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1、第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书- 1 -升降伸缩式楼道清洁机器人（南通大学机械工程学院 南通）0 内容简介根据本次大赛的主题，结合目前市场上的清洁机器人只能清洁平地的现状，设计出了一款新型清洁机器人升降伸缩式楼道清洁机器人，能完成楼道的清洁，并兼顾了清洁平地的功能，于 2012 年 4 月 20 日申报了发明专利。本作品设计了垂直与水平两个方向的移动自由度，通过升降与伸缩的方式实现机器人的爬楼；在机器人底盘设计上，采用驱动轮在中间，万向轮前后布置的移动机构，拓宽了重心变化的适应范围；在清洁机构方面，于机身的前端设计了旋转扫帚，将垃圾扫进机器人，在机身下方设计了水平滚动刷子与吸尘
2、器，能可靠地将垃圾收集进机器人的垃圾箱。控制系统基于 32 位的 ARM 架构，采用超声波、红外光电、碰撞等传感器相结合，对机器人机身方位、机器人与楼梯的接近状态、与楼梯是否发生碰撞等进行检测与控制，同时结合路径规划算法，实现机器人可靠地上下楼梯与清洁。本作品以升降伸缩式机构实现上下爬楼，结构简单，使得其成本较低，加上既能清洁楼梯也兼顾清洁平地的功能，从而有着广阔的应用领域与推广价值，可适用于居民住宅楼、办公楼，或者有着楼中楼结构或别墅型的家庭，也可推向家庭作为一般清洁器使用。本作品以全自主方式实现控制，无须人参与，有利于减轻人们的劳动负担，给人们创造轻松美好的幸福生活。1 研制背景及意义随着
3、科学技术的不断发展，在当今社会中，机器人在减轻劳动强度，提高生产效率方面发挥了巨大的作用。平地清洁机器人的报道屡见不鲜1,2,3，其业已进入家庭。另一方面，在高楼耸立的现代生活中，楼道清理的工作繁重、枯燥，有必要开发相关的清洁机器人以减轻人们的劳动负担。目前有关爬楼机器人的类型，典型的有轮式机器人，履带式机器人和腿式机器人三种机构模型4,5,6,7。其中，轮式机器人控制灵活，移动简单，但该种类机器对地形的依赖性较大，轮子数量的增加会导致体积庞大，重量重的缺点；履带式机器人对地面适应性强，稳定性高，结构简单，但能量损耗较大；腿式机器人适应性强，稳定性高，但机构及控制复杂，运动速率低。由哈尔滨工程
4、大学研制的楼梯清扫机器人8实现了连续爬楼的功能，具备爬楼梯与平面运动两种运动状态的功能，且两者之间可以互相转换。其设计核心在于车轮轮廓设计采用了阿基米德螺线三叶轮。但该机器人只能完成简单的爬楼运动，而不能在楼梯上转弯，无法实现楼梯全方位的清洁工作。其次，该第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书- 2 -机器人的爬楼与清洁机构结合得比较庞大复杂，机器人显得比较笨重。另外,设计的三叶轮尺寸固定，只能适应于某固定高度的楼梯。所以该机器人在实际运用中适应能力有较大局限。因此，需要设计具有较大适用范围、结构简洁、成本低廉的楼道清洁机器人,以减轻人们家居与办公的负担。2 机械设计经过对清洁机器人专
5、业技术知识的掌握和研究学习，设计了这款新型楼道清洁机器人。其满足以下性能要求：具有良好的地面适应性；成本低；体积轻巧；工作效率高；耗能低；易于维护和修理；市场价值高。为满足其工作要求，通过与传统爬楼机器人的比较分析，这里选择了只利用两个自由度实现爬楼的设计思路，避免繁重的控制设计和高额的制作成本，同时保留机器人工作灵活，稳定性强，工作效率高的需求。图 1 升降伸缩式楼道清洁机器人全景图该机器人是通过一个升降机构、一个伸缩机构实现爬楼功能，通过清洗机构完成清洁任务。楼道清洁机器人由升降机构，车身前后伸缩机构，清洁机构第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书- 3 -等组成，如下图所示（如图
