樓梯清掃策略及技術運用研究＊

王 輝，羅 慶，王 鵬，王 濤，王 波，郭強龍

（1.蘭州工業學院機電工程學院；2.蘭州工業學院材料工程學院，甘肅 蘭州 730050）

掃地機器人是一種智能清掃吸塵工具，是一種具有微處理系統的電動清潔機器人。其最早發明于美國，20 世紀90 年代在我國開始萌芽。現在市場上的自動掃地機器人主要品牌有臺灣浦桑尼克、中國科沃斯、荷蘭飛利浦、美國iRobot 等[1]。

掃地機器人作為其在機電設備方面重要的分支，卻很少有相對成熟的技術針對樓梯清掃的機器人實現商用。而臺階結構一直以來都是普通掃地機器人在平時的清掃工作中難以跨越的障礙。各國針對這種對于掃地機器人來說特殊的運動環境，開發的樓梯清掃機器人主要有輪式、履帶式、足式等[2]。雖然目前的樓梯清掃機器人具備了一定的樓梯清掃功能，但仍然具有結構復雜、性價比低、難以推廣等諸多問題。因此研發一種結構簡單、占地面積小、具備市場推廣的樓梯清掃機器人很有必要。

1 整體方案設計

軌道式樓梯清掃機器人主要結構有運行軌道、驅動齒輪、驅動電動機、氣動機械臂、氣泵、吸塵機構、PLC 控制模塊等，其三維結構如圖1 所示。當機器人開始執行向上移動清掃工作時，驅動電機帶動驅動齒輪轉動，與軌道產生摩擦，帶動機體進行爬升，同時傳感器開始工作，不間斷識別樓梯位置，當感應到正確的樓梯臺面位置時發出信號，PLC 控制驅動電機停止運行，此時清掃機械臂伸出，吸塵電機啟動執行清掃工作，在清掃過程中行人檢測傳感器始終保持運行，當感應到有行人通過時發出信號，PLC 控制吸塵電機停止工作，同時控制電機帶動清掃機械臂緩緩收回，待檢測到行人完全通過后，控制機械臂伸出，同時吸塵電機重新啟動，清掃繼續，當完成此臺階面的清掃工作后，驅動電機控制機器人爬升，傳感器檢測到下一臺階面的正確位置后，繼續下一臺階的清掃工作。

圖1 導軌式樓梯清掃機器人三維圖

2 爬樓機構設計

本樓梯清掃機器人采用導軌式爬樓方式，爬樓機構主要由導軌、導輪、驅動齒輪、直流電機等構成，如圖2 所示。蓄電池為電機提供電能。導軌為上圓下方結構，導軌上部與導輪接觸，引導清掃機器人沿樓梯方向運動；導軌下部設計齒條結構與驅動齒輪嚙合，驅動齒輪連接在電機上，實現清掃機器人沿導軌運動。

圖2 機械系統及各元件位置分布圖

樓梯清掃機器人沿導軌運動，其行駛速度為

v—樓梯清掃機器人軌道運動速度,m/s；

r—驅動齒輪分度圓半徑，m；

n0—電機所需轉速，r/min。

機器人設計質量為20kg，g 取9.8m/s2，設定機器人的運行速度為0.1m/s，驅動齒輪分度圓半徑為0.06m，由式（1）可求得電機所需轉速n0=12r/min。

驅動齒輪所受力矩M 為：

M—驅動齒輪所受力矩，N·m；

Fv—樓梯清掃機器人沿運動方向分力，N；樓梯清掃機器人沿運動方向分力為：

m—樓梯清掃機器人質量，kg；

g—重力加速度，m/s2；

θ—導軌與豎直方向的夾角，°；

結合式（2）、（3）求得驅動齒輪所受力矩M 為0.28 N·m。

則計算功率：

數值代入式（4）得電機所需功率35W。

電機所需功率：

電機功率因數k 取1.2，機械效率η 取85%，代入式（5）得電機所需功率大于等于50W。考慮到樓梯清掃機器人為移動設備，采用蓄電池供電，設計采用直流無刷輪轂電機，選取時代超群的42BL80s09-230 電機，參數見表1。

