多功能清洁机器人机械结构设计与控制

多功能清洁机器人机械结构设计与控制

张淑静

张淑静

天津精诚机床股份有限公司天津市300350

摘要：现如今，我国的科技在不断的进步，针对高楼玻璃与室内高墙，设计了一种多功能清洁机器人，机器人整体结构为六足结构，采用三角步态运动方式，在真空泵、吸盘、舵机等零件的配合下，实现在玻璃与墙面上的垂直行走，并设计了可90°翻折的头部，在遇上较大障碍或者墙角时能够顺利通过，实现了连续作业，并设计了高压水泵、清扫机构，既可以清洗玻璃，又可以清扫墙面。绘制了结构图，对底板、头部进行了应力分析，在此基础上，制作了样机，对机器人的行走方式、安全性进行了分析。

关键词：机器人；六足；结构优化设计；运动分析

1整体方案设计

根据机器人垂直运行的特点及要求，本作品在研究之初，从机器人清洗玻璃与墙体时的行走能力、跨越障碍能力入手，整体方案设计既要满足垂直运行时的稳定性、安全性，又要结构简捷、操作方便。（1）机器人的步态运行方式。为了方便机器人在室外玻璃、墙体上垂直运行流畅，根据六足机器人的工作原理，采用三角步态式行走。（2）跨越障碍方式。在进行清扫时，机器人遇上墙角、台阶等较大障碍时，需要顺利通过，实现连续作业，采用可翻折式机构。（3）吸盘机构。机器人在进行垂直运行时，必须能够牢牢地吸在墙面与玻璃面上，本装置所采用的吸盘机构，由吸盘、气泵、电磁阀等组成，在各零件的相互配合下，使6个腿实现轮换吸附。（4）清洗机构。清洗机构是机器人的执行部分，本机器人能够实现清洁玻璃与墙面的功能，在清洗玻璃时，考虑玻璃的清洗程度以及节约用水的情况，采用高压水泵、针孔式喷嘴以及毛刷机构。通过高压水、毛刷机构清洁玻璃，使用毛刷机构，清扫墙面。

2组成模块与功能

多功能清洁机器人的组成模块包括驱动清扫结构模块、洒水系统模块、拖地清洁结构模块、控制系统模块、传感检测系统模块和图像传输系统模块等，集机械电子、传感器、自动控制、机器人、网络通信和路径规划等诸多学科知识为一体，具有防碰撞、跌落感知、自主导航路径规划、路面监控、手机远程操控、红外遥控等功能。

3驱动清扫结构模块设计

驱动清扫结构模块的主要功能是驱动机器人行走，向螺旋刷及边毛刷提供动力，同时承载部件。左右轮为驱动轮，前轮为万向轮，直流电机通过同步齿形带与驱动轮连接，控制器通过差动方式驱动电机，电机通过同步齿形带带动驱动轮转动，结合前端万向轮导向，从而实现清洁机器人的移动和转向。驱动轮上装有大齿轮和圆带轮，圆带轮通过圆带和边毛刷圆带盘连接，大齿轮通过小齿轮、单向轴承和螺旋刷连接，大小齿轮的传动比为5∶1。当驱动轮转动时，圆带轮带动左右边毛刷实现顺逆时针旋转，将路面垃圾扫至中间位置，同时大齿轮带动小齿轮旋转，小齿轮通过单向轴承带动螺旋刷转动，将中间位置的垃圾扫至垃圾箱中。

4设计参数计算

（1）洒水系统模块。洒水系统模块参数主要包括水箱容积、水泵参数及洒水速率等。喷水管设计洒水速率为0.35L/min，连续工作1h为一个周期，则所需要的水箱容积V=0.35×60=21L。根据相关数据，选择水泵参数如下：尺寸90mm×40mm×35mm，电压12V，电流1A，流量1.5L/min。（2）驱动电机。为了保证清洁机器人能正常工作，需要选择合适的驱动电机。电机功率过小，会出现小马拉大车的现象，造成电机长期过载、发热，进而损坏，无法使清洁机器人正常运动。电机功率大，虽然可以保证机器人在多种环境下运动，但电机的体积、质量和成本也会随之增大，造成不必要的浪费。设计确定机器人的总质量m1=16.5kg，洒水箱装满水后的总质量m2=21kg，行走速度v=0.2m/s，驱动轮半径r=90mm，摩擦因数μ=0.1，同步带传动效率η=0.98，则驱动轮转矩T=Fr/η=（m1+m2）gμr/η=3.38N·m，F为摩擦力，单个驱动轮所需转矩T1=T/2=1.69N·m，单个驱动轮负载功率P1=Fv/η=（m1+m2）gμv/（2η）=3.75W。电机在起动、制动时，负载电流会增大，会导致内部损耗增大，因此预选电机额定功率时，应将负载功率扩大至1.1～1.6倍。根据计算的数据选择直流减速电机，其主要参数如下：电压12V，功率60W，扭矩2.4N·m，额定转速360r/min。（3）传动带。同步齿形带传动具有传动比准确、传动效率高、耐磨性好、预紧力小、瞬时速度均匀、噪声小等优点，因此笔者选择同步齿形带传递扭矩。根据机械设计手册中的计算方法，笔者选择同步齿形带型号为545-5M-15，选择同步齿形带轮型号为30-5M-15-AF。

图1驱动清扫结构模块

5拖地清洁结构模块设计

主要功能是配合驱动清扫结构模块，完成地面灰尘、污渍的清洁。安装板块和连接板块通过销轴铰接，并且由左右两根弹簧拉紧。连接板块通过销轴和拖把支架铰接，拖把支架上安装有拖布，整个拖把机构通过安装板块和螺钉固定至清洁机器人的后板上。清洁机器人工作时，手动将拖把机构放下，拖把机构在弹簧弹力的作用下压紧地面，进行拖地工作。清洁结束时，手动将拖把机构抬起，拖把机构在弹簧拉力的作用下保持抬起状态以便于存放。这种结构设计的优点是遇到不平整地面时，由于弹簧的调节作用，拖把机构始终能压紧地面，完成拖地工作。

结语

多功能清洁机器人以AT89C52单片机为主控制器，采用模块化设计，结构紧凑，功能丰富，使用范围广，可以实现高层楼顶玻璃及大型商场等瓷砖地面的有效清洁，在很大程度上减轻了清洁人员的劳动强度，提高了工作效率。如何采用优化设计方法，使清洁机器人的结构更轻巧，功能更完善，且更智能化，是笔者目前正在研究的问题。本文的设计研究思路，为清洁机器人的应用场合多元化研究提供了参考。

参考文献

［1］崔旭明，孙英飞，何富君．壁面爬行机器人研究与发展［J］．科学技术与工程，2010，10（11）：2672－2677．

［2］杨若霁，陈峰．六足步行机器人腿机构绳传动系统设计与仿真［J］．组合机床与自动化加工技术，2012（3）：89－93．