一種自動(dòng)清洗玻璃窗的機(jī)器人

王 碩，陶學(xué)恒，李玉光

(1.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧大連 116034;2.大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116021)

一種自動(dòng)清洗玻璃窗的機(jī)器人

王 碩1，陶學(xué)恒1，李玉光2

(1.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧大連 116034;2.大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116021)

基于51單片機(jī)的控制原理，研制了一種自動(dòng)清洗玻璃窗的機(jī)器人及其控制系統(tǒng)，包括清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、樣品的工作過(guò)程簡(jiǎn)介。實(shí)驗(yàn)表明，該清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制可靠、清洗效果較好，可以推廣到家居和樓宇的清洗領(lǐng)域。

玻璃窗自動(dòng)清洗;單片機(jī);無(wú)線通信;光電傳感器

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)智能家居清洗系統(tǒng)的很多指標(biāo)，如生產(chǎn)成本、清潔度、清洗速度、操作過(guò)程的自動(dòng)化程度、抗干擾能力等方面提出了越來(lái)越高的要求，其中生產(chǎn)成本、操作過(guò)程的自動(dòng)化程度為智能家居清洗系統(tǒng)的最重要技術(shù)指標(biāo)。操作過(guò)程自動(dòng)化程度的高低是智能家居清洗系統(tǒng)是否走向成熟的標(biāo)志，降低生產(chǎn)成本是將智能家居清洗設(shè)備大眾化的必經(jīng)之路。在許多應(yīng)用場(chǎng)合，需要這種清洗系統(tǒng)來(lái)代替危險(xiǎn)的、繁瑣的人工操作［1-4］。

近年來(lái)，都市中的高層建筑越來(lái)越多，雖然目前對(duì)高層建筑的玻璃窗清洗工作主要還是由清洗工人搭乘吊籃或腰系繩索完成的，但目前已經(jīng)有好多的機(jī)構(gòu)、研究所等設(shè)計(jì)并制造出一些可以代替人工完成高層建筑清洗任務(wù)的玻璃擦拭機(jī)等，推動(dòng)了清洗業(yè)的發(fā)展，帶來(lái)相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。但對(duì)于一些相對(duì)低矮的建筑物的外表面，如北京市城鐵站，雖然距離地面不是太高，但是也非人工擦洗所能輕易完成。

傳統(tǒng)的人工清洗方式既危險(xiǎn)，效率又低且成本高。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究了一些用于高樓玻璃幕墻清洗的爬壁機(jī)器人模型，但目前都還沒(méi)有實(shí)用化。究其原因，機(jī)器人的體積和質(zhì)量、實(shí)用性、清洗工藝和效率等關(guān)鍵問(wèn)題制約了清洗機(jī)器人的發(fā)展［5-8］。

目前國(guó)內(nèi)外已研制出的用于玻璃窗清洗的機(jī)器人有以下的特點(diǎn):

(1)機(jī)器人本體體積龐大。

(2)機(jī)器人整體系統(tǒng)復(fù)雜。

(3)機(jī)器人附加輔助裝置較多，增加了機(jī)器人的重量。

由此可知，人們不愿意采用清洗機(jī)構(gòu)來(lái)完成清洗作業(yè)，加上清洗作業(yè)的危險(xiǎn)度不是太高，所以人們寧愿采用人工擦洗代替清洗機(jī)器人擦洗。據(jù)此，本文作者設(shè)計(jì)出了一種采用永磁鐵將清洗裝置吸附在玻璃窗兩側(cè)，通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)該裝置來(lái)完成清洗工作的輕型機(jī)器人。

由于大連恒瑞公司基于“玻璃窗自動(dòng)清洗裝置的研制”項(xiàng)目已經(jīng)立項(xiàng)，本系統(tǒng)預(yù)期完成其相關(guān)設(shè)計(jì)要求，并達(dá)到實(shí)際中的生產(chǎn)與應(yīng)用。

1 清洗機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外智能家居中的自動(dòng)清洗裝置大多比較昂貴、沉重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性價(jià)比低，針對(duì)此現(xiàn)狀設(shè)計(jì)一個(gè)高性價(jià)比的機(jī)器人，并且在降低成本的同時(shí)還需考慮清洗機(jī)器人的質(zhì)量和穩(wěn)定性的優(yōu)化。

