智能清掃機器人行走驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

都家宇

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.30.100

摘 要：智能清掃機器人作為服務(wù)機器人實用化發(fā)展的先行者，替代了傳統(tǒng)的人工清潔工作，具有十分廣闊的市場前景。行走驅(qū)動系統(tǒng)是一個能實現(xiàn)設(shè)計要求的理想化的智能清掃機器人的重要組成部分，是清掃機器人的主體。通過總結(jié)系統(tǒng)功能和設(shè)計要求明細表，確定設(shè)計方案，求解功能元，繪制系統(tǒng)功能原理方案的形態(tài)學(xué)矩陣，通過對比不同功能載體的優(yōu)劣，找到符合設(shè)計方案的最優(yōu)解，確定結(jié)構(gòu)方案，從而設(shè)計出所需的智能清掃機器人行走驅(qū)動系統(tǒng)。設(shè)計出的行走驅(qū)動系統(tǒng)具有小型、平穩(wěn)、靈活的特點，為機器人提供了結(jié)構(gòu)上的保障，滿足了運動方式、運動速度、自我保護等多種功能，適用于家庭、賓館、辦公室等室內(nèi)環(huán)境場合的半自動或全自動清潔。

關(guān)鍵詞：智能 小型 行走驅(qū)動系統(tǒng) 空間移動 移動機構(gòu)

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（c）-0100-04

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，人口老齡化越來越嚴(yán)重，人力資源成本不斷增加，以提供服務(wù)為目的服務(wù)機器人逐漸進入了人們的視野。智能清掃機器人作為服務(wù)機器人的一種，給人們帶來很大的便利且具有好的社會和經(jīng)濟效益。如果把固定式機器人視為對人類手臂動作和功能的模擬和擴展的話，那么具有移動功能的機器人就可對應(yīng)于人類行走功能的模擬和擴展。清掃機器人行走驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣， 直接關(guān)系到清掃吸塵任務(wù)最終執(zhí)行的好壞。

1 研究背景及意義

近年來，隨著計算機技術(shù)與人工智能科學(xué)的飛速發(fā)展，智能機器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機器人研究領(lǐng)域的熱點。服務(wù)機器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一是勞動力成本的上升；二是人類想擺脫枯燥乏味的體力勞動；三是人口的老齡化和社會福利制度的完善也為某些服務(wù)機器人提供了廣泛的市場應(yīng)用前景[1]。

清掃機器人的出現(xiàn)能夠很大程度地提高工作效率，降低勞動成本，徹底將人們從清掃工作中解放，因此具有很重要的意義[2]。在很多國家和地區(qū)，清掃機器人作為服務(wù)機器人應(yīng)用的先行者，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述

2.1 國內(nèi)產(chǎn)品研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)，各個科研機構(gòu)和院校都開始這方面的研究。浙江大學(xué)于1999年初對智能吸塵機器人進行研究，兩年后便成功研制出國內(nèi)第一個具有初步智能的自主吸塵機器人，與蘇州TEK公司合作研發(fā)，到2003年系統(tǒng)在自主能力和工作效率上都有了顯著提高。

國內(nèi)第一個產(chǎn)品化的清掃機器人是由深圳某家公司生產(chǎn)的KV8保潔機器人，如圖1所示，它可以設(shè)定虛擬墻，防止機器人跌落樓梯或者臺階。該款清掃機器人采用隨機式清掃策略，通過前端的碰撞傳感器實現(xiàn)障礙物的識別。它內(nèi)置三種不同的工作模式，根據(jù)不同的工作環(huán)境選擇合適的模式[2]。

2.2 國外產(chǎn)品研究現(xiàn)狀

目前，國外在清掃機器人的研究領(lǐng)域完成了許多工作，取得了一定的成果，如伊萊克斯、日立、松下、三星等世界著名公司都已開發(fā)出智能吸塵機器人。德國 Kaercher公司生產(chǎn)的RC3000清掃機器人，它是世界上第一臺能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機器人。它只有50cm長，能夠自動清掃地面，能在完成清掃工作之后，自動返回充電站進行充電，充電時間為10～20min，充一次電能夠運行1h左右[3，4]。

