樓梯攀爬和移動清潔。在先前的研究中發(fā)現(xiàn)，升降式結(jié)構(gòu)爬樓梯動作簡潔高效，結(jié)構(gòu)緊湊，能有效減少清潔過程中臺階攀爬的時耗［13］。本設(shè)計采用升降式爬樓梯結(jié)構(gòu)作為基本載體，搭載前掃地、后拖地兩套清潔裝置的基本方案。

圖1 所示為樓梯清潔機器人的整體結(jié)構(gòu)布局，前后兩組弓形支撐結(jié)構(gòu)可在自動化控制下交替抬升及前后平移，從而實現(xiàn)臺階的攀爬。后支撐結(jié)構(gòu)由掃地裝置與拖地裝置組成。在水平移動過程中，位于掃地裝置中的旋轉(zhuǎn)滾刷將地面灰塵揚起，在吸塵風(fēng)機作用下灰塵可經(jīng)垃圾導(dǎo)向殼進入儲塵倉，實現(xiàn)臺階面的一次清潔。位于機器人后部的拖地裝置，配備主動清潔動力。在平移過程中，清水持續(xù)補給至拖地滾子，主動旋轉(zhuǎn)的拖地滾子可對已完成一次吸塵清潔的臺階面進行二次濕潤清潔，進而在單級臺階攀爬移動過程中實現(xiàn)雙重高潔凈度清潔。

圖1 機器人整體結(jié)構(gòu)布局

2 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 所示為本設(shè)計樓梯清潔機器人的整體結(jié)構(gòu)。主要由機體，前、后支撐結(jié)構(gòu)，掃地和拖地裝置組成，總體呈左右對稱形式。

圖2 樓梯清潔機器人結(jié)構(gòu)圖

2.1 掃地裝置

圖3 所示為掃地裝置的基本結(jié)構(gòu)組成。掃地裝置采用負(fù)壓吸塵的原理，通過旋轉(zhuǎn)滾刷與吸塵風(fēng)機的配合，清掃臺階面上的灰塵及小件垃圾（見圖4），完成一次清潔。

圖3 掃地裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 掃地裝置工作原理

當(dāng)機器人完成一級臺階攀爬后，開始在臺階面上平移清潔。此時掃地滾刷通過自身的旋轉(zhuǎn)配合機體的移動，可將地面大件的垃圾送至垃圾導(dǎo)向殼前并將細(xì)微塵土揚起。吸塵風(fēng)機與內(nèi)部的儲塵盒形成負(fù)壓倉，當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)動時，塵土可沿圖4 中實線箭頭方向進入儲塵倉并儲存，同時將過濾后的潔凈空氣經(jīng)風(fēng)機沿虛線箭頭方向排出。

底盤驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)由4 個全向輪呈十字形布置，通過全向輪的搭配控制可實現(xiàn)機器人在臺階面上的前進、左右平移、平地旋轉(zhuǎn)等運動。

2.2 拖地裝置

圖5 所示為拖地裝置結(jié)構(gòu)基本組成示意圖，拖地裝置采用主動清潔結(jié)構(gòu)，拖布滾子在持續(xù)的清水供給下擦拭地面，實現(xiàn)臺階面的二次濕潤清潔。

圖5 拖地裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 所示為拖地裝置清潔原理示意圖，清水從水箱中經(jīng)管路轉(zhuǎn)移至水泵位置加壓，在霧化噴頭中呈水霧狀噴灑，并經(jīng)清水導(dǎo)向殼導(dǎo)向至拖布滾子上端，實時為拖布滾子提供清潔水源。拖布滾子潤濕后，在電動機、動力齒輪組及同步輪的共同作用下，旋轉(zhuǎn)擦拭地面，進而可吸附地面的污水及清潔頑固污漬。

圖6 拖地裝置工作原理示意圖

相鄰?fù)喜紳L子之間布置有污水盒，嵌入拖布滾子內(nèi)約3 mm。以圖6 所示平移清潔為例，清潔時外側(cè)的拖布滾子逆時針旋轉(zhuǎn)擦拭地面并將其吸附的污水在污水盒下方刮出，內(nèi)側(cè)的拖布滾子同步逆時針旋轉(zhuǎn)，吸附地面污水后在污水盒上方刮出，可實現(xiàn)吸附污水并收集污水。兩個滾子的同步運行，可實現(xiàn)持續(xù)的清水補給擦拭地面并消除污水積聚。

