一種新型玻窗清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳可萬，溫志渝，高 亮，武 新，羅國希

(重慶大學(xué) 微系統(tǒng)研究中心,重慶 400044)

目前，市場上雖然出現(xiàn)了一些爬壁機(jī)器人，但至今還沒有一種專門針對(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的高空作業(yè)危險(xiǎn)，而且其操作簡單、使用方便，應(yīng)用價(jià)值高，市場前景廣闊。

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)由手勢識(shí)別和清潔機(jī)身兩個(gè)部分組成，如圖1所示。手勢識(shí)別部分利用MXC6202二軸加速度傳感器測量人手控制過程中的加速度值，將采集到的加速度值送入單片機(jī)中處理，經(jīng)過一定的算法得到控制信號(hào)，并通過無線發(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識(shí)別控制信號(hào)傳送給主控單片機(jī)[1]，經(jīng)過運(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。

圖1 玻窗清潔機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

該機(jī)器工作原理：通過微型真空泵抽氣，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)。

圖2 清潔機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)圖

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。現(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。

表1 電機(jī)的輸出

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；然后通過無線接收模塊nRF24L01接收來自手勢識(shí)別系統(tǒng)發(fā)送來的控制信號(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。

圖3 直流減速電機(jī)及微型真空泵控制驅(qū)動(dòng)模塊電路

圖4 控制算法流程圖

5 玻窗清潔機(jī)器人測試

在實(shí)驗(yàn)室豎直玻璃上進(jìn)行測試，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7cm/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。

圖5 玻窗清潔機(jī)器人清潔玻璃

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的高空作業(yè)危險(xiǎn)，而且操作簡單、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)值和廣闊的市場前景。

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