基于Arduino的可跨越式智能擦玻璃機器人研究

單夢凱，胡西雷，孫碩碩，龔思奇，李珍妍

（1.鄭州科技學院，鄭州450064；2.黃淮學院，河南 駐馬店463000；3.河南科技學院，河南 新鄉(xiāng)453003；4.鄭州經(jīng)貿(mào)學院，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。人工進行高層清潔往往需要高費用，并且效率低風險性極高，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，人工費用每月為500元，占每日清理花費的30%，而且仍有增多的發(fā)展趨勢[1]。

目前市場上的擦窗機器人原理和結(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)實現(xiàn)擦窗機器人的可跨越研究，來實現(xiàn)擦窗機器人的進一步升級。

1 擦窗機器人研究現(xiàn)狀

1.1 真空負壓吸附

目前國內(nèi)外市場所提供的智能擦玻璃機器人吸附都是根據(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機式負壓吸附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器人市場中少有的選取磁吸附方式的智能擦玻璃機器人，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)有的磁吸附擦窗機器人已經(jīng)少見，主要原因是玻璃多樣性的增加導致磁吸附已經(jīng)不能滿足正常使用。

2 本文主要研究內(nèi)容

本項目確定以Arduino單片機為主控制系統(tǒng)，提出雙風機雙密閉環(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程序利用點控式開關(guān)所反饋的串口信息來控制左右減速電機的轉(zhuǎn)速調(diào)控和正反轉(zhuǎn)，再通過對左右電機的轉(zhuǎn)速調(diào)控測試出擦窗機器人碰窗換向的實際轉(zhuǎn)速，以此實現(xiàn)擦窗機器人的轉(zhuǎn)向和循跡功能。另外配備有壓強和防掉落感應器為機器正常工作保駕護航。

3 擦窗機器人總體設(shè)計方案

3.1 總體設(shè)計目標

可跨越式擦窗機器人關(guān)鍵應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，實現(xiàn)多玻璃之間清潔工作。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)方案

本文所涉及的可跨越式擦窗機器人主要由以下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器人的核心部分，首先對市面上現(xiàn)有的擦窗機器人驅(qū)動及吸附方案進行分析最終采用了直流減速電機協(xié)助防滑硅膠傳送帶作為驅(qū)動，無刷離心風機構(gòu)成密封負壓吸附模式，通過SolidWorks軟件進行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器人，最后根據(jù)擦窗機器人巡跡、遙控和跨越等模塊搭建完整控制系統(tǒng)。

3.3 擦窗機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3.1 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

圖1 機器人內(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的負壓風機作為吸附驅(qū)動，使機內(nèi)壓強大約為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)面出風口排出，以達到安全吸附到玻璃表面的效果，同時選用GY-63 MS1-01BA03氣壓傳感模塊實時檢測擦窗機器人內(nèi)部壓強值，當機內(nèi)壓強小于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值來改變負壓風機轉(zhuǎn)速，加大機內(nèi)氣壓，使機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)，防止擦窗機器人在工作過程中出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，配合雙風機雙密閉環(huán)境的負壓風機真空吸附，能夠解決傳統(tǒng)擦玻璃機器人無法在拼接玻璃表面工作的痛點，實現(xiàn)玻璃縫隙間的可跨越[4]。

3.3.4 防掉落結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

3.3.5 密封清潔模塊設(shè)計

可跨越式擦窗機器人與市面上常見的擦窗機器人相比，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，清潔模塊還對負壓系統(tǒng)起密封作用。

4 擦窗機器人控制系統(tǒng)

4.1 擦窗機器人控制原理

可跨越式擦窗機器人系統(tǒng)構(gòu)成包括5大部分——負壓風機、左右驅(qū)動步進電機、傳感模塊、清潔模塊和紅外遙控模塊。風機方面采用真空吸附，通過機體內(nèi)部2個無刷電機達到一定轉(zhuǎn)速實現(xiàn)機器底部吸入空氣，再從機器頂部出風口出風實現(xiàn)內(nèi)外壓強差大約為2 800 Pa，搭配自主設(shè)計雙腔體結(jié)構(gòu)，從而保證擦窗機器人能牢牢地吸附在玻璃表面，在進行縫隙跨越時，2個風機相互配合使機體內(nèi)壓強恒定，保證擦窗機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 機器人系統(tǒng)控制原理圖

4.2 控制電路

擦窗機器人的供電電壓為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來實現(xiàn)機器的巡跡功能。并利用程序來控制2個電機的不同轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)機器人自身控制“N”或“Z”型路徑，最終實現(xiàn)擦窗機器人的清掃工作。

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，實現(xiàn)無人操控，方便使用，解放用戶的雙手。

5.3 擦窗機器人運動學模型分析

5.3.1 直線運動模型分析

擦窗機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，無刷風機提供的吸附力和玻璃的彈力正好處于平衡狀態(tài)，擦窗機器人通過控制驅(qū)動芯片的電壓來控制擦窗機器人的移動速度。

5.3.2 旋轉(zhuǎn)運動模型分析

擦窗機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）控制點擊左右轉(zhuǎn)向，實現(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器人的四周加上8個碰撞傳感器，可以在機器人觸碰到玻璃邊框的時候，將信息傳遞給底層主控制器，進而幫助機器人識別窗戶邊框。

（2）當識別到邊框后，根據(jù)全覆蓋清潔路徑，再綜合機器人運動學模型的分析結(jié)果來控制左右履帶的行進速度，進而完成相應的動作。

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

6 可跨越性實驗研究

6.1 可跨越過程原理分析

可跨越性過程分析：擦窗機器人在接觸到玻璃間的夾縫時，第一個密閉環(huán)境壓強降低，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，提升風機接口的PWM值，從而加快風機轉(zhuǎn)速，同時控制L298N電機驅(qū)動模塊使2端電壓降低移動速度。當機器第一個密閉環(huán)境通過夾縫后，機器會暫停，然后等到第一個真空環(huán)境達到安全值時再平穩(wěn)通過，最終實現(xiàn)玻璃之間的跨越，擦窗機器人3D模型圖如圖3所示。

圖3 擦窗機器人3D模型圖

6.2 擦窗機器人運行效果測試

（1）清潔效果：測試前后對比表明機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）擦窗機器人運行噪音測試：運行噪聲最大達到83 dB，距離越遠噪聲越小，且噪聲強度下降的梯度隨距離增加而減小，當距離機器人3.5 m時噪聲強度基本不再變化，與環(huán)境噪聲基本一致。

（3）擦窗機器人安全措施測試：擦窗機器人配備有防掉落安全繩和低電量報警模塊，能夠防止機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負擔，迎接品質(zhì)新生活。對于中國戶型的小面積玻璃設(shè)計，可跨越式機器人本身就有著先天的優(yōu)勢，而市場上的擦玻璃機器人清潔面積有限，更具有無法保證能在有縫玻璃表面工作的局限性，因此實現(xiàn)玻璃表面的跨越顯得尤為重要。