高空玻璃清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究

張棟楠　李華光

【摘 要】隨著國(guó)家新型城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，各類城市高層建筑不斷挺拔而出。隨之而來(lái)的是一系列的問(wèn)題，如外窗清潔維護(hù)。采用人工方式，由于清潔行業(yè)起步較晚，“蜘蛛人”多是外來(lái)務(wù)工人員，流動(dòng)性大，沒(méi)有細(xì)致的行業(yè)細(xì)分且存在安全隱患。為了保障人員安全以及提高服務(wù)效率，高空玻璃清潔機(jī)器人將廣泛投入城市使用。本設(shè)計(jì)是一個(gè)將裝置驅(qū)動(dòng)部分放置于屋頂、51單片機(jī)控制，通過(guò)紅外線傳感器附加臂，一種多吸盤組交替吸附工作、工作部框架式移動(dòng)緊貼下放于窗外進(jìn)行清洗的智能化、自動(dòng)化的外窗清洗機(jī)器人，具有制造相對(duì)容易、性價(jià)比高、放置于建筑頂層方便安全的優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地深入人民大眾的生活場(chǎng)所，給人們的日常生活帶來(lái)極大的便利。

【關(guān)鍵詞】高空玻璃清潔機(jī)器人；51單片機(jī)；紅外線傳感器；智能化

中圖分類號(hào)： TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）17-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.007

【Abstract】With the continuous development of new urbanization in China， high-rise buildings of all kinds of cities are constantly coming out. Then comes a series of problems， such as cleaning and maintenance of external windows. Using the artificial way， because of the late start of the cleaning industry， “spiders” are mostly migrant workers， the mobility is large， there is no detailed industry subdivision and there is a security risk. To protect personnel safety and improve service efficiency， high-altitude glass cleaning robots will be widely used in cities. The design is a device driven part on the roof， 51 single chip control， through the infrared sensor additional arm， a multi sucker group alternately adsorbed work， the work department frame type moving closely attached to the window for cleaning the intelligent， automatic window cleaning machine people， with relatively easy manufacturing and cost-effective. The advantages of being placed on the top floor of the building are convenient and safe， which can further deepen peoples living space and bring great convenience to peoples daily life.

【Key words】High altitude glass cleaning robot；51 single chip microcomputer；Infrared sensor；Intellectualization

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷加快，高層建筑外窗清潔維護(hù)工作等問(wèn)題日益凸顯，這就為高空玻璃清潔機(jī)器人提供了較大的發(fā)展空間。由于高空玻璃清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)復(fù)雜，編程困難，工作量大。目前，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法往往效率低，精度低?，F(xiàn)代高性能高空玻璃清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求很難滿足，將產(chǎn)生一系列智能產(chǎn)品投入市場(chǎng)。

高空玻璃清潔機(jī)器人，比起普通擦窗機(jī)與人工作業(yè)，它不僅安全系數(shù)有了很大的提高，而且工作效率也有了很大的提升。對(duì)此，團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新和理論性方面研究。高空玻璃清洗機(jī)器人的研制成功，將會(huì)實(shí)現(xiàn)清洗作業(yè)的自動(dòng)化，給清洗業(yè)帶來(lái)一次新的革命。

1 機(jī)體總體方案設(shè)計(jì)

為設(shè)計(jì)高空玻璃清洗機(jī)器人，機(jī)器人必須要具有在壁面上吸附和移動(dòng)功能，以保障他人安全以及設(shè)備自身安全；此外還應(yīng)該具有相應(yīng)的清洗工作部、控制模塊以及高壓氣體、水等的供應(yīng)功能。所以玻璃清洗機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)包括機(jī)器人本體框架、控制系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、供應(yīng)保障系統(tǒng)四大部分。

（1）機(jī)器人本體主要包括清洗和移動(dòng)兩大部分。清洗部分，清洗部分的工作是清洗壁面。主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程是噴淋壁面、滾刷清洗、雨刷維護(hù)，從而達(dá)到清洗玻璃的目的；移動(dòng)部分，通過(guò)空壓機(jī)產(chǎn)生高壓氣體，由真空發(fā)生器產(chǎn)生真空負(fù)壓，使機(jī)器人本體安全可靠地吸附在工作壁面上實(shí)現(xiàn)縱向的移動(dòng)，通過(guò)兩條繩索的伸縮分提供額外安全保障。

