智能教室管家機器人設(shè)計與研究

屈世龍，楊瑞青，張慶晨，張善群，韓 浩，王玉飛

（山東華宇工學(xué)院 機械工程學(xué)院，山東 德州 253000）

0 引言

隨著時代的發(fā)展，先進的機器設(shè)備對于提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量都起到巨大的促進作用。并且機器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，各式各樣為人類服務(wù)的工具也被逐漸創(chuàng)造出來。在我們生活中，掃地機器人、早教機器人、無人機等一些機器都已是大眾所知。而這些機器可以作為科技技術(shù)的產(chǎn)物，可以更好地解決人的重復(fù)勞動，從而提高勞動效率和精確度。但是，大多機器普遍存在于家庭、農(nóng)業(yè)、辦公等一些地方，相對教育服務(wù)方面有所不足。例如，在我們的校園生活中，由于環(huán)境衛(wèi)生方面上的不足，教室地面臟亂，課桌不整齊，多會影響學(xué)習(xí)。智能教室管家機器人會對課桌不整齊、教室地面垃圾的現(xiàn)象進行處理。

現(xiàn)在整理教室以人工勞動為主，擺放課桌、清潔衛(wèi)生等，需要大量人力，且工作效率較低。該設(shè)計涉及教室整理部分工作環(huán)節(jié)的管理，從傳統(tǒng)人工清潔轉(zhuǎn)至機器打掃，體現(xiàn)出時代創(chuàng)新的發(fā)展。此外，對于智能掃地機器人針對路徑規(guī)劃方面較為普遍，如五邑大學(xué)提出一款智能掃地機器人[1]，結(jié)合掃地機器人的實際應(yīng)用，實現(xiàn)了可適用于復(fù)雜環(huán)境的全覆蓋路徑性能優(yōu)化。智能教室管家機器人進行課桌整齊擺放有利于學(xué)生有一個健康良好的坐姿，從而有利于提高學(xué)習(xí)的效率，減少疲勞和不舒適感。并且隨著智能化的發(fā)展，各類智能化產(chǎn)品受到大眾青睞。

1 智能教室管家機器人方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體方案設(shè)計

智能教室管家機器人最終要實現(xiàn)兩種工作模式，即課桌整理模式、地面清潔模式，用戶可以通過攝像頭遠程遙控進行規(guī)劃和預(yù)先掃描錄入的信息實現(xiàn)物品識別的技術(shù)，使移動終端可以與智能教室管家機器人進行通信，將教室的實時地形圖顯示在移動終端上。智能教室管家機器人設(shè)計分為4 個模塊，分別為分布在底部的掃地模塊、自動伸縮夾桿模塊，中間的升降模塊、控制模板。這4 個模塊在高度方向上可完成相對運動，同時機器人底部的麥輪配合水平方向上的運動，即可實現(xiàn)方向改變且可同步進行掃地功能。

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)，主要由吸塵管道、垃圾儲存裝置、旋轉(zhuǎn)掃帚、電機以及自動吸附裝置組成。掃地模塊通過旋轉(zhuǎn)掃帚、大吸塵口完成地面的清潔，垃圾經(jīng)吸塵管道后存放在垃圾儲存袋中，儲存袋可方便地取出傾倒垃圾后并換取新的一次性垃圾袋。其次，機器人在進行移動擺放課桌時，自動吸附裝置可以吸附地面，從而增加機器穩(wěn)定性。

圖1 掃地模塊結(jié)構(gòu)

1.3 自動伸縮夾桿模塊

自動伸縮夾桿模塊采用電動伸縮桿[2]，如圖2 所示，夾板頭部有較小的凹槽，便于夾緊課桌桌腿，其電動伸縮桿是利于電機馬達通過齒輪傳動，帶動絲桿螺母，推動梯形螺紋絲桿的一種短距離實現(xiàn)伸縮運動的一種傳動執(zhí)行機構(gòu)。

圖2 自動伸縮夾桿模塊結(jié)構(gòu)

1.4 內(nèi)部升降模塊

為了將自動伸縮夾桿更好地與中間升降模塊結(jié)合，中間模塊基于移動裝置傳動完成對自動伸縮夾桿模塊的升降功能和水平伸縮功能，機械升降裝置安裝在中部殼體內(nèi)，依據(jù)課桌寬度進行調(diào)整間距，從而更好夾住課桌桌腿。其升降裝置共有4 根導(dǎo)軌對機器升降運動進行導(dǎo)向，升降裝置平面機構(gòu)原理如圖3、圖4所示，此傳動系統(tǒng)由驅(qū)動電機、導(dǎo)軌、固定臺等組成。在驅(qū)動電機的作用下帶動導(dǎo)軌上的固定臺裝置移動，即帶動自動伸縮桿上下移動和機器兩側(cè)板水平移動，以實現(xiàn)桌腿間距調(diào)整及升降課桌。此種升降機構(gòu)具有傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、方便維護的特點。

