一種新型智能清潔機(jī)器人及其控制方法

矯玉菲，侯榮國(guó)，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(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，淄博 255049)

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)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(chǎng)合的衛(wèi)生清潔問(wèn)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(tái)階等），工作流程繁瑣，所需清理的垃圾也不盡相同，不僅勞動(dòng)量大，而且工作效率低，每年國(guó)家都要對(duì)環(huán)境的清潔問(wèn)題投入大量的人力、物力和財(cái)力，而目前市場(chǎng)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(wèn)題，針對(duì)以上問(wèn)題，研制新型智能清潔機(jī)器人，將科技與服務(wù)相融合，以?xún)?yōu)化生活環(huán)境。

該裝置結(jié)構(gòu)上根據(jù)齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)等機(jī)械傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)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(dòng)滾子式拖把與吸塵器配合完成各項(xiàng)清潔工作；以單片機(jī)為核心部件，傳感器、限位開(kāi)關(guān)為輔助部件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，采用了多個(gè)傳感器和智能控制模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和智能識(shí)別避障等功能；采用有線、無(wú)線遙控及語(yǔ)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(jì)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(shí)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(dòng)控制、紅外遙控及語(yǔ)音遙控三種工作模式，高、中和低三種運(yùn)行速度，以擴(kuò)大適用范圍，提高清潔質(zhì)量。

通過(guò)設(shè)計(jì)并制作出行走及攀爬機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人的行走及攀爬的靈活運(yùn)動(dòng)，采用輻片式輪子結(jié)構(gòu)實(shí)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(guò)設(shè)計(jì)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(dòng)拖地裝置將地面清理干凈，吸塵裝置在智能識(shí)別與避障模塊的輔助下，根據(jù)不同工作環(huán)境自動(dòng)升降，拖地裝置采用電動(dòng)滾子式拖把通過(guò)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(jì)智能識(shí)別控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在行走過(guò)程中的智能識(shí)別、蔽障，以及與遙控裝置相互通信實(shí)現(xiàn)無(wú)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(jì)方案

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)

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(jì)

為實(shí)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(jì)成一種輻片式結(jié)構(gòu)，每個(gè)輻片的形狀，如圖2（a）所示。每個(gè)輪子由兩個(gè)輻片以及中間的推力球軸承組成，采用電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)使前輪和后輪外側(cè)的輻片同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)36°。其變換示意圖如圖2（b）所示。輪子轉(zhuǎn)換的具體過(guò)程是當(dāng)傳感器檢測(cè)到前方的樓梯后，由電機(jī)提供動(dòng)力，采用同步帶傳動(dòng)使外側(cè)輻片同時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)36°與內(nèi)側(cè)輻片重合，從而實(shí)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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)36°與內(nèi)側(cè)的輻片實(shí)現(xiàn)重合，便于攀爬，同時(shí)提高了爬樓時(shí)輪子的強(qiáng)度；平地行走時(shí)，外側(cè)輻片逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)36°，與內(nèi)側(cè)的輻片組成一個(gè)完整的周圓，提高機(jī)器人在平地行走時(shí)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(dòng)滾子式拖把的設(shè)計(jì)

機(jī)器人在對(duì)臺(tái)階進(jìn)行清理時(shí)，需要攀爬樓梯，攀爬過(guò)程中吸塵器可以自動(dòng)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(dòng)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(duì)齒條的壓力降吸塵器固定在導(dǎo)槽內(nèi)。通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)齒條的上下移動(dòng)，當(dāng)齒條移動(dòng)到導(dǎo)槽頂端時(shí)，會(huì)觸動(dòng)固定在導(dǎo)槽頂端的行程開(kāi)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(dòng)滾子式拖把由滾子、支撐架及其傳動(dòng)裝置組成。具體設(shè)計(jì)思路是將滾筒表面包裝一層毛刷，采用電機(jī)通過(guò)齒輪箱減速帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，將滾子及其傳動(dòng)裝置安裝在支撐架上，再與機(jī)器人之間通過(guò)鉸支連接,能夠依靠支撐架的擺動(dòng)自動(dòng)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(dòng)滾子式拖把結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 電動(dòng)滾子式拖把結(jié)構(gòu)圖

3 智能清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制

3.1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

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(yǔ)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(diǎn)；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(yǔ)言編程；自動(dòng)避障功能采用光電傳感器控制。

通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)識(shí)別避障模塊和第一光電傳感器的信號(hào)，控制內(nèi)輻片輪體和外輻片輪體重合與分離，實(shí)現(xiàn)輻片輪在攀爬與滾動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，能夠適用于既有斜坡又有臺(tái)階的地況；同時(shí)通過(guò)識(shí)別避障模塊實(shí)現(xiàn)了不同地況的識(shí)別與避障，通過(guò)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(kāi)關(guān)，可使控制系統(tǒng)根據(jù)不同的地況，自動(dòng)控制吸塵器升降，在不影響吸塵器對(duì)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(shí)際的工作環(huán)境實(shí)時(shí)啟停。控制系統(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(yùn)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(dòng)控制、紅外遙控和語(yǔ)音遙控；然后根據(jù)工作環(huán)境選擇運(yùn)行速度，包括：高速、低速和中速；機(jī)器人對(duì)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(dòng)作，否則重新選擇工作模式；根據(jù)實(shí)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(guò)程中，當(dāng)傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，自動(dòng)做出后退、轉(zhuǎn)向、停止等反饋動(dòng)作，當(dāng)識(shí)別出樓梯后，吸塵器自動(dòng)上升，提升至一定高度后，觸及限位開(kāi)關(guān)，由限位開(kāi)關(guān)將信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)作出響應(yīng)開(kāi)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(cè)和動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)該場(chǎng)所的衛(wèi)生清潔。

控制程序流程圖如圖6所示。

3.2 智能識(shí)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(cè)電路。該裝置通過(guò)在裝機(jī)器人前的兩個(gè)光電傳感器，左右各一個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)識(shí)別避障功能。具體工作流程∶當(dāng)前面兩個(gè)傳感器只遮住下面一個(gè)（1號(hào)）時(shí)，開(kāi)始爬臺(tái)階；當(dāng)全部遮光時(shí)，后退或停止；當(dāng)左邊（3號(hào)）與前面的傳感器（1、2號(hào)）遮光時(shí)，右轉(zhuǎn)；當(dāng)右邊（4號(hào)）與前面的傳感器（1、2號(hào)）遮光時(shí)，左轉(zhuǎn)；當(dāng)傳感器全部遮光時(shí)后退，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別、避障功能。智能識(shí)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(shí)別模塊流程圖

4 結(jié)論

本項(xiàng)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(shí)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(dòng)滾子式拖把可實(shí)現(xiàn)與地面無(wú)縫接觸，借助光電傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障和樓梯的識(shí)別，實(shí)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(chǎng)、公園和會(huì)議廳等場(chǎng)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(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率；此外，該裝置兼?zhèn)涔に囆?、知識(shí)性、集成性，可以作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，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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