智能清扫机器人行走驱动系统设计分析

孙嘉潞

Design and Analysis of Traveling Drive System of Intelligent Cleaning Robot

摘要：智能清扫机器人有机结合机器人技术与吸尘器技术，能够实现地面环境自动化清洁，取代传统人工清洁，解放了劳动力，受到社会普遍关注。在我国经济水平不断提高的新经济时代，智能清扫机器人的前景极为广阔。行走驱动系统是智能清扫机器人的一个主要组成，直接影响到机器人的使用性能。本文主要介绍智能清扫机器人的主要组成与结构，并分析设计行走驱动系统的一些技术。

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.

关键词：智能清扫机器人；行走驱动系统；设计

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

中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0164-02

0 引言

智能清扫机器人主要组成是五个部分，包括电源部分、输出与输入部分、传感器、执行电机、主控制系统。智能清扫机器人的主要结构是主控系统包括了电源系统、智能软件、输入输出、传感器和执行电机，其中智能软件又包括了返回充电站路径的规划算法、覆盖路径的算法；输入输出包括遥控子系统、键盘显示子系统；传感器部分包括了尘仓红外监测、地面光敏监测、碰撞监测、里程计和边缘、过流、浮动监测；执行电机的部分包括了吸尘子系统和行走驱动子系统。

1 设计智能清扫机器人的结构

智能清扫机器人在结构上的设计主要是：车体、吸尘机构、移动机构和感知机构。由于其复杂的机构与控制，通常所用的形状都是圆形，这种形状的主要优势就是方便控制，运动时不会轻易碰撞到障碍物。移动机构组成是：两个伺服电机与对应驱动。在感知机构上的設计组成主要是机器人两侧光电传感器，检测元件是光电元件，其组成通常是光电元件、光学通路和光源，光电传感器能探测机器人具体位置，判断能不能进行转弯。吸尘系统主要组成是：吸室、气泵、吸嘴、吸道等，属于小型的吸尘器[1]。吸尘原理是吸尘器电机叶扇受到电动机的驱动，排除电机空气，电机内部与外界构成气压差，外界气体进入到电机内。垃圾被吸进吸尘器的吸室中，并留在吸室而空气被排出。

2 设计智能清扫机器人行走驱动系统的功能

智能清扫机器人主要在路面比较平稳，路况简单的场地中使用，比如办公室、宾馆和家庭等。行走驱动系统主要是提供机器人扫除地面垃圾和灰尘、毛毯垃圾灰尘所需要的动力，其工作目标：第一是要保证机器人空间移动；第二是避免器人损坏物品、对机器人运动速度进行控制，抗倾翻、转动、平动等功能；第三，在保证这些实用功能的基础上提升行走驱动系统环保、美观和经济等功能[2]。

行走驱动系统的具体设计要求是：①在几何方面，要求行走机构的最大外径要达到400mm，最大高度要达到200mm。②在运动方面，要求能够实现旋转、直线等多样化运动，确保机器人能随意移动，机器人的移动速度要在0.3～1m/s范围之内，其加速度要超过10m/s2。同时要保证机器人平稳和灵活运动，其旋转半径要小于0.5m，旋转半径为0，并且具有较高的转弯灵活性。③在力方面，机器人要能承受机器人重量大于400N，行走机构的最大重量要小于150N，能够承受的电动机转矩要大于100N·m，同时要具有足够的刚度与强度。④在材料方便，要求使用铝合金钢材硬铝或普通钢材。⑤在安全与人机关系方面，要保证机器人不会被撞坏，也要防止机器人将其他物体撞坏。同时要降低重心，防止发生倾翻，要保证使用简单，方便维护[3]。⑥在加工与检查方面，要尽可能使用外购件或标准件，关系到安全的联接要方便检查。⑦在使用和保养方面，要方便进行维修和保养工作。

