基于無線網(wǎng)絡(luò)的移動式桌面自動清潔機(jī)器人的設(shè)計

鐘鵬程

（中國礦業(yè)大學(xué)孫越崎學(xué)院，江蘇徐州221116）

0 引言

目前掃地機(jī)器人和壁面清潔機(jī)器人已得到較為廣泛的研究和應(yīng)用[1-2]，但桌面清潔機(jī)器人的研究和應(yīng)用還較少。在企業(yè)和學(xué)校中，餐桌的清潔一般都需要服務(wù)員人工收拾碗筷，尤其是在用餐高峰期間，就餐的人流量通常都很大，因此需要大量服務(wù)員進(jìn)行桌面清潔，甚至在此過程中還會打碎碗碟，嚴(yán)重影響了工作效率，勞動強(qiáng)度大，清潔質(zhì)量難以保證，同時還增加了人工成本[3]。

針對上述存在的問題，本文提出了一套基于無線網(wǎng)絡(luò)的、適合企業(yè)和學(xué)校的移動式桌面自動清潔機(jī)器人解決方案，完成了機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟硬件設(shè)計，清潔機(jī)器人自動完成行走、避障、定位、清潔等工作[4-5]，并實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的多個清潔機(jī)器人協(xié)同管理，具有使用方便、自動化程度高、便于管理等特點(diǎn)。

1 基于網(wǎng)絡(luò)的移動式桌面自動清潔機(jī)器人總體方案

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已深入到日常生活的方方面面，無線局域網(wǎng)也已得到廣泛的應(yīng)用。本文針對企業(yè)和學(xué)校餐廳的無線網(wǎng)，提出了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的移動式桌面自動清潔機(jī)器人總體方案，如圖1所示。整個系統(tǒng)主要由主控計算機(jī)和多個移動式清潔機(jī)器人組成，并通過無線網(wǎng)絡(luò)連接起來。

圖1 清潔機(jī)器人系統(tǒng)總體方案

主控計算機(jī)主要包括視覺系統(tǒng)、路徑規(guī)劃和協(xié)同管理模塊。視覺系統(tǒng)模塊負(fù)責(zé)整個餐廳的監(jiān)控并識別待清潔的餐桌及其位置；路徑規(guī)劃模塊負(fù)責(zé)制定清潔機(jī)器人的移動路線并引導(dǎo)至待清潔的餐桌旁；協(xié)同管理模塊完成多個清潔機(jī)器人的分工管理，提高清潔機(jī)器人系統(tǒng)的整體工作效率，減少移動距離。

移動式清潔機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、移動裝置、清掃裝置、網(wǎng)絡(luò)模塊、定位模塊和控制模塊等組成。網(wǎng)絡(luò)模塊主要完成無線網(wǎng)絡(luò)的連接和信息傳遞；定位模塊的作用是確保清潔機(jī)器人準(zhǔn)確到達(dá)餐桌的指定位置，保證最佳的清掃效果；控制模塊主要完成清潔機(jī)器人的移動和清掃過程。

2 清潔機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

清潔機(jī)器人本體主要包括行走裝置、支撐裝置、加水裝置、調(diào)節(jié)裝置、抓取裝置、清洗裝置和輔助裝置等部分，如圖2所示。

行走裝置主要包括底盤、萬向輪、驅(qū)動輪、步進(jìn)電機(jī)；支撐裝置主要包括立柱、電機(jī)、支撐架；加水裝置主要包括儲水箱、抽水泵、加熱器、橡膠管，以及收納箱、旋轉(zhuǎn)盤等輔助裝置。

