室外智能掃地機器人優化設計

劉建宏，王其偲，王旭

（1.電子科技大學成都學院，四川 成都 611731；2.南京理工大學，江蘇 南京 210094）

隨著人們生活水平的提高，對室外環境的要求增高，傳統的人工清掃方式必然會被智能機器人的普及應用代替。就目前而言，室內家用掃地機器人的應用日趨廣泛。而對于室外智能掃地機器人的設計和應用相對偏少。從現有的研究成果來看，室外掃地機器人的主要技術包括是采用激光雷達、超聲波以及高精度GPS等進行導航和避開障礙。同時，近年來在高校和智能制造企業的室外掃地機器人研究中，也取得了一些的成果。例如，文獻[1]開發了室外掃地機器移動平臺；文獻[2]開展了掃地機器人室外在清潔能力測試的工作，從角落清掃、避障以及翻越樓梯等方面均取得了良好的效果。從上述二者的研究情況來看，室外掃地機器人的運行主要是需要解決大型障礙物的避障和翻越樓梯的問題。因此，在本課題關于室外掃地機器人的研究中，擬采取文獻[3]的研究結論，即利用電視攝像管和超聲波技術來迅速避開大型障礙物，同時，利用履帶和車輪的交替工作實現翻越樓梯。

1 室外掃地機器人設計思路

1.1 超聲波和電視自動識別技術的確定

目前，掃地機器人以室內小型掃地機器人為主。機器人在運行中的方位探測是采用超聲波和紅外線相結合的形式，該方式能達到自動檢測房間布局、自動規劃路徑、記憶路線以及語言功能等。對于室外而言，由于存在布局不規則性、工作場所和路徑的不確定性等問題。故超聲波和紅外線相結合的形式不能滿足室外掃地機器人的環境布局檢測、路徑規劃等性能。而解決這些問題的關鍵，在于精確的圖像識別，故將傳統掃地機器人的超聲波形式與電視攝像管技術相結合，能夠有效解決上述問題，因此，本文擬才選擇超聲波和電視自動識別技術相結合的模式。

1.2 電視自動識別技術原理

在掃地機器人的設計中，電視自動識別系統的功能是來追蹤目標，并實現對目標的大小、位置以及機器人本體與目標之間的路徑判斷。該系統的主要部件為電視攝像機。電視攝像機則由光學系統、電視攝像管及其掃描電路、誤差信號形成電路和攝像機跟蹤伺服系統等組成。

電視攝像機對前方及背景所成的光影像是利用電子束進行逐行掃描而形成電信號。電視攝像機對目標的跟蹤和雷達對目標的識別很類似，是利用跟蹤波門來實現識別的。圖1(a)為攝像管的光電元件上顯示電子束掃描的情況，十字線中央是前方的影像，小方框為波門的位置。當電子束進行逐行掃描時，在每行起始點有一個同步脈沖。當背景比較干凈，電子束在一行掃描過程中未遇到大型物體影像時，將不輸出信號，掃地機器人將沿著既定方向繼續運轉；當遭遇物體時就會輸出電信號，經過目標影像區的幾行掃描后，綜合的目標信號相對同步脈沖如圖1(b)所示。目標信號相對同步脈沖的位置反映了目標影像在光電元件上的左右位置。產生的電信號將驅使掃地機器人做出偏轉以實現避讓。這實現了將前方的圖像以電子束掃描的形式讓機器人做出有效識別。

圖1 電視攝像機的跟蹤原理示意圖

掃地機器人上的電視攝像機的攝像管要求靈敏度高、構造簡單、尺寸小。目前，一般采用光電導型攝像管。且機器人上的光學系統一般要求能夠自動調節焦距。在障礙物較遠時，要求焦距大；在障礙物較近時，希望焦距變小。因為當障礙物較遠而焦距小，前方障礙物通過光學系統在攝像管的靶面上成的像很小，當攝像機的電子束作掃描時可能會漏掉檢測。

但是，圖像沒有距離感，當前面出現障礙物，何時選擇避開，應該考慮進去。所以，結合現存已知超聲波回聲定位原理。主要是進行仿生，通過機器人系統內部產生的超聲波發射出去，利用折回的聲音定向。這樣圖像就能更全面，能夠感知物體的距離和大小，然后，做出有效的避讓。

