多功能清潔機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化 設(shè)計與運動分析*

馬士偉

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺 265500)

0 引言

近年來，隨著機械、電子、電力、控制以及計算機等學(xué)科的發(fā)展，機器人領(lǐng)域也得以快速發(fā)展，作為一種智能機械，可代替人工完成各種繁重乏味、危險度高的作業(yè)任務(wù)，對于高樓玻璃的清潔、室內(nèi)墻體等高處墻體的清掃，還沒有通用的產(chǎn)品，目前國內(nèi)外對于高樓清潔用的爬壁機器人，主要有吸盤式、車輪式和履帶式三種，其中，吸盤式移動速度慢、且僅能跨越很小的障礙；車輪式移動速度快、控制較靈活，但吸附力的穩(wěn)定維持較困難；履帶式爬壁機器人的著地面積大，運行相對平穩(wěn)，對壁面適應(yīng)性強，但不易轉(zhuǎn)彎，同時這三種爬壁機器人的跨越障礙能力都很弱[1]。

多功能清潔機器人的研究就是為了克服上述的缺點，結(jié)合吸盤式爬壁機器人、多足機器人的特點，設(shè)計、制作出結(jié)構(gòu)簡捷、運行平穩(wěn)，吸附能力強，且能夠跨越較大障礙、轉(zhuǎn)彎方便，以實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)的機器設(shè)備，為高空作業(yè)機器人的研究提供一種思路。

多功能清潔機器人在設(shè)計、制作過程中，運用機械設(shè)計的理論、方法對整體結(jié)構(gòu)進行了初步設(shè)計，同時采用舵機、無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，利用真空泵、吸盤，結(jié)合多足機器人三角步態(tài)行走方式，讓機器人在玻璃幕墻、室內(nèi)墻體等垂直運行，并對機器人承載拉力、重力的底板進行了有限元分析、計算，在此基礎(chǔ)上選擇了舵機、真空泵、吸盤，并制作出了樣機，通過樣機在玻璃幕墻、室內(nèi)墻體上進行了實驗，得出了相關(guān)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行了分析，為研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

多功能清潔機器人預(yù)期能夠?qū)崿F(xiàn)跨越障礙、直角轉(zhuǎn)彎等行走方式，并在樣機實驗的基礎(chǔ)上，對機器人的結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化，以期達(dá)到更好的效果。通過噴水嘴、清掃機構(gòu)實現(xiàn)對玻璃幕墻、室內(nèi)墻體等墻體的清掃，最大限度地代替人工高空作業(yè)，提高工作效率，操作簡單、方便，可以更加適合復(fù)雜的工作環(huán)境，使生活更加和諧、便利。

1 整體方案設(shè)計與工作原理

1.1 整體方案設(shè)計

根據(jù)機器人垂直運行的特點及要求，本作品在研究之初，從機器人清洗玻璃與墻體時的行走能力、跨越障礙能力入手，整體方案設(shè)計既要滿足垂直運行時的穩(wěn)定性、安全性，又要結(jié)構(gòu)簡捷、操作方便。

(1)機器人的步態(tài)運行方式。為了方便機器人在室外玻璃、墻體上垂直運行流暢，根據(jù)六足機器人的工作原理，采用三角步態(tài)式行走[2]。

(2)跨越障礙方式。在進行清掃時，機器人遇上墻角、臺階等較大障礙時，需要順利通過，實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，采用可翻折式機構(gòu)。

(3)吸盤機構(gòu)。機器人在進行垂直運行時，必須能夠牢牢地吸在墻面與玻璃面上，本裝置所采用的吸盤機構(gòu)，由吸盤、氣泵、電磁閥等組成，在各零件的相互配合下，使6個腿實現(xiàn)輪換吸附。

(4)清洗機構(gòu)。清洗機構(gòu)是機器人的執(zhí)行部分，本機器人能夠?qū)崿F(xiàn)清潔玻璃與墻面的功能，在清洗玻璃時，考慮玻璃的清洗程度以及節(jié)約用水的情況，采用高壓水泵、針孔式噴嘴以及毛刷機構(gòu)。通過高壓水、毛刷機構(gòu)清潔玻璃，使用毛刷機構(gòu)，清掃墻面。

(5)控制部分[3]。本主板的型號QSC32E，具有高效率帶記憶功能，為本作品的核心部件，通過主板控制機器人的伺服舵機、行走機構(gòu)，以控制機器人的運動狀態(tài)，同時儲存機器人的動作程序。

