樓梯及地面掃拖一體機器人設(shè)計與研究*

江一行，張冬冬，沈洪旭，岳正陽，李威廷，盧 煜

（浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，杭州 310053）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和科技的進步，越來越多的高科技、智能機器逐步出現(xiàn)在家庭日常生活中。掃地機器人因其操作簡單，使用方便等特點，越來越深入地走進了人們生活，和家庭、辦公聯(lián)系在了一起，成為了常用家電中重要的一員，深受歡迎[1－2]。與此同時，城市中各種高層建筑越來越多，雖然由于電梯的普及而對樓梯的使用率不高，但是保持樓梯的清潔仍是物業(yè)的繁重工作，需要耗費不少的人力及資源[3]。所以樓梯的自動清潔也成為了掃地機器人的問題之一[4－6]。

目前，清潔裝置大多數(shù)針對平面進行清掃，具有實用性的樓梯及地面掃拖一體裝置較少，對于樓梯清理方面的研究有一些，如日本有提出一種樓道清潔機器人[7]，以L型的腿部結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)樓梯的攀爬，國內(nèi)如浙江科技學(xué)院有設(shè)計一款樓道清潔機器人[8]，采用齒輪齒條運動副進行上下樓，用于樓道內(nèi)樓梯的清掃。以上皆為樓梯清掃機器人，不具備拖地功能，目前幾乎很少有針對樓梯及地面的掃拖一體裝置設(shè)計[9]。為解決高層建筑樓梯清潔過程存在安全隱患、清理繁瑣費時、清掃和拖地?zé)o法同時進行、角落清潔不到位等問題，提出了一種樓梯及地面掃拖機器人的設(shè)計方案，從而將人力勞動從繁重的樓道掃拖清潔中解放出來，提高樓梯清潔效率，節(jié)約人力資源，改善人們的居家生活環(huán)境。

1 樓梯及地面掃拖一體機器人方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體方案設(shè)計

樓梯及地面掃拖一體機器人最終要實現(xiàn)兩種工作模式，即樓梯清潔模式、平地清潔模式，用戶可以根據(jù)需求自行切換選擇。考慮到上下樓梯、掃地和拖地3個功能，本文把樓梯及地面掃拖機器人設(shè)計為3個模塊，分別為分布在兩側(cè)的掃地模塊和拖地模塊，以及在這兩者中間的升降模塊。這3個模塊在高度方向上可完成相對運動，同時機器人底部的萬向輪配合水平方向上的運動，即可實現(xiàn)上下樓梯且可同步進行掃地和拖地的功能。

1.2 掃地模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

掃地模塊主要采用吸塵方式來清掃地面，如圖1 所示，在掃地模塊的框架內(nèi)，主要由2 個吸塵管道、1 個垃圾儲存杯、2個大型吸塵口與電機組成。掃地模塊通過大吸塵口完成地面的清掃，垃圾通過吸塵管道后存放在垃圾儲存杯中，儲存杯可方便地取出傾倒垃圾后裝回。

圖1 掃地模塊結(jié)構(gòu)

1.3 拖地模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

拖地模塊是在清潔垃圾后的二次清潔加工，確保樓梯地面的整潔，更加徹底地清理死角[10]。拖地模塊由兩個對稱的曲柄滑塊機構(gòu)組成，如圖2所示，驅(qū)動電機和帶輪機構(gòu)分別提供和傳遞動力。電機工作時，通過皮帶傳動，帶動與大帶輪固定連接的中間連桿運動，使得兩個拖地板做往復(fù)運動，在矩形拖地板的反復(fù)清潔作用下，達到更好地清理死角的作用。

圖2 拖地模塊結(jié)構(gòu)

1.4 中間升降模塊

為了將掃地模塊和拖地模塊結(jié)合，且可具有高度方向上的相對運動以實現(xiàn)攀爬樓梯的功能，專門設(shè)計了一個中間升降模塊。機械升降裝置安裝在中部殼體內(nèi)，共有4根導(dǎo)軌對機器升降運動進行導(dǎo)向，升降裝置平面機構(gòu)原理如圖3～4 所示，此傳動系統(tǒng)由驅(qū)動電機、導(dǎo)軌、帶輪、皮帶等組成。在驅(qū)動電機的作用下帶動導(dǎo)軌上的滑塊裝置上下移動，即帶動與滑塊固結(jié)的掃地模塊和拖地模塊在高度上的移動，以實現(xiàn)爬樓梯運動。此種升降機構(gòu)具有傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、方便維護的特點。

圖3 升降裝置平面機構(gòu)原理

圖4 升降模塊結(jié)構(gòu)

1.5 全向輪模塊

本模塊通過6個獨立驅(qū)動的全向輪實現(xiàn)機械運動[11－12]。如圖5所示，6 個全向輪分為2 組，分別安裝在掃地模塊與中間模塊的底板上。其中4 個全向輪運動方向為機器人的前進方向，2個全向輪運動方向為機器人的橫向運行方向，以保證前后左右方向運動順利運行。

圖5 全向輪模塊

1.6 整體結(jié)構(gòu)

樓梯及地面掃拖機器人外殼為一整體，呈中空長方體，整體由2020 鋁型材搭建。機械傳動系統(tǒng)是整體核心，控制整個機器的運動、轉(zhuǎn)向與升降功能。掃地模塊進行垃圾清潔及儲存，拖地模塊進行地面二次清潔。樓梯及地面掃拖機器人的整體結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 整體結(jié)構(gòu)

