王 辉，罗 庆，王 鹏，王 涛，王 波，郭强龙

（1.兰州工业学院机电工程学院；2.兰州工业学院材料工程学院，甘肃 兰州 730050）

扫地机器人是一种智能清扫吸尘工具，是一种具有微处理系统的电动清洁机器人。其最早发明于美国，20 世纪90 年代在我国开始萌芽。现在市场上的自动扫地机器人主要品牌有台湾浦桑尼克、中国科沃斯、荷兰飞利浦、美国iRobot 等[1]。

扫地机器人作为其在机电设备方面重要的分支，却很少有相对成熟的技术针对楼梯清扫的机器人实现商用。而台阶结构一直以来都是普通扫地机器人在平时的清扫工作中难以跨越的障碍。各国针对这种对于扫地机器人来说特殊的运动环境，开发的楼梯清扫机器人主要有轮式、履带式、足式等[2]。虽然目前的楼梯清扫机器人具备了一定的楼梯清扫功能，但仍然具有结构复杂、性价比低、难以推广等诸多问题。因此研发一种结构简单、占地面积小、具备市场推广的楼梯清扫机器人很有必要。

1 整体方案设计

轨道式楼梯清扫机器人主要结构有运行轨道、驱动齿轮、驱动电动机、气动机械臂、气泵、吸尘机构、PLC 控制模块等，其三维结构如图1 所示。当机器人开始执行向上移动清扫工作时，驱动电机带动驱动齿轮转动，与轨道产生摩擦，带动机体进行爬升，同时传感器开始工作，不间断识别楼梯位置，当感应到正确的楼梯台面位置时发出信号，PLC 控制驱动电机停止运行，此时清扫机械臂伸出，吸尘电机启动执行清扫工作，在清扫过程中行人检测传感器始终保持运行，当感应到有行人通过时发出信号，PLC 控制吸尘电机停止工作，同时控制电机带动清扫机械臂缓缓收回，待检测到行人完全通过后，控制机械臂伸出，同时吸尘电机重新启动，清扫继续，当完成此台阶面的清扫工作后，驱动电机控制机器人爬升，传感器检测到下一台阶面的正确位置后，继续下一台阶的清扫工作。

图1 导轨式楼梯清扫机器人三维图

2 爬楼机构设计

本楼梯清扫机器人采用导轨式爬楼方式，爬楼机构主要由导轨、导轮、驱动齿轮、直流电机等构成，如图2 所示。蓄电池为电机提供电能。导轨为上圆下方结构，导轨上部与导轮接触，引导清扫机器人沿楼梯方向运动；导轨下部设计齿条结构与驱动齿轮啮合，驱动齿轮连接在电机上，实现清扫机器人沿导轨运动。

图2 机械系统及各元件位置分布图

楼梯清扫机器人沿导轨运动，其行驶速度为

v—楼梯清扫机器人轨道运动速度,m/s；

r—驱动齿轮分度圆半径，m；

n0—电机所需转速，r/min。

机器人设计质量为20kg，g 取9.8m/s2，设定机器人的运行速度为0.1m/s，驱动齿轮分度圆半径为0.06m，由式（1）可求得电机所需转速n0=12r/min。

驱动齿轮所受力矩M 为：

M—驱动齿轮所受力矩，N·m；

Fv—楼梯清扫机器人沿运动方向分力，N；楼梯清扫机器人沿运动方向分力为：

m—楼梯清扫机器人质量，kg；

g—重力加速度，m/s2；

θ—导轨与竖直方向的夹角，°；

结合式（2）、（3）求得驱动齿轮所受力矩M 为0.28 N·m。

则计算功率：

数值代入式（4）得电机所需功率35W。

电机所需功率：

电机功率因数k 取1.2，机械效率η 取85%，代入式（5）得电机所需功率大于等于50W。考虑到楼梯清扫机器人为移动设备，采用蓄电池供电，设计采用直流无刷轮毂电机，选取时代超群的42BL80s09-230 电机，参数见表1。

