智能清掃機器人行走驅動系統設計分析

孫嘉潞

Design and Analysis of Traveling Drive System of Intelligent Cleaning Robot

摘要：智能清掃機器人有機結合機器人技術與吸塵器技術，能夠實現地面環境自動化清潔，取代傳統人工清潔，解放了勞動力，受到社會普遍關注。在我國經濟水平不斷提高的新經濟時代，智能清掃機器人的前景極為廣闊。行走驅動系統是智能清掃機器人的一個主要組成，直接影響到機器人的使用性能。本文主要介紹智能清掃機器人的主要組成與結構，并分析設計行走驅動系統的一些技術。

Abstract： The intelligent cleaning robot organically combines the robot technology and vacuum cleaner technology， can realize the automatic cleaning of the ground environment， replace the traditional manual cleaning， liberate the labor force， and receive widespread attention from the society. In the new economic era where China's economic level is continuously improving， the prospects for intelligent cleaning robot are extremely broad. The traveling drive system is a major component of the intelligent cleaning robot and directly affects the performance of the robot. This article mainly introduces the main components and structure of intelligent cleaning robots， and analyzes and designs some technologies of the traveling drive system.

關鍵詞：智能清掃機器人；行走驅動系統；設計

Key words： intelligent cleaning robot；traveling drive system；design

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0164-02

0 引言

智能清掃機器人主要組成是五個部分，包括電源部分、輸出與輸入部分、傳感器、執行電機、主控制系統。智能清掃機器人的主要結構是主控系統包括了電源系統、智能軟件、輸入輸出、傳感器和執行電機，其中智能軟件又包括了返回充電站路徑的規劃算法、覆蓋路徑的算法；輸入輸出包括遙控子系統、鍵盤顯示子系統；傳感器部分包括了塵倉紅外監測、地面光敏監測、碰撞監測、里程計和邊緣、過流、浮動監測；執行電機的部分包括了吸塵子系統和行走驅動子系統。

1 設計智能清掃機器人的結構

智能清掃機器人在結構上的設計主要是：車體、吸塵機構、移動機構和感知機構。由于其復雜的機構與控制，通常所用的形狀都是圓形，這種形狀的主要優勢就是方便控制，運動時不會輕易碰撞到障礙物。移動機構組成是：兩個伺服電機與對應驅動。在感知機構上的設計組成主要是機器人兩側光電傳感器，檢測元件是光電元件，其組成通常是光電元件、光學通路和光源，光電傳感器能探測機器人具體位置，判斷能不能進行轉彎。吸塵系統主要組成是：吸室、氣泵、吸嘴、吸道等，屬于小型的吸塵器[1]。吸塵原理是吸塵器電機葉扇受到電動機的驅動，排除電機空氣，電機內部與外界構成氣壓差，外界氣體進入到電機內。垃圾被吸進吸塵器的吸室中，并留在吸室而空氣被排出。

2 設計智能清掃機器人行走驅動系統的功能

智能清掃機器人主要在路面比較平穩，路況簡單的場地中使用，比如辦公室、賓館和家庭等。行走驅動系統主要是提供機器人掃除地面垃圾和灰塵、毛毯垃圾灰塵所需要的動力，其工作目標：第一是要保證機器人空間移動；第二是避免器人損壞物品、對機器人運動速度進行控制，抗傾翻、轉動、平動等功能；第三，在保證這些實用功能的基礎上提升行走驅動系統環保、美觀和經濟等功能[2]。

行走驅動系統的具體設計要求是：①在幾何方面，要求行走機構的最大外徑要達到400mm，最大高度要達到200mm。②在運動方面，要求能夠實現旋轉、直線等多樣化運動，確保機器人能隨意移動，機器人的移動速度要在0.3～1m/s范圍之內，其加速度要超過10m/s2。同時要保證機器人平穩和靈活運動，其旋轉半徑要小于0.5m，旋轉半徑為0，并且具有較高的轉彎靈活性。③在力方面，機器人要能承受機器人重量大于400N，行走機構的最大重量要小于150N，能夠承受的電動機轉矩要大于100N·m，同時要具有足夠的剛度與強度。④在材料方便，要求使用鋁合金鋼材硬鋁或普通鋼材。⑤在安全與人機關系方面，要保證機器人不會被撞壞，也要防止機器人將其他物體撞壞。同時要降低重心，防止發生傾翻，要保證使用簡單，方便維護[3]。⑥在加工與檢查方面，要盡可能使用外購件或標準件，關系到安全的聯接要方便檢查。⑦在使用和保養方面，要方便進行維修和保養工作。

