一種新型玻窗清潔機器人的設計與實現

陳可萬，溫志渝，高 亮，武 新，羅國希

(重慶大學 微系統研究中心,重慶 400044)

目前，市場上雖然出現了一些爬壁機器人，但至今還沒有一種專門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的高空作業危險，而且其操作簡單、使用方便，應用價值高，市場前景廣闊。

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，經過一定的算法得到控制信號，并通過無線發射模塊發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]，經過運算處理后，產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，經各驅動器放大后，實現對直流減速電機和微型真空泵的驅動和控制。

2 玻窗清潔機器人結構

玻窗清潔機器人采用負壓吸附、輪式驅動結構[2-3]。工作時，機器人吸附在玻璃面上，通過全方位移動，實現對玻璃的清潔。清潔機器人結構的三維實體模型如圖2所示，由車輪、過濾器、微型真空泵、同步齒形帶、直流減速電機、底盤、吸盤七部分構成。該結構系統簡單、可靠、操作方便，可以滿足壁面移動機器人在負載能力、速度以及可靠性方面的要求。

圖1 玻窗清潔機器人系統設計框圖

該機器工作原理：通過微型真空泵抽氣，在吸盤內形成負壓，從而將機器人吸附在玻璃面上；由兩個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、異向差速等運動狀態，從而實現機器人上、下、左、右等運動。

圖2 清潔機器人三維結構圖

3 玻窗清潔機器人驅動模塊

機器人驅動模塊是玻窗清潔機器人系統的關鍵部分，因此，本文重點介紹了驅動電機的選擇、電機的參數優化及驅動電路的設計。

3.1 驅動電機的選擇

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

爬壁機器人要實現在豎直玻璃壁面上的移動，對電機的扭矩要求很高，但一般步進電機的扭矩都較小。為使扭矩達到要求，電機的體積和質量都會非常大，不能滿足本文扭矩大，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。主要有如下優點[4]：

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

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

(3)快速響應。電機的機電時間常數要小，相應地要有較大的堵轉轉矩和較小的轉動慣量。電機的轉速能隨著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，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉速和力矩。相對于步進電機，直流減速電機可以提供更大的扭矩，同時質量也大大減輕。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獲得較大的扭矩。

3.2 電機的參數優化

機器人在豎直玻璃壁面上朝各個方向的移動中，豎直向上移動對驅動力的要求最高，此時驅動力不但要完全克服重力，還要克服吸盤與壁面的滑動摩擦力。設機器人的重力為20 N，吸盤與玻璃壁面的摩擦力也為20 N(以最大值計算，實際上達不到)，則：

其中，f1為輪胎與玻璃壁面的靜摩擦力即機器人的驅動力，f2為吸盤與玻璃壁面的滑動摩擦力，Lk為驅動電機的扭矩，l為輪胎的半徑。現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速度約為7 cm/s，滿足了設計要求。

3.3 驅動電路設計

由于微型真空泵是由直流電機驅動的，本質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電路。

考慮到驅動電路的驅動電壓為12 V、電流為0.3 A及尺寸等因素，本文采用L298構成驅動電路。L298是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片的主要特點是工作電壓高，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H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機等感性負載[5]，滿足直流減速電機對驅動電壓和電流的具體要求。

L298的4個輸出管腳OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 分別與左右輪驅動直流電機的兩端相連。由Atmega16L單片機輸出PWM波來控制L298的輸出。控制電機的輸出情況如表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接線端，H、L分別為控制信號的高低電平。使能端高電平有效，通過對A、B端高低電平的控制，實現對電機正轉、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。

表1 電機的輸出

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

4 玻窗清潔機器人控制算法

控制系統中由應用程序來實現控制任務，因此，應用程序設計的好壞直接決定了整個系統的控制質量和控制效率。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；然后通過無線接收模塊nRF24L01接收來自手勢識別系統發送來的控制信號，依靠SPI與單片機進行通信；最后，單片機將無線接收模塊接收到的控制信號進行運算處理，產生控制左右電機的信號，并傳送給驅動放大器，經放大后的控制信號直接驅動兩個電機，實現機器人的全方位移動控制。

圖3 直流減速電機及微型真空泵控制驅動模塊電路

圖4 控制算法流程圖

5 玻窗清潔機器人測試

在實驗室豎直玻璃上進行測試，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，并能實現在豎直方向全方位自由移動。向上移動速度為7cm/s，向下移動速度為14 cm/s，左右移動速度為 10 cm/s，其他方向移動速度介于 7～14 cm/s之間。實驗表明，該機器人能很好地去除玻璃上的污漬，清潔效果良好。

圖5 玻窗清潔機器人清潔玻璃

針對目前高層住宅清洗玻璃時面臨的操作繁瑣、難度較大、危險較高等問題，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，重點闡述了玻窗清潔機器人的結構設計、驅動模塊以及控制算法。實驗表明，該玻窗清潔機器人可在豎直玻璃壁面全方位自由移動，避免了玻窗清潔帶來的高空作業危險，而且操作簡單、使用方便，有較高的可行性和準確性，具有重要的應用價值和廣闊的市場前景。

[1]沈文，LEE E，詹衛前.AVR單片機C語言開發入門指導[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2]王榮華.爬壁機器人設計及動力性能研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2007.

[3]劉榮，田林.影響負壓爬壁機器人性能的關鍵因素分析[J].北京航空航天大學學報，2009(05).

[4]王磊，艾曉庸，朱齊丹.基于LMD18200組件的直流電機驅動器的設計[J].儀器儀表裝置，2003(9)：37-41.

[5]談士力，沈林勇.垂直壁面行走機器人系統研制[J].機器人，1996，18(4)：242-247.