1　研究背景

随着建筑业的发展，高楼大厦的外墙和楼顶越来越多地采用玻璃材质。楼顶玻璃长期暴露在外，容易积累杂物，会严重影响建筑物的美观和采光，且玻璃楼顶承载能力弱，清洁面积大，人工清洁耗时耗力，同时存在安全隐患。目前市面上流行的清洁机器人均不适用于高层楼顶玻璃的清洁：家庭扫地机器人清扫面积小，续航时间短，清扫能力弱，不适合户外大面积大颗粒物的清扫；地面清洁车体积笨重，无自主导航功能，不适合屋顶、楼顶和天台等场合的清扫；爬壁清洁机器人主要用于高楼大厦户外玻璃幕墙的灰尘清洁，工作效率低，技术不成熟，难以推广应用。

与室内环境不同，户外环境具有清洁环境多样、沙尘颗粒物大、垃圾种类繁多等特点，清洁难度大，耗时费力，很多学者对此进行了探索研究。陈志权等［1］设计了一款基于单片机的户外玻璃雨棚清洁系统，可以实现平面玻璃结构清扫、清洁剂喷洒、水洗等功能。杨存志等［2］设计了自主导航牛舍清洁机器人，可以实现各种漏缝地板的自动清扫。矫玉菲等［3］设计了一种新型智能清洁机器人，可以使机器人在平地上行走、攀爬楼梯，实现复杂地面的拖地、吸尘工作。 Ranjani等［4-5］设计了自主导航户外玻璃幕墙清洁机器人，通过吸附攀爬技术实现竖直方向平面玻璃的清洁。

⑤加热完毕，对接加热板应迅速脱离待连接件，并用均匀外力使两待连接面对接顶紧，形成均匀凸缘并平滑过渡到管材本体。卷边凸缘宽度为5~8mm，高度为3~5mm。接口保压冷却36 min后卸开夹具并检查接口质量。

在上述研究的基础上，基于可重构思想，采用模块化设计方法［6］，笔者设计研发了一款结构轻巧、清扫能力强、清洁面积大、续航时间长、拥有自主导航功能的多功能清洁机器人，以替代传统的人工清洁作业方式，提高劳动效率，降低劳动强度，减小劳动力成本，进而提升人们的生活环境。

2　总体结构设计

多功能清洁机器人总体结构设计如图1所示。

3　组成模块与功能

多功能清洁机器人的组成模块包括驱动清扫结构模块、洒水系统模块、拖地清洁结构模块、控制系统模块、传感检测系统模块和图像传输系统模块等，集机械电子、传感器、自动控制、机器人、网络通信和路径规划等诸多学科知识为一体，具有防碰撞、跌落感知、自主导航路径规划、路面监控、手机远程操控、红外遥控等功能。

  

▲图1 多功能清洁机器人总体结构设计

4　设计参数计算

设计确定机器人的总质量m1=16.5 kg，洒水箱装满水后的总质量m2=21 kg，行走速度v=0.2 m/s，驱动轮半径r=90 mm，摩擦因数μ=0.1，同步带传动效率η=0.98，则驱动轮转矩 T=Fr/η=（m1+m2）gμr/η=3.38 N·m，F为摩擦力，单个驱动轮所需转矩T1=T/2=1.69 N·m，单个 驱动 轮负载功率 P1=Fv/η=（m1+m2）gμv/（2η）=3.75 W。

根据相关数据，选择水泵参数如下：尺寸90 mm×40 mm×35 mm，电压 12 V，电流 1 A，流量 1.5 L/min。

另一方面，为量更大的角度，如110度角，教师引导学生在另一边重新拼一个直角，以同样的等分方法进行均分。

全民学习共享平台的模式设计 全民学习共享平台是一个多维度、多层次的结构体系，多维度表示网络学习行为类型的多样性，多层次表示学习者在学习过程中解决不同的问题时所采用的行为以及行为序列的层次性和复杂性[4]。全民学习共享平台要能使得人人都有学习的条件和机会，让人人都有适合自己的学习模式可供选择。

