基于Arduino的可跨越式智能擦玻璃機(jī)器人研究

單夢凱，胡西雷，孫碩碩，龔思奇，李珍妍

（1.鄭州科技學(xué)院，鄭州450064；2.黃淮學(xué)院，河南 駐馬店463000；3.河南科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003；4.鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院，鄭州 451191）

伴隨著城市發(fā)展的趨勢，大城市里愈來愈多的多層建筑相繼出現(xiàn)，而高大的建筑玻璃幕墻的清潔工作變得更加繁重危險。人工進(jìn)行高層清潔往往需要高費(fèi)用，并且效率低風(fēng)險性極高，而面對家庭和大型商場的玻璃清潔終將變成一個極大的銷售市場。商業(yè)服務(wù)上，許多店鋪和公司必須聘用或簽訂房產(chǎn)公司來清潔高層住宅或落地玻璃窗。經(jīng)調(diào)查顯示，在一線城市，占地面積約10 m2的門店門窗玻璃，人工費(fèi)用每月為500元，占每日清理花費(fèi)的30%，而且仍有增多的發(fā)展趨勢[1]。

目前市場上的擦窗機(jī)器人原理和結(jié)構(gòu)不一，但大多數(shù)對工作環(huán)境和玻璃表面有著極其嚴(yán)苛的要求，在面對家庭和商業(yè)門店玻璃清潔工作中往往發(fā)揮不出優(yōu)勢，面對這種情況本文提供了一個全新的思路，本文通過基于Arduino（開源電子原型平臺）嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)擦窗機(jī)器人的可跨越研究，來實(shí)現(xiàn)擦窗機(jī)器人的進(jìn)一步升級。

1 擦窗機(jī)器人研究現(xiàn)狀

1.1 真空負(fù)壓吸附

目前國內(nèi)外市場所提供的智能擦玻璃機(jī)器人吸附都是根據(jù)真空泵和真空發(fā)生器相配合的抽取真空吸附式與離心風(fēng)機(jī)式負(fù)壓吸附2個類目，這2個類目可統(tǒng)稱為真空吸附[2]。比較常見的有HOBOT/波妞、ECOVACS/科沃斯和BOBOT等主流品牌擦窗機(jī)器人，價格1000～3 000元不等。

1.2 磁吸附

Windoro系列是智能擦玻璃機(jī)器人市場中少有的選取磁吸附方式的智能擦玻璃機(jī)器人，但清理工作過程中也會有工作盲區(qū)，另外玻璃厚度也會帶來影響。經(jīng)過產(chǎn)品迭代，目前市面上現(xiàn)有的磁吸附擦窗機(jī)器人已經(jīng)少見，主要原因是玻璃多樣性的增加導(dǎo)致磁吸附已經(jīng)不能滿足正常使用。

2 本文主要研究內(nèi)容

本項(xiàng)目確定以Arduino單片機(jī)為主控制系統(tǒng)，提出雙風(fēng)機(jī)雙密閉環(huán)境設(shè)計，并制作出3D模型圖雛形，根據(jù)功能需求分析出系統(tǒng)控制原理，并選取了12 V、29 r/min的直流減速電機(jī)作為左右驅(qū)動輪的動力來源，選取L298N芯片作為左右驅(qū)動，編寫Arduino程序利用點(diǎn)控式開關(guān)所反饋的串口信息來控制左右減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)控和正反轉(zhuǎn)，再通過對左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)控測試出擦窗機(jī)器人碰窗換向的實(shí)際轉(zhuǎn)速，以此實(shí)現(xiàn)擦窗機(jī)器人的轉(zhuǎn)向和循跡功能。另外配備有壓強(qiáng)和防掉落感應(yīng)器為機(jī)器正常工作保駕護(hù)航。

3 擦窗機(jī)器人總體設(shè)計方案

3.1 總體設(shè)計目標(biāo)

可跨越式擦窗機(jī)器人關(guān)鍵應(yīng)用單層吸附計劃方案，必須具備安全性、全過程清理、清潔擦洗和智能遙控器等幾類基本要素，另外在此基礎(chǔ)之上增加了玻璃連接縫隙的可跨越功能，在保證安全基礎(chǔ)的前提下通過芯片智能控制、多傳感器協(xié)助合作，實(shí)現(xiàn)多玻璃之間清潔工作。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

本文所涉及的可跨越式擦窗機(jī)器人主要由以下5大部分組成，包括驅(qū)動結(jié)構(gòu)、吸附結(jié)構(gòu)、傳感結(jié)構(gòu)、清潔結(jié)構(gòu)和遙控結(jié)構(gòu)。驅(qū)動及吸附模塊是擦窗機(jī)器人的核心部分，首先對市面上現(xiàn)有的擦窗機(jī)器人驅(qū)動及吸附方案進(jìn)行分析最終采用了直流減速電機(jī)協(xié)助防滑硅膠傳送帶作為驅(qū)動，無刷離心風(fēng)機(jī)構(gòu)成密封負(fù)壓吸附模式，通過SolidWorks軟件進(jìn)行3D建模，設(shè)計出適用于多環(huán)境下工作的可跨越式擦窗機(jī)器人，最后根據(jù)擦窗機(jī)器人巡跡、遙控和跨越等模塊搭建完整控制系統(tǒng)。

