家用楼梯全方位移动清洁机器人的研究

刘振鹏 刘陆军 钟 力 赵文哲 / 上海电机学院

家用楼梯全方位移动清洁机器人的研究

刘振鹏 刘陆军 钟 力 赵文哲 / 上海电机学院

针对家庭复式楼梯的清洁问题，研制了一款轻便、小巧且能够在楼梯上全方位移动的自动清理机器人，对该机器人的设计、应用中的问题进行了研究。

家庭复式楼梯；清扫机器人；爬梯机构

近年来，随着科技的飞速发展，智能机器人技术逐渐成为现代机器人研究领域的热点。其中家庭服务机器人开辟了应用的新领域，带动了家庭机器人行业的发展，也促进了移动行走机器人技术、传感器技术和控制技术等相关技术的发展。目前用于室内清洁的机器人只能实现地板的清扫，以及在这个功能基础上的智能化，而专门为家庭复式楼梯清理而设计的机器人很少涉及。为此设计了一款轻便、小巧，且能够在楼梯上实现全方位移动的自动清洁机器人。该机器人将攀爬技术、全方位移动技术和清洁吸尘技术巧妙的融合起来，实现了家庭复式楼梯的攀爬和全方位清洁，可替代传统的人工清洁楼梯的工作。该机器人主要包含升降、移动、避障、清扫等机构，应用后将降低了人们的劳动强度、提高了工作效率，应用前景广阔。

1.清洁机器人的结构

家用楼梯全方位移动清洁机器人主要有升降部分、伸缩部分、清扫部分以及控制系统组成，如图1所示。

图1 装置整体结构示意图

2.家用楼梯全方位移动清洁机器人的主要机构设计

2.1 举升机构设计

举升部分选用叉形机构，使用步进电机带动丝杠转动驱动上平台升降，升降部分实现清洁小车在各层楼梯上的攀爬，如图2所示。升降机构外形更矮，采用硬度高，质量轻的合金，降低举升机构的自重，承载能力大和通用性强等特点，步进电机作为动力源。举升机构的两个支撑臂处采用齿轮啮合，使整个机构更加稳定。清扫头靠悬挂系统实现悬挂且与举升机构和滑块系统连接，其中滑块与丝杠配合并由步进电机驱动丝杠旋转实现滑块带动清扫头水平的移动。

图2 升降结构示意图

2.2 移动机构设计

平台移动机构通过四个小型直流电机驱动四个麦克纳姆轮实现在楼梯平面上全方位的移动，保证清扫无死角。移动机构如图3所示。这种全方位移动方式是基于一个有许多位于机轮周边的轮轴的中心轮的原理上，这些成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化到一个机轮法相力上面。依靠各自机轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变机轮自身的方向。机器人设精细防撞防摔感应，利用传感器检测楼梯的高度与及宽度，当小车接近墙壁或者镂空的阶梯时能够自动识别并避开，保证小车的安全工作，还避免了楼梯及墙壁的划痕损坏。

图3 移动与清扫机构俯视图

2.3 清扫机构设计

清扫机构利用在移动平台安装的电机驱动的清扫头实现在楼梯面上任意方向的运动，并将垃圾扫到机器底部的储尘室，如图3所示。为使清洁更加安全有效，在车身前后还各设置两个扫刷，十字形的吸尘口使垃圾被有效的吸入。垃圾收集机构利用负压的原理，将扫入小车底部的垃圾收集到小车内部的收集箱，收集箱内设有滤网和滤尘网，分别用来过滤大颗粒垃圾和灰尘，最后经过净化的空气由小车后部的排气口排出。

2.4 控制系统设计

机器人的控制系统包括电机的驱动与控制系统和传感系统。电机的控制采用基于单片机的控制系统。基于传感器技术的识别装置主要利用超声波传感器和红外传感器。利用传感器实现了躲避5厘米以上落差、防止机身跌落的功能，以及推断行走距离的功能。

3.家用楼梯全方位移动清洁机器人的工作过程

在进行攀爬楼梯任务时，由于要将机器推送到正确楼梯高度，因此本装置通过传感器Ⅶ感应楼梯的高度，然后控制电机I1启动，通过举升机构Ⅰ将机器推送到达正确高度。同时为了防止移动滑块Ⅲ将清洁小车推送置于台阶上的过程中，因小车的前移使得重心偏移导致机械装置倾斜得问题，该装置用距离传感器检测，当机器前部与楼梯壁在一定距离以内时，小车停止移并启动电机带动滑块移动，将清洁小车准确的推送置于台阶上。

图4 清洁车爬楼示意图

通过四个直流编码电机Ⅳ提供动力，进行行走，利用四个电机驱动的麦克纳姆轮Ⅷ，可以通过调节电机Ⅳ转速及转向，实现小车在楼梯平面上做任意方向的运动，并且实现零转弯半径的移动。通过车身上四个方向的传感器与驱动电机的连接，避开楼梯悬崖，使得机器可在楼梯上自由行走而不会掉落。通过扫刷1以适当的速度旋转，将垃圾扫至机器底部。将吸尘口2设计成十字形，可使吸力更集中，并且吸收面积更大，使垃圾灰尘经过吸尘口更容易被吸走；集尘风扇电机的转速为1.25万转/分钟，可发挥强大吸力；垃圾杂物通过滤网滞留在垃圾收集箱内，空气经过滤尘网净化后，由机体尾部排出，有效的过滤各种垃圾，避免二次污染。

[1]陈以国.环卫清洁机械装备行业市场分析[J].环境卫生工程,2012,1.

[2]韩珩,张波.关于AT89C51的智能清洁机器人设计[J].甘肃科技2008,5.

[3]徐德,邹伟著.室内移动式服务机器人的感知、定位与控制[M].北京：科技出版社,2008.

刘振鹏:男，上海电机学院机械设计制造及自动化专业本科生。

刘陆军:男，上海电机学院机械电子工程专业本科生。

钟力:女，上海电机学院机械学院副教授。

赵文哲:男，上海电机学院机械设计制造及自动化专业本科生。

上海市大学生创新活动计划项目A1-5701-16-011-03-28。