（1）洒水系统模块。洒水系统模块参数主要包括水箱容积、水泵参数及洒水速率等。喷水管设计洒水速率为0.35 L/min，连续工作1 h为一个周期，则所需要的水箱容积V=0.35×60=21 L。

电机在起动、制动时，负载电流会增大，会导致内部损耗增大，因此预选电机额定功率时，应将负载功率扩大至1.1～1.6倍。根据计算的数据选择直流减速电机，其主要参数如下：电压12 V，功率60 W，扭矩2.4 N·m，额定转速 360 r/min。

清洁机器人前进时，边毛刷和螺旋刷同时旋转清扫垃圾，大小齿轮5∶1的传动比可以保证螺旋刷快速旋转，将垃圾清扫干净。后退时，由于单向轴承的作用，螺旋刷不转动，边毛刷反向转动将垃圾扫向两边。边毛刷及螺旋刷工作时借助于驱动轮的动力，没有使用单独的驱动电机，简化了结构，降低了成本，减轻了整体质量。

说这句话的时候，常爱兰正拿着周小羽的试卷在抹眼泪。她一边甩鼻涕一边说，这个天杀的，真是好的不像，坏的全像来了。她一边擦眼泪一边说，一道题都不会做啊，一道题啊！

（3）传动带。同步齿形带传动具有传动比准确、传动效率高、耐磨性好、预紧力小、瞬时速度均匀、噪声小等优点［7］，因此笔者选择同步齿形带传递扭矩。根据机械设计手册中的计算方法，笔者选择同步齿形带型号为545-5M-15，选择同步齿形带轮型号为30-5M-15-AF。

5　驱动清扫结构模块设计

由于三轮机器人具有良好的稳定性，结构简单，应用广泛，因此驱动清扫结构模块采用三轮结构布局，如图2所示。驱动清扫结构模块的主要功能是驱动机器人行走，向螺旋刷及边毛刷提供动力，同时承载部件。左右轮为驱动轮，前轮为万向轮，直流电机通过同步齿形带与驱动轮连接，控制器通过差动方式驱动电机，电机通过同步齿形带带动驱动轮转动，结合前端万向轮导向，从而实现清洁机器人的移动和转向。驱动轮上装有大齿轮和圆带轮，圆带轮通过圆带和边毛刷圆带盘连接，大齿轮通过小齿轮、单向轴承和螺旋刷连接，大小齿轮的传动比为5∶1。当驱动轮转动时，圆带轮带动左右边毛刷实现顺逆时针旋转，将路面垃圾扫至中间位置，同时大齿轮带动小齿轮旋转，小齿轮通过单向轴承带动螺旋刷转动，将中间位置的垃圾扫至垃圾箱中。

海带中含有丰富的碘，碘可以促进甲状腺素合成，甲状腺素对调节生理机能有重要作用，可以提高身体的产热能力，使基础代谢率增强，皮肤血液循环加快，抗冷御寒。大白菜有养胃生津、利尿通便、化痰止咳、清热解毒的作用，而且含有丰富的维生素，多吃白菜可起到滋阴润燥、护肤养颜的作用。大白菜中的纤维素有润肠排毒作用，对于缓解老年人便秘很有帮助。

（2）驱动电机。为了保证清洁机器人能正常工作，需要选择合适的驱动电机。电机功率过小，会出现小马拉大车的现象，造成电机长期过载、发热，进而损坏，无法使清洁机器人正常运动。电机功率大，虽然可以保证机器人在多种环境下运动，但电机的体积、质量和成本也会随之增大，造成不必要的浪费［6］。

  

