基于arduino的智能外墻清潔機器人

王一飛 盧承領 程軍輝 陳曉飛 王豪杰 王成龍

摘 要：本文闡述了我國大樓外墻人工清潔工作的現(xiàn)狀、人工清潔工作所包含的內容、如何采用清潔機器人以及智能外墻清潔機器人的構成和目前所存在問題的解決方案，并對智能外墻清潔機器人的未來進行了展望。

關鍵詞：機器人 arduino 智能 外墻

0研究背景

[1]隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，特別是高層建筑的興起，以玻璃幕墻為代表的壁面結構逐漸演繹成華麗的“城市外衣”，從而衍生出繁重的大樓幕墻清洗任務，不少國家已對建筑壁面的清洗要求做出了明確規(guī)定。另一方面，越來越奇特的建筑結構使清洗的難度成倍增加，甚至采用傳統(tǒng)的清洗方法已無能為力。然而，在社會文明高度發(fā)展的今天，對生命的關愛達到了前所未有的高度，要求停止使用“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。

如此，將外墻清潔機器人應用于高樓玻璃壁面清洗的問題就成為熱點研究課題。外墻清潔機器人也屬于移動式服務機器人的一種，可在垂直壁而及屋頂移動進行表面的清洗作業(yè)。外墻清潔機器人的使用將大大降低高層建筑的清洗成木，改善工人的勞動環(huán)境，提高勞動產(chǎn)生產(chǎn)率，具有相當?shù)纳鐣?、?jīng)濟意義和廣闊的應用前景。而目前針對此類機器人的研究還沒有比較成熟、可靠的方案。

目前高空擦玻璃或清洗外墻的工作主要是由人工來做，人工操作因雙臂伸展范圍有限，人在工作中可能會因為風力太大等而無法工作。效率不高不說，人工費用也很高，最重要的是這項工作風險性極大。針對我國目前現(xiàn)代化高樓玻璃幕墻清洗業(yè)的現(xiàn)狀，我們團隊研發(fā)并設計了一種結構新穎、安全可靠、效率高的智能外墻清潔機器人。用它來代替人工，就沒有之前所提到的風險，此外，它適應環(huán)境能力強，構造簡單，價格合理，有利于大面積推廣

1系統(tǒng)結構設計

“智能外墻清潔機器人”采用仿生結構、可以對大樓外墻以及玻璃幕墻進行24小時高效復合清潔，有效地解決了人工工作時間長、效率低的問題；針對現(xiàn)在的大樓外墻的各種造型，本產(chǎn)品采用履帶行走可實現(xiàn)自動越障完成清掃；針對人工工作受天氣影響，本產(chǎn)品中控器采用“黑匣子”，有效避免灰塵、雨水等破壞控制器，同時提供了24小時工作的條件；針對極端惡劣天氣（如臺風），本產(chǎn)品單獨開發(fā)了一套控制系統(tǒng)，保證其不會出現(xiàn)意外情況，同時采用復合線纜懸掛設計，避免了高空作業(yè)的安全問題；同時，本產(chǎn)品也可在緊急情況下進行高空救援工作。系統(tǒng)結構如圖1所示。

（1）工作原理及流程介紹

①平衡原理

復合線纜懸吊機器人。模型機懸吊線纜采用8毫米7芯傘繩加TRVV機器人專用高柔性電纜絞制，這樣的做法在保證線纜具有一定的機械強度的同時，也保證了電纜通信的絕對可靠性。豎直方向平衡原理是根據(jù)F=Mg得來。

懸掛時水平方向平衡原理是根據(jù)四軸無人機平衡得來，傾斜傳感器感知，系統(tǒng)自動調節(jié)四個外置副風機使得懸掛而搖擺幅度在可控范圍內。

緊貼墻壁并靜止在墻壁時，外置主風機壓縮空氣并向背對墻面的方向排出，高速旋轉的風葉壓縮空氣，對空氣作用，而空氣反作用于風葉。用動量定理來解釋：Ft=mv，單位時間內通過風葉的空氣的質量，速度越大，產(chǎn)生的力也就越大，所以說只要風葉旋轉的速度夠快，就能扇動足夠多的空氣，產(chǎn)生足夠大的力，使機器人貼緊墻體。

②運動原理

本機器人移動采用履帶。履帶成熟簡單，天然接觸面積大，能很好地分散壓力。更大的優(yōu)點是履帶式機器人的行走重心更平穩(wěn)，重心能最大限度的貼近墻面，從而降低高空吸附行走墜落的風險。（圖2，圖3）為機器人的履帶。

（2）整體受力分析

為研究機器人的運動規(guī)律及其動力性能，必須首先研究外部環(huán)境對機器人的影響。這些影響主要表現(xiàn)為空氣、安裝設備對其的影響。機器人行駛過程中受到的外力：重力、空氣阻力、墻面法向反力，墻面變形阻力及牽引力。

