CN104407513A - 一种拖地机器人参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拖地机器人参数优化方法，包括：建立机器人拖地模型；分析机器人拖地过程中所涉及运动及结构参数；计算出参数之间约束关系。本发明提供的拖地机器人参数优化方法具有优化拖地机器人结构，确保拖地效果等优点，适用于一款利用海绵刷拖地的机器人，可有效解决拖地机器人技术中积水残留问题。

Description

一种拖地机器人参数优化方法

技术领域

本发明涉及自动清洁领域，具体涉及了一种拖地机器人的参数优化方法。

背景技术

近10多年来，总体来看，虽然自主清洁机器人的研究已经取得了很大进步，进入了实用阶段，同时也向着高智能化、多功能集成、低成本的方向发展，但是目前，自主清洁机器人在自主能力、工作效率等方面还不理想，需要进一步解决传感器技术、定位和环境建模等技术问题。

对于自主清洁机器人领域而言，拖地技术一直是该领域的研究难点。现有技术中的拖地技术，其拖地机理仍未健全，结构参数的选择依赖工程技术人员的经验，拖地机器人的结构参数没有达到最优值。若拖地机器人的结构参数不为最优，无法确保拖地效果。

因此，有必要对此拖地技术的工作原理进行透彻分析，进而优化拖地机器人的结构参数，确保拖地效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种拖地机器人参数优化方法，可有效解决拖地机器人技术中积水残留问题，确保拖地效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种拖地机器人参数优化方法，所述拖地机器人包括海绵刷子、海绵、刮板及水泵，所述方法包括步骤：

建立机器人拖地模型；

分析机器人拖地过程中所涉及运动及结构参数；

获得参数之间的约束关系。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的拖地机器人参数优化方法具有优化拖地机器人结构，确保拖地效果等优点，适用于一款利用海绵刷拖地的机器人，可有效解决拖地机器人技术中积水残留问题。

附图说明

图1是本发明拖地机器人参数优化方法中拖地机器人模型示意图；

图2是本发明拖地机器人参数优化方法中拖地机器人的海绵拖地过程的变化示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种拖地机器人参数优化方法，可有效解决拖地机器人技术中积水残留问题，确保拖地效果。

如图1所示，本发明公开的一种拖地机器人参数优化方法，所述拖地机器人包括海绵刷子、海绵、刮板及水泵，所述方法包括步骤：

建立机器人拖地模型；

分析机器人拖地过程中所涉及运动及结构参数；

获得参数之间的约束关系。

下面对每个步骤进行详细的描述。

建立机器人拖地模型：

理想状态下，清洁机器人在拖地时，假如海绵上水量处于未饱和状态，海绵就可以一直从地面吸水。但实际的拖地过程中，清洁机器人的行走速度，海绵刷子的转速，海绵的尺寸，海绵与地面的接触程度以及水泵的流量等因素都会影响拖地效果。

分析机器人拖地过程中所涉及运动及结构参数：

为实现清洁机器人最佳的拖地效果，即将地面清洗干净并将污水尽量全部回收，地面上没有明显的水迹残留。ω为海绵刷子的转速，R为海绵的半径，r为刷子轴的半径，d为刮板嵌入海绵中的深度，h为海绵被地面压缩的厚度，v为地面相对机器人的运动速度(即清洁机器人自身的运动速度)，水泵的流量为Q，此外刷子与刮板的长度都为L。

为确保地面无污水残留，需要面对两大问题。首先，清洁机器人工作过程中，海绵吸收的污水不会有渗水现象产生；其次确保地面污水全部被海绵吸收。

计算出参数之间约束关系：

为解决上述存在的问题，需要分析拖地过程进一步分析，以海绵刷子的任一截面为研究对象，运动过程中，其状态变化规律如图2所示，状态I为海绵受到刮板挤压，其半径为R-d，同时海绵上污水被挤出；从状态I到状态II过渡的过程中，海绵的逐渐恢复原状；当海绵受到地面挤压时，即状态III，其半径缩减到R-h；状态III到状态IV这一过程中，海绵从地面吸收污水，其半径逐渐变为R，达到状态IV时，海绵上吸收污水达到极大值，此时海绵刷子完成一个拖地周期。整个拖地过程由多个拖地周期组成。

