一種新型玻窗清潔機器人的設計與實(shí)現

目前，市場(chǎng)上雖然出現了一些爬壁機器人，但至今還沒(méi)有一種專(zhuān)門(mén)針對玻窗清潔的機器人。本文介紹了一種基于負壓吸附的輪式玻窗清潔機器人，將其用于高層住宅的的玻璃清洗工作。使用該機器人可以避免玻窗清潔帶來(lái)的高空作業(yè)危險，而且其操作簡(jiǎn)單、使用方便，應用價(jià)值高，市場(chǎng)前景廣闊。

1 玻窗清潔機器人系統總體結構

該玻窗清潔機器人系統由手勢識別和清潔機身兩個(gè)部分組成，如圖1所示。手勢識別部分利用MXC6202二軸加速度傳感器測量人手控制過(guò)程中的加速度值，將采集到的加速度值送入單片機中處理，經(jīng)過(guò)一定的算法得到控制信號，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊發(fā)送到清潔機器人部分。清潔機身部分將接收到的手勢識別控制信號傳送給主控單片機[1]，經(jīng)過(guò)運算處理后，產(chǎn)生兩路直流減速電機的控制信號和一路微型真空泵的控制信號，經(jīng)各驅動(dòng)器放大后，實(shí)現對直流減速電機和微型真空泵的驅動(dòng)和控制。

2 玻窗清潔機器人結構

玻窗清潔機器人采用負壓吸附、輪式驅動(dòng)結構[2-3]。工作時(shí)，機器人吸附在玻璃面上，通過(guò)全方位移動(dòng)，實(shí)現對玻璃的清潔。清潔機器人結構的三維實(shí)體模型如圖2所示，由車(chē)輪、過(guò)濾器、微型真空泵、同步齒形帶、直流減速電機、底盤(pán)、吸盤(pán)七部分構成。該結構系統簡(jiǎn)單、可靠、操作方便，可以滿(mǎn)足壁面移動(dòng)機器人在負載能力、速度以及可靠性方面的要求。

該機器工作原理：通過(guò)微型真空泵抽氣，在吸盤(pán)內形成負壓，從而將機器人吸附在玻璃面上；由兩個(gè)直流減速電機控制兩排輪胎的同向同速、同向差速、異向同速、異向差速等運動(dòng)狀態(tài)，從而實(shí)現機器人上、下、左、右等運動(dòng)。

3 玻窗清潔機器人驅動(dòng)模塊

機器人驅動(dòng)模塊是玻窗清潔機器人系統的關(guān)鍵部分，因此，本文重點(diǎn)介紹了驅動(dòng)電機的選擇、電機的參數優(yōu)化及驅動(dòng)電路的設計。

3.1 驅動(dòng)電機的選擇

驅動(dòng)電機作為驅動(dòng)機器人自由移動(dòng)的主要部件，決定了機器人在豎直玻璃壁面上的移動(dòng)性能。常用的驅動(dòng)電機主要包括步進(jìn)電機和直流電機。

爬壁機器人要實(shí)現在豎直玻璃壁面上的移動(dòng)，對電機的扭矩要求很高，但一般步進(jìn)電機的扭矩都較小。為使扭矩達到要求，電機的體積和質(zhì)量都會(huì )非常大，不能滿(mǎn)足本文扭矩大，而體積小、重量輕的要求。

直流電機能夠將輸入的電壓信號變成轉軸的角位移或角速度輸出，改變控制電壓即可改變電機轉速和轉向，用途很廣泛。主要有如下優(yōu)點(diǎn)[4]：

(1)寬廣的調速范圍。直流電機的轉速能夠隨著(zhù)控制電壓的改變在寬廣的范圍內連續調節。

(2)線(xiàn)性的機械特性和調節特性。直流電機在控制電壓一定時(shí)，轉速隨著(zhù)轉矩的變化而變化。轉矩一定時(shí)，轉速則隨電壓的變化而線(xiàn)性調節。線(xiàn)性的機械特性和調節特性有利于提高自控系統的動(dòng)態(tài)精度。

(3)快速響應。電機的機電時(shí)間常數要小，相應地要有較大的堵轉轉矩和較小的轉動(dòng)慣量。電機的轉速能隨著(zhù)控制電壓的改變而迅速改變。

因此，本文采用直流電機中的直流減速電機，即齒輪減速電機。該電機是在直流電機的基礎上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是提供較低的轉速，較大的力矩。同時(shí)，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉速和力矩。相對于步進(jìn)電機，直流減速電機可以提供更大的扭矩，同時(shí)質(zhì)量也大大減輕。由于爬壁機器人對電機扭矩要求很高、而轉速要求不高，因此可以采用大的減速比，靠犧牲電機的轉速來(lái)獲得較大的扭矩。