此外，2003年11月，三星公司推出一款三星代號為VC-RP30W的機器人吸塵器，主要針對家庭市場。VC-RP30W主要依靠3D地圖技術(shù)進行定位，避障效果好，能夠快速、高效地對房間每個角落進行吸塵；當(dāng)遇到障礙物或者死角等情況，VC-RP30W會自動轉(zhuǎn)向繼續(xù)工作[5-10]。

3 智能清掃機器人的組成結(jié)構(gòu)

清掃機器人由五部分組成：主控制系統(tǒng)部分、執(zhí)行電機部分、傳感器部分、輸入輸出部分和電源部分[1]。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

4 設(shè)計方案

4.1 設(shè)計目標(biāo)

本文設(shè)計的行走驅(qū)動系統(tǒng)主要工作于家庭、賓館、辦公室等路況不復(fù)雜、路面平穩(wěn)的場地，為機器人清掃地面、毛毯上的垃圾灰塵提供動力。首要目標(biāo)是實現(xiàn)機器人的空間移動，其次還具有平動、轉(zhuǎn)動、抗傾翻、控制運動速度、避免損壞其他物品等功能，在實現(xiàn)這些功能的前提下盡可能提高行走驅(qū)動系統(tǒng)的實用、經(jīng)濟、美觀、環(huán)保等性能。

4.2 系統(tǒng)功能

對系統(tǒng)的總功能進行描述就是通過對任務(wù)的抽象進一步認識問題的本質(zhì)，以便更好地求得相應(yīng)的物理效應(yīng)、解決原理和途徑，并對其進行優(yōu)化。

確定系統(tǒng)總功能后，建立系統(tǒng)的總功能結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

建立智能清掃機器人行走驅(qū)動系統(tǒng)的功能樹，如圖4所示。

4.3 設(shè)計要求明細表

在對相關(guān)產(chǎn)品進行調(diào)研后，根據(jù)設(shè)計目標(biāo)和系統(tǒng)功能，將定性說明轉(zhuǎn)化為定量說明，制定設(shè)計產(chǎn)品的設(shè)計要求明細表，如表1所示。

5 結(jié)構(gòu)方案

5.1 功能元的求解

功能元的求解是指選擇實用的科技工作原理，構(gòu)思實現(xiàn)工作原理的技術(shù)結(jié)構(gòu)，即功能載體。

下面對于行走驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎功能選擇其工作原理，構(gòu)思其功能載體。在機械學(xué)內(nèi)尋找合適的工作原理。查閱相應(yīng)的設(shè)計原理方案目錄，得到轉(zhuǎn)彎方式及原理圖如表2所示。

