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巢湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 安徽巢湖 238024

隨著時代的發(fā)展，城市里高層建筑越來越多，由于高層建筑中樓梯的數(shù)量與層數(shù)都較高，隨之就出現(xiàn)了高層建筑樓梯清潔困難這一難題。針對該難題現(xiàn)有的解決方式是雇用清潔工人來進(jìn)行清潔，但高層建筑樓梯采用人工清潔時清潔效率較低且人工成本高昂，并在清潔過程中伴有一定的人身安全隱患，因此，人工清潔這種方式并不適用于對高層建筑樓梯的清潔。

機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步給這個難題帶來了轉(zhuǎn)機(jī)，為解決日常生活里清潔工作效率較低和成本高昂的問題，掃地機(jī)器人這種智能清掃吸塵工具被研發(fā)了出來，該類機(jī)器人可以高效率低成本地完成各種清潔工作[1]；國內(nèi)外市場上也相繼出現(xiàn)了中國科沃斯、荷蘭飛利浦、美國IRobot等眾多掃地機(jī)器人的品牌供人們選擇[2-3]，盡管掃地機(jī)器人的品牌如此繁多，卻很少有針對高層建筑樓梯清掃問題的類型，主要原因在于普通掃地機(jī)器人在平時的清掃工作中難以跨越樓梯上的臺階結(jié)構(gòu)[4-5]。因此，針對普通掃地機(jī)器人難以攀爬樓梯這個難題，以及市場中缺少可以清掃高層建筑樓梯的掃地機(jī)器人這個現(xiàn)狀，本文設(shè)計出一種擁有攀爬樓梯能力的高層建筑樓梯清掃機(jī)器人很有必要。

1 高層建筑樓梯清掃機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)簡介

本文設(shè)計的高層建筑樓梯清掃機(jī)器人，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要分為行走機(jī)構(gòu)、攀爬機(jī)構(gòu)和清掃機(jī)構(gòu)三個部分。其中行走機(jī)構(gòu)由行走電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)和萬向輪組成；攀爬機(jī)構(gòu)由攀爬電機(jī)、連桿和傳動軸組成，四個攀爬電機(jī)對稱分布在樓梯清掃機(jī)器人左右兩側(cè)的前端與后端；清掃機(jī)構(gòu)由吸塵裝置、清潔滾筒和清潔毛刷構(gòu)成，吸塵裝置內(nèi)置在樓梯清掃機(jī)器人的中部，由吸風(fēng)機(jī)和垃圾存儲盒組成，垃圾存儲盒內(nèi)有抽拉式存儲盒和垃圾防倒置擋板兩大結(jié)構(gòu)，清潔滾筒由大型清潔滾筒和小型清潔滾筒兩種類型組成，大型清潔滾筒安置在樓梯清掃機(jī)器人的底端，小型清潔滾筒安置在樓梯清掃機(jī)器人的前端。清潔毛刷則由滑動清潔毛刷和轉(zhuǎn)動清潔毛刷兩種組成，滑動清潔毛刷位于樓梯清掃機(jī)器人前端與小型清潔滾筒配合進(jìn)行樓梯側(cè)面的清潔，轉(zhuǎn)動清潔毛刷位于樓梯清掃機(jī)器人的底端，與大型清潔滾筒配合進(jìn)行樓梯地面的清潔。

1.機(jī)器人外殼；2.連桿；3.小型清潔毛刷；4.小型清潔滾筒；5.電源裝置；6.吸風(fēng)機(jī)；7.攀爬電機(jī)；8.無線充電裝置；9.大型清潔滾筒；10.垃圾存儲裝置；11.大型清潔毛刷；12.萬向輪；13.智能控制中樞；14.傳動軸；15.顯示屏；16.控制按鈕；17.光電傳感器圖1 高層建筑樓梯清掃機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)

