智能清掃機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

孫嘉潞

Design and Analysis of Traveling Drive System of Intelligent Cleaning Robot

摘要：智能清掃機(jī)器人有機(jī)結(jié)合機(jī)器人技術(shù)與吸塵器技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)地面環(huán)境自動(dòng)化清潔，取代傳統(tǒng)人工清潔，解放了勞動(dòng)力，受到社會(huì)普遍關(guān)注。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平不斷提高的新經(jīng)濟(jì)時(shí)代，智能清掃機(jī)器人的前景極為廣闊。行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是智能清掃機(jī)器人的一個(gè)主要組成，直接影響到機(jī)器人的使用性能。本文主要介紹智能清掃機(jī)器人的主要組成與結(jié)構(gòu)，并分析設(shè)計(jì)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一些技術(shù)。

Abstract： The intelligent cleaning robot organically combines the robot technology and vacuum cleaner technology， can realize the automatic cleaning of the ground environment， replace the traditional manual cleaning， liberate the labor force， and receive widespread attention from the society. In the new economic era where China's economic level is continuously improving， the prospects for intelligent cleaning robot are extremely broad. The traveling drive system is a major component of the intelligent cleaning robot and directly affects the performance of the robot. This article mainly introduces the main components and structure of intelligent cleaning robots， and analyzes and designs some technologies of the traveling drive system.

關(guān)鍵詞：智能清掃機(jī)器人；行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

Key words： intelligent cleaning robot；traveling drive system；design

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）15-0164-02

0 引言

智能清掃機(jī)器人主要組成是五個(gè)部分，包括電源部分、輸出與輸入部分、傳感器、執(zhí)行電機(jī)、主控制系統(tǒng)。智能清掃機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)是主控系統(tǒng)包括了電源系統(tǒng)、智能軟件、輸入輸出、傳感器和執(zhí)行電機(jī)，其中智能軟件又包括了返回充電站路徑的規(guī)劃算法、覆蓋路徑的算法；輸入輸出包括遙控子系統(tǒng)、鍵盤(pán)顯示子系統(tǒng)；傳感器部分包括了塵倉(cāng)紅外監(jiān)測(cè)、地面光敏監(jiān)測(cè)、碰撞監(jiān)測(cè)、里程計(jì)和邊緣、過(guò)流、浮動(dòng)監(jiān)測(cè)；執(zhí)行電機(jī)的部分包括了吸塵子系統(tǒng)和行走驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)智能清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

智能清掃機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)主要是：車(chē)體、吸塵機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和感知機(jī)構(gòu)。由于其復(fù)雜的機(jī)構(gòu)與控制，通常所用的形狀都是圓形，這種形狀的主要優(yōu)勢(shì)就是方便控制，運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)輕易碰撞到障礙物。移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成是：兩個(gè)伺服電機(jī)與對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)。在感知機(jī)構(gòu)上的設(shè)計(jì)組成主要是機(jī)器人兩側(cè)光電傳感器，檢測(cè)元件是光電元件，其組成通常是光電元件、光學(xué)通路和光源，光電傳感器能探測(cè)機(jī)器人具體位置，判斷能不能進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。吸塵系統(tǒng)主要組成是：吸室、氣泵、吸嘴、吸道等，屬于小型的吸塵器[1]。吸塵原理是吸塵器電機(jī)葉扇受到電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，排除電機(jī)空氣，電機(jī)內(nèi)部與外界構(gòu)成氣壓差，外界氣體進(jìn)入到電機(jī)內(nèi)。垃圾被吸進(jìn)吸塵器的吸室中，并留在吸室而空氣被排出。

2 設(shè)計(jì)智能清掃機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能

智能清掃機(jī)器人主要在路面比較平穩(wěn)，路況簡(jiǎn)單的場(chǎng)地中使用，比如辦公室、賓館和家庭等。行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是提供機(jī)器人掃除地面垃圾和灰塵、毛毯垃圾灰塵所需要的動(dòng)力，其工作目標(biāo)：第一是要保證機(jī)器人空間移動(dòng)；第二是避免器人損壞物品、對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制，抗傾翻、轉(zhuǎn)動(dòng)、平動(dòng)等功能；第三，在保證這些實(shí)用功能的基礎(chǔ)上提升行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)保、美觀和經(jīng)濟(jì)等功能[2]。