除了表中列出的幾種轉(zhuǎn)彎方式外，還有單輪、兩輪、五輪和以上機構(gòu)等多種轉(zhuǎn)彎方式。

對于支持和固定清掃機器人、傳遞運動和動力、控制運動方式、控制運動速度4個功能元，采用與求解轉(zhuǎn)彎方式功能元相同的辦法求解。

（1）支持和固定清掃機器人：履帶式移動機構(gòu)；腿足式移動機構(gòu)；車輪式移動機構(gòu)。

（2）傳遞運動和動力：圓柱齒輪傳動；蝸輪蝸桿傳動；帶傳動；鏈傳動。endprint

（3）控制運動方式：兩輪獨立驅(qū)動；差動減速器驅(qū)動；前輪驅(qū)動前輪導(dǎo)向；全驅(qū)動。

（4）控制運動速度：圓柱齒輪傳動；蝸輪蝸桿傳動；帶傳動；鏈傳動。

5.2 功能原理方案的形態(tài)學(xué)矩陣

功能原理方案的綜合采用形態(tài)學(xué)矩陣。本系統(tǒng)的功能原理方案形態(tài)學(xué)矩陣如表3所示。

5.3 功能載體的選擇

5.3.1 移動機構(gòu)的選擇

能夠在平面環(huán)境中移動的機構(gòu)形式主要有履帶式移動機構(gòu)、腿足式移動機構(gòu)和車輪式移動機構(gòu)[11]。

（1）履帶式移動機構(gòu)：著地面積比較大，與路面的黏著力也較強，其形態(tài)可以根據(jù)地形改變，所以能夠在凹凸和松軟路面上移動，比較適用于路面狀況比較復(fù)雜的場合。

（2）腿足式移動機構(gòu)：對步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上行走，對環(huán)境有很好的適應(yīng)性。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運動控制的難度較大，且運動的速度比較慢。

（3）車輪式移動機構(gòu)：能高速穩(wěn)定地移動，能量利用率高，機構(gòu)簡單，控制方便等[11]。

通過對比分析三種移動結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計的行走驅(qū)動系統(tǒng)工作于路面情況簡單的場所，不需要那么復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；后者結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，各種關(guān)節(jié)的設(shè)計要求都很高，對于簡單的吸塵機器人來說顯然會增加機器人的成本和加工難度，因此選用車輪式移動機構(gòu)作為機器人的本體行走機構(gòu)。

5.3.2 轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的選擇

輪式移動機構(gòu)可按車輪數(shù)來劃分一般有單輪、兩輪、三輪、四輪和五輪以上等幾種。其中單輪和兩輪移動機構(gòu)存在穩(wěn)定性問題，需要陀螺儀來維持平衡，主要用來進行直立穩(wěn)定移動控制問題的基礎(chǔ)研究，而不是著眼于機器人移動機構(gòu)的實用化問題，這里不再贅述；三輪和四輪移動機構(gòu)比較常見，如果僅限于平地移動的話，三輪機構(gòu)已經(jīng)可以了，但考慮到高速移動時的穩(wěn)定性問題，一般多采用四輪機構(gòu)[12]；五輪和五輪以上等特殊的移動機構(gòu)與四輪移動機構(gòu)相似，只是穩(wěn)定性更強，但其結(jié)構(gòu)要復(fù)雜的多。

綜上所述，智能清掃機器人的轉(zhuǎn)彎機構(gòu)應(yīng)采用四輪移動機構(gòu)。

5.3.3 傳動和控制運動速度機構(gòu)的選擇

常見的傳動方式主要有圓柱齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、帶傳動和鏈傳動，下面對這4種傳動方式進行分析比較。

（1）圓柱齒輪傳動具有適應(yīng)性廣、傳動效率較高等優(yōu)點，但制造和安裝精度要求高，成本高，從而提高了加工難度。

（2）蝸輪蝸桿傳動具有很大的傳動比，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，噪聲較小，并可改變傳動方向[13]。

（3）帶傳動結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，具有緩和沖擊、吸收振動的優(yōu)點，但其主要適用于中心距較大的傳動，傳動外輪廓尺寸較大，且有彈性滑動和打滑[13]，本文設(shè)計的行走驅(qū)動系統(tǒng)體積較小，故不宜采用帶傳動來傳遞動力和運動。

（4）鏈傳動雖沒有彈性滑動和打滑，且能保持準(zhǔn)確的平均傳動比，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝精度要求較低，但其傳動平穩(wěn)性差，工作中有一定的沖擊和噪聲[13]，與運行平穩(wěn)安全這一設(shè)計目標(biāo)相矛盾，故不宜采用鏈傳動來傳遞動力和運動。

