屈世龍，楊瑞青，張慶晨，張善群，韓 浩，王玉飛

（山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253000）

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，先進(jìn)的機(jī)器設(shè)備對于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量都起到巨大的促進(jìn)作用。并且機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，各式各樣為人類服務(wù)的工具也被逐漸創(chuàng)造出來。在我們生活中，掃地機(jī)器人、早教機(jī)器人、無人機(jī)等一些機(jī)器都已是大眾所知。而這些機(jī)器可以作為科技技術(shù)的產(chǎn)物，可以更好地解決人的重復(fù)勞動(dòng)，從而提高勞動(dòng)效率和精確度。但是，大多機(jī)器普遍存在于家庭、農(nóng)業(yè)、辦公等一些地方，相對教育服務(wù)方面有所不足。例如，在我們的校園生活中，由于環(huán)境衛(wèi)生方面上的不足，教室地面臟亂，課桌不整齊，多會(huì)影響學(xué)習(xí)。智能教室管家機(jī)器人會(huì)對課桌不整齊、教室地面垃圾的現(xiàn)象進(jìn)行處理。

現(xiàn)在整理教室以人工勞動(dòng)為主，擺放課桌、清潔衛(wèi)生等，需要大量人力，且工作效率較低。該設(shè)計(jì)涉及教室整理部分工作環(huán)節(jié)的管理，從傳統(tǒng)人工清潔轉(zhuǎn)至機(jī)器打掃，體現(xiàn)出時(shí)代創(chuàng)新的發(fā)展。此外，對于智能掃地機(jī)器人針對路徑規(guī)劃方面較為普遍，如五邑大學(xué)提出一款智能掃地機(jī)器人[1]，結(jié)合掃地機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了可適用于復(fù)雜環(huán)境的全覆蓋路徑性能優(yōu)化。智能教室管家機(jī)器人進(jìn)行課桌整齊擺放有利于學(xué)生有一個(gè)健康良好的坐姿，從而有利于提高學(xué)習(xí)的效率，減少疲勞和不舒適感。并且隨著智能化的發(fā)展，各類智能化產(chǎn)品受到大眾青睞。

1 智能教室管家機(jī)器人方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

智能教室管家機(jī)器人最終要實(shí)現(xiàn)兩種工作模式，即課桌整理模式、地面清潔模式，用戶可以通過攝像頭遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行規(guī)劃和預(yù)先掃描錄入的信息實(shí)現(xiàn)物品識(shí)別的技術(shù)，使移動(dòng)終端可以與智能教室管家機(jī)器人進(jìn)行通信，將教室的實(shí)時(shí)地形圖顯示在移動(dòng)終端上。智能教室管家機(jī)器人設(shè)計(jì)分為4 個(gè)模塊，分別為分布在底部的掃地模塊、自動(dòng)伸縮夾桿模塊，中間的升降模塊、控制模板。這4 個(gè)模塊在高度方向上可完成相對運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)器人底部的麥輪配合水平方向上的運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)方向改變且可同步進(jìn)行掃地功能。

1.2 掃地模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

掃地模塊主要采用吸塵方式來清掃地面，如圖1所示。在掃地模塊的框架內(nèi)，主要由吸塵管道、垃圾儲(chǔ)存裝置、旋轉(zhuǎn)掃帚、電機(jī)以及自動(dòng)吸附裝置組成。掃地模塊通過旋轉(zhuǎn)掃帚、大吸塵口完成地面的清潔，垃圾經(jīng)吸塵管道后存放在垃圾儲(chǔ)存袋中，儲(chǔ)存袋可方便地取出傾倒垃圾后并換取新的一次性垃圾袋。其次，機(jī)器人在進(jìn)行移動(dòng)擺放課桌時(shí)，自動(dòng)吸附裝置可以吸附地面，從而增加機(jī)器穩(wěn)定性。

圖1 掃地模塊結(jié)構(gòu)