圖3 升降裝置平面機構(gòu)原理

圖4 升降模塊結(jié)構(gòu)

1.5 麥輪模塊

本模塊通過4 個獨立驅(qū)動的麥輪[3]實現(xiàn)機械運動。如圖5 所示，4 個麥輪分別安裝在掃地模塊兩側(cè)模塊的底板上。其中4 個麥輪運動方向為機器人的各個方向，以保證前后左右方向運動順利運行。

圖5 麥輪模塊

1.6 中間模塊

該模塊采用千斤頂裝置[4]。千斤頂裝置搭載有無線遠程控制和實時通信模塊，通過手機等設(shè)備來控制千斤頂?shù)钠鹇浜鸵苿?。為了更好的拖動課桌，智能教室管家機器人結(jié)合千斤頂裝置，使其對課桌底部進行上升拖動，以實現(xiàn)在伸縮桿拖動課桌基礎(chǔ)上防止課桌滑脫。千斤頂裝置安裝在中間部位，以便于保持平衡，如圖6 所示。

圖6 千斤頂裝置模塊

1.7 整體結(jié)構(gòu)

智能教室管家機器人外殼為一體式，呈中空長方體。該裝置主要包括自動伸縮夾板、千斤頂裝置、底部吸塵裝置、麥輪、自動吸盤、電機組、遙控裝置等，形成遙控系統(tǒng)、移動系統(tǒng)、吸塵系統(tǒng)、感應(yīng)系統(tǒng)以保證機器正常運作。底部吸塵裝置上方安裝有控制裝置和無線傳輸裝置，以實現(xiàn)手機終端對掃地機器人的控制。遙控系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)中掃地機器人的遠程控制方案能很容易實現(xiàn)遠程控制。同時，移動系統(tǒng)通過控制裝置控制位移機構(gòu)實現(xiàn)夾板進行左右和上下的移動。智能教室管家機器人的整體結(jié)構(gòu)示意如圖7。

圖7 整體結(jié)構(gòu)

2 智能教室管家機器人工作原理

2.1 運動系統(tǒng)功能

該機器由多個多部分組成，主要包括自動伸縮夾桿、底部吸塵裝置、麥輪、自動吸盤、電機組、遙控裝置等，由搖控系統(tǒng)、移動系統(tǒng)、吸塵系統(tǒng)、感應(yīng)系統(tǒng)分別協(xié)調(diào)控制，保證了智能教室管家機器的正常運作。整個裝置可以分為4 個模塊：掃地模塊、自動伸縮夾桿模塊、中間的升降模塊、控制模板。

（1）掃地模塊，其功能是通過規(guī)劃路線清掃教室地面，它的頂端設(shè)置有一個可旋轉(zhuǎn)的激光發(fā)射頭和配套接收器，通過發(fā)射激光掃描自身到邊界每個點的距離，從而生成數(shù)字地圖，還能根據(jù)屋內(nèi)家具位置的變化實時進行更新。同時在到達相應(yīng)指定位置時，底部吸盤自動降落吸附地面，從而穩(wěn)固該機器本身，防止在搬運課桌時發(fā)生傾翻。

（2）自動伸縮夾桿模塊則是夾緊拖動課桌的同時，進一步鞏固課桌穩(wěn)定性，利于該機器人穩(wěn)定運行。

（3）中間升降模塊基于移動裝置傳動完成對自動伸縮夾桿模塊的升降功能和水平伸縮功能，并依據(jù)課桌寬度而定，從而更好使自動伸縮夾桿夾住課桌桌腿。

（4）控制模板是安裝有最基本的控制裝置和無線傳輸裝置，而且具備位移功能的結(jié)構(gòu)，即通過控制裝置控制位移機構(gòu)實現(xiàn)兩側(cè)固定板、夾桿進行左右和上下的移動。

除此之外，通過攝像頭遠程遙控進行規(guī)劃和預(yù)先掃描錄入的信息，可以在移動終端上，如iPad、手機等，通過移動終端與智能教室管家機器人進行通信，將教室的實時地形圖顯示在移動終端上，這樣人們就可以輕而易舉實現(xiàn)對桌子位置以及需要清理的垃圾進行識別。

2.2 中央控制系統(tǒng)

