樓梯及地面掃拖一體機(jī)器人設(shè)計與研究*

江一行，張冬冬，沈洪旭，岳正陽，李威廷，盧 煜

（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，杭州 310053）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，越來越多的高科技、智能機(jī)器逐步出現(xiàn)在家庭日常生活中。掃地機(jī)器人因其操作簡單，使用方便等特點(diǎn)，越來越深入地走進(jìn)了人們生活，和家庭、辦公聯(lián)系在了一起，成為了常用家電中重要的一員，深受歡迎[1－2]。與此同時，城市中各種高層建筑越來越多，雖然由于電梯的普及而對樓梯的使用率不高，但是保持樓梯的清潔仍是物業(yè)的繁重工作，需要耗費(fèi)不少的人力及資源[3]。所以樓梯的自動清潔也成為了掃地機(jī)器人的問題之一[4－6]。

目前，清潔裝置大多數(shù)針對平面進(jìn)行清掃，具有實(shí)用性的樓梯及地面掃拖一體裝置較少，對于樓梯清理方面的研究有一些，如日本有提出一種樓道清潔機(jī)器人[7]，以L型的腿部結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)樓梯的攀爬，國內(nèi)如浙江科技學(xué)院有設(shè)計一款樓道清潔機(jī)器人[8]，采用齒輪齒條運(yùn)動副進(jìn)行上下樓，用于樓道內(nèi)樓梯的清掃。以上皆為樓梯清掃機(jī)器人，不具備拖地功能，目前幾乎很少有針對樓梯及地面的掃拖一體裝置設(shè)計[9]。為解決高層建筑樓梯清潔過程存在安全隱患、清理繁瑣費(fèi)時、清掃和拖地?zé)o法同時進(jìn)行、角落清潔不到位等問題，提出了一種樓梯及地面掃拖機(jī)器人的設(shè)計方案，從而將人力勞動從繁重的樓道掃拖清潔中解放出來，提高樓梯清潔效率，節(jié)約人力資源，改善人們的居家生活環(huán)境。

1 樓梯及地面掃拖一體機(jī)器人方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體方案設(shè)計

樓梯及地面掃拖一體機(jī)器人最終要實(shí)現(xiàn)兩種工作模式，即樓梯清潔模式、平地清潔模式，用戶可以根據(jù)需求自行切換選擇?？紤]到上下樓梯、掃地和拖地3個功能，本文把樓梯及地面掃拖機(jī)器人設(shè)計為3個模塊，分別為分布在兩側(cè)的掃地模塊和拖地模塊，以及在這兩者中間的升降模塊。這3個模塊在高度方向上可完成相對運(yùn)動，同時機(jī)器人底部的萬向輪配合水平方向上的運(yùn)動，即可實(shí)現(xiàn)上下樓梯且可同步進(jìn)行掃地和拖地的功能。

1.2 掃地模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

掃地模塊主要采用吸塵方式來清掃地面，如圖1 所示，在掃地模塊的框架內(nèi)，主要由2 個吸塵管道、1 個垃圾儲存杯、2個大型吸塵口與電機(jī)組成。掃地模塊通過大吸塵口完成地面的清掃，垃圾通過吸塵管道后存放在垃圾儲存杯中，儲存杯可方便地取出傾倒垃圾后裝回。

圖1 掃地模塊結(jié)構(gòu)

1.3 拖地模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

拖地模塊是在清潔垃圾后的二次清潔加工，確保樓梯地面的整潔，更加徹底地清理死角[10]。拖地模塊由兩個對稱的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示，驅(qū)動電機(jī)和帶輪機(jī)構(gòu)分別提供和傳遞動力。電機(jī)工作時，通過皮帶傳動，帶動與大帶輪固定連接的中間連桿運(yùn)動，使得兩個拖地板做往復(fù)運(yùn)動，在矩形拖地板的反復(fù)清潔作用下，達(dá)到更好地清理死角的作用。

圖2 拖地模塊結(jié)構(gòu)

