全自動式安全擦玻璃機械人設計分析

江興宇，孟凡召，劉浩然，葉紅艷

(山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253000)

高層住戶窗戶雙層玻璃清洗難度大，危險程度高。為解決此問題，發明了雙層玻璃清洗工具。

市場上現有的擦玻璃工具主要分為機械式擦玻璃工具和永磁鐵式磁力玻璃工具兩大類。機械式擦玻璃工具主要研究安全伸出窗外、能夠伸縮，以擴大擦洗范圍；磁力擦玻璃工具主要研究磁鐵的移動控制、磁力控制和磁性保護、清潔條、刮水條等固定設計等方面。通過調研發現，磁力擦玻璃工具有一個顯著的缺點，室外工具在磁力作用下隨室內工具移動，經常由于操作者擦洗移動速度不穩或突然加快導致室外工具吸力不足而墜落。雖然大部分室外工具都用安全繩與操作者聯系，但仍有一定的安全隱患。

研究開發了全自動安全擦玻璃機械人，可以有效保障磁力擦玻璃機械人的安全功能、吸附功能、行走功能、擦洗功能。

1 存在的問題

機械人在家庭中不斷普及，但實用性有待提高，一些技術性問題有待解決。其主要存在以下問題：一是性價比低。有95%的城市高樓玻璃外壁采用的是人工清洗完成，因用戶不滿足現有擦玻璃機械人的擦拭效果，且價格偏高，一般在2 000～5 000元，無法真正服務于人們。二是清潔效率低，路徑規劃復雜。擦玻璃機械人一次只能進行一個面的擦拭，擦拭效率低。路徑規劃上，機械人在碰撞邊框后要進行復雜的掉頭與拐彎，掉頭與拐彎過程中會產生對已擦拭部位的二次污染，擦拭效率低且擦拭效果差。三是清潔效果不佳。擦玻璃機械人能夠將玻璃表面擦拭干凈，但是窗戶邊框與直角部位很難擦拭到，擦拭效果不好。采用圓盤式清潔模塊的機械人難以擦拭邊框和窗戶直角區域。四是擦玻璃機械人存在技術問題。每種吸附方式和行走方式均有優缺點，很難同時滿足靈活的行走性和穩定的吸附性要求。擦洗移動速度不穩或突然加快，對室內工具影響不大，但對室外工具來講會因為吸力不足導致墜落。

2 安全式全自動擦玻璃機械人的設計

2.1 結構設計

本裝置主要包括室內工具和室外工具，室內工具主要由殼體、移動機構、定位與掃描機構、防磁化機構、可調永磁機構、清潔條、刮水條等部分組成，室外工具主要由殼體、永磁鐵、清潔條、刮水條、安全繩等部分組成。

圖1 安全式全自動擦玻璃機械人設計結構簡圖Fig.1 Schematic diagram of the design structure of the safe fully automatic glass wiping robot

圖2 安全式全自動擦玻璃機械人設計結構簡圖Fig.2 Schematic diagram of the design structure of the safe fully automatic glass wiping robot

1.室內工具；2.室外工具；3.內殼體；4.麥克納姆輪；5.第一清潔條；6.第一刮水條；7.滑動的磁鐵塊；8.外殼體；9.第二清潔條；10.第二刮水條；11.安全繩；12.螺紋桿；13.矩形塊；14.滑動塊；15.T型塊；16.調整旋鈕；17.傳感器圖3 可調節磁鐵設計結構簡圖Fig.3 Schematic diagram of adjustable magnet design structure

該裝置分為室內工具和室外工具兩部分。將室外工具靠在窗戶雙層玻璃外側，同時室內工具靠在窗戶雙側玻璃內側，兩者在磁力作用下隔著玻璃吸在一起，使得磁鐵塊滑動，磁力達到適當的值。采用麥克納姆輪實現機械人的靈活轉彎與運動，設有傳感器，主要作用是掃描定位。在內殼體后端面設有控制裝置，包括電源模塊、穩壓模塊、控制單元、傳感器、電機電調、無刷減速電機、麥克納姆輪。控制單元的輸入端與穩壓模塊電連接，穩壓模塊與電源模塊電連接，控制單元與傳感器電連接。傳感器有多個，其中一個為陀螺儀，控制單元與電機電調電連接，電機電調與無刷減速電機電連接，從而驅動麥克納姆輪。