綜合考慮傳動效率、傳動比、傳動平穩(wěn)性、加工難易度、成本、安全性能等多方面因素，傳遞運動和動力及控制運動速度最宜采用蝸輪蝸桿傳動。

5.3.4 控制運動方式機構(gòu)的選擇

兩輪獨立驅(qū)動機構(gòu)、差動減速器驅(qū)動機構(gòu)、前輪驅(qū)動前輪導(dǎo)向機構(gòu)、全驅(qū)動機構(gòu)為比較常見的控制智能清掃機器人運動方式的4種機構(gòu)，下面對這四種機構(gòu)進行分析比較。

（1）兩輪獨立驅(qū)動機構(gòu)：機器人的行進方向由兩輪驅(qū)動機構(gòu)的速度差值決定，通過對兩個電機施加不同的速度可實現(xiàn)任意方向的驅(qū)動。這種結(jié)構(gòu)的特點是運動靈活，機構(gòu)組成簡單；當(dāng)兩輪轉(zhuǎn)速大小相等方向相反時，可以實現(xiàn)機器人本體的零半徑回轉(zhuǎn)，缺點是要求伺服驅(qū)動系統(tǒng)要求有足夠的精度和優(yōu)異的動態(tài)特性[14]。

（2）差動減速器驅(qū)動機構(gòu)：導(dǎo)向控制電機通過減速器控制導(dǎo)向前輪，決定了機器人本體的運動方向。

這種移動機構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)傳動效率較高，制造成本較低；但在傳動模式上仍是機械傳動模式，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積較大，質(zhì)量也比較大，同時運動不靈活，不能實現(xiàn)機器人本體的小半徑回轉(zhuǎn)運動[14]。

（3）前輪驅(qū)動前輪導(dǎo)向機構(gòu)：該機構(gòu)中的前輪既是驅(qū)動輪又是導(dǎo)向輪，采用兩個電機分別控制，導(dǎo)向電機控制前輪的轉(zhuǎn)向角度，驅(qū)動電機控制前輪的旋轉(zhuǎn)速度。

該種移動機構(gòu)的特點是控制比較方便，能耗低，對于伺服系統(tǒng)和制造裝備精度要求不高，而且旋轉(zhuǎn)半徑可以從0到無窮大連續(xù)變化；缺點是由于導(dǎo)向和驅(qū)動的驅(qū)動器均集中在前輪部分，復(fù)合運動結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，而且車體本身的運動并不十分靈活[14]。

（4）全驅(qū)動機構(gòu)：每個輪子均沒有轉(zhuǎn)向機構(gòu)，只能進行前后方向上的旋轉(zhuǎn)運動。機器人平臺只能通過滑動轉(zhuǎn)向方式進行方向控制，即完全靠兩側(cè)驅(qū)動輪獨立驅(qū)動產(chǎn)生的速度差使車輪產(chǎn)生側(cè)向滑動來完成轉(zhuǎn)向操作。

因此，這種機構(gòu)的致命缺點是轉(zhuǎn)向損耗較大。該機構(gòu)的優(yōu)點是可以實現(xiàn)不同半徑甚至原地零半徑的轉(zhuǎn)向，可以滿足崎嶇地形移動機器人的性能要求[14]。

綜上所述，從體積質(zhì)量，伺服驅(qū)動系統(tǒng)精確度，成本，運動靈活性，能否實現(xiàn)小半徑回轉(zhuǎn)，穩(wěn)定度，控制簡單，設(shè)計簡單角度總觀：應(yīng)采用兩輪獨立驅(qū)動來控制清掃機器人的運動方式。

5.4 系統(tǒng)原理示意圖

通過以上分析可知，在本設(shè)計中，機器人的總質(zhì)量不是很大，考慮到清掃機器人的實際工作場合，采用四輪機構(gòu)能滿足要求，轉(zhuǎn)向方式采用中間的左右兩輪分別驅(qū)動、前后的萬向輪隨動的方式。通過中間的兩個步進電動機帶動蝸輪蝸桿傳動，再進一步將運動傳遞到車輪。由于步進電動機是通過改變輸入的脈沖頻率來調(diào)速的，因此，對兩個步進電動機輸入不同的脈沖頻率，就可以使兩個驅(qū)動輪獲得不同的速度，從而使機器人實現(xiàn)直線前進、后退和轉(zhuǎn)彎等功能。行走機構(gòu)原理示意圖如圖5所示。endprint