1.4 中間升降模塊

為了將掃地模塊和拖地模塊結(jié)合，且可具有高度方向上的相對運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)攀爬樓梯的功能，專門設(shè)計了一個中間升降模塊。機(jī)械升降裝置安裝在中部殼體內(nèi)，共有4根導(dǎo)軌對機(jī)器升降運(yùn)動進(jìn)行導(dǎo)向，升降裝置平面機(jī)構(gòu)原理如圖3～4 所示，此傳動系統(tǒng)由驅(qū)動電機(jī)、導(dǎo)軌、帶輪、皮帶等組成。在驅(qū)動電機(jī)的作用下帶動導(dǎo)軌上的滑塊裝置上下移動，即帶動與滑塊固結(jié)的掃地模塊和拖地模塊在高度上的移動，以實(shí)現(xiàn)爬樓梯運(yùn)動。此種升降機(jī)構(gòu)具有傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、方便維護(hù)的特點(diǎn)。

圖3 升降裝置平面機(jī)構(gòu)原理

圖4 升降模塊結(jié)構(gòu)

1.5 全向輪模塊

本模塊通過6個獨(dú)立驅(qū)動的全向輪實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動[11－12]。如圖5所示，6 個全向輪分為2 組，分別安裝在掃地模塊與中間模塊的底板上。其中4 個全向輪運(yùn)動方向?yàn)闄C(jī)器人的前進(jìn)方向，2個全向輪運(yùn)動方向?yàn)闄C(jī)器人的橫向運(yùn)行方向，以保證前后左右方向運(yùn)動順利運(yùn)行。

圖5 全向輪模塊

1.6 整體結(jié)構(gòu)

樓梯及地面掃拖機(jī)器人外殼為一整體，呈中空長方體，整體由2020 鋁型材搭建。機(jī)械傳動系統(tǒng)是整體核心，控制整個機(jī)器的運(yùn)動、轉(zhuǎn)向與升降功能。掃地模塊進(jìn)行垃圾清潔及儲存，拖地模塊進(jìn)行地面二次清潔。樓梯及地面掃拖機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 整體結(jié)構(gòu)

2 電機(jī)計算及選型

2.1 全向輪驅(qū)動電機(jī)

本設(shè)計中，全向輪共6個，左右行走是由其中2個編碼減速電機(jī)驅(qū)動的。單個電機(jī)動所需的功率為：

式中：M為單個電機(jī)所受轉(zhuǎn)矩，即M＝F·r，r為力臂；n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速，初步設(shè)計為35 r/min。

式中：μ為動摩擦因數(shù)（此處為橡膠的動摩擦因數(shù)）；N為正壓力。

將r＝0.04 m、μ＝0.45、N＝60 N代入得：

F＝μ·N＝27 N

M＝F·r＝1.08 N·m

P＝M·n/9 550＝4 W

為保證電壓一致，方便電路連接，選用DC24V 的電機(jī)，由公式計算后，最終選擇電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 全向輪驅(qū)動電機(jī)參數(shù)

2.2 中間升降模塊帶輪驅(qū)動電機(jī)

升降模塊控制部分內(nèi)有2個大扭矩減速電機(jī)，分別驅(qū)動2個同步帶輪，帶動第一部分掃地模塊和第三部分拖地模塊上下移動。兩個部分驅(qū)動要求相同，則計算功率大的第一部分即可。計算電機(jī)功率公式同為式（1），對于帶輪驅(qū)動電機(jī)，M 為電動機(jī)所受轉(zhuǎn)矩，即M＝F·d，d 為力臂，n 為電動機(jī)轉(zhuǎn)速，初步設(shè)計為15 r/min。

將d＝0.1 m、F＝50 N代入得：

M＝F·d＝5 N·m

P＝M·n/9 550＝8 W

按照一定的余量選擇電機(jī)，其參數(shù)如表2所示。

表2 升降模塊帶輪驅(qū)動電機(jī)參數(shù)