2.3 尺寸設(shè)計

清潔機器人的設(shè)計尺寸需要根據(jù)具體使用場景中的樓梯寬度a與高度b確定。圖7 所示為樓梯清潔機器人的設(shè)計尺寸要求。掃地與拖地裝置的長度應(yīng)略大于或等于樓梯的寬度a，以保證在臺階面上的一次平移動作即可實現(xiàn)整個臺階面的清潔。拖地裝置與前支撐裝置的豎直抬升距離應(yīng)略大于或等于臺階高度b，以避免部分臺階制作誤差導(dǎo)致機器人無法攀爬。前、后支撐結(jié)構(gòu)的間距應(yīng)小于樓梯寬度a，以實現(xiàn)交替支撐、用于樓梯的攀爬。機器人的重心應(yīng)控制在圖1 所示前后支撐結(jié)構(gòu)交集區(qū)，以保證攀爬清潔過程中重心的穩(wěn)定，避免機器人前傾或者后翻。

圖7 機器人結(jié)構(gòu)尺寸

3 分析設(shè)計與校核

樓梯清潔機器人運行性能由樓梯攀爬效率及清潔程度決定。在樓梯清潔過程中，前支撐結(jié)構(gòu)的強度決定著攀爬運動是否能實現(xiàn)；掃地風(fēng)機風(fēng)量的選擇、水泵揚程的選擇影響清潔效果。本節(jié)就影響機器人性能的3 個核心構(gòu)件：前支撐結(jié)構(gòu)、掃地風(fēng)機、水泵分別進行分析設(shè)計。

3.1 強度校核

在本設(shè)計中，前支撐結(jié)構(gòu)的強度影響著機器人的整體運行安全。爬樓梯過程中，其承受著約4／5 的機器人質(zhì)量，因此需要對其進行強度校核分析，以保證強度及壽命能滿足持續(xù)使用要求。

考慮機器人爬樓梯運動時，前支撐結(jié)構(gòu)的驅(qū)動輪與從動輪分別跨越支承于兩級臺階上，故將其簡化為簡支梁，驅(qū)動輪與從動輪分別為兩支座位置。前支撐結(jié)構(gòu)的升降梁中部固定的連接件與鏈條固連，從而使得鏈條轉(zhuǎn)動時機體抬升，故簡化為負(fù)載輸入位置在升降梁中部連接件的固定位置。

將模型導(dǎo)入分析軟件并完成添加約束、劃分網(wǎng)格等準(zhǔn)備工作后，于升降梁中部連接件固定位置添加200 N豎直向下的力模擬抬升機體時候的負(fù)載受力，并得到應(yīng)力云圖與位移云圖如圖8 所示。由應(yīng)力云圖分析可知，前支撐結(jié)構(gòu)爬樓梯運動過程中最大應(yīng)力為9.673 5 MPa，出現(xiàn)位置為升降梁約中部位置，且低于鋁合金受壓屈服強度55.2 MPa。位移云圖中，前支撐結(jié)構(gòu)爬樓梯運動過程中最大位移為68 μm，出現(xiàn)位置為升降梁中部，位移過小可忽略。因最大應(yīng)力及最大位移都遠(yuǎn)小于許用要求，故設(shè)計強度能滿足使用需求。

圖8 前支撐結(jié)構(gòu)抬升時有限元分析結(jié)果

3.2 風(fēng)機選型設(shè)計

掃地風(fēng)機與管路、倉體形成密封區(qū)，利用風(fēng)機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣負(fù)壓進行清潔。當(dāng)風(fēng)機風(fēng)量過小時，容易導(dǎo)致清潔效果差，無法正常吸塵。為保證清潔效果，本研究依據(jù)空氣流量對風(fēng)機最低風(fēng)量進行設(shè)計［13］。對吸塵氣路系統(tǒng)，吸塵入口位置風(fēng)量需滿足：

式中：v為吸塵入口位置目標(biāo)對象揚起所需風(fēng)速，m／s；A為吸塵入口位置截面積，m2。

微粒直徑小于500 μm的顆粒被定義為灰塵。當(dāng)前對礦料顆粒的起動風(fēng)速實驗中發(fā)現(xiàn)，直徑為80～315 μm 的顆粒在2～3 m／s 風(fēng)速作用下可揚起［14］。本設(shè)計采用滾刷揚起、風(fēng)機負(fù)壓吸塵的原理進行清潔，故暫取吸塵入口位置目標(biāo)對象揚起所需風(fēng)速為v＝3 m／s。查看設(shè)計圖紙計算吸塵口位置面積A＝82.5 cm2。