表1 时代超群42BL80s09-230 电机参数表

3 气压系统设计

气动系统由空气压缩机、电磁换向阀、气缸、机械臂、气源管、接头等组成，机箱内部结构如图2 所示，执行部分如图3 所示。空气压缩机压缩空气，通过电磁换向阀接入气缸。当电磁换向阀控制气缸尾端通入压缩空气，气缸推动机械臂展开，在重力作用下吸尘头沿楼梯台面向前运动；当电磁换向阀控制气缸前端通入压缩空气，气缸拉动机械臂缩回，在重力作用下吸尘头沿楼梯台面向后运动。吸尘头沿楼梯台面往复运动，结合吸尘系统完成楼梯台面清扫功能[3]。

图3 气压部件图

4 吸尘系统设计

吸尘系统采用真空吸尘原理，主要由真空泵、吸尘管、机械臂和吸尘头组成。机箱内部结构如图2所示，机械臂结构如图3 所示，吸尘头与机械臂连接如图4 所示。通过真空泵将楼梯杂物及空气吸入垃圾收容箱，通过离心排风通道，将空气从排风通道的网孔中排出，楼梯杂物滤除在垃圾收容箱里，完成楼梯台面清扫功能[4]。由于垃圾收容箱容积有限，需定期进行清理。

图4 吸尘头与机械臂连接结构图

5 测控系统设计

考虑设备工作可靠性、稳定性、经济性等因素，本设计选用PLC 可编程控制器作为测控系统处理器。电源采用DC24V 蓄电池供电[5]。PLC 需要测试三路数字信号，一路用于判断是否到达下一台阶；两路判断是否到达清扫终点，在顶楼楼梯末端和一楼楼梯起始端焊接阻挡板，楼梯清扫机器人机箱侧边安装接近开关，当接近开关触碰阻挡板，楼梯清扫机器人停止工作。测试一路模拟信号，判断是否有行人经过。若红外传感器检测人与清扫机器人距离小于2m时，清扫机器人机械臂收回，暂停作业；距离大于等于2m 时，清扫机器人恢复作业。PLC 输出一路数字信号，控制电磁换向阀，用以控制机械臂往复动作，配合吸尘系统完成楼梯台面清扫工作。输出一路模拟信号，控制直流电机工作电压，用于调节楼梯清扫机器人工作速度[6-8]。测控系统逻辑如图5 所示。

图5 测控系统逻辑图

6 结论

提供了一种导轨式机械臂楼梯清扫机器人设计方案。

（1）爬楼机构设计：本楼梯清扫机器人采用导轨式爬楼方式。蓄电池为电机提供电能。导轨为上圆下方结构，导轨上部与导轮接触，引导清扫机器人沿楼梯方向运动；导轨下部设计齿条结构与驱动齿轮啮合，驱动齿轮连接在电机上，实现清扫机器人沿导轨运动。

（2）气压系统设计：空气压缩机压缩空气，通过电磁换向阀接入气缸。当电磁换向阀控制气缸尾端通入压缩空气，气缸推动机械臂展开，在重力作用下吸尘头沿楼梯台面向前运动；当电磁换向阀控制气缸前端通入压缩空气，气缸拉动机械臂缩回，在重力作用下吸尘头沿楼梯台面向后运动。吸尘头沿楼梯台面往复运动，结合吸尘系统完成楼梯台面清扫功能。

（3）吸尘系统设计：通过真空泵将楼梯杂物及空气吸入垃圾收容箱，通过离心排风通道，将空气从排风通道的网孔中排出，楼梯杂物滤除在垃圾收容箱里，完成楼梯台面清扫功能。由于垃圾收容箱容积有限，需定期进行清理。

（4）测控系统设计：选用PLC 可编程控制器作为测控系统处理器。电源采用DC24V 蓄电池供电。PLC 需要测试三路数字信号和一路模拟信号，输出一路数字信号和一路模拟信号。配合机械系统和气压传动系统，完成楼梯清扫工作。

综上，导轨式机械臂楼梯清扫机器人结构简单，稳定性高，占地面积小，具有一定市场开发前景。