状态I到状态III这一变化过程中，即海绵经刮板刮过之后至海绵被地面压缩这一过程中，海绵可能向外渗水，为确保无渗漏现象产生，必须满足R-h＜R-d这一关系，可知d与h关系

d＞h       (1)

针对第二个问题，为分析海绵吸水性能，引入占空比这一参数ρ，海绵占空比主要反映不同材质海绵的吸水能力

$\mathrm{\ρ}=\frac{V_c}{V}\×100\%---\left(2\right)$

其中，V为海绵在自然状态下的体积，V_c表示海绵在受挤压状态下的最小体积，当海绵受到挤压时，理想状态下，单位体积的海绵可以挤出η体积的水

η＝1-ρ       (3)

如果海绵被挤压或者膨胀α倍，海绵的占空比变为ρ′＝ρ/α，吸水比率为η′＝1-ρ′＝1-ρ/α。

由此可知，若该清洁机器人上海绵在自然状态下的体积为V，被挤压α倍之后，那该海绵最大的吸水量可达到(1-ρ/α)V。

又由图1可知，R，r，d和h这四个参数之间的几何关系为

$\left\{\begin{array}{c}R-r>d\\ R-R>h\end{array}\right.---\left(4\right)$

从状态I到状态III的变化过程中，海绵上的储水量不发生变化，即

W₁＝W₂＝W₃(5)

其中W₁，W₂，W₃，分别代表海绵在这三种状态下的储水量。若在状态III下恰好不发生污水泄漏，则海绵的储水量W₃达到理论上的最大值，对应的储水率η₃为

$\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_3=-{\mathrm{\ρ}}_3=1-\mathrm{\ρ}/\left(\frac{\mathrm{\π}({(R-h)}^2-r^2)L}{\mathrm{\π}(R^2-r^2)L}\right)\\ =1-\frac{R^2-r^2}{{(R-h)}^2-r^2}\mathrm{\ρ}\end{array}---\left(6\right)$

在Δt时间内，地板挤压并释放海绵的体积V₃

$\begin{array}{c}{V}_3=\mathrm{\Δt}\·{\mathrm{\ω}}^{\′}L({(R-h)}^2-r^2)\\ =\mathrm{\Δt}\·L(\mathrm{\ω}+v/(R-h)){{(R-h)}^{2}r}^2)\end{array}---\left(7\right)$

式(7)中，ω′为海绵刷子角速度ω与地面与清洁机器人相对速度v的共同作用结果，根据基点法将v转化为海绵刷子的角速度ω″＝v/(R-h)，则该段海绵中的储水量为

$\begin{array}{c}{W}_3=V_3\·{\mathrm{\η}}_3\\ =\mathrm{\Δt}\·L(\mathrm{\ω}+v/(R-h))(({(R-h)}^2-r^2)-(R^2-r^2)\·\mathrm{\ρ})\end{array}---\left(8\right)$

在状态IV时，海绵吸水达到饱和的储水率为η₄＝1-ρ，此时该段海绵中的储水量为

$\begin{array}{c}{W}_4=V_4\·{\mathrm{\η}}_4\\ =\mathrm{\Δt}\·L(\mathrm{\ω}+v/(R-h))(R^2-r^2-(R^2-r^2)\·\mathrm{\ρ})\end{array}---\left(9\right)$

在Δt时间内，海绵最大储水量为

$\begin{array}{c}W=W_4-W_3\\ =\mathrm{\Δt}\·L(\mathrm{\ω}+v/(R-h))(2\mathrm{Rh}-h^2)\end{array}---\left(10\right)$