安全繩的設置應避免室外工具墜落，將安全繩的另一端固定在室內。

內殼體內可轉動設有螺紋桿，螺紋桿螺紋連接有前后滑動的矩形塊，矩形塊前端固定連接有滑動塊，與磁鐵塊固定連接。

內殼體內前后方向的T型槽內設有可滑動的T型塊，T型塊內端貫穿T型槽，與滑動塊固定連接。

螺紋桿后端貫穿內殼體且固定有調整旋鈕。通過旋擰調整旋鈕使螺紋桿轉動，從而完成磁鐵塊滑動，調節內殼體內磁力的大小。

2.2 控制系統設計

控制單元采用STM32F40，陀螺儀采用MPU6050，CAN通信模塊為TJA1050。

由電源模塊進行供電，經過穩壓模塊穩壓后給控制單元供電，控制單元接收傳感器的信息并進行分析，通過CAN通信給電機電調發送移動指令，使無刷減速電機驅動麥克納姆輪執行相關的靈活移動，但是由于麥克納姆輪移動的靈活性，需要引入陀螺儀對校對角度進行測量并對方向進行實時矯正。

技術路線設計如圖4。

圖4 安全式全自動擦玻璃機械人控制總體硬件方案結構圖Fig.4 Structure diagram of overall hardware scheme of safety fully automatic glass wiping robot control

2.3 吸附結構設計

安全式全自動擦玻璃機械人的主要工作壞境是居民住宅(樓)、商場等，目前主要的吸附方式有真空吸附、磁力吸附、推力吸附。3種吸附方式對比如表1所示。

表1 擦玻璃機器人行走方式比較Tab.1 Comparison of walking style of the glass wiping robot

對3種吸附方式進行比較，結合玻璃厚度，該擦玻璃機械人選用永磁鐵吸附方式。設置調節磁力大小裝置，使其適用于不同厚度的玻璃。

2.4 行走方式設計

行走方式主要包括車輪式、履帶式、框架式、腳步式。由于框架式與腳步式只能采用真空式吸附方式，選用永磁鐵吸附，所以只能采用車輪式或履帶式。比較4種行走方式，如表2所示。

表2 擦玻璃機器人吸附方式比較Tab.2 Comparison of adsorption mode of glass wiping robot

安全式擦玻璃機械人要考慮速度、穩定、轉彎能力，因此選擇車輪式行走方式。為了提高轉彎能力，輪子選取麥克納姆輪(該輪采用全向驅動技術，可以實現任意方向的平移與原地旋轉)。

2.5 工作運行設計

擦玻璃時，用洗滌液浸潤第一清潔條和第二清潔條，固定安全繩于室內，將室外工具靠在窗戶雙層玻璃外側，同時室內工具靠在雙側玻璃內側，兩者在磁力作用下隔著玻璃吸在一起，選擇磁力調整旋鈕，使磁力達到適當的值，隨后打開控制裝置IDE開關，本裝置可在移動的同時將玻璃清理干凈，正常行進路徑根據傳感器識別的窗戶數據自動規劃。如果本裝置行進至窗框邊緣，受到阻力時，麥克納姆輪可自動轉向保證本工具自動正常運行，不會導致工具脫離窗戶玻璃而墜落。當玻璃表面完全擦洗干凈時，使用者關閉控制裝置IDE開關，錯開室內工具與室外工作一定角度，使其磁力減弱以脫開，分離本裝置的室內外工具恢復原狀，繼續上述步驟繼續擦洗玻璃直至完成全部玻璃的擦洗。

3 安全式全自動擦玻璃機械人的特點

安全式全自動擦玻璃機械人有以下特點：一是采用傳感器與控制單元，可以實現玻璃表面清洗時的自動路徑規劃。二是采用麥克納姆輪可以避免工具沖出窗框范圍，且移動速度均勻緩慢，不會因人力拖動磁力清洗工具的速度不均而使室外工具脫離磁力，發生墜落事故。三是設有防磁化機構，磁化機構護住無刷減速電機，防止無刷減速電機受到磁鐵塊影響。四是采用先“之”字來回清潔，再沿邊一圈進行收尾，清潔效果較好。五是強力吸附使得清潔盤緊貼在玻璃表面，清潔效果顯著。六是采用永磁鐵吸附式結構，不消耗電能，結構緊湊，室內機內部設有磁鐵升降裝置和磁力測量模塊來調節磁力大小。

4 結語

擦玻璃機械人是家用智能機器人技術應用于服務行業的一個代表性產品，其能夠代替人們進行高空擦玻璃作業，避免了擦玻璃過程中的危險，大大節省了擦玻璃時間，減少了勞動強度。擦玻璃機械人有巨大的發展潛力，應注重安全問題，本設計具有廣闊的發展前景。