節水式洗手拖地一體化智能機器人

梁宸睿，郝佳奇，李佳康，連彩婷，靳江艷

（河北科技大學，河北 石家莊 050018）

近年來，人們對環境衛生的重視程度不斷提高，我國也發布了多項有關環境衛生的政策。自2020 年新冠疫情暴發后，我國對公共衛生建設提出了更高的要求。“勤洗手”這一簡單卻重要的衛生習慣再次引起人們的高度重視[1]。公共洗手臺作為衛生領域的重要產品滿足了洗手需求，保護了身體健康。然而，在人流量高峰期，水龍頭數量的限制和公共洗手臺工作環境的狹小導致公 共洗手臺的使用效率較低[2]。現今正處于后疫情時代下，對商場、醫院、酒店、寫字樓等大型樓宇而言，人流量大、人群聚集，人們仍舊需要頻繁洗手，地面需要定時清潔消毒。

而便攜式洗手設備在我國的研究起步相比于發達國家較晚，隨著工業的進步與發展，目前市場上已經研發生產出了不需要在室內安裝進水管、排水管就能使用的洗手臺，但是其不能解決公共場所地面清潔和消毒的問題。綜上所述，傳統洗手臺由于設計原理的限制，不可避免地存在利用率低下、使用場所固定、節水效果較差等諸多缺陷，具有較大的改進空間。為此，本文研究一款有著重要使用價值的節水式洗手拖地一體化智能機器人，有助于提高水資源利用率。

1 總體設計方案

節水式洗手拖地一體化智能機器人的機械結構主要由移動式洗手系統、污水處理裝置、地面清潔系統等部分組成。節水式洗手拖地一體化智能機器人三維結構圖見圖1，其工作過程描述如下。

圖1 節水式洗手拖地一體化智能機器人三維結構圖

為了保證機器人能夠較長時間工作，配備了能夠連續工作8-10 h 的充電電池和30 L 儲水箱。設備加水和充電完成后，為用戶提供日常洗手操作，具有多種服務模式。機器人固定放置在某個人流量大的區域。機器人始終移動作業，當感應到有人靠近時，則停下來等待。隨后，系統將根據顧客的身高自動調整洗手臺的高度，使其更加貼合顧客的需求。最終，顧客只需將雙手放置在水龍頭下方，即可感應到水流自動啟動。

針對辦公樓的個性化應用，機器人固定放置在某個區域，用戶可通過按鍵或語音方式將機器人召喚至某個辦公室門口進行洗手操作。

洗手后的污水經過濾和凈化后可用于地面清潔。一旦污水箱中的水量達到排水需求，機器人將按照預先設定的路線進行日常地面清潔工作。進行地面清潔工作時，機器人會打開半封閉式紫外線消毒燈管，保證不對人體造成傷害的前提下完成細菌消殺任務。當水量和電量不足時，機器人會發出警報，并自行進行加水和充電操作。

2 各系統結構設計

2.1 移動式洗手系統

1）輪組的設計。該設備底盤共安裝了4 個輪組，每個輪組選用RM3508 直流無刷電機作為直驅動力，電機的輸出軸通過特制的夾緊型聯軸器與麥克納姆輪的輪轂相連，為了減少電機軸不必要的受力，在電機與聯軸器直接安裝止推軸承。用螺栓將安裝在輪轂內側的壓緊蓋與電機軸內側的螺紋孔進行擰緊，從而使整個輪轂壓緊，見圖2。

圖2 輪組裝配模型

2）輪組布局。麥克娜姆輪有左旋和右旋之分，四輪底盤的麥克納姆輪布置方式有6 種，見圖3。

圖3 輪組布局示意圖

根據線性代數知識，雅可比矩陣條件R (A)=3時，實現全向運動，上述結構中只有（a）、（b）兩種滿足，又因為（a）方案不能實現旋轉，所以該設備底盤選用（b）結構[3]。

3）動力系統模塊。為了實現對4 輪麥克娜姆輪的閉環控制，在底盤方案設計中選擇了直流伺服電機作為驅動電機。在選擇電機時不能盲目，要綜合考慮多方面的因素，以充分發揮電機的性能。

