綠色環(huán)保節(jié)能型越障玻璃擦洗機(jī)器人

張明 高興軍

摘要：綠色環(huán)保節(jié)能型越障玻璃擦洗機(jī)器人是在現(xiàn)有的擦玻璃機(jī)器人上進(jìn)行改造，集機(jī)械設(shè)計(jì)、智能控制以及節(jié)能環(huán)保技術(shù)于一體，解決節(jié)能和全自動擦拭玻璃的復(fù)雜問題。在節(jié)能方面，它的表面鋪設(shè)太陽能板，在白天工作的時(shí)候，通過機(jī)器人內(nèi)部的能源裝換裝置，將吸收的光能轉(zhuǎn)化為機(jī)器人工作需要的電能，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保。另外在保證機(jī)器人正常工作的時(shí)候?qū)C(jī)器人的電機(jī)減少一半，達(dá)到節(jié)能的目的。在功能方面，它可以幫助人們實(shí)現(xiàn)玻璃窗、玻璃墻的智能越障和全自動擦洗工作，降低人們的勞動強(qiáng)度，減少危險(xiǎn)性。綠色環(huán)保節(jié)能型越障玻璃擦洗機(jī)器人的技術(shù)關(guān)鍵在于能量轉(zhuǎn)換裝置和智能越障控制系統(tǒng)。能量轉(zhuǎn)換裝置的效率決定了該機(jī)器人在工作時(shí)利用少量能量高效完成玻璃的清潔。智能控制系統(tǒng)的效率決定了機(jī)器人對玻璃之間障礙的跨約能力，效率高的機(jī)器人能夠靈活在障礙之間進(jìn)行跨約，減少人工的參與，高效完成擦玻璃這項(xiàng)工作。

Abstract： Green environmental protection and energy saving obstacle glass cleaning robot is based on the existing glass cleaning robot transformation， set mechanical design， intelligent control， as well as energy saving and environmental protection technology in one， to solve the complex problem of energy saving and automatic glass cleaning. In terms of energy saving， the surface of the robot is covered with solar panels. During the daytime， the energy installation inside the robot can be used to convert the light energy absorbed into the electric energy needed by the robot， so as to achieve environmental protection. In addition， the motor of the robot can be reduced by half to achieve the purpose of energy saving when the robot works normally. In terms of function， it can help people realize intelligent obstacle crossing and automatic scrubbing of glass windows and glass walls， reducing people's labor intensity and reducing danger. The key technology of green， environment-friendly and energy-saving glass surmounting robot lies in energy conversion device and intelligent control system of obstacle surmounting. The efficiency of the energy conversion device determines that the robot can use a small amount of energy to clean the glass efficiently. The efficiency of the intelligent control system determines the ability of the robot to cross the barriers between the glasses. The robot with high efficiency can flexibly cross the barriers between the glasses to reduce the participation of human beings and finish the work of glass cleaning efficiently.

關(guān)鍵詞：綠色環(huán)保;節(jié)能;智能越障;全自動;玻璃擦洗機(jī)器人

Key words： going green and environment protection;energy conservation;intelligent obstacle;full-automatic;glass cleaning robot

中圖分類號：TP242.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）30-0223-02

0 ?引言

國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的玻璃擦洗機(jī)器人[1]存在三個(gè)技術(shù)瓶頸：不能完全實(shí)現(xiàn)自動化，遇到玻璃邊框等不能跨越，對人依賴大;清潔過程存在盲區(qū);對能源利用率低且能耗大。為此本文擬設(shè)計(jì)一款綠色環(huán)保、節(jié)能、可實(shí)現(xiàn)自動越障功能的玻璃擦洗機(jī)器人，代替人工完成玻璃清潔工作，并且為綠色環(huán)保做一定的貢獻(xiàn)。

1 ?綠色環(huán)保節(jié)能型越障玻璃擦洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)

1.1 玻璃擦洗機(jī)器人的靜力學(xué)分析

玻璃擦洗機(jī)器人設(shè)計(jì)工作時(shí)主要受自身重力、真空吸附力和摩擦力的作用，為保證機(jī)器人能夠穩(wěn)定吸附在玻璃表面，需要保證機(jī)器人在x軸和y軸方向受力平衡。玻璃擦洗機(jī)器人能夠穩(wěn)定吸附在玻璃表面工作，一方面可以增加玻璃表面對清潔布的摩擦系數(shù);另一方面可以減小機(jī)器自身的總重量。

1.2 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體機(jī)械結(jié)構(gòu)三維圖如圖1所示。