2 電機計算及選型

2.1 全向輪驅(qū)動電機

本設(shè)計中，全向輪共6個，左右行走是由其中2個編碼減速電機驅(qū)動的。單個電機動所需的功率為：

式中：M為單個電機所受轉(zhuǎn)矩，即M＝F·r，r為力臂；n為電動機轉(zhuǎn)速，初步設(shè)計為35 r/min。

式中：μ為動摩擦因數(shù)（此處為橡膠的動摩擦因數(shù)）；N為正壓力。

將r＝0.04 m、μ＝0.45、N＝60 N代入得：

F＝μ·N＝27 N

M＝F·r＝1.08 N·m

P＝M·n/9 550＝4 W

為保證電壓一致，方便電路連接，選用DC24V 的電機，由公式計算后，最終選擇電機參數(shù)如表1所示。

表1 全向輪驅(qū)動電機參數(shù)

2.2 中間升降模塊帶輪驅(qū)動電機

升降模塊控制部分內(nèi)有2個大扭矩減速電機，分別驅(qū)動2個同步帶輪，帶動第一部分掃地模塊和第三部分拖地模塊上下移動。兩個部分驅(qū)動要求相同，則計算功率大的第一部分即可。計算電機功率公式同為式（1），對于帶輪驅(qū)動電機，M 為電動機所受轉(zhuǎn)矩，即M＝F·d，d 為力臂，n 為電動機轉(zhuǎn)速，初步設(shè)計為15 r/min。

將d＝0.1 m、F＝50 N代入得：

M＝F·d＝5 N·m

P＝M·n/9 550＝8 W

按照一定的余量選擇電機，其參數(shù)如表2所示。

表2 升降模塊帶輪驅(qū)動電機參數(shù)

2.3 拖地模塊驅(qū)動電機

拖地模塊由兩個中心對稱的曲柄滑塊構(gòu)成，曲柄滑塊機構(gòu)需要實現(xiàn)往復(fù)運動，所以選用編碼減速電機驅(qū)動，其功率計算公式同為式（1）、（2），對于拖地模塊主動輪驅(qū)動電機，M為電動機所受轉(zhuǎn)矩，M大帶輪＝M小帶輪，n為電動機轉(zhuǎn)速，初步設(shè)計為30 r/min，μ為動摩擦因數(shù)，此處為拖布的動摩擦因數(shù)，按表3所示，取值0.35，N為正壓力。

表3 摩擦因數(shù)表

已知：r＝0.125 m，μ＝0.35，N＝30 N，帶輪傳動比為1∶2.5，則大帶輪轉(zhuǎn)速為n/i＝12 r/min，代入得：

F＝μN＝10.5 N

M大帶輪＝F·d＝1.3 N·m

M小帶輪＝M大帶輪/2.5＝0.52 N·m

P＝M·n/9 550＝1.6 W

按照一定的余量選擇電機，其參數(shù)如表4所示。

表4 拖地模塊帶輪驅(qū)動電機參數(shù)

3 強度校核

樓梯及地面掃拖一體機器人各部分的抬升和下降均通過皮帶拉動。皮帶與細長鈑金連接件固結(jié)，鈑金分別與掃地模塊和拖地模塊固定連接，以帶動其升降。如圖7所示。

圖7 鈑金連接件

在相應(yīng)模塊升降的過程中，鈑金連接件受較大的懸伸載荷，且易發(fā)生變形，所以需對鈑金連接件進行強度及剛度校核。將鈑金連接件進行有限元網(wǎng)格劃分和添加約束和載荷，計算求解后得到鈑金連接件的等效應(yīng)力云圖和總體變形云圖如圖8所示。

圖8 有限元仿真分析結(jié)果

由分析求解結(jié)果可知，鈑金連接件的最大等效應(yīng)力約為41 MPa，最大應(yīng)力主要集中在兩部分相連接的連接孔位置，其最大等效應(yīng)力遠小于材料（45 號鋼）的屈服強度；最大變形量約為0.05 mm，無較大的變形，即鈑金件能夠滿足機器人工作的強度和剛度要求。

4 樣機制作及功能試驗

樓梯及地面掃拖一體機器人外觀整體材料選用亞克力板，各部分的側(cè)面和第三部分的上表面選用黑茶色透明亞克力板，第一、二部分上表面選用無色透明亞克力板，方便觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有助于調(diào)試和修改。

制作完成的機器人在地面及樓梯上進行清潔試驗，如圖9所示。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的機器人可順利上下樓梯并能有效清潔地面及樓梯垃圾。

圖9 樓梯及地面掃拖機器人清潔功能試驗

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種樓梯及地面掃拖一體機器人，基于帶傳動設(shè)計了3個高度可相對運動的模塊以實現(xiàn)樓梯的攀爬，基于曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計了拖地模塊。此機器人可在樓梯及地面上全向運動和攀爬樓梯，并可同時進行掃地和拖地清潔。在此設(shè)計基礎(chǔ)上制作了機器人樣機，通過樣機的清潔試驗，驗證了該機器人地面運動和樓梯攀爬的平穩(wěn)性和掃拖清潔的有效性，說明了該樓梯及地面掃拖一體機器人設(shè)計的合理性。本文所設(shè)計的樓梯及地面掃拖一體機器人解決了目前市面上掃拖機器人幾乎沒有樓梯清潔功能的問題，為樓梯及地面清潔裝置的研究提供了參考借鑒。