滑動吸附式壁面清潔裝置的設計與研究

周 杰，樊 利，丁珠玉，雷 宇

(1.西南大學工程技術學院，重慶 北碚 400716;2.西南大學電子信息工程學院，重慶 北碚 400716)

滑動吸附式壁面清潔裝置的設計與研究

周 杰1，樊 利2，丁珠玉1，雷 宇1

(1.西南大學工程技術學院，重慶 北碚 400716;2.西南大學電子信息工程學院，重慶 北碚 400716)

為實現對高樓玻璃幕墻靈活、高效地清潔作業，設計了一種滑動吸附式壁面清潔裝置，分析了清潔裝置的轉向運動學和動力學模型，闡述了清潔裝置各組成部分的設計結構和工作原理.試驗表明:該滑動吸附式壁面清潔裝置可實現在玻璃幕墻的豎直方向全方位自由移動，控制靈活、操作簡單，具有較高的經濟性和實用性，有較好的市場應用前景.

滑動吸附;壁面清潔;單片機控制

壁面清潔裝置是集機械設計、傳感技術、控制學和信息科學等技術為一體的工程作業類機器人，它能夠在玻璃幕墻壁面自由滑動并對壁面進行清潔作業，代替人完成危險的高樓幕墻的清洗工作.由于它具有擦洗效率高、擦洗效果好、智能化高、安全性及適應性強等優點，因此具有重要的研究意義及實用價值.目前，國內外學者對爬壁機械裝置的研究主要集中在吸附方式以及移動方式兩個方面.其中，吸附方式主要包括磁吸附、負壓吸附兩種［1-2］.負壓吸附方式不受壁面材料限制，在導磁材料及玻璃等平整表面均可自由運動，且它具有簡單、方便、易控制、跨越微小障礙等優點，因此得到廣泛使用［3-4］.移動方式主要包括履帶式、腿足式、輪式等［5-6］.履帶式接觸面積大，壁面適應性強，但系統機動性較差［7］;足式越障及承載能力強，機動性好，但移動速度較慢［8］;輪式移動速度快，易控制，但接觸面積較?。?-10］.考慮到高效的工作速率和靈活操縱性能是機器人未來發展的方向，因此，本文設計了基于滑動吸附式工作原理的多吸盤四輪驅動的玻璃壁面清潔裝置，分析了該裝置防止滑落及傾覆的動力學條件，討論了其硬件電路結構和軟件程序設計.該裝置采用輕質鋁板作為底盤，兩個子吸盤用于吸附，四輪驅動增加接觸面和驅動力，因此該裝置具有重量輕、體積小、操作方便、運動靈活等優點，適于清潔面積較小的玻璃等平面幕墻.

1 壁面清潔裝置結構的設計

四輪驅動雙吸盤清潔裝置機械結構如圖1所示.該裝置質量約3 kg，長×寬×高尺寸為450 mm×250 mm×100 mm.主要由清洗裝置、檢測傳感器、控制電路板、滑動吸盤、驅動裝置等組成.它依靠吸附力和輪子的摩擦力實現墻面攀爬，通過外掛清洗裝置清洗玻璃.

由于清潔裝置在玻璃等光滑表面爬行時，需要較小的自重、較大的驅動、良好的吸附以及較好的清潔效果，因此本文采用加強鋁質薄板作為底盤架構以減輕裝置重量，提高機器的運動靈活性.為實現較大的驅動，本文設計四輪驅動的傳動結構，采用兩個直流伺服電機驅動左右兩個主動輪，然后通過同步帶帶動同側的從動輪，實現四輪驅動，因此驅動力較大.同時，采用4輪驅動的方式，支撐力分布均勻，車體穩定性好.為實現緊密吸附，吸附裝置采用耐磨耐腐蝕的圓形吸盤.該吸盤滑動摩擦力較小，密封效果好，且滑動吸盤通過微型離心真空泵在吸盤密封腔內產生負壓進而緊密吸附在玻璃墻面上.同時，該吸附裝置采用兩個子吸盤的吸附結構(子吸盤的個數可以增加)，每個子吸盤由各自的閥門控制，當任意一個子吸盤發生泄漏時，其閥門可以及時地調整來控制負壓值，并能利用吸盤彈性裙邊的變形來適應壁面的凹凸不平，保證吸盤與壁面可靠密封.因此，這種多子吸盤的結構使得吸盤在遇見較小的溝槽和凹凸面時，吸盤內的負壓也可以維持平衡.為了保證良好的清潔效果，作者通過固定架在機器人前端安裝一個清潔滾刷，滾刷上交替插滿軟硬刷毛，由減速電機驅動滾輪轉動對玻璃進行清洗.