3 选择智能清扫机器人行走驱动系统的功能载体

3.1 选择移动机构

智能清扫机器人要确保可以在平滑地面上正常移动，可以选择的机构形式有车轮式、腿足式和履带式等移动机构，需要结合移动结构特征和实际应用的场所进行选择。①履带形式的移动机构，具有较大的着地面积，和路面会产生很强的黏着力，能依照地形变化形态，因此在松软和凹凸地面上也能够移动，在路面状况复杂场合也比较适用。②腿足形式的移动机构，对步行环境没有很高的要求，在平地和非结构性复杂地面上都能够正常行走，比较能适应环境。不过这种移动机构较为复杂，在运动控制上有较大的难度，同时其运动速度也相对较慢[4]。③车轮式的移动结构，能稳定、高速移动，具有较高的能源利用率，其机构比较简单，能很方便地控制。通过分析移动结果，在路面简单的地方不需要复杂结构，但对各关节设计的要求比较高，本文使用的移动机构是车轮式。

3.2 选择转弯机构

轮式的移动机构中依据车轮数可以分成多种轮，比如单轮、双轮、三轮等等。单轮与双轮的移动机构不太稳定，要借助陀螺仪保持平衡，在智能清扫机器人的移动机构中不太适用。三轮与四轮形式的移动机构应用比较普遍，若只在平地移动，采用三轮移动机构即可。不过若是想要在高速移动时保持稳定，通常使用的是四轮移动机构。五轮及超过五轮的移动机构类似与四轮形式的移动机构，不过其具有更强的稳定性，结构也更加复杂。所以，智能清扫机器人所用转弯机构是四轮形式的移动机构。

3.3 选择传动与控制运动的机构

链传动、带传动、蜗轮蜗杆式传动和圆柱齿轮式传动等传动方式比较常见，其各自优缺点是：①圆柱齿轮式传动的优点是具有较高的传动效率和较广的适应性，缺点是成本高，制造与安装的精度也高，导致加工难度大。②蜗轮蜗杆式传动的优点是传动比较大，具有紧凑的结构和较小的噪声，能平稳进行传动，同时能调整传动方向。③带传动的优点是成本低，结构比较简单，能吸收振动也能对冲击进行缓和，缺点是有大中心距的传动中比较适用，有较大的传动外轮廓，同时会发生打滑与弹性滑动。在较小体积的行走驱动系统中，不适合适用带传动[5]。④链传动的优点是不会出现打滑和弹性滑动，能维持准确平均的传动比，具有紧凑的结构，要求的安装精度也比较低。其缺点是传动的平稳性比较差，在工作中会发出噪声且会有冲击，达不到平稳安全运动的目标，也不适合在智能清扫机器人的行走驱动系统中应用。所以在考虑安全性能、成本、加工难度、传动平稳性、传动比和传动效率等因素的情况下，最好借助蜗轮蜗杆传动方式来传递动力与运动，同时对运动速度进行控制。

