多形態(tài)爬樓掃拖一體化機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘 要：【目的】在現(xiàn)代智能家居領(lǐng)域中，清潔機(jī)器人逐漸成為提升生活質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備。然而，現(xiàn)有的清潔設(shè)備在對樓梯和跨樓層進(jìn)行清潔時(shí)仍面臨著挑戰(zhàn)。為了克服這些限制，設(shè)計(jì)出一款多形態(tài)爬樓掃拖一體化機(jī)器人，其能自動(dòng)適應(yīng)復(fù)雜的家庭和商業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高效且全面的清潔。【方法】通過分析多形態(tài)爬樓掃拖一體化機(jī)器人在樓梯上的運(yùn)動(dòng)方式，構(gòu)建機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)模型，并利用SolidWorks軟件對三臂邊刷和拖布傳動(dòng)葉片進(jìn)行有限元分析。【結(jié)果】通過集成視覺識(shí)別技術(shù)、智能路徑規(guī)劃及創(chuàng)新重心偏移和攀爬機(jī)制，不僅能提高機(jī)器人的清潔效率，還能增強(qiáng)操作的便利性和安全性。通過對比結(jié)構(gòu)件的等效應(yīng)力和位移量，發(fā)現(xiàn)數(shù)值均在允許范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求，確保了機(jī)器人結(jié)構(gòu)的合理性和零件強(qiáng)度。【結(jié)論】該設(shè)計(jì)有望推動(dòng)清潔機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，且在市場上具有廣闊的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：多形態(tài)機(jī)器人；掃拖一體化；自動(dòng)化清潔；視覺識(shí)別系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH137.5" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2025）01-0028-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.005

Design of Multi-Form Climbing， Sweeping and Wiping Integrated

Robot

SUN Hanbing WANG Yuqin YANG Jiacheng HAN Xin SHAO Jiale

（School of Mechanical Engineering， Chaohu University， Hefei 238024， China）

Abstract：[Purposes] In the field of modern smart home， cleaning robots are gradually becoming a key factor to improve the quality of life. However， the existing cleaning equipment still faces challenges when dealing with stairs and cross-floor cleaning. In order to overcome these limitations， this paper designed a multi-form climbing， sweeping and wiping integrated robot， which can automatically adapt to the complex family and business environment and realize efficient and comprehensive cleaning. [Methods] By analyzing the movement mode of the multi-form climbing， sweeping and wiping integrated robot crawling on the stairs， the three-dimensional structure model of the robot is constructed. And the finite element analysis of three-arm side brush and mop drive blade was carried out by SolidWorks software. [Findings] By integrating visual recognition technology and intelligent path planning， and innovating the mechanism of gravity center shift and climbing， the robot not only improves the cleaning efficiency， but also enhances the convenience and safety of operation. By comparing the equivalent stress and displacement of structural parts， it was found that the values were within the allowable range and met the design requirements， which ensured the rationality of robot structure and the strength of parts.[Conclusions] This design is expected to promote the development of clean robot technology and has broad application potential in the market.

Keywords： multi-form robot; sweeping and wiping integrated; automatic cleaning; visual recognition system

收稿日期：2023-08-13

基金項(xiàng)目：巢湖學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“一塵不染——多形態(tài)樓梯清潔機(jī)器人”（X202410380107）；安徽省傳統(tǒng)專業(yè)改造提升項(xiàng)目“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)改造提升”（2021zygzts039）；安徽省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“數(shù)控加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”（2021xnfzxm070）。

作者簡介：孫含冰（2005—），男，本科生，研究方向：機(jī)械制造。

通信作者：王玉勤（1985—），男，碩士，副教授，研究方向：機(jī)械系統(tǒng)測試與控制。

0 引言

隨著人們居住環(huán)境質(zhì)量的提升，消費(fèi)者對智能家居產(chǎn)品的接受度顯著提高，智能家居產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，能自主清理地面的機(jī)器產(chǎn)品備受青睞。

常見的家用掃地機(jī)器人通常體積較小，清理區(qū)域較小，且無法爬樓，只能在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)工作，最終返回固定位置。而公共場所（如商場等大型建筑內(nèi)）還采用地面清洗機(jī)，但這種機(jī)器往往較為笨重，需要人員駕駛操作，且對一些角落的清潔效果可能不盡如人意，而且其只能清掃二維平面，無法進(jìn)行樓梯和跨樓層的清潔。為了實(shí)現(xiàn)樓梯和跨樓層清潔，已有科技人員開展一系列研究。盧桂萍等［1］采用Arduino技術(shù)設(shè)計(jì)出樓梯自適應(yīng)式清潔機(jī)器人，有效解決了樓梯清潔的自動(dòng)化問題，提高清潔效率和可靠性。張明坤等［2］基于目標(biāo)導(dǎo)向技術(shù)，對掃地機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了掃地機(jī)器人的導(dǎo)航能力和清潔效率。蘇雷等［3］對樓梯清潔機(jī)器人爬樓規(guī)劃進(jìn)行研究，并對機(jī)器人的爬樓路徑進(jìn)行優(yōu)化，從而提高清潔效率。王福鑫等［4］對樓道智能清掃機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，增強(qiáng)清掃機(jī)的智能化水平和操作的便利性。