對于整個氣路系統(tǒng)，考慮管路密封性能及損失，風(fēng)機風(fēng)量需滿足：

式中：k1為氣流管路漏風(fēng)附加系數(shù)，取k1＝1.1；k2為儲塵袋漏風(fēng)附加系數(shù)，取k2＝1.1。

聯(lián)立式（1）與（2）并代入數(shù)據(jù)求得Q總＝107.8 m3／h，即選用風(fēng)機最小風(fēng)量應(yīng)大于107.8 m3／h。

3.3 水泵揚程設(shè)計

水泵在水路中提供動力，主要用于克服重力及輸送能量損失，將水源供給到清潔裝置中。本節(jié)考慮輸送水頭損失，以消毒水路水泵選型為例，依據(jù)伯努利方程［15］對水泵揚程進行設(shè)計。查取霧化噴頭參數(shù)表，暫選等效孔徑d2＝0.66 mm，流量Q0＝0.32 L／min，壓力0.2 MPa的霧化噴頭。對霧化噴頭出流前后截面，由連續(xù)性方程有：

式中：v1為出流前管內(nèi)端面平均流速，m／s；v2為出流后管內(nèi)端面平均流速，m／s；A1為出流前管內(nèi)面積，m2；A2為出流后管內(nèi)面積，m2。

選取內(nèi)徑d1＝4 mm 的橡膠軟管做出流前供水管。因輸送為層流，則輸送管道沿程損失：

式中：λ為沿程摩阻因數(shù)，且λ ＝64／Re；Re為雷諾數(shù)；g為重力系數(shù)；取g＝10 N／kg；l為流體輸送管長，m。

考慮管路固定及流體輸送存在5 個約90°拐角，選擇局部水頭損失系數(shù)ζ1＝0.246，故考慮局部損失中的總彎管損失：

霧化噴頭位置可等效為突然縮小管，有突然縮小管局部水頭損失：）

式中，ζ2為局部水頭損失系數(shù)，取ζ2＝0.50。

因連接位置管道直徑尺寸變化，水泵、電磁閥內(nèi)部輸送時存在阻力等，取安全系數(shù)φ ＝1.2，故總水頭損失：

聯(lián)立式（5）～（7）解得hw＝92.64 mm。

取輸送管道入口、出口液面分析，由伯努利方程得：

式中：Z1為管路出口水頭高度，m；Z3為管路入口水頭高度，m；p1為出口位置液面壓強，Pa；p3為入口位置液面壓強，Pa；v3為管道入口流速，m／s；ρ 為清水密度，kg／m3；α為動能修正系數(shù)，取α ＝1.0；Hm為水泵揚程，m。

因出入口位置為同一根管流的兩個位置且直徑相等，故取v3＝v2。取出水口位置為高度零點，則有Z1＝0，Z3＝0.3 m，p3為絕對壓強為0.101 3 MPa。

將數(shù)據(jù)代入式（8）得：

對式（9）分析，當(dāng)p1＝0.2 MPa 時，需輸入Hm＝9.663 m揚程的水泵；p1＝0.1 MPa 時，不需輸入揚程，水箱布置的位置提供勢能足以克服輸送損失。

綜上所述，水箱布置的位置可以提供足夠能量克服輸送過程中的能量損失；水泵揚程輸入越大，霧化噴頭獲壓越大，噴灑距離與流量越大。當(dāng)水泵輸入有效揚程9.663 m 時，約可獲得壓力輸出0.32 L／min 流量。綜合考慮水泵體積小、質(zhì)量輕、具有自吸功能、鎖水性能好及低揚程的需求，選用DP-206 型號隔膜泵，能產(chǎn)生3 m自吸揚程。

4 控制邏輯設(shè)計

機器人爬樓梯清潔功能的實現(xiàn)主要由樓梯攀爬功能及清潔功能組成，并且兩部分功能交替進行，可以通過傳感器位置的感應(yīng)配合邏輯控制實現(xiàn)自動化控制。

