机械创新设计大赛作品设计-升降伸缩式楼道清洁机器人

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1、第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书升降伸缩式楼道清洁机器人（南通大学机械工程学院南通）0内容简介根据本次大赛的主题，结合目前市场上的清洁机器人只能清洁平地的现状，设计出了一款新型清洁机器人——升降伸缩式楼道清洁机器人，能完成楼道的清洁，并兼顾了清洁平地的功能，于2012年4月20日申报了发明专利。本作品设计了垂直与水平两个方向的移动自由度，通过升降与伸缩的方式实现机器人的爬楼；在机器人底盘设计上，采用驱动轮在中间，万向轮前后布置的移动机构，拓宽了重心变化的适应范围；在清洁机构方面，于机身的前端设计了旋转扫帚，将垃圾扫进机器人，在

2、机身下方设计了水平滚动刷子与吸尘器，能可靠地将垃圾收集进机器人的垃圾箱。控制系统基于32位的ARM架构，采用超声波、红外光电、碰撞等传感器相结合，对机器人机身方位、机器人与楼梯的接近状态、与楼梯是否发生碰撞等进行检测与控制，同时结合路径规划算法，实现机器人可靠地上下楼梯与清洁。本作品以升降伸缩式机构实现上下爬楼，结构简单，使得其成本较低，加上既能清洁楼梯也兼顾清洁平地的功能，从而有着广阔的应用领域与推广价值，可适用于居民住宅楼、办公楼，或者有着楼中楼结构或别墅型的家庭，也可推向家庭作为一般清洁器使用。本作品以全自主方式实现控制，无须人参与，

3、有利于减轻人们的劳动负担，给人们创造轻松美好的幸福生活。1研制背景及意义随着科学技术的不断发展，在当今社会中，机器人在减轻劳动强度，提高生产效率方面发挥了巨大的作用。平地清洁机器人的报道屡见不鲜[1,2,3]，其业已进入家庭。另一方面，在高楼耸立的现代生活中，楼道清理的工作繁重、枯燥，有必要开发相关的清洁机器人以减轻人们的劳动负担。目前有关爬楼机器人的类型，典型的有轮式机器人，履带式机器人和腿式机器人三种机构模型[4,5,6,7]。其中，轮式机器人控制灵活，移动简单，但该种类机器对地形的依赖性较大，轮子数量的增加会导致体积庞大，重量重的缺点

4、；履带式机器人对地面适应性强，稳定性高，结构简单，但能量损耗较大；腿式机器人适应性强，稳定性高，但机构及控制复杂，运动速率低。-15-第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书由哈尔滨工程大学研制的楼梯清扫机器人[8]实现了连续爬楼的功能，具备爬楼梯与平面运动两种运动状态的功能，且两者之间可以互相转换。其设计核心在于车轮轮廓设计采用了阿基米德螺线三叶轮。但该机器人只能完成简单的爬楼运动，而不能在楼梯上转弯，无法实现楼梯全方位的清洁工作。其次，该机器人的爬楼与清洁机构结合得比较庞大复杂，机器人显得比较笨重。另外,设计的三叶轮尺寸固定，只能

5、适应于某固定高度的楼梯。所以该机器人在实际运用中适应能力有较大局限。因此，需要设计具有较大适用范围、结构简洁、成本低廉的楼道清洁机器人,以减轻人们家居与办公的负担。2机械设计经过对清洁机器人专业技术知识的掌握和研究学习，设计了这款新型楼道清洁机器人。其满足以下性能要求：具有良好的地面适应性；成本低；体积轻巧；工作效率高；耗能低；易于维护和修理；市场价值高。为满足其工作要求，通过与传统爬楼机器人的比较分析，这里选择了只利用两个自由度实现爬楼的设计思路，避免繁重的控制设计和高额的制作成本，同时保留机器人工作灵活，稳定性强，工作效率高的需求。图1

6、升降伸缩式楼道清洁机器人全景图该机器人是通过一个升降机构、一个伸缩机构-15-第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书实现爬楼功能，通过清洗机构完成清洁任务。楼道清洁机器人由升降机构，车身前后伸缩机构，清洁机构等组成，如下图所示（如图1楼道清洁机器人全景图）2.1爬楼方式设计为实现本作品能攀爬常见楼梯的功能，并且每爬上（或下）一层，在该层上行走完成清扫，既可以从上往下完成清扫，也可以从下往上完成清扫。这里设计了利用升降与伸缩两个自由度的运动实现上下攀爬的功能。设计的机器人爬楼过程示意图如下所示（如图2爬楼过程示意图）图2爬楼过程示意图

7、2.2升降机构本作品利用垂直导轨实现机器人的升降，如图2的最左下方为机器人的升起状态（以上升为例说明,下降类推）所示。其中垂直导轨与支柱固连，机器人的主要车身与该垂直导轨中的滑条固连。其有关传动由齿轮齿条实现，如图3所示。在这种结构下，通过电机驱动一对齿轮、齿轮长轴，将动力传到齿轮齿条。由于支柱不动，车身连同导轨中的滑条在齿轮齿条的相对运动带动下进行上下移动，实现了升降。-15-第五届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书图3升降机构图2.3伸缩机构本作品利用水平导轨实现机器人的伸缩，如图2的自左往右的第二个为机器人升起后的伸出状态（以伸

8、出为例说明，缩回类推）所示。其中水平导轨与机器人车身的上底板固连，车身的下底板连同图中的连接柱与水平导轨中的滑条固连。车底上下底板之间（即导轨与导轨中的滑条之间）的相对水平运动由