節(jié)水式洗手拖地一體化智能機(jī)器人

梁宸睿，郝佳奇，李佳康，連彩婷，靳江艷

（河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018）

近年來(lái)，人們對(duì)環(huán)境衛(wèi)生的重視程度不斷提高，我國(guó)也發(fā)布了多項(xiàng)有關(guān)環(huán)境衛(wèi)生的政策。自2020 年新冠疫情暴發(fā)后，我國(guó)對(duì)公共衛(wèi)生建設(shè)提出了更高的要求。“勤洗手”這一簡(jiǎn)單卻重要的衛(wèi)生習(xí)慣再次引起人們的高度重視[1]。公共洗手臺(tái)作為衛(wèi)生領(lǐng)域的重要產(chǎn)品滿(mǎn)足了洗手需求，保護(hù)了身體健康。然而，在人流量高峰期，水龍頭數(shù)量的限制和公共洗手臺(tái)工作環(huán)境的狹小導(dǎo)致公 共洗手臺(tái)的使用效率較低[2]?，F(xiàn)今正處于后疫情時(shí)代下，對(duì)商場(chǎng)、醫(yī)院、酒店、寫(xiě)字樓等大型樓宇而言，人流量大、人群聚集，人們?nèi)耘f需要頻繁洗手，地面需要定時(shí)清潔消毒。

而便攜式洗手設(shè)備在我國(guó)的研究起步相比于發(fā)達(dá)國(guó)家較晚，隨著工業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展，目前市場(chǎng)上已經(jīng)研發(fā)生產(chǎn)出了不需要在室內(nèi)安裝進(jìn)水管、排水管就能使用的洗手臺(tái)，但是其不能解決公共場(chǎng)所地面清潔和消毒的問(wèn)題。綜上所述，傳統(tǒng)洗手臺(tái)由于設(shè)計(jì)原理的限制，不可避免地存在利用率低下、使用場(chǎng)所固定、節(jié)水效果較差等諸多缺陷，具有較大的改進(jìn)空間。為此，本文研究一款有著重要使用價(jià)值的節(jié)水式洗手拖地一體化智能機(jī)器人，有助于提高水資源利用率。

1 總體設(shè)計(jì)方案

節(jié)水式洗手拖地一體化智能機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由移動(dòng)式洗手系統(tǒng)、污水處理裝置、地面清潔系統(tǒng)等部分組成。節(jié)水式洗手拖地一體化智能機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1，其工作過(guò)程描述如下。

圖1 節(jié)水式洗手拖地一體化智能機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)圖

為了保證機(jī)器人能夠較長(zhǎng)時(shí)間工作，配備了能夠連續(xù)工作8-10 h 的充電電池和30 L 儲(chǔ)水箱。設(shè)備加水和充電完成后，為用戶(hù)提供日常洗手操作，具有多種服務(wù)模式。機(jī)器人固定放置在某個(gè)人流量大的區(qū)域。機(jī)器人始終移動(dòng)作業(yè)，當(dāng)感應(yīng)到有人靠近時(shí)，則停下來(lái)等待。隨后，系統(tǒng)將根據(jù)顧客的身高自動(dòng)調(diào)整洗手臺(tái)的高度，使其更加貼合顧客的需求。最終，顧客只需將雙手放置在水龍頭下方，即可感應(yīng)到水流自動(dòng)啟動(dòng)。

針對(duì)辦公樓的個(gè)性化應(yīng)用，機(jī)器人固定放置在某個(gè)區(qū)域，用戶(hù)可通過(guò)按鍵或語(yǔ)音方式將機(jī)器人召喚至某個(gè)辦公室門(mén)口進(jìn)行洗手操作。

