樓梯清潔機器人的結構設計

王 會，趙世澤，李尚藝

(德州學院 能源與機械學院，山東 德州 253023)

0 引言

隨著科學技術的發展和人們生活水平的提高，城市之中不論是辦公大樓還是住宅小區都是高層樓房，雖然有便利的電梯，但普通樓梯也是高樓必不可少的部分。雖然普通樓梯很少使用，但時間一長也會存有垃圾和灰塵，需要對其及時清掃。目前，打掃樓梯的方式還只能依靠清潔工人人工打掃，需要較多人力和較長時間的清掃，也是對人力資源的浪費。因此，為了完成這項簡單且重復的工作，節約人力資源，需要對梯樓清潔機器人進行研究。本文主要針對其機械結構進行設計，此機器人能自動清潔樓梯，無需太多人工操作，省時又省力。

1 樓梯清潔機器人的設計

1.1 我國建筑樓梯臺階的標準尺寸

我國建筑樓梯設計規范中指出樓梯的踏步尺寸一般應與人腳尺寸步幅相適應，同時還與不同類型建筑中的使用功能有關，踏步的尺寸包括踏步高度和踏步寬度。我國公共建筑樓梯要求及標準如下：

(1) 室內樓梯的每梯段凈寬不應小于1.4 m，踏步高度不應大于0.16 m，踏步寬度不應小于0.28 m。

(2) 室外臺階的踏步高度不應大于0.15 m，踏步寬度不應小于0.3 m。

(3) 旅客地道、天橋階梯踏步高度不應大于0.14 m，踏步寬度不宜小于0.32 m，直跑階梯的寬度不宜小于1.5 m。

1.2 樓梯清潔機器人總體方案設計

樓梯清潔機器人的總體結構如圖1所示。整機主要由機架、前進裝置、上下樓梯裝置、清洗裝置等部分組成。其工作原理是：清潔機器人在后輪電機1的帶動下使車輪前進；當遇到臺階時電機2啟動帶動后驅動軸轉動，通過上下樓梯裝置使機器進入上一層樓梯；然后在電機3的帶動下使清潔裝置工作，進而實現對樓梯的全面清潔。其三大組成部分的工作過程如下：

(1) 前進裝置：在電機1的帶動下后車輪運動，使樓梯清潔機器人往前運動。

(2) 上下樓梯裝置：上下樓時電機2通過齒輪傳動帶動后驅動軸轉動，經過鏈傳動帶動前驅動軸轉動。兩個驅動軸末端有兩個撐桿，隨著軸的轉動進而把機器撐起實現上樓梯。

(3) 清洗裝置：在曲柄滑塊機構的滑塊處有清潔刷，在電機3的帶動下使曲柄滑塊機構運轉，從而帶動清潔刷左右運動，進而實現對樓梯的全面清潔。在滑塊機構下方有絲杠機構，若樓梯略有區別時可以通過調節絲桿機構來調節刷子位置，使其使用范圍更加廣泛。

1，2，3-電機；4-曲柄滑塊機構；5-絲杠機構；6-清洗刷子機構；7-鏈輪；8-前驅動軸；9-后驅動軸；10-大齒輪；11-上下樓機構；12-車架；13-車輪

1.3 傳動裝置的設計

1.3.1 傳動方案的設計

樓梯清潔機器人的傳動方案如圖2所示。

圖2 樓梯清潔機器人的傳動方案

1.3.2 電動機的選擇

(1) 電動機1的選擇。機器人行進速度設定為v=0.018 m/s，車輪直徑D=140 mm，則電動機轉速為：

通過網上查詢電機，選取60KTYZ永磁同步電機齒輪減速電動機可滿足要求。

(2) 電動機2的選擇。清潔機器人的鏈輪轉速為5 r/min，電機經齒輪傳動到鏈傳動傳動比i=4，則電機轉速為n=20 r/min。經查詢，選取25 W、220 V交流齒輪調速電機/減速電機4RK25RGN-C馬達普菲德電機可滿足要求。