行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要求是：①在幾何方面，要求行走機(jī)構(gòu)的最大外徑要達(dá)到400mm，最大高度要達(dá)到200mm。②在運(yùn)動(dòng)方面，要求能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)、直線等多樣化運(yùn)動(dòng)，確保機(jī)器人能隨意移動(dòng)，機(jī)器人的移動(dòng)速度要在0.3～1m/s范圍之內(nèi)，其加速度要超過(guò)10m/s2。同時(shí)要保證機(jī)器人平穩(wěn)和靈活運(yùn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)半徑要小于0.5m，旋轉(zhuǎn)半徑為0，并且具有較高的轉(zhuǎn)彎靈活性。③在力方面，機(jī)器人要能承受機(jī)器人重量大于400N，行走機(jī)構(gòu)的最大重量要小于150N，能夠承受的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩要大于100N·m，同時(shí)要具有足夠的剛度與強(qiáng)度。④在材料方便，要求使用鋁合金鋼材硬鋁或普通鋼材。⑤在安全與人機(jī)關(guān)系方面，要保證機(jī)器人不會(huì)被撞壞，也要防止機(jī)器人將其他物體撞壞。同時(shí)要降低重心，防止發(fā)生傾翻，要保證使用簡(jiǎn)單，方便維護(hù)[3]。⑥在加工與檢查方面，要盡可能使用外購(gòu)件或標(biāo)準(zhǔn)件，關(guān)系到安全的聯(lián)接要方便檢查。⑦在使用和保養(yǎng)方面，要方便進(jìn)行維修和保養(yǎng)工作。

3 選擇智能清掃機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能載體

3.1 選擇移動(dòng)機(jī)構(gòu)

智能清掃機(jī)器人要確?？梢栽谄交孛嫔险Ｒ苿?dòng)，可以選擇的機(jī)構(gòu)形式有車(chē)輪式、腿足式和履帶式等移動(dòng)機(jī)構(gòu)，需要結(jié)合移動(dòng)結(jié)構(gòu)特征和實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)所進(jìn)行選擇。①履帶形式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有較大的著地面積，和路面會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的黏著力，能依照地形變化形態(tài)，因此在松軟和凹凸地面上也能夠移動(dòng)，在路面狀況復(fù)雜場(chǎng)合也比較適用。②腿足形式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)步行環(huán)境沒(méi)有很高的要求，在平地和非結(jié)構(gòu)性復(fù)雜地面上都能夠正常行走，比較能適應(yīng)環(huán)境。不過(guò)這種移動(dòng)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，在運(yùn)動(dòng)控制上有較大的難度，同時(shí)其運(yùn)動(dòng)速度也相對(duì)較慢[4]。③車(chē)輪式的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，能穩(wěn)定、高速移動(dòng)，具有較高的能源利用率，其機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，能很方便地控制。通過(guò)分析移動(dòng)結(jié)果，在路面簡(jiǎn)單的地方不需要復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但對(duì)各關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的要求比較高，本文使用的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是車(chē)輪式。

3.2 選擇轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)

輪式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)中依據(jù)車(chē)輪數(shù)可以分成多種輪，比如單輪、雙輪、三輪等等。單輪與雙輪的移動(dòng)機(jī)構(gòu)不太穩(wěn)定，要借助陀螺儀保持平衡，在智能清掃機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)中不太適用。三輪與四輪形式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用比較普遍，若只在平地移動(dòng)，采用三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)即可。不過(guò)若是想要在高速移動(dòng)時(shí)保持穩(wěn)定，通常使用的是四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)。五輪及超過(guò)五輪的移動(dòng)機(jī)構(gòu)類(lèi)似與四輪形式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，不過(guò)其具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。所以，智能清掃機(jī)器人所用轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)是四輪形式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。