洗手后的污水經(jīng)過(guò)濾和凈化后可用于地面清潔。一旦污水箱中的水量達(dá)到排水需求，機(jī)器人將按照預(yù)先設(shè)定的路線進(jìn)行日常地面清潔工作。進(jìn)行地面清潔工作時(shí)，機(jī)器人會(huì)打開(kāi)半封閉式紫外線消毒燈管，保證不對(duì)人體造成傷害的前提下完成細(xì)菌消殺任務(wù)。當(dāng)水量和電量不足時(shí)，機(jī)器人會(huì)發(fā)出警報(bào)，并自行進(jìn)行加水和充電操作。

2 各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 移動(dòng)式洗手系統(tǒng)

1）輪組的設(shè)計(jì)。該設(shè)備底盤(pán)共安裝了4 個(gè)輪組，每個(gè)輪組選用RM3508 直流無(wú)刷電機(jī)作為直驅(qū)動(dòng)力，電機(jī)的輸出軸通過(guò)特制的夾緊型聯(lián)軸器與麥克納姆輪的輪轂相連，為了減少電機(jī)軸不必要的受力，在電機(jī)與聯(lián)軸器直接安裝止推軸承。用螺栓將安裝在輪轂內(nèi)側(cè)的壓緊蓋與電機(jī)軸內(nèi)側(cè)的螺紋孔進(jìn)行擰緊，從而使整個(gè)輪轂壓緊，見(jiàn)圖2。

圖2 輪組裝配模型

2）輪組布局。麥克娜姆輪有左旋和右旋之分，四輪底盤(pán)的麥克納姆輪布置方式有6 種，見(jiàn)圖3。

圖3 輪組布局示意圖

根據(jù)線性代數(shù)知識(shí)，雅可比矩陣條件R (A)=3時(shí)，實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)，上述結(jié)構(gòu)中只有（a）、（b）兩種滿(mǎn)足，又因?yàn)椋╝）方案不能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，所以該設(shè)備底盤(pán)選用（b）結(jié)構(gòu)[3]。

3）動(dòng)力系統(tǒng)模塊。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)4 輪麥克娜姆輪的閉環(huán)控制，在底盤(pán)方案設(shè)計(jì)中選擇了直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在選擇電機(jī)時(shí)不能盲目，要綜合考慮多方面的因素，以充分發(fā)揮電機(jī)的性能。

大疆創(chuàng)新推出的RM3508 動(dòng)力套裝，見(jiàn)圖4，有領(lǐng)先的功率密度，在提供大功率的同時(shí)，體積更小，重量?jī)H為同等級(jí)設(shè)備的20%。通過(guò)與RMC620電調(diào)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)更加高效、靈活且穩(wěn)定的正弦驅(qū)動(dòng)，這一點(diǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)的方波驅(qū)動(dòng)。

圖4 RM3508 電機(jī)套裝

2.2 污水處理系統(tǒng)

污水處理模塊涵蓋了污水過(guò)濾和回收兩個(gè)關(guān)鍵步驟，該過(guò)程需要進(jìn)行3 級(jí)過(guò)濾，包括初級(jí)過(guò)濾、活性炭過(guò)濾以及回收階段的過(guò)濾。污水箱過(guò)濾機(jī)制的示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 污水箱過(guò)濾機(jī)制示意圖

初濾層和活性炭濾層是移動(dòng)洗手臺(tái)污水處理的兩個(gè)核心部分。初濾層主要由粗濾網(wǎng)構(gòu)成，通過(guò)使用這種方法，可以有效地清除污水中的大顆粒物質(zhì)，如紙屑、食物殘?jiān)?；而活性炭濾層則是由活性炭和棉網(wǎng)組成，通過(guò)吸附和過(guò)濾的方式，去除異味、脫色及過(guò)濾吸附氯離子和有機(jī)物等污染物[4]?；钚蕴繛V層的使用，不僅能夠提高回收后水的品質(zhì)，還能有效延長(zhǎng)污水處理設(shè)備的使用壽命。為了保證處理后的水質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。在移動(dòng)洗手臺(tái)污水箱底部增加了活性炭濾水器，該濾水器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)污水的再次過(guò)濾，對(duì)微小顆粒和污染物進(jìn)行層層過(guò)濾，從而達(dá)到更高的凈水效果。

