一、项目介绍

摘 要
针对传统人工擦黑板存在效率低、粉尘危害健康等问题，本文设计了一款能够自主完成黑板清洁任务的智能擦黑板机器人。首先，通过对比分析行走机构、吸附方式和清洁机构的优缺点，确定了四轮独立驱动、永磁吸附、旋转滚刷加负压集尘的总体方案。其次，完成了移动底盘、吸附系统、升降机构及清洁头等关键零部件的结构设计，利用多块永磁体提供可靠的吸附力，采用丝杠螺母传动实现清洁臂垂直升降，设计了旋转滚刷与负压集尘复合的清洁头。对支撑板等关键部件进行了有限元分析，结果表明强度与刚度均满足设计要求。最后，完成了驱动电机、传感器等标准件的选型计算，并进行了整机三维装配设计。该机器人可垂直吸附于黑板表面自主移动，实现“擦-吸-滤”一体化清洁，具有结构紧凑、吸附可靠、清洁效率高等优点，为黑板清洁自动化提供了一种可行的解决方案。

关键词：擦黑板机器人；永磁吸附；结构设计；有限元分析；自主清洁

本文主要内容
本课题的主要研究目的是研制一台可自主乘电梯、在多层教学环境自动清扫黑板的智能机器人，其要具有环境感知、自主导航、任务调度、人机交互和自我保护等多项能力。具体的研究所包含的几个方面有如下所示。
设计并实现一个以移动底盘、升降清洁臂、多传感器感知模块和主控单元为主要组成部分的机器人的硬件平台。这就需要设计一种适合于狭窄空间转向的差速移动底盘，设计出具有垂直升降和末端旋转自由度的清洁执行臂，使其可以覆盖标准教室黑板的所有区域，研发一种集各种工作情形于一体的清洁头，研究力传感器的擦拭压力自适应控制，建立多传感器融合的感知系统，即3D激光雷达、电梯按钮识别深度相机、状态感知的惯性测量单元和气压计。
设计一个多楼层地图创建与融合系统、依靠混合方法进行自动乘梯控制、用视觉指引完成黑板位置判定与清洁路径规划、可以完成云端任务调度和监管的软件架构。研究激光雷达多楼层地图构建与管理的方法，建立楼层级次级地图，利用电梯口连接点实现地图间的更新变换，研究跨楼层重定位技术，用自适应蒙特卡洛定位算法结合气压计楼层先验信息优化。
本文章节安排如下，第一章绪论主要阐述研究背景、研究意义及现有研究现状；第二章机器人的总体设计；第三章机器人的硬件和结构设计；第四章机器人的导航和路径规划算法设计；第五章机器人的控制和软件实现；第六章实验结果分析；最后总结和展望。

