智能清掃機器人行走驅動系統設計

都家宇

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.30.100

摘 要：智能清掃機器人作為服務機器人實用化發展的先行者，替代了傳統的人工清潔工作，具有十分廣闊的市場前景。行走驅動系統是一個能實現設計要求的理想化的智能清掃機器人的重要組成部分，是清掃機器人的主體。通過總結系統功能和設計要求明細表，確定設計方案，求解功能元，繪制系統功能原理方案的形態學矩陣，通過對比不同功能載體的優劣，找到符合設計方案的最優解，確定結構方案，從而設計出所需的智能清掃機器人行走驅動系統。設計出的行走驅動系統具有小型、平穩、靈活的特點，為機器人提供了結構上的保障，滿足了運動方式、運動速度、自我保護等多種功能，適用于家庭、賓館、辦公室等室內環境場合的半自動或全自動清潔。

關鍵詞：智能 小型 行走驅動系統 空間移動 移動機構

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（c）-0100-04

隨著社會經濟的高速發展，人口老齡化越來越嚴重，人力資源成本不斷增加，以提供服務為目的服務機器人逐漸進入了人們的視野。智能清掃機器人作為服務機器人的一種，給人們帶來很大的便利且具有好的社會和經濟效益。如果把固定式機器人視為對人類手臂動作和功能的模擬和擴展的話，那么具有移動功能的機器人就可對應于人類行走功能的模擬和擴展。清掃機器人行走驅動系統設計的優劣， 直接關系到清掃吸塵任務最終執行的好壞。

1 研究背景及意義

近年來，隨著計算機技術與人工智能科學的飛速發展，智能機器人技術逐漸成為現代機器人研究領域的熱點。服務機器人的出現主要有三大原因：一是勞動力成本的上升；二是人類想擺脫枯燥乏味的體力勞動；三是人口的老齡化和社會福利制度的完善也為某些服務機器人提供了廣泛的市場應用前景[1]。

清掃機器人的出現能夠很大程度地提高工作效率，降低勞動成本，徹底將人們從清掃工作中解放，因此具有很重要的意義[2]。在很多國家和地區，清掃機器人作為服務機器人應用的先行者，已經得到了廣泛的應用。

2 國內外研究現狀綜述

2.1 國內產品研究現狀

在國內，各個科研機構和院校都開始這方面的研究。浙江大學于1999年初對智能吸塵機器人進行研究，兩年后便成功研制出國內第一個具有初步智能的自主吸塵機器人，與蘇州TEK公司合作研發，到2003年系統在自主能力和工作效率上都有了顯著提高。

國內第一個產品化的清掃機器人是由深圳某家公司生產的KV8保潔機器人，如圖1所示，它可以設定虛擬墻，防止機器人跌落樓梯或者臺階。該款清掃機器人采用隨機式清掃策略，通過前端的碰撞傳感器實現障礙物的識別。它內置三種不同的工作模式，根據不同的工作環境選擇合適的模式[2]。

2.2 國外產品研究現狀

目前，國外在清掃機器人的研究領域完成了許多工作，取得了一定的成果，如伊萊克斯、日立、松下、三星等世界著名公司都已開發出智能吸塵機器人。德國 Kaercher公司生產的RC3000清掃機器人，它是世界上第一臺能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機器人。它只有50cm長，能夠自動清掃地面，能在完成清掃工作之后，自動返回充電站進行充電，充電時間為10～20min，充一次電能夠運行1h左右[3，4]。

此外，2003年11月，三星公司推出一款三星代號為VC-RP30W的機器人吸塵器，主要針對家庭市場。VC-RP30W主要依靠3D地圖技術進行定位，避障效果好，能夠快速、高效地對房間每個角落進行吸塵；當遇到障礙物或者死角等情況，VC-RP30W會自動轉向繼續工作[5-10]。

3 智能清掃機器人的組成結構

清掃機器人由五部分組成：主控制系統部分、執行電機部分、傳感器部分、輸入輸出部分和電源部分[1]。結構框圖如圖2所示。

4 設計方案

4.1 設計目標

本文設計的行走驅動系統主要工作于家庭、賓館、辦公室等路況不復雜、路面平穩的場地，為機器人清掃地面、毛毯上的垃圾灰塵提供動力。首要目標是實現機器人的空間移動，其次還具有平動、轉動、抗傾翻、控制運動速度、避免損壞其他物品等功能，在實現這些功能的前提下盡可能提高行走驅動系統的實用、經濟、美觀、環保等性能。

