面向社區樓宇樓梯扶手的智能清洗機

李普林， 柏 偉， 龍鵬飛

(武漢理工大學物流工程學院， 湖北 武漢 430063)

1 研究背景

近幾年，高樓層、密集型社區的出現，導致環衛清潔工人勞動強度增加．調研顯示，如今的居民樓梯扶手、欄桿多為人工擦洗，且部分樓梯常年不清洗，藏污納垢情況嚴重．人工擦洗效率低，任務重[1]．因此有必要研制一種高效的樓梯扶手清洗裝置來減輕清潔工的工作負擔，保證樓梯的清潔衛生．

雖然目前有相關擦洗樓梯扶手的理論研究，市場上也出現了以清潔樓梯為主的半自動化的人工輔助式機器[2]，但完全代替人工的清洗樓梯的工具仍沒有出現．

鑒于以上不足，開發設計出一種新型的樓梯全自動清洗小車．它集擦洗欄桿和清掃樓梯功能于一體，機械化、自動化程度高，可有效地替代人工清洗工作．

2 作品介紹

機器主要由行進機構，擦洗機構和轉彎機構三部分構成．行進機構為擦洗機構提供牽引動力和支撐力，同時提供清洗欄桿的用水．擦洗機構由前后兩節構成，前節靠毛刷把浮塵撣去；后節由噴水和擦洗機構組成．轉彎機構實現整機在樓梯彎道處順利轉彎，通過獨特的三角型導輪裝置順利通過轉彎死角；驅動小車采取三輪雙驅動式結構，后輪分別用兩個電機控制．前輪通過桿件約束，可繞內導輪轉動，后輪用單片機控制電機轉速，利用差速轉彎．

2.1 行進機構

行進機構搭載在一輛小車上，小車靠蓄電池供電實現自主爬樓，它可為擦洗機構提供牽引動力和支撐力，并為擦洗機構提供所需的清洗用水．小車上配置有蓄電池、直流減速電機、水箱、壓縮水泵、吸塵馬達等設備．該機構主要靠星輪行星輪轉換輪、鎖死模塊以及保持連桿豎直模塊構成．整個行進機構的側面如圖1所示．

圖 1 小車平面側視結構圖

2.1.1星輪行星式轉換輪星輪行星式轉換輪主要用于解決小車連同整個裝置的上下樓問題，保證小車在傾斜樓梯上能夠穩步移動，利用星輪行星輪轉換技術，設計三輪交替著地從而完成上下樓．原理上相當于給行星輪安裝一個“離合器”．當小車在平地行走時，“離合器”處于“離”的狀態，此時行星輪轉動的同時帶動惰輪轉動，實現平地行走；當小車上下樓時，“離合器”處于“合”的狀態，此時行星輪被機構鎖死(圖2)，所有齒輪剛性連接隨主軸翻轉，機器穩定爬樓．

如圖3，1～7全為齒輪，其中1為中心輪，與驅動軸配合；2、3、4為相同惰輪；5、6、7為相同行星輪，分別與輪附板上三個車輪同軸，驅動車輪轉動．若中心輪1不與輪附板鎖死(即自轉)，那么1～7行星輪均轉動，電機驅動中心輪1，通過2、3和4，帶動與5、6、7輪同軸的輪胎的運動，實現聯動；若中心輪1與輪附板鎖死，所有齒輪均無相對自轉，則機構可實現翻轉．

圖 2 上樓示意簡圖

圖 3 小車車輪結構示意圖

車輪主要由由7個齒輪，3個橡膠輪胎以及一個輪附板組成．車輪爬樓和在轉彎平地上的受力分析見圖4、圖5[3]．

圖 4 齒輪平地受力分析示意圖

圖 5 齒輪爬樓受力分析示意圖

2.1.2自適應鎖死模塊鎖死機構通過連接中心輪鋼絲繩的收放實現．采用圖6所示機構來實現自適應鎖死與釋放．該機構主要由彈簧、滑輪組、鋼絲繩、銷釘組成．彈簧與插銷連接，細線通過定滑輪與擋板相連．

圖 6 中心齒輪鎖死機構

圖 7 小車平地行走示意圖

圖 8 小車爬樓示意圖

車上坡時，車身傾角改變，連桿保持豎直，桿—車之間距離增大，與之相連的細線帶動銷釘向內運動鎖死中心輪1，從而使得輪系從平地運動狀態轉為翻轉狀態．圖7、圖8分別展示在斜面和平地上繩長度的變化．

車進入平地時，車身水平，細線端不再受力，此時彈簧將插銷彈出，釋放中心輪1的約束，小車水平運動．圖9、圖10為中心輪機構的三維示意圖．

圖 9 鎖緊機構三維圖

圖10 鎖緊機構簡圖

2.1.3連桿豎直模塊因樓梯扶手的豎直高度一定，為保證整個裝置能夠正常工作，必須始終保持連桿豎直狀態．采用一個重力適應的機構，配合滑輪來約束桿的豎直．

圖11 車體在水平面狀態圖

圖12 車體在斜面狀態圖

車體在水平面狀態如圖11，其中α為導槽與水平面的夾角．圖12中，β為樓梯坡度．設 0<α<β．導槽中為配重，連桿頂端連接細線(圖中灰線)，通過兩個定滑輪最后至配重．車體配重由蓄電池和水箱組成[4]．

