王 輝，羅 慶，王 鵬，王 濤，王 波，郭強(qiáng)龍

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院；2.蘭州工業(yè)學(xué)院材料工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

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

掃地機(jī)器人作為其在機(jī)電設(shè)備方面重要的分支，卻很少有相對(duì)成熟的技術(shù)針對(duì)樓梯清掃的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)商用。而臺(tái)階結(jié)構(gòu)一直以來都是普通掃地機(jī)器人在平時(shí)的清掃工作中難以跨越的障礙。各國針對(duì)這種對(duì)于掃地機(jī)器人來說特殊的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，開發(fā)的樓梯清掃機(jī)器人主要有輪式、履帶式、足式等[2]。雖然目前的樓梯清掃機(jī)器人具備了一定的樓梯清掃功能，但仍然具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性價(jià)比低、難以推廣等諸多問題。因此研發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、具備市場推廣的樓梯清掃機(jī)器人很有必要。

1 整體方案設(shè)計(jì)

軌道式樓梯清掃機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)有運(yùn)行軌道、驅(qū)動(dòng)齒輪、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)機(jī)械臂、氣泵、吸塵機(jī)構(gòu)、PLC 控制模塊等，其三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。當(dāng)機(jī)器人開始執(zhí)行向上移動(dòng)清掃工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與軌道產(chǎn)生摩擦，帶動(dòng)機(jī)體進(jìn)行爬升，同時(shí)傳感器開始工作，不間斷識(shí)別樓梯位置，當(dāng)感應(yīng)到正確的樓梯臺(tái)面位置時(shí)發(fā)出信號(hào)，PLC 控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止運(yùn)行，此時(shí)清掃機(jī)械臂伸出，吸塵電機(jī)啟動(dòng)執(zhí)行清掃工作，在清掃過程中行人檢測傳感器始終保持運(yùn)行，當(dāng)感應(yīng)到有行人通過時(shí)發(fā)出信號(hào)，PLC 控制吸塵電機(jī)停止工作，同時(shí)控制電機(jī)帶動(dòng)清掃機(jī)械臂緩緩收回，待檢測到行人完全通過后，控制機(jī)械臂伸出，同時(shí)吸塵電機(jī)重新啟動(dòng)，清掃繼續(xù)，當(dāng)完成此臺(tái)階面的清掃工作后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制機(jī)器人爬升，傳感器檢測到下一臺(tái)階面的正確位置后，繼續(xù)下一臺(tái)階的清掃工作。

圖1 導(dǎo)軌式樓梯清掃機(jī)器人三維圖

2 爬樓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本樓梯清掃機(jī)器人采用導(dǎo)軌式爬樓方式，爬樓機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)軌、導(dǎo)輪、驅(qū)動(dòng)齒輪、直流電機(jī)等構(gòu)成，如圖2 所示。蓄電池為電機(jī)提供電能。導(dǎo)軌為上圓下方結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌上部與導(dǎo)輪接觸，引導(dǎo)清掃機(jī)器人沿樓梯方向運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)軌下部設(shè)計(jì)齒條結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，驅(qū)動(dòng)齒輪連接在電機(jī)上，實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)器人沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。

圖2 機(jī)械系統(tǒng)及各元件位置分布圖

樓梯清掃機(jī)器人沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，其行駛速度為

v—樓梯清掃機(jī)器人軌道運(yùn)動(dòng)速度,m/s；

r—驅(qū)動(dòng)齒輪分度圓半徑，m；

n0—電機(jī)所需轉(zhuǎn)速，r/min。

機(jī)器人設(shè)計(jì)質(zhì)量為20kg，g 取9.8m/s2，設(shè)定機(jī)器人的運(yùn)行速度為0.1m/s，驅(qū)動(dòng)齒輪分度圓半徑為0.06m，由式（1）可求得電機(jī)所需轉(zhuǎn)速n0=12r/min。

驅(qū)動(dòng)齒輪所受力矩M 為：

M—驅(qū)動(dòng)齒輪所受力矩，N·m；

Fv—樓梯清掃機(jī)器人沿運(yùn)動(dòng)方向分力，N；樓梯清掃機(jī)器人沿運(yùn)動(dòng)方向分力為：

m—樓梯清掃機(jī)器人質(zhì)量，kg；

g—重力加速度，m/s2；

θ—導(dǎo)軌與豎直方向的夾角，°；

結(jié)合式（2）、（3）求得驅(qū)動(dòng)齒輪所受力矩M 為0.28 N·m。

則計(jì)算功率：

數(shù)值代入式（4）得電機(jī)所需功率35W。

電機(jī)所需功率：

電機(jī)功率因數(shù)k 取1.2，機(jī)械效率η 取85%，代入式（5）得電機(jī)所需功率大于等于50W?？紤]到樓梯清掃機(jī)器人為移動(dòng)設(shè)備，采用蓄電池供電，設(shè)計(jì)采用直流無刷輪轂電機(jī)，選取時(shí)代超群的42BL80s09-230 電機(jī)，參數(shù)見表1。

