多功能清潔機器人機械結構設計與控制*

□ 苗玉剛 □ 文家雄 □ 尹藝澄

四川信息職業技術學院電氣工程系 四川廣元 628040

1　研究背景

隨著建筑業的發展，高樓大廈的外墻和樓頂越來越多地采用玻璃材質。樓頂玻璃長期暴露在外，容易積累雜物，會嚴重影響建筑物的美觀和采光，且玻璃樓頂承載能力弱，清潔面積大，人工清潔耗時耗力，同時存在安全隱患。目前市面上流行的清潔機器人均不適用于高層樓頂玻璃的清潔：家庭掃地機器人清掃面積小，續航時間短，清掃能力弱，不適合戶外大面積大顆粒物的清掃；地面清潔車體積笨重，無自主導航功能，不適合屋頂、樓頂和天臺等場合的清掃；爬壁清潔機器人主要用于高樓大廈戶外玻璃幕墻的灰塵清潔，工作效率低，技術不成熟，難以推廣應用。

與室內環境不同，戶外環境具有清潔環境多樣、沙塵顆粒物大、垃圾種類繁多等特點，清潔難度大，耗時費力，很多學者對此進行了探索研究。陳志權等［1］設計了一款基于單片機的戶外玻璃雨棚清潔系統，可以實現平面玻璃結構清掃、清潔劑噴灑、水洗等功能。楊存志等［2］設計了自主導航牛舍清潔機器人，可以實現各種漏縫地板的自動清掃。矯玉菲等［3］設計了一種新型智能清潔機器人，可以使機器人在平地上行走、攀爬樓梯，實現復雜地面的拖地、吸塵工作。 Ranjani等［4-5］設計了自主導航戶外玻璃幕墻清潔機器人，通過吸附攀爬技術實現豎直方向平面玻璃的清潔。

在上述研究的基礎上，基于可重構思想，采用模塊化設計方法［6］，筆者設計研發了一款結構輕巧、清掃能力強、清潔面積大、續航時間長、擁有自主導航功能的多功能清潔機器人，以替代傳統的人工清潔作業方式，提高勞動效率，降低勞動強度，減小勞動力成本，進而提升人們的生活環境。

2　總體結構設計

多功能清潔機器人總體結構設計如圖1所示。

3　組成模塊與功能

多功能清潔機器人的組成模塊包括驅動清掃結構模塊、灑水系統模塊、拖地清潔結構模塊、控制系統模塊、傳感檢測系統模塊和圖像傳輸系統模塊等，集機械電子、傳感器、自動控制、機器人、網絡通信和路徑規劃等諸多學科知識為一體，具有防碰撞、跌落感知、自主導航路徑規劃、路面監控、手機遠程操控、紅外遙控等功能。

▲圖1 多功能清潔機器人總體結構設計

4　設計參數計算

（1）灑水系統模塊。灑水系統模塊參數主要包括水箱容積、水泵參數及灑水速率等。噴水管設計灑水速率為0.35 L/min，連續工作1 h為一個周期，則所需要的水箱容積V=0.35×60=21 L。

根據相關數據，選擇水泵參數如下：尺寸90 mm×40 mm×35 mm，電壓 12 V，電流 1 A，流量 1.5 L/min。

（2）驅動電機。為了保證清潔機器人能正常工作，需要選擇合適的驅動電機。電機功率過小，會出現小馬拉大車的現象，造成電機長期過載、發熱，進而損壞，無法使清潔機器人正常運動。電機功率大，雖然可以保證機器人在多種環境下運動，但電機的體積、質量和成本也會隨之增大，造成不必要的浪費［6］。

設計確定機器人的總質量m1=16.5 kg，灑水箱裝滿水后的總質量m2=21 kg，行走速度v=0.2 m/s，驅動輪半徑r=90 mm，摩擦因數μ=0.1，同步帶傳動效率η=0.98，則驅動輪轉矩 T=Fr/η=（m1+m2）gμr/η=3.38 N·m，F為摩擦力，單個驅動輪所需轉矩T1=T/2=1.69 N·m，單個 驅動 輪負載功率 P1=Fv/η=（m1+m2）gμv/（2η）=3.75 W。

電機在起動、制動時，負載電流會增大，會導致內部損耗增大，因此預選電機額定功率時，應將負載功率擴大至1.1～1.6倍。根據計算的數據選擇直流減速電機，其主要參數如下：電壓12 V，功率60 W，扭矩2.4 N·m，額定轉速 360 r/min。

（3）傳動帶。同步齒形帶傳動具有傳動比準確、傳動效率高、耐磨性好、預緊力小、瞬時速度均勻、噪聲小等優點［7］，因此筆者選擇同步齒形帶傳遞扭矩。根據機械設計手冊中的計算方法，筆者選擇同步齒形帶型號為545-5M-15，選擇同步齒形帶輪型號為30-5M-15-AF。

