一種智能樓梯清潔機器人的設計與制作

涂福濤 劉首利 曹小兵 周廣宏

（無錫職業技術學院控制技術學院，江蘇 無錫 214121）

近年來，隨著人工智能技術的飛速發展，智能服務型機器人越來越多地出現在人們的生活中，大大提高了人們的生活質量[1]，其中樓梯清潔機器人便是當前清潔型機器人領域研究的熱點之一。王會等[2]提出了一種利用驅動軸的轉動進而使撐桿撐起機器人，實現機器人上下樓梯的攀爬功能，其驅動軸末端的撐桿與樓梯的接觸面較小，容易造成打滑的現象，穩定性較差。樊紅衛等[3]提出的一種箱體式樓梯清潔機器人，其樓梯清潔機構雖有效提高了機器人對不同樓梯高度的適應性，但存在清潔機構功能單一，未設有存儲垃圾的盒子，清潔效果不佳的問題。為此，本文設計了一種模塊化設計方案，并對各功能模塊進行組合優化設計，具體包括三個機構模塊：清掃模塊、驅動模塊和潔地模塊。清掃模塊主要負責對樓梯臺面垃圾的清掃與收集，驅動模塊主要實現機器人的移動與攀爬樓梯功能，潔地模塊主要實現對樓梯臺面的清潔功能。本樓梯清潔機器人采用了Arduino 平臺的ATmega328 控制芯片，該系統便捷靈活，方便上手，滿足樓梯清潔的各功能需求。結合各傳感器模塊對環境信息的檢測，能夠有效解決當前清潔型機器人難以適用于樓梯清潔的問題，并降低了人力資源成本。

1 整體結構設計

本文設計的樓梯清潔機器人主要由清掃模塊、驅動模塊和潔地模塊三大功能模塊組成。主要包括：掃刷、直流電機、Arduino 控制板、步進電機控制板、麥克納姆輪、電源、絲桿、超聲波傳感器、觸須傳感器、灰度傳感器、步進電機、舵機、潔地抹布等裝置，其三維模型如圖1 所示。

圖1 智能樓梯清潔機器人三維模型圖

本文設計的樓梯清潔機器人采用多種傳感器以提高機器人的智能化程度。在清掃模塊的前端裝有超聲波傳感器，用于檢測機器人本體與樓梯之間的距離，以保證機器人在合適的距離停止后實現攀升或橫向清掃；兩側裝有觸須傳感器，防止機器人本體與樓梯扶手、墻壁等發生擦碰，做到智能避障。在驅動模塊的兩側裝有灰度傳感器，用于樓梯邊沿檢測，防止機器人在工作過程中從樓梯邊沿墜落。在清掃模塊與潔地模塊底部各裝有一對全向輪，當機構做橫向運動作為從動輪，而前進時則作為主動輪為整體機構提供向前的驅動力。在驅動模塊的底部采用了四個麥克納姆輪，通過對速度與旋轉方向的控制在狹窄的樓梯空間內實現了全方位的靈活移動。驅動模塊通過直線導軌將清掃模塊與潔地模塊連接，利用步進電機驅動絲桿轉動，實現各部分模塊的配合升降，從而達到了對樓梯的有序攀升。清掃模塊負責對地面的清掃，主要由一對掃刷與儲塵盒來實現；潔地模塊主要實現清掃后的潔地功能，主要包括舵機與抹布，當需要清潔地面時通過舵機使抹布與地面貼合，清潔完畢后收回。機器人系統架構如圖2 所示。

圖2 機器人系統架構圖

2 控制系統硬件設計

2.1 主控制器設計

本文設計的智能樓梯清潔機器人的主控板主要功能是收集各傳感器的實時數據，通過運算、指令輸出來控制各功能模塊。在選擇主控板時主要考慮了Arduino 和STM32F103VET 單片機，結合成本和開發上手簡易程度考慮，選用基于Arduino 開源電子開發平臺的Basra 主控板。該主控板上的微控制器可在Arduino、Eclipse、Visual Studio 等IDE 中通過C/C++語言來編寫并編譯成二進制文件[4]，燒錄進微控制器。Basra 可作為機器人的控制核心，用于控制舵機、直流電機、傳感器、輸出模塊和通訊模塊等。

Basra 是開源主控板且非常適合制作簡易作品，但對于新手電子技術愛好者在主控板上添加電路較為困難。因此本文利用Bigfish 綜合擴展板與Basra 主控板連接來解決這個問題，Bigfish 擴展板連接的電路可靠穩定，并擴展了伺服電機接口、8×8LED 點陣、直流電機驅動和一個通用擴展接口，故滿足了使用需求。Basra 主控板和Bigfish 擴展板如圖3所示。

圖3 Basra 主控板和Bigfish 擴展板實物圖

2.2 執行機構設計

2.2.1 攀爬機構設計

本文設計的樓梯清潔機器人攀爬功能主要由步進電機來實現。從控制精度、系統穩定性和經濟性等方面綜合考量，本文選用滾珠絲杠和直線圓柱導軌作為直線運動單元，通過單片機控制42 步進電機驅動滾珠絲杠，利用反作用力的原理，使機器人的各功能模塊配合升降，從而達到了攀爬階梯的功能。

2.2.2 行走機構設計

在樓梯等狹窄空間內，智能機器人的運動靈活性顯得尤為重要。因此本文設計的機器人共用到了8 個無刷直流電機分別驅動4 個全向輪與4 個麥克納姆輪。機器人在做橫向清掃時需要有較大的力矩；前進后退時所需力矩相對較小。結合成本考慮，選用直徑為100mm 的麥克納姆輪作為橫向清掃時的移動輪；選用直徑為80mm 的全向輪作為前后行走的移動輪。在橫向運動時，機器人底盤的全向輪作為從動輪，前進時則作為主動輪為整體機構提供向前的驅動力。