清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):

(1)不添加任何化學(xué)品，無(wú)污染，不會(huì)對(duì)玻璃造成腐蝕，只需要清水即可完成對(duì)玻璃窗的清洗。

(2)適用于大多數(shù)民用的玻璃窗的清洗，而且很多零部件具有互換性，適用于不同尺寸的玻璃窗。

(3)智能家居中的清洗裝置價(jià)格大多比較昂貴，需要大幅度降低成本，提高機(jī)器人的性價(jià)比。

(4)使用遙控器進(jìn)行無(wú)線控制，控制過(guò)程簡(jiǎn)單易學(xué)，使用方便。

(5)機(jī)器人的安全性好，直接用夾子固定在玻璃窗上，不易脫落。

圖1 清洗機(jī)器人工作過(guò)程簡(jiǎn)圖

內(nèi)部清洗裝置帶動(dòng)外部的清洗裝置在玻璃窗上完成上下、左右方向上的移動(dòng)，外部裝置又是從動(dòng)清洗裝置，隨內(nèi)部驅(qū)動(dòng)裝置的移動(dòng)而在玻璃窗外部相對(duì)移動(dòng)，以完成清洗。此裝置需要用兩個(gè)直流減速電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，用遙控器控制兩個(gè)電機(jī)的上下、左右的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)控制大電機(jī)的正反轉(zhuǎn)完成清洗裝置的上下移動(dòng)，通過(guò)控制小電機(jī)的正反轉(zhuǎn)完成清洗裝置的左右移動(dòng)，機(jī)器人上下左右的移動(dòng)都是通過(guò)齒輪與齒條的嚙合運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)的。清洗裝置的下方設(shè)有海綿擦作為清洗工具，上邊和右邊設(shè)置兩個(gè)刮板將臟水刮掉，清洗時(shí)用小水泵和吸水管先將外部玻璃噴上水(也可以將吸水管的一端固定在清洗裝置上，一邊清洗，一邊噴水)，人工控制讓該裝置從玻璃底部上行至頂部，之后左右反復(fù)、自上而下的清洗，清洗時(shí)，通過(guò)光電傳感器的識(shí)別功能可使清洗裝置自動(dòng)的左右移動(dòng)清洗，上下移動(dòng)的套筒也安裝了光電傳感器，機(jī)器人可自行識(shí)別上下移動(dòng)的距離，不會(huì)因?yàn)槿藶椴僮髟蚨斐蓹C(jī)器人出現(xiàn)故障。建議客戶用此裝置清洗玻璃時(shí)，需要清洗兩次，以保證清洗效果，見圖1。

清洗機(jī)器人的研制步驟:

(1)對(duì)此機(jī)器人進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，各個(gè)零部件材料的選擇，以及尺寸的最優(yōu)化。

(2)運(yùn)用51單片機(jī)來(lái)完成對(duì)該裝置的控制，并實(shí)現(xiàn)遙控器的無(wú)線控制。

(3)通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，選擇大、小兩個(gè)電機(jī)、傳感器以及其他零部件的型號(hào)、規(guī)格。

(4)制作樣品，觀察機(jī)器人控制的穩(wěn)定性、安全性以及清洗效果，并且針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行裝置的改善。

2 清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2所示清洗前用上下兩個(gè)夾子將清洗機(jī)器人固定在玻璃窗上，利用永磁鐵的磁力將機(jī)器人的內(nèi)部、外部的清洗裝置吸附在玻璃窗的兩側(cè)，通過(guò)大、小兩個(gè)電機(jī)控制清洗機(jī)器人上下、左右兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)?？刂撇糠?51單片機(jī)控制器)通電后，可通過(guò)遙控器控制兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和速度;外部清洗裝置可以安裝噴水管，通過(guò)小水泵(普蘭迪水泵，功率:12V·2A，外型尺寸:160*100*60mm，最大吸程2m)引水向玻璃表面噴射，可以一邊清洗、一邊噴水;縱向移動(dòng)的套筒外端設(shè)有軸承，用軸承的滑動(dòng)摩擦代替套筒的靜摩擦，大大增強(qiáng)了清洗機(jī)器人的使用壽命;考慮到該機(jī)器人行走到玻璃窗的邊緣時(shí)，人工控制其停止或是反向運(yùn)動(dòng)比較麻煩，所以在清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)套筒上安裝了光電傳感器E18(U:5VDC，I:100mA，Sn:3-80CM)以及兩個(gè)支撐桿上的四個(gè)傳感器標(biāo)志器進(jìn)行清洗裝置的位置檢測(cè)，來(lái)完成機(jī)器人不需人工控制，而接近玻璃窗邊緣時(shí)自行進(jìn)行運(yùn)動(dòng)清洗，E18傳感器探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)最終選擇了此傳感器。

