智能吸附擦玻璃裝置的設(shè)計(jì)研究

王超 王濤 劉鑫 李榮釗

摘 要：隨著城市現(xiàn)代化的逐漸發(fā)展，對(duì)于玻璃清潔的潔凈程度、清潔效率、安全性等要求逐漸增高。本文提出對(duì)于一種新型的智能吸附擦玻璃裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，利用智能識(shí)別、電子控制、全自動(dòng)多方向機(jī)械運(yùn)行等功能設(shè)計(jì)一種集自動(dòng)識(shí)別污漬、遠(yuǎn)程控制、快速高效清洗為一體的新型裝置。本文以該裝置為研究對(duì)象，以高效快速清潔玻璃為目標(biāo)對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行系統(tǒng)分析。

關(guān)鍵詞：玻璃清潔;自動(dòng)化;機(jī)械結(jié)構(gòu)

隨著城市現(xiàn)代化發(fā)展，特別是高層建筑的興起，以玻璃壁為代表的壁面結(jié)構(gòu)逐漸演繹成華麗的“城市外衣”，因此衍生出繁重的壁面清洗任務(wù)，并且許多國家已對(duì)建筑壁面的清洗要求做出了明確規(guī)定。另一方面，越來越奇特的建筑結(jié)構(gòu)使清洗的難度成倍增加，甚至采用傳統(tǒng)的清洗方法已無能為力。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國大多對(duì)于高層建筑的清洗是由人工完成的。然而，在社會(huì)文明高度發(fā)展的今天，對(duì)生命的關(guān)愛達(dá)到了前所未有的高度，要求停止使用蜘蛛人的呼聲不絕于耳，因此人們期待新的具有人性化的清洗方式出現(xiàn)。并且人工對(duì)于一些死角和頑固污漬無能為力。

1.智能吸附式擦玻璃裝置的設(shè)計(jì)綜述：

利用智能識(shí)別、電子控制、全自動(dòng)多方向機(jī)械運(yùn)行等功能設(shè)計(jì)具有自動(dòng)識(shí)別污漬及工作區(qū)域、自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制、高效快速清理污漬的新型擦玻璃裝置。采用二代MESM探測系統(tǒng)多傳感器識(shí)別工作環(huán)境及內(nèi)部微電腦處理器，成功將識(shí)別與控制融為一體，為該裝置提供了強(qiáng)大的中央控制單元。采用多連臂操作桿具有多方向多角度無死角清掃功能，大大提升了工作效率。因此，新型擦玻璃裝置的開發(fā)對(duì)解決集中現(xiàn)代高樓層玻璃清理困難、死角無法清掃、安全系數(shù)低等問題具有理論和現(xiàn)實(shí)意義，具有良好的社會(huì)化和產(chǎn)業(yè)化前景。

2.智能吸附式擦玻璃裝置的系統(tǒng)介紹：

本設(shè)備由機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、識(shí)別系統(tǒng)、人工控制系統(tǒng)等四大系統(tǒng)組成。其中APP客戶端系統(tǒng)和后臺(tái)管理系統(tǒng)構(gòu)成了智能設(shè)備的軟件部分;機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)構(gòu)成了智能設(shè)備的硬件部分。識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別周圍環(huán)境以及確保吸附安全后，將污漬情況以及工作范圍上報(bào)到電子控制系統(tǒng)，經(jīng)電子控制系統(tǒng)處理、分配后，將清潔指令發(fā)送至執(zhí)行系統(tǒng)，進(jìn)而控制機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行智能玻璃清潔。

2.1 機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)

機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)中的清潔系統(tǒng)主要由電機(jī)、主動(dòng)桿、中間桿、搖臂等構(gòu)成;在清潔系統(tǒng)裝置上，采用左右分離電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，左右的運(yùn)動(dòng)裝置由電機(jī)模塊和主動(dòng)桿模塊構(gòu)成;前后的運(yùn)動(dòng)裝置由搖臂系統(tǒng)以及上面的清潔模塊構(gòu)成。

清潔系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)動(dòng)式對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圍繞電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，主動(dòng)桿通過法蘭固定安裝在電機(jī)上，以軸承座電機(jī)裝置為轉(zhuǎn)動(dòng)中心保證主動(dòng)桿裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的垂直度，并且可以保證轉(zhuǎn)動(dòng)的準(zhǔn)確與快速程度。清潔裝置通過一個(gè)中間桿固定在主動(dòng)桿上，通過兩端軸承連接的中間桿，既加大了清潔系統(tǒng)清潔的空間，又通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)小角度帶動(dòng)清潔系統(tǒng)大范圍，大大提升了工作效率。

