高空清潔玻璃機(jī)器人的設(shè)計與實現(xiàn)

東南大學(xué)成賢學(xué)院電子與計算機(jī)工程學(xué)院 戴詩璇 李寶祖 王子建 韓 瀟

在高層建筑中，玻璃內(nèi)外會有許多的粉塵和其他污物，用我們設(shè)計的機(jī)器人來代替人進(jìn)行高空作業(yè)。本文設(shè)計了一種基于Arduino單片機(jī)的智能清潔機(jī)器人系統(tǒng)，該項目擬設(shè)立一種高空清潔機(jī)器人使用電磁原理讓機(jī)器人實現(xiàn)高空作業(yè)和清潔軌道化，同時利用交流電壓技術(shù)產(chǎn)生清潔噴霧，超聲波測距實現(xiàn)自動避讓，并設(shè)置故障處理機(jī)制。

隨著國家新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的進(jìn)行，越來越多的高樓大廈拔地而起。發(fā)展不斷進(jìn)行的同時，高層的玻璃清潔也成了人們越來越關(guān)心的問題。現(xiàn)如今高層玻璃的清潔一直是由企業(yè)或者地產(chǎn)開發(fā)商用高價雇傭民工，或者一些城市外來勞工。因為勞工并沒有先進(jìn)的技術(shù)以及資金支持，所以用的安全措施十分簡陋。人們的安全不能得到保證，所以我們團(tuán)隊設(shè)計并準(zhǔn)備制作新一代高空玻璃清潔機(jī)器人。現(xiàn)在大部分的高空清潔機(jī)器人有很多種類，絕大部分是以吸盤固定，用單片機(jī)實現(xiàn)機(jī)器人的操控。我們設(shè)計的高空清潔機(jī)器人希望用電磁吸附的原理以及用超聲波震蕩原理產(chǎn)生噴霧實現(xiàn)清潔。在我國未來的發(fā)展中，我相信高空作業(yè)會越來越受到國家以及企業(yè)的重視。因此我們團(tuán)隊對我們的設(shè)計作品很有信心。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)器人主要由吸附裝置、電機(jī)驅(qū)動模塊、清潔模塊、超聲波測距模塊、電源及單片機(jī)主控模塊等構(gòu)成，如圖1所示。

在我們通過討論和調(diào)查確定適合本次實驗的最佳器件，選擇了帶有麥克納姆輪的小車作為本次機(jī)器人的主體。每一個車輪上裝載了有許多橢圓形狀的機(jī)輪，而且這些機(jī)輪與車輪軸心成45°排列。 車輪旋轉(zhuǎn)時，機(jī)輪與地面接觸發(fā)生摩擦，地面會給車輪與轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一個45°的摩擦力，如圖2所示。這個摩擦力可分解為X方向上的分量與Y方向上的分量，然后通過調(diào)整每一個車輪的運動方向或狀態(tài)，從而改變X和Y方向上的分量的力的大小和合力的方向，讓車子做各種方式的移動。

在小車與玻璃的固定方面，我們選擇利用磁鐵之間的強(qiáng)大吸引力，通過改變磁鐵的數(shù)量及距離來調(diào)節(jié)磁力的大小，以達(dá)到機(jī)器人在玻璃上固定的作用。

在機(jī)器人底部放置了清潔模塊，該模塊由清潔布及霧化器組成，在玻璃兩面分別加裝以達(dá)到清潔的作用。其中霧化器采用的高頻交流電壓使金屬片震動產(chǎn)生噴霧，既不會使水量過大產(chǎn)生水漬，也不會因為水量過小而達(dá)不到工作需求，為使噴霧功能能夠持續(xù)工作，主要采用電池供電，保證工作的連續(xù)性。清潔裝置配備可拆裝的清潔布，放在機(jī)器人底部。在玻璃的另一側(cè)放置配有磁鐵的清潔布，以達(dá)到兩面清潔的作用。

超聲波測距模塊通過發(fā)送和接收超聲波，利用時間差和聲音傳播速度，計算出模塊到前方障礙物的距離。以達(dá)到避障的目的。

我們用的電池是9V的鋰電池，給單片機(jī)、霧化器、電機(jī)驅(qū)動供電。

圖 1 麥克納姆輪工作原理圖

圖 2 機(jī)器人外觀設(shè)計

圖3 程序流程圖

2 軟件設(shè)計

本設(shè)計選用Arduino單片機(jī)作為主控器。該機(jī)器人的程序主要圍繞著車身到玻璃頭尾的距離而設(shè)計的，如圖3程序流程圖所示。軟件部分主要有端口配置、定時器、PWM輸出，系統(tǒng)上電后，初始化各個模塊，然后進(jìn)入工作模式。

考慮到機(jī)器人與人不同，難免會存在一些地方不能達(dá)到理想清潔的情況，我們設(shè)計了以機(jī)器人清潔為主，手動清理為輔的工作模式。在自動模式下，機(jī)器人從玻璃左下方開始行走，通過單片機(jī)定時檢測機(jī)器人運動狀態(tài)，檢測是否到達(dá)工作邊界。若機(jī)器人達(dá)到，則使用單片機(jī)控制機(jī)器人向右方行駛一個車身的距離后向正下方行駛；繼續(xù)檢測后面玻璃邊沿，然后控制機(jī)器人向右方行駛一個車身的距離后向正上方行駛。如此循環(huán)往復(fù)，走出一條“PWM波”形路徑。

結(jié)語：本文介紹了基于Arduino單片機(jī)設(shè)計的高空清潔機(jī)器人。本項目創(chuàng)新在于取代人工高空清理玻璃作業(yè)，減少了人工操作的危險性。在玻璃兩側(cè)實現(xiàn)夾護(hù)式系統(tǒng)，通過磁鐵產(chǎn)生的磁力相互吸引，保證了兩側(cè)的對應(yīng)性，提升了整體的安全性能。整體添加了自動化的工作方式，可以按照設(shè)置的路徑進(jìn)行移動。清洗模塊中采用的高頻交流電壓使金屬片震動產(chǎn)生噴霧，既不會使水量過大產(chǎn)生水漬，也不會因為水量過小而達(dá)不到工作需求，為使噴霧功能能夠持續(xù)工作，主要采用電池供電，保證工作的連續(xù)性。