系统总体架构
本擦黑板机器人系统采用分层式总体结构，从下到上分为硬件层、驱动层、功能层和应用层。硬件层是由移动底盘、升降清洁臂、多传感器感知模块、主控单元组成，是机器人的物理基础。驱动层封装了行走电机驱动、升降电机驱动、清洁电机驱动、风机驱动等各执行部件的驱动程序，并提供了一个硬件抽象接口。功能层就是机器人主要的功能模块，分为SLAM建图定位模块、路径规划模块、自主乘梯模块、黑板清洁模块、人机交互模块。应用层主要为最终使用者，提供任务调度和监控的功能，即云端任务下发、多楼层任务队列控制、机器人状态监控、异常报警等。分层结构有着较好的模块化、可扩展性，各个层次之间用清楚的接口进行通信，方便后期功能的添加或者修改。整个系统以机器人操作系统为基础建立起来，充分利用其分布式通信框架以及丰富了的算法库资源，各个模块为独立节点，依靠话题和服务来完成数据交流。
机器人总体结构方案
根据以上设计要求，本机器人确定的总体结构方案是履带式移动底盘加多自由度关节型机械臂，并且装有多种传感器融合感知系统。移动底盘使用履带式结构，相对于轮式底盘而言，履带式底盘有接地比压低、通过性好、爬坡爬台阶能力强等特点，可以更好地适应教室讲台等非结构化环境。底盘内部集成有电池、驱动电机、主控制器等主要部件，底盘主体用铝合金框架结构，在保证足够强度的基础上尽量减重。底盘尺寸1.2米*0.6米，可以在教室的走廊和门口处自由转动。
执行机构使用的是三节串联机械臂的形式。第一节为垂直固定于底盘前部的立柱，高度0.6米，作为整个机械臂的支撑基础。第二节臂可以绕竖直轴转动180度，从收纳状态到工作状态之间转换，臂长为1.1米。第三节为末端擦板执行器，臂长0.35米，可在黑板平面内进行旋转和摆动擦拭。三节臂设计可以保证足够的擦拭范围，而且结构紧凑，在不工作的时候可以把机械臂收回到底盘上面，减小整车高度以利于移动和存放下。末端擦板为圆形毛刷，半径0.1米，可随时更换。
感知系统主要是由导航定位模块、环境感知模块、专用清洁感知模块和电梯交互模块这四个部分组成。导航定位模块中3D激光雷达完成同步定位与建图、导航任务，惯性测量单元做姿态检测、航向修正，电机编码器给出里程计数据。环境感知模块有深度相机进行黑板检测和避障、超声波传感器做近距离障碍物检测。专用清洁感知模块有末端压力传感器来完成擦拭压力的闭环控制、视觉传感器做清洁效果评价。电梯交互模块有二维码识别相机定位电梯按钮、红外传感器检测电梯门的状态两种方式。

二、文档介绍

三、项目设计与实现

履带行走系统结构设计
移动底盘是擦黑板机器人的基础承载部件，承受机器人自重及清洁作业时的反作用力，并将这些载荷传递给地面。底盘的性能直接影响整机的通过性和作业稳定性。本设计采用左右对称的履带式结构，两侧履带可独立驱动，通过控制两侧驱动轮的转速差实现转向。底盘框架材料选用6061铝合金，具有良好的比强度和良好的加工性能，弹性模量E=69GPa，泊松比μ=0.33，密度ρ=2700kg/m3，屈服强度σs=240MPa。底盘框架采用50mm×50mm×3mm的方钢管焊接成型，外形尺寸为长L = 1200mm、宽W = 600mm。驱动轮半径r = 100mm，采用橡胶轮毂以增加与履带的啮合可靠性。驱动轮与从动轮中心距Lc=1080mm，履带宽度b = 120mm，有效接地长度Lg=500mm。设计爬台阶高度h = 150mm，这是根据标准教室讲台高度确定的。履带采用橡胶材质，内嵌凯夫拉纤维线绳，既保证了足够的抗拉强度，又具有良好的柔韧性和耐磨性。底盘内部设置横向和纵向加强筋，形成多个隔舱，分别用于安装电池组、主控制器、电机驱动器和其他电气元件。底盘底部预留无线充电接收模块的安装位置，安装平面距地面高度hcharge=15mm，满足无线充电距离5-10mm的要求。