為提高清理效率，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化樓梯清理，本研究設(shè)計(jì)一款集地面清理和樓梯清理于一體的多形態(tài)掃拖一體化機(jī)器人，其能根據(jù)樓層平面圖自主生成方便合理的清掃路徑，工作人員也能根據(jù)需求規(guī)劃清潔路線，指導(dǎo)該機(jī)器人按照規(guī)劃的路線進(jìn)行清理。該機(jī)器人能自主識(shí)別污垢、異物位置及樓梯位置。在爬梯過程中，機(jī)器人內(nèi)置的重心偏移裝置會(huì)防止其因重心較高而側(cè)翻。該機(jī)器人前部裝有三臂邊刷，后部裝有拖地裝置，可實(shí)現(xiàn)掃拖一體化，且這兩部分也能單獨(dú)運(yùn)行，從而減少人工干預(yù)，提高清理的智能化程度。

1 設(shè)計(jì)思路及工作原理

1.1 整體設(shè)計(jì)思路

所設(shè)計(jì)的多形態(tài)爬樓掃拖一體化機(jī)器人由視覺識(shí)別裝置、清掃拖地裝置、重心偏移裝置等結(jié)構(gòu)組成，裝置主體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。多形態(tài)爬樓掃拖一體化機(jī)器人通過視覺識(shí)別裝置分析識(shí)別周邊環(huán)境的具體情況、垃圾或污垢的種類，從而規(guī)劃出更為合適的清理路徑；集成了清掃、拖地裝置，能一次性完成掃地和拖地任務(wù)，大大節(jié)省了清潔時(shí)間［5］；通過重心偏移裝置并結(jié)合獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)方式，使其能跨樓層清掃，極大地提高了機(jī)器的泛用性。

1.2 工作原理

多形態(tài)爬樓掃拖一體化機(jī)器人配備先進(jìn)的視覺識(shí)別裝置，能邊工作邊識(shí)別周邊環(huán)境，并判斷垃圾或污垢類型［6］。將視覺識(shí)別裝置采集到的圖像數(shù)據(jù)上傳至芯片內(nèi)部進(jìn)行分析和判斷，使機(jī)器人能自主規(guī)劃最優(yōu)的清理軌跡，提高工作效率。當(dāng)遇到樓梯時(shí)，機(jī)器人采用獨(dú)特的攀爬方式，包括利用重心偏移裝置和三段式結(jié)構(gòu)。機(jī)器人前部抬升后，重心移至前端，此時(shí)前部的移動(dòng)輔助輪和三臂邊刷提供支撐，保持穩(wěn)定。然后，機(jī)器人依次抬升中部和后部，完成攀爬。機(jī)器人將記憶此行為，并對重復(fù)場景重復(fù)攀爬路徑，實(shí)現(xiàn)連續(xù)攀爬樓梯。

在清理過程中，機(jī)器人將生成一張?jiān)敿?xì)的樓層圖，用于標(biāo)注機(jī)器運(yùn)行軌跡、無法處理的異物位置和無法清掃的位置。這種設(shè)計(jì)方便工作人員進(jìn)行檢查與分析，或?qū)o法處理的位置進(jìn)行人工操作清理，保證清理的高效和徹底。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 清潔模塊

多形態(tài)爬樓掃拖一體化機(jī)器人配備了具有先進(jìn)吸塵技術(shù)的清潔模塊，其由清掃和吸塵這兩個(gè)子模塊組成，如圖2所示。清掃模塊具有強(qiáng)大的清潔能力，前方的三臂邊刷通過高速旋轉(zhuǎn)將灰塵、毛發(fā)、污漬等雜物卷起，并吸入機(jī)器內(nèi)部，甚至較大異物也能掃入儲(chǔ)存箱；吸塵模塊能徹底清除微小灰塵和顆粒，彌補(bǔ)邊刷無法將細(xì)小污漬掃進(jìn)儲(chǔ)存箱的不足。清掃模塊與吸塵模塊相互搭配，將雜物掃至吸風(fēng)口，然后由吸塵裝置吸入儲(chǔ)存箱，能有效清理各種污漬，提高機(jī)器的泛用性。相較于傳統(tǒng)的掃地機(jī)器人和掃帚，該機(jī)器人具有更卓越的清潔能力［7］。此外，該機(jī)器人配備大容量的儲(chǔ)存箱，能儲(chǔ)存更多的污垢和異物，減少頻繁清理塵盒帶來的麻煩，延長其一次作業(yè)的工作時(shí)間。

