家用樓梯全方位移動(dòng)清潔機(jī)器人的研究

劉振鵬+劉陸軍+鐘力+趙文哲

上海電機(jī)學(xué)院

【摘 要】針對(duì)家庭復(fù)式樓梯的清潔問題，研制了一款輕便、小巧且能夠在樓梯上全方位移動(dòng)的自動(dòng)清理機(jī)器人，對(duì)該機(jī)器人的設(shè)計(jì)、應(yīng)用中的問題進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】家庭復(fù)式樓梯；清掃機(jī)器人；爬梯機(jī)構(gòu)

近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。其中家庭服務(wù)機(jī)器人開辟了應(yīng)用的新領(lǐng)域，帶動(dòng)了家庭機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動(dòng)行走機(jī)器人技術(shù)、傳感器技術(shù)和控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。目前用于室內(nèi)清潔的機(jī)器人只能實(shí)現(xiàn)地板的清掃，以及在這個(gè)功能基礎(chǔ)上的智能化，而專門為家庭復(fù)式樓梯清理而設(shè)計(jì)的機(jī)器人很少涉及。為此設(shè)計(jì)了一款輕便、小巧，且能夠在樓梯上實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)的自動(dòng)清潔機(jī)器人。該機(jī)器人將攀爬技術(shù)、全方位移動(dòng)技術(shù)和清潔吸塵技術(shù)巧妙的融合起來，實(shí)現(xiàn)了家庭復(fù)式樓梯的攀爬和全方位清潔，可替代傳統(tǒng)的人工清潔樓梯的工作。該機(jī)器人主要包含升降、移動(dòng)、避障、清掃等機(jī)構(gòu)，應(yīng)用后將降低了人們的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了工作效率，應(yīng)用前景廣闊。

1.清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

家用樓梯全方位移動(dòng)清潔機(jī)器人主要有升降部分、伸縮部分、清掃部分以及控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

2.家用樓梯全方位移動(dòng)清潔機(jī)器人的主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

舉升部分選用叉形機(jī)構(gòu)，使用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)上平臺(tái)升降，升降部分實(shí)現(xiàn)清潔小車在各層樓梯上的攀爬，如圖2所示。升降機(jī)構(gòu)外形更矮，采用硬度高，質(zhì)量輕的合金，降低舉升機(jī)構(gòu)的自重，承載能力大和通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源。舉升機(jī)構(gòu)的兩個(gè)支撐臂處采用齒輪嚙合，使整個(gè)機(jī)構(gòu)更加穩(wěn)定。清掃頭靠懸掛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)懸掛且與舉升機(jī)構(gòu)和滑塊系統(tǒng)連接，其中滑塊與絲杠配合并由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)滑塊帶動(dòng)清掃頭水平的移動(dòng)。

2.2 移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)移動(dòng)機(jī)構(gòu)通過四個(gè)小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)麥克納姆輪實(shí)現(xiàn)在樓梯平面上全方位的移動(dòng)，保證清掃無死角。移動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示。這種全方位移動(dòng)方式是基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個(gè)機(jī)輪法相力上面。依靠各自機(jī)輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個(gè)合力矢量從而保證了這個(gè)平臺(tái)在最終的合力矢量的方向上能自由地移動(dòng)，而不改變機(jī)輪自身的方向。機(jī)器人設(shè)精細(xì)防撞防摔感應(yīng)，利用傳感器檢測(cè)樓梯的高度與及寬度，當(dāng)小車接近墻壁或者鏤空的階梯時(shí)能夠自動(dòng)識(shí)別并避開，保證小車的安全工作，還避免了樓梯及墻壁的劃痕損壞。

2.3清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

清掃機(jī)構(gòu)利用在移動(dòng)平臺(tái)安裝的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的清掃頭實(shí)現(xiàn)在樓梯面上任意方向的運(yùn)動(dòng)，并將垃圾掃到機(jī)器底部的儲(chǔ)塵室，如圖3所示。為使清潔更加安全有效，在車身前后還各設(shè)置兩個(gè)掃刷，十字形的吸塵口使垃圾被有效的吸入。垃圾收集機(jī)構(gòu)利用負(fù)壓的原理，將掃入小車底部的垃圾收集到小車內(nèi)部的收集箱，收集箱內(nèi)設(shè)有濾網(wǎng)和濾塵網(wǎng)，分別用來過濾大顆粒垃圾和灰塵，最后經(jīng)過凈化的空氣由小車后部的排氣口排出。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)。電機(jī)的控制采用基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)?；趥鞲衅骷夹g(shù)的識(shí)別裝置主要利用超聲波傳感器和紅外傳感器。利用傳感器實(shí)現(xiàn)了躲避5厘米以上落差、防止機(jī)身跌落的功能，以及推斷行走距離的功能。

3.家用樓梯全方位移動(dòng)清潔機(jī)器人的工作過程

在進(jìn)行攀爬樓梯任務(wù)時(shí)，由于要將機(jī)器推送到正確樓梯高度，因此本裝置通過傳感器Ⅶ感應(yīng)樓梯的高度，然后控制電機(jī)I1啟動(dòng)，通過舉升機(jī)構(gòu)Ⅰ將機(jī)器推送到達(dá)正確高度。同時(shí)為了防止移動(dòng)滑塊Ⅲ將清潔小車推送置于臺(tái)階上的過程中，因小車的前移使得重心偏移導(dǎo)致機(jī)械裝置傾斜得問題，該裝置用距離傳感器檢測(cè)，當(dāng)機(jī)器前部與樓梯壁在一定距離以內(nèi)時(shí)，小車停止移并啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，將清潔小車準(zhǔn)確的推送置于臺(tái)階上。

通過四個(gè)直流編碼電機(jī)Ⅳ提供動(dòng)力，進(jìn)行行走，利用四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的麥克納姆輪Ⅷ，可以通過調(diào)節(jié)電機(jī)Ⅳ轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)小車在樓梯平面上做任意方向的運(yùn)動(dòng)，并且實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑的移動(dòng)。通過車身上四個(gè)方向的傳感器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的連接，避開樓梯懸崖，使得機(jī)器可在樓梯上自由行走而不會(huì)掉落。通過掃刷1以適當(dāng)?shù)乃俣刃D(zhuǎn)，將垃圾掃至機(jī)器底部。將吸塵口2設(shè)計(jì)成十字形，可使吸力更集中，并且吸收面積更大，使垃圾灰塵經(jīng)過吸塵口更容易被吸走；集塵風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1.25萬轉(zhuǎn)/分鐘，可發(fā)揮強(qiáng)大吸力；垃圾雜物通過濾網(wǎng)滯留在垃圾收集箱內(nèi)，空氣經(jīng)過濾塵網(wǎng)凈化后，由機(jī)體尾部排出，有效的過濾各種垃圾，避免二次污染。

參考文獻(xiàn)：

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[3]徐德，鄒偉著.室內(nèi)移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人的感知、定位與控制[M].北京：科技出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：

劉振鵬：男，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)本科生。

劉陸軍：男，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)本科生。

鐘力：女，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院副教授。

趙文哲：男，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)本科生。

基金項(xiàng)目：

上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目A1-5701-16-011-03-28。