(3) 電動機3的選擇。絲杠帶動滑塊機構工作速度設定為v1=0.05 m/s，通過網上查詢電機，選取60KTYZ永磁同步電機齒輪減速電動機可滿足要求。

1.3.3 齒輪傳動的選用

選用標準直齒圓柱齒輪傳動，傳動比為4。因實際的工作方式為速度不高的間歇性工作，所以齒輪精度選用7級。選擇小齒輪的材料為40Cr調質處理；大齒輪的材料選用45鋼調質處理，大小齒輪的硬度差保持在45HBS上下。選擇小齒輪齒數z1=18、大齒輪齒數z2=18×4=72，兩齒輪模數m=1.5 mm。

1.3.4 鏈傳動的選擇

選用鏈條型號04C-1，大鏈輪齒數Z1=29，小鏈齒輪數Z2=29，傳動比為1，鏈節數Lp=89，中心距a=188 mm。

1.3.5 后驅動軸的結構設計

為了保證軸的強度，取后驅動軸直徑dmin=18 mm。后驅動軸上有一個齒輪、一對鏈輪和一對軸承，需要選用可靠的定位方式。軸承的配置采用雙支點各單向固定；軸承的內圈與軸一同旋轉，外圈靜止，所以內、外圈均采用過渡配合來實現周向固定。與軸中間相靠的軸承一側采用軸肩定位、遠離軸中間的那一側選擇內置端蓋定位以實現軸承的軸向定位。鏈輪采用平鍵連接來實現周向定位，平鍵的失效形式為兩個側面的壓潰以及鍵的剪斷；采用套筒實現鏈輪的軸向固定。齒輪的定位方式可以選用圓螺母和軸肩實現軸向定位，周向定位則選擇平鍵連接。

軸承在軸支撐方面起著必不可少的作用。因為軸上安裝的是標準直齒圓柱齒輪，沒有承受軸向載荷，軸承主要承受徑向載荷。因此選用深溝球軸承就能夠滿足承載要求，且其價格便宜。根據《機械設計手冊》查得可使用型號為6208的深溝球軸承，軸承內徑為40 mm,外徑為80 mm,脂潤滑極限轉速為800 r/min，油潤滑極限轉速為10 000 r/min，基本額定動載荷Cr=29.5 kN。

傳動軸三維模型如圖3所示，前驅動軸設計類似于后驅動軸，故不再贅述。

圖3 傳動軸的三維模型

1.4 清洗裝置的設計

清洗裝置采用曲柄滑塊機構，如圖4所示，其三維模型如圖5所示。

圖4 曲柄滑塊機構簡圖

圖5 曲柄滑塊機構三維模型

如圖4所示，設計曲柄滑塊的關鍵是找出曲柄長R、連桿長L滿足行程H的關系。H是滑塊兩個極限位置的距離，是曲柄和連桿兩次共線時滑塊的位置，所以H=2R。因滑塊的行程H近似為樓梯的寬度B，所以R=B/2。這時考慮其他輔助條件，設K=L/R，一般取K=2～5，特取K=3，因此L=3B。

1.5 車架設計

根據我國樓梯建筑的通用標準中室內臺階的高度應小于等于0.16 m，故設計車架下端高為140 mm，以便于卡在臺階上。打掃室外臺階的清潔機器人，可參考室外臺階的標準適當調整尺寸。為了使車體更經久耐用輕便，車架選用鋁合金材料。車架結構如圖6所示。

圖6 車架機構

1.6 樓梯清潔機器人的裝配

樓梯清潔機器人的三維裝配圖如圖7所示。

圖7 樓梯清潔機器人三維裝配圖

2 結論

樓梯清潔機器人通過車輪帶動機器前行，上樓梯時電機啟動經齒輪傳動、鏈傳動帶動撐桿運動，進而把機器撐起實現上樓。電機帶動滑塊機構往復運動實現對樓梯平面的清掃，從而實現了樓梯清潔的機械化。這款機器機械化程度高，節省了人力，節約了成本，保證了樓梯的清潔，具有一定的實用價值和市場推廣價值。