呂樹雨，商俊輝，史晨琛，楊賀剛，沈仟龍，張嘉龍

（河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003）

0 引言

近年來，服務(wù)型機(jī)器人的研究和應(yīng)用取得了快速的發(fā)展。作為智能機(jī)器人未來的重要發(fā)展方向，服務(wù)型機(jī)器人的應(yīng)用也將越來越廣泛。清掃機(jī)器人也是服務(wù)型機(jī)器人的一種，當(dāng)前的清掃機(jī)器人可分為室內(nèi)清掃機(jī)器人和室外場(chǎng)地清掃車，家庭清潔機(jī)器人的尺寸一般較小，所能容納的垃圾有限，通常只能適用于平整地面，對(duì)于階梯等狹小地形顯然力不從心。室外場(chǎng)地清掃車主要適用于展覽場(chǎng)館、高校、物業(yè)小區(qū)、廣場(chǎng)等較大的平坦場(chǎng)所，但無法適用于階梯、障礙物較多的復(fù)雜地形。如體育場(chǎng)、演唱會(huì)等大型場(chǎng)館其看臺(tái)座位密集，過道較窄，座椅分布面積較廣，分布類型為階梯狀，使得看臺(tái)垃圾難以清理干凈。因此，市場(chǎng)上迫切需要一款適用于大型場(chǎng)館清掃的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)階梯清掃[1]。

1 一種新型看臺(tái)區(qū)域垃圾清掃機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

本清潔機(jī)器人的主要功能包括：階梯攀爬功能，重心平衡功能，自動(dòng)化清掃功能，滿載自動(dòng)返航功能。

1.2 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

該機(jī)器人采用組合式設(shè)計(jì)，分為小型清掃機(jī)器人、垃圾收集車。工作時(shí)，垃圾收集車攜帶小清掃機(jī)器人走上臺(tái)階，抬升臂轉(zhuǎn)動(dòng)將其放到地面上。清掃機(jī)器人在激光測(cè)距下沿直線行駛，小清掃機(jī)器人機(jī)械臂的毛刷將椅子面的垃圾卷到地面上，小清掃機(jī)器人前方的盤刷向內(nèi)旋轉(zhuǎn)將垃圾卷入小清掃垃圾機(jī)器人內(nèi)部，以達(dá)到清潔地面和椅子上的垃圾的目的。當(dāng)檢測(cè)到垃圾已滿時(shí)，小車沿原路返航，垃圾車提升機(jī)械臂，將垃圾倒入收集箱內(nèi)[2]。

圖1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖

2 一種新型看臺(tái)座椅區(qū)域垃圾清掃機(jī)器人各部分工作原理

本產(chǎn)品針對(duì)市場(chǎng)空白，結(jié)合市場(chǎng)現(xiàn)存垃圾清掃機(jī)器人無法實(shí)現(xiàn)看臺(tái)等復(fù)雜區(qū)域的垃圾清掃問題，進(jìn)行全面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使其在具有較強(qiáng)靈活性的同時(shí)，擁有更強(qiáng)的續(xù)航能力，同時(shí)擴(kuò)大其清潔領(lǐng)域。不僅能夠在平坦的地面進(jìn)行高效率清潔工作，更能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形的清掃。該產(chǎn)品擁有三大創(chuàng)新設(shè)計(jì)，分別是行星輪變形輪輔助攀爬、四連桿重心平衡機(jī)構(gòu)、清掃機(jī)器人清掃及返航。

2.1 行星輪變形輪輔助攀爬

2.1.1 變形輪原理

變形輪三維圖如圖2所示：

圖2 變形輪結(jié)構(gòu)及變形示意圖

變形輪采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，使其靈活的在圓形車輪和三角形半步車輪之間自由轉(zhuǎn)換。如圖2所示，變形輪由3塊分離的輪轂組成，通過轉(zhuǎn)盤上的滑動(dòng)軸將其固定。當(dāng)垃圾收集車在水平路面行進(jìn)時(shí)，變形輪保持圓形車輪，當(dāng)前置超聲波傳感器檢測(cè)到前方地形變化，需要進(jìn)行階梯攀爬時(shí)，變形輪內(nèi)部舵機(jī)帶動(dòng)內(nèi)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)盤的轉(zhuǎn)軸與外盤的滑動(dòng)軸產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)位移，使得滑動(dòng)軸可以在輪轂的軸槽內(nèi)滑動(dòng)，從而使變形輪的輪轂在搭接處產(chǎn)生錯(cuò)位變形，變形輪緩慢打開，最終完成三角形半步形輪的切換[3]。

