桌面清洁机器人的慧鱼模型设计与实现

2019-08-06张改萍贺辛亥白锦旗贺小茸徐纪宽侯武成

中国现代教育装备 2019年13期

张改萍贺辛亥白锦旗贺小茸徐纪宽侯武成

1.西安工程大学机电工程学院陕西西安 710048

2.西安工程大学电子信息学院陕西西安 710048

通过调研，目前市场在售的清洁机器人主要用于地面清洁和窗户清洁，如扫地机器人、拖地机器人、擦窗机器人等，对于桌面杂物清洁主要是针对粉尘状或细碎状杂物，采用吸尘器将杂物吸入，达到清洁效果。本课题针对常见桌面杂物如塑料袋、卫生纸、果壳果皮等块状杂物以及液体污渍设计一款桌面清洁机器人，实现桌面多种杂物的综合清洁。

慧鱼创意组合模型(Fischertechnik Model)是技术含量高的工程技术类拼装模型，包含机械构件、电气构件、气动构件、传感器、控制器及软件等，广泛用于教学改革[1,2]及工程研究中，提高学生的创新意识及解决工程问题的能力[3]。基于慧鱼模型设计拼搭机器人，模拟各种场合应用，已受到了广泛的关注，例如智能清洁机器人[4]、室内高尔夫捡球机器人[5]、节能焊接机器人[6]、小型侦查机器人[7]、水果包装机[8]等；此外对于楼道清洁机器人[9]及城市高空攀爬机器人[10]也有了初步探索发展。本课题以慧鱼创意组合模型为平台，利用标准化结构件，辅以传感器、控制器、执行器及软件，设计一款桌面杂物清洁机器人，为大型食堂、公共餐饮区、家庭等场所的桌面清洁自动化装备提供一种工业模型。

1 结构设计

桌面清洁机器人主要在桌面完成工作，存在坠落风险，因此，设计超声波传感检测，运行前检测安全风险，判断工作区域安全之后，机器人开始清洁工作，依次按照大杂物、小杂物、液体污渍的清洁顺序完成桌面区域的清洁工作。

桌面清洁机器人实物模型如图1所示，主要由大杂物清洁模块、小杂物清洁模块、液体污渍清洁模块、防坠落及路径规划模块等四大模块组成，核心部件有驱动电机、机械臂、清洁刷、清洁液喷洒管、海绵刷体、垃圾收集盒、控制板、传感器等，实现桌面多种类型垃圾的清洁工作。

图1 实物模型

1.1 行走机构

桌面清洁机器人采用三轮设计，其尾部安装有两个步进电机，经齿轮传动驱动两轮同步转动或差速转动，配合机器人前部的万向轮，灵活完成转向，便于杂物的聚集入笼，具体结构如图2所示。

图2 行走机构

1.2 大杂物清洁模块

因桌面杂物大小及性能不一，为防止大杂物、易缠绕物(如饮料盒、塑料袋等)缠绕到入笼刷上影响正常清洁工作，因此，特设计大杂物清洁模块。大杂物由机器人前部的超声波传感器检测识别，杂物高度超过30 mm，且距离杂物70 mm时，传感器即识别出大杂物信号，清洁机器人停止前进，机械臂启动，通过机械臂的抓取机构和转向机构完成清洁工作，具体结构如图3所示。

图3 大杂物清洁模块

清洁时，电机驱动蜗杆带动连杆实现机械爪的合拢张开，夹取大杂物，接着由气缸推动机械臂，然后转向电机启动，通过蜗杆与机械臂底部的蜗轮啮合，机械臂顺时针转动至垃圾盒上方，机械爪松开，将垃圾放入垃圾盒中，完成一次大杂物的收集，之后机械臂复位，机器人继续行走。

1.3 小杂物清洁模块

小杂物(如果壳果皮、纸屑等小型块状杂物等)清洁模块主要由杂物聚集和杂物入笼两个机构组成。未检测到大杂物或当大杂物清洁之后，机器人前部的气缸推动两侧杂物聚集刷向下运动，之后，聚集刷向中间旋转，将杂物清扫至底部中间，配合两侧喇叭状挡板将垃圾聚集，之后电机通过链传动带动入笼刷旋转，配合底部入笼铲将聚集的杂物扫入底部垃圾盒，完成小杂物的清洁，具体结构如图4所示。