5　驅動清掃結構模塊設計

由于三輪機器人具有良好的穩定性，結構簡單，應用廣泛，因此驅動清掃結構模塊采用三輪結構布局，如圖2所示。驅動清掃結構模塊的主要功能是驅動機器人行走，向螺旋刷及邊毛刷提供動力，同時承載部件。左右輪為驅動輪，前輪為萬向輪，直流電機通過同步齒形帶與驅動輪連接，控制器通過差動方式驅動電機，電機通過同步齒形帶帶動驅動輪轉動，結合前端萬向輪導向，從而實現清潔機器人的移動和轉向。驅動輪上裝有大齒輪和圓帶輪，圓帶輪通過圓帶和邊毛刷圓帶盤連接，大齒輪通過小齒輪、單向軸承和螺旋刷連接，大小齒輪的傳動比為5∶1。當驅動輪轉動時，圓帶輪帶動左右邊毛刷實現順逆時針旋轉，將路面垃圾掃至中間位置，同時大齒輪帶動小齒輪旋轉，小齒輪通過單向軸承帶動螺旋刷轉動，將中間位置的垃圾掃至垃圾箱中。

清潔機器人前進時，邊毛刷和螺旋刷同時旋轉清掃垃圾，大小齒輪5∶1的傳動比可以保證螺旋刷快速旋轉，將垃圾清掃干凈。后退時，由于單向軸承的作用，螺旋刷不轉動，邊毛刷反向轉動將垃圾掃向兩邊。邊毛刷及螺旋刷工作時借助于驅動輪的動力，沒有使用單獨的驅動電機，簡化了結構，降低了成本，減輕了整體質量。

▲圖2 驅動清掃結構模塊

6　灑水系統模塊設計

灑水系統模塊主要包括水箱、水泵、水管和噴水管。水箱通過活動卡扣安裝在垃圾箱上方，水泵通過螺釘安裝在支架板上，噴水管通過支架和螺釘固定在支架板上，水箱、水泵和噴水管之間通過水管連接。噴水管上均勻地開有小孔，當水泵電機接通時，水就會通過小孔均勻地灑向地面，以便后序清潔。

7　拖地清潔結構模塊設計

拖地清潔結構模塊如圖3所示，主要功能是配合驅動清掃結構模塊，完成地面灰塵、污漬的清潔。安裝板塊和連接板塊通過銷軸鉸接，并且由左右兩根彈簧拉緊。連接板塊通過銷軸和拖把支架鉸接，拖把支架上安裝有拖布，整個拖把機構通過安裝板塊和螺釘固定至清潔機器人的后板上。清潔機器人工作時，手動將拖把機構放下，拖把機構在彈簧彈力的作用下壓緊地面，進行拖地工作。清潔結束時，手動將拖把機構抬起，拖把機構在彈簧拉力的作用下保持抬起狀態以便于存放。這種結構設計的優點是遇到不平整地面時，由于彈簧的調節作用，拖把機構始終能壓緊地面，完成拖地工作。

▲圖3 拖地清潔結構模塊

8　三維實體建模

多功能清潔機器人各結構模塊參數確定以后，應用SolidWorks軟件對整體結構進行三維實體建模。SolidWorks是一款基于Windows平臺的主流三維設計軟件，采用參數化特征建模技術，界面簡潔，易于上手，產品從零件設計、裝配仿真到最后工程圖都可以一體化完成，設計過程流暢簡便，為設計人員節約了大量的產品修改時間，從而能將更多的時間用在產品創新設計上，提高產品的競爭力［8-10］。

對清潔機器人進行整體結構三維實體建模，可以檢查各部件的形狀尺寸及部件之間的配合性和裝配性，還可以對關鍵部件進行力學分析，對整體結構進行質量校核與運動分析，不僅可以提高產品設計的準確性，還可以縮短設計周期，降低設計成本。多功能清潔機器人三維實體模型如圖4所示。

9　控制系統模塊設計

多功能清潔機器人控制系統模塊如圖5所示，主要包括主控制器、電機驅動模塊、傳感檢測模塊、無線通信模塊、電源模塊，以及提供輔助功能的顯示屏、指示燈、按鈕開關等。主控制器采用單片機，各模塊在主控制器的統一控制下，分工明確，協調工作，共同保障清潔機器人正常工作。

