多功能樓梯護(hù)欄清潔一體機(jī)

付琳　孫魯青　陳旭　朱永強(qiáng)　蘇洲　李育梁

摘? 要：隨著城市中高層建筑不斷增多，傳統(tǒng)的人工清潔樓梯效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，無(wú)法及時(shí)滿足人們對(duì)辦公及住宅樓的室內(nèi)環(huán)境要求。文章設(shè)計(jì)了一款樓梯護(hù)欄清潔一體機(jī)，采用3D打印異型鉤爪為支點(diǎn)帶動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)，配合兩個(gè)差速輪控制及紅外傳感器檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的前進(jìn)、轉(zhuǎn)向及避障功能。此外，通過(guò)絲杠傳動(dòng)和帶傳動(dòng)分別實(shí)現(xiàn)了臺(tái)階方向的水平運(yùn)動(dòng)和護(hù)欄方向的上下運(yùn)動(dòng)，并采用多角度卡盤(pán)滿足不同的護(hù)欄坡度?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，該一體機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)樓梯臺(tái)階、護(hù)欄、扶手的自動(dòng)清潔功能，清潔效果較好，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：樓梯;清潔;自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）06-0086-03

Abstract： With the increasing number of high-rise buildings in the city， the traditional manual cleaning stairs have low efficiency and high labor intensity， which cannot timely meet people's requirements for the indoor environment of office and residential buildings. This paper designs a stair and guardrail cleaning machine， which uses 3D printed special-shaped hook as the fulcrum to drive the crank to rotate， and combines with two differential wheel control and infrared sensor detection to realize the equipment's forward， steering and obstacle avoidance. In addition， the horizontal movement along the step direction and vertical movement along the guardrail direction are realized through the screw and belt drive respectively， and multi-angle chuck is adopted to meet different guardrail slope. The test shows that the machine can realize cleaning function of stair， guardrail， and handrail automatically， which has good cleaning effect and the value for application and promotion.

Keywords： stairs; cleaning; automation

1 概述

近年來(lái)，隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，高層建筑不斷增多，高樓大廈已成為城市發(fā)展的重要象征。電梯已經(jīng)基本取代普通樓梯成為人們?nèi)粘Ｉ舷滦械闹匾ぞ?，但是?dāng)停電或火災(zāi)等情況發(fā)生時(shí)，樓梯作為生命安全通道發(fā)揮著重要作用，日常保潔工作仍必不可少，由于高層樓梯臺(tái)階數(shù)多，樓梯、護(hù)欄及扶手等部位的清潔任務(wù)非常繁重，人工清潔的效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，未來(lái)采用人工智能產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化勞動(dòng)已經(jīng)是必然的趨勢(shì)[1]。因此，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)翘?、護(hù)欄及扶手進(jìn)行一體化清潔的自動(dòng)化產(chǎn)品具有較高的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

通過(guò)調(diào)研和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，目前市場(chǎng)上主要是面向家用的清潔機(jī)器人，能自動(dòng)完成對(duì)地面、窗戶等清理工作，一般包括防碰撞感應(yīng)、自動(dòng)充電、自主路徑規(guī)劃等系統(tǒng)，可以通過(guò)WIFI實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，技術(shù)相對(duì)成熟。而相比室內(nèi)的平面清潔，臺(tái)階型樓梯的清潔要求更為復(fù)雜，市場(chǎng)上尚無(wú)成熟的類似產(chǎn)品，僅有少數(shù)處于研究階段的方案設(shè)計(jì)。例如，樊紅衛(wèi)[2]提出了一種箱體式樓梯清潔機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了樓梯爬升運(yùn)動(dòng)和原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng);姜雪梅[3]設(shè)計(jì)了一款基于雙臂協(xié)調(diào)控制的樓梯清潔機(jī)器人，用絲杠實(shí)現(xiàn)了升降邁步，將車輪與舵機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎，實(shí)現(xiàn)了縱向行進(jìn)與橫向拖動(dòng)的工作模式轉(zhuǎn)換。羊月生[4]申請(qǐng)了一種樓梯扶手清潔機(jī)器人專利，采用自動(dòng)爬行上升的拱形單位體作為運(yùn)載器，使用履帶進(jìn)行驅(qū)動(dòng);鄭祥模[5]發(fā)明的樓梯扶手清潔機(jī)器人，其攀爬機(jī)構(gòu)由往復(fù)推進(jìn)結(jié)構(gòu)和夾持轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。宋金磊[6]提出通過(guò)滾輪與本體支架設(shè)計(jì)使清潔機(jī)器人卡緊樓梯扶手并且具有一定的爬行和轉(zhuǎn)彎能力。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)清潔工作的需要和分析樓梯臺(tái)階、護(hù)欄及扶手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本產(chǎn)品的機(jī)械系統(tǒng)共分為前進(jìn)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)、清潔機(jī)構(gòu)四部分，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。產(chǎn)品總重量為10kG，結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便，從而實(shí)現(xiàn)了體積小、成本低，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。機(jī)身主體支撐結(jié)構(gòu)采用ABS板材料，韌性好，能承受較大的力，并具有一定的防水性能。

