王云通　?？悺⊙P峰　顧宗磊

摘? 要：針對目前掃地機(jī)器人普遍存在價格高、功耗大、無法合理解決地面水漬等問題，提出一種阻隔板結(jié)合烘干功能的多功能掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)，對相關(guān)掃地機(jī)器人進(jìn)行了改良。綜合效率、功率等因素，選用2HB064M混合式驅(qū)動器和86BYG2503的步進(jìn)電機(jī)；對出水裝置進(jìn)行了改良，采用阻隔板控制并用卡扣固定；采用小功率烘干裝置來清除地面水漬，該設(shè)計(jì)主要解決的是地面水漬問題。并對樣機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果分析，校核了部件參數(shù)，讓整機(jī)的結(jié)構(gòu)更符合真實(shí)環(huán)境使用。

關(guān)鍵詞：掃地機(jī)器人；調(diào)節(jié)出水量；小功率；烘干

中圖分類號：TP242；TH122? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）11-0179-04

A Multifunctional Sweeping Robot with Barrier Plate and Drying Function

WANG Yuntong， SANG Junyao， XUE Kaifeng， GU Zonglei

（School of Mechanical and Vehicle Engineering， Linyi University， Linyi? 276000， China）

Abstract： Aiming at the general problems of high price， high power consumption， and inability to solve the problem of water stains on the ground， a multifunctional sweeping robot design with barrier plate and drying function is proposed， and the relevant sweeping robots are improved. Considering efficiency， power and other factors， 2HB064M hybrid driver and 86BYG2503 stepping motor are selected. The water outlet device has been improved， which is controlled by a barrier plate and fixed by a clip. The design uses a small power drying device to remove water stains on the ground and the design mainly solves the problem of water stains on the ground. The results of the prototype test are analyzed， and the parameters of the components are checked to make the structure of the whole machine more suitable for the real environment.

Keywords： sweeping robot; regulation of water output; miniwatt; drying

0? 引? 言

隨著社會的發(fā)展，人們生活節(jié)奏逐漸變快，工作壓力持續(xù)增大，從繁重的家務(wù)勞動中解脫出來成為多數(shù)人的迫切需要，而傳統(tǒng)方式上聘請家政人員不僅價格昂貴，而且效率低下。這都為人工智能領(lǐng)域提供發(fā)展契機(jī)，尤其在家居方面的清潔一體化設(shè)備如雨后春筍般出現(xiàn)。

早在20世紀(jì)90年代，瑞典率先提出了一種清潔機(jī)器人并小規(guī)模量產(chǎn)，隨后美國、英國等發(fā)達(dá)國家也進(jìn)軍該領(lǐng)域，掃拖一體機(jī)器人也正朝著精巧化、智能化方向發(fā)展。國內(nèi)掃地機(jī)器人技術(shù)研究起步較晚，存在許多問題，比如功耗較大、無法合理解決濕地面清掃問題而帶來二次污染、現(xiàn)有技術(shù)中的掃地機(jī)器人采用固定抹布的方式工作居多、以及在拖地時抹布很容易出現(xiàn)變干或水分過多等問題。

為了滿足清潔機(jī)器人市場的需求，有效清潔。本文綜合國內(nèi)外清潔機(jī)器人的優(yōu)劣，針對掃拖一體機(jī)機(jī)器人作出改進(jìn)并給出具體方案，提出一種阻隔板結(jié)合烘干功能的多功能掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)，并通過樣機(jī)測試實(shí)驗(yàn)校核，確保符合設(shè)計(jì)要求。

1? 總體方案設(shè)計(jì)

1.1? 整體組成

本設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一種可靠、清潔效率高、具備烘干等多功能掃地機(jī)器人，具體組成是由探測模塊、清掃模塊、拖地模塊、行走模塊、風(fēng)干模塊、主控模塊組成，主要部件包括：驅(qū)動輪、光電編碼盤、水箱、可拆卸式拖把、風(fēng)扇箱、風(fēng)扇、清掃刷、萬向輪、紅外傳感器、光電傳感器、阻隔板、電熱絲等裝置，其三維模型如圖1所示，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

