掃地機器人觸發式液壓輔助越障機構的設計

郝為亮，潘春榮，任艷奎

（江西理工大學機電工程學院，江西贛州 341000）

掃地機器人具有自主清掃、吸塵和拖地等功能，深受消費者青睞，廣泛應用于各種生活場所[1-2]。掃地機器人大多在平滑地面上工作，所以基本采用輪式結構。通常采用馬達驅動掃地機器人的車輪旋轉，實現其移動和轉向，并通過拉簧越障機構使其跨越較低的障礙物[3-4]。當遇到臺階、門檻等較高的障礙物時，掃地機器人常常出現無法越障或因動力不足而卡死（僅機器人前端跨過障礙物）等問題，無法繼續對地面進行清潔。

對此，很多學者對掃地機器人的越障性能展開了研究。宋玉宏等[5]采用H橋驅動電路控制電機，使掃地機器人在越障時其車輪能夠保持較高轉速，從而提升了機器人的越障高度，但由此產生的沖擊力和噪聲也相應增大；劉建宏等[6-7]從變形角度出發，分別將腿式和履帶式結構與輪式結構結合，共同裝載在掃地機器人中，使機器人通過腿式和履帶式結構越障，但這樣的掃地機器人的體積較大，無法適用于室內；Yan等[8-10]采用輪式聯動機構，使掃地機器人在越障時其車輪產生向上攀爬的動作，越障效果得到改善，但經測試發現，當機器人以傾斜角度越障時會出現無法逾越的死角，且當地面較潮濕時，越障高度提升不明顯；馮書鵬等[11]采用扭簧輔助越障機構，通過輔助驅動輪提供額外動力，使掃地機器人具有較強的自適應性，但對拉簧及扭簧的配合要求較高，越障穩定性不強。綜上可知，掃地機器人的越障性能有待提升，其結構須進一步優化。

筆者設計了掃地機器人觸發式液壓輔助越障機構。在拉簧越障機構的基礎上，增加了觸發模塊和液壓模塊，以有效提升掃地機器人的越障高度，且無須額外驅動即可使機器人在正常行駛和越障模式之間來回切換，減小了控制單元的復雜度。

1 觸發式液壓輔助越障機構的結構組成和工作原理

掃地機器人觸發式液壓輔助越障機構的結構組成如圖1所示。其主要包括觸發模塊和液壓模塊。觸發模塊具有控制電路開關的作用，決定了液壓模塊是否運行；液壓模塊決定了機器人以何種方式越障[12-13]。

圖1 掃地機器人觸發式液壓輔助越障機構的結構組成Fig.1 Structure composition of trigger hydraulic auxiliary obstacle crossing mechanism of sweeping robot

1.1 觸發模塊

為保證觸發的準確性，方便用戶操作，在設計時采用機械結構代替觸發傳感器。觸發模塊主要由觸發臂、觸發輪、扭簧和傳動臂組成。觸發臂前端貼有橡膠膜，在碰撞時觸發輪和橡膠膜可以起到一定的緩沖作用。傳動臂上端固定著導電塊，觸發臂與傳動臂之間通過扭簧連接，共同搭載在減速箱外殼上。觸發模塊的結構如圖2虛線框所示。

圖2 觸發模塊的結構（虛線框所示）Fig.2 Structure of trigger module(shown in dotted box)

假設障礙物高度為h，裝有拉簧越障機構的掃地機器人的極限越障高度為hmax1（受掃地機器人自身重力的影響，一般為15～20 mm），裝有觸發式液壓輔助越障機構的掃地機器人的極限越障高度為hmax2，如圖3所示。則觸發模塊的工作原理為：當h＜hmax1時，掃地機器人依靠拉簧越障機構越障；當hmax2≥h≥hmax1時，觸發臂在碰撞瞬間被頂起至障礙物表面，旋轉一定角度后通過扭簧將扭矩傳遞給傳動臂，傳動臂帶動導電塊下移，從而使液壓電路接通，截止閥電路斷開。

圖3 障礙物高度h及機器人極限越障高度hmax1和hmax2示意Fig.3 Schematic of obstacle height h and obstacle crossing height hmax1and hmax2

1.2 液壓模塊

為了保證掃地機器人的穩定性，減小其越障時與地面作用而產生的沖擊，將液壓傳動與機械傳動相結合，設計了液壓模塊[14]。液壓模塊由沖壓機構、液壓機構和伸縮機構組成，如圖4所示。沖壓機構搭載在減速箱上，與驅動輪共用一個電機；液壓機構放置在驅動輪后方，將沖壓機構產生的機械能轉化為液壓能；伸縮機構由液壓缸、拉伸彈簧、液壓桿和墊片組成，為掃地機器人提供穩定的輔助驅動力。