3.2 電機的參數優(yōu)化

機器人在豎直玻璃壁面上朝各個(gè)方向的移動(dòng)中，豎直向上移動(dòng)對驅動(dòng)力的要求最高，此時(shí)驅動(dòng)力不但要完全克服重力，還要克服吸盤(pán)與壁面的滑動(dòng)摩擦力。設機器人的重力為20 N，吸盤(pán)與玻璃壁面的摩擦力也為20 N(以最大值計算，實(shí)際上達不到)，則：
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其中，f1為輪胎與玻璃壁面的靜摩擦力即機器人的驅動(dòng)力，f2為吸盤(pán)與玻璃壁面的滑動(dòng)摩擦力，Lk為驅動(dòng)電機的扭矩，l為輪胎的半徑?，F在市面上應用較普遍的輪胎的直徑為65 mm，由此可計算出Lk至少為1.3 N·m。

本文的直流減速電機能達到的最大扭矩為2 N·m，負載轉速為17 r/min，計算可得機器人的移動(dòng)速度約為7 cm/s，滿(mǎn)足了設計要求。

3.3 驅動(dòng)電路設計

由于微型真空泵是由直流電機驅動(dòng)的，本質(zhì)上同直流減速電機的控制原理相同，因此可以采用相同的控制驅動(dòng)電路。

考慮到驅動(dòng)電路的驅動(dòng)電壓為12 V、電流為0.3 A及尺寸等因素，本文采用L298構成驅動(dòng)電路。L298是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅動(dòng)芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是工作電壓高，輸出電流大，瞬間峰值電流可達3 A，持續工作電流為2 A；內含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅動(dòng)器，可以用來(lái)驅動(dòng)直流電動(dòng)機等感性負載[5]，滿(mǎn)足直流減速電機對驅動(dòng)電壓和電流的具體要求。

L298的4個(gè)輸出管腳OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分別與左右輪驅動(dòng)直流電機的兩端相連。由Atmega16L單片機輸出PWM波來(lái)控制L298的輸出?？刂齐姍C的輸出情況如表1所示，其中，ENA為芯片的使能信號，A、B分別為直流電機的兩個(gè)接線(xiàn)端，H、L分別為控制信號的高低電平。使能端高電平有效，通過(guò)對A、B端高低電平的控制，實(shí)現對電機正轉、反轉、停止的控制。微型真空泵的控制原理與直流減速電機控制原理相同。

圖3為直流減速電機及微型真空泵控制驅動(dòng)模塊電路，主要包括L298驅動(dòng)芯片及其相關(guān)電路。

4 玻窗清潔機器人控制算法

控制系統中由應用程序來(lái)實(shí)現控制任務(wù)，因此，應用程序設計的好壞直接決定了整個(gè)系統的控制質(zhì)量和控制效率。圖4為控制算法流程圖。首先對控制系統的系統變量初始化、I/O口初始化、中斷系統初始化、外圍初始化等操作；然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收模塊nRF24L01接收來(lái)自手勢識別系統發(fā)送來(lái)的控制信號，依靠SPI與單片機進(jìn)行通信；最后，單片機將無(wú)線(xiàn)接收模塊接收到的控制信號進(jìn)行運算處理，產(chǎn)生控制左右電機的信號，并傳送給驅動(dòng)放大器，經(jīng)放大后的控制信號直接驅動(dòng)兩個(gè)電機，實(shí)現機器人的全方位移動(dòng)控制。

5 玻窗清潔機器人測試

在實(shí)驗室豎直玻璃上進(jìn)行測試，玻璃面上涂有少許深色污漬。如圖5所示，玻窗清潔機器人能很好地吸附在玻窗上，并能實(shí)現在豎直方向全方位自由移動(dòng)。向上移動(dòng)速度為7 cm/s，向下移動(dòng)速度為14 cm/s，左右移動(dòng)速度為10 cm/s，其他方向移動(dòng)速度介于7~14 cm/s之間。實(shí)驗表明，該機器人能很好地去除玻璃上的污漬，清潔效果良好。

針對目前高層住宅清洗玻璃時(shí)面臨的操作繁瑣、難度較大、危險較高等問(wèn)題，本文介紹了一種新型玻窗清潔機器人，給出了玻窗清潔機器人的總體設計思路，重點(diǎn)闡述了玻窗清潔機器人的結構設計、驅動(dòng)模塊以及控制算法。實(shí)驗表明，該玻窗清潔機器人可在豎直玻璃壁面全方位自由移動(dòng)，避免了玻窗清潔帶來(lái)的高空作業(yè)危險，而且操作簡(jiǎn)單、使用方便，有較高的可行性和準確性，具有重要的應用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。