室外智能掃地機器人優(yōu)化設(shè)計

劉建宏，王其偲，王旭

（1.電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都 611731；2.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

隨著人們生活水平的提高，對室外環(huán)境的要求增高，傳統(tǒng)的人工清掃方式必然會被智能機器人的普及應(yīng)用代替。就目前而言，室內(nèi)家用掃地機器人的應(yīng)用日趨廣泛。而對于室外智能掃地機器人的設(shè)計和應(yīng)用相對偏少。從現(xiàn)有的研究成果來看，室外掃地機器人的主要技術(shù)包括是采用激光雷達(dá)、超聲波以及高精度GPS等進行導(dǎo)航和避開障礙。同時，近年來在高校和智能制造企業(yè)的室外掃地機器人研究中，也取得了一些的成果。例如，文獻(xiàn)[1]開發(fā)了室外掃地機器移動平臺；文獻(xiàn)[2]開展了掃地機器人室外在清潔能力測試的工作，從角落清掃、避障以及翻越樓梯等方面均取得了良好的效果。從上述二者的研究情況來看，室外掃地機器人的運行主要是需要解決大型障礙物的避障和翻越樓梯的問題。因此，在本課題關(guān)于室外掃地機器人的研究中，擬采取文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)論，即利用電視攝像管和超聲波技術(shù)來迅速避開大型障礙物，同時，利用履帶和車輪的交替工作實現(xiàn)翻越樓梯。

1 室外掃地機器人設(shè)計思路

1.1 超聲波和電視自動識別技術(shù)的確定

目前，掃地機器人以室內(nèi)小型掃地機器人為主。機器人在運行中的方位探測是采用超聲波和紅外線相結(jié)合的形式，該方式能達(dá)到自動檢測房間布局、自動規(guī)劃路徑、記憶路線以及語言功能等。對于室外而言，由于存在布局不規(guī)則性、工作場所和路徑的不確定性等問題。故超聲波和紅外線相結(jié)合的形式不能滿足室外掃地機器人的環(huán)境布局檢測、路徑規(guī)劃等性能。而解決這些問題的關(guān)鍵，在于精確的圖像識別，故將傳統(tǒng)掃地機器人的超聲波形式與電視攝像管技術(shù)相結(jié)合，能夠有效解決上述問題，因此，本文擬才選擇超聲波和電視自動識別技術(shù)相結(jié)合的模式。

1.2 電視自動識別技術(shù)原理

在掃地機器人的設(shè)計中，電視自動識別系統(tǒng)的功能是來追蹤目標(biāo)，并實現(xiàn)對目標(biāo)的大小、位置以及機器人本體與目標(biāo)之間的路徑判斷。該系統(tǒng)的主要部件為電視攝像機。電視攝像機則由光學(xué)系統(tǒng)、電視攝像管及其掃描電路、誤差信號形成電路和攝像機跟蹤伺服系統(tǒng)等組成。

電視攝像機對前方及背景所成的光影像是利用電子束進行逐行掃描而形成電信號。電視攝像機對目標(biāo)的跟蹤和雷達(dá)對目標(biāo)的識別很類似，是利用跟蹤波門來實現(xiàn)識別的。圖1(a)為攝像管的光電元件上顯示電子束掃描的情況，十字線中央是前方的影像，小方框為波門的位置。當(dāng)電子束進行逐行掃描時，在每行起始點有一個同步脈沖。當(dāng)背景比較干凈，電子束在一行掃描過程中未遇到大型物體影像時，將不輸出信號，掃地機器人將沿著既定方向繼續(xù)運轉(zhuǎn)；當(dāng)遭遇物體時就會輸出電信號，經(jīng)過目標(biāo)影像區(qū)的幾行掃描后，綜合的目標(biāo)信號相對同步脈沖如圖1(b)所示。目標(biāo)信號相對同步脈沖的位置反映了目標(biāo)影像在光電元件上的左右位置。產(chǎn)生的電信號將驅(qū)使掃地機器人做出偏轉(zhuǎn)以實現(xiàn)避讓。這實現(xiàn)了將前方的圖像以電子束掃描的形式讓機器人做出有效識別。

圖1 電視攝像機的跟蹤原理示意圖

掃地機器人上的電視攝像機的攝像管要求靈敏度高、構(gòu)造簡單、尺寸小。目前，一般采用光電導(dǎo)型攝像管。且機器人上的光學(xué)系統(tǒng)一般要求能夠自動調(diào)節(jié)焦距。在障礙物較遠(yuǎn)時，要求焦距大；在障礙物較近時，希望焦距變小。因為當(dāng)障礙物較遠(yuǎn)而焦距小，前方障礙物通過光學(xué)系統(tǒng)在攝像管的靶面上成的像很小，當(dāng)攝像機的電子束作掃描時可能會漏掉檢測。

但是，圖像沒有距離感，當(dāng)前面出現(xiàn)障礙物，何時選擇避開，應(yīng)該考慮進去。所以，結(jié)合現(xiàn)存已知超聲波回聲定位原理。主要是進行仿生，通過機器人系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的超聲波發(fā)射出去，利用折回的聲音定向。這樣圖像就能更全面，能夠感知物體的距離和大小，然后，做出有效的避讓。