1.3 結構的優化設計

傳統的掃地機器人，只能在開闊的場所工作，而角落仍然需要人工處理。為了解決這個問題以實現掃地機器人完全自動化，拖把處增添了如圖2所示交替運轉機械結構。當超聲波檢測出有一層障礙物時，結合探測系統掃描得到的信號，將其作用到電機，使圓柱偏轉180°。其中，拖把只能進行前向平移，縱向由于機械結構鎖死，拖把前向平移到一定的位置，推動連接結構中的推桿，考慮到拖把移動距離遠大于吸塵器的上升距離，所以連接結構采用不密封結構，并且連接結構的長度應大于拖把移動距離。使拖把推桿直接作用到與吸塵器連接到一起如圖2的液壓機構，才能實現力的傳遞，通過兩缸首尾串聯，兩液壓缸具有兩個相同的有效面積A，所以兩桿同步運動，推動豎直液壓缸推桿向上運動，使吸塵器向上運動，防止拖把向前運動撞上吸塵器。完成拖地清掃工作后，電機再次旋轉180°回到之前位置，兩液壓缸往返回到初始狀態，與之相連接的拖把和吸塵器隨著回到最初位置，以實現對角落的清掃。

圖2 交替運轉機械結構

2 掃地機器人的工作方式設計

2.1 履帶與車輪交替的工作方式

室外掃地機器人在戶外工作時，必須考慮兩方面情況。一是電視攝像機掃描出前方無障礙物，而實踐是存在下坡的情形，如果機器人判定前面沒有障礙而采取直行，勢必會造成機器人底部和樓梯面直接相撞引起損壞；二是電視攝像機掃描出前方為大型物體，而結合超聲波系統的檢測，系統判定為層數（>1）障礙物時，該如何實現爬樓上坡。為了解決前者的問題，考慮將履帶作為輔助爬樓工具，可以達到下樓時的平穩行進，這使得整個結構設計的安全性和耐用性都有了保障。而針對爬樓的問題，采用履帶與車輪交替工作的方式。用履帶攀爬樓梯，實現履帶與車輪之間的交替工作。

為了實現這一功用，我們采用一種齒輪和齒條配合工作的傳動結構，結構圖如圖3所示。在異步電機的驅動下，齒輪的運動可以分為正行程和反行程：正行程為齒輪順時針正轉360°，然后逆時針反轉360°，如此往復，就可以完成正反程的周期性運動。齒輪的正行程和反行程都會讓位處左右兩端，固定在滑道上的齒條以相反的方向直線運動。

該傳動裝置所用到的模數m1=1.25，齒數z1=50，其分布圓直徑d1=m1·z1=62.5mm。為了保證齒輪和齒條可以正確嚙合。根據漸開線齒輪正確嚙合的條件：模數m1=m2=m和壓力角a1=a2=a（這里可以把齒條看作分度圓半徑無窮大的漸開線直齒輪），所以齒條的模數m2=1.25。

履帶、車輪和傳動機構的位置排布如圖4所示。當掃地機器人內部電視識別系統判定存在樓梯類障礙物時，傳動機構將運作并正轉360°，放下履帶并往上提起車輪。而當履帶爬完樓梯后前方再無障礙物，機器人內部探測到電機反轉360°，收回履帶并放下車輪，使掃地機器人回到正常工作狀態，掃地機器人繼續前進。

圖3 齒輪齒條傳動機構裝配圖

圖4 履帶、車輪和傳動機構的排布簡圖

2.2 掃地機器人的強度校核

為了檢驗整個室外掃地機器人結構強度，以期完成預想的功用，筆者著重對齒輪齒條傳動裝置進行相應的有限元分析。

整個齒輪齒條傳動機構固結在掃地機器人內，電機輸出軸與齒輪直接連接，以3N/mm2的扭矩帶動直齒輪，直齒輪繼而帶動左右兩端的齒條，齒條能且只能沿著滑動平移。這樣有關傳動機構的載荷條件就確定了。計算及仿真在ANSYS Workbench平臺上進行。