（2）控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)的功能是通過(guò)51單片機(jī)控制機(jī)器人在壁面上進(jìn)行清洗作業(yè)。它主要由電源、單片機(jī)和繼電器組成?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循安全、可靠、小型化、輕量化、易于維護(hù)和更新的原則，并直接安裝在機(jī)器人機(jī)體的框架上。

（3）供應(yīng)保障主要實(shí)現(xiàn)水、空氣、玻璃水等的供應(yīng)。主要由導(dǎo)管、儲(chǔ)水罐、空壓機(jī)、水泵等部件組成。水、空氣等由專門的管路送至清洗部分，以保障機(jī)器人正常作業(yè)。在總結(jié)和參考大量壁面移動(dòng)設(shè)備、安全保障機(jī)構(gòu)以及清洗裝置的前提下，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種51單片機(jī)控制，通過(guò)紅外線傳感器附加臂，一種多吸盤組交替吸附工作、工作部框架式移動(dòng)緊貼下放于窗外進(jìn)行清洗的智能化、自動(dòng)化的外窗清洗機(jī)器人，并制作了實(shí)物。

2 高空玻璃清洗機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)

2.1 高空玻璃清洗機(jī)器人本體部分的工作原理

高空玻璃清洗機(jī)器人移動(dòng)部分的工作原理是利用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，呈十字交叉型的四個(gè)吸盤組產(chǎn)生的吸緊玻璃，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在玻璃墻壁上的自由行走。清洗部分則是固定在四個(gè)吸盤組中間，清洗裝置由噴水裝置、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的滾刷和維護(hù)收尾用的雨刷組成，通過(guò)舵機(jī)來(lái)操縱滾刷的上下移動(dòng)，來(lái)保證清洗效果。

2.2 高空玻璃清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)

高空玻璃清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)是利用51單片機(jī)預(yù)先設(shè)定機(jī)器人的行動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)軌跡，使高空玻璃清洗機(jī)器人可以在預(yù)先設(shè)定的軌跡上自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)清洗作業(yè)。為了防止意外，預(yù)先設(shè)定的安全保障系統(tǒng)可以在意外發(fā)生時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)裝置的回收。高空玻璃清洗機(jī)器人的尾部安裝了一個(gè)紅外線傳感器，在觸底后可發(fā)送信號(hào)，使電機(jī)倒轉(zhuǎn)，利用安全繩索收回裝置并進(jìn)行下一輪清理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及前景分析

根據(jù)最初的高空玻璃清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路，我們首先制作了擦窗機(jī)模型，分析兩者的不同和理論上的差異，通過(guò)多次拆分組裝，一點(diǎn)一滴將設(shè)計(jì)完善，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，最后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了最后的組裝完善。在制作完成后，對(duì)高空玻璃清洗機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)試，對(duì)控制系統(tǒng)、編寫的程序進(jìn)行了檢驗(yàn)，同時(shí)對(duì)高空玻璃清洗機(jī)器人的移動(dòng)適應(yīng)情況和玻璃清洗維護(hù)效果進(jìn)行了研究與驗(yàn)證。通過(guò)多次對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、吸附力、清洗效果與清洗效率等數(shù)據(jù)的對(duì)比與檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該高空玻璃清洗機(jī)器人在正常的情況下，運(yùn)行狀況正常，清洗效果良好，具有一定的冗余效果，對(duì)壁面有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。在社會(huì)文明高度發(fā)展的今天，對(duì)生命的關(guān)愛(ài)達(dá)到了前所未有的高度，要求停止聘請(qǐng)蜘蛛人的呼聲不絕于耳，因此人們期待新的具有人性化的清洗方式出現(xiàn)。高空玻璃清洗機(jī)器人比起人工作業(yè)更重視安全，結(jié)合安全設(shè)計(jì)及原理讓高空玻璃清洗機(jī)器人能緊緊吸附并自由行走在垂直玻璃，高空玻璃清洗機(jī)器人附加的安全保障系統(tǒng)，遇到意外的情況，如突然停電不會(huì)掉下來(lái)，使用時(shí)更放心。相信隨著高空清洗研究的深入和機(jī)器人空中作業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，高空玻璃清洗機(jī)器人作為高空人工清洗的替代品，將具有廣闊的市場(chǎng)前景和巨大的實(shí)用價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐東，楊鳴凱，齊文，陳戈.豎直玻璃幕墻清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息，2011（4）：47-48.

[2]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(dòng).2006（1）：17-19.

[3]胡啟寶.多吸盤式玻璃幕墻清洗機(jī)器人本體設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程.2007（9）：27-28.

[4]郭天祥.單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：114-148.