擦板执行器结构尺寸设计
末端擦板执行器是实现黑板清洁功能的最终执行部件。本设计采用中空伺服电机直接驱动行星减速机的结构方案，中空轴的设计允许电源线、信号线和吸尘管从电机中心穿过，有效解决了擦板连续旋转时的线缆缠绕问题。擦板采用圆形毛刷，半径rp=100mm，毛刷材质选用柔软耐磨的尼龙丝，既能有效擦除粉笔字迹，又不会损伤黑板表面。毛刷采用模块化设计，可快速拆卸和更换。中空伺服电机型号为TMH3-100，额定功率P=100W，额定转速nmotor=3000rpm，额定扭矩Tmotorrated=0.318N⋅m。配套减速机选用纽卡特PLF60-50型行星减速机，减速比i = 50，传动效率\eta = 0.85。输出转速在连续旋转模式下为：该执行器需要满足两种典型工作模式的切换要求。第一种是大面积擦拭模式，要求擦板做360∘连续旋转，转速达到60rpm。第二种是局部精细擦拭模式，要求擦板做±90∘往复摆动，摆动频率达到1次/秒。两种模式的切换由控制系统根据黑板字迹识别结果自动完成。擦板与黑板之间的接触力由压力传感器实时检测，设计接触力F_n = 8N，这是经过实验验证的既能保证清洁效果又不会损伤黑板的合适压力。
机架结构尺寸设计
机架是连接底盘与机械臂的骨架结构，承受着机械臂工作时产生的各种载荷。本机器人的机架分为底盘机架和立柱两个部分。底盘机架采用50mm×50mm×3mm的6061铝合金方钢管焊接成矩形框架结构，外形尺寸为长Lf=1200mm、宽Wf=600mm。弹性模量E=69GPa，泊松比μ=0.33，密度ρ=2700kg/m3，屈服强度σs=240MPa。框架内部设置多道横梁，一方面增强框架的整体刚度，另一方面为各部件提供安装基座。框架的四个角设置有承重轮和驱动轮的安装支座，支座采用机加工件焊接在框架上。底盘机架的设计充分考虑了各内部部件的布局和维修可达性。
立柱作为第一节臂，采用150mm×150mm×5mm的方形铝合金型材，高度H_0 = 600mm。方形截面具有较好的抗弯和抗扭性能，适合承受机械臂工作时的弯曲力矩。立柱通过厚度为15mm的铝合金底板与底盘框架连接，底板与底盘之间采用8颗M10高强度螺栓紧固。立柱与底板之间设置4个三角形加强筋，加强筋厚度ts=10mm，高度hs=80mm，有效提高了立柱根部的抗弯刚度。立柱顶端设计有安装法兰，法兰面经过精密加工，平面度要求0.02mm，表面粗糙度Ra = 1.6\mu m，用于安装谐波减速机的刚轮。

传感器与通信模块选型
为了使机器人具有自主导航以及智能作业的能力，就需要配置多种传感器。导航定位传感器部分，激光雷达使用的是思岚RPLIDAR S3型，它采用激光三角测距的方式测量距离，测量半径可达25米，扫描频率是每秒15转，角度分辨率为0.225度，可以满足室内建图和导航的要求。惯性测量单元采用的是博世BMI088型，集成有三轴加速度计、三轴陀螺仪，并且可以自定义量程，温度稳定，可以给机器人提供准确的姿態信息。绝对值编码器使用多摩川TS5700N型，分辨率为17位，即每转131072个脉冲，使用BiSS-C高速串行通信协议，断电后可以记忆位置，用在第二节臂的角度反馈上。
环境感知传感器部分，深度相机用到的是Intel公司的RealSense D435型号，该产品使用的是主动红外立体视觉技术，在0.2米至10米之间可以得到深度数据，分辨率达到1280乘以720，帧率为30帧每秒，适合于对黑板区域做检测并判断有无阻挡物。超声波传感器采用HC-SR04型，一共安装有4个，在底盘的前后左右四个方向上布置，探测距离为2厘米到400厘米，用于近距离的障碍物检测和防撞保护。防碰撞传感器选用了欧姆龙D5B型，共配置4个，安装在底盘的四周，机器人碰到障碍物的时候可以立刻触发紧急停止。
专用清洁感知传感器压力传感器用霍尼韦尔FSS1500NST型，量程为0～15N，精度为满量程的正负百分之零点五，输出是模拟电压信号0.5V到4.5V，用作实时检测擦板与黑板之间的接触力，实现力闭环控制。采用欧姆龙CMOS相机做黑板洁净度检测，用以判定是否要进行重复擦除。电梯对接传感器中二维码识别相机为海康威视MV-CE013型，用于识别粘贴在电梯按钮旁的二维码，得到电梯编号、楼层信息。红外传感器使用的是夏普GP2Y0A41SK0F型，共有2个，用作电梯门开关状态的检测。通信模块部分选用华为MH5000-31型号5G模组，用于远程监控、调度，LoRa模块与电梯控制系统的无线通信使用LoRa模块。减速机选型分析
本机器人为两个类型精密减速机即行星减速机、和谐波减速机，分用在不同的传动场合。行星减速机用在行走系统和第三节擦板系统上，它的基本结构是由太阳轮、行星轮、内齿圈、行星架组成的。太阳轮输入动力时，行星轮同时绕自身的轴线自转和绕太阳轮公转，用行星架输出动力。行星减速机主要优点有：传动效率高，单级可以达到95%以上；结构紧凑，功率密度大；承载能力强，可以承受较大的冲击载荷；背隙小，定位精度高。纽卡特PLF60系列行星减速机的背隙可以控制在5弧分以内，可以满足本机器人的定位要求。
谐波减速器用在第二节的旋转系统上，它的工作原理与传统的齿轮传动有很大不同。谐波减速机由刚轮、柔轮、波发生器这三个基本构件组成，刚轮是内齿圈，齿数比柔轮多；柔轮是薄壁弹性杯形件，外齿与刚轮内齿啮合；波发生器是椭圆形凸轮，外套有柔性轴承。当波发生器旋转时，使柔轮发生周期性的弹性变形，柔轮和刚轮在椭圆长轴两端啮合，在短轴两端脱开。由于柔轮齿数比刚轮小，所以波发生器每转一圈，柔轮就反向转动了几个齿，达到大减速比的效果。谐波减速机的突出优点就是传动比大、体积小、质量轻、零回差，非常适合做高精度定位关节。但是谐波减速机柔轮制造工艺要求高、成本高。
两种减速机的选型都考虑到了安全裕度。行走系统所需的扭矩为13.23牛米，采用PLF60-60额定扭矩为25牛米，安全裕度为1.9倍。第二章为动力传动系统设计部分，本文通过仿真分析可知，所选的CSF-14-200型谐波齿轮减速机满足要求，在5.556N•m的情况下，其最大输出扭矩可以达到80N•m，安全裕度为14.4倍，由于谐波减速机柔轮承受交变载荷，安全裕度大有利于延长使用寿命。第三节擦板系统所需输出扭矩为6.372牛米，选用的PLF60-50额定输出扭矩为20牛米，安全裕度为3.1倍。各个减速机的选型都留有足够的安全余量，保证了整个机器的可靠性以及使用寿命。