調(diào)節(jié)裝置包括升降平臺、步進(jìn)電機(jī)Ⅰ、步進(jìn)電機(jī)Ⅱ、絲杠、滑杠和限位板，用于控制抓取裝置和清洗裝置在調(diào)節(jié)裝置上的移動。抓取裝置包括抓取架、電機(jī)Ⅰ、電機(jī)Ⅱ、真空吸盤、轉(zhuǎn)換桿、滑軌、連桿、抓手和旋轉(zhuǎn)桿，用于抓取桌面上的筷子和碗碟。清洗裝置包括機(jī)架、噴霧器、清洗刷、電機(jī)Ⅲ、小型吸塵器、污物收集箱和烘干器，完成桌面的清潔和烘干。

收納箱和電池分別固定在底盤兩端，立柱通過旋轉(zhuǎn)盤安裝在底盤中央，旋轉(zhuǎn)盤一側(cè)分別固定儲水箱、抽水泵和控制箱，清洗裝置通過橡膠管依次與加熱器、抽水泵和儲水箱連接，電機(jī)固定在立柱頂部，采集信號的攝像頭通過支撐架安裝在電機(jī)輸出軸上，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動，控制攝像頭的空間位姿，抓取裝置和清洗裝置分別通過調(diào)節(jié)裝置安裝在立柱兩側(cè)。

2.2 工作原理

清潔機(jī)器人系統(tǒng)工作時，主控計算機(jī)通過視覺系統(tǒng)監(jiān)控各個餐桌的使用情況，當(dāng)檢測到顧客離開餐桌后，協(xié)同管理模塊指定離該餐桌最近的清潔機(jī)器人工作，按照路徑規(guī)劃模塊制定的行走路線，清潔機(jī)器人根據(jù)控制箱內(nèi)的導(dǎo)航與定位裝置并通過行走裝置，將清潔機(jī)器人自動導(dǎo)引到餐桌旁。

清潔機(jī)器人通過控制箱操控旋轉(zhuǎn)盤和調(diào)節(jié)裝置，使抓取裝置移動到適合抓取桌面筷子和餐具的位置，電機(jī)帶動支撐架上的攝像頭轉(zhuǎn)動到適合采集桌面信息的姿態(tài)；通過電機(jī)Ⅱ帶動旋轉(zhuǎn)桿的轉(zhuǎn)動，控制安裝在滑軌上抓手的閉合，實現(xiàn)對桌面筷子的抓取，通過電機(jī)Ⅰ控制轉(zhuǎn)換桿的轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)換桿具有真空吸盤的一端轉(zhuǎn)換到工作位置，實現(xiàn)對桌面碗碟的拾取，然后抓取裝置在調(diào)節(jié)裝置和旋轉(zhuǎn)盤的綜合作用下，把抓取裝置上的筷子和碗碟依次放入收納箱的前端和后端。

圖2 清潔機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)示意圖1—舵機(jī) 2—抓取裝置 2-1—旋轉(zhuǎn)桿 2-2—連桿 2-3—抓手 2-4—滑軌 2-5—舵機(jī)Ⅰ2-6—真空吸盤 2-7—轉(zhuǎn)換桿 2-8—抓取架 2-9—舵機(jī)Ⅱ 3—立柱 4—收納箱5—底盤 6—萬向輪 7—旋轉(zhuǎn)盤 8—加熱器 9—控制箱 10—驅(qū)動輪 11—步進(jìn)電機(jī)12—電池 13—抽水泵 14—儲水箱 15—橡膠管 16—調(diào)節(jié)裝置 16-1—限位板16-2—步進(jìn)電機(jī)Ⅱ 16-3—絲杠 16-4—步進(jìn)電機(jī)Ⅰ 16-5—升降平臺 16-6—滑杠17—清洗裝置 17-1—烘干器 17-2—污物收集箱 17-3—舵機(jī)Ⅲ 17-4—噴霧器17-5—清洗刷 17-6—小型吸塵器 17-7—機(jī)架 18—支撐架 19—攝像頭

