一種新型智能清潔機(jī)器人及其控制方法

矯玉菲，侯榮國，蘇秋平，劉 瑤，陳保勝

JIAO Yu-fei，HOU Rong-guo，SU Qiu-ping，LIU Yao，CHEN Bao-sheng

（山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 精密與特種加工省級重點實驗室，淄博 255049)

0 引言

隨著現(xiàn)代社會人們生活水平的提高、生存理念和生活品位的不斷提升，服務(wù)型機(jī)器人必將成為人們生活必不可少的工具和伙伴。各種場合的衛(wèi)生清潔問題一直困擾著我們，由于工作環(huán)境多種多樣（例如平地、斜坡和臺階等），工作流程繁瑣，所需清理的垃圾也不盡相同，不僅勞動量大，而且工作效率低，每年國家都要對環(huán)境的清潔問題投入大量的人力、物力和財力，而目前市場上的清潔機(jī)器人存在功能單一、適應(yīng)性差及智能化程度低等諸多問題，針對以上問題，研制新型智能清潔機(jī)器人，將科技與服務(wù)相融合，以優(yōu)化生活環(huán)境。

該裝置結(jié)構(gòu)上根據(jù)齒輪傳動和帶傳動等機(jī)械傳動方式設(shè)計行走及攀爬機(jī)構(gòu)，以其特殊結(jié)構(gòu)的輪子轉(zhuǎn)換裝置、電動滾子式拖把與吸塵器配合完成各項清潔工作；以單片機(jī)為核心部件，傳感器、限位開關(guān)為輔助部件設(shè)計控制系統(tǒng)，采用了多個傳感器和智能控制模塊，實現(xiàn)機(jī)器人運動控制和智能識別避障等功能；采用有線、無線遙控及語音控制等不同操作方式，方便了不同人群的安全和快捷操作。其智能化程度高、功能集成性高、工作效率高和制作成本低，能夠提高人們的生活質(zhì)量并改善人們的生活方式。

1 新型智能清潔機(jī)器人的總體設(shè)計方案

新型智能清潔機(jī)器人主要由機(jī)器人主體、行走及攀爬機(jī)構(gòu)、吸塵/拖地一體化裝置、智能識別控制系統(tǒng)和遙控裝置等部分組成。機(jī)器人主體作為行走及攀爬機(jī)構(gòu)、吸塵/拖地一體化裝置等部分的載體，將各部分連接；以單片機(jī)控制系統(tǒng)為核心，集自動控制、紅外遙控及語音遙控三種工作模式，高、中和低三種運行速度，以擴(kuò)大適用范圍，提高清潔質(zhì)量。

通過設(shè)計并制作出行走及攀爬機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)清潔機(jī)器人的行走及攀爬的靈活運動，采用輻片式輪子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輪子在平地行走狀態(tài)與攀爬狀態(tài)之間轉(zhuǎn)化；通過設(shè)計并制作出吸塵/拖地一體化裝置，經(jīng)吸塵裝置清理收集各種垃圾、塵土，并經(jīng)自動拖地裝置將地面清理干凈，吸塵裝置在智能識別與避障模塊的輔助下，根據(jù)不同工作環(huán)境自動升降，拖地裝置采用電動滾子式拖把通過鉸支連接與主體相連，以保證滾子與地面的良好接觸；設(shè)計智能識別控制系統(tǒng)以實現(xiàn)機(jī)器人在行走過程中的智能識別、蔽障，以及與遙控裝置相互通信實現(xiàn)無線遙控。

新型智能清潔機(jī)器人的示意圖如圖1所示。

圖1 新型智能清潔機(jī)器人總體設(shè)計方案

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計

2.1 機(jī)器人輪子結(jié)構(gòu)及輪子轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為實現(xiàn)機(jī)器人在平地行走、攀爬樓梯以及復(fù)雜地面的工作，將輪子設(shè)計成一種輻片式結(jié)構(gòu)，每個輻片的形狀，如圖2（a）所示。每個輪子由兩個輻片以及中間的推力球軸承組成，采用電機(jī)通過帶傳動使前輪和后輪外側(cè)的輻片同時轉(zhuǎn)動36°。其變換示意圖如圖2（b）所示。輪子轉(zhuǎn)換的具體過程是當(dāng)傳感器檢測到前方的樓梯后，由電機(jī)提供動力，采用同步帶傳動使外側(cè)輻片同時轉(zhuǎn)過36°與內(nèi)側(cè)輻片重合，從而實現(xiàn)輪子的轉(zhuǎn)化。

該結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換機(jī)理是：爬樓前，外側(cè)輻片順時針轉(zhuǎn)動36°與內(nèi)側(cè)的輻片實現(xiàn)重合，便于攀爬，同時提高了爬樓時輪子的強(qiáng)度；平地行走時，外側(cè)輻片逆時針轉(zhuǎn)動36°，與內(nèi)側(cè)的輻片組成一個完整的周圓，提高機(jī)器人在平地行走時的平穩(wěn)性。

