盧桂萍，李春雷，劉卓沄，葉栩謙，李俊明

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化學(xué)院，廣東珠海 519088）

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，機(jī)器人逐漸進(jìn)入人們的生活，并漸漸滲透到生活的各個(gè)領(lǐng)域。在衛(wèi)生清潔方面，傳統(tǒng)的掃地機(jī)器人有著不錯(cuò)的發(fā)展，但他們僅限于在平地上工作，不能對(duì)樓梯進(jìn)行清潔，這對(duì)于復(fù)式樓房來說，其清潔范圍非常局限，不能滿足人們對(duì)美好物質(zhì)生活向往的要求。

要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)樓梯進(jìn)行清潔，首先要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上樓和下樓。經(jīng)調(diào)查，目前實(shí)現(xiàn)爬梯越障的機(jī)器人根據(jù)其實(shí)現(xiàn)形式的不同主要分為[1]輪系式、履帶式和腿足式[2]。輪系式機(jī)器人又以單輪式和行星輪式最為常見，單輪式機(jī)器人的越障能力較弱，但憑借其較好的承載能力及較快的平面移動(dòng)速度得以廣泛應(yīng)用。行星輪式機(jī)器人則擁有著較好的越障能力，簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)和較快的移動(dòng)速度，因此也被廣泛應(yīng)用。

根據(jù)市面上現(xiàn)有的各類型掃地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，設(shè)計(jì)了行星輪[3]與麥克納姆輪相結(jié)合的機(jī)構(gòu)，用超聲波傳感器和紅外傳感器對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集，通過程序設(shè)計(jì)對(duì)信息進(jìn)行判斷，再將程序所表達(dá)的功能通過Arduino電路板傳輸給各工作模塊，使機(jī)器人能夠自主爬樓清潔并自適應(yīng)不同的階梯環(huán)境。同時(shí)安裝的吸塵盒內(nèi)置吸附碳，吸附空氣中有害物質(zhì)，能夠凈化粉塵和提高清潔效率。

1 機(jī)器人工作過程的設(shè)計(jì)與分析

通過采用麥克納姆輪與行星輪[4]相結(jié)合的輪系式爬樓機(jī)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“平地清潔”和“樓梯清潔”雙模式。通過電磁離合器來進(jìn)行兩個(gè)模式的切換。采用紅外避障[5]傳感器和超聲波測(cè)距傳感器[6]對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行檢測(cè)反饋。運(yùn)用水平開關(guān)，間接檢測(cè)機(jī)器人狀態(tài)，并將所處狀態(tài)反饋給Arduino，確保機(jī)器人正常運(yùn)行。工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

進(jìn)行平地清潔工作時(shí)，機(jī)器人根據(jù)規(guī)劃路徑進(jìn)行清潔，當(dāng)前方無障礙物時(shí)，機(jī)器人直線前進(jìn)進(jìn)行清潔工作，當(dāng)檢測(cè)前方有障礙物時(shí)機(jī)器人橫向移動(dòng)一定距離并再次判別，當(dāng)判別前方阻礙為障礙物時(shí)執(zhí)行繞行指令。當(dāng)判別到達(dá)清潔區(qū)域邊緣時(shí)，機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向并繼續(xù)直線前進(jìn)進(jìn)行清潔，如此周期執(zhí)行直至到達(dá)樓梯邊緣。進(jìn)行樓道清潔工作時(shí)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)行星輪執(zhí)行主要爬樓梯任務(wù)，此時(shí)麥克納姆輪僅起到輔助爬樓的功能，當(dāng)?shù)竭_(dá)相應(yīng)樓梯階層時(shí)，行星輪停止運(yùn)轉(zhuǎn)，由麥克納姆輪帶動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行橫向清潔，當(dāng)檢測(cè)到達(dá)樓梯橫向邊緣時(shí)開始返程清潔，再次到達(dá)樓梯橫向邊緣時(shí)，麥克納姆輪停止運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)器人停止橫向移動(dòng)。行星輪繼續(xù)執(zhí)行爬梯工作，如此周期執(zhí)行樓道清潔工作直至再次識(shí)別到達(dá)平地。當(dāng)水平置于機(jī)器人前端的超聲波測(cè)距傳感器判定前方為樓梯并進(jìn)入樓道清潔工作模式時(shí)，水平開關(guān)處于傾斜狀態(tài)。而當(dāng)機(jī)器人持續(xù)工作至樓梯階末端時(shí)，超聲波測(cè)距傳感器檢測(cè)前方無障礙物，但水平開關(guān)仍處于傾斜狀態(tài)，機(jī)器人繼續(xù)樓道清潔工作，直至機(jī)身整體位于樓道頂層的平臺(tái)之上，此時(shí)水平開關(guān)處于水平狀態(tài)，機(jī)器人切換為平地清潔工作模式。系統(tǒng)功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬樓機(jī)構(gòu)采用麥克納姆輪與行星輪[7]相結(jié)合的4個(gè)輪組式機(jī)構(gòu)[8]，用設(shè)計(jì)制作的板材作為機(jī)器人的承載式機(jī)身，吸塵器和塵盒置于板材上方進(jìn)行塵屑的收集。如圖3～5所示。

