新型清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析

徐 斌，蔣克榮

合肥學(xué)院機(jī)械工程系，安徽合肥,230601

具有自主移動(dòng)與清潔功能的家用智能清潔機(jī)器人，融合了現(xiàn)代傳感器、自主定位、路徑規(guī)劃等機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，近年來(lái)成為研究的熱點(diǎn)[1]?？傮w來(lái)說(shuō)，智能清潔機(jī)器人存在兩方面的核心技術(shù)：清潔系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)。清潔系統(tǒng)是完成清潔作用的具體執(zhí)行部分，它決定了工作的效果和效率；導(dǎo)航系統(tǒng)決定它的智能化程度。其中清潔系統(tǒng)是清潔能力的關(guān)鍵。早期的清潔系統(tǒng)與吸塵器基本相同，甚至由于吸力不強(qiáng)還不如吸塵器；現(xiàn)在基本都是“滾動(dòng)毛刷+真空吸口”的形式，由滾動(dòng)毛刷揚(yáng)起垃圾與灰塵，然后由真空吸口吸入，有效提高了清掃能力。隨著技術(shù)的發(fā)展，又逐漸出現(xiàn)了同時(shí)具備清掃、擦地、拖地等功能的新型清潔系統(tǒng)[2]。各種清潔系統(tǒng)采用多種方法強(qiáng)化清潔能力，如用升降V型主刷清掃系統(tǒng)，根據(jù)不同地面環(huán)境，貼近地面清掃，深度清掃吸附在地面的灰塵和底邊間隙中的灰塵[3]；或者采用內(nèi)部無(wú)毛刷的雙膠刷結(jié)構(gòu)，零距離貼近地面旋轉(zhuǎn)，膠刷將頑固污物刮取和震碎后，配合真空氣流一并吸取灰塵、顆粒等[4]。

本文針對(duì)現(xiàn)有清潔機(jī)器人在清潔系統(tǒng)方面的不足，提出了基于螺旋運(yùn)動(dòng)的全新清潔模式，它具有更強(qiáng)的清潔能力以及人力替代效果；設(shè)計(jì)了相適應(yīng)的控制系統(tǒng)，并分析了其運(yùn)動(dòng)與位置跟蹤所特有的性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作模式

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

掃拖一體清潔機(jī)器人利用螺旋運(yùn)動(dòng)(或者螺旋傳送機(jī)構(gòu))的原理進(jìn)行工作，主要的核心部件是帶有螺紋形凸起的輥筒(PVA吸水海綿)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)掃拖功能?？傮w上它包括清潔裝置、翻轉(zhuǎn)裝置、清洗裝置、行走裝置和控制系統(tǒng)。清潔機(jī)器人通過(guò)行走電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行移動(dòng)，在行進(jìn)的同時(shí)由后置的直流電機(jī)通過(guò)同步帶帶動(dòng)螺旋形輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)清潔工作；工作一定時(shí)間后，輥筒由翻轉(zhuǎn)電機(jī)經(jīng)蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)至后側(cè)進(jìn)入清洗裝置內(nèi)進(jìn)行清洗、擠干，清潔完畢再由翻轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)回工作位置，由此完成一個(gè)工作循環(huán)?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制、軌跡跟蹤、避障等功能。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型掃拖一體清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

清潔裝置的結(jié)構(gòu)由拖地裝置和吸塵裝置組成。其中關(guān)鍵部件是螺旋形輥筒，如圖2所示。其核心部件為前端的螺旋形輥筒。當(dāng)輥筒與地面接觸時(shí)，受壓力而產(chǎn)生彈性變形，向一側(cè)偏轉(zhuǎn)并受擠壓，其與地面的接觸面為間隔的帶狀。當(dāng)輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，間隔的接觸帶會(huì)產(chǎn)生軸向的平移效果，最終能夠覆蓋整個(gè)橫向條狀區(qū)域。這種具有較大摩擦力的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)輥筒對(duì)地面的清潔工作，即拖地功能；同時(shí)螺旋運(yùn)動(dòng)能夠?qū)⒌孛婕?xì)碎的垃圾進(jìn)行橫向傳送至吸塵口處，由吸塵管道回收，實(shí)現(xiàn)清掃功能。

圖2 拖地裝置三維圖

翻轉(zhuǎn)裝置由蝸輪、蝸桿、轉(zhuǎn)軸、軸承、聯(lián)軸器和步進(jìn)電機(jī)等部分組成。蝸輪通過(guò)鍵和轉(zhuǎn)軸相連，轉(zhuǎn)軸通過(guò)兩端與軸承和機(jī)架相連。當(dāng)拖地結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿渦輪運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，使得拖地裝置翻轉(zhuǎn)，螺旋形輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)至水箱內(nèi)，完成了翻轉(zhuǎn)過(guò)程。

