升降式樓梯清潔機器人的設計與分析

葉日鴻，周梓達，趙凌翔，汪朋飛

（深圳大學機電與控制工程學院，廣東深圳 518060）

0 引言

樓梯作為日常生活中常見的設施之一，廣泛存在于各種住宅區及辦公區。僅在我國，高于250 m 的摩天大樓數量就已經超過800 座［1］，高層建筑、超高建筑等的數量更是難以統計。對于高層建筑的樓梯清潔，目前主要依靠人工作業，不能滿足人民群眾日益提升的生活環境質量要求，而樓梯攀爬清潔機器人可以克服人工勞動強度大、清潔率低等缺點，提升清潔效率，降低清潔成本［2］。

當前樓梯清潔領域尚未有成熟的商業產品，國內外學者基于不同樓梯攀爬形式（比如輪式、履帶式、腿式、翻滾式等）進行了樓梯清潔機器人的研究。其中，履帶攀爬清潔［3-5］的形式雖然保留了履帶式爬樓梯結構臺階尺寸適應性強、運行穩定等優點，但也同時存在清潔結構單一，清潔效果較差等弊端。張磊等［8］提出的旋轉腿攀爬清潔式、Muhammad 等［9-10］提出的三箱體升降攀爬清潔等形式均能通過簡易的結構及較小體積完成樓梯清潔，但也僅能通過負壓吸塵實現灰塵的簡易清潔，無法清除深層污漬。其他如L 型支腳攀爬清潔式［11-12］、行星輪清潔式［2］等，由于存在結構相對復雜、清潔效率低、潔凈度低等缺點而未廣泛應用。

本文提出一款清潔效率高、清潔程度高的樓梯清潔機器人的設計方案。該機器人通過采用爬樓梯效率較高的升降式結構作為基本載體，配合多重清潔結構的搭載設計，在攀爬及移動的過程中實現高效率高潔凈度的樓梯清潔作業，具備較好的市場應用前景和推廣價值。

1 機器人整體方案設計

機器人執行樓梯清潔任務主要分為樓梯攀爬和移動清潔。在先前的研究中發現，升降式結構爬樓梯動作簡潔高效，結構緊湊，能有效減少清潔過程中臺階攀爬的時耗［13］。本設計采用升降式爬樓梯結構作為基本載體，搭載前掃地、后拖地兩套清潔裝置的基本方案。

圖1 所示為樓梯清潔機器人的整體結構布局，前后兩組弓形支撐結構可在自動化控制下交替抬升及前后平移，從而實現臺階的攀爬。后支撐結構由掃地裝置與拖地裝置組成。在水平移動過程中，位于掃地裝置中的旋轉滾刷將地面灰塵揚起，在吸塵風機作用下灰塵可經垃圾導向殼進入儲塵倉，實現臺階面的一次清潔。位于機器人后部的拖地裝置，配備主動清潔動力。在平移過程中，清水持續補給至拖地滾子，主動旋轉的拖地滾子可對已完成一次吸塵清潔的臺階面進行二次濕潤清潔，進而在單級臺階攀爬移動過程中實現雙重高潔凈度清潔。

圖1 機器人整體結構布局

2 機器人結構設計

圖2 所示為本設計樓梯清潔機器人的整體結構。主要由機體，前、后支撐結構，掃地和拖地裝置組成，總體呈左右對稱形式。

圖2 樓梯清潔機器人結構圖

2.1 掃地裝置

圖3 所示為掃地裝置的基本結構組成。掃地裝置采用負壓吸塵的原理，通過旋轉滾刷與吸塵風機的配合，清掃臺階面上的灰塵及小件垃圾（見圖4），完成一次清潔。

圖3 掃地裝置結構示意圖

圖4 掃地裝置工作原理

當機器人完成一級臺階攀爬后，開始在臺階面上平移清潔。此時掃地滾刷通過自身的旋轉配合機體的移動，可將地面大件的垃圾送至垃圾導向殼前并將細微塵土揚起。吸塵風機與內部的儲塵盒形成負壓倉，當風機轉動時，塵土可沿圖4 中實線箭頭方向進入儲塵倉并儲存，同時將過濾后的潔凈空氣經風機沿虛線箭頭方向排出。

