高空清潔玻璃機器人的設計與實現(xiàn)

東南大學成賢學院電子與計算機工程學院 戴詩璇 李寶祖 王子建 韓 瀟

在高層建筑中，玻璃內(nèi)外會有許多的粉塵和其他污物，用我們設計的機器人來代替人進行高空作業(yè)。本文設計了一種基于Arduino單片機的智能清潔機器人系統(tǒng)，該項目擬設立一種高空清潔機器人使用電磁原理讓機器人實現(xiàn)高空作業(yè)和清潔軌道化，同時利用交流電壓技術產(chǎn)生清潔噴霧，超聲波測距實現(xiàn)自動避讓，并設置故障處理機制。

隨著國家新型城鎮(zhèn)化建設的進行，越來越多的高樓大廈拔地而起。發(fā)展不斷進行的同時，高層的玻璃清潔也成了人們越來越關心的問題。現(xiàn)如今高層玻璃的清潔一直是由企業(yè)或者地產(chǎn)開發(fā)商用高價雇傭民工，或者一些城市外來勞工。因為勞工并沒有先進的技術以及資金支持，所以用的安全措施十分簡陋。人們的安全不能得到保證，所以我們團隊設計并準備制作新一代高空玻璃清潔機器人?，F(xiàn)在大部分的高空清潔機器人有很多種類，絕大部分是以吸盤固定，用單片機實現(xiàn)機器人的操控。我們設計的高空清潔機器人希望用電磁吸附的原理以及用超聲波震蕩原理產(chǎn)生噴霧實現(xiàn)清潔。在我國未來的發(fā)展中，我相信高空作業(yè)會越來越受到國家以及企業(yè)的重視。因此我們團隊對我們的設計作品很有信心。

1 硬件結構設計

機器人主要由吸附裝置、電機驅(qū)動模塊、清潔模塊、超聲波測距模塊、電源及單片機主控模塊等構成，如圖1所示。

在我們通過討論和調(diào)查確定適合本次實驗的最佳器件，選擇了帶有麥克納姆輪的小車作為本次機器人的主體。每一個車輪上裝載了有許多橢圓形狀的機輪，而且這些機輪與車輪軸心成45°排列。 車輪旋轉(zhuǎn)時，機輪與地面接觸發(fā)生摩擦，地面會給車輪與轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一個45°的摩擦力，如圖2所示。這個摩擦力可分解為X方向上的分量與Y方向上的分量，然后通過調(diào)整每一個車輪的運動方向或狀態(tài)，從而改變X和Y方向上的分量的力的大小和合力的方向，讓車子做各種方式的移動。

在小車與玻璃的固定方面，我們選擇利用磁鐵之間的強大吸引力，通過改變磁鐵的數(shù)量及距離來調(diào)節(jié)磁力的大小，以達到機器人在玻璃上固定的作用。

在機器人底部放置了清潔模塊，該模塊由清潔布及霧化器組成，在玻璃兩面分別加裝以達到清潔的作用。其中霧化器采用的高頻交流電壓使金屬片震動產(chǎn)生噴霧，既不會使水量過大產(chǎn)生水漬，也不會因為水量過小而達不到工作需求，為使噴霧功能能夠持續(xù)工作，主要采用電池供電，保證工作的連續(xù)性。清潔裝置配備可拆裝的清潔布，放在機器人底部。在玻璃的另一側放置配有磁鐵的清潔布，以達到兩面清潔的作用。

超聲波測距模塊通過發(fā)送和接收超聲波，利用時間差和聲音傳播速度，計算出模塊到前方障礙物的距離。以達到避障的目的。

我們用的電池是9V的鋰電池，給單片機、霧化器、電機驅(qū)動供電。

圖 1 麥克納姆輪工作原理圖

圖 2 機器人外觀設計

圖3 程序流程圖

2 軟件設計

本設計選用Arduino單片機作為主控器。該機器人的程序主要圍繞著車身到玻璃頭尾的距離而設計的，如圖3程序流程圖所示。軟件部分主要有端口配置、定時器、PWM輸出，系統(tǒng)上電后，初始化各個模塊，然后進入工作模式。

考慮到機器人與人不同，難免會存在一些地方不能達到理想清潔的情況，我們設計了以機器人清潔為主，手動清理為輔的工作模式。在自動模式下，機器人從玻璃左下方開始行走，通過單片機定時檢測機器人運動狀態(tài)，檢測是否到達工作邊界。若機器人達到，則使用單片機控制機器人向右方行駛一個車身的距離后向正下方行駛；繼續(xù)檢測后面玻璃邊沿，然后控制機器人向右方行駛一個車身的距離后向正上方行駛。如此循環(huán)往復，走出一條“PWM波”形路徑。

結語：本文介紹了基于Arduino單片機設計的高空清潔機器人。本項目創(chuàng)新在于取代人工高空清理玻璃作業(yè)，減少了人工操作的危險性。在玻璃兩側實現(xiàn)夾護式系統(tǒng)，通過磁鐵產(chǎn)生的磁力相互吸引，保證了兩側的對應性，提升了整體的安全性能。整體添加了自動化的工作方式，可以按照設置的路徑進行移動。清洗模塊中采用的高頻交流電壓使金屬片震動產(chǎn)生噴霧，既不會使水量過大產(chǎn)生水漬，也不會因為水量過小而達不到工作需求，為使噴霧功能能夠持續(xù)工作，主要采用電池供電，保證工作的連續(xù)性。