3.3 擦窗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3.1 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

擦窗機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)方案為：無刷電機(jī)負(fù)壓吸附、腔體式結(jié)構(gòu)，采用直流減速電機(jī)，硅膠履帶；清潔模塊采用高密度纖維布，同時配備2個風(fēng)機(jī)及2個密閉腔體。內(nèi)外部結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 機(jī)器人內(nèi)外部結(jié)構(gòu)模型圖

3.3.2 吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計

選用24 V、23 900 r/min的負(fù)壓風(fēng)機(jī)作為吸附驅(qū)動，使機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)大約為2 800 Pa，通過內(nèi)部環(huán)流密閉環(huán)境從底部吸入空氣，再從側(cè)面出風(fēng)口排出，以達(dá)到安全吸附到玻璃表面的效果，同時選用GY-63 MS1-01BA03氣壓傳感模塊實(shí)時檢測擦窗機(jī)器人內(nèi)部壓強(qiáng)值，當(dāng)機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)小于2 800 Pa時，便通過串口信息反饋給Arduino mega 2560總控制驅(qū)動芯片，從而通過調(diào)整PWM值來改變負(fù)壓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，加大機(jī)內(nèi)氣壓，使機(jī)器牢牢地吸附在玻璃表面[3]。

3.3.3 驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計

選取了12 V、29 r/min的直流減速電機(jī)作為左右驅(qū)動輪的動力來源，選取L298N芯片作為左右驅(qū)動，履帶方面選用硅膠材質(zhì)防滑履帶，增大了與玻璃表面的摩擦因數(shù)，防止擦窗機(jī)器人在工作過程中出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，配合雙風(fēng)機(jī)雙密閉環(huán)境的負(fù)壓風(fēng)機(jī)真空吸附，能夠解決傳統(tǒng)擦玻璃機(jī)器人無法在拼接玻璃表面工作的痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)玻璃縫隙間的可跨越[4]。

3.3.4 防掉落結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)身四周分布4個光耦傳感器，當(dāng)擦窗機(jī)器人行駛到玻璃邊緣時光偶傳感器能及時反饋給機(jī)器人，防止機(jī)器人跌落，使機(jī)器人能在無邊框的門窗上使用，同時機(jī)器人周圍還分布有8個撞板力敏傳感器，能在機(jī)器人到達(dá)窗戶邊框時把信號反饋給機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)自身的巡跡功能，此外機(jī)器人底部還有真空壓力傳感器，能及時檢測機(jī)器人底部壓強(qiáng)變化，保證擦窗機(jī)器人能安全地吸附在玻璃上。

3.3.5 密封清潔模塊設(shè)計

可跨越式擦窗機(jī)器人與市面上常見的擦窗機(jī)器人相比，主要區(qū)別就在于采用自主設(shè)計的密封腔體，能夠在擦窗機(jī)器人跨越玻璃縫隙的時候保持腔體內(nèi)的氣壓穩(wěn)定在安全值之內(nèi)。清潔模塊的設(shè)計對清潔效果起主要影響，另外采用特殊的工藝設(shè)計和結(jié)構(gòu)布置，清潔模塊還對負(fù)壓系統(tǒng)起密封作用。

4 擦窗機(jī)器人控制系統(tǒng)

4.1 擦窗機(jī)器人控制原理

可跨越式擦窗機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成包括5大部分——負(fù)壓風(fēng)機(jī)、左右驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)、傳感模塊、清潔模塊和紅外遙控模塊。風(fēng)機(jī)方面采用真空吸附，通過機(jī)體內(nèi)部2個無刷電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)機(jī)器底部吸入空氣，再從機(jī)器頂部出風(fēng)口出風(fēng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外壓強(qiáng)差大約為2 800 Pa，搭配自主設(shè)計雙腔體結(jié)構(gòu)，從而保證擦窗機(jī)器人能牢牢地吸附在玻璃表面，在進(jìn)行縫隙跨越時，2個風(fēng)機(jī)相互配合使機(jī)體內(nèi)壓強(qiáng)恒定，保證擦窗機(jī)器人安全通過玻璃縫隙，系統(tǒng)控制原理圖如圖2所示。

圖2 機(jī)器人系統(tǒng)控制原理圖

4.2 控制電路

擦窗機(jī)器人的供電電壓為24 V，總?cè)萘繛? 000 mA，可持續(xù)工作3～4 h，只需3 h即可充滿，本機(jī)器人采用的Arduino mega 2560芯片可使用5～12 V供電，驅(qū)動芯片需要外接12 V外接電源，工作溫度在40～90℃之間。

5 擦窗機(jī)器人智能巡跡方案

5.1 智能巡跡清潔方案總設(shè)計

總控制芯片及驅(qū)動控制器芯片L298N來實(shí)現(xiàn)機(jī)器的巡跡功能。并利用程序來控制2個電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自身控制“N”或“Z”型路徑，最終實(shí)現(xiàn)擦窗機(jī)器人的清掃工作。