1.3 自動(dòng)伸縮夾桿模塊

自動(dòng)伸縮夾桿模塊采用電動(dòng)伸縮桿[2]，如圖2 所示，夾板頭部有較小的凹槽，便于夾緊課桌桌腿，其電動(dòng)伸縮桿是利于電機(jī)馬達(dá)通過齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)絲桿螺母，推動(dòng)梯形螺紋絲桿的一種短距離實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)的一種傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖2 自動(dòng)伸縮夾桿模塊結(jié)構(gòu)

1.4 內(nèi)部升降模塊

為了將自動(dòng)伸縮夾桿更好地與中間升降模塊結(jié)合，中間模塊基于移動(dòng)裝置傳動(dòng)完成對自動(dòng)伸縮夾桿模塊的升降功能和水平伸縮功能，機(jī)械升降裝置安裝在中部殼體內(nèi)，依據(jù)課桌寬度進(jìn)行調(diào)整間距，從而更好夾住課桌桌腿。其升降裝置共有4 根導(dǎo)軌對機(jī)器升降運(yùn)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)向，升降裝置平面機(jī)構(gòu)原理如圖3、圖4所示，此傳動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)軌、固定臺(tái)等組成。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用下帶動(dòng)導(dǎo)軌上的固定臺(tái)裝置移動(dòng)，即帶動(dòng)自動(dòng)伸縮桿上下移動(dòng)和機(jī)器兩側(cè)板水平移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)桌腿間距調(diào)整及升降課桌。此種升降機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、方便維護(hù)的特點(diǎn)。

圖3 升降裝置平面機(jī)構(gòu)原理

圖4 升降模塊結(jié)構(gòu)

1.5 麥輪模塊

本模塊通過4 個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的麥輪[3]實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)。如圖5 所示，4 個(gè)麥輪分別安裝在掃地模塊兩側(cè)模塊的底板上。其中4 個(gè)麥輪運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄C(jī)器人的各個(gè)方向，以保證前后左右方向運(yùn)動(dòng)順利運(yùn)行。

圖5 麥輪模塊

1.6 中間模塊

該模塊采用千斤頂裝置[4]。千斤頂裝置搭載有無線遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)通信模塊，通過手機(jī)等設(shè)備來控制千斤頂?shù)钠鹇浜鸵苿?dòng)。為了更好的拖動(dòng)課桌，智能教室管家機(jī)器人結(jié)合千斤頂裝置，使其對課桌底部進(jìn)行上升拖動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)在伸縮桿拖動(dòng)課桌基礎(chǔ)上防止課桌滑脫。千斤頂裝置安裝在中間部位，以便于保持平衡，如圖6 所示。

圖6 千斤頂裝置模塊

1.7 整體結(jié)構(gòu)

智能教室管家機(jī)器人外殼為一體式，呈中空長方體。該裝置主要包括自動(dòng)伸縮夾板、千斤頂裝置、底部吸塵裝置、麥輪、自動(dòng)吸盤、電機(jī)組、遙控裝置等，形成遙控系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)、吸塵系統(tǒng)、感應(yīng)系統(tǒng)以保證機(jī)器正常運(yùn)作。底部吸塵裝置上方安裝有控制裝置和無線傳輸裝置，以實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端對掃地機(jī)器人的控制。遙控系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)中掃地機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制方案能很容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，移動(dòng)系統(tǒng)通過控制裝置控制位移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾板進(jìn)行左右和上下的移動(dòng)。智能教室管家機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)示意如圖7。

圖7 整體結(jié)構(gòu)

2 智能教室管家機(jī)器人工作原理

2.1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)功能

該機(jī)器由多個(gè)多部分組成，主要包括自動(dòng)伸縮夾桿、底部吸塵裝置、麥輪、自動(dòng)吸盤、電機(jī)組、遙控裝置等，由搖控系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)、吸塵系統(tǒng)、感應(yīng)系統(tǒng)分別協(xié)調(diào)控制，保證了智能教室管家機(jī)器的正常運(yùn)作。整個(gè)裝置可以分為4 個(gè)模塊：掃地模塊、自動(dòng)伸縮夾桿模塊、中間的升降模塊、控制模板。