2.2.3 清潔機構設計

本文設計的樓梯清潔機器人的清掃功能主要由清掃模塊與潔地模塊組成。清掃模塊負責對地面的清掃，由一對掃刷與儲塵盒來實現，掃刷由轉速為69r/min 的4.5V 普通直流電機驅動，通過單片機控制將灰塵掃入儲塵盒內。潔地模塊主要實現清掃后的潔地功能，主要包括圓周舵機與抹布。當需要清潔地面時，通過單片機控制舵機，使抹布與地面貼合并利用振動馬達的高頻振動，實現了對地面的有效清潔。

2.3 傳感器模塊設計

本文設計的智能潔梯機器人進行清掃作業需要用到觸須傳感器、超聲波傳感器和光電傳感器。

本系統的清掃模塊的兩側裝有觸須傳感器。與視覺傳感器相比，觸須傳感器價格低廉且外觀形如自然界昆蟲的“觸須”。觸須傳感器在一定距離和范圍內充當了觸覺感官，用來彌補視覺系統的缺陷。當觸須與障礙物接觸發生彎折時觸發高電平，機構退回，以此來防止本機構與樓梯扶手、墻壁等發生擦碰而導致不必的損失。

為了有效地檢測機器人與樓梯之間的距離并提高攀爬樓梯的穩定性，在本系統的清掃模塊與驅動模塊的前端各裝有一個超聲波模塊，其型號為HC-SR04。他的原理是根據超聲波在介質中傳播的速度，通過計算發射聲波與回收聲波的時間間隔來獲取障礙物的距離，表達式為

S=（1/2T）×340(1)

式中S 為傳感器與障礙物的距離，T 為回響高電平的持續時長，這里介質為空氣，溫度條件取15℃。超聲波傳感器將與障礙物的實時距離傳輸至單片機，通過單片機的控制使機器人智能作出樓梯判斷，從而實現機構在樓梯上的穩定攀爬。

由于樓梯臺階較高，尤其機器人在運動到樓梯邊沿時存在一定的墜落風險。為了有效的降低這種風險，在本系統的驅動模塊兩側裝有光電傳感器。光電傳感器可以有效地檢測到不同的灰階，通過這一原理將它用于對樓梯邊沿的檢測。當光電傳感器檢測到機器人駛出樓梯邊沿時觸發，機器人自動回退，從而降低了從樓梯邊沿墜落的風險。

3 控制系統軟件設計

軟件設計主要是設計控制系統的程序，其任務是在硬件設計的基礎上設計相應的所需功能，并完成各功能模塊的特定任務。本控制系統主程序流程如圖4 所示。其工作原理主要是：初始化后，機器人開始運動，超聲波傳感器開始檢測機器人與樓梯之間的距離并傳輸至主控板，并綜合判斷做出合適的攀爬動作，隨后開始清掃任務。同時觸須傳感器與光電傳感器也在實時檢測，當檢測到存在撞到墻壁或墜樓的風險時，機器人自動回避。

圖4 控制系統主程序流程圖

4 樣機制作與調試

根據以上方案設計，開發制作了該智能樓梯清潔機器人原理樣機，其樣機實物圖如圖5 所示。

圖5 智能樓梯清潔機器人實物圖

機器人外觀整體材料采用鎂鋁合金，該合金密度低且具有很好的強度和剛性，滿足了本機器人的制作需求。其主要參數指標如表1 所示。

表1 原理樣機參數

對本智能樓梯清潔機器人進行了行駛軌跡偏離、攀爬階梯成功率、傳感器檢測、功能模塊是否正常運行進行了20 次測試，其試驗測試數據如表2 所示。根據試驗測試結果表面，本智能樓梯清潔機器人攀爬階梯功能正常、各傳感器檢測正常、清掃與潔地模塊工作正常，但行駛軌跡存在1 次偏離現象。經過分析，行駛軌跡受電機轉速、車輪與地面的摩擦力和光電傳感器的影響。為此筆者更換使用帶有編碼器直流電機，利用PID 控制算法使各電機轉速趨于一致；并將光電傳感器更換為帶LED 燈光的光電傳感器，以此來有效減少外部光源干擾，提高傳感器的工作穩定性。重新試驗測試后，驗證項目成功率均為100%。

表2 試驗測試數據

因此本智能樓梯清潔機器人實際使用效果良好，能夠滿足日常使用需求。根據《民用建筑設計通則》[5]（GB 50352-2005）中的樓梯參數要求，此機器人可適應絕大多數的樓梯高度與寬度，適應性強，穩定性良好。

5 結論

本文設計了智能樓梯清潔機器人，將機器人本體設計為清掃機構、驅動機構和潔地機構三個既獨立又關聯的部分，且清掃機構與潔地機構呈L 字型，能夠在攀爬樓梯的過程中始終保持系統重心在中間，從而保證了機器人在攀爬樓梯的穩定性。該機器人的樓梯攀爬功能通過利用步進電機驅動滾珠絲杠的正反轉實現了對樓梯的有序攀升，底部裝有麥克納姆輪和全向輪，能夠在樓梯這種狹窄的空間內實現靈活運動。在機器人的四周裝上傳感器來實現機器人對周圍環境的檢測，從而進行相應動作和提高了安全性。文中所提出的軟硬件設計思路與方法對于同類階梯清潔系統的設計具有一定的參考意義。