圖1 清潔裝置機械結構圖

2 壁面清潔裝置的穩定性和可靠性分析

清潔裝置在豎直壁面以輪式方式移動時，對壁面的吸附能力和上下移動能力是系統考慮的重要指標.同時，防止清潔裝置滑落和傾覆也是必須加以考慮的重要安全因素.為了對以上的問題進行討論，本文做了如下假設:①本文研究的清潔裝置為剛體;②清潔裝置的質心與其幾何中心重合;③清潔裝置的4個驅動輪始終與玻璃墻面接觸且受力均衡;④拖曳負荷等其他外因的影響由安全系數Y表示;⑤以玻璃幕墻等平整壁面為清潔對象，忽略工作面的不規則.

2.1 滑動受力分析

為討論清潔裝置吸附與移動問題，如圖2所示為壁面清潔裝置在壁面上處于靜止狀態時的受力分析圖.要使清潔裝置既能吸附又能移動，應滿足如下的條件:

1)要使清潔裝置吸附于壁面不致脫離，應使吸盤產生的最大靜摩擦力大于負載和車體產生的重力，即:

2)要使清潔裝置自如地向上移動，應使4只橡皮車輪產生的牽引力大于負載車體的重力和2個吸盤產生的動摩擦力之和，即:

圖2 理想受力分析圖

其中，若清潔裝置滿足向上移動的條件，即向下移動也可實現.在公式(1)和(2)中，F為吸盤產生的吸附力;μ為清潔裝置與壁面之間的靜摩擦系數，一般取值0.4;Y為考慮了拖曳負荷等因數的安全系數，一般取值2.5;G為負載和車體的

其中，P絕對壓力為微型真空泵的絕對真空度，取值20 kPa;S吸盤面積為兩個吸盤總的有效面積，約為39 cm2;T為減速比1∶20的電機輸出的總扭矩10 N·m;D為橡皮輪胎直徑65 mm;μw為橡膠車輪與玻璃壁面的附著系數，一般取值0.35;μd為吸盤壁面之間的動摩擦系數，一般取值0.2;N1為圖示的兩個吸盤所受的壓力之和.

將以上的數據代入相應公式，求解得吸盤吸附于壁面的最大吸附力F約為309.6 N，吸盤產生的最大靜摩擦力Fμ為123.8 N，而負載和車體產生的重力YG約為73.5 N，重力遠遠小于最大靜摩擦力，因此清潔裝置能夠吸附于壁面不脫離.由于吸附力F由2個吸盤和4個車輪共同作用產生，由圖2可以看出:F=N1+2N2+2N3，因此兩個吸盤所受的壓力之和N1應小于最大吸附力F，即N1≤309.6 N.將N1的取值代入公式(2)，求解得當 N1≤309.6 N時，公式(2)的 Ff≥YG+Fd的關系始終成立，說明系統滿足向上移動的條件.同時，若清潔裝置滿足向上移動的條件，即向下移動也可實現.因此，本系統既能吸附又能移動.

2.2 傾覆分析

根據前面的假設條件，如圖2所示的壁面清潔裝置在壁面上不傾覆的條件是:∑M≥0.即:重力，約為29.4 N;Ff為橡皮車輪產生的牽引力;Fd為吸盤的動摩擦力.