2.2 視覺識(shí)別裝置

視覺識(shí)別裝置安裝在機(jī)器人頂部，能全方位采集周圍環(huán)境信息，以便機(jī)器人快速對環(huán)境做出反應(yīng)。視覺裝置與獨(dú)立芯片相結(jié)合，將識(shí)別到的圖像上傳到中央芯片中進(jìn)行分析處理［8］，并將處理結(jié)果通過智能系統(tǒng)發(fā)送至手機(jī)APP，以便工作人員及時(shí)查看機(jī)器人的工作狀態(tài)和環(huán)境。同時(shí)，深度處理后發(fā)送至機(jī)器的驅(qū)動(dòng)裝置，使機(jī)器人能自主執(zhí)行下一步操作，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和清潔。機(jī)器人能自主識(shí)別污垢及異物的形狀、大小，判斷是否能被吸收清理。若遇到無法吸入儲(chǔ)存室的異物，機(jī)器人記憶后會(huì)傳遞給工作人員，并自動(dòng)避讓。

機(jī)器人還能識(shí)別每節(jié)樓梯的高度，調(diào)整上升高度，確保平穩(wěn)攀爬。最終，基于匯總的數(shù)據(jù)生成詳細(xì)樓層圖，包括機(jī)器人工作軌跡和無法識(shí)別或吸收的異物位置，以便工作人員指導(dǎo)機(jī)器。

2.3 重心偏移和攀爬裝置

機(jī)器人配備了分段式滑軌和配重滑塊的重心偏移裝置（安裝在機(jī)器內(nèi)部頂部）［9］。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爬梯功能，將機(jī)器人分為三部分，分段式滑軌也相應(yīng)分為三段，每部分配備一段滑軌。當(dāng)機(jī)器人遇到樓梯時(shí)，滑軌上的配重滑塊向機(jī)器人后方移動(dòng)至中間，使其重心后移。隨后，最前面部分抬升到樓梯高度，以該部分為支點(diǎn)，抬升中間部分。接著，配重滑塊移至最前面，將重心轉(zhuǎn)移至前端，機(jī)器人隨后抬起后部。攀爬裝置與重心偏移裝置相結(jié)合，防止因重心不穩(wěn)而導(dǎo)致機(jī)器人反轉(zhuǎn)，確保爬梯過程安全高效。攀爬完成后，機(jī)器人在樓梯上工作，并自動(dòng)記憶此行為，以便在之后遇到樓梯時(shí)重復(fù)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化攀爬。

2.4 拖洗裝置

機(jī)器人配備清掃和拖洗裝置，真正實(shí)現(xiàn)了掃拖一體化［10］。拖洗裝置由水箱、清潔拖布的裝置和拖布構(gòu)成。清掃裝置采用拖布環(huán)形滾動(dòng)系統(tǒng)，將拖布分為兩部分，僅使用其中一段，另一段備用。運(yùn)行一段時(shí)間后，自動(dòng)切換至另一段拖布，并對前一段進(jìn)行清洗。這種設(shè)計(jì)避免頻繁清理工具，只需要在清潔結(jié)束后更換水箱內(nèi)的水，極大節(jié)省人力，提高清潔效率。

此外，拖洗裝置還裝配了升降裝置，在不需要拖洗的場景中升起拖洗裝置，使清掃裝置獨(dú)立運(yùn)行。同樣地，對不需要清掃的場景，也可只使用拖洗裝置。這樣的設(shè)計(jì)擴(kuò)大了機(jī)器的應(yīng)用范圍，滿足更多清潔需求。

2.5 五輪驅(qū)動(dòng)裝置

機(jī)器人搭載了五個(gè)輪子以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、兩個(gè)支撐輪和一個(gè)輔助輪，具有兩種運(yùn)動(dòng)模式［11］。一是驅(qū)動(dòng)輪平行排列（標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行模式），類似于汽車前輪，支撐輪自由旋轉(zhuǎn)，輔助輪使機(jī)器左右偏轉(zhuǎn)，用于清潔地面。二是驅(qū)動(dòng)輪直線排列，即將輪子繞固定軸旋轉(zhuǎn)90°，類似于汽車同側(cè)輪排列，固定其中一個(gè)支撐輪，將其作為支點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的直角轉(zhuǎn)彎。這種模式適用于墻角或樓梯清潔時(shí)調(diào)整方向，提高轉(zhuǎn)向的便捷性。