圖2 輪子結(jié)構(gòu)及其變換示意圖

2.2 吸塵器升降結(jié)構(gòu)及電動滾子式拖把的設(shè)計

機(jī)器人在對臺階進(jìn)行清理時，需要攀爬樓梯，攀爬過程中吸塵器可以自動升降，從而避免受到樓梯的撞擊，造成吸塵器的損壞。該裝置擬用齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)。將齒條與吸塵器桿固定在一起，并將齒條置于導(dǎo)槽之內(nèi)，利用齒輪齒條的嚙合力和導(dǎo)槽對齒條的壓力降吸塵器固定在導(dǎo)槽內(nèi)。通過電機(jī)轉(zhuǎn)動時帶動齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)齒條的上下移動，當(dāng)齒條移動到導(dǎo)槽頂端時，會觸動固定在導(dǎo)槽頂端的行程開關(guān)，吸塵器停止上升，起到一定的保護(hù)作用。吸塵器升降部分示意圖如圖3所示。

圖3 吸塵器升降部分結(jié)構(gòu)圖

電動滾子式拖把由滾子、支撐架及其傳動裝置組成。具體設(shè)計思路是將滾筒表面包裝一層毛刷，采用電機(jī)通過齒輪箱減速帶動滾筒旋轉(zhuǎn)，將滾子及其傳動裝置安裝在支撐架上，再與機(jī)器人之間通過鉸支連接,能夠依靠支撐架的擺動自動調(diào)節(jié)滾刷的高度，使毛刷始終貼敷于地面，使?jié)L子與平地、斜坡和樓梯等地面充分接觸，增強(qiáng)了清潔效果。電動滾子式拖把結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 電動滾子式拖把結(jié)構(gòu)圖

3 智能清潔機(jī)器人的運動控制

3.1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

控制系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心部件，利用Kei1軟件采用C語言編程。紅外線遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)及成本低等特點；聲控部分控制系統(tǒng)采用SPCE061A單片機(jī)作為核心部件，利用unSP IDE2.6.2軟件采用C語言編程；自動避障功能采用光電傳感器控制。

通過控制系統(tǒng)實時檢測識別避障模塊和第一光電傳感器的信號，控制內(nèi)輻片輪體和外輻片輪體重合與分離，實現(xiàn)輻片輪在攀爬與滾動狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，能夠適用于既有斜坡又有臺階的地況；同時通過識別避障模塊實現(xiàn)了不同地況的識別與避障，通過CPU單元控制相應(yīng)電機(jī)完成清潔工作，提高了機(jī)器人工作的安全性；吸塵器升降機(jī)構(gòu)的頂端安裝有限位開關(guān)，可使控制系統(tǒng)根據(jù)不同的地況，自動控制吸塵器升降，在不影響吸塵器對灰塵等垃圾的吸附力的前提下，以滿足不同的地況需求；吸塵電機(jī)與拖地電機(jī)可以根據(jù)實際的工作環(huán)境實時啟停?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)框圖

新型智能清潔機(jī)器人的運行原理：接通電源后，首先根據(jù)按鍵面板選擇工作模式，包括：自動控制、紅外遙控和語音遙控；然后根據(jù)工作環(huán)境選擇運行速度，包括：高速、低速和中速；機(jī)器人對此模式的選擇進(jìn)行判斷并調(diào)用相關(guān)子程序，如果是將執(zhí)行行進(jìn)、吸塵拖地動作，否則重新選擇工作模式；根據(jù)實際要求靈活控制機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、吸塵和拖地等工作。行走過程中，當(dāng)傳感器檢測到障礙物時，自動做出后退、轉(zhuǎn)向、停止等反饋動作，當(dāng)識別出樓梯后，吸塵器自動上升，提升至一定高度后，觸及限位開關(guān)，由限位開關(guān)將信號反饋給單片機(jī)，單片機(jī)作出響應(yīng)開啟爬樓模式并完成樓梯的清潔工作。機(jī)器人持續(xù)不斷進(jìn)行監(jiān)測和動作，最終實現(xiàn)對該場所的衛(wèi)生清潔。

控制程序流程圖如圖6所示。

3.2 智能識別模塊的控制原理

光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。該裝置通過在裝機(jī)器人前的兩個光電傳感器，左右各一個傳感器，實現(xiàn)識別避障功能。具體工作流程∶當(dāng)前面兩個傳感器只遮住下面一個（1號）時，開始爬臺階；當(dāng)全部遮光時，后退或停止；當(dāng)左邊（3號）與前面的傳感器（1、2號）遮光時，右轉(zhuǎn)；當(dāng)右邊（4號）與前面的傳感器（1、2號）遮光時，左轉(zhuǎn)；當(dāng)傳感器全部遮光時后退，從而實現(xiàn)自動識別、避障功能。智能識別模塊流程圖如圖7所示。

圖6 控制程序流程圖

圖7 智能識別模塊流程圖

4 結(jié)論

本項目將科技與服務(wù)相融合，以單片機(jī)為控制核心，以其特殊結(jié)構(gòu)的輪子轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)機(jī)器人平地行走模式與攀爬模式之間的轉(zhuǎn)換，其電動滾子式拖把可實現(xiàn)與地面無縫接觸，借助光電傳感器實現(xiàn)自動避障和樓梯的識別，實現(xiàn)高效高質(zhì)量的清潔。機(jī)器人不受工作區(qū)域的限制，智能化程度高、使用安全方便和適用范圍廣。該裝置可以完成商場、公園和會議廳等場所的清潔工作，亦可用于居民樓及其內(nèi)部的清潔等，可減輕清潔工作人員的勞動強(qiáng)度，提高工作效率；此外，該裝置兼?zhèn)涔に囆?、知識性、集成性，可以作為教學(xué)實驗裝置，開展實驗，以及用于中小學(xué)素質(zhì)教育拓展推廣等，倡導(dǎo)綠色環(huán)保及綜合服務(wù)，提高生活質(zhì)量。

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