付琳　孫魯青　陳旭　朱永強　蘇洲　李育梁

摘? 要：隨著城市中高層建筑不斷增多，傳統(tǒng)的人工清潔樓梯效率低、勞動強度大，無法及時滿足人們對辦公及住宅樓的室內(nèi)環(huán)境要求。文章設(shè)計了一款樓梯護欄清潔一體機，采用3D打印異型鉤爪為支點帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，配合兩個差速輪控制及紅外傳感器檢測，實現(xiàn)了設(shè)備的前進、轉(zhuǎn)向及避障功能。此外，通過絲杠傳動和帶傳動分別實現(xiàn)了臺階方向的水平運動和護欄方向的上下運動，并采用多角度卡盤滿足不同的護欄坡度?，F(xiàn)場測試表明，該一體機能夠?qū)崿F(xiàn)樓梯臺階、護欄、扶手的自動清潔功能，清潔效果較好，具有一定的應(yīng)用和推廣價值。

關(guān)鍵詞：樓梯;清潔;自動化

中圖分類號：TP242? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）06-0086-03

Abstract： With the increasing number of high-rise buildings in the city， the traditional manual cleaning stairs have low efficiency and high labor intensity， which cannot timely meet people's requirements for the indoor environment of office and residential buildings. This paper designs a stair and guardrail cleaning machine， which uses 3D printed special-shaped hook as the fulcrum to drive the crank to rotate， and combines with two differential wheel control and infrared sensor detection to realize the equipment's forward， steering and obstacle avoidance. In addition， the horizontal movement along the step direction and vertical movement along the guardrail direction are realized through the screw and belt drive respectively， and multi-angle chuck is adopted to meet different guardrail slope. The test shows that the machine can realize cleaning function of stair， guardrail， and handrail automatically， which has good cleaning effect and the value for application and promotion.

Keywords： stairs; cleaning; automation

1 概述

近年來，隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，高層建筑不斷增多，高樓大廈已成為城市發(fā)展的重要象征。電梯已經(jīng)基本取代普通樓梯成為人們?nèi)粘Ｉ舷滦械闹匾ぞ撸钱斖ｋ娀蚧馂?zāi)等情況發(fā)生時，樓梯作為生命安全通道發(fā)揮著重要作用，日常保潔工作仍必不可少，由于高層樓梯臺階數(shù)多，樓梯、護欄及扶手等部位的清潔任務(wù)非常繁重，人工清潔的效率低、勞動強度大，未來采用人工智能產(chǎn)品實現(xiàn)自動化勞動已經(jīng)是必然的趨勢[1]。因此，設(shè)計一種能夠?qū)翘?、護欄及扶手進行一體化清潔的自動化產(chǎn)品具有較高的應(yīng)用價值和推廣前景。

通過調(diào)研和查閱相關(guān)文獻資料，目前市場上主要是面向家用的清潔機器人，能自動完成對地面、窗戶等清理工作，一般包括防碰撞感應(yīng)、自動充電、自主路徑規(guī)劃等系統(tǒng)，可以通過WIFI實現(xiàn)遠程控制，技術(shù)相對成熟。而相比室內(nèi)的平面清潔，臺階型樓梯的清潔要求更為復(fù)雜，市場上尚無成熟的類似產(chǎn)品，僅有少數(shù)處于研究階段的方案設(shè)計。例如，樊紅衛(wèi)[2]提出了一種箱體式樓梯清潔機器人，實現(xiàn)了樓梯爬升運動和原地轉(zhuǎn)向運動;姜雪梅[3]設(shè)計了一款基于雙臂協(xié)調(diào)控制的樓梯清潔機器人，用絲杠實現(xiàn)了升降邁步，將車輪與舵機結(jié)合實現(xiàn)無半徑轉(zhuǎn)彎，實現(xiàn)了縱向行進與橫向拖動的工作模式轉(zhuǎn)換。羊月生[4]申請了一種樓梯扶手清潔機器人專利，采用自動爬行上升的拱形單位體作為運載器，使用履帶進行驅(qū)動;鄭祥模[5]發(fā)明的樓梯扶手清潔機器人，其攀爬機構(gòu)由往復(fù)推進結(jié)構(gòu)和夾持轉(zhuǎn)動機構(gòu)組成。宋金磊[6]提出通過滾輪與本體支架設(shè)計使清潔機器人卡緊樓梯扶手并且具有一定的爬行和轉(zhuǎn)彎能力。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)清潔工作的需要和分析樓梯臺階、護欄及扶手的結(jié)構(gòu)特點，本產(chǎn)品的機械系統(tǒng)共分為前進機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、調(diào)整機構(gòu)、清潔機構(gòu)四部分，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。產(chǎn)品總重量為10kG，結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便，從而實現(xiàn)了體積小、成本低，續(xù)航時間長。機身主體支撐結(jié)構(gòu)采用ABS板材料，韌性好，能承受較大的力，并具有一定的防水性能。

2.1 前進機構(gòu)