（1）掃地模塊，其功能是通過規(guī)劃路線清掃教室地面，它的頂端設(shè)置有一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的激光發(fā)射頭和配套接收器，通過發(fā)射激光掃描自身到邊界每個(gè)點(diǎn)的距離，從而生成數(shù)字地圖，還能根據(jù)屋內(nèi)家具位置的變化實(shí)時(shí)進(jìn)行更新。同時(shí)在到達(dá)相應(yīng)指定位置時(shí)，底部吸盤自動(dòng)降落吸附地面，從而穩(wěn)固該機(jī)器本身，防止在搬運(yùn)課桌時(shí)發(fā)生傾翻。

（2）自動(dòng)伸縮夾桿模塊則是夾緊拖動(dòng)課桌的同時(shí)，進(jìn)一步鞏固課桌穩(wěn)定性，利于該機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）中間升降模塊基于移動(dòng)裝置傳動(dòng)完成對自動(dòng)伸縮夾桿模塊的升降功能和水平伸縮功能，并依據(jù)課桌寬度而定，從而更好使自動(dòng)伸縮夾桿夾住課桌桌腿。

（4）控制模板是安裝有最基本的控制裝置和無線傳輸裝置，而且具備位移功能的結(jié)構(gòu)，即通過控制裝置控制位移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩側(cè)固定板、夾桿進(jìn)行左右和上下的移動(dòng)。

除此之外，通過攝像頭遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行規(guī)劃和預(yù)先掃描錄入的信息，可以在移動(dòng)終端上，如iPad、手機(jī)等，通過移動(dòng)終端與智能教室管家機(jī)器人進(jìn)行通信，將教室的實(shí)時(shí)地形圖顯示在移動(dòng)終端上，這樣人們就可以輕而易舉實(shí)現(xiàn)對桌子位置以及需要清理的垃圾進(jìn)行識(shí)別。

2.2 中央控制系統(tǒng)

對于規(guī)劃和預(yù)先掃描錄入的信息實(shí)現(xiàn)物品識(shí)別的技術(shù)，設(shè)計(jì)的智能教室管家機(jī)器人使用紅外探測技術(shù)在清掃之前通過激光發(fā)射器掃描房間，獲得房間的圖形信息，然后依據(jù)房間圖形信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，最后根據(jù)設(shè)計(jì)的路徑規(guī)劃系統(tǒng)能夠最終進(jìn)行全覆蓋清掃。此外，該設(shè)計(jì)還包括遙控器和接收器兩個(gè)部分，操作者使用遙控器對機(jī)器進(jìn)行相關(guān)操作，當(dāng)作業(yè)完成后，通過遙控器下達(dá)回歸的指令，當(dāng)遙控裝置接收指令時(shí)，智能教室管家機(jī)器人依照原本路線回到原有位置。