圖2 清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

清洗機(jī)器人的強(qiáng)度和質(zhì)量的最優(yōu)化是本設(shè)計(jì)的難題，民用的玻璃窗清洗裝置要求質(zhì)量小，價(jià)格低，效果好，而質(zhì)量小了裝置的強(qiáng)度也就相對(duì)變小，只有通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)選擇各個(gè)零部件的材料以及合適的尺寸。

清洗機(jī)器人的兩個(gè)支撐桿材料為聚乙烯，密度為0.9g/cm3，強(qiáng)度較好，不易彎曲變形，材料中空，震動(dòng)較小;該機(jī)器人需要用上下兩個(gè)夾子固定在玻璃窗上，所以?shī)A子的強(qiáng)度必須達(dá)到要求，否則容易使清洗機(jī)器人從玻璃窗上脫落，而造成危險(xiǎn)，本設(shè)計(jì)用3mm厚的碳素工具鋼板制作夾子，強(qiáng)度可靠;橫向與縱向的兩個(gè)移動(dòng)套筒的強(qiáng)度要求也很高，但是要減小機(jī)器人的整體質(zhì)量，需要用聚乙烯來(lái)加工;考慮到齒輪與齒條的強(qiáng)度、質(zhì)量以及使用壽命，本設(shè)計(jì)采用45#鋼齒輪(17齒，外徑19mm，模數(shù)1)，以及尼龍材料的齒條(模數(shù)1，截面為10*10mm);清洗裝置的主體材料為聚乙烯，下方放置海綿擦，左右兩側(cè)放置磁鐵;清洗裝置靠永磁鐵吸附在玻璃窗的兩側(cè)，所以對(duì)永磁鐵的選擇過(guò)程很復(fù)雜，磁鐵的力量過(guò)大使得電機(jī)堵轉(zhuǎn)、甚至夾壞玻璃，但是磁鐵的力量小會(huì)影響該裝置的行走，也有可能使得外部清洗裝置從玻璃上脫落，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，選擇釹鐵硼磁鐵，牌號(hào):N35，鍍層:鎳銅鎳，尺寸參數(shù)150*20*7mm，剩磁:11700～12200Gauss，最大磁能積:33 ～36 MGOe，其質(zhì)地堅(jiān)硬，性能穩(wěn)定，磁鐵吸力得當(dāng);清洗裝置的對(duì)大小兩個(gè)電機(jī)的要求也很苛刻，電機(jī)的質(zhì)量不能過(guò)大，但是質(zhì)量小的電機(jī)力量又不夠，只能通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)選取合適的電機(jī)，本設(shè)計(jì)選擇小電機(jī)型號(hào)為37GB3329，空載轉(zhuǎn)速:80r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)速:61r/min，輸出扭矩:7kg.cm，額定功率24V·0.6A，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，而且強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，大電機(jī)型號(hào):60GAFM，電壓:DC24V，空載轉(zhuǎn)速:60r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)速:46r/min，輸出扭矩:20kg.cm，經(jīng)測(cè)試電機(jī)的速度以及輸出扭矩達(dá)到要求。

清洗機(jī)器人整體尺寸的設(shè)計(jì):將清洗機(jī)器人的尺寸做到最優(yōu)化是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)難題。如果機(jī)器人尺寸過(guò)大，雖然清洗面積廣、效率高，但使得裝置行走不便(在玻璃窗四角進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)受阻);機(jī)器人的尺寸也不能過(guò)小，會(huì)影響清洗效率。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)選擇清洗機(jī)器人的清洗主體尺寸為200*200*20mm，而清洗機(jī)器人的兩個(gè)支撐桿可已生產(chǎn)多種尺寸，可根據(jù)客戶提供的尺寸來(lái)選擇兩個(gè)支撐桿的尺寸。

