摘要：现阶段，我国大都采取人工清扫楼梯楼道的方式，工作量较大，不仅打扫过程繁杂，而且也浪费了大量的人力资源，鉴于此，本文提出了楼梯清洁机器人的相关设计和运用。依据平行四边形的形变特点，实现机器人的上下楼梯功能，且由形变带动中心变化，从而增强机器人的稳定性。本文主要结合以下几方面展开论述，内容如下。
关键词：楼梯；清洁机器人；自动化
伴随着社会的进步和发展，越来越多的自动化和智能化系统被研制和开发出来，从而将人类的体力劳动有效替代。楼梯清洁机器人即是采取智能化的设备，代替楼道清洁工完成打扫和清洁工作，具有较大的使用和发展价值。人们对于移动机器人的研究可追溯至20世纪60年代，且主要具有三种机构模式如轮式、腿式、履带式，但具有一些优势和不足之处。为此，本文重点讨论了楼梯清洁机器人的整体设计、硬件设计方面，以供参考。
1.楼梯清洁机器人的整体设计
楼梯清洁机器人的控制流程为：先为机器人插电，使红外测距系统和电机开始工作，当机器人行至楼梯旁时，借助其一侧的红外测距传感器对机器人进行控制，使其在打扫时沿着楼梯进行。并依据机器人体前端下方的红外测距传感器，测出其有无到第一台阶位置处。若到达，则前端电机工作，并将清洁刷放下，与地面相接触后，位于清洁刷上的电机则开始转动，由正至反向转动两次进行清扫。然后清洁刷在抬起瞬间向前移动，并推动机器人的重心，使其提起后脚前移，上升一个台阶，并重复循环以上操作。
机器人可通过其脚部位置的传感器，判断是否到达楼道转弯处，并缓慢前行，通过清洁刷的不停运动，来清洁转弯位置，并依据红外测距传感器，判断机器人位置，若到达墙脚处时自动转弯。转弯处清扫完成后，则继续清洁楼道台阶。
当清洁完一侧楼梯卫生时，机器人就会倒着清洁另一侧的工作，最后则会实现对整个楼道的打扫。
2.楼梯清洁机器人的硬件设计
2.1上下楼梯车轮结构设计
楼梯清洁机器人共有三种爬楼梯方式，即腿式、行星和履带式爬楼梯。这三种不同的结构，都具有缺陷和不足，如腿式爬楼梯具有相对复杂的结构，对于铰链杆件的使用，导致其极易引发故障，且维修麻烦，此外，其在平地上工作时，具有非常低的运动效率，称重能力较差。在使用行星轮式爬楼梯时，由于行星轮的公转半径与楼梯尺寸一定，因此楼梯的高度不同时，行星轮很难进行稳定攀爬，具有较小的适用性。履带式爬楼梯在平面上具有相对较低的效率，且会损坏楼梯。
因此，在对以上三种运动方式进行分析比较后，本文提出了复合轮概念，不仅能够确保爬楼梯速度，而且在高度不同的楼梯上都可进行攀爬，从而有效弥补了行星轮式结构的缺陷。此外，在设计机器人在楼梯上的运动时，也依据了轮子的变形原理。该复合轮示意图如图1所示。
.png)
图1上下楼梯车轮基本结构
2.2红外测距电路
针对机器人与障碍物之间的距离与高度，本次研究选取了GP2D12型号的红外测距传感器进行测量，被测物体颜色不会对其造成影响。该红外测距传感器的测量量程为10~80cm；允许测量最大角度为40°；平均功耗和峰值功耗分别为为35mA和200mA；频率为25Hz/40ms；电源电压为4.5~5.5V；模拟输出噪声小于200mV。红外测距传感器测量的距离与输出的模拟电压之间的关系为反比非线性。红外测距传感器对于电压的输出为一变化值，可将模拟口端口数据直接读取出来，距离较远，则数值较小，反之则较大。
2.3电机驱动
在对电路进行控制，操纵电动机的运转时，选择继电器进行。由于电机所需电压远大于单片机的电压，因此需将继电器加入电路中，而不可单独连接单片机。
在对电机的正反转运动进行控制时，可借助直流减速电机完成，将电机电源电压改变，在降速的同时，直流减速电机可将输出扭矩提高，从而有效减轻负载惯量，以此来提升系统的反向自锁能力。采取直流减速电机控制电路，操作简便，流程简单，成本较低，对电源无太大要求。
2.4单片机最小系统
本文所使用的单片机型号为STC89C51，是一种只读存储器，字节为4K，可编程，可反复擦除，最高可擦除100次。该器件在制造时选取的存储器制造技术为ATMEL高密度不可随意丢失性技术，其设计情况类似于MCS-51指令集，与其输出管脚具有较好的兼容性。STC89C51单片机的单个芯片中不仅包含闪烁存储器，而且还具有多功能8位CPU，因此该单片机控制器在工作时具有高效性，且作为一种良好的控制器件，适用于多种嵌入式控制系统中，不仅价格低廉，而且具有较好的灵活性。在一些简单的接口电路中连接单片机，即可获得单片机的最小系统。
3.结语
本文主要论述了楼梯清洁机器人的整体及硬件设计两方面，并依据平行四边形的形变原理，根据平行四边形前后两边反复运动，使机器人实现自行前进。机器人在运动过程中，其清洁系统也会根据整体的前进而作出相同动作，从而保持系统的重心位置不变，始终位于前方位置处，继而保障了机器人可平稳的上楼梯。该机器人依据平行四边形原理，促使其发生形变时，采取齿轮咬合传动进行，而恢复形变时则借助电机的正反转实现。其清洁系统在操控拖把时，采取齿轮咬合结构实现，从而使拖把具有上下、左右的移动状态，进而将楼道清扫干净。在判断机器人的爬楼梯状态时，可将一传感器置于其脚部位置，使其辨别方向。综上，对于楼梯清洁机器人的设计和研究，具有非常深远的价值和现实意义，然而从当前的发展来看，其依然处于前期的成长阶段，尚不成熟，需要投入大量的人力和物力资源，进行更深一步的研究和探索。
参考文献
[1]樊红卫, 杜永刚, 王鑫宇,等. 箱体式楼梯清洁机器人的结构与控制系统设计[J]. 机械制造, 2019, 57(02):36-39.
[2]朱坚民, 李付才, 李海伟,等. 轮腿式爬楼梯移动机器人的设计及运动特性分析[J]. 中国机械工程, 2017, 024(020):2722-2730.
[3]尧李慧, 蔡晓华, 田雷,等. 牛舍清洁机器人结构设计与避障设计[J]. 农机化研究, 2018, 040(002):70-74,79.
[4]姚兴田, 马永林, 张磊,等. 升降伸缩式楼道清洁机器人结构及控制系统设计[J]. 机械设计与制造, 2016, 000(004):262-264.