▲图2 驱动清扫结构模块

6　洒水系统模块设计

拖地清洁结构模块如图3所示，主要功能是配合驱动清扫结构模块，完成地面灰尘、污渍的清洁。安装板块和连接板块通过销轴铰接，并且由左右两根弹簧拉紧。连接板块通过销轴和拖把支架铰接，拖把支架上安装有拖布，整个拖把机构通过安装板块和螺钉固定至清洁机器人的后板上。清洁机器人工作时，手动将拖把机构放下，拖把机构在弹簧弹力的作用下压紧地面，进行拖地工作。清洁结束时，手动将拖把机构抬起，拖把机构在弹簧拉力的作用下保持抬起状态以便于存放。这种结构设计的优点是遇到不平整地面时，由于弹簧的调节作用，拖把机构始终能压紧地面，完成拖地工作。

7　拖地清洁结构模块设计

洒水系统模块主要包括水箱、水泵、水管和喷水管。水箱通过活动卡扣安装在垃圾箱上方，水泵通过螺钉安装在支架板上，喷水管通过支架和螺钉固定在支架板上，水箱、水泵和喷水管之间通过水管连接。喷水管上均匀地开有小孔，当水泵电机接通时，水就会通过小孔均匀地洒向地面，以便后序清洁。

坟就做在黄家的自留地上，离家只有几垄地远，已经叫石匠老莫砌起了小墓屋，下葬的过程就变得非常简单，将骨灰盒放进去，用砖封住墓门就是了。随后，亲友们在吃过最后一顿豆腐饭后，纷纷散去，家里只剩下梨花和高木等几个至亲。高木催过梨花几次，但她让高木先走，说自己要晚些时候再回去。高木也就没说什么，只顾自己走了。凉棚拆了，借来的桌凳也还了，地被扫清了……一切都恢复到出事前的模样，好像什么事都没有发生过。

  

▲图3 拖地清洁结构模块

8　三维实体建模

多功能清洁机器人各结构模块参数确定以后，应用SolidWorks软件对整体结构进行三维实体建模。SolidWorks是一款基于Windows平台的主流三维设计软件，采用参数化特征建模技术，界面简洁，易于上手，产品从零件设计、装配仿真到最后工程图都可以一体化完成，设计过程流畅简便，为设计人员节约了大量的产品修改时间，从而能将更多的时间用在产品创新设计上，提高产品的竞争力［8-10］。

对清洁机器人进行整体结构三维实体建模，可以检查各部件的形状尺寸及部件之间的配合性和装配性，还可以对关键部件进行力学分析，对整体结构进行质量校核与运动分析，不仅可以提高产品设计的准确性，还可以缩短设计周期，降低设计成本。多功能清洁机器人三维实体模型如图4所示。

9　控制系统模块设计

多功能清洁机器人控制系统模块如图5所示，主要包括主控制器、电机驱动模块、传感检测模块、无线通信模块、电源模块，以及提供辅助功能的显示屏、指示灯、按钮开关等。主控制器采用单片机，各模块在主控制器的统一控制下，分工明确，协调工作，共同保障清洁机器人正常工作。

  

▲图4 多功能清洁机器人三维实体模型

  

▲图5 控制系统模块

（1）主控制器。主控制器采用AT89C52单片机，利用C语言编程，通过程序实现对整个清洁机器人的控制。主控制器主要功能如下：接收传感检测模块传送的外部环境数据信息，综合分析处理并显示给用户；通过脉冲宽度调制信号驱动直流电机，控制清洁机器人行走、避障；通过继电器控制水泵洒水；通过输入输出口信号控制液晶显示屏、发光二极管指示灯和按钮开关等工作。

（2）电机驱动模块。电机驱动模块采用功耗低、效率高、稳定性好的L298N双H桥直流电机驱动芯片，供电电源为5 V标准电压，有四个输入端和四个输出端，可同时控制两路直流电机［11-12］。单片机输出的两路脉冲宽度调制方波信号经光电隔离后，驱动L298N芯片控制两路直流减速电机，实现清洁机器人的前进、后退、转弯和避障等基本动作。

在西方发达国家，物流行业已经有了上百年的沉淀，而中国物流只用了十年便迎头赶上。但这些成就是通过大量堆积人力换来的，随着行业竞争加剧，人力成本日益高涨，物流行业要获得更进一步的发展，势必要逐渐摆脱对大量人力的依赖，转向依靠科技的力量。环节众多的物流行业，技术对其影响也是全方位的。但当前来看，推动物流行业进入智能时代，以中邮速递易为代表的智能快递柜企业是其中的先行军。

