桌面清潔機(jī)器人的慧魚模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張改萍 賀辛亥 白錦旗 賀小茸 徐紀(jì)寬 侯武成

1.西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 陜西西安 710048

2.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院 陜西西安 710048

通過調(diào)研，目前市場(chǎng)在售的清潔機(jī)器人主要用于地面清潔和窗戶清潔，如掃地機(jī)器人、拖地機(jī)器人、擦窗機(jī)器人等，對(duì)于桌面雜物清潔主要是針對(duì)粉塵狀或細(xì)碎狀雜物，采用吸塵器將雜物吸入，達(dá)到清潔效果。本課題針對(duì)常見桌面雜物如塑料袋、衛(wèi)生紙、果殼果皮等塊狀雜物以及液體污漬設(shè)計(jì)一款桌面清潔機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)桌面多種雜物的綜合清潔。

慧魚創(chuàng)意組合模型(Fischertechnik Model)是技術(shù)含量高的工程技術(shù)類拼裝模型，包含機(jī)械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、氣動(dòng)構(gòu)件、傳感器、控制器及軟件等，廣泛用于教學(xué)改革[1,2]及工程研究中，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及解決工程問題的能力[3]?；诨埕~模型設(shè)計(jì)拼搭機(jī)器人，模擬各種場(chǎng)合應(yīng)用，已受到了廣泛的關(guān)注，例如智能清潔機(jī)器人[4]、室內(nèi)高爾夫撿球機(jī)器人[5]、節(jié)能焊接機(jī)器人[6]、小型偵查機(jī)器人[7]、水果包裝機(jī)[8]等；此外對(duì)于樓道清潔機(jī)器人[9]及城市高空攀爬機(jī)器人[10]也有了初步探索發(fā)展。本課題以慧魚創(chuàng)意組合模型為平臺(tái)，利用標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)件，輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器及軟件，設(shè)計(jì)一款桌面雜物清潔機(jī)器人，為大型食堂、公共餐飲區(qū)、家庭等場(chǎng)所的桌面清潔自動(dòng)化裝備提供一種工業(yè)模型。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

桌面清潔機(jī)器人主要在桌面完成工作，存在墜落風(fēng)險(xiǎn)，因此，設(shè)計(jì)超聲波傳感檢測(cè)，運(yùn)行前檢測(cè)安全風(fēng)險(xiǎn)，判斷工作區(qū)域安全之后，機(jī)器人開始清潔工作，依次按照大雜物、小雜物、液體污漬的清潔順序完成桌面區(qū)域的清潔工作。

桌面清潔機(jī)器人實(shí)物模型如圖1所示，主要由大雜物清潔模塊、小雜物清潔模塊、液體污漬清潔模塊、防墜落及路徑規(guī)劃模塊等四大模塊組成，核心部件有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)械臂、清潔刷、清潔液噴灑管、海綿刷體、垃圾收集盒、控制板、傳感器等，實(shí)現(xiàn)桌面多種類型垃圾的清潔工作。

圖1 實(shí)物模型

1.1 行走機(jī)構(gòu)

桌面清潔機(jī)器人采用三輪設(shè)計(jì)，其尾部安裝有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)或差速轉(zhuǎn)動(dòng)，配合機(jī)器人前部的萬向輪，靈活完成轉(zhuǎn)向，便于雜物的聚集入籠，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 行走機(jī)構(gòu)

1.2 大雜物清潔模塊

因桌面雜物大小及性能不一，為防止大雜物、易纏繞物(如飲料盒、塑料袋等)纏繞到入籠刷上影響正常清潔工作，因此，特設(shè)計(jì)大雜物清潔模塊。大雜物由機(jī)器人前部的超聲波傳感器檢測(cè)識(shí)別，雜物高度超過30 mm，且距離雜物70 mm時(shí)，傳感器即識(shí)別出大雜物信號(hào)，清潔機(jī)器人停止前進(jìn)，機(jī)械臂啟動(dòng)，通過機(jī)械臂的抓取機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成清潔工作，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 大雜物清潔模塊