3.3 選擇傳動(dòng)與控制運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)

鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、蝸輪蝸桿式傳動(dòng)和圓柱齒輪式傳動(dòng)等傳動(dòng)方式比較常見(jiàn)，其各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)是：①圓柱齒輪式傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的傳動(dòng)效率和較廣的適應(yīng)性，缺點(diǎn)是成本高，制造與安裝的精度也高，導(dǎo)致加工難度大。②蝸輪蝸桿式傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)比較大，具有緊湊的結(jié)構(gòu)和較小的噪聲，能平穩(wěn)進(jìn)行傳動(dòng)，同時(shí)能調(diào)整傳動(dòng)方向。③帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，能吸收振動(dòng)也能對(duì)沖擊進(jìn)行緩和，缺點(diǎn)是有大中心距的傳動(dòng)中比較適用，有較大的傳動(dòng)外輪廓，同時(shí)會(huì)發(fā)生打滑與彈性滑動(dòng)。在較小體積的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，不適合適用帶傳動(dòng)[5]。④鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)出現(xiàn)打滑和彈性滑動(dòng)，能維持準(zhǔn)確平均的傳動(dòng)比，具有緊湊的結(jié)構(gòu)，要求的安裝精度也比較低。其缺點(diǎn)是傳動(dòng)的平穩(wěn)性比較差，在工作中會(huì)發(fā)出噪聲且會(huì)有沖擊，達(dá)不到平穩(wěn)安全運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，也不適合在智能清掃機(jī)器人的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用。所以在考慮安全性能、成本、加工難度、傳動(dòng)平穩(wěn)性、傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率等因素的情況下，最好借助蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式來(lái)傳遞動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制。

3.4 選擇控制運(yùn)動(dòng)方式的機(jī)構(gòu)

在對(duì)智能清掃機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行控制時(shí)，常用的機(jī)構(gòu)有四種：全驅(qū)動(dòng)、前輪驅(qū)動(dòng)、差動(dòng)減速器驅(qū)動(dòng)和兩輪獨(dú)立型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，分析和比較這四種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，選擇最適合應(yīng)用在智能清掃機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的機(jī)構(gòu)。①兩輪獨(dú)立型的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其工作原理是通過(guò)兩輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)速度差值確定機(jī)器人行進(jìn)的方向，施加給兩個(gè)電機(jī)不同速度能往隨意方向驅(qū)動(dòng)。其主要優(yōu)點(diǎn)是能靈活運(yùn)動(dòng)，其機(jī)構(gòu)組成也比較簡(jiǎn)單化。在兩輪轉(zhuǎn)速在大小上相同而在方向上相反的時(shí)候，智能清掃機(jī)器人就能實(shí)現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)。其主要缺點(diǎn)是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須要有足夠精度，動(dòng)態(tài)特性也必須優(yōu)異。②差動(dòng)減速器式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其工作原理是導(dǎo)向控制的電機(jī)借助減速器對(duì)導(dǎo)向前輪進(jìn)行控制，確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方向。其主要優(yōu)點(diǎn)是：具有較高的傳動(dòng)效率，制作成本也不高。缺點(diǎn)是：傳動(dòng)模式是機(jī)械化的，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有較大的體積和較大的質(zhì)量，且運(yùn)動(dòng)不夠靈活化，小半徑回轉(zhuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。③前輪驅(qū)動(dòng)與前輪導(dǎo)向的機(jī)構(gòu)，其工作原理是機(jī)構(gòu)前輪作為驅(qū)動(dòng)輪與導(dǎo)向輪，借助兩電機(jī)進(jìn)行分別控制，其中導(dǎo)向電機(jī)主要對(duì)前輪轉(zhuǎn)向的角度進(jìn)行控制，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要是對(duì)前輪旋轉(zhuǎn)的速度進(jìn)行控制。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要是：方便進(jìn)行控制，具有較低的能耗，不對(duì)制造裝備與伺服系統(tǒng)精度提出過(guò)高要求，同時(shí)其旋轉(zhuǎn)半徑能從無(wú)限連續(xù)變化。其主要缺點(diǎn)是：前輪集中了驅(qū)動(dòng)與導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)其，所設(shè)計(jì)的復(fù)合型運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同時(shí)車(chē)體本身運(yùn)動(dòng)也較為僵硬，不夠靈活化，不方便智能清掃機(jī)器人的隨意運(yùn)動(dòng)[6]。④全驅(qū)動(dòng)式機(jī)構(gòu)，其工作原理是所有輪子都不具備轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，只有前進(jìn)方向可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？刂浦悄芮鍜邫C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向之后借助滑動(dòng)轉(zhuǎn)向，也就是依靠?jī)蓚?cè)的驅(qū)動(dòng)輪在獨(dú)立驅(qū)動(dòng)時(shí)候出現(xiàn)的速度差，使機(jī)器人發(fā)生側(cè)向滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作。這種機(jī)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)是讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)原地零半徑或不同半徑上的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)機(jī)器人在一些崎嶇的地形中也能移動(dòng)。其主要缺點(diǎn)是會(huì)有很大的轉(zhuǎn)向損耗。所以，在對(duì)設(shè)計(jì)是否簡(jiǎn)單、控制是否方便、穩(wěn)定度、能不能達(dá)到小半徑回轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)靈活性高不高、成本、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精度和體積質(zhì)量等方面綜合考慮的基礎(chǔ)上，選擇使用兩輪獨(dú)立型驅(qū)動(dòng)對(duì)智能清掃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行控制。

