智能吸附擦玻璃裝置的設計研究

王超 王濤 劉鑫 李榮釗

摘 要：隨著城市現代化的逐漸發展，對于玻璃清潔的潔凈程度、清潔效率、安全性等要求逐漸增高。本文提出對于一種新型的智能吸附擦玻璃裝置進行設計研究，利用智能識別、電子控制、全自動多方向機械運行等功能設計一種集自動識別污漬、遠程控制、快速高效清洗為一體的新型裝置。本文以該裝置為研究對象，以高效快速清潔玻璃為目標對整個裝置進行系統分析。

關鍵詞：玻璃清潔;自動化;機械結構

隨著城市現代化發展，特別是高層建筑的興起，以玻璃壁為代表的壁面結構逐漸演繹成華麗的“城市外衣”，因此衍生出繁重的壁面清洗任務，并且許多國家已對建筑壁面的清洗要求做出了明確規定。另一方面，越來越奇特的建筑結構使清洗的難度成倍增加，甚至采用傳統的清洗方法已無能為力。根據統計，目前我國大多對于高層建筑的清洗是由人工完成的。然而，在社會文明高度發展的今天，對生命的關愛達到了前所未有的高度，要求停止使用蜘蛛人的呼聲不絕于耳，因此人們期待新的具有人性化的清洗方式出現。并且人工對于一些死角和頑固污漬無能為力。

1.智能吸附式擦玻璃裝置的設計綜述：

利用智能識別、電子控制、全自動多方向機械運行等功能設計具有自動識別污漬及工作區域、自動和遠程控制、高效快速清理污漬的新型擦玻璃裝置。采用二代MESM探測系統多傳感器識別工作環境及內部微電腦處理器，成功將識別與控制融為一體，為該裝置提供了強大的中央控制單元。采用多連臂操作桿具有多方向多角度無死角清掃功能，大大提升了工作效率。因此，新型擦玻璃裝置的開發對解決集中現代高樓層玻璃清理困難、死角無法清掃、安全系數低等問題具有理論和現實意義，具有良好的社會化和產業化前景。

2.智能吸附式擦玻璃裝置的系統介紹：

本設備由機械執行系統、電子控制系統、識別系統、人工控制系統等四大系統組成。其中APP客戶端系統和后臺管理系統構成了智能設備的軟件部分;機械執行系統和電子控制系統構成了智能設備的硬件部分。識別系統識別周圍環境以及確保吸附安全后，將污漬情況以及工作范圍上報到電子控制系統，經電子控制系統處理、分配后，將清潔指令發送至執行系統，進而控制機械執行系統進行智能玻璃清潔。

2.1 機械執行系統

機械執行系統中的清潔系統主要由電機、主動桿、中間桿、搖臂等構成;在清潔系統裝置上，采用左右分離電機的設計方法，左右的運動裝置由電機模塊和主動桿模塊構成;前后的運動裝置由搖臂系統以及上面的清潔模塊構成。

清潔系統采用轉動式對稱結構，圍繞電機運轉，主動桿通過法蘭固定安裝在電機上，以軸承座電機裝置為轉動中心保證主動桿裝置轉動的垂直度，并且可以保證轉動的準確與快速程度。清潔裝置通過一個中間桿固定在主動桿上，通過兩端軸承連接的中間桿，既加大了清潔系統清潔的空間，又通過電機轉動小角度帶動清潔系統大范圍，大大提升了工作效率。

機械執行系統中的牽引系統主要由吸盤裝置、同步輪裝置等構成;在牽引系統裝置上采用同步輪與吸盤固定裝置分置。根據控制系統的指令，在吸盤裝置中，控制電磁閥進氣與出氣，結合真空發生器使吸盤緊緊的吸附在需要打掃的位置上;在同步輪裝置中，通過同步輪與同步帶之間的相互結合，使機器平穩的向前運動。當接收到控制系統的指令后，前后方向上通過前后共7個吸盤，伴隨電磁閥控制進氣到真空發生器中，使吸盤固定在工作面上，然后水平并置的六組滑塊與滑軌協同工作，并且在機器前后5個同步輪連接3組前同步帶與1組后同步帶，采用同步帶提供前后運動的動力，滑片導軌安裝固定在支撐板的兩側，水平移動拉板放置在滑片導軌上，并依靠水平電機驅動的水平同步帶在水平面上左右移動，輔助裝置運行。兩組裝置交替運行，使機器平穩而快速地前后移動。在左右方向上，在小范圍通過前端的電機裝置使連桿系統轉動。在大范圍上，主要通過四周的兩個內外轉盤圈，中間加有軸承，使機器快速平穩的進行左右方向運動和旋轉。