2 高層建筑樓梯清掃機(jī)器人工作原理

該樓梯清掃機(jī)器人的工作原理由路線感應(yīng)與識別、智能行進(jìn)與樓梯攀爬、組合式清潔三大部分組成。該機(jī)器人的智能控制中樞先對清掃路線進(jìn)行識別，通過位于光電傳感器和紅外測距傳感器對機(jī)器人進(jìn)行位置檢測并反饋至控制中樞進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，規(guī)劃合理的行進(jìn)路徑，控制中樞驅(qū)動轉(zhuǎn)向電機(jī)與行走電機(jī)實現(xiàn)機(jī)器人直線和轉(zhuǎn)向行駛。當(dāng)該機(jī)器人在到達(dá)樓梯邊緣時，智能控制中樞將前進(jìn)模式切換為攀爬模式，此時位于該機(jī)器人后端的兩根傳動軸在攀爬電機(jī)的控制下進(jìn)入自由轉(zhuǎn)動狀態(tài)，位于前端的兩根傳動軸隨著攀爬電機(jī)的工作開始轉(zhuǎn)動，將機(jī)器人后端抬起并傳送到上一層臺階面處，完成對上一層臺階的攀爬。此后，所有攀爬電機(jī)停止工作，繼續(xù)開始對臺階面的橫向進(jìn)行清潔工作。如此循環(huán)，實現(xiàn)對整段樓梯的攀爬和清掃工作。

3 高層建筑樓梯清掃機(jī)器人的部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 萬向輪部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計

萬向輪部分結(jié)構(gòu)由驅(qū)動輪、行走電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、大錐齒輪、小錐齒輪、齒輪、齒圈、滾子、旋轉(zhuǎn)滾動滑槽和固定外殼組成。行走電機(jī)位于萬向輪頂端，通過齒輪機(jī)構(gòu)與驅(qū)動輪相連接，齒輪機(jī)構(gòu)由一大一小兩個錐齒輪組成，行走電機(jī)運(yùn)行時帶動小錐齒輪在水平方向上轉(zhuǎn)動，小錐齒輪水平方向轉(zhuǎn)動帶動大錐齒輪進(jìn)行豎直方向上的轉(zhuǎn)動，通過齒輪傳動將行走電機(jī)的水平方向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為驅(qū)動輪的豎直方向轉(zhuǎn)動，以此實現(xiàn)驅(qū)動輪的前進(jìn)與后退。轉(zhuǎn)向電機(jī)、齒輪、齒圈、滾子與旋轉(zhuǎn)滾動滑槽則構(gòu)成萬向輪的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向電機(jī)位于行走電機(jī)側(cè)端，與齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相連接，齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由齒輪與齒圈組成，當(dāng)轉(zhuǎn)向電機(jī)啟動時，與轉(zhuǎn)向電機(jī)連接的齒輪也隨之在齒圈內(nèi)轉(zhuǎn)動，同時也帶動位于萬向輪固定外殼上端的滾子開始滾動，滾子沿著萬向輪固定外殼上的旋轉(zhuǎn)滾動槽進(jìn)行滾動，帶動萬向輪底部的驅(qū)動輪的方向進(jìn)行改變，直至到達(dá)所需方向后轉(zhuǎn)向電機(jī)停止工作，驅(qū)動輪方向確定。該萬向輪通過轉(zhuǎn)向電機(jī)控制驅(qū)動輪方向和行走電機(jī)控制驅(qū)動輪啟停，實現(xiàn)該輪向所有方向行動的功能。如圖2所示，為萬向輪部分結(jié)構(gòu)的示意圖。

18.行走電機(jī)；19.轉(zhuǎn)向電機(jī)；20.旋轉(zhuǎn)滾動槽；21.齒輪；22.小錐齒輪；23.驅(qū)動輪；24.大錐齒輪；25.滾子；26.齒圈圖2 萬向輪部分結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 吸塵裝置部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計