1.2? 工作原理

本文設(shè)計(jì)的多功能掃地機(jī)器人程序流程圖，如圖3所示?；竟ぷ髟砣缦拢捍蜷_電源后，掃地機(jī)器人在行駛過程中由探測模塊收集周圍環(huán)境信息，傳輸給STM32F103zet6單片機(jī)進(jìn)行清掃判定，隨后清掃模塊、拖地模塊對清潔區(qū)域內(nèi)的垃圾清除并完成拖洗，風(fēng)干模塊開始工作，通過風(fēng)干模塊對清掃區(qū)域進(jìn)行烘干，最后由主控中心判斷已清掃區(qū)域是否仍有垃圾，如有則繼續(xù)清掃工作，無則完成整個工作程序。

2? 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1? 探測模塊

探測模塊直接與主控中心相連，將收集的環(huán)境信息轉(zhuǎn)換成電信號傳輸給主控模塊，實(shí)現(xiàn)信息傳遞。

探測模塊包括三個光電傳感器和一個紅外線傳感器，光電傳感器分布在底盤的前部左部和右部，作為臺階檢測傳感器，防止跌落；紅外線傳感器安裝在前端，作為碰撞檢測傳感器，防止碰撞、實(shí)現(xiàn)精確定位和路徑規(guī)劃。

型號方面，光電傳感器選擇角度位移傳感器，其原理簡單，設(shè)計(jì)簡便，如果馬達(dá)角度傳感器構(gòu)造運(yùn)轉(zhuǎn)，而齒輪不轉(zhuǎn)證明遇到障礙物；紅外線傳感器方面，選用主動式紅外傳感器[1]，當(dāng)紅外線的發(fā)射和接受系統(tǒng)之間的不可見的光路被阻擋時，接收裝置迅速反應(yīng)，發(fā)出電信號提示光路被阻礙，從而實(shí)現(xiàn)碰撞檢測作用。

2.2? 行走模塊

掃地機(jī)器人的正確行駛是一待解決的問題。為實(shí)現(xiàn)這一目的，本文設(shè)計(jì)采用驅(qū)動輪差速運(yùn)動控制，在行走模塊上采用在驅(qū)動輪上安裝光電編碼盤[2]，實(shí)現(xiàn)對輪速的控制、調(diào)節(jié)；驅(qū)動輪差速運(yùn)動配合萬向輪實(shí)現(xiàn)任意方向轉(zhuǎn)向，確保在小距離內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，使掃地機(jī)器人更加靈活，能夠適應(yīng)多樣環(huán)境。

由于掃地機(jī)器人整機(jī)安裝在底盤上面，所以底盤上的行走模塊應(yīng)具有足夠的承載能力并能提供足夠動力。故本文設(shè)計(jì)的多功能掃地機(jī)器人采用選用型號為2HB064M兩相細(xì)分混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器[3]，驅(qū)動電機(jī)選用的型號為86BYG2503的步進(jìn)電機(jī)，與所用驅(qū)動器相適應(yīng)匹配，能為掃地機(jī)器人提供更大扭矩，以此輸出更大動力。除此之外，在驅(qū)動輪最外圈設(shè)有橡膠花紋，以增強(qiáng)驅(qū)動輪抓地力，防止出現(xiàn)打滑失效現(xiàn)象，保證機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3? 清掃模塊

清掃模塊主要是完成清掃，為拖地前做預(yù)處理工作。清掃模塊由毛刷、清潔刷、電機(jī)、風(fēng)機(jī)和灰塵盒組成，如圖4所示。在接到主控中心清掃判定之后，清掃模塊配合多個傳感器開始工作，兩個清掃刷電機(jī)采用150 r/min的9 V普通直流微型電機(jī)驅(qū)動，使左面清掃刷順時針轉(zhuǎn)動，右面清掃刷逆時針轉(zhuǎn)動，從而將灰塵集中于吸塵口處，再由毛刷和風(fēng)機(jī)將垃圾吸入灰塵盒內(nèi)，實(shí)現(xiàn)地面的預(yù)清理。