1.3 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

傳統(tǒng)的掃地機器人，只能在開闊的場所工作，而角落仍然需要人工處理。為了解決這個問題以實現(xiàn)掃地機器人完全自動化，拖把處增添了如圖2所示交替運轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)。當(dāng)超聲波檢測出有一層障礙物時，結(jié)合探測系統(tǒng)掃描得到的信號，將其作用到電機，使圓柱偏轉(zhuǎn)180°。其中，拖把只能進行前向平移，縱向由于機械結(jié)構(gòu)鎖死，拖把前向平移到一定的位置，推動連接結(jié)構(gòu)中的推桿，考慮到拖把移動距離遠(yuǎn)大于吸塵器的上升距離，所以連接結(jié)構(gòu)采用不密封結(jié)構(gòu)，并且連接結(jié)構(gòu)的長度應(yīng)大于拖把移動距離。使拖把推桿直接作用到與吸塵器連接到一起如圖2的液壓機構(gòu)，才能實現(xiàn)力的傳遞，通過兩缸首尾串聯(lián)，兩液壓缸具有兩個相同的有效面積A，所以兩桿同步運動，推動豎直液壓缸推桿向上運動，使吸塵器向上運動，防止拖把向前運動撞上吸塵器。完成拖地清掃工作后，電機再次旋轉(zhuǎn)180°回到之前位置，兩液壓缸往返回到初始狀態(tài)，與之相連接的拖把和吸塵器隨著回到最初位置，以實現(xiàn)對角落的清掃。

圖2 交替運轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)

2 掃地機器人的工作方式設(shè)計

2.1 履帶與車輪交替的工作方式

室外掃地機器人在戶外工作時，必須考慮兩方面情況。一是電視攝像機掃描出前方無障礙物，而實踐是存在下坡的情形，如果機器人判定前面沒有障礙而采取直行，勢必會造成機器人底部和樓梯面直接相撞引起損壞；二是電視攝像機掃描出前方為大型物體，而結(jié)合超聲波系統(tǒng)的檢測，系統(tǒng)判定為層數(shù)（>1）障礙物時，該如何實現(xiàn)爬樓上坡。為了解決前者的問題，考慮將履帶作為輔助爬樓工具，可以達(dá)到下樓時的平穩(wěn)行進，這使得整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和耐用性都有了保障。而針對爬樓的問題，采用履帶與車輪交替工作的方式。用履帶攀爬樓梯，實現(xiàn)履帶與車輪之間的交替工作。

為了實現(xiàn)這一功用，我們采用一種齒輪和齒條配合工作的傳動結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在異步電機的驅(qū)動下，齒輪的運動可以分為正行程和反行程：正行程為齒輪順時針正轉(zhuǎn)360°，然后逆時針反轉(zhuǎn)360°，如此往復(fù)，就可以完成正反程的周期性運動。齒輪的正行程和反行程都會讓位處左右兩端，固定在滑道上的齒條以相反的方向直線運動。

該傳動裝置所用到的模數(shù)m1=1.25，齒數(shù)z1=50，其分布圓直徑d1=m1·z1=62.5mm。為了保證齒輪和齒條可以正確嚙合。根據(jù)漸開線齒輪正確嚙合的條件：模數(shù)m1=m2=m和壓力角a1=a2=a（這里可以把齒條看作分度圓半徑無窮大的漸開線直齒輪），所以齒條的模數(shù)m2=1.25。

履帶、車輪和傳動機構(gòu)的位置排布如圖4所示。當(dāng)掃地機器人內(nèi)部電視識別系統(tǒng)判定存在樓梯類障礙物時，傳動機構(gòu)將運作并正轉(zhuǎn)360°，放下履帶并往上提起車輪。而當(dāng)履帶爬完樓梯后前方再無障礙物，機器人內(nèi)部探測到電機反轉(zhuǎn)360°，收回履帶并放下車輪，使掃地機器人回到正常工作狀態(tài)，掃地機器人繼續(xù)前進。

圖3 齒輪齒條傳動機構(gòu)裝配圖

圖4 履帶、車輪和傳動機構(gòu)的排布簡圖

2.2 掃地機器人的強度校核

為了檢驗整個室外掃地機器人結(jié)構(gòu)強度，以期完成預(yù)想的功用，筆者著重對齒輪齒條傳動裝置進行相應(yīng)的有限元分析。

整個齒輪齒條傳動機構(gòu)固結(jié)在掃地機器人內(nèi)，電機輸出軸與齒輪直接連接，以3N/mm2的扭矩帶動直齒輪，直齒輪繼而帶動左右兩端的齒條，齒條能且只能沿著滑動平移。這樣有關(guān)傳動機構(gòu)的載荷條件就確定了。計算及仿真在ANSYS Workbench平臺上進行。