2.2 電子控制系統

該系統主要包括主控模塊，冷卻控制模塊、顯示控制模塊、射頻模塊、電機驅動模塊七個功能模塊。該系統通過各功能模塊采集、處理相關信號，實現設備和內置軟件、人工操作、環境及機械執行元件之間的信息交互，其中電機驅動模塊與主控模塊間使用CAN通訊，無線通訊模塊、顯示控制模塊、射頻模塊與主控模塊間通過串口連接。

2.2.1主控模塊

為了能夠和多個模塊間進行通訊，并提高多任務協調控制速度，我們選用了STM32F405VGT6芯片作為主控芯片，提供兩路CAN及多個串口與各模塊進行通訊。

2.2.2溫度控制模塊

采用數字式溫濕度傳感器，把溫度物理量和濕度物理量，通過溫、濕度敏感元件和相應電路轉換成數據采集設備直接讀取得數字量。

2.2.3顯示控制模塊

用于顯示工作時間，以及報錯提示。

2.2.4射頻模塊

通過id識別用戶身份，當人工操控時，將其身份傳告控制系統，控制系統確定該用戶的控制權。

2.2.5冷卻控制模塊

當溫度傳感器采集到的溫度超過某一警戒值，控制系統開啟冷卻裝置。

2.2.6電機驅動模塊

控制系統通過CAN通訊控制電機帶動機械結構運行，實現控制機器運轉。

該系統包括主體外殼、清潔裝置、便攜裝置、冷卻裝置、牽引裝置等五個部分，主體與清潔裝置之間相互配合，完成清潔功能;牽引系統保證裝置穩定快速的到達目標區域進行清潔;冷卻裝置、便攜裝置作為保障系統保證整體設備的安全以及方便性。

3.新型智能吸附擦玻璃裝置優勢分析：

3.1 基于二代MESM探測系統多傳感器識別工作環境及內部微電腦處理器的信息識別、傳輸方式

利用主控模塊，無線通信模塊、溫度控制模塊、冷卻控制模塊、顯示控制模塊、射頻模塊、電機驅動模塊七個功能模塊。通過各功能模塊采集、處理相關信號，實現設備和內置軟件、人工操作、環境及機械執行元件之間的信息交互，其中電機驅動模塊與主控模塊間使用CAN通訊，無線通訊模塊、顯示控制模塊、射頻模塊與主控模塊間通過串口連接。

3.2 智能全面的安防保護裝置

利用溫濕度傳感器檢測設備內溫度、濕度。溫度超限及時觸發冷卻裝置，既可有效防止溫度過高對智能設備內部電路、電子元件的損害和對內部機械構件的腐蝕，也可有效地避免溫度過高引起內部電子元件損壞引發火災的情況發生。在外部安裝了扶手安裝系統，方便于人工的使用與安裝拆卸。

3.3 智能清潔系統

在清潔系統裝置上，采用左右分離電機的設計方法，左右的運動裝置由電機模塊和主動桿模塊構成;前后的運動裝置由搖臂系統以及上面的清潔模塊構成。采用轉動式對稱結構，圍繞電機運轉，主動桿通過法蘭固定安裝在電機上，以軸承座電機裝置為轉動中心保證主動桿裝置轉動的垂直度，并且可以保證轉動的準確與快速程度。清潔裝置通過一個中間桿固定在主動桿上，通過兩端軸承連接的中間桿，既加大了清潔系統清潔的空間，又通過電機轉動小角度帶動清潔系統大范圍，大大提升了工作效率。