3 清洗機(jī)器人的控制設(shè)計(jì)

由于清洗機(jī)器人工作環(huán)境的特殊性，要求控制系統(tǒng)具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，易于功能擴(kuò)展等特點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)由51單片機(jī)，遙控器兩部分組成。

本設(shè)計(jì)考慮簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)、降低控制部分的成本，決定采用單片機(jī)的控制技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)行對(duì)清洗裝置的單機(jī)控制，并用C語(yǔ)言編寫程序。

3.1 硬件電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)用單片機(jī)控制系統(tǒng)(51單片機(jī)，主芯片STC89C54RD+)實(shí)現(xiàn)對(duì)該裝置的無(wú)線(遙控器)控制，控制芯片選擇L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，最大電流可達(dá)到2A;使用IR1308紅外解碼芯片以及TC9012紅外發(fā)射芯片完成對(duì)清洗機(jī)器人的無(wú)線控制，測(cè)試過(guò)程中，按鍵控制清洗裝置行走時(shí)非常靈敏，不受其他遙控器的干擾，性能很穩(wěn)定。考慮到節(jié)省電源，電路設(shè)計(jì)采用LM7805穩(wěn)壓芯片，將24V的電壓轉(zhuǎn)為5V，并為51單片機(jī)供電，電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在一定的誤差，轉(zhuǎn)換后的電壓一般在4.8V-5.1V之間，不影響單片機(jī)控制電路的正常工作。采用8個(gè)1N4007二極管蓄流，使PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的電流更加平滑，電機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定。光電傳感器在遇到范圍內(nèi)的障礙物時(shí)，輸出的電位會(huì)被拉低，本設(shè)計(jì)用四個(gè)單片機(jī)的引腳控制四個(gè)光電傳感器，見圖3。

圖3 51單片機(jī)控制系統(tǒng)

3.2 軟件編程

如圖4所示軟件編程部分:①紅外接收與解碼;②大、小電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制;③傳感器的檢測(cè)。

圖4 KEIL編譯環(huán)境

以Keil uVision2作為軟件編程的環(huán)境，以STCISP V38A作為程序燒寫的工具，用C語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫，將在Keil uVision2里面編譯好的程序(生成的.HEX文件)燒寫到51單片機(jī)中，見圖5。

圖5 51單片機(jī)燒寫工具

4 樣品測(cè)試

本文研制的玻璃窗清洗機(jī)器人在大批量生產(chǎn)之前已經(jīng)在大連的機(jī)械加工企業(yè)加工了樣品，用來(lái)測(cè)試本裝置控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及清洗效果。

4.1 樣品的加工

樣品的結(jié)構(gòu)與圖2所示的玻璃窗清洗機(jī)器人的簡(jiǎn)圖相似，尺寸大小、電機(jī)、磁鐵的選擇均與其相同，為降低成本，電機(jī)、齒輪、齒條、支撐桿、刮板、海綿擦、軸承與傳感器均在淘寶網(wǎng)店購(gòu)買，機(jī)器人的清洗主體需要用加工中心加工，尺寸均按成品的尺寸加工，然后將磁鐵與刮板用螺釘固定在清洗主體上?？紤]到質(zhì)量的優(yōu)化，支撐桿加工成中空，兩個(gè)套筒均用鋁板來(lái)做，也需加工成中空。

4.2 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

樣品加工完成后，需要對(duì)其控制系統(tǒng)以及清洗效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與測(cè)試。

(1)控制系統(tǒng)的測(cè)試:清洗機(jī)器人用遙控器進(jìn)行無(wú)線控制，控制最遠(yuǎn)距離為10m，通過(guò)調(diào)節(jié)用戶碼，使得遙控器與其他紅外接收設(shè)備(如空調(diào))互不干擾;控制系統(tǒng)非常穩(wěn)定，目前的實(shí)驗(yàn)，從未出現(xiàn)過(guò)斷電現(xiàn)象;傳感器的檢測(cè)距離有一定的誤差，一般在mm以內(nèi)，幾乎不影響玻璃窗邊緣的清洗;橫向的支撐桿有少許的下偏趨勢(shì)，但是不明顯，用軸承的滑動(dòng)摩擦代替套筒的靜摩擦，大大增強(qiáng)了清洗機(jī)器人的使用壽命。