基于曲柄滑塊機構(gòu)思想，以3D打印的異型鉤爪為支點，電機帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，配合導(dǎo)向輪實現(xiàn)直線間歇運動與水平清掃運動協(xié)調(diào)配合。前進機構(gòu)由兩部分提供動力，一是兩個異型輪的夾持轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機器沿扶手前進，二是曲柄搖桿機構(gòu)配合自制異型鉤爪，曲柄旋轉(zhuǎn)帶動鉤爪向前伸，鉤住欄桿后曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)動，帶動整體前進。

2.2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)

通過接近開關(guān)識別樓梯護欄的拐角位置，此時頂部兩個異形輪進行差速控制，外側(cè)轉(zhuǎn)向輪速度增大，內(nèi)側(cè)輪速度減小，最終實現(xiàn)機器的整體轉(zhuǎn)向，進入下一層樓梯。

2.3 調(diào)整機構(gòu)

調(diào)整機構(gòu)一方面針對樓梯的不同寬度，采用多級絲杠實現(xiàn)可自動伸縮要求;另一方面采用多角度卡盤的結(jié)構(gòu)形式，通過手動調(diào)節(jié)卡扣位置來適應(yīng)不同坡度的樓梯護欄。

2.4 清潔機構(gòu)

清潔機構(gòu)由護欄清潔和臺階清潔兩部分組成，一是通過皮帶帶動毛刷上下運動，實現(xiàn)包裹式清潔欄桿;二是利用絲杠傳動實現(xiàn)臺階方向的清掃，安裝有電動滾刷和微型吸塵器，實現(xiàn)護欄樓梯一體化清潔。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

啟動設(shè)備后，機器在頂部四個異型輪的帶動下開始轉(zhuǎn)動，曲柄搖桿配合鉤爪拉動機器前進，實現(xiàn)間歇式移動;臺階清潔機構(gòu)通過絲杠傳動伸出，末端傳感器識別障礙物，機構(gòu)收回，進入下一層臺階。同時，滾筒毛刷一直轉(zhuǎn)動，將垃圾掃入垃圾袋中，吸塵器將塵埃吸入，護欄清潔機構(gòu)始終工作，通過控制電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)毛刷的上下移動，對護欄進行清潔。

本控制系統(tǒng)以STM32單片機作為核心，采用控制器+L298N驅(qū)動+電機的控制框架，配合接近開關(guān)，實現(xiàn)各功能的協(xié)調(diào)運動控制，從而實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的前進、轉(zhuǎn)向、避障及清掃等各種動作。其中，電機驅(qū)動的電路是控制系統(tǒng)的核心，電路原理如圖2所示。

4 樣機測試

基于以上設(shè)計方案，研制產(chǎn)品樣機并進行了試驗驗證，檢驗了其原理和結(jié)構(gòu)的可行性，如圖3所示。經(jīng)試驗驗證，該樓梯護欄清潔一體機結(jié)構(gòu)緊湊，可適應(yīng)當前試驗范圍內(nèi)絕大多數(shù)臺階的高度和寬度，適應(yīng)不同坡度的樓梯扶手，適應(yīng)性較強。樓梯沿護欄扶手的爬升運動和轉(zhuǎn)向運動均可實現(xiàn)，能完成基本的樓梯清潔任務(wù)，實現(xiàn)了預(yù)期目標。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計研制的產(chǎn)品主要用于樓梯臺階、護欄以及扶手的自動化清潔，經(jīng)現(xiàn)場測試表明，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、可靠性，并在以下三個方面具有一定的創(chuàng)新性。

（1）應(yīng)用上的創(chuàng)新。目前市場上尚無成熟的同類產(chǎn)品，相關(guān)的研究文獻和專利也很少，因此設(shè)計和研制本產(chǎn)品對于提高清潔效率、降低人工成本具有較大的應(yīng)用和市場前景。

（2）結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。借鑒曲柄連桿形式，通過鉤爪帶動曲柄實現(xiàn)了間歇式前進，并能夠適應(yīng)不同樓梯護欄坡度以及不同長寬臺階的清潔要求，試驗證明機器的運行狀況良好。

（3）功能上的創(chuàng)新。一是實現(xiàn)了樓梯、護欄、扶手同步清潔和垃圾回收;二是實現(xiàn)了機器的自動行走和轉(zhuǎn)向，無需人為干預(yù);三是具有自主避障，避免出現(xiàn)影響行人通行或與墻壁碰撞等情況發(fā)生。

參考文獻：

[1]褥銅，趙晨.智能清潔機器人國內(nèi)外發(fā)展狀況淺析[J].中國設(shè)備工程，2018（04）：146-147.

[2]樊紅衛(wèi)，杜永剛，王鑫宇，等.箱體式樓梯清潔機器人的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機械制造，2019，57（02）：30-33.

[3]姜雪梅.基于雙臂協(xié)調(diào)控制的樓梯清潔機器人[J].科技信息，2013（9）：4.

[4]羊月生.一種樓梯扶手清潔機器人：中國，201810976304.X[P].2018-08-25.

[5]鄭祥模.樓梯扶手清潔機器人：中國，201520321684.5[P].2015-05-17.

[6]宋金磊.一種樓梯扶手清潔機器人：中國，201620394513.X[P].2016-05-03.