圖9 所示為本設(shè)計的樓梯清潔機器人控制邏輯圖。當(dāng)機器人完成地面清潔抵達(dá)樓梯邊緣時，啟動樓梯清潔模式，機器人首先通過讀取傳感器反饋判斷機器人的位置。當(dāng)機器人位于樓梯頂端時，進行平移清潔然后啟動變形復(fù)位模式。當(dāng)判斷機器人不是位于樓梯頂端，且滿足位于樓梯底端時，啟動自動清潔模式。通過傳感器識別的位置反饋依次進行平移清潔模式及單級樓梯攀爬模式，以實現(xiàn)臺階的攀爬及清潔。每完成一級臺階清潔后，返回程序首段判斷是否位于樓梯頂端。如此循環(huán)，可實現(xiàn)連續(xù)多級臺階的連續(xù)自動清潔。

圖9 控制邏輯圖

圖10 所示為清潔狀態(tài)模擬示意圖。當(dāng)判斷機器人位于樓梯底端，并識別支撐結(jié)構(gòu)支承于臺階上時，啟動爬樓梯清潔模式。此時支撐裝置抬升并前進以執(zhí)行一次爬樓梯動作，即完成單級臺階的攀爬并停留于臺階上（圖10（c）位置）；完成單級臺階攀爬后，同時啟動掃地裝置與拖地裝置，機器人首先執(zhí)行向右平移至右端傳感器識別到抵達(dá)位置（圖10（d）位置），然后向左平移，直至左端傳感器識別到抵達(dá)位置時（圖10（e）位置），再向右移動且重復(fù)上述平移動作兩次實現(xiàn)清潔。完成單級臺階清潔后，此時切換為爬樓梯模式，支撐裝置再次抬升實現(xiàn)下一次臺階的攀爬。如此通過爬樓梯模式及清潔模式的循環(huán)，可以實現(xiàn)連續(xù)多級臺階的攀爬與清潔，并抵達(dá)樓梯頂端（圖10（f））。

圖10 清潔運動狀態(tài)示意圖

5 實物測試與分析

為驗證設(shè)計的可行性，本研究進行了實物驗證測試。以適應(yīng)常見樓梯尺寸（寬300 mm×高150 mm）的標(biāo)準(zhǔn)制造完成實物。如圖11 為機器人實物圖。實物機器人質(zhì)量20.6 kg，外形尺寸700 mm×500 mm×425 mm，水箱容量6.5 L，續(xù)航能力1.8（h／5 700 mAh）。制作完成的機器人實物能夠完成預(yù)期樓梯清潔功能，并且具有高效性。如圖12 為機器人單級臺階攀爬時耗測試，攀爬一級臺階平均耗時4.34 s，攀爬速度快；圖13 為平移清潔速度測試，最大平移速度可達(dá)0.81 m／s，能滿足快速清潔的需求。

圖11 樓梯清潔機器人實物

圖12 單級臺階攀爬耗時

圖13 平移清潔速度測試

制作完成的實物能完成預(yù)期的樓梯清潔功能，并且獲得相對較高的運行效率及清潔程度?？紤]性能的進一步優(yōu)化，機器人可向輕量化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、智能化等各方面完善。

（1）輕量化?？蓪χ亓縼碓吹暮诵牟课蝗玟X方管框架、掃地滾軸、拖地滾軸等進行替代優(yōu)化，以塑膠件或比重較低的材質(zhì)進行框架設(shè)計。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化?？蓪⑺鋬?yōu)化為密閉的水箱，以防止機器人側(cè)放時清水灑出、工作時候水分蒸發(fā)。修改污水盒的形狀，配備水泵收集污水可實現(xiàn)污水轉(zhuǎn)移至機器人前端保持重心且儲存更多的污水等。

（3）視覺智能化。通過視覺識別臺階面的污漬程度來控制清潔次數(shù)，并可識別行人或移動對象，以控制及時暫停工作避免碰撞行人。

6 結(jié)語

本文提出的升降式樓梯清潔機器人設(shè)計方案，利用兩組弓形結(jié)構(gòu)的交替支撐與驅(qū)動實現(xiàn)樓梯的攀爬，并于后弓形結(jié)構(gòu)位置分別布置掃地與拖地兩套清潔裝置，可以在一次攀爬平移過程中，完成兩次臺階清潔，清潔效率高且潔凈度高。通過校核分析及實物驗證測試，本設(shè)計的樓梯清潔機器人能夠完成樓梯清潔任務(wù)，并且具有清潔過程機體水平、清潔死角小、清潔程度高等特點，該裝置具備一定的應(yīng)用前景和推廣價值。