2.3 地面清潔系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)廢水的再利用，抽水泵將經(jīng)過(guò)凈化的污水通過(guò)導(dǎo)管精確輸送到擦地單元，以確保托盤(pán)保持適當(dāng)?shù)臐穸炔⒆畲蟪潭鹊厍宄h(huán)境中的細(xì)菌。整個(gè)裝置大致可分為以下5 個(gè)部分。

1）升降裝置。通過(guò)舵機(jī)對(duì)擦地單元進(jìn)行控制，使擦地單元能夠上下移動(dòng)。洗手時(shí)使擦地單元懸空，拖地時(shí)使擦地單元緊貼地面，并且給予擦地單元一個(gè)向下的壓力，增大擦地單元與地面的摩擦力，整體拖地裝置示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 拖地裝置示意圖

2）擦地單元。主要由托盤(pán)和噴淋裝置構(gòu)成，通過(guò)傳動(dòng)部分使托盤(pán)緊貼地面。隨著小車(chē)移動(dòng)，無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)托盤(pán)旋轉(zhuǎn)與地面產(chǎn)生摩擦力，在噴淋裝置供水的情況下托盤(pán)實(shí)現(xiàn)地面除污功能，整體擦地單元示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 擦地單元示意圖

3）清洗系統(tǒng)。托盤(pán)清洗方案有兩種。一是通過(guò)噴淋裝置噴水使托盤(pán)充分浸濕，整個(gè)擦地單元進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)甩干托盤(pán)，反復(fù)幾次即可完成托盤(pán)清洗工作。二是通過(guò)托盤(pán)的固定卡扣將托盤(pán)進(jìn)行拆卸從而完成托盤(pán)的清洗工作[5]。

4）噴淋裝置。由給水管、抽水泵、閥、污水箱等組成。水流量通過(guò)抽水泵的閥門(mén)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，見(jiàn)圖8 噴淋裝置示意圖。

圖8 噴淋裝置示意圖

5）殺菌裝置。在設(shè)備底面紫外線殺菌裝置周?chē)友b遮擋裝置，以避免紫外線對(duì)人體造成傷害。遮擋裝置采用滑動(dòng)式的設(shè)計(jì)，當(dāng)紫外線殺菌裝置開(kāi)始工作時(shí)，遮擋裝置會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，保護(hù)周?chē)娜藛T免受紫外線輻射[6]。當(dāng)紫外線殺菌裝置停止工作時(shí)，遮擋裝置也會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，方便下一次使用。

2.4 升降機(jī)構(gòu)模塊

本裝置采用絲杠作為升降傳動(dòng)裝置以適應(yīng)不同的高度需求，采用小型滑軌作為升降過(guò)程中的導(dǎo)向裝置以確保洗手臺(tái)升降的定向移動(dòng)，圖9 為該設(shè)備的升降方案的圖解。

圖9 升降機(jī)構(gòu)圖解

該升降機(jī)構(gòu)可被視為一種直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它由牽引機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和連接機(jī)構(gòu)組成。牽引機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)則將運(yùn)動(dòng)限制在一個(gè)自由度內(nèi)，連接機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將動(dòng)力傳遞到被牽引的物體上。

在本設(shè)備的設(shè)計(jì)中，為了改善受力狀況，采用了兩組絲杠對(duì)稱(chēng)布置方式。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，節(jié)水式洗手拖地一體化智能機(jī)器人具有節(jié)水、高效、便捷的特點(diǎn)，可顯著減少資源的浪費(fèi)，提高清潔效率和保障用戶(hù)健康。機(jī)器人的核心技術(shù)在于將洗手后的廢水通過(guò)凈化裝置進(jìn)行過(guò)濾和凈化，再把凈化后的水用于地面清潔。在實(shí)際應(yīng)用中，該機(jī)器人可廣泛用于商場(chǎng)、醫(yī)院、酒店、寫(xiě)字樓等大型樓宇的保潔工作。