基于無線網絡的移動式桌面自動清潔機器人的設計

鐘鵬程

（中國礦業大學孫越崎學院，江蘇徐州221116）

0 引言

目前掃地機器人和壁面清潔機器人已得到較為廣泛的研究和應用[1-2]，但桌面清潔機器人的研究和應用還較少。在企業和學校中，餐桌的清潔一般都需要服務員人工收拾碗筷，尤其是在用餐高峰期間，就餐的人流量通常都很大，因此需要大量服務員進行桌面清潔，甚至在此過程中還會打碎碗碟，嚴重影響了工作效率，勞動強度大，清潔質量難以保證，同時還增加了人工成本[3]。

針對上述存在的問題，本文提出了一套基于無線網絡的、適合企業和學校的移動式桌面自動清潔機器人解決方案，完成了機器人本體結構設計和軟硬件設計，清潔機器人自動完成行走、避障、定位、清潔等工作[4-5]，并實現基于網絡的多個清潔機器人協同管理，具有使用方便、自動化程度高、便于管理等特點。

1 基于網絡的移動式桌面自動清潔機器人總體方案

隨著計算機技術的飛速發展，網絡已深入到日常生活的方方面面，無線局域網也已得到廣泛的應用。本文針對企業和學校餐廳的無線網，提出了一種基于無線網絡的移動式桌面自動清潔機器人總體方案，如圖1所示。整個系統主要由主控計算機和多個移動式清潔機器人組成，并通過無線網絡連接起來。

圖1 清潔機器人系統總體方案

主控計算機主要包括視覺系統、路徑規劃和協同管理模塊。視覺系統模塊負責整個餐廳的監控并識別待清潔的餐桌及其位置；路徑規劃模塊負責制定清潔機器人的移動路線并引導至待清潔的餐桌旁；協同管理模塊完成多個清潔機器人的分工管理，提高清潔機器人系統的整體工作效率，減少移動距離。

移動式清潔機器人主要由機器人本體、移動裝置、清掃裝置、網絡模塊、定位模塊和控制模塊等組成。網絡模塊主要完成無線網絡的連接和信息傳遞；定位模塊的作用是確保清潔機器人準確到達餐桌的指定位置，保證最佳的清掃效果；控制模塊主要完成清潔機器人的移動和清掃過程。

2 清潔機器人本體結構設計與工作原理

2.1 結構設計

清潔機器人本體主要包括行走裝置、支撐裝置、加水裝置、調節裝置、抓取裝置、清洗裝置和輔助裝置等部分，如圖2所示。

行走裝置主要包括底盤、萬向輪、驅動輪、步進電機；支撐裝置主要包括立柱、電機、支撐架；加水裝置主要包括儲水箱、抽水泵、加熱器、橡膠管，以及收納箱、旋轉盤等輔助裝置。

調節裝置包括升降平臺、步進電機Ⅰ、步進電機Ⅱ、絲杠、滑杠和限位板，用于控制抓取裝置和清洗裝置在調節裝置上的移動。抓取裝置包括抓取架、電機Ⅰ、電機Ⅱ、真空吸盤、轉換桿、滑軌、連桿、抓手和旋轉桿，用于抓取桌面上的筷子和碗碟。清洗裝置包括機架、噴霧器、清洗刷、電機Ⅲ、小型吸塵器、污物收集箱和烘干器，完成桌面的清潔和烘干。

收納箱和電池分別固定在底盤兩端，立柱通過旋轉盤安裝在底盤中央，旋轉盤一側分別固定儲水箱、抽水泵和控制箱，清洗裝置通過橡膠管依次與加熱器、抽水泵和儲水箱連接，電機固定在立柱頂部，采集信號的攝像頭通過支撐架安裝在電機輸出軸上，通過電機的轉動，控制攝像頭的空間位姿，抓取裝置和清洗裝置分別通過調節裝置安裝在立柱兩側。

2.2 工作原理

清潔機器人系統工作時，主控計算機通過視覺系統監控各個餐桌的使用情況，當檢測到顧客離開餐桌后，協同管理模塊指定離該餐桌最近的清潔機器人工作，按照路徑規劃模塊制定的行走路線，清潔機器人根據控制箱內的導航與定位裝置并通過行走裝置，將清潔機器人自動導引到餐桌旁。