3 選擇智能清掃機器人行走驅動系統的功能載體

3.1 選擇移動機構

智能清掃機器人要確保可以在平滑地面上正常移動，可以選擇的機構形式有車輪式、腿足式和履帶式等移動機構，需要結合移動結構特征和實際應用的場所進行選擇。①履帶形式的移動機構，具有較大的著地面積，和路面會產生很強的黏著力，能依照地形變化形態，因此在松軟和凹凸地面上也能夠移動，在路面狀況復雜場合也比較適用。②腿足形式的移動機構，對步行環境沒有很高的要求，在平地和非結構性復雜地面上都能夠正常行走，比較能適應環境。不過這種移動機構較為復雜，在運動控制上有較大的難度，同時其運動速度也相對較慢[4]。③車輪式的移動結構，能穩定、高速移動，具有較高的能源利用率，其機構比較簡單，能很方便地控制。通過分析移動結果，在路面簡單的地方不需要復雜結構，但對各關節設計的要求比較高，本文使用的移動機構是車輪式。

3.2 選擇轉彎機構

輪式的移動機構中依據車輪數可以分成多種輪，比如單輪、雙輪、三輪等等。單輪與雙輪的移動機構不太穩定，要借助陀螺儀保持平衡，在智能清掃機器人的移動機構中不太適用。三輪與四輪形式的移動機構應用比較普遍，若只在平地移動，采用三輪移動機構即可。不過若是想要在高速移動時保持穩定，通常使用的是四輪移動機構。五輪及超過五輪的移動機構類似與四輪形式的移動機構，不過其具有更強的穩定性，結構也更加復雜。所以，智能清掃機器人所用轉彎機構是四輪形式的移動機構。

3.3 選擇傳動與控制運動的機構

鏈傳動、帶傳動、蝸輪蝸桿式傳動和圓柱齒輪式傳動等傳動方式比較常見，其各自優缺點是：①圓柱齒輪式傳動的優點是具有較高的傳動效率和較廣的適應性，缺點是成本高，制造與安裝的精度也高，導致加工難度大。②蝸輪蝸桿式傳動的優點是傳動比較大，具有緊湊的結構和較小的噪聲，能平穩進行傳動，同時能調整傳動方向。③帶傳動的優點是成本低，結構比較簡單，能吸收振動也能對沖擊進行緩和，缺點是有大中心距的傳動中比較適用，有較大的傳動外輪廓，同時會發生打滑與彈性滑動。在較小體積的行走驅動系統中，不適合適用帶傳動[5]。④鏈傳動的優點是不會出現打滑和彈性滑動，能維持準確平均的傳動比，具有緊湊的結構，要求的安裝精度也比較低。其缺點是傳動的平穩性比較差，在工作中會發出噪聲且會有沖擊，達不到平穩安全運動的目標，也不適合在智能清掃機器人的行走驅動系統中應用。所以在考慮安全性能、成本、加工難度、傳動平穩性、傳動比和傳動效率等因素的情況下，最好借助蝸輪蝸桿傳動方式來傳遞動力與運動，同時對運動速度進行控制。