清潔時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿帶動(dòng)連桿實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的合攏張開，夾取大雜物，接著由氣缸推動(dòng)機(jī)械臂，然后轉(zhuǎn)向電機(jī)啟動(dòng)，通過蝸桿與機(jī)械臂底部的蝸輪嚙合，機(jī)械臂順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至垃圾盒上方，機(jī)械爪松開，將垃圾放入垃圾盒中，完成一次大雜物的收集，之后機(jī)械臂復(fù)位，機(jī)器人繼續(xù)行走。

1.3 小雜物清潔模塊

小雜物(如果殼果皮、紙屑等小型塊狀雜物等)清潔模塊主要由雜物聚集和雜物入籠兩個(gè)機(jī)構(gòu)組成。未檢測(cè)到大雜物或當(dāng)大雜物清潔之后，機(jī)器人前部的氣缸推動(dòng)兩側(cè)雜物聚集刷向下運(yùn)動(dòng)，之后，聚集刷向中間旋轉(zhuǎn)，將雜物清掃至底部中間，配合兩側(cè)喇叭狀擋板將垃圾聚集，之后電機(jī)通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)入籠刷旋轉(zhuǎn)，配合底部入籠鏟將聚集的雜物掃入底部垃圾盒，完成小雜物的清潔，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 小雜物清潔模塊

1.4 液體污漬清潔模塊

針對(duì)桌面油漬、奶漬、飲料等液體污漬，在塊體雜物清潔之后，設(shè)計(jì)液體污漬清潔模塊(如圖5所示)。此模塊主要由清潔液噴灑和污漬清潔兩部分組成。清潔液噴灑部分由清潔液容納盒、水泵、清潔液噴灑管等組成，清潔液容納盒放置于機(jī)器人的尾部，清潔液經(jīng)水泵抽取、加壓，最后從清潔液噴管上均勻噴灑到桌面，同時(shí)污漬清潔部分的海綿刷體經(jīng)鏈傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)，反復(fù)擦拭，清潔桌面，并帶走多余清潔液。

圖5 液體污漬清潔模塊

1.5 防墜落及路徑規(guī)劃模塊

清潔過程中，機(jī)器人通過步進(jìn)電機(jī)，保證清潔路徑的準(zhǔn)確性。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)桌面邊緣時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)向桌面內(nèi)側(cè)避讓，同時(shí)配合機(jī)器人尾部的傳感器，控制機(jī)器人在避讓邊緣轉(zhuǎn)向后，其運(yùn)動(dòng)方向仍保持與桌面平行或垂直。轉(zhuǎn)向過程中控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，當(dāng)再次到達(dá)桌面邊緣時(shí)完成一次U型路徑的清潔任務(wù)，其整體路徑規(guī)劃如圖6所示，往復(fù)運(yùn)動(dòng)直至將整個(gè)桌面清潔干凈。

圖6 路徑規(guī)劃圖

2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.1 主程序

基于慧魚模型，利用ROBO Pro軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)快速、高效、安全、可靠的清潔過程，設(shè)計(jì)過程所選用元件名稱及功能詳見表1，主程序圖如圖7所示。

表1 元件名稱及相應(yīng)功能

圖7 主程序流程圖

2.2 清潔子程序

步進(jìn)電機(jī)M1，M2啟動(dòng)，I1，I5傳感器檢測(cè)所處位置是否安全，若不安全，機(jī)器人初步調(diào)整方向到達(dá)安全位置，并調(diào)整路徑方向，開始執(zhí)行清潔子程序“QL”。

在I2傳感器未識(shí)別到大雜物情況下，機(jī)器人執(zhí)行小雜物清潔程序和液體污漬清潔程序。首先M1(EM1)電機(jī)帶動(dòng)聚集刷將垃圾聚集到機(jī)器人底部，M2(EM1)電機(jī)帶動(dòng)入籠刷配合入籠鏟將雜物掃入底部垃圾盒內(nèi)，同時(shí)液體污漬清潔模塊將機(jī)器人經(jīng)過的區(qū)域擦拭干凈，清潔(QL)子程序流程圖如圖8所示。

圖8 清潔(QL)子程序流程圖

2.3 大雜物清潔子程序

當(dāng)I2傳感器識(shí)別到大雜物時(shí)，機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，開始執(zhí)行大雜物清潔子程序“grip”。

