摘 要： 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃窗戶全方位自動(dòng),、高效地清潔,，設(shè)計(jì)了一種新型玻窗清潔機(jī)器人。介紹了機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)思路,，重點(diǎn)闡述了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、驅(qū)動(dòng)模塊以及控制算法。測(cè)試表明,，該玻窗清潔機(jī)器人操作簡(jiǎn)單,、控制靈活、實(shí)用性強(qiáng),，且具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性,，可實(shí)現(xiàn)豎直方向全方位自由移動(dòng)，清潔效果良好,。
關(guān)鍵詞： 玻窗清潔,；清潔機(jī)器人,；驅(qū)動(dòng)控制
目前，市場(chǎng)上雖然出現(xiàn)了一些爬壁機(jī)器人,，但至今還沒(méi)有一種專門針對(duì)玻窗清潔的機(jī)器人,。本文介紹了一種基于負(fù)壓吸附的輪式玻窗清潔機(jī)器人，將其用于高層住宅的的玻璃清洗工作,。使用該機(jī)器人可以避免玻窗清潔帶來(lái)的高空作業(yè)危險(xiǎn),，而且其操作簡(jiǎn)單、使用方便,，應(yīng)用價(jià)值高,，市場(chǎng)前景廣闊。
1 玻窗清潔機(jī)器人系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
該玻窗清潔機(jī)器人系統(tǒng)由手勢(shì)識(shí)別和清潔機(jī)身兩個(gè)部分組成,，如圖1所示,。手勢(shì)識(shí)別部分利用MXC6202二軸加速度傳感器測(cè)量人手控制過(guò)程中的加速度值，將采集到的加速度值送入單片機(jī)中處理,，經(jīng)過(guò)一定的算法得到控制信號(hào),，并通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送到清潔機(jī)器人部分。清潔機(jī)身部分將接收到的手勢(shì)識(shí)別控制信號(hào)傳送給主控單片機(jī)[1],，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后,，產(chǎn)生兩路直流減速電機(jī)的控制信號(hào)和一路微型真空泵的控制信號(hào)，經(jīng)各驅(qū)動(dòng)器放大后,，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流減速電機(jī)和微型真空泵的驅(qū)動(dòng)和控制,。
2 玻窗清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)
玻窗清潔機(jī)器人采用負(fù)壓吸附、輪式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)[2-3],。工作時(shí),，機(jī)器人吸附在玻璃面上，通過(guò)全方位移動(dòng),，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃的清潔,。清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型如圖2所示，由車輪,、過(guò)濾器,、微型真空泵、同步齒形帶,、直流減速電機(jī),、底盤、吸盤七部分構(gòu)成,。該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡(jiǎn)單,、可靠、操作方便,，可以滿足壁面移動(dòng)機(jī)器人在負(fù)載能力,、速度以及可靠性方面的要求,。
該機(jī)器工作原理：通過(guò)微型真空泵抽氣，在吸盤內(nèi)形成負(fù)壓,，從而將機(jī)器人吸附在玻璃面上,；由兩個(gè)直流減速電機(jī)控制兩排輪胎的同向同速、同向差速,、異向同速,、異向差速等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上,、下,、左、右等運(yùn)動(dòng),。
3 玻窗清潔機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊
機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊是玻窗清潔機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,，因此，本文重點(diǎn)介紹了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇,、電機(jī)的參數(shù)優(yōu)化及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),。
3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)器人自由移動(dòng)的主要部件，決定了機(jī)器人在豎直玻璃壁面上的移動(dòng)性能,。常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要包括步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī),。
爬壁機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在豎直玻璃壁面上的移動(dòng)，對(duì)電機(jī)的扭矩要求很高,，但一般步進(jìn)電機(jī)的扭矩都較小,。為使扭矩達(dá)到要求，電機(jī)的體積和質(zhì)量都會(huì)非常大,，不能滿足本文扭矩大,，而體積小、重量輕的要求,。
直流電機(jī)能夠?qū)⑤斎氲碾妷盒盘?hào)變成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變控制電壓即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,，用途很廣泛,。主要有如下優(yōu)點(diǎn)[4]：
(1)寬廣的調(diào)速范圍。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠隨著控制電壓的改變?cè)趯拸V的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié),。
(2)線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性,。直流電機(jī)在控制電壓一定時(shí)，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化而變化,。轉(zhuǎn)矩一定時(shí),，轉(zhuǎn)速則隨電壓的變化而線性調(diào)節(jié)。線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度,。
(3)快速響應(yīng),。電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小,，相應(yīng)地要有較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。電機(jī)的轉(zhuǎn)速能隨著控制電壓的改變而迅速改變,。
