家用樓梯全方位移動清潔機器人的研究

劉振鵬 劉陸軍 鐘 力 趙文哲 / 上海電機學院

家用樓梯全方位移動清潔機器人的研究

劉振鵬 劉陸軍 鐘 力 趙文哲 / 上海電機學院

針對家庭復式樓梯的清潔問題，研制了一款輕便、小巧且能夠在樓梯上全方位移動的自動清理機器人，對該機器人的設計、應用中的問題進行了研究。

家庭復式樓梯；清掃機器人；爬梯機構

近年來，隨著科技的飛速發展，智能機器人技術逐漸成為現代機器人研究領域的熱點。其中家庭服務機器人開辟了應用的新領域，帶動了家庭機器人行業的發展，也促進了移動行走機器人技術、傳感器技術和控制技術等相關技術的發展。目前用于室內清潔的機器人只能實現地板的清掃，以及在這個功能基礎上的智能化，而專門為家庭復式樓梯清理而設計的機器人很少涉及。為此設計了一款輕便、小巧，且能夠在樓梯上實現全方位移動的自動清潔機器人。該機器人將攀爬技術、全方位移動技術和清潔吸塵技術巧妙的融合起來，實現了家庭復式樓梯的攀爬和全方位清潔，可替代傳統的人工清潔樓梯的工作。該機器人主要包含升降、移動、避障、清掃等機構，應用后將降低了人們的勞動強度、提高了工作效率，應用前景廣闊。

1.清潔機器人的結構

家用樓梯全方位移動清潔機器人主要有升降部分、伸縮部分、清掃部分以及控制系統組成，如圖1所示。

圖1 裝置整體結構示意圖

2.家用樓梯全方位移動清潔機器人的主要機構設計

2.1 舉升機構設計

舉升部分選用叉形機構，使用步進電機帶動絲杠轉動驅動上平臺升降，升降部分實現清潔小車在各層樓梯上的攀爬，如圖2所示。升降機構外形更矮，采用硬度高，質量輕的合金，降低舉升機構的自重，承載能力大和通用性強等特點，步進電機作為動力源。舉升機構的兩個支撐臂處采用齒輪嚙合，使整個機構更加穩定。清掃頭靠懸掛系統實現懸掛且與舉升機構和滑塊系統連接，其中滑塊與絲杠配合并由步進電機驅動絲杠旋轉實現滑塊帶動清掃頭水平的移動。

圖2 升降結構示意圖

2.2 移動機構設計

平臺移動機構通過四個小型直流電機驅動四個麥克納姆輪實現在樓梯平面上全方位的移動，保證清掃無死角。移動機構如圖3所示。這種全方位移動方式是基于一個有許多位于機輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機輪轉向力轉化到一個機輪法相力上面。依靠各自機輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產生一個合力矢量從而保證了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動，而不改變機輪自身的方向。機器人設精細防撞防摔感應，利用傳感器檢測樓梯的高度與及寬度，當小車接近墻壁或者鏤空的階梯時能夠自動識別并避開，保證小車的安全工作，還避免了樓梯及墻壁的劃痕損壞。

圖3 移動與清掃機構俯視圖

2.3 清掃機構設計

清掃機構利用在移動平臺安裝的電機驅動的清掃頭實現在樓梯面上任意方向的運動，并將垃圾掃到機器底部的儲塵室，如圖3所示。為使清潔更加安全有效，在車身前后還各設置兩個掃刷，十字形的吸塵口使垃圾被有效的吸入。垃圾收集機構利用負壓的原理，將掃入小車底部的垃圾收集到小車內部的收集箱，收集箱內設有濾網和濾塵網，分別用來過濾大顆粒垃圾和灰塵，最后經過凈化的空氣由小車后部的排氣口排出。

2.4 控制系統設計

機器人的控制系統包括電機的驅動與控制系統和傳感系統。電機的控制采用基于單片機的控制系統。基于傳感器技術的識別裝置主要利用超聲波傳感器和紅外傳感器。利用傳感器實現了躲避5厘米以上落差、防止機身跌落的功能，以及推斷行走距離的功能。

3.家用樓梯全方位移動清潔機器人的工作過程

在進行攀爬樓梯任務時，由于要將機器推送到正確樓梯高度，因此本裝置通過傳感器Ⅶ感應樓梯的高度，然后控制電機I1啟動，通過舉升機構Ⅰ將機器推送到達正確高度。同時為了防止移動滑塊Ⅲ將清潔小車推送置于臺階上的過程中，因小車的前移使得重心偏移導致機械裝置傾斜得問題，該裝置用距離傳感器檢測，當機器前部與樓梯壁在一定距離以內時，小車停止移并啟動電機帶動滑塊移動，將清潔小車準確的推送置于臺階上。

圖4 清潔車爬樓示意圖

通過四個直流編碼電機Ⅳ提供動力，進行行走，利用四個電機驅動的麥克納姆輪Ⅷ，可以通過調節電機Ⅳ轉速及轉向，實現小車在樓梯平面上做任意方向的運動，并且實現零轉彎半徑的移動。通過車身上四個方向的傳感器與驅動電機的連接，避開樓梯懸崖，使得機器可在樓梯上自由行走而不會掉落。通過掃刷1以適當的速度旋轉，將垃圾掃至機器底部。將吸塵口2設計成十字形，可使吸力更集中，并且吸收面積更大，使垃圾灰塵經過吸塵口更容易被吸走；集塵風扇電機的轉速為1.25萬轉/分鐘，可發揮強大吸力；垃圾雜物通過濾網滯留在垃圾收集箱內，空氣經過濾塵網凈化后，由機體尾部排出，有效的過濾各種垃圾，避免二次污染。

[1]陳以國.環衛清潔機械裝備行業市場分析[J].環境衛生工程,2012,1.

[2]韓珩,張波.關于AT89C51的智能清潔機器人設計[J].甘肅科技2008,5.

[3]徐德,鄒偉著.室內移動式服務機器人的感知、定位與控制[M].北京：科技出版社,2008.

劉振鵬:男，上海電機學院機械設計制造及自動化專業本科生。

劉陸軍:男，上海電機學院機械電子工程專業本科生。

鐘力:女，上海電機學院機械學院副教授。

趙文哲:男，上海電機學院機械設計制造及自動化專業本科生。

上海市大學生創新活動計劃項目A1-5701-16-011-03-28。