底盤驅動輪結構由4 個全向輪呈十字形布置，通過全向輪的搭配控制可實現機器人在臺階面上的前進、左右平移、平地旋轉等運動。

2.2 拖地裝置

圖5 所示為拖地裝置結構基本組成示意圖，拖地裝置采用主動清潔結構，拖布滾子在持續的清水供給下擦拭地面，實現臺階面的二次濕潤清潔。

圖5 拖地裝置結構示意圖

圖6 所示為拖地裝置清潔原理示意圖，清水從水箱中經管路轉移至水泵位置加壓，在霧化噴頭中呈水霧狀噴灑，并經清水導向殼導向至拖布滾子上端，實時為拖布滾子提供清潔水源。拖布滾子潤濕后，在電動機、動力齒輪組及同步輪的共同作用下，旋轉擦拭地面，進而可吸附地面的污水及清潔頑固污漬。

圖6 拖地裝置工作原理示意圖

相鄰拖布滾子之間布置有污水盒，嵌入拖布滾子內約3 mm。以圖6 所示平移清潔為例，清潔時外側的拖布滾子逆時針旋轉擦拭地面并將其吸附的污水在污水盒下方刮出，內側的拖布滾子同步逆時針旋轉，吸附地面污水后在污水盒上方刮出，可實現吸附污水并收集污水。兩個滾子的同步運行，可實現持續的清水補給擦拭地面并消除污水積聚。

2.3 尺寸設計

清潔機器人的設計尺寸需要根據具體使用場景中的樓梯寬度a與高度b確定。圖7 所示為樓梯清潔機器人的設計尺寸要求。掃地與拖地裝置的長度應略大于或等于樓梯的寬度a，以保證在臺階面上的一次平移動作即可實現整個臺階面的清潔。拖地裝置與前支撐裝置的豎直抬升距離應略大于或等于臺階高度b，以避免部分臺階制作誤差導致機器人無法攀爬。前、后支撐結構的間距應小于樓梯寬度a，以實現交替支撐、用于樓梯的攀爬。機器人的重心應控制在圖1 所示前后支撐結構交集區，以保證攀爬清潔過程中重心的穩定，避免機器人前傾或者后翻。

圖7 機器人結構尺寸

3 分析設計與校核

樓梯清潔機器人運行性能由樓梯攀爬效率及清潔程度決定。在樓梯清潔過程中，前支撐結構的強度決定著攀爬運動是否能實現；掃地風機風量的選擇、水泵揚程的選擇影響清潔效果。本節就影響機器人性能的3 個核心構件：前支撐結構、掃地風機、水泵分別進行分析設計。

3.1 強度校核

在本設計中，前支撐結構的強度影響著機器人的整體運行安全。爬樓梯過程中，其承受著約4／5 的機器人質量，因此需要對其進行強度校核分析，以保證強度及壽命能滿足持續使用要求。

考慮機器人爬樓梯運動時，前支撐結構的驅動輪與從動輪分別跨越支承于兩級臺階上，故將其簡化為簡支梁，驅動輪與從動輪分別為兩支座位置。前支撐結構的升降梁中部固定的連接件與鏈條固連，從而使得鏈條轉動時機體抬升，故簡化為負載輸入位置在升降梁中部連接件的固定位置。

將模型導入分析軟件并完成添加約束、劃分網格等準備工作后，于升降梁中部連接件固定位置添加200 N豎直向下的力模擬抬升機體時候的負載受力，并得到應力云圖與位移云圖如圖8 所示。由應力云圖分析可知，前支撐結構爬樓梯運動過程中最大應力為9.673 5 MPa，出現位置為升降梁約中部位置，且低于鋁合金受壓屈服強度55.2 MPa。位移云圖中，前支撐結構爬樓梯運動過程中最大位移為68 μm，出現位置為升降梁中部，位移過小可忽略。因最大應力及最大位移都遠小于許用要求，故設計強度能滿足使用需求。