▲圖4 多功能清潔機器人三維實體模型

▲圖5 控制系統模塊

（1）主控制器。主控制器采用AT89C52單片機，利用C語言編程，通過程序實現對整個清潔機器人的控制。主控制器主要功能如下：接收傳感檢測模塊傳送的外部環境數據信息，綜合分析處理并顯示給用戶；通過脈沖寬度調制信號驅動直流電機，控制清潔機器人行走、避障；通過繼電器控制水泵灑水；通過輸入輸出口信號控制液晶顯示屏、發光二極管指示燈和按鈕開關等工作。

（2）電機驅動模塊。電機驅動模塊采用功耗低、效率高、穩定性好的L298N雙H橋直流電機驅動芯片，供電電源為5 V標準電壓，有四個輸入端和四個輸出端，可同時控制兩路直流電機［11-12］。單片機輸出的兩路脈沖寬度調制方波信號經光電隔離后，驅動L298N芯片控制兩路直流減速電機，實現清潔機器人的前進、后退、轉彎和避障等基本動作。

（3）傳感檢測模塊。紅外傳感器成本低，使用方便，適用于短距離的測量。超聲傳感器方向性好，穿透能力強，適用于惡劣環境下的距離測量［13］。超聲傳感器和紅外傳感器在測距方面各有所長，在功能上可以實現互補，清潔機器人采用兩種傳感器結合的方式檢測路面環境。檢測系統模塊中，紅外傳感器和超聲傳感器相互協作，共同完成避障工作。此外，在清潔機器人前端底部安裝了兩個紅外傳感器，發射接收頭垂直于地面向下，防止地面出現落差，機器人從高處跌落。光電編碼器用于檢測驅動輪的速度，電子羅盤傳感器用于檢測行駛方向。

（4）無線通信模塊。紅外遙控裝置功耗低、功能強、成本低，因此清潔機器人的遠程操控采用紅外遙控裝置，同時，還可以通過無線保真功能，使用手機遠程監控清潔機器人的工作狀態。

（5）電源模塊?？傠娫床捎每沙潆婁囯姵?，輸出電壓為12 V，各模塊需要的電壓為12 V、5 V和3.3 V不等，利用穩壓芯片LM2575和LM2596對總電源進行穩壓、降壓處理，再分別供給各模塊。

（6）外圍器件。液晶顯示屏顯示清潔機器人的工作模式、工作速度、工作時間和日期等，發光二極管指示燈用于顯示清潔機器人的工作狀態和故障報警。

10　結論

多功能清潔機器人以AT89C52單片機為主控制器，采用模塊化設計，結構緊湊，功能豐富，使用范圍廣，可以實現高層樓頂玻璃及大型商場等瓷磚地面的有效清潔，在很大程度上減輕了清潔人員的勞動強度，提高了工作效率。如何采用優化設計方法，使清潔機器人的結構更輕巧，功能更完善，且更智能化，是筆者目前正在研究的問題。本文的設計研究思路，為清潔機器人的應用場合多元化研究提供了參考。

［1］ 陳志權，楊穎珊，張鑒勇，等.基于單片機STC 89C 52RC的家用雨棚清潔系統［J］.科技視界，2016（27）：31-32.

［2］ 楊存志，賀剛，堯李慧，等.全自走牛舍清潔機器人的設計［J］.農機化研究，2017，39（5）：90-94.

［3］ 矯玉菲，侯榮國，蘇秋平，等.一種新型智能清潔機器人及其控制方法［J］.制造業自動化，2013，35（24）：26-29.

［4］ RANJANI R，NANDHINI M，PRAKASH C A.Autonomous External Glass Cleaning Robot［J］.Applied Mechanics and Materials，2016，852：757-762.

［5］ 唐雯珍，錢瑞明.一種玻璃幕墻清潔機器人的設計［J］.機械設計與制造工程，2017，46（1）：45-48.

［6］ 洪云波.多功能清潔機器人研究［D］.蘇州：蘇州大學，2015.

［7］ 苗玉剛，朱奎林，王剛.一種小型精密伺服電子壓力機設計研究［J］.制造技術與機床，2017（6）：113-117.

［8］ 苗玉剛，文家雄，何玉輝.JWM系列升降機殼體動力學分析［J］.機械與電子，2017（2）：9-12.

［9］ 苗玉剛.電阻應變片封裝用精密壓力加載設備設計［D］.漢中：陜西理工學院，2015.

［10］苗玉剛，王剛，金洪吉，等.一種綠色節能的復合夾緊系統［J］.機械制造，2017，55（7）：7-10.

［11］梁辰滔，閆娟，張浩，等.環保型復合式避障清潔機器人的設計［J］.機械工程師，2015（10）：193-194.

［12］肖龍雪，池申，羌慰，等.內頂軌道驅動式課桌清潔機器人設計［J］.機械設計與制造，2015（7）：139-141，145.

［13］張建龍.清潔機器人避障控制及路徑規劃［D］.武漢：武漢科技大學，2015.