(2)清洗效果的測(cè)試:通過(guò)大量的清洗玻璃窗的實(shí)驗(yàn)，證明了樣品清洗玻璃窗的效果較好。清洗完成后，玻璃窗在雨后留下的污跡以及正常脫落到玻璃窗上的灰塵均會(huì)被清洗干凈，但是本裝置有一定的缺陷，清洗玻璃窗后，會(huì)因?yàn)榍逑粗黧w最后要停留到玻璃窗的一個(gè)角落，而留下一個(gè)痕跡，所以需清洗兩次以上，并且需要替換海綿擦，最后留下的痕跡不是很明顯。

5 結(jié)論與討論

本文研制了一種應(yīng)用于居民樓玻璃清洗作業(yè)的擦窗機(jī)器人，此機(jī)器人重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧靈活，詳細(xì)介紹了清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與控制部分的設(shè)計(jì)過(guò)程，并在樣品試驗(yàn)中證明了該裝置清洗效果較好、使用方便，比較實(shí)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明該設(shè)計(jì)方案符合智能家居中對(duì)玻璃窗進(jìn)行清潔作業(yè)的性能要求，且機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度相對(duì)較高，適用于大多數(shù)民用的玻璃窗，成本相當(dāng)于吸盤式玻璃清洗機(jī)器人的十分之一，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

該清洗機(jī)器人還不是很成熟，需要繼續(xù)完善結(jié)構(gòu)與控制的設(shè)計(jì)，爭(zhēng)取做到按照客戶的要求實(shí)現(xiàn)新的功能，并且要作進(jìn)一步的開發(fā)。

設(shè)計(jì)的研究特色和創(chuàng)新之處:

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低廉、危險(xiǎn)性小，操作過(guò)程簡(jiǎn)單、直觀，用戶只需經(jīng)簡(jiǎn)單指導(dǎo)即可操作。

(2)應(yīng)用單片機(jī)控制系統(tǒng)，采用無(wú)線控制的方式:單片機(jī)系統(tǒng)的紅外接收裝置?？筛鶕?jù)應(yīng)用客戶要求開發(fā)新功能，適用于大多數(shù)居民區(qū)家庭的環(huán)境保潔。

(3)無(wú)需添加化學(xué)劑，通過(guò)海綿擦使用清水清洗即可，最后用刮板除水。

(4)無(wú)需斷電保護(hù)，用鋼制的夾子將清洗機(jī)器人固定在玻璃窗上，用永磁鐵代替電控的真空發(fā)送器進(jìn)行吸附，保證斷電后設(shè)備保持原狀態(tài)不變，使得結(jié)構(gòu)、管理簡(jiǎn)單化。

(5)應(yīng)用了光電傳感器，機(jī)器人自動(dòng)化程度較高，清洗效率很大程度上得到了提高。

［1］黎連業(yè).智能大廈和智能小區(qū)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［2］劉淑霞.壁面清洗爬壁機(jī)器人控制技術(shù)的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［3］王茁，張波，裴榮國(guó)，等.壁面爬行機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)［J］. 吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，21(4):78-80.

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A Window-Automatic-Cleaning Robot

WANG Shuo1，TAO Xue-heng1，LI Yu-guang2
(1.School of Mechanical Engineering and Automation，Dalian Polytechnic University，Dalian of Liaoning province，Dalian Liaoning 116034，China;2.School of Mechanical Engineering，Dalian University，Dalian of Liaoning province，Dalian Liaoning 116021，China)

Based on the control theory of the 51 single-chip，in this thesis，a Window-Automatic-Cleaning robot and the control system has been developed，include the structural design of the robot，the control system design and the introduction of the prototype's working process.The experiments demonstrated that the robot can be extended to the field of home and building cleaning due to the simple structure，robust control and good clearning performance.

Window-Automatic-Cleaning;single-chip;wireless communication;photoelectric-sensor

TH16;TM925.3

A

1001-2265(2012)01-0103-04

2011-07-26;

2011-08-22

王碩(1988—)，男，遼寧鐵嶺人，大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)與控制，(E-mail)wangshuo_ok@163.com;通訊作者:陶學(xué)恒(1963—)，男，北京人，大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院工學(xué)博士，研究方向?yàn)檩p工機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)。

(編輯 李秀敏)