機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)中的牽引系統(tǒng)主要由吸盤裝置、同步輪裝置等構(gòu)成;在牽引系統(tǒng)裝置上采用同步輪與吸盤固定裝置分置。根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，在吸盤裝置中，控制電磁閥進(jìn)氣與出氣，結(jié)合真空發(fā)生器使吸盤緊緊的吸附在需要打掃的位置上;在同步輪裝置中，通過同步輪與同步帶之間的相互結(jié)合，使機(jī)器平穩(wěn)的向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)接收到控制系統(tǒng)的指令后，前后方向上通過前后共7個(gè)吸盤，伴隨電磁閥控制進(jìn)氣到真空發(fā)生器中，使吸盤固定在工作面上，然后水平并置的六組滑塊與滑軌協(xié)同工作，并且在機(jī)器前后5個(gè)同步輪連接3組前同步帶與1組后同步帶，采用同步帶提供前后運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，滑片導(dǎo)軌安裝固定在支撐板的兩側(cè)，水平移動(dòng)拉板放置在滑片導(dǎo)軌上，并依靠水平電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水平同步帶在水平面上左右移動(dòng)，輔助裝置運(yùn)行。兩組裝置交替運(yùn)行，使機(jī)器平穩(wěn)而快速地前后移動(dòng)。在左右方向上，在小范圍通過前端的電機(jī)裝置使連桿系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)。在大范圍上，主要通過四周的兩個(gè)內(nèi)外轉(zhuǎn)盤圈，中間加有軸承，使機(jī)器快速平穩(wěn)的進(jìn)行左右方向運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。

2.2 電子控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括主控模塊，冷卻控制模塊、顯示控制模塊、射頻模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊七個(gè)功能模塊。該系統(tǒng)通過各功能模塊采集、處理相關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和內(nèi)置軟件、人工操作、環(huán)境及機(jī)械執(zhí)行元件之間的信息交互，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與主控模塊間使用CAN通訊，無線通訊模塊、顯示控制模塊、射頻模塊與主控模塊間通過串口連接。

2.2.1主控模塊

為了能夠和多個(gè)模塊間進(jìn)行通訊，并提高多任務(wù)協(xié)調(diào)控制速度，我們選用了STM32F405VGT6芯片作為主控芯片，提供兩路CAN及多個(gè)串口與各模塊進(jìn)行通訊。

2.2.2溫度控制模塊

采用數(shù)字式溫濕度傳感器，把溫度物理量和濕度物理量，通過溫、濕度敏感元件和相應(yīng)電路轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集設(shè)備直接讀取得數(shù)字量。

2.2.3顯示控制模塊

用于顯示工作時(shí)間，以及報(bào)錯(cuò)提示。

2.2.4射頻模塊

通過id識(shí)別用戶身份，當(dāng)人工操控時(shí)，將其身份傳告控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)確定該用戶的控制權(quán)。

2.2.5冷卻控制模塊

當(dāng)溫度傳感器采集到的溫度超過某一警戒值，控制系統(tǒng)開啟冷卻裝置。

2.2.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

控制系統(tǒng)通過CAN通訊控制電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)。

該系統(tǒng)包括主體外殼、清潔裝置、便攜裝置、冷卻裝置、牽引裝置等五個(gè)部分，主體與清潔裝置之間相互配合，完成清潔功能;牽引系統(tǒng)保證裝置穩(wěn)定快速的到達(dá)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行清潔;冷卻裝置、便攜裝置作為保障系統(tǒng)保證整體設(shè)備的安全以及方便性。

3.新型智能吸附擦玻璃裝置優(yōu)勢分析：

3.1 基于二代MESM探測系統(tǒng)多傳感器識(shí)別工作環(huán)境及內(nèi)部微電腦處理器的信息識(shí)別、傳輸方式

利用主控模塊，無線通信模塊、溫度控制模塊、冷卻控制模塊、顯示控制模塊、射頻模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊七個(gè)功能模塊。通過各功能模塊采集、處理相關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和內(nèi)置軟件、人工操作、環(huán)境及機(jī)械執(zhí)行元件之間的信息交互，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與主控模塊間使用CAN通訊，無線通訊模塊、顯示控制模塊、射頻模塊與主控模塊間通過串口連接。

3.2 智能全面的安防保護(hù)裝置

利用溫濕度傳感器檢測設(shè)備內(nèi)溫度、濕度。溫度超限及時(shí)觸發(fā)冷卻裝置，既可有效防止溫度過高對(duì)智能設(shè)備內(nèi)部電路、電子元件的損害和對(duì)內(nèi)部機(jī)械構(gòu)件的腐蝕，也可有效地避免溫度過高引起內(nèi)部電子元件損壞引發(fā)火災(zāi)的情況發(fā)生。在外部安裝了扶手安裝系統(tǒng)，方便于人工的使用與安裝拆卸。

3.3 智能清潔系統(tǒng)

在清潔系統(tǒng)裝置上，采用左右分離電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，左右的運(yùn)動(dòng)裝置由電機(jī)模塊和主動(dòng)桿模塊構(gòu)成;前后的運(yùn)動(dòng)裝置由搖臂系統(tǒng)以及上面的清潔模塊構(gòu)成。采用轉(zhuǎn)動(dòng)式對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圍繞電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，主動(dòng)桿通過法蘭固定安裝在電機(jī)上，以軸承座電機(jī)裝置為轉(zhuǎn)動(dòng)中心保證主動(dòng)桿裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的垂直度，并且可以保證轉(zhuǎn)動(dòng)的準(zhǔn)確與快速程度。清潔裝置通過一個(gè)中間桿固定在主動(dòng)桿上，通過兩端軸承連接的中間桿，既加大了清潔系統(tǒng)清潔的空間，又通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)小角度帶動(dòng)清潔系統(tǒng)大范圍，大大提升了工作效率。