图4 小杂物清洁模块

1.4 液体污渍清洁模块

针对桌面油渍、奶渍、饮料等液体污渍，在块体杂物清洁之后，设计液体污渍清洁模块(如图5所示)。此模块主要由清洁液喷洒和污渍清洁两部分组成。清洁液喷洒部分由清洁液容纳盒、水泵、清洁液喷洒管等组成，清洁液容纳盒放置于机器人的尾部，清洁液经水泵抽取、加压，最后从清洁液喷管上均匀喷洒到桌面，同时污渍清洁部分的海绵刷体经链传动旋转滚动，反复擦拭，清洁桌面，并带走多余清洁液。

图5 液体污渍清洁模块

1.5 防坠落及路径规划模块

清洁过程中，机器人通过步进电机，保证清洁路径的准确性。当机器人到达桌面边缘时，机器人自动向桌面内侧避让，同时配合机器人尾部的传感器，控制机器人在避让边缘转向后，其运动方向仍保持与桌面平行或垂直。转向过程中控制两个步进电机转动的圈数，实现机器人应转动的角度，当再次到达桌面边缘时完成一次U型路径的清洁任务，其整体路径规划如图6所示，往复运动直至将整个桌面清洁干净。

图6 路径规划图

2 控制系统程序设计

2.1 主程序

基于慧鱼模型，利用ROBO Pro软件进行程序设计，实现快速、高效、安全、可靠的清洁过程，设计过程所选用元件名称及功能详见表1，主程序图如图7所示。

表1 元件名称及相应功能

图7 主程序流程图

2.2 清洁子程序

步进电机M1，M2启动，I1，I5传感器检测所处位置是否安全，若不安全，机器人初步调整方向到达安全位置，并调整路径方向，开始执行清洁子程序“QL”。

在I2传感器未识别到大杂物情况下，机器人执行小杂物清洁程序和液体污渍清洁程序。首先M1(EM1)电机带动聚集刷将垃圾聚集到机器人底部，M2(EM1)电机带动入笼刷配合入笼铲将杂物扫入底部垃圾盒内，同时液体污渍清洁模块将机器人经过的区域擦拭干净，清洁(QL)子程序流程图如图8所示。

图8 清洁(QL)子程序流程图

2.3 大杂物清洁子程序

当I2传感器识别到大杂物时，机器人停止运动，开始执行大杂物清洁子程序“grip”。

检测到大杂物后，机械臂放下，M4抓手电机正向转动，抓手合拢夹取大杂物，03(EM1)气泵启动推动气缸使机械臂抬起，M3电机启动，机械臂开始顺时针转动，到达垃圾盒上方位置后机械臂放下，M4抓手电机反向转动，爪子张开，将垃圾放入垃圾盒，然后机械臂复位，机器人继续按既定路径清洁桌面，大杂物清洁子程序流程图如图9所示。

图9 大杂物清洁子程序流程图

2.4 防坠落及路径规划程序

防坠落及路径规划主要由I1，I5，I6，I7四个传感器配合完成，分别安装于机器人的四角。I1，I5安装在前部；I6，I7安装在尾部；I1，I7安装在机器人的左侧；I5，I6安装在机器人的右侧。当机器人左侧靠近桌面边缘时，I1传感器防坠落，I1，I7配合实现轨迹调整；当机器人右侧靠近桌面边缘时，I5传感器防坠落，I5，I6配合实现轨迹调整。

机器人每次经过桌面边缘时，首先执行防坠落程序，初步调整方向，但整体路径的准确性不能保证，故而在防坠落程序之后立即执行轨迹调整程序。

以机器人右转向即机器人左侧靠近桌面边缘时为例。轨迹调整程序主要由两个传感器协同完成，传感器一前一后安装在机器人的一侧，且距离桌面有一定高度，防坠落传感器I1适当往外伸出(提前检测是否到达桌面边缘)，传感器I7也需适当伸出，与I1传感器在一条直线上。只要防坠落传感器I1超出桌面范围，测量数据即刻突变为远大于设定的阈值10(根据传感器安装的位置，初设传感器距离桌面的高度阈值为10)，机器人便会向偏桌面内侧，即右转向。

右转向后，如果轨迹不正确，传感器I7会超出桌面，测量数据就会远大于设定的阈值10。如果I1＞10，机器人右转向防坠落的同时调整轨迹；如果I7＞10，机器人左转向调整轨迹；如果I7≤10，机器人路径调整完成，继续按既定路径清洁杂物。左转向轨迹调整与右转向轨迹调整程序原理相同。右转向避落轨迹调整流程图如图10所示，原理图如图11所示。