3.4 选择控制运动方式的机构

在对智能清扫机器人的运动方式进行控制时，常用的机构有四种：全驱动、前轮驱动、差动减速器驱动和两轮独立型驱动机构，分析和比较这四种驱动机构，选择最适合应用在智能清扫机器人行走驱动系统中的机构。①两轮独立型的驱动结构，其工作原理是通过两轮驱动机构速度差值确定机器人行进的方向，施加给两个电机不同速度能往随意方向驱动。其主要优点是能灵活运动，其机构组成也比较简单化。在两轮转速在大小上相同而在方向上相反的时候，智能清扫机器人就能实现零半径回转。其主要缺点是伺服驱动系统必须要有足够精度，动态特性也必须优异。②差动减速器式驱动机构，其工作原理是导向控制的电机借助减速器对导向前轮进行控制，确定机器人运动的方向。其主要优点是：具有较高的传动效率，制作成本也不高。缺点是：传动模式是机械化的，结构复杂，具有较大的体积和较大的质量，且运动不够灵活化，小半径回转无法实现。③前轮驱动与前轮导向的机构，其工作原理是机构前轮作为驱动轮与导向轮，借助两电机进行分别控制，其中导向电机主要对前轮转向的角度进行控制，而驱动电机主要是对前轮旋转的速度进行控制。这种机构的优点主要是：方便进行控制，具有较低的能耗，不对制造装备与伺服系统精度提出过高要求，同时其旋转半径能从无限连续变化。其主要缺点是：前轮集中了驱动与导向驱动其，所设计的复合型运动结构较为复杂，同时车体本身运动也较为僵硬，不够灵活化，不方便智能清扫机器人的随意运动[6]。④全驱动式机构，其工作原理是所有轮子都不具备转向机构，只有前进方向可以进行旋转运动。控制智能清扫机器人的运动方向之后借助滑动转向，也就是依靠两侧的驱动轮在独立驱动时候出现的速度差，使机器人发生侧向滑动，从而实现转向操作。这种机构主要优点是让机器人实现原地零半径或不同半径上的转向运动，移动机器人在一些崎嶇的地形中也能移动。其主要缺点是会有很大的转向损耗。所以，在对设计是否简单、控制是否方便、稳定度、能不能达到小半径回转、运动灵活性高不高、成本、伺服驱动系统的精度和体积质量等方面综合考虑的基础上，选择使用两轮独立型驱动对智能清扫机器人运动方式进行控制。

3.5 智能清扫机器人行走驱动系统的工作原理

在分析行走驱动系统各个部位选择的基础上可以发现，机器人总质量不大，结合智能清扫机器人实际工作的场合，选择四轮机构就能达到要求，在转向方式上主要利用左右两轮实现分别驱动，前后万向轮实现随动的运动方式、借助两个步进电机为涡轮蜗杆的传动提供动力，把运动传输给车轮。因步进电机主要对输入脉冲频率进行调整以调节运动的速度，所以步进电机借助输入脉冲频率实现对速度的调整。通过在步进电机中输进不同脉冲频率，两个驱动轮就可以得到不同速度，机器人就可以达到转弯、后退和直线前进等运动功能。

4 智能清扫机器人在实际中的问题

虽然智能清扫机器人的使用能大大解放劳动力，但是在实际使用中依然存在一些问题：①防水防潮的能力不高，假如环境潮湿很容易发生短路，进而出现故障。②续航能力较差，假如使用时间太长会出现过热，导致机器的使用寿命缩短。③防火能力较差，不能接近容易爆炸和燃烧的物品，但是家庭中难免会有此类物品，存在安全隐患。④智能清扫机器人上安装的滚刷和滤网等，都是易消耗品，会增加使用成本。

5 结语

在时代发展中，智能清扫机器人在实际生活中的应用越发广泛，需要加大研究力度，满足人们对智能清扫机器人的要求。在设计智能清扫机器人的行走驱动系统时，要结合机器人的应用场所和要求，选择合适的移动机构、转弯机构、传动与控制运动的机构、控制运动方式的机构等运动功能载体，提高智能清扫机器人的使用性能，促进机器人的发展和应用。

参考文献：

[1]都家宇.智能清扫机器人行走驱动系统设计[J].科技资讯，2017，15（30）：100-103.

[2]孔德平.基于AVR单片机的智能扫地机器人的设计[J].科技创新与应用，2017（16）：81.

[3]徐法格.基于分数阶微积分的智能清洁机器人控制系统设计[D].山东大学，2015.

[4]翟富兴.基于模糊神经网络的智能清洁机器人避障系统的研究与设计[D].重庆大学，2016.

[5]万军，张郭，杨代强.基于STM32的智能扫地机器人避障系统设计的研究[J].中国高新区，2017（13X）.

[6]张勇.电力系统智能控制爬行机器人研究与设计[J].科技资讯，2015，13（26）：1.