圖4 液壓模塊的結構Fig.4 Structure of hydraulic module

當觸發臂被障礙物頂起時，液壓電路接通，截止閥電路斷開，偏心輪開始旋轉，柱塞在壓縮彈簧和偏心輪的作用下作左右往復運動。當柱塞向右運動時，柱塞孔和柱塞左端構成的密閉工作油腔的容積增大、壓強減小，此時排油閥封住出油口，油箱中的液壓油在大氣壓力的作用下通過進油閥流入工作油腔；當柱塞向左運動時，密閉工作油腔的容積減小、壓強增大，此時進油閥封住進油口，工作油腔中的液壓油通過排油閥流入液壓缸[15]。

偏心輪持續轉動，液壓油不斷地從油箱流入液壓缸，液壓桿伸出直至接觸地面。此時，若液壓桿繼續伸出，地面會給機器人一個斜向上的反作用力，即輔助驅動力，幫助機器人順利突破越障臨界點[16]。當驅動輪跨越障礙物后，觸發臂在重力作用下返回初始位置，導電塊上推，液壓電路斷開，截止閥電路接通，通過拉伸彈簧的作用液壓油迅速從液壓缸流回油箱，液壓桿收回，掃地機器人繼續正常行駛，對地面進行清潔。

掃地機器人的越障流程如圖5所示。

圖5 掃地機器人的越障流程Fig.5 Obstacle crossing process of sweeping robot

2 掃地機器人越障動力學分析

根據掃地機器人的實際尺寸，利用UG軟件繪制出觸發式液壓輔助越障機構的三維結構圖，如圖6所示。

圖6 觸發式液壓輔助越障機構的三維結構圖Fig.6 Three-dimensional structure diagram of trigger hydraulic auxiliary obstacle crossing mechanism

2.1 掃地機器人最大傾斜高度分析

掃地機器人的底盤較低，在跨越高障礙物時底盤后端會與地面接觸，對越障過程產生干涉。記掃地機器人的最大傾斜高度為hmax3，如圖7所示。其中，△ABE∽△ACO2，由三角形相似性質可得：

圖7 掃地機器人最大傾斜高度示意Fig.7 Schematic of maximum inclination height of sweeping robot

式中：l表示2點之間的距離；h1為掃地機器人在正常行駛狀態下底盤與地面的距離；h2為邊輪拉簧行程；lCD的值即為hmax3。

式（1）中，除lCD外，其余均為已知參數。為避免掃地機器人在障礙物邊緣被卡死，在設計時須保證hmax2＞hmax3。

2.2 輔助驅動力分析

觸發式液壓輔助越障機構設計的關鍵點在于使伸縮機構提供合適的輔助驅動力[17]。當輔助驅動力過小時，驅動輪無法突破越障臨界點；當輔助驅動力過大時，機器人殼體被頂起，驅動輪懸空并停止轉動（此為掃地機器人的一種保護機制）。因此須對越障所需的驅動力進行分析和求解。

可將掃地機器人單側驅動輪觸碰到障礙物準備跨越看作剛體定點運動[18-19]。其單輪越障臨界點受力如圖8所示。

圖8 掃地機器人單輪越障臨界點受力示意Fig.8 Schematic of force on critical point of single wheel obstacle crossing of sweeping robot

機器人越障所需的輔助驅動力F1作用在液壓桿上，受力點可等價為在驅動輪的正上方。力和力矩的平衡方程為：

式中：T為驅動輪轉矩；FN1為地面作用于驅動輪的支撐力，FN2為障礙物作用于驅動輪的支撐力；f1為驅動輪與地面之間的摩擦力，f2為驅動輪與障礙物之間的摩擦力，f1=μFN1，f2=μFN2，其中μ為地面的摩擦系數；G為掃地機器人重力；α為液壓桿與地面的夾角，β為驅動輪與障礙物接觸點的切線與障礙物的夾角；R為驅動輪半徑。

代入已知數據，求解方程組（3），即可得到F1值。

液壓油的壓縮性很小，在通常情況下認為是不可壓縮的，故可忽略液壓油在管道中的沿程壓力損失。假設在液壓模塊運行前油箱內已充滿液壓油，則伸縮機構的輸出力F2和液壓缸伸出速度v的計算公式為：

式中：p為液壓油壓力；A2為液壓桿底面積，A2=πd2/4，其中d為液壓桿直徑；F3為彈簧拉力，F3=kx，其中k為彈簧彈性系數，x為彈簧拉伸距離；q為流量，q=2n1A1l，其中n1為偏心輪轉速，A1為柱塞底面積，l為柱塞有效行程。

給定液壓缸的最大負載后，液壓油壓力越高，液壓桿的有效工作面積就越小，液壓缸的結構就越緊湊。但隨著系統壓力的升高，液壓元件的性能要求也相應提高。因此，在設計工作壓力p和液壓桿直徑d時，除須保證F2的值略大于F1外，還應根據液壓缸材質、密封性及液壓桿強度等因素綜合考慮。

3 液壓桿靜力學分析

液壓桿是掃地機器人在越障過程中主要的受力部件，易發生損壞，因此須重點研究。將其模型導入ANSYS軟件中，設置單元類型、實常數和材料屬性并劃分四面體網格，建立液壓桿的有限元模型。設G=50 N（市面上掃地機器人的重力為20～50 N），α=45°，可得F1=71 N。將其作用在液壓桿底面，選擇輸出模式后求解。求解后液壓桿的應力和應變分布如圖9所示。