吸塵裝置部分結(jié)構(gòu)由吸風(fēng)機(jī)、垃圾存儲盒、垃圾防倒置擋板、電源裝置和兩個吸風(fēng)口組成，吸風(fēng)機(jī)位于吸塵裝置的頂端前段，四周及頂端被吸塵裝置保護(hù)殼所包裹著，下端連接著吸塵裝置的主體，左側(cè)和右側(cè)一共兩個吸風(fēng)口，位于吸塵裝置主體的底端，兩個吸風(fēng)口的中間是垃圾存儲盒；垃圾存儲盒由可抽拉式存儲盒、紅外測距傳感器和齒輪齒條式開關(guān)組成，當(dāng)紅外測距傳感器檢測到存儲盒內(nèi)垃圾存儲滿時會反饋給智能控制中樞，智能控制中樞會反饋至顯示屏上顯示盒內(nèi)垃圾已滿，此時轉(zhuǎn)動齒輪齒條式開關(guān)可拉出可抽拉式存儲盒倒出垃圾；在兩個吸風(fēng)口的上方有兩個傾斜放置并且可以活動的垃圾防倒置擋板，這兩個垃圾防倒置擋板同時也與垃圾存儲盒的頂端開口相連接；吸塵裝置工作時，吸風(fēng)機(jī)啟動并產(chǎn)生向內(nèi)吸取的風(fēng)力，通過吸塵裝置內(nèi)部通道將吸力傳輸至垃圾防倒置擋板處，使可活動的垃圾防倒置擋板被吸力吸動向上抬起，使吸力繼續(xù)傳輸至吸風(fēng)口，將吸風(fēng)口下方的垃圾吸起，在通過垃圾防倒置擋板后落入垃圾存儲盒內(nèi)；吸塵裝置停止工作時，吸風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，吸力消失，垃圾防倒置擋板落下并回歸原位置，此時垃圾被封閉于垃圾存儲盒中且無法掉出，實現(xiàn)了對清掃過程中垃圾的存儲功能。

27.電源裝置；28.吸風(fēng)機(jī)；29.垃圾防倒置擋板；30.齒條式開關(guān)；31.吸風(fēng)口；32.垃圾存儲盒圖3 吸塵裝置部分結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 攀爬樓梯裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

攀爬樓梯傳動裝置的主體位于高層建筑樓梯清掃機(jī)器人的左右兩個側(cè)端面。該裝置由攀爬電機(jī)、傳動軸和連桿組成，四個攀爬電機(jī)分布于機(jī)器人兩個側(cè)端的前端和后端，傳動軸位于每個攀爬電機(jī)與連桿連接的位置，連桿通過四個傳動軸上的花鍵將位于機(jī)器人前端和后端的攀爬電機(jī)兩兩連接在一起。裝置運(yùn)行時，位于機(jī)器人后端的兩根傳動軸在攀爬電機(jī)的控制下進(jìn)入工作狀態(tài)，此時傳動軸可隨重心變化隨意轉(zhuǎn)動，位于前端的兩根傳動軸隨著攀爬電機(jī)的運(yùn)行開始轉(zhuǎn)動，由于傳動軸上花鍵的特殊結(jié)構(gòu)，傳動軸同時會帶動連桿一起進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，此時機(jī)器人后端被抬起并隨著傳動軸轉(zhuǎn)動而從后方向前方移動位置，直至后端被移至下一階樓梯上穩(wěn)定之后，所有攀爬電機(jī)停止工作，傳動軸不再轉(zhuǎn)動。此時實現(xiàn)對上一階樓梯的攀爬，循環(huán)往復(fù)該流程即可實現(xiàn)對整段樓梯的攀爬。

33.前端攀爬電機(jī)；34.連桿；35.后端攀爬電機(jī)；36.傳動軸；37.花鍵圖4 攀爬樓梯裝置部分結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)語

本文設(shè)計了一種高層建筑樓梯清掃智能機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、工作高效，智能化、自動化程度較高；通過攀爬電機(jī)、傳動軸與連桿組成的攀爬機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對樓梯的攀爬，配合行走電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)與萬向輪組成的行走機(jī)構(gòu)和吸塵裝置、清潔滾筒、清潔毛刷組成的清掃機(jī)構(gòu)，協(xié)同實現(xiàn)了對高層建筑樓梯的攀爬與清掃，提高了高層建筑樓梯清掃效率的同時，減少了高層建筑樓梯清掃對人力資源的依賴，填補(bǔ)了掃地機(jī)器人市場中存在的空缺。