因此,，本文采用直流電機(jī)中的直流減速電機(jī)，即齒輪減速電機(jī),。該電機(jī)是在直流電機(jī)的基礎(chǔ)上,，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是提供較低的轉(zhuǎn)速,，較大的力矩,。同時(shí)，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩,。相對(duì)于步進(jìn)電機(jī),，直流減速電機(jī)可以提供更大的扭矩，同時(shí)質(zhì)量也大大減輕,。由于爬壁機(jī)器人對(duì)電機(jī)扭矩要求很高,、而轉(zhuǎn)速要求不高，因此可以采用大的減速比,，靠犧牲電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)獲得較大的扭矩,。
3.2 電機(jī)的參數(shù)優(yōu)化
機(jī)器人在豎直玻璃壁面上朝各個(gè)方向的移動(dòng)中，豎直向上移動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)力的要求最高,，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力不但要完全克服重力,，還要克服吸盤與壁面的滑動(dòng)摩擦力。設(shè)機(jī)器人的重力為20 N,，吸盤與玻璃壁面的摩擦力也為20 N(以最大值計(jì)算,，實(shí)際上達(dá)不到)，則：
其中,，f1為輪胎與玻璃壁面的靜摩擦力即機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力,，f2為吸盤與玻璃壁面的滑動(dòng)摩擦力，Lk為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩,，l為輪胎的半徑?，F(xiàn)在市面上應(yīng)用較普遍的輪胎的直徑為65 mm，由此可計(jì)算出Lk至少為1.3 N·m,。
本文的直流減速電機(jī)能達(dá)到的最大扭矩為2 N·m,，負(fù)載轉(zhuǎn)速為17 r/min，計(jì)算可得機(jī)器人的移動(dòng)速度約為7 cm/s,，滿足了設(shè)計(jì)要求,。
3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
由于微型真空泵是由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，本質(zhì)上同直流減速電機(jī)的控制原理相同，因此可以采用相同的控制驅(qū)動(dòng)電路,。
考慮到驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電壓為12 V,、電流為0.3 A及尺寸等因素，本文采用L298構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路,。L298是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓,、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是工作電壓高,，輸出電流大,，瞬間峰值電流可達(dá)3 A，持續(xù)工作電流為2 A,；內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器,，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)載[5]，滿足直流減速電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓和電流的具體要求,。
L298的4個(gè)輸出管腳OUT1,、OUT2、OUT3,、OUT4分別與左右輪驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的兩端相連,。由Atmega16L單片機(jī)輸出PWM波來(lái)控制L298的輸出?？刂齐姍C(jī)的輸出情況如表1所示,，其中，ENA為芯片的使能信號(hào),，A,、B分別為直流電機(jī)的兩個(gè)接線端，H,、L分別為控制信號(hào)的高低電平,。使能端高電平有效，通過(guò)對(duì)A,、B端高低電平的控制,，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn),、停止的控制,。微型真空泵的控制原理與直流減速電機(jī)控制原理相同。
圖3為直流減速電機(jī)及微型真空泵控制驅(qū)動(dòng)模塊電路,，主要包括L298驅(qū)動(dòng)芯片及其相關(guān)電路。
4 玻窗清潔機(jī)器人控制算法
控制系統(tǒng)中由應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制任務(wù),，因此,，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的好壞直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的控制質(zhì)量和控制效率。圖4為控制算法流程圖。首先對(duì)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)變量初始化,、I/O口初始化,、中斷系統(tǒng)初始化、外圍初始化等操作,；然后通過(guò)無(wú)線接收模塊nRF24L01接收來(lái)自手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的控制信號(hào),，依靠SPI與單片機(jī)進(jìn)行通信；最后,，單片機(jī)將無(wú)線接收模塊接收到的控制信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理,，產(chǎn)生控制左右電機(jī)的信號(hào)，并傳送給驅(qū)動(dòng)放大器,，經(jīng)放大后的控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī),，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位移動(dòng)控制。
5 玻窗清潔機(jī)器人測(cè)試
在實(shí)驗(yàn)室豎直玻璃上進(jìn)行測(cè)試,，玻璃面上涂有少許深色污漬,。如圖5所示，玻窗清潔機(jī)器人能很好地吸附在玻窗上,，并能實(shí)現(xiàn)在豎直方向全方位自由移動(dòng),。向上移動(dòng)速度為7 cm/s，向下移動(dòng)速度為14 cm/s,，左右移動(dòng)速度為10 cm/s,，其他方向移動(dòng)速度介于7~14 cm/s之間。實(shí)驗(yàn)表明,，該機(jī)器人能很好地去除玻璃上的污漬,，清潔效果良好。
針對(duì)目前高層住宅清洗玻璃時(shí)面臨的操作繁瑣,、難度較大,、危險(xiǎn)較高等問(wèn)題，本文介紹了一種新型玻窗清潔機(jī)器人,，給出了玻窗清潔機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)思路,，重點(diǎn)闡述了玻窗清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)模塊以及控制算法,。實(shí)驗(yàn)表明,，該玻窗清潔機(jī)器人可在豎直玻璃壁面全方位自由移動(dòng)，避免了玻窗清潔帶來(lái)的高空作業(yè)危險(xiǎn),，而且操作簡(jiǎn)單,、使用方便，有較高的可行性和準(zhǔn)確性,，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景,。
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