大疆創新推出的RM3508 動力套裝，見圖4，有領先的功率密度，在提供大功率的同時，體積更小，重量僅為同等級設備的20%。通過與RMC620電調的結合，可以實現更加高效、靈活且穩定的正弦驅動，這一點遠超過了傳統的方波驅動。

圖4 RM3508 電機套裝

2.2 污水處理系統

污水處理模塊涵蓋了污水過濾和回收兩個關鍵步驟，該過程需要進行3 級過濾，包括初級過濾、活性炭過濾以及回收階段的過濾。污水箱過濾機制的示意圖見圖5。

圖5 污水箱過濾機制示意圖

初濾層和活性炭濾層是移動洗手臺污水處理的兩個核心部分。初濾層主要由粗濾網構成，通過使用這種方法，可以有效地清除污水中的大顆粒物質，如紙屑、食物殘渣等；而活性炭濾層則是由活性炭和棉網組成，通過吸附和過濾的方式，去除異味、脫色及過濾吸附氯離子和有機物等污染物[4]。活性炭濾層的使用，不僅能夠提高回收后水的品質，還能有效延長污水處理設備的使用壽命。為了保證處理后的水質量達到標準。在移動洗手臺污水箱底部增加了活性炭濾水器，該濾水器能夠實現對污水的再次過濾，對微小顆粒和污染物進行層層過濾，從而達到更高的凈水效果。

2.3 地面清潔系統

為了實現廢水的再利用，抽水泵將經過凈化的污水通過導管精確輸送到擦地單元，以確保托盤保持適當的濕度并最大程度地清除環境中的細菌。整個裝置大致可分為以下5 個部分。

1）升降裝置。通過舵機對擦地單元進行控制，使擦地單元能夠上下移動。洗手時使擦地單元懸空，拖地時使擦地單元緊貼地面，并且給予擦地單元一個向下的壓力，增大擦地單元與地面的摩擦力，整體拖地裝置示意圖見圖6。

圖6 拖地裝置示意圖

2）擦地單元。主要由托盤和噴淋裝置構成，通過傳動部分使托盤緊貼地面。隨著小車移動，無刷電機驅動托盤旋轉與地面產生摩擦力，在噴淋裝置供水的情況下托盤實現地面除污功能，整體擦地單元示意圖見圖7。

圖7 擦地單元示意圖

3）清洗系統。托盤清洗方案有兩種。一是通過噴淋裝置噴水使托盤充分浸濕，整個擦地單元進行高速旋轉甩干托盤，反復幾次即可完成托盤清洗工作。二是通過托盤的固定卡扣將托盤進行拆卸從而完成托盤的清洗工作[5]。

4）噴淋裝置。由給水管、抽水泵、閥、污水箱等組成。水流量通過抽水泵的閥門開關進行控制，見圖8 噴淋裝置示意圖。

圖8 噴淋裝置示意圖

5）殺菌裝置。在設備底面紫外線殺菌裝置周圍加裝遮擋裝置，以避免紫外線對人體造成傷害。遮擋裝置采用滑動式的設計，當紫外線殺菌裝置開始工作時，遮擋裝置會自動啟動，保護周圍的人員免受紫外線輻射[6]。當紫外線殺菌裝置停止工作時，遮擋裝置也會自動關閉，方便下一次使用。

2.4 升降機構模塊

本裝置采用絲杠作為升降傳動裝置以適應不同的高度需求，采用小型滑軌作為升降過程中的導向裝置以確保洗手臺升降的定向移動，圖9 為該設備的升降方案的圖解。

圖9 升降機構圖解

該升降機構可被視為一種直線運動機構，它由牽引機構、導向機構和連接機構組成。牽引機構提供動力以驅動整個裝置，導向機構則將運動限制在一個自由度內，連接機構負責將動力傳遞到被牽引的物體上。

在本設備的設計中，為了改善受力狀況，采用了兩組絲杠對稱布置方式。

3 結束語

綜上所述，節水式洗手拖地一體化智能機器人具有節水、高效、便捷的特點，可顯著減少資源的浪費，提高清潔效率和保障用戶健康。機器人的核心技術在于將洗手后的廢水通過凈化裝置進行過濾和凈化，再把凈化后的水用于地面清潔。在實際應用中，該機器人可廣泛用于商場、醫院、酒店、寫字樓等大型樓宇的保潔工作。