一種新型智能清潔機器人及其控制方法

矯玉菲，侯榮國，蘇秋平，劉 瑤，陳保勝

JIAO Yu-fei，HOU Rong-guo，SU Qiu-ping，LIU Yao，CHEN Bao-sheng

（山東理工大學 機械工程學院 精密與特種加工省級重點實驗室，淄博 255049)

0 引言

隨著現代社會人們生活水平的提高、生存理念和生活品位的不斷提升，服務型機器人必將成為人們生活必不可少的工具和伙伴。各種場合的衛生清潔問題一直困擾著我們，由于工作環境多種多樣（例如平地、斜坡和臺階等），工作流程繁瑣，所需清理的垃圾也不盡相同，不僅勞動量大，而且工作效率低，每年國家都要對環境的清潔問題投入大量的人力、物力和財力，而目前市場上的清潔機器人存在功能單一、適應性差及智能化程度低等諸多問題，針對以上問題，研制新型智能清潔機器人，將科技與服務相融合，以優化生活環境。

該裝置結構上根據齒輪傳動和帶傳動等機械傳動方式設計行走及攀爬機構，以其特殊結構的輪子轉換裝置、電動滾子式拖把與吸塵器配合完成各項清潔工作；以單片機為核心部件，傳感器、限位開關為輔助部件設計控制系統，采用了多個傳感器和智能控制模塊，實現機器人運動控制和智能識別避障等功能；采用有線、無線遙控及語音控制等不同操作方式，方便了不同人群的安全和快捷操作。其智能化程度高、功能集成性高、工作效率高和制作成本低，能夠提高人們的生活質量并改善人們的生活方式。

1 新型智能清潔機器人的總體設計方案

新型智能清潔機器人主要由機器人主體、行走及攀爬機構、吸塵/拖地一體化裝置、智能識別控制系統和遙控裝置等部分組成。機器人主體作為行走及攀爬機構、吸塵/拖地一體化裝置等部分的載體，將各部分連接；以單片機控制系統為核心，集自動控制、紅外遙控及語音遙控三種工作模式，高、中和低三種運行速度，以擴大適用范圍，提高清潔質量。

通過設計并制作出行走及攀爬機構，實現清潔機器人的行走及攀爬的靈活運動，采用輻片式輪子結構實現輪子在平地行走狀態與攀爬狀態之間轉化；通過設計并制作出吸塵/拖地一體化裝置，經吸塵裝置清理收集各種垃圾、塵土，并經自動拖地裝置將地面清理干凈，吸塵裝置在智能識別與避障模塊的輔助下，根據不同工作環境自動升降，拖地裝置采用電動滾子式拖把通過鉸支連接與主體相連，以保證滾子與地面的良好接觸；設計智能識別控制系統以實現機器人在行走過程中的智能識別、蔽障，以及與遙控裝置相互通信實現無線遙控。

新型智能清潔機器人的示意圖如圖1所示。

圖1 新型智能清潔機器人總體設計方案

2 機械結構部分的設計

2.1 機器人輪子結構及輪子轉化結構的設計

為實現機器人在平地行走、攀爬樓梯以及復雜地面的工作，將輪子設計成一種輻片式結構，每個輻片的形狀，如圖2（a）所示。每個輪子由兩個輻片以及中間的推力球軸承組成，采用電機通過帶傳動使前輪和后輪外側的輻片同時轉動36°。其變換示意圖如圖2（b）所示。輪子轉換的具體過程是當傳感器檢測到前方的樓梯后，由電機提供動力，采用同步帶傳動使外側輻片同時轉過36°與內側輻片重合，從而實現輪子的轉化。

該結構的轉換機理是：爬樓前，外側輻片順時針轉動36°與內側的輻片實現重合，便于攀爬，同時提高了爬樓時輪子的強度；平地行走時，外側輻片逆時針轉動36°，與內側的輻片組成一個完整的周圓，提高機器人在平地行走時的平穩性。

圖2 輪子結構及其變換示意圖

2.2 吸塵器升降結構及電動滾子式拖把的設計

機器人在對臺階進行清理時，需要攀爬樓梯，攀爬過程中吸塵器可以自動升降，從而避免受到樓梯的撞擊，造成吸塵器的損壞。該裝置擬用齒輪齒條傳動機構。將齒條與吸塵器桿固定在一起，并將齒條置于導槽之內，利用齒輪齒條的嚙合力和導槽對齒條的壓力降吸塵器固定在導槽內。通過電機轉動時帶動齒輪轉動，實現齒條的上下移動，當齒條移動到導槽頂端時，會觸動固定在導槽頂端的行程開關，吸塵器停止上升，起到一定的保護作用。吸塵器升降部分示意圖如圖3所示。