圖13 車體爬樓配重三維示意圖 圖14 車體平地行進配重三維示意圖

車體水平時(如圖13)，導槽與水平面存在傾角，配重處于導槽最右端，車體爬樓時(圖14)，由于α<β，配重處于導槽最左端．利用極限位置約束連桿的擺動，使連桿保持在一定范圍內轉動．此裝置能保證無論是爬樓還是平地，連桿始終可以處于豎直狀態．

2.2 擦洗機構

擦洗機構通過連接車載驅動搭載在扶手欄桿，其中有四個滾刷分布在欄桿左右兩側，卡住樓梯欄桿，與行進機構連接的罩體懸在扶手正上方，通過三角型導輪機構與扶手接觸，使整個機構受力傳遞到小車，減少對扶手的磨損，同時能夠順利實現轉彎．該機構在行進過程中完成起塵、吸塵、噴水、擦洗四個步驟，完成對樓梯欄桿扶手的擦洗．為方便轉彎，將裝置分為前后兩節，中間用萬向軸相連．前節與小車剛性連接，利用小車在行進方向的分力驅動；后節由于質量較小，僅靠萬向軸提供的力拖動．

前節主要包括擦洗的毛刷和吸塵網．毛刷可將浮塵撣去，此時位于毛刷兩邊的吸塵板會把浮塵吸附于過濾網之上．后節主要由噴水和擦洗機構組成．第二節尾部由電機驅動刷子旋轉清洗扶手．整個擦洗過程覆蓋樓梯扶手和欄桿．

圖15 毛刷結構示意圖 圖16 水箱軟管示意圖

圖15為毛刷結構，兩個對稱的毛刷貼在扶手的護欄上，通過上方的電機驅動對護欄進行清洗，兩側為橡膠擋板結構，防止毛刷工作時污物飛出．圖16是水箱和軟管結構，水箱置于車體上，通過軟管將水灑在扶手欄桿上，便于毛刷的清洗．清洗系統則主要由水箱、軟管、毛刷以及驅動電機等組成．

2.3 轉彎機構

轉彎機構的作用：配合行進機構以便于順利轉彎．

設計了三角型導輪，該裝置直接與扶手接觸并自適應扶手形狀，三導桿之間通過彈簧相連．機器工作時，導輪始終沿扶手運動，對車的方向起引導和約束作用，保證車與欄桿之間的距離；拐彎時，導輪自適應轉彎半徑，依次繞過彎角．

圖17 定位機構通過圓角樓梯扶手示意圖

圖18 定位機構通過直角樓梯扶手示意圖

三個互成120°的滾輪之間通過彈簧連接，可保證直走時卡在扶手上，轉彎時各輪由于扶手對三爪定位機構的導向完成轉彎過程．三爪定位機構通過圓角和直角樓梯扶手過程如圖17、18所示，圖19、圖20展示了三爪定位機構，圖21、圖22模擬了機構真實工作狀態[5]．

圖19 三爪定位機構

圖20 三爪定位機構三維結構展示

小車采取三輪雙驅動式，后輪分別用兩個電機控制．前輪通過桿件約束，可繞內導輪轉動；后輪用單片機控制電機轉速，利用差速轉彎．

3 結束語

本機高度自動化，除簡單安裝和擦洗完畢后拆卸過程需要人來簡單處理，整個擦洗過程不需人為干預；獨特的三角導輪設計可以幫助清洗機順利地通過每層樓梯之間的任意角度彎道；星輪行星輪以及鎖死機構的設計，可在小車爬樓、平地行走工作模式中自動切換(圖20、21)．

圖21 三維結構示意圖

圖22 轉彎狀態三維結構示意圖

本機構主要適用于學校教學樓、學生公寓、小區高樓以及各大商場樓梯的清潔，快速高效清潔家用樓梯、消防樓梯，過程高自動化、高功效，特別適用于工作量較大的小區清潔．該樓梯扶手擦洗機能夠實現起塵、吸塵、噴水、擦洗功能．相比于普通的樓梯扶手擦洗裝置，該裝置擦洗效率更高，效果更好．該清洗原理可推廣至高速公路欄桿的清洗．

[參考文獻]

[1] 喻華玉,徐文澄. BRQ便攜式軟軸連接高壓帶電清掃機在國內的應用[J]. 西北電力技術,2002(5):18-21.

[2] 雷曉鈞,陳 超,錢 浩,等. 小型垃圾清掃機的設計[J]. 科技信息,2013(3):66-67.

[3] 李立順,孟祥德,詹雋青,等.基于SolidWorks的整體自裝卸車虛擬設計與運動仿真[J].起重運輸機械,2007(3): 21-23.

[4] 劉惟信.機械最優化設計[M].第二版.北京：清華大學出版社,1997.

[5] 陳定方,羅亞波.虛擬設計[M].第二版.北京:機械工業出版社,2007.