一种新型智能清洁机器人及其控制方法

矫玉菲，侯荣国，苏秋平，刘 瑶，陈保胜

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

（山东理工大学 机械工程学院 精密与特种加工省级重点实验室，淄博 255049)

0 引言

随着现代社会人们生活水平的提高、生存理念和生活品位的不断提升，服务型机器人必将成为人们生活必不可少的工具和伙伴。各种场合的卫生清洁问题一直困扰着我们，由于工作环境多种多样（例如平地、斜坡和台阶等），工作流程繁琐，所需清理的垃圾也不尽相同，不仅劳动量大，而且工作效率低，每年国家都要对环境的清洁问题投入大量的人力、物力和财力，而目前市场上的清洁机器人存在功能单一、适应性差及智能化程度低等诸多问题，针对以上问题，研制新型智能清洁机器人，将科技与服务相融合，以优化生活环境。

该装置结构上根据齿轮传动和带传动等机械传动方式设计行走及攀爬机构，以其特殊结构的轮子转换装置、电动滚子式拖把与吸尘器配合完成各项清洁工作；以单片机为核心部件，传感器、限位开关为辅助部件设计控制系统，采用了多个传感器和智能控制模块，实现机器人运动控制和智能识别避障等功能；采用有线、无线遥控及语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，能够提高人们的生活质量并改善人们的生活方式。

1 新型智能清洁机器人的总体设计方案

新型智能清洁机器人主要由机器人主体、行走及攀爬机构、吸尘/拖地一体化装置、智能识别控制系统和遥控装置等部分组成。机器人主体作为行走及攀爬机构、吸尘/拖地一体化装置等部分的载体，将各部分连接；以单片机控制系统为核心，集自动控制、红外遥控及语音遥控三种工作模式，高、中和低三种运行速度，以扩大适用范围，提高清洁质量。

通过设计并制作出行走及攀爬机构，实现清洁机器人的行走及攀爬的灵活运动，采用辐片式轮子结构实现轮子在平地行走状态与攀爬状态之间转化；通过设计并制作出吸尘/拖地一体化装置，经吸尘装置清理收集各种垃圾、尘土，并经自动拖地装置将地面清理干净，吸尘装置在智能识别与避障模块的辅助下，根据不同工作环境自动升降，拖地装置采用电动滚子式拖把通过铰支连接与主体相连，以保证滚子与地面的良好接触；设计智能识别控制系统以实现机器人在行走过程中的智能识别、蔽障，以及与遥控装置相互通信实现无线遥控。

新型智能清洁机器人的示意图如图1所示。

图1 新型智能清洁机器人总体设计方案

2 机械结构部分的设计

2.1 机器人轮子结构及轮子转化结构的设计

为实现机器人在平地行走、攀爬楼梯以及复杂地面的工作，将轮子设计成一种辐片式结构，每个辐片的形状，如图2（a）所示。每个轮子由两个辐片以及中间的推力球轴承组成，采用电机通过带传动使前轮和后轮外侧的辐片同时转动36°。其变换示意图如图2（b）所示。轮子转换的具体过程是当传感器检测到前方的楼梯后，由电机提供动力，采用同步带传动使外侧辐片同时转过36°与内侧辐片重合，从而实现轮子的转化。

该结构的转换机理是：爬楼前，外侧辐片顺时针转动36°与内侧的辐片实现重合，便于攀爬，同时提高了爬楼时轮子的强度；平地行走时，外侧辐片逆时针转动36°，与内侧的辐片组成一个完整的周圆，提高机器人在平地行走时的平稳性。

图2 轮子结构及其变换示意图

2.2 吸尘器升降结构及电动滚子式拖把的设计

机器人在对台阶进行清理时，需要攀爬楼梯，攀爬过程中吸尘器可以自动升降，从而避免受到楼梯的撞击，造成吸尘器的损坏。该装置拟用齿轮齿条传动机构。将齿条与吸尘器杆固定在一起，并将齿条置于导槽之内，利用齿轮齿条的啮合力和导槽对齿条的压力降吸尘器固定在导槽内。通过电机转动时带动齿轮转动，实现齿条的上下移动，当齿条移动到导槽顶端时，会触动固定在导槽顶端的行程开关，吸尘器停止上升，起到一定的保护作用。吸尘器升降部分示意图如图3所示。