對于規(guī)劃和預(yù)先掃描錄入的信息實現(xiàn)物品識別的技術(shù)，設(shè)計的智能教室管家機器人使用紅外探測技術(shù)在清掃之前通過激光發(fā)射器掃描房間，獲得房間的圖形信息，然后依據(jù)房間圖形信息進行路徑規(guī)劃，最后根據(jù)設(shè)計的路徑規(guī)劃系統(tǒng)能夠最終進行全覆蓋清掃。此外，該設(shè)計還包括遙控器和接收器兩個部分，操作者使用遙控器對機器進行相關(guān)操作，當作業(yè)完成后，通過遙控器下達回歸的指令，當遙控裝置接收指令時，智能教室管家機器人依照原本路線回到原有位置。

2.3 技術(shù)路線

首先通過建立三維建模進行仿真安裝、調(diào)試。初始時，智能教室管家機器人先通過錄入教室大小，獲得房間的圖形然后再進行路徑規(guī)劃以及課桌位置設(shè)定。對于路徑規(guī)劃則是采用激光測距式導(dǎo)航系統(tǒng)，智能教室管家機器人通過激光測距的方法生成室內(nèi)地圖，在此基礎(chǔ)上合理地規(guī)劃清掃及搬運路線，而不是試探性來回碰撞。相比之下，該規(guī)劃路線更能看出其設(shè)計的智能之處。其實現(xiàn)原理是：它的頂端設(shè)置有一個可旋轉(zhuǎn)的激光發(fā)射頭和配套接收器，通過發(fā)射激光掃描自身到邊界每個點的距離，從而生成數(shù)字地圖，還能根據(jù)屋內(nèi)課桌位置的變化實時進行更新。室內(nèi)圖像錄入后，該機器開始對教室實施工作，并遙控下達進一步指令，遙控裝置接收指令，控制電機轉(zhuǎn)動，機器開始工作，從而實現(xiàn)課桌整理，地面清掃。且機器到固定位置后，通過對前期激光掃描并反饋生成室內(nèi)地圖進行識別對比，若課桌不整齊將會進行搬運整理，自動伸縮夾板通過該機器內(nèi)部升降裝置調(diào)節(jié)至合適位置，進一步伸縮進入課桌底部，其自動伸縮夾板是根據(jù)課桌桌腿寬度進行調(diào)整，并水平從裝置內(nèi)導(dǎo)出。此外，智能教室管家機器人內(nèi)部裝有千斤頂裝置，其功能是將其課桌底部頂起，并通過指令移動至指定位置；若課桌與生成圖像位置一致時，該機器選擇對其忽略搬運。當智能教室管家機器人電量過低時，可根據(jù)最近位置關(guān)系返回并進行充電，待充電完畢后，返回原有位置進行之前未完成工作。任務(wù)結(jié)束后，用遙控器下達回歸的指令，遙控裝置接收指令，智能教室管家機器人依照原本路線回到原有位置。

3 智能教室管家機器人應(yīng)用情況分析

3.1 可以智能精確擺放

該智能教室管家機器人，通過室內(nèi)圖像識別判斷，進一步對課桌整理擺放。當課桌與目標位置一致時，該機器停止整理，并且依靠數(shù)字圖像識別合理路線返回充電待機。該設(shè)計解決了整理課桌效率差，從而提高課桌擺放的精確度。

3.2 操作便捷，省時又省力

可以遠程遙控和自主清潔。智能教室管家機器人則可以通過千斤頂裝置及自動伸縮夾桿裝置的結(jié)合，從而代替人力搬運，勞動力得到一定的解放。同時該機器對教室即能整理課桌又兼?zhèn)渲悄艽驋?，進行明確的方案制定與安排。

3.3 合理規(guī)劃，性能強

該設(shè)計結(jié)合“整理+清掃”兩種形式，在整理擺放課桌的同時，又能清掃地面。并且采用激光測距式導(dǎo)航系統(tǒng)，可以對教室房間大小進行掃描，并制定路徑規(guī)劃，然后自動對教室進行整理。

3.4 可以清潔復(fù)雜環(huán)境

對于人工清掃來說，像地縫、邊角等位置只用掃帚拖布是很難打掃干凈的，時間久了就會留下厚厚的積塵，而智能教室管家機器人則可以通過掃吸等方式將隱匿的灰塵雜質(zhì)打掃干凈。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種整理課桌及清掃地面一體機器人，該智能教室管家機器人，集手機遙控技術(shù)、掃描技術(shù)、物件搬運技術(shù)于一體，操作便捷，性能強且工作項率較高，能夠有效地幫助教室清潔人員減少工作強度和提高工作效率。本文所設(shè)計的智能教室管家機器人解決了目前市面上在掃拖機器人基礎(chǔ)上幾乎沒有課桌整理功能的問題，為教室課桌整理及地面清潔裝置的研究提供了參考借鑒。