2.4? 拖地模塊

拖地模塊包括可拆卸式拖把和水箱，如圖5（a）所示。拖把連接水箱，在拖把上平面設(shè)有磁鐵，拖把下平面設(shè)有出水孔，阻隔板與出水孔配合，利用阻隔板擋住出水孔的大小，以達(dá)到控制出水量目的；為提高密封性、防止?jié)B水，在拖把上固定有卡扣，卡扣與拖把連接處設(shè)有密封圈。阻隔板上設(shè)有海綿通過魔術(shù)貼連接，以方便拖地海綿拆卸清洗。

如圖5（b）和圖6所示，阻隔板上的連接柱與卡扣滑動連接，另設(shè)有調(diào)節(jié)推扭，調(diào)節(jié)推扭可以方便人員對阻隔板的上下移動，從而控制出水孔大小以實(shí)現(xiàn)出水量調(diào)節(jié)；在調(diào)節(jié)推扭上設(shè)有防滑條紋，增大摩擦力，方便控制。

外殼內(nèi)部固定有一塊鐵板，利用拖把上平面固定的磁鐵，與外殼內(nèi)部的鐵板配合，固定拖把和水箱。

2.5? 風(fēng)干模塊

為了合理解決濕地面清掃問題帶來二次污染，以及濕地面帶來的諸多問題，本文設(shè)計(jì)了風(fēng)干模塊[4]，實(shí)現(xiàn)對清潔區(qū)域的烘干。風(fēng)干模塊固定在外殼上，主要是風(fēng)扇箱。風(fēng)扇箱內(nèi)設(shè)有三個風(fēng)扇，均勻分布在風(fēng)扇箱上。風(fēng)干模塊的主要作用是烘干地面，合理解決濕地面帶來的問題，為了更好實(shí)現(xiàn)這一目的，在風(fēng)扇箱內(nèi)還設(shè)有電熱絲，電熱絲用來加熱空氣，風(fēng)扇將加熱的空氣持續(xù)吹出，達(dá)到烘干地面的效果。

工作中可能會有溫度過高造成機(jī)器損壞，烘干工作效率下降，為了避免這種情況，采用型號為DS18B20的溫度傳感器，設(shè)定溫度閾值對工作溫度進(jìn)行有效監(jiān)測。溫度超過設(shè)定閾值則會發(fā)出提醒，主控中心判定暫停工作。

2.6? 控制系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的阻隔板結(jié)合烘干功能的多功能掃地機(jī)器人的主控模塊，采用 STM32F103zet6單片機(jī)[5]，其作用主要是對探測模塊所收集的環(huán)境信息進(jìn)行運(yùn)算、判斷，完成對機(jī)器人控制。

為了更好控制輪速、自動調(diào)整行走軌跡，行走模塊中采用86BYG2503的步進(jìn)電機(jī)和2HB064M兩相細(xì)分混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器；控制系統(tǒng)選用PID算法，其算法的控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定簡單，結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便能夠完成連續(xù)狀態(tài)進(jìn)程校正，根據(jù)對收集的信息與預(yù)先給定的數(shù)值之間的誤差比例，進(jìn)行運(yùn)算、微分、積分，得出結(jié)果，通過結(jié)果分析，從而達(dá)到調(diào)整姿態(tài)的目的[6]。

2.7? 本章小結(jié)

本章節(jié)通過對掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求分析，最終確定設(shè)計(jì)方案?？紤]到拖地時出水量問題，采用阻隔板對出水量進(jìn)行控，并由卡扣進(jìn)行固定；設(shè)計(jì)中為了滿足小距離內(nèi)靈活轉(zhuǎn)向，行動部分采用差速裝置；為確保正確行進(jìn)，采用PID算法分析運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)行進(jìn)姿態(tài)調(diào)整；針對地面水漬問題，采用風(fēng)干模塊來清除地面水漬。