表1 時代超群42BL80s09-230 電機參數表

3 氣壓系統設計

氣動系統由空氣壓縮機、電磁換向閥、氣缸、機械臂、氣源管、接頭等組成，機箱內部結構如圖2 所示，執行部分如圖3 所示。空氣壓縮機壓縮空氣，通過電磁換向閥接入氣缸。當電磁換向閥控制氣缸尾端通入壓縮空氣，氣缸推動機械臂展開，在重力作用下吸塵頭沿樓梯臺面向前運動；當電磁換向閥控制氣缸前端通入壓縮空氣，氣缸拉動機械臂縮回，在重力作用下吸塵頭沿樓梯臺面向后運動。吸塵頭沿樓梯臺面往復運動，結合吸塵系統完成樓梯臺面清掃功能[3]。

圖3 氣壓部件圖

4 吸塵系統設計

吸塵系統采用真空吸塵原理，主要由真空泵、吸塵管、機械臂和吸塵頭組成。機箱內部結構如圖2所示，機械臂結構如圖3 所示，吸塵頭與機械臂連接如圖4 所示。通過真空泵將樓梯雜物及空氣吸入垃圾收容箱，通過離心排風通道，將空氣從排風通道的網孔中排出，樓梯雜物濾除在垃圾收容箱里，完成樓梯臺面清掃功能[4]。由于垃圾收容箱容積有限，需定期進行清理。

圖4 吸塵頭與機械臂連接結構圖

5 測控系統設計

考慮設備工作可靠性、穩定性、經濟性等因素，本設計選用PLC 可編程控制器作為測控系統處理器。電源采用DC24V 蓄電池供電[5]。PLC 需要測試三路數字信號，一路用于判斷是否到達下一臺階；兩路判斷是否到達清掃終點，在頂樓樓梯末端和一樓樓梯起始端焊接阻擋板，樓梯清掃機器人機箱側邊安裝接近開關，當接近開關觸碰阻擋板，樓梯清掃機器人停止工作。測試一路模擬信號，判斷是否有行人經過。若紅外傳感器檢測人與清掃機器人距離小于2m時，清掃機器人機械臂收回，暫停作業；距離大于等于2m 時，清掃機器人恢復作業。PLC 輸出一路數字信號，控制電磁換向閥，用以控制機械臂往復動作，配合吸塵系統完成樓梯臺面清掃工作。輸出一路模擬信號，控制直流電機工作電壓，用于調節樓梯清掃機器人工作速度[6-8]。測控系統邏輯如圖5 所示。

圖5 測控系統邏輯圖

6 結論

提供了一種導軌式機械臂樓梯清掃機器人設計方案。

（1）爬樓機構設計：本樓梯清掃機器人采用導軌式爬樓方式。蓄電池為電機提供電能。導軌為上圓下方結構，導軌上部與導輪接觸，引導清掃機器人沿樓梯方向運動；導軌下部設計齒條結構與驅動齒輪嚙合，驅動齒輪連接在電機上，實現清掃機器人沿導軌運動。

（2）氣壓系統設計：空氣壓縮機壓縮空氣，通過電磁換向閥接入氣缸。當電磁換向閥控制氣缸尾端通入壓縮空氣，氣缸推動機械臂展開，在重力作用下吸塵頭沿樓梯臺面向前運動；當電磁換向閥控制氣缸前端通入壓縮空氣，氣缸拉動機械臂縮回，在重力作用下吸塵頭沿樓梯臺面向后運動。吸塵頭沿樓梯臺面往復運動，結合吸塵系統完成樓梯臺面清掃功能。

（3）吸塵系統設計：通過真空泵將樓梯雜物及空氣吸入垃圾收容箱，通過離心排風通道，將空氣從排風通道的網孔中排出，樓梯雜物濾除在垃圾收容箱里，完成樓梯臺面清掃功能。由于垃圾收容箱容積有限，需定期進行清理。

（4）測控系統設計：選用PLC 可編程控制器作為測控系統處理器。電源采用DC24V 蓄電池供電。PLC 需要測試三路數字信號和一路模擬信號，輸出一路數字信號和一路模擬信號。配合機械系統和氣壓傳動系統，完成樓梯清掃工作。

綜上，導軌式機械臂樓梯清掃機器人結構簡單，穩定性高，占地面積小，具有一定市場開發前景。