圖8 前支撐結構抬升時有限元分析結果

3.2 風機選型設計

掃地風機與管路、倉體形成密封區，利用風機旋轉產生的空氣負壓進行清潔。當風機風量過小時，容易導致清潔效果差，無法正常吸塵。為保證清潔效果，本研究依據空氣流量對風機最低風量進行設計［13］。對吸塵氣路系統，吸塵入口位置風量需滿足：

式中：v為吸塵入口位置目標對象揚起所需風速，m／s；A為吸塵入口位置截面積，m2。

微粒直徑小于500 μm的顆粒被定義為灰塵。當前對礦料顆粒的起動風速實驗中發現，直徑為80～315 μm 的顆粒在2～3 m／s 風速作用下可揚起［14］。本設計采用滾刷揚起、風機負壓吸塵的原理進行清潔，故暫取吸塵入口位置目標對象揚起所需風速為v＝3 m／s。查看設計圖紙計算吸塵口位置面積A＝82.5 cm2。

對于整個氣路系統，考慮管路密封性能及損失，風機風量需滿足：

式中：k1為氣流管路漏風附加系數，取k1＝1.1；k2為儲塵袋漏風附加系數，取k2＝1.1。

聯立式（1）與（2）并代入數據求得Q總＝107.8 m3／h，即選用風機最小風量應大于107.8 m3／h。

3.3 水泵揚程設計

水泵在水路中提供動力，主要用于克服重力及輸送能量損失，將水源供給到清潔裝置中。本節考慮輸送水頭損失，以消毒水路水泵選型為例，依據伯努利方程［15］對水泵揚程進行設計。查取霧化噴頭參數表，暫選等效孔徑d2＝0.66 mm，流量Q0＝0.32 L／min，壓力0.2 MPa的霧化噴頭。對霧化噴頭出流前后截面，由連續性方程有：

式中：v1為出流前管內端面平均流速，m／s；v2為出流后管內端面平均流速，m／s；A1為出流前管內面積，m2；A2為出流后管內面積，m2。

選取內徑d1＝4 mm 的橡膠軟管做出流前供水管。因輸送為層流，則輸送管道沿程損失：

式中：λ為沿程摩阻因數，且λ ＝64／Re；Re為雷諾數；g為重力系數；取g＝10 N／kg；l為流體輸送管長，m。

考慮管路固定及流體輸送存在5 個約90°拐角，選擇局部水頭損失系數ζ1＝0.246，故考慮局部損失中的總彎管損失：

霧化噴頭位置可等效為突然縮小管，有突然縮小管局部水頭損失：）

式中，ζ2為局部水頭損失系數，取ζ2＝0.50。

因連接位置管道直徑尺寸變化，水泵、電磁閥內部輸送時存在阻力等，取安全系數φ ＝1.2，故總水頭損失：

聯立式（5）～（7）解得hw＝92.64 mm。

取輸送管道入口、出口液面分析，由伯努利方程得：

式中：Z1為管路出口水頭高度，m；Z3為管路入口水頭高度，m；p1為出口位置液面壓強，Pa；p3為入口位置液面壓強，Pa；v3為管道入口流速，m／s；ρ 為清水密度，kg／m3；α為動能修正系數，取α ＝1.0；Hm為水泵揚程，m。

因出入口位置為同一根管流的兩個位置且直徑相等，故取v3＝v2。取出水口位置為高度零點，則有Z1＝0，Z3＝0.3 m，p3為絕對壓強為0.101 3 MPa。

將數據代入式（8）得：

對式（9）分析，當p1＝0.2 MPa 時，需輸入Hm＝9.663 m揚程的水泵；p1＝0.1 MPa 時，不需輸入揚程，水箱布置的位置提供勢能足以克服輸送損失。

綜上所述，水箱布置的位置可以提供足夠能量克服輸送過程中的能量損失；水泵揚程輸入越大，霧化噴頭獲壓越大，噴灑距離與流量越大。當水泵輸入有效揚程9.663 m 時，約可獲得壓力輸出0.32 L／min 流量。綜合考慮水泵體積小、質量輕、具有自吸功能、鎖水性能好及低揚程的需求，選用DP-206 型號隔膜泵，能產生3 m自吸揚程。