圖9 液壓桿應力和應變分布Fig.9 Stress and strain distribution of hydraulic rod

由圖9（a）可知，在輔助驅動力F1作用下，液壓桿的最大等效應力為19.325 MPa。由于PMMA（polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯）材料的抗壓強度為120～130 MPa，因此液壓桿的強度可以得到保證。由圖9（b）可知，在此驅動力作用下，液壓桿的最大變形位于底端，最大形變量小于1 mm。微小變形對精度要求不高的液壓桿影響不大，故液壓桿的剛度符合要求。

4 掃地機器人越障仿真

為了驗證掃地機器人輔助越障機構的合理性，進行掃地機器人越障仿真。在UG軟件中建立掃地機器人三維模型，將輔助越障機構分別置于其左右驅動輪兩邊，呈對稱分布。進入UG運動仿真界面，新建仿真算例，添加約束、重力加速度、摩擦力和驅動等，輸入運動參數后求解[20]。掃地機器人越障仿真過程如圖10所示。

圖10 掃地機器人越障仿真過程Fig.10 Obstacle crossing simulation process of sweeping robot

當掃地機器人檢測到前方有臺階時，立即減速慢行，如圖10（a）所示。機器人前端在驅動輪的推動下越過臺階，繼續向前行駛一段距離后，觸發臂在碰撞瞬間被頂起，液壓模塊開始運行，如圖10（b）所示。液壓桿在油壓作用下快速伸出，與地面接觸后為驅動輪提供輔助驅動力，如圖10（c）所示。機器人左右兩驅動輪繞轉軸（兩驅動輪與臺階接觸點的連線）旋轉至臺階表面，如圖10（d）所示。機器人前端和觸發臂在重力作用下返回初始位置，如圖10（e）所示。液壓電路斷開，截止閥電路接通，通過拉伸彈簧的作用液壓缸中的液壓油流回油箱，液壓桿收回并返回初始位置，越障完成，機器人繼續正常行駛，如圖10（f）所示。

5 實驗驗證

市面上銷售的掃地機器人的內部結構較為緊湊，無法放入觸發式液壓輔助越障機構。為了保證實驗的準確性，按照掃地機器人主流產品的參數設計并制作了機器人樣機。通過ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical system，機械系統動力學自動分析）軟件分析輔助越障機構的結構參數對掃地機器人越障性能的影響，得到了部分結構參數的最佳取值，如表1所示。

表1 觸發式液壓輔助越障機構部分結構參數Table 1 Some structural parameters of trigger hydraulic auxiliary obstacle crossing mechanism

采用3D打印技術制作輔助越障機構的部分零件，并與扭簧、液壓閥、泵體等進行組裝，組裝完成后搭載在掃地機器人樣機上。觸發式液壓輔助越障機構實物圖如圖11所示。選用若干厚度為0.5，1，2，5 mm的亞克力板進行組合，來模擬不同高度的障礙物。

圖11 觸發式液壓輔助越障機構實物圖Fig.11 Physical drawing of trigger hydraulic auxiliary obstacle crossing mechanism

地面不同，則其與驅動輪間的動摩擦系數不同，故實驗時選擇地磚和地板兩種地面，分別測試機器人樣機在干掃和濕拖兩種工作模式下的極限越障高度。掃地機器人在地磚干掃模式下的越障實驗如圖12所示。為排除地面傾斜的干擾，將機器人樣機隨機放置在地面，進行5次實驗。取實驗結果的平均值作為最終結果，如表2所示。

圖12 掃地機器人在地磚干掃模式下的越障實驗Fig.12 Obstacle crossing experiment of sweeping robot in floor tile dry sweeping mode

表2 掃地機器人越障實驗結果Table 2 Experimental results of obstacle crossing of sweeping robot

從表2可以看出，裝有輔助越障機構的掃地機器人在干掃和濕拖兩種模式下的越障能力均有較大提升，且地面越粗糙，提升效果越明顯。可見，觸發式液壓輔助越障機構對地磚和地板兩種地面均有較好的適應性。

6 結論

針對掃地機器人越障高度較低的問題，設計了一種觸發式液壓輔助越障機構。根據實際工況對裝有輔助越障機構的掃地機器人進行仿真和實驗研究，驗證了該機構的可行性。

通過研究可得：

1）裝有觸發式液壓輔助越障機構的掃地機器人的越障能力得到明顯提升，且對地磚和地板兩種地面均有較好的適應性。

2）由于掃地機器人具有一定的高度，在設計時應選用柱塞式液壓缸。采用伸縮套筒式液壓缸可大大減小輔助越障機構的整體高度，使掃地機器人的結構更為緊湊。

3）采用液壓傳動與機械傳動相結合的方式，保證了機器人越障的穩定性。模塊化的設計使得輔助越障機構拆裝方便，其經適當改裝后即可應用在不同規格的掃地機器人中，具有一定的可推廣性。