將吸附力F、牽引力Ff、動摩擦力Fd的計算公式代入公式(1)和(2)可以求解系統，即滿足吸附條件和上下移動條件.

由于清潔裝置吸附在壁面上時，4個車輪與墻面均有接觸，即吸附力N2≥0，因此進一步推導公式(7)，可得清潔裝置不發生傾覆的條件為:(8)式中，L為清潔裝置的重心與壁面間的距離，約為50 mm;l2為車輪到清潔裝置重心的垂直距離，約為150 mm.將相應的數據代入公式(8)，可得當N1≤285.1 N時，清潔裝置在清潔墻面不會發生傾覆.

綜上所述，針對本實驗系統，要使清潔裝置能夠可靠地在玻璃壁面移動和吸附，同時滿足不發生滑動及傾覆事故的條件，即要求吸盤所受的壓力N1≤285.1 N.由于本系統采用雙吸盤的真空吸附方式，當吸盤腔在壁面上移動時，由于泄漏進入負壓腔內的氣體與真空泵從負壓腔內抽出的氣體總量相等，負壓腔內總能形成負壓平衡，因此系統可以通過真空泵來調節壓力分配，使吸盤所受的壓力小于285.1 N.

3 硬件電路與設計

3.1 硬件電路的結構分析

如圖3所示為滑動吸附式壁面清潔裝置的硬件結構框圖.主要由主控制模塊、傳感器模塊、電源模塊、驅動模塊、無線通信模塊組成［11］.系統采用飛思卡爾半導體公司生產的MC9SXS128單片機作為微控制處理器;大功率鋰電池和DC-DC直流升壓電路組成電源部分;IR2147和IRF3205組成電機的直流橋式驅動電路;ZIGBEE模塊的CC2530實現無線通信.

圖3 硬件電路組成框圖

3.2 主控制模塊單元電路設計

主控制模塊最小系統如圖4所示，包括:電源電路、復位電路、時鐘發生電路、BDM接口電路和傳感器信號采集電路.由于控制芯片XS128所需工作電壓VCC為5 V，因此，電源部分采用能最大輸出3 A電流的LM2596-5V芯片進行電壓轉換;為提高時鐘的信號質量以及穩定性，使用16 MHz的有源晶振產生系統時鐘;AD轉換參考電壓VRH由VCC直接經電阻MR3(0Ω)提供;VDD為內核濾波電路，由MC14、MC15組成;VDDF為內部Flash濾波電路，由MC16、MC17組成.

圖4 主控制模塊最小系統圖

3.3 驅動模塊電路設計

直流電機驅動電路如圖5所示.在該電路中畫出了壁面清潔裝置中2個直流電機的控制電路，電機額定電壓為12 V，最大額定電流10 A，額定功率12 W.電機控制信號由PWM口輸出0～5 V的直流電平控制信號.其中，PWM01、PWM23控制執行電機M1，經U2前置驅動后，由后置橋式驅動電路Q1～Q4輸出電機控制信號，控制執行電機 M1的轉速和轉向;PWM45、PWM67控制執行電機M2，經U3前置驅動后，由后置橋式驅動電路Q5～Q8輸出電機控制信號，控制執行電機M2的轉速和轉向.

圖5 直流電機驅動電路圖

4 軟件程序的設計

軟件控制程序是壁面清潔裝置的控制核心，負責該清潔裝置各種動作執行的指揮，主要完成:前端檢測、數據處理、控制執行3個任務.其中，前端檢測任務是控制、協調各子系統的正常工作;數據處理任務是對各種傳感器獲得的數據進行數據處理與數據融合;控制執行任務是實時發出控制指令，控制裝置完成相應的功能［12］.

圖6 軟件架構圖

5 結語

滑動吸附式壁面清潔裝置能對玻璃幕墻、光滑墻面等進行清洗作業，具有體積小、反應靈敏、運行效率高、成本低的特點.通過在實驗室戶外玻璃幕墻的清洗實驗，得出如下結論:

1)通過對壁面清潔裝置的穩定性和可靠性分析，當吸盤在壁面上移動時，允許一定的泄漏量，負壓腔內的氣體進入量與真空泵從負壓腔內抽出的氣體總量相平衡，在裝有兩個直徑為50 mm吸盤的條件下，可通過小于10 mm的間隙.