4.2 系統功能

對系統的總功能進行描述就是通過對任務的抽象進一步認識問題的本質，以便更好地求得相應的物理效應、解決原理和途徑，并對其進行優化。

確定系統總功能后，建立系統的總功能結構圖，如圖3所示。

建立智能清掃機器人行走驅動系統的功能樹，如圖4所示。

4.3 設計要求明細表

在對相關產品進行調研后，根據設計目標和系統功能，將定性說明轉化為定量說明，制定設計產品的設計要求明細表，如表1所示。

5 結構方案

5.1 功能元的求解

功能元的求解是指選擇實用的科技工作原理，構思實現工作原理的技術結構，即功能載體。

下面對于行走驅動系統的轉彎功能選擇其工作原理，構思其功能載體。在機械學內尋找合適的工作原理。查閱相應的設計原理方案目錄，得到轉彎方式及原理圖如表2所示。

除了表中列出的幾種轉彎方式外，還有單輪、兩輪、五輪和以上機構等多種轉彎方式。

對于支持和固定清掃機器人、傳遞運動和動力、控制運動方式、控制運動速度4個功能元，采用與求解轉彎方式功能元相同的辦法求解。

（1）支持和固定清掃機器人：履帶式移動機構；腿足式移動機構；車輪式移動機構。

（2）傳遞運動和動力：圓柱齒輪傳動；蝸輪蝸桿傳動；帶傳動；鏈傳動。endprint

（3）控制運動方式：兩輪獨立驅動；差動減速器驅動；前輪驅動前輪導向；全驅動。

（4）控制運動速度：圓柱齒輪傳動；蝸輪蝸桿傳動；帶傳動；鏈傳動。

5.2 功能原理方案的形態學矩陣

功能原理方案的綜合采用形態學矩陣。本系統的功能原理方案形態學矩陣如表3所示。

5.3 功能載體的選擇

5.3.1 移動機構的選擇

能夠在平面環境中移動的機構形式主要有履帶式移動機構、腿足式移動機構和車輪式移動機構[11]。

（1）履帶式移動機構：著地面積比較大，與路面的黏著力也較強，其形態可以根據地形改變，所以能夠在凹凸和松軟路面上移動，比較適用于路面狀況比較復雜的場合。

（2）腿足式移動機構：對步行的環境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結構性的復雜地面上行走，對環境有很好的適應性。但其結構復雜，運動控制的難度較大，且運動的速度比較慢。

（3）車輪式移動機構：能高速穩定地移動，能量利用率高，機構簡單，控制方便等[11]。

通過對比分析三種移動結構發現，本文設計的行走驅動系統工作于路面情況簡單的場所，不需要那么復雜的結構；后者結構極其復雜，各種關節的設計要求都很高，對于簡單的吸塵機器人來說顯然會增加機器人的成本和加工難度，因此選用車輪式移動機構作為機器人的本體行走機構。

5.3.2 轉彎機構的選擇

輪式移動機構可按車輪數來劃分一般有單輪、兩輪、三輪、四輪和五輪以上等幾種。其中單輪和兩輪移動機構存在穩定性問題，需要陀螺儀來維持平衡，主要用來進行直立穩定移動控制問題的基礎研究，而不是著眼于機器人移動機構的實用化問題，這里不再贅述；三輪和四輪移動機構比較常見，如果僅限于平地移動的話，三輪機構已經可以了，但考慮到高速移動時的穩定性問題，一般多采用四輪機構[12]；五輪和五輪以上等特殊的移動機構與四輪移動機構相似，只是穩定性更強，但其結構要復雜的多。

綜上所述，智能清掃機器人的轉彎機構應采用四輪移動機構。

5.3.3 傳動和控制運動速度機構的選擇

常見的傳動方式主要有圓柱齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、帶傳動和鏈傳動，下面對這4種傳動方式進行分析比較。

（1）圓柱齒輪傳動具有適應性廣、傳動效率較高等優點，但制造和安裝精度要求高，成本高，從而提高了加工難度。

（2）蝸輪蝸桿傳動具有很大的傳動比，結構緊湊，傳動平穩，噪聲較小，并可改變傳動方向[13]。

（3）帶傳動結構簡單，成本低廉，具有緩和沖擊、吸收振動的優點，但其主要適用于中心距較大的傳動，傳動外輪廓尺寸較大，且有彈性滑動和打滑[13]，本文設計的行走驅動系統體積較小，故不宜采用帶傳動來傳遞動力和運動。

（4）鏈傳動雖沒有彈性滑動和打滑，且能保持準確的平均傳動比，結構緊湊，安裝精度要求較低，但其傳動平穩性差，工作中有一定的沖擊和噪聲[13]，與運行平穩安全這一設計目標相矛盾，故不宜采用鏈傳動來傳遞動力和運動。