清洗裝置是由前后兩個(gè)水箱、擠壓桿、水泵等組成。當(dāng)螺旋形輥筒進(jìn)入水箱后，通過(guò)水泵在后水箱抽水到噴射口，結(jié)合與擠壓桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)清洗功能，當(dāng)清洗一定程度時(shí)，結(jié)束水泵工作，此時(shí)海綿在輥筒上依舊與擠壓桿接觸擠壓實(shí)現(xiàn)擠干功能。擠壓桿下部分為污水箱，污水通過(guò)過(guò)濾裝置后進(jìn)入清水箱，實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。

1.2 清潔能力受力分析

彈塑性螺紋受擠壓變形并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的情景，與螺旋傳送機(jī)構(gòu)相似，但又有不同，其受力更為復(fù)雜。當(dāng)螺紋在轉(zhuǎn)臂作用下與地面靜止接觸時(shí)，彈塑性材料(PVA吸水海綿)發(fā)生形變與地面存在正壓力FZ(圖3)；彈塑性材料發(fā)生形變時(shí)還存在與形變方向相反的回彈力。

圖3 受力示意圖

工作時(shí)輥筒帶動(dòng)螺紋旋轉(zhuǎn)，彈塑性材料與地面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并存在摩擦力(可以分解為沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向的力FX，和沿前進(jìn)方向的力FY)，該摩擦力的大小決定清潔效果，其值越大則效果越好。現(xiàn)有技術(shù)中，摩擦力主要分布在與地面接觸的工作平面上，即僅有FY，且限于整機(jī)重量和重力分布即正壓力有限，在同樣的摩擦系數(shù)下其值通常較小，導(dǎo)致清潔能力不足。新型螺旋結(jié)構(gòu)中提供了FX方向的摩擦力，增大了總摩擦力，且其正壓力FZ可由轉(zhuǎn)臂位置調(diào)節(jié)增大，以此顯著提高清潔能力。FX由行走輪與地面的摩擦力提供，不對(duì)前進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成負(fù)載，起到省力效果。

1.3 工作模式

螺旋形彈塑性材料在壓力下與地面接觸，產(chǎn)生彈性變形，其接觸部位呈帶狀分布，如圖4所示(陰影部分)。接觸帶在前進(jìn)方向上的長(zhǎng)度記為h，與輥筒軸線方向夾角為β，接觸帶的寬度與未接觸部分寬度分別為m,k。其中β、m、k、h四個(gè)參數(shù)取決于輥筒直徑、螺紋螺距、螺紋寬度以及彈性變形等因素。輥筒在電機(jī)通過(guò)帶輪驅(qū)動(dòng)下，接觸帶位置隨螺紋轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生變化，呈現(xiàn)沿著x軸方向的運(yùn)動(dòng)，標(biāo)記為vx，其值由螺紋的螺距(m+k)和輥筒轉(zhuǎn)速(n1轉(zhuǎn)/分鐘)決定。工作時(shí)清潔機(jī)器人前進(jìn)的速度為vy，其大小取決于驅(qū)動(dòng)輪的直徑(d)和轉(zhuǎn)速(n2轉(zhuǎn)/分鐘)。

圖4 運(yùn)動(dòng)分析示意圖

(1)

由此，形成接觸帶沿著合成速度v的方向運(yùn)動(dòng)。合成速度v的方向與前進(jìn)方向夾角的余角以α表示(圖4)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)關(guān)系有：

(2)

為了不產(chǎn)生面積遺漏，需要在輥筒轉(zhuǎn)速和機(jī)器人前進(jìn)速度之間形成一定約束：

h×cotα+h×cotβ≥k

(3)

當(dāng)滿足上述約束時(shí)，接觸帶能夠?qū)崿F(xiàn)全面覆蓋。進(jìn)一步整理可得驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與輥筒轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

(4)

此外有：

(5)

γ表示單位面積的地板進(jìn)行拖地的次數(shù)，其值應(yīng)該大于等于1，數(shù)值越大則清潔次數(shù)越多，效果越好。

2 受力及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

清潔機(jī)器人采用兩輪差速控制，兩驅(qū)動(dòng)輪設(shè)置靠前，由相同的兩個(gè)直流電機(jī)分別獨(dú)立控制，通過(guò)PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩驅(qū)動(dòng)輪的速度差，由編碼器采集旋轉(zhuǎn)角度。尾部設(shè)置兩個(gè)主要起支撐作用的萬(wàn)向輪。