檢測(cè)到大雜物后，機(jī)械臂放下，M4抓手電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，抓手合攏夾取大雜物，03(EM1)氣泵啟動(dòng)推動(dòng)氣缸使機(jī)械臂抬起，M3電機(jī)啟動(dòng)，機(jī)械臂開始順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)垃圾盒上方位置后機(jī)械臂放下，M4抓手電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，爪子張開，將垃圾放入垃圾盒，然后機(jī)械臂復(fù)位，機(jī)器人繼續(xù)按既定路徑清潔桌面，大雜物清潔子程序流程圖如圖9所示。

圖9 大雜物清潔子程序流程圖

2.4 防墜落及路徑規(guī)劃程序

防墜落及路徑規(guī)劃主要由I1，I5，I6，I7四個(gè)傳感器配合完成，分別安裝于機(jī)器人的四角。I1，I5安裝在前部；I6，I7安裝在尾部；I1，I7安裝在機(jī)器人的左側(cè)；I5，I6安裝在機(jī)器人的右側(cè)。當(dāng)機(jī)器人左側(cè)靠近桌面邊緣時(shí)，I1傳感器防墜落，I1，I7配合實(shí)現(xiàn)軌跡調(diào)整；當(dāng)機(jī)器人右側(cè)靠近桌面邊緣時(shí)，I5傳感器防墜落，I5，I6配合實(shí)現(xiàn)軌跡調(diào)整。

機(jī)器人每次經(jīng)過桌面邊緣時(shí)，首先執(zhí)行防墜落程序，初步調(diào)整方向，但整體路徑的準(zhǔn)確性不能保證，故而在防墜落程序之后立即執(zhí)行軌跡調(diào)整程序。

以機(jī)器人右轉(zhuǎn)向即機(jī)器人左側(cè)靠近桌面邊緣時(shí)為例。軌跡調(diào)整程序主要由兩個(gè)傳感器協(xié)同完成，傳感器一前一后安裝在機(jī)器人的一側(cè)，且距離桌面有一定高度，防墜落傳感器I1適當(dāng)往外伸出(提前檢測(cè)是否到達(dá)桌面邊緣)，傳感器I7也需適當(dāng)伸出，與I1傳感器在一條直線上。只要防墜落傳感器I1超出桌面范圍，測(cè)量數(shù)據(jù)即刻突變?yōu)檫h(yuǎn)大于設(shè)定的閾值10(根據(jù)傳感器安裝的位置，初設(shè)傳感器距離桌面的高度閾值為10)，機(jī)器人便會(huì)向偏桌面內(nèi)側(cè)，即右轉(zhuǎn)向。

右轉(zhuǎn)向后，如果軌跡不正確，傳感器I7會(huì)超出桌面，測(cè)量數(shù)據(jù)就會(huì)遠(yuǎn)大于設(shè)定的閾值10。如果I1＞10，機(jī)器人右轉(zhuǎn)向防墜落的同時(shí)調(diào)整軌跡；如果I7＞10，機(jī)器人左轉(zhuǎn)向調(diào)整軌跡；如果I7≤10，機(jī)器人路徑調(diào)整完成，繼續(xù)按既定路徑清潔雜物。左轉(zhuǎn)向軌跡調(diào)整與右轉(zhuǎn)向軌跡調(diào)整程序原理相同。右轉(zhuǎn)向避落軌跡調(diào)整流程圖如圖10所示，原理圖如圖11所示。

圖10 軌跡調(diào)整流程圖

圖11 軌跡調(diào)整原理圖

3 結(jié)語

基于慧魚模型，本文設(shè)計(jì)的清潔機(jī)器人順利完成對(duì)桌面各種類型雜物的清潔過程的模擬，自動(dòng)化程度較高，功能較完善，可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和企業(yè)示范展示，其設(shè)計(jì)方案和理念對(duì)實(shí)際工業(yè)桌面清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造具有一定的借鑒指導(dǎo)意義。

此外，通過此款慧魚模型清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)，學(xué)生完成了從理論到實(shí)踐的跨越，將二者緊密結(jié)合，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生自主創(chuàng)新意識(shí)和解決問題的工程能力。