清潔機器人通過控制箱操控旋轉盤和調節裝置，使抓取裝置移動到適合抓取桌面筷子和餐具的位置，電機帶動支撐架上的攝像頭轉動到適合采集桌面信息的姿態；通過電機Ⅱ帶動旋轉桿的轉動，控制安裝在滑軌上抓手的閉合，實現對桌面筷子的抓取，通過電機Ⅰ控制轉換桿的轉動，使轉換桿具有真空吸盤的一端轉換到工作位置，實現對桌面碗碟的拾取，然后抓取裝置在調節裝置和旋轉盤的綜合作用下，把抓取裝置上的筷子和碗碟依次放入收納箱的前端和后端。

圖2 清潔機器人本體結構示意圖1—舵機 2—抓取裝置 2-1—旋轉桿 2-2—連桿 2-3—抓手 2-4—滑軌 2-5—舵機Ⅰ2-6—真空吸盤 2-7—轉換桿 2-8—抓取架 2-9—舵機Ⅱ 3—立柱 4—收納箱5—底盤 6—萬向輪 7—旋轉盤 8—加熱器 9—控制箱 10—驅動輪 11—步進電機12—電池 13—抽水泵 14—儲水箱 15—橡膠管 16—調節裝置 16-1—限位板16-2—步進電機Ⅱ 16-3—絲杠 16-4—步進電機Ⅰ 16-5—升降平臺 16-6—滑杠17—清洗裝置 17-1—烘干器 17-2—污物收集箱 17-3—舵機Ⅲ 17-4—噴霧器17-5—清洗刷 17-6—小型吸塵器 17-7—機架 18—支撐架 19—攝像頭

當桌面餐具清理完畢后，清洗裝置在調節裝置和旋轉盤的混合作用下移動到桌面進行清潔工作，儲水箱中的洗滌液經過抽水泵和加熱器由橡膠管傳遞到清洗裝置中的噴霧器，由噴霧器對桌面進行噴灑洗滌液，電機Ⅲ帶動清洗刷對桌面污漬進行清洗，由小型吸塵器把桌面的污漬回收進污物收集箱中，由烘干器將濕潤的桌面烘干。

清潔機器人完成當前任務后，自動移動到指定位置，等待下一次桌面清潔任務。

3 控制系統設計

3.1 硬件設計

移動式桌面自動清潔機器人控制系統主要包括主控制器、步進電機控制、光電循跡、導航定位、避障控制、直流電機控制、視覺處理、無線網絡和LCD顯示控制等模塊，如圖3所示。主控制器通過無線網絡模塊與上位機交流，實現清潔機器人的總體管理。

圖3 系統硬件組成

針對清潔機器人需要多開關量輸入輸出控制，且數據處理量較多的情況，本文選用STM32F407ZET6作為主控制器。STM32F407ZET6具有功能強大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間大，完全能夠滿足傳感器、視頻處理、電機和舵機控制等輸入輸出設計要求。

主控制器電路圖主要由系統時鐘電路、實時時鐘電路、JTAG調試接口電路、復位電路和啟動模式選擇電路組成；直流電機驅動模塊采用LM293N作為驅動元件；光電循跡模塊采用紅外探測法實現搬運機器人的循跡和定位；避障控制模塊采用了超聲避障原理；步進電機采用PID控制原理。

3.2 軟件設計

當主控制器接到啟動命令后，清潔機器人按照規劃的行走路徑到達指定的餐桌，導航定位模塊實現機器人與桌面的準確定位，開始清潔桌面，移動式桌面自動清潔機器人的主程序流程圖如圖4所示。

圖4 移動式桌面自動清潔機器人主程序流程圖

打開電源開關后，清潔機器人啟動，進入等待狀態。當主控制器通過無線網絡模塊得到工作指令和規劃路徑后，控制直流電機啟動，在光電循跡模塊的引導下，清潔機器人按照指定路徑到達待清潔餐桌旁；在行走過程中，避障控制模塊引導機器人避開行人等障礙物，并返回指定路徑繼續行走；當到達待清潔餐桌旁時，步進電機驅動相關機構開始清理桌面，在視覺系統的輔助下，完成桌面的清潔，并等待下一次工作指令。

本文在STM32集成開發環境Keil 4下，根據程序設計流程圖，編寫了相應的控制程序，并進行了軟件調試，實現了基于無線網絡的多機器人協同管理和桌面的自動清潔。

4 結語

本文根據企業和學校餐廳的用餐特點，制定了詳細的基于網絡的移動式桌面自動清潔機器人總體解決方案，采用主控計算機進行路徑規劃和協同管理，并將任務和規劃路徑通過無線網絡發送到指定清潔機器人；機器人接到相關指令后，自動到達指定餐桌并完成桌面的自動清潔，有效地提高了工作效率，降低了人工成本。