如前所述，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因?yàn)榕c地面相互作用會(huì)產(chǎn)生沿輥筒軸向的推力F(如圖5)，其大小取決于輥筒轉(zhuǎn)速及其對(duì)地面的壓力。軸向力F會(huì)使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能發(fā)生明顯變化：根據(jù)受力分析，F(xiàn)平移至兩驅(qū)動(dòng)輪軸線后，等效于沿軸線的力F′和一個(gè)轉(zhuǎn)矩T，F(xiàn)′可由驅(qū)動(dòng)輪對(duì)地面的摩擦力相平衡；而轉(zhuǎn)矩T則會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)方向的偏轉(zhuǎn)。為精確導(dǎo)航，需要對(duì)其建立合適的運(yùn)動(dòng)控制模型。定義一個(gè)全局坐標(biāo)系XIOYI和機(jī)器人的移動(dòng)坐標(biāo)系XRMYR，如圖5所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)控制坐標(biāo)示意圖及受力分析圖

兩輪連線中點(diǎn)M的全局坐標(biāo)為(x,y),運(yùn)動(dòng)的方向用方向角θ表示,r為輪子的半徑，ω為輪子的角速度,d為兩驅(qū)動(dòng)輪的中心距。機(jī)器人的位姿可以表示為:

ξ=(x,y,θ)T

(6)

當(dāng)不考慮輪子的打滑時(shí)，左右輪的速度為：

vR=rωRvL=rωL

(7)

他們滿足如下運(yùn)動(dòng)關(guān)系[5](全局坐標(biāo)系)：

(8)

轉(zhuǎn)矩T對(duì)兩驅(qū)動(dòng)輪的影響，可以等效于兩驅(qū)動(dòng)輪發(fā)生方向相反的縱向打滑作用，其等效縱向滑動(dòng)的程度，以左右輪的滑動(dòng)率表示[6-7]

(9)

(10)

式(10)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型的正解，給出了在一定轉(zhuǎn)速和滑動(dòng)率下的位姿運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制時(shí)則需要針對(duì)給定的當(dāng)前位姿和目標(biāo)位姿求得驅(qū)動(dòng)輪的控制變量，即運(yùn)動(dòng)模型的逆解。根據(jù)實(shí)際分析，設(shè)iL=iR=i，上述方程的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá)式可以表述為：

(11)

式(11)是清潔機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制以及軌跡跟蹤的算法基礎(chǔ)。在實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)器人兩驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速可以由編碼器測(cè)得，而由于縱向打滑的作用他們相對(duì)于地面的線速度往往不容易測(cè)量，文獻(xiàn)[8-9]提到可以借助雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量，但無(wú)疑這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，難以應(yīng)用到清潔機(jī)器人方面。實(shí)際上對(duì)于室內(nèi)環(huán)境，機(jī)器人縱向打滑主要是由于轉(zhuǎn)矩T，在輥筒轉(zhuǎn)速和壓力一定的情況下，T的大小和方向基本不變，即滑動(dòng)率基本不變；在實(shí)際操作中，為了降低系統(tǒng)復(fù)雜度，滑動(dòng)率可由實(shí)際測(cè)量近似得到:在單位前進(jìn)距離上測(cè)量其縱向移動(dòng)距離，取其均值。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的處理器采用STM32F407ZET6，它屬于Cortex-M4構(gòu)架，相對(duì)于M3系列增加了浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)、單周期DSP指令等，能夠滿足導(dǎo)航算法中的大量浮點(diǎn)運(yùn)算需求。系統(tǒng)總體包含清潔系統(tǒng)、人機(jī)交互、導(dǎo)航與位置跟蹤，以及行走驅(qū)動(dòng)等四個(gè)模塊，如圖6所示。其中清潔系統(tǒng)模塊中轉(zhuǎn)臂由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠較精確地進(jìn)行轉(zhuǎn)角位置定位；輥筒轉(zhuǎn)速與行走驅(qū)動(dòng)模塊中的機(jī)器人行進(jìn)速度關(guān)系受式(4)約束。導(dǎo)航與位置跟蹤模塊，采用慣性導(dǎo)航，根據(jù)記憶建圖，按弓字形巡回；主要部件采用MPU6050模塊(三軸陀螺儀+三軸加速度計(jì))，它通過(guò)I2C總線與主控芯片通信；MPU6050采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解算得到位姿信息，然后與通過(guò)編碼器解算的位姿信息進(jìn)行擴(kuò)展卡爾曼濾波，以得到更準(zhǔn)確的位姿信息。

圖6 控制系統(tǒng)組成框圖

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有清潔機(jī)器人仍普遍存在著清潔效果不佳、人力介入較多等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型清潔機(jī)器人，提出基于螺旋運(yùn)動(dòng)的清潔系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)掃拖一體功能，針對(duì)機(jī)器人具有的特殊運(yùn)動(dòng)和受力模式，分析了其運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，給出了其運(yùn)動(dòng)約束條件及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；設(shè)計(jì)了相適應(yīng)的控制系統(tǒng)。分析與測(cè)試表明，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)其具有更佳的清潔能力和全周期工作能力；同時(shí)因工作原理不同，噪音得到顯著降低；具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。