3 主要結(jié)構(gòu)件有限元分析

由于機(jī)器人需要長時(shí)間處理異物和污垢，因此，其工作件（包括清掃裝置和底盤）均由高強(qiáng)度合金鋼制成。此外，機(jī)器人搭配了拖洗裝置，部分零件也采用304不銹鋼。通過有限元分析對三臂邊刷和拖布傳動(dòng)葉片進(jìn)行檢測，確保機(jī)器材料的強(qiáng)度符合要求。

3.1 三臂邊刷靜力學(xué)分析

三臂邊刷是用三條高強(qiáng)度合金鋼制成的清掃臂，具有高硬度和優(yōu)良的耐磨性、耐腐蝕性。邊刷合理均勻地排列在中心圓盤上，形成有序的布局。清掃臂由中心圓盤連接至中間工作馬達(dá)，確保工作時(shí)的穩(wěn)定性。在工作過程中，機(jī)器人主要受三臂邊刷裝置施加的指向切線方向的壓力及地面對邊刷的垂直向上彈力，這對零件的硬度和耐磨性提出更高的要求。為確保機(jī)器人在極端環(huán)境下保持安全運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，還能發(fā)揮最大性能，對其進(jìn)行有限元分析，對清掃臂施加一個(gè)垂直地面向下的壓力，三臂邊刷彈性模量為2.1×1011 N/m2，泊松比為0.28，張力強(qiáng)度為7.2×108 N/m2，屈服強(qiáng)度為6.2×108 N/m2，其應(yīng)力云圖和位移云圖如圖3所示。

由圖3可知，對三臂邊刷施加5 N壓力，所受到的反作用力為4.8 N，等效應(yīng)力的最大值為3.2×108 N/m2，小于零件的張力強(qiáng)度（7.2×108 N/m2），最大位移量為3.3 mm。由此可知，三臂邊刷的強(qiáng)度和變形量均在合理范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 拖布傳動(dòng)葉片靜力學(xué)分析

拖布傳動(dòng)葉片由304不銹鋼制成，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性和較高的硬度。五片相同的拖布傳動(dòng)葉片均勻排列，并與水接觸，因此，提高拖布傳動(dòng)葉片零件的防腐蝕性尤為重要。此外，水起到潤滑作用，所以在傳動(dòng)軸表面加裝五片葉片，以增強(qiáng)葉片與拖布之間的摩擦力。工作時(shí)，機(jī)器受到沿葉片旋轉(zhuǎn)切線方向的拖布摩擦力，使拖布帶動(dòng)傳動(dòng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)。為了檢驗(yàn)葉片的強(qiáng)度是否符合要求，對葉片進(jìn)行靜力學(xué)分析，施加垂直于葉片的壓力以模擬拖布產(chǎn)生的摩擦力。拖布傳動(dòng)葉片彈性模量為2.1×1011 N/m2，泊松比為0.28，張力強(qiáng)度為7.2e×108 N/m2，屈服強(qiáng)度為7.0×108 N/m2，其應(yīng)力云圖和位移云圖如圖4所示。

由圖4可知，對拖布傳動(dòng)葉片施加1 N壓力，所受到的反作用力為1.8×10-7 N，等效應(yīng)力的最大值為6.8×106 N/m2，遠(yuǎn)小于零件的張力強(qiáng)度（7.2×108 N/m2），最大位移量為0.017 mm。由此可知，拖布傳動(dòng)葉片的強(qiáng)度和變形量均在合理范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本研究針對傳統(tǒng)清掃和拖洗方式在樓梯清掃和跨樓層清掃時(shí)的不便，設(shè)計(jì)出一款機(jī)器人，用以彌補(bǔ)這一缺陷。該機(jī)器人配備了清掃和拖洗裝置，并根據(jù)不同環(huán)境需求，實(shí)現(xiàn)清掃和拖洗裝置的獨(dú)立運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)真正的掃拖一體化。本研究為拖洗裝置設(shè)計(jì)了拖布環(huán)形滾動(dòng)系統(tǒng)和升降裝置，進(jìn)一步提高使用的便利性。此外，機(jī)器人還搭載了重心偏移裝置，確保在爬樓梯過程中重心保持在較低位置，增強(qiáng)安全性。

在充分考慮了機(jī)器人的各項(xiàng)功能后，使用SolidWorks軟件對機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并對三臂邊刷和拖布傳動(dòng)葉片進(jìn)行有限元分析，保障零件的強(qiáng)度和韌性，確保設(shè)計(jì)能滿足所有要求。因此，本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人不僅自動(dòng)化程度高、清掃效率高，而且具備樓層清理和跨樓層清理的能力，在市場上具有廣闊的應(yīng)用前景，為未來掃地機(jī)器人的發(fā)展提供技術(shù)借鑒。

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