总 结
本文针对目前擦黑板机器人不能跨楼层作业的应用问题，设计出一种可以自主乘坐电梯，在楼宇内实现自动清洁黑板的智能机器人。本文主要研究机器人机械结构设计，从总体方案确定到关键零部件设计再到标准件选型、总装等全部工作都完成了。
机器人系统总体方案设计时按照功能要求来确定履带式移动底盘和多自由度关节型机械臂相结合的整体结构。履带式底盘有较好的接地性能，能爬过15厘米高的讲台台阶。三节串联机械臂完全展开时末端最高可达2.68米，最低可达1.98米，可以完全覆盖标准教室黑板0.8米到2.2米的书写区域。感知系统集成有激光雷达、惯性测量单元、深度相机、压力传感器等多种传感器，给自主导航、黑板定位、压力控制和电梯交互等提供了一个全面的硬件基础。
对行走系统、第二节旋转系统、第三节擦板系统做了详细力学计算以及参数匹配的分析工作。行走系统的牵引力是176.4牛，驱动轮输出扭力是13.23牛米，接地比压为4.08千帕。第二节旋转系统总转动惯量为3.227千克平方米，负载扭矩为3.704牛米，采用200比1谐波减速机，实际完成时间是6.5秒，电机安全裕度是29.2倍。第三部分擦板系统在摆动工况下惯性扭矩为3.848牛米，负载扭矩为4.248牛米，采用50比1行星减速机，电机安全裕度为2.12倍，峰值功率校核满足要求。机架为铝合金方管焊接件，通过力学计算保证刚度、强度满足要求。
标准件选型和总装设计，完成所有标准件的选型。行走系统采用台达200瓦伺服电机、第二节采用松下100瓦低转速伺服电机、第三节采用定制100瓦中空伺服电机。24伏的48安时磷酸铁锂电池组可以支持使用2个小时，可以支持200瓦无线充电。用三维建模软件完成整机虚拟装配，保证无干涉性，完成线缆布局规划。整机设计质量为50千克，收纳状态下外形尺寸为长1.2米、宽0.6米、高0.63米，工作状态下最高2.68米。