2.1.2 行星輪機(jī)構(gòu)

行星輪由一個(gè)車輪架和三個(gè)小輪組成。在工作時(shí)，行星輪上的三個(gè)小輪繞其各自的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)垃圾收集車在平地上行駛時(shí)，行星輪架不動(dòng)，僅其兩輪著地轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)垃圾收集車在翻越階梯時(shí)，行星輪的輪架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，各小輪一起繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成階梯攀爬過程。

2.2 四連桿重心平衡機(jī)構(gòu)

垃圾收集車的重心調(diào)節(jié)采用連桿機(jī)構(gòu)，如圖3所示。當(dāng)垃圾收集車處于攀爬狀態(tài)時(shí)，整個(gè)車身與地面傾斜一定角度，為了防止攀爬過程中側(cè)翻，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制連桿，使整個(gè)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)重心位置，增加穩(wěn)定性[4]。

圖3 重心調(diào)節(jié)裝置

當(dāng)清掃機(jī)器人前方的超聲波傳感器檢測(cè)到臨近臺(tái)階時(shí)，變形輪緩慢變形，使其從平地運(yùn)行的圓形車輪變形為階梯攀爬的三角形半步車輪，并完成攀爬階梯;同時(shí)，重心調(diào)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)根據(jù)階梯傾斜程度自動(dòng)調(diào)節(jié)重心位置，增加攀爬穩(wěn)定性。

2.3 清掃機(jī)器人清掃及返航

全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)館場(chǎng)看臺(tái)階梯的清掃。開始工作時(shí)，清掃機(jī)器人置放在垃圾收集車的一側(cè)，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定清掃位置時(shí)，清掃機(jī)器人脫離垃圾收集車進(jìn)行清掃作業(yè)。清掃工作時(shí)，小垃圾清掃機(jī)器人在座椅之間清掃。當(dāng)清掃機(jī)器人檢測(cè)滿載后，小清掃機(jī)器人原路返回，當(dāng)小清掃機(jī)器人后面的激光測(cè)距檢測(cè)到垃圾收集機(jī)器人時(shí)，電磁鐵通電帶磁吸住小清掃機(jī)器人后方的鐵塊。此時(shí)小清掃機(jī)器人上面的推桿帶動(dòng)插銷，垃圾箱與清掃機(jī)器人分離，抬升臂提升將垃圾箱內(nèi)的垃圾倒入攀爬機(jī)器人的垃圾收納箱內(nèi)。然后將垃圾箱放回，推桿帶動(dòng)插銷歸位鎖死垃圾箱。之后抬升臂提高一定角度，使小清掃機(jī)器人隨著攀爬機(jī)器人攀爬樓梯清掃，實(shí)現(xiàn)清掃整個(gè)看臺(tái)座椅區(qū)域[5]。

3 結(jié)語

本項(xiàng)目采用“小型清掃機(jī)器人+垃圾收集車”的組合式設(shè)計(jì)方案，開拓性的創(chuàng)造出垃圾清掃與垃圾收集相互獨(dú)立，但又同時(shí)進(jìn)行工作的組合機(jī)器。垃圾收集機(jī)器人與小型清掃機(jī)器人通過電磁鐵連接。到達(dá)指定清掃位置時(shí)，清掃機(jī)器人“脫離”垃圾收集車進(jìn)行清掃作業(yè)，當(dāng)清掃機(jī)器人完成此排座椅區(qū)域的清掃后，自動(dòng)返回垃圾收集車上的指定停放點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)體育場(chǎng)看臺(tái)座椅區(qū)域垃圾自動(dòng)化清掃。同時(shí)由于垃圾清掃與垃圾收集相互獨(dú)立，垃圾收集車可同時(shí)配備多臺(tái)不同型號(hào)的垃圾清掃機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)大面積、多類型的不同大型場(chǎng)館看臺(tái)的清理工作。縱觀國(guó)內(nèi)外清掃服務(wù)機(jī)器人，目前都停留在室內(nèi)小范圍清掃機(jī)器人以及室外半自動(dòng)平整地面清掃車。但是對(duì)于場(chǎng)館這種分布面積大，地形階梯狀的場(chǎng)景還是有些力不從心，我們的產(chǎn)品有效的解決了以上問題，提高了整個(gè)清掃型機(jī)器人領(lǐng)域智能化程度，使其更好的適用于大面積、高復(fù)雜的大型場(chǎng)館看臺(tái)清掃工作，減少了人力消耗，提高效率。