智能扶手清洁器

廖博邦，黎涛，潘恒飞，徐铭，陆冰莹，何世龙

（玉林师范学院 物理与电信工程学院，广西玉林，537000）

0 引言

在我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020 年) 》中对智能服务机器人给予了明确定义——“智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备”[1]。进入新世纪以来，随着劳动力成本大幅上涨，我国制造业对机器人需求不断加大，未来我国产业转型升级、社会老龄化应对需要大量的先进机器人[2]。

中高层楼梯扶手清扫工作是一项繁重的体力劳动，人工清扫费时费力，工作效率低。机器人清扫具有高效、便捷和节省人力物力等优点，目前没有一款楼梯扶手自动清洁设备投入中高层建筑物使用。针对这种情况，本文设计了一款家政服务智能扶手清洁机器人，由机械部分和控制部分组成。在将机器人放入需要清扫的楼梯扶手后，能在楼梯扶手上沿扶手表面行走，通过行程信号控制运动方向，实现对楼梯扶手表面的全面清洁。

1 系统组成

从有效清洁消毒，智能方便的设计理念出发，设计了一款电子扶手清洁器，该清洁器可实现无线控制，智能平衡调整，障碍物检测等功能。所设计的清洁器由容器、弹簧、喷雾器、直流电机和数字舵机这五个基础部件组成，核心部分由控制模块、电源模块和多种电子模块组成。清洁器装配的容器里配有专用的清洁剂，当其在扶手上运行时，通过控制装配喷雾器将清洁剂喷洒在扶手上，达到辅助清洁的作用。弹簧通过其拉伸的力将清洁器稳定在扶手。直流电机的橡胶滚轮依附在扶手上，用于控制清洁器在扶手上前进后退。数字舵机用于机身平衡调整，它由电机，传感器和控制器组成，其输出力矩大，相比于步进电机旋转精度高，易于控制，能够满足主控器对机身平衡调整的需求。结构简图如图1。

图1 结构简图

2 硬件系统设计

■2.1 硬件系统设计

本设计采用的主控器是STM32 单片机最小系统（STM32F103C8T6），应用到的电子模块还包括WiFi 模块、红外传感器、电机驱动模块、运动传感器及液晶显示屏。STM32F103C8T6[3]具有低成本，高性能，低功耗的特点，且体积小，易于嵌入清洁器。主控器可执行工作人员发送的指令，并且能够将各模块检测到的数据进行处理分析，如果检测到的值超出设定值，主控器将会发出相应的指令，控制清洁器采取相应措施。WiFi 模块和蓝牙模块能够对手机发送指令进行接收，从而协助主控器对清洁器进行控制，也能够将报警信息反馈回手机终端，以便及时排除问题。运动传感器可对清洁器运行时的角度，加速度等数据进行检测，辅助主控器对清洁器的偏转角度和运行速度进行调整。电机驱动模块辅助主控器对清洁器的运动进行控制，可实现加速减速、前进后退、停止等运动状态。红外传感器用于检测清洁器当前运行方向上是否有障碍物，当遇到行人倚靠扶手或扶手有异物阻挡时，及时检测到异常信息，防止发生碰撞。主控器可通过液晶显示屏将清洁器当前执行实行的操作指令、偏转角度、报警状态等各项指标信息进行显示。硬件系统设计框图如图2 所示。

图2 硬件系统设计框图

■2.2 蓝牙模块

本设计采用蓝牙模块HC05。该模块接口简单，体积小，指令简洁且板载PCB 天线，可实现10 米距离的传输。该模块与主控器连接时需要用到4 个端口，分别为5V，GND，RX，TX。HC05 蓝牙模块的串行输入端口RX 和串行输出端口TX 分别连接主控器的信号输出端和输入端。通过该蓝牙串口设备，手机和主控器之间搭建起了一个通讯桥梁，由此工作人员即可通过手机终端发送预设指令来控制清洁器的运行。

■2.3 WiFi 模块

本设计所采用WiFi 模块ESP8266-12F[4]是由安信可科技开发的，该模块抗干扰能力强，稳定性高，集成度高。模块硬件电路如图3 所示，模块的核心处理器在较小的封装中集成超低功耗32 位微型MCU TensilicaL106，主频最高速度可达160MHz，可将高达80%的处理能力留给应用开发。WiFi 模块作为清洁器的第二个无线通信的模块，其与蓝牙通信模块相比，WiFi 模块具有更高的传输速率和更长的传输距离。清洁器通过WiFi 模块可以使用互联网进行数据传输，实现双向通信，为设备实现物联网提供可能。该模块可接收手机客户端发送的控制指令，也可以将清洁器的报警信息和实时运行数据传递给手机终端，辅助工作人员对清洁器的运行状况进行监控。