圖3 吸塵器升降部分結構圖

電動滾子式拖把由滾子、支撐架及其傳動裝置組成。具體設計思路是將滾筒表面包裝一層毛刷，采用電機通過齒輪箱減速帶動滾筒旋轉，將滾子及其傳動裝置安裝在支撐架上，再與機器人之間通過鉸支連接,能夠依靠支撐架的擺動自動調節滾刷的高度，使毛刷始終貼敷于地面，使滾子與平地、斜坡和樓梯等地面充分接觸，增強了清潔效果。電動滾子式拖把結構示意圖如圖4所示。

圖4 電動滾子式拖把結構圖

3 智能清潔機器人的運動控制

3.1 控制系統的總體設計

控制系統以STC89C52單片機為核心部件，利用Kei1軟件采用C語言編程。紅外線遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強及成本低等特點；聲控部分控制系統采用SPCE061A單片機作為核心部件，利用unSP IDE2.6.2軟件采用C語言編程；自動避障功能采用光電傳感器控制。

通過控制系統實時檢測識別避障模塊和第一光電傳感器的信號，控制內輻片輪體和外輻片輪體重合與分離，實現輻片輪在攀爬與滾動狀態的轉化，能夠適用于既有斜坡又有臺階的地況；同時通過識別避障模塊實現了不同地況的識別與避障，通過CPU單元控制相應電機完成清潔工作，提高了機器人工作的安全性；吸塵器升降機構的頂端安裝有限位開關，可使控制系統根據不同的地況，自動控制吸塵器升降，在不影響吸塵器對灰塵等垃圾的吸附力的前提下，以滿足不同的地況需求；吸塵電機與拖地電機可以根據實際的工作環境實時啟停。控制系統框圖如圖5所示。

圖5 控制系統框圖

新型智能清潔機器人的運行原理：接通電源后，首先根據按鍵面板選擇工作模式，包括：自動控制、紅外遙控和語音遙控；然后根據工作環境選擇運行速度，包括：高速、低速和中速；機器人對此模式的選擇進行判斷并調用相關子程序，如果是將執行行進、吸塵拖地動作，否則重新選擇工作模式；根據實際要求靈活控制機器人的前進、后退、左轉、右轉、吸塵和拖地等工作。行走過程中，當傳感器檢測到障礙物時，自動做出后退、轉向、停止等反饋動作，當識別出樓梯后，吸塵器自動上升，提升至一定高度后，觸及限位開關，由限位開關將信號反饋給單片機，單片機作出響應開啟爬樓模式并完成樓梯的清潔工作。機器人持續不斷進行監測和動作，最終實現對該場所的衛生清潔。

控制程序流程圖如圖6所示。

3.2 智能識別模塊的控制原理

光電傳感器在一般情況下，有三部分構成，它們分為：發送器、接收器和檢測電路。該裝置通過在裝機器人前的兩個光電傳感器，左右各一個傳感器，實現識別避障功能。具體工作流程∶當前面兩個傳感器只遮住下面一個（1號）時，開始爬臺階；當全部遮光時，后退或停止；當左邊（3號）與前面的傳感器（1、2號）遮光時，右轉；當右邊（4號）與前面的傳感器（1、2號）遮光時，左轉；當傳感器全部遮光時后退，從而實現自動識別、避障功能。智能識別模塊流程圖如圖7所示。

圖6 控制程序流程圖

圖7 智能識別模塊流程圖

4 結論

本項目將科技與服務相融合，以單片機為控制核心，以其特殊結構的輪子轉換裝置實現機器人平地行走模式與攀爬模式之間的轉換，其電動滾子式拖把可實現與地面無縫接觸，借助光電傳感器實現自動避障和樓梯的識別，實現高效高質量的清潔。機器人不受工作區域的限制，智能化程度高、使用安全方便和適用范圍廣。該裝置可以完成商場、公園和會議廳等場所的清潔工作，亦可用于居民樓及其內部的清潔等，可減輕清潔工作人員的勞動強度，提高工作效率；此外，該裝置兼備工藝性、知識性、集成性，可以作為教學實驗裝置，開展實驗，以及用于中小學素質教育拓展推廣等，倡導綠色環保及綜合服務，提高生活質量。

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