（3）传感检测模块。红外传感器成本低，使用方便，适用于短距离的测量。超声传感器方向性好，穿透能力强，适用于恶劣环境下的距离测量［13］。超声传感器和红外传感器在测距方面各有所长，在功能上可以实现互补，清洁机器人采用两种传感器结合的方式检测路面环境。检测系统模块中，红外传感器和超声传感器相互协作，共同完成避障工作。此外，在清洁机器人前端底部安装了两个红外传感器，发射接收头垂直于地面向下，防止地面出现落差，机器人从高处跌落。光电编码器用于检测驱动轮的速度，电子罗盘传感器用于检测行驶方向。

（4）无线通信模块。红外遥控装置功耗低、功能强、成本低，因此清洁机器人的远程操控采用红外遥控装置，同时，还可以通过无线保真功能，使用手机远程监控清洁机器人的工作状态。

（5）电源模块。总电源采用可充电锂电池，输出电压为12 V，各模块需要的电压为12 V、5 V和3.3 V不等，利用稳压芯片LM2575和LM2596对总电源进行稳压、降压处理，再分别供给各模块。

（6）外围器件。液晶显示屏显示清洁机器人的工作模式、工作速度、工作时间和日期等，发光二极管指示灯用于显示清洁机器人的工作状态和故障报警。

10　结论

多功能清洁机器人以AT89C52单片机为主控制器，采用模块化设计，结构紧凑，功能丰富，使用范围广，可以实现高层楼顶玻璃及大型商场等瓷砖地面的有效清洁，在很大程度上减轻了清洁人员的劳动强度，提高了工作效率。如何采用优化设计方法，使清洁机器人的结构更轻巧，功能更完善，且更智能化，是笔者目前正在研究的问题。本文的设计研究思路，为清洁机器人的应用场合多元化研究提供了参考。

参考文献

［1］ 陈志权，杨颖珊，张鉴勇，等.基于单片机STC 89C 52RC的家用雨棚清洁系统［J］.科技视界，2016（27）：31-32.

［2］ 杨存志，贺刚，尧李慧，等.全自走牛舍清洁机器人的设计［J］.农机化研究，2017，39（5）：90-94.

［3］ 矫玉菲，侯荣国，苏秋平，等.一种新型智能清洁机器人及其控制方法［J］.制造业自动化，2013，35（24）：26-29.

［4］ RANJANI R，NANDHINI M，PRAKASH C A.Autonomous External Glass Cleaning Robot［J］.Applied Mechanics and Materials，2016，852：757-762.

［5］ 唐雯珍，钱瑞明.一种玻璃幕墙清洁机器人的设计［J］.机械设计与制造工程，2017，46（1）：45-48.

［6］ 洪云波.多功能清洁机器人研究［D］.苏州：苏州大学，2015.

［7］ 苗玉刚，朱奎林，王刚.一种小型精密伺服电子压力机设计研究［J］.制造技术与机床，2017（6）：113-117.

［8］ 苗玉刚，文家雄，何玉辉.JWM系列升降机壳体动力学分析［J］.机械与电子，2017（2）：9-12.

［9］ 苗玉刚.电阻应变片封装用精密压力加载设备设计［D］.汉中：陕西理工学院，2015.

［10］苗玉刚，王刚，金洪吉，等.一种绿色节能的复合夹紧系统［J］.机械制造，2017，55（7）：7-10.

［11］梁辰滔，闫娟，张浩，等.环保型复合式避障清洁机器人的设计［J］.机械工程师，2015（10）：193-194.

［12］肖龙雪，池申，羌慰，等.内顶轨道驱动式课桌清洁机器人设计［J］.机械设计与制造，2015（7）：139-141，145.

［13］张建龙.清洁机器人避障控制及路径规划［D］.武汉：武汉科技大学，2015.