4 控制邏輯設計

機器人爬樓梯清潔功能的實現主要由樓梯攀爬功能及清潔功能組成，并且兩部分功能交替進行，可以通過傳感器位置的感應配合邏輯控制實現自動化控制。

圖9 所示為本設計的樓梯清潔機器人控制邏輯圖。當機器人完成地面清潔抵達樓梯邊緣時，啟動樓梯清潔模式，機器人首先通過讀取傳感器反饋判斷機器人的位置。當機器人位于樓梯頂端時，進行平移清潔然后啟動變形復位模式。當判斷機器人不是位于樓梯頂端，且滿足位于樓梯底端時，啟動自動清潔模式。通過傳感器識別的位置反饋依次進行平移清潔模式及單級樓梯攀爬模式，以實現臺階的攀爬及清潔。每完成一級臺階清潔后，返回程序首段判斷是否位于樓梯頂端。如此循環，可實現連續多級臺階的連續自動清潔。

圖9 控制邏輯圖

圖10 所示為清潔狀態模擬示意圖。當判斷機器人位于樓梯底端，并識別支撐結構支承于臺階上時，啟動爬樓梯清潔模式。此時支撐裝置抬升并前進以執行一次爬樓梯動作，即完成單級臺階的攀爬并停留于臺階上（圖10（c）位置）；完成單級臺階攀爬后，同時啟動掃地裝置與拖地裝置，機器人首先執行向右平移至右端傳感器識別到抵達位置（圖10（d）位置），然后向左平移，直至左端傳感器識別到抵達位置時（圖10（e）位置），再向右移動且重復上述平移動作兩次實現清潔。完成單級臺階清潔后，此時切換為爬樓梯模式，支撐裝置再次抬升實現下一次臺階的攀爬。如此通過爬樓梯模式及清潔模式的循環，可以實現連續多級臺階的攀爬與清潔，并抵達樓梯頂端（圖10（f））。

圖10 清潔運動狀態示意圖

5 實物測試與分析

為驗證設計的可行性，本研究進行了實物驗證測試。以適應常見樓梯尺寸（寬300 mm×高150 mm）的標準制造完成實物。如圖11 為機器人實物圖。實物機器人質量20.6 kg，外形尺寸700 mm×500 mm×425 mm，水箱容量6.5 L，續航能力1.8（h／5 700 mAh）。制作完成的機器人實物能夠完成預期樓梯清潔功能，并且具有高效性。如圖12 為機器人單級臺階攀爬時耗測試，攀爬一級臺階平均耗時4.34 s，攀爬速度快；圖13 為平移清潔速度測試，最大平移速度可達0.81 m／s，能滿足快速清潔的需求。

圖11 樓梯清潔機器人實物

圖12 單級臺階攀爬耗時

圖13 平移清潔速度測試

制作完成的實物能完成預期的樓梯清潔功能，并且獲得相對較高的運行效率及清潔程度。考慮性能的進一步優化，機器人可向輕量化、結構優化、智能化等各方面完善。

（1）輕量化。可對重量來源的核心部位如鋁方管框架、掃地滾軸、拖地滾軸等進行替代優化，以塑膠件或比重較低的材質進行框架設計。

（2）結構優化。可將水箱優化為密閉的水箱，以防止機器人側放時清水灑出、工作時候水分蒸發。修改污水盒的形狀，配備水泵收集污水可實現污水轉移至機器人前端保持重心且儲存更多的污水等。

（3）視覺智能化。通過視覺識別臺階面的污漬程度來控制清潔次數，并可識別行人或移動對象，以控制及時暫停工作避免碰撞行人。

6 結語

本文提出的升降式樓梯清潔機器人設計方案，利用兩組弓形結構的交替支撐與驅動實現樓梯的攀爬，并于后弓形結構位置分別布置掃地與拖地兩套清潔裝置，可以在一次攀爬平移過程中，完成兩次臺階清潔，清潔效率高且潔凈度高。通過校核分析及實物驗證測試，本設計的樓梯清潔機器人能夠完成樓梯清潔任務，并且具有清潔過程機體水平、清潔死角小、清潔程度高等特點，該裝置具備一定的應用前景和推廣價值。