图3 吸尘器升降部分结构图

电动滚子式拖把由滚子、支撑架及其传动装置组成。具体设计思路是将滚筒表面包装一层毛刷，采用电机通过齿轮箱减速带动滚筒旋转，将滚子及其传动装置安装在支撑架上，再与机器人之间通过铰支连接,能够依靠支撑架的摆动自动调节滚刷的高度，使毛刷始终贴敷于地面，使滚子与平地、斜坡和楼梯等地面充分接触，增强了清洁效果。电动滚子式拖把结构示意图如图4所示。

图4 电动滚子式拖把结构图

3 智能清洁机器人的运动控制

3.1 控制系统的总体设计

控制系统以STC89C52单片机为核心部件，利用Kei1软件采用C语言编程。红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强及成本低等特点；声控部分控制系统采用SPCE061A单片机作为核心部件，利用unSP IDE2.6.2软件采用C语言编程；自动避障功能采用光电传感器控制。

通过控制系统实时检测识别避障模块和第一光电传感器的信号，控制内辐片轮体和外辐片轮体重合与分离，实现辐片轮在攀爬与滚动状态的转化，能够适用于既有斜坡又有台阶的地况；同时通过识别避障模块实现了不同地况的识别与避障，通过CPU单元控制相应电机完成清洁工作，提高了机器人工作的安全性；吸尘器升降机构的顶端安装有限位开关，可使控制系统根据不同的地况，自动控制吸尘器升降，在不影响吸尘器对灰尘等垃圾的吸附力的前提下，以满足不同的地况需求；吸尘电机与拖地电机可以根据实际的工作环境实时启停。控制系统框图如图5所示。

图5 控制系统框图

新型智能清洁机器人的运行原理：接通电源后，首先根据按键面板选择工作模式，包括：自动控制、红外遥控和语音遥控；然后根据工作环境选择运行速度，包括：高速、低速和中速；机器人对此模式的选择进行判断并调用相关子程序，如果是将执行行进、吸尘拖地动作，否则重新选择工作模式；根据实际要求灵活控制机器人的前进、后退、左转、右转、吸尘和拖地等工作。行走过程中，当传感器检测到障碍物时，自动做出后退、转向、停止等反馈动作，当识别出楼梯后，吸尘器自动上升，提升至一定高度后，触及限位开关，由限位开关将信号反馈给单片机，单片机作出响应开启爬楼模式并完成楼梯的清洁工作。机器人持续不断进行监测和动作，最终实现对该场所的卫生清洁。

控制程序流程图如图6所示。

3.2 智能识别模块的控制原理

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。该装置通过在装机器人前的两个光电传感器，左右各一个传感器，实现识别避障功能。具体工作流程∶当前面两个传感器只遮住下面一个（1号）时，开始爬台阶；当全部遮光时，后退或停止；当左边（3号）与前面的传感器（1、2号）遮光时，右转；当右边（4号）与前面的传感器（1、2号）遮光时，左转；当传感器全部遮光时后退，从而实现自动识别、避障功能。智能识别模块流程图如图7所示。

图6 控制程序流程图

图7 智能识别模块流程图

4 结论

本项目将科技与服务相融合，以单片机为控制核心，以其特殊结构的轮子转换装置实现机器人平地行走模式与攀爬模式之间的转换，其电动滚子式拖把可实现与地面无缝接触，借助光电传感器实现自动避障和楼梯的识别，实现高效高质量的清洁。机器人不受工作区域的限制，智能化程度高、使用安全方便和适用范围广。该装置可以完成商场、公园和会议厅等场所的清洁工作，亦可用于居民楼及其内部的清洁等，可减轻清洁工作人员的劳动强度，提高工作效率；此外，该装置兼备工艺性、知识性、集成性，可以作为教学实验装置，开展实验，以及用于中小学素质教育拓展推广等，倡导绿色环保及综合服务，提高生活质量。

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