真空吸盤如圖2所示。

玻璃擦洗機(jī)器人，包括：

機(jī)架如圖3所示。

機(jī)械腿如圖4所示。

玻璃清洗裝置如圖5所示。

還包括：

調(diào)節(jié)螺桿如圖6所示。

2 ? 綠色環(huán)保節(jié)能型越障玻璃擦洗機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]

2.1 玻璃擦洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)方案分析

控制系統(tǒng)是玻璃擦洗機(jī)器人的核心，一個(gè)優(yōu)越的控制系統(tǒng)可以給機(jī)器人提供高效清潔模式、多種路徑規(guī)劃模式、平穩(wěn)的運(yùn)動狀態(tài)。

為了保證擦玻璃機(jī)器人能夠安全高效的完成清潔工作，因此，至少具備以下基本功能：

①穩(wěn)定的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，指能有效快速控制四個(gè)驅(qū)動電機(jī)正反轉(zhuǎn)，并通過PWM來對四個(gè)電機(jī)分別進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速。

②傳感器信號的檢測和處理系統(tǒng)，主要包含微型開關(guān)傳感器（檢測機(jī)器人是否碰撞到邊框）和陀螺儀模塊傳感器（進(jìn)而檢測和調(diào)整擦玻璃機(jī)器人的運(yùn)動姿態(tài)，保證其能夠平穩(wěn)工作）。

③安全有效電源管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測電量，在低電量情況下進(jìn)行報(bào)警。

④合理有效的路徑規(guī)劃系統(tǒng)，考慮到窗戶的邊框和拐角區(qū)域是玻璃擦洗機(jī)器人難以覆蓋的地方，故需要通過合理設(shè)計(jì)擦拭單元和有效的路徑規(guī)劃，來實(shí)現(xiàn)擦玻璃機(jī)器人最大化地擦拭整個(gè)窗戶表面。

⑤自動和遙控的控制系統(tǒng)，配備紅外模塊，使得機(jī)器人具有自動或遙控兩種工作模式。

2.2 玻璃擦洗機(jī)器人的行走路徑規(guī)劃

玻璃擦洗機(jī)器人路徑規(guī)劃屬于簡單的離線路徑規(guī)劃。充分利用傳統(tǒng)人工擦玻璃的優(yōu)勢擦拭效果顯著、擦拭路線簡單。人工擦拭窗戶的步驟為濕擦、刮拭、干擦三部分，擦拭路線為從窗戶上邊框自左向右“Z”字型方式如圖7所示。考慮到機(jī)器人對窗戶直角區(qū)域和邊控區(qū)域擦拭不夠徹底，設(shè)計(jì)機(jī)器人擦拭路徑為先“Z”字型行走，然后在繞窗邊回轉(zhuǎn)一圈擦拭方式。

本機(jī)器人有效的解放了勞動力;自動巡邊，水平方向自動運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對玻璃的無死角，全覆蓋擦拭;單塊玻璃擦試完畢后自動進(jìn)位到玻璃上方，實(shí)行智能跨越動作，擦拭另一塊玻璃。

3 ?結(jié)語

綠色環(huán)保節(jié)能型越障玻璃擦洗機(jī)器人是現(xiàn)在市場上玻璃擦洗機(jī)器人[3][4]的升級版，在能源利用、節(jié)能減排、智能越障、自動擦洗方面具有很強(qiáng)的代表性。在節(jié)能方面，它的表面鋪設(shè)太陽能板，在白天工作的時(shí)候，通過機(jī)器人內(nèi)部的能源裝換裝置，將吸收的光能轉(zhuǎn)化為機(jī)器人工作需要的電能，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保。另外在保證機(jī)器人正常工作的時(shí)候?qū)C(jī)器人的電機(jī)減少一半，達(dá)到節(jié)能的目的。在功能方面，它可以幫助人們實(shí)現(xiàn)玻璃窗、玻璃墻的智能越障和全自動擦洗工作，降低人們的勞動強(qiáng)度，減少危險(xiǎn)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李潔，遲明路，呂廣靜.一種高層建筑自動擦玻璃系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].南方農(nóng)機(jī)，2020，51（05）：45-46.

[2]郭韶山，陳洋，張慎云，童瑞晗，溫博.自動擦窗機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，33（01）：69-75.

[3]劉晨，趙艷紅，張福來.一種攀壁式擦玻璃機(jī)器人的研究[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（02）：169，198.

[4]王侃，何繼紅，周幫平.一種輪足組合式擦玻璃機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械工程與自動化，2018（02）：112-114.

課題項(xiàng)目：2020年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，編號：2020101480011。

作者簡介：張明（1999-），男，河北張家口人，本科生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化;高興軍（通訊作者）（1979-），男，江蘇泰興人，副教授，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。