蜘蛛型玻璃清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)

張?jiān)＜? 伍偉

摘 要：針對當(dāng)前人工清洗玻璃時(shí)，存在危險(xiǎn)性高、難度大、效率低等問題，設(shè)計(jì)了玻璃清洗機(jī)器人，具體闡述了各個組成部分的結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了結(jié)構(gòu)框圖和部分電路原理圖，最后通過實(shí)驗(yàn)對機(jī)器人在玻璃壁面上的行走適應(yīng)情況以及壁面清洗效果進(jìn)行了測試，從測試情況可以看出，該機(jī)器人具有重量輕、體積小、清洗效果好、控制方便等特點(diǎn)，有較好的市場推廣和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：清洗；機(jī)器人；藍(lán)牙；吸附；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，許多高樓大廈平地而起，但同時(shí)又帶來了一個問題，那就是大廈玻璃的清洗，目前還主要靠人工清洗[1]，可是人工清洗危險(xiǎn)性很高、操作繁瑣、難度較大、效率低[2，3]，本文設(shè)計(jì)了一種玻璃清洗機(jī)器人，能代替人工進(jìn)行玻璃清洗工作，經(jīng)測試獲得了較好的效果，有一定的實(shí)用價(jià)值。

2 整體硬件設(shè)計(jì)（Design of the overall hardware）

設(shè)計(jì)的整體框圖如圖1所示，它主要由地面站（手機(jī)或電腦等有藍(lán)牙模塊的裝置）、HC-06藍(lán)牙模塊、89C52單片機(jī)為核心的控制電路、以電磁閥和真空產(chǎn)生器為驅(qū)動模塊和由兩個雙出桿雙作用氣缸和8個真空吸盤氣缸的運(yùn)動系統(tǒng)組成。其中使用手機(jī)藍(lán)牙串口客戶端發(fā)出指令信息到和51單片機(jī)連接的藍(lán)牙模塊，單片機(jī)判斷指令并執(zhí)行相應(yīng)子程序，發(fā)出相應(yīng)的控制信號控制電磁閥的開關(guān)從而達(dá)到控制與之連接的氣缸的伸出抽入，以達(dá)到機(jī)器人上、下、左、右運(yùn)動的目的。在這個移動過程中，由機(jī)器人身上所帶有的清洗刷進(jìn)行移動擦洗，安全保護(hù)系統(tǒng)主要是保證物品升降移動正常運(yùn)行，最大限度的降低意外事故的發(fā)生幾率。

圖1 整體設(shè)計(jì)框圖

Fig.1 The overall design diagram

3 控制芯片的選擇（The choice of control chip）

考慮STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)具有寬工作電壓3.4V—6V，超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗、無法解密、指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051、12時(shí)鐘和6時(shí)鐘模式可任意選擇的特點(diǎn)[4，5]。所以在本設(shè)計(jì)中，控制芯片采用了STC89C51RC/RD+。

4 玻璃清洗機(jī)器人行走原理簡介（Introduction on

glass cleaning robot principle）

該機(jī)器人的兩個伸縮氣缸E、D呈十字形交叉型，分別固定到中間連接板上，通過單片機(jī)控制進(jìn)行其上下和左右行走，該機(jī)器人利用四個吸盤組A1、A2、A3、A4產(chǎn)生的吸力緊貼玻璃。機(jī)器人的尾部連接清洗裝置，清洗裝置由雨刷和滾刷組成，滾刷由一個電機(jī)帶動進(jìn)行清洗工作。雨刷安裝在清洗裝置底部的四周，使清洗裝置貼住玻璃時(shí)密閉不漏水，同時(shí)也有一定的清洗作用[6]。

圖2 玻璃清洗機(jī)器人行走部分結(jié)構(gòu)簡圖

Fig.2 Part structure diagram glass cleaning robot

如圖2所示為玻璃清洗機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)簡圖（不含清洗裝置），在圖中，A1、A2、A3、A4為吸盤組，E、D為雙向驅(qū)動氣缸，B1、B2、B3、B4為單向驅(qū)動氣缸，氣缸E和氣缸D由中間連接板連接，使其構(gòu)成一個整體，完成行走，開始由橫向B1、B2、B3、B4吸住玻璃固定，縱向可向上下伸縮，然后通過A1、A2吸盤通過氣缸E向上伸到某個位置，接著吸附在玻璃表面固定，A3、A4也通過氣缸E向上伸，然后通過類似的方法固定在玻璃表面，接著橫向的吸盤釋放真空，使橫向的組件整體向上移動到某一個位置，吸附在玻璃表面，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的向上移動，類似的方法，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人其他三個方向的移動行走。

5 部分硬件電路設(shè)計(jì)（Design of part of the

hardware circuit ）

5.1 控制電路

如圖3所示為其控制部分電路圖，圖中包括51單片機(jī)最小系統(tǒng)、HC-06藍(lán)牙模塊、6個電磁閥等（電源模塊未畫出）。

圖3 控制電路圖

Fig.3 Control circuit diagram

5.2 電源模塊

圖4為電源電路，單片機(jī)控制模塊等的運(yùn)行提供穩(wěn)定的電壓。

圖4 電源電路圖

Fig.4 The power supply circuit diagram

6 軟件設(shè)計(jì)（The software design）

單片機(jī)上電后等待從藍(lán)牙模塊發(fā)過來的指令，當(dāng)?shù)孛嬲景l(fā)送十六進(jìn)制數(shù)0x02時(shí)，單片機(jī)接受判斷執(zhí)行g(shù)o_ahead（）函數(shù)，機(jī)器人向上移動，以此類推。程序框圖如圖5所示。

圖5 程序框圖

Fig.5 Sequence diagram

7 結(jié)論（Conclusion）

對玻璃清洗機(jī)器人的行走適應(yīng)情況以及壁面清洗效果進(jìn)行了探究，對玻璃清洗機(jī)器人的整體構(gòu)架、硬件電路、軟件程序進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)，做出實(shí)物并進(jìn)行了測試，經(jīng)測試該爬壁玻璃清洗機(jī)器人在豎直玻璃壁面上行走穩(wěn)定，清洗效果好，越障能力較強(qiáng)，有一定應(yīng)用價(jià)值和市場前景。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 張兆君，周延武，宗光華.擦窗機(jī)器人在高層建筑清洗中的應(yīng)

用[J].建筑技術(shù)，2001，32（9）：620-621.

[2] 朱洪濤，廖文國，肖勇.墻壁清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河

南科技，2010，（10）：65-66.

[3] 杜微，等.一種新型自動玻璃清潔機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].黑龍

江科技信息，2013，（31）：62.

[4] 王巍，曹彤.一種輕型玻璃幕墻清洗機(jī)器人模型的研究[J].液

壓與氣動，2006（01）：17-19.

[5] 胡啟寶.多吸盤式玻璃幕墻清洗機(jī)器人本體設(shè)計(jì)[D].上海交

通大學(xué)碩士論文，2007.

[6] 崔培雪，馮憲琴.典型液壓氣動回路600例[M].北京：化學(xué)工業(yè)

出版社，2011.

作者簡介：

張?jiān)＜眩?995-），男，本科生.研究領(lǐng)域：電子制作.

伍 偉（1994-），男，本科生.研究領(lǐng)域：信號處理.