1.2 結(jié)構(gòu)圖及工作原理

為了滿足機器人總體設(shè)計要解決的問題，其構(gòu)思設(shè)計的總體原理方案，如圖1所示。

圖1 多功能清潔機器人結(jié)構(gòu)圖

多功能清潔機器人在機械結(jié)構(gòu)上采用六足機構(gòu)，工作時，總電池7為機構(gòu)提供電力，在主板12的控制下，通過真空泵13為行走機構(gòu)1提供吸力，并在電磁閥14的控制下，實現(xiàn)行走機構(gòu)1的抬起、吸附，行走機構(gòu)1采用三角步態(tài)式行走方式，通過高壓水泵11為噴水嘴10提供高壓水，進行初步清洗，再用毛刷8進行二次清理，以保證玻璃的整潔，在進行室內(nèi)墻體的清掃時，高壓水泵11關(guān)閉，僅用毛刷8進行清掃，在遇上障礙、墻角時通過翻轉(zhuǎn)舵機9帶動翻轉(zhuǎn)頭部4實現(xiàn)跨越，通過攝像頭5、顯示屏15對玻璃、墻體進行實時的監(jiān)控，保證清掃的安全。

2 主要零部件的設(shè)計與分析

2.1 機身

機身為機器人的支撐部件，由底板、蓋板、合頁、翻轉(zhuǎn)頭部組成，底板主要安裝腿部機構(gòu)、各種泵類機構(gòu)、電磁閥等，蓋板上主要安裝主板、電池等，為了保證機器的剛度，同時減輕機器的重量，底板與蓋板采用2mm厚鋼板，翻轉(zhuǎn)頭部在合頁的作用下可以翻轉(zhuǎn)90°，實現(xiàn)跨越障礙的功能，在翻轉(zhuǎn)頭部主要安裝針孔式噴嘴、毛刷、攝像頭等，底板上的安全繩孔是機器人在進行高樓清洗時為了安全，懸掛安全繩，如圖2所示。

1.翻轉(zhuǎn)頭部 2.合頁 3.上蓋板 4.底板 5.安全繩孔

底板起主要的支撐作用，最容易變形處就是與腿部相連接孔的部位，而且機器人采用三腳步態(tài)行走方式，在實際運行中，每走一步均為三個孔在受力，由此，對其進行應(yīng)力分析，以確定機器人在爬行過程中的穩(wěn)定性[4]。根據(jù)受力情況，用Solidworks軟件對底板進行三維建模，并進行應(yīng)力分析，確定出安全系數(shù)，如圖3所示。

圖3 底板的應(yīng)力云圖與安全系數(shù)圖

底板用普通鋼板，厚度為2mm，其屈服應(yīng)力為282MPa，通過上述應(yīng)力云圖與安全系數(shù)圖，可以看出，在外力的作用下，底板孔的最大應(yīng)力為142MPa，最小安全系數(shù)為3.3，符合設(shè)計要求。

2.2 行走機構(gòu)

行走機構(gòu)由吸盤、斜桿、立桿以及3個舵機等組成，其中舵機3控制斜桿2的擺動，舵機1控制立桿5的擺動，舵機2控制腿部機構(gòu)整體的轉(zhuǎn)動，使腿部機構(gòu)以三角步態(tài)的方式運行，實現(xiàn)機器人的行走，吸盤是本裝置垂直運行的關(guān)鍵部件，靠吸盤的吸力讓裝置牢牢吸附在玻璃或者墻面上，如圖4所示。

1.吸盤 2.斜桿 3.舵機1 4.舵機2 5.立桿 6.舵機3

機器人由6個吸盤、4個電磁閥、1個真空泵組成，為了研究方便針對機器人的結(jié)構(gòu)對吸盤、電磁閥進行編號，如圖5所示。

圖5 機器人吸盤、電磁閥序號圖

機器人采用三角步態(tài)式行走，其工作原理為：6個吸盤每3個一組進行同時吸氣、同時放氣，其中1組吸盤由1號、4號、5號吸盤組成，2組吸盤由2號、3號、6號組成，為了更好的控制氣路的通斷，本結(jié)構(gòu)采用了5個電磁閥，通過電磁閥的控制氣路的通斷，實現(xiàn)機器人的垂直運行。