5.2 智能巡跡清潔路徑規(guī)劃

自動清潔方案是指機(jī)器人可以自動識別窗戶邊框，按照前文設(shè)定的全覆蓋清潔路徑在玻璃表面行走1圈，并在行走的同時完成清潔任務(wù)，實(shí)現(xiàn)無人操控，方便使用，解放用戶的雙手。

5.3 擦窗機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型分析

5.3.1 直線運(yùn)動模型分析

擦窗機(jī)器人在正常工作時其受力處于穩(wěn)定狀態(tài)，所受重力和履帶摩擦力大小相等方向相反，無刷風(fēng)機(jī)提供的吸附力和玻璃的彈力正好處于平衡狀態(tài)，擦窗機(jī)器人通過控制驅(qū)動芯片的電壓來控制擦窗機(jī)器人的移動速度。

5.3.2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動模型分析

擦窗機(jī)器人在接觸到玻璃邊框時，或者再無邊框玻璃上工作時，碰撞傳感模塊會反饋數(shù)值給總控制芯片，同時用語句函數(shù)digitalWrite（pin1，HIGH）和digitalWrite（pin2，LOW）控制點(diǎn)擊左右轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)智能巡跡中的轉(zhuǎn)向功能，其工作原理就是總控制芯片控制驅(qū)動模塊的PWM接口的電壓來達(dá)到不同的轉(zhuǎn)速效果，這一工作原理是使用analogWrite（pinPWM，SpeedValue）語句函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

5.4 自動巡跡清潔方案設(shè)計

本節(jié)提出來如下的自動清潔方案：

（1）在智能擦窗爬壁清潔機(jī)器人的四周加上8個碰撞傳感器，可以在機(jī)器人觸碰到玻璃邊框的時候，將信息傳遞給底層主控制器，進(jìn)而幫助機(jī)器人識別窗戶邊框。

（2）當(dāng)識別到邊框后，根據(jù)全覆蓋清潔路徑，再綜合機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型的分析結(jié)果來控制左右履帶的行進(jìn)速度，進(jìn)而完成相應(yīng)的動作。

（3）機(jī)器人在移動過程中主要是完成直線、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)3種動作。

5.5 遙控清潔方案設(shè)計

由于自動清潔工作模式下，機(jī)器人的清潔工作存在死角，因此用戶可以選擇遠(yuǎn)程遙控方式。在遠(yuǎn)程遙控工作模式下，主控制器將機(jī)器人當(dāng)前的諸如啟停、行駛速度和行駛方向等狀態(tài)信息通過遠(yuǎn)程通信單元上傳給上位機(jī)控制軟件，并在控制界面顯示。用戶可以根據(jù)機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)信息，通過控制手柄對機(jī)器人進(jìn)行手動的遠(yuǎn)程控制。

6 可跨越性實(shí)驗(yàn)研究

6.1 可跨越過程原理分析

可跨越性過程分析：擦窗機(jī)器人在接觸到玻璃間的夾縫時，第一個密閉環(huán)境壓強(qiáng)降低，GY-63 MS1-01BA03氣壓傳感模塊反饋信號給Arduino控制芯片，Arduino控制芯片接收到信號后，提升風(fēng)機(jī)接口的PWM值，從而加快風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，同時控制L298N電機(jī)驅(qū)動模塊使2端電壓降低移動速度。當(dāng)機(jī)器第一個密閉環(huán)境通過夾縫后，機(jī)器會暫停，然后等到第一個真空環(huán)境達(dá)到安全值時再平穩(wěn)通過，最終實(shí)現(xiàn)玻璃之間的跨越，擦窗機(jī)器人3D模型圖如圖3所示。

圖3 擦窗機(jī)器人3D模型圖

6.2 擦窗機(jī)器人運(yùn)行效果測試

（1）清潔效果：測試前后對比表明機(jī)器人對干燥玻璃及表面帶有水漬的玻璃的清潔效果良好。

（2）擦窗機(jī)器人運(yùn)行噪音測試：運(yùn)行噪聲最大達(dá)到83 dB，距離越遠(yuǎn)噪聲越小，且噪聲強(qiáng)度下降的梯度隨距離增加而減小，當(dāng)距離機(jī)器人3.5 m時噪聲強(qiáng)度基本不再變化，與環(huán)境噪聲基本一致。

（3）擦窗機(jī)器人安全措施測試：擦窗機(jī)器人配備有防掉落安全繩和低電量報警模塊，能夠防止機(jī)器人從高空墜落造成傷亡，而低電量報警模塊則能夠及時提示用戶充電，以便使用。

7 結(jié)束語

設(shè)計本產(chǎn)品的初衷就是使每一位用戶減輕生活家務(wù)負(fù)擔(dān)，迎接品質(zhì)新生活。對于中國戶型的小面積玻璃設(shè)計，可跨越式機(jī)器人本身就有著先天的優(yōu)勢，而市場上的擦玻璃機(jī)器人清潔面積有限，更具有無法保證能在有縫玻璃表面工作的局限性，因此實(shí)現(xiàn)玻璃表面的跨越顯得尤為重要。