當(dāng)桌面餐具清理完畢后，清洗裝置在調(diào)節(jié)裝置和旋轉(zhuǎn)盤的混合作用下移動到桌面進(jìn)行清潔工作，儲水箱中的洗滌液經(jīng)過抽水泵和加熱器由橡膠管傳遞到清洗裝置中的噴霧器，由噴霧器對桌面進(jìn)行噴灑洗滌液，電機(jī)Ⅲ帶動清洗刷對桌面污漬進(jìn)行清洗，由小型吸塵器把桌面的污漬回收進(jìn)污物收集箱中，由烘干器將濕潤的桌面烘干。

清潔機(jī)器人完成當(dāng)前任務(wù)后，自動移動到指定位置，等待下一次桌面清潔任務(wù)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

移動式桌面自動清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)主要包括主控制器、步進(jìn)電機(jī)控制、光電循跡、導(dǎo)航定位、避障控制、直流電機(jī)控制、視覺處理、無線網(wǎng)絡(luò)和LCD顯示控制等模塊，如圖3所示。主控制器通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊與上位機(jī)交流，實現(xiàn)清潔機(jī)器人的總體管理。

圖3 系統(tǒng)硬件組成

針對清潔機(jī)器人需要多開關(guān)量輸入輸出控制，且數(shù)據(jù)處理量較多的情況，本文選用STM32F407ZET6作為主控制器。STM32F407ZET6具有功能強(qiáng)大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間大，完全能夠滿足傳感器、視頻處理、電機(jī)和舵機(jī)控制等輸入輸出設(shè)計要求。

主控制器電路圖主要由系統(tǒng)時鐘電路、實時時鐘電路、JTAG調(diào)試接口電路、復(fù)位電路和啟動模式選擇電路組成；直流電機(jī)驅(qū)動模塊采用LM293N作為驅(qū)動元件；光電循跡模塊采用紅外探測法實現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人的循跡和定位；避障控制模塊采用了超聲避障原理；步進(jìn)電機(jī)采用PID控制原理。

3.2 軟件設(shè)計

當(dāng)主控制器接到啟動命令后，清潔機(jī)器人按照規(guī)劃的行走路徑到達(dá)指定的餐桌，導(dǎo)航定位模塊實現(xiàn)機(jī)器人與桌面的準(zhǔn)確定位，開始清潔桌面，移動式桌面自動清潔機(jī)器人的主程序流程圖如圖4所示。

圖4 移動式桌面自動清潔機(jī)器人主程序流程圖

打開電源開關(guān)后，清潔機(jī)器人啟動，進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)主控制器通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊得到工作指令和規(guī)劃路徑后，控制直流電機(jī)啟動，在光電循跡模塊的引導(dǎo)下，清潔機(jī)器人按照指定路徑到達(dá)待清潔餐桌旁；在行走過程中，避障控制模塊引導(dǎo)機(jī)器人避開行人等障礙物，并返回指定路徑繼續(xù)行走；當(dāng)?shù)竭_(dá)待清潔餐桌旁時，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動相關(guān)機(jī)構(gòu)開始清理桌面，在視覺系統(tǒng)的輔助下，完成桌面的清潔，并等待下一次工作指令。

本文在STM32集成開發(fā)環(huán)境Keil 4下，根據(jù)程序設(shè)計流程圖，編寫了相應(yīng)的控制程序，并進(jìn)行了軟件調(diào)試，實現(xiàn)了基于無線網(wǎng)絡(luò)的多機(jī)器人協(xié)同管理和桌面的自動清潔。

4 結(jié)語

本文根據(jù)企業(yè)和學(xué)校餐廳的用餐特點(diǎn)，制定了詳細(xì)的基于網(wǎng)絡(luò)的移動式桌面自動清潔機(jī)器人總體解決方案，采用主控計算機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃和協(xié)同管理，并將任務(wù)和規(guī)劃路徑通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到指定清潔機(jī)器人；機(jī)器人接到相關(guān)指令后，自動到達(dá)指定餐桌并完成桌面的自動清潔，有效地提高了工作效率，降低了人工成本。