吸盤管路系統(tǒng)的連接方式為：真空泵的吸氣口通過三通管分別與①號、②號電磁閥一端相連，①號、②號電磁閥的另一端分別通過三通管與1組吸盤、2組吸盤相連，③號、④號電磁閥一端通過三通管分別與吸氣管路相連，另一端連接大氣，電磁閥⑤通過三通管分別與吸盤1、吸盤2相連，另一端連接大氣。吸盤管路系統(tǒng)如圖6所示。

機器人的具體動作分為直線運行、轉(zhuǎn)彎運行以及翻轉(zhuǎn)跨越障礙運行，根據(jù)運行的方式不同電磁閥的動作順序不同，其中直線運行與轉(zhuǎn)彎運行時電磁閥的動作相同，翻轉(zhuǎn)跨越障礙動作與之不同。

1.吸盤 2.單向閥 3.電磁閥 4.真空泵

(1)直線運行與轉(zhuǎn)彎運行

如圖7、圖8所示。電磁閥的動作順序為：真空泵打開，此時電磁閥②打開，電磁閥①、③、④關(guān)閉，2組吸盤此時吸附在玻璃或墻面上，1組吸盤完成行走動作，此時電磁②關(guān)閉，同時電磁閥④、電磁閥①打開，在電磁閥④的作用下2組吸盤通過大氣進氣，此時2組吸盤無吸力，并在舵機的作用下從玻璃或者墻面下2組吸盤，同時在電磁閥①的作用下1組吸盤進行吸附[5-7]，電磁閥④關(guān)閉，2組吸盤完成下一個行走動作，機器人在進行直線運行與轉(zhuǎn)彎運行時電磁閥⑤始終處于關(guān)閉狀態(tài)，如此循環(huán)，在直線運行與轉(zhuǎn)彎運行時吸盤抬起的高度為50mm。

圖7 直線運動簡圖

圖8 轉(zhuǎn)彎運動簡圖

(2)翻轉(zhuǎn)跨越障礙運行

如圖9所示。在跨越障礙時的首先前面吸盤1與吸盤2抬起，此時吸盤3、4、5、6都牢牢的吸在墻面上，當(dāng)吸盤1與吸盤2吸在玻璃或者墻面上時，在進行三角步態(tài)的行走[8-9]。電磁閥的動作順序為：當(dāng)機器人運行遇上90°墻角或者較大障礙無法正常行走時，電磁閥①、②、⑤同時打開，此時吸盤1、2處于自由狀態(tài)，吸盤3、4、5、6牢牢吸在玻璃或者墻面上，在腿部機構(gòu)舵機與翻轉(zhuǎn)舵機的控制下，吸盤1、2轉(zhuǎn)過90°，整個頭部翻轉(zhuǎn)90°，并落在另一墻面上，此時電磁閥⑤、②關(guān)閉，電磁閥①、④打開，此后機器人的行走與直線運行時相同，機器人跨越的障礙最高28cm。

圖9 翻轉(zhuǎn)運動簡圖

2.3 清掃機構(gòu)

機器人的主要作用是清潔玻璃與清掃墻面，尤其是高處的墻面，針對此作用，機器人在機器的頭部設(shè)計了噴嘴機構(gòu)與毛刷機構(gòu)，對于玻璃灰塵的清除主要靠高壓水泵與噴嘴，對于較難清除的灰塵在噴嘴的下方還安裝有可以高速旋轉(zhuǎn)的毛刷機構(gòu)，在進行墻面灰塵的清理時主要靠毛刷機構(gòu)。

噴嘴機構(gòu)由噴嘴與高壓水泵組成，其中為了節(jié)約用水，噴嘴采用針孔式噴嘴，共有5個，間隔尺寸為55mm，每個噴嘴的噴水量大約0.05～0.1ml/s，實現(xiàn)微噴，高壓水泵通過多聯(lián)通水管與之相連，為微噴提供充足的高壓,如圖10所示。

1.水管 2.噴嘴 3.高壓水泵

毛刷機構(gòu)由電機、大齒輪、小齒輪、毛刷、支架等組成，在電機的帶動下通過大齒輪與小齒輪組成的減速機構(gòu)帶動毛刷在支架上旋轉(zhuǎn)，如圖11所示。

1.電機 2.大齒輪 3.毛刷 4.小齒輪 5支架

2.4 主板

本主板的型號QSC32E，具有高效率帶記憶功能，為本作品的核心部件，通過主板控制機器人的伺服舵機、行走機構(gòu)，以控制機器人的運動狀態(tài)，同時儲存機器人的動作程序，如圖12所示。