3? 樣機(jī)及調(diào)試

本文設(shè)計(jì)的具有可拆卸拖把的多功能掃地機(jī)器人主要參數(shù)如表1所示。

對本文設(shè)計(jì)的具有可拆卸拖把多功能掃地機(jī)器人對調(diào)試，主要針對是否按照規(guī)定路線、清潔后地面有無水漬、各模塊正確工作、主控正確判斷四個方面各進(jìn)行了30次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

其中是否按照規(guī)定路線受到多方面影響，比如探測模塊傳感器收集的信息是否全面、光電編碼盤檢測輪速是否正確、PID算法運(yùn)算是否正確、主控判斷是否去除無關(guān)影響等；試驗(yàn)結(jié)果顯示，在試驗(yàn)中出現(xiàn)一次偏差，經(jīng)過分析確定為主控中心受到探測模塊所收集到的環(huán)境信息及光電編碼盤檢測輪速錯誤導(dǎo)致誤判，經(jīng)過對主控的調(diào)試后恢復(fù)正常工作，后續(xù)試驗(yàn)中未再出現(xiàn)。

在檢測清潔后地面有無水漬時，結(jié)果顯示出現(xiàn)兩次偏差，經(jīng)過調(diào)試分析確認(rèn)為兩個方面原因：一是風(fēng)干模塊在長時間連續(xù)工作后，機(jī)身溫度升高導(dǎo)致加熱效率下降；二是與出現(xiàn)路徑偏差試驗(yàn)原因一樣，光電編碼盤檢測輪速出現(xiàn)誤差、主控對環(huán)境信息判斷錯誤。具體解決是線路改用更阻熱材料，減小線路升溫，在參數(shù)分析方面將程序進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)上下機(jī)位連接方式。在針對以上兩個問題調(diào)整后，后續(xù)多功能掃地機(jī)器人試驗(yàn)成功率達(dá)到100%。

4? 結(jié)? 論

本文主要完成了多功能掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改良，本設(shè)計(jì)主要為了解決機(jī)器人出水量過多、拖地過后地面潮濕的問題。通過對國內(nèi)外已有掃地機(jī)器人綜合分析，結(jié)合低成本、高效率的設(shè)計(jì)要求，本文對多功能掃地機(jī)器人進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，并通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

1）本文設(shè)計(jì)的一種阻隔板結(jié)合烘干地面的多功能掃地機(jī)器人，改良設(shè)計(jì)，新增加烘干地面功能，能夠合理解決濕地面帶來的二次污染、細(xì)菌滋生等問題。

2）清潔刷采用對稱逆向設(shè)計(jì)，最大程度上擴(kuò)大清潔區(qū)域，提高清掃效率。拖把設(shè)計(jì)可拆卸式采用魔術(shù)貼連接，結(jié)構(gòu)簡單，安裝和拆卸方便。

3）設(shè)計(jì)阻隔板來控制出水箱水量，為了加固連接，設(shè)計(jì)卡扣固定連接拖把，并有調(diào)節(jié)推扭對阻隔板上下調(diào)節(jié)，控制出水量，使水箱出水量平穩(wěn)。

4）光電編碼盤對輪速的檢測會偶爾出現(xiàn)偏差，在后續(xù)的研究需要針對探測和主控的判斷進(jìn)行優(yōu)化。

5）在材料選擇方面，應(yīng)優(yōu)先選擇耐溫材料，防止因溫度升高造成工作效率下降或機(jī)器故障。

6）由于無線通信板傳遞信息時存在延遲，探測信息無法及時傳遞至主控中心導(dǎo)致誤判。在后續(xù)研究中，應(yīng)在電氣元件方面進(jìn)行優(yōu)化，并提高程序判斷能力，減少誤判。

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作者簡介：王云通（2003—），男，漢族，山東曹縣人，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化；?？悾?001—），男，漢族，山東桓臺縣人，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化；薛凱峰（1981—），男，漢族，山東莒南人，副教授，博士研究生，研究方向：微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)；顧宗磊（1980—），男，漢族，山東泰安人，講師，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

收稿日期：2023-01-10

基金項(xiàng)目：山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（S202210452082）