3.5 智能清掃機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理

在分析行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)部位選擇的基礎(chǔ)上可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人總質(zhì)量不大，結(jié)合智能清掃機(jī)器人實(shí)際工作的場(chǎng)合，選擇四輪機(jī)構(gòu)就能達(dá)到要求，在轉(zhuǎn)向方式上主要利用左右兩輪實(shí)現(xiàn)分別驅(qū)動(dòng)，前后萬(wàn)向輪實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式、借助兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)為渦輪蝸桿的傳動(dòng)提供動(dòng)力，把運(yùn)動(dòng)傳輸給車(chē)輪。因步進(jìn)電機(jī)主要對(duì)輸入脈沖頻率進(jìn)行調(diào)整以調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的速度，所以步進(jìn)電機(jī)借助輸入脈沖頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的調(diào)整。通過(guò)在步進(jìn)電機(jī)中輸進(jìn)不同脈沖頻率，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪就可以得到不同速度，機(jī)器人就可以達(dá)到轉(zhuǎn)彎、后退和直線前進(jìn)等運(yùn)動(dòng)功能。

4 智能清掃機(jī)器人在實(shí)際中的問(wèn)題

雖然智能清掃機(jī)器人的使用能大大解放勞動(dòng)力，但是在實(shí)際使用中依然存在一些問(wèn)題：①防水防潮的能力不高，假如環(huán)境潮濕很容易發(fā)生短路，進(jìn)而出現(xiàn)故障。②續(xù)航能力較差，假如使用時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱，導(dǎo)致機(jī)器的使用壽命縮短。③防火能力較差，不能接近容易爆炸和燃燒的物品，但是家庭中難免會(huì)有此類(lèi)物品，存在安全隱患。④智能清掃機(jī)器人上安裝的滾刷和濾網(wǎng)等，都是易消耗品，會(huì)增加使用成本。

5 結(jié)語(yǔ)

在時(shí)代發(fā)展中，智能清掃機(jī)器人在實(shí)際生活中的應(yīng)用越發(fā)廣泛，需要加大研究力度，滿(mǎn)足人們對(duì)智能清掃機(jī)器人的要求。在設(shè)計(jì)智能清掃機(jī)器人的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，要結(jié)合機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)所和要求，選擇合適的移動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)、傳動(dòng)與控制運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)、控制運(yùn)動(dòng)方式的機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)功能載體，提高智能清掃機(jī)器人的使用性能，促進(jìn)機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用。

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