水泵的流量为Q，泵在Δt时间内喷出的水的体积为

W′＝Q·Δt          (11)

为确保海绵能够全部吸收水泵喷出来的水，则W＞W′，确定h的值后得到各个参数之间约束关系。

关于h可采用一元三次不等式求值，但是求解过程较为繁琐，一般情况下，h可以取根据现有设计经验，取此处取得

$h>R-\sqrt{R^2-\frac{2\mathrm{RQ}}{(2\mathrm{R\ω}+3v)L}}---\left(12\right)$

根据式(1)、(4)、(12)拖地模块的参数设计应遵循以下约束条件

$R-r>d>h>R-\sqrt{R^2-\frac{2\mathrm{RQ}}{(2\mathrm{R\ω}+3v)L}}---\left(13\right)$

式(13)为拖地机器人的参数约束，在此基础上选取合适参数，一方面可保证清洁机器人的拖地效果，又可有效控制机器人的体积。

本发明提供的拖地机器人参数优化方法具有优化拖地机器人结构，确保拖地效果等优点，适用于一款利用海绵刷拖地的机器人，可有效解决拖地机器人技术中积水残留问题。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

Claims (9)

1.一种拖地机器人参数优化方法，所述拖地机器人包括海绵刷子、海绵、刮板及水泵，其特征在于：所述方法包括步骤：

建立机器人拖地模型；

分析机器人拖地过程中所涉及运动及结构参数；

获得参数之间的约束关系。

2.根据权利要求1所述拖地机器人参数优化方法，其特征在于：所述建立的拖地模型基于拖地机理，理想状态下，清洁机器人在拖地时，假如海绵上水量处于未饱和状态，海绵就可以一直从地面吸水。

3.根据权利要求1所述拖地机器人参数优化方法，其特征在于：所述机器人拖地包括四个运动变化过程，具体过程及结构参数为：

状态I：海绵受到刮板挤压，半径为R-d；

状态I到状态II：海绵的逐渐恢复原状；

状态III：海绵受到地面挤压时，半径缩减到R-h；

状态III到状态IV：海绵从地面吸收污水，其半径逐渐变为R；

其中，R为海绵的半径，d为刮板嵌入海绵中的深度，h为海绵被地面压缩的厚度。

4.根据权利要求3所述拖地机器人参数优化方法，其特征在于：所述状态I到状态III这一变化过程中，为确保海绵无渗漏现象产生，必须满足R-h＜R-d这一关系，可知d与h关系为d＞h。

5.根据权利要求4所述拖地机器人参数优化方法，其特征在于：所述R，r，d和h四个参数之间的几何关系为R-r＞h，R-r＞d，其中，r为刷子轴的半径。

6.根据权利要求5所述拖地机器人参数优化方法，其特征在于：海绵能够在Δt时间内最多存在的水的体积W＝Δt·L(ω+v/(R-h))(2Rh-h²)，水泵在Δt时间内喷出的水的体积W′＝Q·Δt，为确保海绵能够将地面上的水全部清理，需满足W′＜W，则L(ω+v/(R-h))(2Rh-h²)＜Q，确定h的值后得到各个参数之间约束关系，其中，ω为海绵刷子的转速，v为地面相对机器人的运动速度，Q为水泵的流量，L为刷子与刮板的长度。

7.根据权利要求6所述拖地机器人参数优化方法，其特征在于：所述h的取值范围为 $h=(\frac{1}{2}~\frac{1}{9})R.$

8.根据权利要求6所述拖地机器人参数优化方法，其特征在于：所述h的取值范围为 $h=(\frac{1}{3}~\frac{1}{5})R.$

9.根据权利要求8所述拖地机器人参数优化方法，其特征在于：得拖地机器人的参数设计遵循约束条件 $R-r>d>h>R-\sqrt{R^2-\frac{2\mathrm{RQ}}{(2\mathrm{R\ω}+3v)L}}.$