重力W：假設機器人左右兩部分完全對稱，所以機器人的重心在其縱向對稱面上。

空氣阻力：由于機器人的體型較小，而且速度不快，故空氣阻力可以忽略不計。

①橫向行走原理

當機器人清掃完一個進程后，連接絞盤的滑臺在電機的牽引下沿軌道橫向移動至設定的距離后，機器將繼續(xù)進行下一個進程。

②豎直移動原理

在靜止于墻面的基礎上，減速電動機帶動履帶轉動，因為風機產(chǎn)生的負壓力將機器人壓在墻上，因此履帶在平面墻體上行走就像在平地上行走一樣。

機器人前進由于履帶的特殊性，使得對其分析比較復雜，為了簡化起見，假定機器人的履帶為不可拉伸的而且十分柔軟的帶子，帶子上的所有點都位于同一個平面內。

設履帶相對于機器人的卷繞速度為Vx，履帶隨機體一起前進的牽連速度為Vq，履帶上的某一點的絕對速度Vj應為相對速度和牽連速度的向量和，如下圖4所示所示。

2系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

（1）單片機的選擇

單片機的主要功能是實現(xiàn)直流電機的控制、與單片機的通訊及完成各種信號的處理。從系統(tǒng)的經(jīng)濟性考慮，我們選擇AVR單片機，它執(zhí)行速度快，有良好的性價比，因而得到越來越廣泛的應用。AVR單片機的機構引腳圖如圖5。

（2）履帶式移動機器人的驅動系統(tǒng)設計

履帶式移動機器人的兩條履帶都用直流電機進行驅動，在此選用的是555直流電機，驅動電路則是以L298N為主的兩路H橋。兩履帶在直流電機的驅動下，當兩直流電機由相同直流方波驅動時，履帶車直線前進或后退，改變方波頻率改變行進速度。當用不同方波頻率驅動時，履帶車轉彎、前進或后退，當以相同頻率但相序相反的方波驅動時，兩履帶向相反方向運動，履帶車在原地旋轉。

（3）機器人的超聲波感知模塊和紅外傳感模塊設計

考慮到履帶式移動機器人的使用環(huán)境，要求超聲波傳感器適應一般的惡劣環(huán)境，并便于多個超聲波傳感器的靈活使用。

超聲波傳感器系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生電路、超聲波接收電路等模塊組成，整個系統(tǒng)主要是由主單片機來控制，從而完成超聲波信號的發(fā)射與接收。另外本系統(tǒng)設有紅外模塊，紅外模塊的觸發(fā)響應及發(fā)出移動機器人緊急停車信號、控制通訊等功能也都是通過主單片機來完成。為了對環(huán)境有充分的了解，獲取足夠的環(huán)境信息，建立有效的環(huán)境模型，采用4種傳感器組成機器人的感知系統(tǒng)。4個超聲波分別安裝在正前方、正左方、正右方及正后方，可以用來探測墻面有無障礙或凹槽，判斷是否脫離墻面。

超聲波的接收與發(fā)射必須協(xié)調一致工作，才能保證信號準確靈敏地接收。該部分主要由接收換能器、放大濾波、多路模擬開關、整形觸發(fā)輸出等環(huán)節(jié)組成。

在有效測距范圍內有被測障礙的話，則應該在后一路超聲波束發(fā)出之前接收到前一路發(fā)出的反射波，否則認為前一路無障礙。因此按照有效測距范圍可以估算出最短的方波發(fā)送間隔時間。我們的系統(tǒng)最大測距范圍為4m，方波時間間隔為，實際我們取≥tms25。

（4）紅外模塊的電路設計

用四個紅外模塊（1～4）安裝在移動機器人的四周，以克服超聲波探測時的“盲區(qū)”及應付突發(fā)的物體。當有不明物體碰撞到移動機器人時，離其最近的紅外模塊動作，觸發(fā)單片機的中斷，移動機器人就停止運行，哪個紅外模塊，調用中斷程序做出相應的處理。圖6 所示為紅外模塊的電路圖。

（5）藍牙通信：整機采用3個HC-05藍牙模塊，絞盤模塊裝有2個（A、B），清潔機器人機身裝有1個（B），藍牙模塊B負責絞盤主控和機身主控相互通信，藍牙模塊A負責和移動終端通信，反饋實時數(shù)據(jù)。

（6）清潔原理：旋轉的軟布刷外加霧狀水，使清潔面上的灰塵瞬間消失。采用多個旋轉刷頭，擦灰更干凈，霧狀水噴灑面積廣，相當于先潤濕了待擦區(qū)域，縮短了時間，提高了效率。風機在對外吹風的同時，加快了水分的蒸發(fā)，讓清潔區(qū)表面不再有水漬。

（7）主風機原理：產(chǎn)品采用直流無刷電機，動力足，易調控。機身控制器根據(jù)傳感器組發(fā)出的信號，自動控制電機轉速。

（8）副風機原理：產(chǎn)品采用四個直流電機，易改變方向。機身控制器根據(jù)傾斜傳感器感測機身向哪一邊傾斜，控制相應角度的風機對應啟動。

3測試結果

系統(tǒng)控制界面如圖7所示。電源接通后，將機器人放到指定或合適位置（即繩索豎直朝下）。通過手機打開APP。確保樓下無行人時，按下“自動模式”，此時副風機先啟動，此時會聽到提示音，待一秒后主風機以80%速度運轉，刷頭和水泵同時啟動，機器開始自動工作。

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基金項目：高校優(yōu)秀青年人才支持計劃（gxyq2018060）、安徽省高校自然科學研究項目（KJ2018A0417）、WXC青年項目（wxzr201804）、安徽省電氣傳動與控制重點實驗室開放基金（dckf201803）