表1 時(shí)代超群42BL80s09-230 電機(jī)參數(shù)表

3 氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、電磁換向閥、氣缸、機(jī)械臂、氣源管、接頭等組成，機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示，執(zhí)行部分如圖3 所示?？諝鈮嚎s機(jī)壓縮空氣，通過電磁換向閥接入氣缸。當(dāng)電磁換向閥控制氣缸尾端通入壓縮空氣，氣缸推動(dòng)機(jī)械臂展開，在重力作用下吸塵頭沿樓梯臺(tái)面向前運(yùn)動(dòng)；當(dāng)電磁換向閥控制氣缸前端通入壓縮空氣，氣缸拉動(dòng)機(jī)械臂縮回，在重力作用下吸塵頭沿樓梯臺(tái)面向后運(yùn)動(dòng)。吸塵頭沿樓梯臺(tái)面往復(fù)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合吸塵系統(tǒng)完成樓梯臺(tái)面清掃功能[3]。

圖3 氣壓部件圖

4 吸塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吸塵系統(tǒng)采用真空吸塵原理，主要由真空泵、吸塵管、機(jī)械臂和吸塵頭組成。機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖3 所示，吸塵頭與機(jī)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(fēng)通道，將空氣從排風(fēng)通道的網(wǎng)孔中排出，樓梯雜物濾除在垃圾收容箱里，完成樓梯臺(tái)面清掃功能[4]。由于垃圾收容箱容積有限，需定期進(jìn)行清理。

圖4 吸塵頭與機(jī)械臂連接結(jié)構(gòu)圖

5 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮設(shè)備工作可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等因素，本設(shè)計(jì)選用PLC 可編程控制器作為測控系統(tǒng)處理器。電源采用DC24V 蓄電池供電[5]。PLC 需要測試三路數(shù)字信號(hào)，一路用于判斷是否到達(dá)下一臺(tái)階；兩路判斷是否到達(dá)清掃終點(diǎn)，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(jī)器人機(jī)箱側(cè)邊安裝接近開關(guān)，當(dāng)接近開關(guān)觸碰阻擋板，樓梯清掃機(jī)器人停止工作。測試一路模擬信號(hào)，判斷是否有行人經(jīng)過。若紅外傳感器檢測人與清掃機(jī)器人距離小于2m時(shí)，清掃機(jī)器人機(jī)械臂收回，暫停作業(yè)；距離大于等于2m 時(shí)，清掃機(jī)器人恢復(fù)作業(yè)。PLC 輸出一路數(shù)字信號(hào)，控制電磁換向閥，用以控制機(jī)械臂往復(fù)動(dòng)作，配合吸塵系統(tǒng)完成樓梯臺(tái)面清掃工作。輸出一路模擬信號(hào)，控制直流電機(jī)工作電壓，用于調(diào)節(jié)樓梯清掃機(jī)器人工作速度[6-8]。測控系統(tǒng)邏輯如圖5 所示。

圖5 測控系統(tǒng)邏輯圖

6 結(jié)論

提供了一種導(dǎo)軌式機(jī)械臂樓梯清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。

（1）爬樓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：本樓梯清掃機(jī)器人采用導(dǎo)軌式爬樓方式。蓄電池為電機(jī)提供電能。導(dǎo)軌為上圓下方結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌上部與導(dǎo)輪接觸，引導(dǎo)清掃機(jī)器人沿樓梯方向運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)軌下部設(shè)計(jì)齒條結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，驅(qū)動(dòng)齒輪連接在電機(jī)上，實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)器人沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。

（2）氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)：空氣壓縮機(jī)壓縮空氣，通過電磁換向閥接入氣缸。當(dāng)電磁換向閥控制氣缸尾端通入壓縮空氣，氣缸推動(dòng)機(jī)械臂展開，在重力作用下吸塵頭沿樓梯臺(tái)面向前運(yùn)動(dòng)；當(dāng)電磁換向閥控制氣缸前端通入壓縮空氣，氣缸拉動(dòng)機(jī)械臂縮回，在重力作用下吸塵頭沿樓梯臺(tái)面向后運(yùn)動(dòng)。吸塵頭沿樓梯臺(tái)面往復(fù)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合吸塵系統(tǒng)完成樓梯臺(tái)面清掃功能。

（3）吸塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)：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(fēng)通道，將空氣從排風(fēng)通道的網(wǎng)孔中排出，樓梯雜物濾除在垃圾收容箱里，完成樓梯臺(tái)面清掃功能。由于垃圾收容箱容積有限，需定期進(jìn)行清理。

（4）測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)：選用PLC 可編程控制器作為測控系統(tǒng)處理器。電源采用DC24V 蓄電池供電。PLC 需要測試三路數(shù)字信號(hào)和一路模擬信號(hào)，輸出一路數(shù)字信號(hào)和一路模擬信號(hào)。配合機(jī)械系統(tǒng)和氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，完成樓梯清掃工作。

綜上，導(dǎo)軌式機(jī)械臂樓梯清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高，占地面積小，具有一定市場開發(fā)前景。