2.3 技術(shù)路線

首先通過建立三維建模進(jìn)行仿真安裝、調(diào)試。初始時(shí)，智能教室管家機(jī)器人先通過錄入教室大小，獲得房間的圖形然后再進(jìn)行路徑規(guī)劃以及課桌位置設(shè)定。對于路徑規(guī)劃則是采用激光測距式導(dǎo)航系統(tǒng)，智能教室管家機(jī)器人通過激光測距的方法生成室內(nèi)地圖，在此基礎(chǔ)上合理地規(guī)劃清掃及搬運(yùn)路線，而不是試探性來回碰撞。相比之下，該規(guī)劃路線更能看出其設(shè)計(jì)的智能之處。其實(shí)現(xiàn)原理是：它的頂端設(shè)置有一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的激光發(fā)射頭和配套接收器，通過發(fā)射激光掃描自身到邊界每個(gè)點(diǎn)的距離，從而生成數(shù)字地圖，還能根據(jù)屋內(nèi)課桌位置的變化實(shí)時(shí)進(jìn)行更新。室內(nèi)圖像錄入后，該機(jī)器開始對教室實(shí)施工作，并遙控下達(dá)進(jìn)一步指令，遙控裝置接收指令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器開始工作，從而實(shí)現(xiàn)課桌整理，地面清掃。且機(jī)器到固定位置后，通過對前期激光掃描并反饋生成室內(nèi)地圖進(jìn)行識(shí)別對比，若課桌不整齊將會(huì)進(jìn)行搬運(yùn)整理，自動(dòng)伸縮夾板通過該機(jī)器內(nèi)部升降裝置調(diào)節(jié)至合適位置，進(jìn)一步伸縮進(jìn)入課桌底部，其自動(dòng)伸縮夾板是根據(jù)課桌桌腿寬度進(jìn)行調(diào)整，并水平從裝置內(nèi)導(dǎo)出。此外，智能教室管家機(jī)器人內(nèi)部裝有千斤頂裝置，其功能是將其課桌底部頂起，并通過指令移動(dòng)至指定位置；若課桌與生成圖像位置一致時(shí)，該機(jī)器選擇對其忽略搬運(yùn)。當(dāng)智能教室管家機(jī)器人電量過低時(shí)，可根據(jù)最近位置關(guān)系返回并進(jìn)行充電，待充電完畢后，返回原有位置進(jìn)行之前未完成工作。任務(wù)結(jié)束后，用遙控器下達(dá)回歸的指令，遙控裝置接收指令，智能教室管家機(jī)器人依照原本路線回到原有位置。

3 智能教室管家機(jī)器人應(yīng)用情況分析

3.1 可以智能精確擺放

該智能教室管家機(jī)器人，通過室內(nèi)圖像識(shí)別判斷，進(jìn)一步對課桌整理擺放。當(dāng)課桌與目標(biāo)位置一致時(shí)，該機(jī)器停止整理，并且依靠數(shù)字圖像識(shí)別合理路線返回充電待機(jī)。該設(shè)計(jì)解決了整理課桌效率差，從而提高課桌擺放的精確度。

3.2 操作便捷，省時(shí)又省力

可以遠(yuǎn)程遙控和自主清潔。智能教室管家機(jī)器人則可以通過千斤頂裝置及自動(dòng)伸縮夾桿裝置的結(jié)合，從而代替人力搬運(yùn)，勞動(dòng)力得到一定的解放。同時(shí)該機(jī)器對教室即能整理課桌又兼?zhèn)渲悄艽驋?，進(jìn)行明確的方案制定與安排。

3.3 合理規(guī)劃，性能強(qiáng)

該設(shè)計(jì)結(jié)合“整理+清掃”兩種形式，在整理擺放課桌的同時(shí)，又能清掃地面。并且采用激光測距式導(dǎo)航系統(tǒng)，可以對教室房間大小進(jìn)行掃描，并制定路徑規(guī)劃，然后自動(dòng)對教室進(jìn)行整理。

3.4 可以清潔復(fù)雜環(huán)境

對于人工清掃來說，像地縫、邊角等位置只用掃帚拖布是很難打掃干凈的，時(shí)間久了就會(huì)留下厚厚的積塵，而智能教室管家機(jī)器人則可以通過掃吸等方式將隱匿的灰塵雜質(zhì)打掃干凈。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種整理課桌及清掃地面一體機(jī)器人，該智能教室管家機(jī)器人，集手機(jī)遙控技術(shù)、掃描技術(shù)、物件搬運(yùn)技術(shù)于一體，操作便捷，性能強(qiáng)且工作項(xiàng)率較高，能夠有效地幫助教室清潔人員減少工作強(qiáng)度和提高工作效率。本文所設(shè)計(jì)的智能教室管家機(jī)器人解決了目前市面上在掃拖機(jī)器人基礎(chǔ)上幾乎沒有課桌整理功能的問題，為教室課桌整理及地面清潔裝置的研究提供了參考借鑒。