圖3 爬樓機(jī)構(gòu)三維設(shè)計(jì)

3 機(jī)器人的控制

圖4 爬樓機(jī)構(gòu)實(shí)物

圖5 吸塵器與塵盒

表1所示為Arduino mega 2560端口。該機(jī)器人采用Arduino開源平臺(tái)對(duì)其整體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。由于該機(jī)器人使用到的超聲波模塊及紅外避障傳感器等元件較多，所以所需的IO端口（數(shù)字電路輸入輸出端口）較多，最終選用了Arduino Mega 2560來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。如圖6所示。

表1 Arduino Mega 2560端口

圖6 Arduino Mega2560原理

根據(jù)直流減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制要求，該機(jī)器人采用了雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊的主控芯片為L(zhǎng)298N，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，發(fā)熱量低，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。主要用于接收Arduino指令并根據(jù)相應(yīng)指令發(fā)送電信號(hào)控制電機(jī)進(jìn)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，是驅(qū)動(dòng)電路的核心控制模塊，模塊還可通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）進(jìn)行調(diào)速從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以滿足工作要求。如圖7～8所示。

圖7 L298N原理

圖8 L298N實(shí)物

采用HC-SR04型超聲波測(cè)距模塊[9]對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，反饋與障礙物之間的距離。該傳感器在設(shè)計(jì)中主要用于檢測(cè)機(jī)器人所在位置與周邊障礙物的距離，使Ar?duino能夠根據(jù)反饋信息做出相應(yīng)判斷，當(dāng)?shù)竭_(dá)相應(yīng)距離時(shí)根據(jù)事先設(shè)定的程序指令使機(jī)器人做出相應(yīng)動(dòng)作或切換工作模式。如圖9～11所示。

圖9 超聲波測(cè)距傳感器原理

采用紅外避障傳感器[9]對(duì)周邊障礙物進(jìn)行檢測(cè)[10]，判斷所檢測(cè)方向能否正常通行。該傳感器主要用于檢測(cè)有效范圍內(nèi)有無障礙物并發(fā)送相應(yīng)電信號(hào)，根據(jù)其特性用于檢測(cè)機(jī)器人是否處于可通行位置，也可運(yùn)用于檢測(cè)機(jī)器人所在地面環(huán)境防止從樓梯跌落。如圖12～13所示。

圖10 超聲波測(cè)距傳感器實(shí)物

圖11 超聲波時(shí)序

圖12 紅外避障傳感器原理

圖13 紅外避障傳感器實(shí)物

該設(shè)計(jì)采用24 V鋰電池作為驅(qū)動(dòng)電源，在連接工作電壓較低的模塊時(shí)需要由降壓模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)降壓處理。該模塊選用了型號(hào)為L(zhǎng)M2596的DC-DC可調(diào)降壓模塊，主要應(yīng)用于將輸入電壓調(diào)節(jié)至相應(yīng)元器件額定工作電壓的降壓領(lǐng)域。如圖14所示。