图3 ESP8266-12F 模块硬件电路原理图

■2.4 红外传感器

本设计采用的红外传感器主要由LM393 双差分比较器，红外发射管，红外接收管及信号显示灯组成。其硬件电路如图4所示。该传感器具有干扰小，便于装配，使用方便的优点。红外传感器工作时，红外发射管将会发射红外光，如遇障碍物，发射出的红外光会被障碍物反射回来，此反射信号被红外接收管接收转换成电信号，此时比较器输出端将输出低电平信号，且信号指示灯亮起。将比较器的输出端与主控器相连，当主控器检测到信号为低电平后，清洁器发出报警信号，并停止清洁任务，直到障碍物移走，清洁器解除警报，并自动返回清洁状态，完成未完成的清洁任务。

图4 LM393 硬件电路原理图

■2.5 电机驱动模块

本设计使用的电机驱动模块采用L289N 芯片。本模块可实现电机正反转和调速，且启动转矩大，可同时驱动两台直流电机，满足清洁器对运行状态调整的需求。主控器产生PWM 波控制信号，并传送给电机驱动模块，不同的占空比的PWM 波会使电机产生不同的转速，进而控制清洁器运行速度。主控器通过电机驱动模块，可以控制电机的旋转方向，进而实现清洁器在扶手上来回运行。当清洁器遇到障碍物时，也能够控制该模块采取紧急制动，防止碰撞事故发生。

■2.6 运动传感器

本设计采用的运动传感器是JY61 型号的六轴运动传感器(MPU6050[5])。该传感器回传速率较高，输出数据精度高，I2C 接口输出，方便与主控器连接，满足清洁器功能开发需求。其硬件电路如图5 所示。该传感器主要由加速度计、陀螺仪，DMP 组成。其中加速度计可感知任意方向上的加速度，陀螺仪可判断出设备当前运行状态。模块内部集成卡尔曼滤波算法，可结合加速度计和陀螺仪的数据信息，共同解算设备的姿态，从而提高输出数据精度。运动传感器可检测清洁器的偏转角度、加速度和运行方向等数据，并将其传送给主控器，通过这些数据实现清洁器运行角度和运行速度的智能调整。

图5 MPU6050 硬件电路原理图

3 软件设计

系统由软件和硬件结构组成，当系统完成初始化状态后，进入指令接收状态。系统接收到清洁启动指令后，同时进入障碍物检测，偏转角度检测状态，并控制清洁器进行清洁任务。主控器对红外传感器传递的信号进行处理后，可判断清洁器当前运行方向上是否有障碍物，如有，主控器将控制电机驱动模块采取紧急制动，停止清洁任务后在液晶显示屏上显示报警信息，直至障碍物移走后，清洁器继续执行清洁任务。根据喷雾器相同时间内消耗的清洁剂几乎相同这一特性，主控器对喷雾器使用时间进行相应处理，可将其时间数据转换成液位值，并显示于液晶屏幕，然后判断当前液位值是否低于液位初设值，当检测到的实时液位值小于液位初设值，主控器通过WiFi 模块发送报警信号，提醒工作人员及时补充清洁剂。当清洁器在扶手上运作时，运动传感器将检测到的数据传给主控器，主控器对数据处理分析后，并在液晶显示屏上显示偏转角度，然后与偏转角度初设值比对，若超过初设值，主控器将发出相应控制信号给数字舵机，调整机身偏转角度。软件设计流程如图6 所示。

图6 软件设计流程图

4 应用

智能扶手清洁器控制方便、清洁效率较高、智能化、自动化强度高，实现了清洁、变速、消毒、无线、检测功能的集成。通过清洁器在扶梯上清洁的现场应用，可知该样机可以进行自动化清洁工作，对扶梯上常见的污渍具有良好的清洁能力。

5 结束语

研究智能扶手清洁机器人基础框架与核心技术，应对我国老龄化社会、建设和谐社区等具有前瞻性。我国在智能扶手清洁机器人领域的研究、开发工作相对落后，在市场推广方面存在困难，必须降低服务机器人的造价，才有可能得到推广。预计在不久的将来，随着关键技术的不断改进、智能扶手清洁机器人性能的提高和成本的降低，移动式服务机器人将普及到家庭。