3.4 選擇控制運動方式的機構

在對智能清掃機器人的運動方式進行控制時，常用的機構有四種：全驅動、前輪驅動、差動減速器驅動和兩輪獨立型驅動機構，分析和比較這四種驅動機構，選擇最適合應用在智能清掃機器人行走驅動系統中的機構。①兩輪獨立型的驅動結構，其工作原理是通過兩輪驅動機構速度差值確定機器人行進的方向，施加給兩個電機不同速度能往隨意方向驅動。其主要優點是能靈活運動，其機構組成也比較簡單化。在兩輪轉速在大小上相同而在方向上相反的時候，智能清掃機器人就能實現零半徑回轉。其主要缺點是伺服驅動系統必須要有足夠精度，動態特性也必須優異。②差動減速器式驅動機構，其工作原理是導向控制的電機借助減速器對導向前輪進行控制，確定機器人運動的方向。其主要優點是：具有較高的傳動效率，制作成本也不高。缺點是：傳動模式是機械化的，結構復雜，具有較大的體積和較大的質量，且運動不夠靈活化，小半徑回轉無法實現。③前輪驅動與前輪導向的機構，其工作原理是機構前輪作為驅動輪與導向輪，借助兩電機進行分別控制，其中導向電機主要對前輪轉向的角度進行控制，而驅動電機主要是對前輪旋轉的速度進行控制。這種機構的優點主要是：方便進行控制，具有較低的能耗，不對制造裝備與伺服系統精度提出過高要求，同時其旋轉半徑能從無限連續變化。其主要缺點是：前輪集中了驅動與導向驅動其，所設計的復合型運動結構較為復雜，同時車體本身運動也較為僵硬，不夠靈活化，不方便智能清掃機器人的隨意運動[6]。④全驅動式機構，其工作原理是所有輪子都不具備轉向機構，只有前進方向可以進行旋轉運動。控制智能清掃機器人的運動方向之后借助滑動轉向，也就是依靠兩側的驅動輪在獨立驅動時候出現的速度差，使機器人發生側向滑動，從而實現轉向操作。這種機構主要優點是讓機器人實現原地零半徑或不同半徑上的轉向運動，移動機器人在一些崎嶇的地形中也能移動。其主要缺點是會有很大的轉向損耗。所以，在對設計是否簡單、控制是否方便、穩定度、能不能達到小半徑回轉、運動靈活性高不高、成本、伺服驅動系統的精度和體積質量等方面綜合考慮的基礎上，選擇使用兩輪獨立型驅動對智能清掃機器人運動方式進行控制。

3.5 智能清掃機器人行走驅動系統的工作原理

在分析行走驅動系統各個部位選擇的基礎上可以發現，機器人總質量不大，結合智能清掃機器人實際工作的場合，選擇四輪機構就能達到要求，在轉向方式上主要利用左右兩輪實現分別驅動，前后萬向輪實現隨動的運動方式、借助兩個步進電機為渦輪蝸桿的傳動提供動力，把運動傳輸給車輪。因步進電機主要對輸入脈沖頻率進行調整以調節運動的速度，所以步進電機借助輸入脈沖頻率實現對速度的調整。通過在步進電機中輸進不同脈沖頻率，兩個驅動輪就可以得到不同速度，機器人就可以達到轉彎、后退和直線前進等運動功能。

4 智能清掃機器人在實際中的問題

雖然智能清掃機器人的使用能大大解放勞動力，但是在實際使用中依然存在一些問題：①防水防潮的能力不高，假如環境潮濕很容易發生短路，進而出現故障。②續航能力較差，假如使用時間太長會出現過熱，導致機器的使用壽命縮短。③防火能力較差，不能接近容易爆炸和燃燒的物品，但是家庭中難免會有此類物品，存在安全隱患。④智能清掃機器人上安裝的滾刷和濾網等，都是易消耗品，會增加使用成本。

5 結語

在時代發展中，智能清掃機器人在實際生活中的應用越發廣泛，需要加大研究力度，滿足人們對智能清掃機器人的要求。在設計智能清掃機器人的行走驅動系統時，要結合機器人的應用場所和要求，選擇合適的移動機構、轉彎機構、傳動與控制運動的機構、控制運動方式的機構等運動功能載體，提高智能清掃機器人的使用性能，促進機器人的發展和應用。

參考文獻：

[1]都家宇.智能清掃機器人行走驅動系統設計[J].科技資訊，2017，15（30）：100-103.

[2]孔德平.基于AVR單片機的智能掃地機器人的設計[J].科技創新與應用，2017（16）：81.

[3]徐法格.基于分數階微積分的智能清潔機器人控制系統設計[D].山東大學，2015.

[4]翟富興.基于模糊神經網絡的智能清潔機器人避障系統的研究與設計[D].重慶大學，2016.

[5]萬軍，張郭，楊代強.基于STM32的智能掃地機器人避障系統設計的研究[J].中國高新區，2017（13X）.

[6]張勇.電力系統智能控制爬行機器人研究與設計[J].科技資訊，2015，13（26）：1.