2.1 前進(jìn)機(jī)構(gòu)

基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)思想，以3D打印的異型鉤爪為支點(diǎn)，電機(jī)帶動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)，配合導(dǎo)向輪實(shí)現(xiàn)直線間歇運(yùn)動(dòng)與水平清掃運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)配合。前進(jìn)機(jī)構(gòu)由兩部分提供動(dòng)力，一是兩個(gè)異型輪的夾持轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器沿扶手前進(jìn)，二是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)配合自制異型鉤爪，曲柄旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉤爪向前伸，鉤住欄桿后曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)整體前進(jìn)。

2.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

通過(guò)接近開(kāi)關(guān)識(shí)別樓梯護(hù)欄的拐角位置，此時(shí)頂部?jī)蓚€(gè)異形輪進(jìn)行差速控制，外側(cè)轉(zhuǎn)向輪速度增大，內(nèi)側(cè)輪速度減小，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器的整體轉(zhuǎn)向，進(jìn)入下一層樓梯。

2.3 調(diào)整機(jī)構(gòu)

調(diào)整機(jī)構(gòu)一方面針對(duì)樓梯的不同寬度，采用多級(jí)絲杠實(shí)現(xiàn)可自動(dòng)伸縮要求;另一方面采用多角度卡盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)卡扣位置來(lái)適應(yīng)不同坡度的樓梯護(hù)欄。

2.4 清潔機(jī)構(gòu)

清潔機(jī)構(gòu)由護(hù)欄清潔和臺(tái)階清潔兩部分組成，一是通過(guò)皮帶帶動(dòng)毛刷上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)包裹式清潔欄桿;二是利用絲杠傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)臺(tái)階方向的清掃，安裝有電動(dòng)滾刷和微型吸塵器，實(shí)現(xiàn)護(hù)欄樓梯一體化清潔。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

啟動(dòng)設(shè)備后，機(jī)器在頂部四個(gè)異型輪的帶動(dòng)下開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄搖桿配合鉤爪拉動(dòng)機(jī)器前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)間歇式移動(dòng);臺(tái)階清潔機(jī)構(gòu)通過(guò)絲杠傳動(dòng)伸出，末端傳感器識(shí)別障礙物，機(jī)構(gòu)收回，進(jìn)入下一層臺(tái)階。同時(shí)，滾筒毛刷一直轉(zhuǎn)動(dòng)，將垃圾掃入垃圾袋中，吸塵器將塵埃吸入，護(hù)欄清潔機(jī)構(gòu)始終工作，通過(guò)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)毛刷的上下移動(dòng)，對(duì)護(hù)欄進(jìn)行清潔。

本控制系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為核心，采用控制器+L298N驅(qū)動(dòng)+電機(jī)的控制框架，配合接近開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)各功能的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、避障及清掃等各種動(dòng)作。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電路是控制系統(tǒng)的核心，電路原理如圖2所示。

4 樣機(jī)測(cè)試

基于以上設(shè)計(jì)方案，研制產(chǎn)品樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，檢驗(yàn)了其原理和結(jié)構(gòu)的可行性，如圖3所示。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該樓梯護(hù)欄清潔一體機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，可適應(yīng)當(dāng)前試驗(yàn)范圍內(nèi)絕大多數(shù)臺(tái)階的高度和寬度，適應(yīng)不同坡度的樓梯扶手，適應(yīng)性較強(qiáng)。樓梯沿護(hù)欄扶手的爬升運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)均可實(shí)現(xiàn)，能完成基本的樓梯清潔任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)研制的產(chǎn)品主要用于樓梯臺(tái)階、護(hù)欄以及扶手的自動(dòng)化清潔，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、可靠性，并在以下三個(gè)方面具有一定的創(chuàng)新性。

（1）應(yīng)用上的創(chuàng)新。目前市場(chǎng)上尚無(wú)成熟的同類產(chǎn)品，相關(guān)的研究文獻(xiàn)和專利也很少，因此設(shè)計(jì)和研制本產(chǎn)品對(duì)于提高清潔效率、降低人工成本具有較大的應(yīng)用和市場(chǎng)前景。

（2）結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。借鑒曲柄連桿形式，通過(guò)鉤爪帶動(dòng)曲柄實(shí)現(xiàn)了間歇式前進(jìn)，并能夠適應(yīng)不同樓梯護(hù)欄坡度以及不同長(zhǎng)寬臺(tái)階的清潔要求，試驗(yàn)證明機(jī)器的運(yùn)行狀況良好。

（3）功能上的創(chuàng)新。一是實(shí)現(xiàn)了樓梯、護(hù)欄、扶手同步清潔和垃圾回收;二是實(shí)現(xiàn)了機(jī)器的自動(dòng)行走和轉(zhuǎn)向，無(wú)需人為干預(yù);三是具有自主避障，避免出現(xiàn)影響行人通行或與墻壁碰撞等情況發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

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