圖14 可調(diào)降壓模塊實(shí)物

4 機(jī)器人工作電路設(shè)計(jì)

4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要用于連接Arduino對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能要求，電機(jī)采用了轉(zhuǎn)速66 r/min、工作電壓24 V的大扭矩直流減速電機(jī)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求和元器件的性能要求選用了24 V鋰電池作為驅(qū)動(dòng)電源，連接于L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的12 V供電端口和GND端口上，再由L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊[10]的兩個(gè)OUT通道分別控制兩個(gè)24 V直流減速電機(jī)[11]，Arduino可通過發(fā)送指令信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速及驅(qū)動(dòng)控制。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由Arduino的5 V端口提供電源，Arduino電路板則外接7.4 V電源供電以確保Arduino電路板的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 電磁離合器控制電路

電磁離合器控制電路主要用于“平地清潔”和“樓梯清潔”兩種工作模式的切換，機(jī)器人通過Arduino電路板對(duì)電磁離合器進(jìn)行控制完成切換?？刂齐娐愤x用的為一路5 V繼電器，通過連接繼電器常開端口（NO端口）和繼電器公用端口（COM端口）使常態(tài)下繼電器保持電路常開，電磁離合器斷開，當(dāng)Arduino發(fā)送控制信號(hào)至繼電器IN端口，繼電器主電路連通，電磁離合器吸合。根據(jù)要求選用了24 V鋰電池作為該控制電路工作電壓來源，將24 V鋰電池正負(fù)極分別連接于繼電器接電源正極端口（DC+端口）與接電源負(fù)極（DC-端口）以提供控制電路主電路的工作電壓。5 V繼電器控制端口（IN端口）通過Arduino電路板輸出5 V高電平電信號(hào)觸發(fā)控制電路，使繼電器常開端口（NO端口）與公用端口（COM端口）連通，主電路通電使電磁離合器吸合。

4.3 電量檢測(cè)電路

電量檢測(cè)電路主要用于監(jiān)測(cè)24 V鋰電池的電量狀態(tài)以保證其輸出電壓能夠滿足各驅(qū)動(dòng)電路及控制電路的工作要求。利用Arduino電路板的特性進(jìn)行線路連接，對(duì)鋰電池電壓值的監(jiān)測(cè)，并通過不同的LED燈呈現(xiàn)出來。如圖15所示。

圖15 電量檢測(cè)電路調(diào)試

從Arduino電路板數(shù)字電路輸入輸出端口引接至LED燈正極，各LED燈都需串聯(lián)一個(gè)330Ω的電阻防止因電路空載燒毀Arduino電路板，從而確保Arduino電路板可根據(jù)電壓值進(jìn)行反饋。因鋰電池輸出電壓為24 V，而Arduino電路板輸入端口可承受工作電壓為0～5 V，因此需選用降壓模塊對(duì)鋰電池的輸出電壓進(jìn)行降壓處理。檢測(cè)電路通過對(duì)降壓后電壓的監(jiān)測(cè)對(duì)鋰電池剩余電量進(jìn)行判斷，當(dāng)處理后電壓大于其50%時(shí)，綠燈亮起；當(dāng)處理后電壓大于20%且小于50%時(shí)，綠燈熄滅，黃燈亮起；當(dāng)處理后電壓小于20%或者檢測(cè)電路電壓為0（即將24V鋰電池?cái)嚅_連接）時(shí)，黃燈熄滅，紅燈亮起。以此來推斷其電量損耗程度。

4.4 水平開關(guān)檢測(cè)電路

水平開關(guān)檢測(cè)電路主要用于檢測(cè)機(jī)器人是否處于傾斜狀態(tài)，以此來判斷機(jī)器人當(dāng)前所處的工作模式，從而進(jìn)行相應(yīng)工作。

