智能扶手清潔器

廖博邦，黎濤，潘恒飛，徐銘，陸冰瑩，何世龍

（玉林師范學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院，廣西玉林，537000）

0 引言

在我國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020 年) 》中對(duì)智能服務(wù)機(jī)器人給予了明確定義——“智能服務(wù)機(jī)器人是在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下為人類(lèi)提供必要服務(wù)的多種高技術(shù)集成的智能化裝備”[1]。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，隨著勞動(dòng)力成本大幅上漲，我國(guó)制造業(yè)對(duì)機(jī)器人需求不斷加大，未來(lái)我國(guó)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、社會(huì)老齡化應(yīng)對(duì)需要大量的先進(jìn)機(jī)器人[2]。

中高層樓梯扶手清掃工作是一項(xiàng)繁重的體力勞動(dòng)，人工清掃費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作效率低。機(jī)器人清掃具有高效、便捷和節(jié)省人力物力等優(yōu)點(diǎn)，目前沒(méi)有一款樓梯扶手自動(dòng)清潔設(shè)備投入中高層建筑物使用。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了一款家政服務(wù)智能扶手清潔機(jī)器人，由機(jī)械部分和控制部分組成。在將機(jī)器人放入需要清掃的樓梯扶手后，能在樓梯扶手上沿扶手表面行走，通過(guò)行程信號(hào)控制運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)樓梯扶手表面的全面清潔。

1 系統(tǒng)組成

從有效清潔消毒，智能方便的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款電子扶手清潔器，該清潔器可實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制，智能平衡調(diào)整，障礙物檢測(cè)等功能。所設(shè)計(jì)的清潔器由容器、彈簧、噴霧器、直流電機(jī)和數(shù)字舵機(jī)這五個(gè)基礎(chǔ)部件組成，核心部分由控制模塊、電源模塊和多種電子模塊組成。清潔器裝配的容器里配有專(zhuān)用的清潔劑，當(dāng)其在扶手上運(yùn)行時(shí)，通過(guò)控制裝配噴霧器將清潔劑噴灑在扶手上，達(dá)到輔助清潔的作用。彈簧通過(guò)其拉伸的力將清潔器穩(wěn)定在扶手。直流電機(jī)的橡膠滾輪依附在扶手上，用于控制清潔器在扶手上前進(jìn)后退。數(shù)字舵機(jī)用于機(jī)身平衡調(diào)整，它由電機(jī)，傳感器和控制器組成，其輸出力矩大，相比于步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)精度高，易于控制，能夠滿足主控器對(duì)機(jī)身平衡調(diào)整的需求。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的主控器是STM32 單片機(jī)最小系統(tǒng)（STM32F103C8T6），應(yīng)用到的電子模塊還包括WiFi 模塊、紅外傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、運(yùn)動(dòng)傳感器及液晶顯示屏。STM32F103C8T6[3]具有低成本，高性能，低功耗的特點(diǎn)，且體積小，易于嵌入清潔器。主控器可執(zhí)行工作人員發(fā)送的指令，并且能夠?qū)⒏髂K檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，如果檢測(cè)到的值超出設(shè)定值，主控器將會(huì)發(fā)出相應(yīng)的指令，控制清潔器采取相應(yīng)措施。WiFi 模塊和藍(lán)牙模塊能夠?qū)κ謾C(jī)發(fā)送指令進(jìn)行接收，從而協(xié)助主控器對(duì)清潔器進(jìn)行控制，也能夠?qū)?bào)警信息反饋回手機(jī)終端，以便及時(shí)排除問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)傳感器可對(duì)清潔器運(yùn)行時(shí)的角度，加速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，輔助主控器對(duì)清潔器的偏轉(zhuǎn)角度和運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輔助主控器對(duì)清潔器的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)加速減速、前進(jìn)后退、停止等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。紅外傳感器用于檢測(cè)清潔器當(dāng)前運(yùn)行方向上是否有障礙物，當(dāng)遇到行人倚靠扶手或扶手有異物阻擋時(shí)，及時(shí)檢測(cè)到異常信息，防止發(fā)生碰撞。主控器可通過(guò)液晶顯示屏將清潔器當(dāng)前執(zhí)行實(shí)行的操作指令、偏轉(zhuǎn)角度、報(bào)警狀態(tài)等各項(xiàng)指標(biāo)信息進(jìn)行顯示。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