2.3 拖地模塊驅(qū)動電機(jī)

拖地模塊由兩個中心對稱的曲柄滑塊構(gòu)成，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動，所以選用編碼減速電機(jī)驅(qū)動，其功率計算公式同為式（1）、（2），對于拖地模塊主動輪驅(qū)動電機(jī)，M為電動機(jī)所受轉(zhuǎn)矩，M大帶輪＝M小帶輪，n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速，初步設(shè)計為30 r/min，μ為動摩擦因數(shù)，此處為拖布的動摩擦因數(shù)，按表3所示，取值0.35，N為正壓力。

表3 摩擦因數(shù)表

已知：r＝0.125 m，μ＝0.35，N＝30 N，帶輪傳動比為1∶2.5，則大帶輪轉(zhuǎn)速為n/i＝12 r/min，代入得：

F＝μN(yùn)＝10.5 N

M大帶輪＝F·d＝1.3 N·m

M小帶輪＝M大帶輪/2.5＝0.52 N·m

P＝M·n/9 550＝1.6 W

按照一定的余量選擇電機(jī)，其參數(shù)如表4所示。

表4 拖地模塊帶輪驅(qū)動電機(jī)參數(shù)

3 強(qiáng)度校核

樓梯及地面掃拖一體機(jī)器人各部分的抬升和下降均通過皮帶拉動。皮帶與細(xì)長鈑金連接件固結(jié)，鈑金分別與掃地模塊和拖地模塊固定連接，以帶動其升降。如圖7所示。

圖7 鈑金連接件

在相應(yīng)模塊升降的過程中，鈑金連接件受較大的懸伸載荷，且易發(fā)生變形，所以需對鈑金連接件進(jìn)行強(qiáng)度及剛度校核。將鈑金連接件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分和添加約束和載荷，計算求解后得到鈑金連接件的等效應(yīng)力云圖和總體變形云圖如圖8所示。

圖8 有限元仿真分析結(jié)果

由分析求解結(jié)果可知，鈑金連接件的最大等效應(yīng)力約為41 MPa，最大應(yīng)力主要集中在兩部分相連接的連接孔位置，其最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料（45 號鋼）的屈服強(qiáng)度；最大變形量約為0.05 mm，無較大的變形，即鈑金件能夠滿足機(jī)器人工作的強(qiáng)度和剛度要求。

4 樣機(jī)制作及功能試驗(yàn)

樓梯及地面掃拖一體機(jī)器人外觀整體材料選用亞克力板，各部分的側(cè)面和第三部分的上表面選用黑茶色透明亞克力板，第一、二部分上表面選用無色透明亞克力板，方便觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有助于調(diào)試和修改。

制作完成的機(jī)器人在地面及樓梯上進(jìn)行清潔試驗(yàn)，如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計的機(jī)器人可順利上下樓梯并能有效清潔地面及樓梯垃圾。

圖9 樓梯及地面掃拖機(jī)器人清潔功能試驗(yàn)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種樓梯及地面掃拖一體機(jī)器人，基于帶傳動設(shè)計了3個高度可相對運(yùn)動的模塊以實(shí)現(xiàn)樓梯的攀爬，基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計了拖地模塊。此機(jī)器人可在樓梯及地面上全向運(yùn)動和攀爬樓梯，并可同時進(jìn)行掃地和拖地清潔。在此設(shè)計基礎(chǔ)上制作了機(jī)器人樣機(jī)，通過樣機(jī)的清潔試驗(yàn)，驗(yàn)證了該機(jī)器人地面運(yùn)動和樓梯攀爬的平穩(wěn)性和掃拖清潔的有效性，說明了該樓梯及地面掃拖一體機(jī)器人設(shè)計的合理性。本文所設(shè)計的樓梯及地面掃拖一體機(jī)器人解決了目前市面上掃拖機(jī)器人幾乎沒有樓梯清潔功能的問題，為樓梯及地面清潔裝置的研究提供了參考借鑒。