6、 1 楼道清洁机器人全景图）2.1 爬楼方式设计为实现本作品能攀爬常见楼梯的功能，并且每爬上（或下）一层，在该层上行走完成清扫，既可以从上往下完成清扫，也可以从下往上完成清扫。这里设计了利用升降与伸缩两个自由度的运动实现上下攀爬的功能。设计的机器人爬楼过程示意图如下所示（如图 2 爬楼过程示意图）图 2 爬楼过程示意图2.2 升降机构本作品利用垂直导轨实现机器人的升降，如图 2 的最左下方为机器人的升起状态（以上升为例说明,下降类推）所示。其中垂直导轨与支柱固连，机器人的主要车身与该垂直导轨中的滑条固连。其有关传动由齿轮齿条实现，如图 3所示。在这种结构下，通过电机驱动一对齿轮、齿轮长轴，将动
7、力传到齿轮齿条。由于支柱不动，车身连同导轨中的滑条在齿轮齿条的相对运动带动下进行上下移动，实现了升降。第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书- 4 -图 3 升降机构图2.3 伸缩机构本作品利用水平导轨实现机器人的伸缩，如图 2 的自左往右的第二个为机器人升起后的伸出状态（以伸出为例说明，缩回类推）所示。其中水平导轨与机器人车身的上底板固连，车身的下底板连同图中的连接柱与水平导轨中的滑条固连。车底上下底板之间（即导轨与导轨中的滑条之间）的相对水平运动由水平齿轮齿条驱动实现，图 4(a)显示缩回状态,图 4(b)显示伸出状态，从而可实现车身水平伸出，伸到上一级台阶，如图 2 所示。随后机
8、器人可将升降机构的导轨（连同支柱）往上收回，再将车身上底板连同垂直导轨往前收回，如图 2 所示的自左往右的第三、第四状态。(a)第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书- 5 -(b)图 4 伸缩机构图2.4 清洁机构执行清扫任务过程中，电机带动清洁刷的旋转将垃圾扫入下底板吸尘区域内，将叶轮中的空气高速排出风机，同时使吸尘区域内空气不断地补充进风机。这样不妨碍与外界形成较高的压差。吸嘴的尘埃、脏物随空气被吸入吸尘区域，并经过漏器过漏，将尘埃、脏物收集与尘筒内。机器人的清洁系统由以下几部分组成：旋转扫帚、水平滚动刷、吸尘器、垃圾收集装置、垃圾箱等，这几个模块在电机驱动下，相互协调工作，实现
9、机器人清洁任务。 （如图 5 清洁机构图）图 5 清洁机构图第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书- 6 -3 控制设计3.1 硬件系统为保证清洁机器人各种功能的实现，机器人本体硬件系统主要由以下几部分组成：主控制器、电机驱动器、传感器、状态设置按钮、状态显示器与电源模块等，这几个模块在单片机的控制下，相互协调工作。其机器人硬件系统架构如图 6 所示。单片机S T M 3 2传感器接口电机驱动楼梯判断与避障传感器防跌落红外传感器电子罗盘升降电机吸尘电机扫帚电机状态显示器电源模块伸缩电机滚刷电机驱动电机图 6 硬件系统架构图3.2 软件系统以上的每个任务都对应几个子程序或中断程序，整个系
10、统的流程，如图 7所示。 （以爬上楼梯清扫为例） 。整个系统基本上可以分成以下几个部分的任务：（1）控制毛刷电机、吸尘电机。边毛刷电机和吸尘电机可以同时控制，清洁机器人开始清扫工作的时候，3 个电机开始同时工作，停止清扫的时候，3 个电机就同时停止。（2）检测台阶防止跌落。清洁机器人底部的 4 个台阶检测红外传感器，如果检测到台阶，则要求机器人中断处理。（3）探测楼梯周边情况。在机器人前后左右各有一反射式红外传感器，在前端另有 2 个碰撞传感器。因为行进过程中要对障碍物的位置做出初步的判断，然后采取相应的处理，所以这 6 个信号是相互独立的。（4）控制机器人左右电机行走、爬楼行走。通过 PWM