■2.2 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計(jì)采用藍(lán)牙模塊HC05。該模塊接口簡(jiǎn)單，體積小，指令簡(jiǎn)潔且板載PCB 天線，可實(shí)現(xiàn)10 米距離的傳輸。該模塊與主控器連接時(shí)需要用到4 個(gè)端口，分別為5V，GND，RX，TX。HC05 藍(lán)牙模塊的串行輸入端口RX 和串行輸出端口TX 分別連接主控器的信號(hào)輸出端和輸入端。通過(guò)該藍(lán)牙串口設(shè)備，手機(jī)和主控器之間搭建起了一個(gè)通訊橋梁，由此工作人員即可通過(guò)手機(jī)終端發(fā)送預(yù)設(shè)指令來(lái)控制清潔器的運(yùn)行。

■2.3 WiFi 模塊

本設(shè)計(jì)所采用WiFi 模塊ESP8266-12F[4]是由安信可科技開(kāi)發(fā)的，該模塊抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，集成度高。模塊硬件電路如圖3 所示，模塊的核心處理器在較小的封裝中集成超低功耗32 位微型MCU TensilicaL106，主頻最高速度可達(dá)160MHz，可將高達(dá)80%的處理能力留給應(yīng)用開(kāi)發(fā)。WiFi 模塊作為清潔器的第二個(gè)無(wú)線通信的模塊，其與藍(lán)牙通信模塊相比，WiFi 模塊具有更高的傳輸速率和更長(zhǎng)的傳輸距離。清潔器通過(guò)WiFi 模塊可以使用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)雙向通信，為設(shè)備實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)提供可能。該模塊可接收手機(jī)客戶端發(fā)送的控制指令，也可以將清潔器的報(bào)警信息和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)傳遞給手機(jī)終端，輔助工作人員對(duì)清潔器的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。

圖3 ESP8266-12F 模塊硬件電路原理圖

■2.4 紅外傳感器

本設(shè)計(jì)采用的紅外傳感器主要由LM393 雙差分比較器，紅外發(fā)射管，紅外接收管及信號(hào)顯示燈組成。其硬件電路如圖4所示。該傳感器具有干擾小，便于裝配，使用方便的優(yōu)點(diǎn)。紅外傳感器工作時(shí)，紅外發(fā)射管將會(huì)發(fā)射紅外光，如遇障礙物，發(fā)射出的紅外光會(huì)被障礙物反射回來(lái)，此反射信號(hào)被紅外接收管接收轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，此時(shí)比較器輸出端將輸出低電平信號(hào)，且信號(hào)指示燈亮起。將比較器的輸出端與主控器相連，當(dāng)主控器檢測(cè)到信號(hào)為低電平后，清潔器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并停止清潔任務(wù)，直到障礙物移走，清潔器解除警報(bào)，并自動(dòng)返回清潔狀態(tài)，完成未完成的清潔任務(wù)。

圖4 LM393 硬件電路原理圖

■2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L289N 芯片。本模塊可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速，且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，滿足清潔器對(duì)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整的需求。主控器產(chǎn)生PWM 波控制信號(hào)，并傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，不同的占空比的PWM 波會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制清潔器運(yùn)行速度。主控器通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，可以控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清潔器在扶手上來(lái)回運(yùn)行。當(dāng)清潔器遇到障礙物時(shí)，也能夠控制該模塊采取緊急制動(dòng)，防止碰撞事故發(fā)生。