如圖5等效應力云圖所示，最大壓應力大小σH=2MPa＜＜[σH]，[σH]為許用接觸應力。滿足輪齒接觸疲勞強度校核條件，發生在輪齒接觸點處。滿足輪齒接觸疲勞強度校核。再校核齒輪齒條傳動機構的變形情況如圖6所示，不難發現，直齒輪的變形隨著齒輪半徑的增大，由內到外，其變形量也隨之增大，且最大變形發生于直齒輪外圈（齒根圓到齒頂圓）處，其變形量δ=0.0003mm。

從應力云圖中我們發現，齒條的非嚙合處，滑道及框架處的應力大小σH=7.55×10-14MPa≈0，變形量δ=0。可見設計的齒輪齒條傳動機構符合結構具有穩定性和實用性。

圖5 等效應力圖

除了對傳動系統中齒輪和齒條進行接觸應力的強度校核，還要分析在電機輸出軸3N/m的帶動下，連接輸出軸和圓齒輪間的B型鍵的擠壓強度校核。因為電機輸出軸的直徑d=30mm，故選擇公稱直徑為8×7的B型鍵，這里8為鍵寬b，而6為鍵高h。取鍵長L為10mm。軟件分析得到電機輸出軸和連接鍵的等效應力分布如圖7。可見最大擠壓應力σp=0.4889MPa＜＜[σp]，式中σp及[σp]為鍵連接中的擠壓應力及其許用值。經過有限元計算校核得出，鍵連接的采用也是極其合乎使用標準的。

圖6 齒輪齒條傳動機構的變形

圖7 電機輸出軸和連接鍵的等效應力圖

3 傳感器及太陽能充電裝置

由于其他雨雪天氣下工況復雜，室外掃地機器人的工作狀態是在晴天。再加上出于環保和開發新能源的考慮，除了普通的充電方式外，本機器人最大的特點就在于它的頂部安裝上太陽能發電板，這樣就能在室外機器人掃地工作的同時，還能進行太陽能充電。

如何判斷外界的天氣狀況，這就需要在太陽能發電板的中央嵌入雨量傳感器。雨量傳感器將雨量轉化為電信號，根據電信號的大小是否超過既定閾值來判斷是否停機工作。雨量測量系統的組成及控制流圖如圖8所示，由此可以實現自動檢測雨滴的有無及雨量的大小，判斷出不同的下雨模式。

圖8 雨量測量系統的組成

4 陀螺儀和萬向輪

陀螺儀具有定軸性和進動性兩個基本特性，由一個高速旋轉的轉子安裝在萬向支架上組成。轉子通過軸和軸承支承在內環上，轉子可以繞軸轉動。支架上裝有傳感器，用于測量角位移。根據動量矩定理，當一個物體旋轉軸指向的方向在不受外力矩作用時得出，即角動量矢量將不會發生改變，自由陀螺保持自身對稱軸在慣性參考系中方位不變，進而可以用來穩定和維持機器人行進方向。陀螺儀工作狀態下受力，將快速旋轉，每分鐘甚至可以達到幾十萬轉，并能保持長時間運作，讀取軸所指方向后將數據信號傳給控制系統。陀螺儀裝置普遍可以用來傳感和維持方向，已被廣泛運用在航天航空航海。設計的戶外掃地機器人運用陀螺儀導航技術，讓掃地路線更有目的性，在感應方向、速度及坡度的變化的同時，靈敏迅速地做出調整，提高掃地機器人的工作效率。

為了能讓掃地機器人在工作時，避免在進入狹小區域時運轉困難，面對行人或者障礙物無法快速躲避。為解決上述問題，經思考后決定采用萬向輪驅動。萬向輪能實現在水平360°旋轉，采用一個活動萬向輪和兩個固定輪，如圖9成等腰三角布置。結合萬向輪和陀螺儀來綜合控制掃地機器人的驅動。

圖9 車輪與履帶底面分布結構

5 結語

在現已存在的家用機器人基礎上。鑒于電視自動尋的系統里的電視攝像管功用，輔以超聲波回聲定位作為室外掃地機器人的探測定位系統，可以做到有效地避開行人和障礙物。同時，在針對很多細節方面做了具創造性的改進。如何打掃角落處垃圾，選擇了交替傳統結構；又如怎樣讓機器人在室外爬樓，采用了車輪和履帶的交替行駛。該設計是跨學科跨專業的大膽創新、打破常規之作，相信在將來能夠大有所為。