如圖5等效應(yīng)力云圖所示，最大壓應(yīng)力大小σH=2MPa＜＜[σH]，[σH]為許用接觸應(yīng)力。滿足輪齒接觸疲勞強度校核條件，發(fā)生在輪齒接觸點處。滿足輪齒接觸疲勞強度校核。再校核齒輪齒條傳動機構(gòu)的變形情況如圖6所示，不難發(fā)現(xiàn)，直齒輪的變形隨著齒輪半徑的增大，由內(nèi)到外，其變形量也隨之增大，且最大變形發(fā)生于直齒輪外圈（齒根圓到齒頂圓）處，其變形量δ=0.0003mm。

從應(yīng)力云圖中我們發(fā)現(xiàn)，齒條的非嚙合處，滑道及框架處的應(yīng)力大小σH=7.55×10-14MPa≈0，變形量δ=0?？梢娫O(shè)計的齒輪齒條傳動機構(gòu)符合結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性和實用性。

圖5 等效應(yīng)力圖

除了對傳動系統(tǒng)中齒輪和齒條進行接觸應(yīng)力的強度校核，還要分析在電機輸出軸3N/m的帶動下，連接輸出軸和圓齒輪間的B型鍵的擠壓強度校核。因為電機輸出軸的直徑d=30mm，故選擇公稱直徑為8×7的B型鍵，這里8為鍵寬b，而6為鍵高h(yuǎn)。取鍵長L為10mm。軟件分析得到電機輸出軸和連接鍵的等效應(yīng)力分布如圖7?？梢娮畲髷D壓應(yīng)力σp=0.4889MPa＜＜[σp]，式中σp及[σp]為鍵連接中的擠壓應(yīng)力及其許用值。經(jīng)過有限元計算校核得出，鍵連接的采用也是極其合乎使用標(biāo)準(zhǔn)的。

圖6 齒輪齒條傳動機構(gòu)的變形

圖7 電機輸出軸和連接鍵的等效應(yīng)力圖

3 傳感器及太陽能充電裝置

由于其他雨雪天氣下工況復(fù)雜，室外掃地機器人的工作狀態(tài)是在晴天。再加上出于環(huán)保和開發(fā)新能源的考慮，除了普通的充電方式外，本機器人最大的特點就在于它的頂部安裝上太陽能發(fā)電板，這樣就能在室外機器人掃地工作的同時，還能進行太陽能充電。

如何判斷外界的天氣狀況，這就需要在太陽能發(fā)電板的中央嵌入雨量傳感器。雨量傳感器將雨量轉(zhuǎn)化為電信號，根據(jù)電信號的大小是否超過既定閾值來判斷是否停機工作。雨量測量系統(tǒng)的組成及控制流圖如圖8所示，由此可以實現(xiàn)自動檢測雨滴的有無及雨量的大小，判斷出不同的下雨模式。

圖8 雨量測量系統(tǒng)的組成

4 陀螺儀和萬向輪

陀螺儀具有定軸性和進動性兩個基本特性，由一個高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子安裝在萬向支架上組成。轉(zhuǎn)子通過軸和軸承支承在內(nèi)環(huán)上，轉(zhuǎn)子可以繞軸轉(zhuǎn)動。支架上裝有傳感器，用于測量角位移。根據(jù)動量矩定理，當(dāng)一個物體旋轉(zhuǎn)軸指向的方向在不受外力矩作用時得出，即角動量矢量將不會發(fā)生改變，自由陀螺保持自身對稱軸在慣性參考系中方位不變，進而可以用來穩(wěn)定和維持機器人行進方向。陀螺儀工作狀態(tài)下受力，將快速旋轉(zhuǎn)，每分鐘甚至可以達(dá)到幾十萬轉(zhuǎn)，并能保持長時間運作，讀取軸所指方向后將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。陀螺儀裝置普遍可以用來傳感和維持方向，已被廣泛運用在航天航空航海。設(shè)計的戶外掃地機器人運用陀螺儀導(dǎo)航技術(shù)，讓掃地路線更有目的性，在感應(yīng)方向、速度及坡度的變化的同時，靈敏迅速地做出調(diào)整，提高掃地機器人的工作效率。

為了能讓掃地機器人在工作時，避免在進入狹小區(qū)域時運轉(zhuǎn)困難，面對行人或者障礙物無法快速躲避。為解決上述問題，經(jīng)思考后決定采用萬向輪驅(qū)動。萬向輪能實現(xiàn)在水平360°旋轉(zhuǎn)，采用一個活動萬向輪和兩個固定輪，如圖9成等腰三角布置。結(jié)合萬向輪和陀螺儀來綜合控制掃地機器人的驅(qū)動。

圖9 車輪與履帶底面分布結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

在現(xiàn)已存在的家用機器人基礎(chǔ)上。鑒于電視自動尋的系統(tǒng)里的電視攝像管功用，輔以超聲波回聲定位作為室外掃地機器人的探測定位系統(tǒng)，可以做到有效地避開行人和障礙物。同時，在針對很多細(xì)節(jié)方面做了具創(chuàng)造性的改進。如何打掃角落處垃圾，選擇了交替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)；又如怎樣讓機器人在室外爬樓，采用了車輪和履帶的交替行駛。該設(shè)計是跨學(xué)科跨專業(yè)的大膽創(chuàng)新、打破常規(guī)之作，相信在將來能夠大有所為。