圖12 QSC32E主板

3 輔助零件的選用與分析

3.1 藍(lán)牙控制模塊

機器人主要靠手柄進行控制，為了增大機器人的通用性，在機器人內(nèi)部鑲嵌了藍(lán)牙模塊，可以通過手機來控制，藍(lán)牙控制模塊為機器人提供控制信號，以便通過具有藍(lán)牙裝置的設(shè)備進行操控，多了一種控制方式。

3.2 攝像頭系統(tǒng)

攝像頭系統(tǒng)由攝像頭、顯示器等組成，攝像頭安裝在機器人的前端，能夠?qū)崟r拍攝玻璃的情況，并通過傳輸器傳到顯示器上，讓操作者能夠及時了解玻璃、墻面的情況，能夠及時規(guī)避危險情況，使操作更加方便、安全[10]。

4 機器人的實驗結(jié)果與安全分析

4.1 樣機實驗

根據(jù)上述的設(shè)計與分析，制作出了機器人的樣機，其基本尺寸為522.5mm、寬358mm、高189mm，總重量為5kg，多功能清潔機器人的實物如圖13所示，并對樣機進行了實驗，得出了相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖13 機器人樣機

4.2 實驗數(shù)據(jù)

通過對樣機進行實驗，得出以下數(shù)據(jù)，見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)

4.3 安全分析

機器人在垂直運行時，在安全方面最主要的是吸盤能夠快速的吸附在玻璃或者墻面上，因此對于吸盤真空度的要求很高，根據(jù)設(shè)計以及實驗測得真空度曲線，如圖14所示，從曲線中看出在0.5s左右吸盤的真空度已達(dá)-60kPa，在0.8s已接近最大值-85kPa，完全滿足機器人的安全行走。

圖14 機器人行走吸盤真空度曲線

在安全方面除了真空度實驗之外，在機器人的底板上還設(shè)計有安全繩孔，在進行高樓玻璃清洗時需要系上安全繩，同時在程序編制時，加上了吸盤抱死程序，當(dāng)出現(xiàn)狀況時，電磁閥①、②同時打開，此時機器人的6個吸盤將全部吸附在玻璃或者墻面上。

4.4 實驗結(jié)果分析

機器人吸盤的吸力為60kg/個，在垂直運行時，機器人能夠快速、牢固的吸附在玻璃或墻體上，保證了運行的安全，并根據(jù)機器人行走吸盤真空度曲線圖14，可以看出，吸盤在0.5s以內(nèi)既可以吸附在玻璃或者墻面上，使三角步態(tài)運行流暢，保證了機器人行走時的連續(xù)性，每個噴嘴噴水量為0.05ml/s，即180ml/h，總噴水量為900 ml/h,比傳統(tǒng)的擦洗及相關(guān)設(shè)備節(jié)約了用水，根據(jù)行走速度2m/min，毛刷的寬度為192mm，機器人每個小時清掃的面積為23.04m2，提高了效率，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)可以跨越的高度為28cm，可以跨越較大的障礙，在進行90°墻角翻越時，其運行軌跡與理論上的軌跡有一定偏差，分析其主要原因為底板零件上的孔在加工時有一定誤差，導(dǎo)致運行軌跡出現(xiàn)偏差，需要進行進一步的誤差修正。

5 結(jié)論

通過對多功能清潔機器人的研究及樣機實驗，利用真空泵、吸盤以及多足機器人的三角步態(tài)式運行方式，可以實現(xiàn)高樓玻璃幕墻、室內(nèi)墻體的清掃，機器人采用高壓水泵、針孔式噴嘴，實現(xiàn)了微噴，主要靠水泵的高壓清除灰塵，克服了傳統(tǒng)擦玻璃機器人使用抹布、海綿等需要頻繁更換、清洗的缺點，且總出水量為900ml/h，節(jié)約了用水；機器人設(shè)計了可以90°翻轉(zhuǎn)的頭部機構(gòu)，可以跨越較大障礙，并可以實現(xiàn)墻角處的翻轉(zhuǎn)，克服了傳統(tǒng)機器人無法跨越障礙而無法實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)的缺點，同時機器人還安裝了攝像頭、顯示屏等零部件，通過顯示屏可以在地面或室內(nèi)觀察清洗的實時狀況，提升了安全性。

多功能清潔機器人在結(jié)構(gòu)上采用了底板、蓋板分離的結(jié)構(gòu)，這對機器人運行的平穩(wěn)性還有影響，可以利用目前先進的3D打印技術(shù)，打印出機器人的整體機身，這樣可以使機器人的整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，運行更加平穩(wěn)。

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