綜合考慮傳動效率、傳動比、傳動平穩性、加工難易度、成本、安全性能等多方面因素，傳遞運動和動力及控制運動速度最宜采用蝸輪蝸桿傳動。

5.3.4 控制運動方式機構的選擇

兩輪獨立驅動機構、差動減速器驅動機構、前輪驅動前輪導向機構、全驅動機構為比較常見的控制智能清掃機器人運動方式的4種機構，下面對這四種機構進行分析比較。

（1）兩輪獨立驅動機構：機器人的行進方向由兩輪驅動機構的速度差值決定，通過對兩個電機施加不同的速度可實現任意方向的驅動。這種結構的特點是運動靈活，機構組成簡單；當兩輪轉速大小相等方向相反時，可以實現機器人本體的零半徑回轉，缺點是要求伺服驅動系統要求有足夠的精度和優異的動態特性[14]。

（2）差動減速器驅動機構：導向控制電機通過減速器控制導向前輪，決定了機器人本體的運動方向。

這種移動機構和驅動系統傳動效率較高，制造成本較低；但在傳動模式上仍是機械傳動模式，結構比較復雜，體積較大，質量也比較大，同時運動不靈活，不能實現機器人本體的小半徑回轉運動[14]。

（3）前輪驅動前輪導向機構：該機構中的前輪既是驅動輪又是導向輪，采用兩個電機分別控制，導向電機控制前輪的轉向角度，驅動電機控制前輪的旋轉速度。

該種移動機構的特點是控制比較方便，能耗低，對于伺服系統和制造裝備精度要求不高，而且旋轉半徑可以從0到無窮大連續變化；缺點是由于導向和驅動的驅動器均集中在前輪部分，復合運動結構設計復雜，而且車體本身的運動并不十分靈活[14]。

（4）全驅動機構：每個輪子均沒有轉向機構，只能進行前后方向上的旋轉運動。機器人平臺只能通過滑動轉向方式進行方向控制，即完全靠兩側驅動輪獨立驅動產生的速度差使車輪產生側向滑動來完成轉向操作。

因此，這種機構的致命缺點是轉向損耗較大。該機構的優點是可以實現不同半徑甚至原地零半徑的轉向，可以滿足崎嶇地形移動機器人的性能要求[14]。

綜上所述，從體積質量，伺服驅動系統精確度，成本，運動靈活性，能否實現小半徑回轉，穩定度，控制簡單，設計簡單角度總觀：應采用兩輪獨立驅動來控制清掃機器人的運動方式。

5.4 系統原理示意圖

通過以上分析可知，在本設計中，機器人的總質量不是很大，考慮到清掃機器人的實際工作場合，采用四輪機構能滿足要求，轉向方式采用中間的左右兩輪分別驅動、前后的萬向輪隨動的方式。通過中間的兩個步進電動機帶動蝸輪蝸桿傳動，再進一步將運動傳遞到車輪。由于步進電動機是通過改變輸入的脈沖頻率來調速的，因此，對兩個步進電動機輸入不同的脈沖頻率，就可以使兩個驅動輪獲得不同的速度，從而使機器人實現直線前進、后退和轉彎等功能。行走機構原理示意圖如圖5所示。endprint

6 結構特點和使用領域

行走機構驅動系統由雙步進電動機、蝸輪蝸桿、軸、驅動輪和萬向輪組成。步進電動機和蝸桿通過聯軸器相連接，動力經過蝸輪蝸桿的嚙合運動傳遞，蝸輪和驅動輪安裝在同一傳動軸上，具有相同的轉速，軸再通過鍵連接，從而帶動兩輪驅動，推動機器人運動。前輪不再采用傳統的球式從動輪結構，而采用了應用非常廣泛的雙軸承萬向輪，這既增加了運動的平穩性，又提高了轉彎的靈活性。

本設計中的智能清掃機器人具有小型、平穩、靈活的特點，它將清掃機器人技術和吸塵技術有機地融合起來，適用于家庭、賓館、辦公室等室內環境場合的半自動或全自動清潔。

7 結語

本文設計的智能清掃機器人行走機構驅動系統體積較小，主要工作于家庭、賓館、辦公室等路況不復雜、路面平穩的場地，為機器人滿足工作要求提供了結構上的保障，滿足了運動方式、運動速度、自我保護等多種功能，與清掃機器人的其他組成部分有機配合，能達到很高的性能。

隨著傳感器技術、電子技術、計算機技術、人工智能等相關科學與技術的發展，成本低、功能強、智能化程度高、適應性強的自動清掃機器人將會很快出現并服務于社會，促進整個社會的經濟發展。

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[14] 三輪機構四輪機構[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/aa0f9647a8956bec0975e3f9.html.endprint