2)清潔裝置調速控制以1～5 m/min爬行速度前進、后退和轉彎運動較為適宜;清洗機構滾輪轉速50～100 r/min時清洗效果最佳，按清潔裝置移動速度和清潔面直徑進行計算，單位清洗面積可達到40～80 m2/h.

3)采用三維傾角傳感器感知行走狀態，通過程序控制，在發生故障時啟動安置在頂樓的安全保護機構防止裝置跌落，提高工作過程中裝置的安全性.

［1］薛勝雄，任啟樂，陳正文，等.磁隙式爬壁機器人的研制［J］.機械工程學報，2011，47(21):37-42.

［2］彭晉民，李濟澤，邵潔，等.負壓爬壁機器人吸附系統研究［J］.中國機械工程，2012，23(18):2160-2164，2168.

［3］朱志宏，李濟澤，彭晉民，等.微小型壁面檢測爬壁機器人移動平臺研究［J］.機械工程學報，2011，47(3):49-54.

［4］崔旭明，孫英飛，何富君.壁面爬行機器人研究與發展［J］.科學技術與工程，2010，10(11):2672-2677.

［5］王富杰，孫靜，王吉岱，等.壁面移動機器人移動方式及移動機構的研究進展［J］.機械傳動，2012，36(6):115-120.

［6］付宜利，李志海.爬壁機器人的研究進展［J］.機械設計，2008，25(4):1-4.

［7］王興如，衣正堯，弓永軍，等.履帶式船舶除銹爬壁機器人關鍵機構設計［J］.機械設計，2009，26(12):32-34，71.

［8］雷靜桃，高峰，崔瑩.多足步行機器人的研究現狀及展望［J］.機械設計，2006，23(9):1-3，11.

［9］張興悟，章永華，楊杰.高機動性小型清潔爬壁機器人的研究［J］.機械研究與應用，2007，20(2):28-30.

［10］李志海，付宜利，王樹國，等.四輪驅動滑動吸盤爬壁機器人的動力學研究［J］.機器人，2010，32(5):601-607.

［11］冀杰，翟彥博，彭和.基于三維虛擬環境的車輛跟隨硬件在環仿真系統設計［J］.西南大學學報:自然科學版，2013，35(6):1-9.

［12］劉永春，關義平，楊靜.基于GSM及單片機的汽車防盜報警系統設計［J］.西南大學學報:自然科學版，2013，33(7):170-172.

(責任編輯 吳 強)

Design and research of a wall cleaning device based on sliding absorption

ZHOU Jie1，FAN Li2，DING Zhuyu1，LEIYu1

(1.College of Engineering and Technology，Southwest University，BeibeiChongqing 400716，China;
2.College of Electronic and Information Engineering，Southwest University，BeibeiChongqing 400716，China)

In order to clean glass curtain wall of high building flexibly and efficiently，this paper designs a novel wall cleaning device with sliding absorption.In this paper，the author analyzes the steering kinematics and dynamicsmodel of cleaning device，expounds the design structure and working principle of each part of cleaning device.The tests indicate that the sliding absorption wall cleaning device can realize omnibearing freemovement in the vertical direction of glass curtain wall，ithas the characteristics of flexible control，simple operation，high economy and practicability，and the system has good market application prospect.

sliding adsorption;wall cleaning;single chip microcomputer control

TP274

A

1673-8004(2014)05-0089-05

20140-03-03

國家大學生創新實驗計劃資助項目(201210635120);中央高?；究蒲袠I務費專項(XDJK2011C063).

周杰(1991-)，男，重慶合川人，主要從事車輛工程方面的研究.

丁珠玉(1980-)，男，重慶墊江人，副教授，高級實驗師，主要從事機電一體化技術方面的研究.