11、 子程序可以按要求控制电机的转速。第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书- 7 -开始初始化硬件驱动楼梯位置识别行走前方有障碍物姿态调整Y前上方有障碍物Y爬楼与清洁开启清洁装置NN结束电力不足YN图 7 系统的流程图4 理论设计计算图 8 传动轴第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书- 8 -轴的强度校核：由 1211233047ZwdZiZ其中 n=35r/min 扭矩： 功率：12kw30kgcm弯矩：合成 22.19.86.92MN15517333117.04.960.6bdm323321.95.8.bM故轴的 强度均符合要求 121123047ZwdZiZ6339.50
12、0.127.895TPdcmn1.2kw2.6kw1.130TNcm130983.2iNN因此，这里材料选用 45 钢调质 50BMPa6sPa齿轮与轴的受力分析：圆周力 12370.6tTFNd径向力 tan5ta20136.5r法向力 379costn第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书- 9 -结果：双边提升重量 4kg=40N，则单边导轨 2kg=20N最低轴要求 (满足) （满足）1d4.3916m2d5.38m危险截面：面：317.84.60aMMPaW.2Tm10.486395bBPa.0.91123.85.4.65aNMkS119.79.830.283aNrnk.4S
13、15故足够安全。5 创新点虽然爬楼机器人有较多形式，清洁机器人也已推向市场走进家庭，但将两者相结合，目前市场上没有这样的机器人，仅有少量的研究开发的相关报道。本作品将爬楼功能与清洁功能相结合，有一定的创新性。本作品采用升降伸缩式机构实现爬楼，带来的优点是：相比于行星轮式、履带式、腿式机器人，结构简单，爬楼过程中不歪斜，上下楼梯动作简洁，清洁装置不会与楼梯干涉，对不同高度与踏步宽度的楼梯有一定的适应性，每上完一层楼梯能灵活地在该层完成清扫任务。在这种结构下，本清洁机器人并非只能爬楼，也可作为普通平地机器人完成清洁，大大增加了本作品的适应能力与应用范围。因此升降伸缩式自主爬楼且具备清洁功能是本作品
14、的主要特色与创新之处，目前国内外没有报道。第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书- 10 -6 作品外形作品外形如图 10 所示。(a) (b)图 10 作品外观照片参考文献1 甄宗雷，赵臣，黄品.清洗机器人机器应用.洗净技术J，2003（2）：4346.2曾岑、陈进、蒋玉杰. 智能型室内清洁机器人的研究和发展探析J. 机械制 造.2008(10):63-673 Wen-Mau Chong; Chien-Le Goh; Yoon-Teck Bau. A Practical Framework for Cleaning RobotsC. IEEE, 2011 Sixth Internat
15、ional Conference on Bio-Inspired Computing: Theories and ApplicationsDigital Object Identifier: 2011: 97 - 1024黄先琪.一种新型的爬楼梯机器人.机械J.2009,36(5):75-765马学玉. 可爬楼梯的移动机器人研究.机电信息J.2010(12)：87-886T. Takenaka, T. Matsumoto and T. Yoshiike. Real time motion generation and control for biped robotC. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2009:1594-16007 Taehun Kang, Hyungseok Kim, Taeyoung Son, Hyoukryeol Choi: Design of Quadruped Walking and Climbing RobotC. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2003: 620-6248 工学网-机电学院-楼梯清洁机器人EB/OL