由Arduino電路板提供5 V電壓接于水平開關(guān)的一端進(jìn)行供電，開關(guān)的另一端與330Ω的電阻及Arduino電路板的模擬電路輸入輸出端口進(jìn)行連接，水平開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)由此向Arduino電路板進(jìn)行反饋，電阻另一端連接Arduino電路板GND端口形成回路。外接LED指示燈由數(shù)字電路端口引接，串聯(lián)330Ω的電阻并與Arduino電路板GND端口形成回路。當(dāng)水平開關(guān)處于傾斜狀態(tài)時(shí)，Arduino電路板針對(duì)其狀態(tài)環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的控制反饋，并由LED燈顯示狀態(tài)。

4.5 測(cè)距傳感器與避障傳感器的連接

通過超聲波發(fā)出及被接收的時(shí)間計(jì)算出超聲波測(cè)距模塊[12]與前方障礙物的距離，并回饋給Arduino電路板以進(jìn)行相應(yīng)地控制。該傳感器工作電壓為5 V，將其VCC端口與GND端口連接Arduino電路板的5 V端口與GND端口對(duì)傳感器進(jìn)行供電。其Trig端口與Echo端口則連接至Arduino電路板上相應(yīng)的控制端口，給予Trig端口一個(gè)高電平信號(hào)，傳感器將循環(huán)發(fā)射若干個(gè)脈沖，當(dāng)檢測(cè)到反彈信號(hào)時(shí)，Echo端口會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生高電平信號(hào)，Ardu?ino電路板也將獲得距離信號(hào)值。

紅外避障傳感器主要用于對(duì)機(jī)器人周圍環(huán)境是否存在障礙物進(jìn)行探測(cè)，從而判斷機(jī)器人所處狀態(tài)以進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制。紅外避障傳感器工作電壓也為5 V，可將Arduino電路板的5 V端口與紅外避障傳感器的VCC引腳進(jìn)行連接，并將電路板的GND端口連接于傳感器的GND引腳形成回路。傳感器的OUT引腳可將檢測(cè)結(jié)果通過數(shù)字形式輸出給Arduino電路板，以此對(duì)周圍環(huán)境所處狀態(tài)進(jìn)行推測(cè)。如圖16～17所示。

圖16 紅外避障傳感器調(diào)試

圖17 電路連接

5 機(jī)器人的仿真與調(diào)試

將各驅(qū)動(dòng)電路及控制電路分別進(jìn)行連接調(diào)試，24 V鋰電池連接分線器對(duì)各電路進(jìn)行分線供電，通過端口連接電量檢測(cè)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用面包板的特性，將Arduino電路板5 V供電端口與接地端口外接于各模塊，滿足電路模塊的供電需求。如圖18～21所示。

圖18 機(jī)器人測(cè)試

圖19 機(jī)器人實(shí)物1

圖20 機(jī)器人實(shí)物2

圖21 三維建模

6 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了清潔機(jī)器人在工作領(lǐng)域上的突破，實(shí)現(xiàn)了通過各模塊反饋信號(hào)進(jìn)行自檢測(cè)且通過檢測(cè)結(jié)果對(duì)機(jī)器人所處狀態(tài)進(jìn)行剖析與干預(yù)以確保機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行。該設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下。（1）實(shí)現(xiàn)了掃地機(jī)器人的爬樓清潔。使掃地機(jī)器人進(jìn)入樓梯清潔時(shí)代，大大提高了清潔效率，對(duì)掃地機(jī)器人未來的發(fā)展具有重要影響。（2）實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自適應(yīng)。使機(jī)器人具有自適應(yīng)環(huán)境的能力，擺脫了人為的干預(yù)，降低了人的操作成本。（3）減少人工清潔的勞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。樓梯清潔本身存在一定安全隱患，通過實(shí)現(xiàn)機(jī)器人進(jìn)行樓梯清潔，消除了人工清潔存在的風(fēng)險(xiǎn)。