■2.6 運(yùn)動(dòng)傳感器

本設(shè)計(jì)采用的運(yùn)動(dòng)傳感器是JY61 型號(hào)的六軸運(yùn)動(dòng)傳感器(MPU6050[5])。該傳感器回傳速率較高，輸出數(shù)據(jù)精度高，I2C 接口輸出，方便與主控器連接，滿足清潔器功能開(kāi)發(fā)需求。其硬件電路如圖5 所示。該傳感器主要由加速度計(jì)、陀螺儀，DMP 組成。其中加速度計(jì)可感知任意方向上的加速度，陀螺儀可判斷出設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。模塊內(nèi)部集成卡爾曼濾波算法，可結(jié)合加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)信息，共同解算設(shè)備的姿態(tài)，從而提高輸出數(shù)據(jù)精度。運(yùn)動(dòng)傳感器可檢測(cè)清潔器的偏轉(zhuǎn)角度、加速度和運(yùn)行方向等數(shù)據(jù)，并將其傳送給主控器，通過(guò)這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)清潔器運(yùn)行角度和運(yùn)行速度的智能調(diào)整。

圖5 MPU6050 硬件電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由軟件和硬件結(jié)構(gòu)組成，當(dāng)系統(tǒng)完成初始化狀態(tài)后，進(jìn)入指令接收狀態(tài)。系統(tǒng)接收到清潔啟動(dòng)指令后，同時(shí)進(jìn)入障礙物檢測(cè)，偏轉(zhuǎn)角度檢測(cè)狀態(tài)，并控制清潔器進(jìn)行清潔任務(wù)。主控器對(duì)紅外傳感器傳遞的信號(hào)進(jìn)行處理后，可判斷清潔器當(dāng)前運(yùn)行方向上是否有障礙物，如有，主控器將控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采取緊急制動(dòng)，停止清潔任務(wù)后在液晶顯示屏上顯示報(bào)警信息，直至障礙物移走后，清潔器繼續(xù)執(zhí)行清潔任務(wù)。根據(jù)噴霧器相同時(shí)間內(nèi)消耗的清潔劑幾乎相同這一特性，主控器對(duì)噴霧器使用時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)處理，可將其時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成液位值，并顯示于液晶屏幕，然后判斷當(dāng)前液位值是否低于液位初設(shè)值，當(dāng)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)液位值小于液位初設(shè)值，主控器通過(guò)WiFi 模塊發(fā)送報(bào)警信號(hào)，提醒工作人員及時(shí)補(bǔ)充清潔劑。當(dāng)清潔器在扶手上運(yùn)作時(shí)，運(yùn)動(dòng)傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳給主控器，主控器對(duì)數(shù)據(jù)處理分析后，并在液晶顯示屏上顯示偏轉(zhuǎn)角度，然后與偏轉(zhuǎn)角度初設(shè)值比對(duì)，若超過(guò)初設(shè)值，主控器將發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)給數(shù)字舵機(jī)，調(diào)整機(jī)身偏轉(zhuǎn)角度。軟件設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 應(yīng)用

智能扶手清潔器控制方便、清潔效率較高、智能化、自動(dòng)化強(qiáng)度高，實(shí)現(xiàn)了清潔、變速、消毒、無(wú)線、檢測(cè)功能的集成。通過(guò)清潔器在扶梯上清潔的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，可知該樣機(jī)可以進(jìn)行自動(dòng)化清潔工作，對(duì)扶梯上常見(jiàn)的污漬具有良好的清潔能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究智能扶手清潔機(jī)器人基礎(chǔ)框架與核心技術(shù)，應(yīng)對(duì)我國(guó)老齡化社會(huì)、建設(shè)和諧社區(qū)等具有前瞻性。我國(guó)在智能扶手清潔機(jī)器人領(lǐng)域的研究、開(kāi)發(fā)工作相對(duì)落后，在市場(chǎng)推廣方面存在困難，必須降低服務(wù)機(jī)器人的造價(jià)，才有可能得到推廣。預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷改進(jìn)、智能扶手清潔機(jī)器人性能的提高和成本的降低，移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人將普及到家庭。