看臺座椅區域垃圾清掃機器人

呂樹雨，商俊輝，史晨琛，楊賀剛，沈仟龍，張嘉龍

（河南理工大學，河南 焦作 454003）

0 引言

近年來，服務型機器人的研究和應用取得了快速的發展。作為智能機器人未來的重要發展方向，服務型機器人的應用也將越來越廣泛。清掃機器人也是服務型機器人的一種，當前的清掃機器人可分為室內清掃機器人和室外場地清掃車，家庭清潔機器人的尺寸一般較小，所能容納的垃圾有限，通常只能適用于平整地面，對于階梯等狹小地形顯然力不從心。室外場地清掃車主要適用于展覽場館、高校、物業小區、廣場等較大的平坦場所，但無法適用于階梯、障礙物較多的復雜地形。如體育場、演唱會等大型場館其看臺座位密集，過道較窄，座椅分布面積較廣，分布類型為階梯狀，使得看臺垃圾難以清理干凈。因此，市場上迫切需要一款適用于大型場館清掃的機器人機構，實現階梯清掃[1]。

1 一種新型看臺區域垃圾清掃機器人總體結構設計

1.1 功能設計

本清潔機器人的主要功能包括：階梯攀爬功能，重心平衡功能，自動化清掃功能，滿載自動返航功能。

1.2 機器人總體結構

該機器人采用組合式設計，分為小型清掃機器人、垃圾收集車。工作時，垃圾收集車攜帶小清掃機器人走上臺階，抬升臂轉動將其放到地面上。清掃機器人在激光測距下沿直線行駛，小清掃機器人機械臂的毛刷將椅子面的垃圾卷到地面上，小清掃機器人前方的盤刷向內旋轉將垃圾卷入小清掃垃圾機器人內部，以達到清潔地面和椅子上的垃圾的目的。當檢測到垃圾已滿時，小車沿原路返航，垃圾車提升機械臂，將垃圾倒入收集箱內[2]。

圖1 機器人整體結構圖

2 一種新型看臺座椅區域垃圾清掃機器人各部分工作原理

本產品針對市場空白，結合市場現存垃圾清掃機器人無法實現看臺等復雜區域的垃圾清掃問題，進行全面的創新設計，使其在具有較強靈活性的同時，擁有更強的續航能力，同時擴大其清潔領域。不僅能夠在平坦的地面進行高效率清潔工作，更能實現復雜地形的清掃。該產品擁有三大創新設計，分別是行星輪變形輪輔助攀爬、四連桿重心平衡機構、清掃機器人清掃及返航。

2.1 行星輪變形輪輔助攀爬

2.1.1 變形輪原理

變形輪三維圖如圖2所示：

圖2 變形輪結構及變形示意圖

變形輪采用曲柄滑塊機構，使其靈活的在圓形車輪和三角形半步車輪之間自由轉換。如圖2所示，變形輪由3塊分離的輪轂組成，通過轉盤上的滑動軸將其固定。當垃圾收集車在水平路面行進時，變形輪保持圓形車輪，當前置超聲波傳感器檢測到前方地形變化，需要進行階梯攀爬時，變形輪內部舵機帶動內盤轉動，內盤的轉軸與外盤的滑動軸產生相對運動，相對位移，使得滑動軸可以在輪轂的軸槽內滑動，從而使變形輪的輪轂在搭接處產生錯位變形，變形輪緩慢打開，最終完成三角形半步形輪的切換[3]。

2.1.2 行星輪機構

行星輪由一個車輪架和三個小輪組成。在工作時，行星輪上的三個小輪繞其各自的轉軸轉動。當垃圾收集車在平地上行駛時，行星輪架不動，僅其兩輪著地轉動；當垃圾收集車在翻越階梯時，行星輪的輪架進行旋轉，各小輪一起繞中心軸轉動，完成階梯攀爬過程。

2.2 四連桿重心平衡機構

垃圾收集車的重心調節采用連桿機構，如圖3所示。當垃圾收集車處于攀爬狀態時，整個車身與地面傾斜一定角度，為了防止攀爬過程中側翻，舵機驅動控制連桿，使整個連桿機構進行運動，調節重心位置，增加穩定性[4]。

圖3 重心調節裝置

當清掃機器人前方的超聲波傳感器檢測到臨近臺階時，變形輪緩慢變形，使其從平地運行的圓形車輪變形為階梯攀爬的三角形半步車輪，并完成攀爬階梯;同時，重心調節連桿機構根據階梯傾斜程度自動調節重心位置，增加攀爬穩定性。

2.3 清掃機器人清掃及返航

全自動實現館場看臺階梯的清掃。開始工作時，清掃機器人置放在垃圾收集車的一側，當到達指定清掃位置時，清掃機器人脫離垃圾收集車進行清掃作業。清掃工作時，小垃圾清掃機器人在座椅之間清掃。當清掃機器人檢測滿載后，小清掃機器人原路返回，當小清掃機器人后面的激光測距檢測到垃圾收集機器人時，電磁鐵通電帶磁吸住小清掃機器人后方的鐵塊。此時小清掃機器人上面的推桿帶動插銷，垃圾箱與清掃機器人分離，抬升臂提升將垃圾箱內的垃圾倒入攀爬機器人的垃圾收納箱內。然后將垃圾箱放回，推桿帶動插銷歸位鎖死垃圾箱。之后抬升臂提高一定角度，使小清掃機器人隨著攀爬機器人攀爬樓梯清掃，實現清掃整個看臺座椅區域[5]。

3 結語

本項目采用“小型清掃機器人+垃圾收集車”的組合式設計方案，開拓性的創造出垃圾清掃與垃圾收集相互獨立，但又同時進行工作的組合機器。垃圾收集機器人與小型清掃機器人通過電磁鐵連接。到達指定清掃位置時，清掃機器人“脫離”垃圾收集車進行清掃作業，當清掃機器人完成此排座椅區域的清掃后，自動返回垃圾收集車上的指定停放點，實現體育場看臺座椅區域垃圾自動化清掃。同時由于垃圾清掃與垃圾收集相互獨立，垃圾收集車可同時配備多臺不同型號的垃圾清掃機器人，實現大面積、多類型的不同大型場館看臺的清理工作。縱觀國內外清掃服務機器人，目前都停留在室內小范圍清掃機器人以及室外半自動平整地面清掃車。但是對于場館這種分布面積大，地形階梯狀的場景還是有些力不從心，我們的產品有效的解決了以上問題，提高了整個清掃型機器人領域智能化程度，使其更好的適用于大面積、高復雜的大型場館看臺清掃工作，減少了人力消耗，提高效率。