6 結(jié)構(gòu)特點和使用領(lǐng)域

行走機構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)由雙步進電動機、蝸輪蝸桿、軸、驅(qū)動輪和萬向輪組成。步進電動機和蝸桿通過聯(lián)軸器相連接，動力經(jīng)過蝸輪蝸桿的嚙合運動傳遞，蝸輪和驅(qū)動輪安裝在同一傳動軸上，具有相同的轉(zhuǎn)速，軸再通過鍵連接，從而帶動兩輪驅(qū)動，推動機器人運動。前輪不再采用傳統(tǒng)的球式從動輪結(jié)構(gòu)，而采用了應(yīng)用非常廣泛的雙軸承萬向輪，這既增加了運動的平穩(wěn)性，又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性。

本設(shè)計中的智能清掃機器人具有小型、平穩(wěn)、靈活的特點，它將清掃機器人技術(shù)和吸塵技術(shù)有機地融合起來，適用于家庭、賓館、辦公室等室內(nèi)環(huán)境場合的半自動或全自動清潔。

7 結(jié)語

本文設(shè)計的智能清掃機器人行走機構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)體積較小，主要工作于家庭、賓館、辦公室等路況不復(fù)雜、路面平穩(wěn)的場地，為機器人滿足工作要求提供了結(jié)構(gòu)上的保障，滿足了運動方式、運動速度、自我保護等多種功能，與清掃機器人的其他組成部分有機配合，能達到很高的性能。

隨著傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、人工智能等相關(guān)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，成本低、功能強、智能化程度高、適應(yīng)性強的自動清掃機器人將會很快出現(xiàn)并服務(wù)于社會，促進整個社會的經(jīng)濟發(fā)展。

參考文獻

[1] 周盛榮.智能家庭清掃機器人的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[2] 張超.智能清掃機器人設(shè)計及其路徑規(guī)劃的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[3] 王軍，蘇劍波，席裕庚.多傳感器集成與融合概述[J].機器人，2001（2）：183-186.

[4] 王炎，周大威.移動式服務(wù)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及我們的研究[J].電氣傳動，2000（4）：3-7.

[5] 林紅，翁桂榮.地面清掃機器人的研究[J].基礎(chǔ)自動化， 2000（4）：29-31.

[6] 馬翔，朱世強，吳海彬.智能吸塵器的開發(fā)及設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2000（8）：6-8.

[7] 蔡自興.21世紀(jì)機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].南京化工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2000（4）：73-78.

[8] 周大威，高學(xué)山，王炎，等.全方位移動清掃機器人控制技術(shù)的研究[J].高技術(shù)通訊，2000（6）：65-67.

[9] 袁曾任，高明.在動態(tài)環(huán)境中移動機器人導(dǎo)航和避碰的一種新方法[J].機器人，2000（2）：81-88.

[10] 富歷新，董春，相欣.微型直流電機驅(qū)動器的設(shè)計[J].微電機，1998（1）：19-21.

[11] 王三武，劉進.清掃機器人移動驅(qū)動機構(gòu)的研究[J].機械 制造與自動化，2008（5）：105-107.

[12] 談士力，沈林勇，陳振華，等.垂直壁面行走機器人系統(tǒng)研制[J].機器人，1996（4）：232-237.

[13] 程光蘊，李仲生，錢瑞明.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].6版.北京：高等教育出版社，2013.

[14] 三輪機構(gòu)四輪機構(gòu)[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/aa0f9647a8956bec0975e3f9.html.endprint